BR0008098B1 - Método e servidor para calcular a posição de um satélite - Google Patents

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Description

"MÉTODO E SERVIDOR PARA CALCULAR A POSIÇÃO DE UM SATÉLITE".
Campo da Invenção A presente invenção está de um modo geral relacionada a sistemas de localização de posição. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada a um método para transmitir para um dispositivo de comunicação móvel, informações de auxílio de localização para calcular a posição de um satélite e, a um servidor para calcular a posição do satélite.
Descrição da Técnica Correlacionada Desenvolvimentos recentes nos sistemas de Sistema de Posicionamento Global (GPS) e de comunicações móveis terrestres tornam desejável a integração da funcionalidade GPS em um dispositivo de comunicação móvel, tal como um telefone móvel, de modo a dar suporte a várias funções e recursos de localização de posição. Um link sem fio existe entre um dispositivo de comunicação móvel dentro de um sistema de comunicação móvel terrestre e uma estação base dentro do sistema de comunicações. Uma estação base é tipicamente um dispositivo de comunicação estacionário que recebe comunicações sem fio proveniente de, e transmite comunicações sem fio para, um dispositivo de comunicação sem fio móvel. A estação base também se comunica com redes de comunicação para completar a conexão entre o dispositivo de comunicação móvel e um dispositivo de ponto terminal, tal como outro dispositivo de comunicação móvel, um telefone convencional, um computador, ou qualquer outro dispositivo similar. Tal link sem fio pode ser usado para comunicar informações de localização de posição entre o dispositivo de comunicação móvel e a estação base de modo a melhorar o desempenho do receptor GPS no interior do dispositivo de comunicação móvel. Em particular, certas funções que devem ser efetuadas de modo a localizar a posição de um dispositivo de comunicação móvel de acordo com um sistema GPS podem ser efetuadas pela estação base, em lugar de pelo dispositivo de comunicação móvel. Por "off-loading" ou repasse de algumas das funções para a estação base, a complexidade do dispositivo de comunicação pode ser reduzida. Ademais, uma vez que a estação base está estacionária, a localização da estação base pode ser usada para auxiliar à localização da posição do dispositivo de comunicação.
Muitos serviços, tais como os CDMA Tiered Services (descritos na norma industrial TR45.5.2.3/98.10.xx.xx, CDMA Tiered Services Stage 2 Description, Version 1,1, publicado pela Telecommunications Industry Association / Electronic Industries Association (TIA/EIA)), requerem que um telefone sem fio seja capaz de determinar sua localização enquanto em um estado inativo. A localização deve a seguir ser apresentada ao usuário. No estado inativo, o telefone sem fio monitora as transmissões provenientes de uma estação base através de um canal de controle irradiado pela estação base. Como exemplo, em uma norma da indústria do sistema CDMA IS-95 (tal como definido pela norma da indústria IS-95, publicada pela TIA/EIA), a estação base transmite um canal de alerta ou "paging". Cada um dos telefones capazes de receber sinais provenientes de uma estação base específica irão monitorar as informações irradiadas através do canal de controle para determinar se chamadas sendo recebidas ou outros dados se destinam àquele telefone.
Um receptor GPS tipicamente mede a distância até pelo menos quatro satélites GPS. Caso as localizações dos satélites e as distâncias do telefone até os satélites sejam conhecidas no momento em que a medição é efetuada, a localização do telefone pode ser computada. Uma vez que os satélites GPS orbitam em torno da terra, a posição relativa dos satélites GPS com relação à terra se modifica com o tempo. A localização de um satélite GPS pode ser determinada pela disponibilidade de uma descrição da órbita do satélite juntamente com o momento em que a posição do satélite deve ser computada. As órbitas dos satélites GPS são tipicamente modeladas como uma órbita elíptica modificada com termos de correção para compensar diversas perturbações.
Em um sistema GPS, a órbita do satélite pode ser representada usando-se ou um "Almanaque" ou "Efemérides".
As Efemérides provêm dados que representam uma representação muito acurada da órbita do satélite. Um Almanaque provê dados que representam um conjunto de precisão reduzida truncado dos parâmetros providos pelas Efemérides. Os dados de Almanaque são muito menos acurados que os dados detalhados de Efemérides. A acuracidade do Almanaque é uma função da quantidade de tempo que transcorreu desde a transmissão. A Tabela 1 mostra a relação entre a idade das informações (isto é, quantidade de tempo que transcorreu desde que as informações foram transmitidas) e a acuracidade das informações.
Tabela 1 Além disso, o Almanaque provê parâmetros de correção de clock truncados. A correção de tempo do Almanaque provê o tempo dentro de até 2 μΞ do tempo GPS. No entanto, a localização do satélite e a correção de clock computados usando-se os dados de Almanaque não são úteis para computar a localização do telefone devido à baixa acuracidade, tal como mostrado na Tabela 1 acima.
Certos métodos para computar a localização de um dispositivo requerem a medição das distâncias até os satélites no telefone sem fio e a seguir transmissão de tais distâncias para um servidor conectado à estação base. A estação base usa tais distâncias, juntamente com as localizações dos satélites no momento em que as medições de distâncias foram efetuadas, para computar a localização do telefone. Tal localização computada pode ser apresentada ao usuário ou enviada para qualquer outra entidade que necessite a localização. Tal método é adequado para um telefone que possua um canal de tráfego exclusivo. No entanto, tal método não é adequado para telefones no estado inativo, pois o telefone não possui um canal de tráfego exclusivo através do qual possa enviar as informações para a estação base durante o estado inativo.
Na ausência de um canal de tráfego exclusivo através do qual possa se comunicar com a estação base, o telefone pode usar um canal de acesso compartilhado para enviar informações para a estação base. No entanto, a transmissão de distâncias medidas para a estação base através do canal de acesso compartilhado (o qual é comumente usado para estabelecer uma chamada para o / do telefone) pode exercer um impacto significativo sobre a capacidade do canal de aceso compartilhado e sobre a vida da batería que alimenta o telefone. Portanto, não é prático transmitir as distâncias medida para a estação base. Isto requer que o telefone seja capaz de computar sua própria localização. Para fazer isto, o telefone deve conhecer as localizações dos satélites GPS e os erros no clock do satélite GPS (uma vez que um clock de satélite GPS acurado é necessário para determinar as medições de distância com precisão). Tais informações devem ser transmitidas para o telefone através do canal de controle. No entanto, mesmo a transmissão de tais informações para o telefone cria uma carga significativa sobre o canal de controle.
Sob as condições convencionais, o canal de controle deve portar grandes quantidades de informações. 0 canal de controle possui uma capacidade limitada de portar mensagens. Portanto, não é possível transportar extensas informações GPS através do canal de controle. Além disso, as informações devem ser transmitidas em um formato que permita que as informações sejam usadas por um tempo relativamente longo após terem sido recebidas.
Tais problemas e deficiências são reconhecidas e solucionadas pela presente invenção da maneira descrita a seguir.
Sumário da Invenção Método e equipamento são descritos para transmitir, de forma eficiente, para um dispositivo de comunicação móvel, informações de auxílio de localização para calcular a posição de um satélite através de um canal de controle com um impacto mínimo sobre a capacidade do canal de controle. Um servidor de localização de posição provê uma diferença entre localizações de satélite que foram computadas usando-se dados de Almanaque e a seguir dados de Efemérides. Pelo envio somente da diferença entre λ as localizações e correções de clock computadas usando-se os dois tipos diferentes de dados, a quantidade total de informações a ser transmitida para um dispositivo de comunicação móvel é significativamente reduzida. Além disso, pelo provimento de informações de taxa de mudança, o método e o equipamento permitem que as informações de auxílio à localização permaneçam válidas por um tempo relativamente longo após elas terem sido recebidas pelo dispositivo de comunicação móvel.
Breve Descrição dos Desenhos As características, objetivos e vantagens da presente invenção ficarão mais claros através da descrição detalhada apresentada a seguir, quando tomada em conjunto com os desenhos, nos quais referências numéricas similares identificam itens correspondentes e nos quais: A Figura 1 é um diagrama de blocos de nível elevado dos componentes de um sistema de comunicação utilizando um sistema de posicionamento por satélite (tal como um sistema GPS) para localizar um dispositivo de comunicação móvel. A Figura 2 é um diagrama de blocos de nível elevado do dispositivo de comunicação móvel de acordo com o método e equipamento descritos. A Figura 3 ilustra as etapas a serem efetuadas pelo método descrito.
Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas 0 método e o equipamento descritos propiciam uma nova forma para reduzir a quantidade de informações que devem ser transmitidas entre um dispositivo de comunicação móvel e uma estação base. Em particular, o método e equipamento descritos reduzem a quantidade de informações necessárias para transmissão pelo uso de dois tipos de informações disponíveis para determinar a localização de uma posição. 0 primeiro tipo de informações é menos acurado, porém mais eficiente (tal como dados de Almanaque providos pelos satélites do Sistema de Posicionamento Global - GPS). 0 segundo tipo de informações é mais acurado, porém menos eficiente (tal como dados de Efemérides providos pelos satélite GPS). O método e equipamento descritos minimizam o impacto sobre a capacidade de um canal de comunicação (tal como um canal de controle) e, de acordo com uma modalidade, maximizam a quantidade de tempo pelo qual as informações transmitidas são válidas. A Figura 1 é um diagrama de blocos de nível elevado dos componentes de um sistema de comunicação utilizando um sistema de posicionamento por satélite (tal como um sistema GPS) para localizar um dispositivo de comunicação móvel. O sistema de comunicação inclui um dispositivo de comunicação móvel 100 e uma estação base 102. O dispositivo de comunicação móvel 100 pode ser qualquer dispositivo que seja capaz de comunicação com uma estação base através de uma conexão sem fio (tal como um telefone sem fio, um computador com um modem sem fio, ou uma máquina de fac-símile com um modem sem fio). A estação base 102 é qualquer dispositivo que é capaz de receber transmissões sem fio provenientes do dispositivo de comunicação móvel 100. Tipicamente, tal estação base 102 fará interface com o dispositivo de comunicação móvel 100 por meio de uma rede de comunicação baseada em terra, tal como a rede pública de comutação telefônica (PSTN) ou a Internet.
De acordo com uma modalidade do método e equipamento descritos, a estação base 102 inclui um servidor de localização de posição 106 (tal como um servidor GPS). Alternativamente, o servidor de localização de posição 106 está localizado em separado da estação base 102 e se comunica com a estação base 102 através de um link de comunicação. O link de comunicação entre a estação base 102 e o servidor 106 pode tomar qualquer forma que permita que informações sejam comunicadas do dispositivo de comunicação móvel 100 para o servidor 106 através da estação base 102. Em uma modalidade alternativa do método e equipamento descritos, as funções aqui descritas como sendo efetuadas pelo servidor de localização de posição 106 são efetuadas diretamente pela estação base 102. Assim sendo, em tal modalidade, não é necessário um servidor de localização de posição separado. A Figura 2 é um diagrama de blocos de nível elevado do dispositivo de comunicação móvel 100. O dispositivo de comunicação móvel 100 inclui uma antena 200 de localização de posição, um receptor de localização de posição 202, um processador de localização de posição 204, uma antena de comunicação 206, um receptor de comunicação 208, um processador de comunicação 210 e uma memória 212.
As Figuras 3a a 3c ilustram as etapas efetuadas de acordo com o método descrito. Inicialmente o servidor de localização de posição 106 transmite para o dispositivo de comunicação móvel 100 informações referentes às órbitas de cada um dos satélites 104 a partir dos quais o dispositivo de comunicação móvel 100 provavelmente receberá sinais de localização de posição (etapa 300). De acordo com uma modalidade, tais informações são comunicadas pelo servidor de localização de posição 106 para a estação base 102. As informações são a seguir transmitidas através do ar a partir da estação base 102 e recebidas pela antena de comunicação 206 no interior do dispositivo de comunicação móvel 100. Os sinais recebidos pela antena de comunicação 206 são acoplados ao receptor de comunicação 208. O receptor de comunicação 208 efetua qualquer processamento necessário de rádio freqüência (tal como filtragem, conversão para recepção, amplificação, etc.). Tal processamento de rádio freqüência é bem conhecido pelos técnicos na área. A saída proveniente do receptor de comunicação 208 é acoplada ao processador de comunicação 210. O processador de comunicação 210 extrai dos sinais recebidos as informações referentes às órbitas dos satélites de localização de posição. A extração de tais informações é bem conhecida pelos técnicos na área. Tais informações são providas no formato "Almanaque" bem conhecido. Juntamente com o Almanaque, o dispositivo de comunicação móvel 100 recebe um "Identificador de Almanaque". O Identificador de Almanaque identifica de forma exclusiva o Almanaque com o qual o Identificador foi transmitido. O dispositivo de comunicação móvel 100 armazena o Almanaque e um Identificador de Almanaque em sua memória 212 (etapa 302). De acordo com uma modalidade do método e equipamento descritos, o Identificador de Almanaque é um número que representa o período de tempo (tal como uma semana) para o qual o Almanaque é válido.
Em qualquer momento relativo à transmissão do Almanaque e Identificador de Almanaque para o dispositivo de comunicação móvel 100 (seja antes, durante ou após tal transmissão), o servidor de localização de posição 106 utiliza o Almanaque transmitido para computar a localização de um satélite para o qual o Almanaque é relevante (etapa 304). Além disso, é calculada uma correção de clock usando o Almanaque. A correção de clock é calculada em um momento t0. Tal correção de clock considera erros de clock que resultam de erros no clock do satélite. Os métodos para cálculo de tais correções de clock são bem conhecidos pelos técnicos na área. A localização de um satélite específico 104 em um momento t0, tal como computada a partir do Almanaque é denotada como (x0a, Yoa, z0a) · A correção de clock para o satélite computada a partir do Almanaque em um momento t0 é denotada como c0a. A seguir, o servidor de localização de posição 106 computa a localização do satélite e a correção de clock utilizando dados de Efemérides bem conhecidos no momento t0 (etapa 306). Será notado pelos técnicos na área que os dados de Efemérides são necessários em qualquer sistema de localização de posição GPS acurado. Os dados de Efemérides e de Almanaque são recebidos a partir do satélite em tempo real. A localização do satélite 104 computada a partir das Efemérides no momento t0 é denotada como (x0e, Yoer z0e) · Deve ser notado que o satélite para o qual os valores (x0a, yoar Z0a) foram computados (isto é, o satélite a partir do qual foi recebido o Almanaque) é o mesmo que o satélite para o qual foram computados os valores (Xoe, y0e, z0e) (isto é, o satélite a partir do qual foram recebidas as Efemérides). A correção de clock para o satélite computada a partir das Efemérides no momento t0 é denotada como c0e· 0 servidor de localização de posição 106 também computa a correção diferencial a ser aplicada à distância medida a partir do satélite 104 (etapa 308). A correção diferencial é aplicada para corrigir erros de clock que são intencionalmente introduzidos pelo satélite por razões históricas que não estão relacionadas ao método e equipamento descritos. A correção diferencial é denotada como d0. 0 servidor de localização de posição 106 computa a diferença entre a localização x, y, z e a correção de clock do satélite obtida a partir do Almanaque e das Efemérides (etapa 310). A diferença de localização no momento t0 é expressa como: Δχ0 = Xoe - Xoa Δγ0 = Yoe " Y 0a Δζ0 Zoe — Zoa Δθ o Cq0 Coa O servidor de localização de posição 106 da estação base também computa um valor Ac0d = Δο0 + d0 que representa a correção de clock Aco após a correção diferencial ter sido adicionada (etapa 312). O valor de clock corrigido, Ac0d é a seguir usado para ajustar os valores de Δχ0, Δγ0 e Δζ0 (etapa 314). A estação base computa a taxa de mudança das correções, Δχ0, Δγο, Δζ0 e Ac0d (etapa 316). Se denota a taxa de mudança de Δχ0 como Δχ0' , a taxa de mudança de Δγ0 como Δγ0' , a taxa de mudança de Δζ0 como Δζ0' e a taxa de mudança de Δο0ά como Ac0d' · De acordo com uma modalidade do método e equipamento descritos, os valores da taxa de mudança são computados tomando-se a diferença entre duas localizações em dois pontos no tempo e identificando a inclinação da linha entre elas em cada direção x, y e z. 0 servidor de localização de posição 106 envia t0, Δχ0, Δγ0, Δζ0, Ac0d, Δχ0' , Δγ0', Δζ0' , Ac0d' para cada satélite para o dispositivo de comunicação móvel (etapa 318). De acordo com uma modalidade do método e equipamento descritos, tais valores são enviados através de um canal de controle, tal como o canal de acesso compartilhado definido pela norma da indústria IS-95B, publicada pela Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Association (TIA/EIA). Junto a tais informações, o servidor de localização de posição 106 envia um Identificador para identificar o Almanaque que o servidor 106 usou para computar tais correções. O dispositivo de comunicação móvel recebe as informações através do canal de controle. O dispositivo de comunicação móvel compara o Identificador do Almanaque usado pelo servidor 106 com o Identificador do Almanaque armazenado em sua memória 212 (etapa 320).
Caso os Identificadores estejam de acordo (etapa 322), a seguir o dispositivo de comunicação móvel computa a localização de cada satélite 104 e cada correção de clock de satélite utilizando o Almanaque no momento ti (etapa 324). O momento ti pode não ser necessariamente o mesmo que o momento t0. As localizações de satélite e correção de clock computadas pelo telefone no momento ti são denotadas como (xia, Yia, Zia) e clar respectivamente. 0 dispositivo de comunicação móvel aplica as correções recebidas através do canal de controle às localizações de satélite e clock de satélite computadas usando-se o Almanaque (etapa 326). Isto propicia a localização do satélite corrigida e a correção do clock.
Elas podem ser expressas como: 0 dispositivo de comunicação móvel utiliza tais localizações de satélite corrigidas e o clock juntamente com medições de distância até o satélite para computar sua própria localização. Os sinais de localização de posição são recebidos pela antena de localização de posição 200. A antena de localização de posição 200 está acoplada ao receptor de localização de posição 202. O receptor de localização de posição 202 efetua qualquer processamento necessário de rádio freqüência em front end. O receptor de localização de posição 202 está acoplado ao processador de localização de posição 204. O processador de localização de posição determina a distância até cada satélite 104 de forma convencional e a seguir determina sua própria posição utilizando as localizações de cada satélite 104.
Caso o Identificador do Almanaque usado pela estação base não esteja de acordo com o Identificador do Almanaque armazenado na memória 212 do dispositivo (etapa 322), o dispositivo de comunicação móvel estabelece um canal de tráfego (etapa 32 8) e baixa (downloads) o novo Almanaque a partir do servidor 106 através da estação base 102 (etapa 330).
Na modalidade preferida do método e equipamento descritos, as informações enviadas através do canal de controle incluem as correções de localização e clock e suas diferenciais de primeira ordem com relação ao tempo (taxa de mudança) , Δχ0' , Δγ0' , Δζ0' , Ac0d' . Uma modalidade alternativa pode incluir diferenciais de ordem mais elevada com relação ao tempo. Outra modalidade alternativa pode excluir completamente os termos de taxa de mudança.
Na modalidade preferida, a correção diferencial para as distâncias medidas pelo telefone é efetuada pela aplicaçao de uma correção ao termo de correção de clock Ac0 para obter Acod· Em outras modalidades, a correção diferencial das distâncias pode ser conseguida pela aplicação de termos de correção às correções de localização do satélite Δχ0, Δγ0, Δζ0, em lugar do termo de correção de clock Ac0.
Apesar da invenção fazer referência específica a um Sistema de Posicionamento Global, os mesmos princípios podem ser aplicados a outros sistemas de posicionamento por satélite tais como o GLONASS.
Além disso, as referências a sistemas IS-95 CDMA são providas apenas como um exemplo de um sistema de comunicação específico. No entanto, o método e equipamento descritos podem ser aplicados a outros sistemas de comunicação sem fio onde for desejado reduzir a quantidade de informações a ser transmitida entre um dispositivo de comunicação móvel e um servidor de localização de posição.
Uma vez que a única informação transmitida através do canal de controle é a diferença entre as correções de localização e clock computadas a partir das Efemérides e do Almanaque, um pequeno número de bits pode ser usado para passar tais informações. Outros métodos de envio das informações de localização do satélite, tais como o envio dos parâmetros de Efemérides ou da localização real do satélite, requerem muito mais bits para a transmissão das informações. Tais métodos são muito mais caros em termos de capacidade do canal de controle.
As correções transmitidas para o dispositivo de comunicação móvel no método e equipamento descritos são válidas por um longo período de tempo após o momento da transmissão devido à inclusão da taxa de mudança das informações. Portanto, o dispositivo de comunicação móvel pode utilizar tais informações em um momento diferente daquele em que elas foram transmitidas. Isto significa que o dispositivo de comunicação móvel pode computar sua própria localização em qualquer momento e não está restrito à computação de localização dentro de um pequeno intervalo de tempo em torno do momento em que as informações são transmitidas. Outras formas para enviar as informações de satélite são válidas apenas por um período de tempo muito curto após elas serem transmitidas. 0 método e equipamento descritos são providos para permitir aos técnicos na área efetivar ou utilizar a presente invenção. As diferentes modificações no método e equipamento descritos ficarão prontamente claras para os técnicos na área e os princípios genéricos aqui definidos podem ser aplicados a outras modalidades sem o uso das faculdades inventivas. Dessa forma, a presente invenção não deve ser limitada às modalidades aqui apresentadas, devendo receber o escopo mais amplo, consistente com as reivindicações apresentadas a seguir.

Claims (2)

1. Método para calcular a posição de um satélite (104), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de: a) transmitir (300) dados de Almanaque para um dispositivo de comunicação móvel (100); b) computar (304) a localização do satélite em um primeiro ponto no tempo usando os dados de Almanaque transmitidos; c) computar a correção de clock para o satélite no primeiro ponto no tempo usando os dados de Almanaque transmitidos; d) computar (306) a localização do satélite usando dados de Efemérides no primeiro ponto no tempo; e) computar a correção de clock de satélite para o satélite no primeiro ponto no tempo usando os dados de Efemérides; f) computar (316) a diferença entre a localização do satélite e a correção de clock de satélite computadas usando os dados de Almanaque transmitidos e a localização do satélite e a correção de clock usando os dados de Efemérides; e g) transmitir (318) para o dispositivo de comunicação móvel as diferenças computadas.
2. Servidor (106) para calcular a posição do satélite (104), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: a) uma porta de saída capaz de emitir informações de Almanaque e de localização de satélite, incluindo informações referentes à diferença entre correções de clock e localizações computadas com base em dados de Almanaque e de Efemérides; e b) um processador, acoplado a uma porta de saída, capaz de: i) computar a localização de um satélite com base no Almanaque; ii) computar a correção de clock de satélite com base no Almanaque; iii) computar a localização do satélite com base nas Efemérides; iv) computar a correção de clock de satélite com base em Efemérides; e v) computar a diferença entre as localizações do satélite e as correções de clock de satélite que foram computadas com base no Almanaque e nas Efemérides.
BRPI0008098-5A 1999-02-12 2000-02-14 Método e servidor para calcular a posição de um satélite BR0008098B1 (pt)

Applications Claiming Priority (3)

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US09/250,771 1999-02-12
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BRPI0008098-5A BR0008098B1 (pt) 1999-02-12 2000-02-14 Método e servidor para calcular a posição de um satélite

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