向衛星導航系統接收機提供星曆表數據和時鐘校正的製作方法

2023-12-03 12:13:36 1

專利名稱：向衛星導航系統接收機提供星曆表數據和時鐘校正的製作方法
向衛星導航系統接收機提供星曆表數據和時鐘校正相關串請本申請是S. Venkatraman等人於2008年10月8日提交的題為「ProvidingEphemeris Data and Clock Corrections to a Satellite Navigation System Receiver(向衛星導航系統接收機提供星曆表數據和時鐘校正)」的共同待決、共同擁有的美國專利申請S/N. 12/247,817的部分繼續申請，該申請通過援引全部納入於此。背景使用全球定位系統(GPS)衛星確定接收機的位置的常規辦法要求該接收機從四個或更多個可見衛星下載導航消息、從這些導航消息提取針對每個衛星的廣播星曆表，並利用該星曆表數據計算這些衛星在特定時間在ECEF (地心地固)坐標系中的位置。針對每個 衛星的廣播星曆表是在花費大約30秒來發送/接收的數據幀中提供的。該廣播星曆表在從該衛星開始廣播該導航數據的時間開始的四小時期間內有效。控制站較不頻繁地向衛星上傳數據，通常一天幾次。在四小時期間之後，接收機不得不再次下載最新的廣播星曆表。在「溫」或「冷」啟動條件下，GPS接收機可能不具有有效星曆表，因此它可能不得不一直等待到已捕獲至少四個衛星並提取它們的廣播星曆表之後才估計位置。這將捕獲有效星曆表所需的時間延長到超過30秒，可能若干分鐘，這對用戶可能是不能接受的。此外，在弱信號條件下，來自一個或更多個衛星的信號的信噪比可能落到接收機沒有實質性差錯地解碼導航消息的閾值之下。為了克服這些類型的問題，如果GPS接收機具有經由受輔助GPS (A-GPS)與無線網絡通信的能力，則該接收機可從例如蜂窩網絡獲得星曆表。可替換地，星曆表可以是存儲在接收機處存儲器中的文件的形式。該文件可包括針對一個或更多個衛星的在若干天內有效的星曆表數據。可使用無線介質向GPS接收機傳送該文件，或者用戶可周期性地將GPS接收機連接至網際網路並從已知位置下載最新的文件。通過來自無線網絡或來自存儲著的文件的輔助，TTFF (首次鎖定時間)可被減小到幾秒(5-15秒的量級上)。然而，該文件的大小會成問題。如果該文件很大，則會花費很長時間將該文件傳遞到GPS接收機。通常存在與文件傳遞相關聯的成本。例如，可能必須在無線鏈路上將該文件傳遞到GPS設備，或者用戶可能必須將設備連接到連結至存在該文件的伺服器的計算機以傳遞下載該文件。傳遞該文件的成本通常與正被傳送的文件的傳送時間或大小成正比。而且，下載該文件花費的時間量可能對該用戶造成不便。此外，如果GPS接收機是行動裝置或者具有受限存儲器容量的類似設備，則大的文件可能耗用設備存儲器的過度份額。概述根據本發明的實施例，接收(例如,客戶端)設備可訪問包含經縮放值(例如,整數值)和縮放因子的文件。這些縮放因子用於將這些經縮放值轉換成係數和殘差，這些係數和殘差進而可與時間相關函數聯用以計算針對衛星導航系統(例如，GPS)衛星的星曆表數據，包括時鐘校正數據。客戶端設備可使用所計算的星曆表數據和時鐘校正來確定位置(例如，該設備的定位)。通過使用經縮放值和縮放因子來表示星曆表數據，包括時鐘校正數據，可顯著減小文件大小，進而減小了向客戶端設備傳送和/或下載該文件所需的時間量，並且還減小了該文件耗用的設備存儲器量。根據本發明的各實施例，可使用小於約為15千字節(KB)的文件空間來存儲相當於一個禮拜的星曆表數據和時鐘校正數據。此大小的文件比其中每四小時積累從例如噴氣推進實驗室(JPL)數據估計的星曆表數據集並未壓縮地發送這些星曆表數據集的情形要好三到四倍。本領域普通技術人員在閱讀以下在各種繪製附圖中解說的各實施例的詳細描述後將認識到本發明的各種實施例的這些及其他目的和優勢。附圖簡要說明被納入本說明書並構成其一部分的諸附圖解說 了諸實施例，並且與本描述一起用於解釋諸實施例的原理圖I是根據本發明的實施例的衛星導航系統的示例的框圖。圖2A是根據本發明的各實施例用於向衛星導航系統提供星曆表數據和時鐘校正數據的方法的流程圖。圖2B和2C是解說根據本發明的各種實施例的用於計算殘差的時段的示例。圖3、4和5是根據本發明的各種實施例的用於處理衛星導航系統數據的方法的流程圖。圖6解說了根據本公開的實施例對時鐘校正項的更新。具體描述接下來的詳細描述中的一些部分是以規程、邏輯塊、處理以及其它對計算機存儲器內的數據比特的操作的符號表示的形式來給出的。這些描述和表示是數據處理領域中的技術人員用來向該領域其他技術人員最有效地傳達其工作實質的手段。在本申請中，規程、邏輯塊、過程、或類似物被設想為是導向期望結果的自洽的步驟或指令序列。這些步驟是那些需要對物理量進行物理操縱的步驟。通常，儘管並非必然，這些量採取能被存儲、轉移、組合、比較並以其他方式在計算機系統中被操縱的電或磁信號的形式。然而應謹記，所有這些以及類似術語要與恰適物理量相關聯且僅僅是應用於這些量的便利性標籤。除非另外明確聲明，否則如從以下討論所顯見的，應當領會到貫穿本申請，利用諸如「訪問」、「接收」、「發送」、「廣播」、「標識」、「調節」、「轉換」 「更新」、「確定」、「補償」、「代替」、「評價」、「計算」、「預測」、「使用」、「推導」、「表示」、「存儲」、「擬和」或類似術語的討論是指計算機系統或類似電子計算設備的動作和過程，它們將表示為計算機系統的寄存器和存儲器內的物理(電子)量的數據操縱並變換成類似地表示為計算系統存儲器或寄存器或其他此類信息存儲、傳輸或顯示設備內的物理量的其他數據。本文所描述的各實施例可在駐留在某種形式的計算機可使用介質(諸如程序模塊)上、由一個或更多個計算機或其他設備執行的計算機可執行指令的一般化上下文中討論。一般而言，程序模塊包括執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構，等等。各程序模塊的功能性可如各實施例中所期望地被組合或分布。藉由示例而非限定，計算機可使用介質可包括計算機存儲介質和通信介質。計算機存儲介質包括在任何用於存儲諸如計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其他數據之類的信息的方法或技術中實現的易失性和非易失性、可移動和不可移動介質。計算機存儲介質包括但不限定於隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程ROM(EEPROM)、快閃記憶體或其他存儲器技術、壓縮碟ROM (CD-ROM)、數字多用碟(DVD)或其他光學存儲、盒式磁帶、磁帶、磁碟存儲或其他磁存儲設備、或任何其他可用於存儲期望信息的介質。通信介質可在經調製數據信號中實施計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其他數據，並包括任何其他信息遞送介質。術語「經調製數據信號」意指其有一個或更多個特性以在信號中編碼信息的方式被設置或改變的信號。藉由示例而非限定，通信介質包括諸如有線網絡或直接有線連接之類的有線介質、以及諸如聲學、射頻(RF)、紅外和其他無線介質之類的無線介質。任何上述介質的組合也應被包括在計算機可讀介質的範圍內。

圖I是示出根據本發明的一個實施例的衛星導航系統100的各元件的框圖。系統100可包括作為本文所示出和描述的這些的替代或補充的元件。一般來說，圖I的示例僅包括功能性衛星導航系統的基本元件。在一個實施例中，該衛星導航系統是全球定位系統。系統100包括例示為衛星110、111、112和113 (110-113)的衛星星座、包括存儲器和中央處理單元(CPU)並且還可包括無線接收機的客戶端設備120、以及也具有存儲器和CPU並且可包括無線發射機的伺服器130。客戶端設備120可以是但不限定於蜂窩電話或智慧型電話、個人數字助理、或可攜式(或個人)導航設備。伺服器130可經由有線或無線連接、抑或直接抑或間接地(例如，經由某個種類的中間設備)向客戶端設備120發送信息。可替換地，可使用某個類型的可攜式計算機可讀存儲介質(諸如以上提到的那些)將信息從伺服器130傳遞至客戶端設備120。一般來說，客戶端設備120有途徑訪問駐留在伺服器130上的信息。在一個實施例中，客戶端設備120有能力接收並處理來自衛星110-113的衛星導航系統信號。這些衛星導航系統信號包括星曆表數據和時鐘校正數據。一般來說，這些衛星導航系統信號包括允許客戶端設備120確定自己的定位的信息。根據本發明的各實施例，伺服器130從諸如但不限定於噴氣推進實驗室(JPL)之類的源接收周期性衛星位置(ECEF x-y-z坐標)和針對將來若干天內的時鐘校正形式的原始數據(源數據)。可以高準確性來預報軌道確定、預測和傳播。該源數據還可包括對所預測的衛星位置和時鐘校正兩者的質量指示符。根據本文所描述的各實施例，所預測的星曆表數據和時鐘校正(本文中可統稱作偽星曆表或合成星曆表數據)是在伺服器130處從源數據推導出的。可使得偽星曆表數據以二進位文件內的經壓縮格式對客戶端設備120可用。這些預測一般可供若干天期間使用。如將從接下來的討論中所見，所預測的時鐘校正可使用該預測所覆蓋的時期期間接收到的廣播星曆表(若可用)來更新。通過從源數據估計星曆表並壓縮該結果，星曆表(包括時鐘校正)就以促成傳輸、存儲和檢索的方式被格式化。圖2A包括流程圖200，其提供了用於從源數據估計星曆表並用於以減少傳送到客戶端設備120的數據量的格式提供這些星曆表的過程的概覽。相應地，向客戶端設備傳送和/或下載該文件所需的時間量，以及該文件耗用的設備存儲器量得以減少。在以下的討論中，術語「預測的」用於指代從以衛星位置和時鐘校正形式的原始源數據推導出的數據。如將要描述的，所預測的數據被壓縮，並且術語「計算的」用於指代從經壓縮數據計算(重構)的數據。術語「廣播」用於指代從衛星廣播的數據。在某種意義上，預測的數據被用於預報廣播數據，並且(基於所預測的數據的)計算的數據用於代替廣播數據。
在框210中，從原始(源)數據估計星曆表參數，如剛剛提到的，原始(源)數據是周期性衛星位置(ECEF x-y-z坐標)和針對將來若干天內的時鐘校正的形式。換言之，不是將星曆表參數集轉換成ECEF坐標中的衛星位置，而是執行從已知衛星位置轉到星曆表參數集的逆操作。該源數據未必是連續的；例如，可以15分鐘的間隔提供衛星位置和時鐘校正的序列。框210的結果是時間相關並且衛星相關的星曆表參數和時鐘校正的集合。如果源數據是以15分鐘間隔分隔開的，則在該點處，所預測的星曆表參數和時鐘校正數據也以15分鐘間隔分隔開。在框220中，將每個星曆表參數(不包括以下討論的時鐘校正)的時間相關值獨立地表示為時間和其他軌道參數(見後文表I)的連續函數。例如，可將多項式或三角函數擬 合到框210中生成的數據，其中每個參數由分開的函數或模型表示。在用於推導該函數的值(來自框210的所預測的值)與當該函數後續被求值時計算的值之間可能存在差值。也可為各種時間間隔計算這些差值、或即殘差。為了減少二進位文件中的數據量，可以不將所有殘差都包括在該二進位文件中。在一個實施例中(圖2B)，如果以N分鐘的間隔(例如，每15分鐘)確定所預測的星曆表參數，則也可以N分鐘的間隔來確定這些殘差，隨後可計算這些殘差對於該二進位文件所覆蓋的每個時段的平均並將其包括於該二進位文件中。例如，該二進位文件可覆蓋7天期間。對於該七天期間中的每四小時的時期(各時期可以交疊)，每星曆表參數計算單個殘差。這單個殘差可以是該四小時窗內以15分鐘間隔計算的所有殘差的平均。因此，該二進位文件將包含每星曆表參數若干個殘差，儘管每參數每四小時期間僅一個殘差。在另一個實施例中(圖2C)，在每個四小時期間內的單個時間點計算每星曆表參數的殘差。在圖2C的示例中，包括在該二進位文件中的這些殘差是在與原始數據的中心對應的廣播星曆表時間(TOE)計算的。(JPL每四小時提供新的七天預測。因此，在前述各示例中使用了四小時的期間。但是，根據本發明的各實施例不限定於JPL數據也不限定於四小時的時期。)時間校正也隨時間變化，並且時鐘校正的變動可以類似方式表示為多項式與諧波曲線之和。源數據中的時鐘校正項可以是曲線擬合的，並且可使用經縮放值和縮放因子來表示該曲線的各係數。當在接收機處重構星曆表和時鐘校正時，可從時鐘校正模型推導與相位誤差、頻率誤差、和頻率誤差變化率分別對應的afO、afl和af2項。在一個實施例中，縮放因子一般而言是發送設備和接收設備(例如，圖I中分別為伺服器130和客戶端設備120)雙方均已知的標準化縮放因子集。也就是說，縮放因子可在預載並駐留在發送和接收設備上，或以其他方式被發送和接收設備訪問。在此類實施例中，縮放因子可以是接口控制文件(I⑶)縮放因子(例如，在GPS I⑶中，表20-111星曆表參數)。由於此類縮放因子對接收機是已知的，因此它們不需要被包括在該二進位文件中，由此進一步減小了文件的大小。這些縮放因子可以自身是經縮放或修正的。例如，該二進位文件可包括可由接收機應用到存儲在接收機上或由接收機使用的縮放因子的另一整數或整數集。更具體地，縮放因子(例如，I⑶縮放因子)可以比必需的更為精確，並且第二整數集可用於粗化這些因子。
在圖2A的框230中，與框220中推導出的函數相關聯的係數和常量各自被表示為縮放因子和經縮放值(諸如有符號整數值)的乘積。例如，所預測的星曆表參數可表示為具有三個係數和一常量的時間相關三階多項式，這些係數和常量各自被表示為縮放因子和整數的乘積。曲線擬合到時鐘校正項的各係數也可被表達為縮放因子和經縮放值的倍數。殘差可被類似地表達。在圖2A的框240中，還是參考

圖1，縮放因子和有符號的經縮放值可被轉換到二進位數制並寫入到具有衛星導航系統接收機(例如，客戶端設備120)已知的特定格式的文件中。此類文件可以是大小為大約15KB，並且可以小到7KB。可以若干方式將該文件提供給接收機。在一個實現中，客戶端設備120使用已知接口(諸如通用串行總線接口)連接到聯網計算機(例如，伺服器130)並下載最新近的二進位文件。在另一實現中，客戶端設備120利用無線接口或蜂窩網絡來無線連接到伺服器130(或連接到已從該伺服器接收了該文件的另一設備)以下載該文件。
可隨後為下一預測期間重複框210到240。注意到，可以比客戶端設備120訪問二進位文件的頻度更為頻繁地生成新的和更新近的二進位文件。也就是說，例如，客戶端設備120可在每周的基礎上下載新的_■進位文件；但是，可以每四小時(例如，JPL每四小時提供新的七天預測；但是，本發明的各實施例不限定於JPL數據)或者一般而言如源數據被更新一樣頻繁地創建新的文件。取決於下載源數據和生成二進位文件所花費的時間，源數據在二進位文件準備好的時間有可能變得過時。因此，伺服器130可就在發布新生成的二進位文件之前驗證源數據。此外，在生成文件的時間與客戶端設備120下載該文件或使用所下載文件中的信息的時間之間可能過去了一些時間。在此期間，可能發生對該文件中的數據應當被使用的方式具有顯著影響的事件。例如，因為某個原因，針對賴以生成文件中的數據的諸衛星之一的源數據可能不再是令人滿意的。相應地，可修改該文件以移除與該衛星相關聯的數據，或者可指令客戶端設備120忽略與該衛星相關聯的數據。在圖2A的框250中，還是參考圖1，在接收機(客戶端)側，本質上實現以上操作的逆操作以重構係數、常量和殘差，它們可進而用於重構所預測的星曆表和時鐘校正項(例如，af0、afl和af2)。已由伺服器130用來表示所預測的星曆表和時鐘校正的函數的類型(例如，三階多項式)對客戶端設備120是已知的。客戶端設備120選擇恰適的係數、常量和殘差並將這些值與正確的函數聯用以計算感興趣的參數(星曆表或時鐘校正)，直至計算出所有需要的值。客戶端設備120隨後可使用所計算的值來以常規方式確定自己的定位。取決於諸如可用存儲器的量、程序空間和處理能力之類的各因素，可以不同方式從文件中提取二進位數據。在可用存儲器和緩衝器空間有限的設備(諸如行動裝置)中，星曆表和時鐘校正可(例如，在給定曆元針對特定衛星)按需計算而不是必須一次提取二進位文件中的所有數據，由此降低了對客戶端設備寄予的要求。可替換地，可計算文件中表示的所有星曆表和時鐘校正，或者可計算某個子集(例如滑動窗)的值。可將所計算的星曆表和時鐘校正轉換成標準格式，諸如I⑶-200 (接口控制文件200C，「Navstar (導航衛星定時和測距)GPS空間段/導航用戶界面」)中規定的一種格式。在圖2A的框260中，可在客戶端設備120 (圖I)處使用來自特定衛星的廣播星曆表(具體而言，廣播時鐘校正項)(若此類廣播信息可用)調節針對該衛星計算的時鐘校正項。換言之，如果客戶端設備120可獲訪問更新近的時鐘校正數據，則客戶端設備可使用該信息校正在框250中計算的時鐘校正項。圖3、4和5分別是用於處理衛星導航系統數據的方法的各實施例的流程圖300、400和500。雖然在流程圖300、400和500 (300-500)中揭示了具體的步驟，但此類步驟是示例性的。也就是說，可執行各種其他步驟或流程圖300-500中敘述的各步驟的變體。可以與所呈現的次序不同的次序來執行流程圖300-500中的各步驟。此外，流程圖300-500描述的各種實施例的各特徵可單獨或彼此組合使用。在一個實施例中，流程圖300-500可實現為存儲於計算機可讀介質中的計算機可執行指令。在一個實施例中，由圖I的伺服器130執行估計星曆表數據和時鐘校正並在二進位文件中以衛星導航系統接收機理解的格式存儲該信息的過程(流程圖300)。在另一個實施例中，由圖I的客戶端設備120執行將二進位文件中的信息轉換為星曆表和時鐘校正數據的過程(流程圖400)。在又一個實施例中，由客戶端設備120執行使用廣播星曆表數據來更新時鐘校正數據的過程(流程圖500)。 首先參考圖3，在框310中，從描述多個衛星在選定時間的預測位置的源數據中推導針對這多個衛星的預測星曆表數據。每個衛星軌道可被建模為經修正的橢圓形軌道，其中，理想的二體克卜勒軌道被若干個因素擾動，這些因素有但不限於非球面地球重力球諧、太陽輻射壓、月亮和太陽引力。衛星在經修正克卜勒軌道中的位置已知是表I中列出的各參數的函數。表I -星曆表參數定義參數/單位定義
(a)l/2 / m1/2半長軸的平方根
el無單位軌道離心率
hi弧度在參考時間的傾角
M0/弧度在參考時間的平近點角
Q0/弧度在參考時間軌道平面的升交點經度
5/弧度/秒赤經率
ω/弧度近地點幅角
idotmm/f}傾斜率
Anmmm來自所計算值的平均運動差
cy弧度對傾角的餘弦諧波校正的幅度
GM度對傾角的正弦諧波校正的幅度
CrM對軌道半徑的餘弦諧波校正的幅度
Crs/米對軌道半徑的正弦諧波校正的幅度
Clic/弧度對煒度幅角的餘弦諧波校正的幅度
Cm/弧度對緯度幅角的正弦諧波校正的幅度表I中各參數是在廣播星曆表消息中提供的同一集合的吻切元。為了實現對衛星軌道的最佳擬合，周期性改變模型的各參數。衛星位置和時鐘校正的序列以某個間隔分隔開，通常分開15分鐘。在源數據中每個曆元的參數估計可作為將參數集擬合到例如以該曆元為中心的四或六個小時的源數據衛星位置的估計規程來實行。其結果產生了在被轉換到衛星位置時提供在中心曆元處精確的軌道位置和在離開該曆元的時間逐漸降級的準確性的吻切元集。選擇N小時滑動窗使得星曆表元素在從開始N/2小時之後、以及在源數據結束之前N/2小時是可用的。描述從星曆表參數集到ECEF坐標中的衛星位置的轉換的模型方程是已知的。但是，將要描述的過程旨在執行從已知衛星位置轉到星曆表參數集的逆操作。這可使用落在稱為曲線擬合或非線性最小化技術的廣泛類別內的技術來達成，其中一般非線性函數在該函數的若干參數的空間上被最小化。此類技術的一個示例是公知的列文伯格-馬誇爾特(Levenberg-Marquardt)最小化規程。可使用任何當前可用的廣播星曆表作為要被估計的星曆表參數的開始集來初始化星曆表估計過程。然而，如果各廣播星曆表不可用，則可使用先前計算的偽星曆表數據(即，先前預測的星曆表)來初始化該過程。此外，一些軌道模型參數在時間上改變如此迅速以使得必需使用這些星曆表參數的經傳播值來進行初始化。該傳播基於參數的時間導數的近似並基於擬合窗中心與初始化星曆表的曆元之間的時間差。可用大的數據集來對該估計過程進行基準檢測以獲得對該過程的行為的理解。基於這種理解，可形成接受估計結果的準則。如果估計結果不落在該準則內，則可用相同輸入數據但使用不同步長來重複此最小化技術。可嘗試不同步長直至覆蓋了步長範圍或者估計結果可接受。在一個實施例中，可通過以通常產出最佳估計結果的步長開始、隨後藉以交替的方式選擇更小和更大的步長來逐漸拉離該初始步長的方式來選擇不同的步長。在一個實施例中，提前指定某個數目(例如，五個)不同步長一如果第一步長不產出可接受的結果，則自動調用下一步長 。如果所有的不同步長均導致非典型的輸出質量，則還是可以接受其中最佳的輸出，如果其從典型輸出質量的偏離是適量的。另一選擇是丟棄該輸出，因為在下一步驟(框320)中會計及丟失的樣本。框310的結果是呈與源數據類似的間距(例如，15分鐘的間隔)的針對每個衛星的預測星曆表參數集。由對軌道運動的擾動引起的星曆表參數隨時間的變動可以長期、短周期性和長周期性的作用的形式來描述。長期作用顯現為時間的函數，通常是線性的或者與時間的某次方成正比。軌道的長期歲差主要是由因地球的扁率對軌道衛星產生的扭矩導致的。短周期性作用具有短於衛星的軌道周期的重複循環並且是由地球的重力勢和月球及太陽效應的球面諧波導致的。長周期性作用具有若干周或月量級的周期。如果源數據可用一周或幾周，則長周期性作用可被忽略並且軌道元素可被建模為長期和短周期性作用之和。這可通過將每個所預測的星曆表參數的時間序列與時間相關函數(例如，多項式或三角函數)擬合來達成。有可能找到表示每個參數關於時間的變動的非常準確的函數。在一個實施例中，考慮對文件大小、處理時間、複雜度以及其他因子的約束，使用階數為三或以下的多項式或者簡單的三角函數。在框320中，在一個實施例中，將所預測的星曆表數據的每個參數(來自框310 ;時鐘校正結合框340討論)表示為時間的函數。每個參數可以是獨立地曲線擬合的並且可使用不同於其他參數的函數來表示。在參數的真實變動與所擬合的曲線之間可能存在偏離。這些偏離的大小對於使用該函數計算的衛星位置的準確性可能非常顯著。因此，在一個實施例中，可連同該函數的係數一起計算並壓縮這些偏離或即殘差項。如以上所提及的，在一個實施例中，計算殘差的平均並隨後將其代替時間相關殘差來使用，而在另一個實施例中，計算源數據覆蓋的時期(例如四小時)中的單個時間點(例如，在Τ0Ε)的殘差並將其代替時間相關殘差來使用。在框330中，每個係數和常量被表示為經縮放值和縮放因子的乘積。在一個實施例中，每個殘差項被類似地表示。表示係數或常量的經縮放值在本文中可稱作第一經縮放值，並且表示殘差的經縮放值在本文中可稱作第二經縮放值。通過將係數、常量和殘差轉換成經縮放值(例如，整數)，它們可使用較少比特來表示。可選擇係數、常量和殘差項的解析度以減小二進位文件的大小，文件大小的減小是與期望的位置準確性相權衡的。可以對每衛星的每個星曆表參數有一個縮放因子，或者對所有衛星的每個星曆表參數有一個縮放因子。有可能向不同集(期間)的所預測的星曆表數據施加相同縮放因子。如果這樣，則可一次性向客戶端設備提供縮放因子集合，其或許可能與二進位文件分開。一般來說，可以不如係數那樣頻繁地、或與係數分開地向客戶端設備提供縮放因子，在這種情況下可進一步減小文件的大小。可使用比係數粗的解析度來表示殘差項，這取決於衛星位置誤差對每個參數的靈敏度。更具體地，在一個實施例中，在對函數求值時重構的係數或常量將比重構出的殘差具有更高的精度(更多有效位數或比特)。換言之，可使用比用於量化模型係數和常量的步長更大的量化步長來量化殘差。這允許在調節二進位文件大小上具有靈活性，因為可減少表示殘差所需比特數。此外，使參數的殘差項可用的頻度對文件大小可具有顯著影響。例如，如果殘差是每15分鐘發送的，則所計算的衛星位置的準確性與來自源數據的原始準確性相當，但具有由曲線擬合誤差和量化誤差引起的少許降級。然而，文件大小可能比期望的大。已發現對殘差而言四或六小時的頻度允許實現期望的文件大小同時將準確性·維持到幾米。例如，在一個實施例中，如果所預測的星曆表參數是以15分鐘的間隔來確定的，則殘差也可以15分鐘的間隔來確定，但是隨後可為每四到六小時期間計算殘差的平均、將其如所描述地壓縮、並代替時間相關殘差包括在二進位文件中。在另一實施例中，計算與該四到六小時期間的單個時間點(例如，Τ0Ε、或者原始(源)數據的中心)對應的殘差，並且僅將該殘差包括在二進位文件中。在框340中，可將在源數據中提供的針對每個衛星的時鐘校正的時間相關性建模為多項式和諧波曲線擬合之和。時鐘校正中的諧波項是因為相對論校正是偏近點角的正弦函數而產生的。源數據中的時鐘校正項可以是曲線擬合的。當在接收機處重構星曆和時鐘校正時，可從該時鐘校正模型推導與相位誤差、頻率誤差、和頻率誤差變化率分別對應的afO.afl和af2項。表示已擬合到時鐘校正項的曲線中的係數的經縮放值在本文中可被稱作第三整數值。在框350中，在一個實施例中，可將來自框330和340的縮放因子和有符號的經縮放值轉換成二進位數制並存儲在計算機可讀存儲器(例如，二進位文件)中。如以上所提及的，可使用對發送設備和接收設備雙方均已知的標準化縮放因子，在這種情形中不必要在二進位文件中包括這些縮放因子。在圖4的框410中，接收設備(例如，圖I的客戶端設備120)訪問如剛才描述地創建的且包含經縮放值並或許可能包含縮放因子的二進位文件，如本文先前所描述的。如以上所述，可與之分開地提供各縮放因子；即，這些縮放因子可在一分開的文件中提供給客戶端設備120。可重複使用相同(例如，標準集的)縮放因子，在這種情形中，縮放因子可在任何時間(例如在包含經縮放值的二進位文件之前)並且或許可能僅一次性地提供給客戶端設備120。在框420中，使用縮放因子將經縮放值轉換成係數、常量和殘差。可進而將這些係數、常量和(諸)殘差與各種時間相關函數聯用以計算針對數個衛星的星曆表數據，包括時鐘校正。更具體地，所計算的星曆表和時鐘校正是已從源數據(諸如但不限定於JPL數據)推導出的所預測的星曆表和時鐘校正的相對近似。所計算的星曆表和時鐘校正可被轉換為標準格式並隨後由接收設備使用以確定自己的定位。本質上，所計算的星曆表和時鐘校正可代替通常在來自衛星的導航消息中廣播的類似信息來使用。對於所計算的星曆表和時鐘校正有效的時期(例如，一周)，接收設備無須從衛星接收導航消息亦可操作。衛星時鐘校正是隨機效應並且最難準確地預測，因此趨向於在誤差計算中佔首要地位。所預測並由此計算的時鐘校正趨向於隨著自預測起的天數在準確性上降級。如果接收機能間歇地下載針對特定衛星的廣播星曆表，則檢查由時鐘校正引起的誤差的方法是校正針對該衛星計算的afO、afl和af2項。在圖5的框510中，由接收設備(例如，圖I的客戶端設備120)訪問(例如，在接收設備處接收)與衛星相關聯的時鐘校正參數(例如，afXKafl和af2)的廣播值。這些廣播值對應於特定時間點(Tl)。在框520中，接收設備通過使用時間點Tl作為輸入對時間相關函數求值來計算時鐘校正參數的值(或者訪問先前計算的值)。也就是說，時間Tl時的afO、afl和af2值可由接收設備使用時間相關函數以及表示這些參數的對應係數和殘差來計算。在框530中，一般而言，可調節所計算的值以補償所計算的值與廣播值之間的任何差值。還可調節使用此後(時間Tl後)的時間點作為輸入來計算的值。在一個實施例中，如果在合成星曆表有效的區間期間有針對一衛星的一組廣播時鐘校正項變得可用，則可計算從合成時鐘校正計算的afO項與從在廣播星曆表時間(TOE)的廣播星曆表計算的afO項之間的差值並將該差值用於調節在TOE時和超過TOE的所有時間的所計算星曆表中的afO項，直至所預測的值覆蓋的期間(例如，一周)結束。這將與所計算的afO項的曲線中的垂直移位相當，其中該移位等於所計算的afO值對廣播afO值的差值。在另一個實施例中，如果有來自兩個不同曆元的兩個廣播時鐘校正集可用，則除了調節afO項之外,還可通過擬合穿過該第一和第二廣播afO值的一階方程來重算afl項；afl的值等於該一階方程的斜率(導數)。以類似方式，如果有來自三個不同曆元的三個或更多個廣播時鐘校正集可用，則除了調節afO和afl項之外，還可通過將二階曲線擬合到第一、第二和第三廣播afO值來重算af2項；af2的值是該二階曲線的二階導數。一階和二階曲線擬合辦法的準確性可能受衛星時鐘的隨機行為影響。可通過增加在曲線擬合中使用的廣播集的數目或者通過要求在被選擇使用的廣播集之間有某個最小時間區間來改善曲線擬合辦法的性能。除了如以上描述地使用從合成時鐘校正計算的afO項與從TOE時的廣播星曆表計算的afO項之間的差值來僅更新afO項之外，所計算的afO項和所計算的afl項兩者均可被更新，從而使得來自預測的瞬間時鐘偏差和時鐘漂移等於廣播時鐘校正的曆元時的廣播afO和afl項。圖6示出此時鐘校正方法的理念。圖6中標記「原始預測」的曲線是指通過對擬合到源數據中所預測的時鐘偏差樣本的二階多項式求值來計算的afO、afl和af2項。首先，以類似於以上解釋的方式來更新afO的值。然後，用廣播afl (afins)與瞬間時鐘漂移(Cd源(trsi))的差值來更新afl的值。斜率cdrsi(triil)與「經更新預測」曲線在tr#時相切。在實踐中，時鐘頻率漂移項af2總是為零，因為衛星時鐘頻率漂移程度低於以廣播星曆表數據格式中的af2項的解析度。因此，可例如使用以上描述的曲線擬合的辦法來更新預測中的af2項。更具體地，在更新之前 時鐘偏差cb=af2( Δ t) ^af1 ( Δ t) +af0; 時鐘漂移cd=2af2( Δ t) +af^ ;cd源(trsi)=2af2，源(At)+af\，源；|At=trs|-t源Cdns (1:廣播)=2已;^廣播(AtKaf1 廣播；| Δ t=0
=af\ 廣播；並且在更新之後(t≥t 廣播):cb 新，源(t) =af2；源(Δ t) ^af1 新(At) +af0 新；| Λ t=t_t 源其中af1#=af1； ^+ Acd=Bf1，源+cd廣播(t廣播)_cd源(t廣播)
_2] =af\廣播-2af2；源(t廣播~tm)；以及af0新=af0廣播_af2，源(t廣播_t源)2If1新(t廣播_t源)=af0 廣播 ~af2； m (t 廣播 _t m) ^af1 廣播(t 廣播-t 源)。在以上描述的時鐘校正方法中，用廣播星曆表時的afO和afl的廣播值替換所計算的afO和afl值。作為其代替，可使用瞬間時鐘偏差與afO的的廣播值的加權平均、或者瞬間時鐘漂移與afl的的廣播值的加權平均。加權的一種選擇是使用afO的廣播值的期望(例如，統計地確定的)方差與源數據預測的瞬間時鐘偏差(作為該預測的陳舊程度的函數)的倒數。在另一實施例中,有可能改善對其廣播星曆表不可用但已確定從衛星導航系統接收機至其的偽射距的衛星的時鐘校正。該方法使用真實接收機位置以計算從該接收機到該衛星的真射距。可使用來自其他衛星的廣播星曆表來確定真實的接收機位置；若有針對四個或更多個衛星的偽射距和廣播星曆表可用則可獲得該真實位置。真射距與偽射距之間的差值可歸因於在該曆元時感興趣的衛星的時鐘校正誤差。概括言之，根據本發明的各實施例，在集中式伺服器處從衛星軌道預測和時鐘校正的集合創建偽星曆表數據，包括時鐘校正數據，並將該偽星曆表數據存儲在可由遠程客戶端設備訪問的二進位文件中。該偽星曆表數據在若干天內有效，並且可使用廣播星曆表(若可用)來更新這些時鐘校正以及任選地更新整個偽星曆表集。可使用經縮放值和縮放因子來表示偽星曆表數據。可選擇縮放因子的粗度以達到經與期望數據壓縮量權衡的期望準確性程度。如本文所描述的，可顯著減小該文件的大小，進而減小了向客戶端設備傳送和/或下載該文件所需的時間量，並且還減小了該文件耗用的設備存儲器量。在前述說明書中，已參考許多具體細節描述了各實施例，具體細節在各實現之間可以有所變化。因此，對於什麼是本發明、以及申請人旨在將什麼作為本發明的唯一和排他的指標是從本申請發布的權利要求集，其指以此類權利要求發布的具體形式，包括任何後續的修改。因此，任何未在權利要求中明確敘述的限定、元素、性質、特徵、優點或屬性均不應當以任何方式限定該權利要求的範圍。因此，說明書和附圖應在說明性而非限制性意義上來看待。
權利要求
1.一種處理衛星導航系統數據的方法，所述方法包括 使用多個衛星在選定時間的預測位置來推導針對所述衛星的預測星曆表數據； 將所述預測星曆表數據的參數表示為時間的第一函數； 將i)所述第一函數的係數轉換成各自相應的第一經縮放值並將ii)表示所述預測星曆表數據與使用所述第一函數計算的值之間的差值的殘差轉換成第二經縮放值，所述轉換是用接收設備可訪問的標準化縮放因子執行的；以及 在計算機可讀存儲器中存儲所述第一經縮放值和所述第二經縮放值。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，還包括 訪問針對所述衛星的時鐘校正數據，所述時鐘校正數據包括用作有用於計算每衛星時鐘偏差的多項式中的係數的多個衛星相關參數； 將所述時鐘校正數據表示為時間的第二函數；以及 將所述第二函數的係數轉換成各自相應的第三經縮放值。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括向所述接收設備傳送所述第一、第二和第三經縮放值，所述接收設備能作用於從中生成重構的係數及殘差，其中，所述接收設備進一步能作用於使用所述重構的係數和殘差以生成所計算的星曆表和時鐘校正值、所計算的衛星位置、以及所述接收機設備的定位。
4.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述預測星曆表數據的每個參數被獨立表示為時間的函數。
5.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述第一函數是從以下群中選出的；三角函數；以及N階多項式函數，其中N不大於三。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，還包括 訪問包括所述第一經縮放值和所述第二經縮放值的所述計算機可讀存儲器； 訪問所述縮放因子；以及 使用所述縮放因子將所述第一和第二經縮放值分別轉換成重構的係數和重構的殘差，其中，所述重構的係數和重構的殘差能與所述第一函數聯用以重構針對多個衛星的所述預測星曆表數據。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述計算機可讀存儲器還包括第三經縮放值，所述第三經縮放值被轉換成有用於計算所述衛星中的每個衛星的時鐘偏差的多項式的第二係數。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，還包括 訪問從所述多個衛星中的衛星廣播的星曆表數據；以及 使用所述廣播的星曆表數據更新所述預測星曆表數據的實例。
9.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，還包括 訪問與所述多個衛星中的衛星相關聯的時鐘校正參數的廣播值，所述廣播值與第一時間點對應，其中，所述時鐘校正參數用作有用於確定與所述衛星上機載的時鐘相關聯的偏差量的多項式中的係數； 訪問所述時鐘校正參數的計算值，所述計算值是通過使用所述第一時間點作為輸入來對時間相關函數求值來確定的；以及 補償所述計算值與所述廣播值之間的任何差值。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述補償包括用所述廣播值代替所述計算值。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述補償包括用以下各項的加權平均代替所述計算值；i)所述第一時間點的時鐘偏差量；以及ii)所述廣播值。
12.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，還包括 訪問在曆元時從接收設備到衛星的偽射距； 確定在所述曆元時從所述接收設備到所述衛星的真射距； 使用所述真射距與所述偽射距之間的差值來確定在所述曆元時所述衛星上機載的時鐘的偏差量。
13.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述殘差包括多個包括所述差值的殘差的平均。
14.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述殘差包括與廣播星曆表時間(TOE)對應的殘差。
15.—種系統,包括 處理器；以及 耦合至所述處理器的存儲器，所述存儲器具有存儲於其中的計算機可執行指令，所述指令在被執行時使得所述系統使用多個衛星在選定時間的預測位置來推導針對所述衛星的預測星曆表數據；將所述預測星曆表數據的參數表示為時間的第一函數；將所述第一函數的係數轉換成各自相應的第一經縮放值；以及將表示所述預測星曆表數據與使用所述第一函數計算的值之間的差值的殘差轉換成第二經縮放值，其中，所述係數和殘差是使用駐留在所述存儲器中的已知縮放因子來轉換的。
16.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述指令還使得所述系統訪問針對所述衛星的時鐘校正數據，所述時鐘校正數據包括用作有用於計算每衛星時鐘偏差的多項式中的係數的多個衛星相關參數；將所述時鐘校正數據表示為時間的第二函數；以及將所述第二函數的係數轉換成各自相應的第三整數值。
17.如權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述指令還使得所述系統向所述接收設備傳送所述第一、第二和第三經縮放值，所述接收設備能作用於從中生成重構的係數以及殘差，其中，所述接收設備進一步能作用於使用所述重構的係數和殘差以生成所計算的星曆表和時鐘校正值、所計算的衛星位置、以及所述接收機設備的定位。
18.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述殘差包括從以下群中選出的值多個包括所述差值的殘差的平均；以及與廣播星曆表時間(TOE)對應的殘差。
19.一種系統,包括 處理器；以及 耦合至所述處理器的存儲器，所述存儲器具有存儲於其中的計算機可執行指令，所述指令在被執行時使得所述系統訪問包括第一經縮放值和第二經縮放值的二進位文件；訪問縮放因子；以及使用所述縮放因子將所述第一經縮放值轉換成係數並將第二經縮放值轉換成殘差，其中，所述係數和殘差能與時間相關函數聯用以重構針對多個衛星的預測星曆表數據。
20.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述二進位文件還包括第三經縮放值，所述第三經縮放值被轉換成有用於計算所述衛星中的每個衛星的時鐘偏差的多項式的第二係數。
21.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述指令還使得所述系統訪問從所述多個衛星中的衛星廣播的星曆表數據；以及使用所述廣播的星曆表數據更新所述預測星曆表數據的實例。
22.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述指令還使得所述系統訪問與所述多個衛星中的衛星相關聯的時鐘校正參數的廣播值，所述廣播值與第一時間點對應，其中，所述時鐘校正參數用作有用於確定與所述衛星上機載的時鐘相關聯的偏差量的多項式中的係數；訪問所述時鐘校正參數的計算值，所述計算值是通過使用所述第一時間點作為輸入來對時間相關函數求值來確定的；以及補償所述計算值與所述廣播值之間的任何差值。
23.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述縮放因子包括接口控制文件(ICD)縮放因子。
24.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述第二經縮放值包括從以下群中選出的值多個包括所述預測星曆表數據和使用所述時間相關函數計算的值之間的差值的殘差的平均；以及包括所述預測星曆表數據與在廣播星曆表時間(TOE)使用所述時間相關函數計算的值之間的差值的殘差。
全文摘要
設備可訪問經縮放值和縮放因子，其用於將經縮放值轉換成係數和殘差。這些係數和殘差可進而與時間相關函數聯用以重構針對衛星導航系統衛星的預測星曆表數據，包括時鐘校正數據。從這些衛星中的任何衛星廣播的星曆表數據均可用於更新所計算的星曆表數據。
文檔編號H04B7/185GK102939723SQ201080066188
公開日2013年2月20日 申請日期2010年8月23日 優先權日2010年3月8日
發明者S·范卡徹曼, J·雅彭瓦, 孫秦方 申請人:高通創銳訊有限公司