為什么不提升衛(wèi)星發(fā)射功率來消除GPS信號弱的問題

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

GPS信號有多弱？

GPS的民用C/A碼從衛(wèi)星發(fā)出來的時候信號只有27W左右，達到地球的時候在-158.5dBW以上。用對數(shù)形式表示可能不直觀，換算成十進制等于將近0.0000000000000001W，相當小。

GPS對外文件中承諾的最小到達地球信號功率

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

GPS信號到達地球功率和自然界噪聲功率比較

為什么把GPS信號功率設(shè)計成這么小？

把GPS信號功率設(shè)計成這么小，個人覺得主要基于三方面：1、這點功率已經(jīng)夠用了；2、導航衛(wèi)星能力限制；3、基于抗干擾考慮。

1、這點功率已經(jīng)夠用了

GPS信號的這點功率雖然低于自然界噪聲功率，但是對我們導航定位來說，也夠用了。下面手機接收的GPS信號描述的SNR實際上就是GPS信號與噪聲功率密度之比Signal Noise Rate的意思，我們所說的C/A碼信號達到地球功率是-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，實際上由于信號處理時引入多余噪聲等因素，正式的SNR值一般都會45.5小3dB（接收機噪聲系數(shù)）左右，而且再加上可能的遮擋，一般都會比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，要明白這個等級劃分，還要從GPS信號的構(gòu)成說起。

手機接收GPS信號強度實例

GPS的民用C/A碼信號由三部分組成：1秒內(nèi)含有50個比特的導航數(shù)據(jù)、1秒內(nèi)含有1.023兆的擴頻碼、1秒內(nèi)含有1575.42兆個周期的正弦波，上述三者相乘就得到了C/A碼民用信號。而對我們真正有用的是那50比特每秒的導航數(shù)據(jù)，這些導航數(shù)據(jù)會告訴我們衛(wèi)星當前處于哪里、衛(wèi)星當前是何時間，以供我們導航定位用。我們所說的C/A碼信號達到地球功率是-158.5dBW指的是上述三者在1秒內(nèi)的能量，而對于我們用戶接收機解析得到導航數(shù)據(jù)真正有用的是1個比特的導航數(shù)據(jù)占據(jù)的能量。這個顯而易見，經(jīng)過去除正弦波和擴頻碼后，-158.5dBW能量分到每1個比特導航數(shù)據(jù)上就只剩下-178.5dBW了。

GPS信號組成

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

GPS衛(wèi)星在設(shè)計過程中是充分考慮實用性的，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，帆板輸出功率還會下降的情況。

之前提到，GPS民用C/A碼信號的發(fā)射功率是27W左右，這不是說衛(wèi)星只提供27W就夠了。首先GPS不是只有C/A一個信號，還有眾多軍用信號。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個信號，也就是說總共10個信號的發(fā)射功率有270W左右。

GPS信號數(shù)量介紹

其次，GPS等信號在衛(wèi)星上需要通過一種放大器——行波管放大器，就是下圖中間那三個長條狀的東西。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個信號的放大和熱量就已經(jīng)消耗掉540W了。再加上GPS的核爆探測、CrossLink、衛(wèi)星姿態(tài)維持等機器的消耗，1900W的預算是很快就會弄沒的。

導航衛(wèi)星放大器效率

當然你可能會想到增加帆板面積不就可以了嗎。下面太陽能面板的進展過程就很好地體現(xiàn)了題主提的“把GPS信號功率提升一倍”需要的太陽能帆板擴容。如果所有的10個信號功率都增加一倍，相當于信號輸出要達到540W，由此帶來的熱量消耗也要540W。相當于衛(wèi)星太陽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平方米的太陽能板。這是需要錢的。

你以為把太陽能帆板面積增大就完事了？增加的重量在衛(wèi)星發(fā)射時也是要記入成本的。以現(xiàn)在最便宜報價的SpaceX為例，其Falcon FT衛(wèi)星發(fā)射報價是6200萬美刀，同步軌道能力大概是8300kg，相當于0.8萬美刀/Kg。以增加的太陽能帆板面積重量是50kg計，發(fā)射成本又增加了40萬美刀。

Falcon FT火箭發(fā)射報價

Falcon FT火箭發(fā)射能力

你以為這就完了？多出來的270W熱量怎么散出去？要知道，地面上熱的傳遞途徑有傳導、對流、輻射三種，在太空真空環(huán)境下可只有一種——輻射。270W熱量對于衛(wèi)星來說可不小啊?。?！看航天專家們?yōu)樯嵴伊硕嗌俎k法，要么通過液氮導流散熱，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信號信號功率這么小，低于噪聲功率，一個重要原因是出于抗干擾的考慮。由于GPS信號到達地球時已經(jīng)出于噪聲功率之下，對信號檢測來說，相當于不存在。這個功能的實現(xiàn)是由每秒內(nèi)1.023M的擴頻碼實現(xiàn)的，如果沒有擴頻碼的作用，原始導航數(shù)據(jù)的能量分布就跟下面圖一樣，突出來，高于噪聲。經(jīng)過乘以擴頻碼這一道工序后，整個信號的能量分布就擴散了，隱藏在噪聲之下。

擴頻碼使得信號功率分散

擴頻碼的好處就是，如果你在我的GPS信號中心處施加一個強干擾信號，我在接收機端因為要再對GPS信號乘以一個擴頻碼。這樣的話，干擾信號能量就被分散開來，而實際GPS信號能量又突出來了，相當于削弱了干擾信號的影響。

擴頻信號抗干擾能力強

所以，GPS信號的功率是經(jīng)過精心設(shè)計的，不是可任性地變大或者變小的。

本文轉(zhuǎn)載自“知乎”，原標題《為什么 GPS 衛(wèi)星不提升功率來消除 GPS 信號不良影響？》，作者 |哆啦A攻城獅（中國科普作家協(xié)會會員）以下內(nèi)容與本文無關(guān)，編輯手誤！

當RF大信號不再出現(xiàn)，如果I層中的自由電荷載流子量較大，二極管的電阻則會保持在較低水平（此時插入損耗仍然較大）。在RF大信號中斷后，可以通過兩種機制來減少自由電荷載流子量： (1) 在I層外進行電荷傳導 (2) 在I層內(nèi)進行電荷重組。

電荷傳導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，等等?？紤]到二極管的必要參數(shù)，PIN二極管可安全處理的RF信號越大，其恢復到低插入損耗所需的時間就越長。

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（有時稱為寬度）則決定了二極管達到極限時的輸入功率：I層越厚，輸入?yún)⒄?dB壓縮級別（也稱為閾值級別）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PIN二極管、一個RF扼流圈電感器和一對直流隔離電容，即可實現(xiàn)最簡單的PIN RPL電路。RF扼流圈電感器對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。當大信號迫使電荷載流子進入二極管的I層時，會在二極管中產(chǎn)生直流電流。如果沒有為直流電流提供完整路徑，則不能降低二極管的電阻，二極管也不會達到極限。直流電流將沿著整流電流的方向流動，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，因為電感是RPL電路中最不理想的元件?；陔姼兄岛图纳@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電路的恢復時間。