CN105044740A - 通过混合sps轨道数据进行定位的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种通过混合SPS轨道数据进行定位的方法和装置。一种供移动站用于使用卫星轨道数据的混合组合来确定其位置(或速度)的方法和系统。在一方面，移动站在确定锁定时将来自一个卫星的预测轨道数据与来自另一卫星的实时轨道数据相组合。可对同一或不同卫星系统中的卫星作出组合。移动站可在一个时段使用卫星的实时轨道数据，并在另一时段使用相同卫星的预测轨道数据。在另一方面，移动站可使用实时轨道数据来校正预测轨道数据中的时钟偏离。可对提供实时轨道数据的同一卫星、或者对同一或不同卫星系统中的不同卫星作出对时钟偏离的校正。

Description

通过混合SPS轨道数据进行定位的方法和装置
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2009/040722，国际申请日为2009年4月15日，进入中国国家阶段的申请号为200980110663.6，名称为“通过混合SPS轨道数据进行定位的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及卫星定位系统(SPS)，尤其涉及使用SPS轨道信息来辅助移动站确定其位置和时间。
背景技术
卫星定位系统(SPS)接收机通常通过计算来自多个卫星的诸信号的到达时间来确定其位置。这些卫星传送卫星定位数据和卫星时钟时基数据两者作为其消息的一部分。卫星位置、速度和时钟时基通常由历书和星历数据来表示。星历数据指的是传送自卫星的消息的子帧1、2和3的内容。星历提供对轨道(卫星位置、时钟和时钟偏离)极其准确的估计(约1米误差)。然而，搜索和捕获卫星信号、读取卫星所发射的星历数据、以及从该数据计算接收机的位置的典型过程是耗时的，且需要适度强度的信号电平。
例如，全球定位系统(GPS)设备基于对广播自轨道卫星的GPS信号在GPS接收机处的到达时间的测量来确定位置。如所述的，如此的系统的一个缺点是需要相对较长的时间执行独立信号捕获。卫星信号直至它们已经首先通过在两维搜索“空间”中的搜索被定位时才能被跟踪，其中该“空间”的维度是码-相延迟和观察到的多普勒频移。SPS接收机搜索、捕获、以及解调卫星信号的过程有时被称为“独立”操作模式，这与“辅助”操作模式相对照。
为了减小与独立操作模式相关联的延迟，可提供信息以帮助SPS或GPS接收机捕获特定信号。如此的辅助信息通过对码和频率不定性提供边界来准许接收机将为定位信号所必须搜索的搜索空间变窄。采用以GPS辅助数据进行扩增的GPS接收机的系统常被称为“辅助全球定位系统”(AGPS)。
AGPS系统的一个示例包括具有GPS接收机或与之通信的无线移动站(MS)(诸如蜂窝电话)，该移动站与无线通信网络的也被称为基收发机子站(BTS)或B节点的一个或多个基站(BS)通信，这一个或多个基站又与取决于通信空中接口协议有时被称为定位实体(PDE)或服务移动定位中心(SMLC)的一个或多个定位辅助服务器通信。AGPS系统的另一示例包括具有GPS接收机或与之通信的MS或膝上型设备，该MS或膝上型设备能够与诸如因特网但并不局限于此的通信网络通信，该设备通过该通信网络与定位辅助服务器通信。
定位辅助服务器从一个或多个GPS参考接收机(全球参考广域网)推导出GPS辅助信息。定位辅助服务器还可访问用于确定近似移动站位置的装置。定位辅助服务器维护GPS数据库，后者可包括参考时间、卫星轨道历书和星历信息、电离层信息、以及卫星工作状况(“健康”)信息。定位辅助服务器还计算针对近似移动站位置所定制的辅助信息。
AGPS系统中MS的位置可在MS处通过来自定位辅助服务器的辅助来确定(有时被称为基于MS的定位模式)。在基于MS的定位模式期间，当GPS引擎需要诸如关于卫星或基站的位置、基站和/或卫星的时基信息、或种子位置(诸如，但并不限于通过高级前向链路三边测量(AFLT)所确定的)的星历数据、历书数据等经更新的帮助数据时，接着的定位将导致移动站联系通信网络以索要数据，由此对网络造成负担且使用MS的功率资源。AGPS系统中MS的位置可替换地在定位辅助服务器处使用该MS所捕获的信息来确定并被传送回MS(有时被称为MS辅助定位模式)。SPS卫星轨道可被建模为具有用以考虑各种微扰的校正项的修正椭圆轨道。相对短期星历数据提供对卫星轨道的非常准确的表示。例如，GPS子帧2的字10中的比特17是指示GPS控制段用来确定星历参数的曲线拟合区间的“拟合区间”标志，其中“0”指示4小时拟合而“1”指示“大于4小时”拟合。此外，块II/IIAGPS卫星的扩展导航模式确保正确星历参数达14天的传输以支持短期扩展操作。在正常操作期间，控制段每日向每颗卫星提供对导航(轨道)数据的上载以支持16米球概率误差(SEP)的定位准确度。
AGPS系统中MS的位置也可在MS处使用直接接收自卫星的星历数据来确定。星历数据在其有效期间(例如，4小时历元)比历书数据和预测轨道数据更准确。预测轨道数据是基于除实时卫星定位系统之外的系统(例如，GPS控制段)预测的轨道解对卫星位置、速度和时基的估计。然而，广播星历数据由于不在视线内、遮蔽、差劣信号状况或其他阻碍MS解调卫星广播的接收问题而不会总是对移动站可用，且在可用时仍将需要时间来解调。
需要一种使得SPS接收机即使在当前实时轨道和时钟偏离信息不可(或者从广播数据或者从定位辅助服务器数据)得到时也能利用可用轨道数据来产生准确位置和时基的系统和方法。
发明内容
描述了一种供移动站用于使用卫星轨道数据的混合组合来确定其位置(或速度)的方法和系统。在一方面，移动站在确定锁定时将来自一个卫星的预测轨道数据与来自另一卫星的实时轨道数据相组合。移动站可随着实时轨道数据可用性的改变动态地改变组合。可对同一卫星系统或不同卫星系统中的卫星作出组合。移动站可在一个时段使用卫星的实时轨道数据，并在另一时段使用同一卫星的预测轨道数据。在另一方面，移动站可使用实时轨道数据来校正预测轨道数据中的时钟偏离。可对提供实时轨道数据的同一卫星或不同卫星作出对时钟偏离的校正。该不同卫星可处于同一卫星系统或另一卫星系统中。在另一方面，在加权最小二乘方或其他计算中可计及预测轨道数据所呈现的附加不定性和轨道数据的龄期。
本文所描述的方法和系统提供了灵活性并改善移动锁定中的准确度。来自不同源的卫星轨道数据可由移动站动态地组合。实时轨道数据可被用来改善预测轨道数据中时钟偏离的准确度并用对实际轨道数据的拟合来更新预测数据。
本发明的其他特征将从附图和以下具体描述而显而易见。
附图说明
本发明以示例而非限制的方式在附图的各图示中进行了图解，其中相似的附图标记在附图中指示相似元素。应注意，本公开中对“一”或“一个”实施例的引用不一定引用同一实施例，并且如此的引用表示至少一个。
图1是示出包括用以辅助移动站定位卫星的服务器的通信系统的示例的示图。
图2A是示出图1中从多个卫星接收轨道数据的移动站(MS)的示图。
图2B是图解MS用于组合不同卫星的实时轨道数据和预测轨道数据的过程的示例的流程图。
图3A是示出时间序列中的预测轨道数据的示图，其中实时轨道数据在一些时段中可用。
图3B是图解MS用于在第一时段中使用卫星的实时轨道数据而在第二时段中使用同一卫星的预测轨道数据的过程的流程图。
图4是示出作为时间的函数的预测轨道数据中的径向轨道误差和时钟偏离误差的示例的流程图。
图5是示出MS用于使用实时轨道数据校正预测轨道数据的过程的流程图。
图6是示出图1的移动站中组件的示例的框图。
具体实施方式
描述了一种用于辅助移动站确定其位置(或速度)和时间(称为“锁定(fix)”)的方法和系统。该方法和系统还改善卫星时钟偏离的精确度。在文本中所描述的卫星时钟偏离是指卫星时钟的时间估计与诸如全球定位系统(GPS)主控时钟等主控时钟的差异。根据多个卫星的位置和时钟偏离，移动站可确定其自己的位置和时间。在本发明的一个方面，各个卫星的位置和时钟偏离可从各种源以不同程度的精确度被提供给移动站。通常，实时轨道数据(例如，星历)具有最高准确度，但是不可能总是可用。在本文中引入“混合”技术以使得移动站能够在计算位置/速度/时间锁定时将实时轨道数据与诸如预测轨道数据等其它卫星轨道信息相组合。卫星轨道数据的组合可涉及多个卫星和/或多个卫星系统。本文所描述的混合技术还使得移动站能够利用卫星的实时轨道数据来改善预测轨道数据中卫星时钟偏离的精确度。经改善的预测数据可针对同一卫星、或者同一或另一卫星系统中的不同卫星作出。
如本文所用的，移动站(MS)指代诸如蜂窝或其他无线通信设备、个人通信系统(PCS)设备、个人导航设备、膝上型或其他能够接收并处理SPS信号的合适移动设备的设备。术语“移动站”还旨在包括诸如通过短程无线、红外、无线连接、或其他连接与个人导航设备(PND)通信的设备——不管卫星信号接收、辅助数据接收、和/或位置相关处理是发生在该设备上还是PND上。而且，“移动站”旨在包括含无线通信设备、计算机、膝上型设备等在内的能够诸如经由因特网、WiFi、或其他网络与服务器通信的所有设备，而不管卫星信号接收、辅助数据接收、和/或位置相关处理发生在该设备上、在服务器上、还是在与网络相关联的另一设备上。上述的任何可操作组合也被考虑为“移动站”。
本文的术语“粗略轨道数据”指代对传送自卫星的卫星位置和时钟数据的粗略和较不准确的估计，例如历书。术语“实时轨道数据”指代传送自卫星的对卫星位置、速度和时基的精确表示，例如，包括子帧1、2和3的星历。移动站可在预定时间区间捕获在一时段内有效的实时轨道数据块。因此，“有效实时轨道数据”指代新近被捕获且处在其有效期内的实时轨道数据。“无效实时轨道数据”指代过于陈旧且不再有效的实时轨道数据。除非明确指示相反方面，否则术语“实时轨道数据”在以下描述中指代“有效实时轨道数据”。术语“预测轨道数据”指代与实时精确轨道数据相比具有相对扩展的有效期的对卫星位置、速度和时基的精确估计。预测轨道数据在定位辅助服务器处可用，且可被传送到或存储在可由移动站访问的位置。
为了提高数据传输的效率，定位辅助服务器可将校正数据传输给移动站，并且移动站可通过组合校正数据和粗略轨道数据来重构预测轨道数据或其近似。在以下描述中，应当理解，移动站所用的“预测轨道数据”包括预测轨道数据，或者由移动站从粗略轨道数据重构的预测轨道数据的近似。
图1是根据本发明的一方面的通信系统100的框图。系统100包括可通信地耦合至一个或多个MS120的定位辅助服务器130。定位辅助服务器130接收粗略轨道数据、以及预测轨道数据和/或包含预测轨道数据的预测轨道参数文件。在一种情景中，定位辅助服务器130经由网络162从预测轨道数据供应者110接收预测轨道数据。网络162可包括但不限于支持网际协议(IP)连接的网络(例如，因特网)。定位辅助服务器130可任选地包括用于安全地从预测轨道数据供应者110传输预测轨道数据的接口，例如，安全文件传输程序(SFTP)。
在一个方面，预测轨道数据供应者110定期(例如，每若干小时)生成预测轨道数据以产生在扩展持续时间中(例如，6小时或以上)有效的轨道数据。定位辅助服务器130定期核查来自预测轨道数据提供者的新数据。预测轨道数据还可包括预测卫星坐标的3D不定性值、预测卫星时钟校正的不定性、以及对预测中断的指示。基于不定性和中断信息，定位辅助服务器130可计算出用户距离误差(URE)并将其提供给MS120。
定位辅助服务器130经由网络164从实时轨道数据供应者150接收粗略轨道数据。实时轨道数据供应者150可以是接收包括但并不限于基于分组的SPS参考数据、导航消息、健康寻呼信息、历书、以及星历的实时卫星信息的全球参考网络(GRN)网关或广域参考网络(WARN)网关。在一种情景中，网络164是支持IP连接的网络，而定位辅助服务器130可在IP多播消息中接收来自实时轨道数据供应者150的实时卫星信息。
定位辅助服务器130从预测轨道数据和实时轨道数据生成校正数据140。校正数据140可经由网络168被直接传送到MS120或者传送到MS可访问的存储位置。例如，校正数据140可以存储在本地或远程耦合至定位辅助服务器130的存储设备中。MS120可使用例如FTP、HTTP、或其他适当网络协议的文件传输协议经由网络166从数据主机160接收校正数据140。MS120可经由网络168以点对点方式直接从定位辅助服务器130接收这些校正数据(带有或不带有粗略数据信息)。
出于简化本文讨论的目的，术语“校正数据”140指代可点对点地传送、以文件传输、广播、或借助任何数据通信手段从一处发送到另一处的卫星轨道校正。定位辅助服务器130生成的消息具有允许MS120在扩展时段上以较少数目的比特确定卫星位置、速度和时钟时基的高效消息接发格式。消息为MS120提供用于校正粗略轨道数据的信息以使得经校正的卫星位置的准确度在数米之内。
定位辅助服务器130还可向MS120提供粗略轨道参数、估计准确度(用户距离误差(URE))、电离层校正模型、通用坐标时间(UTC)模型、以及卫星健康/可用性信息。这是为了确保卫星数据的完整性，并允许在无需接收和解码由卫星通过空中传送的数据的情况下进行移动操作。这还确保MS120使用与定位辅助服务器130所使用的相同的粗略轨道数据。
应注意到，以上所描述的系统仅是出于说明目的而示出的，也可存在其他配置。例如，网络162、164、166和168可替换地为点对点连接、局域网、广域网、广播网、任何合适的有线或无线网络、计算机网络或者其支持数据通信或文件传输的组合。
本领域的技术人员将认识到，提供对卫星位置的粗略估计的粗略轨道数据包括广范围的形式。在以下描述中，GPS广播历书的新近副本被建议用作对卫星位置和时钟时基的粗略估计以便于理解本发明性概念。然而，所有以下内容都是替换性粗略轨道数据的例示：GPS广播星历的早期副本；广播Galileo(伽利略)或GLONASS历书或星历的新近副本；与GPS、Galileo、或GLONASS历书或星历遵循相同形式的卫星位置的非广播粗略模型；以GPS、Galileo、和GLONASS历书及星历格式使用的Keplerian参数的任何子集或增强；卫星轨道的任何非Keplerian表示；以及其他已经随时间而降级的预测轨道数据。还将理解，在所公开方法的范围内也可应用关于其他卫星导航系统的相应信息。本发明包括描述粗略轨道的任何和所有方法。本领域的技术人员将领会不论粗略估计采用什么形式，本方法都适用。
在一些情景中，粗略轨道数据可由定位辅助服务器130提供给MS120。除了将对卫星位置的粗略估计传送给MS120外，定位辅助服务器130还具有在给移动站的辅助消息中包括参考时间的能力。在本发明的该方面，定位辅助服务器130从网络时间服务器、或从接收自个体参考接收机(例如，广域参考网络或全球参考网络)的GPS数据获得参考时间。该参考时间信息可被附加至传送给MS120的包含对卫星位置的粗略估计的消息。定位辅助服务器130还可实现能够改善网络时间服务器所提供的参考时间的时基准确度的算法并将该更准确的时间传送给MS120。
应注意到，MS120可独立于定位辅助服务器130直接从可与GPS时间同步或不同步的分组交换数据网络(例如，网络时间服务器或CDMA通信网络)获得参考时间。以这种方式，MS120获得对例如GPS时间、通用坐标时间(UTC)时间、(WWO)时间等全球时间参考的估计。
图2A示出其中MS120可操作以确定其空间和时基信息的环境的示例。MS120使用轨道数据的组合来确定其在三个空间维度和时间维度上的位置(或速度)。每当实时轨道数据可用时，MS120就使用解码自卫星的实时轨道数据。实时数据可能已从广播卫星消息解码，但是也可能在网络连接可用或新近可用时经由定位辅助服务器来自卫星参考网络。实时轨道数据一般比可能在一时间段上逐渐降级的早期预测轨道数据更为准确。而且，实时轨道数据可包含在预测时未知的关于卫星的新信息(例如，卫星健康和完整性信息)。
以下描述出于简便起见，术语“实时轨道数据的不可用/不可用性”在此指代其中实时轨道数据不能被MS120接收到的境况、其中早期由MS120接收到的实时轨道数据变得无效(例如，自TOE起超过+/-2小时)的另一境况、或两者的组合，除非另外特别指出。术语“可用/可用性”指代其中由MS120接收到且存储的实时轨道数据处在其有效期内的境况。
尽管通常在计算锁定时更期望使用实时轨道数据，但是MS120有时不能访问卫星的有效实时轨道数据。这种状况可能在卫星的新鲜实时轨道数据不可用时、以及在早期由MS120接收到的(该卫星的)实时轨道数据已变得无效时发生。由于不在视线内、遮蔽、或其他阻碍MS120接收来自卫星的卫星广播的接收问题以及在到定位辅助服务器130的连接不可用或不合意(例如，鉴于数据传输成本)时，卫星的新鲜实时轨道数据可能不可用。早期由MS120接收到的实时轨道数据可能在MS120于早期时段获得的数据变得过于陈旧而无价值(例如，自适用性时间起超过+/-2小时)时变得无效。当MS120不能访问来自足够数目个卫星的有效实时轨道数据以计算其自身的位置时，MS120可使用轨道数据组合——诸如实时轨道数据与预测轨道数据相组合——来确定其空间和时基信息。
参看图2A的示例，MS120具有例如卫星21、22、23、24和25等多个卫星的预测轨道数据，并且另外接收例如21和22等一些卫星的实时轨道数据(由实线指示的)。卫星23、24和25的实时轨道数据在MS120确定锁定时不可用(由虚线指示)。MS120在确定其三维空间位置和时间时可将卫星21和22的实时轨道数据与其它卫星(即，23、24和25)中的任两个的预测轨道数据相组合。即，如果提供实时轨道数据的卫星的数目不足以使MS120确定锁定(例如，如图2A中所示，两个可见卫星对应锁定中四个未知量)，则MS120可将由这些卫星所提供的实时轨道数据与来自其它卫星的预测轨道数据相组合，以确定锁定。
在图2A的示例中，MS120利用来自四个卫星的轨道数据来确定其在三个空间维度和时间上的位置(或速度)。然而，如果MS120知晓其空间参数或时间中的任一者，则可减少MS120确定锁定所需的卫星的数目。作为例示，如果MS120知晓其海拔，则锁定中未知量的数目可被减少至三个。类似地，如果可能，可从通信网络获得时间或者可由高准确度振荡器来维持时间。结果，可减少MS120确定锁定所需的卫星的数目。
图2B是图解用于执行以上所描述的操作的过程200的示例的流程图。在框210，MS120确定具有可为MS所用的实时轨道数据的卫星的第一数目。为了确定第一数目，MS120需要监视其早期接收到的实时轨道数据的有效性。MS120可使用定时器来相对于实时轨道数据的适用性时间保持对当前时间的跟踪。MS120还可在接收到卫星的新鲜实时轨道数据集时重置定时器，并在预定时段之后终止定时器。在框220，MS120确定其知晓或可从其它装置获得的轨道参数(包括三个空间维度和时间)的第二数目。在框230，MS120确定将使用其预测轨道数据的卫星的第三数目。第三数目可例如通过从4减去第一数目和第二数目的总和来确定。在框240，MS120将第一数目个卫星的实时轨道数据、第二数目个已知轨道参数、以及第三数目个卫星的预测轨道数据相组合以计算锁定。
再次参看图2A，在一种情景中，MS120可使用卫星21和22的实时轨道数据与卫星23、24和25的预测轨道数据来确定锁定中的四个未知量。来自五个卫星的五个轨道数据集构成超定系统。MS120在求解其定位/速度/时间时可恰当地加权来自五个卫星的的卫星测量并考虑预测轨道数据的降级的准确度。加权组合中的权重可根据每个轨道数据集的准确度来确定。例如，实时轨道数据和预测轨道数据可根据它们的准确度估计进行加权。准确度估计可包括用户距离误差(URE)、用户距离准确度(URA)、距星历时间(TOE)的时间、预测数据自上次更新起的龄期、以上的一些或全部的组合、或者其它度量。
以下进一步说明准确度估计度量。定位辅助服务器130通常计算或提供URE作为对卫星的预测轨道数据的不定性估计。由于MS120从粗略轨道数据(带有校正)重构预测轨道数据，因此URE可被用作对预测轨道数据的准确度估计。由于粗略轨道数据由定位辅助服务器130和MS120共同使用，因此与粗略轨道相关联的误差不对整体误差预算起作用。URA是对卫星的实时轨道数据的不定性估计，其是例如由GPS控制段提供的。URA通常是几米，而URE在预测的几天之后可能是数十米。这两种误差估计可被用作预测轨道数据和实时轨道数据的加权组合中的权重。此外，距TOE时间指示实时轨道数据的龄期，且还可用作准确度估计以及预测轨道数据和实时轨道数据的加权组合中的权重。类似地，预测数据自上次更新起的龄期指示预测轨道数据的准确度，且还可用作准确度估计以及预测轨道数据和实时轨道数据的加权组合中的权重。具有较小误差的卫星测量(例如，实时轨道数据)可比具有较大误差的测量(例如，预测轨道数据或粗略轨道数据)有更高权重。较新鲜的卫星测量可比较陈旧的卫星测量有更高权重。
图3A是图解卫星的可用轨道数据的时间线的示图。参看图3A的示例，MS120在时段T0-T6具有卫星的预测轨道数据。同一卫星的实时轨道数据在时段T1和T5——其两者皆以TOE为中心——可为MS120所用。实时轨道数据偏离实际轨道数据，并且随着时间巡行过T1和T5的边界而变成无效。在此示例中，MS120在T0与T1的边界上从预测轨道数据切换至实时轨道数据，并且在T1与T2的边界上切换回预测轨道数据。类似地，MS120在T4与T5的边界上从预测轨道数据切换至实时轨道数据，并且在T5与T6的边界上切换回预测轨道数据。在本发明的一个方面，MS120使用例示的插值曲线35来内插T0与T1、T1与T2、T4与T5以及T5与T6的边界上的预测轨道数据和实时轨道数据。插值曲线35可使用任何已知内插技术来计算，这些内插技术平滑两个数据集(例如，单个卫星的实时轨道数据和预测轨道数据)之间的变迁以避免MS120在确定锁定时所用的轨道数据的突变。
图3B是图解其中MS120可如图3A中描述地组合使用实时轨道数据和预测轨道数据的过程300的流程图。在此情景中，MS120在第一时段中使用卫星的实时轨道数据，并在第二时段中使用同一卫星的预测轨道数据。如以上所提及的，卫星21-25中的每一个可具有在实时轨道数据的有效期期间可为MS120所用的实时轨道数据。当实时轨道数据变得不可用时，MS120可切换至预测轨道数据。当实时轨道数据变得再次可用时，MS120可切换回实时轨道数据。因此，MS120可在一个时段内使用卫星的实时轨道数据，并在另一时段内使用同一卫星的预测轨道数据，这取决于实时轨道数据的可用性或有效性。参看图3B的示例，在框310，MS120被开启或从空闲模式被重新激活。在框320，在MS120获得对有效实时轨道数据的访问之前，MS120可使用预测轨道数据来快速地计算第一次锁定，并且一旦实时轨道数据被解调和解码就可达成提高的准确度。MS120在决定使用预测轨道数据之前还可衡量所存储的来自先前锁定和/或下载的实时轨道数据是否可用以及足够新鲜以供使用。在其中仅执行一次锁定的情景中，准确度与速度之间的决定可基于合需服务质量。
行进至框330，当MS120用来计算锁定的任一个卫星的实时轨道数据变得可用时，MS120可从该卫星的预测轨道数据切换至可用实时轨道数据。在框340，当MS120用来计算锁定的任一个卫星的实时轨道数据变得不可用时，MS120可从该卫星的实时轨道数据切换至其预测轨道数据。注意，在一情景中，框320的操作可与框330和340的操作并行地执行。框330和340的操作可在实时轨道数据变得可用或不可用时被重复。因此，MS120可将一些卫星的实时轨道数据与一些其它卫星的预测轨道数据相组合以确定锁定。实时轨道数据和预测轨道数据的组合是动态的。任何时候当卫星的实时轨道数据变得可用时，MS120可动态地确定实时轨道数据和预测轨道数据的新组合来确定锁定。新组合包括在任何给定时间具有实时轨道数据的最大数目的卫星，但是在执行第一次锁定之前不一定要等待实时轨道数据。
参看图3A，MS120可通过使用在时间上交迭的实时轨道数据和预测轨道数据的加权组合来内插同一卫星的实时轨道数据和预测轨道数据。加权组合可被应用于位置、速度、时间或其任何组合。MS120在求解其位置/速度/时间时可恰当地加权轨道数据。例如，实时轨道数据和预测轨道数据可根据它们的准确度估计进行加权。准确度估计可包括用户距离误差(URE)、用户距离准确度(URA)、距星历时间(TOE)的时间、预测数据自上次更新起的龄期、以上的一些或全部的组合、或其它度量。
以上准确度估计度量已在图2A的描述中作出了说明。在图3A的单个卫星情景中，相同的准确度估计度量还应用于对实时轨道数据和预测轨道数据的内插，其中内插被计算为实时轨道数据和预测轨道数据的加权组合。具有较小误差的卫星测量(例如，实时轨道数据)可比具有较大误差的测量(例如，预测轨道数据或粗略轨道数据)有更高权重。较新鲜的卫星测量可比较陈旧的卫星测量有更高权重。
在一个情景中，预测轨道数据(O预测)和实时轨道数据(O实时)的加权组合(轨道组合)可被计算为：
轨道组合＝(W1O实时+W2O预测)/(W1+W2)，其中W1和W2是(URE,URA)、距TOE的时间、预测数据自上次更新起的龄期、以上的一些或全部的组合、或其它度量的函数。
在本发明的另一方面，可使用实时轨道数据来改善预测轨道数据的准确度。“经改善”预测轨道数据可在过程200和300中使用。即，其可在同一卫星的实时轨道数据不可用时被使用，和/或被用来与其它卫星的实时轨道数据相组合以确定锁定。可对整个预测轨道数据——包括在三个空间维度上的卫星位置和卫星时钟偏离——作出准确度改善。或者，仅可对卫星时钟偏离作出准确度改善，因为时钟偏离通常并非如卫星轨迹那样是可预测的，且更易随时间受降级影响。可对提供实时轨道数据的同一卫星或不同卫星作出准确度改善。
图4是示出卫星的预测轨道数据中的两个误差分量的曲线图。第一误差分量是径向方向上的卫星轨道误差(径向轨道误差)，而第二误差分量是卫星时钟偏离的误差(时钟偏离误差)。径向轨道误差是预测与实际径向轨道位置之间的差异，而时钟偏离误差是预测与实际时钟偏离之间的差异。曲线图的X轴指示时间，而Y轴指示以米计的误差量值。该曲线图示出时钟偏离误差随时间流逝显著增加而径向轨道误差在零周围波动。因此，该曲线图表明预测轨道数据中时钟偏离的准确度随时间流逝迅速降级。
预测轨道数据中的时钟偏离(预测时钟偏离)可通过两种办法来校正。一种办法是使用卫星的早期时段的实时轨道数据来校正同一卫星在当前时段或将来时段中的预测时钟偏离。另一种办法是使用其它卫星的实时轨道数据来提供在相同时段中对该卫星的校正。在第一种办法中，实时轨道数据越“新鲜”(例如，较为不偏离TOE)，校正就越准确。为了进行校正，可将预测时钟偏离与实时广播卫星时钟参数(例如，来自GPS导航的子帧1)作对比以确定对预测时钟偏离的校正量。校正可包括差分偏移量和斜率。在校正之后，MS120在实时轨道数据变得不可用时可使用预测轨道数据(包括预测时钟偏离)来确定锁定。
为了进一步说明第二种办法，澄清第二种办法是用在“超定”系统中是有益的。即，具有实时轨道数据的卫星(在本文中称为“卫星群”)的数目等于或大于移动锁定中未知量的数目。MS120可使用卫星群中与锁定中未知量的数目相等的数目个卫星来唯一地确定该锁定。对应卫星群的可用实时轨道数据和相对应的测得伪距可被用来校正卫星群之外的一个或多个卫星的预测时钟偏离。
作为例示，对于二维位置估计(假定有足够准确的海拔知识在MS120处可用)，MS120将需要三个可见卫星来确定其未知参数——包括在二个维度上的移动位置和时间。对应三个可见卫星的可用实时轨道和相对应的测得伪距可被用来校正附加可见卫星(例如，仅具有预测时钟偏离的第四可见卫星)的预测时钟偏离。对于三维位置估计，MS120将需要四个可见卫星来确定其未知参数，包括在三个维度上的移动位置和时间。对应四个可见卫星的可用实时轨道数据和相对应的测得伪距可被用来校正第五可见卫星的预测时钟偏离。如果来自第六卫星和第七卫星的预测时钟偏离也可为MS120所用，则由四个可见卫星提供的实时轨道数据和相对应的测得伪距可被用来校正附加(例如，第六和第七等)卫星的预测时钟偏离。对预测时钟偏离的校正可通过加权最小二乘法模型(WLS)、Kalman(卡尔曼)滤波器、或某种其他线性、线性化或非线性估计方法来计算。这些校正在GPS操作期间可在后台运行，即使在整个GPS星座可见时亦可如此进行，从而当卫星可见性丢失，以及当星历已降级至使其就使用预测或混合预测数据而言更准确的程度上时，就刷新预测数据以达成最佳准确度和性能。
本文所述的混合技术可被应用于卫星定位系统(SPS)或全球导航卫星系统(GNSS)的组合，诸如但并不限于，美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯Glonass系统、欧洲Galileo系统、日本QZSS系统、使用来自卫星系统的组合的卫星的任何系统、或将来开发的任何卫星系统。即，MS120可使用来自一个卫星系统(例如，GPS)的预测轨道数据和来自一个或多个其它卫星系统(例如，Galileo和Glonass系统)的实时轨道数据来确定锁定。如果对应一个卫星系统的卫星的伪距可用，以及如果存在比系统中的未知量更多的观测量，则MS120还可使用这些卫星的实时时钟偏离来校正另一卫星系统的卫星(或诸卫星)的预测时钟偏离。例如，Galileo系统中卫星的实时时钟偏离可被用来校正Glonass系统中卫星的预测时钟偏离。为了更恰当地应用此算法，两个卫星定位系统(例如，GPS与Galileo)的主控时钟之间的总时钟偏离必须为MS120所知。
图5图解用于在移动站处确定位置/速度/时间锁定的过程500的一个示例的流程图。过程500可由硬件(例如，电路、专用逻辑、可编程逻辑、微代码等)、软件(诸如在处理设备上运行的指令)、或其组合来执行。过程500可由图1的MS120来执行。
参看图5，在框510，过程500始于MS120确定具有在MS120处可用的实时轨道数据的卫星的数目。如以上所提及的，锁定所需的卫星的数目取决于MS120处未知量的数目。例如，如果MS120的三个空间维度和时间都是未知的，则MS120将需要来自四个卫星的轨道数据。在此情景中，MS120理想地将从四个卫星接收实时轨道数据。然而，如果少于四个卫星向MS120提供实时轨道数据，则MS120将求助于其预测轨道数据可用的一个或多个其它卫星。如以上所提及的，具有实时轨道数据的卫星的数目会因遮蔽、接收问题和其它缘由而逐时间周期相异。
行进至框520，基于MS120的未知量的数目，过程500确定是否需要更多卫星的轨道数据。如果需要一个或多个附加卫星的轨道数据，则在框530，MS120使用一个或多个附加卫星的预测轨道数据来确定锁定。如果MS120在先前AGPS会话中接收到来自足够卫星或来自定位辅助服务器130的实时轨道数据(即，卫星的数目等于未知量的数目)，则不需要预测轨道数据。行进至框540，MS120组合来自卫星的轨道数据以计算位置/速度/时间锁定。在本发明的一方面，在框550，MS120还使用第一卫星的可用实时轨道数据来校正第一卫星的当前或将来预测时钟偏离中的卫星时钟偏离，和/或使用第一卫星的可用实时轨道数据来校正其实时轨道数据不可用的第二卫星的当前或将来预测轨道数据中的卫星时钟偏离。第二卫星可与第一卫星处于同一或不同卫星系统中，如以上所描述的。
图6提供MS120的组件的框图的示例。MS120包括存储器67和处理器69。MS120还包括用于从定位辅助服务器130接收系数序列的接收机接口66。接收机接口66还从卫星广播、从定位辅助服务器130、或从其他数据源接收粗略轨道数据和/或实时轨道数据，例如，历书、星历、和/或其他卫星位置和时基信息。接收机接口66可经由有线或无线网络、广播介质、或任何合适的数据传输手段接收系数。MS120包括用以将发送自定位辅助服务器130的数据序列解码的解码单元61。在一种情景中，MS120还可包括重构单元62、组合单元68和校正单元63。重构单元62使用传送自定位辅助服务器130的数据序列——诸如粗略轨道数据和校正数据——来重构预测轨道数据。组合单元68通过保持相对于实时轨道数据的适用性时间监视当前时间的定时器来确定MS120处接收到并存储的卫星的实时轨道数据是否仍然有效。取决于实时轨道数据的可用性和有效性，组合单元68将一些卫星的实时轨道数据与一些其它卫星的预测轨道数据相组合以确定锁定。校正单元63如以上所描述地使用可用实时数据来校正预测数据中的卫星时钟偏离。如以上所提及的，可对其实时轨道数据可用的同一卫星、或者同一或不同卫星系统的另一卫星作出对时钟偏离的校正。
本文所述的方法取决于应用可藉由各种手段来实现。例如，以上定位辅助服务器130和MS120的组件可以在硬件、固件、软件、或其组合中实现。对于硬件实现，各个处理单元可在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子器件、设计成执行本文中描述的功能的其他电子单元、或其组合内实现。
对于固件和/或软件实现，这些方法可用执行本文中描述的功能的模块(例如，程序、函数等等)来实现。任何有形地体现指令的机器可读介质可被用来实现本文所述的方法。例如，回顾图6，软件代码可被存储在存储器(例如，MS120的存储器67)中，并可由处理器(例如，MS120的处理器69)执行。存储器可被实现在处理器内，或可外置于处理器。如本文所用的，术语“存储器”指代任何类型的长期、短期、易失性、非易失性、或其他存储器，而并不限于任何特定类型的存储器或存储器数目、或存储器存储在其上的介质的类型。
本文所述的方法和装置可与各种卫星定位系统(SPS)或全球导航卫星系统(GNSS)联用，诸如但并不限于，美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯Glonass系统、欧洲Galileo系统、使用来自卫星系统的组合的卫星的任何系统、或将来开发的任何卫星系统。此外，所公开的方法和装置可与利用伪卫星或卫星与伪卫星的组合的定位系统联用。伪卫星是广播调制在L波段(或其他频率)载波信号上的PN码或其他测距码(类似于GPS或CDMA蜂窝信号)的基于地面的发射机，其可与GPS时间同步。每个如此的发射机可被指派唯一的PN码以便准许远程接收机进行标识。伪卫星在其中来自轨道卫星的GPS信号可能不可用的情形下——诸如在隧道、矿井、建筑物、都市峡谷或其他封闭区域中是有用的。伪卫星的另一种实现作为无线电信标而为人所知。如本文所使用的术语“卫星”旨在包括伪卫星、伪卫星的等效物、及可能的其他。如本文所使用的术语“SPS信号”旨在包括来自伪卫星或伪卫星的等效物的类SPS信号。
本文描述的定位技术可用于各种无线通信网络，诸如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)、无线个人区域网(WPAN)等。术语“网络”和“系统”常常可互换地使用。WWAN可以是码分多址(CDMA)网络、时分多址(TDMA)网络、频分多址(FDMA)网络、正交频分多址(OFDMA)网络、单载波频分多址(SC-FDMA)网络等。CDMA网络可实现诸如CDMA2000、宽带-CDMA(W-CDMA)和其他当前或下一代网络等一种或多种无线电接入技术(RAT)。CDMA2000涵盖IS-95、IS-2000和IS-856标准。TDMA网络可实现全球移动通信系统(GSM)、数字高级移动话机系统(D-AMPS)、或其他某种RAT。GSM和W-CDMA在来自名为“第三代伙伴项目”(3GPP)的联盟的文献中描述。CDMA2000在来自名为“第三代伙伴项目2”(3GPP2)的联盟的文献中描述。3GPP和3GPP2文献是公众可获取的。WLAN可以是IEEE802.11x网络，而WPAN可以是蓝牙网络、IEEE802.15x、或其它类型的网络。这些技术可用于WWAN、WLAN、和/或WPAN的任意组合。
尽管本发明已经参照具体的示例性特征进行了描述，但显然的是可对这些特征作出各种修改和改动而不会背离如在权利要求中所阐述的本发明的宽泛的精神实质和范围。因此，说明书和附图被认为是说明性而非限制性意义。

Claims (30)

1.一种方法，包括：
在移动站处接收至少一个第一卫星的实时轨道数据；以及
在所述移动站处组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与至少一个第二卫星的预测轨道数据用于确定所述移动站的空间和时间信息，所述预测轨道数据包括使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的至少一个实时时钟参数来校正的经校正时钟偏置数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个第一卫星和所述至少一个第二卫星属于两个不同的卫星系统。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述移动站处标识所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的所述至少一个实时时钟参数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：
使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的所述至少一个实时时钟参数在所述移动站处校正一个或多个附加卫星的附加预测轨道数据中的时钟偏置的误差。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，校正所述一个或多个附加卫星的所述附加预测轨道数据中的所述时钟偏置的所述误差包括：
使用所述至少一个第一卫星的具有来自包括所述至少一个第一卫星的第一卫星系统内的一个或多个附加卫星的实时数据的所述实时轨道数据来校正所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据中的所述时钟偏移数据的所述误差，其中所述第一卫星系统内的卫星的数量向所述移动站提供足以确定所述移动站的位置锁定的所述实时数据。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
接收多个卫星中的每个卫星的预测轨道数据；
接收所述多个卫星中的每个卫星的实时轨道数据；以及
确定所述多个卫星中的每个卫星的收到预测轨道数据和所述多个卫星中的每个卫星的收到实时轨道数据是否足以构成用于确定所述移动站的位置锁定的超定系统。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，响应于所述超定系统的确定：
向所述多个卫星中的每个卫星的所述预测轨道数据和所述实时轨道数据中的每一者指派权重分量，所述权重分量根据所述多个卫星中的每个卫星的所述预测轨道数据和所述实时轨道数据中的每一者的准确度标准来确定；以及
通过根据所指派的所述权重分量将所述多个卫星中的每个卫星的所述预测轨道数据和所述实时轨道数据组合为一组合来确定所述移动站的所述位置锁定。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据包括：
根据下式使用加权组合来组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据：
Orbitcombined＝(W1×Oreal-time+W2×Opredicted)/(W1+W2)，
其中Oreal-time是所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据，Opredicted是所述至少一个第二行的所述预测轨道数据，且W1和W2是根据以下一者或多者导出的权重值：用户距离准确度(URA)、用户距离误差(URE)、距星历时间(TOE)的时间、和所述预测轨道数据自上次更新起的龄期。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述移动站处接收所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据包括接收来自多个卫星的所述实时轨道数据，其中所述方法进一步包括：
使用所述多个卫星的所述实时轨道数据来校正一个或多个附加卫星的预测轨道数据中的时钟偏置的误差，其中所述多个卫星中的卫星数量等于或大于所述移动站的所述空间和时间信息中的未知量的第二数量，并且其中所述多个卫星属于不同的卫星系统。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预测轨道数据与所述实时轨道数据相比具有相对扩展的有效期并且包括预测卫星坐标的3D不定性值或预测卫星时钟校正的不定性值。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
接收来自远程设备的所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据。
12.一种在移动站中实现的系统，所述系统包括：
接收机接口，用于接收至少一个第一卫星的实时轨道数据；以及
组合单元，用于组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与至少一个第二卫星的预测轨道数据用于确定所述移动站的空间和时间信息，所述预测轨道数据包括使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的至少一个实时时钟参数来校正的经校正时钟偏置数据。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述至少一个第一卫星和所述至少一个第二卫星属于两个不同的卫星系统。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，进一步包括：
校正单元，其被配置成标识所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的所述至少一个实时时钟参数。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述校正单元被进一步配置成：
使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的所述至少一个实时时钟参数来校正一个或多个附加卫星的附加预测轨道数据中的时钟偏置的误差。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于，被配置成组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据的所述组合单元被配置成：
根据下式使用加权组合来组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据：
Orbitcombined＝(W1×Oreal-time+W2×Opredicted)/(W1+W2)，
其中Oreal-time是所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据，Opredicted是所述至少一个第二行的所述预测轨道数据，且W1和W2是根据以下一者或多者导出的权重值：用户距离准确度(URA)、用户距离误差(URE)、距星历时间(TOE)的时间、和所述预测轨道数据自上次更新起的龄期。
17.如权利要求12所述的系统，其特征在于，被配置成接收所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据的所述接收机接口被配置成接收来自多个卫星的所述实时轨道数据，其中所述系统进一步包括校正单元，用于：使用所述多个卫星的所述实时轨道数据来校正一个或多个附加卫星的预测轨道数据中的时钟偏置的误差，其中所述多个卫星中的卫星数量等于或大于所述移动站的所述空间和时间信息中的未知量的第二数量，并且其中所述多个卫星属于不同的卫星系统。
18.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述预测轨道数据与所述实时轨道数据相比具有相对扩展的有效期并且包括预测卫星坐标的3D不定性值或预测卫星时钟校正的不定性值。
19.如权利要求12所述的系统，其特征在于，当所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据变得不可用时，所述组合单元被配置成代替所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据而使用所述至少一个第一卫星的预测轨道数据用于确定所述移动站的所述空间和时间信息，并且其中所述组合单元被进一步配置成内插所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据和所述至少一个第一卫星的所述预测轨道数据来平滑所述实时轨道数据与所述预测轨道数据之间的变迁。
20.一种移动站，包括：
用于接收至少一个第一卫星的实时轨道数据的装置；以及
用于组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与至少一个第二卫星的预测轨道数据用于确定所述移动站的空间和时间信息的装置，所述预测轨道数据包括使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的至少一个实时时钟参数来校正的经校正时钟偏置数据。
21.如权利要求20所述的移动站，其特征在于，所述至少一个第一卫星和所述至少一个第二卫星属于两个不同的卫星系统。
22.如权利要求20所述的移动站，其特征在于，进一步包括：
用于标识所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的至少一个实时时钟参数的装置。
23.如权利要求22所述的移动站，其特征在于，进一步包括：
用于使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的所述至少一个实时时钟参数在所述移动站处校正一个或多个附加卫星的附加预测轨道数据中的时钟偏置的误差的装置。
24.如权利要求20所述的移动站，其特征在于，所述用于组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据的装置包括：
用于根据下式使用加权组合来组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据的装置：
Orbitcombined＝(W1×Oreal-time+W2×Opredicted)/(W1+W2)，
其中Oreal-time是所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据，Opredicted是所述至少一个第二行的所述预测轨道数据，且W1和W2是根据以下一者或多者导出的权重值：用户距离准确度(URA)、用户距离误差(URE)、距星历时间(TOE)的时间、和所述预测轨道数据自上次更新起的龄期。
25.如权利要求20所述的移动站，其特征在于，所述用于接收所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据的装置包括用于接收来自多个卫星的所述实时轨道数据的装置，其中所述移动站进一步包括：
用于使用所述多个卫星的所述实时轨道数据来校正一个或多个附加卫星的预测轨道数据中的时钟偏置的误差的装置，其中所述多个卫星中的卫星数量等于或大于所述移动站的所述空间和时间信息中的未知量的第二数量，并且其中所述多个卫星属于不同的卫星系统。
26.如权利要求20所述的移动站，其特征在于，所述预测轨道数据与所述实时轨道数据相比具有相对扩展的有效期并且包括预测卫星坐标的3D不定性值或预测卫星时钟校正的不定性值。
27.一种用指令集来编程的非瞬态计算机可读介质，所述指令集能在处理器上执行以：
在移动站处接收至少一个第一卫星的实时轨道数据；以及
在所述移动站处组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与至少一个第二卫星的预测轨道数据用于确定所述移动站的空间和时间信息，所述预测轨道数据包括使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的至少一个实时时钟参数来校正的经校正时钟偏置数据。
28.如权利要求27所述的计算机可读介质，其特征在于，所述至少一个第一卫星和所述至少一个第二卫星属于两个不同的卫星系统。
29.如权利要求27所述的计算机可读介质，其特征在于，所述指令集包括用于以下操作的进一步指令：
在所述移动站处标识所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的所述至少一个实时时钟参数；以及
使用所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据内的所述至少一个实时时钟参数在所述移动站处校正一个或多个附加卫星的附加预测轨道数据中的时钟偏置的误差。
30.如权利要求27所述的计算机可读介质，其特征在于，所述用于组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据的指令集包括用于以下操作的计算机指令：
根据下式使用加权组合来组合所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据与所述至少一个第二卫星的所述预测轨道数据：
Orbitcombined＝(W1×Oreal-time+W2×Opredicted)/(W1+W2)，
其中Oreal-time是所述至少一个第一卫星的所述实时轨道数据，Opredicted是所述至少一个第二行的所述预测轨道数据，且W1和W2是根据以下一者或多者导出的权重值：用户距离准确度(URA)、用户距离误差(URE)、距星历时间(TOE)的时间、和所述预测轨道数据自上次更新起的龄期。
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