CN101305293B - 给卫星定位系统的移动台提供辅助数据的方法 - Google Patents

Abstract

卫星定位系统的卫星在导航信号中广播具有特定有效期的星历数据。移动台需要星历数据来进行定位。在得到辅助的卫星定位系统中，将辅助数据提供给移动台时，获得卫星发射的导航信号。服务器站接收所述移动台发出的辅助数据请求，响应这个请求，服务器站发射星历数据给移动台，作为辅助数据的一部分。收到移动台发出的辅助数据请求时，服务器站判断如果给移动台提供广播星历数据，移动台是否能够获得规定的定位准确度。如果答案是肯定的，服务器站就发射广播星历数据给移动台。如果答案是否定的，服务器站就发射长期星历数据给移动台，作为所请求的辅助数据的一部分。长期星历数据是从卫星轨道预测导出的，相对于卫星广播的星历数据具有充分延长的有效期。

Description

给卫星定位系统的移动台提供辅助数据的方法

技术领域

笼统地说，本发明涉及如何利用卫星定位系统来定位。具体而言，本发明涉及为移动台提供辅助数据，帮助移动台定位的方法。

背景技术

GNSS(全球导航卫星系统)接收机确定它们到绕地球旋转的卫星的距离，以确定它们的地理位置。如果从接收机到卫星的距离，以及卫星的位置已知，就能够计算出接收机的位置。由于卫星的位置随着时间改变，因此，接收机需要它们运行轨道随时间变化的描述。根据经验，可以假设卫星位置100米的误差转换成接收机确定的位置的误差就是大约25米。因此，每个卫星都在广播信号中发射星历数据作为其轨道的描述。独立的接收机必须对来自卫星广播信号的这些星历数据进行解调，以便定出它们的位置。

AGNSS(得到辅助的GNSS)的原理就是将定位必须执行的特定功能交给服务器单元，这个服务器单元通过通信网络，例如蜂窝通信网，跟移动台通信。如果必须确定移动台的位置，移动台就向服务器单元发送辅助数据请求。响应这个请求，后者发射辅助数据给移动台。移动台可能需要几种辅助数据，例如基准位置、基准时间、导航模型、电离层修正、差分修正、历书等。从服务器单元收到这些辅助数据以后，移动台随后处理卫星信号，例如卫星捕获和/或伪距测量。计算位置目前有两种选择：或者由移动台自己完成必要的计算(基于MS的模式)，或者移动台发射伪距给服务器单元，后者计算位置，然后将它发送给移动台(MS辅助模式)。

要指出，在GNSS领域，要注意区分卫星轨道和用于代表卫星轨道的两种数据，也就是“星历数据”，这种数据给出卫星轨道的精确描述，以及“历书数据”，给出卫星轨道远不那么准确的描述。历书数据不能准确到足以精确定位，满足系统规范，或者最终用户的预期(常常达到几个分米)。对于移动台，通过蜂窝网接收星历数据具有它不需要对星历数据进行解调的优点，这些星历数据是空间信号(SIS)中包含的所谓的“导航消息”的一部分，这里的空间信号是卫星广播的信号。跟没有得到辅助的GNSS相比，这样做最终导致定位过程得到简化，也就是说，用更少的时间来定位和/或降低对接收机灵敏度(指信号强度)的要求。

提供辅助数据给移动台的特定方法利用通信网的高层，也就是应用层。这种方式的优点是应用层比控制平面层具有高得多的数据率。然而，只有在注册以后，用户才能够访问这一层，这一点带来了跟紧急呼叫有关的定位问题。于是有人就想在通信网的控制平面上将辅助数据传送给移动台并从移动台获取位置信息。在GSM的TS44.031(RRLP)和UMTS的TS23.371(RRC)中对这一协议进行了标准化。控制平面实现方式的一个主要优点是，即使没有SIM(用户标识模块)卡也能够交换位置数据。于是，能够为紧急呼叫进行定位，即使用户没有注册。另一个优点是运营商完全控制着这个过程，能够保证这一服务。主要缺点是信令层的数据率很低，如果有许多移动台请求获得辅助数据，会出现问题。因此有人试图寻找方法来降低交换GNSS辅助数据的数据率。

这种方法公开在US 6,058,338中。定位服务器发射长有效期(例如一周)的历书数据给移动台，由移动台储存。在请求获得辅助数据时，不是发送星历数据，而是由服务器发射修正矢量，这个修正矢量对应于当前星历数据和当前历书数据之差，这些数据都是实时地从卫星获得的。由于历书数据具有很长的有效期，因此不必频繁地重新发射这些数据。由于只发送差矢量数据，因此跟发送卫星广播的星历数据所必需的相比，只需要使用少量的比特。

以上文件没有解决的一个问题是跟“漫游”有关的，也就是说当移动台位于其归属运营商没有覆盖的地理区域，并请求获得辅助数据时。当服务器单元转发卫星广播的导航数据时，会出现服务器单元的GNSS接收机看不到移动台能够看见的卫星，服务器单元储存的有关卫星的最新星历数据已经过了有效期这种情况。这个问题的已知解决方法是在全球部署定位基准GNSS接收机网，并将它们连接到服务器单元。目前运营商可以选择独自建立这一网络，但是这样做成本高昂，也可能跟这种基准网络的所有人达成服务协议，但这就会使它依赖于另一方。

在本发明中，对于特定的地理位置，如果卫星高出地平线，就认为卫星是“可见的”。

US 2004/0117114A1以及有关的US 2002/0190898 A1和US2002/0188403 A1描述了如何在远程接收机中利用长期卫星跟踪数据代替卫星广播的星历数据。在远程接收机请求获得辅助数据时，服务器发射卫星跟踪数据，这些数据是通过卫星轨道预测来获得的，具有长达四天的有效期。

发明目的

本发明的目的是提出一种改进的方法，用来为移动台提供辅助数据。这一目的是利用权利要求1中的方法来达到的。

发明内容

卫星导航系统的卫星在导航信号中广播的星历数据具有特定的有效期。例如，可以将这个有效期定义为从这些星历数据进行定位的准确度符合规范，相应地符合最终用户预期的时间间隔。在移动台处，例如移动电话、数码相机、便携式计算机、手持式计算机或者配备了卫星定位接收机的任何类似设备处，都需要星历数据来定位。在得到辅助的卫星定位系统中，将辅助数据提供给移动台时获得卫星发射的导航信号。服务器站，例如AGNSS服务器或者任何类似的辅助数据提供器，接收卫星广播的星历数据，例如利用连接到它的基准接收机。在服务器站接收来自移动台的辅助数据请求，前者随后响应这一请求发射星历数据给移动台作为辅助数据的一部分。根据本发明，一方面，在收到所述移动台发出的辅助数据请求时，服务器站判断如果给移动台提供上述广播星历数据，移动台是否能够获得规定的定位准确度。如果答案是肯定的，也就是如果利用上述广播星历数据能够获得规定的定位准确度，服务器站就发射广播星历数据给移动台。如果答案是否定的，也就是如果利用广播星历数据不能获得规定的定位准确度，服务器站就发射长期星历数据给移动台，代替广播星历数据，作为所请求的辅助数据的一部分。长期星历数据是从卫星轨道预测导出的，相对于卫星广播的星历数据具有充分延长的有效期。

判断步骤非常简单。它可以包括例如判断在所述服务器站处收到的所述广播星历数据在所述请求的时候是否有效。

显然，将发射广播星历数据合适还是发射长期星历数据合适考虑在内，这一方法能够减少对服务器站和移动台之间通信信道容量的影响。事实上，在移动台处储存的星历数据的更新变得不那么频繁。这样就能够缩减带宽，因为长期星历数据的总量不超过常规星历数据的总量。另一方面，这样做能够提高接收机的独立性，也就是说，能够延长接收机不需要辅助数据的期间。相对于常规星历数据，优选将长期星历数据的有效期延长到至少1.5倍，至少延长到2倍更好，至少延长到4倍还要好。长期星历数据的格式最好跟广播星历数据的格式一样，从而跟已有标准一致。

可以用外部轨道预测设施来为服务器站提供卫星轨道预测，后者随后从中导出长期星历数据。也可以是利用连接到服务器站的适当的卫星接收机，服务器站利用在服务器站收到的广播星历数据作为输入来提供轨道预测。在任何情况下，卫星轨道预测都最好基于作用于卫星上的力的力学模型。轨道预测可以利用已知的卫星参数作为初始值，通过对力学基本定律进行积分来完成。

如果为服务器站配备了GNSS接收机，那么只要从接收机的位置能够看到这些卫星，它就能够获得和储存卫星广播的星历数据。如果卫星已经消失在地平线以下，服务器站可以基于储存的星历数据计算卫星轨道。本领域技术人员会注意到，这样做能够有效地解决“漫游”问题。例如，假设服务器站及其基准接收机位于欧洲，而移动台请求获得澳大利亚的辅助数据。此时，基准接收机不能为服务器站提供有关卫星的当前星历数据，也就是不能提供能够用于在澳大利亚进行导航的卫星的星历数据。此时，服务器站可以基于存储器中最新的星历数据来计算这些卫星的长期轨道预测。应当指出，在这种情况下，最新星历数据和请求时刻之间的这段时间包括在预测轨道的期间内。接下来用这些预测来导出当前的长期星历数据。跟已知系统不同，不需要将服务器站连接到全球分布的接收机基准网。如果放置在合适的地理位置上，单个基准接收机就足够了。基准接收机不必位于服务器站所在的同一地理区域。

除了星历数据以外，发射给移动台的辅助数据还可以包括电离层折射数据和/或同步数据。要发射的数据的类型可以由移动台在辅助数据请求中指定。电离层折射数据或同步数据还能够缩短定位时间，或者提高定位准确度。跟辅助数据请求一起，服务器站还可以接收移动台位置的初步推测，例如关于移动台所在通信网小区的信息。服务器可以随后根据初始推测来优化辅助数据。为了节省移动台和服务器站之间的通信信道，可以针对位置进行优化。例如，可以将发送给移动台的星历数据减少到当前从通信网的这个小区能够看到的那些卫星的星历数据。传送给移动台的电离层折射数据可以缩减成针对这个位置的电离层折射数据。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明的优选实施例，在这些附图中：

图1是利用卫星定位系统确定移动台位置的通信系统的组成框图；

图2说明本发明一个优选实施例中提供辅助数据给卫星定位系统的移动台的方法流程；

图3说明请求获得辅助数据前后事件的时间顺序。

具体实施方式

图1说明利用卫星定位系统(例如GPS、GLONASS、伽利略或者它们的组合)的通信系统10的组成。通信系统10包括静止基础设施，例如基站12、14、16，以及移动台18，例如如图1所示的移动电话。静止基础设施还包括基站控制器(BSC)20，提供服务的移动定位中心(SLMC)22和AGNSS服务器24。静止基础设施通常利用陆基通信网和/或互联网跟移动台18对接。

AGNSS服务器连接到基准GNSS接收机26，后者接收从它的位置能够看到的那些GNSS卫星28、30、32广播的星历数据。基准接收机26和AGNSS服务器24之间的通信可以基于互联网协议或者合适的任何其它协议。服务器24通过通信链路34从基准接收机26接收广播星历数据，并将广播星历数据储存在存储器里。从发送出去算起，这些广播星历数据具有例如大约3个小时的有效期。这个有效期过去以后，广播星历数据和实际卫星轨道之间的偏差显著增大，因此，如果用户使用这些星历数据，将再也无法获得规定的定位准确度。

可以自动地(例如响应用户在移动台上启动涉及位置的浏览程序)或者由移动台18的用户有意地启动定位程序。也可以由外部应用程序启动定位程序，例如，响应用户发出遇险消息。在第一步中，从移动台发送辅助数据请求，转发给AGNSS服务器24。可以从第三代伙伴计划发布的技术规范3GPP TS 44.031的标准集选择被请求的辅助数据。这个标准集包括基准位置(通常是从蜂窝信息导出的初步位置)、基准时间(用来将移动台同步到GNSS时间)、导航模型(星历数据)、电离层修正、历书等。然后，AGNSS服务器24准备好被请求的辅助数据，将它们发射给移动台。移动台利用收到的辅助数据来获得卫星广播的信号，完成伪距测量。AGNSS领域的技术人员熟知这一操作的具体细节。根据移动台18的配置，可以按照基于MS的模式或者MS辅助模式来计算位置。

图2说明按照本发明的优选实施例为移动台18准备星历数据的步骤。AGNSS服务器24收到移动台18发出的辅助数据请求(步骤201)。对于这个实例，假设由用户发出星历数据请求。这个请求还包括关于网络小区35的信息，例如这些信息由SLMC 22提供，涉及移动台18的当前位置。基于包括例如小区信息、历书信息和当前时间信息的信息，AGNSS服务器24判断从用户所在位置能够看见哪些卫星(步骤202)。

然后服务器24从存储器提取基准接收机26收到的由这些卫星广播的最新星历数据，并在移动台18能够使用广播星历数据的假设下，评估移动台18是否能够以规定的准确度(例如40米)确定它的位置(步骤203)。这一评估可以建立在简单的启发基础之上，这个启发是每个卫星的广播星历数据在广播星历数据有效期不包含的时间不能使用。

如果存储器中的星历数据足够新，就可以将它们转发给移动台18作为辅助数据的一部分。如果发出请求的时候，用户跟连接到AGNSS服务器的基准接收机26处于同一地理区域，就会发生这种情况。在步骤204中，准备星历数据用于发射给移动台。

如果存储器中储存的最新星历数据已经无效，或者例如AGNSS服务器24和移动台18之间通信信道上的通信负荷很高，就计算长期星历数据(步骤205)，准备好用于发射给移动台(步骤206)。通过例如按照RINEX格式对星历数据格式化，准备好星历数据用于在辅助数据中发射以后，将星历数据发射给移动台18(步骤207)。

在这个实施例中，提供长期星历数据的方式有两种可能性。

服务器24连接到外部轨道预测设施36。如果是伽利略系统，这一功能就由所谓的轨道和同步处理设施(OSPF)来完成。轨道预测设施36可以向AGNSS服务器24发送轨道预测，甚至发送从轨道预测导出的长期星历数据。

另外，只要服务器24利用基准接收机26从给定卫星收到星历数据，它就保存这个卫星的位置和速度历史信息。将这些数据用作输入，考虑作用在卫星上的力，利用力学模型来外推卫星轨道。轨道预测基于力学基本定律的积分，其中将已知的卫星位置和速度作为起始值。轨道预测可以考虑地球、月球和太阳重力，地球自转，地球公转、进动和章动，太阳风压力、潮汐等。为一个期间来预测卫星轨道，这个期间充分超过用作输入的广播星历数据的有效期。根据所用轨道预测算法，可以为24小时甚至更长预测轨道。预测的轨道用于导出当前的长期星历数据。

应当注意，外部轨道预测设施36可以按照上面针对服务器24所描述的相同或相似方式计算轨道和/或长期星历数据。可以以冗余的方式进行内部和外部轨道和/或星历计算，也就是在功能故障的时候将一个用作另一个的备份，也可以以互补的方式利用内部和外部轨道和/或星历计算。具体地说，如果AGNSS服务器24必须处理不同的卫星星座，例如GPS和伽利略，那么上述选择中后一种选择将很有用。伽利略规划了轨道预测设施36，而GPS则没有这样做。关于GPS卫星的星历数据可以由服务器24自己计算，而伽利略卫星的星历数据则可以由OSPF提供。

图3用时间线说明事件的顺序。沿着轴38从左到右时间往前走。AGNSS服务器在不同的时刻ToE-2、ToE-1、ToE-0(ToE表示星历时间)接收由特定卫星广播的星历数据。在时刻ToR(请求时刻)，AGNSS服务器收到这个特定卫星的星历数据请求。在时刻ToE-0收到对应于时刻ToR的这个卫星的最新星历数据。图3说明最新的星历数据已经过了有效期以后发出请求这种情况：这些星历数据的有效间隔40在时刻ToR以前的时刻TE处结束。在时刻ToR，AGNSS服务器为包括时刻ToR的时间间隔42提供轨道预测。轨道预测从卫星位置和速度已知的时间点开始，也就是在TE之前。从轨道预测导出时间间隔44的长期星历数据，这些数据的有效期远比广播星历数据的有效期长，这个有效期最好是在时间间隔44的开头包括时刻ToR。

应当注意，可以根据移动台的具体请求来进行轨道预测。也可以连续不断地在存储器中更新轨道预测，在移动台发出请求时访问轨道预测结果来导出长期星历数据。

Claims (8)

1.一种提供辅助数据给移动台，帮助获取卫星定位系统的卫星发射的信号的方法，所述卫星在所述信号中广播具有特定有效期的星历数据，该方法包括：

在服务器站接收来自所述移动台的辅助数据请求；

在所述服务器站接收所述广播星历数据；

在所述服务器站判断如果提供了所述广播星历数据，所述移动台是否能够实现规定的定位准确度；

如果答案是肯定的：发射所述广播星历数据给所述移动台；或者

如果答案是否定的：响应所述请求发射长期星历数据给所述移动台，作为所述辅助数据的一部分，所述长期星历数据相对于所述卫星广播的星历数据具有充分延长的有效期，所述长期星历数据是从卫星轨道预测导出的。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述判断步骤包括确定在所述服务器站处收到的所述广播星历数据在所述请求的时候是否有效。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述卫星轨道预测的至少一部分是在所述服务器站从外部轨道预测设施收到的。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述卫星轨道预测建立在作用于所述卫星的力的力学模型这一基础之上。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述卫星轨道预测是利用在所述服务器站收到的广播星历数据作为输入来获得的。

6.如权利要求1或2所述的方法，包括：

发射电离层折射数据和/或同步数据，作为所述辅助数据的一部分。

7.如权利要求1或2所述的方法，包括：

跟所述辅助数据请求一起，接收所述移动台位置的初步推测；以及

根据所述初步推测来优化所述辅助数据。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中所述卫星定位系统包括GPS和/或GLONASS和/或伽利略。

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