通過擴展sps軌道信息進行定位的方法和裝置製造方法

2023-05-20 19:51:51

通過擴展sps軌道信息進行定位的方法和裝置製造方法
【專利摘要】一種用於輔助移動站定位衛星的方法和系統使用高效消息接發格式。伺服器計算衛星的粗略軌道數據與衛星的精確軌道數據之間的校正。選擇使得校正的變化在時間上基本平滑的坐標系。伺服器還用數學函數近似校正以減少必需傳輸至移動站的比特數目。移動站一接收到係數就使用係數和適用性時間（例如，當前時間）評估數學函數，將評估結果轉換到標準坐標系，並將轉換結果應用於粗略軌道數據以獲得精確軌道數據。
【專利說明】通過擴展SPS軌道信息進行定位的方法和裝置
[0001]本申請是國際申請號為PCT/US2007/083501，國際申請日為2007年11月2日，進入中國國家階段的申請號為200780041568.6，名稱為「通過擴展SPS軌道信息進行定位的方法和裝置」的發明專利申請的分案申請。
[0002]相關申請
[0003]本申請特此要求提交於2006年11月10日的題為「Bit Efficient SupportOf Extended Orbit For GNSS (對GNSS的擴展軌道的比特高效支持)」的美國專利申請N0.60/857，972、提交於 2007 年 I 月 23 日的題為「Efficient Range Correction MessagesFor Accurate Position Determination With Assisted GPS (通過輔助 GPS 進行準確定位的高效距離校正消息)」的美國專利申請N0.60/886，230、提交於2007年2月7日的題為「Bit Efficient Support Of Extended Orbit For GNSS (對 GNSS 的擴展軌道的比特高效支持)」的美國專利申請N0.60/888,738、提交於2007年3月22日的題為「Method AndApparatus For Position Determination With Extended SPS Orbit Information (通過擴展SPS軌道信息進行定位的方法和裝置)」的美國專利申請N0.60/896，493、提交於2007年 5 月 11 日的題為「Method And Apparatus For Position Determination With ExtendedSPS Orbit Information (通過擴展SPS軌道信息進行定位的方法和裝置)」的美國專利申請 N0.60/917,622、以及提交於 2007 年 5 月 24 日的題為 「Method And Apparatus ForPosition Determination With Extended SPS Orbit Information (通過擴展 SPS 軌道信息進行定位的方法和裝置)」的美國專利申請N0.60/939，964的提交日期的權益，所有這些申請全部通過引用包括於此並被轉讓給本申請的受讓人。
[0004]背景
[0005]領域
[0006]本發明一般涉及衛星定位系統，尤其涉及使用包含擴展SPS軌道校正信息的高效消息接發格式輔助移動站定位衛星。
[0007]背景信息
[0008]衛星定位系統(SPS)接收機通常通過計算同時從多個衛星發射的諸信號的到達時間來確定其位置。這些衛星傳送衛星定位數據和衛星時鐘時基數據兩者作為其消息的一部分。衛星位置和時鐘時基通常由曆書或星曆數據來表示。星曆數據提供對衛星位置和時鐘偏離極其準確的估計(約I米誤差)。然而，搜索和捕獲衛星信號、讀取衛星所發射的星曆數據、以及從該數據計算接收機的位置的過程是耗時的，通常需要若干分鐘。在許多情況下，這麼長的處理時間是不可接受的，此外，這也極大限制了微型化可攜式應用的電池壽命。
[0009]例如，全球定位系統(GPS)基於對廣播自軌道衛星的GPS信號在GPS接收機天線處的到達時間的測量來確定位置。如所述的，如此的系統的一個缺點是在某些狀況下需要相對較長的時間執行信號捕獲。衛星信號只有到它們已經首先通過在兩維搜索「空間」中的搜索被定位時才能被跟蹤，其中該「空間」的維度是碼-相延遲和觀察到的都卜勒頻移。SPS接收機搜索、捕獲、以及解調衛星信號的過程有時被稱為「獨立」操作模式，這與「輔助」操作模式相對照。[0010]為了減小與獨立操作模式相關聯的延遲，可提供信息以幫助SPS或GPS接收機捕獲特定信號。如此的輔助信息通過對碼和頻率緯度提供邊界準許接收機將為查找信號所必需搜索的搜索空間變窄。採用以源於外部的GPS輔助數據進行擴增的GPS接收機的系統常被稱為「輔助全球定位系統」(AGPS)。
[0011]AGPS系統的一個示例包括具有GPS接收機或與之通信的無線移動站(MS)(諸如蜂窩電話)，該移動站與無線通信網絡的也被稱為基發射站(BTS)或B節點的一個或多個基站(BS)通信，這一個或多個基站又與取決於通信空中接口協議有時被稱為定位實體(PDE)Jg務移動位置中心(SMLC)等的一個或多個位置輔助伺服器通信。AGPS系統的另一示例包括具有GPS接收機或與之通信的MS或膝上型設備，該MS或膝上型設備能夠與諸如網際網路但並不局限於此的通信網絡通信，通過該通信網絡，該設備最終與位置輔助伺服器通信。
[0012]位置輔助伺服器從一個或多個GPS參考接收機導出GPS輔助信息。位置輔助伺服器還可訪問用於確定近似移動站定位的裝置。位置輔助伺服器維護GPS資料庫，後者包含參考時間、衛星軌道曆書和星曆信息、電離層信息、以及衛星工作狀況(「健康」)信息。位置輔助伺服器還計算針對近似移動站定位所定製的輔助信息。
[0013]AGPS系統中MS的定位可在MS處通過來自位置輔助伺服器的輔助來確定(有時被稱為基於MS的定位模式)。在基於MS的定位模式期間，當GPS引擎要求諸如關於衛星或基站的位置、基站和/或衛星的時基信息、或種子定位(諸如，但並不限於高級前向鏈路三邊測量(AFLT)所確定的)的星曆數據、曆書數據等經更新的幫助數據時，接著的定位將導致移動站聯繫通信網絡以索要數據，由此對網絡造成負擔且使用MS的功率資源。AGPS系統中MS的定位或者可在位置輔助伺服器處使用該MS所捕獲的信息來確定並被送回MS (有時被稱為MS輔助定位模式)。GPS中的衛星軌道可被建模為具有用以考慮各種微擾的校正項的修正橢圓軌道。相對短期星曆數據提供對衛星軌道的非常準確的表示。例如，GPS子幀2的字10中的比特17是指示GPS控制段用來確定星曆參數的曲線擬合區間的「擬合區間」標誌，其中「O」指示4小時擬合而「I」指示「大於4小時」擬合。此外，塊II/IIA GPS衛星的擴展導航模式確保正確星曆參數達14天的傳輸以支持短期擴展操作。在正常操作期間，控制段每日向每顆衛星提供對導航(軌道)數據的上載以支持16米球概率誤差(SEP)的定位準確度。
[0014]如上所述，位置輔助伺服器具有準確的軌道信息可用。位置輔助伺服器上載的每個星曆和時鐘校正模型通常覆蓋具有較大準確度的4小時時間跨度。為了覆蓋更長的時間段，諸如24小時時段，位置輔助伺服器可向設備發送對應星座中N顆衛星的每一顆的多個4小時星曆和時鐘校正模型。然而，這將要求大量的八位位組來描述全部衛星星座(例如，27顆衛星)的衛星位置和時鐘誤差。這些長消息將導致長處理時間，因此對於大多數設備應用而言是不可接受的。這也將對通信網絡造成負擔。
[0015]除星曆數據外，SPS中的衛星還傳送可用來確定衛星位置和時鐘偏離的曆書數據。曆書數據提供星曆參數的經刪截的精度縮減(粗略)集合以及粗略時鐘校正參數。因此，從曆書數據導出的粗衛星定位(約I千米)傾向於比從詳細星曆數據導出的衛星定位(約I米)準確度差得多。應注意，衛星軌道一般可由軌道和衛星時鐘參數的粗略集合(例如，曆書)或精確集合(例如，星曆)中的任意一者來表示。
[0016]需要一種向SPS接收機提供擴展軌道數據以降低所需的直接地從衛星或從位置輔助伺服器的曆書和/或星曆下載的頻率的系統和方法。
[0017]描述概要
[0018]描述了一種用於輔助移動站使用高效消息接發格式定位衛星的方法和系統。伺服器計算衛星的粗略軌道數據與衛星的精確軌道數據之間的校正。選擇使得校正的變化在時間上基本平滑的坐標系。伺服器還用數學函數近似校正以減少必需傳輸至移動站的比特數目。移動站一接收到係數就使用係數和適用性時間(例如，當前時間)評估數學函數，將評估結果轉換到標準坐標系，並將轉換結果應用於粗略軌道數據以獲得精確軌道數據。
[0019]本文所述的方法和系統提供了一種解決與長期衛星軌道數據有關的問題的獨特辦法。本方法和系統的優點包括發送至移動站的更小的文件大小和更小的消息，以及衛星定位和時基的更佳的準確度。還引入了混合操作模式以增強對衛星定位和時基的預測。
[0020]本發明的其他特徵將因以下附圖和具體描述而顯而易見。
[0021]附圖簡述
[0022]本發明藉助作為示例而非限制的附圖進行了圖解，其中相似的附圖標記在圖中指示相似元素。應注意，本公開中對「一」或「一個」實施例的引用不一定引用同一實施例，如此的引用表示至少一個。
[0023]圖1是示出包括用以輔助移動站定位衛星的伺服器的通信系統的示例的示圖。
[0024]圖2是示出根據本發明的一方面的坐標系統的示圖。
[0025]圖3是示出移動站所執行的方法的示例的流程圖。
[0026]圖4是示出伺服器所執行的方法的示例的流程圖。
[0027]圖5是示出圖4的方法的進一步細節的流程圖。
[0028]圖6A是示出位置輔助伺服器中組件的示例的框圖。
[0029]圖6B是示出移動站中組件的示例的框圖。
[0030]詳細描述
[0031]描述了一種用於輔助移動站確定衛星定位和衛星時鐘誤差的方法和系統。衛星定位和衛星時鐘誤差是使用包含擴展SPS軌道校正信息的高效消息接發格式確定的。本文所述的方法和系統提供了一種解決與長期衛星軌道數據有關的問題的獨特辦法。在本發明的一個方面，該方法縮減了發送給移動站的文件大小和消息。該方法還改善了移動站處對衛星定位和時基的確定的準確度。在本發明的另一方面，引入了混合操作模式以增強對衛星定位和時基的預測。
[0032]通過使用在位置輔助伺服器處計算出的校正數據和在移動站中接收到的粗略軌道數據，顯著地縮減了支持擴展軌道和時鐘校正所需的比特數目。校正數據是從衛星軌道的粗略表示(例如，但並不限於曆書)計算出的衛星定位與從預測精確軌道數據(例如，比可從人造衛星獲得的更長的擴展持續時長——諸如6小時或以上——的軌道數據)計算出的那些定位之間的差。校正數據還包括從粗略軌道數據計算出的時鐘校正與從預測衛星時鐘數據計算出的時間校正之間的差。這些校正一般在時間上變化且對於每顆衛星是唯一的。然而，通過對坐標系統的適當選取，該變化可以是相對平滑的。校正隨後通過時間上的數學函數(例如，但並不限於多項式)來表徵，並且位置輔助伺服器僅將係數提供給移動站。
[0033]如本文所用的，移動站(MS)指代諸如蜂窩或其他無線通信設備、個人通信系統(PCS)設備、個人導航設備、膝上型或其他能夠接收並處理SPS信號的合適行動裝置的設備。術語「移動站」還旨在包括諸如通過短程無線、紅外、無線連接、或其他連接與個人導航設備(PND)通信的設備——不管衛星信號接收、輔助數據接收、和/或定位相關處理是發生在該設備上還是PND上。而且，「移動站」旨在包括含無線通信設備、計算機、膝上型設備等在內的能夠諸如經由網際網路、WiF1、或其他網絡與伺服器通信的所有設備，而與衛星信號接收、輔助數據接收、和/或定位相關處理發生在設備上、伺服器上、還是與網絡相關聯的另一設備上無關。上述的任何可操作組合也被考慮為「移動站」。
[0034]本文的術語「粗略軌道數據」指代對傳送自衛星的衛星定位和時鐘數據的粗略估計，例如，曆書。術語「實時軌道數據」指代傳送自衛星的衛星定位和時基的精確表示，例如，星曆。術語「預測軌道數據」或「精確軌道數據」指代與實時精確軌道數據相比具有相對擴展的有效期的衛星定位和時基的精確估計。在位置輔助伺服器處有預測軌道數據可用。然而，將預測軌道數據傳送給移動站一般使用相當量的帶寬。因此，傳送校正數據、或其近似常常極大地提高傳輸效率。
[0035]圖1是根據本發明的一方面的通信系統100的框圖。系統100包括通信地耦合至一個或多個MS120的位置輔助伺服器130。位置輔助伺服器130接收粗略軌道數據、以及精確軌道數據和/或包含預測軌道數據的預測軌道參數文件。在一種情景中，位置輔助伺服器130經由網絡162從預測軌道數據供應商110接收預測軌道數據。網絡162可以是支持網際協議(IP)連接的網絡(例如，網際網路)。位置輔助伺服器130可包括用於安全地從預測軌道數據供應商110傳輸預測軌道數據的接口，例如，安全文件傳輸程序(SFTP)。
[0036]在一個方面，預測軌道數據供應商110每若干小時(例如，4小時)地生成預測軌道數據以產生在擴展持續時間中(例如，6小時或以上)有效的軌道數據。位置輔助伺服器130以較短的間隔(例如，每小時)檢查新數據。預測軌道數據還可包括預測衛星坐標的3D不定性值、預測衛星時鐘校正的不定性、以及對預測中斷的指示。基於不定性和中斷信息，位置輔助伺服器130可計算出用戶距離誤差(URE)並將其提供給MS120。
[0037]位置輔助伺服器130經由網絡164從實時軌道數據供應商150接收粗略軌道數據。實時軌道數據供應商150可以是接收包括但並不限於基於分組的SPS參考數據、導航消息、健康尋呼信息、曆書、以及星曆的實時衛星信息的全球參考網絡(GRN)網關或廣域參考網絡(WARN)網關。在一種情景中，網絡164是支持IP連接的網絡，而位置輔助伺服器130可在IP多播消息中接收來自實時軌道數據供應商150的實時衛星信息。
[0038]位置輔助伺服器130從預測軌道數據和粗略軌道數據生成校正數據140。校正數據140可以被直接傳送到MS120或者傳送到MS可訪問的存儲位置。例如，校正數據140可以本地存儲在存儲設備中或者可存儲在遠程耦合至位置輔助伺服器130的存儲設備中。MS120可使用諸如FTP、HTTP、或其他適當網絡協議的文件傳輸協議經由網絡166從數據主機160接收校正數據140。
[0039]出於簡化本文討論的目的，術語「校正數據」 140指代可藉助任何數據通信手段從一地點對點地傳送、以文件傳輸、廣播、或發送到另一地的衛星軌道校正。位置輔助伺服器130生成的消息具有允許MS120在擴展時段上以較少數目的比特確定衛星定位和時鐘時基的高效消息接發格式。消息為MS120提供了用於校正粗略軌道數據的信息以使得經校正的衛星定位的準確度落在數米之內。
[0040]在另一方面，位置輔助伺服器130還可向MS120提供估計準確度(用戶距離誤差(URE))、電離層校正模型、通用坐標時間(UTC)模型、以及衛星健康/可用性信息。這確保了衛星數據的完整性，並允許在無需接收和解碼由衛星通過空中傳送的數據的情況下進行移動操作。這還確保MS120使用與位置輔助伺服器130所使用的相同的粗略軌道數據。
[0041]應注意到，上述所描述的系統僅是出於說明目的而示出的，也可存在其他配置。例如，網絡162、164、和166可替換地為點對點連接、區域網、廣域網、廣播網、任何合適的有線或無線網絡、計算機網絡或者其支持數據通信或文件傳輸的組合。
[0042]本領域的技術人員將認識到，提供衛星定位的粗略估計的粗略軌道數據包括範圍廣泛的形式。在以下描述中，GPS廣播曆書的新近副本被建議用作衛星定位和時鐘時基的粗略估計以便於理解本發明概念。然而，所有以下內容都是替換性粗略軌道數據的例示:GPS廣播星曆的早期副本；廣播Galileo (伽利略)或GL0NASS曆書或星曆的新近副本；與GPS、Galileo、或GL0NASS曆書或星曆遵循相同形式的衛星定位的非廣播粗略模型；以GPS、Galileo、和GL0NASS曆書及星曆格式使用的Ifeplerian參數的任意子集或增強；衛星軌道的任何非Ifeplerian表示；以及其他已經隨時間而降級的預測軌道數據。還應理解，關於其他衛星導航系統的相應信息也可適用於所公開的方法的範圍內。本發明包括描述粗略軌道的任何和所有方法。本領域的技術人員將領會不論粗略估計採用什麼形式，本方法都適用。
[0043]在一些情景中，粗略軌道數據可由位置輔助伺服器130提供給MS120。除了將衛星定位的粗略估計傳送給MS120外，位置輔助伺服器130還具有在給移動站的輔助消息中包括參考時間的能力。在本發明的該方面，位置輔助伺服器130從網絡時間伺服器、或從接收自個體參考接收機(例如，廣域參考網絡或全球參考網絡)的GPS數據獲得參考時間。該參考時間信息可被附加至傳送給MS120的包含衛星定位的粗略估計的消息。位置輔助伺服器130還可實現能夠改善網絡時間伺服器所提供的參考時間的時基準確度的算法並將該更準確的時間傳送給MS120。
[0044]應注意到，MS120可獨立於位置輔助伺服器130直接從可與GPS時間同步或不同步的分組交換數據網絡(例如，網絡時間伺服器或CDMA通信網絡)獲得參考時間。以這種方式，MS120獲得全球時間參考的估計，例如，GPS時間、通用坐標時間(UTC)時間、(WffO)時間
坐寸ο
[0045]圖2示出基於其計算校正數據140的坐標系統的示例。軌跡21代表基本可通過精確軌道預測估計的實際衛星軌道軌跡。軌跡22代表通過諸如但並不限於廣播曆書的粗略軌道數據估計的軌道軌跡。在任意時刻，在廣播曆書所言的衛星將所處的位置與精確軌道預測所言的衛星將所處的位置之間存在空間差。該差異可被編碼在坐標系統23中，該坐標系統23是具有隨衛星的主體框架移動的原點和軸的坐標系統。在直角坐標系統23的表示下，作為精確預測衛星定位與基於曆書的衛星定位之間的差異的「誤差信號」變為基本平滑的曲線。誤差信號的變化在時間上基本上是平滑的，以使得當誤差信號被表示為時間函數時其中沒有不連續或急劇轉向。在圖1的實施例中，誤差信號構成校正數據140。潛在的在所選坐標系統中表達誤差信號的技術實際上使表達這些「誤差信號」以達到任意給定準確度所需的多項式的階數最小化。
[0046]在一方面，校正數據140包括四個維度的信息:用於描述衛星定位誤差的三個空間維度(由坐標系統的三個軸表示)、以及描述衛星時鐘的時鐘校正的時間維度(第4維度)。
[0047]坐標系統23的三個軸為:作為從粗略衛星定位(例如，從廣播曆書所確定的衛星定位)指向參考位置的單位矢量的Ra。由於通常情形中的參考位置是地球的中心，所以該軸被解讀為「徑向」。本領域的技術人員將領會，參考位置可以是能以合理準確度確定的任何位置(例如，在地球內部、地球上方、地球表面上或接近表面)。
[0048]另一軸是Xt:「交叉軌跡」，其被定義為Xt=RaXVel/|RaXVel|。Vel是基於曆書的衛星速度矢量，以及「 X 」指示矢量叉乘。因此Xt垂直於徑向矢量Ra和衛星的運動方向兩者。
[0049]第三軸是At: 「順沿軌跡」，其被定義為At=XtXRa。At矢量與衛星的速度矢量(Vel)幾乎平行，但不是完全平行。這是因為衛星的速度矢量由於軌道離心率的緣故(例如，衛星軌道實質上是橢圓而不是圓)而並不與Ra嚴格正交。當衛星軌道的半徑隨時間增大和減小時，衛星速度矢量Vel —般具有沿徑向Ra的分量。
[0050]以上定義的坐標系統23的三個軸是時間的函數，因為它們取決於衛星沿其軌道的瞬時定位。尤其當衛星沿軌道繞地球運動時，徑向矢量Ra和順沿軌道矢量At在以地心地固(ECEF)XYZ坐標系24表達時旋轉整360°。注意，這些軸是使用基於曆書的衛星定位估計計算出的。這允許由位置輔助伺服器130在計算出曆書校正之前計算出坐標系23的軸。在坐標系23的示例中，計算各軸的順序對於坐標系的正確定向是至關重要的。因此，首先計算出徑向矢量Ra，其次計算出交叉軌跡矢量Xt，以及最後計算出順沿軌道矢量At。
[0051]以上定義的軸定向對於每顆衛星是不同的。可以將單位矢量寫成Ra(PRN，t)、At(PRN, t),Xt(PRN, t)並使它們依存於分別顯式地索引衛星和當前時間的衛星偽隨機號(PRN)和t。然而，為了標記的簡單起見，這些依存性在以下討論中寫成隱式。
[0052]也可對粗略軌道數據校正採用其他坐標系，諸如但並不限於，徑向/交叉軌道/速度坐標系(不同於上述的(Ra，At，Xt));有差異的3D ECEF XYZ坐標系、或排列(arrange)/仰角/方位角(極)坐標系。
[0053]本領域的技術人員將認識到，(Ra, At, Xt)坐標系(遵循慣例左旋規則)是說明性的以及是一種較優的辦法，但是本發明也涵蓋了範圍廣泛的其他軸系統。這些軸系統的突出特徵是它們傾向於具有這樣的兩個空間維度，這兩個空間維度相比於第三空間維度具有相當寬鬆的準確度要求。在(Ra, At, Xt,)坐標系23的示例中，At和Xt相比於Ra通常具有更為寬鬆的準確度要求(例如，1/7)。坐標系可以是直角或非直角的。出於粗略軌道數據校正的目的，非直角坐標系可以是其中一個軸總是關於Ra軸呈相對較淺的角度的任意軸系統，即使其具有與(Ra，At，Xt)坐標系23不同的原點也行。這將包括例如其中一個軸是Ra但其他兩個軸是衛星的方位角和仰角的坐標系、以及對另外兩個軸作任何其他選擇的坐標系。
[0054]另外，其中某一個軸與從衛星位置估計附近的某一點拉伸至地球上接收機位置附近的某一點的直線平行的任何軸系統也落在本發明的範圍內。儘管圖2已例示Ra軸指向地球的中心，但指向地面上接收機附近的任意點、或任何其他可確定的參考位置的軸也落在本發明的範圍內。
[0055]此外，(Ra，At，Xt)坐標系23的原點的位置可以在本發明的範圍內修改。位於衛星位置處的原點僅關乎數學上的方便。特別地，定義為處於實際或精確預測衛星位置(相對於在(Ra，At，Xt)坐標系23中位於衛星位置估計處)處的原點也落在本發明的範圍內。
[0056]在預定時間段上(例如，6小時時段)，校正數據的三個空間維度的每一個可在諸如(Ra, At1Xt)坐標系23等所選坐標系中被表示為時間的函數。理論上，校正數據可用有限階數的多項式來精確表示。然而，實際上，校正數據可用相對較低的階數一例如，6階、7階或其他較低階數來近似。因此，大量的多項式項和相關聯的係數被刪截掉，僅多項式項中的少量部分及相關聯的係數被用作校正數據的近似。除了空間校正之外，低階(例如，一階或任意合適的低階)多項式可被用來描述表示粗略軌道數據中時鐘時基與預測時鐘偏離之間的差異的近似的時鐘校正參數。其他在位置輔助伺服器130處可供使用的準確時鐘預測也可被用作預測時鐘偏離，諸如實時軌道數據中的時鐘信息——若可用的話。
[0057]本領域的技術人員將認識到，本發明包括將校正數據展開成函數級數，其中使用越多的函數就越可能增加展開的準確度。無需使函數級數呈X的冪增加從而使得校正數據被表示為多項式。本領域的技術人員將認識到，數據校正也可在其他函數級數上展開，包括諧函數、Hermite多項式、Legendre多項式、餘弦和正弦函數(傅立葉展開)、以及Keplerian軌道函數的係數。該列表是說明性而非窮盡的。以任意的函數集將校正數據展開落在本發明的範圍內。
[0058]四個空間和時間的多項式係數集連同用以將這些係數與特定衛星、特定時間區間、以及特定的粗略軌道數據副本相關聯的信息一起被發送到MS120。MS120以預定間隔(例如，約每周一次或其他合適的時間間隔)接收新的粗略軌道數據副本。位置輔助伺服器130使用與MS120將使用的相同版本的粗略軌道數據計算校正數據。因此，MS120可或者使用其已捕獲的粗略軌道數據或者使用位置輔助伺服器130所傳送的粗略軌道數據，只要校正數據被應用於位置輔助伺服器130在確定校正時所使用的對應粗略軌道數據。
[0059]圖3示出MS120所執行的操作的示例。注意，圖3所示的過程可由處理邏輯來執行，該處理邏輯可包括軟體、硬體、或兩者的組合。一旦MS120具有多項式係數和適用性時間，該移動臺就可重構出衛星定位和時鐘偏離的準確預測。對於在係數的適用性時段期間的任意特定時間，MS120可找到落在預定準確度範圍內的衛星定位和時鐘偏離。
[0060]在框31，MS120從可見的衛星或從位置輔助伺服器130接收粗略軌道數據(例如，曆書數據)。MS120從位置輔助伺服器130接收粗略軌道數據是較優和更為高效的，因為從衛星下載這些數據可能要花費數分鐘。位置輔助伺服器130可在消息/文件中將粗略軌道數據連同校正數據一起提供給MS120。應理解，在MS120處所稱的「校正數據」可以是在位置輔助伺服器130處計算出的校正的近似。在框32，MS120使用其粗略軌道數據副本生成ECEF坐標系中的衛星定位。從粗略軌道數據計算出並以諸如ECEF坐標系等標準坐標系表示的衛星定位被稱為Posa1di (這裡，下標「aim」代表「曆書」且被用作粗略軌道數據的示例)。在框33，MS120從位置輔助伺服器130接收一個或多個數學函數級數的係數。在框34，MS120通過使用其接收到的係數評估對應一適用性時間(例如，當前時間)的數學函數來重構出對應當前時間的粗略軌道數據的空間校正數據。在框35，MS120將在框34中找到的空間校正從一坐標系(例如，圖2的(Ra，At, Xt)坐標系23)轉換到ECEF坐標。經轉換的校正被稱為PosCOT。隨後，在框36，MS120通過計算PoSsat=PosAlm+PoSto計算出ECEF坐標中的衛星位置(PosSat)。在框37，MS120執行與框34和36中相同的操作以確定準確時鐘偏離。應理解，移動臺的操作可以按上述不同的次序發生，還可以執行其他操作。例如，在框36，作為計算P0Ssat=P0SAlm+P0Sto的替代，MS120可選擇在距離空間RSat=RAlm+RCOT中應用Posto，其中R表示計算出的從MS120到衛星的距離。
[0061]圖4示出位置輔助伺服器130所執行的操作的示例。注意，圖4所示的過程可由處理邏輯來執行，該處理邏輯可包括軟體、硬體、或兩者的組合。位置輔助伺服器130在以下描述中計算描述校正數據的多項式係數。
[0062]在框410，位置輔助伺服器130例如從衛星廣播信號或從外部數據供應商獲得衛星軌道和時鐘偏離的精確軌道數據。精確軌道數據在預定的有效期內有效。在框420，位置輔助伺服器130獲得特定衛星導航系統所支持的格式下的粗略軌道數據。在框430，位置輔助伺服器130確定是將該有效期分為多個N小時擬合區間，還是將整個有效期用作一個擬合區間。本文的擬合區間指代一時段，針對該時段計算出用於描述該時段的校正數據的多項式係數。擬合區間的一示例是4-6小時，儘管也可使用其他時段。若位置輔助伺服器130有具有擴展有效期的精確軌道數據，則該位置輔助伺服器可將精確軌道數據分為多個擬合區間以改善擬合的準確度。在框440，對於每個N小時擬合區間，位置輔助伺服器130執行在下圖5中描述的操作以計算校正數據及其近似。在框450，位置輔助伺服器130將校正數據的近似傳送給MS120。[0063]參照圖5，在框510，位置輔助伺服器130使用精確軌道數據形成ECEF坐標系中衛星定位的時間序列。這些衛星定位被定義為Possat。在框512，位置輔助伺服器130使用粗略軌道數據計算ECEF坐標中的衛星定位。這些衛星定位被定義為PosAlm。在框514，位置輔助伺服器130通過計算P0ScOT=P0Ssat - Posa1di來計算出ECEF坐標中的校正數據矢量(PosCOT)。在框516，位置輔助伺服器130使用衛星定位Possat計算直角坐標系23、或上述其他坐標系中的Ra、XtJP At單位矢量。在框518，通過計算點積Rato=Post0.Ra獲得校正當中沿徑向軸Ra的分量的時間序列。在框520。類似地計算出交叉軌跡和順沿軌跡校正的時間序列Xtcor和At。。,。在框522，將時鐘偏離的校正數據計算為CBto=CBsat - CBa1di，其中CBsat和CBa1di分別是使用精確時鐘模型和粗略估計時鐘模型的時鐘校正。
[0064]在框524，位置輔助伺服器130可將多項式內插的時間軸定標和/或標準化以提升內插的性能。位置輔助伺服器130和MS120預期使用相同的定標和/或標準化因子以便在移動軟體中正確地重構校正數據。
[0065]在框526，位置輔助伺服器130尋找用於內插徑向、順沿軌跡、和交叉軌跡校正RaCor> At。。,、和Xtto的多項式係數。Ra。。，的多項式係數(Ratl, Ra1, -Raj)被選擇成使得Ra0f0 (d) +RaJ1 (d) +..+Rajfj (d)是Rato的良好近似，其中d是校正數據點，以及fQ，f1；…是內插函數。係數可被選擇成使得多項式以最小平方誤差逼近RaCOT。位置輔助伺服器130類似地尋找Xtto、和Atto的多項式係數以使得這些係數Xtci, Xt1, Xt2..Xtk, At0, At1,..，Atm提供對Xtto、和Atto的良好近似。最後，在框530，位置輔助伺服器130尋找時鐘偏離校正CBcor的內插函數的係數。應理解，用於表示空間和時間維度的每一維度中的校正的係數項的數目可以是不相同的。一維度的更多係數一般對應於該維度的校正數據的更高準確度的表不。
[0066]如果存在對應有效期的多個N小時擬合區間，則重複框510-530的操作。操作的順序可以與上述不同，且可包括其他操作。
[0067]圖1的位置輔助伺服器130生成的校正數據可以是全球性的或局部的。當MS120的位置完全未知或者位置不能在數百千米的準確度內被估計出，則位置輔助伺服器130生成給該MS的全球性消息。全球性消息可被發送到地球上任何地方的移動站以產生準確的衛星定位。局部消息更加簡短，但它們僅在地球表面的某一目標參考點的數百公理半徑內是準確的。因此，當提前已知移動臺定位在數百千米內時，可發送更短的局部消息。當移動站的位置未知時，可向移動站發送全球性消息。全球性消息與局部消息之間的差異在以下描述。
[0068]全球性消息使用地球的中心作為(Ra，At，Xt)坐標系的參考位置。由於曆書誤差具有四個獨立維度(三個空間維度和時鐘偏離)，所以全球性消息包括四個多項式，其中三個用以擬合衛星定位誤差的正交空間分量，以及第四多項式用以描述更準確的時鐘偏離。
[0069]局部消息使用地球表面上的點的作為(Ra，At，Xt)坐標系的參考位置。通常，位置輔助伺服器130使用移動站當前位置的估計作為參考位置(例如，移動臺正與其通信的蜂窩塔的位置)。局部消息包含對校正的單個多項式擬合。一維校正包括對到衛星的空間距離(也被稱為偽距)的校正以及時鐘偏離的校正兩者。由於僅發送了一個多項式，所以局部消息明顯短於全球性消息。
[0070]偽距校正是針對理想地儘可能靠近移動站實際所處位置的參考位置計算出的。只要移動站在估計參考位置的約IOOkm內，則定位結果是相當準確的。隨著移動臺的真實定位偏離估計參考位置遠於100km，準確度慢慢降級。移動站可通過首先計算其位置並隨後將其與校正數據的參考位置作比較來確定其定位準確度降級。
[0071]在另一方面，圖1的MS120可使用軌道數據的組合來確定衛星定位和時鐘。在一些情景中，MS120在接收校正數據之外還接收實時軌道數據(例如，星曆)。對於單顆衛星，MS120可在一個時段內使用實時軌道數據、在另一時段內使用經校正軌道數據(包括應用於粗略軌道數據的校正數據)、以及在又一時段內使用兩者組合(例如，加權平均)。為了從多個衛星確定其位置，MS120可使用一個衛星的實時軌道數據、另一衛星的經校正軌道數據、以及又一衛星的這兩者的組合。技術人員將領會上述各種組合僅使說明性的。MS120可使用時間上或不同衛星的實時軌道數據和經校正軌道數據的任意組合。
[0072]在一方面，無論何時只要實時軌道數據可用，MS120就可使用解碼自衛星的實時軌道數據。實時軌道數據一般比可在一時間段上逐漸降級的早期預測軌道數據更為準確。因此，近似預測軌道數據的經校正軌道數據也隨時間逐漸降級。而且，實時軌道數據可包含在預測時未知的關於衛星的新信息(例如，衛星健康和完整性信息)。然而，實時軌道數據有時由於不在視線內、遮蔽、或其他阻礙MS120接收衛星廣播的接收問題而不為MS120可用。當實時軌道數據不可用時，MS120可如以上圖2-5所述的切換至校正數據以定位衛星。因此，MS120可在一時段內利用經校正軌道數據而在另一時段內利用實時軌道數據，這取決於實時軌道數據的可用性。為了確定其自身在任意時刻的定位，MS120可利用一個或多個衛星的經校正的軌道數據和一個或多個其他衛星的實時軌道數據。
[0073]前一段落描述了在實時軌道數據的有效期內用可得實時軌道數據替換經校正軌道數據的情形。例如，在星曆不再有效(距星曆時間+/-2小時，即Τ0Ε)之後，MS120可切換回經校正軌道數據。或者，早期的實時軌道數據可被用來改善經校正軌道數據的準確度。例如，MS120可使用實時軌道數據確定應用到一將來時段的經校正軌道數據的調整的量，這可以在實時軌道數據不可用(或無效)時使用。這對於衛星時鐘尤為有益，因為時鐘時基一般不如衛星軌道那麼可預測。在一簡單情形中，經校正人造衛星時鐘可對照實時廣播衛星時鐘參數(例如，來自GPS導航的子幀I)進行評估以確定對經校正時鐘的調整量。該調整(例如，包括差分偏移量和斜率)可在實時時鐘不可用時被應用到經校正時鐘信息以供使用。在增強的情形中，可對整個經校正軌道數據一包括三個空間維度上的衛星定位和衛星時鐘一作出調整。
[0074]此外，實時軌道數據和預測軌道數據可根據它們的準確度估計進行加權。MS120可恰當地加權該方案中對其定位的參與衛星測量並考慮預測數據的降級的準確度。實時軌道數據和預測軌道數據的準確度估計分別被稱為「精確或短期預測數據的誤差估計」和「長期預測數據的誤差估計」。例如，曆書包含URE (由位置輔助伺服器13計算出或提供)形式的不定性估計，以及實時星曆數據包含URA(用戶準確度距離(User Accuracy Range),例如由GPS控制段提供)形式的不定性估計。URA通常是幾米，而URE在幾天之後可能是數十米。例如，兩者誤差估計都可被用作加權最小二乘(WLS)模型中的權重。權重可被計算為:W(S
期Bi測軌道)=I /URA2,以及W (長斯頁測軌道)=I /URE2。
[0075]具體地，具有更小衛星定位誤差(在以上示例中由URA表示)的衛星測量相比於具有更大預測衛星定位誤差(在上例中由URE表示)的衛星測量被更重地加權。可加權關於定位、速度、時間解、或定位/速度/時間解的任意組合的衛星測量。加權的定位/速度/時間解可通過加權最小二乘模型(WLS)或Kalman濾波器、或某種其他線性、線性化或非線性估計方法從衛星測量計算出。
[0076]在MS120處，在定位/速度/時間計算期間，為了計算總體測量誤差，衛星定位誤差(或者實時星曆(URA)或者預測軌道誤差(URE))的誤差估計被與測得的偽距誤差(由於信號強度、大氣層、量化、RF到數字的轉換等)相組合。換言之，在MS120處，總體偽距誤差:方差_總_平均_誤差=方差_衛星_定位_誤差+方差_平均_誤差。
[0077]此外，當MS120使用來自多個衛星的實時和預測軌道信息的混合以確定其自身位置時，可使用額外的衛星測量來求解預測衛星時鐘誤差。該額外衛星測量可以是一衛星的實時軌道數據且可被用來估計同一衛星的預測時鐘誤差。或者，該額外衛星測量可以是第一衛星的實時軌道數據且可被用來估計第二衛星的預測時鐘誤差。預測時鐘誤差可被從經校正時鐘中除去以改善移動站處所計算出的經校正時鐘的準確度。這樣，實時軌道數據和衛星時鐘校正數據可被用來影響預測衛星時鐘信息的實時調整。
[0078]由於預測衛星時鐘比預測衛星定位降級得更快，所以額外衛星測量可與預測衛星定位一起用來計算預測衛星時鐘誤差並對預測時鐘作出調整以供將來使用。類似地，若對應至少一個額外的視線內衛星的當前實時軌道數據可用，則此實時數據可被與該衛星的偽距和距離變化率(range rate)測量一起使用以計算另一視線內衛星的預測衛星時鐘誤差。對於2維定位估計(一些高度知識是可得的)，將需要至少4個視線內衛星來估計一個衛星的預測衛星時鐘誤差。對於3維定位估計，將需要至少5個視線內衛星來估計一個衛星的預測衛星時鐘誤差。每個額外衛星可被用來估計另一預測衛星時鐘誤差。在3維情形中(具有4個未知)，例如若來自7個衛星的測量是可用的，則可估計出三個衛星的預測衛星時鐘誤差。
[0079]圖6A示出圖1的位置輔助伺服器130的框圖的示例。位置輔助伺服器130包括存儲器604和處理器605。位置輔助伺服器130還包括用於安全地從外部數據供應商接收預測軌道數據的安全接口 61、用於接收廣播數據(例如，曆書)以及通過網絡傳送的信息(例如，預測軌道數據)的接收機接口 62、以及用於將係數傳送給MS120以用於確定預測衛星軌道數據的發射機接口 65。發射機接口 65可經由有線或無線網絡、廣播介質、或任何合適的數據傳輸手段傳送係數。
[0080]在一種情景中，位置輔助伺服器130還可包括用於計算粗略軌道數據與預測軌道數據之間的差異(「校正」)的校正單元63。位置輔助伺服器130還可包括用於使用被選成使得校正的變化在時間上基本平滑的坐標系(例如，圖2的(Ra，At, Xt)坐標系23)來計算校正的近似的近似單元64。在一種情景中，該近似是通過使用一個或多個低階數學函數內插校正數據點計算出的。編碼單元610將近似編碼以傳送給MS120。
[0081]圖6B提供MS120的組件的框圖的示例。MS120包括存儲器608和處理器609。MS120還包括用於從位置輔助伺服器130接收係數序列的接收機接口 66。接收機接口 66還從衛星廣播、位置輔助伺服器130、或其他數據源接收粗略軌道數據和/或實時軌道數據，例如，曆書、星曆、和/或其他衛星定位和時基信息。接收機接口 66可經由有線或無線網絡、廣播介質、或任何合適的數據傳輸手段接收係數。MS120包括用以將發送自位置輔助伺服器130的係數序列解碼的解碼單元620。在一種情景中，MS120還可包括評估單元602、轉換單元68以及重構單元67。評估單元602使用係數和適用性時間(例如，當前時間)評估數學函數。轉換單元68將所評估的結果從位置輔助伺服器130所使用的坐標系(例如，圖2的(Ra，At, Xt)坐標系23)轉換到ECEF坐標系。重構單元67隨後通過將轉換結果應用於粗略軌道數據重構出預測軌道數據。
[0082]本文所述的方法可取決於應用由各種手段來實現。例如，以上位置輔助伺服器130和MS120的組件可以硬體、固件、軟體、或其組合來實現。對於硬體實現，各個處理單元可在一個或多個專用集成電路(ASIC)、數位訊號處理器(DSP)、數位訊號處理器件(DSPD)、可編程邏輯器件(PLD)、現場可編程門陣列(FPGA)、處理器、控制器、微控制器、微處理器、電子器件、設計成執行本文中描述的功能的其他電子單元、或其組合內實現。
[0083]對於固件和/或軟體實現，這些方法可用執行本文中描述的功能的模塊(例如，程序、函數等等)來實現。任何有形地體現指令的機器可讀介質可被用來實現本文所述的方法。例如，回顧圖6A和6B，軟體代碼可被存儲在存儲器(例如，位置輔助伺服器130的存儲器604和MS120的存儲器608)中並可由處理器(例如，位置輔助伺服器的處理器605和MS120的處理器609)執行。存儲器可被實現在處理器內，或可外置於處理器。如本文所用的，術語「存儲器」指代任何類型的長期、短期、易失性、非易失性、或其他存儲器，而並不限於任何特定類型的存儲器或存儲器數目、或存儲器存儲在其上的介質的類型。
[0084]本文所述的方法和裝置可與各種衛星定位系統(SPS)或全球導航衛星系統(GNSS)聯用，諸如但並不限於，美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯Glonass系統、歐洲Galileo系統、使用來自衛星系統的組合的衛星的任何系統、或將來開發的任何衛星系統。此外，所公開的方法和裝置可與利用偽衛星或衛星與偽衛星的組合的定位系統聯用。偽衛星是廣播調製在L波段(或其他頻率)載波信號上的PN碼或其他測距碼(類似於GPS或CDMA蜂窩信號)的基於地面的發射機，其可與GPS時間同步。每個如此的發射機可被指派唯一的PN碼以便準許遠程接收機進行標識。偽衛星在其中來自軌道衛星的GPS信號可能不可用的情形下——諸如在隧道、礦井、建築物、都市峽谷或其他封閉區域中是有用的。偽衛星的另一種實現作為無線電信標而為人所知。如本文所使用的術語「衛星」旨在包括偽衛星、偽衛星的等價物、及可能的其他。如本文所使用的術語「SPS信號」旨在包括來自偽衛星或偽衛星的等價物的類SPS信號。[0085]本文描述的定位技術可用於各種無線通信網絡，諸如無線廣域網(WWAN)、無線區域網(WLAN)、無線私域網(WPAN)等。術語「網絡」和「系統」常常互換地使用。WffAN可以是碼分多址(CDMA)網絡、時分多址(TDMA)網絡、頻分多址(FDMA)網絡、正交頻分多址(OFDMA)網絡、單載波頻分多址(SC-FDMA)網絡等。CDMA網絡可實現諸如cdma2000、寬帶-CDMA(W-CDMA)等一種或多種無線電接入技術(RAT)。cdma2000涵蓋IS-95、IS-2000和IS-856標準。TDMA網絡可實現全球移動通信系統(GSM)、數字高級移動話機系統(D-AMPS)、或其他RAT0 GSM和W-CDMA在來自名為「第三代夥伴項目」(3GPP)的聯盟的文檔中描述。CDMA2000在來自名為「第三代夥伴項目2」(3GPP2)的聯盟的文獻中描述。3GPP和3GPP2文獻是公眾可獲取的。WLAN可以是IEEE802.1lx網絡，而WPAN可以是藍牙網絡、IEEE802.15x、或其它類型的網絡。本技術可用於WWAN、WLANjP /或WPAN的任意組合。
[0086]儘管本發明已經參照具體的示例性特徵進行了描述，但可對這些特徵作出各種修改和改動而不會背離如在權利要求中所闡述的本發明的寬泛的精神實質和範圍是所顯然的。因此，說明書和附圖被認為是說明性而非限制性意義。
【權利要求】
1.一種移動站的方法，包括: 接收來自多個衛星的實時軌道數據以確定所述移動站的空間和時間信息；以及 使用所述多個衛星的所述實時軌道數據來校正一個或多個附加衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差，其中所述 多個衛星中衛星的數目等於或大於所述移動站的所述空間和時間信息中未知量的數目。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括: 使用所述多個衛星中的第一衛星的實時軌道數據來校正所述第一衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括: 使用估計方法來校正所述預測軌道數據中的所述時鐘偏離誤差。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述估計方法包括線性、線性化、或非線性估計方法。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述估計方法包括卡爾曼濾波器或者加權最小二乘。
6.一種移動站，包括: 接收機，其配置成接收來自多個衛星的實時軌道數據以確定所述移動站的空間和時間/[目息;以及 處理器，其配置成使用所述多個衛星的所述實時軌道數據來校正一個或多個附加衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差，其中所述多個衛星中衛星的數目等於或大於所述移動站的所述空間和時間信息中未知量的數目。
7.如權利要求6所述的移動站，其特徵在於，所述處理器還被配置成使用所述多個衛星中的第一衛星的實時軌道數據來校正所述第一衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差。
8.如權利要求6所述的移動站，其特徵在於，所述處理器還被配置成使用估計方法來校正所述預測軌道數據中的所述時鐘偏離誤差。
9.如權利要求8所述的移動站，其特徵在於，所述估計方法包括線性、線性化、或非線性估計方法。
10.如權利要求8所述的移動站，其特徵在於，所述估計方法包括卡爾曼濾波器或者加權最小二乘。
11.一種移動站，包括: 用於接收來自多個衛星的實時軌道數據以確定所述移動站的空間和時間信息的裝置；以及 用於使用所述多個衛星的所述實時軌道數據來校正一個或多個附加衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差的裝置，其中所述多個衛星中衛星的數目等於或大於所述移動站的所述空間和時間信息中未知量的數目。
12.如權利要求11所述的移動站，其特徵在於，還包括: 用於使用所述多個衛星中的第一衛星的實時軌道數據來校正所述第一衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差的裝置。
13.如權利要求11所述的移動站，其特徵在於，還包括: 用於使用估計方法來校正所述預測軌道數據中的所述時鐘偏離誤差的裝置。
14.如權利要求13所述的移動站，其特徵在於，所述估計方法包括線性、線性化、或非線性估計方法。
15.如權利要求13所述的移動站，其特徵在於，所述估計方法包括卡爾曼濾波器或者加權最小二乘。
16.一種配置成使處理器能夠輔助移動站的計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質包括用於使所述處理器執行以下操作的指令: 接收來自多個衛星的實時軌道數據以確定所述移動站的空間和時間信息；以及 使用所述多個衛星的所述實時軌道數據來校正一個或多個附加衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差，其中所述多個衛星中衛星的數目等於或大於所述移動站的所述空間和時間信息中未知量的數目。
17.如權利要求16所述的計算機可讀存儲介質，其特徵在於，所述指令還使所述處理器使用所述多個衛星中的第一衛星的實時軌道數據來校正所述第一衛星的預測軌道數據中的時鐘偏離誤差。
18.如權利要求16所述的計算機可讀存儲介質，其特徵在於，所述指令還使所述處理器使用估計方法來校正所述預測軌道數據中的所述時鐘偏離誤差。
19.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質，其特徵在於，所述估計方法包括線性、線性化、或非線性估計方法。
20.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質，其特徵在於，所述估計方法包括卡爾曼濾波器或者加權最小二乘。
【文檔編號】G01S19/05GK103901445SQ201410035557
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2007年11月2日 優先權日:2006年11月10日
【發明者】M·J·溫格勒, L·希恩布拉特, M·L·莫格裡恩, Z·比亞克斯, A·J·古姆 申請人:高通股份有限公司