Модуль BeiDou; что это такое

Модуль BeiDou — что это такое?

Изучая спецификации китайских брендовых и безымянных смартфонов и планшетов в разделе «Навигация», можно встретить строчку с непонятной аббревиатурой BeiDou. О том, что это такое и расскажет эта статья.

1. Что такое BeiDou
2. Принцип работы
3. Точность и частоты
4. Чем BeiDou отличается от GPS
5. Перспективы системы

Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции

В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.

Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.

После отмены ограничений на точность определения координат ошибка снизилась со 100 до 20 м (в последних поколениях GPS-приёмников при идеальных условиях ошибка не превышает 2 м). Такие условия позволили использовать систему для широкого круга общих и специальных задач:

• Определение точного местоположения
• Навигация, движение по маршруту с привязкой к карте на основании реального местоположения
• Синхронизация времени

Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).

ГЛОНАСС

Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.

Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.

Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.

Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.

Galileo

Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.

Compass

Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.

Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.

Поддержка ГНСС

Поддержка технологи глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в электронных устройствах реализуется на базе навигационных приемников, которые могут быть выполнены в различных вариантах:

• Smart Antenna — модуль, состоящий из керамической антенны и навигационного приемника. Преимущества: компактность, не требует согласования, удешевляет разработку за счет сокращения сроков.
• MCM (Multi Chip Module) — чип, включающий все компоненты навигационного приемника.
• OEM — экранированная плата, включающая ВЧ интерфейсный процессор и процессор частот основной полосы (RF-frontend + baseband), SAW-фильтры и обвязку. Это наиболее популярное решение на данный момент.

Навигационный модуль подключается к микроконтроллеру или системе на кристалле по интерфейсу UART/RS-232 или USB.

Ключевые параметры навигационных приемников

Прежде чем навигационный приемник сможет выдавать информацию о местоположении, он должен обладать тремя наборами данных:

1. Сигналы от спутников
2. Альманах — информация о приблизительных параметрах орбит всех спутников, а также данные для калибровки часов и характеристики ионосферы
3. Эфемериды — точные параметров орбит и часов каждого спутника

Характеристика TTFF показывает сколько времени требуется приемнику на поиск сигналов от спутников и определение местоположения. Если приёмник новый, или был выключен на протяжении длительного периода, или был перевезен на большое расстояние с момента последнего включения, время до получения набора необходимых данных и определения места увеличивается.

Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.

Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.

Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.

Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.

Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.

Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.

Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.

В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.

Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.

Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.

В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.

Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается большая область приема, чем при наземных методах.

Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета

Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США

Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.

Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.

Дополнительные функции навигационных устройств

Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).

Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).

На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.

Навигационная спутниковая система GLONASS

GLONASS расшифровывается как Глобальная навигационная спутниковая система и является альтернативой GPS, созданной Советским Союзом . В настоящее время эта глобальная спутниковая навигационная система принадлежит Российской Федерации и имеет в общей сложности 31 спутник на орбите на высоте около 19 000 километров над уровнем моря.

Как и GPS, спутниковая сеть GLONASS обеспечивает покрытие по всему миру с точностью, аналогичной GPS, хотя в некоторых частях мира, например, в южном полушарии, точность системы США может быть немного лучше. В любом случае, есть несколько производителей мобильных устройств с Android, которые используют его вместо GPS или сочетают и то, и другое.

Китайская навигационная система «Бэйдоу». Американцам придётся потесниться?

Китайская спутниковая навигационная система «Бэйдоу» готовится потеснить американскую GPS на мировом рынке. На сентябрь 2019 года Китай развернул в космосе 42 навигационных спутника, 34 из которых используются по своему целевому назначению. Учитывая поддержку со стороны российской системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и проблемы европейской навигационной системой «Галилео», которая в июле 2019 года отключалась сразу на несколько дней, именно китайская система «Бэйдоу» считается единственной навигационной системой, способной бросить вызов США.

О спутниковой навигационной системе «Бэйдоу»

О собственной системе спутниковой навигации в Китае задумались еще в 1983 году. Первая экспериментальная проверка концепции системы, в которой использовалось всего два спутника на геостационарных орбитах, прошла в 1989 году. Еще через пять лет в 1994 году начался первый этап развертывания китайской спутниковой навигационной системы, получившей название «Бэйдоу», в переводе с китайского «Северный ковш» (так в КНР называют знакомое всем созвездие Большой Медведицы). Развитие системы шло постепенно, первое поколение спутников Бэйдоу-1 было сдано в эксплуатацию в 2003 году. Это было всего три спутника, все они уже выведены с орбиты Земли. Система Бэйдоу-1 была продолжением эксперимента на новом технологическом уровне.

Вторая реализованная система, Бэйдоу-2, была уже полностью работоспособной, но обеспечивала лишь региональное позиционирование. Основным предназначением данной спутниковой системы было обеспечение надежного покрытия всей территории КНР, а также прилегающих азиатских государств. Система была развернута с 2004 по 2012 год. Всего за это время Китай вывел в космос 14 навигационных спутников, из которых по пять спутников располагались на геостационарной и наклонной геосинхронной орбитах, а четыре оставшихся спутника на средних орбитах. Развернутая спутниковая группировка была совместима с аппаратами системы Бэйдоу-1. Для Китая и китайской космонавтики это был существенный шаг вперед. К концу 2012 года страна сумела обеспечить пользователям, находящимся в Азиатско-тихоокеанском регионе, доступ к услугам определения точного местоположения, времени, скорости и т.д. Большая часть данных спутников по-прежнему находится в эксплуатации.

Третий этап развития китайской спутниковой навигационной системы получил название Бэйдоу-3. Данная система позиционируется уже как глобальная. Именно Бэйдоу-3 будет напрямую конкурировать с американской GPS, европейской Galileo и российской системой ГЛОНАСС. Полностью закончить развертывание системы КНР рассчитывает к 2020 году, развернув группировку из 35 космических аппаратов трех типов. В системе Бэйдоу-3 будет 27 спутников Beidou-M, расположенных на средней круговой орбите, пять спутников Beidou-G на геостационарной орбите и еще три спутника Beidou-IGSO, расположенных на геосинхронных наклонных высоких орбитах.

Перечисленные спутники построены на двух основных платформах: DFH-3B (работают на средней околоземной орбите), DFH-3/3B (работают на геостационарной и геосинхронной наклонной орбите). Отличительной особенностью спутников является достаточно большой срок эксплуатации. Качественная элементная база позволяет первым работать в космосе примерно 12 лет, вторым – до 15 лет. Стоит отметить, что в настоящее время в работоспособном состоянии находятся еще спутники Бэйдоу-2, выведенные в космос в 2009 году. В этом отношении китайские спутники превосходят аппараты «Глонасс-М» со сроком активной службы 7 лет и «Глонасс-К» со сроком активной службы 10 лет. В то же время самый старый из действующих российских спутников системы ГЛОНАСС находится на орбите с 2006 года.

«Бэйдоу» плюс ГЛОНАСС

Еще в 2015 году был создан российско-китайский комитет, занимающийся реализацией проекта по важному для обеих стран сотрудничеству в области спутниковой навигации. Комитет был создан «Роскосмосом» и Комиссией по китайской навигационной системе. Одним из главных направлений работы комитета является обеспечение совместимости работы и взаимодополняемости навигационных систем двух стран, а также сотрудничество в области применения навигационных технологий. Российско-китайское сотрудничество в этом вопросе отвечает стратегическому взаимодействию между двумя государствами.

С 28 по 30 августа 2019 года в столице Республики Татарстан прошло очередное заседание Российско-Китайского комитета по спутниковой навигации. Заседание было посвящено обсуждению различных аспектов взаимодействия национальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и BeiDou, сообщает официальный сайт «Роскосмоса». Одним из участников заседания был Сергей Ревнивых, занимающий пост заместителя генерального директора компании «Информационные спутниковые системы», которая занимается производством российских спутников ГЛОНАСС. Участники группы по обеспечению взаимодополняемости и совместимости двух навигационных систем представили итоги проведенного анализа, который подтвердил радиочастотную совместимость сигналов российской системы ГЛОНАСС и китайской BeiDou. Специалисты двух стран заключили, что сигналы двух спутниковых навигационных систем могут использоваться российскими и китайскими потребителями, не создавая помех друг другу. Помимо этого, инженеры двух стран подтвердили, что группировки спутников «Бэйдоу» и ГЛОНАСС, развернутые на орбите Земли, совместимы. Опасность столкновения российских и китайских навигационных спутников на земной орбите полностью исключена.

Стоит также отметить, что в июле 2019 года Госдума Российской Федерации ратифицировала соглашение между правительствами двух стран в области сотрудничества и применения глобальных навигационных спутниковых систем в мирных целях, обмену опытом в области гражданского применения систем спутниковой навигации, развитию навигационных технологий, использующих системы «Бэйдоу» и ГЛОНАСС. Само соглашение о сотрудничестве в области использования навигационных систем BeiDou и ГЛОНАСС было подписано 7 ноября 2018 года в китайской столице в рамках 23-й регулярной встречи глав правительств двух государств. По словам вице-премьера российского правительства Максима Акимова, до конца 2019 года должен быть утвержден документ, регламентирующий вопросы размещения измерительных станций на территории России и КНР.

Измерительные станции двух систем, которые должны появиться на территории Китая и Российской Федерации, позволят спутниковым навигационным системам работать на территории двух государств. Ратифицированный Госдумой РФ документ предполагает также сотрудничество двух стран в области создания и серийного выпуска навигационного оборудования гражданского назначения, использующего системы «Бэйдоу» и ГЛОНАСС. Отдельно оговаривается и процесс разработки российско-китайских стандартов по применению навигационных технологий, которые используют обе системы. К примеру, стандартов по контролю и управлению транспортными потоками, которые пересекают границу двух стран. Как сообщает агентство «Интерфакс», навигационные данные систем ГЛОНАСС и «Бэйдоу» жители двух стран будут получать бесплатно. Реализация достигнутых договоренностей сделает возможным использование услуг «Бэйдоу» в России пользователями из КНР и получение навигационных услуг ГЛОНАСС на территории Китая.

Перспективы системы «Бэйдоу»

Китай, который претендует на место одной из главных мировых сверхдержав и уже официально стал крупнейшей экономикой в мире, много внимания уделяет соперничеству с США. Очевидно, что это соперничество будет усиливаться и в космосе, где КНР реализует сегодня ряд амбициозных проектов, включившись в новую лунную гонку. Нет никаких сомнений в том, что уже в скором времени мы увидим соперничество китайской системы спутниковой навигации «Бэйдоу» с американской системой глобального позиционирования GPS, которая широко используется во всем мире.

В китайской прессе уже пишут о том, что американской системе придется потесниться. Действительно, китайская навигационная система новее, орбитальная группировка КНР больше, а сотрудничество с Россией в вопросе спутниковой навигации сделает китайскую систему еще более точной. Реальное сотрудничество между Россией и КНР в области спутниковой навигации, которое мы наблюдаем последние годы, действительно станет вызовом для американской системы GPS, которая длительное время практически не сталкивалась с реальной конкуренцией на международном рынке. Европейскую спутниковую систему Galileo в Китае серьезно не рассматривают во многом из-за недавнего масштабного сбоя, который произошел в июле 2019 года, когда на несколько суток из строя вышли все спутники системы, а пользователи не могли получить сигнал с космических аппаратов. На самом деле масштабный сбой для Galileo штука очень неприятная, но не настолько критичная, как возможный сбой GPS или ГЛОНАСС, так как в отличие от двух последних европейская навигационная система не контролируется военными.

В то же время США вряд ли отдадут сегмент международного рынка спутниковой навигации без боя. Вашингтон уже давно работает над развитием своей системы глобального позиционирования. 1 октября 2019 года пресс-служба американской корпорации Raytheon распространила заявление о завершении процесса создания спутниковой системы навигации и связи GPS нового поколения. Как отмечают в компании, запуск нового поколения системы должен произойти в 2021 году. В сообщении Raytheon говорится о том, что аппаратное и программное обеспечение новой системы уже разработано, она получила обозначение GPS OCX. Специалисты компании приступили к фазе её тестирования, а также к интеграции с оборудованием уже развернутой системы глобального позиционирования.

Этапы запуска системы BeiDou.

Чтобы достичь таких результатов, проект был тщательно подготовлен в три этапа:

• первый этап (BeiDou-1) начался в 2000 году

Первые четыре спутника BeiDou-1 были размещены на геостационарной орбите (GEO), а не на средней околоземной орбите (MEO), как в случае с GPS и ГЛОНАСС.

• второй этап в 2007 году

BeiDou-2, также известный как COMPASS, был представлен как существенное обновление по сравнению с предыдущей системой (BeiDou-1). До 2008 года китайская навигационная система предоставляла свои услуги только военным органам и другим ведомствам Китая.

На этом этапе было развернуто в общей сложности 19 спутников. На начальной стадии COMPASS заявлял точность позиционирования 25 метров, но она была существенно улучшена после того, как спутников стало больше.

• третий этап начался в 2015 году

Из общего числа спутников (35), 27 являются спутниками средней околоземной орбиты (MEO), 5 спутников наклонной геосинхронной орбиты (IGSO) и 3 спутника на геостационарной орбите (GEO).

Ожидается, что навигационная спутниковая система BeiDou начнет функционировать в глобальном масштабе с 2020 года.

Проще говоря, BeiDou является китайской версией GPS, но в региональном масштабе, по крайней мере, на данный момент. Это всего лишь вторая региональная навигационная система, действующая в Азии, другая – NAVIC – принадлежит Индии.

Точность и частоты.

Как и GPS и Galileo, BeiDou работает на двух разных уровнях – свободно доступный сервис для гражданского использования и ограниченный вариант для военных. Свободно доступный сервис имеет точность отслеживания местоположения 10 метров и точность синхронизации 10 наносекунд. Военные службы имеют гораздо более высокую точность отслеживания – 10 сантиметров и обладают расширенными возможностями передачи данных.

Существует высокая вероятность того, что, если обе навигационные системы (BeiDou и Galileo) будут работать одновременно в одинаковых условиях, они будут испытывать сильные помехи.

Однако, чтобы избежать конфликтов такого типа, Международный союз электросвязи (МСЭ) создал универсальный закон: «первым пришел – первым обслужен», который предоставляет права на определенную частоту нации, которая начинает вещание в ней первым. Любая последующая страна, желающая использовать эту частоту, должна будет получить разрешение от страны-владельца для ее применения. Таким образом, обе стороны могут обеспечить отсутствие помех для их трансляций.

Коммерческое использование BeiDou.

Навигационная спутниковая система BeiDou получила коммерческий успех в Китае. С 2013 года многие производители мобильных телефонов в Китае сделали свои продукты совместимыми с навигационной системой BeiDou. Миллионы коммерческих транспортных средств, тысячи рыболовных судов также были оснащены данной системой BDS.

Чем BeiDou отличается от GPS?

Изначально GPS разрабатывалась с целью использования в военных операциях. В итоге до сих пор GPS контролируется военными США, что не дает многим другим странам положиться на данную навигационную систему. Наличие спутниковой системы навигации очень важно, учитывая нынешнюю геополитическую и экономическую ситуацию в мире.

GPS состоит из 31 спутника, тогда как в ближайшем будущем BeiDou будет состоять из 35. Ожидается, что спутниковая навигационная система BeiDou в полном объеме (с 2020 года) будет предоставлять более точные услуги определения местоположения по сравнению с GPS.

Другие системы спутниковой навигации

Помимо BeiDou, есть еще несколько спутниковых навигационных систем, которые в настоящее время находятся в стадии строительства или уже работают. Наиболее известной из этих систем является Galileo. Galileo Европейского Союза – это многомиллиардный проект, который был инициирован с целью обеспечения высокоточной и независимой системы позиционирования для европейских стран с учетом геополитических факторов. Все созвездие Галилео состоит из 26 спутников с шестью дальнейшими развертываниями в течение следующего десятилетия.

Еще одной автономной навигационной системой, состоящей из группировки из четырех спутников (планируется разместить еще три спутника), является IRNSS (сокращение от Индийской региональной навигационной системы) или NAVIC. НАВИК самостоятельно разрабатывается и обслуживается Индийской организацией космических исследований.

По-видимому, IRNSS обеспечивает точность позиционирования 10 м (открытый сервис) и 10 см (ограниченный сервис). В отличие от GPS, ГЛОНАСС и Galileo, индийская навигационная система не имеет непосредственных планов предоставлять глобальные услуги.

Анимация, изображающая спутниковую орбиту QZSS. Изображение предоставлено Hiroshi FUKUDA

Далее следует японская спутниковая система “Квазизенит” или QZSS. Это спутниковая система дополнения, совместимая с GPS, которая в основном повысит точность и надежность GPS над Японией и ее окрестностями. В настоящее время система QZSS состоит из четырех спутников, но к 2023 году она будет постепенно расширена до семи (по оценкам).

Три из четырех его спутников расположены на сильно наклоненных геосинхронных орбитах, на расстоянии около 120° друг от друга. Этот высокий наклон позволяет им вращаться по орбите по уникальной асимметричной схеме, известной как аналеммы, и постоянно присутствовать над Японией. Сигналы, передаваемые спутниками QZSS, идентичны старым и модернизированным сигналам GPS (L1C / A, L1C, L2C), что облегчает сотрудничество с американской навигационной сетью.

Опасна ли система GPS?

Данная информация одновременно впечатляет и пугает. Некоторые эксперты по безопасности начали сомневаться в сохранности личных данных пользователей. Их обеспокоенность вполне обоснована, потому что речь, как-никак, идет об информации о местоположении людей с точностью до нескольких метров. Недавно даже сам «отец GPS» Брэдфорд Паркинсон объявил, что он недоволен тем, что его технологию используют для слежения за людьми. Ведь ученый надеялся, что его система всего лишь будет помогать доехать на автомобиле до нужного места.

Важно понимать, что сами спутники не могут раскрыть информацию о местоположении человека — у них этих данных попросту нет. Злоумышленники могут раскрыть местоположение человека только взломав его смартфон, поэтому GPS-спутники являются опасными лишь косвенно.

Как работает BeiDou

Мы с вами обсудили, что это такое модуль BeiDou в смартфоне – пора разобраться, как он работает. Все достаточно просто – разберется даже новичок.

Система BeiDou состоит из двух структур:

• Космическая . Несколько спутников вращаются на околопланетных орбитах;
• Наземная . Станции, расположенные на земле, служат для повышения точности навигации и увеличения скорости работы системы.

Китайская спутниковая навигационная система Бэйдоу определяет местоположение устройства следующим образом:

• Измерение скорости прохождения радиоволны от приемника (смартфон, планшет) до спутника или наземного передатчика;
• Замеры радиоволн применяются по простой причине – скорость статична и равна скорости света;
• Система использует координаты минимум трех источников – благодаря постоянной скорости распространения волн в атмосфере, можно определить местоположение с высокой точностью (погрешность менее метра).

Зона распространения

Разработчики смотрят в будущее с оптимизмом – в ближайшее время планируется расширение системы и увеличение количества современных спутников на орбите. Сейчас основная зона охвата распространяется на такие страны:

• Китай;
• Пакистан;
• Таиланд;
• Сингапур;
• Австралия;
• Часть России;
• Территория Восточной Европы.

Пока применить слово «глобальная» не получится – масштаб распространения мал. Но все впереди!

Спутниковая группировка системы Beidou

Спутники Beidou-3M/G/I представляют собой орбитальный сегмент третьего этапа развертывания китайской навигационной системы Beidou, использующей спутники на средней орбите средней Земли и наклонных геосинхронной орбите.

Глобальная доступность указанной системы запланирована к 2020 году, когда будут запущены все спутники. За управление программой отвечает Центр управления спутниковой навигацией Китая.

Концепция системы, использующей два геостационарных космических аппарата (рабочее название системы Twinsat), прошла экспериментальную проверку в 1989 г. Эксперимент проводился на базе двух связных космических аппаратов DFH-2/2A, уже находившихся на орбите. В 1993 году Beidou была утвержден в качестве программы для предоставления Китаю независимого доступа к региональной и глобальной навигации, больше не полагающегося на иностранные системы, такие как американская GPS и российская система Glonass.

Первое поколение экспериментальных спутников Beidou, запущенных в 2000 году (Beidou-1A и 1B) и 2003 (Beidou 1C), было основано на базе связной геостационарной платформы DFH-3. В 2004 году региональная навигационная система Beidou начала работу с точностью до 20 метров.

Еще один спутник Beidou-1 был запущен на геостационарную орбиту в 2007 году для обеспечения того, чтобы устранить разрыв между экспериментальной и рабочей системами Beidou.

Характеристики

КА Beidou на геостационарной и геосинхронной наклонной орбите

КА Beidou
на средней круговой орбите

В ходе модернизация от экспериментальной до операционной системы Beidou Китай планирует запустить в общей сложности 35 спутников – 5 на геостационарной орбите, 27 на средней орбите и 3 на наклонных геосинхронных орбитах.

CAST разработал три разных типа спутников:

1. Beidou-3M для работы на средней орбите (27 спутников),
2. Beidou-3I на наклонных геосинхронных орбитах (3 спутника),
3. Beidou-3G Satellites – геостационарные орбиты (5 спутников).

Орбитальная группировка Beidou

Beidou будет предоставлять два типа услуг:

• бесплатный сервис, который открыт для всех с совместимым терминалом;
• ограниченный сервис для применения в военных и других целях.

Свободное обслуживание обеспечит точность положения 10 метров, измерение скорости с точностью 0,2 м / с и точность синхронизации 10 наносекунд.

Ограниченный сервис будет иметь точность слежения 10 сантиметров и будет включать в себя данные, передаваемые по сигналу, для предоставления информации о состоянии системы для пользователей.

Beidou-2

В 2010 и 2011 годах было запущено пять спутников Beidou-2I на мощных ракетах Long March 3A для ввода спутников на наклонных геосинхронных орбитах (55°), охватывающих Китай и прилегающие территории. К концу 2011 года система Beidou-2 вступила в эксплуатацию для операторов в Китае и прилегающих территориях с начальной точностью 25 метров, которая должна была улучшиться по мере запуска большего количества спутников.

Спутники Geostationary Beidou-3G основаны на спутниковой платформе DFH-3B, предоставленной Китайской академией космической техники (CAST), с использованием компонентов от проверенной полетами платформы DFH-3 и расширения ее возможностей за счет поддержки более совершенных полезных нагрузок и сокращения общего веса платформы.

Платформа DFH-3B имеет шестигранную форму размером 2,2 на 2,0 на 3,1 метра с массой 3800+ килограммов. У спутников Beidou планируемая масса около 4600 килограммов с двумя трехсегментными солнечными батареями, которые генерируют 6800 Вт электроэнергии. На спутнике используются современные навигационные системы, включая датчики звезд и земли, и приводы ориентации, обеспечивающие отличную стабилизацию на всех трех осях.

Точность работы станции на геостационарной орбите составляет +/- 0,05 градуса.

Beidou RNSS работает как европейский Galileo и американский GPS, также используя аналогичные полосы частот. Рубидиевые атомные часы обеспечивают точные временные решения, необходимые для расчета временной задержки с момента отправки сигнала до прибытия в приемник, что, в свою очередь, позволяет рассчитать расстояние до спутника. Для того, чтобы приемник мог вычислить точное положение, необходимы три одновременных измерения расстояния до трех разных спутников.

Космические аппараты системы Beidou-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 Beidou сообщило об изменении структуры навигационного сигнала B1:

1. смещение центральной частоты c 1561,098 МГц на 1575,42 МГц (как у гражданских сигналов GPS L1 и Galileo E1) и
2. изменение модуляции QPSK на MBOC (аналогичную модуляции будущего сигнала GPS L1C и Galileo E1).

Это направлено на обеспечение взаимодополняемости системы Beidou c ГНСС ГАЛИЛЕО и GPS.

Beidou использует восемь различных сигналов в четырех диапазонах в диапазоне от 1100 до 1600 МГц:

• B1 (несущая частота: 1561.098 МГц / полоса пропускания: 4.092 МГц / модуляция: QPSK),
• B1-2 (1589.742 / 4.092 / QPSK),
• B2 (1207.140 / 24 / QPSK),
• B3 (1268,520 / 24 / QPSK),
• B1-BOC (1575,42 / 16,368 / MBOC),
• B2-BOC (1207,140 / 30,69 / BOC 10,5),
• B3-BOC (1268,520 / 35,805 / BOC 15, 2.5),
• L5 (1176.450 / 24 / QPSK).

Наземный комплекс управления Beidou

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

Навигационные службы Beidou стали доступны для Азиатско-Тихоокеанского региона, начиная с декабря 2012 года.

Наземные терминалы Beidou использовались после землетрясения в Сычуане в 2008 году и стали стандартным оборудованием для китайских пограничников. Для измерения координат на плоскости требуется, по меньшей мере, два спутника (точность увеличивается с третьим и четвертым), которые находятся в контакте с пользовательским терминалом и центральной наземной станцией.

Пользовательский терминал принимает сигнал от одного спутника и передает сигнал, который принимается обоими спутниками, которые ретранслируют его на наземную станцию, где 2D-позиция пользователя вычисляется через задержку времени двух сигналов, которые могут быть обработаны в 3D информацию с использованием топографической карты в алгоритме, который дает положение пользователя, которое затем передается обратно через зашифрованную спутниковую связь. Одновременно с этим типом поиска позиции могут обслуживаться 150 пользователей.