Was ist das BeiDou-Satellitennavigationssystem? Wie unterscheidet es sich von GPS?

Die chinesische Raumfahrtbehörde (CNSA) ist weder die älteste noch die größte Raumfahrtbehörde der Welt, aber sie steht vor einer Leistung, die in der Vergangenheit nur wenigen gelang; Einrichtung eines voll funktionsfähigen globalen Navigationssatellitensystems oder GNSS.

Ein GNSS ist einfach ein Satellitennavigationssystem, das verschiedene Geodatendienste auf globaler Ebene bereitstellt. Derzeit sind das in den USA gebaute GPS und das russische GLONASS die einzigen zwei dieser Systeme, die in Betrieb sind.

Ich bin mir fast sicher, dass die meisten unserer Leser über GPS oder Global Positioning System und seinen etwas weniger beliebten Konkurrenten GLONASS gut informiert sind, aber klingelt der Name BeiDou bei Ihnen? Für diejenigen, die es nicht wissen:BeiDou (BDS) ist Chinas führendes Satellitennavigationssystem, das ausschließlich von der CNSA verwaltet wird.

Es wird angenommen, dass die Idee eines so umfangreichen Projekts erstmals in den 1980er Jahren von der chinesischen Regierung als Reaktion auf die amerikanischen Fortschritte in der militärischen Weltraumtechnologie entwickelt wurde. BeiDou erhielt seinen Namen vom Asterismus Big Dipper, einer Gruppe heller Sterne im Sternbild Ursa Major.

Wie GPS, GLONASS, Galileo und andere derzeit in der Entwicklung befindliche Navigationssysteme besteht das ultimative Ziel von BeiDou darin, seine Dienste weltweit mit größerer Genauigkeit (im Vergleich zu anderen GNSS) bereitzustellen.

Um dies zu erreichen, wurde das gesamte Projekt sorgfältig in drei Phasen gegliedert; die erste Phase (BeiDou-1) begann im Jahr 2000, die zweite Phase 2007 und die dritte letzte Phase 2015. Das BeiDou-Navigationssatellitensystem soll voraussichtlich im Jahr 2020 weltweit eingesetzt werden.

Einfach ausgedrückt, BeiDou ist Chinas Version von GPS, aber auf regionaler Ebene (zumindest vorerst). Es ist erst das zweite in Asien in Betrieb befindliche regionale Navigationssystem, das andere ist NAVIC (im Besitz von INDIA). Wenn alles gut geht, wird Chinas BeiDou GLONASS und GPS auf globaler Ebene Konkurrenz machen.

BeiDou-1 und 2

Orbitvergleich verschiedener Satellitensysteme einschließlich BeiDou-2 (COMPASS)

Die erste und explorative Phase des BeiDou-Satellitennavigationssystems begann am 30. Oktober 2000 mit der Einführung von BeiDou-1A Satellit. Es folgten BeiDou-1B und BeiDou-1C, die am 20. Dezember 2000 bzw. 25. Mai 2003 auf den Markt kamen.

Der erfolgreiche Einsatz aller drei BeiDou-Satelliten markierte den ersten Erfolg des Projekts. Im Notfall wurde später auch ein Backup-Satellit (BeiDou-4D) gestartet.

Interessant ist, dass alle vier BeiDou-1-Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn (GEO) und nicht in einer mittleren Erdumlaufbahn (MEO) wie bei GPS und GLONASS stationiert waren.

Durch den Einsatz seiner Satelliten in der geostationären Umlaufbahn eliminierte BeiDou-1 die Notwendigkeit einer großen Satellitenkonstellation, schränkte jedoch auch die maximale Fläche (auf der Erde) ein, die es abdecken kann. Sein effektiver Abdeckungsbereich erstreckte sich von 70 O Ö bis 140 O Länge und 5 N bis 55 N N Breite. BeiDou-1 wurde 2012 vollständig eingestellt.

Ein anderer Hinweis:Im Jahr 2008 kostete ein einzelner BeiDou-1-Empfänger etwa 2.929 US-Dollar (20.000 RMB), fast zehnmal teurer als damals ein GPS-Terminal. Der Preis war wahnsinnig hoch, angeblich aufgrund teuer importierter Mikrochips. Als sie mit der Herstellung von Chips im Inland begannen, gingen ihre Preise stark zurück.

Vergleich der von BeiDou-1 und BeiDou-2 abgedeckten Gebiete  Bild mit freundlicher Genehmigung:BeiDou.gov.cn

Die zweite Phase des BeiDou-Navigationssystems, BeiDou-2, auch bekannt als KOMPASS , wurde 2007 als bedeutendes Upgrade gegenüber dem vorherigen System eingeführt. Bis 2008 stellte der chinesische Navigationsapparat seine Dienste nur dem Militär und anderen verwandten chinesischen Regierungsbehörden zur Verfügung, wurde jedoch für zivile und kommerzielle Zwecke zur Verfügung gestellt.

In dieser Phase werden insgesamt 19 Satelliten eingesetzt (von denen zwei inzwischen ausgemustert sind), wobei ein Satellit 2019 gestartet werden soll. In der Anfangsphase bot COMPASS eine gemeldete Positionsgenauigkeit von 25 Metern, wurde jedoch erheblich verbessert, nachdem mehr Satelliten eingesetzt wurden betriebsbereit.

Das neue System wird im Dezember 2011 vollständig einsatzbereit und hat Ende 2012 seine Positionsbestimmungs- und Navigationsdienste für andere Nationen in der asiatisch-pazifischen Region geöffnet. Die aktuelle Abdeckung von BeiDou liegt zwischen 55 °O und 180 OÖ Längengrad und von 55 °S bis 55°N Breite.

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Genauigkeit und Frequenzen

Ähnlich wie GPS und Galileo bietet BeiDou seine Dienste auf zwei verschiedenen Ebenen an – einem frei zugänglichen Dienst für die zivile Nutzung und einer eingeschränkten Version für das Militär. Der Zivildienst hat eine Standortverfolgungsgenauigkeit von 10 Metern und eine Uhrzeitsynchronisationsgenauigkeit von 10 Nanosekunden.

Auf der anderen Seite haben seine eingeschränkten Dienste eine viel höhere Tracking-Genauigkeit von 10 Zentimetern und verfügen über erweiterte Datenübertragungsfunktionen. Der Zugang zum eingeschränkten Kanal von BeiDou wird bisher nur den chinesischen und pakistanischen Streitkräften gewährt. Die Entfernungssignale von BeiDou basieren auf dem CDMA-Verfahren (Code Division Multiple Access).

Frequenzzuordnung von GPS, Galileo und BeiDou 2 (KOMPASS)

BeiDou-2 hat vier erkannte Frequenzbänder; E1, E2, E6 und E5B (in der Abbildung oben in roten Balken dargestellt). Wie Sie sehen können, überschneiden sich alle vier seiner Bänder mit den Bändern von Galileo. Obwohl diese Art von Überlappungen bis zu einem gewissen Grad von Vorteil sind (sie können Probleme im Zusammenhang mit dem Design von Empfängern oder Erdungsanschlüssen lösen), verursachen sie meistens ernsthafte Probleme wie Signalstörungen.

Wenn beide Navigationssysteme unter ähnlichen Umständen gleichzeitig in Betrieb sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass es zu starken Signalstörungen kommt, insbesondere in den E1- und E2-Bändern, die derzeit dem öffentlichen Dienst von Galileo zugewiesen sind.

Um diese Art von Konflikten zu vermeiden, verfügt die Internationale Fernmeldeunion (ITU) jedoch über ein universelles „Wer zuerst kommt, mahlt zuerst“-Gesetz, das einem Land Rechte an einer bestimmten Frequenz einräumt, das zuerst damit beginnt, dort zu senden. Jede nachfolgende Nutzernation, die bereit ist, diese Frequenz zu nutzen, muss vor ihrer Nutzung die Erlaubnis der Eigentümernation einholen. Auf diese Weise können beide Parteien sicherstellen, dass ihre Übertragung nicht gestört wird.

Nun ist es fast sicher, dass das chinesische BeiDou-2 in den oben genannten umstrittenen Bändern vor den Galileo-Satelliten sendet und damit die primären Rechte an diesen Frequenzen erhält.

BeiDou-3

Die chinesische National Space Administration (CNSA) leitete am 30. März 2015 die dritte Phase des Navigationssatelliten BeiDou ein, mit dem ersten Start des Satelliten BDS-3 vom Weltraumzentrum Xichang in der Provinz Sichuan. In dieser Phase sollen insgesamt 35 Satelliten in Betrieb genommen werden, von denen 19 bereits in ihrer jeweiligen Umlaufbahn sind.

Mit dem BeiDou-3 werden neue Frequenzbänder eingeführt; B1C/B1I/B1A, (1575,42 MHz), B2a/B2b (1191,795 MHz), B3I/B3Q/B3A (1268,52 MHz) einschließlich einer Testfrequenz Bs (2492,028 MHz).

Von den insgesamt 35 Satelliten sind 27 Satelliten mit mittlerer Erdumlaufbahn (MEO), 5 Satelliten mit geneigter geosynchroner Umlaufbahn (IGSO) und 3 Satelliten mit geostationärer Umlaufbahn (GEO). Diese Satelliten verfügen auch über SAR- (Synthetic Aperture Radar) und SBAS (Satellite-based Augmentation System)-Funktionen ähnlich wie GPS und GLONASS.

Kommerzielle Nutzung von BeiDou

Das BeiDou Navigationssatellitensystem war in China ein kommerzieller Erfolg. Laut China Daily half BDS verschiedenen privaten und staatlichen Unternehmen wie China Aerospace Science and Industry Corp und AutoNavi Holdings Ltd, im Jahr 2015 einen Umsatz von weit über 31 Milliarden US-Dollar (200 Milliarden Yuan) zu erwirtschaften. Der Artikel wies auch darauf hin, dass diese Zahl noch steigen könnte auf 400 Milliarden Yuan bis zum Jahr 2020.

Seit 2013 haben viele Handyhersteller in China ihre Produkte mit dem BeiDou Navigationssystem kompatibel gemacht. Millionen von Nutzfahrzeugen und Tausende von Fischereifahrzeugen (in China) wurden ebenfalls mit dem BDS ausgestattet, und es ist wahrscheinlich, dass es in den kommenden Jahren einen Kundenstamm gewinnt.

Wie Sie vielleicht wissen, sind immer mehr Mobilgeräte mit GPS- und GLONASS-Technologie ausgestattet, um eine bessere Abdeckung und Ortungsdienste zu gewährleisten. Es ist also wahrscheinlich eine Frage der Zeit, wann BeiDou ebenfalls mit von der Partie ist.

Der Unterschied zu GPS

Ein Satellitennavigationssystem ist ohne Zweifel eine der wichtigsten Technologien, die jedes Land heute haben kann, und es ist für China angesichts seiner aktuellen geopolitischen und wirtschaftlichen Haltung gegenüber den Vereinigten Staaten noch wertvoller.

Mit GPS unter ihrer Kontrolle kann die US-Armee ihre Dienste in jeder Region der Welt effektiv deaktivieren. Aus diesem Grund entwickeln viele Nationen ihre unabhängigen GPS-ähnlichen Systeme.

Abgesehen von der Genauigkeit gibt es keinen großen Unterschied zwischen den beiden. GPS hat eine Konstellationsgröße von 31 Satelliten, während das neue BeiDou etwa 35 davon haben wird. Wenn das BeiDou-Satellitennavigationssystem vollständig betriebsbereit ist (bis 2020), wird erwartet, dass es genauere Standortdienste bietet als das GPS.

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Im Jahr 2016 wurde behauptet, dass das chinesische System (nach der Nachbearbeitung) eine Genauigkeit im Millimeterbereich erreichen wird, was bedeutet, dass es zehnmal genauer ist als die genauesten GPS-Ebenen.

Gebiet, das von WAAS (Wide Area Augmentation System) abgedeckt wird  Bild mit freundlicher Genehmigung:US Federal Aviation Administration

In den USA, Kanada und Mexiko wird GPS häufig mit einer Navigationshilfe namens Wide Area Augmentation verwendet oder WASS-System, das die GPS-Genauigkeit auf dem nordamerikanischen Kontinent erheblich erhöht.

Laut gps.gov wird das in den USA ansässige System in der Lage sein, mit Hilfe von High-End-Empfängern und fortschrittlichen Techniken wie Echtzeit-Kinematik eine Echtzeit-Positionierungsgenauigkeit von wenigen Zentimetern bereitzustellen und Entfernungen im Millimeterbereich zu messen. Derzeit arbeitet die US Air Force zusammen mit Lockheed Martin an GPS III, der siebten Generation von GPS-Satelliten.

Obwohl allgemein bekannt ist, dass die vertikale Genauigkeit von GPS im Vergleich zu seinem Dienst auf einer horizontalen Ebene viel schlechter ist, ist die Genauigkeit beider Komponenten immer noch höher als die von BeiDou (25 Meter horizontal und 30 Meter vertikal).

Laut einem Artikel im Chinese Journal of Aeronautics kann das BDS jedoch eine Genauigkeit von besser als 1 cm in der Horizontalen und 3 cm in der Vertikalen erreichen, was nach den aktuellen Standards weit besser ist als das Global Positioning System (GPS).

Andere Satellitennavigationssysteme

Abgesehen von BeiDou befinden sich derzeit nur wenige andere Satellitennavigationssysteme im Bau oder funktionieren bereits. Das bemerkenswerteste dieser Systeme ist Galileo . Galileo der Europäischen Union ist ein Multi-Milliarden-Dollar-Projekt, das initiiert wurde, um den europäischen Nationen ein hochpräzises und unabhängiges Positionierungssystem unter Berücksichtigung der geopolitischen Faktoren bereitzustellen. Die gesamte Galileo-Konstellation besteht aus 26 Satelliten mit sechs weiteren Einsätzen in den nächsten zehn Jahren.

Das IRNSS (kurz für Indian Regional Navigation System) oder NAVIC ist ein weiteres autonomes Navigationssystem, das aus einer Konstellation von vier Satelliten besteht (drei weitere Satelliten sind geplant). NAVIC wird von der Indian Space Research Organization unabhängig entwickelt und gepflegt.

Anscheinend bietet IRNSS eine Positionsgenauigkeit von 10 m (offener Dienst) und 10 cm (eingeschränkter Dienst). Im Gegensatz zu GPS, GLONASS und Galileo hat das indische Navigationssystem keine unmittelbaren Pläne, einen globalen Dienst bereitzustellen.

Animation, die die Umlaufbahn des QZSS-Satelliten darstellt  Mit freundlicher Genehmigung: Hiroshi FUKUDA 

Als nächstes kommt Japans Quasi-Zenith-Satellitensystem oder QZSS . Es ist ein GPS-kompatibles satellitengestütztes Erweiterungssystem, das die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von GPS über Japan und seine Umgebung im Wesentlichen erhöhen wird. Derzeit besteht das QZSS-System aus vier Satelliten, wird aber bis zum Jahr 2023 schrittweise auf sieben Satelliten erweitert (Schätzung).

Drei der vier Satelliten befinden sich in stark geneigten geosynchronen Umlaufbahnen, etwa 120° voneinander entfernt. Diese hohe Neigung ermöglicht es ihnen, in einem einzigartigen asymmetrischen Muster, das als Analemmas bekannt ist, zu umkreisen und jederzeit über Japan präsent zu sein. Die von QZSS-Satelliten gesendeten Signale sind identisch mit alten und modernisierten GPS-Signalen (L1C/A, L1C, L2C), was die Zusammenarbeit mit dem amerikanischen Navigationsnetzwerk erleichtert.

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Obwohl es fast sicher ist, dass wir uns für unsere wirtschaftlichen und politischen Bedürfnisse nicht ausschließlich auf GPS verlassen müssen, wird es ziemlich interessant sein zu sehen, wie sich Chinas BeiDou in Zukunft gegenüber seinen amerikanischen, russischen und europäischen Gegenstücken schlägt.