Composición y principio de funcionamiento del sistema de navegación por satélite Beidou

1. ¿Cuál es la ruta de desarrollo en "tres pasos" del sistema de navegación por satélite Beidou?

El desarrollo del sistema de navegación por satélite Beidou sigue los principios estratégicos de calidad primero, seguridad primero, aplicación primero y beneficio primero, y se adhiere a los principios de desarrollo de independencia, apertura, compatibilidad y progreso gradual. La idea general es cubrir primero la región y luego expandirse globalmente. La ruta de desarrollo en "tres pasos" del sistema Beidou hace hincapié en la garantía regional, el servicio global y las características chinas. Los pasos específicos de esta ruta de desarrollo son los siguientes:

Paso 1: Sistema de prueba de navegación por satélite Beidou

En 1994, China lanzó la construcción del Sistema de Prueba de Navegación por Satélite Beidou. En 2000, se lanzaron sucesivamente dos satélites de prueba de navegación Beidou y se estableció el Sistema de Prueba de Navegación por Satélite Beidou. China se convirtió en el tercer país con un sistema independiente de navegación por satélite. En 2003 se lanzó el tercer satélite de pruebas de navegación Beidou, y se mejoraron aún más las prestaciones del sistema.

El sistema de prueba de navegación por satélite Beidou consta de tres partes: el segmento de constelación espacial, el segmento de control de operaciones en tierra y el segmento de terminal de usuario. El segmento de constelación espacial incluye tres satélites de órbita geoestacionaria (GEO), situados respectivamente a 80 grados, 110,5 grados y 140 grados de longitud este. El segmento de control en tierra incluye el centro de control y la estación de calibración, responsables de la determinación de la órbita de los satélites, la corrección de la ionosfera, el posicionamiento del usuario, la comunicación de mensajes cortos y otras tareas. El segmento de terminales de usuario incluye terminales de mano, montados en vehículos y de mando, que proporcionan servicios de posicionamiento, cronometraje y comunicación de mensajes cortos, con una precisión de posicionamiento superior a 20 metros.

Paso 2: Servicio regional del sistema de navegación por satélite Beidou

En 2004, China inició la construcción del sistema de navegación por satélite Beidou. A finales de 2012, se completó básicamente la red formada por 5 satélites de órbita geoestacionaria (GEO), 5 satélites de órbita geosíncrona inclinada (GSO) y 4 satélites de órbita terrestre media (MEO), con capacidades de servicio regional, proporcionando posicionamiento, medición de velocidad, cronometraje, comunicación de mensajes cortos y otros servicios, y la precisión ha mejorado mucho en comparación con el sistema experimental.

Paso 3: Servicio mundial del sistema de navegación por satélite BeiDou

El sistema BeiDou-3 tiene como objetivo la cobertura mundial. Inició lanzamientos intensivos en 2017. El 25 de junio de 2019, China lanzó con éxito el 46º satélite BeiDou-3, marcando la finalización básica de la red BeiDou-3. Trabajará junto con los 20 satélites BeiDou-3 existentes para mejorar la cobertura del sistema y el rendimiento del servicio. Está previsto lanzar otros 9 satélites BeiDou-3 a finales de 2019. En 2020, el número de satélites BeiDou-3 desplegados alcanzará los 30, proporcionando servicios globales integrales.

2.¿Cuáles son los componentes del sistema de navegación BeiDou?

El sistema de navegación BeiDou consta de tres partes principales: el segmento espacial, el segmento de control de operaciones y el segmento de usuario. El segmento espacial de BeiDou-3 consta de 30 satélites, incluidos 3 satélites de órbita geoestacionaria (GEO), 3 satélites de órbita geosíncrona inclinada (GSO) y 24 satélites de órbita terrestre media (MEO). El segmento de control de operaciones incluye más de 30 estaciones terrestres, como estaciones de control maestro, estaciones de inyección y estaciones de monitorización. El segmento de usuarios incluye varios terminales BeiDou, terminales compatibles con otros sistemas de navegación y sistemas de servicios de aplicaciones relacionados.

El sistema BeiDou-2, actualmente en funcionamiento, ofrece cuatro servicios: servicio de autorización, servicio público, servicio diferencial de área amplia (aumento de satélites) y servicio de comunicación de mensajes cortos. El sistema ofrece una precisión de posicionamiento superior a 10 metros, una precisión de temporización superior a 20 nanosegundos y una precisión de medición de la velocidad de 0,2 metros por segundo.

3. ¿Qué servicios puede prestar el sistema BeiDou-3?

El sistema BeiDou-3 es el más complejo del sistema mundial de navegación por satélite (GNSS). Representa la fusión del sistema regional BeiDou-2 y el sistema global BeiDou-3, combinando tres tipos de órbitas de satélite: órbita geoestacionaria (GEO), órbita geosincrónica inclinada (IGSO) y órbita terrestre media (MEO). El sistema BeiDou-3 proporciona servicios de posicionamiento, navegación y temporización (PNT), así como servicios de comunicación.

El vigésimo satélite de red BeiDou-3 se lanzó el 23 de abril de 2019 y es el primer satélite IGSO del sistema BeiDou-3. Está conectado en red con 18 satélites MEO y 1 satélite GEO lanzados anteriormente. En 2019, también se lanzarán 6 satélites de órbita terrestre media (MEO), 2 satélites de órbita geoestacionaria (GEO) y 2 satélites de órbita geoestacionaria (GSO), con el objetivo de construir una red de constelación completa de 30 satélites BeiDou-3 en 2020 para proporcionar servicios globales. Para entonces, el número total de satélites BeiDou-3 en órbita alcanzará los 30, incluyendo 3 satélites GEO, 3 satélites de órbita geoestacionaria inclinada (IGSO) y 24 satélites de órbita terrestre media (MEO), lo que supone la mayor constelación entre las actuales constelaciones clasificadas GNSS.

Los indicadores de rendimiento de los servicios globales BeiDou-3 incluyen: error de alcance de la señal espacial mejor que 0,5 metros, precisión de posicionamiento en frecuencia única de 7 metros, precisión de posicionamiento en frecuencia doble de 3 metros, precisión de medición de la velocidad de 0,2 metros/segundo, precisión de temporización de 20 nanosegundos y disponibilidad de 99%. Además, el rendimiento del servicio en la región de Asia-Pacífico es significativamente mejor que el rendimiento mundial. Los más vendidos bloqueadores wifi y Inhibidores de GPS en Europa y América.

4.¿Cuáles son las características del sistema BeiDou en comparación con otros GNSS?

El sistema BeiDou-3 tiene características significativas que lo distinguen de otros GNSS, la más notable de las cuales es la prestación de servicios de comunicación de mensajes cortos regionales y globales, que no está disponible en otros sistemas GNSS. Este atributo único puede atribuirse al proceso de desarrollo del sistema BeiDou, que evolucionó a partir de un sistema activo y conservó las características pertinentes. Esta característica se introdujo por primera vez en BeiDou-2 y continuó en BeiDou-3, permitiendo al sistema proporcionar servicios de comunicación de mensajes cortos regionales y globales.

Además, el sistema BeiDou-3 combina un sistema global de servicio básico con un sistema regional de aumento basado en satélites, lo que lo convierte en el sistema más complejo del mundo. Integra tres formas orbitales: órbita terrestre media (MEO), órbita geoestacionaria (GEO) y órbita geosíncrona inclinada (GSO). Esta combinación es pionera en la integración de satélites de navegación y comunicaciones, sentando las bases para futuros desarrollos en este campo.

5.¿Cuál es el principio del posicionamiento activo de Beidou-1?

El Sistema de Ensayo de Navegación por Satélite BeiDou-1, también conocido como BeiDou-1, utiliza el principio de posicionamiento activo. Consta de tres partes fundamentales: tres satélites de posicionamiento (dos satélites operativos y uno de reserva), el segmento terrestre (que incluye el centro de control terrestre y la estación de calibración) y los terminales de usuario. BeiDou-1 proporciona servicios de posicionamiento en tiempo real para cualquier condición meteorológica, con una precisión calibrada de 20 metros y una precisión no calibrada de 100 metros.

El sistema de pruebas BeiDou-1 se estableció oficialmente en 1994 y ha estado en funcionamiento desde el lanzamiento de dos satélites en 2000, y se completó en 2003 con la adición de un satélite de reserva. Su cobertura de servicio es de 70-140° de longitud este y 5°-55° de latitud norte. Una vez que el satélite alcance el final de su vida útil, el sistema dejará de funcionar.

El sistema de prueba de navegación por satélite BeiDou-1 consta de un segmento espacial, que incluye tres satélites geoestacionarios situados a 80 grados, 110,5 grados y 140 grados de longitud este del ecuador. El segmento de control en tierra incluye un centro de control y una estación de calibración. El centro de control se encarga de tareas como la determinación de la órbita del satélite, la corrección ionosférica, la determinación de la ubicación del usuario y el intercambio de información de mensajes cortos. La estación de calibración proporciona parámetros de observación y corrección de distancias al centro de control. El segmento de usuario incluye varios terminales, como los de mano, los montados en vehículos y los de tipo comando, que se utilizan para transmitir aplicaciones de posicionamiento y recibir información de coordenadas de posición.

Las principales funciones e indicadores de rendimiento del sistema de pruebas Beidou-1 son los siguientes:

• Funciones de servicio: posicionamiento, temporización unidireccional y bidireccional, comunicación de mensajes cortos
• Zona de servicio: China y alrededores
• Precisión de posicionamiento: mejor que 20 metros
• Precisión de temporización: unidireccional 100 nanosegundos, bidireccional 20 nanosegundos
• Comunicación de mensajes cortos: Se transmiten 120 caracteres chinos cada vez

El segmento espacial Beidou-1 consta de dos satélites operativos y uno de reserva en órbita, todos ellos funcionando en una órbita geoestacionaria a unos 36.000 kilómetros de tierra. La salida y entrada de señales entre el centro de control terrestre, los satélites, los terminales de usuario y las estaciones de calibración utilizan frecuencias diferentes. El segmento de control en tierra incluye el centro de control y gestión, que se encarga de la monitorización de los satélites, el cálculo de la posición del usuario, la temporización y la comunicación. La estación de seguimiento y control supervisa el satélite y proporciona información al centro de control, mientras que el sistema de calibración realiza tareas como la medición de la órbita del satélite, el posicionamiento diferencial y la altimetría barométrica. El segmento de usuario consta de ordenadores de usuario ordinarios, ordenadores de usuario de mando y ordenadores de usuario de temporización.

Beidou-1 adopta el posicionamiento activo. La medición de la distancia de cada satélite al usuario es independiente del reloj del ordenador del usuario. La precisión de la medición de la distancia depende de la precisión del reloj atómico de la fuente de señal. El sistema necesita obtener datos precisos de elevación geográfica de la base de datos nacional de elevación. El principio de posicionamiento de Beidou-1 consiste en construir tres esferas, dos de las cuales tienen posiciones de satélite conocidas y distancias de los usuarios, y una esfera es el radio de la tierra más la elevación del usuario. La intersección de estas tres esferas en la tierra es la posición del usuario, siguiendo el "principio de medición de intersección de tres esferas". El proceso de posicionamiento incluye que el centro terrestre envíe una señal de consulta al satélite, que el ordenador del usuario responda con su propia señal, que el centro terrestre calcule la posición basándose en datos como el retardo de ida y vuelta, que envíe la información de posición al usuario y que muestre la posición en el terminal del usuario.

6. ¿Cuál es la composición del sistema y el principio de posicionamiento pasivo de Beidou-2?

BeiDou-2 es un sistema de navegación por satélite que proporciona servicios de posicionamiento, navegación y temporización para la región Asia-Pacífico. Consta de cuatro tipos de servicios: servicio autorizado, servicio público, servicio diferencial de área amplia y servicio de notificación de posición. El sistema ofrece un servicio diferencial de área amplia con una precisión de posicionamiento de 1 metro y un servicio de comunicación de mensajes cortos para usuarios autorizados en China y sus alrededores. El servicio de información de posición se ha modificado para aumentar la capacidad de los usuarios y reducir la potencia de transmisión mediante la transición de la cobertura dual a la cobertura única y del funcionamiento con dos satélites al funcionamiento con tres satélites, adoptando el modo de funcionamiento "tres-recepción-una-transmisión" para satisfacer los requisitos de posicionamiento rápido e información de posición.

Las principales funciones e indicadores de rendimiento de BeiDou-2 son los siguientes:

• Funciones principales: posicionamiento, medición de la velocidad, temporización unidireccional y bidireccional, comunicación de mensajes cortos
• Zona de servicio: China y parte de la región Asia-Pacífico
• Precisión de posicionamiento: mejor que 10 metros
• Precisión de medición de la velocidad: mejor que 0,2 metros/segundo
• Precisión de temporización: 50 nanosegundos (bidireccional: 10 nanosegundos)
• Comunicación de mensajes cortos: Se transmiten 120 caracteres chinos cada vez

Además de los servicios de posicionamiento, navegación y cronometraje que proporciona el GPS, BeiDou-2 también ofrece funciones especiales como la notificación de posición, la comunicación y el posicionamiento y cronometraje regional de alta precisión. Integra las aplicaciones RNSS (Radio Navigation Satellite System) y RDSS (Radio Determination Satellite Service), lo que permite a los usuarios realizar de forma independiente tareas de posicionamiento continuo y medición de velocidad sin enviar señales de respuesta, y puede utilizar el RDSS para informes de posición, seguimiento e identificación de usuarios y comunicación de mensajes cortos, según sea necesario. BeiDou-2 soporta la fusión en modo dual de RNSS y RDSS, y admite la fusión de aplicaciones de GPS y GLONASS extranjeros en terminales de usuario.

El sistema BeiDou-2 consta de tres partes: constelación espacial, control de operaciones en tierra y terminal de usuario. La constelación de satélites consta de 5 satélites GEO (órbita geoestacionaria), 5 satélites GSO (órbita geosíncrona) y 4 satélites MEO (órbita terrestre media). El sistema de control de operaciones en tierra es responsable de la gestión de las señales de los satélites y del procesamiento de la información. Los terminales de usuario incluyen varios tipos de terminales Beidou, incluidos terminales compatibles con otros sistemas de navegación.

Beidou-2 logra la compatibilidad e interoperabilidad multisistema, lo que permite a los usuarios utilizar los servicios de posicionamiento, navegación y temporización de varios sistemas de navegación por satélite al mismo tiempo. Esto significa que el sistema Beidou puede funcionar de forma independiente o junto con otros sistemas GNSS (sistema global de navegación por satélite) sin interferirse entre sí. El receptor puede utilizar las señales de los sistemas de navegación por satélite Beidou, GPS, GLONASS y Galileo para la navegación, lo que proporciona un mayor rendimiento del servicio.

Con el continuo desarrollo del sistema de navegación por satélite Beidou, el concepto de segmento de usuario se ha ampliado continuamente para abarcar una gama más amplia de aplicaciones y la integración con otras tecnologías. La navegación por satélite se ha convertido en una parte indispensable de todos los ámbitos de la economía y la sociedad, una parte importante de los servicios de información espaciotemporal, y ha dado forma a la producción, el estilo de vida y el modelo ecológico de la era de la información. El segmento de usuarios ha evolucionado hasta convertirse en un concepto a nivel de sistema, que refleja el valor potencial de aplicación y servicio del sistema de navegación por satélite y su papel protagonista en la sociedad.

7.¿Cuáles son los diseños innovadores de las señales Beidou-3?

El diseño de la señal de BeiDou-3 (Sistema Global BDS) adopta varias tecnologías innovadoras para hacer frente a los retos de las restricciones de frecuencia, la compatibilidad con otros sistemas, los derechos de propiedad intelectual y la creciente demanda de servicios. Estos diseños innovadores incluyen:

1.QMBOC (Quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier):

• La frecuencia central de la señal civil B1C se fija en 1575,42MHz, lo que coincide con las frecuencias GPS L1 y Galileo E1.
• QMBOC modula los componentes BOC(1,1) y BOC(6,1) en dos fases ortogonales, evitando interferencias de correlación cruzada y problemas de patentes.
• QMBOC ofrece una gran precisión de alcance, estabilidad y compatibilidad con las señales GPS y Galileo en la misma banda de frecuencias.

2.TD-AltBOC (Time Division Alternating Binary Offset Carrier) y ACE-BOC (Asymmetric Constant Envelope Binary Offset Carrier):

• Las frecuencias B2a y B2b admiten la interoperabilidad con GPS L5 y Galileo E5.
• TD-AltBOC utiliza la multiplexación por división de tiempo para los datos y los componentes piloto, lo que simplifica la implementación del transmisor.
• ACE-BOC tiene derechos de propiedad intelectual independientes, los componentes de datos y piloto se colocan ortogonalmente y el control de la relación de potencia es flexible.
• Tanto TD-AltBOC como ACE-BOC garantizan la compatibilidad de las señales, la posibilidad de ajuste y la compatibilidad con futuros diseños de receptores Beidou+GPS+Galileo.

3.QPSK dual:

• Dual QPSK es una tecnología de multiplexación integrada que permite una combinación de potencia media de BOC y QPSK en el punto de frecuencia B3.
• Permite un control flexible de la potencia y la fusión de envolvente constante de dos señales de tipo QPSK, optimizando así la implementación y la eficiencia energética.

Estos innovadores diseños de señal de Beidou-3 superan las barreras de las patentes, garantizan la compatibilidad con otros sistemas, mejoran las prestaciones de alcance y las capacidades antiinterferencias, y son compatibles con futuras arquitecturas de receptores. También hacen hincapié en los derechos de propiedad intelectual independientes, simplifican la implementación del transmisor y satisfacen las necesidades cambiantes de la industria de la navegación.

8.¿Qué son el sistema de referencia temporal y el sistema de referencia espacial del sistema Beidou?

El sistema de navegación por satélite BeiDou utiliza el Sistema Geodésico Chino de Coordenadas 2000 (CGCS2000) como sistema de coordenadas y la Hora BeiDou (BDT) como referencia temporal.

El sistema de coordenadas geodésicas de la CGCS2000 se define como sigue: el origen está situado en el centro de masa de la tierra, el eje Z apunta al polo de referencia determinado por el Servicio Internacional de Rotación de la Tierra (ERS), el eje X está alineado con el meridiano de referencia que pasa por la intersección del plano ecuatorial ortogonal al eje Z y el origen, con el polo de referencia positivo como referencia, el eje Y, el eje Z y el eje X forman un sistema de coordenadas rectangular recto, el origen del CGCS2000 es también el centro geométrico del elipsoide CGCS2000, y el eje Z es el eje de rotación del elipsoide giratorio. Las constantes clave definidas por el elipsoide de referencia CGCS2000 incluyen:

• Semieje mayor: a = 6378137,0m
• Constante gravitatoria de la Tierra (atmósfera incluida): μ = 3,986004418×10^14m^3/s^2
• Índice de aplanamiento: f = 1/298,257222101
• Velocidad angular de rotación de la Tierra: ω = 7,2921150×10^-5rad

En cuanto al sistema horario, el sistema BeiDou utiliza la Hora BeiDou (BDT) como referencia. La BDT utiliza el segundo del Sistema Internacional de Unidades (SI) como unidad básica, que se acumula de forma continua sin utilizar segundos intermitentes. La fecha de inicio de la BDT es 00:00:00 Tiempo Universal Coordinado (UTC) del 1 de enero de 2006. La BDT calcula el número de días de la semana y de segundos dentro de la semana. Se sincroniza con el Tiempo Internacional Coordinado (UTC) a través del UTC (NTSC), garantizando que la desviación entre la BDT y el UTC se mantenga dentro de los 100 nanosegundos (módulo 1 segundo). La información del segundo intercalar entre la BDT y la UTC se transmite en el mensaje de navegación.

9.¿Cómo consigue Beidou-3 un posicionamiento, navegación y cronometraje de alta precisión?

El sistema de navegación por satélite BeiDou-3 garantiza el posicionamiento, la navegación y la temporización de alta precisión a través de varias medidas y funciones clave. Estas medidas y funciones incluyen:

1. Uso de relojes atómicos: BeiDou-3 utiliza relojes atómicos a bordo, como relojes de rubidio, cesio e hidrógeno, que son dispositivos de medición del tiempo extremadamente precisos. El error de estabilidad de estos relojes oscila entre 10^-13 y 10^-15, lo que garantiza una medición precisa de la hora. Al utilizar relojes atómicos como patrones de tiempo y frecuencia, BeiDou-3 consigue mediciones de alta precisión y cálculos exactos de distancia entre satélites y receptores.
2. Diseño del sistema: BeiDou-3 utiliza técnicas de diseño de sistemas para mejorar la precisión. Por ejemplo, el uso de señales de doble frecuencia o multifrecuencia ayuda a eliminar los efectos ionosféricos, que afectan a las distintas frecuencias en grados diferentes. Utilizando la relación de frecuencias conocida, se puede emplear el método de cancelación diferencial normalizada de la misma frecuencia para mitigar los efectos ionosféricos.
3. Mejora multimodo y corrección de errores: BeiDou-3 utiliza diversas técnicas de mejora y métodos de corrección de errores para eliminar los errores que afectan a la precisión, incluida la corrección de la órbita de las efemérides del satélite, la corrección del reloj y la corrección de errores ionosféricos. La disponibilidad de correcciones de red en tiempo real mejora significativamente la precisión del posicionamiento del usuario.
4. Tecnología diferencial: BeiDou-3 adopta ampliamente diferentes niveles de tecnología diferencial, como parámetros de fase de código y fase portadora, diferencial de área local y amplia, diferencial estático y en tiempo real, y diferencial basado en red. Estas tecnologías mejoran aún más la precisión al compensar los errores y mejorar la precisión de posicionamiento.
5. Optimización de la distribución de los satélites: BeiDou-3 tiene en cuenta la distribución geométrica de los satélites en el espacio para minimizar los factores de amplificación de errores. Mediante el despliegue estratégico de los satélites, el sistema pretende optimizar el coeficiente del factor geométrico de precisión. La interoperabilidad de las señales de satélite de múltiples sistemas mundiales de navegación por satélite (GNSS) puede mejorar la precisión del posicionamiento y ofrecer nuevas oportunidades para alcanzar mayores niveles de precisión.

BeiDou-3 consigue un posicionamiento, navegación y temporización de alta precisión mediante la adopción de relojes atómicos, diseño de sistemas, tecnología de corrección de errores, tecnología diferencial y otros medios. Tiene las características de cobertura mundial, funcionamiento en todo tipo de condiciones meteorológicas, capacidad ilimitada de usuarios, dinámica en tiempo real, etc., y destaca entre muchos sistemas de navegación.

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