大家在開車用導(dǎo)航的時(shí)候經(jīng)常碰到高德/百度等導(dǎo)航軟件提示“GPS信號(hào)弱”的情況，那么到底GPS信號(hào)有多弱？弱到什么程度就沒(méi)辦法導(dǎo)航了？是不是可以讓GPS衛(wèi)星提高下功率？

GPS信號(hào)有多弱？

GPS的民用C/A碼從衛(wèi)星發(fā)出來(lái)的時(shí)候信號(hào)只有27W左右，達(dá)到地球的時(shí)候在-158.5dBW以上。用對(duì)數(shù)形式表示可能不直觀，換算成十進(jìn)制等于將近0.0000000000000001W，相當(dāng)小。

GPS對(duì)外文件中承諾的最小到達(dá)地球信號(hào)功率

這么小的GPS信號(hào)，到達(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)完全淹沒(méi)在噪聲之下了。通常，我們描述噪聲功率是以功率密度的定義來(lái)描述的，噪聲功率密度為-204dBW/Hz，也就是說(shuō)在1Hz內(nèi)，噪聲的能量是-204dBW。下面的圖實(shí)際上描述的是2MHz內(nèi)共噪聲功率密度-111dBm（-141dBW）左右。那么為什么非要把GPS信號(hào)的功率做得這么小？難道不可以把功率增大嗎？

GPS信號(hào)到達(dá)地球功率和自然界噪聲功率比較

為什么把GPS信號(hào)功率設(shè)計(jì)成這么小？

把GPS信號(hào)功率設(shè)計(jì)成這么小，個(gè)人覺(jué)得主要基于三方面：1、這點(diǎn)功率已經(jīng)夠用了；2、導(dǎo)航衛(wèi)星能力限制；3、基于抗干擾考慮。

1、這點(diǎn)功率已經(jīng)夠用了

GPS信號(hào)的這點(diǎn)功率雖然低于自然界噪聲功率，但是對(duì)我們導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，也夠用了。下面手機(jī)接收的GPS信號(hào)描述的SNR實(shí)際上就是GPS信號(hào)與噪聲功率密度之比Signal Noise Rate的意思，我們所說(shuō)的C/A碼信號(hào)達(dá)到地球功率是-158.5dBW，那么該值比上噪聲功率密度就是SNR=-158.5dBW-（-204dBW/Hz）=45.5dBHz。但是，實(shí)際上由于信號(hào)處理時(shí)引入多余噪聲等因素，正式的SNR值一般都會(huì)45.5小3dB（接收機(jī)噪聲系數(shù)）左右，而且再加上可能的遮擋，一般都會(huì)比42.5dBHz還要小。下面的圖顯示SNR在40以上就表示優(yōu)，小于30可能就不可用，要明白這個(gè)等級(jí)劃分，還要從GPS信號(hào)的構(gòu)成說(shuō)起。

手機(jī)接收GPS信號(hào)強(qiáng)度實(shí)例

GPS的民用C/A碼信號(hào)由三部分組成：1秒內(nèi)含有50個(gè)比特的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、1秒內(nèi)含有1.023兆的擴(kuò)頻碼、1秒內(nèi)含有1575.42兆個(gè)周期的正弦波，上述三者相乘就得到了C/A碼民用信號(hào)。而對(duì)我們真正有用的是那50比特每秒的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)會(huì)告訴我們衛(wèi)星當(dāng)前處于哪里、衛(wèi)星當(dāng)前是何時(shí)間，以供我們導(dǎo)航定位用。我們所說(shuō)的C/A碼信號(hào)達(dá)到地球功率是-158.5dBW指的是上述三者在1秒內(nèi)的能量，而對(duì)于我們用戶接收機(jī)解析得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)真正有用的是1個(gè)比特的導(dǎo)航數(shù)據(jù)占據(jù)的能量。這個(gè)顯而易見(jiàn)，經(jīng)過(guò)去除正弦波和擴(kuò)頻碼后，-158.5dBW能量分到每1個(gè)比特導(dǎo)航數(shù)據(jù)上就只剩下-178.5dBW了。

GPS信號(hào)組成

導(dǎo)航數(shù)據(jù)誤碼率和Eb/N0關(guān)系 2、導(dǎo)航衛(wèi)星能力限制

GPS衛(wèi)星在設(shè)計(jì)過(guò)程中是充分考慮實(shí)用性的，它的衛(wèi)星能源供應(yīng)不能跟常規(guī)的通信衛(wèi)星相比。以現(xiàn)役的GPS IIF衛(wèi)星為例，其太陽(yáng)能帆板提供的功率是1900W，這還是在考慮到隨著衛(wèi)星使用，帆板老化，帆板輸出功率還會(huì)下降的情況。

之前提到，GPS民用C/A碼信號(hào)的發(fā)射功率是27W左右，這不是說(shuō)衛(wèi)星只提供27W就夠了。首先GPS不是只有C/A一個(gè)信號(hào)，還有眾多軍用信號(hào)。其次，想要輸出27W功率，必須還要付出相應(yīng)的熱量消耗。

GPS除了C/A碼信號(hào)外，還有L1 P-Code、L1 M-Code、L1C-I、L1C-Q、L2 P-Code、L2 M-Code、L2C、L5-I、L5-Q等9個(gè)信號(hào)，也就是說(shuō)總共10個(gè)信號(hào)的發(fā)射功率有270W左右。

GPS信號(hào)數(shù)量介紹

其次，GPS等信號(hào)在衛(wèi)星上需要通過(guò)一種放大器——行波管放大器，就是下圖中間那三個(gè)長(zhǎng)條狀的東西。該放大器是有效率的，一般在50%~55%之間，什么意思呢？就是說(shuō)你想要輸出27W的功率，必須相應(yīng)地付出27W的熱量。所以，僅僅是這10個(gè)信號(hào)的放大和熱量就已經(jīng)消耗掉540W了。再加上GPS的核爆探測(cè)、CrossLink、衛(wèi)星姿態(tài)維持等機(jī)器的消耗，1900W的預(yù)算是很快就會(huì)弄沒(méi)的。

導(dǎo)航衛(wèi)星放大器效率

當(dāng)然你可能會(huì)想到增加帆板面積不就可以了嗎。下面太陽(yáng)能面板的進(jìn)展過(guò)程就很好地體現(xiàn)了題主提的“把GPS信號(hào)功率提升一倍”需要的太陽(yáng)能帆板擴(kuò)容。如果所有的10個(gè)信號(hào)功率都增加一倍，相當(dāng)于信號(hào)輸出要達(dá)到540W，由此帶來(lái)的熱量消耗也要540W。相當(dāng)于衛(wèi)星太陽(yáng)能帆板需要再多提供540W功率，而這需要將近再提供2塊1.65m*1m共3.3平方米的太陽(yáng)能板。這是需要錢的。

你以為把太陽(yáng)能帆板面積增大就完事了？增加的重量在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)也是要記入成本的。以現(xiàn)在最便宜報(bào)價(jià)的SpaceX為例，其Falcon FT衛(wèi)星發(fā)射報(bào)價(jià)是6200萬(wàn)美刀，同步軌道能力大概是8300kg，相當(dāng)于0.8萬(wàn)美刀/Kg。以增加的太陽(yáng)能帆板面積重量是50kg計(jì)，發(fā)射成本又增加了40萬(wàn)美刀。

Falcon FT火箭發(fā)射報(bào)價(jià)

Falcon FT火箭發(fā)射能力

你以為這就完了？多出來(lái)的270W熱量怎么散出去？要知道，地面上熱的傳遞途徑有傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種，在太空真空環(huán)境下可只有一種——輻射。270W熱量對(duì)于衛(wèi)星來(lái)說(shuō)可不小啊！！！看航天專家們?yōu)樯嵴伊硕嗌俎k法，要么通過(guò)液氮導(dǎo)流散熱，要么增加散熱面積。

衛(wèi)星散熱方法示例

衛(wèi)星散熱仿真 基于抗干擾考慮

GPS信號(hào)信號(hào)功率這么小，低于噪聲功率，一個(gè)重要原因是出于抗干擾的考慮。由于GPS信號(hào)到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)出于噪聲功率之下，對(duì)信號(hào)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于不存在。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是由每秒內(nèi)1.023M的擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)的，如果沒(méi)有擴(kuò)頻碼的作用，原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)的能量分布就跟下面圖一樣，突出來(lái)，高于噪聲。經(jīng)過(guò)乘以擴(kuò)頻碼這一道工序后，整個(gè)信號(hào)的能量分布就擴(kuò)散了，隱藏在噪聲之下。

擴(kuò)頻碼使得信號(hào)功率分散

擴(kuò)頻碼的好處就是，如果你在我的GPS信號(hào)中心處施加一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)，我在接收機(jī)端因?yàn)橐賹?duì)GPS信號(hào)乘以一個(gè)擴(kuò)頻碼。這樣的話，干擾信號(hào)能量就被分散開來(lái)，而實(shí)際GPS信號(hào)能量又突出來(lái)了，相當(dāng)于削弱了干擾信號(hào)的影響。

擴(kuò)頻信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)

所以，GPS信號(hào)的功率是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的，不是可任性地變大或者變小的。

本文轉(zhuǎn)載自“知乎”，原標(biāo)題《為什么 GPS 衛(wèi)星不提升功率來(lái)消除 GPS 信號(hào)不良影響？》，作者 |哆啦A攻城獅（中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）以下內(nèi)容與本文無(wú)關(guān)，編輯手誤！

當(dāng)RF大信號(hào)不再出現(xiàn)，如果I層中的自由電荷載流子量較大，二極管的電阻則會(huì)保持在較低水平（此時(shí)插入損耗仍然較大）。在RF大信號(hào)中斷后，可以通過(guò)兩種機(jī)制來(lái)減少自由電荷載流子量： (1) 在I層外進(jìn)行電荷傳導(dǎo) (2) 在I層內(nèi)進(jìn)行電荷重組。

電荷傳導(dǎo)的幅值主要由二極管外部電流通路中的直流電阻決定。

電荷重組的速率則由多個(gè)因素決定，包括I層中自由電荷載流子的密度、I層中摻雜原子的濃度和其他電荷俘獲點(diǎn)，等等。考慮到二極管的必要參數(shù)，PIN二極管可安全處理的RF信號(hào)越大，其恢復(fù)到低插入損耗所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

因此，PIN二極管I層的特性決定了RPL電路的性能。I層的厚度（有時(shí)稱為寬度）則決定了二極管達(dá)到極限時(shí)的輸入功率：I層越厚，輸入?yún)⒄?dB壓縮級(jí)別（也稱為閾值級(jí)別）就越高。I層的厚度、二極管結(jié)的面積和二極管的制造材料決定了二極管的電阻、電容以及熱阻。

只需一個(gè)PIN二極管、一個(gè)RF扼流圈電感器和一對(duì)直流隔離電容，即可實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的PIN RPL電路。RF扼流圈電感器對(duì)RPL電路的性能至關(guān)重要，其主要功能是使PIN二極管的直流電流通路變得完整。當(dāng)大信號(hào)迫使電荷載流子進(jìn)入二極管的I層時(shí)，會(huì)在二極管中產(chǎn)生直流電流。如果沒(méi)有為直流電流提供完整路徑，則不能降低二極管的電阻，二極管也不會(huì)達(dá)到極限。直流電流將沿著整流電流的方向流動(dòng)，但這不是由整流產(chǎn)生的。

在RPL電路中安裝扼流圈電感是一件極具挑戰(zhàn)性的事，因?yàn)殡姼惺荝PL電路中最不理想的元件。基于電感值和寄生繞組間電容的原因，所有電感都具有串聯(lián)和并聯(lián)諧振。因此必須十分小心，確保在工作頻帶內(nèi)不發(fā)生串聯(lián)諧振。此外，必須盡量把扼流圈的直流電阻降到最低，以縮短RPL電路的恢復(fù)時(shí)間。