TWI335445B - Satellite positioning system receivers and methods - Google Patents

Description

1335445 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於衛星定位系統（satellite positioning system ; SPS)接收器，更特定言之係關於獲取用於估計SPS 接收器之初始位置並定位SPS接收器的衛星資訊，例如致動 全球定位系統（Global Positioning System ; GPS)的行動無線 通信用戶端裝置，及其方法。 【先前技術】 全球定位系統（Global Positioning System ; GPS)係由美國 政府發展的基於衛星位置及時間傳輸系統，對所有使用者 免費。其他衛星定位系統（satellite positioning system ; SPS) 亦已經或正在發展，包括俄羅斯的Glonass衛星系統及歐洲 的伽利略系統。 SPS接收器之位置係根據SPS接收器與數個衛星（其發射 具有傳輸時間及用於個別時間可變空間位置之執道參數的 信號）間的單向測距。SPS接收器藉由將内部複製信號與載 波頻率及用於數個可見衛星之每個之可區分編碼相關聯來 獲取衛星信號。當已獲取衛星信號，SPS接收器使用來自獲 取衛星的時間及軌道參數資訊測量衛星範圍，較佳地係四 個或更多衛星。該等測量範圍稱為虛擬距離，因為其包括 由SPS接收器時脈之時間誤差引起的項目。 SPS衛星虛擬距離藉由決定接收衛星信號之偽隨機 (pseudorandom ; PRN)編碼與參考SPS接收器時脈之内部複 製PRN編碼間的相位偏移來測量《—些SPS接收器測量並整 93833.doc 1335445 合衛星信號之載波相位，以便減少測量之相位偏移上的雜 訊。SPS接收器接著藉由監視SPS信號直至解碼T〇w糊而決 定基於SPS之時間。基於SPS之時間係用於決定測量相位偏 移之時間。然後測量時間與從衛星接收的星曆資料一起用 於計算數個衛星的即時空間位置及線性化將計算的空間位 置與測量之虛擬距離相關的位置等式。如四個或更多衛星 分別具有四個或更多線性位置等式，SPS接收器可分辨其3 維地理位置並校正其内部時脈内的時間誤差。 眾所周知的係使用儲存於SPS接收器上的年曆及星曆資 訊來加快衛星之獲取。年曆資料包含衛星動作開普勒等式 係數，並且可用於計算在特定時間可看到哪些衛星。年曆 資料亦可用於計算衛星位置及速度向量，可根據其計算用 於辅助信號獲取的衛星多普勒估h年曆諸提供低解析 度衛星位置精確度，其較新時通常不優於大約1千米。然而 年曆資料包含較少量位元組，32個衛星大約12〇〇位元组， 年曆資料可使用6個月至牌，取決於衛星是否重新定位或 新衛星^增加或從分佈移除。GPS分佈中’每個衛星以十 又一 /刀之一分鐘週期廣播用於全部Gps衛星的年 料，其每隔數天更新一次。 ' 星曆貝料與年曆貧料相似’但提供更精確的衛星位置資 § ^星層資料的陳舊程度不超過數小時其可精確至數米 内。從星曆資料得出的衛星位置資訊之精確度隨時間降 接收11通常使用星曆資料來計算準確衛星位置，其 與S p S接收器測量之虛擬距離資訊組合時可用於位置; 93833.doc 1335445 算。用於一個衛星的GPS分佈星曆資料組大約係72位元組 的資料’因此用於全部32個GPS衛星的星曆資料需要大約 2304位元組的資料儲存空間。Gps分佈中，每個衛星每隔 三十秒廣播其本身之星曆資料。81>8接收器必須獲取衛星以 便獲得其星層資料。 典型GPS接收器中，例如致動GPS之蜂巢式通信及獨立導 航裝置中，直接從衛星獲取新年曆資料之時間需要多於十 二又二分之一分鐘（12·5分鐘）。將Gps接收器操作直接從衛 星獲得年曆資料所需要的較長週期實質上從電池汲取實質 電荷，電池在許多應用（包括致動GPS之蜂巢式電話）中不合 需要。依此方式獲得星曆資料所需之時間較短，大約為三 十秒（30秒）。 應瞭解以空中無線電訊息向致動Gps之無線電通信裝置 k供年曆資訊，如標題為「使用通信鏈路之GpS接收器」 的美國專利第6,064,336號及其他專利及公開案内所揭示。 然而一些實例中，使用年曆資訊或以空中訊息獲得年曆資 訊並不合需要。 亦應瞭解以空中無線電訊息向致動GPS之無線電通信裝 置提供星曆資訊’如Motorola Eagle GPS接收器所執行。先 前技術圖1中，使用空中通信協定將GPS衛星星曆及年曆資 訊10從蜂巢式通信網路基地台12發送至無線用戶端裝置 14。無線用戶端裝置14包含具有天線的GPS接收器16、蜂 巢式收發器20及儲存於記憶體中以儲存星曆資料22及年盾 資料24的兩個資料庫。GPS接收器16可經由天線18直接從 93833.doc 1335445 GPS衛星獲取年曆及星曆資料，並將其儲存於年曆資料庫 24及星曆資料庫22。此外，蜂巢式收發器20可經由空中訊 息從蜂巢式網路獲取新年曆及星曆資料10。 然而在通信鏈路上發送衛星年曆及星曆資料需要昂貴的 網路基礎設施。另外，星曆及年曆資料之傳送需要較長的 資料並且請求並儲存從空中訊息得出之資料的管理較 麻煩。其他GPS接收器應用（包括車輛導航）不包括無線電， 其可用於接收空中輔助訊息。由於該等及其他原因，至少 在一些應用中，從空中辅助訊息獲得年曆資料並不合需要。 標題為「整合入行動終端機之位置偵測系統」的美國專 利第6,437,735號揭示在行動GPS接收器直接從GPS衛星或 從無線通信網路接收星曆資料’以及藉由縮放及遮蔽星曆 參數以形成對應年曆參數（其儲存於用於定位決定之GpS接 收器上）而將星暦資料轉換至年曆資訊β咸信依此方式得出 之年曆資料具有實質誤差，例如’沿循跡方向的累積誤差， 其可能在極長時間週期内產生無法接受的結果。 經由仔細考慮本發明以下結合附圖的詳細說明，熟習技 術人士將更完整理解本發明的各種觀點、特徵及優點。 【發明内容】 依據本揭示内容的一方面，衛星定位系統（sateUite positioning system ; SPS)接收器在sps接收器連接至外部電 源（例如電池充電器或車用整流器）的任何時間自動獲取或 嘗試獲取年曆資料《此操作模式中，當連接至外部電源供 應時’ SPS接收器連續操作GPS接收器以解調變年曆資料或 93833.doc 其他資訊，例如來自直接從衛星或從一些其他來源接收的 信號。 【實施方式】 圖2中，蜂巢式手機22〇内的GPS接收器21〇經由Gps天線 232直接從GPS衛星230獲取衛星導航資料。接收後，衛星 導航資料，例如年曆及/或星曆資料，儲存於記憶體内，例 如星曆資料庫234及年曆資料庫236内。只要經由外部充電 器連接器240從外部向手機施加電源，Gps接收器21〇連續 通電並嘗試解調變直接來自Gps衛星23〇的星曆及年曆資 枓。外部電源可來自電池充電器 '點煙器配接器、免提汽 車整"IL器或向整個電話供應電源之類似外部電源供應，而 非來自SPS接收器内部之電池。 圖3之程序圖300中，在步驟31〇中，決定是否將sps接收 器（例如嵌入蜂巢式用戶端裝置内）連接至除内部電池外的 電源供應。在步驟320中，若接收器耦合至外部電源供應則 接收衛星導航資訊《可直接從衛星或者替代地從一些其他 來源接收衛星資訊，例如星曆及/或年曆資料，而與電池功 率/肖耗無關，因為接收器並非在電池電源上操作。在步驟 330中，衛星導航資訊儲存於接收器上，例如，記憶體中β 一項具體實施例中，衛星定位系統導航資料之接收在接 收器連接至除電池外的電源供應時開始。通常，若接收器 重新連接至其電池則停止衛星定位系統導航資料之接收。 ‘、’、而一些具體實施例中，可能需要在重新連接§?3接收器至 “電池後繼續SPS導航資料之接收，直至完成導航資料之接 93833.doc 1335445 枚。一些具體實施例中，僅在接收器麵合至外部電源時直 接從衛星下載導航資料，例如年曆資料。 圖3中，在步驟340,決定電池電源是否已重新連接例 如在斷開外部電源後。若在步驟35〇衛星資料之下載未完 成，則在步驟360決定是否滿足在電池電源下需要下載之完 成或使之合理的狀況。步驟36〇評估的狀況可以係下載資料 較重要或下載幾乎完成，例如其可藉由評估是否已接收預 疋部分或百分比的導航資料來決定。圖3中，在步驟 若未滿；1狀況則結束下載，在步驟，若収狀況則完成 下载。 依據本發明之另-方面，SPS接收器與期望的資訊（例如 衛星年曆及/或星層資訊）到達時間同步地操作。如此操作， SPS接收器不接收資訊時不會保持閒置並消耗功帛。圖4說 明具有即時時脈之示範性SPS接收器的示意方塊圖，其與期 望的資訊到達時間同步地控制Gps接收器操作。 圖5係示範性多訊框信號，例如Gps導航訊息，儘管該訊 心可為任何其他信號。以可預測排程發射Gps信號，從而 GPS接收器獲取Gpsk號後可同步化其操作，以便僅接收信 號中所關注的資訊。圖5中，例如，Gps接收器之接收功能 在訊框SF1至SF3的到達過程中斷電，（^^接收器之接收功 月b在訊框SF4至SF5的到達過程中通電，以便提供期望資料 年層之接收及解調變。已知年曆資料僅佔據子訊框4及5， 不會佔據子訊框1至年曆資料在25個連續組之子訊框4 及5上換向，以便廣播年曆資料。圖5所示之資料結構從該 93833.doc 1335445 星期之開始與母3 0秒紀元同步地開始。因此，自星期之開 始，子訊框1之第1位元的時間始終在3〇秒之某整數倍發送 (η * 30秒）〇同樣，已知自星期之開始，子訊框2之第丨位元 6秒後開始，或者在時間Τ = η * 3〇 + 6秒。自星期之開始， 子訊框3開始於Τ = η *30+ 12秒，子訊框4開始於τ = η* 3〇 + 18秒，子訊框5開始於τ = η * 3〇 + 24秒。因此若Gps 接收器即時時脈先前與較精確時間同步化，其可程式化為 在子訊框4之開始通電，並在子訊框5之結束斷電，僅解調 變用於該等子訊框之位元並獲取新年層資料，同時將其功 率消耗減至最小»冑得-版完整的年層t料需要25組子訊 框4及5。一項具體實施例中，Gps接收器接收導航資訊同 時對衛星進行循跡。 一項具體實施例中，GPS接收器與GPS導航訊息（由GPS 衛星或其他來源發送’如中繼器）内的星曆及/或年曆資訊之 期望到達同步地操作。其他具體實施例中，Gps接收器與 時脈校正資訊、電離層校正資訊、對流層校正資訊、通用 時間座標偏移校正資訊或其他具有排程到達時間的資訊之 期望到達時間同步地操作。 通常，接收功能停用的時間週期中（^^接收器可執行其 他操作，例如在圖5之訊框SF1至SF3的到達過程中。更特定 言之’在GPS接收器不接收的週期中，可操作⑽接收器以 處理先前接收的信號。

NavStar文件ICD_GPS_2〇〇第三修正版，^卯年⑺月 更新〃 α提及方式整體併入本文中，在第至％頁列出 93833.doc 12· 1335445 星曆參數，並在第108頁列出年曆參數。 衛星年曆資料可用於計算獲取辅助資訊，例如衛星多普 勒及編碼相位估計及與時間成函數關係的衛星可見度估 計。年曆資料在一特定紀元時間内加以訂製或最佳化。紀 元時間藉由參數TOA(年曆時間，其係作為進入星期之秒數 說明的紀元時間）以及年曆星期數WNA識別。GPS時間時脈 及星期數開始於1980年1月5日的星期數零及時間零，星期 數每周星期遞增一個計數，1024星期後翻轉，而GPS時間 時脈每秒遞增一秒，在下一星期之開始清除。每星期累積 604800秒。年曆星期數WNA及TOA以大約256星期週期之年 曆星期數準確識別用於年曆之參考時間。年曆星期數係產 生256星期重複時間之10位元GPS星期數的8位元。用於決 定衛星位置對時間的年曆等式由時間差異驅動，其係目前 時間與TOA間的秒時間，亦處理星期數差異。等式（1)中顯 示如何以年曆完成此的記號，其中對於特定衛星「sv」，一 函數將年曆轉換至與時間「t」、星期數「wk」成函數關係 之地球中心地球固定（earth-centered-earth-fixed ; ECEF)座 標框架内的3維衛星XYZ位置向量，且其中函數S VPOS_alm 使用上述年曆衛星位置等式。 SVPosXYZ_alm[sv] = SVPOS_alm(t, wk, sv)(l) 3 維向量 SatPosXYZ_alm 可寫為 SVPosXYZ_alm = [SVPosX，SVPosY, SVPosZ]，其中 SVPosX成分係 X軸元 件，SVPosY係Y軸元件，SVPosZ係Z軸元件。以下等式（2) 中顯示年曆等式轉換時間及進入衛星速度向量的星期數° -13· 93833.doc i 1335445 SVVelXYZ_alm[sv] = SVVEL_alm(t, wk, sv)(2) 返回速度向量係ECEF笛卡兒座標系統内的3維向量，其 指示在即時時間紀元「t」的衛星速度。 衛星星曆資料亦在特定紀元時間内定為目標並最佳化， 稱為星曆時間，或TOE。星曆資料可用於計算精確至數米 内的準確衛星位置資料，前提係目前時間「t」與TOE間的 時間差異在正常狀況下係+/- 2小時内。當時間t及TOE間的 差異在範圍-7200秒<=t-TOE <= +7200秒内，星曆資料可 靠地將衛星位置向量及速度向量資料計算至使用者位置及 速度計算所需要的精確度。當時間在範圍-7200秒<=t-TOE <=+7200秒外，衛星位置精確度降級且星曆資料通常無法 用於自動位置解。 與年曆資料相同，舊或不精確星曆資料可用於計算獲取 辅助資訊，例如多普勒及編碼相位估計及與時間成函數關 係的衛星可見度估計。t-TOE時間差異越大，衛星位置與速 度座標内的誤差越大。以下等式（3)及（4)内顯示說明星曆發 展位置及速度資料的等式。 SVPosXYZ_eph[sv] = SVPOS_eph(t, wk, sv) (3) SVVelXYZ_eph[sv] = SVVEL_eph(t, wk, sv) (4) 使用的衛星位置及速度等式如ICD-GPS-200文件之表 20-IV内所述。 一項具體實施例中，對於相同衛星及在相同時間「t」， 從星曆資料得出的衛星位置與從年曆資料得出的比較。例 如，以下等式（5)表示3維差異向量。 93833.doc -14· 1335445 apxyz[sv]叫 SVP0S_eph(t，wk，sv) _ svp〇s aim(t，純 SV) 1(5) ’ 表7F年曆得出位置與星曆得出位置間的線性範圍差異， 其中大小操作者I . I係用於三個向量差異元件之每個的平 方和之平方根的快捷記號。 圖8說明與星曆及㈣請年齡成函數㈣之等式（5)所 述衛星位置向量的差異生長。對於特定紀㈣間之⑽分 佈内的全部衛星’圖8之\轴表示年曆/星歷年齡天數，而Y 軸表示衛星位置向量差異’即等式（5)。在天數零，收集用 於整個⑽分佈的新年曆及星曆。當年曆及星曆較新(天數 〇、1、2)，衛星位置差異較小，處於丨至2 等級。隨著資 料組變舊，大約1()〇天後從星盾得出的衛星位置與年層比較 的差異生長為不大於_ kme大多數差異係由於來自星層 資料而非來自年曆資料之衛星位置内的誤差生長，因為I 弦及餘弦校正振幅包括於緯度、軌道半徑及傾斜角度距角 〇。與20’1〇〇]〇„至28,5〇(^111之使用者至衛星距離相比，衛 星位置向量内300 knvfe置誤差與使用者至衛星距離的幾何 形狀相比極小（距離向量之1/67至1/95)。因此，說明與時間 成函數關係的特定衛星之方位角及仰角的衛星可見度等式 之誤差不大於大約1至2度。 曰9顯示年齡從其「新」狀態（天數=〇、1、2)至較舊1〇〇 天之星曆與年曆資料間的衛星速度向量差異。大多數衛星 速度向里差異係沿循跡方向，但亦可在使用者至衛星單位 向置之方向内，其意味著直接向預測的多普勒誤差轉換。 93833.dc 1335445 大約_天後，最壞情形之速度向量差異係小於每种 右速度誤差係全在使用者至衛星單位向量之方向内則1轉 換至大約183 Hz的預測多普勒誤差’其係低可能性产形 圖9顯示的大多數差異係㈣老化星曆資料，而非老^磨 貧科。錢取演算法考慮由於老化星曆資料引料多普勒 不確定性中的幾乎線性之生長，具有i⑽天齡星層資料之預 測多普勒足以獲取衛星。例如，獲取演算法可修改與大約 星歷年齡成函數關係的多普勒不確定性，例如Du = 183 Hz *天數/_’並根據儲存的星曆資料隨老化相應地擴展多普Z 勒搜尋空間。 圖10及11說明與目前早8〇天之年盾f料相比的目前星潛 資料（天數=0)之衛星位置及速度差異關係。當卜_8〇天，捕 獲新年曆資料並將之儲存於記憶體内。當t=〇天，收集新星 曆資料並將之與較舊年曆資料比較。收集星曆資料後，可 沿時間向後顯示位置/速度差異，即從T = _8〇天（年層較新， 星曆舊-80天）至T = 0天（星曆較新，年曆舊8〇天）。當年曆位 置及速度與星曆位置及速度比較，以及當時間T在精確星歷 ^間週期-7200秒<=t-TOE <= +7200秒内時，此可提供80 天老化後的年曆資料性能直接對比。零天數時（x轴），星曆 資料最精確且老化年曆係大多數位置/速度差異之來源。圖 1 〇指示即使在80天老化後，年曆資料仍返回40 km内的位置 資料’速度精確性在大約每秒5米（圖11)真值内，真值資料 由新星曆資料決定。 圖10及11中，曲線1〇〇〇、1002、1004及1006表示用於四 93833.doe -16 - 1335445 衛星群組之誤差對時間，其位置及速度誤差實質上大於分 佈内的其他24個衛星^ GPS分佈内的衛星週期性地重新定 相或移動至軌道内，以重新對準用於最佳涵蓋範圍的軌 道。因此’圖10及11中’對應於曲線1000、1〇〇2、1〇〇4及 1006之衛星已在年曆及星曆資料獲取間的8〇天内之某時間 重新定相於軌道内。因此舊軌道由「舊」年曆資料捕獲， 同時「新」軌道由「新」星曆資料捕獲。因此，在年曆與 星曆資料的重新定相衛星位置及速度比較内存在實質上很 大的位置及速度誤差。隨時間可偵測到此誤差遠大於正常 誤差生長，亦可藉由遠大於舊年曆衛星位置/速度資料（與較 新星曆衛星位置/速度資料相比）内期望者之誤差偵測到特 定衛星已重新定相於軌道的事實。儲存的年曆資料應可能 以新年曆取代，或者簡單地使用新聚集星曆資料來獲取衛 星》由於大估計多普勒誤差，嘗試使用舊「預先定相」年 曆或星曆資料獲取「重新定相後」衛星可能造成衛星偵測 故障。 依據本揭示内容的另一方面，正常使用中sps接收器經由 蜂巢式網路空中協定訊息或直接從GPS衛星下載星層，以 便計算sps接收器的精確位置解。當獲得新星歷時，sps接 收器比較先前儲存的年曆資料精確性與新星曆資料，並根 據誤差臨界值決定是否以星曆資料取代衛星年曆資料或直 接從衛星收集新年層。 一些具體實施例中’可嵌入通信裝置的SPS接收器儲存用 於每個衛星之年曆及星曆資料，並比較儲存的年曆資料精 93833.doc -17· 1335445 與儲存的較新星層資料，以及根據年曆及星層資料之 曾2性或误差及/或年齡決定用於每個衛星獲取辅助計 儲广帛貝料或星層資料。另一具體實施例中，SPS接收器 或於分佈内每個衛星的年層及星暦資料，並從最精確 ㈣二年：或星層資料，計算辅助資料”吏用辅助資 特疋衛生的故障會觸發從無線網路請求用於非獲取 訂星的新星曆》另-具體實施例中，sps接收器儲存用於在 7200秒<=t_TOE <= +72〇〇時間週期外的時間產生衛星声 ^辅助之星曆資料。當輔助資料内的期望誤差大於臨界值 % ’無線手機請求用於特㈣星之新星曆。另-具體實施 例中，SPS接收器儲存用於在-7200秒 <=卜TOE <= +72〇〇 時間週期外的時間產生衛星獲取辅助之星曆資料。當星歷 t齡超過特定臨界值，之後辅助資料變得不精確，後入通 U置之GPS接收器請求用於特定衛星的新星層。 依據本揭示内容的另—方面’決定儲存於衛星定位系統 接收益的用於至少—個衛星之星曆資料不再可用於產生衛 f獲取辅助資料後’衛星定位系統接收器不嘗試獲取衛 星，SPS接吹器週期性更新星曆資料，例如從通信網路或直 接從衛星’同時衛星定位系統接收器不嘗試獲取衛星，直 至衛星定位系統接收器已接收用於至少—個衛星的更新星 曆資料。-項具體實施例令’更新星盾資料，同時衛星定 位系統接收器不嘗試獲取衛星，直至衛星定位系統接收器 已接收用於全部衛星的更新星曆資料。 依據本發明另-方面，決定儲存於衛星定位系統接收器 93833.doc 1335445 之星曆i料過期後，衛生定位系統接收器決定使用過期星 曆資料可看見敎衛星，而不嘗試以衛星定㈣統接收器 獲取衛星，以及用空中訊息請求用於相同衛星的目前星曆 資料，而不嘗試以衛星定位系統接收器獲取衛星。依據本 揭不内容的另一方面，衛星定位系統接收器決定星曆資料 過於不精確，以致無法藉由使用儲存的星曆資料嘗試獲取 衛星來獲取衛星。若星曆資料不精確，則用空中訊息請求 精域星曆。 依據本揭示内容另一方面，從獲自星曆資料之至少一版 的資訊產生低解析度衛星軌道資訊。一些具體實施例中， 從獲自至少一版星曆之資訊得出的低解析度衛星軌道資訊 具有足以計算衛星位置及速度資訊的解析度位準。衛星位 置及速度資訊可用於決定衛星多普勒估計及不確定性範 圍，其可用於藉由SPS接收器的初始衛星獲取。其他具體實 知•例中得自至少一版星曆資料的低解析度軌道資訊實質 上與年曆資料相同。因此低解析度衛星軌道資訊可用於不 具有先前儲存年曆資料的SPS接收器，以及先前儲存年曆資 料已丟失、損壞或過期的接收器中。此程序亦可消除直接 從衛星或從空中訊息獲得年曆資料之需要。一些SPS接收器 中，儲存年曆資料或在接收器上及時儲存年曆資料對接收 器製造商來說不現實。該等及其他實例中，需要在SPS接收 器上產生低解析度衛星軌道資訊。 通系，至少為衛星獲取目的，從星曆資料組可提供對年 曆參數的良好接近，其係藉由使用與緯度、執道半徑及傾 93833.doc -19 · 1335445 斜角度距角之正弦及餘弦校正振幅無關的星曆資料並將軌 道計算限於以下原始星曆參數内： M〇 -參考時間平近點角； e -離心率； (A)1/2-半主轴平方根； (OMEGA)。-升交點經度； i〇 -參考時間傾斜角度； ω -近地點距角； OMEGADOT -赤經率；以及 IDOT -傾斜角度率。 通常可接受的係實質上在+Λ 2小時間隔外的時間週期中 為衛星獲取目的使用星曆資料，例如1〇〇或更多天。 圖6說明用於從來自相同衛星之至少一版星曆資料產生 較低解析度衛星軌道資訊的程序eSps接收器有時從相同衛 星獲得多版星曆資料EPH1 6〇1、EpH2 6〇2、咖3咖及 EPH4 604,例如結合SPS接收器位置解。星層資料可直接 從SPS衛星獲取，或者其可從一些其他來源請求，例如經由 空中訊息從輔助基地台請求。星曆資料序列版間的間隔可 為數星期或數月’取決於從其得出的低解析度衛星軌道資 訊所需解析度，儘管可替代使用較長或較短㈣間隔。星 曆資料版間的間隔較佳的係超過任何特定星曆版之有效時 間週期’例如TOE +/· 2小時。 多版星層資料係在SPS接收器操作正常過程中獲得，例如 當需要用於決定接收ϋ之位置歧料。@此，通常不需 93833.doc •20- 1335445 要特別配置SPS接收器資源以獲得用於產生低解析度衛星 軌道資訊的唯一目的之星曆資料，因為星曆資訊通常係獲 取來用於其他目的。然而一些實例令，可能需要特別獲得 用於產生或更新低解析度衛星執道資訊之解析度的星曆資 料，例如以確保得出的低解析度衛星執道資訊具有需要的 解析度。

圖6中’步驟610計算基於星層之衛星位置及速度。衛星 位置向量（SVP0SXYZ_eph[sv])及衛星速度向量 (SVVelXYZ一eph[sv])係基於對應星曆資料的特定時間紀元 處SPS位置決定之非自然信號。較佳的係，對於每個星曆資 料組，至少一個衛星位置及速度向量座標對儲存於sps接收 器上的資料庫内，如步驟612所示。更特定言之，儲存的參 數包括衛星位置向量SVPosXYZ 一 eph[i]、衛星速度向量 SVVelXYZ一eph[i]、衛星識別（SVID[i])、與衛星位置/速度 資料相關聯之時間（TOW[i]) ' GPS星期數（Wn[i])及選擇性 的星歷時間（Τ0ΕΠ])。索引⑴指示用於特定參數、範例之資 料庫内的項目編號；svid[i]指示用於該項目之對應衛星 ID。T0E[i]可代替TOW儲存，前提係在T〇E時間而非T〇w 時間計算衛星位置及速度。正常位置計算函數實際上不可 能在準確的TOE時間計算時間，因此更實際的係儲存與衛 星位置/速度資料的計算時間相關聯之Tow時間。在不使用 基於星曆的衛星位置及速度函數之額外呼叫的應用中，可 避免TOE之儲存。若可容許基於星曆的衛星位置及速度函 數之額外呼叫，可避免tow⑴之儲存，從而可容易地在T〇E 93833.doc •21· 1335445 時間計算位置及速度座標，其可簡化資料庫，因為tow時 間將作為TOE時間儲存’由於係整數表示其所需位元較 少。若每天使用SPS接收器，邏輯可以某週期性速率儲存資 料，例如每星期一次。若使用圖案更稀疏，例如一年一次， 則獲取的每個星曆資料組可用於更新儲存的年曆參數。 圖6中，步驟614處，衛星軌道資訊藉由直接曲線擬合函 數獲得’其從與時間成函數關係的複數個衛星位置向量及 速度向量形成衛星位置曲線及衛星速度曲線。刻蔔勒軌道 元件计算可以傳統方式決定。從衛星位置及速度資料點計 算刻蔔勒軌道元件之範例從Bate、Mueller及White所著「宇 航動力學基本原理」第61頁開始說明，1971年由多佛出版 公司出版。衛星軌道資訊在步驟618儲存並且稍後用於獲取 辅助產生。 一些具體實施例中，為至少一個衛星接收對應複數版星 曆資料之部分’例如，消除正弦及餘弦諧波項以便在星曆 軌道等式中移除此長期誤差來源。此可藉由設定對緯度、 轨道半徑及零傾斜角度之距角的正弦及餘弦校正振幅來完 成。 一些具體實施例中’為方便起見步驟614決定的衛星軌道 係數係轉換至年曆資料解析度及格式。不必將決定的衛星 軌道係數縮放至由GPS衛星發送之相同數量的位元及比例 因子。縮放使直接從GPS衛星或衛星軌道係數獲得的年曆 資料可藉由將衛星轨道係數轉換至年曆資料格式及解析度 而儲存於相同保持暫存器内。同樣，複數版星曆資料之精 93833.doc •22· 1335445 確度可減小至與用於相同衛星之年曆資料相當的解析度位 準’如美國專利第6,437,735號内所述。 依據本揭示内容的另一方面，根據基於星曆之衛星位置 及速度資訊與基於年曆之衛星位置及速度資訊内的差異偶 爾更新儲存於SPS接收器之年曆資料。此策略消除了下載更 新版本之年曆資料的必要性。 製造過程中年曆資料最初可儲存於SPS接收器上的記憶 體中，例如經由工廠裝運前的串列埠連接。或者，當最初 父付給使用者時，年曆資料可安裝於SPS接收器内，例如在 致動SPS之蜂巢式電話致動後。年曆資料亦可直接從sps衛 星獲得，例如使用上述同步方案，或藉由需要至少125分 鐘連續衛星循跡的傳統方式，若未耦合至外部電源其實質 上可汲取手機電池。然而依據本揭示内容的此方面，僅需 要獲得一次年曆資料’而不論獲取方式。 此方案利用SPS接收器偶爾獲取用於接收器位置計算之 新星曆資料的事實。星曆資料可在大約3G秒的連續循跡中 直接從SPS衛星獲取，或者可經由從辅助SPS基地台或從— 些其他來源設定的空中訊息請求。 圖7中，SPS接收器有時從相同衛星獲得多版星曆資料 EPH1 701、EPH2 702、EPH3 703 及 EPH4 704，例如結合由 以上結合圖6說明之某時間間隔分離的sps接收器位置解。 如上所述，位置計算之非自然信號係在基於新星曆資料之 特定時間紀元用於每個衛星的衛星位置向量 (SVPosXYZ_eph[i])及衛星速度向量（SVVelXYz_eph[i])資 93833.doc •23· 1335445 訊。圖7中’在步驟712儲存衛星位置向量 svp〇sxyz一eph[i]、衛星速度向量 SVVelXYZ_eph[i]、衛星 識別（SVID)、與衛星位置/速度資料相關聯之時間’ (TOW[i])、GPS星期數（wn[i])及選擇性的星歷時間 (TOE[i]) ’如以上相對於圖6所述。 包括星曆資料（TOE)前後兩小時的時間部分中，即toe 2小時’星曆資料建立較真實衛星位置及速度向量，因 此當與用於相同時間紀元之年曆得出衛星位置及速度向量 鲁 資料比較時，在TOE +/- 2小時範圍間或内的時間紀元從新 星曆資料得出的任何衛星位置/速度資料可用作「真值模 型」。隨著儲存的年曆資料老化，星曆與年曆得出位置及速 度向量間的誤差生長至某不可接受之限制。差異亦稱為位 置及速度殘餘，可用於計算對最初儲存之年曆參數之調 · 整’以便減少年曆產生之誤差。 程序通常比較年曆得出衛星位置及速度資訊與從目前星 曆資料得出之衛星位置及速度資訊，並根據比較得出用於 鲁 目前年曆參數之校正。校正用於更新為未來獲取（例如，目 前星曆資料適用性視窗外部的獲取）儲存新參數的年曆參 數（new_param = 〇ld_param +校正）。 發展用於數個衛星之數個目前及過去衛星位置座標的資 料庫後，可測罝年曆資料誤差。圖7中，步驟72〇儲存的年 曆資料及步驟712儲存的SVID[i]、T〇w[i]及Wn[i]參數用於· 以基於年曆之衛星位置及速度計算器722計算基於年曆之 衛星位置SVP〇sXYZ_alm[i]及速度SVVelXYz—心⑴座 93833.doc 24· 1335445 標。在由用於每個衛星（SVID[i])之TOW[i](從步驟712獲得） 指示的時間計算年曆位置及速度資訊。於步驟724中儲存基 於年曆之計算結果。 圖7 t ’在步騾730計算衛星位置及衛星速度向量内的差 異。明確地說，APXYZ[iI = SVPOS_eph(t，wk，SV)- SVPOS_alm(t，wk，sv)表示基於目前衛星星層及老化年曆位 置之3維位置差異向量，△VXYZ[i] = SvVEL_eph(t wk sy SVVEL—alm(t，wk，sv)表示基於目前衛星星曆及老化年曆 速度之3維速度差異。為在步驟712及724儲存於資料庫中的 每個衛星§十异殘餘並將其儲存於資料庫内。 位置及速度殘餘資訊可用作誤差信號，其可用於校正老 化年層資料。圖7中，步驟734處，根據殘餘大小，在對應 於真值模型資料庫内樣本的時間間隔期間由函數調整原始 年曆之參數》年;|軌道參數的每次調整後，可重複程序， 為每個衛星建立新殘餘組。 一項具體實施财，程序使料小平方⑸邮如⑴； 叫計算，或者其可疊代地執行，以便將疊代數量減至最 小。若使用LS計算方法，最好透過計算及衛星之偏導數及 關於軌道參數之位置誤差向量來解決問題，即包含模擬第 順序、潛在敏感度4可藉㈣試每個年層參數之敏感 度並根據殘餘内主要誤差之方向調整每—個來執行。 例如’若大多數誤差係沿循跡方向，則應調整平均動作 參數，以便將隨後疊代上的沿循跡誤差減至最小 位置誤差内的實質線性誤差生長很大程度上可起因二單一 93833.doc -25- 1335445 軌道元件的錯誤陳述，即衛星平均動作。此 其發生實際動作)之圓周内的衛1投影心= 率’並且與星層内的兩個參數有關，半 勺動作校正△!!，皆出現於以下等式中： 丁 ⑹ (7) M = n(t-tp) η = νμ/&3 + Δη 、，其中1」表不時間，「tp」表示近地點通過時間 平均動作，「M」係外切圓周内的角度，且其中「 重力常數》 若提供與目前星曆比較之年曆的沿循跡誤差成分測量， 可藉由調整年曆㈣之平均動作參數產生校正，從而減少 其主要誤差成分。亦可根據殘餘誤差向量之方向及大小調 整其他參數。 隨著程序繼續更新健存的年層資料，較新位置及速度資 訊取代儲存於記憶體中的基於較舊星曆之資料，以便測量 誤差之程序主要基於未來收集的相對於年曆資料日期較新 之星曆資料。因此程序隨其相對於真值星曆老化而測量儲 存年曆之誤差生長。每個衛星某最小數量之儲存資料需要 在記憶體中收集。 一些實例中，不可能更新年曆資料，例如在未充分藉由 疊代減少殘餘的情形中。該等實例中，可能需要從上述星 曆資料獲取新年曆資料或產生低解析度衛星資訊。 可導致殘餘收斂的情況包括儲存於資料庫的衛星位置及 速度歷史資料之時間訊框内的國防部（Department 〇f 93833.doc -26 · 1335445

Defense; DoD)衛星軌道變化（即軌道重新定相），例如EpH2 與EPH3時間之間。由於EpH2與EPH3位置及速度資訊收集 間的時間訊框可較長（數星期或數月），無確定方法可得知衛 星是否已重新定軌。-項具體實施例中，儲存指示衛星執 道疋否已改變的星曆資料參數。可儲存以偵測衛星軌道内 顯著變化（例如太空船重新定執過程中可發生的）的參數範 例包括任何-或多個以下星層參數及其他用於偵測衛星軌 道顯著變化的參數： M〇 -參考時間平近點角； e -離心率； (A)"2-半主軸平方根； (OMEGA)。-升交點經度； i〇 -參考時間傾斜角度； 近地點距角； OMEGADOT 赤經率；以及 IDOT -傾斜角度率。 對於每個該等參數，可建立期望保護頻帶，基本上係在 未，生重新定轨事件情況下可包括下一期望參數值的最小 及最大值。當獲取下一星曆資料組時，例如從蜂巢式網路， 每個新參數可按基於先前星層資料歷史的其期望保護頻帶 把圍來測試°若任何上述參數超過其期望最大或最小值， Γ能發生重新定執操作’因為對此特定衛星觀察到最後 生曆组。該等情況下，需要取代從來自重新定轨衛星之星 層貢料得出的任何儲存衛星位置及速度資料。 93833.doc •27- 1335445 特定手機必須週期性地用於定位，以便手機可獲得用於 獲取或可見衛星的全部星曆資料之副本，從而在内部計算 精確位置解。因此，根據特定手機之使用圖案，其使用頻 率可足以更新儲存的年曆或低解析度衛星軌道參數，或者 其使用頻率可使年曆或低解析度衛星軌道參數過期。需要 更新年曆資料或低使用圖案手機内低解析度衛星軌道參數 的某種方法。 GPS分佈内的衛星係在大約12小時週期軌道内，其每天 進動大約4分鐘。此意味著相同衛星23小時又56分鐘後（並 非24小時）出現於天空相同點。分佈内每個衛星在該天内不 同ap分中升起及落下。每星期使用一次的手機，例如在本 地時間8 AM ’會獲得用於在該時間可見的衛星之新星曆， 但不會獲得用於分佈内其他衛星的星曆。此係因為蜂巢式 AGPS辅助内的空中協定訊息傳輸新星曆資料至僅用於在 使用者近似位置目前可見的衛星之手機。由於可見衛星之 分佈於鄰近星期間的8 AM並無過大不同，手機僅反覆獲得 用於相同衛星之新星曆，直至分佈相對於使用者本地時脈 緩陵％轉。因此，分佈内其他衛星可能要花許多月變成對 手機可見，因為其在本地時間8 AM對手機不可見，並且許 夕月内在該時間皆不可見。因此，本文揭示之方法可能頻 繁更新特定數量之衛星，而很長時間不更新其他衛星，因 為未更新的衛星位於相對於使用者使用圖案的不同可見度 排程。 計數此老化率差異的一種方法係將手機程式化以便識別 93833.doc •28· 期，解析度衛絲道參數料變舊或過 1因為手機未用於週純位料算，或相為用於位置 層;；使用圖案使特定衛星從不更新。可藉由使用老化年 =解析度衛星軌道參數之正常衛星可見度計算將手機 中式化以決定何時可見需要更新之衛星。-項具體實施例 或蝰Γ機不s tn式獲取衛星’僅識別出使用來自即時時脈 式空中訊息的本地時間、手機最後已知位置或將用 :傳輪近似位置至手機的蜂巢式空中訊 解析度衛星軌道參數目前可見且右去僧3低 則了見具有老化年曆或低解析度衛 星執道參數的衛星。使用此資料，手機接著可知道用於年 曆或低解析度衛星軌道參數的衛星需要更新，然後請求用 於在該時間可見之全部衛星的星曆資料。手機不必計算位 置，但其仍可經歷空中協定交換，好像其在嘗試定位一樣。 當锋巢式網路接收用於新星曆資料之請求時，用於在該時 間可見的衛星之全部星暦資料’包括需要更新至其儲存的 年曆或低解析度衛星軌道參數之衛星，將傳輸至手機。若 且當手機或使用者需要獲取衛星並產生定位，手機可繼續 定位，或簡單地使用本揭示内容所述演算法來更新用於衛 星獲取輔助之儲存年曆或低解析度衛星轨道參數。此更新 程序不用開啟手機内部GPS接收器即可完成，更新程序可 排程在該天中幾乎無蜂巢式空中流量發生的時間（例如2 am)，以便對於分佈内每個衛星新年曆或低解析度衛星軌道 參數始終可用。 雖然已經以本發明者自創的方式，對本發明及其目前的 93833.doc -29- 1335445 最佳模式加以說明，並且可以讓熟習技術人士製造及使用 本發明，但是應可明白及瞭解，此處所揭示的示範性具體 實施例具有許多等效的具體實施例，並且可進行各種修改 及變更而不脫離本發明的範疇及精神，本發明的範疇及精 神並非受限於示範性具體實施例，而是由隨附的申請專利 範圍加以限定。 【圖式簡單說明】 圖I係用於從網路向用戶端裝置傳達Gps衛星年滑及星 曆資訊的先前技術系統結構； 圖2為示範性GPS接收器的示意方塊圖； 圖3係程序流程圖； 圖4係示範性GPS接收器的另一示意方塊圖； 圖5係具有資訊訊框的示範性信號； 圖6係用於從星曆資訊得出衛星軌道資訊之程序的示意 圖7係用於以星曆資訊更新年曆資訊之程序的示意圖. 圖㈣與年層及星歷年齡成函數關係的年層得出衛星位 置與星磨得出衛星位置間之衛星位置向量差異曲線圖. 圖9係與Μ及星歷年㈣域關係的年料出衛星速 度與星曆得出衛星速度間之衛星速度向量差異曲線圖； 圖10係星曆較新及年暦為4G天的情形中，與星 數成函數關係的年曆得出衛星位置與MW”置 之衛星位置向量差異曲線圖； 直間 圖u係星層較新及年曆為4G天的情形中，與星歷年齡天 93833.doc •30- 1335445 數成函數關係的年曆得出衛星速度與星曆得出衛星速度間 之衛星速度向量差異曲線圖。 【主要元件符號說明】 1 子訊框 3 子訊框 4 子訊框 5 子訊框 10 GPS衛星星曆及年曆資訊 12 蜂巢式通信網路基地台 14 無線用戶端裝置 16 GPS接收器 20 蜂巢式收發器 22 星曆資料 24 年曆資料 210 GPS接收器 220 蜂巢式手機 230 GPS衛星 232 GPS天線 234 星曆資料庫 236 年曆資料庫 240 外部充電器連接器 601 星曆資料 602 星曆資料 603 星曆資料 93833.doc •31 1335445 604 星曆資料 701 星曆資料 702 星曆資料 703 星曆資料 704 星曆資料 1000 曲線 1002 曲線 1004 曲線 1006 曲線 93833.doc · 32 ·

Claims (1)

1335445 第093117510號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(99年8 十、申請專利範圍： 一種用於具有一電池的衛星定位系統接收器之方法，該 方法包括： 電源供 決定該接收器是否連接至除其電池以外之一 /¾ ， 當該接收器連接至除其電池以外之一電源供應時，僅 直接從-衛星開始連續接收衛星定位系統導航資料；以 及 ， 在該接收器之記憶體中儲存所接收之該等導航資料。 2. 如申請專職圍第工項之方法，若該接收器自除其電池以 外之該電源供應斷開，則直接從一衛星停止該等衛星定 位系統導航資料之接收。 3. 如申請專利範圍第1之方法，若在該等導航資料之接收 過私中錢收Θ從除其電池以外之該電源供應斷開，則 繼續該等衛星定位系統導航資料之接收，直至完成該等 導航資料之接收。 4. 如申明專利範圍第3項之方法，若該接收器自除其電池以 外之電源供應斷開’且僅當已接收該等導航資料之一預 定部分，才繼續該等衛1定位系統導航資料之接收。 5. 如申明專利圍第！項之方&，直接從一衛星接收衛星定 位系統導航資料包括：接收年曆資訊。 6. 如申請專利範圍第㈣之方法，直接從一衛星接收衛星定 位系統導航資料包括：接收星層資訊。 7. -種具有-電池之衛星定位系統接收器，其包括： 93833-990804.doc 一電源供應埠，其能夠連接至除該電池以外之一電源 供應； 該接收器經程式化以決定該接收器是否連接至除其電 池以外之一電源供應； 當該接收器連接至除其電池以外之一電源供應時，該 接收器經程式化以直接從一衛星開始連續接收衛星定位 系統導航資料；及 若該接收器自除其電池以外之該電源供應斷開，則該 接收器經程式化以直接從一衛星停止該等衛星定位系統 導航資料之接收。 8. 如申請專利範圍第7項之接收器，若在該等導航資料之接 收過程中該接收器從除其電池以外之該電源供應斷開， 該接收器則經程式化以繼續該等衛星定位系統導航資料 之接收，直至完成該等導航資料之接收。 9. 如申請專利範圍第8項之接收器，若該接收器自除其電池 以外之電源供應斷開’且僅當已接收該等導航資料之— 預定部分，該接收器才經程式化以繼續該等衛星定位系 統導航資料之接收。 10·如申請專利範圍第7項之接收器，該接收器經程式化以直 接從一衛星接收包括年曆資訊之衛星定位系統導航資 料。 11 ·如申請專利範圍第7項之接收器，該接收器經程式化以直 接從一衛星接收包括星曆資訊之衛星定位系統導航資 料。 93833-990804.doc