BeiDou Navigatiesatellietstelsel Uitgelegd: Hoe Het Zich Verzet Tegenover GPS

De Chinese ruimtevaartadministratie (CNSA) is noch de oudste noch de grootste ruimtevaartorganisatie ter wereld, maar staat op het punt een prestatie te leveren die slechts een paar voor hen zijn geglukt: het vestigen van een volledig functioneel mondiaal navigatiesatellietstelsel (GNSS).

Een GNSS is simpelweg een satellietnavigatiesysteem dat wereldwijd diverse georuimtelijke diensten levert. Op dit moment zijn het Amerikaanse GPS en het Russische GLONASS de enigste twee operationele systemen van deze orde.

Ik ben er vrijwel zeker van dat de meeste lezers goed geïnformeerd zijn over GPS (Global Positioning System) en de iets minder bekende concurrent GLONASS, maar roept de naam BeiDou een belletje? Voor wie het niet kent: BeiDou (BDS) is China's toonaangevende satellietnavigatiesysteem, uitsluitend beheerd door de CNSA.

Men gaat ervan uit dat het idee voor dit uitgebreide project in de jaren 80 door de Chinese regering werd bedacht als reactie op Amerikaanse vooruitgang in militaire ruimtetechnologieën. BeiDou ontleent zijn naam aan de Grote Beer-asterisme, een groep heldere sterren in het sterrenbeeld Grote Beer.

Net als GPS, GLONASS, Galileo en andere navigatiesystemen in ontwikkeling, is BeiDou's uiteindelijke doel om zijn diensten wereldwijd te leveren met een hogere nauwkeurigheid (relatief tot andere GNSS).

Om dit te bereiken, werd het gehele project zorgvuldig georganiseerd in drie fasen: de eerste fase (BeiDou-1) startte in 2000, de tweede fase in 2007, en de derde en laatste fase in 2015. Het BeiDou-navigatiesatellietstelsel verwacht wereldwijd operationeel te zijn somewhere in 2020.

Kortom: BeiDou is China's versie van GPS, maar op regionaal schaal (tenminste voor nu). Het is slechts het tweede operationele regionaal navigatiesysteem in Azië, de andere is NAVIC (van India). Als alles goed gaat, zal China's BeiDou op mondiaal niveau concurrent zijn voor GLONASS en GPS.

BeiDou-1 en -2

Baanvergelijking van verschillende satellietsystemen inclusief BeiDou-2 (COMPASS)

De eerste en verkennende fase van het BeiDou-navigatiesatellietstelsel startte op 30 oktober 2000 met de lancering van de BeiDou-1A satelliet. Vervolgens werden BeiDou-1B en BeiDou-1C gelanceerd op 20 december 2000 en 25 mei 2003.

De succesvolle implementatie van alle drie BeiDou-satellieten markeerde de initiële succes van het project. Een back-upsatelliet (BeiDou-4D) werd later gelanceerd voor noodgevallen.

Interessant om te vermelden is dat alle vier BeiDou-1-satellieten in een geostationaire baan (GEO) werden geplaatst, en niet in een middel-aardbaan (MEO) zoals bij GPS en GLONASS.

Door satellieten in geostationaire baan te gebruiken, elimineerde BeiDou-1 de noodzaak voor een grote constellatie satellieten, maar het beperkte ook het maximale gebied (op aarde) dat het kan bedekken. Het effectieve dekkingsgebied was van 70°O tot 140°O lengtegraad en 5°N tot 55°N breedtegraad. BeiDou-1 werd in 2012 volledig uitgefaseerd.

Op een ander vlak: in 2008 kostte een enkele BeiDou-1-ontvanger ongeveer $2.929 (CNY 20.000), bijna 10 keer duurder dan een GPS-terminal toen. De prijs was ongelooflijk hoog, naar verluidt door duur geïmporteerde microchips. Zodra ze begonnen chips domestiek te produceren, daalde de prijs aanzienlijk.

Vergelijking van het door BeiDou-1 en BeiDou-2 bedekte gebied

De tweede fase van het BeiDou-navigatiesysteem, BeiDou-2, ook bekend als COMPASS, werd in 2007 geïntroduceerd als een significante upgrade. Tot 2008 bood het Chinese navigatieapparaat zijn diensten alleen aan het leger en andere gerelateerde Chinese overheidsinstanties, maar werd het beschikbaar voor burgerlijk en commercieel gebruik.

Onder deze fase werden in totaal 19 satellieten geïmplementeerd (waarvan twee nu gepensioneerd zijn) met één satelliet gepland voor lancering in 2019. Tijdens de initiële fase bood COMPASS een gerapporteerde positioneringsnauwkeurigheid van 25 meter, maar dit verbeterde aanzienlijk naarmate meer satellieten operationeel werden.

Het nieuwe systeem werd volledig operationeel in december 2011 en opende eind 2012 zijn positionerings- en navigatiediensten voor andere naties in de Azië-Pacific-regio. De huidige dekkingsomvang van BeiDou ligt tussen 55°O tot 180°O lengtegraad en van 55°Z tot 55°N breedtegraad.

Nauwkeurigheid en Frequenties

Net als GPS en Galileo biedt BeiDou zijn diensten op twee niveaus aan: een vrij toegankelijke dienst voor burgerlijk gebruik en een beperkte versie voor het leger. De burgerlijke dienst heeft een locatietrackingnauwkeurigheid van 10 meter en een kloksynchronisatienauwkeurigheid van 10 nanoseconden.

Aan de andere kant heeft de beperkte dienst een veel hogere trackingnauwkeurigheid van 10 centimeter en geavanceerde datatransmissiemogelijkheden. Toegang tot BeiDou's beperkte kanaal is tot nu toe alleen verleend aan de Chinese en Pakistaanse gewapende machten. BeiDou's meetsein is gebaseerd op de Code Division Multiple Access (CDMA)-methode.

Frequentietoewijzing van GPS, Galileo en BeiDou-2 (COMPASS)

BeiDou-2 heeft vier herkende frequentiebanden: E1, E2, E6 en E5B. Alle vier overlappen met Galileo's banden. Hoewel dergelijke overlappen tot op zekere hoogte nuttig kunnen zijn (ze kunnen problemen met ontvanger- of grondterminalontwerp oplossen), creëren ze voornamelijk ernstige problemen zoals seininterferentie.

Er is een grote kans dat, als beide navigatiesystemen gelijktijdig onder gelijke omstandigheden operationeel zijn, ze zware seininterferentie zullen ervaren, met name in de E1- en E2-banden, die momenteel aan Galileo's publieke dienst zijn toegewezen.

Om dergelijke conflicten te voorkomen, heeft de Internationale Telecommunicatie-unie (ITU) een universele 'eerst komen, eerst dienen'-wet die rechten op een specifieke frequentie toekent aan het land dat er als eerste in begint te zenden. Elk opvolgend land dat die frequentie wil gebruiken, moet toestemming vragen aan het eigenaarsland voordat het die gebruikt. Op die manier kunnen beide partijen ervoor zorgen dat er geen interferentie is met hun uitzending.

Nu is het bijna zeker dat het Chinese BeiDou-2 zal beginnen zenden in de bovenvermelde gedisputeerde banden voordat de Galileo-satellieten, en zo de primaire rechten op deze frequenties zal verkrijgen.

BeiDou-3

De Chinese Nationale Ruimtevaartadministratie (CNSA) initieerde de derde fase van het BeiDou-navigatiesatellietstelsel op 30 maart 2015 met de eerste lancering van de BDS-3-satelliet vanuit het Xichang Ruimtecentrum in Sichuan. In totaal zijn 35 satellieten gepland onder deze fase, waarvan 19 al in hun respectieve banen zijn.

BeiDou-3 introduceert nieuwe frequentiebanden: B1C/B1I/B1A (1575,42 MHz), B2a/B2b (1191,795 MHz), B3I/B3Q/B3A (1268,52 MHz) inclusief een testfrequentie Bs (2492,028 MHz).

Van de 35 satellieten zijn 27 middel-aardbaan (MEO) satellieten, 5 Inclined Geosynchronous Orbit (IGSO) satellieten, en 3 Geostationaire Orbit (GEO) satellieten. Deze satellieten hebben ook SAR (synthetische opening radar) en SBAS (Satellite-based Augmentation System) mogelijkheden, vergelijkbaar met GPS en GLONASS.

Commercieel Gebruik van BeiDou

Het BeiDou-navigatiesatellietstelsel is een commercieel succes in China. Volgens China Daily heeft BDS diverse private en staatsbedrijven zoals China Aerospace Science and Industry Corp en AutoNavi Holdings Ltd geholpen om in 2015 meer dan $31 miljard (200 miljard yuan) aan opbrengst te genereren. Het artikel wees erop dat deze cijfer kan oplopen tot 400 miljard yuan in 2020.

Sinds 2013 hebben veel Chinese mobiele telefoonfabrikanten hun producten compatibel gemaakt met het BeiDou-navigatiesysteem. Miljoenen commerciële voertuigen, duizenden vissersschepen (in China) zijn ook uitgerust met BDS en het is waarschijnlijk dat de klantenbasis in de komende jaren zal groeien.

Zoals je weet, komen steeds meer mobiele apparaten met zowel GPS- als GLONASS-technologie voor betere dekking en locatiediensten, dus het is waarschijnlijk een kwestie van tijd voordat BeiDou erbij komt.

Hoe Het Verschilt van GPS

Een satellietnavigatiesysteem is zonder twijfel een van de belangrijkste stukken technologie die een land vandaag de dag kan hebben, en het is nog waardevoller voor China gezien de huidige geopolitieke en economische verhoudingen met de Verenigde Staten.

Met GPS onder hun controle, kan het Amerikaanse leger de diensten effectief deactiveren over elk gebied van de aarde, weshalb veel naties hun onafhankelijke GPS-achtige systemen ontwikkelen.

Er is niet veel verschil tussen de twee behalve de nauwkeurigheid. GPS heeft een constellatiegrootte van 31 satellieten, terwijl het nieuwe BeiDou er ongeveer 35 zal hebben. Wanneer volledig operationeel (in 2020), verwacht men dat het BeiDou-satellietnavigatiesysteem nauwkeurigere locatiediensten zal bieden dan GPS.

In 2016 werd beweerd dat het Chinese systeem millimeter-nauwkeurigheid zou bereiken (na post-verwerking), wat betekent dat het tien keer nauwkeuriger zou zijn dan de meest nauwkeurige GPS-niveaus.

Gebied bedekt door WAAS (Wide Area Augmentation System)

Over de Verenigde Staten, Canada en Mexico wordt GPS vaak gebruikt met een navigatiehulp bekend als Wide Area Augmentation of WAAS-systeem dat de nauwkeurigheid van GPS over het Noord-Amerikaanse continent aanzienlijk vergroot.

Volgens gps.gov zal het Amerikaanse systeem in staat zijn om real-time positioneringsnauwkeurigheid binnen een paar centimeter te leveren en afstanden op millimeterniveau te meten met high-end ontvangers en geavanceerde technieken zoals Real-Time Kinematics. Momenteel werkt de Amerikaanse luchtmacht samen met Lockheed Martin aan GPS III, de zevende generatie GPS-satellieten.

Hoewel het algemeen bekend is dat de verticale nauwkeurigheid van GPS veel slechter is dan de horizontale, zijn de nauwkeurigheidsniveaus op beide componenten nog steeds hoger dan die van BeiDou (25 meter horizontaal en 30 meter verticaal).

Volgens een artikel in het Chinese Journal of Aeronautics kan BDS echter een nauwkeurigheid van beter dan 1 cm horizontaal en 3 cm verticaal bereiken, wat volgens huidige standaarden ver beter is dan GPS.

Andere Satellietnavigatiesystemen

Naast BeiDou zijn er nog enkele andere satellietnavigatiesystemen in aanbouw of al functionerend. Het meest opvallende is Galileo. De Europese Unie's Galileo is een multi-miljard dollar project geïnitieerd om een hoog-nauwkeurig en onafhankelijk positioneringssysteem te bieden aan Europese naties met geopolitieke factoren in gedachten. De gehele Galileo-constellatie bestaat uit 26 satellieten met nog zes implementaties over het komende decennium.

Het IRNSS (Indian Regional Navigation System) of NAVIC is een ander autonoom navigatiesysteem bestaande uit een constellatie van vier satellieten (drie meer zijn gepland). NAVIC is onafhankelijk ontwikkeld en onderhouden door de Indian Space Research Organisation.

Blijkbaar biedt IRNSS een positioneringsnauwkeurigheid van 10 m (open service) en 10 cm (beperkte service). In tegenstelling tot GPS, GLONASS en Galileo heeft het Indiase navigatiesysteem geen directe plannen om wereldwijde diensten te bieden.

Animatie van QZSS-satellietbaan

Volgende in de rij is Japan's Quasi-Zenith Satellite System of QZSS. Het is een GPS-compatibel satellietgebaseerd augmentatiesysteem dat de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van GPS over Japan en de omgeving vergroot. Momenteel bestaat het QZSS-systeem uit vier satellieten, maar zal geleidelijk uitbreiden tot zeven satellieten in 2023 (schatting).

Drie van de vier satellieten staan in sterk ingenome geosynchrone banen, ongeveer 120° van elkaar verwijderd. Deze hoge inclinatie stelt hen in staat om in een uniek asymmetrisch patroon te draaien, bekend als analemma's, en permanent aanwezig te zijn boven Japan. De signalen die door QZSS-satellieten worden gezonden, zijn identiek aan oude en gemoderniseerde GPS-signalen (L1C/A, L1C, L2C), wat samenwerking met het Amerikaanse navigatienetwerk vergemakkelijkt.

Terwijl het bijna zeker is dat we niet volledig hoeven te vertrouwen op GPS voor onze economische en politieke behoeften, zal het erg interessant zijn om te zien hoe China's BeiDou zich in de toekomst zal verhouden tot zijn Amerikaanse, Russische en Europese tegenhangers.