專(zhuān)利名稱(chēng)：產(chǎn)生和分發(fā)衛(wèi)星跟蹤信息的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為每一個(gè)地球軌道運(yùn)行衛(wèi)星產(chǎn)生衛(wèi)星跟蹤信息，更具體地說(shuō)， 涉及一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和通信連接產(chǎn)生和分發(fā)衛(wèi)星跟蹤信息的方法和裝置。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)定位接收機(jī)利用來(lái)自幾個(gè)衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算位 置。如果GPS接收機(jī)之前知道衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘的模型，獲取GPS無(wú)線信號(hào)的過(guò) 程中，速度和靈敏度將有所提高。該模型通過(guò)GPS衛(wèi)星廣播發(fā)送，被稱(chēng)為星歷 或星歷信息。每個(gè)衛(wèi)星每30秒廣播一次自身的星歷。 一旦獲得GPS無(wú)線信號(hào)， 計(jì)算位置的過(guò)程中需要使用這些星歷信息。
在GPS衛(wèi)星信號(hào)中，廣播星歷信息編碼成900比特的信息。它以每秒50 比特的速率傳輸，完成一個(gè)星歷的傳輸總共需要18秒。 一般廣播星歷信息在 2到4小時(shí)內(nèi)都是有效的(從廣播時(shí)間開(kāi)始)。在有效期結(jié)束之前GPS接收機(jī) 必須獲取一個(gè)新的廣播星歷信息，以繼續(xù)正確地運(yùn)行及產(chǎn)生精確位置信息。對(duì) GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)，從衛(wèi)星下載一個(gè)星歷信息總是很慢(不快于18秒)，通常較 困難，有時(shí)甚至不可能(在信號(hào)強(qiáng)度非常低的環(huán)境中)。由于這些原因，長(zhǎng)期 以來(lái)人們認(rèn)為通過(guò)其它方式發(fā)送星歷信息到GPS接收機(jī)以代替等待衛(wèi)星傳送 信息是一種有利的方案。1984年4月24日公告的美國(guó)專(zhuān)利4， 445， 118中，描 述了一種在GPS基準(zhǔn)站收集星歷信息并通過(guò)無(wú)線傳輸方式將星歷信息發(fā)送給 遠(yuǎn)程GPS接收機(jī)的技術(shù)。該項(xiàng)提供星歷信息或等效數(shù)據(jù)到GPS接收機(jī)的技術(shù)被 稱(chēng)之為"輔助全球定位系統(tǒng)(Assisted-GPS)"。因?yàn)檩o助全球定位系統(tǒng)中的星 歷來(lái)源是衛(wèi)星信號(hào)，所以星歷信息只能保持幾個(gè)小時(shí)有效。這樣，無(wú)論是直接 從衛(wèi)星接收信息還是通過(guò)無(wú)線傳輸接收信息，遠(yuǎn)程GPS接收機(jī)必須周期性地與 星歷信息源連接。如果沒(méi)有這種周期性的更新，遠(yuǎn)程GPS接收機(jī)將不能準(zhǔn)確地
確定位置。
現(xiàn)有技術(shù)中缺少一種能夠提供信息有效期長(zhǎng)于幾小時(shí)的衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘 信息源。并且重復(fù)地將星歷信息發(fā)送給一些需要這些信息的遠(yuǎn)程設(shè)備是昂貴 的。此外，當(dāng)移動(dòng)設(shè)備中當(dāng)前星歷信息變?yōu)闊o(wú)效時(shí)，可能其正處于與輔助全球 定位系統(tǒng)信息源中斷聯(lián)系的狀態(tài)。
因此，需要一種方法和裝置，使得所提供的衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘信息在之后長(zhǎng) 期有效，例如，之后數(shù)天有效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(STD)的方法和裝置，產(chǎn)生的STD在之 后長(zhǎng)期有效，也就是說(shuō)該STD是長(zhǎng)期STD或LT-STD。該STD可以包括之后的 衛(wèi)星軌道信息和/或衛(wèi)星時(shí)鐘信息。該STD是通過(guò)在一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星跟蹤站接 收來(lái)自至少一個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)并從接收到的信號(hào)確定衛(wèi)星跟蹤信息(STI)來(lái)得 到。STI包含當(dāng)前的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和衛(wèi)星時(shí)鐘信息。
可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或通信系統(tǒng)將STD提供給遠(yuǎn)程衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)。衛(wèi)星系統(tǒng)可以 包括全球定位系統(tǒng)(GPS)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)、伽利略系統(tǒng)(GALILEO) 和其它可使用STD增強(qiáng)接收機(jī)性能的衛(wèi)星系統(tǒng)。通過(guò)使用LT-STD,在無(wú)需接 收衛(wèi)星通常提供的更新的廣播星歷信息的情況下，遠(yuǎn)程接收機(jī)能夠精確地運(yùn)行 數(shù)天。


為了獲得本發(fā)明上述特征的實(shí)現(xiàn)方式并能詳細(xì)說(shuō)明，通過(guò)附圖中描述的實(shí) 施例對(duì)上述發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
但是，應(yīng)該注意的是，附圖僅僅舉例說(shuō)明了本發(fā)明的具體實(shí)施例，因此不 能用于限定本發(fā)明，本發(fā)明可容許其它同等實(shí)施例。
圖1所示為產(chǎn)生和分發(fā)衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(STD)到遠(yuǎn)程GPS接收機(jī)的系統(tǒng)示 意圖2所示為根據(jù)衛(wèi)星跟蹤站的衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)形成STD的方法的流程圖3所示為符合ICD-GPS-200C中描述的廣播星歷格式模型但延長(zhǎng)幾個(gè)小 時(shí)的STD數(shù)據(jù)的時(shí)間表；
圖4所示為使用最小二乘估算法更新軌道模型參數(shù)的方法流程圖5所示為由STD導(dǎo)出的軌道模型中的誤差，并與廣播星歷中的誤差進(jìn)行 比較的示意圖6所示為STD數(shù)據(jù)庫(kù)中使用的數(shù)據(jù)表的例子。
具體實(shí)施例方式
圖l示出了用于產(chǎn)生和分發(fā)衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(STD)的系統(tǒng)100的框圖。該 衛(wèi)星系統(tǒng)可包括全球定位系統(tǒng)(GPS)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、伽俐略系統(tǒng)或可使 用STD提高接收機(jī)性能的其它衛(wèi)星系統(tǒng)。以下使用GPS作為示例系統(tǒng)進(jìn)行描述， 本發(fā)明實(shí)施于其中?；谝韵滤兜膬?nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠結(jié)合其它 衛(wèi)星系統(tǒng)來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
GPS跟蹤站102網(wǎng)絡(luò)用來(lái)收集來(lái)自GPS衛(wèi)星104的測(cè)量數(shù)據(jù)。這種網(wǎng)絡(luò)在 申請(qǐng)?zhí)枮?9/615105、申請(qǐng)日為2000年7月13日的美國(guó)專(zhuān)利中有詳細(xì)描述。 該網(wǎng)絡(luò)包括從星群中的所有衛(wèi)星收集衛(wèi)星跟蹤信息(STI)的多個(gè)跟蹤站，或 僅為世界上某個(gè)特定區(qū)域收集STI的少數(shù)幾個(gè)或單獨(dú)一個(gè)跟蹤站。STD收集和 計(jì)算服務(wù)器106收集和處理測(cè)量數(shù)據(jù)(該測(cè)量數(shù)據(jù)在此文中稱(chēng)為衛(wèi)星跟蹤信息 (STI)，其包括碼相位(code phase)測(cè)量、載波相位(carrier phase)測(cè)量、 多普勒測(cè)量或星歷數(shù)據(jù)中的至少一個(gè))。在這一優(yōu)選實(shí)施例中，該測(cè)量數(shù)據(jù)同 時(shí)從GPS衛(wèi)星發(fā)送的LI和L2頻率中獲得。作為選擇，另一實(shí)施例僅使用這些 頻率中的一個(gè)頻率，和/或其它衛(wèi)星系統(tǒng)或以后版本的GPS系統(tǒng)使用的其它頻 率。服務(wù)器106處理1)數(shù)據(jù)收集期間精確的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(STD)(例如， 每個(gè)衛(wèi)星的軌道和/或時(shí)鐘偏移測(cè)量)；2)每個(gè)衛(wèi)星的之后STD預(yù)測(cè)；及3) 與每個(gè)衛(wèi)星之后的STD相匹配的模型。服務(wù)器106包括一個(gè)中央處理器(CPU) 118、支持電路122和存儲(chǔ)器120。 CPU118可以是市面上可用來(lái)執(zhí)行一般運(yùn)算 的各種CPU中的任何一種。優(yōu)選的，CPU 118可以是專(zhuān)用處理器，比如一個(gè) 設(shè)計(jì)為處理衛(wèi)星跟蹤信息的應(yīng)用型專(zhuān)用集成電路(ASIC)。支持電路122是已知的電路，諸如時(shí)鐘電路、高速緩沖電路、電源及類(lèi)似電路。存儲(chǔ)器120可以 是只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器、可移動(dòng)存儲(chǔ)器或這些存儲(chǔ)器的 任意組合。存儲(chǔ)器120存儲(chǔ)可執(zhí)行軟件，例如，LT-STD軟件124，當(dāng)該軟件被 CPU 118執(zhí)行時(shí)，使得系統(tǒng)100依照本發(fā)明運(yùn)行。
由LT-STD軟件124產(chǎn)生的一組衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘數(shù)據(jù)組成STD信息，并存 儲(chǔ)在STD數(shù)據(jù)庫(kù)108中。分發(fā)服務(wù)器110訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)108，以收集最近的一組 數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，使用軌道轉(zhuǎn)換軟件lll對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，并將 格式化后的數(shù)據(jù)分發(fā)給需要衛(wèi)星軌道信息的GPS設(shè)備112。分發(fā)過(guò)程可以通過(guò) 無(wú)線通信系統(tǒng)114、或經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)116、或兩者結(jié)合進(jìn)行，或通過(guò)其它一些通 信方式進(jìn)行。 一旦GPS設(shè)備112收到軌道數(shù)據(jù)，它們無(wú)需從衛(wèi)星或其它任何來(lái) 源處下載更新的廣播星歷就可持續(xù)運(yùn)行數(shù)天。分發(fā)給GPS設(shè)備的軌道數(shù)據(jù)可以 與廣播星歷的格式相同，或采用GPS設(shè)備定義的其它一些模型格式。這里，軌 道數(shù)據(jù)通常稱(chēng)為衛(wèi)星跟蹤模型(STM〉?？梢酝ㄟ^(guò)多種方式下載STM到GPS接收 機(jī)。使用個(gè)人數(shù)字助理(PDA)的構(gòu)架、直接連接網(wǎng)絡(luò)、或諸如藍(lán)牙或蜂窩網(wǎng) 的無(wú)線技術(shù)都是將星歷數(shù)據(jù)傳給接收機(jī)的一些例子。這種發(fā)送一般不需要知道 GPS接收機(jī)的特定位置而通過(guò)廣播LT-STD(或表示全部或部分LT-STD的模型) 來(lái)完成。這樣，分發(fā)服務(wù)器不需要GPS接收機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任何信息到分發(fā)服 務(wù)器。
由于GPS本身是一個(gè)測(cè)距系統(tǒng)，GPS衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)可以用來(lái)從一組跟蹤 站確定到GPS衛(wèi)星的距離(range)、距離變化率(range-rate)和時(shí)鐘偏移 (clock offsets)。衛(wèi)星基站102產(chǎn)生的這組觀察數(shù)據(jù)可用于軌道確定和衛(wèi)星 時(shí)鐘特征估算。該組監(jiān)控基站102可以是單獨(dú)一個(gè)基站、 一個(gè)如同持續(xù)運(yùn)行參 考站系統(tǒng)(CORS)的公共網(wǎng)絡(luò)，或一個(gè)私人擁有和/或營(yíng)運(yùn)的網(wǎng)絡(luò)。
圖2描述了計(jì)算LT-STD過(guò)程的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該過(guò)程開(kāi)始于步驟202 從跟蹤站網(wǎng)絡(luò)收集衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)如碼相位(CP)、載波相位(CPH) 和多普勒可用作GPS衛(wèi)星跟蹤信息。在步驟204，使用這些測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算在 數(shù)據(jù)收集期間的衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘偏移。該步驟使用標(biāo)準(zhǔn)的GPS處理技術(shù)和業(yè)內(nèi) 公知的軟件包來(lái)執(zhí)行。這類(lèi)軟件的例子是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的GIPSY、
美國(guó)宇航局哥達(dá)德空間飛行中心(GSFC)的GEODYN和范馬丁系統(tǒng)(Van Martin Systems)的商業(yè)產(chǎn)品微宇(MicroCosm)。
在步驟206，來(lái)自步驟204的衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘偏移采用相同的軟件包傳播 到未來(lái)，使用標(biāo)準(zhǔn)軌道模型，諸如地心引力、阻力(drag)、太陽(yáng)能輻射壓力、 潮汐、第三物體影響、進(jìn)動(dòng)(precession)、章動(dòng)(nutation)和其它影響衛(wèi)星 軌道的守恒和非守恒力。這些都是在正常情況下數(shù)據(jù)符合間隔期間(during the data fit interval)估算衛(wèi)星軌道時(shí)使用的相同的力模型。這些模型的子 集，如阻力、太陽(yáng)能輻射壓力，在步驟204描述的軌道估算過(guò)程中被調(diào)整為最 符合于軌道。己知的和估算的力模型參數(shù)的結(jié)合可在傳輸步驟206中用來(lái)為數(shù) 據(jù)符合間隔之外的時(shí)間提供被傳播的軌道。GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘偏移通常是很小 的，并隨時(shí)間線性改變。使用包含時(shí)鐘偏移、漂移和漂移率的二階模型的標(biāo)準(zhǔn) 模型將這些時(shí)鐘偏移傳輸?shù)轿磥?lái)。
在步驟208，傳播的衛(wèi)星軌道和/或時(shí)鐘偏移作為STD存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。 在步驟210，軌道轉(zhuǎn)換軟件將LT-STD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPS設(shè)備(該模型將提供給該 GPS設(shè)備)期望的模型和格式。在步驟212，輸出規(guī)定的模型或信息。使用現(xiàn)有 的GPS接收機(jī)時(shí)，該模型的優(yōu)選實(shí)施例是如同ICD-GPS-200中描述的GPS星歷 模型，及如同圖3中的時(shí)間表300描述的每4小時(shí)期間從LT-STD產(chǎn)生的一個(gè) 星歷模型，即，不同的模型301、 302等等是每6個(gè)小時(shí)期間產(chǎn)生的。這樣， 多個(gè)模型301、 302等等累積地?cái)U(kuò)大了可利用的LT-STD的長(zhǎng)度。
在另一實(shí)施例中，在步驟204(圖2)，可使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播和ICD-GPS-200c 中給出的標(biāo)準(zhǔn)公式對(duì)衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘偏移進(jìn)行估算。
軌道模型是衛(wèi)星軌道的數(shù)學(xué)表示法，其將軌道描述為一些變量的函數(shù)，并 且免除了明確地提供衛(wèi)星位置矢量(衛(wèi)星位置vs時(shí)間關(guān)系圖)的需要。星歷模 型的一個(gè)例子是經(jīng)典的六要素開(kāi)普勒軌道模型(six element K印lerian orbital model)。雖然該模型缺乏長(zhǎng)期精確性，但它不失為一種用于提供衛(wèi)星 軌道信息的實(shí)用星歷模型(作為一些變量的函數(shù))。在該優(yōu)選實(shí)施例中，用來(lái)描 述軌道的模型是ICD-GPS-200c中規(guī)定的GPS標(biāo)準(zhǔn)星歷，遵循同樣的約定和單 元 (following the same conventions and units)。這是——禾中最大程度兼容
現(xiàn)有GPS接收機(jī)的優(yōu)選方法。但是，也可以用其它軌道模型來(lái)表示衛(wèi)星軌道。 可以對(duì)軌道模型進(jìn)行選擇，以提供更高精確度、更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間適用性、更簡(jiǎn)潔 的軌道表示法或其它應(yīng)用所要求的優(yōu)化指標(biāo)。
本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術(shù)因?yàn)樘峁┙oGPS設(shè)備的軌道模型不是GPS衛(wèi)星廣播 的星歷數(shù)據(jù)，現(xiàn)有技術(shù)從GPS衛(wèi)星下載星歷廣播并轉(zhuǎn)播該數(shù)據(jù)到GPS設(shè)備，在 本發(fā)明中，該廣播星歷數(shù)據(jù)不需要任何存儲(chǔ)也不在優(yōu)選的實(shí)施例中使用到。
GPS衛(wèi)星提供的廣播星歷數(shù)據(jù)覆蓋一個(gè)特定的時(shí)間周期(通常為4小時(shí))， 在該時(shí)段結(jié)束后信息變得不可用。例如，如果一個(gè)設(shè)備接收一個(gè)有效期還剩5 分鐘的廣播星歷，則該設(shè)備在該5分鐘間隔之外運(yùn)行之前還需要新的廣播星 歷。通過(guò)本發(fā)明，可按照設(shè)備需要的時(shí)間周期對(duì)STD格式化處理。該時(shí)間周期 可以是從當(dāng)前時(shí)間開(kāi)始的一段時(shí)間或未來(lái)的一段時(shí)間。例如，設(shè)備可以為當(dāng)前 時(shí)間請(qǐng)求標(biāo)準(zhǔn)GPS星歷格式的軌道信息。在這種情況下，提供給設(shè)備的該星歷 將在之后的6小時(shí)內(nèi)有效。該設(shè)備可為之后的12小時(shí)請(qǐng)求標(biāo)準(zhǔn)GPS格式的軌 道信息，該標(biāo)準(zhǔn)格式可以提供兩個(gè)六小時(shí)星歷軌道模型。除此之外，從LT-STD 能夠產(chǎn)生支持不同精確度和標(biāo)準(zhǔn)的不同軌道模型和格式。
有多種數(shù)學(xué)方法可以使LT-STD符合所要求的軌道模型。其優(yōu)選實(shí)施例是 軌道模型參數(shù)到軌道數(shù)據(jù)的最小平方擬合。其它方式，諸如卡爾曼(Kalman) 濾波器或其它估算器也能用來(lái)獲得最適合軌道數(shù)據(jù)的軌道模型參數(shù)。這些使數(shù) 據(jù)符合軌道模型的技術(shù)為軌道確定和軌道模型領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知。
最小平方法提供了軌道數(shù)據(jù)到軌道模型參數(shù)的最佳擬合。圖4描述了使用 最小平方估算法產(chǎn)生軌道模型的方法流程圖。LT-STD的一個(gè)實(shí)施例是如圖6 所示的每個(gè)衛(wèi)星的時(shí)間、位置和時(shí)鐘偏移的表格表示。該時(shí)間、位置和時(shí)鐘偏 移可以在任何時(shí)間/坐標(biāo)系統(tǒng)中。為簡(jiǎn)化及舉例的目的，該時(shí)間/坐標(biāo)系統(tǒng)是世 界大地測(cè)量系統(tǒng)1984 (WGS-84)參考幀中的GPS時(shí)間和地心地固系(ECEF) 位置。
在步驟402，從STD數(shù)據(jù)庫(kù)提取所要求的時(shí)間間隔的STD。將軌道模型參 數(shù)初始化為軌道模型值，其中該軌道模型值是由前一時(shí)間間隔中的類(lèi)似步驟獲 得。這樣，就保證了初始模型參數(shù)至少在所要求的時(shí)間間隔開(kāi)始時(shí)擬合良好。 流程400余下的步驟將確保參數(shù)得以調(diào)整，以使它們變得在整個(gè)時(shí)間間隔中擬 合良好。
在優(yōu)選實(shí)施例中有15種模型參數(shù)要進(jìn)行調(diào)整
參長(zhǎng)半徑的平方根(米1/2) 參偏心率(無(wú)單位) 參軌道半徑的正弦波修正項(xiàng)振幅(米) 參軌道半徑的余弦波修正項(xiàng)振幅(米) 參與計(jì)算值不同的平均運(yùn)動(dòng)差(弧度/秒) 參在基準(zhǔn)時(shí)間的平近點(diǎn)角(弧度) 參升交角距的余弦波修正項(xiàng)振幅(弧度) 參升交角距的正弦波修正項(xiàng)振幅(弧度) 參傾角的余弦波修正項(xiàng)振幅(弧度) 參傾角的正弦波修正項(xiàng)振幅(弧度) 參每星期軌道面升交點(diǎn)的經(jīng)度(弧度) 參在基準(zhǔn)時(shí)間的傾角角度(弧度) 參傾角變化率(弧度/秒) 參近地點(diǎn)角距(弧度) 參赤經(jīng)變化率(弧度/秒)
雖然為了更好地?cái)M合可以使用更多項(xiàng)參數(shù)，但是，對(duì)一個(gè)比較簡(jiǎn)潔的模型 來(lái)說(shuō)可以使用較少項(xiàng)參數(shù)。
在步驟404，軌道模型用來(lái)預(yù)測(cè)軌道將是什么樣，該預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)用"模型軌 道數(shù)據(jù)"(MTD)來(lái)表示。如果該模型是最適當(dāng)?shù)?，該MTD與STD嚴(yán)格一致。在 步驟406，將MTD和OTD相比較，以查看軌道模型與軌道數(shù)據(jù)擬合的程度。 在該優(yōu)選實(shí)施例中，比較步驟406通過(guò)將OTD中的每個(gè)軌道點(diǎn)和MTD中對(duì)應(yīng)點(diǎn) 之差的平方相加、并將相加結(jié)果與一個(gè)閾值比較而實(shí)現(xiàn)。如果擬合"好"，模 型參數(shù)被認(rèn)為是"好"的，且該過(guò)程在步驟410結(jié)束。如果擬合不好，那么模 型參數(shù)在步驟408被調(diào)整。業(yè)內(nèi)有許多已知的用于調(diào)整模型參數(shù)以擬合數(shù)據(jù)的 技術(shù)。例如，在圖5中，使用在Coleman T.F.,和Y. Li的"0n the convergence
of reflective Newton methods for large scale nonlinear minimization subject to bounds (大規(guī)模非線性最小項(xiàng)約束的集中反射牛頓法)"， ife^ e/ag"ca7 T^^r纖i/^第67巻第2號(hào)，pp. 189-224， 1994和Coleman， T. F., 禾卩 Y. Li "An interior, trust region approach for nonlinear minimization subject to bounds (非線性最小項(xiàng)約束的內(nèi)部信賴(lài)域法)"，571 /0〃277a7 ^"'孤'zatj'o; 第6巻，pp. 418-445， 1996中描述的基于內(nèi)部反射 牛頓法的子空間信賴(lài)區(qū)域法(subspace trust region method),對(duì)6小時(shí)星 歷模型進(jìn)行調(diào)整以擬合6小時(shí)0TD。有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)軟件包，例如MATLAB優(yōu) 化工具可以用來(lái)執(zhí)行這些方法。
步驟404、 406和408重復(fù)執(zhí)行直到模型參數(shù)與0TD擬合很好。 在擬合一個(gè)軌道模型與軌道數(shù)據(jù)時(shí)，有許多選擇可用于選擇哪個(gè)軌道模 型。該優(yōu)選實(shí)施例要將軌道模型與業(yè)內(nèi)己知標(biāo)準(zhǔn)定義的參數(shù)一同使用。在一實(shí) 施例中，使用在GPS接口控制文檔(ICD-GPS-200c)中定義的星歷參數(shù)。 ICD-GPS-200c定義包括用于指定4-小時(shí)符合(4-hour fits)或6-小時(shí)符合的 一個(gè)比特。通常衛(wèi)星數(shù)據(jù)以4-小時(shí)符合廣播，到衛(wèi)星觀測(cè)者獲得這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)， 該數(shù)據(jù)經(jīng)常接近其符合間隔(fit interval)結(jié)束點(diǎn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例 中，采用圖4及其文字描述的技術(shù)，使用STD的連續(xù)6小時(shí)窗口來(lái)建6-小時(shí) 星歷模型。這樣就產(chǎn)生出如圖3中所描述的一組星歷模型。雖然這些特定的 6-小時(shí)模型離開(kāi)本發(fā)明就不可以用，但是該模型是使用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(例如 ICD-GPS-200c)定義的，并可以由在設(shè)計(jì)上與所述標(biāo)準(zhǔn)兼容的任何設(shè)備所知曉。 選擇地，可以動(dòng)態(tài)地確定模型傳輸時(shí)間，以適應(yīng)各種傳輸網(wǎng)絡(luò)的特性，例 如蜂窩電話比率結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸帶寬、低網(wǎng)絡(luò)使用期、低網(wǎng)絡(luò)擁塞期等等。因 此，本發(fā)明確定特定網(wǎng)絡(luò)特性的當(dāng)前值并將其與閾值比較。根據(jù)比較結(jié)果來(lái)決 定是否傳輸模型。例如，本發(fā)明監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，并確定最小擁塞時(shí)間以傳輸模 型。許多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)間段設(shè)有不同費(fèi)率。例如，使用蜂窩電話周末通常 比周中(mid-week)的費(fèi)率低。本發(fā)明的一個(gè)有用實(shí)施例是建立一種衛(wèi)星跟蹤模 型，使其在每?jī)蓚€(gè)低費(fèi)率期之間有效(例如從一個(gè)星期六到下個(gè)星期六有效)， 并在低費(fèi)率期間內(nèi)傳輸該模型。這樣，與模型在峰值費(fèi)率期間傳輸相比，傳輸
模型的成本低。并且，作為選擇，可以在網(wǎng)絡(luò)的低數(shù)據(jù)流量期間定義和發(fā)送模 型，無(wú)論該網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還是非無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(例如因特網(wǎng))。本領(lǐng)域的技術(shù)人 員知曉還可利用各種其它最優(yōu)化傳輸時(shí)間特性來(lái)確定將模型傳輸給接收機(jī)的 最佳時(shí)間。
圖5示出了為長(zhǎng)于6小時(shí)的時(shí)間段所產(chǎn)生的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(STD)的例子。 然后，使用圖4及其文字描述的技術(shù)，對(duì)ICD-GPS-200c星歷模型的參數(shù)進(jìn)行 調(diào)整，以便為6小時(shí)STD提供最佳擬合。然后將以這6-小時(shí)星歷建模的軌道 與實(shí)際軌道相比較，并且還將實(shí)際軌道與廣播星歷建模的軌道相比較。結(jié)果在 圖5中顯示，其中示出了當(dāng)本發(fā)明所建立的星歷依然保持其有效性時(shí)(大約有 l米的誤差)，廣播星歷已失去有效性。
使用三個(gè)參數(shù)就能夠容易地為GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘偏移建模。在優(yōu)選實(shí)施例 中，用ICD-GPS-200c定義的三個(gè)參數(shù)為測(cè)得的時(shí)鐘偏移建模。這些參數(shù)表示 時(shí)鐘偏移、漂移和漂移率。這些參數(shù)可用上述描述的方法400同樣的方式來(lái)調(diào) 整以給出一種在該時(shí)間段上與所測(cè)得數(shù)據(jù)能夠最佳擬合的模型。
其它可選擇的實(shí)施例可以使每個(gè)星歷模型維持諸如8、 14、 26、 50、 74、 98、 122或146小時(shí)的更長(zhǎng)符合間隔。這些符合間隔在ICD-GPS-200c中可設(shè) 想，但是依據(jù)廣播星歷很難達(dá)到如此長(zhǎng)的符合間隔。在本發(fā)明中，能夠產(chǎn)生具 有這些符合間隔的模型，即使廣播星歷僅局限于4-小時(shí)的符合間隔。
STD數(shù)據(jù)的選擇性實(shí)施例可包括實(shí)測(cè)衛(wèi)星速率、加速度、時(shí)鐘漂移和時(shí)鐘 漂移率，并且這些數(shù)據(jù)項(xiàng)可在對(duì)模型進(jìn)行擬合的過(guò)程(以本領(lǐng)域的已知方法) 中得以使用。
軌道模型的另一實(shí)施例使用在傳統(tǒng)GPS信號(hào)的當(dāng)前星歷格式中的多余數(shù) 據(jù)比特來(lái)提供額外模型參數(shù)，其可以在較長(zhǎng)時(shí)間段上改進(jìn)數(shù)據(jù)符合性。例如， 副幀1有87個(gè)多余比特可用于額外參數(shù)。該技術(shù)允許更多的參數(shù)來(lái)描述衛(wèi)星 的軌道運(yùn)行而不影響標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。這一新的星歷模型以當(dāng)前星歷模型為基礎(chǔ) 再加上額外調(diào)整項(xiàng)來(lái)加強(qiáng)模型，以更高精度支持更長(zhǎng)的符合間隔。
軌道模型的另一實(shí)施例提供了一組新軌道參數(shù)，其所描述的衛(wèi)星軌道與 GPS星歷模型參數(shù)部分或全部不同。為使符合間隔更長(zhǎng)，不同的參數(shù)可以提供
衛(wèi)星軌道的一個(gè)更好的描述?？梢远x這一組新參數(shù)使其適合于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)，但是使用數(shù)據(jù)時(shí)所執(zhí)行的方法和運(yùn)算法則將不同。
軌道模型的又一實(shí)施例可以提供與現(xiàn)有GPS星歷模型格式不相符的一組 新軌道參數(shù)。提供的這一組新參數(shù)能夠更好地解決所需的多個(gè)參數(shù)符合間隔 及由模型得出的軌道精確度之間平衡(trade-off)的問(wèn)題。這類(lèi)星歷參數(shù)組的 一個(gè)例子是可用于或可修改以說(shuō)明GPS特定項(xiàng)的Brouwer， s定理。如 Brouwer， D. 所描述"Solution of the Problem of Artificial Satellite Theory without Drag", Astron丄64: 378-397，1959年11月，Brouwer' s 定理限定于接近圓形軌道的衛(wèi)星，如GPS衛(wèi)星。
另一實(shí)施例是使用ICD-GPS-200c中定義的標(biāo)準(zhǔn)星歷參數(shù)中的一個(gè)子集。 當(dāng)帶寬和/或數(shù)據(jù)包尺寸受到通信信道(將用于傳輸軌道模型到遠(yuǎn)程GPS接收 機(jī))的限制時(shí)，這種方法特別有用。在這樣的實(shí)施例中，上述描述的及在 ICD-GPS-200c中定義的十五個(gè)軌道參數(shù)通過(guò)將在模型中所有的調(diào)和項(xiàng) (harmonic term)設(shè)為零來(lái)減少到包含9個(gè)參數(shù)的子集。
參長(zhǎng)半徑的平方根(米1/2)
參偏心率(無(wú)單位)
參與計(jì)算值不同的平均運(yùn)動(dòng)差(弧度/秒) 參在基準(zhǔn)時(shí)間的平近點(diǎn)角(弧度) 參每星期軌道面升交點(diǎn)的經(jīng)度(弧度)
參在基準(zhǔn)時(shí)間的傾角角度(弧度) 參傾角變化率(弧度/秒) 參近地點(diǎn)角距(弧度) 參赤經(jīng)變化率(弧度/秒)
之后，使用該參數(shù)子集執(zhí)行流程400。這種方法減少了必須發(fā)送給遠(yuǎn)程GPS 接收機(jī)的數(shù)據(jù)量。然后接收機(jī)能通過(guò)將"丟失的"調(diào)和項(xiàng)設(shè)為零來(lái)重建標(biāo)準(zhǔn)星 歷模型。有大量的其它實(shí)施例來(lái)減少數(shù)據(jù)尺寸，同時(shí)仍提供符合STD的模型， 包括
參 從模型中移除參數(shù)，用常數(shù)替換它們(如上述設(shè)置為零或一些其它
預(yù)定值)，這些常數(shù)可存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程GPS接收機(jī)中或偶爾發(fā)送給接收 機(jī)；
參 在流程400中限制參數(shù)的解析度，這也減少了必須發(fā)送給移動(dòng)GPS 接收機(jī)的數(shù)據(jù)量；
參 兩個(gè)或更多衛(wèi)星之中相似的參數(shù)可表示為一個(gè)主值加5，這里5 需要很少比特來(lái)編碼； 一個(gè)例子就是參數(shù)偏心率，其在不同的GPS 衛(wèi)星之中變化很小。 其中一些方法會(huì)降低一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)(例如6個(gè)小時(shí))模型符合數(shù)據(jù)的能 力。在這種情況下，將縮短符合間隔(例如4個(gè)小時(shí))以進(jìn)行補(bǔ)償。
前面所述為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明還可以由其它或進(jìn)一步的實(shí)施例 來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不脫離本發(fā)明基本范圍。本發(fā)明的范圍由本發(fā)明的權(quán)利要求來(lái)限定。
本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2001年11月6日，申請(qǐng)?zhí)枮?9/993， 335的待審美國(guó) 專(zhuān)利申請(qǐng)的后續(xù)申請(qǐng)。其中，09/993,335為申請(qǐng)日為2001年6月19日、申 請(qǐng)?zhí)枮?9/884,874、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)為6,560,534的后續(xù)申請(qǐng)。而美國(guó)專(zhuān)利 6，560，534為申請(qǐng)日為2001年6月6日、申請(qǐng)?zhí)枮?9/875， 809、美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 為6，542，820的后續(xù)申請(qǐng)。本申請(qǐng)包含申請(qǐng)日為2000年11月17日、申請(qǐng)?zhí)?為09/715,860、美國(guó)專(zhuān)利號(hào)為6， 417， 801的相關(guān)主題。本申請(qǐng)參考并結(jié)合上 述相關(guān)專(zhuān)利和/或?qū)＠暾?qǐng)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種產(chǎn)生長(zhǎng)期衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)的方法，其特征在于，該方法包括a)從衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)中提取表示至少一個(gè)衛(wèi)星定位系統(tǒng)衛(wèi)星的當(dāng)前軌道的初始模型參數(shù)；b)使用所述初始模型參數(shù)計(jì)算軌道模型，其中所述軌道模型的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間；c)對(duì)于重疊時(shí)段，將所述軌道模型與所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；d)對(duì)于重疊時(shí)段，調(diào)整所述軌道模型使其與所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)相匹配，從而形成調(diào)整后的軌道模型，該調(diào)整后的軌道模型包括長(zhǎng)期衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括重復(fù)步驟c)和d)直到由 步驟c)產(chǎn)生的誤差小于閾值。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟c)包括 確定所述軌道模型中至少一個(gè)點(diǎn)和所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)中至少一個(gè)點(diǎn)之間的至少一個(gè)差值；對(duì)所述至少一個(gè)差值取平方，生成至少一個(gè)差值的平方； 將所述至少一個(gè)差值的平方相加，生成至少一個(gè)和值；且 將所述至少一個(gè)和值與閾值相比較。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，進(jìn)一步包括根據(jù)將所述至少一個(gè)和值 與閾值相比較的結(jié)果，重復(fù)步驟c)和d)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述軌道模型的持續(xù)時(shí)間是4小時(shí)，所 述軌道模型的持續(xù)時(shí)間大于4小時(shí)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述軌道模型的持續(xù)時(shí)間是6小時(shí)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述步驟d)進(jìn)一步包括使用基于內(nèi) 部反射牛頓法的子空間信賴(lài)區(qū)域法。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述軌道模型包括至少以下參數(shù) 之一長(zhǎng)半徑的平方根、偏心率、軌道半徑的正弦波修正項(xiàng)振幅、軌道半徑的 余弦波修正項(xiàng)振幅、平均運(yùn)動(dòng)差、在基準(zhǔn)時(shí)間的平近點(diǎn)角、升交角距的余弦波 修正項(xiàng)振幅、升交角距的正弦波修正項(xiàng)振幅、傾角的余弦波修正項(xiàng)振幅、傾角 的正弦波修正項(xiàng)振幅、每星期軌道面升交點(diǎn)的經(jīng)度、在基準(zhǔn)時(shí)間的傾角角度、 傾角變化率、近地點(diǎn)角距、赤經(jīng)變化率。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述軌道模型包括衛(wèi)星軌道的數(shù)學(xué)表示。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括從全球參考網(wǎng)絡(luò)(worldwide-reference network)接收衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)，所述全球參考網(wǎng)絡(luò)包括 多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)。
11、 一種用于產(chǎn)生長(zhǎng)期衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，該裝置包括 存儲(chǔ)可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器；執(zhí)行所述可執(zhí)行指令的處理器，其操作如下a) 從衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)中提取表示至少一個(gè)衛(wèi)星定位系統(tǒng)衛(wèi)星的當(dāng)前軌 道的初始模型參數(shù)；b) 使用所述初始模型參數(shù)計(jì)算軌道模型，其中所述軌道模型的持續(xù) 時(shí)間長(zhǎng)于所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間；c) 對(duì)于重疊時(shí)段，將所述軌道模型與所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；d) 對(duì)于重疊時(shí)段，調(diào)整所述軌道模型使其與所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)相匹 配，從而形成調(diào)整后的軌道模型，該調(diào)整后的軌道模型包括長(zhǎng)期衛(wèi)星跟蹤、Wj im數(shù)據(jù)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，所述執(zhí)行可執(zhí)行指令的處理器進(jìn)一步操作重復(fù)步驟C)和d )直到由步驟C)產(chǎn)生的誤差小于閾值。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，所述可執(zhí)行指令在步驟c)包括進(jìn)行以下操作的可執(zhí)行指令確定所述軌道模型中至少一個(gè)點(diǎn)和所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)中至少一個(gè)點(diǎn)之間 的至少一個(gè)差值；對(duì)所述至少一個(gè)差值取平方，生成至少一個(gè)差值的平方； 將所述至少一個(gè)差值的平方相加，生成至少一個(gè)和值；且 將所述至少一個(gè)和值與閾值相比較。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，所述處理器進(jìn)一歩執(zhí)行可執(zhí)行指令， 以根據(jù)所執(zhí)行的將至少一個(gè)和值與閾值相比較的結(jié)果，重復(fù)步驟C)和d)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，所述軌道模型的持續(xù)時(shí)間是4小時(shí)， 所述軌道模型的持續(xù)時(shí)間大于4小時(shí)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，所述軌道模型的持續(xù)時(shí)間是6小時(shí)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，所述可執(zhí)行指令在步驟d)包括執(zhí)行 以下操作的可執(zhí)行指令使用基于內(nèi)部反射牛頓法的子空間信賴(lài)區(qū)域法。
18、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述軌道模型包括至少以下參數(shù) 之一長(zhǎng)半徑的平方根、偏心率、軌道半徑的正弦波修正項(xiàng)振幅、軌道半徑的 余弦波修正項(xiàng)振幅、平均運(yùn)動(dòng)差、在基準(zhǔn)時(shí)間的平近點(diǎn)角、升交角距的余弦波 修正項(xiàng)振幅、升交角距的正弦波修正項(xiàng)振幅、傾角的余弦波修正項(xiàng)振幅、傾角 的正弦波修正項(xiàng)振幅、每星期軌道面升交點(diǎn)的經(jīng)度、在基準(zhǔn)時(shí)間的傾角角度、 傾角變化率、近地點(diǎn)角距、赤經(jīng)變化率。
19、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，所述軌道模型包括衛(wèi)星軌道的數(shù)學(xué)表示。
20、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，所述處理器進(jìn)一步執(zhí)行可執(zhí)行指令， 以從全球參考網(wǎng)絡(luò)(worldwide-reference network)接收衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)，所述 全球參考網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種為遠(yuǎn)程接收機(jī)產(chǎn)生和分發(fā)衛(wèi)星跟蹤信息的方法和裝置。所述方法包括從衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)中提取表示至少一個(gè)衛(wèi)星定位系統(tǒng)衛(wèi)星的當(dāng)前軌道的初始模型參數(shù)；使用所述初始模型參數(shù)計(jì)算軌道模型，其中所述軌道模型的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間；對(duì)于重疊時(shí)段，將所述軌道模型與所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；對(duì)于重疊時(shí)段，調(diào)整所述軌道模型使其與所述衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)相匹配，從而形成調(diào)整后的軌道模型，該調(diào)整后的軌道模型包括長(zhǎng)期衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01S19/25GK101351686SQ200780001057
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2007年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月17日
發(fā)明者弗蘭克·范迪格倫, 查爾斯·亞伯拉罕, 馬太·里本 申請(qǐng)人:全球定位有限公司