CN102138079A - 改善的卫星时钟预测 - Google Patents

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Abstract

描述了利用未来卫星状态的预测，在没有所跨越的时间段的广播星历数据的情况下确定位置信息的设备和方法。这些预测包括卫星时钟偏差的预测。在所跨越的时间段内，接收广播星历，这样，源自广播星历的卫星时钟偏差可以被确定。随后，可基于源自广播星历的卫星时钟偏差，来校正在接收广播星历之后的卫星时钟偏差的预测。

Description

改善的卫星时钟预测
技术领域
公开的实施例涉及基于卫星的定位系统和方法。更具体地，公开的实施例涉及基于接收到的广播星历调整时钟偏差预测。
背景技术
基于卫星的定位系统包括地球轨道卫星的星群，其不断地向接收器传送轨道信息和测距信号。基于卫星的定位系统的示例是全球定位系统(GPS)，其包括地球轨道卫星的星群，也被称为GPS卫星、卫星运载器、或宇宙飞行器(SV)。GPS卫星以非常精确的轨道每天绕地球两次，并向地球传送信号信息。该卫星信号信息由GPS接收器接收，GPS接收器可以在便携式或移动单元中，或在基站和/或服务器的固定位置中。
GPS接收器利用卫星信号信息来计算它的精确位置。一般地，GPS接收器比较卫星传输GPS信号或卫星信号的时间、以及接收时间。卫星信号接收和传输之间的这个时间差异向接收器提供有关从卫星到该接收器的距离的信息。利用从一些卫星得到的伪距测量值(因为距离信息被偏移了与GPS卫星时钟和接收器时钟之间的偏差成比例的量，所以是“伪”)，接收器可以确定它的位置。GPS接收器利用从至少四个卫星接收到的信号来计算三维位置(纬度、经度、海拔)，或利用从至少三个卫星接收到的信号来计算二维位置(如果海拔已知)。
GPS卫星信号通过视线行进，这意味着它们会穿过云、玻璃和塑料，但不能通过大多数固体，例如建筑物和山。因此，一般地，GPS接收器在各处都可用，除了不可能接收到足够的卫星信号的地方，例如一些建筑物内、洞穴中和其他地下位置、和水下。当确定位置信息时，GPS接收器通常依赖于来自卫星信号的信息，缺乏该信息就无法确定位置。这个卫星信号信息包括伴随着到达接收器的星历和历书数据的伪随机码。该伪随机码是标识传输相应信号的卫星并帮助接收器进行距离测量的码。所述历书数据告诉GPS接收器星群的每个GPS卫星在跨越几天或几星期的宽时间间隔内的任意时刻应处于的位置。星历数据做同样的事情，但精确得多，虽然仅在几小时这样的短得多的时间间隔内。
由每个卫星连续地传输的广播星历数据包括关于卫星轨道的重要信息、以及这些轨道信息的有效时间。具体地，GPS卫星的广播星历数据预测在未来大概四个小时间隔内卫星的状态。广播星历包括卫星位置、速度、时钟偏差和时钟漂移的预测。更具体地，所述广播星历数据描述具有附加修正的开普勒元素椭圆，其随后允许在广播星历数据有效时段期间的任意时刻，在以地球为中心、地球固定(ECEF)的矩形坐标集内计算卫星的位置。通常，广播星历数据对于确定位置来说非常关键。
考虑到广播星历数据仅仅在四个小时间隔内有效，并且对位置的确定非常关键，当先前收集的广播星历数据有效时间到期时，GPS接收器需要在该接收器要计算卫星状态时收集新的广播星历数据。依然有效的广播星历可以被称为“当前”广播星历。当前广播星历数据可以从GPS卫星作为直接广播被收集，或从服务器重传。然而，有不能从GPS卫星或服务器收集新的广播星历数据的情况。作为新的广播星历数据不能被收集的情况的示例，仅列举几项：卫星信号的低信号强度可能阻止了来自接收到的卫星信号的星历数据的解码/解调，客户端可能在服务器的覆盖范围之外，和/或服务器可能由于多种原因而不可用。当新的广播星历数据不可用时，GPS接收器通常不能提供位置信息。
为了处理对在没有接收到当前广播星历情况下可操作于确定卫星星历的GPS接收器的技术的需求，共同转让的美国专利第7142157号(‘157专利)公开了一种服务器，其为基于卫星的定位系统接收或收集卫星的历史状态数据，并对历史状态数据数值积分，以提供基于历史状态数据的卫星轨迹的预测(“扩展的星历”)。这些预测的卫星状态也可以被表示为卫星星历。
本领域的普通技术人员应该理解，术语“星历”随后在其严格的意义下使用。虽然在GPS领域中，惯于将GPS卫星的开普勒参数传输称为“广播星历”，但开普勒参数并不是真的卫星星历，而是从卫星星历导出的参数。因为将常规的从GPS卫星的开普勒参数传输称为“广播星历”在GPS领域是根深蒂固的做法，所以，从历史状态数据的数值积分得到的结果可以被称为“预测的卫星状态”或“扩展的星历”，以避免与例如开普勒参数这样的仅从卫星星历导出的参数混淆。
计算了预测的卫星状态后，服务器可以传输这些状态到客户端的支持GPS的设备。随后，这些客户端设备可以基于预测的卫星状态计算当前卫星星历。预测的卫星状态跨越的时间段取决于期望的精度。例如，如果+/-40米精度是可接受的，则预测的卫星状态可以对应于：对于该GPS星群内的所有卫星，在7天时段内的每15分钟。为了确定在这个7天时段内当前时间的卫星状态，客户端设备随后仅需要更改关于当前时间的相关预测卫星状态。这样，客户端设备需要相对小的处理能力来确定当前卫星状态。然而，必须有可观的的带宽和存储设备专用于这么多的预测卫星状态的传输和存储。
因此，‘157专利揭示了替代的实施例，其中，服务器不生成预测卫星状态，而是生成从这些预测卫星状态导出的参数，例如开普勒参数。客户端设备从服务器接收开普勒参数，并可以由此利用开普勒参数预测卫星轨迹。这样，服务器和客户端设备之间传输的带宽需求就减少了。
预测的卫星星历也可以被称为“扩展的星历”，以将这些值与传统的广播星历区分。如上面讨论的，星历不仅包括卫星位置，还包括卫星时钟偏差。这个偏差与GPS基准时间和由卫星的时钟确定的时间之间的差异相关。一般来说，可例如利用的过去时钟偏差数据的曲线拟合，来研究历史卫星状态数据，以生成时钟偏差的预测。可以利用线性或多项式方程，来对所述历史时钟偏差数据进行曲线拟合。然而，由于时钟偏差的随机特性，通常，时钟偏差的预测随着进行预测的时间段延长而变得越来越差。例如，如果自上一次广播星历的接收仅仅过去了一天，则通过扩展的星历技术预测的时钟偏差可以非常精确。然而，如果自上一次接收已经过去一周，则通过扩展的星历技术预测的时钟偏差在用于位置确定的情况下可能会引入相当大的误差。
相应地，有对改善的卫星时钟偏差预测技术的需求。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定客户端设备的位置的方法，包含：在第一通信信道上接收参数集合，其中，所述参数集合跨越一时间段，并且，其中，每个参数集合代表所跨越的时间段内的特定子时间段的预测卫星状态，使得第一参数集合代表第一子时间段的预测卫星状态，第二参数集合代表随后的第二子时间段的预测卫星状态，等等，并且，其中，所述参数集合包括卫星时钟偏差的预测；在所跨越的时间段期间，在给定时间，在第二通信信道上接收广播星历，该广播星历包括广播星历时钟偏差，其中，参数子集对应于所述给定时间之后的子时间段；以及基于广播星历时钟偏差，修改参数子集中的卫星时钟偏差的预测。
根据本发明的另一个方面，提供了一种设备，其包括：状态重建器，其基于卫星状态的预测，选择性地重建当前卫星状态，其中，卫星状态的预测跨越一时间段，并包括卫星时钟偏差的预测，状态重建器被配置用于基于接收到的广播星历来修改卫星时钟偏差的预测；以及至少一个信号处理器，其使用至少一个重建的卫星状态来获得卫星信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种设备，其包括：存储器，用于存储卫星状态的预测，其中，卫星状态的预测包含跨越一时间段的预测集合，使得第一预测集合对应于在所跨越的时段的第一子时间段的卫星状态，第二预测集合对应于所跨越的时段的第二子时间段的卫星状态，等等，并且，其中，从先前接收到的广播星历导出卫星状态的预测；部件，用于基于所存储的卫星状态的预测，在所跨越的时段期间的任意时间，重建卫星状态；部件，用于基于在所跨越的时段期间接收到的广播星历，修改所存储的卫星状态的预测；以及位置确定系统，被适配为如果当前广播星历在给定时间不可用，则在给定时间，在确定设备的位置时使用重建的卫星状态。
附图说明
图1是根据本发明实施例的GPS系统的框图；
图2是一图表，其图解了：针对卫星时钟偏差的七天预测，在相同的七天时段期间从广播星历导出该卫星时钟偏差；以及基于广播星历、在所述七天时段的第一天中修改的卫星时钟偏差的预测；
图3是一图表，其图解了：针对卫星时钟偏差的七天预测，在相同的七天时段期间从广播星历导出该卫星时钟偏差；以及基于广播星历、在所述七天时段的第二天中修改的卫星时钟偏差的预测；
图4是一图表，其图解了：针对卫星时钟偏差的七天预测，在相同的七天时段期间从广播星历导出该卫星时钟偏差；以及基于广播星历、在所述七天时段的第四天中修改的卫星时钟偏差的预测；
图5是一图表，其图解了：针对卫星时钟偏差的七天预测，在相同的七天时段期间从广播星历导出该卫星时钟偏差；以及基于广播星历、在所述七天时段的第五天中修改的卫星时钟偏差的预测；
图6是图解根据本发明实施例的计算当前卫星状态的方法的流程图。
提供这些图表是为了帮助描述本发明的实施例，而不是有意排他或限制。在图表中，相同的参考标记表明相同的元素。
具体实施方式
在下面的描述中，将介绍很多明确的细节以提供对定位系统实施例的彻底理解和允许的描述。而相关领域的技术人员，会意识到定位系统可以在没有一个或多个明确细节的情况下实践，或用其他部件、系统等等来实践。在其他例子中，众所周知的结构或操作没有被显示，或没有详细描述，以避免模糊定位系统的特性。
描述了这样的设备和方法，其用于在没有利用扩展时间段的当前广播星历数据的情况下确定位置。这些确定利用被表示为“扩展的星历”的卫星状态的预测，其中GPS设备扩展了它的功能，尽管缺少当前广播星历。所述扩展的星历包括卫星位置和时钟偏差的预测。一般而言，未来卫星状态的预测跨越一些时间段，例如一星期。在这个跨越时段期间，有权访问相应的扩展星历(EE)的GPS设备也可以接收广播星历(BE)。例如，可以在所跨越的时段的起始，用EE数据来配置GPS设备，在不失一般性的情况下，在下面的讨论中将该跨越时段假定为从第一天延伸到第七天的一个星期。假定在这一周期间的给定的一天、GPS设备有权访问BE数据。随后，如将在后面进一步说明的，GPS设备可以在从这一天到第七天中，基于从BE数据导出的时钟偏差来校正EE数据中的时钟偏差的其余预测。可以以任何类型的扩展星历实现，来实践在此讨论的卫星时钟偏差的预测。下面的讨论针对从扩展的星历服务器接收扩展的星历的GPS客户端设备的卫星时钟偏差校正。然而，应该理解，在此揭示的卫星时钟偏差校正可以在扩展的星历实现中实践，其中，GPS设备能够基于先前接收到的广播星历来预测未来卫星状态，例如，上述内容在共同转让的美国专利申请第11/555074号(提交于2006年10月31日)中被公开。
在基于服务器的扩展星历实现中，扩展的星历服务器收集基于卫星的定位系统的卫星的历史状态数据，并生成对于未来预定时间段的未来卫星轨迹的预测(扩展的星历)。在一个实施例中，可以十五分钟为间隔估计GPS卫星的星群中的每个卫星的未来状态。所有卫星的第一状态信息集合可以对应于初始时间，第二状态信息集合可对应于十五分钟后的时间，等等。这样，多个扩展的星历数据集合可以预测在预定时段(如七天时段)的GPS卫星状态。随后，所述扩展的星历服务器将所产生的扩展星历数据传输给GPS客户端设备。在扩展星历有效的预定时段期间的任意给定时间，GPS客户端设备从所述扩展的星历数据集合中选择适合于所述给定时间的扩展星历数据集合。随后，GPS客户端设备可以从所选的扩展星历数据集合生成给定时间的卫星状态，并利用该卫星状态(联合伪距计算)来确定它在给定时间的位置。
图1是示例性的系统100的框图，该系统包含一个或多个GPS客户端设备110，其可以通过使用扩展的星历数据，在不使用广播星历(BE)数据的情况下确定它们的位置。系统100包括至少一个GPS客户端设备110、以及至少一个扩展的星历服务器系统120或服务器网络120，在此将其称为服务器120。GPS客户端设备110通过GPS信号192，从GPS卫星190可视地接收信息。GPS客户端设备110和扩展的星历服务器120通过至少一个通信信道或链路122(其包含无线和/或有线连接122)通信。为了帮助在链路122上传输星历数据，扩展的星历服务器120可以包括通信系统113、处理器114和存储器115。一个实施例的扩展星历服务器120也和一个或多个数据库130通信，以通过至少一个信道或链路132请求和/或接收有关过去的GPS卫星轨迹的数据。服务器120和数据库130之间的链路132包括至少一个无线和/或有线连接。可替代的实施例的链路132可以包括一个或多个具有一个或多个网络类型的网络(未显示)。
一个实施例的GPS客户端设备110包括但不局限于便携式通信设备、便携式位置跟踪设备、蜂窝电话、连接到位置跟踪设备和/或与位置跟踪设备集成的蜂窝电话、移动电子设备、移动通信设备、个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)和其他基于处理器的设备。作为一个示例，GPS客户端设备110是蜂窝电话110，并且，扩展的星历服务器120连接到蜂窝服务提供商的网络，使得通信链路122是无线连接。作为另一个示例，GPS客户端设备110是PDA 110，并且，扩展的星历服务器120是GPS服务提供商的网络的扩展的星历服务器，使得通信链路122是利用因特网的无线和/或有线连接。这些配置仅作为示例提供，并不是限制在此描述的实施例。
一般而言，一个实施例的扩展星历服务器120预测所有GPS卫星190在任意持续时间的预定时段内的状态。利用从数据库130接收到的历史信息的扩展的星历服务器120可以通过使参数适于卫星的力模型，来生成预测。利用卫星的过去的轨迹数据，针对于每个卫星而导出所述卫星力模型。
在一个实施例中，扩展的星历服务器120可以包括预测生成器116，其利用来自数据库130的历史卫星数据来预测卫星状态。数据库130的历史轨迹或状态数据主要包括卫星轨迹的历史位置状态矢量和卫星的时钟偏差，但还可以包括其他信息。更确切地，该历史状态数据包括卫星位置状态矢量、卫星速度状态矢量、卫星时钟偏差和卫星时钟速率误差中的至少一个或某个组合。如先前讨论的，该历史状态数据比广播星历数据更精确。数据库130可以是服务器系统120的组件，或可以是独立的服务器或系统。而且，数据库130可以是这些历史信息的合适的提供方的数据库。从其接收历史卫星信息的提供方的一个示例是国际GPS服务(IGS)。或者，由服务器120的组件产生和提供历史卫星数据。
在一个实施例中，预测生成器116利用历史状态数据，对GPS卫星的运动方程进行数值积分，以预测未来卫星状态。换言之，利用卫星的过去的轨迹数据，为每个卫星导出卫星力模型。一旦发现适合力模型、并提供初始位置和速度的参数，预测生成器116便在卫星动态运动的差分方程的数值积分中使用该适合的参数，由此，跨越未来时段，周期性地生成预测的卫星状态。预测的卫星状态包括但不局限于卫星的未来卫星轨迹的位置状态矢量、未来卫星轨迹的速度状态矢量、以及未来的卫星时钟偏差和漂移的预测。一般而言，应该理解，预测的卫星状态跨越的未来时段的范围取决于对得到的预测卫星状态的可允许的误差。例如，如果+/-40米的径向误差是可接受的，则可使用卫星动态运动的常规数值积分，以提供跨越七个日历日时段的预测卫星状态。实际上，在下面的讨论中，将假定跨越时段为七个日历日。然而，本发明不局限于这个特定的跨越时段，而是包括不同范围的时段。此外，预测的卫星状态之间的时段(也可以表示为“子时段”)也是任意的。在下面的讨论中，假定其为15分钟。这些预测是为所有运行的GPS卫星(其可以等于32个)进行的。对所有GPS卫星在给定时间的共同预测包含扩展的星历数据集合。如果跨越的星期的每15分钟进行预测，则应该理解，预测生成器116可以生成相当可观数量的预测卫星状态：7日*32个卫星*24小时/日*(4个15分钟周期)/小时等于21504个预测的卫星状态。由此应该理解，传输这么多的卫星状态对通信信道122加入了可观的带宽需求，同样也要求GPS客户端设备110的存储器106内的可观的存储空间。
为了最小化这些带宽需求，扩展的星历服务器120可以传输参数，例如从预测的卫星状态导出的开普勒参数，来替代预测的状态本身。相应地，扩展的星历服务器120可以包括参数生成器117。虽然其它类型的参数(如切比雪夫近似)也可以被使用，但下面的讨论将假定由参数生成器117生成的参数是开普勒参数。由此得到的扩展星历数据(例如开普勒参数)与预测的卫星状态相比更加压缩。然而，也如前面讨论的，即使这样的压缩也仍然需要超过八千字节的传输来传输一天时段内所有GPS卫星的所有开普勒参数。因此，服务器120可以压缩开普勒参数，如在以下文件中讨论的：共同转让的美国临时申请第60/889,529号，提交于2007年2月12日。
无论扩展的星历数据是被压缩的还是未被压缩的，服务器通信系统113都可以包括这样的部件，其与任意数量的有线/无线通信信道相连接，以支持与客户端设备110和任意其他系统服务器以及其他通信设备的通信。作为示例，通信系统113包括这样的部件，其利用模拟协议和数字协议中的至少一个来提供蜂窝电话通信和射频(RF)通信中的至少一个，但是，如在本领域中公知的，其也可以支持其它通信类型/协议。
GPS客户端设备110可以响应于至少一个合适的请求而从服务器120、和/或从服务器120的数据广播，获得扩展的星历数据。当接收到参数数据流时，GPS客户端设备110不需要与服务器120或任意其他星历信息源进一步通信。如果扩展的星历数据是被压缩的，则客户端设备110可以首先将数据解压缩为它们原始的未压缩形式。所得到的扩展星历数据可以包含例如开普勒参数的参数、或预测的卫星状态。如果扩展的星历数据包含开普勒参数，则GPS客户端设备10可以随后利用扩展的星历来重建预测的卫星轨迹，其接下来以与星历数据的使用相一致的方式，被用于生成卫星获取信息和/或导航解决方案。客户端设备110利用预测的卫星轨迹生成精确的位置修正，所述预测的卫星轨迹在至少一个星期那么长的未来时间段内有效，但本实施例并不被限于此。客户端设备110对扩展的星历的使用、加上移除对广播星历数据依赖性，也产生在低信噪比(SNR)环境和易受干扰的环境下的相对改善的性能、以及改善的首次修正时间(TTFF)。无论客户端设备如何重建或合成卫星状态，这样的状态均可以表示为“新”卫星状态，以将其区别于由服务器120生成的预测卫星状态。
实施例的GPS客户端设备110包含多个系统，其包括GPS系统103、通信系统104、处理器105、存储器106和卫星状态重建器107中的至少一个。实施例的GPS系统103、通信系统104、存储器106和卫星状态重建器107自主地、或在处理器105的控制下运行，但并不局限于此。GPS系统103包括接收器，其通过GPS信号192从GPS卫星190接收信息。由GPS客户端设备110通过GPS信号192接收到的信息包括伴随着广播星历和历书(almanac)数据的伪随机码，但并不局限于此。所述广播星历和历书数据在信噪比(SNR)过低的情况下可能是不可被解调的。有利地，即使广播星历数据是不可解调的，GPS客户端设备110也可以利用标准GPS处理技术继续确定它的位置，这样，用卫星状态重建器107提供的重建的卫星状态代替广播星历。
通信系统104包括部件，其与任意数量的有线/无线通信信道对接，并使用任意数量的通信协议以支持GPS客户端设备110和扩展的星历服务器120以及其他通信设备之间的通信。作为示例，通信系统104包括部件，其利用模拟协议和数字协议中的至少一个来提供蜂窝电话通信和射频(RF)通信中的至少一个，但是，如在本领域中公知的，其也可以支持其它通信类型/协议。
如果扩展的星历数据包含从卫星状态导出的参数(例如开普勒参数)，则卫星状态重建器107可以利用在此讨论的参数来重建卫星状态。例如，扩展的星历数据可以包含开普勒参数集合，其中每个集合包含所有GPS卫星在给定时间段(如四个或六个小时)内的开普勒参数。如果GPS客户端设备在给定时间内不能访问广播星历，则状态重建器107可以随后使用合适的开普勒参数集合(取决于给定时间)来重建卫星状态。实施例的卫星状态重建器107包括在GPS客户端设备110的处理器105和/或其他处理器的控制下运行的硬件、软件和固件中的至少一个。
处理器105包括计算部件、设备和软件操作一起的任意集合，如本领域所知道的。处理器105还可以是更大的计算机系统或网络内的部件或子系统。处理器105也可以任意数量的组合的方式，耦接在任意数量的本领域已知的部件(例如其他总线、控制器、存储设备、以及数据输入/输出(I/O)设备，未显示)之间。此外，处理器105的功能可以分布在GPS客户端设备110的其他部件上。
通信链路或信道122、132、192以及194包括无线连接、有线连接和跟踪连接中的至少一个。通信链路122、132、192以及194还包括到其他系统和网络的耦接或连接，所述网络包括局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、专属网络以及专属或后端网络。
因为以从卫星状态数据导出的参数(例如开普勒参数)的形式传输扩展的星历数据在带宽上是有效率的，所以，不失一般性，下面的讨论将假定GPS客户端设备接收开普勒参数形式的扩展的星历数据。由此，GPS客户端设备110利用设备通信系统104，从扩展的星历服务器120接收压缩或未压缩的开普勒参数的数据流。响应于来自GPS客户端设备110的合适的电子请求、和/或从服务器120的数据广播接收该数据流，但并不局限于此。一些实施例的GPS客户端设备110存储接收到的数据到一个或多个存储器区域106中，但并不局限于此。GPS客户端设备110的各种部件随后利用重建的卫星状态、连同从卫星190接收的其它卫星数据，以使用已知的GPS信号处理方法来生成导航解决方案。利用紧凑的卫星参数信息、而不是广播星历数据，GPS客户端设备110可以生成至少一个星期那么长的时段内精确的位置修正。
每个接收到的开普勒参数集合具有相应于所跨越的时间段的子时段的有效性。在一个实施例中，所跨越的时间段是七天，且每个子时段是六小时。对于这七天时段的给定时间内，卫星状态重建器107可以选择相应的开普勒参数集合，其对应于包括给定时间的子时段。随后，这个所选的集合可以被用于恢复给定时间的位置确定所需的卫星状态。
扩展的星历服务器120可以传输一个或任意其它数目的集合中的开普勒参数。此外，恢复的开普勒参数可以被用于生成预测，而不是首先被存储。而且，在其他可替代的实施例中，可以生成(在接收到时、或在接收到之后)未来时间段的整个跨越时间内的所有预测，并且，随后可将所述预测存储在客户端设备存储器中。
一般而言，给定的开普勒参数集合的有效时间段是GPS卫星190上的力和利用开普勒参数的曲线拟合的质量的函数。以重要性递减的次序，卫星190上的力包括：地球的引力场；月球的引力场；太阳的引力场，径向压力(从卫星吸收/反射的阳光)；来自卫星的热辐射；来自卫星体的排气；地球反照(从地球反射的光)；以及金星和木星的重力。
在此描述的设备和方法规定了：通过使用精确的未来卫星状态的预测，在没有广播星历数据的情况下为扩展时间段生成精确的导航解决方案。利用精确的卫星状态和力模型生成该预测，从过去卫星状态的数据导出该力模型。使用过去的卫星状态来生成模型产生了更精确的模型，其更好地考虑到作用于卫星上的力，如上所述。使用更高精度的模型减小了由相对低精度模型引入的传播误差。它还帮助减小曲线拟合误差，该误差与用于星历信息中的卫星轨道的准开普勒参数相关联。当识别出适合力模型的参数时，利用高保真度的卫星动态运动模型生成未来时间的卫星状态预测。
如前所述，卫星时钟偏差是重建的卫星状态的关键部分。实际上，因为卫星位置的扩展星历预测基于复杂的数值模型，而这样复杂的模型不能应用于时钟偏差的预测，所以，时钟偏差预测误差在扩展星历辅助的位置确定中是误差的主要来源。扩展的星历服务器120提供卫星时钟偏差的预测给GPS客户端设备110，作为在通信信道122上传输的扩展星历数据的一部分。一般而言，随着在卫星状态预测跨越的时段的后半部分期间进行位置估计，卫星时钟偏差的预测会变得有越来越多的误差。为了处理这种误差，GPS客户端设备110被配置用于使用广播星历数据(当可用时)，来比较预测的时钟偏差和源自广播星历的时钟偏差。GPS客户端设备110可以随后形成时钟偏差校正因子F，其等于源自广播星历的时钟偏差B减去预测的时钟偏差B’。这些偏差适用于广播星历可用的给定时间。对于给定时间之后的、当广播星历不可用(因此使用扩展的星历)时的位置确定，GPS客户端设备110将时钟偏差校正因子F加到相应的时钟偏差预测，以形成校正的时钟偏差CB，其等于B’加上F。应该理解，GPS客户端设备110可以被配置用于一直使用校正的时钟偏差CB，而不管非零校正因子F是否已被计算出。当扩展的星历被提供给GPS客户端设备时，它可以设置校正因子初始为零。随后，当广播星历可用时，可以如上述所讨计算该校正因子。注意到，GPS客户端设备可以在广播星历可用的任何时候更新校正因子。在一个实施例中，从二次式模型导出源自扩展星历的时钟偏差预测B’，这样，B’由下式给出：
B’＝A0+A1*(t-tref)+A2*(t-tref)2
其中，t是时钟偏差预测时间，tref是基准时间，A0、A1和A2是系数。在线性模型中，A2将等于零。给定这个二次(或线性)模型，时钟偏差校正因子F可以被加到DC系数A0。
因为预测的时钟误差在扩展的星历预测跨越的时段的开始部分具有相对小的误差，所以，校正的时钟偏差CB通常在这个部分中将不会与预测的时钟偏差B’或源自广播星历的时钟偏差B有显著差异。例如，如果扩展的星历跨越一个星期的时段，且在这个星期时段的第一天执行BE辅助的时钟偏差校正，则校正的时钟偏差CB可能实际上仅仅稍微比原始预测的时钟偏差B’更不精确，如图2所示。作为对比，如图3所示，如果在这个星期时段的第二天进行校正，则同一卫星的校正时钟偏差接下来比预测的时钟偏差B’更精确。应该理解，如果在这个星期较晚的时间执行时钟偏差校正，则时钟偏差校正的益处会增加，这是因为预测时钟误差B’中的误差增加。例如，图4和图5显示了图2所示的同一卫星的可观的精度改善，其中，分别在所述星期的第四天和第五天执行源自广播星历的校正。
可以按如下所述执行当扩展星历和广播星历都可用时的完整性检查。可以在共同的时间，从所述两个源确定卫星位置和相应的时钟偏差。随后，估计的卫星位置和时钟偏差之间的差异可以被用于对扩展的星历数据的完整性检查。
在EE和BE两者都变得可用时的客户端中，可以在共同时段，从所述两者找到卫星位置和时钟偏差。位置之间的差异和时钟偏差之间的差异可以用于完整性中。可以通过将时钟偏差乘以光速，将时钟偏差差异转化为距离。可以设立合适的阈值，如100米。在一个实施例中，如果卫星位置差异的径向分量或时钟偏差超过阈值，则可以假定扩展的星历数据对位置确定来说太不精确。然而，如果没有超过阈值，则可以按前面讨论的那样执行时钟偏差校正。
为了确定扩展星历数据的有效性，可以由广播星历确定卫星的径向方向[rx ry rz]为：
[rx ry rz]＝[px py pz]/sqrt(px*px+py*py+pz*pz)
其中，[px py pz]是从广播星历得到的卫星的地球为中心的地球固定(ECEF)坐标，且[rx ry rz]是相应的单位矢量分量。扩展星历卫星位置的径向分量和源自BE的位置由此变为
径向分量＝pdx*rx+pdy*ry+pdz*rz
其中，[pdx pdy pdz]是由扩展星历和广播星历确定的卫星坐标之间的差异。在扩展星历覆盖的跨越时段期间，执行扩展星历位置确定的GPS接收器可能正在接收广播星历，这样，径向分量可以被计算出、并与距离阈值比较。如果超过了距离阈值，则扩展星历数据被视为无效。
图6是利用广播星历校正的卫星时钟偏差和扩展星历确定位置信息的流程图600。在操作中，在步骤602，基于处理器的扩展星历服务器接收或收集历史状态或轨迹数据(也被称为历史数据)，其对应于基于卫星的定位系统的卫星。在例如到数据提供者或数据库的有线和/或无线链路的第一通信信道或链路上接收所述历史数据。
在步骤604，服务器利用历史数据生成跨越未来时间段的、未来卫星轨迹的预测，并执行所预测的轨迹的质量评价。取决于是作为扩展星历还是源于卫星状态的参数传输这些卫星状态本身，服务器从预测的卫星状态导出参数(例如开普勒参数)的集合，并在步骤605，将得到的扩展星历(EE)数据通过第一通信信道传输给客户端设备。
在所跨越的时间段期间，在步骤606，在广播星历可用的第一时间，GPS客户端设备确定源自广播星历的卫星位置和时钟偏差(B)。相似地，在步骤607，GPS客户端设备对于同一第一时间，确定源自扩展星历的卫星位置和时钟偏差(B’)。在步骤608，GPS客户端设备将来自步骤606和步骤607的结果与合适的阈值做比较，以确定时钟偏差校正因子F、以及传输的扩展星历的有效性。最后，在步骤610，GPS客户端设备在第一时间接下来的跨越时段期间的时间，利用传输的扩展星历和时钟偏差校正因子F确定它的位置。
讨论所针对的定位系统的各方面可被实现为功能，其被编程到各种任意电路中，所述电路包括可编程逻辑器件(PLD)(例如现场可编程门阵列(FPGA))、可编程阵列逻辑(PAL)器件、电可编程逻辑和存储器件和基于标准单元的器件、以及专用集成电路(ASIC)。为实现实施例的定位系统方面的一些其他可能性包括：具有存储器(例如电子可擦除可编程只读存储器(EEPROM))的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等等。此外，实施例的定位系统的方面可以在微处理器中被实体化，该微处理器具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序和组合的)、定制设备、模糊(神经)逻辑、定量设备以及上述设备类型的任意混合。当然，下层的设备技术可以以不同的部件类型提供，例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)之类的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术、发射极耦合逻辑(ECL)之类的双极技术、聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物金属结构)、混合模拟和数字，等等。
对定位系统和定位方法所列举的实施例的以上描述并非详尽无遗或限制实施例为具体揭示形式。在此描述定位系统的具体实施例和示例是为了说明的目的，在本实施例的范围内可以做不同的等价修改，如本发明相关领域的技术人员所意识到的。在此提供的定位系统的教义可以适用于其他电子系统，不仅仅是上述电子系统。
一般来说，在所附权利要求中，所用的术语不应该被理解为限制定位系统到说明书和权利要求书中揭示的特定实施例中，而应该理解为包括在权利要求下操作以提供定位信息的所有电子系统。例如，基于接收到的广播星历计算未来卫星状态的GPS接收器也可以从这里揭示的卫星时钟偏差校正技术中获益。相应地，定位系统也不局限于所揭示的，该定位系统的范围完全由权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种用于确定客户端设备的位置的方法，包含：
在第一通信信道上接收参数集合，其中，所述参数集合跨越一时间段，并且，其中，每个参数集合代表所跨越的时间段内的特定子时间段的预测卫星状态，使得第一参数集合代表第一子时间段的预测卫星状态，第二参数集合代表随后的第二子时间段的预测卫星状态，等等，并且，其中，所述参数集合包括卫星时钟偏差的预测；
在所跨越的时间段期间，在给定时间，在第二通信信道上接收广播星历，该广播星历包括广播星历时钟偏差，其中，参数子集对应于所述给定时间之后的子时间段；以及
基于广播星历时钟偏差，修改参数子集中的卫星时钟偏差的预测。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
在给定时间之后的时间，利用参数子集，选择性地在客户端设备中重建已重建的卫星状态，其中，已重建的卫星状态包括卫星时钟偏差的修改的预测；以及
利用已重建的卫星状态，确定客户端设备的位置。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
基于接收到的广播星历，计算源自广播星历的卫星位置；以及
比较源自广播星历的卫星位置和从接收到的参数集合导出的卫星位置，以确定接收到的参数集合的有效性。
4.如权利要求3所述的方法，其中，比较源自广播星历的卫星位置和从接收到的参数集合导出的卫星位置的步骤包括：将源自广播星历的卫星位置和从接收到的参数集合导出的卫星位置之间的差与距离阈值比较。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该距离阈值为100米。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所跨越的时间段具有至少七个日历日的长度。
7.如权利要求1所述的方法，其中，接收到的参数集合是开普勒参数。
8.如权利要求1所述的方法，其中，从多项式模型导出卫星时钟偏差的预测。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该多项式模型是二次多项式模型。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：比较广播星历时钟偏差与相应的预测卫星时钟偏差，以确定所接收到的参数集合的有效性。
11.如权利要求1所述的方法，其中，接收到的参数集合是差分压缩的开普勒参数。
12.一种设备，包括：
状态重建器，其基于卫星状态的预测，选择性地重建当前卫星状态，其中，卫星状态的预测跨越一时间段，并包括卫星时钟偏差的预测，状态重建器被配置用于基于接收到的广播星历来修改卫星时钟偏差的预测；以及
至少一个信号处理器，其使用至少一个重建的卫星状态来获得卫星信号。
13.如权利要求12所述的设备，还包括卫星状态预测器，其可操作用于利用之前从多个卫星接收到的广播星历提供卫星状态的预测。
14.如权利要求12所述的设备，还包括通信系统，可操作用于接收卫星状态的预测。
15.如权利要求14所述的设备，其中，卫星状态的预测包括开普勒参数。
16.一种设备，包括：
存储器，用于存储卫星状态的预测，其中，卫星状态的预测包括跨越一时间段的预测集合，使得第一预测集合对应于在所跨越的时段的第一子时间段的卫星状态，第二预测集合对应于所跨越的时段的第二子时间段的卫星状态，等等，并且，其中，从先前接收到的广播星历导出卫星状态的预测；
部件，用于基于所存储的卫星状态的预测，在所跨越的时段期间的任意时间，重建卫星状态；
部件，用于基于在所跨越的时段期间接收到的广播星历，修改所存储的卫星状态的预测；以及
位置确定系统，被适配为如果当前广播星历在给定时间不可用，则在给定时间，在确定设备的位置时使用重建的卫星状态。
17.如权利要求16所述的设备，其中，用于修改所存储的卫星状态的预测的部件基于来自接收到的广播星历的、源自广播星历的卫星时钟偏差，修改卫星时钟偏差的预测。
18.如权利要求16所述的设备，其中，所存储的预测包括从卫星状态的预测导出的参数。
19.如权利要求18所述的设备，其中，所述参数为开普勒参数。
20.如权利要求18所述的设备，其中，所述参数为切比雪夫参数。
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