Спутниковая навигационная система «Бэйдоу»

Теоретические основы построения
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.
Принципы функционирования
БЭЙДОУ состоит из нескольких взаимосвязанных объектов:
группы космических аппаратов, ловящих спецсигналы;
наземной контролирующей базы;
навигационных приборов пользователей;
наземных радиомаяков;
радиосистемы для внесения поправок и повышения точности координат.
Управлением китайской ГНС BeiDou ведает Центр в китайском городе Сиань. Шкала времени предоставляется универсальным глобальным временем центра управления в Пекине. Наземный комплекс состоит из централизованной сети беззапросных станций для измерения, разбросанных по территории Китая.
Региональные услуги предоставляются странам Юго-Восточной Азии и морским объектам в Тихом океане. Обеспечивают работу 24 навигационных спутника. Частотный диапазон работы регулируется с учётом взаимодействия с российскими, европейскими и американскими ГНС.
Структурная схема
Над возможностью определения координат объекта учёные разных стран работали очень давно. Так легче проводить исследования поверхности, составляя карты и планы, осуществлять связь между удалёнными объектами, отслеживать различные геологические и геофизические процессы, определять место своего нахождения.
В 1983 году китайский учёный Чэнь Фанъюн предложил свой вариант, действующий от двух геостационарных спутников и нескольких наземных станций длинноволнового радиодиапазона. Идею развили и в 1989 году она с успехом прошла экспериментальную проверку. Участвовали в пробах два спутника DFH-2/2A. БЭЙДОУ работала с точностью до 100 метров. Общий алгоритм:
станция отправляет сигнал пользователю через два своих спутника;
получив хотя бы один, прибор пользователя отсылает его обратно на оба спутника;
станция фиксирует возвращение сигнала от спутников;
определяется точка местонахождения пользователя;
точка сравнивается с трёхмерной картой китайской геосистемы координат;
информация возвращается пользователю.
Для обеспечения работы нужна двусторонняя связь. Её даёт мощная антенна. Она гораздо дороже своих аналогов, работающих в GPS.
Образованная сеть позволила говорить о полноценной разностно-дальномерной радионавигации. Точность данных оказалась сопоставима с точностью работы американской GPS. Скоростные измерения система проводить ещё не умела.
С 1993 года БЭЙДОУ приобрела статус официального государственного проекта. Подготовительный период с 1994 по 2000 год закончился запуском двух геостационарных спутников: Beidou 1A и 1B. А уже в середине декабря 2003 года, после запуска третьего спутника, оборудование первого поколения запустили в эксплуатацию.
С 2004 по 2012 год китайцы реализовали проект Beidou-2, запустив ещё пять геостационарных космических аппарата, пять – на наклонной геосинхронной и 4 – на средних орбитах. Совместимость первой и второй систем позволила китайским учёным применить схему пассивного позиционирования, обеспечив Азию и Тихий океан возможностями находить местоположение, определять скорость, точное время и обмениваться короткими сообщениями.
Третье поколение БЭЙДОУ стартовало в 2009 году. В конце 2017-го китайцы подписали с американцами заявление о совместимости систем, а ещё через год правительства РФ и КНР подписали соглашение о сотрудничестве в дальнейшем совместном развитии глобальной навигации для мирных целей.
Хозяева Beidou запланировали к 2020 году увеличить количество спутников и обеспечить своими услугами территорию морского и сухопутного Шёлковых Путей, прилегающих регионов, а в перспективе - глобальной работы в рамках всей планеты.
Структура сигналов и состав системы
Рисунок 1 – структурная схема типа NAV для радиосигнала D1
Рисунок 2 – структурная схема типа NAV для радиосигнала D2
Тактико – технические характеристики
Характеристики навигационных радиосигналов системы Бэйдоу
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.
Особенности применения и эксплуатации
Работа спутниковой навигация, обеспечивающая позиционирование на местности, состоит в приёме радиосигналов в пределах прямой связи. Это необходимо для исключения отражённых сигналов, сбивающих навигационный процесс. Фиксируются широта, долгота, высота над уровнем океана, данные привязываются к карте, после чего навигатор выдаёт местоположение объекта. Глобальной считается система, которая обеспечивает подобную обратную связь на большой части территории Земли.