2023年9月26日，全球范围内发生了两件引人注目的事件。一则来自波罗的海的消息，北溪输气管线遭到爆炸破坏；另一则则与全球通信产业息息相关。据印度媒体The Hindu报道，为了推广本土的导航定位系统NavIC，并逐步减少对美国GPS系统的依赖，印度政府正酝酿一项重大决策——要求所有在印度销售的手机必须预装NavIC系统。
这一消息对于包括三星、苹果在内的国际手机品牌，以及近年来积极拓展印度市场的小米、Oppo等中国手机制造商来说，无疑是一次巨大的挑战。这不仅意味着额外的研发和制造成本，更关键的是，印度本土的定位系统尚处于起步阶段，相关产业链尚未成熟，连芯片供应都成问题。
面对印度政府的这一要求，手机制造商们似乎陷入了困境。难道仅仅安装一个软件就能解决问题吗？事实并非如此简单。虽然定位导航系统的基本原理并不复杂，但实现这一功能却需要投入巨大的成本。而且，目前印度人的定位系统还不够稳定，稳定性问题亟待解决。
定位系统的原理
卫星定位与传统的三星定位在原理上有着异曲同工之妙。对于熟悉天文的读者来说，GOTO赤道仪需要通过观测三颗常见的恒星来确定自身的位置。具体来说，通过了解这三颗星的视角，并结合当前的时区和时间信息，就可以计算出自身的经纬度，然后自动调整赤经赤纬进行补偿跟踪。
卫星定位系统的原理与此类似。由于卫星的高度相对固定，因此可以根据三颗卫星信号到达的时间差来计算出经纬度和高度。此外，通过多普勒频移效应，还可以确定自身的移动速度。因此，GPS能够提供四个关键信息：经度、纬度、高度和速度，当然也包括方向。要实现这一功能，需要两个基本条件：
1、拥有足够多的卫星，确保在任何时候都能有卫星经过用户的头顶；
2、有一个能够接收并解算信号的客户端设备。
常见的全球卫星导航系统包括中国的北斗、欧洲的伽利略和俄罗斯的格洛纳斯，以及美国的GPS。以GPS为例，最初的计划是部署24颗卫星，分布在6个轨道面上，每个轨道面有4颗卫星，卫星高度约为20180千米。这样，全球任何位置都可以同时观测到6到9颗卫星。
观测到的卫星数量越多，定位精度就越高。早期的粗码定位精度可达100米，精码定位精度则可达10米。不过，后来的方案调整为由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，分布在6条相互间隔120度的轨道上，主要架构并未改变。
客户端芯片解算原理
从理论上讲，客户端设备要解算自身位置，需要掌握以下几个关键信息：
- 1、发射信号的卫星位置；
- 2、信号到达时间；
- 3、多普勒频移。
卫星在运行过程中，其位置不断变化，例如GPS卫星大约每天绕地球两圈多一点。因此，用户的手机需要内置一份所在位置的“星历”，即头顶过顶卫星的目录与时间轨道等信息，而不是科幻电影中的恒星纪元。
星历的更新方式有多种，一种是通过GPS卫星发送的信号进行更新，但由于码率较低，更新速度较慢，可能需要半小时才能完成，且需要在开阔地带。另一种是通过地面站或网络进行更新，这种方式更快。
此外，时间戳也非常重要。如果手机时间与卫星时间相差一秒，电磁波信号就会传播30万千米，导致定位错误。因此，需要高精度的授时系统，而卫星则需要使用原子钟来提供授时信号。
当手机接收到经过精确校准的信号时，就可以解算自身位置。此外，根据不同卫星信号到达时的多普勒频移，还可以解算出运动速度和方向。
需要特别指出的是，由于卫星和客户端设备所在位置的引力差异以及高速运动，两者时钟存在误差。如果不进行修正，几天后定位精度就会下降到几公里以外。因此，必须根据相对论效应进行修正，这也是爱因斯坦相对论的重要证明之一。
客户端定位芯片组是成本增加的关键因素
定位芯片组是手机中用于处理接收信号、修正误差和解码的芯片组，通常包含以下几个部分：
- RF射频芯片
- 基带芯片
- 核心CPU
RF射频芯片负责通过固定频率接收或发射信号，基带芯片则用于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则是核心计算部分。
由于各家定位系统的频率和编码方式不同，因此需要支持各家的定位芯片。在一个定位芯片组中，RF和基带等部分可能需要独立设计，而CPU则可能共用或集成多个定位功能以降低成本。
定位信号会受到多种因素的影响，如电离层变化等，这些因素会在信号的发射、传输和接收过程中产生误差。通常有以下几种修正方式：
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、多路径效应和天线相位等。有时甚至会导致芯片无法进行计算，此时软解算会接入辅助或替代芯片进行计算。
目前全球流行的定位系统包括GPS、北斗、伽利略和格洛纳斯，而像印度NavIC这样的定位芯片很少被厂商支持，因此必须在芯片上进行相应的设计，这大大增加了成本。
目前，包括苹果、三星以及小米和Oppo在内的手机制造商都在为如何满足印度的需求而烦恼！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，但印度媒体称政府尚未确定具体时限，仍在与业内商议。消息人士透露，加装NavIC的时限可能是2025年1月。
上文简要介绍了定位系统的原理。虽然四大定位系统广为人知，但似乎鲜有人听说过所谓的印度定位系统NavIC。这个系统究竟是什么？
NavIC的定位系统全称为IRNSS，即印度区域导航卫星系统。该系统目前仅覆盖印度及其周边1500公里（930英里）的区域，未来计划扩展到南纬30度线到北纬50度线包围的矩形区域之间，以及东经30度到东经130度的区域，边界外1500-6000公里的区域。
该系统由7颗工作卫星和2颗备用卫星组成。之所以可以仅服务印度，是因为这些卫星采用了一种特殊的轨道，称为倾斜地球同步轨道卫星。这种轨道与静止卫星一样，高度都在36000千米左右，但其倾角却不是接近零度，而是29.3°，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于某地视角范围内。不过，这种轨道更适用于通信卫星，而不适合导航卫星，因为其星历数据相对复杂。
中国的北斗卫星定位早期方案也曾采用倾斜地球同步轨道卫星，这种定位可以用较少的卫星为区域定位服务。在定位系统起步测试或技术验证阶段，可以用最低的成本完成测试工作。
但缺点也很明显。这种轨道增加再多的卫星也只能实现区域性定位。要实现全球性定位，必须是中地球轨道，且倾角必须在50多度以上，否则定位卫星群无法为高纬度地区提供服务。例如，GPS能够覆盖全球98%的区域，北斗、伽利略和格洛纳斯也是全球性的。
印度的定位系统也是在美国的技术封锁背景下产生的。1999年5月，印度与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，但美国以技术问题为由拒绝了印度的请求。从此，印度决心自主研发定位系统，这就是IRNSS产生的背景。
2013年7月1日，IRNSS-1A卫星发射升空，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，其中三颗卫星位于地球静止轨道（GEO），经度为32.5° E、83° E和131.5° E，距离地球表面约36000公里。其余五颗卫星处于倾斜地球同步轨道（GSO）。其中两颗在55° E穿过赤道，两颗在111.75° E穿过赤道。这些卫星组成了印度的定位系统。不过，2016年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。
印度的方式相对务实，只是非全球性的，而且投入使用不久，性能还不够稳定。目前使用范围有限，主要应用于公共交通定位、灾害预防等领域，支持IRNSS的芯片尚未形成完整的产业链，价格也比较昂贵，因此这也是苹果、三星、小米和Oppo等手机制造商头疼的问题。
当然，莫迪政府也希望通过推进IRNSS系统来发展本土的定位产业。印度拥有十几亿手机用户，当然希望在未来占领周边国家的定位市场。然而，在全球定位系统的GPS、北斗、伽利略的围剿下，印度的这一希望可能难以实现。
参考：
https://www.thehindu.com/sci-tech/technology/no-timeline-fixed-for-rolling-out-home-grown-gps-alternative-clarifies-govt/article65940741.ece