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
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。
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 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。
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原文标题:为什么不提升卫星发射功率来消除GPS信号弱的问题?
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