CN101142495B - 一种应用于增强型自主gps的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于对远端接收器进行定位的方法和装置。在一个实施例中，可从远端接收器中获取长寿命卫星追踪数据。可探测卫星定位系统(SPS)卫星。可确定远端接收器到探测到的SPS卫星的伪距。远端接收器的位置可使用伪距和长寿命卫星追踪数据来计算。在一个实施例中，可使用获取辅助数据(使用前一计算位置计算的)和盲目搜索中的至少一个来探测SPS卫星。使用长寿命卫星追踪数据使得远端接收器无需解码来自卫星的星历。此外，计算远端接收器的位置可无需从网络或服务器中获取最初估计位置。

Description

一种应用于增强型自主GPS的方法和装置
技术领域
本发明涉及定位系统，更具体地说，涉及使用远端接收器中的长寿命卫星追踪数据。
背景技术
全球定位系统(GPS)接收器使用来自几颗卫星的测量值来计算位置。GPS接收器通常通过计算卫星发射信号时刻与接收器(位于地球表面或者接近地球表面)接收信号时刻之间的时间延迟来确定其自身位置。将时间延迟与光速相乘，就可得到接收器与接收器可见的每颗卫星之间的距离。GPS卫星向接收器发送卫星定位数据，也就是所谓的“星历”数据。除了星历数据，卫星还会向接收器发送与卫星信号相关联的绝对时间信息，也就是将绝对时间信号排在周信号之后发送。这种绝对时间信号使得接收器能够明确地确定时间标签，该标签是关于每个接收信号是在何时由每颗卫星发出的。通过获得每个信号的精确传输时间，接收器可使用星历数据来计算每颗卫星在发射信号时处于何处。最后，接收器将有关卫星位置的信息与计算得出的到卫星的距离相结合，以此来计算接收器的位置。
具体来说，GPS接收器接收轨道GPS卫星发出的、包含唯一伪随机噪声(PN)码的GPS信号。通过比较所接收PN码信号序列和内部生成的PN信号序列之间的时间移位(shift)，GPS接收器便可确定信号发射时刻和接收时刻之间的时间延迟。
每个发送的GPS信号都是直接序列扩频信号。标准定位服务给出了将这种信号应用于商业应用的版本。这些信号将1.023MHz扩频率的直接序列扩频信号应用于1575.42MHz(L1频率)的载波上。每颗卫星发射唯一的PN码(也称为C/A码)，用于标识具体的卫星，并允许接收器同时接收由几颗卫星同时发出的信号，且信号彼此之间的干扰很小。PN码序列的长度是1023个码片(chip)，对应于1毫秒的时间周期。1023个码片的一次循环称为一个PN帧。每个接收的GPS信号都是从1.023MHz重复的1023个码片的PN类型中构建的。即使信号很弱，也能观察到PN类型，通过处理、求许多PN帧的平均值来提供明确的时间延迟测量值。这些测量的时间延迟称为“亚毫秒伪距”，因为他们是对1毫秒PN帧边界求模后得到的。通过求解每颗卫星的每次时间延迟的毫秒数的整数值，就可得到真实明确的伪距。求解明确伪距的过程称为“毫秒数整数的模糊度解算”。
在掌握了一组四个伪距、GPS信号的绝对发射时间和在这些绝对时间卫星所处的位置之后，足以求出GPS接收器的位置。发射的绝对时间是用来确定发射信号时卫星所处的位置的，通过这些信息可确定GPS接收器的位置。GPS卫星以接近3.9km/s的速度移动，因此，当从地球上观测时，这些卫星的范围以最多+/-800m/s的速度变化。绝对时间误差所导致的位置误差，对于每毫秒时间误差而言可高达0.8m。这些位置误差在GPS接收器位置方面也会造成近似大小的误差。因此，对于10m的位置精确度而言，10ms的绝对时间误差就已足够了。多于10ms的绝对时间误差会造成更大的位置误差，所以通常的GPS接收器的精确度都要求接近10ms或者更好。
GPS接收器从卫星上下载星历数据通常会很慢(18秒以上)，经常是非常困难的，有时甚至是不可能的(在信号强度很弱的环境中)。出于这些原因，长寿命以来，多通过其他方式向GPS接收器发送卫星轨道和时钟数据，而不是等待卫星发射数据。这种向GPS接收器提供卫星轨道和时钟数据或“辅助数据”的技术通常称为“辅助GPS”或A-GPS。
在一类A-GPS系统中，GPS接收器测量伪距并将其发往服务器，服务器确定GPS接收器的位置。本文将这种系统称为“移动辅助”系统。在移动辅助系统中，对于每次位置计算，需要在GPS接收器和服务器之间进行四次信息交互，包括：接收器请求服务器提供帮助；从服务器向接收器发送辅助信息；从接收器向服务器发送伪距测量值；最后，从服务器向接收器发送位置信息。在多数移动辅助系统中，在每个新位置需要发送新请求和新辅助信息，这是因为辅助数据只在很短的一段时间(例如几分钟)内有效。因此，对于移动辅助系统而言，用于确定位置的总时间受到接收器和服务器之间信息交互次数的负面影响。此外，如果接收器在发送辅助数据的网络的服务区外漫游，则接收器必须自主获取卫星信号并计算位置，假设接收器具有自主操作的能力。
在另一种A-GPS系统中，GPS接收器使用来自服务器的辅助数据自己定位。本文将这种系统称为“基于移动”的系统。在基于移动的系统中，对于每次位置计算，在接收器和服务器之间要进行高达两次信息交互，包括：接收器向服务器请求帮助和服务器向接收器发送辅助数据。位置信息是使用辅助信息在接收器内部计算得出的。在传统的基于移动的系统中，辅助信息是在2—4小时内有效的星历数据。也就是说，该星历数据与卫星广播的数据相同。因此，对于传统的基于移动的系统而言，如果接收器必须在2—4小时的时间周期(辅助数据只在该周期内有效)外计算位置，则将会对确定位置所需要的总时间产生负面影响，这是因为需要在接收器和服务器之间进行其他信息交互。此外，如果接收器在传送辅助数据的网络的服务区域外漫游的时间超过2—4小时，则接收器必须自主的获取卫星信号，并计算位置。
因此，在本领域内需要一种方法和装置，能够以一种能够将接收器和服务器之间的信息交互次数降至最低的方式来使用远端接收器内的卫星追踪数据，并且支持网络服务区外的扩展操作。
发明内容
本文描述了一种使用远端接收器中的长寿命卫星追踪数据的方法和装置。在本发明的一个实施例中，远端接收器从服务器接收长寿命卫星追踪数据。例如，长寿命卫星追踪数据包括可在以后至少6个小时内有效的卫星轨道、卫星时钟或卫星轨道和时钟信息。该长寿命卫星追踪数据可在服务器中使用来自参考网络、卫星控制站点或者同时来自上述二者的卫星追踪信息来生成。例如，该长寿命卫星追踪数据可使用卫星轨道模型和/或时钟模型如星历数据来生成。
长寿命卫星追踪数据用于在远端接收器中计算获取辅助数据。例如，获取辅助数据可包括远端接收器可见卫星发出的卫星信号的预计多普勒频移。多普勒频移可使用估计位置、估计当天当前时刻和长寿命卫星追踪数据来计算。远端接收器随后使用获取辅助数据来获取卫星信号。获取的卫星信号可用于确定远端接收器的位置。
在另一实施例中，可在远端接收器中获取长寿命卫星追踪数据。可探测卫星定位系统(SPS)卫星。可确定远端接收器到探测到的SPS卫星的伪距。远端接收器的位置可使用伪距和长寿命卫星追踪数据来计算。在一个实施例中，可使用获取辅助数据(使用前一计算位置计算的)和盲目搜索中的至少一个来探测SPS卫星。使用长寿命卫星追踪数据使得远端接收器无需解码来自卫星的星历。此外，计算远端接收器的位置可无需从服务器或网络中获取最初估计位置。
附图说明
为使上文发明内容中概括描述的本发明的特征得到更为清晰的理解，可参考下文中的实施例，而一些实施例也在附图中做了描述。需要注意的是，附图只描述了本发明的典型实施例，它们并不会限制本发明的范围，本发明还包括其他等效的实施例。
图1是定位系统的示范性实施例的框图；
图2是卫星追踪数据示范性实施例的框图；
图3是远端接收器示范性实施例的框图；
图4是服务器的示范性实施例的框图；
图5是向远端接收器自主发射卫星追踪数据的过程的示范性实施例的流程图；
图6A—图6C是使用长寿命卫星追踪数据来确定远端接收器位置的过程的示范性实施例的流程图；
图7是估算远端接收器位置的过程的示范性实施例的流程图；
图8是依据本发明的用于确定远端接收器位置的方法的另一示范性实施例的流程图；
图9是依据本发明的使用盲目搜索(blind search)技术来确定远端接收器位置的方法的示范性实施例的流程图；
图10是依据本发明的使用盲目搜索技术来确定远端接收器位置的方法的另一示范性实施例的流程图；
图11是依据本发明的使用盲目搜索技术来确定远端接收器位置的方法的又一示范性实施例的流程图；
为便于理解，附图中使用相同的标号来标识附图中公共的相同元件。
具体实施方式
图1是定位系统100的示范性实施例的框图。系统100包括服务器102和多个远端接收器104，即如图所示远端接收器1041，远端接收器1042和远端接收器1043。远端接收器104测量到卫星星座图中多颗卫星106的伪距，以进行定位。例如，远端接收器104可测量到GPS星座图中多颗全球定位系统(GPS)卫星的伪距。服务器102用于分发代表卫星轨道信息、卫星时钟信息或卫星轨道和卫星时钟信息的数据(“卫星追踪数据”)，以供远端接收器104操作。需要注意的是，远端接收器104可使用卫星追踪数据来帮助获取卫星信号和/或计算位置。
服务器102可使用通信链路如无线通信系统108或网络110来向远端接收器104分发卫星追踪数据。例如，远端接收器1041可处于无线通信系统108的服务区112内。在本发明的一个实施例中，卫星追踪数据可通过远端设备1041和基站116(位于无线通信系统108的服务区112内)之间的无线链路114发往远端设备1041。例如，无线通信系统108可以是蜂窝电话网络，服务区112可以是蜂窝区(cell site)，基站116可以是为蜂窝区服务的蜂窝塔。在另一个实施例中，卫星追踪数据可由服务器102提供给网络110，然后发给远端接收器1042。例如，远端接收器1042可从互联网下载卫星追踪数据。在一些情况下，远端接收器104中的一个或多个(例如远端接收器1043)可能不具备从服务器102接收卫星追踪数据的能力。例如，远端接收器1043可能位于服务区112外部，不具备连接到无线通信系统108的能力。此外，远端接收器1043可能无法连接到网络110。正如下文将要详细描述的那样，与标准广播星历相比，服务器102向远端接收器114分发的卫星追踪数据可以长时间有效(例如2—4天)。这样一来，即使无法连接到服务器102，远端接收器1043也可继续工作很长的一段时间。
可使用多种类型的卫星测量数据(“卫星追踪信息”)来生成卫星追踪数据。具体来说，服务器102从外部源如追踪站点网络(“参考网络118”)或卫星控制站点120或者同时从上述二者接收卫星追踪信息。参考网络118可包括从星座图中的所有卫星处收集卫星追踪信息的几个卫星追踪站点，或者很少的几个追踪站点，或者只收集世界上特定区域内的卫星追踪信息的单个站点。从参考网络118收集的卫星追踪信息可包括例如卫星星历、码相测量值(code phasemeasurement)、载波相位测量值和多普勒测量值中的至少一个。使用参考网络收集和分发星历数据的示范性系统在2002年6月25日提交的美国专利6411892中做了描述，本文也引用了其中的全部内容。服务器102可通过通信链路122从卫星控制站点120(例如GPS中的主控制站点)接收卫星追踪信息(例如星历)。直接从卫星控制站点获取星历信息的示范性系统在2002年2月22日提交的美国专利申请10/081164(代理案号GLBL020)中做了描述，本文也引用了其中的全部内容。
服务器102使用从参考网络118和/或卫星控制站点120收到的卫星追踪信息生成卫星追踪数据，分发给远端接收器104。服务器102生成的卫星追踪数据包括卫星轨道数据、卫星时钟数据或卫星轨道和卫星时钟数据。相比于卫星106所广播的星历数据，卫星追踪数据可长时间有效。在本发明的一个实施例中，卫星轨道数据可在至少六小时内有效。在本发明的一个实施例中，卫星轨道数据可在长达四天内有效。这样一来，发往远端接收器104的卫星追踪数据在本文中可称为“长寿命卫星追踪数据”，以此来与广播星历相区别，后者通常只在2—4个小时内有效。生成卫星追踪数据的示范性系统在2003年4月1日授权的美国专利6542080中做了描述，本文也引用了其中的全部内容。
图2是卫星追踪数据200示范性实施例的框图。卫星追踪数据200包括多个模块(model)2021—202N(统称为模块202)，其中N是大于等于1的整数。模块202中的每一个都只在以后的特定时间段(例如在本实施例中为6小时)内有效。模块202中的每一个包括卫星轨道数据、卫星时钟数据或者卫星轨道和时钟数据。模块202中每一个的卫星轨道数据部分可包括一个或多个代表卫星位置、卫星速度和卫星加速度的数据。模块202中每一个的卫星时钟数据部分可包括一个或多个代表卫星时钟偏移量、卫星时钟漂移量和卫星时钟漂移率的数据。在本发明的一个实施例中，模块202中的每一个包括从参考网络118和/或卫星控制站点120收集来的星历数据。在另一实施例中，模块202中的每一个可以使用一些其他的格式，以表示轨道参数和/或时钟参数。卫星追踪数据的示范性模块在美国专利6542820中做了描述。
卫星追踪数据200由N个顺序排列的卫星轨道和/或时钟数据块(也就是N个模块202)定义。为便于描述，模块202中的每一个的有效期为6小时，因此卫星追踪数据的有效期为6N小时。然而，大家应当明白，模块202中的每一个的有效期长度还可以是其他值。例如，有效期为4天的卫星追踪数据可使用16个顺序排列的模块202来生成。
再回到图1，在本发明的一个实施例中，服务器102生成的卫星追踪数据于星座图中的所有卫星相关联。因此，无论远端接收器104在何处计算其位置，远端接收器104都将具有可见卫星的正确信息。在另一实施例中，在轨道和其中的时钟数据的有效期内，服务器102生成的卫星追踪数据只与特定区域(例如操作远端接收器104国家)内可见的卫星相关联。例如，如上所述，卫星追踪数据可由16个顺序排列的有效期为6小时的轨道和/或时钟模块组成，其总有效期为四天。在这些6小时长的有效期中的一些之中，一些卫星在操作远端接收器104的国家中的任何位置都无法看到，这时，可对服务器102进行配置，在将卫星追踪数据分发给远端设备104之前，从卫星追踪数据中删除这些特定模块。由于服务器102能提供所有可能卫星的卫星追踪数据(例如星座图中的所有卫星或特定区域内可见的所有卫星)，所以在传送这些卫星追踪数据时，这些数据是与远端接收器104的位置无关的，只要远端接收器处于特定区域内的某处即可。
图3是远端接收器300示范性实施例的框图。远端接收器300可用作图1中描述的任意远端接收器104。如图所示，远端接收器300包括卫星信号接收器302、无线收发器304、微控制器306、存储器308、调制解调器310和时钟311。卫星信号接收器302通过天线312接收卫星信号。卫星信号接收器302处理卫星信号，以公知方式生成伪距。示范性的辅助GPS信号接收器在2002年9月17日授权的美国专利6453237中做了描述，本文引用了其中的全部内容。时钟311可用于建立每天的估计时间。
存储器300可以是随机访问存储器、只读存储器、可移动存储器、硬盘存储器或这些存储设备的任意组合。存储器308可存储卫星追踪数据316，该数据可用于帮助获取卫星信号或计算位置，或同时进行上述两种操作。卫星追踪数据316可通过天线314、使用无线收发器304来接收，或通过计算机网络(例如互联网)、使用调制解调器310来接收。存储器300还可存储位置表(“表318”)。表318可包含近期计算得出的远端接收器400位置，和/或远端接收器300近期与之通信的基站或蜂窝区的位置。表318可用于建立远端接收器300的估计位置。正如下文将要描述的那样，远端接收器300的估计位置和每天的估计时间可用于生成一些数据，来帮助从卫星追踪数据316(“获取辅助数据”320)获取卫星信号。
图4是服务器400的示范性实施例的框图。服务器400可用作图1中描述的服务器102。如图所示，服务器400包括中央处理单元(CPU)402、输入/输出(I/O)电路404、支持电路406和存储器408。支持电路406包括帮助CPU402工作的公知电路，如时钟电路、高速缓存、电源以及类似的电路。存储器408可以是随机访问存储器、只读存储器、可移动存储器、硬盘存储器、或上述存储设备的任意组合。
卫星追踪信息410(如星历、码相测量值、载波相位测量值、多普勒测量值)是使用I/O电路404从这些信息的外部源(例如，参考网络和/或卫星控制站)接收到的，存储在存储器408中。服务器400使用卫星追踪信息410计算远端设备使用的长寿命卫星追踪数据。I/O电路404也可连接到蜂窝数据库412。蜂窝数据库412存储有数据库，其中包含各个基站或无线通信系统的蜂窝区的标识符(“蜂窝ID”)以及基站或蜂窝区位置。正如下面将要描述的那样，基站或蜂窝区位置可用作远端接收器的近似位置。作为选择，远端接收器的近似位置还可使用蜂窝区或基站之间的间距、已知的最后所处的位置或类似的信息来确定。
I/O电路404还可连接到设备数据库414。设备数据库414可用于记录特定卫星追踪数据何时被分发给哪些远端接收器，以及这些卫星追踪数据何时过期。通过使用设备数据库414，服务器400可确定何时使用最新卫星追踪数据来更新远端接收器。下文将描述向远端接收器发送卫星追踪数据的示范性过程。
卫星追踪数据可根据来自远端接收器的请求发给这些远端接收器。例如，远端接收器的用户可手动的向服务器请求卫星追踪数据，或者触发需要使用卫星追踪数据的位置计算应用。卫星追踪数据还可自动发往远端接收器。图5是向远端接收器自主发射卫星追踪数据的过程500的示范性实施例的流程图。过程500可由服务器或远端接收器来执行。也就是说，可由远端接收器来确定其何时需要卫星追踪数据，或者由服务器来确定远端接收器何时需要卫星追踪数据。
过程500开始于步骤502，确定从上次卫星追踪数据交互后所经过的时间。在步骤504，判断所经过的时间是否超过预定的阈值。该阈值可以是卫星追踪数据有效期的百分比。例如，如果卫星追踪数据的有效期为四天，则该阈值可设定为两天。因此，如果从上次卫星追踪数据交互开始经过了两天，就超过了阈值。如果超过了阈值，则过程500进行步骤506。否则，过程500返回步骤502。
在步骤506，判断到服务器的连接是否可用。例如，如果远端接收器关机或漫游到系统服务区的外部，则到服务器的连接可能不可用。如果连接可用，则过程500进行步骤508。
在步骤508，排定在低流量期间向远端接收器发送新卫星追踪数据。由于步骤504中的阈值被设定为卫星追踪数据有效期的百分比，所以远端接收器无需立即请求新卫星追踪数据，因为当前存储的卫星追踪数据仍然是有效的。因此，新卫星追踪数据可使用无线通信系统或其他网络在网络负担较低时发往远端接收器。
如果在步骤506连接是不可用的，则过程500进行步骤510。在步骤510，判断经过的时间是否超过卫星追踪数据的有效期。如果未超过，则过程500进行上述步骤508。也就是说，服务器将排定在低流量期间向远端接收器发送新卫星追踪数据。由于步骤504中的阈值设定为卫星追踪数据有效期的百分比，所以远端接收器无需立即请求新卫星追踪数据。远端接收器可继续使用有效卫星追踪数据来工作，直到连接变得可用，此时，新卫星追踪数据便可在低流量期间传送。
如果在步骤510，经过的时间超过了卫星追踪数据的有效期，则过程500继续进行步骤512。在步骤512，新卫星追踪数据被排定在当连接可用时发往远端接收器。也就是说，当远端接收器再次连接到系统时，新卫星追踪数据将上传至远端设备。
这样一来，当能够连接到服务器时，所有远端接收器几乎在所有时间都能具有有效的卫星追踪数据。此外，当需要确定自身位置时，几乎所有远端接收器都可立即享受到辅助GPS操作所带来的好处，而无需请求卫星追踪数据或者等待卫星追踪数据传送。因此，服务器交互的次数得以降至最低。当无法连接到服务器时，无法连接到服务器的远端接收器可继续在一段扩展时间段(例如四天)内使用卫星追踪数据来工作。此外，卫星追踪数据独立于远端接收器使用该卫星追踪数据的精确时刻。
图6A—图6C是使用长寿命卫星追踪数据来确定远端接收器位置的过程600的示范性实施例的流程图。过程600开始于步骤602，确定从上次卫星追踪数据交互所经过的时间。在步骤604，判断是否超过卫星追踪数据的有效期。例如，卫星数据的有效期可能是四天。如果卫星追踪数据无效，则过程继续进行步骤606。否则，过程600继续进行步骤610。
在步骤606，判断服务器和远端接收器之间的连接是否可用。若否，则过程继续进行步骤608，将连接标记为不可用。否则，过程600进行步骤607。在步骤607，请求新卫星追踪数据，远端接收器从服务器接收这些新卫星追踪数据。在步骤609，使用新卫星追踪数据更新存储的卫星追踪数据。过程随后进行步骤610。
在步骤610，确定当天的当前时刻。在一个实施例中，可使用远端接收器内的时钟来确定当天当前时刻的估计值。在步骤612，估计远端接收器的位置。在步骤614，使用当天的当前时刻、估计的位置以及存储的卫星追踪数据(或历书数据)来计算获取辅助数据。获取辅助数据可帮助远端接收器获取卫星信号。在一个实施例中，获取辅助数据包括为远端接收器可见的每颗卫星所预测的多普勒频移。在GPS中，所有的卫星信号都以精确到1575.42MHz的同一频率离开卫星。然而，远端接收器上观测到的卫星信号的频率会由于相对卫星运动而移动+/-4.5KHz。卫星从地平线升起时的多普勒频移高达4.5KHz以上，下降到地平线以下时的多普勒频移高达4.5KHz以下，而当卫星位于顶点(从远端接收器角度来看卫星在空中的最高点)时，不会出现多普勒频移。
远端接收器可使用位置估计值、当天的当前时刻和存储的卫星追踪数据(或历书数据)来计算相对于远端接收器估计位置的多普勒频移。如上文所述，在一个实施例中，卫星追踪数据可通过星历数据的格式来提供。如果使用这种卫星追踪数据，则可通过传统方式来计算估计位置和当天的当前时刻时的多普勒频移。获取辅助数据提供了预计多普勒频移不确定性的窗口或范围。不确定性范围的大小取决于最初的估计位置和当天的当前时刻的精确度。当天的当前时刻对不确定性范围的大小的影响很小，误差可能在GPS时间下的几秒。估计位置对不确定性范围的影响很大。如果估计位置在远端接收器真实位置的10km内，则多普勒范围为+/-10Hz。如果估计位置在真正位置周围很广的区域(例如位于工作的特定国家或位于3000km内)内，则多普勒范围为+/-3000Hz。下文将描述用于处理远端接收器估计位置的示范性过程。正如在本领域内所熟知的一样，多普勒搜索范围还必须包含远端接收器中本地参考频率的不确定性。
在步骤616，远端接收器使用获取辅助数据来获取卫星信号。在一个实施例中，远端接收器搜索获取辅助数据和本地频率参考所定义的频率范围内的卫星信号。获取必须的卫星信号以计算最初位置所花费的时间(首次确定位置时花费的时间)取决于频率窗口的大小。频率窗口越小，首次确定位置所需的时间越短。
在步骤618，判断连接是否标记为不可用。若否，则过程600继续进行步骤624，使用存储的卫星追踪数据来计算远端接收器的位置。若连接标记为步骤608中的不可用，则过程继续进行步骤620。在步骤620，从获取的卫星信号中解码星历。可在步骤614使用失效或“旧的”卫星追踪数据，或者卫星历书数据来计算获取辅助数据，而这种过期或不精确的卫星追踪数据将不会应用于计算远端接收器的位置。这样一来，如果所存储的卫星追踪数据过期，并且远端接收器无法连接到服务器以获取新卫星追踪数据，则远端接收器必须解码卫星信号获得星历信息。在步骤622，远端接收器的位置可使用星历信息来计算。
图7是估算远端接收器位置的过程700的示范性实施例的流程图。过程700可用于在过程600中的步骤612中，作为主要的估计技术。本领域的技术人员应当明白，还可使用本领域内其他公知的位置估计技术，例如使用远端接收器在蜂窝区或基站之间的迁移或远端接收器已知的最后所处的位置。过程700开始于步骤702，确定远端接收器当前所处的蜂窝区(“活跃蜂窝区”)的蜂窝ID。如果不存在蜂窝ID，则不存在活跃蜂窝区，过程700进行步骤706。否则，过程700进行步骤704。
在步骤704，确定上述蜂窝位置是否在存储在远端接收器的表中。也就是说，远端接收器可使用蜂窝ID在位置表中进行搜索，确定活跃蜂窝区的位置。如果与活跃蜂窝区相关联的位置在表格中，则过程700进行步骤708，输出远端接收器的估计位置和该估计位置的不确定性。如果蜂窝位置不在表中，则过程700进行步骤706。
在步骤706，或者不存在蜂窝ID(例如远端接收器不在无线通信系统的服务区内工作)，或者表中未存储有与该蜂窝ID相关联的任何位置。因此，需要判断是否存在最近一次确定的位置。例如，最近一次确定的位置可以是上次确定时刻到当前时刻不超过3分钟的位置。需要注意的是，在三分钟内，如果远端接收器以低于200km/h的速度运行，则远端接收器所移动的距离不会超过10km。该距离处于近似位置不确定性的范围之内，这样便可使用蜂窝区位置来获得远端接收器的位置。如果存在最近一次确定的位置，则过程700进行步骤708，使用最近一次确定的位置作为估计位置，输出该估计位置和不确定性。此外，在步骤710使用最近位置来更新位置表。
如果在步骤706不存在最近一次确定的位置，则过程700进行步骤712。在步骤712，判断在服务器和远端接收器之间的连接是否可用。若否，则过程700进行步骤718，将估计位置设定为较广的区域(例如国家或者工作区)。过程700从步骤718进行到步骤708，输出估计位置和不确定性。
如果在步骤712，在服务器和远端接收器之间存在连接，则过程700进行到步骤714。在步骤714，向服务器请求活跃蜂窝区的位置。如果已获得蜂窝ID，则远端接收器可向服务器发送蜂窝ID。在步骤716，如果从服务器返回位置，则过程进行步骤708，输出估计位置和不确定性。此外，在步骤710使用最新返回的特定活跃蜂窝区的位置更新位置表。如果在步骤716，未能从服务器返回位置，则过程700进行步骤718，将估计位置设定为较广的区域。
通过使用位置表和最近一次确定的位置，远端接收器可避免与服务器进行不必要的交互。因此，代替于使用蜂窝ID请求活跃蜂窝区的位置，远端接收器可首先确定该本地是否存储有该信息。
上文描述了一种使用长寿命卫星追踪数据的方法和装置。在本发明的一个实施例中，长寿命追踪数据包括卫星轨道和/或时钟数据，它们的有效期在两天到四天之间。因此，远端接收器可继续工作长达四天，而无需连接服务器接收更新信息。如果远端接收器无法连接服务器(例如远端接收器漫游到网络服务区外部)，则远端接收器可继续使用长寿命卫星追踪数据，直到远端接收器再次能够连接到网络。这样一来，在每两天到四天之间，服务器和远端设备之间只进行一次交互，或者交互只发生在远端设备向服务器请求蜂窝区或基站位置的时候。
在获得长寿命卫星追踪数据后，远端接收器可获得卫星信号，确定对应卫星的伪距，然后使用该伪距和长寿命卫星追踪数据来计算位置。远端接收器还可将长寿命卫星追踪数据与估计位置和估计时间一起使用，生成获取辅助数据(例如，预计的多普勒频移)，以帮助进行卫星信号获取过程。这一过程已在上文中参考图6做了描述。在一个实施例中，可从网络(例如使用蜂窝ID)来获取估计位置。
然而，在一些情况下，远端接收器可能无法从网络获取最初位置以计算获取辅助数据。例如，远端接收器可能自主工作，并位于网络服务区外部。因此，在本发明的另一实施例中，远端接收器尝试使用前一计算位置作为最初位置，来计算获取辅助数据，确定伪距，而不是从网络接收估计位置。远端接收器随后使用伪距和长寿命卫星追踪数据来计算位置。随后检查该位置是否有效，如果无效，则远端接收器执行盲目搜索过程来计算位置。
具体来说，图8是依据本发明的用于确定远端接收器位置的方法800的另一示范性实施例的流程图。执行方法800时在远端接收器中可无需从网络获取最初位置。方法800开始于步骤802。在步骤804，获取长寿命卫星追踪数据。例如，长寿命卫星追踪数据可从远端接收器中的存储器中获取。如以上参照图5所述，远端接收器可能是从网络获取长寿命卫星追踪数据的。如以上参照图6所述，远端接收器可定期刷新长寿命卫星追踪数据。
在步骤806，判断前一计算位置是否可用。例如，远端接收器可安装一个位置高速缓存，用来存储计算位置，并从中获取前一计算位置。如果前一计算位置不可用，则方法800进行步骤820。在步骤820，使用盲目搜索过程来计算位置。可用在步骤820中的盲目搜索过程的示范性实施例将在下文中结合图9—图11进行描述。方法800进行步骤822，将存储上述位置，在下一次计算过程中将其用作前一计算位置。
在步骤806，前一计算位置可用，则方法800进行到步骤808。在步骤808，将前一计算位置用作估计位置，与长寿命卫星追踪数据一起使用，计算获取辅助数据(例如预计的多普勒频移)。在步骤810，在远端接收器中使用获取辅助数据获得来自卫星定位系统(SPS)卫星的卫星信号。
在步骤812，判断从中获取信息的卫星的数量是否超过预定的阈值。例如该阈值可以是2个卫星。因此，在步骤810如果已从多于两颗卫星获得数据，则方法800进行步骤814。否则，如果在步骤810只从两颗或者更少的卫星获得数据，则方法800进行步骤820，执行盲目搜索过程计算位置。
在步骤814，确定到已探测到的SPS卫星的伪距。远端接收器可使用传统相关过程来测定到已探测SPS卫星的亚毫秒伪距。该亚毫秒伪距的整数毫秒部分可使用用作估计位置的前一计算位置来确定。在一个实施例中，该整数可通过将亚毫秒伪距与预计伪距(前一计算位置和从长寿命卫星追踪数据中生成的估计卫星位置之间)相关联来确定。计算伪距整数的示范性过程在2004年5月11日授权的共同受让人的美国专利6734821中做了描述，本文引用了其中的全部内容。
在步骤816，使用步骤814中确定的伪距和步骤804中获得的长寿命卫星追踪数据来计算远端接收器的位置。该位置可使用现有的导航等式来计算。在步骤818，判断步骤816计算位置是否有效。需要注意的是，计算位置的真实性可使用本领域内的多种真实性检验技术来确定。例如，可计算该计算位置与前一计算位置(用作估计位置)之间的差值，并将其与阈值进行比较。如果上述差值超出阈值(例如150Km)，则计算位置将被标记为无效。作为选择，还可通过判断计算位置的高度是否在合理的范围内(例如-1km—15km)。如果该高度位于该范围之外，则将计算位置标记为无效。在另一实施例中，可构建与测量的伪距相关联的后验余量(a-posteriori residual)。可分析该后验余量，确定是否存在错误的伪距。如果所有伪距都是错误的，则计算位置便是无效的。分析后验余量的过程在上文引用的美国专利6734821中做了描述。
如果在步骤818，计算位置是无效的，则方法800进行步骤820，执行盲目搜索来计算位置。否则，方法800进行步骤822，将计算位置存储起来，用作下次迭代时的前一计算位置。方法800结束于步骤824。
图9是依据本发明的使用盲目搜索(blind search)技术来确定远端接收器位置的方法900的示范性实施例的流程图。执行方法900时可无需从网络获取远端接收器中最初的估计位置。方法900开始于步骤902。在步骤904，执行盲目搜索，探测SPS卫星。也就是说，远端接收器按照传统方式搜索卫星信号，无法获得获取辅助数据带来的好处。在步骤906，确定到探测到的SPS卫星的伪距。远端接收器可使用传统相关过程测定到已探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距。亚毫秒伪距的整数部分按照公知方式计算，即通过解码卫星所广播的卫星导航流中的转换字(HOW)来获取当前星期当前时刻(time-of-week，简称TOW)计数值。在步骤908，使用步骤906确定的伪距以及存储在远端接收器中的长寿命卫星追踪数据来计算远端接收器的位置。可使用现有的导航等式来计算该位置。方法900结束于步骤910。
使用长寿命卫星追踪数据来计算位置可不再需要在远端接收器中从来自每颗卫星(确定到该卫星的伪距)的卫星导航流中解码星历。由于无需解码星历，远端接收器的冷启动速度得以增加，尤其是在卫星信号很弱和/或断断续续的情况下。此外，执行方法900可不再需要使用初始位置或来自网络的精确时间，这使得方法900可在远端接收器位于网络服务区外部时仍能执行。可存储使用方法900计算的位置，并将其用作估计位置，来计算下一次位置计算过程中的获取辅助数据，如以上参照图8所述。
图10是依据本发明的使用盲目搜索技术来确定远端接收器位置的方法1000的另一示范性实施例的流程图。与图9中的方法900相似，执行方法1000时在远端接收器中可无需从网络获取最初的估计位置。方法1000开始于步骤1002。在步骤1004，执行盲目搜索探测SPS卫星。在步骤1006，测定到所探测的SPS卫星的亚毫秒伪距。在步骤1008，在远端接收器中测定伪距率。在一个实施例中，可通过获取多普勒测量值来测定伪距率。作为选择，还可通过计算亚毫秒伪距的时间导数来测量伪距率。
在步骤1010，使用存储在远端接收器中的长寿命卫星追踪数据和伪距率来计算远端接收器的估计位置。在一个实施例中，这一步骤可通过迭代应用下列数学模型来完成：
u ‾ u 1 · · · u n = ∂ ρ . 1 / ∂ x ∂ ρ . 1 / ∂ y ∂ ρ . 1 / ∂ z c · · · · · · · · · · · · ∂ ρ . n / ∂ x ∂ ρ . n / ∂ y ∂ ρ . n / ∂ y c x y z f c
其中u是伪距率余量(也就是测定的和预计的伪距率之间的差值)的向量，
Figure S06804656420070821D000162
代表部分导数，是第n个伪距率，c代表光速。变量x、y和z是对后验(a-priori)位置的更新。在本实施例中，无需提供最初位置，因此可在初始位置位于地表中心时应用上述模型，进行迭代直到更新汇聚。变量fc是对远端接收器中后验参考频率偏移量的更新。在一个实施例中，fc的单位是秒，c的单位是m/s，u的单位是m/s。预计的伪距率和矩阵的元素可使用长寿命卫星追踪数据来计算。上述模型的导数在2003年7月11日提交的相同受让人美国专利申请10/617559(代理案号GLBL027)中做了描述，本文引用了其中的全部内容。其他术语(term)，如当天当前时间偏移量可包括在上述计算中，但由于只需要近似位置(例如10km以内)，因此在计算u的值和矩阵的元素时，在上述计算中使用近似的当天当前时间就足够了。
在另一实施例中，远端接收器的估计位置可在步骤1010中同时使用伪距率和亚毫秒伪距来计算。应注意，如果在步骤1004只探测到两颗卫星，则远端接收器在不使用其他辅助数据时只使用伪距率或者只使用伪距将无法计算位置。但是，由于伪距率和伪距所提供的是独立的测量值，所以可结合使用伪距率和伪距来提供足够的测量值(例如用于计算纬度、经度、高度和共模时钟偏差(common mode clock bias)的四个测量值)，以此来计算位置。这种计算在美国专利申请10/617559中做了描述，本文引用了其中的全部内容。
在步骤1012，在步骤1006测定的亚毫秒伪距的整数部分将使用在步骤1010计算得出的估计位置来确定。在一个实施例中，该整数可通过将在步骤1006测定的亚毫秒伪距和预计伪距(估计位置和从长寿命卫星追踪数据中生成的估计卫星位置之间的伪距)相关联来计算。计算伪距整数的示范性过程在上文引用的美国专利6734821中做了描述。
在步骤1014，判断在远端接收器中精确的当天当前时刻是否可用。例如，远端接收器可通过解码HOW获取TOW计数消息来获取精确的卫星时间。作为选择，远端接收器最初可从网络获取精确卫星时间，并在随后继续跟踪精确时间。如果在远端接收器中精确的当天当前时刻是已知的，则方法1000进行步骤1016。在步骤1016，远端接收器的位置可使用长寿命卫星追踪数据和现有导航解决方案中的完整伪距来计算。如果在远端接收器中精确的当天当前时刻是未知的，则方法1000继续进行步骤1018。
在步骤1018，使用长寿命卫星追踪数据和与时间无关的导航模型的全伪距来计算远端接收器的位置。应注意，使用数学模型在余量差值(实际伪距和预计伪距之间)和对位置(例如，x、y和z位置)、时间(例如本地时钟偏差(tc)和当天当前时刻误差(ts))的更新之间建立关联。预计伪距是基于在步骤1010算出的估计位置的。在一个实施例中，数学模型可通过下列等式来定义：
u ‾ = u 1 u n = ∂ ρ 1 / ∂ x ∂ ρ 1 / ∂ y ∂ ρ 1 / ∂ z ∂ ρ 1 / ∂ t C ∂ ρ 1 / ∂ t S · · · · · · · · · · · · · · · ∂ ρ n / ∂ x ∂ ρ n / ∂ y ∂ ρ n / ∂ z ∂ ρ n / ∂ t C ∂ ρ n / ∂ t S x y z t C t S
= ∂ ρ 1 / ∂ x ∂ ρ 1 / ∂ y ∂ ρ 1 / ∂ z c - ρ . 1 · · · · · · · · · · · · · · · ∂ ρ n / ∂ x ∂ ρ n / ∂ y ∂ ρ n / ∂ z c - ρ . n x y z t C t S
其中u是伪距余量(预计伪距和实际伪距之间的差值)的向量；H矩阵包含公知的视距向量(前三列)，其将位置更新(x、y、z)与伪距余量相关联；公知的常数列(c光速)将本地时钟偏差(tc)与伪距余量相关联；伪距率列将当天当前时间误差(ts)与伪距余量相关联。若想详细了解上述数学模型，读者可参阅上文引用的美国专利6734821。可对上述数学模型进行几次迭代，以便汇聚到某一位置。方法1000结束于步骤1020。
使用长寿命卫星追踪数据来计算位置可不再需要在远端接收器中从来自每颗卫星(确定到该卫星的伪距)的卫星导航流中解码星历。由于无需解码星历，远端接收器的冷启动速度得以增加，尤其是在卫星信号很弱和/或断断续续的情况下。此外，执行方法1000可不再需要使用初始位置或来自网络的精确时间，这使得方法1000可在远端接收器位于网络服务区外部时仍能执行。可存储使用方法1000计算的位置，并将其用作估计位置，来计算下一次位置计算过程中的获取辅助数据，如以上参照图8所述。
图11是依据本发明的使用盲目搜索技术来确定远端接收器位置的方法1100的又一示范性实施例的流程图。再一次的，执行方法1100时在远端接收器中可无需从网络获取最初的估计位置。方法1100开始于步骤1102。在步骤1104，执行盲目搜索来探测SPS卫星。在步骤1106，确定到探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距。在步骤1108，从所有可能位置的空间中选择远端接收器的后验位置。应注意，所有可能的后验位置组成的空间可能是分段的，例如分割成100km×100km纬度—经度的网格，其高度从地形高度查找表中分配。在步骤1110，亚毫秒伪距的整数部分根据后验估计位置来确定。整数部分可使用与上述附图10中方法1000中步骤1012类似的步骤来执行。
在步骤1112，使用存储在远端接收器中的长寿命卫星追踪数据和完整伪距来计算远端接收器的位置。如图10所示，可使用现有导航等式(如果精确时间可用的话)和与时间无关的导航模型来计算位置。在步骤1114，判断计算的位置是否有效。可使用上述方法800中的步骤818来来估计计算位置的有效性。若无效，则方法1100返回步骤1108，从可能位置组成的空间中选择另一后验位置。否则，方法1100继续进行步骤1116。在步骤1116，输出计算位置。方法1100结束于步骤1118。如图8所示，可存储使用方法1100输出的位置，并在下一次位置计算中将其用作估计位置来计算获取辅助数据。
在前面的描述中，参考基于美国全球定位系统(GPS)之上的应用对本发明做了描述。然而，很明显，这些方法也可等效适用于其他卫星系统，具体来说也可适用于俄罗斯全球导航系统、欧洲伽利略系统，以及类似的系统，或者全球导航系统、伽利略系统和GPS系统的任意组合。本文使用的术语“GPS”包括这些其他的卫星定位系统，即俄罗斯全球导航系统和欧洲伽利略系统。
尽管本发明的方法和装置是参考GPS卫星进行描述的，但应当明白，本发明的内容也可等效适用于使用伪卫星或卫星和伪卫星组合的系统。伪卫星是安装在地面上的发射器，其广播PN码(类似于GPS信号)，其可调制在L频带载波信号，通常与GPS时间同步。本文使用的术语“卫星”包括伪卫星或等效的伪卫星，本文使用的术语“GPS”信号包括来自伪卫星或等效伪卫星的类似GPS信号。
尽管上文中的内容是针对本发明的特定实施例的，但是，在不脱离本发明基本范围的前提下，还可设计出本发明的其他实施例，本发明的范围通过下列权利要求来定义。

Claims (19)

1.一种用于确定远端接收器位置的方法，其特征在于，包括：
在所述远端接收器中获取长寿命卫星追踪数据，所述长寿命卫星追踪数据包括卫星轨道数据和/或卫星时钟数据；
探测卫星定位系统(SPS)卫星；
确定所述远端接收器到所述探测到的SPS卫星的伪距；以及
使用所述伪距和所述长寿命卫星追踪数据计算所述远端接收器的位置；
所述探测步骤包括下列步骤中的至少一个：使用获取辅助数据来探测所述SPS卫星，所述获取辅助数据是使用前一计算位置计算得出的；和，执行盲目搜索来探测所述SPS卫星。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述远端接收器从服务器接收所述长寿命卫星追踪数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述长寿命卫星追踪数据由所述服务器生成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定伪距的步骤包括：
测量到所述探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距；
对至少一个所述探测到的SPS卫星发出的当前星期当前时刻(TOW)值进行解码；以及
求解所述亚毫秒伪距的整数毫秒部分，以使用所述TOW值生成所述伪距。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定伪距的步骤包括：
测量到所述探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距；
测量与所述探测到的SPS卫星有关的伪距率；
使用所述伪距率和亚毫秒伪距计算所述远端接收器的估计位置；以及
使用所述估计位置求解所述亚毫秒伪距的整数毫秒部分，生成所述伪距。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算所述远端接收器的位置步骤包括：
获取当天当前时刻估计值；
使用所述长寿命卫星追踪数据、所述当天当前时刻估计值和所述估计位置将所述亚毫秒伪距与多个位置和时间变量相关联；
求解所述位置和时间变量中的一个或多个，确定所述远端接收器的位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定伪距的步骤包括：
测量到所述探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距；
从位置空间中选择先验位置；
使用所述先验位置求解所述亚毫秒伪距的整数毫秒部分，生成所述伪距。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述计算所述远端接收器的位置步骤包括：
获取当天当前时刻估计值；
使用所述长寿命卫星追踪数据、所述当天当前时刻估计值和所述先验位置将所述亚毫秒伪距与多个位置和时间变量相关联；以及
求解所述位置和时间变量中的一个或多个，确定所述远端接收器的位置。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
在确定所述位置无效时，重复进行所述选择和求解步骤，求出所述位置空间的一个其他的先验位置。
10.一种用于确定远端接收器位置的方法，其特征在于，包括：
在所述远端接收器中获取长寿命卫星追踪数据；所述长寿命卫星追踪数据包括卫星轨道数据和/或卫星时钟数据；
测量到多个SPS卫星的亚毫秒伪距；
测量与多个SPS卫星有关的伪距率；
使用所述伪距率和亚毫秒伪距计算所述远端接收器的估计位置；
使用所述估计位置求解所述亚毫秒伪距的整数毫秒部分，生成完整伪距；
使用所述完整伪距和所述长寿命卫星追踪数据计算所述远端接收器的位置。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述计算所述远端接收器的位置步骤包括：
判断精确的当天当前时刻是否可用；
如果所述精确当天当前时刻不可用，则使用与时间无关的导航模型计算所述远端接收器的位置。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述计算所述远端接收器的位置步骤包括：
获取当天当前时刻估计值；
使用所述长寿命卫星追踪数据、所述当天当前时刻估计值和所述估计位置将所述亚毫秒伪距与多个位置和时间变量相关联；以及
求解所述位置和时间变量中的一个或多个，确定所述远端接收器的位置。
13.一种用于确定位置的装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储长寿命卫星追踪数据，所述长寿命卫星追踪数据包括卫星轨道数据和/或卫星时钟数据；
卫星信号接收器，用于探测卫星定位系统(SPS)卫星和确定到所述探测的SPS卫星的伪距；以及
处理器，用于使用所述伪距和所述长寿命卫星追踪数据计算位置；
所述卫星信号接收器用于使用下列步骤之中的至少一个步骤来探测所述SPS卫星：a)使用前一计算位置计算得出的获取辅助数据；b)盲目搜索。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括：
通信收发器，用于从服务器接收所述长寿命卫星追踪数据。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述卫星信号接收器用于：
测量到所述探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距；
对至少一个所述探测到的SPS卫星发出的当前星期当前时刻(TOW)值进行解码；以及
求解所述亚毫秒伪距的整数毫秒部分，以使用所述TOW值生成所述伪距。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述卫星信号接收器用于：
测量到至少一个所述探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距；
测量与至少一个所述探测到的SPS卫星有关的伪距率；
使用所述伪距率和亚毫秒伪距计算所述远端接收器的估计位置；以及
使用所述估计位置求解所述亚毫秒伪距的整数毫秒部分，生成所述伪距。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述处理器用于：
获取当天当前时刻估计值；
使用所述长寿命卫星追踪数据、所述当天当前时刻估计值和所述估计位置将所述亚毫秒伪距与多个位置和时间变量相关联；
求解所述位置和时间变量中的一个或多个，确定所述位置。
18.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述卫星信号接收器用于：
测量到所述探测到的SPS卫星的亚毫秒伪距；
从位置空间中选择先验位置；以及
使用所述先验位置求解所述亚毫秒伪距的整数毫秒部分，生成所述伪距。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述处理器被配置用于：
获取当天当前时刻估计值；
使用所述长寿命卫星追踪数据、所述当天当前时刻估计值和所述先验位置将所述亚毫秒伪距与多个位置和时间变量相关联；以及
求解所述位置和时间变量中的一个或多个，确定所述位置。
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