CN101078764B

CN101078764B - 卫星搜寻方法

Info

Publication number: CN101078764B
Application number: CN200710104067XA
Authority: CN
Inventors: 陈坤佐; 黄工栓; 何建兴
Original assignee: MediaTek Inc
Current assignee: MediaTek Inc
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2027-05-21
Also published as: TWI335994B; CN101078764A; TW200743811A

Abstract

本发明揭露一种卫星搜寻方法。在本发明提供的方法中，选择多个卫星以组成一卫星群，并在此卫星群进行搜寻。每当预设数量的卫星被搜寻以决定命中或去除该预设数量的卫星时，更新所有可用卫星的卫星优先级。卫星群大小是由各阶段预先决定，以适用各种搜寻条件。卫星群成员数(即卫星群大小)及卫星群的成员是随着持续获得的搜寻结果而更新。举例而言，依据卫星群的扫描时间、卫星命中数、卫星群的搜寻时间、卫星优先级等条件进行更新。卫星群大小可以减少或扩增。通过使用此方法，可迅速找到定位所需的卫星。

Description

卫星搜寻方法

【技术领域】

本发明涉及卫星通信领域，尤其是一种能改善首次定位时间(Time To First Fix，TTFF)的卫星搜寻方法。

【背景技术】

卫星定位技术被广泛地应用于各个领域。在卫星通信系统中，例如全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)中，冷启动状态的含义是指没有可利用的信息，如接收器位置、观察时间、卫星轨道信息(如卫星粗略星历数据(almanac)或卫星精确星历数据(ephemeris))。因此，可见卫星的识别码(ID)将无法得知。除了卫星识别码之外，取决于卫星相对使用者的运动而定的多普勒(Doppler)频率同样是未知的。如果上述系统采用码分多址(CDMA)信号，以全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为例，也需要卫星所使用的伪随机噪声码的码相位以追踪卫星。如上所述，卫星信号的特性可以由如下变量决定：卫星识别码、多普勒频率，以及伪随机噪声(Pseudo Random Noise，PRN)码相位。

定位一个三维位置，至少需要使用四个卫星。所需的首次定位时间取决于需要的四个可见卫星多快能够被找到。举例来说，假设从地面上能够观察到十二个GPS卫星。那么，传统上，所有可能存在的卫星都会依序的搜寻，以便找到可见卫星。另外，由于每个卫星的多普勒频率和伪随机噪声码相位都是未知的，因而，需要花费大量的时间去尝试所有可能的值，以判定卫星的存在。

通常，接收器通过利用关联性分析来搜寻可见卫星，关联性分析是考虑到卫星识别码(例如，全球定位系统(GPS)、伽利略(Galileo)、广域扩充系统(WAAS)、同步卫星导航覆盖服务(EGNOS)、行动服务自动化系统(MSAS)等系统的码相位，以及多普勒频率。另外，串行或并行搜寻均可采用。例如，如果有四条可用信道的话，可以同时搜寻四个不同的卫星。为了搜寻一个卫星，所有可能的码相位和多普勒频率都应被扫描。

这里以一实例来说明。对于接收器来说，假设可见GPS卫星以列表方式表示为{5，9，14，15，18，21，22，26，29，30}，其可共享一个物理信道和另外十个信道，以分别搜寻并追踪卫星。扫描时间Ts被定义为扫描所有可能的多普勒频率和码相位所需的时间。如果候选卫星为不可见，则关联器会在经历Ts搜寻时间之后“去除(dismiss)”此卫星。另一方面，关联器会在经历平均为1/2Ts的搜寻时间之后“命中(hit)”一个可见卫星。又假设数据解调变位错误率为零，因而，在命中第一个卫星之后需要750秒的时间以接收卫星粗略星历数据(almanac)。在命中一个卫星后，还需要平均27.6秒的时间去接收卫星精确星历数据(ephemeris)。追踪GPS L1C/A码信号的接收器的扫描时间Ts可以被计算出来，GPS L1 C/A码信号的每个码周期具有1023个码片(chip)。如果获取程序中的码相关性需要1/2码片的分辨率，则码相位的不确定范围为2046。通常，接收器中使用相干性与非相干性积分的结合，以扩增获取的灵敏度。因此，一组特定的多普勒频率和码相位的相关性周期(以ΔT表示)是相干性时间(以ΔTc表示)与非相干性计数(以ΔTi表示)的乘积。而且，多普勒频率分辨率dF通常被设定为1/Tc，整个多普勒范围以ΔF表示。基于上述假设，可以根据下述公式(1)计算出扫描时间Ts：

T_{s} = 2046 \times \frac{ΔF}{dF} \times ΔT

= 2046 \times \frac{ΔF}{1 / T_{C}} \times (T_{i} \times T_{C})

= 2046 \times ΔF \times T_{i} \times {T_{C}}^{2} - - - (1)

如果接收器使用1毫秒的Tc以实行相干性积分，且未使用非相干性积分，即非相干性数值Ti则可得出扫描10千赫兹(kHz)的多普勒范围所需的扫描时间Ts为20.46秒。需要找到四个卫星才能定位一个位置点。假设GPS卫星的依序搜寻顺序为1，2，......，32，则在可见卫星列表中的5，9，14和15号卫星会被依次命中。

下表1示出了依序搜寻的结果。

卫星识别码	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
																	扫描时间(Ts)	1	2	3	4	4.5	5.5	6.5	7.5	8	9	10	11	12	12.5	13	14
被命中	0	0	0	0	1	0	0	0	2	0	0	0	0	3	4	0
																	卫星识别码	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
扫描时间(Ts)	15	15.5	16.5	17.5	18	18.5	19.5	20.5	21.5	22	23	24	24.5	25
																	被命中	0	5	0	0	6	7	0	0	0	8	0	0	9	10

表1依序搜寻卫星的命中结果

各卫星的可见度可以根据同一固定位置在不同时间点的观察值的统计结果得出。图1是显示针对一特定位置，在不同观察时间点观察到的卫星可见度观察结果示意图。例如，在图中的观察点“8”，可观察到的可见卫星为SV5，9，14，15，18，21，22，26，29和30。

从表1中可见，依序搜寻方案需要花费4.5Ts(＝110.07秒)的时间来命中首个卫星(命中卫星5)，并需要花费13Ts+27.6＝345.58秒的时间来达成首次定位(卫星5，9，14和15被命中，收集卫星15的精确星历数据需要27.6秒)。为了找到可见卫星列表中的所有卫星，需要的时间为25Ts(611.5秒)。这些命中时间无法令人满意。因此，需要提供一种减少寻找可见卫星所需时间的方案。

【发明内容】

本发明提供一种卫星搜寻方法，通过实施本方法可迅速找到定位所需的卫星。

依据本发明，选择多个卫星组成一卫星群，并在此卫星群中进行搜寻。每当预设数量的卫星被搜寻以决定命中或去除该预设数量的卫星时，更新所有可用卫星的卫星优先级。卫星群大小是由各阶段预先决定，以适用各种搜寻条件。卫星群成员数(即卫星群大小)及卫星群成员是随着持续获得的搜寻结果而更新。举例而言，更新依据卫星群的扫描时间、卫星命中数、卫星群的搜寻时间、卫星优先级等条件。卫星群大小可以减少或扩增。

通过实施本发明，可以有效缩减搜寻可见卫星列表中的所有卫星的命中时间，解决了现有技术中普遍存在的耗时长的问题。

【附图说明】

图1是显示针对一特定位置，在不同观察时间点观察到的卫星可见度观察结果示意图。

图2A及图2B所示是美国专利申请第11/392,976号卫星搜寻方法流程图。

图3是显示本发明提供的卫星搜寻方法的流程图。

图4是根据本发明实施例提供关于更新候选卫星列表的卫星群大小的示意图。

【具体实施方式】

图2A及图2B所示是美国专利申请第11/392,976号卫星搜寻方法流程图。该方法起始于一冷启动状态(步骤S100)。根据步骤S110，初始化候选卫星的列表CandList，包括所有可能的卫星，如设定为{1，2，......，32}。根据步骤S120，初始化权重因素表，记录卫星列表的权重因素，其中将所有卫星的权重因素均设定为0，即W_i＝0，i＝1，2，......，32。通常，接收器中包含多个物理信道(physical channel)，以搜寻并追踪卫星。从步骤S130中所述的第一信道开始，以轮替(round robin)方式检查及控制各物理信道。根据步骤S140，判断当前信道是否空闲(idle)，空闲是指当前信道并未进行卫星搜寻和追踪。若当前信道空闲，则根据步骤S150，判断卫星粗略星历数据(almanac)和位置/时间以决定信息是否可用。若这些信息可用，流程转至步骤S160，进行热启动，并且根据可用信息选择一个卫星；否则，此方法将进入步骤S200。根据步骤S200，从CandiList中选择并删除权重因素最高的一个卫星的识别码(ID)。在初始化状态，第一卫星可以随机或依照要求而选择。轮替排程(round-robin scheduling)是被用以搜寻卫星。换言之，在一个轮替周期中，所有的卫星都只被搜寻一次。接着根据步骤S210，检查列表CandList。列表CandList是由当前轮替周期中待搜寻的剩余卫星构成。若列表CandList为空，则当前轮替周期结束，下一轮替周期开始，以搜寻未命中的卫星。因此，在步骤S220重新分配候选卫星。在步骤S230，将选定的候选卫星分配至当前空闲信道以进行搜寻。在步骤S 240，选择下一物理信道。

需注意，在步骤S140，若当前信道不是空闲，则意味着其正在进行卫星搜寻。然后，分别在步骤S170和S175，检查卫星搜寻结果是命中还是去除。如果此信道没完成搜寻，则进入步骤S240，选择下一信道。在此信道完成对某一卫星的搜寻之后，搜寻结果无论是命中还是去除，都会发布卫星的搜寻结果。如果某一卫星被去除，则根据步骤S180中的条件可见度所决定的数值来降低其它卫星的权重因素。在其它实施例中，包含被搜寻的卫星在内的所有卫星的权重因素都要被更新。然后，当前信道用以搜寻下一个卫星，流程进入步骤S200，以选择其它的卫星进行搜寻。应该注意到，在步骤S180中，权重因素已被更新，因而可以从候选卫星列表中选择出具有最高权重因素或等同为最可能被命中的一个卫星。

在步骤S190中，如果发现当前信道命中一个卫星，则会根据其它卫星相对于命中的卫星的条件可见度来增加其权重因素。在一实施例中，被命中的卫星本身的权重因素不做改变。在其它实施例中，被命中的卫星本身的权重因素也要更新。当前信道用于追踪被命中的卫星，所以流程直接执行步骤S240以处理下一信道。

在上述说明中，搜寻具有最高优先级的卫星成员，及与此同时将此卫星成员从CandList删除。对卫星优先级的叙述如下。对卫星的搜寻开始于从候选卫星列表中搜寻预定的或随机选取的第一卫星，候选卫星列表中记录了所有或预定范围内的可用卫星。另需事先准备初始权重因素表，其中，初始权重因素在一个卫星被搜寻到之后会被更新。这些初始权重因素是用于决定哪个卫星具有最高的可见可能性。举例来说，如果候选卫星列表中包括SV₁，SV₂，......，SV₃₂，并且当前被搜寻的卫星为SV₁，那么，更新后的卫星SV₂至SV₃₂的权重因素被用于选择下一个待搜寻的卫星。权重因素可以根据两个卫星之间的任一相互关系来进行更新。例如，权重因素是根据条件可见度进行更新的。所述条件可见度是指如果一个特定卫星被看见，那么一个不特定卫星被看见的条件概率。下表二提供了卫星SV₁的条件可见度的范例。其余卫星的情况可依此推断。

S_i	1	14	25	20	11	16	22	3	30	19	23	15	6	5	24	18
																	V_i\|1	1	0.59	0.56	0.17	0.06	0.05	0.04	0.04	0	-0.04	-0.05	-0.16	-0.17	-0.19	-0.25	-0.33
SV	9	21	13	4	7	2	28	27	8	10	26	29	12	17	31	32
																	V_i\|1	-0.34	-0.36	-0.47	-0.51	-0.53	-0.64	-0.65	-0.68	-0.90	-0.92	-0.94	-1	-1	-1	-1	-1

表二卫星SV₁的条件可见度

此权重因素表中的初始权重因素W_i(i＝1，2，......，32)都置为“0”。当某一卫星SV_i被搜寻到且判断为可见或不可见之后，权重因素W_j(j＝1，2，......，i-1，i+1，......，32)将分别根据条件可见度V_j|i更新。

最先搜寻到的第一卫星为SV₁。显然，可以将任何一个卫星设定为第一卫星。第一卫星也可以随机选取。在第一卫星被搜寻之后，初始权重因素表即根据第一卫星(本实施例中为SV₁)的搜寻结果进行更新。如果卫星SV₁被命中，则其它卫星SV₂至SV₃₂的权重因素都要根据其相对于第一卫星SV₁的条件可见度进行扩增，即W_j＝W_j+V_j|i，其中j＝2，3，......，32。反之，如果第一卫星SV₁被去除，则其它卫星的权重因素要被减少，即W_j＝W_j-V_j|i，其中j＝2，3，......，32。然后，待搜寻的第二卫星根据更新后的权重因素表选择。例如，选择具有最高权重因素的卫星以搜寻。接下来搜寻的卫星依据上述相似的方式进行选择。

在本发明中，更有效地动态控制及减少卫星识别码列表(例如CandList)中待搜寻成员，所以接收器的相关器被使用以搜寻具有最高的可见可能性卫星群中的卫星。在微弱信号状态下，卫星搜寻持续时间较长以扩增获取灵敏度。在下面的情况中，如果所有接收器的相关器被用以搜寻具有最高的可见可能性的卫星群中的卫星，则可缩短首次定位时间，这是因为接收器没有用很多时间在搜寻不可见的卫星。

优选地，候选列表对应卫星群中的成员动态变化且卫星群大小收敛至确实可见卫星的列表以缩减接收器的搜寻范围。然而，举例而言，当目前卫星群的多数成员已经被获取及被追踪或当目前卫星群成员已经被搜寻很多次，仍未获得卫星粗略星历数据(almanac)及卫星精确星历数据(ephemeris)时，卫星群也可扩展至搜寻更多未获取的卫星。

图3是显示本发明提供的卫星搜寻方法的流程图。该方法起始于步骤S300。在步骤S310，初始化候选卫星列表CandList，如设定为{1，2，......，32}。举例而言，步骤S330中，分配第一信道，以轮替方式检查及控制各物理信道。在步骤S340，判断当前信道是否空闲，空闲是指当前信道并未进行卫星搜寻和追踪。若当前信道空闲，则在步骤S350，判断卫星粗略星历数据(almanac)以及位置/时间决定信息是否可用。若所需的卫星信息可用，则转至进一步的流程，此进一步流程在本发明中给予揭露，在此省略不再说明。否则，流程进入步骤S400，将在后面说明步骤S400。若当前信道被使用，即当前信道正用于搜寻，在步骤S370及S375，判断卫星SV_i是否命中或去除。不管搜寻的结果如何，在步骤S390更新相应的候选卫星列表。举例来说，该卫星群最初包括32个卫星，被更新后只有8个卫星，将在后面进一步说明。在步骤S400，在被称为取得选定的候选卫星的进一步流程中，候选卫星从当前列表选出。所有可能卫星(即候选卫星)构成候选卫星列表CandList。在本实施例中，各卫星依据优先级排列。优先级根据前面所述的权重因素决定。具有最高优先级的卫星从当前搜寻列表中被选择及删除，而不是从卫星群被选择及删除。即当前卫星群被扫描是以轮替方式扫描一次。若被选择卫星已经追踪或正在搜寻，则重复取得选定的候选卫星的进一步流程。卫星群的被扫描次数是以计数值”轮替周期”为代表，其用以决定更新卫星群大小，下文再详细说明。在步骤S420，将从该卫星群选择的卫星分配至当前欲搜寻的信道。在步骤S440，选择下一个物理信道。

图4是根据本发明实施例提供关于更新候选卫星列表的卫星群大小的示意图。如图所示，列表的初始卫星群大小(例如：卫星群成员数)为32(即G32)，即所有可用的32个卫星识别码都包括在列表中。举例来说，这个例子中在第一次搜寻后(最好是第一次就命中)卫星群大小改变为8个。在卫星群大小等于8的阶段(即G8)，若命中数到达6(表示这里已经找到6个卫星)或当前卫星群已经扫描超过10次(即轮替周期等于10)，卫星群大小扩张至16。在卫星群大小等于16的阶段(即G16)，若命中数到达10(即这里已经找到10个卫星)或当前卫星群已经扫描超过10次(即轮替周期等于10)，卫星群大小扩张至32。尽管此范例中仅说明G32、G8及G16，卫星群大小随着各阶段如说明中设定。此外，卫星群大小的状态可以从当前的大小到更新的大小以减少或扩增而改变或进一步如说明。

在图4所示实施例中，卫星群大小可以动态扩张。但是在其它实施例，卫星群大小依据情况及设计方式可以减少或动态扩张且考虑不同的参数。举例而言，若卫星数已经追踪至默认值则扩张卫星群大小。若卫星群扫描次数(即轮替周期)到达预设数则扩张卫星群大小。若追踪卫星数低于临界值则减少卫星群大小。任何其它可能的情况也可以作为设计的考虑因素。举例而言，若搜寻时间超过临界值则改变卫星群大小。

在一实施例中，当卫星群从初始的32个成员更新到8个成员时，32个卫星中具有最高优先级的8个卫星被选择为此8个成员。此优先级可通过前面所叙述的权重因子来判断。如所提及，在搜寻第一卫星之后执行从32个成员改变到8个成员。即在搜寻第一卫星之后不管命中或去除，所有卫星的优先级根据搜寻的结果更新，并且依据卫星优先级来选择此8个成员。备选或优选，最好是第一次命中之后执行从初始的32个成员改变到8个成员。即仅在发现第一卫星时执行改变，这可以避免信号阻塞或是检测错误的影响。

在各阶段(即G8、G16或G32)，卫星群成员可以不改变直到卫星群大小改变。举例来说，在G8的阶段，此8个成员不会改变。当阶段从G8被更新到G16，在所有可见卫星中选出16个具有最高优先级的卫星来作为G16的16个成员。在其它实施例的各阶段，这些成员不断改变。举例来说，在G8的阶段，卫星群的8个成员不固定但依据搜寻结果更新。此8个成员依据前面描述的卫星优先级选择。每当搜寻卫星时，卫星优先级就会更新。备选地，只有当命中卫星时卫星优先级才会更新。此外，如前所述，除了使用条件可见度判断优先级之外，从卫星接收的信号的估计载波噪声比(Carrier To Noise Ratio，CNR)也可以连同条件可见度一起使用来共同判断卫星优先级。这可以避免检测不正确警报的影响。

在此情况下特定的卫星群成员被改变，卫星群成员随着卫星优先级的更新而更新。另外，卫星群成员在卫星优先级受到多次更新而不是只有一次更新后也被更新。因此多个卫星的不正确检测或信号阻塞的机率少于只有一个卫星，通过前面的做法卫星优先级可以更正确且更可靠。

依据本发明，卫星群大小的改变及卫星成员的更新使得设定十分弹性。除了前面所提的情况以外，任何可能的情况都可以考虑。

尽管上述实施例仅以全球定位系统(GPS)及所述卫星为范例，其它全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)像是格洛纳斯(GLONASS)、伽利略(GALILEO)及相似也是可应用的。此外，本发明也可以应用于卫星基频增强系统(SatelliteBased Augmentation System，SBAS)，其包括广域增强系统(WAAS)、同步卫星导航覆盖服务(EGNOS)、行动服务自动化系统(MSAS)等系统的卫星。依据本发明提供的方法可以使用在任何类型的通信系统。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此领域技术的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims

1.一种卫星搜寻方法，该方法应用于卫星通信系统中，该方法包含：

从卫星群搜寻卫星；以及

每当预设数量的卫星被搜寻以决定命中或去除该预设数量的卫星时，更新所有可用卫星的卫星优先级；以及

依据搜寻的结果改变该卫星群的成员数。

2.如权利要求1所述的卫星搜寻方法，其特征在于：所述预设数量的卫星是一个或多个卫星。

3.如权利要求1所述的卫星搜寻方法，其特征在于：当该卫星群已经扫描超过预设次数，改变该成员数。

4.如权利要求1所述的卫星搜寻方法，其特征在于：在该改变步骤中该成员数减少。

5.如权利要求1所述的卫星搜寻方法，其特征在于：在该改变步骤中该成员数扩增。

6.如权利要求1所述的卫星搜寻方法，其特征在于：当搜寻时间超出限制时间时，改变该成员数。

7.如权利要求1所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该方法进一步包含：

更新该卫星群的成员。

8.如权利要求7所述的卫星搜寻方法，其特征在于：当该成员数改变时，更新该卫星群成员。

9.如权利要求8所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该卫星群成员是依据该卫星优先级选择。

10.如权利要求9所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该卫星优先级是基于条件可见度决定。

11.如权利要求10所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该卫星优先级进一步由从该多个卫星接收的信号的载波噪声比决定。

12.如权利要求8所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该成员依据该卫星优先级被选择为包含在该卫星群中，及该卫星优先级根据该卫星的搜寻结果决定。

13.如权利要求7所述的卫星搜寻方法，其特征在于：每当预设数量的卫星被搜寻以决定命中或去除该多个卫星，更新该卫星群成员。

14.如权利要求13所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该成员依据该卫星优先级选择，以及该卫星优先级是基于该多个卫星的搜寻结果决定。

15.如权利要求13所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该成员依据该卫星优先级被选择为包含在该卫星群中，及该卫星优先级是根据各命中的卫星决定。

16.如权利要求13所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该成员依据该卫星优先级被选择为包含于该卫星群中，及该卫星优先级是根据各去除的卫星决定。

17.如权利要求13所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该成员依据该卫星优先级选择，及该卫星优先级是根据该多个命中的卫星决定。

18.如权利要求13所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该成员依据该卫星优先级选择，及该卫星优先级是基于该多个去除的卫星决定。

19.如权利要求1所述的卫星搜寻方法，其特征在于：该通信系统是全球卫星导航系统或卫星基频增强系统。