TW201516441A - 具有指向性天線的高靈敏度ｇｐｓ裝置 - Google Patents

Abstract

有效地使用存在各種環境中的弱GPS訊號，可讓電氣裝置能夠在此種環境中精確定位電氣裝置的位置。電氣裝置使用天線，以在多個方向中循序掃描全球定位系統(GPS)訊號。電氣裝置進一步分析由掃描多個方向所獲得的GPS訊號，以決定提供GPS訊號的獲取到的GPS衛星的數量。GPS訊號包含獲取到的GPS衛星的碼相位。隨後，電氣裝置在獲取到的GPS衛星的數量達到臨限時，基於獲取到的GPS衛星的碼相位計算電氣裝置的位置。

Description

具有指向性天線的高靈敏度GPS裝置

本發明係關於具有指向性天線的高靈敏度GPS裝置。

裝配了全球定位系統(GPS)接收器的電氣裝置，可依賴多個GPS衛星發送的訊號，來決定電氣裝置的位置。可由識別衛星訊號的來源衛星的衛星專屬編碼，來發送GPS衛星訊號之每一者。GPS接收器可藉由識別廣播GPS衛星、解碼衛星訊號、以及對從解碼訊號萃取出的資料執行一系列的計算，來計算出電氣裝置的位置。

在一些實例中，電氣裝置的GPS接收器在獲取GPS衛星訊號時可遭遇困難。例如，與存在於環境中的背景無線電頻率雜訊相較之下，GPS衛星發送的GPS訊號相對來說可為弱的。再者，諸如建築物與自然地形的地面特徵，可阻擋或反射GPS訊號。例如，諸如天花板與屋頂的建築物結構可讓GPS訊號衰減，造成GPS訊號在室內環境中遺失。GPS接收器將弱GPS訊號放大的能力可受限，因為任何放大亦將放 大存在於環境中的背景無線電頻率雜訊。因此，電氣裝置可被迫返回使用次級的地理定位技術，諸如蜂巢式通訊訊號三角定位、慣性位置估計、使用Wi-Fi訊跡、或使用調頻(FM)無線電訊號，以決定電氣裝置的位置。

本文說明使用電氣裝置的高增益指向性天線，以從多個方向在數個時間區間內從GPS衛星獲取GPS訊號，以及結合此種GPS訊號以決定電氣裝置的位置的技術。高增益指向性天線可包含能夠從多個方向成功獲得GPS訊號的多個天線元件。所獲得的GPS訊號可為未包含可解碼之定位資料的部分訊號，可解碼之定位資料諸如由傳統GPS導航單元使用以計算位置的時間戳記或天文曆資料。相對的，技術可使用在多個時間區間內從足夠數量的衛星獲取到的部分GPS訊號的碼相位(code phases)，來計算位置。

在至少一個具體實施例中，電氣裝置使用天線，以在多個方向中對GPS訊號執行循序掃描。電氣裝置進一步分析從多個方向獲得的GPS訊號，以決定數個獲得的GPS衛星。GPS訊號提供獲得的GPS衛星的碼相位。在獲得的GPS衛星的數量到達臨限時，電氣裝置基於獲得的GPS衛星的碼相位，來計算電氣裝置的位置。

由此，技術讓裝配GPS定位器的電氣裝置能夠使用存在室內環境中(或受到GPS訊號衰減影響的其他環境中)的弱GPS訊號。能夠使用弱GPS訊號之能力，可讓電氣裝置執行原本無法有效動作的位置管理應用程式。例如，此種應 用程式可包含導航應用程式、庫存應用程式、人物追蹤應用程式及(或)類似者。在不存在位置資訊(例如蜂巢式通訊訊號、Wi-Fi訊跡、FM訊號等等)之次級來源、或用以提供用於規劃要提供次級位置解決方案之空間的地表實況(ground truths)的情況下，使用經過衰減的GPS訊號精確定位位置的能力可特別的有用。

提供此發明內容以由簡化形式介紹一些概念選擇，這些概念將於下文實施方式中進一步說明。此發明內容不意為識別所請發明主題的關鍵特徵或必要特徵，亦不意為用以限制所請發明主題的範圍。

100‧‧‧範例方案

102(1)-102(N)‧‧‧GPS衛星

104‧‧‧電氣裝置

106‧‧‧天線

108‧‧‧GPS定位器

110‧‧‧GPS訊號

112‧‧‧碼相位

114‧‧‧位置定位

116‧‧‧GPS訊號

118‧‧‧GPS訊號

202‧‧‧處理器

204‧‧‧使用者介面

206‧‧‧網路介面

208‧‧‧記憶體

212‧‧‧資料存儲器

214‧‧‧天線控制模組

216‧‧‧衛星獲取模組

218‧‧‧位置計算模組

220‧‧‧應用程式

222‧‧‧資料塊

224‧‧‧位置定位

300‧‧‧方法

302-312‧‧‧步驟

400‧‧‧方法

402-406‧‧‧步驟

參考附加圖式以說明實施方式。在圖式中，元件編號的最左邊的一或多個位元，識別元件編號首次出現的圖式。使用在不同圖式中的相同元件編號，指示類似或相同的項目。

第1圖為圖示說明用於使用高增益指向性天線以獲取GPS訊號，而可使用GPS訊號決定位置的範例方案的方塊圖。

第2圖為圖示說明電氣裝置範例部件的說明性示意圖，電氣裝置包含獲取GPS訊號的高增益指向性天線，以及使用GPS訊號來決定位置的GPS定位器。

第3圖為圖示說明使用由高增益指向性天線獲取的多個GPS訊號決定位置的範例程序的流程圖。

第4圖為圖示說明決定在一時間區間內取得的數個 衛星的範例程序，在此時間區間內高增益指向性天線定向於特定方向。

本文說明用於從多個方向在數個時間區間內從GPS衛星獲取GPS訊號，以及結合此種GPS訊號以決定電氣裝置的位置的技術。高增益指向性天線可包含能夠從多個方向成功獲得GPS訊號的多個天線元件。所獲得的GPS訊號可為未包含可解碼之定位資料的部分訊號，可解碼之定位資料諸如由傳統GPS導航單元使用以計算位置的時間戳記或天文曆資料。相對的，技術仰賴在多個時間區間內從足夠數量的衛星獲取到的部分GPS訊號的碼相位，來計算位置。

在各種具體實施例中，電氣裝置的高增益指向性天線，可由電氣裝置的GPS定位器定向於特定方向。GPS定位器可在預先決定的時間區間內，在特定方向中掃描部分GPS訊號。特定方向可為半球內的任意方向。在至少一個具體實施例中，預先決定的時間區間的持續長度，可為數百微秒。一旦GPS定位器已在特定方向中獲得部分GPS訊號，則GPS定位器可決定所獲得的部分GPS訊號是否來自足夠數量的GPS衛星。若部分GPS訊號係來自足夠數量的GPS衛星，則GPS定位器可使用在部分GPS訊號中擷取到的GPS衛星的碼相位，來計算位置。

然而，若GPS定位器決定部分GPS訊號係來自不足數量的GPS衛星，則GPS定位器可重新定向高增益指向性天線，以在不同方向中掃描GPS訊號。GPS定位器可在此第二 方向中獲得部分GPS訊號。GPS定位器隨後可重新評估在第一與第二方向中獲取的部分GPS訊號的組合，是否來自足夠數量的GPS衛星。若部分GPS訊號來自足夠數量的GPS衛星，則GPS定位器可使用在部分GPS訊號中擷取到的GPS衛星的碼相位，來計算電氣裝置的位置。若非如此，則GPS定位器可再次重新定向高增益指向性天線，以在另一方向中掃描GPS訊號。GPS定位器可重複對於高增益指向性天線的重新定向以掃描GPS訊號，直到從足夠數量的GPS衛星獲得碼相位以計算電氣裝置位置為止。

在一些實例中，因為電氣裝置使用高增益指向性天線來獲取GPS訊號，電氣裝置的GPS定位器可抵抗本地GPS訊號干擾源(jammers)。下面參考第1圖至第4圖，來根據各種具體實施例，說明使用電氣裝置的高增益指向性天線以從GPS衛星獲取GPS訊號，並基於GPS訊號決定電氣裝置位置的技術的範例。

範例方案

第1圖為圖示說明使用高增益指向性天線獲取GPS訊號，而使GPS訊號可用於決定位置的範例方案100的方塊圖。範例方案100可包含GPS衛星102(1)-102(N)。GPS衛星102(1)-102(N)可包含相關聯於衛星導航系統的衛星之任意者。GPS衛星102(1)-102(N)可發送用於地理空間定位的GPS訊號。例如，GPS訊號可由時間戳記資訊、天文曆資料、年曆資訊及(或)類似者來編碼。再者，GPS衛星102(1)-102(N)之每一者可由衛星識別碼獨特識別，衛星識別碼諸如GPS衛 星所廣播的捕獲碼型樣(Coarse/Acquisition(C/A)code pattern)。在各種具體實施例中，衛星導航系統可為美國營運的NAVSTAR GPS、俄羅斯聯邦營運的Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema(GLONASS)、歐盟營運的Galileo Global Navigation Satellite System(GNSS)、中國營運的BeiDou Navigation Satellite System(BDS)、或任何其他的衛星導航系統。

電氣裝置104可裝配天線106與GPS定位器108。電氣裝置104可為桌上型電腦、平板電腦、膝上型電腦、智慧型手機、遊戲主機、個人數位助理(PDA)、可攜式GPS導航單元以及類似者。天線106可為高增益指向性天線，並可由GPS定位器108操縱(steer)以循序指向多個位置。例如，GPS定位器108可電氣地或機械地瞄準天線106。在一些具體實施例中，天線106可包含天線元件陣列。天線元件之每一者可為經配置為從窄空間分區(sector)接收RF訊號(諸如GPS訊號)的指向性天線元件。在一些實例中，天線元件可被機械地操縱以定向於不同方向中，以從這些方向接收GPS訊號。

例如，天線106可為尺寸為10×10平方呎的平面天線，其中在4×4網格中有16個天線元件。平面天線可經設計以接收於在1575.42百萬赫茲(MHz)與12.3分貝(dBi)增益下的RF訊號。平面天線的半功率束寬度為35°，且廣側角為0°±0.5°。平面天線可裝配電氣伺服馬達，電氣伺服馬達在GPS定位器108的指導下，定向或重新定向平面天線。

在其他實例中，天線106的天線元件可經由電氣訊號被相位移位(phase shifted)，使得GPS訊號接收在一特定方向被強化而在其他方向被抑制。換言之，天線106的天線元件的相位移位，可藉由改變天線106的輻射型樣(radiation pattern)，而將天線106定向或重新定向，而不需實體移動天線106。在額外的具體實施例中，天線106可為其他指向性設計，只要指向性天線可被選擇性地定向，以循序掃描來自不同方向的GPS訊號。例如，天線106可為(但不限於)碟形反射器天線、開槽天線(slot antenna)、八木天線(Yagi antenna)、角形天線、波導天線、維瓦第天線(Vivaldi antenna)、具有圓形天線元件的平面天線、螺旋天線、雙極陣列天線、摺紙天線(origami antenna)或類似者。

高增益指向性天線106，可提供優於傳統GPS導航單元使用的全向性天線的GPS訊號獲取。傳統GPS導航單元的全向性天線可具有在所有方向中為一致的天線增益，因為全向性天線係設計為同時接收來自天際中多個GPS衛星的GPS訊號。然而，因為全向性天線為了寬廣的訊號接收覆蓋率而犧牲訊號增益，在GPS訊號受到衰減時全向性天線可較不有效。因此，傳統GPS導航單元在室內環境中可變得較不有用。

在作業中，GPS定位器108可將天線106定向於特定方向，使得GPS定位器108可在預先決定的時間期間內掃描在特定方向中的GPS訊號。在至少一個具體實施例中，預先決定的時間區間的持續長度，可為數百微秒。GPS定位器 108獲得的GPS訊號110，可為缺少可解碼之定位資料的部分GPS訊號，可解碼之定位資料諸如由傳統GPS導航單元用以計算位置的時間戳記或天文曆資料。然而，部分GPS訊號可包含對於GPS衛星碼相位的資訊。一旦GPS定位器108已獲得特定方向中的部分GPS訊號，GPS定位器108可決定所獲得的部分GPS訊號110(亦即資料塊)是否來自足夠數量的GPS衛星。若部分GPS訊號110來自足夠數量的GPS衛星，則GPS定位器可使用在部分GPS訊號110中擷取到的GPS衛星的碼相位112，來計算電氣裝置104的位置定位114。

然而，若GPS定位器108決定部分GPS訊號110係來自不足數量的GPS衛星，則GPS定位器108可重新定向天線106，以在預先決定的時間區間內在不同方向中掃描GPS訊號。在獲取來自新方向的GPS訊號116之後，GPS定位器108隨後可重新評估在第一與第二方向中獲取的GPS訊號110與GPS訊號114的組合，是否來自足夠數量的GPS衛星。若部分GPS訊號110與116係來自足夠數量的GPS衛星，則GPS定位器可使用在部分GPS訊號110與116中擷取到的GPS衛星的碼相位112，來計算位置。若非如此，則GPS定位器108可再次重新定向高增益指向性天線，以在另一方向中掃描GPS訊號(諸如GPS訊號118)。以此方式，GPS定位器可重複對於高增益指向性天線的重新定向以掃描GPS訊號，直到從足夠數量的GPS衛星獲得碼相位以計算電氣裝置104的位置定位114為止。

範例部件

第2圖為圖示電氣裝置104的範例部件的說明性示意圖，電氣裝置104包含獲取GPS訊號的高增益指向性天線以及使用GPS訊號決定位置的GPS定位器。

電氣裝置104可包含天線106、一或更多個處理器202、使用者介面204、網路介面206以及記憶體208。一或更多個處理器202，可包含中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、微處理器、數位訊號處理器等等。再者，儘管本文所說明的一些功能與模組係由可執行在處理器上的軟體及(或)韌體實施，但在其他具體實施例中，模組之任意者或所有者可全由(或部分由)硬體(例如為ASIC、專用處理單元等等)實施，以執行所說明的功能。所說明的功能可被實施為一或更多個硬體邏輯部件，諸如場效可程式化閘極陣列(FPGA)、應用程式特定積體電路(ASIC)、程式特定標準產品(ASSP)、晶片上系統之系統(SOC)、複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)等等。其他硬體部件，可包含內部時脈、音效卡、顯示卡、攝影機、裝置介面、動作感測器、惰性感測器、接近性感測器、指南針及(或)類似者。電氣裝置104的使用者介面204，可包含(但不限於)小鍵盤、鍵盤、滑鼠裝置、接受姿勢的觸控螢幕、麥克風、語音或口語辨識裝置以及任何其他適合的裝置或其他電子器件/軟體之一或更多個的組合者。網路介面206可包含網路介面卡(NIC)，及(或)其他提供有線通訊及(或)無線通訊的網路部件。

可使用電腦可讀取媒體(諸如電腦儲存媒體)實施記憶體208。電腦可讀取媒體包含至少兩種類型的電腦可讀取 媒體，亦即電腦儲存媒體與通訊媒體。電腦儲存媒體包含以用於儲存資訊(諸如電腦可讀取指令、資料結構、程式模組或其他資料)的任何方法或科技來實施的揮發性與非揮發性、可移除式與不可移除式媒體。電腦儲存媒體包含(但不限於)RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶體或其他記憶體科技、CD-ROM、數位多媒體光碟(DVD)或其他光學存儲器、磁匣、磁帶、磁碟存儲器或其他磁性儲存裝置、或可用於儲存資訊以供計算裝置存取的任何其他有形的媒體。相對的，通訊媒體可於經調變的資料訊號(諸如載波)或其他傳輸機制中，體現電腦可讀取指令、資料結構、程式模組或其他資料。本文定義的電腦儲存媒體不包含通訊媒體。

記憶體208可儲存軟體部件，軟體部件包含GPS定位器108與應用程式210。亦可使用記憶體208來實施資料存儲器212。GPS定位器108可包含天線控制模組214、衛星獲取模組216以及位置計算模組218。

天線控制模組214可傳送表示天線106指向不同方向的電氣訊號。方向可為隨機選定，或可基於預先決定的型樣而選定。在一些具體實施例中，天線控制模組214提供的電氣訊號，可控制瞄準天線106的一或更多個伺服馬達。在其他具體實施例中，天線控制模組214提供的電氣訊號，可將天線106中的天線元件陣列相位移位，使得GPS訊號接收在特定方向被加強而在其他方向被抑制。

衛星獲取模組216可使用天線106獲得來自各個方向的GPS訊號。再者，衛星獲取模組216可分析GPS訊號， 以決定是否係從足夠數量的GPS衛星接收到GPS訊號，以讓位置計算模組218計算電氣裝置104的位置。至少來說，位置計算模組218對於位置的計算，可根據從至少五個GPS衛星獲取的GPS訊號。來自五個GPS衛星的GPS訊號的使用，係由五個未知數來指定，位置計算模組218使用此五個未知數來決定位置。首三個未知數(x,y,z)為電氣裝置104在笛卡兒座標中的三維位置。第四個未知數為電氣裝置104的內部時脈對於在特定方向接收到的GPS訊號的共同偏移(common bias)。第五個未知數為電氣裝置104的內部時脈對於在特定方向接收到GPS訊號之時刻的粗略時間誤差(coarse time error)。在至少一個具體實施例中，若GPS訊號足夠強以使衛星獲取模組216能夠解碼從GPS衛星傳送的時間戳記，則在位置計算中可省略粗略時間誤差。

在其中衛星獲取模組216無法定位來自特定方向中的五個GPS衛星的GPS訊號的實例中，衛星獲取模組216可掃描來自不同方向中的額外GPS衛星的GPS訊號，以此類推。衛星獲取模組216可執行此種掃描，直到獲取到來自足夠數量的GPS衛星的GPS訊號為止。然而，衛星獲取模組216每一次在新方向中的掃描導入兩個新未知數，而位置計算模組218需要解決此兩個新未知數以決定位置定位114。每一次掃描導入的第一個新未知數，為電氣裝置104的內部時脈對於在新方向接收到的GPS訊號的共同偏移。第二個新未知數，為電氣裝置104的內部時脈對於在新方向接收到GPS訊號之時刻的粗略時間誤差。

因此，視為足夠的GPS衛星數量，以及在不同方向掃描GPS訊號的次數之間的關係，可由方程式2n+3來一般化，其中n為獨立掃描的次數。根據此方程式得出下面的表格，此表格說明獨立掃描次數以及對於每一次掃描之視為足夠的GPS衛星數量：

然而，衛星獲取模組216可將在不同掃描中獲取的相同GPS衛星，視為不同的獲取到的衛星。例如，在第一次掃描與第二次掃描兩者之間皆可獲取到GPS衛星「A」。在此種範例中，GPS衛星「A」可被算成(根據上面表格，對於兩次掃描)視為足夠的七個衛星中的兩個衛星。在上面範例中，衛星獲取模組216可將GPS衛星「A」算兩次，因為GPS衛星「A」在兩次獨立掃描之間已移動了GPS衛星「A」在天空中的位置。因此，對於位置計算模組218所執行的位置定位114計算而言，GPS衛星「A」可被當成兩個獨立的衛星。

位置計算模組218對於位置定位114的計算，亦根據獲得提供GPS衛星碼相位的GPS訊號。在各個具體實施例中，碼相位為在衛星獲取模組216開始取樣來自GPS衛星之GPS訊號的開始時間，與GPS衛星發送的獲取碼型樣(例如C/A碼型樣)之起始被接收到的時間之間的持續時間。GPS衛星可持續重複獲取碼型樣。一旦被啟動，則衛星獲取模組 216可從獲取碼型樣中間的任意時間處開始取樣。因此，在衛星獲取模組216取得隨後重複的獲取碼型樣之起始時，衛星獲取模組216可決定碼相位。

傳統GPS導航單元的訊號獲取時間區間，一般而言約為數微秒。此種訊號獲取時間區間，可不足以提供擷取表示獲取碼型樣開始的重複GPS訊號突波(亦即相關突波)所需的時間。相對的，衛星獲取模組216可使用持續數百微秒的訊號獲取時間區間。較長的訊號獲取時間區間，可讓衛星獲取模組216能夠偵測相關突波，而非RF背景雜訊中的其他雜訊突波。此係因為GPS訊號突波的訊號強度一般而言，比雜訊突波的訊號強度大上數個量值等級，使得衛星獲取模組216不會被雜訊突波混淆。衛星獲取模組216在每一方向中擷取的GPS訊號中的原始資料，可被稱為資料塊。因此，電氣裝置104在固定在一個位置時接收的GPS訊號組，可包含多個資料塊。衛星獲取模組216可分析每一資料塊，以決定提供GPS訊號的GPS衛星的數量與身份識別。

在各個具體實施例中，衛星獲取模組216可對每一資料塊中的GPS訊號的每一時間子區間(例如每一微秒)使用交叉相關矩陣。交叉相關矩陣的列可包含不同的都卜勒頻率，而行可包含不同的碼相位。因此，假定C(k)代表使用第k項ms訊號的矩陣，則C(k)=[c _i,j (k)]，其中c _i,j 為矩陣的第(i,j)項元素。

為了偵測相關突波，衛星獲取模組216可加總多個相關矩陣對於元素的絕對值C(1),C(2),...C(n)，並識別加總過 程中最高的突波(亦即峰值突波)。因此，給定|C(k)|=|c_i,j(k)|，衛星獲取模組216可計算：

隨後，衛星獲取模組216可比較C的最高值(例如M1)與次高值M2。若在預先決定的α(亦即臨界差異)之下M ₁>αM ₂，則衛星獲取模組216可決定獲取到對應衛星，且M1的行索引可代表碼相位。

位置計算模組218可在從足夠數量的GPS衛星獲取了資料塊時，計算電氣裝置104的位置定位114。位置計算模組218可甚至在所接收的GPS訊號為弱的或間歇的時，計算位置定位114。弱的或間歇的GPS訊號可缺少可解碼之訂位資料(諸如時間戳記或天文曆資料)。相對的，位置計算模組218可使用粗略時間導航技術來計算位置定位114。一般而言，粗略時間導航可由下面的方程式來表示： 其中P _i 代表對於飛行時間的距離測量(使用碼相位與參考位置)，(x _i ,y _i ,z _i )代表衛星i在訊號離開衛星i時的位置，(υ _xi ,υ _yi ,υ _zi )代表要計算的電氣裝置位置。再者，△T代表粗略時間誤差(亦即在訊號離開衛星時，電氣裝置時間戳記與衛星時間戳記之間的差異)，而τ代表共同偏移(為用於測量衛星飛行時間的電氣裝置內部時脈以及標準化時脈之間的差異)。

因此，位置計算模組218在位置定位計算中，可使用下列未知數：(1)(x,y,z)，為電氣裝置104在笛卡兒座標 中的三維位置；(2)b _k ，對於資料塊k的內部時脈共同偏移；(3)c _k ，對於被分析的整組資料塊的粗略時間誤差的變數組。在一些實例中，c _k 可由代表相關聯於整組資料塊的粗略時間誤差的變數來替換(例如在整組資料塊起始處設定的變數)。

位置計算模組218可對獲取的每一衛星，使用虛擬距離導航方程式以計算位置定位114。換言之，若在資料塊k中獲取衛星s，則位置計算模組218可應用導航方程式D _s (x,y,z,b _k ,c _k )=d _s ．c，其中D _s 為衛星s與電氣裝置104之間的距離、d _s 為衛星s至電氣裝置104的訊號傳遞時間(如由對應的碼相位所估計出)、而c為光速。因此，只要導航方程式的總數大於未知數的總數，位置計算模組218即可計算電氣裝置104的位置(x,y,z)。

在替代性的具體實施例中，由GPS定位器108的一或更多個模組執行的功能，可由硬體來實施而非由軟體指令來實施。例如，一或更多個固定式硬體邏輯電路可實施由一或更多個模組執行的功能。

應用程式220可使電氣裝置106能夠執行各種功能。應用程式220可包含作業系統。作業系統可包含使電氣裝置104能夠經由各種輸入(例如使用者控制、網路介面及(或)記憶體裝置)接收資料，並使用處理器202處理資料以產生輸出的部件。作業系統可進一步包含呈現輸出(例如在電氣顯示器上顯示影像、在記憶體中儲存資料、發送資料至另一電氣裝置等等)的一或更多個部件。作業系統可讓使 用者能夠使用使用者介面與應用程式220互動，以及對應用程式220執行工作。此外，作業系統可包含其他部件，其他部件執行一般相關聯於作業系統的各種其他功能，諸如支援執行儲存在記憶體208中的各種模組。

在各個具體實施例中，應用程式220可包含使用由GPS定位器108獲得的位置定位114來執行功能的應用程式。例如，應用程式220可包含位置管理應用程式，位置管理應用程式對遠端應用程式或服務報告GPS定位器108獲得的位置定位。遠端應用程式或服務，可使位置定位與其他資料相關，諸如地圖資料、電氣裝置104使用者的購買或瀏覽習慣、商業位置資料及(或)類似者。在一些實例中，遠端應用程式或服務可將相關於位置定位的內容，提供回電氣裝置104。內容可由電氣裝置104上的位置管理應用程式顯示。

在其他具體實施例中，應用程式220可包含致能GPS定位器108將GPS定位器108的一或更多個模組所執行的資料處理程序，卸載至遠端計算裝置的應用程式。例如，應用程式可致能遠端伺服器執行由位置計算模組218執行的計算。此種計算卸載，可減輕電氣裝置104的計算要求與能量消耗。在此種範例中，應用程式可包含應用程式介面(API)，應用程式介面與遠端計算裝置上的計算應用程式介面連接。

在額外的具體實施例中，應用程式220亦可包含位置估計應用程式，位置近似應用程式能夠基於GPS定位器108產生的多個位置定位，來計算電氣裝置104的中間位置。例如，位置估計應用程式可使用電氣裝置104的測量值(諸如 慣性、速度、速率及(或)類似者)，與一或更多個位置定位結合，以估計電氣裝置104在位置定位之間的位置。

資料存儲器212可儲存GPS定位器108與應用程式210的各種模組所使用的資料。例如，資料存儲器212可儲存GPS定位器108獲得的資料塊222、GPS定位器108產生的位置定位224以及類似者。在其他範例中，資料存儲器212可儲存相關於位置定位的內容、由位置估計應用程式估計的位置及(或)類似者。

在各個具體實施例中，GPS定位器108及(或)電氣裝置104上的各種其他應用程式，經配置以在獲得電氣裝置104使用者的准許後，執行位置獲取及(或)以定位為基礎的內容提供功能。例如，在開始位置獲取或一系列的位置獲取之前，GPS定位器108可讓使用者介面204顯示對話方塊。對話方塊可向電氣裝置104使用者要求對於獲得電氣裝置104位置的准許。相應的，使用者可由選擇對話方塊的確認選項來提供准許，或可由選擇對話方塊的取消選項來拒絕准許。以此方式，可給予使用者128選擇進行位置獲取的機會。在另一範例中，在提供基於電氣裝置104位置的內容之前，應用程式可讓使用者介面204顯示對話方塊，對話方塊向電氣裝置104的使用者要求准許。相應的，使用者可由選擇對話方塊的確認選項來提供准許，或可由選擇對話方塊的取消選項來拒絕准許。使用此種對話方塊，電氣裝置104的使用者可保全他或她的隱私權。

儘管上文將GPS定位器108說明為使用來自高增益 指向性天線的GPS訊號來計算位置定位，但GPS定位器108亦可使用以全向性天線獲取的GPS訊號。GPS定位器108可執行此種計算，只要使用全向性天線獲取的GPS訊號具有與高增益指向性天線提供的GPS訊號相同的性質。再者，因為GPS定位器108使用高增益指向性天線獲取GPS訊號，GPS定位器108可抵抗本地GPS訊號干擾源。

範例程序

第3圖與第4圖說明使用電氣裝置的高增益指向性天線，在數個時間區間內獲取來自多個方向中的GPS衛星的GPS訊號，並結合此種GPS訊號以決定電氣裝置位置的各種範例程序。在每一範例程序中說明的作業順序，不意為被解譯為限制，且所說明作業之任意者可被以任何順序結合，及(或)平行處理，以實施每一程序。再者，第3圖與第4圖之每一者中的作業，可由硬體、軟體、及(或)硬體與軟體之組合來實施。在軟體的背景內容中，作業可代表在由一或更多個處理器執行時使一或更多個處理器執行所說明之作業的電腦可執行指令。此一或更多個處理器可被包含在個別計算裝置中，或可被包含在例如為雲端之部分的多個計算裝置中。一般而言，電腦可執行指令包含使特定功能被執行或使特定抽象資料類型被實施的常式、程式、物件、部件、資料結構與類似者。在其他具體實施例中，每一範例程序的作業可由硬體邏輯電路(諸如專屬積體電路)來執行。

第3圖為圖示說明用於使用由高增益指向性天線獲取的多個GPS訊號來決定位置的範例程序300的流程圖。在 方塊302，GPS定位器108可經由電氣裝置104的天線106，掃描特定方向中的GPS訊號。天線106可為高增益指向性天線，並可由GPS定位器108操縱以指向多個方向。例如，天線106可由GPS定位器108電氣或機械地瞄準。

在方塊304，GPS定位器108可在時間區間內從特定方向獲得GPS訊號。在至少一個具體實施例中，時間區間的持續長度可為數百微秒。由GPS定位器108獲得的GPS訊號，可為缺少可解碼之定位資料(諸如時間戳記或天文曆資料)的部分GPS訊號。然而，此種GPS訊號可提供對應GPS衛星(諸如GPS衛星102(1)-102(N))的一或更多個碼相位。

在方塊306，GPS定位器108可分析GPS訊號，以決定提供GPS訊號的GPS衛星數量。換言之，GPS定位器108可決定在時間區間內，GPS定位器108所獲取的GPS衛星數量。在各個具體實施例中，每一GPS衛星的身份識別，可涉及在時間區間內偵測GPS訊號中的峰值訊號突波，其中每一峰值訊號突波的時序可用以計算GPS衛星的碼相位。

在決策方塊308，GPS定位器108可決定是否獲取了足夠數量的GPS衛星。被視為充足的GPS衛星數量，係關於GPS定位器執行之對於GPS訊號之獨立掃描的次數。在各個具體實施例中，被視為足夠的GPS衛星數量，與在不同方向掃描GPS訊號的次數之間的關係，可由方程式2n+3來一般化，其中n為獨立掃描的次數。因此，若GPS定位器108決定獲取的GPS衛星的數量尚未足夠(在決策方塊308為「否」)，則程序300可進行至方塊310。

在方塊310，GPS定位器108可切換天線106，以在掃描不同方向的GPS訊號。在一些具體實施例中，GPS定位器108可由傳送電氣訊號，以使伺服馬達機械操縱天線106，而重新定向天線106。在其他具體實施例中，GPS定位器108可由傳送電氣訊號，以使天線106的天線元件相位移位，而加強在新方向中的GPS訊號接收。隨後，程序300可返回方塊304，在方塊304，GPS定位器108可獲取來自新方向的GPS訊號。然而，若GPS定位器108決定已獲取了足夠數量的GPS衛星(在決策方塊308為「是」)，則程序300可進行至方塊312。

在方塊312，GPS定位器108可基於來自所獲取衛星的GPS訊號的碼相位，來計算電氣裝置104的位置定位(諸如位置定位114)。在各個具體實施例中，GPS定位器108可使用粗略時間導航技術來計算位置定位114。

第4圖為圖示說明範例程序400的流程圖，範例程序400用於決定在高增益指向性天線指向特定方向中的時間區間內所獲取的衛星數量。程序400進一步圖示說明程序300的方塊306。

在方塊402，GPS定位器108可計算在時間區間的多個子區間之每一者內，所獲取的GPS訊號的交叉相關矩陣。在一個實例中，時間區間的持續長度可為100微秒，且子區間之每一者的持續程度可為一微秒。每一交叉相關矩陣的列可包含不同的都卜勒頻率，而行可包含不同的碼相位。

在方塊404，GPS定位器108可使用多個交叉相關 矩陣，偵測表示所獲取的衛星的每一訊號突波。在各個具體實施例中，GPS定位器108可由加總多個相關矩陣對於元素的絕對值，並識別加總過程中多個訊號突波中的峰值訊號突波，以偵測每一峰值訊號突波。多個交叉相關矩陣亦可提供獲取衛星的碼相位。

在方塊406，GPS定位器108可基於峰值訊號突波，產生在時間區間內獲取到的衛星數量。GPS定位器108可算出峰值訊號突波的數量，以計算獲取到的衛星數量。

總的來說，技術可讓裝配GPS定位器的電氣裝置，能夠使用存在於室內環境或受GPS訊號衰減影響的其他環境中的弱GPS訊號。使用弱GPS訊號的能力，可讓電氣裝置能夠執行原本無法有效運作的位置管理應用程式。

結論

總結來說，雖然已由特定於結構特徵及(或)方法步驟的語言說明了各個具體實施例，但應瞭解到附加說明書所界定的發明主題，並不限於所說明的特定特徵或步驟。相反的，所揭示的特定特徵與步驟，僅為實施所請發明標的的示例性形式。

100‧‧‧範例方案

102(1)-102(N)‧‧‧GPS衛星

104‧‧‧電氣裝置

106‧‧‧天線

108‧‧‧GPS定位器

110‧‧‧GPS訊號

112‧‧‧碼相位

114‧‧‧位置定位

116‧‧‧GPS訊號

118‧‧‧GPS訊號

Claims (20)

1. 一種由電腦實施的方法，該方法包含以下步驟：掃描步驟，經由一電氣裝置的一天線，在多個方向執行對於全球定位系統(GPS)訊號的循序掃描，在該等多個方向之每一者的該掃描係於一時間區間內執行；分析步驟，分析來自在該等多個方向中的掃描的該等GPS訊號，以決定提供該等GPS訊號的獲取到的GPS衛星的一數量，該等GPS訊號包含該等獲取到的GPS衛星的碼相位；以及計算步驟，回應於決定了該等獲取到的GPS衛星的該數量達到一臨限數量，而基於該等獲取到的GPS衛星的該等碼相位，計算該電氣裝置的一位置，該臨限數量隨著一掃描方向數量增加而增加。
2. 如請求項1所述之由電腦實施的方法，其中該天線為一高增益指向性天線，該高增益指向性天線電氣地及(或)機械地指向該等多個方向。
3. 如請求項2所述之由電腦實施的方法，其中該天線包含一天線元件陣列，該天線元件陣列經相位移位而加強一特定方向的訊號接收並抑制一或更多個其他方向的訊號接收。
4. 如請求項1所述之由電腦實施的方法，其中該等GPS訊號缺少可解碼之定位資料，該可解碼之定位資料包含用於計 算該位置的時間戳記與天文曆資訊。
5. 如請求項1所述之由電腦實施的方法，其中該分析步驟包含以下步驟：對於在該時間區間的多個子區間之每一者內獲取的對應GPS訊號計算一交叉相關矩陣，以產生複數個交叉相關矩陣；使用該等複數個交叉相關矩陣，在該等多個訊號突波中偵測一或更多個峰值訊號突波，每一峰值訊號突波表示一獲取到的GPS衛星；以及基於一峰值訊號突波數量，產生該等獲取到的GPS衛星的該數量。
6. 如請求項1所述之由電腦實施的方法，其中該分析步驟包含以下步驟：將在不同掃描期間內獲取的一GPS衛星，視為不同的獲取到的GPS衛星。
7. 如請求項1所述之由電腦實施的方法，其中該計算步驟包含以下步驟：基於該等獲取到的GPS衛星的該等碼相位，使用一粗略時間導航技術來計算該位置。
8. 如請求項1所述之由電腦實施的方法，其中該臨限數量係界定為2n+3，其中n為所掃描的方向數量。
9. 一種儲存電腦可執行指令的電腦可讀取媒體，該等電腦 可執行指令在執行時使一或更多個處理器執行步驟，該等步驟包含以下步驟：掃描步驟，經由一電氣裝置的一指向性天線，在一第一方向掃描全球定位系統(GPS)訊號；獲得步驟，在一時間區間內獲得來自該第一方向的GPS訊號，該時間區間包含多個微秒；分析步驟，分析從該第一方向獲得的該等GPS訊號，以決定在該第一方向提供該等GPS訊號的所獲得的GPS衛星的一數量；切換步驟，回應於決定了從該第一方向獲得的該等GPS訊號係來自一不足數量的GPS衛星，而切換該指向性天線以在一第二方向掃描GPS訊號，該第二方向不同於該第一方向；以及計算步驟，回應於決定了從該第一方向獲得的該等GPS訊號係來自一足夠數量的GPS衛星，而基於來自在該第一方向中的該等GPS衛星的該等GPS訊號的碼相位，計算該電氣裝置的一位置定位。
10. 如請求項9所述之電腦可讀取媒體，其中該等步驟進一步包含以下步驟：分析從該第二方向獲得的該等GPS訊號，以決定在該時間區間內在該第二方向提供該等GPS訊號的GPS衛星的一數量；決定從該第一方向與該第二方向獲得的該等GPS訊號是 否來自一足夠數量的獲取到的GPS衛星，其中該決定步驟包含將在不同掃描期間內獲取的一GPS衛星，視為不同的獲取到的GPS衛星；回應於決定了從該第一方向與該第二方向獲得的該等GPS訊號係來自一足夠數量的獲取到的GPS衛星，而切換該指向性天線以在一第三方向掃描GPS訊號，該第三方向不同於該第一方向與該第二方向；以及回應於決定了從該第一方向與該第二方向獲得的該等GPS訊號係來自一足夠數量的GPS衛星，而基於來自在該第一方向與該第二方向中的該等獲取到的GPS衛星的該等GPS訊號的碼相位，計算該電氣裝置的一位置定位。
11. 如請求項9所述之電腦可讀取媒體，其中GPS衛星的該足夠數量係界定為2n+3，其中n為所掃描的方向數量。
12. 如請求項9所述之電腦可讀取媒體，其中該指向性天線可被電氣地及(或)機械地操縱，以在多個方向中進行GPS訊號掃描。
13. 如請求項9所述之電腦可讀取媒體，其中該指向性天線包含一天線元件陣列，該天線元件陣列經相位移位而加強一特定方向的訊號接收並抑制一或更多個其他方向的訊號接收。
14. 如請求項9所述之電腦可讀取媒體，其中該等GPS訊號缺少可解碼之定位資料，該可解碼之定位資料包含時間戳記與天文曆資訊。
15. 如請求項9所述之電腦可讀取媒體，其中該分析步驟包含以下步驟：對於在該時間區間的多個子區間之每一者內獲取的對應GPS訊號計算一交叉相關矩陣，以產生複數個交叉相關矩陣；使用該等複數個交叉相關矩陣，在多個訊號突波中偵測一或更多個峰值訊號突波，每一峰值訊號突波表示一獲取到的GPS衛星；以及基於一峰值訊號突波數量，產生該等獲取到的GPS衛星的該數量。
16. 如請求項9所述之電腦可讀取媒體，其中該計算步驟包含以下步驟：基於該等獲取到的GPS衛星的該等碼相位，使用一粗略時間導航技術來計算該位置。
17. 一種電氣裝置，包含：一指向性天線；一或更多個處理器；一記憶體，該記憶體包含複數個電腦可執行部件，該等複數個電腦可執行部件可由該一或更多個處理器執行，該等部件包含： 一天線控制部件，該天線控制部件循序地使該指向性天線瞄準多個方向，以掃描GPS訊號；一衛星獲取部件，該衛星獲取部件分析來自在該等多個方向中的掃描的該等GPS訊號，以決定提供該等GPS訊號的獲取到的GPS衛星的一數量，該等GPS訊號包含該等獲取到的GPS衛星的碼相位；以及一位置計算部件，該位置計算部件回應於決定了該等獲取到的GPS衛星的該數量達到一臨限數量，而基於該等獲取到的GPS衛星的該等碼相位，計算該電氣裝置的一位置，該臨限數量隨著一掃描方向數量增加而增加。
18. 如請求項17所述之電氣裝置，該電氣裝置更包含以下之一或更多者：一位置估計部件，該位置估計部件基於該位置計算部件計算出的多個位置，而導出一估計位置；或一位置管理部件，該位置管理部件進行下列之至少一者：向一遠端伺服器報告該位置計算部件所獲得的該電氣裝置的該位置；或使相關於該電氣裝置的該位置的內容，顯示在該電氣裝置上。
19. 如請求項17所述之電氣裝置，其中該衛星獲取部件將在不同掃描期間內獲取的一GPS衛星，視為不同的獲取到的GPS衛星。
20. 如請求項17所述之電氣裝置，其中該等GPS訊號缺少可解碼之定位資料，該可解碼之定位資料包含時間戳記與天文曆資訊，且其中該位置計算部件基於該等獲取到的GPS衛星的該等碼相位，使用一粗略時間導航技術來計算該位置。