Composizione e principio di funzionamento del sistema di navigazione satellitare Beidou

1. Qual è il percorso di sviluppo in "tre fasi" del sistema di navigazione satellitare Beidou?

Lo sviluppo del sistema di navigazione satellitare Beidou segue i principi strategici della qualità prima di tutto, della sicurezza prima di tutto, dell'applicazione prima di tutto e del beneficio prima di tutto, e aderisce ai principi di sviluppo dell'indipendenza, dell'apertura, della compatibilità e del progresso graduale. L'idea generale è quella di coprire prima la regione e poi espandersi a livello globale. Il percorso di sviluppo in "tre fasi" del sistema Beidou enfatizza la garanzia regionale, il servizio globale e le caratteristiche cinesi. Le fasi specifiche di questo percorso di sviluppo sono le seguenti:

Fase 1: Sistema di prova per la navigazione satellitare Beidou

Nel 1994, la Cina ha avviato la costruzione del sistema di prova di navigazione satellitare Beidou. Nel 2000 sono stati lanciati in successione due satelliti di prova per la navigazione Beidou e il sistema di prova di navigazione satellitare Beidou è stato istituito. La Cina è diventata il terzo Paese con un sistema di navigazione satellitare indipendente. Nel 2003 è stato lanciato il terzo satellite di prova di navigazione Beidou e le prestazioni del sistema sono state ulteriormente migliorate.

Il sistema di prova di navigazione satellitare Beidou è composto da tre parti: il segmento della costellazione spaziale, il segmento di controllo delle operazioni a terra e il segmento del terminale utente. Il segmento della costellazione spaziale comprende tre satelliti in orbita geostazionaria (GEO), situati rispettivamente a 80°, 110,5° e 140° di longitudine est. Il segmento di controllo a terra comprende il centro di controllo e la stazione di calibrazione, responsabili della determinazione dell'orbita del satellite, della correzione della ionosfera, del posizionamento dell'utente, della comunicazione di brevi messaggi e di altri compiti. Il segmento dei terminali utente comprende terminali portatili, montati su veicoli e terminali di comando, che forniscono servizi di posizionamento, cronometraggio e comunicazione di brevi messaggi, con una precisione di posizionamento migliore di 20 metri.

Fase 2: Servizio regionale del sistema di navigazione satellitare Beidou

Nel 2004, la Cina ha avviato la costruzione del sistema di navigazione satellitare Beidou. Alla fine del 2012, la rete composta da 5 satelliti in orbita geostazionaria (GEO), 5 satelliti in orbita geosincrona inclinata (GSO) e 4 satelliti in orbita terrestre media (MEO) è stata sostanzialmente completata, con capacità di servizio regionale, fornendo servizi di posizionamento, misurazione della velocità, temporizzazione, comunicazione di brevi messaggi e altri servizi, con una precisione notevolmente migliorata rispetto al sistema sperimentale.

Fase 3: servizio globale del sistema di navigazione satellitare BeiDou

Il sistema BeiDou-3 mira a una copertura globale. Ha iniziato un'intensa attività di lancio nel 2017. Il 25 giugno 2019, la Cina ha lanciato con successo il 46° satellite BeiDou-3, segnando il completamento di base della rete BeiDou-3. Il satellite BeiDou-3 è stato lanciato in un'unica piattaforma. Questo satellite lavorerà insieme ai 20 satelliti BeiDou-3 esistenti per migliorare la copertura del sistema e le prestazioni del servizio. È previsto il lancio di altri 9 satelliti BeiDou-3 entro la fine del 2019. Nel 2020, il numero di satelliti BeiDou-3 distribuiti raggiungerà i 30, fornendo servizi globali completi.

2.Quali sono i componenti del sistema di navigazione BeiDou?

Il sistema di navigazione BeiDou è composto da tre parti principali: il segmento spaziale, il segmento di controllo delle operazioni e il segmento utente. Il segmento spaziale BeiDou-3 è composto da 30 satelliti, tra cui 3 satelliti in orbita geostazionaria (GEO), 3 satelliti in orbita geosincrona inclinata (GSO) e 24 satelliti in orbita terrestre media (MEO). Il segmento di controllo delle operazioni comprende più di 30 stazioni di terra, come stazioni di controllo principali, stazioni di iniezione e stazioni di monitoraggio. Il segmento utente comprende vari terminali BeiDou, terminali compatibili con altri sistemi di navigazione e sistemi di servizi applicativi correlati.

Il sistema BeiDou-2 attualmente in funzione fornisce quattro servizi: servizio di autorizzazione, servizio pubblico, servizio differenziale ad ampio raggio (incremento satellitare) e servizio di comunicazione a messaggio breve. Il sistema offre una precisione di posizionamento migliore di 10 metri, una precisione di temporizzazione migliore di 20 nanosecondi e una precisione di misurazione della velocità di 0,2 metri al secondo.

3.Quali servizi può fornire il sistema BeiDou-3?

Il sistema BeiDou-3 è il sistema più complesso del sistema globale di navigazione satellitare (GNSS). Rappresenta la fusione del sistema regionale BeiDou-2 e del sistema globale BeiDou-3, combinando tre tipi di orbite satellitari: orbita geostazionaria (GEO), orbita geosincrona inclinata (IGSO) e orbita terrestre media (MEO). Il sistema BeiDou-3 fornisce servizi di posizionamento, navigazione e temporizzazione (PNT) e servizi di comunicazione.

Il 20° satellite di rete BeiDou-3 è stato lanciato il 23 aprile 2019 ed è il primo satellite IGSO del sistema BeiDou-3. È collegato in rete con 18 satelliti MEO e 1 satellite GEO lanciati in precedenza. Nel 2019 saranno lanciati anche 6 satelliti in orbita terrestre media (MEO), 2 satelliti in orbita geostazionaria (GEO) e 2 satelliti in orbita geostazionaria (GSO), con l'obiettivo di costruire una rete di costellazione completa di 30 satelliti BeiDou-3 entro il 2020 per fornire servizi globali. Entro tale data, il numero totale di satelliti BeiDou-3 in orbita raggiungerà i 30, di cui 3 satelliti GEO, 3 satelliti in orbita geostazionaria inclinata (IGSO) e 24 satelliti in orbita terrestre media (MEO), che rappresentano la costellazione più grande tra le attuali costellazioni classificate GNSS.

Gli indicatori di prestazione dei servizi globali BeiDou-3 includono: errore di portata del segnale spaziale migliore di 0,5 metri, precisione di posizionamento a singola frequenza di 7 metri, precisione di posizionamento a doppia frequenza di 3 metri, precisione di misurazione della velocità di 0,2 metri/secondo, precisione di temporizzazione di 20 nanosecondi e disponibilità di 99%. Inoltre, le prestazioni del servizio nella regione Asia-Pacifico sono significativamente migliori di quelle globali. I più venduti disturbatori wifi e Disturbatori GPS in Europa e in America.

4.Quali sono le caratteristiche del sistema BeiDou rispetto agli altri GNSS?

Il sistema BeiDou-3 ha caratteristiche significative che lo distinguono dagli altri GNSS, la più importante delle quali è la fornitura di servizi di comunicazione regionale e globale a messaggio breve, non disponibili in altri sistemi GNSS. Questo attributo unico può essere attribuito al processo di sviluppo del sistema BeiDou, che si è evoluto da un sistema attivo e ha mantenuto le relative caratteristiche. Questa caratteristica è stata introdotta per la prima volta in BeiDou-2 e continuata in BeiDou-3, consentendo al sistema di fornire servizi di comunicazione regionale e globale a messaggio breve.

Inoltre, il sistema BeiDou-3 combina un sistema di servizio di base globale con un sistema di potenziamento satellitare regionale, rendendolo il sistema più complesso al mondo. Integra tre forme orbitali: orbita terrestre media (MEO), orbita geostazionaria (GEO) e orbita geosincrona inclinata (GSO). Questa combinazione rappresenta un'esplorazione pionieristica dell'integrazione dei satelliti di navigazione e comunicazione, gettando le basi per gli sviluppi futuri in questo campo.

5.Qual è il principio del posizionamento attivo di Beidou-1?

Il sistema di prova di navigazione satellitare BeiDou-1, noto anche come BeiDou-1, utilizza il principio del posizionamento attivo. È composto da tre parti fondamentali: tre satelliti di posizionamento (due satelliti operativi e un satellite di riserva), il segmento di terra (che comprende il centro di controllo a terra e la stazione di calibrazione) e i terminali utente. BeiDou-1 fornisce servizi di posizionamento in tempo reale per tutte le stagioni con una precisione calibrata di 20 metri e una precisione non calibrata di 100 metri.

Il sistema di test BeiDou-1 è stato istituito ufficialmente nel 1994 ed è in funzione dal lancio di due satelliti nel 2000, completato nel 2003 con l'aggiunta di un satellite di riserva. La sua copertura di servizio è compresa tra 70 e 140° di longitudine est e 5°-55° di latitudine nord. Quando il satellite raggiungerà la fine della sua vita utile, il sistema cesserà di funzionare.

Il sistema di prova di navigazione satellitare BeiDou-1 è costituito da un segmento spaziale, che comprende tre satelliti geostazionari situati a 80°, 110,5° e 140° di longitudine est dell'equatore. Il segmento di controllo a terra comprende un centro di controllo e una stazione di calibrazione. Il centro di controllo è responsabile di compiti quali la determinazione dell'orbita del satellite, la correzione ionosferica, la determinazione della posizione dell'utente e lo scambio di brevi messaggi informativi. La stazione di calibrazione fornisce parametri di osservazione e correzione della distanza al centro di controllo. Il segmento utente comprende vari terminali, come quelli palmari, quelli montati su veicoli e i terminali di comando, utilizzati per trasmettere applicazioni di posizionamento e ricevere informazioni sulle coordinate di posizione.

Le funzioni principali e gli indicatori di prestazione del sistema di test Beidou-1 sono i seguenti:

• Funzioni di servizio: posizionamento, temporizzazione unidirezionale e bidirezionale, comunicazione di brevi messaggi
• Area di servizio: Cina e dintorni
• Precisione di posizionamento: migliore di 20 metri
• Precisione di temporizzazione: unidirezionale 100 nanosecondi, bidirezionale 20 nanosecondi
• Comunicazione di messaggi brevi: 120 caratteri cinesi trasmessi ogni volta

Il segmento spaziale Beidou-1 è composto da due satelliti operativi e da un satellite di riserva in orbita, tutti operanti in un'orbita geostazionaria a circa 36.000 chilometri da terra. I segnali in uscita e in entrata tra il centro di controllo a terra, i satelliti, i terminali utente e le stazioni di calibrazione utilizzano frequenze diverse. Il segmento di controllo a terra comprende il centro di controllo e gestione, responsabile del monitoraggio dei satelliti, del calcolo della posizione degli utenti, della temporizzazione e della comunicazione. La stazione di rilevamento e controllo monitora il satellite e fornisce input al centro di controllo, mentre il sistema di calibrazione esegue compiti quali la misurazione dell'orbita del satellite, il posizionamento differenziale e l'altimetria barometrica. Il segmento utente è composto da computer utente ordinari, computer utente di comando e computer utente di cronometraggio.

Beidou-1 adotta il posizionamento attivo. La misurazione della distanza da ciascun satellite all'utente è indipendente dall'orologio del computer dell'utente. La precisione della misurazione della distanza dipende dalla precisione dell'orologio atomico della sorgente del segnale. Il sistema deve ottenere dati altimetrici geografici accurati dal database altimetrico nazionale. Il principio di posizionamento di Beidou-1 consiste nel costruire tre sfere, due delle quali hanno posizioni satellitari e distanze note dagli utenti, mentre una sfera è il raggio della terra più l'elevazione dell'utente. L'intersezione di queste tre sfere sulla terra è la posizione dell'utente, secondo il "principio di misurazione dell'intersezione delle tre sfere". Il processo di posizionamento comprende l'invio da parte del centro di terra di un segnale di richiesta al satellite, la risposta del computer utente con il proprio segnale, il calcolo della posizione da parte del centro di terra sulla base di dati quali il ritardo di andata e ritorno, l'invio delle informazioni sulla posizione all'utente e la visualizzazione della posizione sul terminale utente.

6.Qual è la composizione del sistema e il principio di posizionamento passivo di Beidou-2?

BeiDou-2 è un sistema di navigazione satellitare che fornisce servizi di posizionamento, navigazione e cronometraggio per la regione Asia-Pacifico. Si compone di quattro tipi di servizi: servizio autorizzato, servizio pubblico, servizio differenziale ad ampio raggio e servizio di segnalazione della posizione. Il sistema fornisce un servizio differenziale ad ampio raggio con una precisione di posizionamento di 1 metro e un servizio di comunicazione di brevi messaggi per gli utenti autorizzati in Cina e nelle aree circostanti. Il servizio di segnalazione della posizione è stato modificato per aumentare la capacità dell'utente e ridurre la potenza di trasmissione, passando da una copertura doppia a una singola e da un funzionamento a doppio satellite a uno a triplo satellite, adottando la modalità di funzionamento "tre ricezioni e una trasmissione" per soddisfare i requisiti di posizionamento e segnalazione rapida della posizione.

Le funzioni principali e gli indicatori di prestazione di BeiDou-2 sono i seguenti:

• Funzioni principali: posizionamento, misurazione della velocità, temporizzazione unidirezionale e bidirezionale, comunicazione di messaggi brevi.
• Area di servizio: Cina e parti della regione Asia-Pacifico
• Precisione di posizionamento: migliore di 10 metri
• Precisione di misurazione della velocità: migliore di 0,2 metri/secondo
• Precisione di temporizzazione: 50 nanosecondi (bidirezionale: 10 nanosecondi)
• Comunicazione di messaggi brevi: 120 caratteri cinesi trasmessi ogni volta

Oltre ai servizi di posizionamento, navigazione e cronometraggio forniti dal GPS, BeiDou-2 fornisce anche funzioni speciali come la segnalazione della posizione, la comunicazione e il posizionamento/ cronometraggio regionale ad alta precisione. Integra le applicazioni RNSS (Radio Navigation Satellite System) e RDSS (Radio Determination Satellite Service), consentendo agli utenti di eseguire autonomamente operazioni di posizionamento continuo e di misurazione della velocità senza inviare segnali di risposta, e può utilizzare RDSS per la segnalazione della posizione, la localizzazione e l'identificazione dell'utente e la comunicazione di brevi messaggi, a seconda delle necessità. BeiDou-2 supporta la fusione RNSS e RDSS in doppia modalità e supporta l'applicazione di fusione di GPS e GLONASS stranieri nei terminali utente.

Il sistema BeiDou-2 è composto da tre parti: costellazione spaziale, controllo delle operazioni a terra e terminale utente. La costellazione satellitare è composta da 5 satelliti GEO (orbita geostazionaria), 5 satelliti GSO (orbita geosincrona) e 4 satelliti MEO (orbita terrestre media). Il sistema di controllo delle operazioni a terra è responsabile della gestione del segnale satellitare e dell'elaborazione delle informazioni. I terminali utente comprendono vari tipi di terminali Beidou, compresi quelli compatibili con altri sistemi di navigazione.

Beidou-2 raggiunge la compatibilità e l'interoperabilità multi-sistema, consentendo agli utenti di utilizzare i servizi di posizionamento, navigazione e temporizzazione di più sistemi di navigazione satellitare allo stesso tempo. Ciò significa che il sistema Beidou può funzionare indipendentemente o insieme ad altri sistemi GNSS (sistema globale di navigazione satellitare) senza interferire tra loro. Il ricevitore può utilizzare i segnali dei sistemi di navigazione satellitare Beidou, GPS, GLONASS e Galileo per la navigazione, fornendo prestazioni di servizio migliorate.

Con il continuo sviluppo del sistema di navigazione satellitare Beidou, il concetto di segmento di utenza è stato continuamente ampliato per coprire una gamma più ampia di applicazioni e l'integrazione con altre tecnologie. La navigazione satellitare è diventata una parte indispensabile di tutti i settori dell'economia e della società, una parte importante dei servizi di informazione spazio-temporale e ha plasmato la produzione, lo stile di vita e il modello ecologico dell'era dell'informazione. Il segmento utente si è evoluto in un concetto a livello di sistema, che riflette il potenziale valore applicativo e di servizio del sistema di navigazione satellitare e il suo ruolo di primo piano nella società.

7.Quali sono i progetti innovativi dei segnali Beidou-3?

La progettazione del segnale di BeiDou-3 (BDS Global System) adotta diverse tecnologie innovative per affrontare le sfide delle restrizioni di frequenza, della compatibilità con altri sistemi, dei diritti di proprietà intellettuale e della crescente domanda di servizi. Questi progetti innovativi includono:

1.QMBOC (Quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier):

• La frequenza centrale del segnale civile B1C è impostata a 1575,42 MHz, coerente con le frequenze GPS L1 e Galileo E1.
• Il QMBOC modula le componenti BOC(1,1) e BOC(6,1) su due fasi ortogonali, evitando interferenze di cross-correlazione e problemi di brevetto.
• Il QMBOC offre un'elevata precisione di misura, stabilità e compatibilità con i segnali GPS e Galileo nella stessa banda di frequenza.

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

• Le frequenze B2a e B2b supportano l'interoperabilità con GPS L5 e Galileo E5.
• TD-AltBOC utilizza la multiplazione a divisione di tempo per i dati e i componenti pilota, semplificando l'implementazione del trasmettitore.
• ACE-BOC dispone di diritti di proprietà intellettuale indipendenti, i componenti dati e pilota sono disposti ortogonalmente e il controllo del rapporto di potenza è flessibile.
• Sia il TD-AltBOC che l'ACE-BOC garantiscono la compatibilità del segnale, la regolabilità e il supporto dei futuri progetti di ricevitori Beidou+GPS+Galileo.

3.Doppio QPSK:

• Dual QPSK è una tecnologia di multiplazione integrata che consente una combinazione a media potenza di BOC e QPSK sul punto di frequenza B3.
• Consente un controllo flessibile della potenza e la fusione a inviluppo costante di due segnali simili a QPSK, ottimizzando così l'implementazione e l'efficienza energetica.

Questi progetti innovativi per i segnali di Beidou-3 superano le barriere dei brevetti, assicurano la compatibilità con altri sistemi, migliorano le prestazioni di portata, le capacità anti-interferenza e supportano le future architetture dei ricevitori. Inoltre, sottolineano l'indipendenza dei diritti di proprietà intellettuale, semplificano l'implementazione dei trasmettitori e soddisfano le esigenze in evoluzione del settore della navigazione.

8.Quali sono il sistema di riferimento temporale e il sistema di riferimento spaziale del sistema Beidou?

Il sistema di navigazione satellitare BeiDou utilizza il Sistema di Coordinate Geodetiche Cinesi 2000 (CGCS2000) come sistema di coordinate e il Tempo BeiDou (BDT) come riferimento temporale.

Il sistema di coordinate geodetiche CGCS2000 è definito come segue: l'origine è situata al centro di massa della Terra, l'asse Z punta al polo di riferimento determinato dal Servizio Internazionale di Rotazione della Terra (ERS), l'asse X è allineato al meridiano di riferimento che passa per l'intersezione del piano equatoriale ortogonale all'asse Z e l'origine, con il polo positivo di riferimento come riferimento, l'asse Y, l'asse Z e l'asse X formano un sistema di coordinate rettangolari destrorse, l'origine del CGCS2000 è anche il centro geometrico dell'ellissoide CGCS2000 e l'asse Z è l'asse di rotazione dell'ellissoide rotante. Le costanti chiave definite dall'ellissoide di riferimento CGCS2000 includono:

• Semiasse maggiore: a = 6378137,0m
• Costante gravitazionale terrestre (compresa l'atmosfera): μ = 3,986004418×10^14m^3/s^2
• Tasso di appiattimento: f = 1/298.257222101
• Velocità angolare di rotazione della Terra: ω = 7,2921150×10^-5rad

In termini di sistema temporale, il sistema BeiDou utilizza il BeiDou Time (BDT) come riferimento. Il BDT utilizza come unità di base il secondo del Sistema Internazionale di Unità (SI), che viene accumulato in modo continuo senza utilizzare secondi intermittenti. L'epoca di inizio del BDT è 00:00:00 Tempo Universale Coordinato (UTC) del 1° gennaio 2006. Il BDT calcola il numero di giorni della settimana e di secondi all'interno della settimana. È sincronizzato con il Tempo Coordinato Internazionale (UTC) attraverso UTC (NTSC), assicurando che la deviazione tra BDT e UTC sia mantenuta entro 100 nanosecondi (modulo 1 secondo). L'informazione sul secondo intercalare tra BDT e UTC viene trasmessa nel messaggio di navigazione.

9.Come fa Beidou-3 a raggiungere un posizionamento, una navigazione e un cronometraggio di alta precisione?

Il sistema di navigazione satellitare BeiDou-3 garantisce posizionamento, navigazione e tempistica di alta precisione grazie a diverse misure e funzioni chiave. Queste misure e funzioni comprendono:

1. Uso di orologi atomici: BeiDou-3 utilizza orologi atomici a bordo, come quelli al rubidio, al cesio e all'idrogeno, che sono dispositivi di misurazione del tempo estremamente precisi. L'errore di stabilità di questi orologi varia da 10^-13 a 10^-15, garantendo una misurazione accurata del tempo. Utilizzando gli orologi atomici come standard di tempo e frequenza, BeiDou-3 raggiunge misurazioni di alta precisione e calcoli precisi della distanza tra i satelliti e i ricevitori.
2. Progettazione del sistema: BeiDou-3 utilizza tecniche di progettazione del sistema per migliorare la precisione. Ad esempio, l'uso di segnali a doppia frequenza o multifrequenza aiuta a eliminare gli effetti ionosferici, che influenzano le diverse frequenze in misura diversa. Utilizzando il rapporto di frequenza noto, il metodo di cancellazione differenziale normalizzato della stessa frequenza può essere utilizzato per attenuare gli effetti ionosferici.
3. Miglioramento e correzione degli errori multimodali: BeiDou-3 utilizza una serie di tecniche di miglioramento e metodi di correzione degli errori per eliminare gli errori che influiscono sulla precisione, tra cui la correzione accurata dell'orbita delle effemeridi satellitari, la correzione dell'orologio e la correzione degli errori ionosferici. La disponibilità di correzioni di rete in tempo reale migliora significativamente la precisione del posizionamento dell'utente.
4. Tecnologia differenziale: BeiDou-3 adotta ampiamente diversi livelli di tecnologia differenziale, come i parametri di fase del codice e fase della portante, differenziale locale e ad ampio raggio, differenziale statico e in tempo reale e differenziale basato sulla rete. Queste tecnologie migliorano ulteriormente la precisione compensando gli errori e migliorando l'accuratezza del posizionamento.
5. Ottimizzazione della distribuzione dei satelliti: BeiDou-3 considera la distribuzione geometrica dei satelliti nello spazio per ridurre al minimo i fattori di amplificazione degli errori. Distribuendo strategicamente i satelliti, il sistema mira a ottimizzare il coefficiente di precisione del fattore geometrico. L'interoperabilità dei segnali satellitari di più sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS) può migliorare l'accuratezza del posizionamento e fornire nuove opportunità per raggiungere livelli di precisione più elevati.

BeiDou-3 raggiunge un'elevata precisione di posizionamento, navigazione e temporizzazione grazie all'adozione di orologi atomici, alla progettazione del sistema, alla tecnologia di correzione degli errori, alla tecnologia differenziale e ad altri mezzi. Ha le caratteristiche di copertura globale, funzionamento in tutte le condizioni atmosferiche, capacità utente illimitata, dinamica in tempo reale, ecc. e si distingue da molti sistemi di navigazione.

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