CN1842721A

CN1842721A - 卫星定位系统接收机和方法

Info

Publication number: CN1842721A
Application number: CNA2004800178085A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·M·金; 乔治·J·盖尔; 马克·亨; 罗伯特·哈伯
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC; Google Technology Holdings LLC
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: EP2309290B1; US7336224B2; TWI335445B; EP2309290A1; US7969356B2; WO2005033729A3; CN1842721B; US20040263386A1; TW200516271A; US7298321B2; EP1644752A4; WO2005033729A2; US20060181453A1; EP1644752A2; US20060181452A1; US20070247355A1

Abstract

一种具有存储的历书数据的卫星定位系统接收机中的方法，包括：使用星历数据确定关于卫星的信息(710)；使用存储的历书数据确定关于同一卫星的信息(722)；确定由星历数据确定的卫星信息和由存储的历书数据确定的卫星信息之间的误差(730)；以及基于该误差更新存储的历书数据(734)。

Description

卫星定位系统接收机和方法

技术领域

本公开内容通常涉及卫星定位系统(SPS)接收机，更具体地，涉及获取卫星信息，其用于近似SPS接收机的初始位置和对其进行定位，例如，支持全球定位系统(GPS)的移动无线通信用户设备，以及方法。

背景技术

全球定位系统(GPS)是由美国政府开发且对所有用户免费的基于卫星的位置和时间传输系统。其他的卫星定位系统(SPS)也已被开发或正被开发，包括俄罗斯的Glonass卫星系统和欧洲的Galileo系统。

SPS接收机的位置基于SPS接收机和数个卫星之间的单向测距，该卫星发射信号，其具有关于卫星的各个时变空间位置的发射时间和轨道参数。SPS接收机通过使内部复制信号同关于数个视野中的卫星的每一个的载波频率和可区分码相关，获取卫星信号。在获取了卫星信号时，SPS接收机使用来自获取的卫星的时间和轨道参数信息，用于测量到卫星的距离，优选地是四个或更多的卫星。这些测量距离被称为伪距，这是因为它们包括由SPS接收机时钟的时间误差引起的项。

通过确定接收的卫星信号的伪随机(PRN)码同以SPS接收机时钟为参考的内部复制PRN码之间的相位偏移，测量SPS卫星伪距。某些SPS接收机测量卫星信号的载波相位并对其积分，以便于减少测量相位偏移上的噪声。SPS接收机随后通过监视SPS信号直至对TOW区解码，确定基于SPS的时间。基于SPS的时间被用于确定测量相位偏移的时间。然后一同使用测量的时间和自卫星接收的星历(ephemeris)数据，用于计算数个卫星的瞬时空间位置，并且用于使位置方程线性化，其使计算的空间位置同测量的伪距相关。具有分别关于四个或更多个的卫星的四个或更多的线性化位置方程之后，SPS接收机可以解它们的三维地理位置，并且修正它们内部时钟中的时间误差。

通常已知的是，使用存储在SPS接收机上的历书(almanac)和星历信息加快卫星的获取。历书数据包含关于卫星运动的开普勒(Kepler)方程的系数，并且用于计算在特定的时间哪些卫星是可视的。历书数据还可以用于计算卫星的位置和速度矢量，由其可以计算卫星的多普勒(Doppler)估值，用于协助信号获取。历书数据提供了低分辨率的卫星位置准确性，在刷新时其典型地不优于约1公里。然而，历书数据包含相对小的字节数目，对于32个卫星近似为1200字节，并且历书数据在6个月～1年内是有用的，这依赖于重新安置卫星，还是添加新的卫星，还是将卫星从星座中移除。在GPS星座中，每个卫星向所有GPS卫星以12.5分钟的周期广播历书数据，其每隔数天被更新。

星历数据与历书数据相似，但是提供了更加准确的卫星位置信息，如果星历数据的年龄未超过数个小时，则其准确性达到数米。得自星历数据的卫星位置信息的准确性随着时间劣化。SPS接收机典型地使用星历数据用于计算精确的卫星位置，再与SPS接收机测量的伪距信息组合时，其可用于位置计算。关于一个卫星的GPS星座星历数据集是近似为72字节的数据，并且因此关于全部32个GPS卫星的星历数据需要约2304字节的数据存储空间。在GPS星座中，每个卫星每隔30秒广播其自己的星历数据。SPS接收机必需获取卫星，以便于获得其星历数据。

在典型的GPS接收机中，例如，在支持GPS的蜂窝通信和独立导航设备中，用于直接从卫星获取新的历书数据的时间需要多于12.5分钟。在所需用于直接从卫星获得历书数据的相对长的周期中操作GPS接收机，耗费了电池中的相当多的电量，其在包括支持GPS的蜂窝电话的许多应用中是不理想的。所需用于以这样方式获得星历数据的时间是相对小的，近似为30秒。

已知的是，在空中无线电消息中向支持GPS的无线电通信设备提供历书信息，例如，题为“GPS Receiver Utilizing A CommunicationLink”的美国专利No.6,064,336中公开的。然而，在某些情况中，使用历书信息或在空中消息中获得历书信息是不理想的。

而且，已知的是，在空中无线电消息中向支持GPS的无线电通信设备提供星历信息，例如，由Motorola Eagle GPS接收机所执行的。在现有技术的图1中，从蜂窝通信网络基站12向使用空中通信协议的无线用户设备14发射GPS卫星星历和历书信息10。无线用户设备14包含具有天线的GPS接收机16、蜂窝收发信机20和两个数据库，其存储在存储器中，用于存储星历数据22和历书数据24。GPS接收机16可以经由天线18直接从GPS卫星获取历书和星历数据，并且将其存储到历书数据库24和星历数据库22中。此外，蜂窝收发信机20可以经由空中消息从蜂窝网络获取刷新的历书和星历数据10。

然而，在通信链路上发射卫星历书和星历数据需要高成本的网络基础设施。此外，需要相对长的数据串用于发射星历和历书数据，并且对请求和存储得自空中消息的数据的管理是麻烦的。其他的GPS接收机应用，包括车辆导航，不包括可用于接收空中援助消息的无线电。出于这些和其他的原因，在至少某些应用中，自空中援助消息获得历书数据是不理想的。

题为“Position Detection System Integrated into Mobile Terminal”的美国专利No.6,437,735公开了，在移动GSP接收机处直接从GPS卫星或者从无线通信网络接收星历数据，并且通过比例缩放和校正星历参数使星历数据变换为历书信息，以形成对应的历书参数，其存储在GSP接收机上，用于定位确定。确信以这样的方式得到的历书数据具有显著的误差，例如，在沿跟踪方向中的积累误差，其在非常长的时间周期中可能产生不可接受的结果。

对于本领域的普通技术人员而言，在仔细地考虑下面的详细描述以及下文描述的附图之后，本公开内容的多种方面、特征和优点将变得更加显而易见。

附图简述

图1是用于从网络向用户设备传递GPS卫星历书和星历信息的

现有技术的系统架构。

图2是示例性GPS接收机的示意性框图。

图3是处理流程图。

图4是示例性GPS接收机的另一示意性框图。

图5是具有信息帧的示例性信号。

图6是用于自星历信息得到卫星轨道信息的处理的示意性说明。

图7是用于通过星历信息更新历书信息的处理的示意性说明。

图8是由历书得到的卫星位置和由星历得到的卫星位置之间的卫星位置矢量差的图线，作为历书和星历年龄的函数。

图9是由历书得到的卫星速度和由星历得到的卫星速度之间的卫星速度矢量差的图线，作为历书和星历年龄的函数。

图10是关于刷新年龄为40天的星历和历书的情况，由历书得到的卫星位置和由星历得到的卫星位置之间的卫星位置矢量差的图线，作为以天为单位的星历年龄的函数。

图11是关于刷新年龄为40天的星历和历书的情况，由历书得到的卫星速度和由星历得到的卫星速度之间的卫星速度矢量差的图线，作为以天为单位的星历年龄的函数。

具体实施方式

根据本公开内容的一个方面，卫星定位系统(SPS)接收机在SPS接收机连接到外部电源，例如电池充电器或车载适配器的任何时间自动地获取或尝试获取历书数据。在该操作模式下，SPS接收机连续地操作GPS接收机，以在连接到外部电源时，从例如，直接接收自卫星或某些其他的源的信号中，解调历书数据或其他的信息。

在图2中，蜂窝手机220中的GPS接收机210经由GPS天线232直接从GPS卫星230获取卫星导航数据。一旦接收到，将卫星导航数据，例如历书和/或星历数据存储在存储器中，例如，存储在星历数据库234和历书数据库236中。GPS接收机210是连续打开的，并且只要从外部经由外部充电器连接器240将电力施加到手机，其尝试解调直接来自GPS卫星230的星历和历书数据。外部电力可以来自电池充电器、点烟器适配器、免持车用适配器或者相似的向整个电话供电而非从电池内部向SPS接收机供电的外部电源。

在图3的处理示图300中，在框310中，确定SPS接收机，例如嵌入在蜂窝用户设备中的SPS接收机，是否连接到不同于其内部电池的电源。在框320中，如果接收机连接到外部电源，则接收卫星导航信息。可以直接从卫星，或者可替换地，从某些其他的源接收卫星信息，例如星历和/或历书数据，由于接收机未操作于电池电源，因此其同电池耗电无关。在框330中，将卫星导航信息存储在接收机上，例如，存储在存储器中。

在一个实施例中，卫星定位系统的导航数据的接收在接收机连接到不同于其电池的电源时开始。通常，如果接收机重新连接到其电池，则卫星定位系统的导航数据的接收是不连续的。然而，在某些实施例中，可能需要的是，在重新将SPS接收机连接到其电池时，继续接收SPS的导航数据，直至完成导航数据的接收。在某些实施例中，仅在接收机连接到外部电源时，直接从卫星下载导航数据，例如历书数据。

在图3中，在框340中，例如，在同外部电源断开连接时，确定电池电源是否被重新连接。如果在框350中，卫星数据的下载未完成，则在框360中确定是否满足这样的条件，即其将需要或要求在电池电源下完成下载。在框360中评估的条件可以是，下载数据是必需的，或者下载几乎完成，其可以通过例如，评估是否已接收了预定部分的或预定百分比的导航数据来确定。在图3中，在框370中，如果不满足该条件，则结束下载，而在框380中，如果满足该条件，则完成下载。

根据本公开内容的另一方面，SPS接收机与信息，例如卫星历书和/或星历的信息到达的预期时间同步地操作。这样，SPS接收机在未接收信息时不保持空闲和消耗电力。图4说明了示例性的SPS接收机的示意性框图，该SPS接收机具有实时时钟，其控制GPS接收机与预期的信息到达时间的同步操作。

图5是示例性的多帧信号，例如GPS导航消息，尽管该消息可以是任何其他的信号。GPS信号是按照可预测的调度方案发射的，并且因此在获取GPS信号时，GPS接收机可以使其操作同步，用于仅接收信号中所关注的信息。在图5中，例如，GPS接收机的接收功能在帧SF1～SF3到达的过程中是关闭的，并且GPS接收机的接收功能在帧SF4和SF5到达的过程中是打开的，以允许接收和解调所需的数据历书。已知历书数据仅占用子帧4和5，而不占用1～3的子帧。历书数据在25个连续的子帧4和5的集合上换向，以便于广播历书数据。图5所示的数据结构与自周(week)开始起的每30秒的历元同步开始。因此，总是在自周开始起的30秒的某个整数倍(n*30sec)时，发射子帧1的第1个比特的时间。同样地，已知子帧2的第1个比特开始于6秒后，或者开始于自周开始起的时间T＝n*30+6秒。自周开始起，子帧3开始于T＝N*30+12秒，子帧4开始于T＝N*30+18秒，而子帧5开始于T＝N*30+24秒。因此，如果预先使GPS接收机的实时时钟同相对准确的时间同步，则其可被编程为在子帧4开始时开启，并且在子帧5结束时关闭，仅解调关于这些子帧的比特，并且在使其功耗最小的同时获取刷新的历书数据。需要25个子帧4和5的集合，以获得完整的历书数据发布。在一个实施例中，GPS接收机在跟踪卫星的同时接收导航信息。

在一个实施例中，GPS接收机与GPS卫星或者如转发器的其他的源发射的GPS导航消息中的星历和/或历书信息的预期到达同步操作。在其他的实施例中，GPS接收机与时钟修正信息、电离层修正信息、对流层修正信息、世界协调时间偏移修正信息或者其他的具有调度到达时间的信息的预期到达时间同步操作。

通常，GPS接收机在接收功能失能的时间周期中，例如在图5的帧SF1～SF3到达的过程中，可以执行其他的操作。更具体地，在GPS接收机不接收的周期中，GPS接收机可操作处理先前接收的信号。

在1999年10月11日更新的Navstar文献ICD-GPS-200，RevisionC，其整体内容在此处并入列为参考，在页87和97中列出了星历参数，并且在页108中列出了历书参数。

卫星历书数据在计算获取援助信息中是有用的，诸如作为时间的函数的卫星多普勒和码相位估值以及卫星可见性估值。针对特定的历元时间(epoch time)修改或优化历书数据。历元时间由参数TOA(历书时间)和历书周数WNA确认，其中参数TOA是被描述为周(week)中的秒数的历元时间。GPS时钟和周数开始于1980年1月5日的周数0和时间0，周数每周计数加1，在1024周后翻转，同时GPS时钟每隔1秒加1秒，在下一周开始时清零。每周积累604800秒。历书周数WNA和TOA精确地确认了关于历书的参考时间，同时具有历书周数的256周的周期的模糊性。历书周数是10比特的GPS周数中的8个比特，其产生了256周的重复时间。考虑到周数差，由时差导出了用于确定卫星位置相对于时间的历书方程，该时差是当前时间同TOA之间的以秒为单位的时差。在方程(1)中示出了如何通过历书实现该操作的注解，其中函数将历书转化为地固地心(ECEF)坐标系中的3维卫星XYZ位置矢量，作为关于特定的卫星“sv”的时间“t”、周数“wk”的函数，并且其中函数SVPOS_alm使用了前面描述的历书卫星位置方程。

SVPosXYZ_alm[sv]＝SVPOS_alm(t，wk，sv) (1)

3维矢量SatPosXYZ_alm可被写成SVPosXYZ_alm＝[SVPosX，SVPosY，SVPosZ]，其中SVPosX分量是X轴元素，SVPosY是Y轴元素，而SVPosZ是Z轴元素。历书方程将时间和周数转化为卫星速度矢量，如下面方程(2)中所示。

SVVelXYZ_alm[sv]＝SVVEL_alm(t，wk，sv) (2)

返回的速度矢量是ECEF Cartesian坐标系统中的3维矢量，其指出了在瞬时时间历元“t”处的卫星速度。

还针对特定历元时间修正和优化卫星星历数据，该历元时间被称为星历时间或TOE。如果当前时间“t”和TOE之间的时差在正常条件下在+/-2小时内，则星历数据对于计算精确的卫星位置数据(准确到数米)是有用的。当时间t和TOE之间的差在范围-7200秒＜＝t-TOE＜＝+7200秒内时，星历数据可靠地计算卫星位置矢量和速度矢量数据，到达用于用户位置和速度计算所需要的精度。当时间在-7200秒＜＝t-TOE＜＝+7200秒的范围外时，卫星位置准确性劣化，并且通常星历数据对于自动位置求解是无用的。

同历书数据相似，老龄的或不准确的星历数据对于计算获取援助信息是有用的，诸如作为时间的函数的多普勒和码相位估值以及卫星可见性估值。时差t-TOE越大，卫星位置和速度坐标中的误差就越大。描述星历演化位置和速度数据的方程在下面的方程(3)和(4)中示出。

SVPosXYZ_eph[sv]＝SVPOS_eph(t，wk，sv) (3)

SVVelXYZ_eph[sv]＝SVVEL_eph(t，wk，sv) (4)

在ICD-GPS-200文献的表20-IV中描述了所使用的卫星位置和速度方程。

在一个实施例中，针对同一卫星，在同一时间“t”，比较由星历数据得到的卫星位置和由历书数据得到的卫星位置。例如，由下面的方程(5)表示的3维差矢量，

APXYZ[sv]＝|SVPOS_eph(t，wk，sv)-SVPOS_alm(t，wk，sv)| (5)

表示由历书得到的位置同由星历得到的位置之间的线性范围差，其中量值算子|.|是关于三个矢量差元素的每一个的平方和的平方根的简化注解。

图8说明了作为星历和历书数据的年龄的函数的方程(5)中描述的卫星位置矢量的差的增加。图8中的x轴表示以天为单位的历书/星历的年龄，而Y轴表示在特定历元时间下关于GPS星座中的全部卫星的卫星位置矢量差，即方程(5)。在天数0时，收集关于整个GPS星座的刷新的历书和星历。在历书和星历刷新时(天数0、1、2)，卫星位置差是相对小的，约为1～2km。随着数据集年龄增加，同历书相比，在约100天后，得自星历的卫星位置的差增加至不大于300km。由于包括针对升交角距(arguments of latitude)、轨道半径和倾角的正弦和余弦修正的幅度，大部分差是由于来自星历数据而非历书数据的卫星位置的误差增加而引起的。同用户-卫星的距离，其在20,100km和28,500km之间，卫星位置矢量中的300km的位置误差同用户-卫星的距离的几何特征是非常小的(距离矢量的1/67～1/95)。因此，作为时间的函数的描述特定卫星的方位和高度的卫星可见性方程在误差上将不超过约1～2度。

图9示出了从星历和历书数据的“刷新”状态(天＝0、1、2)到相对老的100天的星历和历书数据之间的卫星速度矢量差。大部分卫星速度矢量差处于沿跟踪方向(along-track direction)中，但是其也可以处于用户-卫星单位矢量的方向中，这意味着其直接转化为预测的多普勒误差。在约100天后，对于最差情况，即，如果全部的速度误差处于用户-卫星单位矢量的方向中；小概率情况，则速度矢量差小于35米/秒，其转化为约183Hz的预测多普勒误差。图9所示的大部分的差是由于变老的星历数据而非变老的历书数据而引起的。如果获取算法考虑了由于变老的星历数据引起的多普勒偏差的几乎线性的增加，则关于100天年龄的星历数据的预测多普勒足够用于获取卫星。例如，获取算法可以修改作为近似为星历年龄的函数的多普勒偏差，例如，Du＝183Hz*天数/100，并且因此，随着存储的星历数据的变老，基于存储的星历数据的年龄扩展多普勒搜索空间。

图10和11说明了同80天前的历书数据相比，当前的星历数据(天＝0)的卫星位置和速度差的关系。在t＝-80天时，捕获刷新的历书数据并将其存储在存储器中。在t＝0天时，收集刷新的星历数据并且将其同老的历书数据比较。在收集星历数据之后，可以绘制时间上向后，即从T＝-80天(历书刷新，星历年龄-80天)到T＝0天(星历刷新，历书年龄80天)的位置/速度差的图线。这允许直接比较，当时间T处于准确的星历时间周期-7200秒＜＝t-TOE＜＝+7200秒中时，在历书位置和速度同星历位置和速度比较之后经过80天的历书数据的性能。在天0(x轴)时，星历数据是最准确的，并且变老的历书是大部分位置/速度差的源。图10指出了，即使在经过80天之后，历书数据仍返回可信度为40km内的位置数据，以及约5米/秒内的速度准确性(图11)，可信度数据由刷新的星历数据确定。

在图10和11中，图线1000、1002、1004和1006表不关于一组四个卫星的相对于时间的误差，其中卫星的位置和速度误差基本上大于星座中的其他24个卫星。GPS星座中的卫星周期性地重新定相(re-phase)或者在轨道中移动，以重新调整轨道，用于更优化的覆盖。结果，在图10和11中，对应于图线1000、1002、1004和1006的卫星在获取历书和星历数据之间的80天中的某个时间在轨道中重新定相。这样，由“老”的历书数据捕获“老”的轨道，而由“新”的星历数据捕获“新”的轨道。因此，在历书和星历数据之间的重新定相的卫星位置和速度比较结果中存在基本上大的位置和速度误差。可以检测到该误差比随着时间增加的正常误差更大，并且事实上，相比于老的历书卫星位置/速度数据同较新的星历卫星位置/速度数据比较的情况，对于在轨道中已被重新定相的特定的卫星，还可以检测到比预期的误差更大的误差。很可能地，所存储的历书数据应由刷新的历书替换，或者简单地使用新采集的星历数据获取卫星。由于大的估值多普勒误差，使用老的“定相前”的历书或星历数据获取“重新定相后”的卫星的尝试，将可能导致检测卫星的失败。

根据本公开内容的另一方面，SPS接收机在正常使用过程中经由蜂窝网络在空中协议消息中下载星历，或者直接从GPS卫星下载星历，以便于在SPS接收机处计算准确的位置解。在获得新的星历时，SPS接收机将先前存储的历书数据的准确性同刷新的星历数据比较，并且依赖于误差阈值，决定使用星历数据替换卫星历书数据，还是直接从卫星收集刷新的历书。

在某些实施例中，SPS接收机，其可以嵌入在通信设备中，存储关于每个卫星的历书和星历数据，并且将存储的历书数据的准确性同存储的更新的星历数据比较，并且依赖于历书和星历数据的不准确性或者误差和/或年龄，决定使用历书数据还是星历数据，用于每个卫星的获取援助计算。在另一实施例中，SPS接收机存储关于星座中的每个卫星的历书和星历数据，并且由最准确的或最新的源，即历书或星历数据，计算援助数据。使用援助数据检测特定的卫星的失败将触发通过无线网络的对未获取的卫星的刷新的星历的请求。在另一实施例中，SPS接收机存储星历数据，用于在-7200秒＜＝t-TOE＜＝+7200秒时间周期以外的时间生成卫星获取援助。当援助数据中的预期的误差大于阈值时，无线手机请求关于特定卫星的刷新星历。在另一实施例中，SPS接收机存储星历数据，用于在-7200秒＜＝t-TOE＜＝+7200秒时间周期以外的时间生成卫星获取援助。当星历的年龄超过特定的阈值时，在该阈值之后援助数据变得不准确，嵌入在通信设备中的GPS接收机请求关于特定卫星的刷新数据。

根据本公开内容的另一方面，在确定存储在卫星定位系统接收机上的关于至少一个卫星的星历数据对于生成卫星获取援助数据而言不再有用的时候，卫星定位系统接收机不再尝试获取卫星，SPS接收机例如，从通信网络或者直接从卫星周期性地更新星历数据，同时卫星定位系统接收机不再尝试获取卫星，直至卫星定位系统接收机接收到关于至少一个卫星的刷新的星历数据。在一个实施例中，当卫星定位系统接收机不再尝试获取卫星时，更新星历数据，直至卫星定位系统接收机接收到关于全部卫星的刷新的星历数据。

根据本公开内容的另一方面，当确定存储在卫星定位系统接收机上的星历数据过时时，卫星定位系统接收机确定，在不尝试通过卫星定位系统接收机获取卫星时，使用过时的星历数据，特定的卫星是可见的，并且通过空中消息请求关于同一卫星的当前的星历数据，同时不尝试通过卫星定位系统接收机获取卫星。根据本公开内容的另一方面，卫星定位系统接收机通过尝试使用存储的星历数据获取卫星，确定星历数据不够准确，不能获取卫星。如果星历数据不准确，则在空中消息中请求准确的星历。

根据本公开内容的另一方面，由获得自至少一个星历数据发布的信息生成低分辨率的卫星轨道信息。在某些实施例中，由获得自至少一个星历发布的信息而得到的低分辨率的卫星轨道信息具有足够用于计算卫星位置和速度信息的分辨率水平。卫星位置和速度信息可用于确定卫星多普勒估值和不确定度范围，其可用于SPS接收机进行的初始卫星获取。在其他的实施例中，得自至少一个星历数据发布的低分辨率的卫星轨道信息基本上与历书数据相同。因此，低分辨率的卫星轨道信息对于不具有预先存储的历书数据的SPS接收机而言是有用的，并且在预先存储的历书数据丢失、损坏或过时的接收机中，其是有用的。该处理还可以消除对直接从卫星或者从空中消息获得历书数据的需要。在某些SPS接收机中，对于接收机制造商而言，在接收机上存储历书数据或者及时地存储历书数据是不实际的。在这些和其他的情况中，理想的是，在SPS接收机上生成低分辨率的卫星轨道信息。

通常，至少针对卫星获取的目的，通过使用同升交角距、轨道半径和倾角的正弦和余弦修正的幅度无关的星历数据，并且将轨道计算限制于下面的原始星历参数，可以由星历数据集对历书参数进行良好的近似：

M₀～参考时间的平近点角(Mean Anomaly)；

e～偏心率；

(A)^1/2～半长径的平方根；

(OMEGA)₀～升交点经度(Longitude of Ascending Node)；

i₀～参考时间的倾角；

ω～近地点角距

OMEGADOT～赤经率(Rate of Right Ascension)；和

IDOT～倾角率。

通常可接受的是，在基本上+/-2小时间隔以外的时间周期中，例如100或更多天，使用星历数据，用于卫星获取目的。

图6说明了用于由来自同一卫星的至少一个星历数据发布，生成相对低分辨率的卫星轨道信息的处理。SPS接收机有时自同一卫星获得多个星历数据发布EPH1 601、EPH2 602、EPH3 603和EPH4 604等，例如，其同SPS接收机位置解相关。星历数据可以直接获取自SPS卫星，或其可以请求自某些其他的源，例如，经由空中消息请求自援助基站。连续的星历数据发布之间的间隔可以是周或月，这依赖于自其得到的低分辨率卫星轨道信息的所需分辨率，尽管可替换地，可以使用更长的或更短的时间间隔。星历数据发布之间的间隔优选地超过任何特定的星历发布的有效时间周期，例如TOE+/-2小时。

例如，在需要用于确定接收机的位置或方位时，在SPS接收机操作的正常过程中获得了多个星历数据发布。因此，由于星历信息通常被获取用于其他的目的，因此对于生成低分辨率的卫星轨道信息的唯一目的，通常没有必要为了获得星历数据而专门地分配SPS接收机资源。然而，在某些情况中，理想的是，获得专门用于生成或更新低分辨率卫星轨道信息的分辨率的星历数据，例如，以确保得到的低分辨率卫星轨道信息具有所需的分辨率。

在图6中，在框610中计算基于星历的卫星位置和速度。卫星位置矢量(SVPosXYZ_eph[sv])和卫星速度矢量(SVVelXYZ_eph[sv])是基于对应的星历数据的特定时间历元处的SPS位置确定的工件。优选地，对于每个星历数据集，在SPS接收机上的数据库中存储了至少一个卫星位置和速度矢量坐标对，如框612所指出的。更具体地，所存储的参数包括卫星位置矢量SVPosXYZ_eph[i]、卫星速度矢量SVVelXYZ_eph[i]、卫星标识符(SVID[i])、同卫星位置/速度数据相关联的时间(TOW[i])、GPS周数(Wn[i])、和任选地，星历时间(TOE[i])。索引[i]指出了关于特定参数的数据库中的条目编号，例如；svid[i]是关于该条目的对应的卫星ID。如果在TOE时间而非TOW时间计算卫星位置和速度，则可以替换TOW存储TOE[i]。不太可能的是，正常位置计算功能将实际上在准确的TOE时间下计算时间，因此更为实际的是，存储同卫星位置/速度数据的计算时间相关联的TOW时间。在其中未使用对基于星历的卫星位置和速度函数的额外调用的应用中，可以避免存储TOE。如果可以承受对基于星历的卫星位置和速度函数的额外调用，则可以避免存储TOW[i]，这样更加容易计算TOE时间下的位置和速度坐标，其允许数据库，这是因为TOW时间将被存为TOE时间，由于TOE时间是整数表述，因此其需要较少的比特。如果SPS接收机每天使用，则逻辑具有以某个周期性的速率，例如每周存储数据的附加功能。如果使用模式是更加稀疏的，比如每年一次，则所获取的每个星历数据集将用于更新存储的历书参数。

在图6中，在框614中，卫星轨道信息是通过直接曲线拟合函数获得的，其由多个卫星位置矢量和速度矢量形成了卫星位置曲线和卫星速度曲线，作为时间的函数。可以以传统的方式确定开普勒(Keplerian)轨道元素的计算。在Dover Publication在1971年出版的Bate、Mueller和White的“Fundamentals of Astrodynamics”，从页61开始，讨论了由卫星位置和速度数据点计算开普勒轨道元素的示例。在框618中，存储卫星轨道信息，并且在后面使用，用于获取援助的生成。

在某些实施例中，针对至少一个卫星接收对应于多个星历数据发布的部分，例如，消除正弦和余弦谐振项，以便于在星历轨道方程中移除该长时间的误差源。这可以通过将针对升交角距、轨道半径和倾角的正弦和余弦修正的幅度设置为0而实现。

在某些实施例中，为了简便，在框614中确定的卫星轨道系数被转换为历书数据的分辨率和格式。没有必要将确定的卫星轨道系数比例缩放为由GPS卫星发射的相同的比特数目和比例因子。比例缩放允许通过将卫星轨道系数转换为历书数据的格式和分辨率，使直接获得自GPS卫星的历书数据或卫星轨道系数存储在相同的保持寄存器(holding register)中。而且，多个星历数据的发布的精度可以减少至同关于同一卫星的历书数据可相比的分辨率水平，如美国专利No.6,437,735中描述的。

根据本公开内容的另一方面，依据基于星历的卫星位置和速度信息以及基于历书的卫星位置和速度信息的差，不定期地更新存储在SPS接收机上的历书数据。该策略消除了下载历书数据的更新版本的必要。

在从工厂运输之前，在制造过程中，历书数据可以例如，经由串口连接，初始存储在SPS接收机上的存储器中。可替换地，在将历书数据初始递送给用户时，例如，在激活支持SPS的蜂窝电话时，可以将历书数据安装在SPS接收机中。例如，使用上文讨论的同步化方案，或者通过传统的装置，其需要至少12.5分钟的连续卫星跟踪，如果未连接到外部电源，则其基本上可以耗尽手机电池，还可以直接自SPS卫星获得历书数据。然而，根据本公开内容的该方面，有必要的仅是，获取一次历书数据，其与获取方法无关。

该方案利用了这一事实，即SPS接收机不定期地获取更新的星历数据，用于接收机位置计算。星历数据可以在约30秒的连续跟踪中直接获取自SPS卫星，或者其可以经由来自援助SPS基站或某些其他的源的空中消息集而被请求。

在图7中，SPS接收机有时自同一卫星获得多个星历数据发布EPH1701、EPH2702、EPH3703和EPH4704等，例如，其同SPS接收机位置解相关，其通过如上文参考图6讨论的时间间隔隔开。如所讨论的，位置计算的工件是特定的时间历元处基于刷新的星历数据的关于每个卫星的卫星位置矢量(SVPosXYZ_eph[sv])和卫星速度矢量(SVVelXYZ_eph[sv])信息。在图7中，在框712中存储卫星位置矢量SVPosXYZ_eph[i]、卫星速度矢量SVVelXYZ_eph[i]、卫星标识符(SVID)、同卫星位置/速度数据相关联的时间(TOW[i])、GPS周数(Wn[i])、和任选地，星历时间(TOE[i])，如上文参考图6所讨论的。

星历数据在包括星历时间(TOE)附近的两个小时，即TOE+/-2小时的时间部分中，创建了相对真实的卫星位置和速度矢量。因此，由TOE+/-2小时之间或其范围中的时间历元处的刷新星历数据得到的任何卫星位置/速度数据，在与同一时间历元的由历书得到的卫星位置和速度矢量数据比较时，可以用作“真实模型”。随着存储的历书数据变老，由星历和历书得到的位置和速度矢量之间的误差增加到不可接受的极限。该差，其还被称为位置和速度残差，可用于计算针对原始存储的历书参数的平差(adjustment)，以减少历书产生的误差。

该处理通常将由历书得到的卫星位置和速度信息同得自当前的星历数据的卫星位置和速度信息比较，并且基于比较结果得到用于当前的历书参数的修正值。该修正值用于更新历书数据(new_param＝old_param+correction)，关于其的新的参数被存储，用于未来的获取，例如，当前星历数据所能应用的窗口之外的获取。

在发展关于数个卫星的数个当前和过去的卫星位置坐标的数据库时，可以测量历书数据误差。在图7中，使用基于历书的卫星位置和速度计算器722，使用在框720中存储的历书数据和在框712中存储的SVID[i]、TOW[i]和Wn[i]参数计算基于历书的位置SVPosXYZ_alm[i]和速度SVVelXYZ_alm[i]坐标。在由TOW[i](其获得自框712)标出的时间处，针对每个卫星(SVID[i])计算历书位置和速度信息。在框724中存储基于历书的计算结果。

在图7中，在框730中，计算卫星位置和卫星速度矢量的差。具体地，PXYZ[i]＝SVPOS_eph(t，wk，sv)-SVPOS_alm(t，wk，sv)表示基于当前的卫星星历和变老的历书位置的位置的3维差矢量，而VXYZ[i]＝SVVel_eph(t，wk，sv)-SVVel_alm(t，wk，sv)表示基于当前的卫星星历和变老的历书速度的速度的3维差。计算残差，并且将其存储在关于每个卫星的数据库中，其是在步712和724中存储在数据库中的。

位置和速度残差信息可用作误差信号，其可用于修正变老的历书数据。在图7中，在框724中，通过基于在对应于真实模型数据库中的样本的时间间隔上的残差大小的函数，调节原始历书的参数。在每次调节历书轨道参数之后，可以重复该处理，创建关于每个卫星的新的残差集合。

在一个实施例中，该处理使用最小二乘(LS)计算，或者其可以迭代执行，以使迭代次数最小。如果使用LS计算逼近，则通过在所涉及的灵敏度下，计算卫星位置误差矢量相对于轨道参数的偏导数，即一阶建模，最优地解决了问题。其还可以通过测试每个历书数据的灵敏度或者通过基于残差中的主要误差的方向调节每个历书参数来执行。

例如，如果大部分误差处于沿跟踪方向中，则调节平均运动参数，以使后续迭代中的沿跟踪方向的误差最小。沿跟踪方向的位置误差的基本线性的误差增加可极大地归因于单一的轨道元素，即卫星的平均运动的误传(misrepresentation)。该参数表示画椭圆的环形轨道中的卫星的预定轨迹(沿其发生了实际运动)的增加的线性角速度，并且涉及星历中的两个参数，半长径a和平均运动的修正值n，其均呈现在下面的方程中：

M＝n(t-t_p) (6)

n＝√μ/a³+n (7)

其中“t”表示时间，“t_p”表示近地点通过的时间，“n”是平均运动，而“M”是画出的环形轨道的角度，并且其中“μ”表示万有引力常数。

假设通过与当前星历比较测量了历书的沿跟踪方向的误差分量，通过调节由历书假定的平均运动参数，可以生成修正值，由此减少了其主要误差分量。还可以依赖于残差矢量的方向和大小调节其他的参数。

随着处理前进至刷新存储的历书数据，存储在存储器中的较老的基于星历的数据由较新的位置和速度信息替换，由此测量误差的处理主要基于晚于历书数据的日期的较新的星历数据。因此，随着存储的历书相对于真实星历变老，该处理测量存储的历书的误差增加。需要在存储器中采集关于每个卫星的某个最小数目的存储数据点。

在某些情况中，可能不能更新历书数据，例如，在通过迭代未充分减少残差的情况中。在这些情况中，有必要获取新的历书数据或者由星历数据生成低分辨率的卫星信息，如上文所讨论的。

可以导致残差收敛的情况包括数据库中存储的卫星位置和速度历史数据的时帧(例如EPH2和EPH3的时间之间)内的国防部(DoD)卫星变轨(即，轨道重新定相)。由于EPH2和EPH3位置和速度信息采集之间的时帧可以是相对长的，周或月，因此不能确保了解卫星是否已重新定轨。在一个实施例中，存储指出卫星轨线是否改变的星历数据参数。可被存储用于检测卫星轨道的显著变化(诸如可能在航天器的重新定轨过程中发生的)的参数的示例包括下面的星历参数中的任何一个或多个，用于检测卫星轨道的显著变化：

M₀～参考时间的平近点角；

e～偏心率；

(A)^1/2～半长径的平方根；

(OMEGA)₀～升交点经度；

i₀～参考时间的倾角；

ω～近地点角距

OMEGADOT～赤经率；和

IDOT～倾角率。

对于这些参数的每一个，将创建预期的防护频带，基本上是最小和最大值，其将包括假设不发生重新定轨事件时的预期的下一参数值。在自例如蜂窝网络获取了下一星历数据集时，将基于星历数据的先前历史再次针对预期的防护频带范围测试每个新的参数。如果任何上文的参数超出了其预期的最大或最小值，则从针对该特定卫星观测上一星历集合开始，可能发生了重新定轨操作。在该背景下，有必要替换由来自重新定轨卫星的星历数据得到的任何存储的卫星位置和速度数据。

为了定位必须周期性地使用特定的手机，以使手机获得关于获取的或可见的卫星的全部星历数据的当前复本，以便于内部计算准确的位置解。因此，依赖于特定手机的使用模式，可以足够频繁地使用该手机，以更新存储的历书或低分辨率卫星轨道参数，或者可以不那么频繁地使用该手机，由此历书或低分辨率卫星轨道参数变旧。需要在低使用模式的手机中更新历书或低分辨率卫星轨道参数的某种方法。

GPS星座中的卫星处于近似12小时周期轨道中，其每天产生约4分钟的进动。这意味着，在23小时56分钟(不是24小时)之后，同一卫星出现在天空中的同一点处。星座中的每个卫星在天的不同部分中升起和落下。每周使用一次的手机，假设在本地时间8AM时，将获得关于该时间可见的卫星的更新的星历，但是未获得关于星座中的其他卫星的星历。这是因为蜂窝AGPS援助中的空中协议消息仅将关于当前在用户近似位置处可见的卫星的更新星历数据输送到手机。由于在相邻的周之间，可见卫星的星座在8AM时差别不太，因此手机将一再地仅获得关于相同卫星的更新星历，直至星座相对于用户的本地时钟缓慢地旋转。因此，对于星座中的其他的卫星，由于它们在8AM的本地时间对于手机而言是不可见的，并且在许多月中的该时间将是不可见的，因此可能需要花费许多月变为对手机而言是可见的。因此，对于此处公开的方法而言，可以频繁地更新特定数目的卫星，并且在长时间中不更新其他的卫星，这是因为，未更新的卫星处在相对于用户的使用模式的不同的可见性调度方案中。

针对该变老的速率差的一种方法是，对手机编程以识别特定的卫星存储的历书或低分辨率卫星轨道参数何时变老或变旧时，其原因是手机未用于周期性的位置计算，或者用于位置计算的使用模式是这样的，即从未更新特定的卫星。可以对手机编程，以通过使用变老的历书或低分辨率卫星轨道参数的卫星可见性的正常计算，确定需要更新的卫星何时可见。在一个实施例中，手机将不再尝试获取卫星，而是使用来自实时时钟或蜂窝空中消息的本地时钟、手机的最后已知位置或者用于向手机输送近似位置的蜂窝空中消息、以及变老的历书或低分辨率卫星轨道参数，仅识别具有变老的历书或低分辨率卫星轨道参数的卫星目前是可见的。使用该数据，手机随后可了解与需要更新的历书或低分辨率卫星轨道参数相关的卫星何时需要更新，然后在该时间请求关于全部可见卫星的星历更新。手机将没有必要计算位置，但是其仍然可以继续空中协议交换，如同其正在尝试定位。当蜂窝网络接收到关于更新星历数据的请求时，关于该时间可见的卫星的全部星历数据，包括需要针对其存储的历书或低分辨率卫星轨道参数更新的卫星，将被输送到手机。手机可以进行定位，或者简单地使用本公开内容中描述的算法更新存储的历书或低分辨率卫星轨道参数，在手机或用户需要获取卫星并产生定位时，用于卫星获取援助。该更新程序将在不转到手机内部的GPS接收机的情况下完成，可以在小的蜂窝空中流量出现时的日时刻(time of day)处(例如，2am)调度更新处理，由此对于星座中的每个卫星，更新的历书或低分辨率卫星轨道参数总是可获得的。

尽管以这样的方式描述了本公开内容和目前被认为是本发明的最佳模式的模式，即本发明人建立其所有权并且使本领域的普通技术人员能够获得和使用本发明，但是应当理解和认识到，存在此处公开的示例性实施例的许多等效方案，并且在不偏离由所附权利要求而非示例性实施例限定的本发明的范围和精神的前提下，可以对其进行无数的修改和变化。

Claims

1.一种在卫星定位系统接收机中的方法，包括：

接收关于至少一个卫星的多个星历数据发布；

由所接收的关于至少一个卫星的对应的多个星历数据发布获得的卫星信息，得到关于至少一个卫星的相对低分辨率的卫星轨道信息。

2.权利要求1的方法，得到关于至少一个卫星的卫星轨道信息包括，由对应的多个星历数据发布获得平均卫星轨道系数，以及减少所获得的卫星轨道系数的分辨率。

3.权利要求1的方法，得到关于至少一个卫星的卫星轨道信息包括，将获得自对应的多个星历数据发布的卫星信息的精度减少至可同关于同一卫星的历书数据比较的分辨率水平。

4.权利要求1的方法，得到关于至少一个卫星的卫星轨道信息包括，消除所接收的关于至少一个卫星的对应的多个星历数据发布的一部分。

5.权利要求4的方法，消除所接收的关于至少一个卫星的对应的多个星历数据发布的一部分包括，消除正弦和余弦谐振项中至少一个。

6.权利要求1的方法，得到卫星轨道信息包括，基于关于对应的卫星的多个星历数据发布，形成关于至少一个卫星的多个估计卫星位置，以及基于估计卫星位置，计算关于至少一个卫星的卫星轨道系数。

7.权利要求6的方法，将卫星轨道系数转换为历书数据分辨率和格式。

8.权利要求1的方法，

由多个星历数据发布的每一个获得卫星定位和速度信息；

将卫星定位和速度信息存储在卫星定位系统接收机上；

由获得自对应的多个星历数据发布的卫星位置和速度信息，得到关于至少一个卫星的相对低分辨率的卫星轨道信息。

9.权利要求1的方法，由得到的对应的卫星轨道信息，确定关于至少一个卫星的位置和速度信息。

10.权利要求9的方法，由对应的卫星位置和速度信息确定关于至少一个卫星的多普勒估值和不确定度范围。

11.权利要求1的方法，通过更新的星历数据更新关于至少一个卫星的卫星轨道信息。

12.权利要求11的方法，如果更新的星历数据未存储在卫星定位系统接收机上，则获得更新的星历数据。

13.一种在具有存储的历书数据的卫星定位系统接收机中的方法，该方法包括：

使用星历数据确定关于卫星的信息；

使用存储的历书数据确定关于同一卫星的信息；

确定由星历数据确定的卫星信息和由存储的历书数据确定的卫星信息之间的误差；

基于该误差更新存储的历书数据。

14.权利要求13的方法，

确定关于同一卫星的卫星信息包括，使用星历数据并且使用存储的历书数据，确定关于同一卫星的卫星位置和速度信息；

确定误差包括，确定由星历数据和由存储的历书数据确定的卫星位置和速度信息之间的误差。

15.权利要求14的方法，在公共历元中，使用星历数据并且使用存储的历书数据，确定关于同一卫星的卫星位置和速度信息。

16.权利要求14的方法，在关于星历数据的星历时间(TOE)的指定的时间间隔中，使用星历数据并且使用存储的历书数据，确定关于同一卫星的卫星位置和速度信息。

17.权利要求14的方法，

确定误差包括，确定由星历数据和由存储的历书数据确定的卫星位置和速度信息之间的修订误差；

基于该修订误差更新已更新的历书数据。

18.一种在具有存储的历书数据的卫星定位系统接收机中的方法，该方法包括：

基于关于卫星的多个星历数据发布，在对应的时间周期中，确定关于卫星的位置和速度信息；

在与基于多个星历数据发布确定位置和速度信息的相同的时间周期，基于存储的关于卫星的历书数据，确定关于卫星的位置和速度信息；

对于每个时间周期，确定基于星历数据的关于卫星的位置和速度信息同基于存储的历书数据的关于卫星的位置和速度信息之间的误差；

基于该误差更新存储的历书数据。

19.一种在具有存储的历书数据的卫星定位系统接收机中的方法，该方法包括：

确定接收机是否连接到除了其电池以外的电源；

当接收机连接到除了其电池以外的电源时，开始连续接收卫星定位系统导航数据；

将接收的导航数据存储在接收机的存储器中。

20.权利要求19的方法，如果接收机同除了其电池以外的电源断开连接，则停止接收卫星定位系统导航数据。

21.权利要求19的方法，如果接收机在导航数据的接收过程中同除了其电池以外的电源断开连接，则继续接收卫星定位系统导航数据，直至完成导航数据的接收。

22.权利要求21的方法，如果接收机同除了其电池以外的电源断开连接，则仅在已接收了预定部分的导航数据时，继续接收卫星定位系统导航数据。

23.权利要求19的方法，接收卫星定位系统导航数据包括直接自卫星接收历书信息。

24.权利要求19的方法，接收卫星定位系统导航数据包括直接自卫星接收星历信息。

25.一种在卫星定位系统接收机中的方法，该方法包括：

使接收机与来自卫星定位系统的至少一个卫星的信息的预期到达时间同步地操作；

当接收机在信息的预期到达时间操作时，接收来自该至少一个卫星的信息。

26.权利要求25的方法，使接收机与来自卫星定位系统的至少一个卫星的特定子帧信息的预期到达同步地操作，当接收机操作时接收该特定子帧信息。

28.权利要求25的方法，在未预期信息到达的时间周期中，同步地使接收机的接收机操作禁用。

29.权利要求27的方法，在未预期信息到达的时间周期中，操作接收机，用于执行除了接收信息以外的功能。

30.权利要求25的方法，使接收机与来自卫星定位系统的至少一个卫星的星历和历书信息中的至少一个的预期到达同步地操作。

31.权利要求25的方法，使接收机与时钟修正信息、电离层修正信息、对流层修正信息、世界协调时间偏移修正信息中的至少一个的预期到达同步地操作。

32.权利要求25的方法，当获取卫星定位系统的卫星时，自卫星定位系统的至少一个卫星接收导航信息。

33.权利要求25的方法，当跟踪卫星定位系统的卫星时，自卫星定位系统的至少一个卫星接收导航信息。

34.一种在不再尝试获取卫星的卫星定位系统接收机中的方法，该方法包括：

确定存储在卫星定位系统接收机上的关于至少一个卫星的星历数据对于生成卫星获取援助数据而言不再是有用的；

当卫星定位系统接收机不再尝试获取卫星时，自通信网络周期性地请求关于卫星的更新的星历数据，直至卫星定位系统接收机接收到关于至少一个卫星的更新的星历数据。

35.权利要求34的方法，当卫星定位系统接收机不再尝试获取卫星时，自通信网络周期性地请求关于卫星的更新的星历数据，直至卫星定位系统接收机接收到关于全部卫星的更新的星历数据。

36.一种在卫星定位系统接收机中的方法，该方法包括：

确定存储在卫星定位系统接收机上的星历数据过时；

当不再通过卫星定位系统接收机尝试获取卫星时，通过空中消息请求关于同一卫星的当前星历数据。

37.一种在卫星定位系统接收机中的方法，该方法包括：

通过存储的星历数据尝试获取至少一个卫星；

确定该星历数据太不够准确，以至于不能获取至少一个卫星；

在空中消息中请求关于同一卫星的准确的星历数据。

38.一种在具有存储的历书数据的支持SPS接收的通信设备中的方法，该方法包括：

存储接收自蜂窝网络的星历数据；

选择使用存储的历书数据还是存储的星历数据，用于确定卫星获取信息；

使用选择的历书数据或星历数据，确定卫星获取信息。

39.权利要求38的方法，基于历书和星历数据的相关年龄选择历书数据或星历数据。

40.权利要求38的方法，基于所估计的历书和星历数据的准确性选择历书数据或星历数据。