專(zhuān)利名稱(chēng)：自主式軌道傳播系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及預(yù)測(cè)和使用導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道位置數(shù)據(jù)的方法和裝置，所述數(shù)據(jù)可由諸如全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星、其它的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和其它衛(wèi)星系統(tǒng)或其組合來(lái)提供。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星定位和衛(wèi)星位置預(yù)測(cè)廣泛地用于許多應(yīng)用，例如汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)和便攜式GPS裝置。舉例來(lái)說(shuō)，為了計(jì)算一個(gè)位置，GPS裝置上的GPS接收器裝置需要在時(shí)間測(cè)距信號(hào)(SP在信號(hào)從衛(wèi)星天線發(fā)出時(shí)，所述信號(hào)的時(shí)間標(biāo)志)中的GPS衛(wèi)星的位置。該衛(wèi)星軌道信息是由衛(wèi)星在射頻(RF)數(shù)據(jù)鏈路上以衛(wèi)星定位模型的形式提供。該模型使用一組軌道根數(shù)，稱(chēng)為’星歷表’，其只于有限時(shí)間內(nèi)有效，通常為4小時(shí)，但也可使用長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)。GPS衛(wèi)星在RF數(shù)據(jù)鏈路上廣播星歷表數(shù)據(jù)，而GPS接收器則不斷監(jiān)測(cè)和解調(diào)該數(shù)據(jù)流，以獲取最新的星歷表。由衛(wèi)星傳送的星歷表稱(chēng)為“廣播星歷表”。
星歷表數(shù)據(jù)為數(shù)學(xué)軌道弧(orbit arc)模型，其使GPS裝置可計(jì)算一組方程，并可獲得在4至6小時(shí)模型適用期(model fit period)之內(nèi)的任何時(shí)間的衛(wèi)星位置。雖然該模型允許計(jì)算超出4至6小時(shí)有效期的衛(wèi)星位置，但其精度一般會(huì)退化到在I天內(nèi)約I公里的水平。如需更詳細(xì)的GPS和星歷表模型的說(shuō)明，可參看由Parkinson and Spilker主編的“Global Positioning System:Theory and Applications (《全球定位系統(tǒng):理論和應(yīng)用》)”，卷1，第2章(信號(hào)結(jié)構(gòu)，signal structure),第4章(星歷表模型，ephemerismodel),和第 9 章(導(dǎo)航方案，navigation solutions)。
在GPS的情況下，在良好觀測(cè)條件下并且是對(duì)星歷表作第一次解調(diào)下，其通常要用約18至30秒來(lái)解調(diào)從特定衛(wèi)星接收的廣播星歷表。在干擾和/或衰減的RF環(huán)境下，諸如城市環(huán)境或室內(nèi)場(chǎng)所下，會(huì)使解調(diào)的質(zhì)量參差或困難。由于會(huì)導(dǎo)致45秒或更長(zhǎng)時(shí)間的首次定位時(shí)間(Time-To-First-Fix) (TTFF)(有可能完全不能定位)，因而會(huì)影響用戶(hù)的感受，而且可能會(huì)縮短GPS裝置的電池壽命。TTFF是GPS裝置取得衛(wèi)星信號(hào)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)并計(jì)算位置方案所需的時(shí)間。對(duì)于進(jìn)行冷啟動(dòng)的GPS裝置，TTFF可以超過(guò)15分鐘。在某些情況下，GPS信號(hào)太弱而不能忠實(shí)地解調(diào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，但所述信號(hào)的強(qiáng)度又足以通過(guò)使用當(dāng)代的接收器來(lái)跟蹤。如果所述接收器設(shè)有備用的星歷表源，而不需要依賴(lài)廣播星歷表，GPS裝置的性能就可改善，而TTFF可縮短至幾秒鐘，即使是在衰減條件下，并且可使電池壽命延長(zhǎng)。GPS裝置還可使用無(wú)Z計(jì)數(shù)(no Z count)技術(shù)來(lái)計(jì)算定位，從而增加導(dǎo)航設(shè)備的用途。
除了廣播星歷表之外，還提供備用的星歷表源的技術(shù)通常稱(chēng)為輔助GPS (AGPS)?，F(xiàn)在存在著若干種的AGPS，包括實(shí)時(shí)輔助技術(shù)和合成輔助(也稱(chēng)為預(yù)測(cè)或延伸星歷表式)技術(shù)。實(shí)時(shí)輔助技術(shù)的傳播實(shí)際的從固定GPS基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)預(yù)先收集的廣播星歷表，所述固定GPS基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)將從每一基準(zhǔn)站所看到的每一衛(wèi)星接收的所有當(dāng)前廣播星歷表中繼到中央數(shù)據(jù)中心。參考數(shù)據(jù)(或輔助)由AGPS服務(wù)器轉(zhuǎn)變成可通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)接線傳遞到GPS裝置的格式。
合成輔助技術(shù)使用AGPS服務(wù)器來(lái)預(yù)測(cè)或合成在未來(lái)幾天或幾周的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)(或輔助)，并會(huì)將該非實(shí)時(shí)的合成輔助數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)接線或與主機(jī)諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)的直接接線而傳遞到GPS裝置，而不是實(shí)時(shí)收集和中繼真實(shí)的廣播星歷表數(shù)據(jù)。上文所論述的AGPS技術(shù)的重大限制是，它們需要通過(guò)某種形式的接線或網(wǎng)絡(luò)或直接連接到服務(wù)器，以便將輔助數(shù)據(jù)下載到GPS裝置。
一些GPS裝置缺乏外部連接功能、網(wǎng)絡(luò)，又或者在某些情況下，有連接功能的設(shè)備可能無(wú)法與服務(wù)器建立長(zhǎng)期的連接。在這些狀況下，GPS裝置不能使用上述的AGPS技術(shù)而影響了其性能。此外，使用實(shí)時(shí)輔助技術(shù)的裝置在下載輔助數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)資源。如果廣播星歷表的有效期可延長(zhǎng)至較長(zhǎng)時(shí)間，超出正常的4至6小時(shí)窗口，對(duì)于大多數(shù)GPS裝置應(yīng)用而言，就可減少網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)和改善TTFF的性能。GPS行業(yè)已經(jīng)展示一些計(jì)劃，試圖通過(guò)直接預(yù)測(cè)廣播星歷表模型的各種開(kāi)普勒項(xiàng)的將來(lái)值來(lái)延長(zhǎng)廣播星歷表的可用時(shí)期。然而，在開(kāi)普勒模式之內(nèi)的操作大大地限制了 GPS裝置的性能，以致不能可靠地預(yù)測(cè)這些值超過(guò)一天或上下以外。
提供AGPS輔助的另一種技術(shù)揭示于美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.11/740，206，題為“Distributed Orbit Modeling and Propagation Method for a Predicted andReal-Time Assisted GPS System (用于預(yù)測(cè)的和實(shí)時(shí)輔助的GPS系統(tǒng)的分布式軌道建模和傳播方法)”。在該系統(tǒng)中，GPS裝置，即客戶(hù)端，會(huì)預(yù)測(cè)合成輔助數(shù)據(jù)本身，但會(huì)在定期接收到來(lái)自遠(yuǎn)程服務(wù)器的允許數(shù)據(jù)(稱(chēng)為“種子數(shù)據(jù)”)后才會(huì)這樣做。
精確的軌道模型在本領(lǐng)域是公知的。預(yù)測(cè)，即將衛(wèi)星位置和速度傳遞到未來(lái)時(shí)間點(diǎn)，會(huì)隨著對(duì)當(dāng)前和/或過(guò)去的真實(shí)軌道狀態(tài)向量樣本的分析以及對(duì)可影響軌道軌跡的特定力模型的選擇而變化。典型的軌道模型考慮包括多種力模型的影響，包含太陽(yáng)、月球和地球的那些。所述軌道模型的軟件實(shí)現(xiàn)通常采用積分器的形式，其利用當(dāng)前的和/或先前的真實(shí)軌道狀態(tài)向量樣本，就可將這些傳遞到未來(lái)的時(shí)間點(diǎn)。由于計(jì)算力模型和將力模型結(jié)合到共同基準(zhǔn)框架中的CPU密集的本質(zhì)，所以代碼是做成為于服務(wù)器級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)作。
現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有為GPS裝置提供傳遞用于位置計(jì)算的具有要求精度的軌道信息的功能。與提供星歷表數(shù)據(jù)到GPS裝置相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)受開(kāi)普勒數(shù)學(xué)模型所限制，所述數(shù)學(xué)模型用于從衛(wèi)星接收的廣播星歷表數(shù)據(jù)。為提供輔助，現(xiàn)有技術(shù)要求服務(wù)器生成輔助數(shù)據(jù)，并且所述GPS裝置要具有若干形式的網(wǎng)絡(luò)接線以接受輔助。現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法使GPS裝置將廣播星歷表用作為直接輸入來(lái)合成其本身的輔助數(shù)據(jù)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新的輔助數(shù)據(jù)生成方法，以解決實(shí)時(shí)和合成AGPS技術(shù)的限制，從而使輔助數(shù)據(jù)可由GPS裝置一也稱(chēng)為“客戶(hù)端”本身來(lái)生成。涉及到預(yù)測(cè)的所有方面都可在GPS裝置本身之內(nèi)進(jìn)行，其使用軌道模型表達(dá)式，而不是用開(kāi)普勒模型表達(dá)式。根據(jù)本發(fā)明，客戶(hù)機(jī)可完全自主地運(yùn)作，其通過(guò)產(chǎn)生自己的種子數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)合成輔助數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)過(guò)程，而無(wú)需連接線路存在。
本發(fā)明通過(guò)使用選擇的力模型系數(shù)和觀測(cè)，可提供GPS裝置類(lèi)型的傳播器，其可實(shí)現(xiàn)為獲得軌道傳播，該軌道傳播一旦轉(zhuǎn)回成為開(kāi)普勒模型，就可獲得用于產(chǎn)生廣播星歷表的合成輔助數(shù)據(jù)，相比只純粹在開(kāi)普勒域中進(jìn)行預(yù)測(cè)，其可有效地具有更高的精度。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于保留AGPS的優(yōu)點(diǎn)，而且無(wú)需連接到AGPS服務(wù)器來(lái)下載輔助數(shù)據(jù)。GPS裝置將通過(guò)可用的手段(根據(jù)廣播星歷表，或AGPS技術(shù))而具有在先前獲得和儲(chǔ)存的在不同時(shí)間間隔的星歷表數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)接線或AGPS不可得的情況下，GPS裝置隨著時(shí)間的推移而收集廣播星歷表數(shù)據(jù)。GPS裝置使用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，或通過(guò)AGPS服務(wù)器提供的實(shí)時(shí)輔助數(shù)據(jù)，作為軌道傳播模型的輸入來(lái)預(yù)測(cè)和合成過(guò)了原始接收的廣播星歷表的期滿時(shí)間的精確輔助數(shù)據(jù)。只要軌道能可靠地預(yù)測(cè)，該在當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的合成輔助數(shù)據(jù)，無(wú)論是以傳播軌道或?qū)嶋H星歷表的形式，就可在未來(lái)長(zhǎng)期提供。一般情況下，如果廣播星歷表數(shù)據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)用作為軌道傳播模型的輸入，該預(yù)測(cè)周期在I至3日之間；如果與來(lái)自AGPS服務(wù)器的合成輔助數(shù)據(jù)一道使用，則可長(zhǎng)達(dá)數(shù)周。更長(zhǎng)的預(yù)測(cè)周期是可能的，這取決于可容許的精度退化。雖然GPS裝置會(huì)在無(wú)輔助下初始啟動(dòng)，但自產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)會(huì)使隨后能夠有快速的TTFF。此外，只要GPS裝置可以在規(guī)則的時(shí)間間隔定期地獲得廣播星歷表或輔助數(shù)據(jù)，GPS接收器的靈敏度可更好地用于隨后的啟動(dòng)。
本發(fā)明包括一種用于具有衛(wèi)星導(dǎo)航或定位功能的設(shè)備的自主式軌道傳播和自輔助方法，其中:
a)在GPS裝置上運(yùn)行軟件。該軟件能夠計(jì)算預(yù)測(cè)的導(dǎo)航衛(wèi)星軌道位置數(shù)據(jù)，然后使用預(yù)測(cè)的導(dǎo)航衛(wèi)星軌道位置數(shù)據(jù)來(lái)加速和改進(jìn)GPS裝置的位置確定性能。所有預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)處理功能可限于、并局部化于GPS裝置之內(nèi)。
b) GPS裝置上包括軟件或硬件模塊，以實(shí)現(xiàn)種子產(chǎn)生器、傳播器、預(yù)測(cè)緩沖器和AGPS接口代理器的功能，不論是分開(kāi)地或共同地實(shí)現(xiàn)。
c)種子產(chǎn)生器模塊確定GPS衛(wèi)星的位置和速度，并基于在可設(shè)定的時(shí)間間隔上實(shí)際廣播星歷表的本地觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)。
d)種子產(chǎn)生器模塊基于GPS裝置中的可用計(jì)算處理器資源，使用不同的GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)，例如太陽(yáng)壓強(qiáng)、恒定加速度和正弦徑向、交軌和沿軌項(xiàng)。
e)種子產(chǎn)生器模塊將GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)和初始GPS衛(wèi)星位置和速度提供給在同一 GPS裝置中運(yùn)行的傳播器模塊。
f )傳播器模塊在GPS裝置中產(chǎn)生一組包括衛(wèi)星位置和速度的預(yù)測(cè)軌道狀態(tài)向量(OSV)0傳播器是通過(guò)使用由種子產(chǎn)生器函數(shù)提供的GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)，將由種子產(chǎn)生器函數(shù)提供的初始衛(wèi)星位置和速度傳遞到與初始衛(wèi)星位置和速度的時(shí)間不同的時(shí)間而達(dá)成這樣的。軌道的壓縮模型然后以(例如)一組多項(xiàng)式且每一多項(xiàng)式有各自的時(shí)間標(biāo)記的形式而存儲(chǔ)在本地預(yù)測(cè)緩沖器140之中。
g)GPS位置計(jì)算模塊也板載設(shè)置，例如在芯片上，或者可提供作為軟件函數(shù)。通過(guò)將來(lái)自合適模型的數(shù)據(jù)映射到適于GPS計(jì)算模塊的格式，該位置計(jì)算模塊以得自預(yù)測(cè)緩沖器140的輔助數(shù)據(jù)來(lái)工作。
h)通過(guò)將合適的預(yù)測(cè)緩沖器140中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型格式，就可在要求時(shí)導(dǎo)出輔助數(shù)據(jù)，而且所述輔助數(shù)據(jù)可由AGPS接口代理模塊在板載GPS位置計(jì)算模塊要求的時(shí)間和以要求的格式提供到板載GPS位置計(jì)算模塊。
根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的附加特征在于，當(dāng)GPS裝置有外部連接功能可用時(shí)，種子產(chǎn)生器模塊能夠確定GPS衛(wèi)星位置和速度，且可基于在可設(shè)定的時(shí)間間隔上的實(shí)際廣播星歷表的本地觀測(cè)數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程合成或?qū)崟r(shí)的GPS輔助數(shù)據(jù)源來(lái)計(jì)算GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)。
所述方法的額外特征在于，當(dāng)外部連接功能可用時(shí)，初始的衛(wèi)星位置和速度以及GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)可通過(guò)遠(yuǎn)程種子服務(wù)器來(lái)計(jì)算，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或直接接線提供給傳播器。
所述方法的另外的特征在于，種子產(chǎn)生器模塊可使用多種GPS衛(wèi)星力模型來(lái)計(jì)算GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)。傳播器模塊通過(guò)傳播由種子產(chǎn)生器模塊提供的初始衛(wèi)星位置和速度來(lái)產(chǎn)生(位置和速度的)預(yù)測(cè)軌道狀態(tài)向量。
所述方法的另一特征在于，遠(yuǎn)程種子服務(wù)器模塊使用多種GPS衛(wèi)星力模型來(lái)計(jì)算GPS衛(wèi)星力模型參數(shù)；以及傳播器函數(shù)通過(guò)傳播由遠(yuǎn)程種子產(chǎn)生器用更精確的力模型提供的初始衛(wèi)星位置和速度以及修正項(xiàng)來(lái)產(chǎn)生軌道預(yù)測(cè)。
所述方法的另一特征在于，傳播器通過(guò)種子產(chǎn)生器而被提供多個(gè)衛(wèi)星位置和速度以及修正項(xiàng)。
所述方法的另一特征在于，傳播器通過(guò)遠(yuǎn)程種子服務(wù)器而被提供多個(gè)衛(wèi)星位置和速度以及修正項(xiàng)。
所述方法的附加特征在于，所述方法可以這樣實(shí)現(xiàn)，以致于軟件模塊可以在主機(jī)處理器、板載GPS位置計(jì)算單元處理器、或兩者內(nèi)運(yùn)行。
所述方法的額外特征在于，衛(wèi)星導(dǎo)航或定位裝置可以是移動(dòng)式或固定式裝置。
所述方法的另一特征在于，軟件模塊可在不具有板載GPS位置計(jì)算單元的裝置上運(yùn)行。
本發(fā)明提供一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的方法，其包括以下步驟:Ca)提供一 GPS裝置，所述GPS裝置具有射頻天線，所述射頻天線配置成接收與衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)的多個(gè)位置和速度，所述多個(gè)位置和速度在一有效時(shí)間期間內(nèi)有效；(b)所述GPS裝置根據(jù)所述多個(gè)位置和速度來(lái)計(jì)算所述衛(wèi)星的修正加速度；(c)所述GPS裝置使用所述多個(gè)位置和速度以及所述修正加速度來(lái)在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)傳播所述衛(wèi)星的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間發(fā)生在所述有效時(shí)間期間之后；(d)所述GPS裝置使用所述軌道來(lái)確定所述衛(wèi)星的位置。所述多個(gè)位置和所述速度可容納于星歷表之內(nèi)，例如在廣播星歷表之內(nèi)。
在所述GPS裝置上的軟件模塊可用使用所述星歷表產(chǎn)生力模型系數(shù)和軌道狀態(tài)向量。在所述GPS裝置上的傳播軟件模塊計(jì)算所述軌道。在所述軌道被傳播后，所述軌道可用作為多項(xiàng)式儲(chǔ)存于所述GPS裝置的存儲(chǔ)器內(nèi)。所述軌道可轉(zhuǎn)化成合成星歷表，以便供所述GPS裝置用來(lái)確定在有效時(shí)間期間之后所述衛(wèi)星的位置。所述GPS裝置可具有網(wǎng)絡(luò)接口，如果所述網(wǎng)絡(luò)接口與AGPS服務(wù)器相聯(lián)接，所述AGPS服務(wù)器可協(xié)助所述GPS裝置確定所述衛(wèi)星的所述位置；或者所述AGPS服務(wù)器可將種子數(shù)據(jù)傳遞到所述傳播模塊，或向所述GPS裝置提供合成星歷表。
本發(fā)明提供一種GPS裝置，其包括:a)射頻接收器，所述射頻接收器配置成接收與衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)的多個(gè)位置和速度的信息，所述多個(gè)位置和速度在一有效時(shí)間期間內(nèi)有效；b)數(shù)字信號(hào)處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理器配置成解調(diào)所述信息；C)種子產(chǎn)生器，所述種子產(chǎn)生器配置成根據(jù)所述多個(gè)位置和速度來(lái)計(jì)算所述衛(wèi)星的修正加速度；以及d)傳播器，所述傳播器配置成使用所述多個(gè)位置和速度以及所述修正加速度來(lái)在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)傳播所述衛(wèi)星的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間在所述有效時(shí)間期間之后。
所述多個(gè)位置和所述速度可容納于星歷表之內(nèi)，例如廣播星歷表。所述種子產(chǎn)生器可進(jìn)一步配置成用所述星歷表產(chǎn)生力模型系數(shù)和軌道狀態(tài)向量。所述GPS裝置可進(jìn)一步包括存儲(chǔ)器，以便在所述軌道被傳播后將所述軌道儲(chǔ)存。GPS裝置也可具有AGPS接口模塊，所述AGPS接口模塊配置成將所述軌道轉(zhuǎn)化成合成星歷表，以便確定在有效時(shí)間期間之后所述衛(wèi)星的位置。所述GPS裝置還可具有網(wǎng)絡(luò)接口，所述網(wǎng)絡(luò)接口配置成與AGPS服務(wù)器相聯(lián)接，以便接受所述AGPS服務(wù)器的幫助。在該種情況下，所述傳播模塊可配置成從所述AGPS服務(wù)器接收種子數(shù)據(jù)；或者所述GPS裝置可具有網(wǎng)絡(luò)接口，所述網(wǎng)絡(luò)接口配置成從所述AGPS服務(wù)器接收合成星歷表。
本發(fā)明提供一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的方法，其包括以下的步驟:Ca)提供具有GNSS功能的裝置，所述裝置具有射頻天線，所述射頻天線配置成接收與衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)的多個(gè)位置和速度，所述多個(gè)位置和速度于有效時(shí)間期間內(nèi)有效；(b)所述裝置根據(jù)所述多個(gè)位置和速度來(lái)計(jì)算所述衛(wèi)星的修正加速度；(C)所述裝置使用所述多個(gè)位置和速度以及所述修正加速度來(lái)傳播所述衛(wèi)星在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間在所述有效時(shí)間期間之后；和((1)所述裝置使用所述軌道來(lái)確定所述衛(wèi)星的位置。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的自輔助GPS架構(gòu)的框圖2所示為表示出根據(jù)本發(fā)明的種子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表；
圖3所示為表示出根據(jù)本發(fā)明的合成輔助數(shù)據(jù)記錄結(jié)構(gòu)的表；
圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的可訪問(wèn)種子服務(wù)器的自輔助GPS架構(gòu)的框圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的GPS裝置的框圖6所示為根據(jù)本發(fā)明的GPS裝置傳播軌道傳播模型的過(guò)程的流程圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的可訪問(wèn)種子服務(wù)器的GPS裝置傳播軌道傳播模型的過(guò)程的流程圖；以及
圖8所示為衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)中的非徑向分量誤差的影響。
具體實(shí)施方式
在本文中，下列術(shù)語(yǔ)具有以下含義:
“AGPS接口代理”表示一種軟件或硬件模塊，其用于將預(yù)測(cè)緩沖器轉(zhuǎn)換成格式可被AGPS模塊接受的合成星歷表；
“AGPS模塊”表示一種軟件或硬件模塊，例如芯片組，其用于管理對(duì)GPS裝置的輸入，例如實(shí)際或合成星歷表，或時(shí)間頻率和估計(jì)的衛(wèi)星位置；
“AGPS服務(wù)器”表示一種服務(wù)器，其產(chǎn)生可供與AGPS服務(wù)器通信的GPS裝置上的種子產(chǎn)生器或傳播器使用的輔助數(shù)據(jù)；
“GPS裝置”表示一種物體，其具有GPS接收器和相關(guān)的數(shù)字處理器以用于接收和處理來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)。GPS裝置可以是手持式，或者可以是較大結(jié)構(gòu)例如車(chē)輛的部件；
“軌道狀態(tài)向量”是指一種向量，其包含與衛(wèi)星于特定時(shí)間間隔的位置和速度相關(guān)的信息；
“傳播器”是指一種硬件或軟件模塊，其用種子數(shù)據(jù)作為輸入來(lái)計(jì)算軌道狀態(tài)向量;
“預(yù)測(cè)緩沖器”是指一種存儲(chǔ)器，其用于存儲(chǔ)一組將每一時(shí)間間隔的衛(wèi)星軌道弧參數(shù)化的預(yù)測(cè)模型；
“種子產(chǎn)生器”是指一種軟件或硬件模塊，其根據(jù)多種加時(shí)間標(biāo)記的衛(wèi)星位置和速度，例如星歷表，來(lái)計(jì)算供傳播器使用的種子數(shù)據(jù)；
“種子數(shù)據(jù)”是指對(duì)應(yīng)于力模型的一組系數(shù)和用于預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的一初始狀態(tài)向量；
“種子服務(wù)器”是指一種AGPS服務(wù)器，其產(chǎn)生可供與AGPS服務(wù)器通信的GPS裝置上的傳播器使用的種子數(shù)據(jù)；以及
“合成星歷表”是指一種根據(jù)預(yù)測(cè)的軌道狀態(tài)向量產(chǎn)生的星歷表，而不是直接從衛(wèi)星接收的星歷表。
雖然本文是用GPS裝置的詞語(yǔ)來(lái)論述本發(fā)明，但其它GNSS也可與本文所揭示的系統(tǒng)和方法一起使用。
本發(fā)明使用GPS或其它全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)廣播星歷表的觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生(利用種子產(chǎn)生器110) GPS裝置200中的稱(chēng)為傳播器120的軌道傳播建模器(orbit propagationmodeler)的輸入。傳播器120然后就可預(yù)測(cè)或合成用于預(yù)測(cè)衛(wèi)星未來(lái)位置的輔助數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)的精度受限于種子產(chǎn)生器110所用的觀測(cè)數(shù)量和間隔、在GPS裝置200內(nèi)實(shí)現(xiàn)的傳播器120的保真性、不能精確地將作用于GPS衛(wèi)星的力模型化的程度、以及傳播器120內(nèi)使用的初始位置和速度的精度。傳播器120使用地球、月球和太陽(yáng)引力以及太陽(yáng)壓強(qiáng)(pressure)力模型。所述太陽(yáng)壓強(qiáng)力模型是唯一取決于GPS星座的力，因?yàn)椴煌?lèi)型衛(wèi)星具有不同的質(zhì)量，并且受撞擊其表面的光子的影響不同，所以不同的衛(wèi)星要求不同的模型。對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)，除了上述的太陽(yáng)壓強(qiáng)模型，所述的方法同樣等同地適用于其它GPS星座。軌道確定和預(yù)測(cè)技術(shù)是本領(lǐng)域公知的，例如可參見(jiàn)Escobal的“Methods of Orbit Determination (軌道確定方法)”，以便了解詳情。
本發(fā)明將軌道預(yù)測(cè)的責(zé)任交予種子產(chǎn)生器110和傳播器120，兩者皆容納于GPS裝置200之內(nèi)，正如圖5所示。GPS裝置200還包括射頻接收器510 (和相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理器)、AGPS模塊130、AGPS接口代理器150、處理器520和存儲(chǔ)器530 (其包括預(yù)測(cè)緩沖器140)。GPS裝置還可具有網(wǎng)絡(luò)接口 540，以便與AGPS服務(wù)器180通信。種子產(chǎn)生器110可使用單一的廣播星歷表讀數(shù)，或多達(dá)任何數(shù)量的相繼的廣播星歷表數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生種子數(shù)據(jù)，其然后用作為傳播器120的輸入來(lái)產(chǎn)生軌道狀態(tài)向量。圖1示出了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。
在完全自主的模式下，即在GPS裝置沒(méi)有外部連接能力，例如網(wǎng)絡(luò)接口 540的情況下，或者GPS裝置具有網(wǎng)絡(luò)接口 540，但其無(wú)法連接AGPS服務(wù)器180的情況下，所述方法的基本步驟如下(如圖6所示):
1.當(dāng)GPS裝置200通電及AGPS芯片組130從RF信號(hào)解調(diào)廣播星歷表數(shù)據(jù)時(shí)，使種子產(chǎn)生器Iio于特定的、可配置的時(shí)間間隔(如每6小時(shí)，或每12小時(shí)一次，等等)下得到所述的廣播星歷表的拷貝(步驟600)。
2.種子產(chǎn)生器110將這些廣播星歷表的觀測(cè)數(shù)據(jù)從其開(kāi)普勒模型表達(dá)式轉(zhuǎn)換成其當(dāng)前適用的軌道表達(dá)式(即位置，速度)，并開(kāi)始基于與未來(lái)衛(wèi)星軌道位置和速度預(yù)測(cè)最匹配的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算一組力模型系數(shù)(步驟610)。種子產(chǎn)生器110將這匯編入種子數(shù)據(jù)，包括軌道狀態(tài)向量和所得的力模型系數(shù)(步驟620 )。
3.將所述種子數(shù)據(jù)提供給傳播器120 (步驟625)。傳播器120然后為包含在種子數(shù)據(jù)內(nèi)的每一人造衛(wèi)星計(jì)算軌道狀態(tài)向量(步驟630 )。所述軌道狀態(tài)向量可在任何給定的時(shí)間間隔上進(jìn)行計(jì)算，例如15分鐘的歷元。傳播器120以后臺(tái)任務(wù)的方式在GPS裝置200內(nèi)進(jìn)行所述計(jì)算，并將緩沖存儲(chǔ)器140內(nèi)的所得預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存為多項(xiàng)式，例如表示四小時(shí)時(shí)限的10階多項(xiàng)式，根據(jù)該多項(xiàng)式就可容易地計(jì)算出軌道狀態(tài)向量(步驟640)。預(yù)測(cè)緩沖器140可做成特定的大小，以便能存儲(chǔ)任何要求時(shí)間長(zhǎng)度的多項(xiàng)式，但其大小通常做成為適用于要求的預(yù)測(cè)精度或有效期限，即提前多達(dá)3天或4天。預(yù)測(cè)緩沖器140通常實(shí)現(xiàn)為非易失性存儲(chǔ)器，以致于其包含的數(shù)據(jù)在GPS裝置200下次通電時(shí)能立即使用。
4.在可配置的時(shí)間間隔一通常為每15分鐘，或當(dāng)AGPS模塊130要求輔助數(shù)據(jù)時(shí)，例如，在超出容錯(cuò)時(shí)，AGPS接口代理器150檢索適用的多項(xiàng)式，將其轉(zhuǎn)換成當(dāng)前時(shí)間的軌道狀態(tài)向量，然后再將其轉(zhuǎn)回到其等效的廣播星歷表開(kāi)普勒數(shù)據(jù)格式，并將最后所得的合成輔助數(shù)據(jù)通過(guò)接口注回入AGPS模塊130 (步驟650)。該合成輔助數(shù)據(jù)實(shí)際上包含了實(shí)際廣播星歷表系數(shù)的子集，并且其ToE (星歷表時(shí)間)是可配置的，通常會(huì)設(shè)置為于15分鐘內(nèi)到期。
5.AGPS模塊130然后會(huì)首先使用合成輔助，假如對(duì)任何特定衛(wèi)星沒(méi)有有效的真實(shí)廣播星歷表的話(步驟660)，但是當(dāng)真實(shí)廣播星歷表最終從RF信號(hào)接收和解調(diào)后，就會(huì)以真實(shí)廣播星歷表取代合成輔助(步驟670)。
一般而言，隨著更多的廣播星歷表讀數(shù)被讀取，合成輔助數(shù)據(jù)會(huì)變得更加準(zhǔn)確。該過(guò)程的開(kāi)始是通過(guò)使用來(lái)自GPS衛(wèi)星的廣播星歷表的第一次已知的位置和速度作為種子產(chǎn)生器110和傳播器120的輸入，該過(guò)程使用物理力模型，以便容許根據(jù)觀測(cè)的廣播星歷表(或根據(jù)不同的星歷表源，例如從輔助數(shù)據(jù)，假如GPS裝置具有網(wǎng)絡(luò)接口 540的話)對(duì)第二位置進(jìn)行數(shù)值積分。第一位置具有的初始速度可以定標(biāo)成轉(zhuǎn)到合理地接近第二位置。所述速度的正負(fù)號(hào)和標(biāo)度取決于徑向誤差的正負(fù)號(hào)和幅度。對(duì)于較長(zhǎng)的弧而言，初始速度向量可能不得不沿著垂直于初始速度向量和軌道平面的軸線來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)，但在任何情況下，初始速度只有2種自由度:幅度和旋轉(zhuǎn)角度。隨著時(shí)間的推移，可取得多個(gè)廣播星歷表讀數(shù)，而所述讀數(shù)可由種子產(chǎn)生器110和傳播器120用于改進(jìn)種子數(shù)據(jù)隨著時(shí)間推移的準(zhǔn)確性。多個(gè)廣播讀數(shù)，從I到η (η為任何整數(shù))可以按照任何時(shí)間分隔，但最好是有超過(guò)12或24小時(shí)的多個(gè)讀數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)種子產(chǎn)生器110和傳播器120所用的速度向量，以便產(chǎn)生用于未來(lái)數(shù)天的種子數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)的軌道計(jì)算使用可用的最完整的力模型，其可對(duì)跟蹤數(shù)據(jù)提供最佳的軌道擬合。通常，當(dāng)使用越強(qiáng)、越準(zhǔn)確的力模型時(shí)，作為結(jié)果的軌道計(jì)算就越準(zhǔn)確。該種強(qiáng)和準(zhǔn)確的力模型集可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在跟蹤數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間之后的未來(lái)時(shí)間的衛(wèi)星位置和速度。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法而言，力模型的復(fù)雜性可在任何水平，而GPS裝置200上的傳播器120可以使用完整和強(qiáng)的力模型的子集來(lái)降低處理器520負(fù)荷。
為了進(jìn)一步提高軌道預(yù)測(cè)的精度，可通過(guò)迭代法來(lái)調(diào)節(jié)未模型化的徑向和沿軌加速度的廣義加速度，以便可使用類(lèi)似于在例如Montenbruck and Gill的“Methods ofOrbit Determination (軌道確定方法)”文獻(xiàn)中所用的方法來(lái)任意地轉(zhuǎn)到接近于目標(biāo)的第二點(diǎn)。交軌加速度誤差可很好地模型化及具有最小的影響，因而不需要用假想的向量來(lái)表示。雖然GPS中間地球軌道衛(wèi)星的廣播星歷表的測(cè)距誤差通常小于3米，但可能具有較大的約12米的沿軌預(yù)測(cè)誤差。這些沿軌誤差(如圖8所示)與徑向誤差(其大體為地面GPS裝置的測(cè)距誤差的一部分)一起通過(guò)假想加速度來(lái)模型化。
圖8示出了兩個(gè)極端的情況，一種是當(dāng)衛(wèi)星(于四個(gè)地球半徑外)直接在頭頂上時(shí)，在這種情況下，非徑向誤差不會(huì)影響視線測(cè)距誤差；而另一種是當(dāng)衛(wèi)星在用戶(hù)的地平面的情況下，只有四分之一的非徑向誤差會(huì)投射入視線誤差中。
種子產(chǎn)生器110匯編種子數(shù)據(jù)1，其結(jié)合待由傳播器120使用的軌道狀態(tài)向量與力模型系數(shù)。種子數(shù)據(jù)的典型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)可如圖2所示那樣。
一旦種子產(chǎn)生器110收到通常是用于隨后4個(gè)小時(shí)的至少一個(gè)有效的廣播星歷表，種子產(chǎn)生器Iio執(zhí)行一種過(guò)程，以便使來(lái)自傳播器120的軌道預(yù)測(cè)精度最優(yōu)化。在所述過(guò)程的每一步驟中，種子產(chǎn)生器110估算力模型系數(shù)，以便相對(duì)于觀測(cè)的廣播星歷表來(lái)計(jì)算最壞的徑向和沿軌誤差。所輸出的種子數(shù)據(jù)具有包括以下系數(shù)的結(jié)構(gòu)(如圖2所示):
.太陽(yáng)壓強(qiáng):
oCr [O]和 Cr [I] (y_ 偏差值，及 x_z 分量)
.恒定加速度項(xiàng):
ο 沿軌加速度:aAccelConst,
ο 交軌加速度:cAccelConst
ο 徑向加速度:rAccelConst
.以及一組正弦項(xiàng):
ο 沿軌:aAccelS[2] ;aAccelC[2]，其具有周期 I, 2 軌道
ο 交軌:cAccelS[2] ;cAccelC[2]，其具有周期 2，4 軌道
ο 徑向:rAccelS[2] ;rAccelC[2]，其具有周期 1，2 軌道
取決于GPS裝置200中可用的計(jì)算資源，種子產(chǎn)生器110可以計(jì)算以上部分或所有的系數(shù)。然而，最低限度會(huì)計(jì)算下列系數(shù):
.恒定加速度項(xiàng):
ο 沿軌加速度:aAccelConst,
.以及正弦項(xiàng):
ο 徑向:rAccelS
；rAccelC
ο 沿軌:aAccelS
；aAccelC
此外，來(lái)自廣播星歷表觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間和時(shí)鐘參數(shù)都會(huì)包含于種子數(shù)據(jù)內(nèi)。
對(duì)于最簡(jiǎn)型的種子數(shù)據(jù)和相關(guān)系數(shù)，該過(guò)程的主要步驟如下，其中以地心慣性術(shù)語(yǔ)來(lái)表示:
I)以第一個(gè)六小時(shí)內(nèi)的徑向誤差為依據(jù)，迭代地將初始速度α (自廣播星歷表)調(diào)節(jié)成低于要求的閾值，通常設(shè)定在5米。一旦實(shí)現(xiàn)，將該速度稱(chēng)為以及轉(zhuǎn)移到下一步驟。
2)優(yōu)化正弦徑向加速度(周期=1軌道):
a)表不 A cos (cot)+B sin (cot) =C cos (ω t+ δ ), gp ω 的幅度和相位。假設(shè)C=le_8ms_2。用C=le_8ms_2為不同的相位δ廣.δ m計(jì)算主要的徑向誤差，并且保留可使徑向誤差最小化的相位5opt。
b)使用δ _，在C上進(jìn)行優(yōu)化，以獲取使徑向誤差最小化的(；pt。
c)如果先前計(jì)算出最壞情況的沿軌誤差 > 閾值，則施加沿軌加速度Α，直至達(dá)到最大的迭代次數(shù)，或者直到最壞情況的沿軌誤差〈要求的閾值，在此時(shí)確定Α_。
3)力模型系數(shù)a opt> δ opt,Copt和A_然后被沿軌結(jié)合到狀態(tài)向量中作為部分的種子數(shù)據(jù)。當(dāng)傳播器120使用種子數(shù)據(jù)時(shí)，其可以將施加到軌道的徑向和沿軌部分中的V。、CoptCos (ω t+ δ opt)和Atjpt來(lái)傳播每一衛(wèi)星的軌道。
來(lái)自預(yù)測(cè)緩沖器140中存儲(chǔ)的多項(xiàng)式的預(yù)測(cè)軌道狀態(tài)向量通過(guò)AGPS接口代理器150轉(zhuǎn)回到開(kāi)普勒模型。由此產(chǎn)生的合成輔助數(shù)據(jù)然后格式化成為看來(lái)與廣播星歷表導(dǎo)航模型數(shù)據(jù)記錄在饋入AGPS模塊之前相同的格式，只是在一些字段是預(yù)測(cè)的同時(shí)，其它的非預(yù)測(cè)字段皆設(shè)定為常數(shù)或零。視乎AGPS芯片組130要求的或能夠處理的格式，典型的實(shí)施例可導(dǎo)致如圖3所示的會(huì)饋入AGPS芯片組130的合成輔助數(shù)據(jù)記錄結(jié)構(gòu)。
例如，參照?qǐng)D3，af\取自最新的星歷表，而B(niǎo)ftl為在新T。。值的時(shí)鐘校正值，以及T。。參數(shù)被設(shè)成相等于TTO。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的優(yōu)勢(shì)在于減輕GPS裝置上的計(jì)算負(fù)荷。例如，月球和太陽(yáng)加速度到地心地球固定參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換的完成無(wú)需典型的轉(zhuǎn)換序列WRNP (其中W是極移，R是格林威治表觀恒星角，N是盤(pán)旋角以及P是歲差)。通常，W可從國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(International Earth Rotation Service)下載(或估算)，而 R 可通過(guò)在 ’ UT1’ 和 UTC之間的緩慢變化偏差值(同樣可下載或估算)來(lái)進(jìn)行修正。然而，本發(fā)明并不需要使用這些修正，只是單單使用R而不會(huì)估算UTl - UTC偏移值(目前為 14秒);相反地，任何相關(guān)的誤差由上述的正弦加速度所吸收。
其它可用的計(jì)算方法包括:
1.使用多項(xiàng)式模型(有效期4天)來(lái)模擬太陽(yáng)/月亮星歷表。所述模型可以移植到定點(diǎn)數(shù)學(xué)，以便進(jìn)行月亮/太陽(yáng)國(guó)際天球參考系(ICRS)位置計(jì)算；
2.相對(duì)于每循環(huán)一次或兩次的徑向和沿軌正弦擾動(dòng)，確定部份的徑向和沿軌加速度誤差的分析方程；
3.相對(duì)于一組給定的位置，確定在初始速度上的微小變化對(duì)徑向和沿軌加速度誤差的影響；以及
4.使用Glonass導(dǎo)航消息傳播已超過(guò)Glonass系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的I小時(shí)有效期的軌道。所述的Glonass導(dǎo)航信息將初始速度數(shù)字轉(zhuǎn)換成24比特，并使用精度較低的力模型(t匕本發(fā)明所用的低)來(lái)優(yōu)化計(jì)算，從而產(chǎn)生約一小時(shí)有效的星歷表。要使用本發(fā)明中的力模型和GPS星歷表格式，只需通過(guò)赫爾默特變換(也稱(chēng)為7參數(shù)變換)將Glonass廣播位置和速度從PZ90參考橢圓體映射到WGS84橢圓體。
在處理器520上可串行地產(chǎn)生種子數(shù)據(jù)，不過(guò)，利用小的超高速緩存(例如7KB)可并行地產(chǎn)生種子數(shù)據(jù)。如果要串行地產(chǎn)生種子數(shù)據(jù)，可使用較大的超高速緩存(例如48KB)。
可使用雙超高速緩存技術(shù)，其中在第一種子數(shù)據(jù)被傳播時(shí)，儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器530的緩沖器中的每一種子數(shù)據(jù)由新的種子數(shù)據(jù)改寫(xiě)；不過(guò)，兩個(gè)種子都會(huì)被寫(xiě)入同一預(yù)測(cè)緩沖器140的不同存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。新星歷表的輸入會(huì)更新緩沖器中的兩個(gè)種子數(shù)據(jù)集的時(shí)鐘。
除了使用廣播星歷表作為傳播器120的輸入，該系統(tǒng)還允許合成輔助數(shù)據(jù)在AGPS服務(wù)器180中產(chǎn)生并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連線下載以用作傳播器120的輸入。該實(shí)施例在GPS裝置200不能獲得廣播星歷表的環(huán)境中很有用。如果實(shí)時(shí)或合成輔助數(shù)據(jù)可得的話，使用實(shí)時(shí)或合成輔助數(shù)據(jù)的另一優(yōu)勢(shì)為，可將完整的衛(wèi)星星座的星歷表立刻提供給傳播器120，改進(jìn)傳播器120的性能。從AGPS服務(wù)器180下載的數(shù)據(jù)可以是多種格式的，使GPS裝置200可產(chǎn)生其本身的，長(zhǎng)期準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。該實(shí)施例的大體結(jié)構(gòu)在圖4中示出。
在AGPS的實(shí)施例中，種子產(chǎn)生器110的輸入選項(xiàng)可擴(kuò)充到包括來(lái)自外部AGPS服務(wù)器180的實(shí)時(shí)或合成輔助數(shù)據(jù)。在完全自主的GPS裝置的情況下，與實(shí)際觀察相比，所述的輔助數(shù)據(jù)可提供更完整的衛(wèi)星星座視圖，從而使種子產(chǎn)生器110可產(chǎn)生適用于更多衛(wèi)星的種子數(shù)據(jù)。如果AGPS服務(wù)器180如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.11/740，206 (其整體在此結(jié)合件為參考)所述為種子服務(wù)器，則由AGPS服務(wù)器180提供的種子數(shù)據(jù)也可用作傳播器120的輸入。由于來(lái)自種子服務(wù)器的種子數(shù)據(jù)在更強(qiáng)勁的處理器上產(chǎn)生以及會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間(如7天)內(nèi)有效，所述種子數(shù)據(jù)可使傳播器120比GPS裝置200上的種子產(chǎn)生器110計(jì)算出更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。但是，如果AGPS服務(wù)器180沒(méi)有新的輔助數(shù)據(jù)，GPS裝置200可返回到種子產(chǎn)生器110以及繼續(xù)以自主模式運(yùn)作。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，任何基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)或合成輔助數(shù)據(jù)的耐久性和可用性皆可使用，假如可以得到所述數(shù)據(jù)的話。
GPS裝置對(duì)星歷表的測(cè)距精度(URA)可以由GPS裝置200計(jì)算，其中會(huì)考慮到時(shí)鐘老化和軌道精度。計(jì)算URA所用的方法會(huì)取決于所述種子數(shù)據(jù)是由GPS裝置200自生的還是從AGPS服務(wù)器180接收的。在自生種子數(shù)據(jù)的情況下，正如圖8所示，URA為最大徑向誤差或者四分之一的非徑向誤差的線性外推。
圖7所示為GPS裝置200使用來(lái)自種子服務(wù)器的AGPS輔助的過(guò)程，其包括以下的步驟:
1.當(dāng)GPS裝置200通電及AGPS芯片組130從RF信號(hào)解調(diào)廣播星歷表數(shù)據(jù)時(shí)，使種子產(chǎn)生器Iio于特定的、可配置的時(shí)間間隔(如每6小時(shí)，或每12小時(shí)一次，等等)下得到所述的廣播星歷表的拷貝一如果所述廣播星歷表可以得到話(步驟700)。
2.種子產(chǎn)生器110將這些廣播星歷表的觀測(cè)數(shù)據(jù)從其開(kāi)普勒模型表達(dá)式轉(zhuǎn)換成其當(dāng)前適用的軌道表達(dá)式(即位置，速度)，并開(kāi)始基于與未來(lái)衛(wèi)星軌道位置和速度最匹配的真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算一組力模型系數(shù)(步驟710)。種子產(chǎn)生器110將這匯編入種子數(shù)據(jù)，包括軌道狀態(tài)向量和所得的力模型系數(shù)(步驟720)。
3.將所述種子數(shù)據(jù)提供給傳播器120(步驟725)。將來(lái)自AGPS服務(wù)器(如果其為種子服務(wù)器的話)的種子數(shù)據(jù)也提供給傳播器120，如果所述種子數(shù)據(jù)可得的話(步驟728)。傳播器120然后為包含在種子數(shù)據(jù)內(nèi)的每一人造衛(wèi)星計(jì)算軌道狀態(tài)向量(步驟730)。所述軌道狀態(tài)向量可在任何給定的時(shí)間間隔上進(jìn)行計(jì)算，例如15分鐘的時(shí)間間隔。傳播器120以后臺(tái)任務(wù)的方式在GPS裝置200內(nèi)進(jìn)行所述計(jì)算，并將所得的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)以多項(xiàng)式儲(chǔ)存在緩沖存儲(chǔ)器140內(nèi)，所述多項(xiàng)式可轉(zhuǎn)換成軌道狀態(tài)向量(步驟740)。預(yù)測(cè)緩沖器140可做成特定的大小，以便能存儲(chǔ)任何要求時(shí)間長(zhǎng)度的多項(xiàng)式，但其大小通常做成為適用于要求的預(yù)測(cè)精度或有效期限，即提前多達(dá)3天或4天。預(yù)測(cè)緩沖器140通常實(shí)現(xiàn)為非易失性存儲(chǔ)器，以致于其包含的數(shù)據(jù)在GPS裝置200下次通電時(shí)能立即使用。
4.在可配置的時(shí)間間隔一通常為每15分鐘，或當(dāng)AGPS模塊130要求輔助數(shù)據(jù)時(shí)，例如，在超出容錯(cuò)時(shí)，AGPS接口代理器150檢索適用的多項(xiàng)式，將其轉(zhuǎn)換成當(dāng)前時(shí)間的軌道狀態(tài)向量，然后再將其轉(zhuǎn)回到其等效的廣播星歷表開(kāi)普勒數(shù)據(jù)格式，并將最后所得的合成輔助數(shù)據(jù)通過(guò)接口注回入AGPS模塊130 (步驟750)。該合成輔助數(shù)據(jù)實(shí)際上包含了真實(shí)廣播星歷表系數(shù)的子集，并且其ToE (星歷表時(shí)間)是可配置的，通常會(huì)設(shè)置為于15分鐘內(nèi)到期。
5.AGPS模塊130然后會(huì)首先使用合成輔助，假如任何特定衛(wèi)星沒(méi)有有效的真實(shí)廣播星歷表的話(步驟760)，但是當(dāng)真實(shí)廣播星歷表最終從RF信號(hào)接收和解調(diào)后，就會(huì)以真實(shí)廣播星歷表取代合成輔助(步驟770)。
本發(fā)明的主要基本原理和特征包括但不限于:
.衛(wèi)星導(dǎo)航或定位裝置，例如GPS裝置200，可以自主地預(yù)測(cè)和產(chǎn)生其自己的輔助數(shù)據(jù)而不用從外部網(wǎng)絡(luò)接線要求外來(lái)援助。
.GPS裝置200具有種子產(chǎn)生器110和傳播器120，以便進(jìn)行衛(wèi)星軌道位置和速度預(yù)測(cè)。
.種子產(chǎn)生器110和軌道傳播器120可視乎GPS裝置處理器的性能和應(yīng)用需求來(lái)使用具有不同復(fù)雜度和精度的軌道預(yù)測(cè)模型。
.種子產(chǎn)生器110使用一系列的衛(wèi)星位置和一初始速度來(lái)為GPS裝置200中的軌道傳播器120制備輸入。
.如果GPS裝置200具有外部網(wǎng)絡(luò)接口 540，則外部輔助數(shù)據(jù)，無(wú)論是實(shí)時(shí)或合成的，可選擇性地作為種子產(chǎn)生器110和軌道傳播器120的輸入。
.與現(xiàn)有的外部輔助技術(shù)相比，例如與輔助GPS相比，可減少或排除網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量開(kāi)銷(xiāo)。
.根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法適用于任何衛(wèi)星導(dǎo)航或定位系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法適用于任何類(lèi)型的GPS裝置/接收器，固定或移動(dòng)式皆可。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可在任何通信網(wǎng)絡(luò)上以互補(bǔ)的方式與GPS和AGPS技術(shù)一起使用。
雖然為了說(shuō)明而詳述了本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例，但應(yīng)該明白，所揭示裝置的變型和改型皆落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的方法，所述方法包括: 在GNSS裝置的RF天線處，接收與衛(wèi)星關(guān)聯(lián)的位置數(shù)據(jù)和速度，所述位置數(shù)據(jù)和速度在一有效時(shí)間期間內(nèi)有效； 所述GNSS裝置，在所述有效時(shí)間期間內(nèi)的時(shí)間，計(jì)算修正，所述修正用于減少所述衛(wèi)星的預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度與所述衛(wèi)星的所述位置數(shù)據(jù)和所述速度之間的誤差，所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和所述預(yù)測(cè)速度是使用存儲(chǔ)于所述GNSS裝置的存儲(chǔ)器中的先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量所確定的； 所述GNSS裝置使用基于所述修正所調(diào)節(jié)的力模型系數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前軌道狀態(tài)向量并將所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)器中，所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量被用作初始狀態(tài)，用于傳播所述衛(wèi)星在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間在所述有效時(shí)間期間之后；且 所述GNSS裝置使用所述軌道來(lái)確定所述衛(wèi)星的位置。
2.一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星軌道的方法，所述方法包括: 在GNSS裝置的RF天線處，接收與衛(wèi)星關(guān)聯(lián)的位置數(shù)據(jù)和速度，所述位置數(shù)據(jù)和所述速度在一有效時(shí)間期間內(nèi)有效； 所述GNSS裝置，在所述有效時(shí)間期間內(nèi)的時(shí)間，計(jì)算修正，所述修正用于減少所述衛(wèi)星的預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度與所述衛(wèi)星的所述位置數(shù)據(jù)和所述速度之間的誤差，所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和所述預(yù)測(cè)速度是使用存儲(chǔ)于所述GNSS裝置的存儲(chǔ)器中的先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量所確定的；且 所述GNSS裝置使用基于所述修正所調(diào)節(jié)的力模型系數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前軌道狀態(tài)向量并將所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量存 儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)器中，所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量被用作初始狀態(tài)，用于傳播所述衛(wèi)星在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間在所述有效時(shí)間期間之后。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述GNSS裝置是GPS裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述有效時(shí)間期間屆滿時(shí)，所述GPS裝置使用所傳播的軌道來(lái)確定所述衛(wèi)星的位置。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述有效時(shí)間期間內(nèi)，所述GPS裝置使用所述位置數(shù)據(jù)和速度來(lái)確定所述衛(wèi)星的位置。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述位置數(shù)據(jù)和所述速度容納于一星歷表之內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述星歷表為廣播星歷表。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述衛(wèi)星的所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和所述預(yù)測(cè)速度與所述衛(wèi)星的所述位置數(shù)據(jù)和所述速度之間的所述誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量作為多項(xiàng)式被存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)器中。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，通過(guò)所述GPS裝置，所述多項(xiàng)式被轉(zhuǎn)化成合成星歷表從而確定所述衛(wèi)星的位置。
11.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述GPS裝置的網(wǎng)絡(luò)接口與AGPS服務(wù)器相聯(lián)接時(shí)，當(dāng)所述有效時(shí)間期間屆滿時(shí)，所述APGS服務(wù)器提供合成星歷表至所述GPS裝置。
12.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，迭代地計(jì)算所述力模型系數(shù)。
13.一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的方法，所述方法包括: GNSS裝置使用用力模型計(jì)算的軌道狀態(tài)向量來(lái)傳播所述衛(wèi)星的軌道，所述力模型的系數(shù)在由所述GNSS裝置的RF天線接收的廣播星歷表的有效時(shí)間期間內(nèi)的時(shí)間所計(jì)算的，計(jì)算所述系數(shù)來(lái)減少容納于所述廣播星歷表內(nèi)的位置數(shù)據(jù)和速度與使用先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量為相同時(shí)間而計(jì)算的預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度之間的誤差；且 當(dāng)所述有效時(shí)間屆滿時(shí)，使用所述軌道確定所述衛(wèi)星的位置。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述GNSS裝置是GPS裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
16.一種GPS裝置，包括: RF接收器，用于接收與衛(wèi)星關(guān)聯(lián)的位置數(shù)據(jù)和速度，所述位置數(shù)據(jù)和所述速度在一有效時(shí)間期間內(nèi)有效；· 處理器，在所述有效時(shí)間期間內(nèi)的時(shí)間，用于計(jì)算修正，所述修正用于減少所述衛(wèi)星的預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度與所述衛(wèi)星的所述位置數(shù)據(jù)和所述速度之間的誤差，所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和所述預(yù)測(cè)速度是使用存儲(chǔ)于所述GPS裝置的存儲(chǔ)器中的先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量所確定的，且所述處理器用于使用基于所述修正所調(diào)節(jié)的力模型系數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前軌道狀態(tài)向量；和 用于存儲(chǔ)所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量的存儲(chǔ)器； 其中所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量用于傳播所述衛(wèi)星在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間在所述有效時(shí)間期間之后。
17.如權(quán)利要求16所述的GPS裝置，其特征在于，在所述衛(wèi)星的所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和所述預(yù)測(cè)速度與所述衛(wèi)星的所述位置數(shù)據(jù)和所述速度之間的所述誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
18.一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的方法，所述方法包括: 在GNSS裝置的RF天線處，接收與衛(wèi)星關(guān)聯(lián)的星歷表，所述星歷表在一有效時(shí)間期間內(nèi)有效； 使用所述星歷表，在所述有效時(shí)間期間上，所述GNSS裝置計(jì)算多個(gè)時(shí)間間隔的所述衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)和速度； 所述GNSS裝置，在所述有效時(shí)間期間內(nèi)的時(shí)間，計(jì)算多個(gè)修正加速度項(xiàng)，所述修正加速度項(xiàng)用于減少所述衛(wèi)星的預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度與在所述有效時(shí)間期間上的所述多個(gè)時(shí)間間隔的每一個(gè)處的所述衛(wèi)星的由星歷表導(dǎo)出的位置數(shù)據(jù)和速度之間的誤差，所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度是使用存儲(chǔ)于所述GNSS裝置的存儲(chǔ)器中的多個(gè)先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量所確定的； 所述GNSS裝置使用基于所述多個(gè)修正加速度項(xiàng)所調(diào)節(jié)的力模型系數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前軌道狀態(tài)向量并將所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)器中，所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量被用作初始狀態(tài)，用于傳播所述衛(wèi)星在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間在所述有效時(shí)間期間之后；且 所述GNSS裝置使用所述軌道確定所述衛(wèi)星的所述位置。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述GNSS裝置是GPS裝置。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述有效時(shí)間期間屆滿時(shí)，所述GPS裝置使用所傳播的軌道來(lái)確定所述衛(wèi)星的位置。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，在所述有效時(shí)間期間內(nèi)，所述GPS裝置使用所述位置數(shù)據(jù)和速度來(lái)確定所述衛(wèi)星的所述位置。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述星歷表為廣播星歷表。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述星歷表為合成星歷表。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，在所述衛(wèi)星的所述多個(gè)預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和所述多個(gè)速度與所述衛(wèi)星的所述多個(gè)由星歷表導(dǎo)出的位置數(shù)據(jù)和速度之間的誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量和先前的時(shí)間期間的軌道狀態(tài)向量作為多項(xiàng)式被存儲(chǔ)于所述存儲(chǔ)器中。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，通過(guò)所述GPS裝置，所述多項(xiàng)式被轉(zhuǎn)化成合成星歷表從而確定所述衛(wèi)星的位置。
27.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述GPS的網(wǎng)絡(luò)接口與AGPS服務(wù)器相聯(lián)接時(shí)，當(dāng)所述有效時(shí)間期間屆 滿時(shí)，所述APGS服務(wù)器提供合成星歷至所述GPS裝置。
28.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，迭代地計(jì)算所述力模型系數(shù)。
29.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述GPS裝置使用多個(gè)力模型，每一個(gè)力模型基于被選為實(shí)現(xiàn)所選性能特性的不同組力模型系數(shù)。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所選性能特性包括:計(jì)算負(fù)載、存儲(chǔ)器要求、軌道預(yù)測(cè)持續(xù)時(shí)間、和準(zhǔn)確度。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，響應(yīng)于所述所選性能特性，當(dāng)傳播在所述有效時(shí)間期間之后的所述衛(wèi)星的軌道時(shí)，所述GPS裝置選擇多個(gè)力模型中的一個(gè)來(lái)使用。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述GPS裝置從遠(yuǎn)程服務(wù)器接收所述力模型修正加速度項(xiàng)。
33.一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的方法，所述方法包括: GNSS裝置使用用力模型計(jì)算的軌道狀態(tài)向量來(lái)傳播所述衛(wèi)星的軌道，所述力模型的系數(shù)在由所述GNSS裝置的RF天線接收到的廣播星歷表內(nèi)的有效時(shí)間期間內(nèi)的時(shí)間所計(jì)算的，對(duì)于在所述廣播星歷表的所述有效時(shí)間期間上的多個(gè)時(shí)間間隔，計(jì)算所述系數(shù)來(lái)減少誤差，所述誤差是在多個(gè)由星歷表導(dǎo)出的位置數(shù)據(jù)和速度與使用多個(gè)先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量計(jì)算的多個(gè)預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和多個(gè)預(yù)測(cè)速度之間的誤差；且 當(dāng)所述有效時(shí)間屆滿時(shí)，使用所述軌道確定所述衛(wèi)星的位置。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述GNSS裝置是GPS裝置。
35.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，所述誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
36.一種GNSS裝置，包括: RF接收器，用于接收包括與衛(wèi)星關(guān)聯(lián)的位置數(shù)據(jù)和速度的星歷表，所述位置數(shù)據(jù)和所述速度在一有效時(shí)間期間內(nèi)有效； 處理器，在所述有效時(shí)間期間的時(shí)間，用于計(jì)算在所述有效時(shí)間期間上的多個(gè)時(shí)間間隔的所述衛(wèi)星的由星歷表導(dǎo)出的位置數(shù)據(jù)和速度、計(jì)算多個(gè)修正加速度項(xiàng)，所述修正加速度項(xiàng)用于減少在所述有效時(shí)間期間上的每一個(gè)時(shí)間間隔處的所述衛(wèi)星的預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度與所述衛(wèi)星的由星歷表導(dǎo)出的位置數(shù)據(jù)和速度之間的誤差，所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)速度是使用多個(gè)先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量所確定的、以及使用基于所述多個(gè)修正加速度項(xiàng)所調(diào)節(jié)的力模型系數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前軌道狀態(tài)向量；和 用于存儲(chǔ)所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量和先前計(jì)算的軌道狀態(tài)向量的存儲(chǔ)器； 其中所述當(dāng)前軌道狀態(tài)向量用于傳播所述衛(wèi)星在預(yù)測(cè)的時(shí)間期間內(nèi)的軌道，至少一部分所述預(yù)測(cè)的時(shí)間期間在所述有效時(shí)間期間之后。
37.如權(quán)利要求36所述的GPS裝置，其特征在于，在所述衛(wèi)星的所述預(yù)測(cè)位置數(shù)據(jù)和所述預(yù)測(cè)速度與所述衛(wèi)星的所述位置數(shù)據(jù)和所述速度之間的所述誤差包括徑向誤差和沿軌 誤差。
全文摘要
本發(fā)明提供一種自主式軌道傳播系統(tǒng)與方法，特定地，是一種預(yù)測(cè)衛(wèi)星位置的方法，其中GPS裝置基于先前接收的與衛(wèi)星位置相關(guān)的信息－例如星歷表，產(chǎn)生衛(wèi)星的修正加速項(xiàng)，所述修正加速項(xiàng)可用來(lái)預(yù)測(cè)衛(wèi)星在先前接收信息的有效時(shí)間期限之外的位置。所述計(jì)算完全可在GPS裝置上進(jìn)行，而且不需向服務(wù)器要求輔助。但是，如果GPS裝置可從服務(wù)器得到輔助，則輔助信息可用來(lái)提高預(yù)測(cè)的精度。
文檔編號(hào)G01S19/27GK103149575SQ201310016409
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者E·德貝茨, G·羅伊-瑪查比, D·卡耶爾 申請(qǐng)人:Rx網(wǎng)絡(luò)股份有限公司