Composition et principe de fonctionnement du système de navigation par satellite Beidou

1. Quel est l'itinéraire de développement en trois étapes du système de navigation par satellite Beidou ?

Le développement du système de navigation par satellite Beidou suit les principes stratégiques de la qualité d'abord, de la sécurité d'abord, de l'application d'abord et du bénéfice d'abord, et adhère aux principes de développement de l'indépendance, de l'ouverture, de la compatibilité et de la progression graduelle. L'idée générale est de couvrir d'abord la région, puis de s'étendre à l'échelle mondiale. La voie de développement en trois étapes du système Beidou met l'accent sur la garantie régionale, le service mondial et les caractéristiques chinoises. Les étapes spécifiques de cette voie de développement sont les suivantes :

Étape 1 : Système d'essai de navigation par satellite Beidou

En 1994, la Chine a lancé la construction du système d'essai de navigation par satellite Beidou. En 2000, deux satellites d'essai de navigation Beidou ont été lancés successivement et le système d'essai de navigation par satellite Beidou a été mis en place. La Chine est devenue le troisième pays à disposer d'un système de navigation par satellite indépendant. En 2003, le troisième satellite d'essai de navigation Beidou a été lancé et les performances du système ont encore été améliorées.

Le système d'essai de navigation par satellite Beidou se compose de trois parties : le segment de la constellation spatiale, le segment de contrôle des opérations au sol et le segment du terminal utilisateur. Le segment de la constellation spatiale comprend trois satellites en orbite géostationnaire (GEO), situés respectivement à 80 degrés, 110,5 degrés et 140 degrés de longitude est. Le segment de contrôle au sol comprend le centre de contrôle et la station d'étalonnage, qui sont responsables de la détermination de l'orbite du satellite, de la correction de l'ionosphère, du positionnement de l'utilisateur, de la communication de messages courts et d'autres tâches. Le segment des terminaux utilisateurs comprend les terminaux portables, les terminaux embarqués et les terminaux de commande, qui fournissent des services de positionnement, de chronométrage et de communication de messages courts, avec une précision de positionnement supérieure à 20 mètres.

Étape 2 : Service régional du système de navigation par satellite Beidou

En 2004, la Chine a lancé la construction du système de navigation par satellite Beidou. Fin 2012, le réseau composé de 5 satellites en orbite géostationnaire (GEO), 5 satellites en orbite géosynchrone inclinée (GSO) et 4 satellites en orbite terrestre moyenne (MEO) était pratiquement achevé, avec des capacités de service régionales, fournissant des services de positionnement, de mesure de la vitesse, de chronométrage, de communication de messages courts et d'autres services, et la précision est grandement améliorée par rapport au système expérimental.

Étape 3 : Service mondial du système de navigation par satellite BeiDou

Le système BeiDou-3 vise une couverture mondiale. Il a commencé à faire l'objet de lancements intensifs en 2017. Le 25 juin 2019, la Chine a lancé avec succès le 46e satellite BeiDou-3, marquant ainsi l'achèvement fondamental du réseau BeiDou-3. Il travaillera avec les 20 satellites BeiDou-3 existants pour améliorer la couverture du système et la performance du service. Il est prévu de lancer 9 autres satellites BeiDou-3 d'ici la fin de l'année 2019. En 2020, le nombre de satellites BeiDou-3 déployés atteindra 30, fournissant des services complets à l'échelle mondiale.

2. quels sont les composants du système de navigation BeiDou ?

Le système de navigation BeiDou se compose de trois parties principales : le segment spatial, le segment de contrôle des opérations et le segment utilisateur. Le segment spatial BeiDou-3 comprend 30 satellites, dont 3 satellites en orbite géostationnaire (GEO), 3 satellites en orbite géosynchrone inclinée (GSO) et 24 satellites en orbite terrestre moyenne (MEO). Le segment de contrôle des opérations comprend plus de 30 stations au sol, telles que des stations de contrôle principales, des stations d'injection et des stations de surveillance. Le segment utilisateur comprend divers terminaux BeiDou, des terminaux compatibles avec d'autres systèmes de navigation et des systèmes de services d'application connexes.

Le système BeiDou-2 actuellement en service fournit quatre services : le service d'autorisation, le service public, le service différentiel de zone étendue (augmentation par satellite) et le service de communication de messages courts. Le système offre une précision de positionnement supérieure à 10 mètres, une précision de synchronisation supérieure à 20 nanosecondes et une précision de mesure de la vitesse de 0,2 mètre par seconde.

3) Quels sont les services offerts par le système BeiDou-3 ?

Le système BeiDou-3 est le système le plus complexe du système mondial de navigation par satellite (GNSS). Il représente la fusion du système régional BeiDou-2 et du système mondial BeiDou-3, combinant trois types d'orbites satellitaires : l'orbite géostationnaire (GEO), l'orbite géosynchrone inclinée (IGSO) et l'orbite terrestre moyenne (MEO). Le système BeiDou-3 fournit des services de positionnement, de navigation et de synchronisation (PNT) ainsi que des services de communication.

Le 20e satellite de réseau BeiDou-3 a été lancé le 23 avril 2019 et est le premier satellite IGSO du système BeiDou-3. Il est en réseau avec 18 satellites MEO et 1 satellite GEO lancés précédemment. En 2019, 6 satellites en orbite terrestre moyenne (MEO), 2 satellites en orbite géostationnaire (GEO) et 2 satellites en orbite géostationnaire (GSO) seront également lancés, l'objectif étant de construire une constellation complète de 30 satellites BeiDou-3 d'ici 2020 pour fournir des services mondiaux. D'ici là, le nombre total de satellites BeiDou-3 en orbite atteindra 30, dont 3 satellites GEO, 3 satellites en orbite géostationnaire inclinée (IGSO) et 24 satellites en orbite terrestre moyenne (MEO), ce qui constitue la plus grande constellation parmi les constellations GNSS actuelles.

Les indicateurs de performance des services mondiaux BeiDou-3 sont les suivants : erreur de télémétrie du signal spatial inférieure à 0,5 mètre, précision de positionnement à une fréquence de 7 mètres, précision de positionnement à deux fréquences de 3 mètres, précision de mesure de la vitesse de 0,2 mètre/seconde, précision de synchronisation de 20 nanosecondes et disponibilité de 99%. En outre, les performances du service dans la région Asie-Pacifique sont nettement supérieures aux performances mondiales. Meilleures ventes brouilleurs wifi et Brouilleurs GPS en Europe et en Amérique.

4. quelles sont les caractéristiques du système BeiDou par rapport aux autres GNSS ?

Le système BeiDou-3 présente des caractéristiques significatives qui le distinguent des autres GNSS, la plus notable étant la fourniture de services de communication par messages courts régionaux et mondiaux, qui n'est pas disponible dans les autres systèmes GNSS. Cet attribut unique peut être attribué au processus de développement du système BeiDou, qui a évolué à partir d'un système actif et a conservé les caractéristiques pertinentes. Cette caractéristique a été introduite pour la première fois dans BeiDou-2 et poursuivie dans BeiDou-3, permettant au système de fournir des services de communication de messages courts régionaux et mondiaux.

En outre, le système BeiDou-3 combine un système de service de base mondial avec un système régional d'augmentation par satellite, ce qui en fait le système le plus complexe au monde. Il intègre trois formes orbitales : l'orbite terrestre moyenne (MEO), l'orbite géostationnaire (GEO) et l'orbite géosynchrone inclinée (GSO). Cette combinaison constitue une exploration pionnière de l'intégration des satellites de navigation et de communication, jetant les bases des développements futurs dans ce domaine.

5. quel est le principe du positionnement actif Beidou-1 ?

Le système d'essai de navigation par satellite BeiDou-1, également connu sous le nom de BeiDou-1, utilise le principe du positionnement actif. Il se compose de trois parties essentielles : trois satellites de positionnement (deux satellites opérationnels et un satellite de secours), le segment terrestre (comprenant le centre de contrôle au sol et la station d'étalonnage) et les terminaux des utilisateurs. BeiDou-1 fournit des services de positionnement en temps réel par tous les temps avec une précision calibrée de 20 mètres et une précision non calibrée de 100 mètres.

Le système de test BeiDou-1 a été officiellement mis en place en 1994 et est opérationnel depuis le lancement de deux satellites en 2000, complété en 2003 par l'ajout d'un satellite de secours. Sa couverture de service s'étend de 70 à 140° de longitude est et de 5 à 55° de latitude nord. Une fois que le satellite aura atteint la fin de sa durée de vie, le système cessera de fonctionner.

Le système d'essai de navigation par satellite BeiDou-1 se compose d'un segment spatial, qui comprend trois satellites géostationnaires situés à 80 degrés, 110,5 degrés et 140 degrés de longitude est de l'équateur. Le segment de contrôle au sol comprend un centre de contrôle et une station d'étalonnage. Le centre de contrôle est chargé de tâches telles que la détermination de l'orbite du satellite, la correction ionosphérique, la détermination de la localisation de l'utilisateur et l'échange d'informations sur les messages courts. La station d'étalonnage fournit au centre de contrôle des paramètres d'observation et de correction de la distance. Le segment utilisateur comprend divers terminaux tels que des terminaux portables, des terminaux embarqués et des terminaux de type commande, qui sont utilisés pour transmettre des applications de positionnement et recevoir des informations sur les coordonnées de la position.

Les principales fonctions et les indicateurs de performance du système d'essai Beidou-1 sont les suivants :

• Fonctions de service : positionnement, synchronisation unidirectionnelle et bidirectionnelle, communication de messages courts
• Zone de service : Chine et régions avoisinantes
• Précision de positionnement : meilleure que 20 mètres
• Précision de la synchronisation : 100 nanosecondes dans un sens, 20 nanosecondes dans l'autre.
• Communication de messages courts : 120 caractères chinois sont transmis à chaque fois

Le segment spatial Beidou-1 se compose de deux satellites opérationnels et d'un satellite de secours en orbite, qui fonctionnent tous sur une orbite géostationnaire à environ 36 000 kilomètres du sol. Les signaux de sortie et d'entrée entre le centre de contrôle au sol, les satellites, les terminaux utilisateurs et les stations d'étalonnage utilisent des fréquences différentes. Le segment de contrôle au sol comprend le centre de contrôle et de gestion, qui est responsable de la surveillance des satellites, du calcul de la position de l'utilisateur, de la synchronisation et de la communication. La station de poursuite et de contrôle surveille le satellite et fournit des informations au centre de contrôle, tandis que le système d'étalonnage effectue des tâches telles que la mesure de l'orbite du satellite, le positionnement différentiel et l'altimétrie barométrique. Le segment utilisateur se compose d'ordinateurs d'utilisateurs ordinaires, d'ordinateurs d'utilisateurs de commande et d'ordinateurs d'utilisateurs de chronométrage.

Beidou-1 adopte un positionnement actif. La mesure de la distance entre chaque satellite et l'utilisateur est indépendante de l'horloge de l'ordinateur de l'utilisateur. La précision de la mesure de la distance dépend de la précision de l'horloge atomique de la source du signal. Le système doit obtenir des données d'élévation géographique précises à partir de la base de données nationale d'élévation. Le principe de positionnement de Beidou-1 consiste à construire trois sphères, dont deux ont des positions satellitaires connues et des distances par rapport aux utilisateurs, et une sphère est le rayon de la terre plus l'élévation de l'utilisateur. L'intersection de ces trois sphères sur la terre correspond à la position de l'utilisateur, selon le "principe de mesure de l'intersection des trois sphères". Le processus de positionnement comprend l'envoi par le centre terrestre d'un signal de requête au satellite, la réponse de l'ordinateur de l'utilisateur avec son propre signal, le calcul de la position par le centre terrestre sur la base de données telles que le délai d'aller-retour, l'envoi des informations de position à l'utilisateur et l'affichage de la position sur le terminal de l'utilisateur.

6. quelle est la composition du système et le principe de positionnement passif de Beidou-2 ?

BeiDou-2 est un système de navigation par satellite qui fournit des services de positionnement, de navigation et de synchronisation pour la région Asie-Pacifique. Il se compose de quatre types de services : le service autorisé, le service public, le service différentiel à grande échelle et le service de rapport de position. Le système fournit un service différentiel à grande échelle avec une précision de positionnement de 1 mètre et un service de communication par messages courts pour les utilisateurs autorisés en Chine et dans les régions avoisinantes. Le service de report de position a été modifié pour augmenter la capacité des utilisateurs et réduire la puissance de transmission en passant d'une couverture double à une couverture simple et d'un fonctionnement à deux satellites à un fonctionnement à trois satellites, en adoptant le mode de fonctionnement "trois réceptions, une seule transmission" pour répondre aux exigences de positionnement rapide et de report de position.

Les principales fonctions et les indicateurs de performance de BeiDou-2 sont les suivants :

• Principales fonctions : positionnement, mesure de la vitesse, chronométrage unidirectionnel et bidirectionnel, communication par messages courts.
• Zone de service : Chine et parties de la région Asie-Pacifique
• Précision du positionnement : meilleure que 10 mètres
• Précision de la mesure de la vitesse : meilleure que 0,2 mètre/seconde
• Précision de la synchronisation : 50 nanosecondes (dans les deux sens : 10 nanosecondes)
• Communication de messages courts : 120 caractères chinois sont transmis à chaque fois

Outre les services de positionnement, de navigation et de chronométrage fournis par le GPS, BeiDou-2 offre également des fonctions spéciales telles que le rapport de position, la communication et le positionnement/chronométrage régional de haute précision. Il intègre les applications RNSS (Radio Navigation Satellite System) et RDSS (Radio Determination Satellite Service), ce qui permet aux utilisateurs d'effectuer de manière indépendante des tâches de positionnement continu et de mesure de la vitesse sans envoyer de signaux de réponse, et d'utiliser RDSS pour les rapports de position, le suivi et l'identification des utilisateurs et la communication de messages courts selon les besoins. BeiDou-2 prend en charge la fusion bi-mode RNSS et RDSS, ainsi que la fusion d'applications GPS et GLONASS étrangères dans les terminaux des utilisateurs.

Le système BeiDou-2 se compose de trois parties : la constellation spatiale, le contrôle des opérations au sol et le terminal utilisateur. La constellation de satellites comprend 5 satellites GEO (orbite géostationnaire), 5 satellites GSO (orbite géosynchrone) et 4 satellites MEO (orbite terrestre moyenne). Le système de contrôle des opérations au sol est responsable de la gestion des signaux satellitaires et du traitement de l'information. Les terminaux utilisateurs comprennent différents types de terminaux Beidou, y compris des terminaux compatibles avec d'autres systèmes de navigation.

Beidou-2 est compatible avec plusieurs systèmes et interopérable, ce qui permet aux utilisateurs d'utiliser les services de positionnement, de navigation et de synchronisation de plusieurs systèmes de navigation par satellite en même temps. Cela signifie que le système Beidou peut fonctionner indépendamment ou conjointement avec d'autres systèmes GNSS (système mondial de navigation par satellite) sans interférer les uns avec les autres. Le récepteur peut utiliser les signaux des systèmes de navigation par satellite Beidou, GPS, GLONASS et Galileo pour la navigation, ce qui permet d'améliorer les performances du service.

Avec le développement continu du système de navigation par satellite Beidou, le concept de segment d'utilisateurs a été constamment élargi pour couvrir une gamme plus large d'applications et d'intégration avec d'autres technologies. La navigation par satellite est devenue un élément indispensable à tous les niveaux de l'économie et de la société, un élément important des services d'information spatio-temporelle, et a façonné la production, le mode de vie et le modèle écologique de l'ère de l'information. Le segment des utilisateurs a évolué vers un concept au niveau du système, reflétant l'application potentielle et la valeur de service du système de navigation par satellite, ainsi que son rôle de premier plan dans la société.

7) Quelles sont les innovations des signaux Beidou-3 ?

La conception du signal de BeiDou-3 (système mondial BDS) adopte plusieurs technologies innovantes pour relever les défis des restrictions de fréquence, de la compatibilité avec d'autres systèmes, des droits de propriété intellectuelle et de la demande croissante de services. Ces conceptions innovantes sont les suivantes :

1.QMBOC (Quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier) :

• La fréquence centrale du signal civil B1C est fixée à 1575,42 MHz, ce qui correspond aux fréquences du GPS L1 et du Galileo E1.
• Le QMBOC module les composantes BOC(1,1) et BOC(6,1) sur deux phases orthogonales, évitant ainsi les interférences de corrélation croisée et les problèmes de brevet.
• Le QMBOC offre une grande précision de télémétrie, une grande stabilité et une grande compatibilité avec les signaux GPS et Galileo dans la même bande de fréquences.

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

• Les fréquences B2a et B2b permettent l'interopérabilité avec le GPS L5 et Galileo E5.
• Le TD-AltBOC utilise le multiplexage temporel pour les données et les composants pilotes, ce qui simplifie la mise en œuvre de l'émetteur.
• L'ACE-BOC possède des droits de propriété intellectuelle indépendants, les données et les composants pilotes sont placés de manière orthogonale et le contrôle du rapport de puissance est flexible.
• TD-AltBOC et ACE-BOC garantissent la compatibilité des signaux, l'ajustabilité et la prise en charge des futurs récepteurs Beidou+GPS+Galileo.

3. double QPSK :

• Le Dual QPSK est une technologie de multiplexage embarquée qui permet une combinaison de puissance moyenne de BOC et de QPSK au point de fréquence B3.
• Il permet un contrôle flexible de la puissance et une fusion à enveloppe constante de deux signaux de type QPSK, optimisant ainsi la mise en œuvre et l'efficacité énergétique.

Ces conceptions innovantes des signaux de Beidou-3 permettent de surmonter les obstacles liés aux brevets, d'assurer la compatibilité avec d'autres systèmes, d'améliorer les performances de télémétrie et les capacités anti-interférences, et de prendre en charge les futures architectures de récepteurs. Elles mettent également l'accent sur les droits de propriété intellectuelle indépendants, simplifient la mise en œuvre des émetteurs et répondent aux besoins évolutifs de l'industrie de la navigation.

8. quels sont les systèmes de référence temporelle et spatiale du système Beidou ?

Le système de navigation par satellite BeiDou utilise le système de coordonnées géodésiques chinoises 2000 (CGCS2000) comme système de coordonnées et le temps BeiDou (BDT) comme référence temporelle.

Le système de coordonnées géodésiques CGCS2000 est défini comme suit : l'origine est située au centre de masse de la Terre, l'axe Z pointe vers le pôle de référence déterminé par le Service international de la rotation terrestre (ERS), l'axe X est aligné sur le méridien de référence passant par l'intersection du plan équatorial orthogonal à l'axe Z et de l'origine, avec le pôle de référence positif comme référence, l'axe Y, l'axe Z et l'axe X forment un système de coordonnées rectangulaires droites, l'origine du CGCS2000 est également le centre géométrique de l'ellipsoïde CGCS2000, et l'axe Z est l'axe de rotation de l'ellipsoïde en rotation. Les constantes clés définies par l'ellipsoïde de référence CGCS2000 sont les suivantes :

• Demi-grand axe : a = 6378137.0m
• Constante gravitationnelle terrestre (atmosphère comprise) : μ = 3.986004418×10^14m^3/s^2
• Taux d'aplatissement : f = 1/298.257222101
• Vitesse angulaire de rotation de la Terre : ω = 7.2921150×10^-5rad

En ce qui concerne le système temporel, le système BeiDou utilise le temps BeiDou (BDT) comme référence. Le BDT utilise la seconde du système international d'unités (SI) comme unité de base, qui est accumulée en continu sans utiliser de secondes intermittentes. L'époque de départ du BDT est 00:00:00 Coordinated Universal Time (UTC) le 1er janvier 2006. Le BDT calcule le nombre de jours de la semaine et de secondes au sein de la semaine. Il est synchronisé avec le temps international coordonné (UTC) par l'intermédiaire de l'UTC (NTSC), ce qui garantit que l'écart entre le BDT et l'UTC est maintenu à 100 nanosecondes (modulo 1 seconde). L'information sur la seconde intercalaire entre le BDT et l'UTC est transmise dans le message de navigation.

9. comment Beidou-3 parvient-il à un positionnement, une navigation et une synchronisation de haute précision ?

Le système de navigation par satellite BeiDou-3 assure un positionnement, une navigation et une synchronisation de haute précision grâce à plusieurs mesures et fonctions clés. Ces mesures et fonctions sont les suivantes

1. Utilisation d'horloges atomiques : BeiDou-3 utilise des horloges atomiques embarquées, telles que des horloges au rubidium, au césium et à l'hydrogène, qui sont des dispositifs de mesure du temps extrêmement précis. L'erreur de stabilité de ces horloges est comprise entre 10^-13 et 10^-15, ce qui garantit une mesure précise du temps. En utilisant des horloges atomiques comme étalons de temps et de fréquence, BeiDou-3 réalise des mesures de haute précision et des calculs de distance précis entre les satellites et les récepteurs.
2. Conception du système : BeiDou-3 utilise des techniques de conception du système pour améliorer la précision. Par exemple, l'utilisation de signaux bifréquences ou multifréquences permet d'éliminer les effets ionosphériques, qui affectent les différentes fréquences à des degrés divers. En utilisant le rapport de fréquence connu, la méthode d'annulation différentielle normalisée à la même fréquence peut être utilisée pour atténuer les effets ionosphériques.
3. Amélioration multimode et correction des erreurs : BeiDou-3 utilise une variété de techniques d'amélioration et de méthodes de correction d'erreurs pour éliminer les erreurs qui affectent la précision, notamment en fournissant une correction précise de l'orbite éphéméride du satellite, une correction de l'horloge et une correction de l'erreur ionosphérique. La disponibilité des corrections de réseau en temps réel améliore considérablement la précision du positionnement de l'utilisateur.
4. Technologie différentielle : BeiDou-3 adopte largement différents niveaux de technologie différentielle, tels que les paramètres de phase de code et de phase de porteuse, les différentiels locaux et étendus, les différentiels statiques et en temps réel, et les différentiels basés sur le réseau. Ces technologies améliorent encore la précision en compensant les erreurs et en améliorant la précision du positionnement.
5. Optimisation de la distribution des satellites : BeiDou-3 prend en compte la distribution géométrique des satellites dans l'espace pour minimiser les facteurs d'amplification des erreurs. En déployant stratégiquement les satellites, le système vise à optimiser le coefficient de précision du facteur géométrique. L'interopérabilité des signaux satellitaires provenant de plusieurs systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) peut améliorer la précision du positionnement et offrir de nouvelles possibilités d'atteindre des niveaux de précision plus élevés.

BeiDou-3 permet un positionnement, une navigation et une synchronisation de haute précision grâce à l'adoption d'horloges atomiques, à la conception du système, à la technologie de correction des erreurs, à la technologie différentielle et à d'autres moyens. Il présente les caractéristiques suivantes : couverture mondiale, fonctionnement par tous les temps, capacité d'utilisation illimitée, dynamique en temps réel, etc.

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