自主式軌道傳播系統與方法

專利名稱：自主式軌道傳播系統與方法
技術領域：
本發明涉及預測和使用導航衛星的軌道位置數據的方法和裝置，所述數據可由諸如全球定位系統(GPS)衛星、其它的全球導航衛星系統(GNSS)和其它衛星系統或其組合來提供。
背景技術：
衛星定位和衛星位置預測廣泛地用于許多應用，例如汽車導航系統和便攜式GPS裝置。舉例來說，為了計算一個位置，GPS裝置上的GPS接收器裝置需要在時間測距信號(SP在信號從衛星天線發出時，所述信號的時間標志)中的GPS衛星的位置。該衛星軌道信息是由衛星在射頻(RF)數據鏈路上以衛星定位模型的形式提供。該模型使用一組軌道根數，稱為’星歷表’，其只于有限時間內有效，通常為4小時，但也可使用長達6小時。GPS衛星在RF數據鏈路上廣播星歷表數據，而GPS接收器則不斷監測和解調該數據流，以獲取最新的星歷表。由衛星傳送的星歷表稱為“廣播星歷表”。
星歷表數據為數學軌道弧(orbit arc)模型，其使GPS裝置可計算一組方程，并可獲得在4至6小時模型適用期(model fit period)之內的任何時間的衛星位置。雖然該模型允許計算超出4至6小時有效期的衛星位置，但其精度一般會退化到在I天內約I公里的水平。如需更詳細的GPS和星歷表模型的說明，可參看由Parkinson and Spilker主編的“Global Positioning System:Theory and Applications (《全球定位系統:理論和應用》)”，卷1，第2章(信號結構，signal structure),第4章(星歷表模型，ephemerismodel),和第 9 章(導航方案，navigation solutions)。
在GPS的情況下，在良好觀測條件下并且是對星歷表作第一次解調下，其通常要用約18至30秒來解調從特定衛星接收的廣播星歷表。在干擾和/或衰減的RF環境下，諸如城市環境或室內場所下，會使解調的質量參差或困難。由于會導致45秒或更長時間的首次定位時間(Time-To-First-Fix) (TTFF)(有可能完全不能定位)，因而會影響用戶的感受，而且可能會縮短GPS裝置的電池壽命。TTFF是GPS裝置取得衛星信號和導航數據并計算位置方案所需的時間。對于進行冷啟動的GPS裝置，TTFF可以超過15分鐘。在某些情況下，GPS信號太弱而不能忠實地解調導航數據，但所述信號的強度又足以通過使用當代的接收器來跟蹤。如果所述接收器設有備用的星歷表源，而不需要依賴廣播星歷表，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。GPS裝置還可使用無Z計數(no Z count)技術來計算定位，從而增加導航設備的用途。
除了廣播星歷表之外，還提供備用的星歷表源的技術通常稱為輔助GPS (AGPS)。現在存在著若干種的AGPS，包括實時輔助技術和合成輔助(也稱為預測或延伸星歷表式)技術。實時輔助技術的傳播實際的從固定GPS基準站網絡預先收集的廣播星歷表，所述固定GPS基準站網絡將從每一基準站所看到的每一衛星接收的所有當前廣播星歷表中繼到中央數據中心。參考數據(或輔助)由AGPS服務器轉變成可通過通信網絡接線傳遞到GPS裝置的格式。
合成輔助技術使用AGPS服務器來預測或合成在未來幾天或幾周的衛星定位數據(或輔助)，并會將該非實時的合成輔助數據通過通信網絡接線或與主機諸如個人計算機的直接接線而傳遞到GPS裝置，而不是實時收集和中繼真實的廣播星歷表數據。上文所論述的AGPS技術的重大限制是，它們需要通過某種形式的接線或網絡或直接連接到服務器，以便將輔助數據下載到GPS裝置。
一些GPS裝置缺乏外部連接功能、網絡，又或者在某些情況下，有連接功能的設備可能無法與服務器建立長期的連接。在這些狀況下，GPS裝置不能使用上述的AGPS技術而影響了其性能。此外，使用實時輔助技術的裝置在下載輔助數據時會消耗網絡資源。如果廣播星歷表的有效期可延長至較長時間，超出正常的4至6小時窗口，對于大多數GPS裝置應用而言，就可減少網絡開銷和改善TTFF的性能。GPS行業已經展示一些計劃，試圖通過直接預測廣播星歷表模型的各種開普勒項的將來值來延長廣播星歷表的可用時期。然而，在開普勒模式之內的操作大大地限制了 GPS裝置的性能，以致不能可靠地預測這些值超過一天或上下以外。
提供AGPS輔助的另一種技術揭示于美國專利申請N0.11/740，206，題為“Distributed Orbit Modeling and Propagation Method for a Predicted andReal-Time Assisted GPS System (用于預測的和實時輔助的GPS系統的分布式軌道建模和傳播方法)”。在該系統中，GPS裝置，即客戶端，會預測合成輔助數據本身，但會在定期接收到來自遠程服務器的允許數據(稱為“種子數據”)后才會這樣做。
精確的軌道模型在本領域是公知的。預測，即將衛星位置和速度傳遞到未來時間點，會隨著對當前和/或過去的真實軌道狀態向量樣本的分析以及對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、月球和地球的那些。所述軌道模型的軟件實現通常采用積分器的形式，其利用當前的和/或先前的真實軌道狀態向量樣本，就可將這些傳遞到未來的時間點。由于計算力模型和將力模型結合到共同基準框架中的CPU密集的本質，所以代碼是做成為于服務器級計算機上運作。
現有技術沒有為GPS裝置提供傳遞用于位置計算的具有要求精度的軌道信息的功能。與提供星歷表數據到GPS裝置相關的現有技術已經受開普勒數學模型所限制，所述數學模型用于從衛星接收的廣播星歷表數據。為提供輔助，現有技術要求服務器生成輔助數據，并且所述GPS裝置要具有若干形式的網絡接線以接受輔助。現有技術無法使GPS裝置將廣播星歷表用作為直接輸入來合成其本身的輔助數據。發明內容
本發明提出了一種新的輔助數據生成方法，以解決實時和合成AGPS技術的限制，從而使輔助數據可由GPS裝置一也稱為“客戶端”本身來生成。涉及到預測的所有方面都可在GPS裝置本身之內進行，其使用軌道模型表達式，而不是用開普勒模型表達式。根據本發明，客戶機可完全自主地運作，其通過產生自己的種子數據來驅動合成輔助數據預測過程，而無需連接線路存在。
本發明通過使用選擇的力模型系數和觀測，可提供GPS裝置類型的傳播器，其可實現為獲得軌道傳播，該軌道傳播一旦轉回成為開普勒模型，就可獲得用于產生廣播星歷表的合成輔助數據，相比只純粹在開普勒域中進行預測，其可有效地具有更高的精度。
本發明的主要特點在于保留AGPS的優點，而且無需連接到AGPS服務器來下載輔助數據。GPS裝置將通過可用的手段(根據廣播星歷表，或AGPS技術)而具有在先前獲得和儲存的在不同時間間隔的星歷表數據。在網絡接線或AGPS不可得的情況下，GPS裝置隨著時間的推移而收集廣播星歷表數據。GPS裝置使用這些觀測數據，或通過AGPS服務器提供的實時輔助數據，作為軌道傳播模型的輸入來預測和合成過了原始接收的廣播星歷表的期滿時間的精確輔助數據。只要軌道能可靠地預測，該在當地產生的合成輔助數據，無論是以傳播軌道或實際星歷表的形式，就可在未來長期提供。一般情況下，如果廣播星歷表數據觀測數據用作為軌道傳播模型的輸入，該預測周期在I至3日之間；如果與來自AGPS服務器的合成輔助數據一道使用，則可長達數周。更長的預測周期是可能的，這取決于可容許的精度退化。雖然GPS裝置會在無輔助下初始啟動，但自產生的輔助數據會使隨后能夠有快速的TTFF。此外，只要GPS裝置可以在規則的時間間隔定期地獲得廣播星歷表或輔助數據，GPS接收器的靈敏度可更好地用于隨后的啟動。
本發明包括一種用于具有衛星導航或定位功能的設備的自主式軌道傳播和自輔助方法，其中:
a)在GPS裝置上運行軟件。該軟件能夠計算預測的導航衛星軌道位置數據，然后使用預測的導航衛星軌道位置數據來加速和改進GPS裝置的位置確定性能。所有預測數據處理功能可限于、并局部化于GPS裝置之內。
b) GPS裝置上包括軟件或硬件模塊，以實現種子產生器、傳播器、預測緩沖器和AGPS接口代理器的功能，不論是分開地或共同地實現。
c)種子產生器模塊確定GPS衛星的位置和速度，并基于在可設定的時間間隔上實際廣播星歷表的本地觀測數據來計算GPS衛星力模型參數。
d)種子產生器模塊基于GPS裝置中的可用計算處理器資源，使用不同的GPS衛星力模型參數，例如太陽壓強、恒定加速度和正弦徑向、交軌和沿軌項。
e)種子產生器模塊將GPS衛星力模型參數和初始GPS衛星位置和速度提供給在同一 GPS裝置中運行的傳播器模塊。
f )傳播器模塊在GPS裝置中產生一組包括衛星位置和速度的預測軌道狀態向量(OSV)0傳播器是通過使用由種子產生器函數提供的GPS衛星力模型參數，將由種子產生器函數提供的初始衛星位置和速度傳遞到與初始衛星位置和速度的時間不同的時間而達成這樣的。軌道的壓縮模型然后以(例如)一組多項式且每一多項式有各自的時間標記的形式而存儲在本地預測緩沖器140之中。
g)GPS位置計算模塊也板載設置，例如在芯片上，或者可提供作為軟件函數。通過將來自合適模型的數據映射到適于GPS計算模塊的格式，該位置計算模塊以得自預測緩沖器140的輔助數據來工作。
h)通過將合適的預測緩沖器140中的數據轉換成衛星導航數據模型格式，就可在要求時導出輔助數據，而且所述輔助數據可由AGPS接口代理模塊在板載GPS位置計算模塊要求的時間和以要求的格式提供到板載GPS位置計算模塊。
根據本發明的方法和系統的附加特征在于，當GPS裝置有外部連接功能可用時，種子產生器模塊能夠確定GPS衛星位置和速度，且可基于在可設定的時間間隔上的實際廣播星歷表的本地觀測數據以及遠程合成或實時的GPS輔助數據源來計算GPS衛星力模型參數。
所述方法的額外特征在于，當外部連接功能可用時，初始的衛星位置和速度以及GPS衛星力模型參數可通過遠程種子服務器來計算，并通過網絡或直接接線提供給傳播器。
所述方法的另外的特征在于，種子產生器模塊可使用多種GPS衛星力模型來計算GPS衛星力模型參數。傳播器模塊通過傳播由種子產生器模塊提供的初始衛星位置和速度來產生(位置和速度的)預測軌道狀態向量。
所述方法的另一特征在于，遠程種子服務器模塊使用多種GPS衛星力模型來計算GPS衛星力模型參數；以及傳播器函數通過傳播由遠程種子產生器用更精確的力模型提供的初始衛星位置和速度以及修正項來產生軌道預測。
所述方法的另一特征在于，傳播器通過種子產生器而被提供多個衛星位置和速度以及修正項。
所述方法的另一特征在于，傳播器通過遠程種子服務器而被提供多個衛星位置和速度以及修正項。
所述方法的附加特征在于，所述方法可以這樣實現，以致于軟件模塊可以在主機處理器、板載GPS位置計算單元處理器、或兩者內運行。
所述方法的額外特征在于，衛星導航或定位裝置可以是移動式或固定式裝置。
所述方法的另一特征在于，軟件模塊可在不具有板載GPS位置計算單元的裝置上運行。
本發明提供一種預測衛星位置的方法，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星相關聯的多個位置和速度，所述多個位置和速度在一有效時間期間內有效；(b)所述GPS裝置根據所述多個位置和速度來計算所述衛星的修正加速度；(c)所述GPS裝置使用所述多個位置和速度以及所述修正加速度來在預測的時間期間內傳播所述衛星的軌道，至少一部分所述預測的時間期間發生在所述有效時間期間之后；(d)所述GPS裝置使用所述軌道來確定所述衛星的位置。所述多個位置和所述速度可容納于星歷表之內，例如在廣播星歷表之內。
在所述GPS裝置上的軟件模塊可用使用所述星歷表產生力模型系數和軌道狀態向量。在所述GPS裝置上的傳播軟件模塊計算所述軌道。在所述軌道被傳播后，所述軌道可用作為多項式儲存于所述GPS裝置的存儲器內。所述軌道可轉化成合成星歷表，以便供所述GPS裝置用來確定在有效時間期間之后所述衛星的位置。所述GPS裝置可具有網絡接口，如果所述網絡接口與AGPS服務器相聯接，所述AGPS服務器可協助所述GPS裝置確定所述衛星的所述位置；或者所述AGPS服務器可將種子數據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星相關聯的多個位置和速度的信息，所述多個位置和速度在一有效時間期間內有效；b)數字信號處理器，所述數字信號處理器配置成解調所述信息；C)種子產生器，所述種子產生器配置成根據所述多個位置和速度來計算所述衛星的修正加速度；以及d)傳播器，所述傳播器配置成使用所述多個位置和速度以及所述修正加速度來在預測的時間期間內傳播所述衛星的軌道，至少一部分所述預測的時間期間在所述有效時間期間之后。
所述多個位置和所述速度可容納于星歷表之內，例如廣播星歷表。所述種子產生器可進一步配置成用所述星歷表產生力模型系數和軌道狀態向量。所述GPS裝置可進一步包括存儲器，以便在所述軌道被傳播后將所述軌道儲存。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化成合成星歷表，以便確定在有效時間期間之后所述衛星的位置。所述GPS裝置還可具有網絡接口，所述網絡接口配置成與AGPS服務器相聯接，以便接受所述AGPS服務器的幫助。在該種情況下，所述傳播模塊可配置成從所述AGPS服務器接收種子數據；或者所述GPS裝置可具有網絡接口，所述網絡接口配置成從所述AGPS服務器接收合成星歷表。
本發明提供一種預測衛星位置的方法，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星相關聯的多個位置和速度，所述多個位置和速度于有效時間期間內有效；(b)所述裝置根據所述多個位置和速度來計算所述衛星的修正加速度；(C)所述裝置使用所述多個位置和速度以及所述修正加速度來傳播所述衛星在預測的時間期間內的軌道，至少一部分所述預測的時間期間在所述有效時間期間之后；和((1)所述裝置使用所述軌道來確定所述衛星的位置。


圖1所示為根據本發明的自輔助GPS架構的框圖2所示為表示出根據本發明的種子數據結構的表；
圖3所示為表示出根據本發明的合成輔助數據記錄結構的表；
圖4所示為根據本發明的可訪問種子服務器的自輔助GPS架構的框圖5所示為根據本發明的GPS裝置的框圖6所示為根據本發明的GPS裝置傳播軌道傳播模型的過程的流程圖7所示為根據本發明的可訪問種子服務器的GPS裝置傳播軌道傳播模型的過程的流程圖；以及
圖8所示為衛星軌道預測中的非徑向分量誤差的影響。
具體實施方式
在本文中，下列術語具有以下含義:
“AGPS接口代理”表示一種軟件或硬件模塊，其用于將預測緩沖器轉換成格式可被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GPS裝置的輸入，例如實際或合成星歷表，或時間頻率和估計的衛星位置；
“AGPS服務器”表示一種服務器，其產生可供與AGPS服務器通信的GPS裝置上的種子產生器或傳播器使用的輔助數據；
“GPS裝置”表示一種物體，其具有GPS接收器和相關的數字處理器以用于接收和處理來自GPS衛星的信號。GPS裝置可以是手持式，或者可以是較大結構例如車輛的部件；
“軌道狀態向量”是指一種向量，其包含與衛星于特定時間間隔的位置和速度相關的信息；
“傳播器”是指一種硬件或軟件模塊，其用種子數據作為輸入來計算軌道狀態向量;
“預測緩沖器”是指一種存儲器，其用于存儲一組將每一時間間隔的衛星軌道弧參數化的預測模型；
“種子產生器”是指一種軟件或硬件模塊，其根據多種加時間標記的衛星位置和速度，例如星歷表，來計算供傳播器使用的種子數據；
“種子數據”是指對應于力模型的一組系數和用于預測衛星位置的一初始狀態向量；
“種子服務器”是指一種AGPS服務器，其產生可供與AGPS服務器通信的GPS裝置上的傳播器使用的種子數據；以及
“合成星歷表”是指一種根據預測的軌道狀態向量產生的星歷表，而不是直接從衛星接收的星歷表。
雖然本文是用GPS裝置的詞語來論述本發明，但其它GNSS也可與本文所揭示的系統和方法一起使用。
本發明使用GPS或其它全球導航衛星系統廣播星歷表的觀測數據產生(利用種子產生器110) GPS裝置200中的稱為傳播器120的軌道傳播建模器(orbit propagationmodeler)的輸入。傳播器120然后就可預測或合成用于預測衛星未來位置的輔助數據。預測的精度受限于種子產生器110所用的觀測數量和間隔、在GPS裝置200內實現的傳播器120的保真性、不能精確地將作用于GPS衛星的力模型化的程度、以及傳播器120內使用的初始位置和速度的精度。傳播器120使用地球、月球和太陽引力以及太陽壓強(pressure)力模型。所述太陽壓強力模型是唯一取決于GPS星座的力，因為不同類型衛星具有不同的質量，并且受撞擊其表面的光子的影響不同，所以不同的衛星要求不同的模型。對本發明來說，除了上述的太陽壓強模型，所述的方法同樣等同地適用于其它GPS星座。軌道確定和預測技術是本領域公知的，例如可參見Escobal的“Methods of Orbit Determination (軌道確定方法)”，以便了解詳情。
本發明將軌道預測的責任交予種子產生器110和傳播器120，兩者皆容納于GPS裝置200之內，正如圖5所示。GPS裝置200還包括射頻接收器510 (和相關的數字信號處理器)、AGPS模塊130、AGPS接口代理器150、處理器520和存儲器530 (其包括預測緩沖器140)。GPS裝置還可具有網絡接口 540，以便與AGPS服務器180通信。種子產生器110可使用單一的廣播星歷表讀數，或多達任何數量的相繼的廣播星歷表數據來產生種子數據，其然后用作為傳播器120的輸入來產生軌道狀態向量。圖1示出了該系統的基本結構。
在完全自主的模式下，即在GPS裝置沒有外部連接能力，例如網絡接口 540的情況下，或者GPS裝置具有網絡接口 540，但其無法連接AGPS服務器180的情況下，所述方法的基本步驟如下(如圖6所示):
1.當GPS裝置200通電及AGPS芯片組130從RF信號解調廣播星歷表數據時，使種子產生器Iio于特定的、可配置的時間間隔(如每6小時，或每12小時一次，等等)下得到所述的廣播星歷表的拷貝(步驟600)。
2.種子產生器110將這些廣播星歷表的觀測數據從其開普勒模型表達式轉換成其當前適用的軌道表達式(即位置，速度)，并開始基于與未來衛星軌道位置和速度預測最匹配的實際觀測數據來計算一組力模型系數(步驟610)。種子產生器110將這匯編入種子數據，包括軌道狀態向量和所得的力模型系數(步驟620 )。
3.將所述種子數據提供給傳播器120 (步驟625)。傳播器120然后為包含在種子數據內的每一人造衛星計算軌道狀態向量(步驟630 )。所述軌道狀態向量可在任何給定的時間間隔上進行計算，例如15分鐘的歷元。傳播器120以后臺任務的方式在GPS裝置200內進行所述計算，并將緩沖存儲器140內的所得預測數據儲存為多項式，例如表示四小時時限的10階多項式，根據該多項式就可容易地計算出軌道狀態向量(步驟640)。預測緩沖器140可做成特定的大小，以便能存儲任何要求時間長度的多項式，但其大小通常做成為適用于要求的預測精度或有效期限，即提前多達3天或4天。預測緩沖器140通常實現為非易失性存儲器，以致于其包含的數據在GPS裝置200下次通電時能立即使用。
4.在可配置的時間間隔一通常為每15分鐘，或當AGPS模塊130要求輔助數據時，例如，在超出容錯時，AGPS接口代理器150檢索適用的多項式，將其轉換成當前時間的軌道狀態向量，然后再將其轉回到其等效的廣播星歷表開普勒數據格式，并將最后所得的合成輔助數據通過接口注回入AGPS模塊130 (步驟650)。該合成輔助數據實際上包含了實際廣播星歷表系數的子集，并且其ToE (星歷表時間)是可配置的，通常會設置為于15分鐘內到期。
5.AGPS模塊130然后會首先使用合成輔助，假如對任何特定衛星沒有有效的真實廣播星歷表的話(步驟660)，但是當真實廣播星歷表最終從RF信號接收和解調后，就會以真實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被讀取，合成輔助數據會變得更加準確。該過程的開始是通過使用來自GPS衛星的廣播星歷表的第一次已知的位置和速度作為種子產生器110和傳播器120的輸入，該過程使用物理力模型，以便容許根據觀測的廣播星歷表(或根據不同的星歷表源，例如從輔助數據，假如GPS裝置具有網絡接口 540的話)對第二位置進行數值積分。第一位置具有的初始速度可以定標成轉到合理地接近第二位置。所述速度的正負號和標度取決于徑向誤差的正負號和幅度。對于較長的弧而言，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轉動，但在任何情況下，初始速度只有2種自由度:幅度和旋轉角度。隨著時間的推移，可取得多個廣播星歷表讀數，而所述讀數可由種子產生器110和傳播器120用于改進種子數據隨著時間推移的準確性。多個廣播讀數，從I到η (η為任何整數)可以按照任何時間分隔，但最好是有超過12或24小時的多個讀數來調節種子產生器110和傳播器120所用的速度向量，以便產生用于未來數天的種子數據。
傳統的軌道計算使用可用的最完整的力模型，其可對跟蹤數據提供最佳的軌道擬合。通常，當使用越強、越準確的力模型時，作為結果的軌道計算就越準確。該種強和準確的力模型集可準確預測在跟蹤數據測量時間之后的未來時間的衛星位置和速度。對于根據本發明的系統和方法而言，力模型的復雜性可在任何水平，而GPS裝置200上的傳播器120可以使用完整和強的力模型的子集來降低處理器520負荷。
為了進一步提高軌道預測的精度，可通過迭代法來調節未模型化的徑向和沿軌加速度的廣義加速度，以便可使用類似于在例如Montenbruck and Gill的“Methods ofOrbit Determination (軌道確定方法)”文獻中所用的方法來任意地轉到接近于目標的第二點。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表示。雖然GPS中間地球軌道衛星的廣播星歷表的測距誤差通常小于3米，但可能具有較大的約12米的沿軌預測誤差。這些沿軌誤差(如圖8所示)與徑向誤差(其大體為地面GPS裝置的測距誤差的一部分)一起通過假想加速度來模型化。
圖8示出了兩個極端的情況，一種是當衛星(于四個地球半徑外)直接在頭頂上時，在這種情況下，非徑向誤差不會影響視線測距誤差；而另一種是當衛星在用戶的地平面的情況下，只有四分之一的非徑向誤差會投射入視線誤差中。
種子產生器110匯編種子數據1，其結合待由傳播器120使用的軌道狀態向量與力模型系數。種子數據的典型實施例的結構可如圖2所示那樣。
一旦種子產生器110收到通常是用于隨后4個小時的至少一個有效的廣播星歷表，種子產生器Iio執行一種過程，以便使來自傳播器120的軌道預測精度最優化。在所述過程的每一步驟中，種子產生器110估算力模型系數，以便相對于觀測的廣播星歷表來計算最壞的徑向和沿軌誤差。所輸出的種子數據具有包括以下系數的結構(如圖2所示):
.太陽壓強:
oCr [O]和 Cr [I] (y_ 偏差值，及 x_z 分量)
.恒定加速度項:
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:
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中可用的計算資源，種子產生器110可以計算以上部分或所有的系數。然而，最低限度會計算下列系數:
.恒定加速度項:
ο 沿軌加速度:aAccelConst,
.以及正弦項:
ο 徑向:rAccelS
；rAccelC
ο 沿軌:aAccelS
；aAccelC
此外，來自廣播星歷表觀測數據的時間和時鐘參數都會包含于種子數據內。
對于最簡型的種子數據和相關系數，該過程的主要步驟如下，其中以地心慣性術語來表示:
I)以第一個六小時內的徑向誤差為依據，迭代地將初始速度α (自廣播星歷表)調節成低于要求的閾值，通常設定在5米。一旦實現，將該速度稱為以及轉移到下一步驟。
2)優化正弦徑向加速度(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C=le_8ms_2。用C=le_8ms_2為不同的相位δ廣.δ m計算主要的徑向誤差，并且保留可使徑向誤差最小化的相位5opt。
b)使用δ _，在C上進行優化，以獲取使徑向誤差最小化的(；pt。
c)如果先前計算出最壞情況的沿軌誤差 > 閾值，則施加沿軌加速度Α，直至達到最大的迭代次數，或者直到最壞情況的沿軌誤差〈要求的閾值，在此時確定Α_。
3)力模型系數a opt> δ opt,Copt和A_然后被沿軌結合到狀態向量中作為部分的種子數據。當傳播器120使用種子數據時，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來傳播每一衛星的軌道。
來自預測緩沖器140中存儲的多項式的預測軌道狀態向量通過AGPS接口代理器150轉回到開普勒模型。由此產生的合成輔助數據然后格式化成為看來與廣播星歷表導航模型數據記錄在饋入AGPS模塊之前相同的格式，只是在一些字段是預測的同時，其它的非預測字段皆設定為常數或零。視乎AGPS芯片組130要求的或能夠處理的格式，典型的實施例可導致如圖3所示的會饋入AGPS芯片組130的合成輔助數據記錄結構。
例如，參照圖3，af\取自最新的星歷表，而Bftl為在新T。。值的時鐘校正值，以及T。。參數被設成相等于TTO。
根據本發明的系統和方法的優勢在于減輕GPS裝置上的計算負荷。例如，月球和太陽加速度到地心地球固定參考坐標系的轉換的完成無需典型的轉換序列WRNP (其中W是極移，R是格林威治表觀恒星角，N是盤旋角以及P是歲差)。通常，W可從國際地球自轉服務(International Earth Rotation Service)下載(或估算)，而 R 可通過在 ’ UT1’ 和 UTC之間的緩慢變化偏差值(同樣可下載或估算)來進行修正。然而，本發明并不需要使用這些修正，只是單單使用R而不會估算UTl - UTC偏移值(目前為 14秒);相反地，任何相關的誤差由上述的正弦加速度所吸收。
其它可用的計算方法包括:
1.使用多項式模型(有效期4天)來模擬太陽/月亮星歷表。所述模型可以移植到定點數學，以便進行月亮/太陽國際天球參考系(ICRS)位置計算；
2.相對于每循環一次或兩次的徑向和沿軌正弦擾動，確定部份的徑向和沿軌加速度誤差的分析方程；
3.相對于一組給定的位置，確定在初始速度上的微小變化對徑向和沿軌加速度誤差的影響；以及
4.使用Glonass導航消息傳播已超過Glonass系統中標準的I小時有效期的軌道。所述的Glonass導航信息將初始速度數字轉換成24比特，并使用精度較低的力模型(t匕本發明所用的低)來優化計算，從而產生約一小時有效的星歷表。要使用本發明中的力模型和GPS星歷表格式，只需通過赫爾默特變換(也稱為7參數變換)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上可串行地產生種子數據，不過，利用小的超高速緩存(例如7KB)可并行地產生種子數據。如果要串行地產生種子數據，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，其中在第一種子數據被傳播時，儲存在存儲器530的緩沖器中的每一種子數據由新的種子數據改寫；不過，兩個種子都會被寫入同一預測緩沖器140的不同存儲區內。新星歷表的輸入會更新緩沖器中的兩個種子數據集的時鐘。
除了使用廣播星歷表作為傳播器120的輸入，該系統還允許合成輔助數據在AGPS服務器180中產生并通過網絡連線下載以用作傳播器120的輸入。該實施例在GPS裝置200不能獲得廣播星歷表的環境中很有用。如果實時或合成輔助數據可得的話，使用實時或合成輔助數據的另一優勢為，可將完整的衛星星座的星歷表立刻提供給傳播器120，改進傳播器120的性能。從AGPS服務器180下載的數據可以是多種格式的，使GPS裝置200可產生其本身的，長期準確的預測數據。該實施例的大體結構在圖4中示出。
在AGPS的實施例中，種子產生器110的輸入選項可擴充到包括來自外部AGPS服務器180的實時或合成輔助數據。在完全自主的GPS裝置的情況下，與實際觀察相比，所述的輔助數據可提供更完整的衛星星座視圖，從而使種子產生器110可產生適用于更多衛星的種子數據。如果AGPS服務器180如美國專利申請N0.11/740，206 (其整體在此結合件為參考)所述為種子服務器，則由AGPS服務器180提供的種子數據也可用作傳播器120的輸入。由于來自種子服務器的種子數據在更強勁的處理器上產生以及會在較長時間(如7天)內有效，所述種子數據可使傳播器120比GPS裝置200上的種子產生器110計算出更準確的預測。但是，如果AGPS服務器180沒有新的輔助數據，GPS裝置200可返回到種子產生器110以及繼續以自主模式運作。在本發明的該實施例中，任何基于網絡的實時或合成輔助數據的耐久性和可用性皆可使用，假如可以得到所述數據的話。
GPS裝置對星歷表的測距精度(URA)可以由GPS裝置200計算，其中會考慮到時鐘老化和軌道精度。計算URA所用的方法會取決于所述種子數據是由GPS裝置200自生的還是從AGPS服務器180接收的。在自生種子數據的情況下，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使用來自種子服務器的AGPS輔助的過程，其包括以下的步驟:
1.當GPS裝置200通電及AGPS芯片組130從RF信號解調廣播星歷表數據時，使種子產生器Iio于特定的、可配置的時間間隔(如每6小時，或每12小時一次，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.種子產生器110將這些廣播星歷表的觀測數據從其開普勒模型表達式轉換成其當前適用的軌道表達式(即位置，速度)，并開始基于與未來衛星軌道位置和速度最匹配的真實觀測數據來計算一組力模型系數(步驟710)。種子產生器110將這匯編入種子數據，包括軌道狀態向量和所得的力模型系數(步驟720)。
3.將所述種子數據提供給傳播器120(步驟725)。將來自AGPS服務器(如果其為種子服務器的話)的種子數據也提供給傳播器120，如果所述種子數據可得的話(步驟728)。傳播器120然后為包含在種子數據內的每一人造衛星計算軌道狀態向量(步驟730)。所述軌道狀態向量可在任何給定的時間間隔上進行計算，例如15分鐘的時間間隔。傳播器120以后臺任務的方式在GPS裝置200內進行所述計算，并將所得的預測數據以多項式儲存在緩沖存儲器140內，所述多項式可轉換成軌道狀態向量(步驟740)。預測緩沖器140可做成特定的大小，以便能存儲任何要求時間長度的多項式，但其大小通常做成為適用于要求的預測精度或有效期限，即提前多達3天或4天。預測緩沖器140通常實現為非易失性存儲器，以致于其包含的數據在GPS裝置200下次通電時能立即使用。
4.在可配置的時間間隔一通常為每15分鐘，或當AGPS模塊130要求輔助數據時，例如，在超出容錯時，AGPS接口代理器150檢索適用的多項式，將其轉換成當前時間的軌道狀態向量，然后再將其轉回到其等效的廣播星歷表開普勒數據格式，并將最后所得的合成輔助數據通過接口注回入AGPS模塊130 (步驟750)。該合成輔助數據實際上包含了真實廣播星歷表系數的子集，并且其ToE (星歷表時間)是可配置的，通常會設置為于15分鐘內到期。
5.AGPS模塊130然后會首先使用合成輔助，假如任何特定衛星沒有有效的真實廣播星歷表的話(步驟760)，但是當真實廣播星歷表最終從RF信號接收和解調后，就會以真實廣播星歷表取代合成輔助(步驟770)。
本發明的主要基本原理和特征包括但不限于:
.衛星導航或定位裝置，例如GPS裝置200，可以自主地預測和產生其自己的輔助數據而不用從外部網絡接線要求外來援助。
.GPS裝置200具有種子產生器110和傳播器120，以便進行衛星軌道位置和速度預測。
.種子產生器110和軌道傳播器120可視乎GPS裝置處理器的性能和應用需求來使用具有不同復雜度和精度的軌道預測模型。
.種子產生器110使用一系列的衛星位置和一初始速度來為GPS裝置200中的軌道傳播器120制備輸入。
.如果GPS裝置200具有外部網絡接口 540，則外部輔助數據，無論是實時或合成的，可選擇性地作為種子產生器110和軌道傳播器120的輸入。
.與現有的外部輔助技術相比，例如與輔助GPS相比，可減少或排除網絡數據流量開銷。
.根據本發明的系統和方法適用于任何衛星導航或定位系統。
根據本發明的系統和方法適用于任何類型的GPS裝置/接收器，固定或移動式皆可。
根據本發明的系統和方法可在任何通信網絡上以互補的方式與GPS和AGPS技術一起使用。
雖然為了說明而詳述了本發明的特別優選的實施例，但應該明白，所揭示裝置的變型和改型皆落入本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種預測衛星位置的方法，所述方法包括: 在GNSS裝置的RF天線處，接收與衛星關聯的位置數據和速度，所述位置數據和速度在一有效時間期間內有效； 所述GNSS裝置，在所述有效時間期間內的時間，計算修正，所述修正用于減少所述衛星的預測位置數據和預測速度與所述衛星的所述位置數據和所述速度之間的誤差，所述預測位置數據和所述預測速度是使用存儲于所述GNSS裝置的存儲器中的先前計算的軌道狀態向量所確定的； 所述GNSS裝置使用基于所述修正所調節的力模型系數來計算當前軌道狀態向量并將所述當前軌道狀態向量存儲于所述存儲器中，所述當前軌道狀態向量被用作初始狀態，用于傳播所述衛星在預測的時間期間內的軌道，至少一部分所述預測的時間期間在所述有效時間期間之后；且 所述GNSS裝置使用所述軌道來確定所述衛星的位置。
2.一種預測衛星軌道的方法，所述方法包括: 在GNSS裝置的RF天線處，接收與衛星關聯的位置數據和速度，所述位置數據和所述速度在一有效時間期間內有效； 所述GNSS裝置，在所述有效時間期間內的時間，計算修正，所述修正用于減少所述衛星的預測位置數據和預測速度與所述衛星的所述位置數據和所述速度之間的誤差，所述預測位置數據和所述預測速度是使用存儲于所述GNSS裝置的存儲器中的先前計算的軌道狀態向量所確定的；且 所述GNSS裝置使用基于所述修正所調節的力模型系數來計算當前軌道狀態向量并將所述當前軌道狀態向量存 儲于所述存儲器中，所述當前軌道狀態向量被用作初始狀態，用于傳播所述衛星在預測的時間期間內的軌道，至少一部分所述預測的時間期間在所述有效時間期間之后。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述GNSS裝置是GPS裝置。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，當所述有效時間期間屆滿時，所述GPS裝置使用所傳播的軌道來確定所述衛星的位置。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述有效時間期間內，所述GPS裝置使用所述位置數據和速度來確定所述衛星的位置。
6.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述位置數據和所述速度容納于一星歷表之內。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述星歷表為廣播星歷表。
8.如權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述衛星的所述預測位置數據和所述預測速度與所述衛星的所述位置數據和所述速度之間的所述誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
9.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述當前軌道狀態向量作為多項式被存儲于所述存儲器中。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，通過所述GPS裝置，所述多項式被轉化成合成星歷表從而確定所述衛星的位置。
11.如權利要求3所述的方法，其特征在于，當所述GPS裝置的網絡接口與AGPS服務器相聯接時，當所述有效時間期間屆滿時，所述APGS服務器提供合成星歷表至所述GPS裝置。
12.如權利要求3所述的方法，其特征在于，迭代地計算所述力模型系數。
13.一種預測衛星位置的方法，所述方法包括: GNSS裝置使用用力模型計算的軌道狀態向量來傳播所述衛星的軌道，所述力模型的系數在由所述GNSS裝置的RF天線接收的廣播星歷表的有效時間期間內的時間所計算的，計算所述系數來減少容納于所述廣播星歷表內的位置數據和速度與使用先前計算的軌道狀態向量為相同時間而計算的預測位置數據和預測速度之間的誤差；且 當所述有效時間屆滿時，使用所述軌道確定所述衛星的位置。
14.如權利要求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，用于接收與衛星關聯的位置數據和速度，所述位置數據和所述速度在一有效時間期間內有效；· 處理器，在所述有效時間期間內的時間，用于計算修正，所述修正用于減少所述衛星的預測位置數據和預測速度與所述衛星的所述位置數據和所述速度之間的誤差，所述預測位置數據和所述預測速度是使用存儲于所述GPS裝置的存儲器中的先前計算的軌道狀態向量所確定的，且所述處理器用于使用基于所述修正所調節的力模型系數來計算當前軌道狀態向量；和 用于存儲所述當前軌道狀態向量的存儲器； 其中所述當前軌道狀態向量用于傳播所述衛星在預測的時間期間內的軌道，至少一部分所述預測的時間期間在所述有效時間期間之后。
17.如權利要求16所述的GPS裝置，其特征在于，在所述衛星的所述預測位置數據和所述預測速度與所述衛星的所述位置數據和所述速度之間的所述誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
18.一種預測衛星位置的方法，所述方法包括: 在GNSS裝置的RF天線處，接收與衛星關聯的星歷表，所述星歷表在一有效時間期間內有效； 使用所述星歷表，在所述有效時間期間上，所述GNSS裝置計算多個時間間隔的所述衛星的位置數據和速度； 所述GNSS裝置，在所述有效時間期間內的時間，計算多個修正加速度項，所述修正加速度項用于減少所述衛星的預測位置數據和預測速度與在所述有效時間期間上的所述多個時間間隔的每一個處的所述衛星的由星歷表導出的位置數據和速度之間的誤差，所述預測位置數據和預測速度是使用存儲于所述GNSS裝置的存儲器中的多個先前計算的軌道狀態向量所確定的； 所述GNSS裝置使用基于所述多個修正加速度項所調節的力模型系數來計算當前軌道狀態向量并將所述當前軌道狀態向量存儲于所述存儲器中，所述當前軌道狀態向量被用作初始狀態，用于傳播所述衛星在預測的時間期間內的軌道，至少一部分所述預測的時間期間在所述有效時間期間之后；且 所述GNSS裝置使用所述軌道確定所述衛星的所述位置。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述GNSS裝置是GPS裝置。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，當所述有效時間期間屆滿時，所述GPS裝置使用所傳播的軌道來確定所述衛星的位置。
21.如權利要求19所述的方法，其特征在于，在所述有效時間期間內，所述GPS裝置使用所述位置數據和速度來確定所述衛星的所述位置。
22.如權利要求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.如權利要求19所述的方法，其特征在于，在所述衛星的所述多個預測位置數據和所述多個速度與所述衛星的所述多個由星歷表導出的位置數據和速度之間的誤差包括徑向誤差和沿軌誤差。
25.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述當前軌道狀態向量和先前的時間期間的軌道狀態向量作為多項式被存儲于所述存儲器中。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，通過所述GPS裝置，所述多項式被轉化成合成星歷表從而確定所述衛星的位置。
27.如權利要求19所述的方法，其特征在于，當所述GPS的網絡接口與AGPS服務器相聯接時，當所述有效時間期間屆 滿時，所述APGS服務器提供合成星歷至所述GPS裝置。
28.如權利要求19所述的方法，其特征在于，迭代地計算所述力模型系數。
29.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述GPS裝置使用多個力模型，每一個力模型基于被選為實現所選性能特性的不同組力模型系數。
30.如權利要求29所述的方法，其特征在于，所選性能特性包括:計算負載、存儲器要求、軌道預測持續時間、和準確度。
31.如權利要求29所述的方法，其特征在于，響應于所述所選性能特性，當傳播在所述有效時間期間之后的所述衛星的軌道時，所述GPS裝置選擇多個力模型中的一個來使用。
32.如權利要求29所述的方法，其特征在于，所述GPS裝置從遠程服務器接收所述力模型修正加速度項。
33.一種預測衛星位置的方法，所述方法包括: GNSS裝置使用用力模型計算的軌道狀態向量來傳播所述衛星的軌道，所述力模型的系數在由所述GNSS裝置的RF天線接收到的廣播星歷表內的有效時間期間內的時間所計算的，對于在所述廣播星歷表的所述有效時間期間上的多個時間間隔，計算所述系數來減少誤差，所述誤差是在多個由星歷表導出的位置數據和速度與使用多個先前計算的軌道狀態向量計算的多個預測位置數據和多個預測速度之間的誤差；且 當所述有效時間屆滿時，使用所述軌道確定所述衛星的位置。
34.如權利要求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，用于接收包括與衛星關聯的位置數據和速度的星歷表，所述位置數據和所述速度在一有效時間期間內有效； 處理器，在所述有效時間期間的時間，用于計算在所述有效時間期間上的多個時間間隔的所述衛星的由星歷表導出的位置數據和速度、計算多個修正加速度項，所述修正加速度項用于減少在所述有效時間期間上的每一個時間間隔處的所述衛星的預測位置數據和預測速度與所述衛星的由星歷表導出的位置數據和速度之間的誤差，所述預測位置數據和預測速度是使用多個先前計算的軌道狀態向量所確定的、以及使用基于所述多個修正加速度項所調節的力模型系數來計算當前軌道狀態向量；和 用于存儲所述當前軌道狀態向量和先前計算的軌道狀態向量的存儲器； 其中所述當前軌道狀態向量用于傳播所述衛星在預測的時間期間內的軌道，至少一部分所述預測的時間期間在所述有效時間期間之后。
37.如權利要求36所述的GPS裝置，其特征在于，在所述衛星的所述預測位置數據和所述預測速度與所述衛星的所述位置數據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
本發明提供一種自主式軌道傳播系統與方法，特定地，是一種預測衛星位置的方法，其中GPS裝置基于先前接收的與衛星位置相關的信息－例如星歷表，產生衛星的修正加速項，所述修正加速項可用來預測衛星在先前接收信息的有效時間期限之外的位置。所述計算完全可在GPS裝置上進行，而且不需向服務器要求輔助。但是，如果GPS裝置可從服務器得到輔助，則輔助信息可用來提高預測的精度。
文檔編號G01S19/27GK103149575SQ201310016409
公開日2013年6月12日 申請日期2008年11月7日 優先權日2007年11月9日
發明者E·德貝茨, G·羅伊-瑪查比, D·卡耶爾 申請人:Rx網絡股份有限公司