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GPS衛(wèi)星的功率到底有多大？
一個(gè)完整的GPS系統(tǒng)應(yīng)該包括24顆衛(wèi)星，而定位時(shí)至少需要3+1顆（3顆定位，一個(gè)校正）。那么問(wèn)題來(lái)了，世界上同時(shí)有那么多人在使用GPS進(jìn)行定位，而每一個(gè)人都至少在和4顆衛(wèi)星相互發(fā)送數(shù)據(jù)，這每一顆衛(wèi)星的功率得有多大？?jī)H靠太陽(yáng)能電池板能維持嗎？（GPS定位系統(tǒng)由哪幾部分組成）
題主問(wèn)的肯定是GPS衛(wèi)星信號(hào)功率有多大？這其實(shí)可以從GPS管理機(jī)構(gòu)公布的一些信息中反推算出來(lái)。GPS信號(hào)從發(fā)射機(jī)出來(lái)經(jīng)過(guò)天線后，再發(fā)射向地球，我們指的衛(wèi)星信號(hào)功率實(shí)際上是指發(fā)射機(jī)的功率，如下面GPS第一個(gè)設(shè)計(jì)圖紙中的L1 Transmitter，以及第二個(gè)設(shè)計(jì)圖紙中的粉紅色部分。（GPS基礎(chǔ)知識(shí)）
我們知道，如果我們手機(jī)等設(shè)備要接收并使用GPS衛(wèi)星信號(hào)，那么信號(hào)的大小必須是在一定值以上的。根據(jù)GPS公開(kāi)的其信號(hào)的特性介紹，二代衛(wèi)星IIA/IIR/IIR-M/IIF發(fā)射的民用信號(hào)C/A到達(dá)地球時(shí)能夠保證最小值在-158.5dBW，也就是10的-15.85次方瓦，哇，好低，低到什么程度呢？比我們自然界中存在的背景熱噪聲功率還要低，完全淹沒(méi)在噪聲之下。這是因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)從20000多千米高空發(fā)射向地球，途中要損失很多能量。
我們以GPS衛(wèi)星的平均距離20180km為例，看下衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)這么長(zhǎng)距離后到底衰減掉了多少。電磁波在空間的衰減公式可以用這表示:32.4+20*log(f*d)，f指的是信號(hào)的頻率，d是指距離，那么對(duì)于GPS民用C/A信號(hào)，經(jīng)過(guò)20180km后，衰減掉了將近182.5dB，也就是大概到達(dá)地球的能量只剩下原來(lái)的0.00000……0001(1在小數(shù)點(diǎn)后第18位)。實(shí)際上，20180km只是衛(wèi)星到正下方的地球的距離，如果到地球邊緣，這個(gè)距離將是25800km，此時(shí)衰減將達(dá)到184.5dB。那么要滿足地球上最小功率-158.5dBW，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)功率至少應(yīng)該在-158.5dBW+184.5dB=26dBW以上，換算成十進(jìn)制就是400瓦。What?怎么這么大，這要從衛(wèi)星天線的"放大"作用開(kāi)始說(shuō)起。
GPS衛(wèi)星如果要把信號(hào)發(fā)射出去，需要借助天線的力量，如果沒(méi)有天線，發(fā)射的能量將會(huì)是以一個(gè)球體的形狀向外均勻膨脹的。但是，GPS衛(wèi)星的用戶主要在地球，能否把能量全都發(fā)向地球呢？下圖中表示的是，如果沒(méi)有天線，或者是用一個(gè)對(duì)各個(gè)方向都均勻的天線，信號(hào)的能量將以圖中紅線向外均勻分散。而GPS衛(wèi)星天線將能夠把更多的能量聚焦向地球，使信號(hào)能量使用最大化。也就是說(shuō)，天線本身不產(chǎn)生能量，它只是能量的搬運(yùn)工。（GPS天線原理是什么）
那么GPS衛(wèi)星天線到底能夠把信號(hào)功率“放大”多少倍呢？由于GPS衛(wèi)星位于20180km高空，那么其對(duì)地球的張角就在28度左右，也就是說(shuō)，原先以一個(gè)360度立體角發(fā)散的能量，現(xiàn)在僅僅發(fā)散到28度的立體角。只需要計(jì)算28度的立體角對(duì)應(yīng)的球面面積是整個(gè)球形面積的占比，就可以得到信號(hào)功率的“放大”倍數(shù)。根據(jù)幾何原理，這個(gè)倍數(shù)在67倍左右。也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)GPS天線“放大”后，衛(wèi)星信號(hào)功率變成了原先的67倍，也就是增加了18.3dB。剛我們計(jì)算出衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)功率至少要26dBW，那么除掉天線的“放大”作用，實(shí)際上發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率只有26-18.3=7.7dBW=6瓦左右。
我們上面的推倒過(guò)程是偏理想化的，實(shí)際上天線不可能把所有能量都集中發(fā)向地球。常規(guī)的天線，其"放大"作用圖如下所示，不是只有一個(gè)方向，還有其他次要方向也得到了“放大”，實(shí)際的"放大"作用到不了67倍，只有其50%，即33倍，15.2dB左右。
而為了保證用戶使用，除了空間衰減184.5dB外，還會(huì)另外增加一些余量，我們假設(shè)是3dB。這樣一來(lái)，我們得到GPS衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射功率應(yīng)該在-158.5+184.5-15.2+3=13.8dBW=24W左右。那么實(shí)際上GPS設(shè)計(jì)的是多少呢？
首先，GPS衛(wèi)星為了讓地球上各個(gè)地方接收到的功率都一樣，它的天線對(duì)地球不同地點(diǎn)的“放大”倍數(shù)是不一樣的，如下圖是GPS天線的設(shè)計(jì)"放大"倍數(shù)，地球邊緣的“放大”倍數(shù)比中間多了2dB左右。（GPS模塊定位原理）
由于GPS衛(wèi)星對(duì)地球張角在28度，所以只需要盡量把天線"放大"范圍放在28度以內(nèi)即可。
實(shí)際GPS信號(hào)功率經(jīng)過(guò)天線"放大"后的測(cè)量值如下圖綠線表示，扣掉天線"放大"的倍數(shù)，從衛(wèi)星發(fā)射機(jī)那出來(lái)的功率在14.4dBW，即27W左右。如果對(duì)這個(gè)值無(wú)感，那就想想我們手機(jī)打電話是最大發(fā)射功率在1~2W左右。（GPS和北斗的區(qū)別）
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