Sistema de Navegação por Satélite BeiDou: Como Ele Se Diferencia do GPS

A administração espacial chinesa (CNSA) não é a mais antiga nem a maior agência espacial do mundo, mas está prestes a alcançar um feito realizado por poucos no passado: estabelecer um sistema de navegação por satélite global (GNSS) totalmente funcional.

Um GNSS é simplesmente um sistema de navegação por satélite que fornece vários serviços geoespaciais em escala global. Atualmente, o GPS americano e o GLONASS russo são os únicos dois sistemas desse tipo operacionais.

Tenho quase certeza de que a maioria dos nossos leitores está bem informada sobre o GPS (Sistema de Posicionamento Global) e seu concorrente ligeiramente menos popular, o GLONASS, mas o nome BeiDou soa familiar? Para quem não sabe, o BeiDou (BDS) é o principal sistema de navegação por satélite da China, gerido exclusivamente pela CNSA.

Acredita-se que a ideia de um projeto tão extenso foi concebida pela primeira vez nos anos 1980 pelo governo chinês em resposta aos avanços americanos em tecnologias militares espaciais. O BeiDou tirou seu nome do asterismo da Ursa Maior, um grupo de estrelas brilhantes localizadas na constelação de Ursa Major.

Como GPS, GLONASS, Galileo e outros sistemas de navegação em desenvolvimento, o objetivo final do BeiDou é fornecer seus serviços globalmente com mais precisão (em relação a outros GNSS).

Para alcançar isso, todo o projeto foi cuidadosamente organizado em três fases: a primeira fase (BeiDou-1) começou em 2000, a segunda em 2007 e a terceira fase final em 2015. Esperava-se que o Sistema de Navegação por Satélite BeiDou operasse globalmente em 2020.

Simplificando, o BeiDou é a versão chinesa do GPS, mas em escala regional (pelo menos por enquanto). É apenas o segundo sistema de navegação regional operacional na Ásia, o outro sendo o NAVIC (da Índia). Se tudo correr bem, o BeiDou da China rivalizará com GLONASS e GPS em níveis globais.

BeiDou-1 e BeiDou-2

Comparação de órbita de diferentes sistemas de satélites incluindo BeiDou-2 (COMPASS)

A primeira fase exploratória do Sistema de Navegação por Satélite BeiDou começou em 30 de outubro de 2000, com o lançamento do satélite BeiDou-1A. Foi seguido pelo BeiDou-1B e BeiDou-1C, lançados em 20 de dezembro de 2000 e 25 de maio de 2003, respectivamente.

A implantação bem-sucedida dos três satélites BeiDou marcou o sucesso inicial do projeto. Um satélite de reserva (BeiDou-4D) também foi lançado posteriormente para emergências.

É interessante notar que todos os quatro satélites BeiDou-1 foram posicionados em órbita geoestacionária (GEO) e não em órbita terrestre média (MEO), como no caso do GPS e GLONASS.

Ao usar seus satélites em órbita geoestacionária, o BeiDou-1 eliminou a necessidade de uma grande constelação de satélites, no entanto, também restringiu a área máxima (na Terra) que pode cobrir. Sua área de cobertura efetiva era de 70°E a 140°E de longitude e 5°N a 55°N de latitude. O BeiDou-1 foi completamente desativado em 2012.

Em nota diferente, em 2008, um único receptor BeiDou-1 custava cerca de US$ 2.929 (CNY 20.000), quase 10 vezes mais caro que um terminal GPS na época. O preço era absurdamente alto, supostamente devido a microchips importados caros. Uma vez que começaram a fabricar chips domesticamente, os preços caíram drasticamente.

Comparação da área coberta pelo BeiDou-1 e BeiDou-2. Imagem: BeiDou.gov.cn

A segunda fase do Sistema de Navegação BeiDou, BeiDou-2, também conhecido como COMPASS, foi introduzida em 2007 como uma atualização significativa sobre o sistema anterior. Até 2008, o aparato de navegação chinês fornecia seus serviços apenas para militares e outras agências governamentais chinesas relacionadas, mas foi disponibilizado para uso civil e comercial.

Sob esta fase, um total de 19 satélites foram implantados (dois dos quais estão agora aposentados) com um satélite previsto para lançamento em 2019. Durante seu estágio inicial, o COMPASS oferecia uma precisão de posicionamento relatada de 25 metros, mas foi substancialmente melhorada após mais satélites se tornarem operacionais.

O novo sistema tornou-se totalmente operacional em dezembro de 2011 e, até o final de 2012, abriu seus serviços de posicionamento e navegação para outras nações na região da Ásia-Pacífico. A extensão atual da cobertura do BeiDou está entre 55°E a 180°E de longitude e de 55°S a 55°N de latitude.

Precisão e Frequências

Assim como GPS e Galileo, o BeiDou fornece seus serviços em dois níveis diferentes — um serviço acessível gratuitamente para uso civil e uma versão restrita para militares. O serviço civil tem precisão de rastreamento de localização de 10 metros e precisão de sincronização de relógio de 10 nanossegundos.

Por outro lado, seus serviços restritos têm precisão de rastreamento muito maior de 10 centímetros e capacidades avançadas de transmissão de dados. O acesso ao canal restrito do BeiDou, até hoje, é concedido apenas às Forças Armadas da China e do Paquistão. Os sinais de alcance do BeiDou são baseados no método de Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA).

Alocação de frequência do GPS, Galileo e BeiDou 2 (COMPASS)

O BeiDou-2 tem quatro bandas de frequência reconhecidas: E1, E2, E6 e E5B (mostradas em barras vermelhas na figura acima). Como você pode ver, todas as quatro bandas se sobrepõem às do Galileo. Embora esses tipos de sobreposições sejam benéficos até certo ponto (podem resolver problemas associados ao design de receptores ou terminais terrestres), eles criam principalmente problemas sérios como interferência de sinal.

Há uma forte probabilidade de que, se ambos os sistemas de navegação estiverem ativos simultaneamente sob circunstâncias semelhantes, eles experimentarão interferência de sinal pesada, especialmente nas bandas E1 e E2, atualmente alocadas ao serviço público do Galileo.

No entanto, para evitar esses tipos de conflitos, a União Internacional de Telecomunicações (UIT) tem uma lei universal de "quem chega primeiro, leva" que concede direitos de uma frequência específica a uma nação que começa a transmitir nela primeiro. Qualquer nação usuária subsequente, disposta a utilizar essa frequência, terá que obter permissão da nação proprietária antes de seu uso. Dessa forma, ambas as partes podem garantir que não há interferência em suas transmissões.

Agora, é quase certo que o BeiDou-2 chinês começará a transmitir nas bandas disputadas mencionadas antes dos satélites Galileo e, assim, ganhará os direitos primários a essas frequências.

BeiDou-3

A Administração Espacial Nacional Chinesa (CNSA) iniciou a terceira fase do Satélite de Navegação BeiDou em 30 de março de 2015, com o lançamento inaugural do satélite BDS-3 do Centro Espacial de Xichang, localizado na província de Sichuan. Um total de 35 satélites estão programados para serem comissionados sob esta fase, dos quais 19 já estão em suas respectivas órbitas.

O BeiDou-3 introduzirá novas bandas de frequência: B1C/B1I/B1A (1575,42 MHz), B2a/B2b (1191,795 MHz), B3I/B3Q/B3A (1268,52 MHz), incluindo uma frequência de teste Bs (2492,028 MHz).

Dos 35 satélites totais, 27 são satélites de órbita terrestre média (MEO), 5 são satélites de órbita geoestacionária inclinada (IGSO) e 3 são satélites de órbita geoestacionária (GEO). Esses satélites também têm capacidades de SAR (radar de abertura sintética) e SBAS (Sistema de Aumento Baseado em Satélite), semelhantes a GPS e GLONASS.

Uso Comercial do BeiDou

O Sistema de Navegação por Satélite BeiDou tem sido um sucesso comercial na China. Segundo o China Daily, o BDS ajudou várias empresas privadas e estatais, como a China Aerospace Science and Industry Corp e a AutoNavi Holdings Ltd, a gerar mais de US$ 31 bilhões (200 bilhões de yuan) em receitas em 2015. O artigo também apontou que esse número poderia chegar a 400 bilhões de yuan até 2020.

Desde 2013, muitos fabricantes de telefones celulares na China tornaram seus produtos compatíveis com o sistema de navegação BeiDou. Milhões de veículos comerciais, milhares de embarcações de pesca (na China) também foram equipados com o BDS e é provável que ganhem base de clientes nos próximos anos.

Como você deve saber, cada vez mais dispositivos móveis vêm com tecnologia GPS e GLONASS para melhor cobertura e serviços de localização, então é provavelmente uma questão de tempo até que o BeiDou também entre na mistura.

Como Ele Difere do GPS

Um Sistema de Navegação por Satélite é, sem dúvida, uma das peças de tecnologia mais importantes que qualquer país pode ter hoje, e é ainda mais valioso para a China, considerando sua posição geopolítica e econômica atual com os Estados Unidos.

Com o GPS sob seu controle, o Exército dos EUA pode desativar efetivamente seus serviços sobre qualquer região do globo; por isso, muitas nações estão desenvolvendo seus próprios sistemas independentes semelhantes ao GPS.

Não há muita diferença entre os dois além da precisão. O GPS tem uma constelação de 31 satélites, enquanto o novo BeiDou terá cerca de 35. Quando totalmente operacional (em 2020), espera-se que o Sistema de Navegação por Satélite BeiDou forneça serviços de localização mais precisos que o GPS.

Em 2016, alegou-se que o sistema chinês atingiria precisão de nível milimétrico (após pós-processamento), o que significa que seria dez vezes mais preciso que os níveis mais precisos do GPS.

Área coberta pelo WAAS (Wide Area Augmentation System). Imagem: Administração Federal de Aviação dos EUA

Sobre os Estados Unidos, Canadá e México, o GPS é frequentemente usado com um auxílio de navegação conhecido como Wide Area Augmentation ou sistema WAAS, que aumenta substancialmente a precisão do GPS sobre o continente norte-americano.

Segundo gps.gov, o sistema baseado nos EUA será capaz de fornecer precisão de posicionamento em tempo real dentro de poucos centímetros e medir distâncias em níveis milimétricos com a ajuda de receptores de alta tecnologia e técnicas avançadas como cinemática em tempo real. Atualmente, a Força Aérea dos EUA junto com a Lockheed Martin está trabalhando no GPS III, a sétima geração de satélites GPS.

Embora seja de conhecimento comum que a precisão vertical do GPS é muito pior comparada ao seu serviço no plano horizontal, seus níveis de precisão em ambos os componentes ainda são maiores que os do BeiDou (25 metros horizontalmente e 30 metros verticalmente).

No entanto, segundo um artigo no Chinese Journal of Aeronautics, o BDS pode atingir precisão melhor que 1 cm no horizontal e 3 cm no vertical, o que, segundo os padrões atuais, é muito melhor que o sistema de posicionamento global (GPS).

Outros Sistemas de Navegação por Satélite

Além do BeiDou, existem outros sistemas de navegação por satélite atualmente em construção ou já funcionando. O mais notável é o Galileo. O Galileo da União Europeia é um projeto de bilhões de dólares iniciado para fornecer um sistema de posicionamento altamente preciso e independente às nações europeias, mantendo fatores geopolíticos em mente. A constelação Galileo completa consiste em 26 satélites com mais seis implantações na próxima década.

O IRNSS (Indian Regional Navigation System) ou NAVIC é outro sistema de navegação autônomo consistindo em uma constelação de quatro satélites (mais três satélites programados). O NAVIC é desenvolvido e mantido independentemente pela Organização de Pesquisa Espacial Indiana.

Aparentemente, o IRNSS fornece precisão posicional de 10 m (serviço aberto) e 10 cm (serviço restrito). Ao contrário de GPS, GLONASS e Galileo, o sistema de navegação indiano não tem planos imediatos de fornecer serviço global.

Animação representando a órbita do satélite QZSS. Imagem: Hiroshi FUKUDA

O próximo é o Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) do Japão. É um sistema de aumento baseado em satélite compatível com GPS que basicamente aumentará a precisão e confiabilidade do GPS sobre o Japão e áreas circundantes. Atualmente, o sistema QZSS consiste em quatro satélites, mas se estenderá gradualmente para sete satélites até 2023 (estimativa).

Três de seus quatro satélites são colocados em órbitas geoestacionárias altamente inclinadas, cerca de 120° afastados um do outro. Essa alta inclinação permite que eles orbitem em um padrão assimétrico único conhecido como analemas e tenham presença sobre o Japão o tempo todo. Os sinais transmitidos pelos satélites QZSS são idênticos aos sinais GPS antigos e modernizados (L1C/A, L1C, L2C), facilitando a colaboração com a rede de navegação americana.

Embora seja quase certo que não precisaremos depender inteiramente do GPS para nossas necessidades econômicas e políticas, será bastante interessante ver como o BeiDou da China se sairá contra seus concorrentes americanos, russos e europeus no futuro.