自主式轨道传播系统与方法 相关申请
本申请要求于 2007 年 11 月 9 日提交的美国临时专利申请 No.60/986,972 的权益， 所述申请整体在此结合作为参考。
技术领域 本发明涉及预测和使用导航卫星的轨道位置数据的方法和装置， 所述数据可由诸 如全球定位系统 (GPS) 卫星、 其它的全球导航卫星系统 (GNSS) 和其它卫星系统或其组合来 提供。
背景技术
卫星定位和卫星位置预测广泛地用于许多应用， 例如汽车导航系统和便携式 GPS 装置。举例来说， 为了计算一个位置， GPS 装置上的 GPS 接收器装置需要在时间测距信号 ( 即在信号从卫星天线发出时， 所述信号的时间标志 ) 中的 GPS 卫星的位置。 该卫星轨道信 息是由卫星在射频 (RF) 数据链路上以卫星定位模型的形式提供。该模型使用一组轨道根 数， 称为′星历表′， 其只于有限时间内有效， 通常为 4 小时， 但也可使用长达 6 小时。GPS卫星在 RF 数据链路上广播星历表数据， 而 GPS 接收器则不断监测和解调该数据流， 以获取 最新的星历表。由卫星传送的星历表称为 “广播星历表” 。
星历表数据为数学轨道弧 (orbit arc) 模型， 其使 GPS 装置可计算一组方程， 并可 获得在 4 至 6 小时模型适用期 (model fit period) 之内的任何时间的卫星位置。 虽然该模 型允许计算超出 4 至 6 小时有效期的卫星位置， 但其精度一般会退化到在 1 天内约 1 公里的 水平。如需更详细的 GPS 和星历表模型的说明， 可参看由 Parkinson and Spilker 主编的 “Global Positioning System ： TheoryandApplications( 《全球定位系统 ： 理论和应用》 )” ， 卷 1， 第 2 章 ( 信号结构， signalstructure)， 第 4 章 ( 星历表模型， ephemeris model)， 和 第 9 章 ( 导航方案， navigationsolutions)。
在 GPS 的情况下， 在良好观测条件下并且是对星历表作第一次解调下， 其通常要 用约 18 至 30 秒来解调从特定卫星接收的广播星历表。在干扰和 / 或衰减的 RF 环境下， 诸 如城市环境或室内场所下， 会使解调的质量参差或困难。由于会导致 45 秒或更长时间的 首次定位时间 (Time-To-First-Fix)(TTFF)( 有可能完全不能定位 )， 因而会影响用户的感 受， 而且可能会缩短 GPS 装置的电池寿命。TTFF 是 GPS 装置取得卫星信号和导航数据并计 算位置方案所需的时间。对于进行冷启动的 GPS 装置， TTFF 可以超过 15 分钟。在某些情 况下， GPS 信号太弱而不能忠实地解调导航数据， 但所述信号的强度又足以通过使用当代的 接收器来跟踪。如果所述接收器设有备用的星历表源， 而不需要依赖广播星历表， GPS 装置 的性能就可改善， 而 TTFF 可缩短至几秒钟， 即使是在衰减条件下， 并且可使电池寿命延长。 GPS 装置还可使用无 Z 计数 (no Zcount) 技术来计算定位， 从而增加导航设备的用途。
除了广播星历表之外， 还提供备用的星历表源的技术通常称为辅助 GPS(AGPS)。 现 在存在着若干种的 AGPS， 包括实时辅助技术和合成辅助 ( 也称为预测或延伸星历表式 ) 技术。实时辅助技术的传播实际的从固定 GPS 基准站网络预先收集的广播星历表， 所述固定 GPS 基准站网络将从每一基准站所看到的每一卫星接收的所有当前广播星历表中继到中央 数据中心。参考数据 ( 或辅助 ) 由 AGPS 服务器转变成可通过通信网络接线传递到 GPS 装 置的格式。
合成辅助技术使用 AGPS 服务器来预测或合成在未来几天或几周的卫星定位数据 ( 或辅助 )， 并会将该非实时的合成辅助数据通过通信网络接线或与主机诸如个人计算机 的直接接线而传递到 GPS 装置， 而不是实时收集和中继真实的广播星历表数据。上文所论 述的 AGPS 技术的重大限制是， 它们需要通过某种形式的接线或网络或直接连接到服务器， 以便将辅助数据下载到 GPS 装置。
一些 GPS 装置缺乏外部连接功能、 网络， 又或者在某些情况下， 有连接功能的设备 可能无法与服务器建立长期的连接。在这些状况下， GPS 装置不能使用上述的 AGPS 技术而 影响了其性能。此外， 使用实时辅助技术的装置在下载辅助数据时会消耗网络资源。如果 广播星历表的有效期可延长至较长时间， 超出正常的 4 至 6 小时窗口， 对于大多数 GPS 装置 应用而言， 就可减少网络开销和改善 TTFF 的性能。 GPS 行业已经展示一些计划， 试图通过直 接预测广播星历表模型的各种开普勒项的将来值来延长广播星历表的可用时期。然而， 在 开普勒模式之内的操作大大地限制了 GPS 装置的性能， 以致不能可靠地预测这些值超过一 天或上下以外。
提 供 AGPS 辅 助 的 另 一 种 技 术 揭 示 于 美 国 专 利 申 请 No.11/740,206， 题为 “Distributed Orbit Modeling and Propagation Method for a Predicted and Real-TimeAssisted GPS System( 用于预测的和实时辅助的 GPS 系统的分布式轨道建模和 传播方法 )” 。在该系统中， GPS 装置， 即客户端， 会预测合成辅助数据本身， 但会在定期接收 到来自远程服务器的允许数据 ( 称为 “种子数据” ) 后才会这样做。
精确的轨道模型在本领域是公知的。预测， 即将卫星位置和速度传递到未来时间 点， 会随着对当前和 / 或过去的真实轨道状态向量样本的分析以及对可影响轨道轨迹的特 定力模型的选择而变化。 典型的轨道模型考虑包括多种力模型的影响， 包含太阳、 月球和地 球的那些。所述轨道模型的软件实现通常采用积分器的形式， 其利用当前的和 / 或先前的 真实轨道状态向量样本， 就可将这些传递到未来的时间点。由于计算力模型和将力模型结 合到共同基准框架中的 CPU 密集的本质， 所以代码是做成为于服务器级计算机上运作。
现有技术没有为 GPS 装置提供传递用于位置计算的具有要求精度的轨道信息的 功能。与提供星历表数据到 GPS 装置相关的现有技术已经受开普勒数学模型所限制， 所述 数学模型用于从卫星接收的广播星历表数据。为提供辅助， 现有技术要求服务器生成辅助 数据， 并且所述 GPS 装置要具有若干形式的网络接线以接受辅助。现有技术无法使 GPS 装 置将广播星历表用作为直接输入来合成其本身的辅助数据。 发明内容
本发明提出了一种新的辅助数据生成方法， 以解决实时和合成 AGPS 技术的限制， 从而使辅助数据可由 GPS 装置 - 也称为 “客户端” 本身来生成。涉及到预测的所有方面都可 在 GPS 装置本身之内进行， 其使用轨道模型表达式， 而不是用开普勒模型表达式。根据本发 明， 客户机可完全自主地运作， 其通过产生自己的种子数据来驱动合成辅助数据预测过程，而无需连接线路存在。
本发明通过使用选择的力模型系数和观测， 可提供 GPS 装置类型的传播器， 其可 实现为获得轨道传播， 该轨道传播一旦转回成为开普勒模型， 就可获得用于产生广播星历 表的合成辅助数据， 相比只纯粹在开普勒域中进行预测， 其可有效地具有更高的精度。
本发明的主要特点在于保留 AGPS 的优点， 而且无需连接到 AGPS 服务器来下载辅 助数据。GPS 装置将通过可用的手段 ( 根据广播星历表， 或 AGPS 技术 ) 而具有在先前获得 和储存的在不同时间间隔的星历表数据。在网络接线或 AGPS 不可得的情况下， GPS 装置随 着时间的推移而收集广播星历表数据。GPS 装置使用这些观测数据， 或通过 AGPS 服务器提 供的实时辅助数据， 作为轨道传播模型的输入来预测和合成过了原始接收的广播星历表的 期满时间的精确辅助数据。 只要轨道能可靠地预测， 该在当地产生的合成辅助数据， 无论是 以传播轨道或实际星历表的形式， 就可在未来长期提供。 一般情况下， 如果广播星历表数据 观测数据用作为轨道传播模型的输入， 该预测周期在 1 至 3 日之间 ； 如果与来自 AGPS 服务 器的合成辅助数据一道使用， 则可长达数周。 更长的预测周期是可能的， 这取决于可容许的 精度退化。虽然 GPS 装置会在无辅助下初始启动， 但自产生的辅助数据会使随后能够有快 速的 TTFF。 此外， 只要 GPS 装置可以在规则的时间间隔定期地获得广播星历表或辅助数据， GPS 接收器的灵敏度可更好地用于随后的启动。 本发明包括一种用于具有卫星导航或定位功能的设备的自主式轨道传播和自辅 助方法， 其中 ：
a) 在 GPS 装置上运行软件。该软件能够计算预测的导航卫星轨道位置数据， 然后 使用预测的导航卫星轨道位置数据来加速和改进 GPS 装置的位置确定性能。所有预测数据 处理功能可限于、 并局部化于 GPS 装置之内。
b)GPS 装置上包括软件或硬件模块， 以实现种子产生器、 传播器、 预测缓冲器和 AGPS 接口代理器的功能， 不论是分开地或共同地实现。
c) 种子产生器模块确定 GPS 卫星的位置和速度， 并基于在可设定的时间间隔上实 际广播星历表的本地观测数据来计算 GPS 卫星力模型参数。
d) 种子产生器模块基于 GPS 装置中的可用计算处理器资源， 使用不同的 GPS 卫星 力模型参数， 例如太阳压强、 恒定加速度和正弦径向、 交轨和沿轨项。
e) 种子产生器模块将 GPS 卫星力模型参数和初始 GPS 卫星位置和速度提供给在同 一 GPS 装置中运行的传播器模块。
f) 传播器模块在 GPS 装置中产生一组包括卫星位置和速度的预测轨道状态向量 (OSV)。传播器是通过使用由种子产生器函数提供的 GPS 卫星力模型参数， 将由种子产生器 函数提供的初始卫星位置和速度传递到与初始卫星位置和速度的时间不同的时间而达成 这样的。轨道的压缩模型然后以 ( 例如 ) 一组多项式且每一多项式有各自的时间标记的形 式而存储在本地预测缓冲器 140 之中。
g)GPS 位置计算模块也板载设置， 例如在芯片上， 或者可提供作为软件函数。通过 将来自合适模型的数据映射到适于 GPS 计算模块的格式， 该位置计算模块以得自预测缓冲 器 140 的辅助数据来工作。
h) 通过将合适的预测缓冲器 140 中的数据转换成卫星导航数据模型格式， 就可在 要求时导出辅助数据， 而且所述辅助数据可由 AGPS 接口代理模块在板载 GPS 位置计算模块
要求的时间和以要求的格式提供到板载 GPS 位置计算模块。
根据本发明的方法和系统的附加特征在于， 当 GPS 装置有外部连接功能可用时， 种子产生器模块能够确定 GPS 卫星位置和速度， 且可基于在可设定的时间间隔上的实际广 播星历表的本地观测数据以及远程合成或实时的 GPS 辅助数据源来计算 GPS 卫星力模型参 数。
所述方法的额外特征在于， 当外部连接功能可用时， 初始的卫星位置和速度以及 GPS 卫星力模型参数可通过远程种子服务器来计算， 并通过网络或直接接线提供给传播器。
所述方法的另外的特征在于， 种子产生器模块可使用多种 GPS 卫星力模型来计算 GPS 卫星力模型参数。传播器模块通过传播由种子产生器模块提供的初始卫星位置和速度 来产生 ( 位置和速度的 ) 预测轨道状态向量。
所述方法的另一特征在于， 远程种子服务器模块使用多种 GPS 卫星力模型来计算 GPS 卫星力模型参数 ； 以及传播器函数通过传播由远程种子产生器用更精确的力模型提供 的初始卫星位置和速度以及修正项来产生轨道预测。
所述方法的另一特征在于， 传播器通过种子产生器而被提供多个卫星位置和速度 以及修正项。 所述方法的另一特征在于， 传播器通过远程种子服务器而被提供多个卫星位置和 速度以及修正项。
所述方法的附加特征在于， 所述方法可以这样实现， 以致于软件模块可以在主机 处理器、 板载 GPS 位置计算单元处理器、 或两者内运行。
所述方法的额外特征在于， 卫星导航或定位装置可以是移动式或固定式装置。
所述方法的另一特征在于， 软件模块可在不具有板载 GPS 位置计算单元的装置上 运行。
本发明提供一种预测卫星位置的方法， 其包括以下步骤 ： (a) 提供一 GPS 装置， 所 述 GPS 装置具有射频天线， 所述射频天线配置成接收与卫星相关联的多个位置和速度， 所 述多个位置和速度在一有效时间期间内有效 ； (b) 所述 GPS 装置根据所述多个位置和速度 来计算所述卫星的修正加速度 ； (c) 所述 GPS 装置使用所述多个位置和速度以及所述修正 加速度来在预测的时间期间内传播所述卫星的轨道， 至少一部分所述预测的时间期间发生 在所述有效时间期间之后 ； (d) 所述 GPS 装置使用所述轨道来确定所述卫星的位置。所述 多个位置和所述速度可容纳于星历表之内， 例如在广播星历表之内。
在所述 GPS 装置上的软件模块可用使用所述星历表产生力模型系数和轨道状态 向量。在所述 GPS 装置上的传播软件模块计算所述轨道。在所述轨道被传播后， 所述轨道 可用作为多项式储存于所述 GPS 装置的存储器内。所述轨道可转化成合成星历表， 以便供 所述 GPS 装置用来确定在有效时间期间之后所述卫星的位置。所述 GPS 装置可具有网络接 口， 如果所述网络接口与 AGPS 服务器相联接， 所述 AGPS 服务器可协助所述 GPS 装置确定 所述卫星的所述位置 ； 或者所述 AGPS 服务器可将种子数据传递到所述传播模块， 或向所述 GPS 装置提供合成星历表。
本发明提供一种 GPS 装置， 其包括 ： a) 射频接收器， 所述射频接收器配置成接收与 卫星相关联的多个位置和速度的信息， 所述多个位置和速度在一有效时间期间内有效 ； b) 数字信号处理器， 所述数字信号处理器配置成解调所述信息 ； c) 种子产生器， 所述种子产
生器配置成根据所述多个位置和速度来计算所述卫星的修正加速度 ； 以及 d) 传播器， 所述 传播器配置成使用所述多个位置和速度以及所述修正加速度来在预测的时间期间内传播 所述卫星的轨道， 至少一部分所述预测的时间期间在所述有效时间期间之后。
所述多个位置和所述速度可容纳于星历表之内， 例如广播星历表。所述种子产生 器可进一步配置成用所述星历表产生力模型系数和轨道状态向量。所述 GPS 装置可进一 步包括存储器， 以便在所述轨道被传播后将所述轨道储存。GPS 装置也可具有 AGPS 接口模 块， 所述 AGPS 接口模块配置成将所述轨道转化成合成星历表， 以便确定在有效时间期间之 后所述卫星的位置。所述 GPS 装置还可具有网络接口， 所述网络接口配置成与 AGPS 服务器 相联接， 以便接受所述 AGPS 服务器的帮助。在该种情况下， 所述传播模块可配置成从所述 AGPS 服务器接收种子数据 ； 或者所述 GPS 装置可具有网络接口， 所述网络接口配置成从所 述 AGPS 服务器接收合成星历表。
本发明提供一种预测卫星位置的方法， 其包括以下的步骤 ： (a) 提供具有 GNSS 功 能的装置， 所述装置具有射频天线， 所述射频天线配置成接收与卫星相关联的多个位置和 速度， 所述多个位置和速度于有效时间期间内有效 ； (b) 所述装置根据所述多个位置和速 度来计算所述卫星的修正加速度 ； (c) 所述装置使用所述多个位置和速度以及所述修正加 速度来传播所述卫星在预测的时间期间内的轨道， 至少一部分所述预测的时间期间在所述 有效时间期间之后 ； 和 (d) 所述装置使用所述轨道来确定所述卫星的位置。 附图说明 图 1 所示为根据本发明的自辅助 GPS 架构的框图 ；
图 2 所示为表示出根据本发明的种子数据结构的表 ；
图 3 所示为表示出根据本发明的合成辅助数据记录结构的表 ；
图 4 所示为根据本发明的可访问种子服务器的自辅助 GPS 架构的框图 ；
图 5 所示为根据本发明的 GPS 装置的框图 ；
图 6 所示为根据本发明的 GPS 装置传播轨道传播模型的过程的流程图 ；
图 7 所示为根据本发明的可访问种子服务器的 GPS 装置传播轨道传播模型的过程 的流程图 ； 以及
图 8 所示为卫星轨道预测中的非径向分量误差的影响。
具体实施方式
在本文中， 下列术语具有以下含义 ：
“AGPS 接口代理” 表示一种软件或硬件模块， 其用于将预测缓冲器转换成格式可被 AGPS 模块接受的合成星历表 ；
“AGPS 模块” 表示一种软件或硬件模块， 例如芯片组， 其用于管理对 GPS 装置的输 入， 例如实际或合成星历表， 或时间频率和估计的卫星位置 ；
“AGPS 服务器” 表示一种服务器， 其产生可供与 AGPS 服务器通信的 GPS 装置上的 种子产生器或传播器使用的辅助数据 ；
“GPS 装置” 表示一种物体， 其具有 GPS 接收器和相关的数字处理器以用于接收和 处理来自 GPS 卫星的信号。GPS 装置可以是手持式， 或者可以是较大结构例如车辆的部件 ；“轨道状态向量” 是指一种向量， 其包含与卫星于特定时间间隔的位置和速度相关 的信息 ；
“传播器” 是指一种硬件或软件模块， 其用种子数据作为输入来计算轨道状态向 量；
“预测缓冲器” 是指一种存储器， 其用于存储一组将每一时间间隔的卫星轨道弧参 数化的预测模型 ；
“种子产生器” 是指一种软件或硬件模块， 其根据多种加时间标记的卫星位置和速 度， 例如星历表， 来计算供传播器使用的种子数据 ；
“种子数据” 是指对应于力模型的一组系数和用于预测卫星位置的一初始状态向 量；
“种子服务器” 是指一种 AGPS 服务器， 其产生可供与 AGPS 服务器通信的 GPS 装置 上的传播器使用的种子数据 ； 以及
“合成星历表” 是指一种根据预测的轨道状态向量产生的星历表， 而不是直接从卫 星接收的星历表。
虽然本文是用 GPS 装置的词语来论述本发明， 但其它 GNSS 也可与本文所揭示的系 统和方法一起使用。
本发明使用 GPS 或其它全球导航卫星系统广播星历表的观测数据产生 ( 利用种 子产生器 110)GPS 装置 200 中的称为传播器 120 的轨道传播建模器 (orbit propagation modeler) 的输入。传播器 120 然后就可预测或合成用于预测卫星未来位置的辅助数据。预 测的精度受限于种子产生器 110 所用的观测数量和间隔、 在 GPS 装置 200 内实现的传播器 120 的保真性、 不能精确地将作用于 GPS 卫星的力模型化的程度、 以及传播器 120 内使用的 初始位置和速度的精度。传播器 120 使用地球、 月球和太阳引力以及太阳压强 (pressure) 力模型。所述太阳压强力模型是唯一取决于 GPS 星座的力， 因为不同类型卫星具有不同的 质量， 并且受撞击其表面的光子的影响不同， 所以不同的卫星要求不同的模型。 对本发明来 说， 除了上述的太阳压强模型， 所述的方法同样等同地适用于其它 GPS 星座。轨道确定和预 测技术是本领域公知的， 例如可参见 Escobal 的 “Methods ofOrbit Determination( 轨道 确定方法 )” ， 以便了解详情。
本发明将轨道预测的责任交予种子产生器 110 和传播器 120， 两者皆容纳于 GPS 装置 200 之内， 正如图 5 所示。GPS 装置 200 还包括射频接收器 510( 和相关的数字信号处 理器 )、 AGPS 模块 130、 AGPS 接口代理器 150、 处理器 520 和存储器 530( 其包括预测缓冲器 140)。GPS 装置还可具有网络接口 540， 以便与 AGPS 服务器 180 通信。种子产生器 110 可 使用单一的广播星历表读数， 或多达任何数量的相继的广播星历表数据来产生种子数据， 其然后用作为传播器 120 的输入来产生轨道状态向量。图 1 示出了该系统的基本结构。
在完全自主的模式下， 即在 GPS 装置没有外部连接能力， 例如网络接口 540 的情况 下， 或者 GPS 装置具有网络接口 540， 但其无法连接 AGPS 服务器 180 的情况下， 所述方法的 基本步骤如下 ( 如图 6 所示 ) ：
1. 当 GPS 装置 200 通电及 AGPS 芯片组 130 从 RF 信号解调广播星历表数据时， 使 种子产生器 110 于特定的、 可配置的时间间隔 ( 如每 6 小时， 或每 12 小时一次， 等等 ) 下得 到所述的广播星历表的拷贝 ( 步骤 600)。2. 种子产生器 110 将这些广播星历表的观测数据从其开普勒模型表达式转换成 其当前适用的轨道表达式 ( 即位置， 速度 )， 并开始基于与未来卫星轨道位置和速度预测最 匹配的实际观测数据来计算一组力模型系数 ( 步骤 610)。 种子产生器 110 将这汇编入种子 数据， 包括轨道状态向量和所得的力模型系数 ( 步骤 620)。
3. 将所述种子数据提供给传播器 120( 步骤 625)。传播器 120 然后为包含在种子 数据内的每一人造卫星计算轨道状态向量 ( 步骤 630)。 所述轨道状态向量可在任何给定的 时间间隔上进行计算， 例如 15 分钟的历元。传播器 120 以后台任务的方式在 GPS 装置 200 内进行所述计算， 并将缓冲存储器 140 内的所得预测数据储存为多项式， 例如表示四小时 时限的 10 阶多项式， 根据该多项式就可容易地计算出轨道状态向量 ( 步骤 640)。 预测缓冲 器 140 可做成特定的大小， 以便能存储任何要求时间长度的多项式， 但其大小通常做成为 适用于要求的预测精度或有效期限， 即提前多达 3 天或 4 天。预测缓冲器 140 通常实现为 非易失性存储器， 以致于其包含的数据在 GPS 装置 200 下次通电时能立即使用。
4. 在可配置的时间间隔 - 通常为每 15 分钟， 或当 AGPS 模块 130 要求辅助数据时， 例如， 在超出容错时， AGPS 接口代理器 150 检索适用的多项式， 将其转换成当前时间的轨道 状态向量， 然后再将其转回到其等效的广播星历表开普勒数据格式， 并将最后所得的合成 辅助数据通过接口注回入 AGPS 模块 130( 步骤 650)。 该合成辅助数据实际上包含了实际广 播星历表系数的子集， 并且其 ToE( 星历表时间 ) 是可配置的， 通常会设置为于 15 分钟内到 期。 5.AGPS 模块 130 然后会首先使用合成辅助， 假如对任何特定卫星没有有效的真实 广播星历表的话 ( 步骤 660)， 但是当真实广播星历表最终从 RF 信号接收和解调后， 就会以 真实广播星历表取代合成辅助 ( 步骤 670)。
一般而言， 随着更多的广播星历表读数被读取， 合成辅助数据会变得更加准确。 该 过程的开始是通过使用来自 GPS 卫星的广播星历表的第一次已知的位置和速度作为种子 产生器 110 和传播器 120 的输入， 该过程使用物理力模型， 以便容许根据观测的广播星历表 ( 或根据不同的星历表源， 例如从辅助数据， 假如 GPS 装置具有网络接口 540 的话 ) 对第二 位置进行数值积分。第一位置具有的初始速度可以定标成转到合理地接近第二位置。所述 速度的正负号和标度取决于径向误差的正负号和幅度。对于较长的弧而言， 初始速度向量 可能不得不沿着垂直于初始速度向量和轨道平面的轴线来转动， 但在任何情况下， 初始速 度只有 2 种自由度 ： 幅度和旋转角度。随着时间的推移， 可取得多个广播星历表读数， 而所 述读数可由种子产生器 110 和传播器 120 用于改进种子数据随着时间推移的准确性。多个 广播读数， 从 1 到 n(n 为任何整数 ) 可以按照任何时间分隔， 但最好是有超过 12 或 24 小时 的多个读数来调节种子产生器 110 和传播器 120 所用的速度向量， 以便产生用于未来数天 的种子数据。
传统的轨道计算使用可用的最完整的力模型， 其可对跟踪数据提供最佳的轨道拟 合。通常， 当使用越强、 越准确的力模型时， 作为结果的轨道计算就越准确。该种强和准确 的力模型集可准确预测在跟踪数据测量时间之后的未来时间的卫星位置和速度。 对于根据 本发明的系统和方法而言， 力模型的复杂性可在任何水平， 而 GPS 装置 200 上的传播器 120 可以使用完整和强的力模型的子集来降低处理器 520 负荷。
为了进一步提高轨道预测的精度， 可通过迭代法来调节未模型化的径向和沿轨加
速度的广义加速度， 以便可使用类似于在例如 Montenbruck and Gill 的 “Methods ofOrbit Determination( 轨道确定方法 )” 文献中所用的方法来任意地转到接近于目标的第二点。 交轨加速度误差可很好地模型化及具有最小的影响， 因而不需要用假想的向量来表示。虽 然 GPS 中间地球轨道卫星的广播星历表的测距误差通常小于 3 米， 但可能具有较大的约 12 米的沿轨预测误差。这些沿轨误差 ( 如图 8 所示 ) 与径向误差 ( 其大体为地面 GPS 装置的 测距误差的一部分 ) 一起通过假想加速度来模型化。
图 8 示出了两个极端的情况， 一种是当卫星 ( 于四个地球半径外 ) 直接在头顶上 时， 在这种情况下， 非径向误差不会影响视线测距误差 ； 而另一种是当卫星在用户的地平面 的情况下， 只有四分之一的非径向误差会投射入视线误差中。
种子产生器 110 汇编种子数据 1， 其结合待由传播器 120 使用的轨道状态向量与力 模型系数。种子数据的典型实施例的结构可如图 2 所示那样。
一旦种子产生器 110 收到通常是用于随后 4 个小时的至少一个有效的广播星历 表， 种子产生器 110 执行一种过程， 以便使来自传播器 120 的轨道预测精度最优化。在所述 过程的每一步骤中， 种子产生器 110 估算力模型系数， 以便相对于观测的广播星历表来计 算最坏的径向和沿轨误差。所输出的种子数据具有包括以下系数的结构 ( 如图 2 所示 ) ： ●太阳压强 ：
○ Cr[0] 和 Cr[1](y- 偏差值， 及 x-z 分量 )
●恒定加速度项 ：
○沿轨加速度 ： aAccelConst，
○交轨加速度 ： cAccelConst
○径向加速度 ： rAccelConst
●以及一组正弦项 ：
○沿轨 ： aAccelS[2] ； aAccelC[2]， 其具有周期 1， 2 轨道
○交轨 ： cAccelS[2] ； cAccelC[2]， 其具有周期 2， 4 轨道
○径向 ： rAccelS[2] ； rAccelC[2]， 其具有周期 1， 2 轨道
取决于 GPS 装置 200 中可用的计算资源， 种子产生器 110 可以计算以上部分或所 有的系数。然而， 最低限度会计算下列系数 ：
●恒定加速度项 ：
○沿轨加速度 ： aAccelConst，
●以及正弦项 ：
○径向 ： rAccelS[0] ； rAccelC[0]
○沿轨 ： aAccelS[0] ； aAccelC[0]
此外， 来自广播星历表观测数据的时间和时钟参数都会包含于种子数据内。
对于最简型的种子数据和相关系数， 该过程的主要步骤如下， 其中以地心惯性术 语来表示 ：
1) 以第一个六小时内的径向误差为依据， 迭代地将初始速度 α( 自广播星历表 ) 调节成低于要求的阈值， 通常设定在 5 米。一旦实现， 将该速度称为 αopt 以及转移到下一 步骤。
2) 优化正弦径向加速度 ( 周期＝ 1 轨道 ) ：
11101910862 A CN 101910868
-8说明书9/11 页a) 表示 Acos(ωt)+Bsin(ωt) ＝ Ccos(ωt+δ)， 即 ω 的幅度和相位。假设 C ＝ -8 -2 1e ms 。用 C ＝ 1e ms 为不同的相位 δ1...δm 计算主要的径向误差， 并且保留可使径向 误差最小化的相位 δopt。
b) 使用 δopt， 在 C 上进行优化， 以获取使径向误差最小化的 C。Copt。
c) 如果先前计算出最坏情况的沿轨误差＞阈值， 则施加沿轨加速度 A， 直至达到 最大的迭代次数， 或者直到最坏情况的沿轨误差＜要求的阈值， 在此时确定 Aopt。
3) 力模型系数 αopt、 δopt、 Copt 和 Aopt 然后被沿轨结合到状态向量中作为部分的种 子数据。当传播器 120 使用种子数据时， 其可以将 αopt 施加到轨道的径向和沿轨部分中的 V0、 Coptcos(ωt+δopt) 和 Aopt 来传播每一卫星的轨道。
来自预测缓冲器 140 中存储的多项式的预测轨道状态向量通过 AGPS 接口代理器 150 转回到开普勒模型。由此产生的合成辅助数据然后格式化成为看来与广播星历表导航 模型数据记录在馈入 AGPS 模块之前相同的格式， 只是在一些字段是预测的同时， 其它的非 预测字段皆设定为常数或零。视乎 AGPS 芯片组 130 要求的或能够处理的格式， 典型的实施 例可导致如图 3 所示的会馈入 AGPS 芯片组 130 的合成辅助数据记录结构。
例如， 参照图 3， af1 取自最新的星历表， 而 af0 为在新 T ∝ oc 值的时钟校正值， 以及 T ∝ oc 参数被设成相等于 T ∝ oc。-2根据本发明的系统和方法的优势在于减轻 GPS 装置上的计算负荷。例如， 月球和 太阳加速度到地心地球固定参考坐标系的转换的完成无需典型的转换序列 WRNP( 其中 W 是 极移， R 是格林威治表观恒星角， N 是盘旋角以及 P 是岁差 )。通常， W 可从国际地球自转服 务 (International Earth Rotation Service) 下载 ( 或估算 )， 而 R 可通过在′ UT1′和 UTC 之间的缓慢变化偏差值 ( 同样可下载或估算 ) 来进行修正。 然而， 本发明并不需要使用 这些修正， 只是单单使用 R 而不会估算 UT1-UTC 偏移值 ( 目前为～ 14 秒 ) ； 相反地， 任何相 关的误差由上述的正弦加速度所吸收。
其它可用的计算方法包括 ：
1. 使用多项式模型 ( 有效期 4 天 ) 来模拟太阳 / 月亮星历表。所述模型可以移植 到定点数学， 以便进行月亮 / 太阳国际天球参考系 (ICRS) 位置计算 ；
2. 相对于每循环一次或两次的径向和沿轨正弦扰动， 确定部份的径向和沿轨加速 度误差的分析方程 ；
3. 相对于一组给定的位置， 确定在初始速度上的微小变化对径向和沿轨加速度误 差的影响 ； 以及
4. 使用 Glonass 导航消息传播已超过 Glonass 系统中标准的 1 小时有效期的轨 道。所述的 Glonass 导航信息将初始速度数字转换成 24 比特， 并使用精度较低的力模型 ( 比本发明所用的低 ) 来优化计算， 从而产生约一小时有效的星历表。 要使用本发明中的力 模型和 GPS 星历表格式， 只需通过赫尔默特变换 ( 也称为 7 参数变换 ) 将 Glonass 广播位 置和速度从 PZ90 参考椭圆体映射到 WGS84 椭圆体。
在处理器 520 上可串行地产生种子数据， 不过， 利用小的超高速缓存 ( 例如 7KB) 可并行地产生种子数据。如果要串行地产生种子数据， 可使用较大的超高速缓存 ( 例如 48KB)。
可使用双超高速缓存技术， 其中在第一种子数据被传播时， 储存在存储器 530 的
缓冲器中的每一种子数据由新的种子数据改写 ； 不过， 两个种子都会被写入同一预测缓冲 器 140 的不同存储区内。新星历表的输入会更新缓冲器中的两个种子数据集的时钟。
除了使用广播星历表作为传播器 120 的输入， 该系统还允许合成辅助数据在 AGPS 服务器 180 中产生并通过网络连线下载以用作传播器 120 的输入。该实施例在 GPS 装置 200 不能获得广播星历表的环境中很有用。 如果实时或合成辅助数据可得的话， 使用实时或 合成辅助数据的另一优势为， 可将完整的卫星星座的星历表立刻提供给传播器 120， 改进传 播器 120 的性能。从 AGPS 服务器 180 下载的数据可以是多种格式的， 使 GPS 装置 200 可产 生其本身的， 长期准确的预测数据。该实施例的大体结构在图 4 中示出。
在 AGPS 的实施例中， 种子产生器 110 的输入选项可扩充到包括来自外部 AGPS 服 务器 180 的实时或合成辅助数据。在完全自主的 GPS 装置的情况下， 与实际观察相比， 所 述的辅助数据可提供更完整的卫星星座视图， 从而使种子产生器 110 可产生适用于更多卫 星的种子数据。如果 AGPS 服务器 180 如美国专利申请 No.11/740,206( 其整体在此结合件 为参考 ) 所述为种子服务器， 则由 AGPS 服务器 180 提供的种子数据也可用作传播器 120 的 输入。由于来自种子服务器的种子数据在更强劲的处理器上产生以及会在较长时间 ( 如 7 天 ) 内有效， 所述种子数据可使传播器 120 比 GPS 装置 200 上的种子产生器 110 计算出更 准确的预测。但是， 如果 AGPS 服务器 180 没有新的辅助数据， GPS 装置 200 可返回到种子 产生器 110 以及继续以自主模式运作。在本发明的该实施例中， 任何基于网络的实时或合 成辅助数据的耐久性和可用性皆可使用， 假如可以得到所述数据的话。
GPS 装置对星历表的测距精度 (URA) 可以由 GPS 装置 200 计算， 其中会考虑到时钟 老化和轨道精度。计算 URA 所用的方法会取决于所述种子数据是由 GPS 装置 200 自生的还 是从 AGPS 服务器 180 接收的。在自生种子数据的情况下， 正如图 8 所示， URA 为最大径向 误差或者四分之一的非径向误差的线性外推。
图 7 所示为 GPS 装置 200 使用来自种子服务器的 AGPS 辅助的过程， 其包括以下的 步骤 ：
1. 当 GPS 装置 200 通电及 AGPS 芯片组 130 从 RF 信号解调广播星历表数据时， 使 种子产生器 110 于特定的、 可配置的时间间隔 ( 如每 6 小时， 或每 12 小时一次， 等等 ) 下得 到所述的广播星历表的拷贝 - 如果所述广播星历表可以得到话 ( 步骤 700)。
2. 种子产生器 110 将这些广播星历表的观测数据从其开普勒模型表达式转换成 其当前适用的轨道表达式 ( 即位置， 速度 )， 并开始基于与未来卫星轨道位置和速度最匹配 的真实观测数据来计算一组力模型系数 ( 步骤 710)。种子产生器 110 将这汇编入种子数 据， 包括轨道状态向量和所得的力模型系数 ( 步骤 720)。
3. 将所述种子数据提供给传播器 120( 步骤 725)。将来自 AGPS 服务器 ( 如果其 为种子服务器的话 ) 的种子数据也提供给传播器 120， 如果所述种子数据可得的话 ( 步骤 728)。 传播器 120 然后为包含在种子数据内的每一人造卫星计算轨道状态向量 ( 步骤 730)。 所述轨道状态向量可在任何给定的时间间隔上进行计算， 例如 15 分钟的时间间隔。传播器 120 以后台任务的方式在 GPS 装置 200 内进行所述计算， 并将所得的预测数据以多项式储存 在缓冲存储器 140 内， 所述多项式可转换成轨道状态向量 ( 步骤 740)。预测缓冲器 140 可 做成特定的大小， 以便能存储任何要求时间长度的多项式， 但其大小通常做成为适用于要 求的预测精度或有效期限， 即提前多达 3 天或 4 天。预测缓冲器 140 通常实现为非易失性存储器， 以致于其包含的数据在 GPS 装置 200 下次通电时能立即使用。
4. 在可配置的时间间隔 - 通常为每 15 分钟， 或当 AGPS 模块 130 要求辅助数据时， 例如， 在超出容错时， AGPS 接口代理器 150 检索适用的多项式， 将其转换成当前时间的轨道 状态向量， 然后再将其转回到其等效的广播星历表开普勒数据格式， 并将最后所得的合成 辅助数据通过接口注回入 AGPS 模块 130( 步骤 750)。 该合成辅助数据实际上包含了真实广 播星历表系数的子集， 并且其 ToE( 星历表时间 ) 是可配置的， 通常会设置为于 15 分钟内到 期。
5.AGPS 模块 130 然后会首先使用合成辅助， 假如任何特定卫星没有有效的真实广 播星历表的话 ( 步骤 760)， 但是当真实广播星历表最终从 RF 信号接收和解调后， 就会以真 实广播星历表取代合成辅助 ( 步骤 770)。
本发明的主要基本原理和特征包括但不限于 ：
·卫星导航或定位装置， 例如 GPS 装置 200， 可以自主地预测和产生其自己的辅助 数据而不用从外部网络接线要求外来援助。
·GPS 装置 200 具有种子产生器 110 和传播器 120， 以便进行卫星轨道位置和速度 预测。
·种子产生器 110 和轨道传播器 120 可视乎 GPS 装置处理器的性能和应用需求来 使用具有不同复杂度和精度的轨道预测模型。
·种子产生器 110 使用一系列的卫星位置和一初始速度来为 GPS 装置 200 中的轨 道传播器 120 制备输入。
·如果 GPS 装置 200 具有外部网络接口 540， 则外部辅助数据， 无论是实时或合成 的， 可选择性地作为种子产生器 110 和轨道传播器 120 的输入。
·与现有的外部辅助技术相比， 例如与辅助 GPS 相比， 可减少或排除网络数据流量 开销。
·根据本发明的系统和方法适用于任何卫星导航或定位系统。
· 根据本发明的系统和方法适用于任何类型的 GPS 装置 / 接收器， 固定或移动式皆 可。
· 根据本发明的系统和方法可在任何通信网络上以互补的方式与 GPS 和 AGPS 技术 一起使用。
虽然为了说明而详述了本发明的特别优选的实施例， 但应该明白， 所揭示装置的 变型和改型皆落入本发明的保护范围之内。