为什么不提升卫星发射功率来消除GPS信号弱的问题？

大家在开车用导航的时候经常碰到高德/百度等导航软件提示“GPS信号弱”的情况，那么到底GPS信号有多弱？弱到什么程度就没办法导航了？是不是可以让GPS卫星提高下功率？

GPS信号有多弱？

GPS的民用C/A码从卫星发出来的时候信号只有27W左右，达到地球的时候在-158.5dBW以上。用对数形式表示可能不直观，换算成十进制等于将近0.0000000000000001W，相当小。

GPS对外文件中承诺的最小到达地球信号功率

这么小的GPS信号，到达地球的时候已经完全淹没在噪声之下了。通常，我们描述噪声功率是以功率密度的定义来描述的，噪声功率密度为-204dBW/Hz，也就是说在1Hz内，噪声的能量是-204dBW。下面的图实际上描述的是2MHz内共噪声功率密度-111dBm（-141dBW）左右。那么为什么非要把GPS信号的功率做得这么小？难道不可以把功率增大吗？

GPS信号到达地球功率和自然界噪声功率比较

为什么把GPS信号功率

设计成这么小？

把GPS信号功率设计成这么小，个人觉得主要基于三方面：1、这点功率已经够用了；2、导航卫星能力限制；3、基于抗干扰考虑。

1、这点功率已经够用了

GPS信号的这点功率虽然低于自然界噪声功率，但是对我们导航定位来说，也够用了。下面手机接收的GPS信号描述的SNR实际上就是GPS信号与噪声功率密度之比Signal Noise Rate的意思，我们所说的C/A码信号达到地球功率是-158.5dBW，那么该值比上噪声功率密度就是SNR=-158.5dBW-（-204dBW/Hz）=45.5dBHz。但是，实际上由于信号处理时引入多余噪声等因素，正式的SNR值一般都会45.5小3dB（接收机噪声系数）左右，而且再加上可能的遮挡，一般都会比42.5dBHz还要小。下面的图显示SNR在40以上就表示优，小于30可能就不可用，要明白这个等级划分，还要从GPS信号的构成说起。

手机接收GPS信号强度实例

GPS的民用C/A码信号由三部分组成：1秒内含有50个比特的导航数据、1秒内含有1.023兆的扩频码、1秒内含有1575.42兆个周期的正弦波，上述三者相乘就得到了C/A码民用信号。而对我们真正有用的是那50比特每秒的导航数据，这些导航数据会告诉我们卫星当前处于哪里、卫星当前是何时间，以供我们导航定位用。我们所说的C/A码信号达到地球功率是-158.5dBW指的是上述三者在1秒内的能量，而对于我们用户接收机解析得到导航数据真正有用的是1个比特的导航数据占据的能量。这个显而易见，经过去除正弦波和扩频码后，-158.5dBW能量分到每1个比特导航数据上就只剩下-178.5dBW了。

GPS信号组成

我们在解析所需要的导航数据时有一个重要的前提量就是1个比特导航数据上的能量跟噪声功率密度之比Eb/N0，因为这个值的大小涉及到导航数据解析出来的时候的误码率的多少。上面说到1个比特导航数据上能量是-178.5dBW，噪声功率密度为-204dBW/Hz，加上接收机自身引入的噪声的话，这个值大概又在-201dBW/Hz了。那么Eb/N0=-178.5dBW-（-201dBW/Hz）=22.5dBHz，这个值下，导航数据的误码率可以做到小于10^-10。那么，比如说，我们接收到的C/A码功率由于城市高楼、山丘、树木等遮挡，导致接收到的功率变成了-171dBW，这个时候的SNR只有30dBHz了，而Eb/N0也变成了10dBHz，此时的导航数据误码率在10^-6左右。如果接收到的信号再小下去，比如是-179dBW，那么此时SNR=22dBHz，Eb/N0=2dBHz，此时误码率达到10^-2级别，可能就归入不可用级别。但是，实际处理中，我们认为10^-6级别的误码率还是可接受的，这样的话接收到的GPS民用C/A码功率还有12.5dB的余量，也就表示够用，不用特地把GPS卫星发射信号的功率提上去。

导航数据误码率和Eb/N0关系

2、导航卫星能力限制

GPS卫星在设计过程中是充分考虑实用性的，它的卫星能源供应不能跟常规的通信卫星相比。以现役的GPS IIF卫星为例，其太阳能帆板提供的功率是1900W，这还是在考虑到随着卫星使用，帆板老化，帆板输出功率还会下降的情况。

GPS IIF系列卫星

之前提到，GPS民用C/A码信号的发射功率是27W左右，这不是说卫星只提供27W就够了。首先GPS不是只有C/A一个信号，还有众多军用信号。其次，想要输出27W功率，必须还要付出相应的热量消耗。

GPS除了C/A码信号外，还有L1 P-Code、L1 M-Code、L1C-I、L1C-Q、L2 P-Code、L2 M-Code、L2C、L5-I、L5-Q等9个信号，也就是说总共10个信号的发射功率有270W左右。

GPS信号数量介绍

其次，GPS等信号在卫星上需要通过一种放大器——行波管放大器，就是下图中间那三个长条状的东西。该放大器是有效率的，一般在50%~55%之间，什么意思呢？就是说你想要输出27W的功率，必须相应地付出27W的热量。所以，仅仅是这10个信号的放大和热量就已经消耗掉540W了。再加上GPS的核爆探测、CrossLink、卫星姿态维持等机器的消耗，1900W的预算是很快就会弄没的。

导航卫星用的放大器示例

导航卫星放大器效率

当然你可能会想到增加帆板面积不就可以了吗。下面太阳能面板的进展过程就很好地体现了题主提的“把GPS信号功率提升一倍”需要的太阳能帆板扩容。如果所有的10个信号功率都增加一倍，相当于信号输出要达到540W，由此带来的热量消耗也要540W。相当于卫星太阳能帆板需要再多提供540W功率，而这需要将近再提供2块1.65m*1m共3.3平方米的太阳能板。这是需要钱的。

你以为把太阳能帆板面积增大就完事了？增加的重量在卫星发射时也是要记入成本的。以现在最便宜报价的SpaceX为例，其Falcon FT卫星发射报价是6200万美刀，同步轨道能力大概是8300kg，相当于0.8万美刀/Kg。以增加的太阳能帆板面积重量是50kg计，发射成本又增加了40万美刀。

Falcon FT火箭发射报价

Falcon FT火箭发射能力

你以为这就完了？多出来的270W热量怎么散出去？要知道，地面上热的传递途径有传导、对流、辐射三种，在太空真空环境下可只有一种——辐射。270W热量对于卫星来说可不小啊！！！看航天专家们为散热找了多少办法，要么通过液氮导流散热，要么增加散热面积。

卫星散热方法示例

卫星散热仿真

3、基于抗干扰考虑

GPS信号信号功率这么小，低于噪声功率，一个重要原因是出于抗干扰的考虑。由于GPS信号到达地球时已经出于噪声功率之下，对信号检测来说，相当于不存在。这个功能的实现是由每秒内1.023M的扩频码实现的，如果没有扩频码的作用，原始导航数据的能量分布就跟下面图一样，突出来，高于噪声。经过乘以扩频码这一道工序后，整个信号的能量分布就扩散了，隐藏在噪声之下。

扩频码使得信号功率分散

扩频码的好处就是，如果你在我的GPS信号中心处施加一个强干扰信号，我在接收机端因为要再对GPS信号乘以一个扩频码。这样的话，干扰信号能量就被分散开来，而实际GPS信号能量又突出来了，相当于削弱了干扰信号的影响。

扩频信号抗干扰能力强

所以，GPS信号的功率是经过精心设计的，不是可任性地变大或者变小的。

本文转载自“知乎”，原标题《为什么 GPS 卫星不提升功率来消除 GPS 信号不良影响？》，作者 | 哆啦A攻城狮（中国科普作家协会会员）以下内容与本文无关，编辑手误！

当RF大信号不再出现，如果I层中的自由电荷载流子量较大，二极管的电阻则会保持在较低水平（此时插入损耗仍然较大）。在RF大信号中断后，可以通过两种机制来减少自由电荷载流子量： (1) 在I层外进行电荷传导 (2) 在I层内进行电荷重组。

 

电荷传导的幅值主要由二极管外部电流通路中的直流电阻决定。

 

电荷重组的速率则由多个因素决定，包括I层中自由电荷载流子的密度、I层中掺杂原子的浓度和其他电荷俘获点，等等。考虑到二极管的必要参数，PIN二极管可安全处理的RF信号越大，其恢复到低插入损耗所需的时间就越长。

 

因此，PIN二极管I层的特性决定了RPL电路的性能。I层的厚度（有时称为宽度）则决定了二极管达到极限时的输入功率：I层越厚，输入参照1dB压缩级别（也称为阈值级别）就越高。I层的厚度、二极管结的面积和二极管的制造材料决定了二极管的电阻、电容以及热阻。

 

只需一个PIN二极管、一个RF扼流圈电感器和一对直流隔离电容，即可实现最简单的PIN RPL电路。RF扼流圈电感器对RPL电路的性能至关重要，其主要功能是使PIN二极管的直流电流通路变得完整。当大信号迫使电荷载流子进入二极管的I层时，会在二极管中产生直流电流。如果没有为直流电流提供完整路径，则不能降低二极管的电阻，二极管也不会达到极限。直流电流将沿着整流电流的方向流动，但这不是由整流产生的。

 

在RPL电路中安装扼流圈电感是一件极具挑战性的事，因为电感是RPL电路中最不理想的元件。基于电感值和寄生绕组间电容的原因，所有电感都具有串联和并联谐振。因此必须十分小心，确保在工作频带内不发生串联谐振。此外，必须尽量把扼流圈的直流电阻降到最低，以缩短RPL电路的恢复时间。

 

注：直流隔离电容是可选的。只有当输入或输出传输线上出现可能使PIN二极管偏置的直流电压或电流时，才需要使用直流隔离电容。

实例 

假设低噪声放大器 (LNA) 可以承受的最大输入功率为15dBm，则要求RPL电路中PIN二极管的I层厚度约为2微米。设计人员可根据RF信号频率和小信号插入损耗的可接受最大值来确定PIN二极管的可接受电容。如果设计师假设RPL电路在X波段工作，并且可接受的最大插入损耗为0.5dB，则可以计算出二极管的最大电容。

 

可根据以下公式得出并联电容的插入损耗 (IL)（以分贝为单位）：

 

我们可根据公式求解C值：

 

当f = 12GHz、IL = 0.5dB且Z0 = 50Ω时，C = 0.185pF。

 

得出的电容值与I层厚度共同决定了二极管结的面积。

 

如果I层较薄并且结面积较小，二极管就会具有相对较高的热阻，这样一来，只好迫使结温超过其最大额定值175°C，才能耗散更多能量。通常来说，电容为0.185pF的2微米二极管可以安全处理约为30-33dBm的大CW输入信号。由于电流流经二极管电阻时会产生焦耳热，大信号可能会损坏或即时烧毁二极管。

 

PIN二极管RPL电路能够为雷达或无线电接收器中的LNA等敏感元件提供可靠的保护，保护其不受较大入射信号的影响。当RPL应用需要极低的稳态泄漏输出功率和较高的输入功率处理能力时，可以在RPL电路的输入侧增加额外的二极管级和其他电路增强元件。

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