9月26日,除了波罗的海的北溪线输气管被炸了外,全球手机制造商这边也发生了一次“地震”,印媒Theindu报道称,为了推广印度本土的导航定位系统“NavIC”,减少对于美国的GPS导航系统的依赖,印度官方正准备要求所有在印度售卖的手机必须安装NavIC系统。

包括三星、苹果等国际手机制造商,以及近几年来深耕印度市场的小米、Oppo等中国手机制造商都快崩溃了,因为这不但意味着额外的手机制造成本,而且印度定位系统刚刚起步,市场上连芯片都还没有。

装个软件的事,怎么会增加额外的成本?

既然印度政府要装,那装不就可以了?装个软件又增加不了什么成本!然而事实上却不是这样,定位导航系统的原理不复杂,但如果要实现它却需要很大的成本,而且印度人的定位系统目前还不稳定!

定位系统的原理

卫星定位和三星定位的原理是一样的,玩天文的朋友应该都知道,GOTO的赤道仪需要对准三颗常见的恒星进行对自身的位置定位。

知道三颗星的视角、再结合当前的时区和时间,即可计算出本身所在的经纬度,然后自动调整赤经赤纬的补偿跟踪天体。而卫星定位系统原理就是这样,而且卫星的高度固定,还可以根据三颗卫星到达的时间差算出经纬度和高度。

另外更绝的是还可以根据多普勒频移算出自身移动的速度,因此GPS能给出四个信息,经度、纬度、高度和速度,当然也包括方向,实现它需要有两个环境:

1、足够多的卫星,保证随时有卫星经过头顶;

2、有一个接收信号的客户端,将信号解算出来;

常见的GPS定位中国的北斗以及欧洲的伽利略和俄罗斯的格洛纳斯,以GPS为例,最早的计划是放置24颗卫星,布置在120度的6个轨道面上,每个轨道上有4颗卫星,卫星高度20180千米,那么全球“任何”位置都可以同时“看到”6~9颗卫星。

“看到”的卫星越多,定位精度也越高,最早时的粗码精度即可达到100米,精码的精度可达10米,不过这个方案后来改成了互成120度的6条轨道上有21颗运作卫星和3颗备份卫星的方案,定位卫星数量变化,但主要架构并没有改变。

客户端芯片解算原理

从理论上来看,客户端要解算本身的位置需要知道几个信息:

  • 1、发射信号的卫星位置;
  • 2、信号抵达时间;
  • 3、多普勒频移;

卫星在头顶飞,位置随时都在改变,比如像GPS卫星大约一天绕2圈多一点,每个地方每个时刻的卫星过顶是不一样的,因此你的手机里就必须要有一份你所在位置的“星历”,这不是科幻片中的恒星纪元,而是你头顶过顶卫星的目录与时间轨道等信息。

它的更新方式有几种,一种是通过GPS卫星发送的信号更新,这个由于码率很低,更新速度很慢,长的需要半个小时,还得开阔地带,短的也需要十多分钟,当然也可以通过地面站更新,或者通过网络更新,这个就很快了。

另一个则是时间戳,假如你的手机时间和卫星差一秒,那么电磁波信号就是30万千米,定位就标到月球上去了,所以需要有一个高精度的授时,当然卫星就需要一台原子钟来达到这个要求,将授时信号调制进去。

当对好了时钟的手机接收到信号时就可以解算所在位置了,另外根据不同卫星信号发过来时的多普勒频移还可以解算出运动速度和方向。

在这里必须要提醒下,由于卫星和客户端所在位置的引力差异以及高速运动的速度差异,两者时钟存在误差,如果不修正的话,几天后这个精度就会给你定位到几公里以外,所以必须要根据相对论效应修正,这也是爱因斯坦的相对论的证明方法之一。

客户端定位芯片组,是成本增加的根源

定位芯片装在手机里对接收到的信号处理、修正误差、以及解码等的芯片组,它一般包含如下几个部分:

  • RF射频芯片
  • 基带芯片
  • 核心CPU

RF射频芯片就是通过固定频率(即频点)接收或发射信号,基带芯片则是用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码,基带算法是影响定位精度的核心因素之一。CPU这是核心计算部分。

由于各家定位系统的频率与编码方式都差异很大,因此需要有各家的定位芯片来支持,当然一个定位芯片组中,比如RF和基带等可能需要独立,但CPU或可能共用,或者将支持多个定位的芯片集成,以降低整体成本。

定位信号会受到很多影响,比如电离层变化等这些在发射、传输、接收过程中产生的误差,一般有以下几种方式:

星历误差、卫星时钟精度、相对论效应、电离层折射、对流层折射以及多路径效应和天线相位等,有时甚至会造成芯片无法结算,一般此时软解算就会接入辅助甚至替代芯片计算。

目前全球流行的定位系统是GPS、北斗、伽利略和格洛纳斯,像印度这种很多人都没听说过的的定位芯片很少有厂商支持,因此必须在芯片上做出相应的设计才可以,这就大幅增加了成本。

目前包括苹果、三星以及小蜜和Oppo等手机都在发愁如何满足印度的需求!尽管路透社报道称印度政府规定加装NavIC系统的时限是2023年1月,但印度媒体称政府并没有确定具体的时限,还在与业内进行商议,消息人士称加装NavIC的时限是2025年1月。

NavIC印度导航,到底是什么来头?

上文简单说明了定位系统的原理,四大定位系统大家都知道,但似乎大家都没听说过所谓的NavIC的印度定位系统,这个到底是什么鬼?

NavIC的定位系统的全称是IRNSS,这是印度区域导航卫星系统的缩写,只涵盖印度及其周围延伸1,500公里(930 英里)的区域,未来将扩展到南纬 30 度线到北纬 50 度线包围的矩形区域之间和东经线30度到东经线130度,边界外1,500–6,000公里的区域。

印度定位系统的空间位置

该系统总共有7颗卫星+两颗备用星组成,之所以可以只对印度服务是因为这种卫星采用了一个非常奇怪的轨道,叫做倾斜地球同步轨道卫星,它和静止卫星一样的是其高度都在3.6万千米左右,但其倾角却并不是接近零度,而是35700 x 35873 千米,倾角为29.3°,它的星下点是一个以南北纬29.3°为限的8字形。

或者以莫尼亚轨道的方式,让一颗卫星在一天中的大部分时间都处在某地视角范围内,不过那种卫星比较适合通信卫星但却不适合导航卫星,因为它的星历数据实在有些复杂。

主要为加拿大服务的莫尼亚轨道卫星

中国的北斗卫星定位早期方案采用的也是倾斜地球同步轨道卫星,这种定位可以用很少的卫星就可以为区域定位服务,在定位系统起步测试原理或者技术验证时可以用最少的成本完成测试工作。

但缺点也是显而易见的,这种轨道增加再多的卫星也只能是区域性的,要全球性必须是中地球卫星轨道,而且倾角必须在50多度以上,否则这个定位卫星群无法为高纬度定位,比如GPS定位能覆盖全球98%的区域,北斗和伽利略以及格洛纳斯也是全球性的。

印度的定位系统也是经历了美国的卡脖子事件,因为1999年5月印度和巴基斯坦在卡吉尔地区发生冲突,印度向美国寻求GPS定位信号支持,结果美国以技术问题拒绝了印度的请求,从此开始,印度发誓要搞出印度的定位系统,这就时IRNSS产生的的背景。

2013年7月1日,IRNSS-1A卫星升空,印度的IRNSS定位系统开始建设,到2016年3月10日,印度的定位系统基本建成,八颗卫星中的三颗位于地球静止轨道(GEO) 中,经度为32.5° E、83° E和131.5° E,距离地球表面约36,000公里。

其余五颗卫星处于倾斜地球同步轨道(GSO)。其中两个在55° E穿过赤道,两个在111.75° E穿过赤道,这些卫星组成了印度的定位系统,不过在2016年时IRNSS-1A卫星的铷原子钟失效,卫星彻底报废,后来在2018年补发了一颗。

印度这种方式还是比较务实的,只是非全球性的,而且投入使用不久,性能也不稳定,目前使用范围有限,主要用在公共交通的定位、灾害预防等领域上,支持IRNSS的芯片还没有形成产业链,价格比较贵,所以这才是苹果、三星、小米和OPPO这些手机头疼的大问题。

当然莫迪政府也希望通过推进IRNSS系统推进本土的定位产业,印度十几亿人口的手机使用量也很多,当然印度希望在未来占领周边国家的定位市场,不过在全球定位的GPS和北斗以及伽利略的围剿下,印度这个希望可能要破灭了。