Глобальная навигационная спутниковая система BeiDou

История создания ГНСС BeiDou

BeiDou logo

Китайская навигационная система получила название Beidou Серии BNTS (BeidouNavigationTestSatellite). Название аппаратов происходит от китайского наименования созвездия Большой Медведицы.

Идея создания китайской региональной навигационной системы из двух КА на геостационарной орбите была предложена в 1983 г. Чэнь Фанъюнем (ChenFangyun). Концепция прошла экспериментальную проверку в 1989 г. Эксперимент проводился на базе двух находящихся на орбите КА DFH-2/2A.

В 1993 г. программа Бэйдоу была официально запущена в реализацию. В конструкции аппарата был использован тот же базовый блок, что и у связного спутника DFH-3. КА построен на базе связной геостационарной платформы DFH-3.

С 1994 года Китай приступил к самостоятельной разработке спутниковой навигационной системы. 15 декабря 2003 года китайская система БЭЙДОУ первого поколения была сдана в эксплуатацию, что позволило стране войти в тройку стран, владеющих собственной спутниковой навигационной системой. До этого подобные научно-технические изобретения были созданы в России, США и Европе. Фаза БЭЙДОУ-1 представляла собой спутниковую навигацию исключительно на территории Китая.

В 2000 году начато проектирование второго поколения навигационной системы (БЭЙДОУ-2), которая включила большее число спутников и смогла обслуживать не только территорию КНР, но и другие районы.

Развитие системы БЭЙДОУ второго поколения стартовало в 2004 году. Система БЭЙДОУ-2 (также имеет название Compass) разрабатывалась по принципу совместимости с БЭЙДОУ-1, с применением схемы пассивного позиционирования, что позволяло ей обеспечивать пользователей в странах Азиатско-тихоокеанского региона услугами определения местоположения, скорости, времени, широкодиапазонных дифференциальных поправок и отправки коротких сообщений. Как и другие системы позиционирования, ГНСС Бэйдоу начала предоставлять два раздельных сервиса - для гражданского использования и для военных нужд.

Первый из четырех геостационарных аппаратов БЭЙДОУ-2 запущен в апреле 2007 года.

Третий этап – это создание системы третьего поколения БЭЙДОУ-3, начат в 2009 году. Основной целью являлось обеспечение к 2018 году основных услуг для пользователей, находящихся на территории и акватории обоих Шелковых путей (сухопутного и водного), а также соседних регионов, и завершение развертывания орбитальной группировки из 35 КА, предназначенной для обеспечения услугами пользователей глобально в 2020 году.

В 2018 г. завершено развертывание базовой инфраструктуры системы мониторинга и оценки iGMAS, состоящей из 24 наземных станций и различных центров обработки и анализа, в результате чего улучшено качество услуг Бэйдоу-2, в т.ч. точность позиционирования в зоне обслуживания доведена до значений лучше 5 м.

В ноябре 2017 года подписано Совместное китайско-американское заявление о совместимости и взаимодополняемости систем Бэйдоу и GPS.


ГЛОНАСС и BEIDOU

В ноябре 2018 года заключено соглашение между Правительствами Российской Федерации и КНР о сотрудничестве в области применения глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и БЭЙДОУ в мирных целях.

2 августа 2019 г. подписан закон о ратификации российско-китайского межправительственного Соглашения о сотрудничестве в области применения глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и БЭЙДОУ. Соглашение подписано с целью обеспечения совместимости и взаимодополняемости навигационных спутниковых систем – российской ГЛОНАСС и китайской Beidou. В частности, стороны обязались разместить измерительные станции системы ГЛОНАСС на территории Китая и системы БЭЙДОУ на территории России.

Также Москва и Пекин договорились осуществлять разработку и производство гражданского навигационного оборудования, использующего эти системы.


Принцип работы ГНСС BeiDou

Как и в спутниковых системах ГЛОНАСС И GPS, спутниковая навигация системы БЭЙДОУ осуществляется путем измерения дальности прохождения сигнала от передатчика (спутника или наземной станции) – к приемнику (навигатору или смартфону). Скорость распространения радиоволн фиксирована (она ровна скорости света), поэтому зная координаты хотя бы трех источников сигналов, можно определить место положения приемника.

Управление КА Beidou осуществляется из Центра управления спутниками в г.Сиань (провинция Шаньси).

Космический сегмент БЭЙДОУ представляет собой орбитальную группировку смешанного типа, состоящую из КА на орбитах 3 типов. Изначально планировалось, что в 2020 году орбитальная группировка БЭЙДОУ будет состоять из 35 КА, из которых 5 КА Beidou-G должны находиться на геостационарной орбите (точки 58,75° в.д., 80° в.д., 110,5° в.д., 140° в.д. и 160° в.д.), 27 КА Beidou-M – на средней круговой орбите (высота 21 500 21528 км, период обращения 12 ч 53 мин, наклонение 55°) и 3 КА Beidou-IGSO – на геосинхронных наклонных высоких орбитах (три плоскости с пересечением подспутниковой точки трёх орбит на широте 118° в.д., высотой орбиты 35 786 км, наклонением 55°), (в трех плоскостях с высотой орбит 35 786 км и наклонением 55°), подспутниковые точки которых движутся на поверхности Земли по одной трассе в форме восьмерки, ось симметрии которой находится на долготе 118° в.д.


КОСМИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ

Начиная с 2000 года в Китае ведётся масштабный вывод на орбиту спутников, которые должны обеспечивать жителей страны качественной спутниковой навигацией.

К концу 2011 года на орбиты было выведено 8 КА, БЭЙДОУ была введена в строй в качестве региональной системы для обеспечения потребителей навигационными услугами BDS, включая широкозонную дифференциальную коррекцию и передачу коротких сообщений.

В 2012 году покрытие системы охватило Азиатско-Тихоокеанский регион.

30 сентября 2015 года был запущен первый спутник BDS-3, явившийся началом создания 3-го поколения системы БЭЙДОУ (BDS-3).

К концу 2016 года было запущено еще 14 спутников (5 геостационарных спутников, 5 спутников на наклонной геосинхронной орбите (ГСНО) и 4 спутника на средних орбитах), что позволило завершить развертывание группировки БЭЙДОУ -2.

За период c начала 2017 года по 1 квартал 2018 года были успешно запущены 4 пары спутников BeiDou-3: 05.11.2017, 12.01.2018, 12.02.2018, 30.03.2018. С запуском в ноябре 2018 г. 17-го и 18-го среднеорбитальных НКА и первого геостационарного НКА развёрнута базовая орбитальная группировка БЭЙДОУ - 3. Таким образом, в составе орбитальной группировки БЭЙДОУ -3 на конец 2018 года находилось: на средних орбитах – 18 НКА; на геостационарной орбите – 1 НКА.

Планомерное развитие системы БЭЙДОУ продолжалось с учетом выпуска обновления технической информации, публикацией планов по новым запускам, а также демонстрацией возможности реализации глобальной услуги коротких текстовых сообщений.

27 декабря 2018 года Китай объявил об успешном завершении второго этапа создания системы BDS-3 и начале предоставления первичных навигационных услуг системы БЭЙДОУ в глобальном масштабе.

20 апреля 2019 года Китай запустил 44-й космический аппарат БЭЙДОУ, являющийся и первым спутником третьего поколения БЭЙДОУ -3 (BDS-3) на наклонной геосинхронной орбите Земли.


СПУТНИКОВАЯ ГРУППИРОВКА В 2020 ГОДУ

В период с марта по июнь 2020 года на геостационарную орбиту (ГСО) было запущено два спутника серии BDS-3, одновременно с этим были завершены испытания двух спутников, размещенных на наклонной геосинхронной орбите (НГСО), двух спутников, размещенных на ГСО и двух спутников, размещенных на средней околоземной орбите (СОО).

По результатам проведенных мероприятий глобальная спутниковая группировка была введена в строй.

На данный момент система БЭЙДОУ предлагает пользователям по всему миру следующие типы услуг: определение местоположения, услуги координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО), глобальная услуга передачи коротких сообщений (GSMC), региональная услуга передачи коротких сообщений (RSMC), международная служба сопровождения поисково-спасательных операций (SAR), система функционального дополнения космического базирования (BDSBAS), система функционального дополнения наземного базирования (BDGAS) и услуга высокоточной навигации в реальном времени (PPP). В рамках реализации системы БЭЙДОУ прикладываются постоянные усилия в направлении развития возможностей ГНСС и содействие развитию приложений и технологий, используемых в рамках работы ГНСС.


ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ СПУТНИКОВОЙ ГРУППИРОВКИ

К концу 2020 года пользователям по всему миру предлагались услуги, предоставляемые от 45 спутников, использующихся по целевому назначению: 15 спутников серии 15 БЭЙДОУ-2 и 30 спутников серии БЭЙДОУ -3.

В целом, точность передаваемого в пространстве сигнала системы БЭЙДОУ не хуже 0,5 м, точность определения местоположения (в среднем по всему миру) не хуже 10 м, точность измерения скорости 0,2 м/сек, а точность определения времени не хуже 20 наносекунд. В Азиатско-Тихоокеанском регионе точность определения местоположения с помощью системы BDS около 5 м, точность измерения скорости 0,1 м/сек, а точность определения времени менее 10 наносекунд.

В ключевой области покрытия доступны 30 спутников серии БЭЙДОУ-3 и 15 спутников серии БЭЙДОУ -2, которые обеспечивают совместное предоставление услуг, используя сигналы в диапазонах B1I и B3I. Фактические средние измеренные точности определения местоположения составляют примерно 1,48 м по горизонтали и 2,99 м по вертикали (с вероятностью 95%), что лучше примерно на 30% и 5% соответственно, в отличие от результатов, которые были достигнуты, если полагаться только на возможности системы BDS-2.

В будущем планируется создание более «умной», более доступной и более интегрированной навигационной системы на базе БЭЙДОУ, которая должна быть запущена к 2035 году.

Китай активно занимается развитием национальной космической программы. Китайские специалисты разрабатывают метеорологические, телекоммуникационные и навигационные спутники. Также они работают над созданием технологии для освоения Луны. Кроме того, учение реализуют проект по исследованию астероидов и Марса. К его изучению они собираются приступить в 2020–2025 годах.


5 КА на геостационарной орбите (ГCО)

точки

58,75°в.д., 80°в.д., 110,5°в.д., 140°в.д., 160°в.д.

высота

35 786 км

27 КА на средних круговых орбитах

количество плоскостей

3

наклонение

55°

высота

21 528 км

период

12 ч 53 мин 24 с

3 КА на наклонной геосинхронной орбите (ГСНО)

пересечение экватора подспутниковой трассой в точке 118°в.д.

наклонение

55°

высота

35 786 км


 

Типы КА

КА НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ И ГЕОСИНХРОННОЙ НАКЛОННОЙ ОРБИТЕ:

Головной подрядчик

Китайская академия космических технологий CAST

Спутниковая платформа

DFH-3/3B

САС

~15 лет 

Масса 

828 кг 

Сигналы

B1 (открытый и специальный), B2(открытый), B3(специальный)

БСУ

2 Rb (китайского производства)

Дополнительное оборудование

лазерные отражатели

регистраторы космических частиц

 

КА BEIDOU НА СРЕДНЕВЫСОТНОЙ ОРБИТЕ:

Головной подрядчик

Китайская академия космических технологий CAST

Спутниковая платформа

DFH-3B

САС

~12 лет

Масса

1625 кг

Сигналы

B1 (открытый и специальный), B2(открытый), B3(специальный)

БСУ

2 Rb (китайского производства)

Дополнительное оборудование

лазерные отражатели

регистраторы космических частиц

 

Навигационные радиосигналы

Космические аппараты системы БЭЙДОУ-2, находящейся в эксплуатации, передают сигналы B1 и B2, что позволяет предоставлять открытые бесплатные услуги в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Предполагается излучение навигационных радиосигналов в трёх частотных диапазонах B1, B2 и B3, расположенных в тех же областях L-диапазона, что и сигналы других ГНСС.

После запуска в 2015 году КА нового поколения руководство программой БЭЙДОУ сообщило об изменении структуры навигационного сигнала B1: смещение центральной частоты c 1561,098 МГц на 1575,42 МГц (как у гражданских сигналов GPS L1 и Galileo E1) и изменение модуляции QPSK на MBOC (аналогичную модуляции будущего сигнала GPS L1C и Galileo E1). Это направлено на обеспечение взаимодополняемости системы БЭЙДОУ c ГНСС ГАЛИЛЕО и GPS.


Спектр навигационных радиосигналов системы БЭЙДОУ

BeiDou сигналы


Характеристики навигационных радиосигналов системы БЭЙДОУ

Диапазон

Несущая частота, МГц

Сигнал

Длительность
кода ПСП, символы

Тактовая частота, МГц

Вид модуляции

Скорость
передачи ЦИ,
БИТ/С

B1

1 575,42

B1-CD
B1-CP
B1D
B1P
2 046 1,023
1,023
2, 046
MBOC (6, 1, 1/11)
MBOC (6, 1, 1/11)
BOC (14, 2)
50/100
нет
50/100

B2

1 191,79

B2aD
B2aP
B2bD
B2bP
2 046 10,23
10,23
10,23
10,23
AltBOC (15, 10)
AltBOC (15, 10)
AltBOC (15, 10)
AltBOC (15, 10)
25/50
нет
50/100
нет
B3 1 268,52 B3
B3-AD
B3-AP
10,23
2,5575
2,5575
QPSK (10)
BOC (15, 2,5)
BOC (15, 2,5)
500
50/100
нет



СИСТЕМА КООРДИНАТ И ШКАЛА ВРЕМЕНИ

Система координат

Параметры движения КА БЭЙДОУ передаются в китайской геодезической системе координат 2000 г. (China Geodetic Coordinate System 2000 – CGCS2000). Центр данной системы координат совпадает с центром масс Земли. Ось Z направлена на опорный полюс Международной службы вращения Земли (IERS Reference Pole), ось X – из центра системы координат в точку пересечения опорного меридиана Международной службы вращения Земли (IERS Reference Meridian) и плоскости, перпендикулярной оси Z. Ось Y дополняет данную систему координат до правой тройки.

Система времени


В качестве шкалы времени системы определено китайское универсальное глобальное время, которое поддерживается атомными стандартами частоты, установленными в центре управления в Пекине. Время системы БЭЙДОУ (BDT) связано с координированным всемирным временем (UTC) и синхронизировано с ним с точностью 100 нс. Началом отсчёта BDT является 0 ч 0 мин 1 января 2006 (UTC). По заявлению создателей системы, предусмотрена совместимость BDT со временем GPS/Galileo. Расхождение между шкалами времени GPST/GST измеряется и передаётся.


Наземный комплекс управления

Наземный комплекс управления БЭЙДОУ построен по классической централизованной схеме: сеть беззапросных измерительных станций формирует отсчёты первичных измерений навигационных параметров радиосигналов навигационных космических аппаратов и передаёт их в центр управления системой, в котором формируется информация, закладываемая на борт космических аппаратов посредством специальных земных станций.

Сеть беззапросных измерительных станций БЭЙДОУ также располагается на территории Китая. Долгосрочная стратегия развития системы предполагает создание глобальной сети станций для повышения точностных характеристик навигационных услуг системы БЭЙДОУ.