我要投搞

标签云

收藏小站

爱尚经典语录、名言、句子、散文、日志、唯美图片

当前位置:欢乐棋牌 > 发射功率 >

为什么 GPS 卫星不提升功率来消除 GPS 信号不良影响?

归档日期:06-22       文本归类:发射功率      文章编辑:爱尚语录

  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0.1W,相当小。

  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?

  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。

  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。

  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。而对我们线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线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。

  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线dBW/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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

本文链接:http://activdox.com/fashegonglv/105.html