GNSSの電波はどれくらい弱い？ — 地表で1京分の1ワット、雑音より18dB下の信号を受信機が拾える理由

GPSのL1 C/A信号が地表に届くときの規格上の最低電力は −158.5 dBW、およそ1京分の1.4ワットです。 これは同じ受信帯域に入ってくる熱雑音より約18dB（約60倍）弱いという意味で、素直に測ればノイズにしか見えません。それでも測位できるのは、受信機が拡散符号との相関でおよそ43dB分を稼いでいるからです。現場で起きる「木の下でFixしない」「建物際で切れる」の正体は、この薄氷の上に立っている数字にあります。

数字を並べてみる

項目	値	備考
衛星の送信電力（L1帯）	25W級	白熱電球程度
衛星までの距離	約20,200 km	天頂方向。地平線寄りだと約25,000 km
自由空間伝搬損失	約182.5 dB	1575.42 MHz・20,200 km
地表での最低受信電力（L1 C/A）	−158.5 dBW	IS-GPS-200 の規定値
ワット換算	約 1.4×10⁻¹⁶ W	＝約1京分の1.4ワット
dBm換算	約 −128.5 dBm	—

25Wで送り出したものが、地表に着くころには 1.8×10¹⁷分の1 になっています。送信電力を10倍にしたところで10dBしか改善しません。GNSSは最初から「弱い電波を前提にした仕組み」として設計されています。

比較を挙げると、スマートフォンがWi-Fiルータのそばで受け取る電力はおよそ −60 dBm 程度です。GNSSの −128.5 dBm はその約700万分の1にあたります。

雑音のほうが強い

問題は絶対値ではなく、雑音との比です。

熱雑音の電力密度は、絶対温度290Kのとき

N₀ = kT ≈ −204 dBW/Hz

です（k はボルツマン定数）。C/A信号を受けるのに必要な帯域はおよそ2.046 MHzなので、その帯域に入る雑音電力は

−204 + 10·log₁₀(2,046,000) ≈ −204 + 63.1 ＝ −140.9 dBW

信号は −158.5 dBW。つまり

信号 − 雑音＝ −158.5 −(−140.9) ＝約 −17.6 dB

信号のほうが雑音より約18dB（約60倍）弱い。 スペクトラムアナライザで眺めても、GNSSの信号は雑音の床から顔を出しません。「そこに何かある」ことすら、そのままでは分からないのです。

それでも取り出せるのは、拡散符号のおかげ

GNSSの信号はスペクトラム拡散という方式で送られています。50 bpsの航法メッセージに、1.023 Mchips/s の擬似ランダム符号（C/Aコード）を掛け合わせ、わざと帯域を千倍以上に広げてから送信しています。

受信機側は、同じ符号の複製を自分で作り、受信波と掛け合わせて積算します（相関）。符号が一致したときだけ信号成分が積み上がり、雑音は打ち消し合って残りません。このとき得られる利得が拡散利得（処理利得）です。

拡散利得＝ 10·log₁₀(1,023,000 ÷ 50) ≈ 43 dB

先ほどの −17.6 dB にこの43dBが乗るので、

−17.6 + 43 ≈ 25 dB

ここまで浮き上がって、はじめて復調できる信号になります。「雑音に埋もれた信号を掘り出す」という言い方は比喩ではなく、文字どおりの手順です。

現場で見る数字は C/N₀

帯域を決めて計算した「信号対雑音比」は帯域幅しだいで値が変わってしまうので、GNSSでは帯域に依らない C/N₀（搬送波電力対雑音電力密度比、単位 dB-Hz） を使います。

C/N₀ ＝ −158.5 +204.0 ＝ 45.5 dB-Hz

これが規格上の最低保証値です。実際には受信機自身の雑音指数（NF）で数dB下がり、逆に衛星が真上に来ていれば規格値より数dB高く受かります。観測画面のC/N₀が45 dB-Hz前後で並んでいれば、その衛星は「規格どおり」に届いているという読み方ができます。

そこから何dB落ちているかが、そのまま遮蔽や減衰の量です。

「弱い」ことが現場でどう出るか

樹冠の下：葉と枝は1575 MHz帯を吸収・散乱します。針葉樹林の中では数dBから十数dBの減衰が普通に起き、C/N₀が30 dB-Hz台まで落ちれば搬送波位相の雑音が増え、整数値バイアスが決まらなくなります。林内で「電波が入らない」のではなく、もともと雑音以下の信号がさらに削られて、相関で拾いきれなくなるわけです。

建物際・車内：ガラスやボディでの減衰に加えて、反射波（マルチパス）が直達波と同程度の強さで混ざります。直達波がもともと弱いので、反射波が相対的に効いてしまいます。

干渉・妨害：これがいちばん露骨です。地表で1京分の1ワットしか届いていないところへ、数ワットの妨害波を出せば桁違いの強さになります。GNSSが意図的な妨害にも、意図しない雑音源（劣化した電子機器、不適合なアンテナ用DC重畳など）にも弱いのは、この電力差が理由です。現場で急に全衛星のC/N₀が一斉に下がったら、遮蔽ではなく帯域内の干渉を疑う価値があります。

アンテナが効く理由：受信電力を上げる手段が「良いアンテナ」しかありません。利得の高い測量用アンテナ、グラウンドプレーン、チョークリングは、どれも「弱い直達波を少しでも稼ぎ、反射波を減らす」ための道具です。受信機の性能より先にアンテナを見直すべき、と言われるのはここに理由があります。

まとめ

L1 C/A信号の地表での最低受信電力は −158.5 dBW ≒ 1.4×10⁻¹⁶ W（約1京分の1.4ワット）
帯域2.046 MHzの熱雑音は約 −140.9 dBW。信号は雑音より約18dB弱い
拡散符号との相関で 約43dBの拡散利得を得て、はじめて復調できる
帯域に依らない指標が C/N₀。規格上の最低保証は 45.5 dB-Hz
樹冠・建物・車内での減衰も、干渉に弱いことも、すべて「元がこれだけ弱い」ことの帰結
受信電力を稼げる手段はアンテナしかない。受信機よりアンテナを先に疑う

出典

IS-GPS-200（GPS Interface Specification, L1 C/A の最低受信電力 −158.5 dBW） https://www.gps.gov/technical/icwg/
GPS Signal Plan | ESA Navipedia https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/GPS_Signal_Plan
GPS L1 Link Budget（送信電力25W＝14.25 dBWの参考値） https://apps.fcc.gov/els/GetAtt.html?id=110032&x=