無需廣播星曆表的定位方法和裝置製造方法
2023-12-06 12:01:11
無需廣播星曆表的定位方法和裝置製造方法
【專利摘要】在此提供使得導航接收器能夠基於從伺服器獲得的相對較小的參數集生成接收器特定衛星軌道模型的方法和系統。在實施例中，衛星參數集包括力參數(例如太陽輻射壓力)、初始條件參數(例如在某一時刻的衛星位置和速度)以及時間校正係數，接收器在數值積分中使用這些參數來預測衛星位置。與對於每個衛星需要傳送完整的星曆表集合和其它參數的現有方法相比較，積分所需要的該參數集較小。由於該參數集相對較小，因此與現有方法相比，需要傳送的通信資源較少。而且，基於該小參數集的積分使得接收器能夠以低計算負荷來預測衛星軌道。
【專利說明】無需廣播星曆表的定位方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明一般涉及導航接收器，更具體地，涉及不直接需要廣播星曆表(broadcastephemeri s)而協助導航接收器確定它們的位置的系統和方法。
【背景技術】
[0002]隨著無線電和空間技術的發展，已經構建了基於幾個衛星的導航系統，並且在不久的將來使用的也會更多。這種基於衛星的導航系統的一個例子是由美國國防部構建和操控的全球定位系統(GPS)。該系統使用以大約12小時的周期在大約11，000英裡的高度繞地球運行的24個或者更多個衛星。這些衛星放置在六個不同的軌道，使得在任何時候，在地球表面除了極地以外的任何位置都能看見最少六個衛星。每個衛星發射參考原子鐘的時間和位置信號。典型GPS接收器自動跟蹤(lock onto)該信號並提取其中包含的數據。GPS接收器可以使用來自足夠數量的衛星的信號計算其位置、速度、高度以及時間。
[0003]GPS接收器必須獲取並自動跟蹤至少四個衛星信號，以便得出位置和時間。通常，GPS接收器有許多並行信道，每個信道接收來自一個可見GPS衛星的信號。衛星信號的獲取涉及載波頻率和偽隨機數(PRN)碼相位的二維搜索。每個衛星使用唯一的1023晶片長的PRN碼發送信號，其每毫秒重複一次。接收器在本地生成複製載波以清除殘餘載波頻率，並生成複製PRN碼序列以與數位化的接收到的衛星信號序列相關聯。在該獲取階段期間，對於大多數導航衛星信號接收器，碼相位搜索步長是半晶片。因此碼相位的整個搜索範圍包括由半晶片間隔隔開的2046個候選碼相位。由於衛星和接收器之間的相對運動，載波頻率搜索範圍取決於都卜勒頻率。額外的頻率變化可能是由本地振蕩器不穩定性導致的。
[0004]相干積分和非相干積分是用於獲取GPS信號的兩種普遍使用的積分方法。對於相同的積分時間，相干積分以較大的計算負荷為代價提供較好的信號增益。
[0005]以每秒50比特用導航數據調製來自導航衛星的信號。該數據由星曆表、曆書(almanacs)、時間信息、時鐘以及其他校正係數組成。該數據流被格式化為子幀、幀和超幀。子幀由300位數據組成並且傳輸6秒。在該子幀中，30位的組形成一個字，並且最後六位是奇偶校驗位。結果，子幀由10個字組成。數據幀由5個子幀組成，傳輸30秒。超幀由25個幀順序組成，傳輸12.5分鐘。
[0006]子幀的第一個字總是一樣的，並且被稱為TLM字，該TLM字的前八位是用於幀同步的前置碼(preamble)位。Barker列由於其優秀的相關屬性而被用作前置碼。該第一個字的其它位包括遙測位並且在位置計算中不使用。任何幀的第二個字是HOW(移交字)字，由T0W(周時間(Time Of Week))、子幀ID、同步標誌以及奇偶校驗組成，奇偶校驗的最後兩位總是O。這兩位O幫助識別導航數據位的校正的極性。第一個子幀的第3到10個字包括時鐘校正係數和衛星質量指示符。子幀2和3的第3到10個字包括星曆表。這些星曆表用來精確地確定GPS衛星的位置。這些星曆表每兩小時上載，並且在四到六小時有效。子幀4的第3到10個字包括衛星25至32的電離層、UTC時間校正和曆書。這些曆書和星曆表類似，但是給出衛星的比較不精確的位置，並且在六天有效。子幀5的第3到10個字僅僅包括不同衛星在不同的幀中的曆書。
[0007]超幀包括25個連續的幀。而除了 TOW以及每兩小時星曆表的偶爾改變之外，子幀
1、2和3的內容在超幀的每幀中重複。因此，來自衛星的特定信號的星曆表僅包括在每個子幀中重複的該衛星的星曆表。然而，不同衛星的曆書在給定衛星的導航數據信號的不同幀中輪流廣播。因此25個幀在子幀5中傳送所有24個衛星的曆書。任何額外的備用衛星曆書包含在子幀4中。
[0008]曆書和星曆表用來計算在給定時刻衛星的位置。曆書對於六天這一較長的周期有效，但是與星曆表相比，其提供較為不精確的衛星位置和都卜勒。因此，當需要快速定位時，不使用曆書。另一方面，計算的接收器位置的精確度取決於衛星位置的精確度，而衛星位置的精確度轉而取決於星曆表的使用期限。使用當前星曆表導致比基於非當前星曆表或者陳舊星曆表更好的位置估計。因此，需要使用當前星曆表獲得準確的衛星位置，由此獲得接收器位置。
[0009]GPS接收器可以獲取信號並取決於已經可用的信息估計位置。在「熱啟動」模式中，接收器具有當前星曆表，並且位置和時間是已知的。在另外一種稱為「暖啟動」的模式中，接收器具有非當前星曆表，但是與前面的「熱啟動」情況一樣精確地已知初始位置和時間。在稱為「冷啟動」的第三模式中，接收器沒有位置、時間或星曆表的消息。正如預料的那樣，「熱啟動」模式導致低首次定位時間(TTFF，Time-To-First-Fix)，而具有非當前星曆表的「暖啟動」模式可以使用該星曆表或曆書，由於較為不精確的都卜勒估計或者下載新的星曆表所需的時間而導致較長TTFF。由於沒有可用數據來輔助信號獲取和定位，因此「冷啟動」模式對於首次定位花費更多的時間。
[0010]不能總是在接收器中保持當前星曆表的副本。這可能是由於接收器沒有機會下載星曆表的事實，因為接收器可能已經斷電了比四小時長的持續時間，或者因為接收的信號非常弱。存在針對在快速定位中提供輔助的US專利。大部分這些專利涉及通過無線或者有線方式為接收器提供星曆表。然而，星曆表在有限的時間段有效，因此當期望星曆表的更長有效期時是沒用的。一些美國專利以及公布的美國專利申請公開了延長星曆表或軌道數據的有效期的方法。美國專利US6，437，734公開了利用多項式法從伺服器向GPS接收器傳送導航信息。該傳送通過網際網路來實現。美國專利US6，542，820公開了根據歷史跟蹤數據或星曆表外推星曆表的方法。然而，星曆表的外推在伺服器處進行，並且將用於覆蓋幾天的預測的衛星軌道參數的許多集合從伺服器發送到導航接收器。公布的美國專利申請US2006/0055598也公開了類似的方法。
【發明內容】
[0011]在此提供使得導航接收器能夠基於從伺服器獲得的相對較小的參數集合生成接收器特定衛星軌道模型的方法和系統。
[0012]在實施例中，衛星的參數集合包括力參數、初始條件參數以及時間校正係數,接收器在數值積分中使用它們以預測衛星位置。在一個實施例中，力參數包括太陽輻射壓力，初始條件參數包括特定時刻的衛星位置和速度。與對於每個衛星需要傳輸星曆表、時間、載波相位、偽距離(pseudorange)等的完整集合的現有方法相比,積分所需的參數集合較小。由於參數集合相對較小，因此與現有方法相比，其需要較少的通信網絡資源來進行傳送。而且，基於小參數集合的數值積分使得接收器能夠以低計算負荷預測衛星軌道，且不需要收集歷史星曆表。預測的衛星軌道提供較好的TTFF和接收器位置精度。
[0013]在實施例中，接收器經由有線或無線連接從伺服器接收用於衛星的參數集。伺服器收集或計算該參數集，並通過任意傳輸方式(例如可攜式電話、SMS、WiF1、AM/FM無線電)將其發送到接收器。接收器使用該參數集計算積分，其以相對較低的計算負荷預測衛星軌道。在弱信號條件下，當不可能解碼來自衛星的導航數據時，接收器使用該預測的衛星軌道來預測精確的衛星位置。在不接收廣播星曆表的條件下，預測的衛星軌道在幾天可以是精確的。
[0014]當結合附圖時，從下面更具體的描述中，本發明實施例的上述和其它優點將會顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是示出示例GPS接收器的框圖。
[0016]圖2示出了根據本發明實施例的接收器系統。
[0017]圖3示出了根據本發明實施例確定衛星位置的方法。
【具體實施方式】
[0018]圖1示出了根據本發明優選實施例的接收器。中頻(IF)信號輸入101從傳統RF前端100的模數轉換器(ADC)輸出進入接收器的基帶部分。IF輸入分別在IF混頻器102和103中與由直接數字頻率合成器(DDFS) 106生成的本地頻率信號同相和正交相乘。這一混頻包括將ADC輸出101與本地DDFS頻率同相相乘，其生成同相分量I 107。在並行的路徑中，相同的信號101與DDFS頻率正交相乘(即相移90度)，以產生正交分量Q 108。DDFS106由載波數控振蕩器(NCO) 105驅動。另外，載波NCO 105從處理器113接收相位和頻率校正。由於該校正，DDFS頻率和相位幾乎與ADC輸出101的頻率和相位相同。因此，IF混頻器102和103產生的I和Q信號在被低通濾波以去除兩倍於IF頻帶的高頻分量後，處於接近零的載波頻率。
[0019]I分量107和Q分量108分別在相關器109和110中與由PRN發生器111生成的本地生成的PRN序列相關。該PRN序列對應於在那時其信號正被基帶部分處理的衛星。PRN序列發生器由代碼NCO 112驅動。通過從處理器113到代碼NCO 112的校正反饋使得本地代碼頻率與I和Q路徑的碼率相同。此外，處理器113將信號發送到PRN代碼發生器111，以設置本地生成代碼的初始相位。NCO 112提供校正時鐘信號到相關器109和110。例如，NCO 112提供時鐘信號，以便在信號獲取階段每個PRN晶片生成兩個採樣，並在跟蹤階段期間每個晶片生成三個採樣。SYS CLK 104向NCO 105和NCO 112提供公共時鐘同步信號。相關器輸出隨後以每毫秒間隔發送到處理器113。處理器113優選地是適於高速算術計算的數位訊號處理器(DSP)核心。如將在下面詳細描述的，在處理器113中發生信號的後續處理。上述接收器基帶部分的額外細節包含在2005年5月6號提交的美國專利申請11/123，861號中，該申請的說明書通過引用結合於此。
[0020]DSP核心113從上述GPS基帶部分接收I毫秒積分的(相關的)I和Q值。為了在DSP處理器中獲取GPS信號，搜索所有的駐留時間(dwell)(載波頻率集合，代碼偏移)。這是一個二維搜索。相干積分和非相干積分是用於獲取GPS信號的兩種普遍使用的積分方法。對於相同的積分時間，相干積分以較大的計算負荷為代價提供較好的信號增益。
[0021]GPS接收器使用下載的星曆表精確地計算可視衛星的位置。根據這些衛星位置，估計出接收器的位置。如果使用的星曆表是當前的星曆表，這一計算的位置是更加精確的。在GPS的情況下，這些星曆表每兩小時更新，儘管它們對於四到六小時的時間段有效。如果星曆表超出這一四到六小時的時間段被使用，其造成偽距離中的偏移，其中該偽距離是沒有對接收器時鐘漂移、大氣延遲等應用校正的、衛星距接收器的估計的距離。除了位置的偏移之外，使用非當前星曆表，都卜勒和都卜勒速率的估計值也不精確，並且導致了具有較長首次定位時間(TTFF)的較長搜索時間。因此，總是需要下載和使用當前星曆表，以最小化這一位置誤差和TTFF。但是，不可能在GPS接收器的存儲器中總是具有當前星曆表。一個例子是到辦公室的早上通勤的情形，其中對於該日的剩餘時間，GPS接收器在辦公室被斷電，並且直到通勤回家的晚上才再次被加電。在這種情形下，時間間隔超過四小時，並且星曆表變成非當前的。使用這一非當前星曆表不僅增加了 TTFF，而且導致具有偏移的位置估計，因此不能啟動正確的車輛導航。而且，如果選擇從每個涉及的衛星下載新的星曆表，則有相當大的延遲。在信號跟蹤過程開始之後，這一下載對於每個衛星需要至少18秒或更多。並且，廣播星曆表需要從每個可視衛星分別地下載。而且，在某些情況下，接收器可能不得不在不下載星曆表的情況下工作幾周。
[0022]為了克服與非當前星曆表相關的上述問題，本發明提供用於生成在較長的時間間隔(延續幾天)上有效的更準確星曆表的集合的技術。「生成的星曆表」的這一新集合可以基於導航衛星上的幾個公共域資料庫之一。從這些資料庫可獲得的一些典型數據包括關於衛星質量、衛星上的太陽輻射壓力、在給定時刻的精確衛星位置和速度、衛星時鐘以及時鐘校正係數等的信息。公共域資料庫服務可以有訂購費或無訂購訂費地從許多機構獲得。這些機構包括國際GPS服務(IGS)、國際地球自轉和參考系統服務以及NASA的噴氣推進實驗室。在現有技術中，在伺服器處使用衛星信息生成星曆表。生成的星曆表隨後被發送到遠程導航接收器。這種方法的缺點在於需要伺服器來計算星曆表，並且需要大量通信資源以將該伺服器生成的星曆表發送到遠程導航接收器。相反，本發明的實施例使得遠程導航或者GPS接收器能夠接收來自資料庫的相對小的數據集，並且在接收器處利用該數據集生成星曆表。因此，在伺服器處不需要計算以生成星曆表。而且，遠程導航或者GPS接收器能夠直接從資料庫獲得所需的數據，在這種情況下，不需要單獨的伺服器。該數據集還相對較小，且不需要大量的通信資源以發送到遠程接收器。
[0023]圖2顯示了根據一實施例的導航接收器系統，其包括公共域衛星信息資料庫206、網絡適配器208和嵌入遠程導航或GPS接收器212的軌道計算引擎214。接收器212包括用於接收來自衛星202的衛星信號204的GPS衛星接收器216。接收器212還包括可以通過網絡適配器208從資料庫206接收數據或者直接從資料庫206接收數據的數據接收器215。網絡適配器208接收來自資料庫206的數據並且使用有線連接、無線連接或者存儲介質方式將數據分發到接收器212。因此，可以使用例如電纜、USB、網際網路的有線連接，例如緊緻閃卡和SD卡的不同類型的介質卡，或者例如藍牙、WIiF1、WiMax以及具有SMS(短消息服務)的蜂窩通信的無線連接，將數據下載到接收器212上。遠程接收器212也可能直接從資料庫206接收數據。數據接收器215可以包括用於無線地接收數據的例如蜂窩式、藍牙和/或WiFi接收器，用於通過有線連接接收數據的USB埠，和/或存儲卡槽以及用於從存儲卡讀取數據的相關硬體。軌道計算引擎214利用接收的數據計算衛星位置，如下面進一步說明。接收的數據可以存儲在本地存儲器(未示出)中，用於由軌道計算模塊214將來使用。被發送的數據相對較少，因此只需要少量的通信資源。在一個實施例中，每個衛星，數據需要信息的少至13個參數。因此，與對於每個衛星需要傳輸星曆表、時間、載波相位、偽距離等的完整集合的其它現有方法相比，導航接收器系統提供一種用於將數據發送到接收器的非常有效的方法。
[0024]在一個實施例中，從資料庫206獲得的數據包括在給定時刻的衛星位置和速度、太陽輻射壓力以及衛星的時鐘參數。在導航接收器中的積分的解決方案中，給定時刻的衛星位置和速度被用作初始條件。太陽輻射壓力值在軌道計算引擎214中被用來生成由導航衛星經歷的擾動力。在對數學積分求值後，計算引擎214可以計算衛星位置或軌道。計算引擎214可以以由接收器的處理器執行的軟體、或者專門用於計算引擎的硬體設備來實現。GPS接收器212的定位模塊217使用來自軌道計算引擎214的衛星位置和接收的衛星信號的偽距離測量來計算接收器位置。所計算的接收器位置可以被存儲、並在顯示器上顯示給用戶、和/或發送到另一裝置和/和網絡，以遠程跟蹤接收器212的位置。
[0025]由於擾動力，衛星軌道偏離理想軌道。該擾動力歸因於太陽、月亮以及包括地球在內的其他行星的引力場的影響。除了這些擾動力之外，還存在其它的力，例如歸因於地球形狀的非球形力、地球潮汐、太陽輻射壓力、相對性效應(relativity effect)以及大氣阻力。在預測衛星軌道時，所有這些因素都要考慮。可以使用可獲得的現代技術來計算這些力。
[0026]在一個實施例中，對於每個衛星，數據集包含信息的13個參數。表I顯示了信息的13個參數，其包括用於給定時刻的衛星位置Xatl)的三個參數，以及用於給定時刻的衛星速度X &(t0)的三個參數。這13個參數還包括用於「太陽輻射壓力」的三個參數、用於時間校正係數的三個參數和一個參考時間，其中所述「太陽輻射壓力」是施加在衛星上的力。太陽輻射壓力參數的數目可以更加取決於所使用的太陽輻射模型。表I列出了數據集中的不同參數。對於總共三個參數，給定時刻的衛星位置對於X、y和ζ維度中的每一個包括一個參數，如表I所示。同樣的方式應用於給定時刻的衛星速度。在傳送時，所述參數可以被進一步壓縮。
[0027]表I
[0028]
【權利要求】
1.一種用於確定衛星導航接收器的位置的方法，包括: 從遠程資料庫接收衛星信息； 利用接收的衛星信息求解建模衛星軌道的數學積分； 基於所述積分計算衛星的位置；並且 利用計算出的衛星位置確定接收器位置。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述衛星信息包括太陽輻射壓力參數，在特定時刻的衛星位置和速度。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述衛星信息還包括衛星的時間校正係數。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述衛星信息還包括在特定時刻的衛星位置和速度，以及表示擾動力的參數。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述衛星信息還包括太陽輻射壓力參數以及表示衛星上的N體力和其它非球形力的參數。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述衛星信息還包括衛星質量，用於極移、地球自轉、章動以及歲差的參數。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述衛星信息經由無線連接從遠程資料庫發送。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述無線連接包括藍牙、WiF1、FM/AM無線電、GSM或者W-CDMA連接。
9.根據權利要求1 所述的方法，其中所述衛星信息經由短消息服務(SMS)從遠程資料庫發送。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述衛星信息經由存儲卡發送到接收器。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述衛星信息經由有線連接發送到接收器。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述有線連接包括USB或者網際網路連接。
13.根據權利要求1所述的方法，進一步包括在接收器處以周期為基礎接收衛星信息。
14.根據權利要求1所述的方法，其中所述接收器能夠從多個不同遠程資料庫中的任何一個接收衛星信息。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述積分和位置計算通過CPU或專用集成電路來執行。
16.根據權利要求1所述的方法，其中所述積分在導航接收器上執行。
17.根據權利要求1所述的方法，進一步包括使用多項式擬合外推或其它外推算法來預測衛星時鐘偏差。
18.一種導航設備，包括: 用於從遠程資料庫接收衛星信息的數據接收器； 用於接收衛星信號的衛星接收器； 計算模塊，其中該計算模塊利用由數據接收器接收的衛星信息計算建模衛星軌道的數學積分，並基於該積分計算衛星的位置；以及 定位模塊，其中該定位模塊使用來自計算模塊的衛星的計算位置和由衛星接收器接收的衛星信號來確定接收器位置。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中所述衛星信息包括太陽輻射壓力參數、在特定時刻的衛星位置和速度。
20.根據權利要求19所述的裝置，其中所述衛星信息還包括衛星的時間校正係數。
21.根據權利要求18所述的裝置，其中所述衛星信息還包括在特定時刻的衛星位置和速度以及表示擾動力的參數。
22.根據權利要求21所述的裝置，其中所述衛星信息還包括太陽輻射壓力參數以及表示衛星上的N體力和其它非球形力的參數。
23.根據權利要求22所述的裝置，其中所述衛星信息還包括衛星質量，用於極移、地球自轉、章動以及歲差的參數。
24.根據權利要求18所述的裝置，其中所述數據接收器配置為經由無線連接從遠程資料庫接收衛星信息。
25.根據權利要求24所述的裝置，其中所述無線連接包括藍牙、WiF1、FM/AM無線電、GSM或者W-CDMA連接。
26.根據權利要求18所述的裝置，其中所述數據接收器配置為經由短消息服務(SMS)從遠程資料庫接收衛星信息。
27.根據權利要求18所述的裝置，其中所述數據接收器配置為從存儲卡讀取衛星信肩、O
28.根據權利要求18所述的裝置，其中所述數據接收器配置為經由有線連接從遠程資料庫接收衛星信息。
29.根據權利要求28所述的裝置，其中所述有線連接包括USB或者網際網路連接。
30.根據權利要求18所述的裝置，其中所述數據接收器配置為在接收器處以周期為基礎接收衛星信息。
31.根據權利要求18所述的裝置，其中所述數據接收器能夠從多個不同的遠程資料庫中的任何一個中接收衛星信息。
32.根據權利要求18所述的裝置，其中所述計算模塊包括CPU或者專用集成電路。
33.根據權利要求18所述的裝置，其中所述計算模塊在導航接收器上執行積分。
34.根據權利要求18所述的裝置，其中所述計算模塊使用多項式擬合外推或其它外推算法來預測衛星時鐘偏差。
【文檔編號】G01S19/27GK103443647SQ200880022301
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2008年4月25日 優先權日:2007年4月27日
【發明者】韓少為 申請人:SiRF技術公司