為什麼 GPS 衛星不提升功率來消除 GPS 信號不良影響？

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現在很多地方GPS信號會很微弱，為什麼GPS衛星不把信號功率加大，讓接收機更容易接收GPS廣播呢？增加一倍也就是幾十瓦的發射功率對衛星影響很大嗎？

大家在開車用導航的時候經常碰到高德/百度等導航軟體提示「GPS信號弱」的情況，那麼到底GPS信號有多弱？弱到什麼程度就沒辦法導航了？是不是可以讓GPS衛星提高下功率？

GPS信號有多弱？

我在GPS 衛星的功率有多大？中回答過，GPS的民用C/A碼從衛星發出來的時候信號只有27W左右，達到地球的時候在-158.5dBW以上。用對數形式表示可能不直觀，換算成十進位等於將近0.0000000000000001W，相當小。

這麼小的GPS信號，到達地球的時候已經完全淹沒在雜訊之下了。通常，我們描述雜訊功率是以功率密度的定義來描述的，雜訊功率密度為-204dBW/Hz，也就是說在1Hz內，雜訊的能量是-204dBW。下面的圖實際上描述的是2MHz內共雜訊功率密度-111dBm（-141dBW）左右。那麼為什麼非要把GPS信號的功率做得這麼小？難道不可以把功率增大嗎？

為什麼把GPS信號功率設計成這麼小？

把GPS信號功率設計成這麼小，個人覺得主要基於三方面：1、這點功率已經夠用了；2、導航衛星能力限制；3、基於抗干擾考慮。

1、這點功率已經夠用了

GPS信號的這點功率雖然低於自然界雜訊功率，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信號與雜訊功率密度之比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，那麼該值比上雜訊功率密度就是SNR=-158.5dBW-（-204dBW/Hz）=45.5dBHz。但是，實際上由於信號處理時引入多餘雜訊等因素，正式的SNR值一般都會45.5小3dB（接收機雜訊係數）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，小於30可能就不可用，要明白這個等級劃分，還要從GPS信號的構成說起。

GPS的民用C/A碼信號由三部分組成：1秒內含有50個比特的導航數據、1秒內含有1.023兆的擴頻碼、1秒內含有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比特每秒的導航數據，這些導航數據會告訴我們衛星當前處於哪裡、衛星當前是何時間，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秒內的能量，而對於我們用戶接收機解析得到導航數據真正有用的是1個比特的導航數據佔據的能量。這個顯而易見，經過去除正弦波和擴頻碼後，-158.5dBW能量分到每1個比特導航數據上就只剩下-178.5dBW了。

我們在解析所需要的導航數據時有一個重要的前提量就是1個比特導航數據上的能量跟雜訊功率密度之比Eb/N0，因為這個值的大小涉及到導航數據解析出來的時候的誤碼率的多少。上面說到1個比特導航數據上能量是-178.5dBW，雜訊功率密度為-204dBW/Hz，加上接收機自身引入的雜訊的話，這個值大概又在-201dBW/Hz了。那麼Eb/N0=-178.5dBW-（-201dBW/Hz）=22.5dBHz，這個值下，導航數據的誤碼率可以做到小於 $10^{-10}$ 。

那麼，比如說，我們接收到的C/A碼功率由於城市高樓、山丘、樹木等遮擋，導致接收到的功率變成了-171dBW，這個時候的SNR只有30dBHz了，而Eb/N0也變成了10dBHz，此時的導航數據誤碼率在 $10^{-6}$ 左右。如果接收到的信號再小下去，比如是-179dBW，那麼此時SNR=22dBHz，Eb/N0=2dBHz，此時誤碼率達到 $10^{-2}$ 級別，可能就歸入不可用級別。

但是，實際處理中，我們認為 $10^{-6}$ 級別的誤碼率還是可接受的，這樣的話接收到的GPS民用C/A碼功率還有12.5dB的餘量，也就表示夠用，不用特地把GPS衛星發射信號的功率提上去。

2、導航衛星能力限制

GPS衛星在設計過程中是充分考慮實用性的，它的衛星能源供應不能跟常規的通信衛星相比。以現役的GPS IIF衛星為例，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碼信號的發射功率是27W左右，這不是說衛星只提供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個信號的發射功率有270W左右。

其次，GPS等信號在衛星上需要通過一种放大器——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，什麼意思呢？就是說你想要輸出27W的功率，必須相應地付出27W的熱量。所以，僅僅是這10個信號的放大和熱量就已經消耗掉540W了。再加上GPS的核爆探測、CrossLink、衛星姿態維持等機器的消耗，1900W的預算是很快就會弄沒的。

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，相當於信號輸出要達到540W，由此帶來的熱量消耗也要540W。相當於衛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？增加的重量在衛星發射時也是要記入成本的。以現在最便宜報價的SpaceX為例，其Falcon FT衛星發射報價是6200萬美刀，同步軌道能力大概是8300kg，相當於0.8萬美刀/Kg。以增加的太陽能帆板面積重量是50kg計，發射成本又增加了40萬美刀。

你以為這就完了？多出來的270W熱量怎麼散出去？要知道，地面上熱的傳遞途徑有傳導、對流、輻射三種，在太空真空環境下可只有一種——輻射。270W熱量對於衛星來說可不小啊！！！看航天專家們為散熱找了多少辦法，要麼通過液氮導流散熱，要麼增加散熱面積。

3、基於抗干擾考慮

GPS信號信號功率這麼小，低於雜訊功率，一個重要原因是出於抗干擾的考慮。由於GPS信號到達地球時已經出於雜訊功率之下，對信號檢測來說，相當於不存在。這個功能的實現是由每秒內1.023M的擴頻碼實現的，如果沒有擴頻碼的作用，原始導航數據的能量分布就跟下面圖一樣，突出來，高於雜訊。經過乘以擴頻碼這一道工序後，整個信號的能量分布就擴散了，隱藏在雜訊之下。

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幹擾信號，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，相當於削弱了干擾信號的影響。

所以，GPS信號的功率是經過精心設計的，不是可任性地變大或者變小的。

如果你了解攝影，功率增加一倍就是照度增加一檔，一檔的變化測光表會有感覺，眼睛根本沒啥感覺的。

如果你做過無線通信，信號強度和衰減一般都是用對數表示。比如，差一倍大約是3分貝，差十倍就是10分貝。建築物隨便遮擋下，很輕鬆就能衰減掉20分貝或者更多，增加3分貝根本不夠用。

信號弱的時候一般是被遮擋了，即使衛星提高一倍功率，遮擋後的信號或折射後的信號仍然很弱。

所以最好的方法是提高衛星的直達波覆蓋角度。同時可見10顆星的時候，選擇6顆信號且位置好的星就很容易了。

衛星這幾十瓦的發送功率對他負載要求高不高我不知道，但是地面接受到的信號光看功率是很微弱的，比如L1的發射功率26.8w，地面理論接受只有-160dBW。這個功率比背景雜訊都低，所以接收機並不是靠功率捕獲信號的。
另外根據自由空間傳播公式，接受功率雖然跟發送功率有關，但很大程度上被路徑損耗了。你說的弱信號的地方，可能是室內，城市峽谷。隧道，或者說是像植被密布的地方，這裡不是遮擋就是多徑嚴重，在有限範圍加大衛星發送功率意義不大。

GPS信號弱，大部分都是因為信號被擋住了……即使增大功率，也不會有很好地改善。

一種方法是，使用兼容GPS/北斗/格羅納斯的接收機，可以提高能接收的衛星數量。另一種方法是，使用利用其它導航方法的組合導航技術，在GPS短暫丟失的時候仍然可以獲取導航數據。

簡單來說，在衛星上功率增加一倍對衛星影響挺大的，最直觀的就是太陽帆板要增加。然而發射功率增加一倍對接收端來說也就增加3dB，還沒有之前的設計餘量多，基本不會有太大改善。
對衛星通信來說，功率是非常寶貴的資源，都是要經過仔細的鏈路預算來確定衛星工作功率的，不能說改就改。