确定GPS定位的方法及其GPS接收机

摘要

本发明揭示了一种确定GPS位置的方法，它带有相应的GPS接收机以及用于该接收机的服务器。该方法包含下述步骤：(i)提供相应于GPS卫星发送的星历表的标准GPS星历表；(ii)提供补充星历表，它包括描述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间波动的至少一个参数；(iii)测量距GPS卫星的伪距；以及(iv)根据步骤(i)和和(ii)分别提供的标准GPS星历表和补充GPS星历表以及步骤(iii)中测得的伪距，确定GPS定位。

权利要求

1.一种确定GPS定位的方法，包含下述步骤：

(i)提供相应于GPS卫星所发送的星历表的标准GPS星历表；

(ii)提供补充GPS星历表，它包括至少一个参数，所述参数描述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间的波动；

(iii)测量距离GPS卫星的伪距；以及

(iv)根据分别在步骤(i)和(ii)中所提供的标准GPS星历表和补充GPS星历表以及在步骤(iii)中测得的伪距确定GPS定位；

其中所述补充GPS星历表包括描述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间波动的频率分量的至少一个参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个频率分量对应于月亮周期。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个频率分量对应于太阳周期。

4.一种GPS接收机，用来根据下述要素，确定GPS定位：(i)相应于由GPS卫星发送的星历表的标准GPS星历表；(ii)补充的GPS星历表，它包括至少一个参数，所述参数描述所述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间的波动；以及(iii)所测得的从所述GPS接收机到GPS卫星的伪距；其中所述补充GPS星历表包括描述所述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间波动的频率分量的至少一个参数。

5.如权利要求4所述的GPS接收机，其特征在于，至少一个频率分量对应于月亮周期。

6.如权利要求4所述的GPS接收机，其特征在于，至少一个频率分量对应于太阳周期。

7.如权利要求4所述的GPS接收机，其特征在于，所述接收机还用来根据由所述GPS接收机直接从所述GPS卫星接收的所述标准GPS星历表历史，来确定所述补充GPS星历表的至少一个参数。

8.一种用来向远端GPS接收机发送补充GPS星历表的服务器，其 特征在于，所述星历表包括至少一个参数，所述参数描述了与GPS卫星所发送的星历表对应的标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间的波动；

其中所述补充GPS星历表包括描述了所述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间的波动的频率分量的至少一个参数。

9.如权利要求8所述的服务器，其特征在于，至少一个频率分量对应于月亮周期。

10.如权利要求8所述的服务器，其特征在于，至少一个频率分量对应于太阳周期。

说明书

确定GPS定位的方法及其GPS接收机

技术领域

[0001] 本发明涉及确定GPS定位的方法及其GPS接收机。

背景技术

[0002] PCT专利申请(公开号WO02/099454A2)涉及产生和分配卫星跟踪信息的方法和装置。具体说来，该申请标题为“背景技术”的部分中承认，其困难是，NAVSTAR GPS接收机从GPS卫星下载星历表(卫星轨道和时钟数据)时信号强度较低；并且这一问题的辅助GPS(AGPS)解决方案中，GPS信号中的星历表数据是由GPS接收机在参考站处接收，并传送到使用该星历表的远端GPS接收机而不是直接从GPS卫星传来以获取定位的。WO02/099454A2中指出，由于AGPS星历源最终是GPS卫星，因此星历表的有效性仅保持几小时(由于标准NAVSTAR GPS星历表所描述的是简化的卫星轨道模型)。这样，AGPS使得远端GPS接收机必须定期地或者每次需要进行定位时与星历表信息源相连，以确保其具有最新的星历表。如果没有最新的星历信息，远端GPS接收机将无法精确地确定其位置。

[0003] 如该专利权利要求1中所描述的发明WO02/099454A2中描述了这样一种方法：根据在GPS接收站处接收的标准星历表数据，产生长期卫星跟踪数据(用于长期星历表模型的数据)。该长期卫星跟踪数据大体上被传送到远端GPS接收机，而该接收机可以在没有接收到更新的广播星历信息的情况下工作几天。这似乎是长期卫星跟踪数据的产生是通过使长期星历模型的参数与最新标准星历历史配合来完成的，其中，在超过由GPS卫星广播的标准星历参数有效的2小时的时间内，该模型不仅与星历表历史对应，而且也与未来星历表对应。WO02/099454A2中提示，采用递归法，使长期星历表模型参数与最近的标准星历表历史配合。但递归法是一种最小平方计算法，计算烦琐。另外，无法采用从标准星历表模型参数获取GPS定位的标准算法。因此，人们需要有一种从长期星历表模型获取GPS定位的更完善的算法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种无需接收机总是接收更新星历表就能确定GPS位置的改进的可选方法。

[0005] 按照本发明的这样一种方法包含下述步骤：(i)提供对应于GPS卫星发送的星历表的标准GPS星历表；(ii)提供包括至少一种参数的补充GPS星历表，该参数描述了标准GPS星历表的至少一个卫星轨道随时问的波动；(iii)测量与GPS卫星的伪距；以及(iv)根据分别在步骤(i)和步骤(ii)中标准的和补充的GPS星历表以及步骤(iii)中测得的伪距，确定GPS的位置。

[0006] 补充的GPS星历表可以包括至少一个描述步骤GPS星历表(例如对应于月亮周期或太阳周期)的至少一个卫星轨道参数随时间波动的频率分量。

[0007] 本发明还提供了一种GPS接收机，用来根据下述要素，确定GPS定位：(i)相应于由GPS卫星发送的星历表的标准GPS星历表；(ii)补充的GPS星历表，它包括至少一个参数，所述参数描述所述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间的波动；以及(iii)所测得的从所述GPS接收机到GPS卫星的伪距。

[0008] 优选的，所述补充GPS星历表包括至少一个这样的参数，所述参数描述所述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间波动的频率分量。

[0009] 优选的，至少一个频率分量对应于月亮周期。

[0010] 优选的，至少一个频率分量对应于太阳周期。

[0011] 优选的，所述接收机还用来根据由所述GPS接收机直接从所述GPS卫星接收的所述标准GPS星历表历史，来确定所述补充GPS星历表的至少一个参数。

[0012] 本发明还提供了一种服务器，其中，所述星历表包括至少一个参数，所述参数描述了与GPS卫星所发送的星历表对应的标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间的波动；

[0013] 其中所述补充GPS星历表包括至少一个这样的参数，所述参数描述了所述标准GPS星历表的至少一个卫星轨道参数随时间的波动的频率分量。

[0014] 优选的，至少一个频率分量对应于月亮周期。

[0015] 优选的，至少一个频率分量对应于太阳周期。

[0016] 发明人已经认识到，标准星历表的卫星轨道参数随时间的变化一定是使得这种变化可以用模型来表示的，因而可以在定位之前，校正标准星历表随时间的误差。因此，本发明提供了一种计算不烦琐的方法，从而在无需总是要求接收更新的星历表的情况下提供确定GPS位置的方法。这就使得不仅提供了一种与WO02/099454A2中所揭示的相比具有性能提高的服务器，而且还提供了一种其自身能够根据由GPS接收机直接从GPS卫星接收的标准GPS星历表历史来确定至少一个补充GPS星历表参数的GPS接收机。

附图说明

[0017] 下面参照附图，举例描述本发明。图中，

[0018] 图1蜂窝电话网的地形图，其中的移动蜂窝电话MS1包含按照本发明工作的GPS接收机；

[0019] 图2示出更详细的移动蜂窝电话MS1；

[0020] 图3示出更详细的基站BS1；

[0021] 图4示出广播星历表参数随时间的变化；以及

[0022] 图5示出按照本发明工作的单独的GPS接收机。

具体实施方式

[0023] 图1中示意示出传统蜂窝电话网1的地形图。网络中包含有多个基站BS，图中示出了位置相互隔开的7个基站BS1至BS7。这些基站中的每一个基站都包含有由位于任一站点或服务区的中继系统控制器操纵的完整的无线发射机和接收机。这些基站的各服务区SA1至SA7相互重叠，如图中阴影线所示，从而总体覆盖整个区域。系统还包含系统控制器SC，分别提供与每一基站BS1至BS7的双向通信链接。每一条通信链路可以是一条专用的路基线。另外，系统控制器SC可以与公共交换电话网(PSTN)相连，用以在移动蜂窝电话MS1和与该网络相连的用户间建立通信。

[0024] 如图2所示，图中示出了更详细的移动蜂窝电话MS1，它包含与通信天线20相连并且受通信微处理器(Comm μm)22控制的通信发射机(Comm Tx)和接收机(Comm Tx)21，用以和与之登记注册的基站BS1进行通信。蜂窝电话网中这种双向通信电话的设计和制造是众所周知的。下文中，与本发明无关的部分将不再赘述。

[0025] 除了传统的移动电话构件以外，电话MS1进一步包括与GPS天线23相连并且受GPS微处理器(GPS μc)25控制的GPS接收机(GPS Rx)24，用以接收从轨道GPS卫星发射的GPS扩谱信号。运作时，GPS接收机24可以通过天线23接收NAVSTAR SPS GPS信号，并且通常是通过无源带通滤波以便使带外射频(RF)干扰为最小、前置放大、下变频至中频(IF)以及模数转换而对所接收的信号进行前置处理。所得到的数字化IF信号未经调制，仍然含有所有来自卫星的信息，并且馈送到GPS微处理器25的存储器。获取GPS信号，并对其进行跟踪，以便得到伪距信息，从该伪距信息中，可以采用传统的导航算法来确定移动电话的位置。获取并跟踪GPS信号的这些方法是众所周知的，例如，可参见GPSPrinciple and Applications(Editor，Kaplan)ISBN 0-89006-793-7 ArtechHouse的 第4 章(GPS satellite signal characteristics)以及第5章(GPSsatellite signal acquisition and tracking)。GPS微处理器25的构成可以呈通用微处理器的形式，也可以与通信微处理器22相同，或者是一种嵌入在GPS专用集成电路(ASIC)中的微处理器。

[0026] 图3中示意示出了蜂窝电话网基站BS1。除了传统的基站部件以外，它还包含GPS天线34、接收机35以及微处理器36。这些部件基本上连续工作，因而基站总是拥有最新的GPS卫星信息。该信息包括：当前观察到的轨道卫星(这些卫星是电话和相关的基站(甚至是宏单元、一边朦胧)所共有的)：含有最新历书和星历表数据的GPS数据消息，以及基站所观测到的GPS卫星信号的多普勒频移和当前编码相位。

[0027] 一旦请求，蜂窝电话网基站BS1(用作服务器)向移动蜂窝电话MS1提供最新历书和星历表数据以及基站所观测到的GPS卫星信号的多普勒频移和当前编码相位。另外，按照本发明，蜂窝电话网基站BS1还向移动蜂窝电话MS1提供已经确定的补充星历表数据，这些数据描述的是与卫星轨道相关随时间变化的15种标准星历表参数的变化，从而可以在超过2小时以外的时间里对标准星历表参数进行校正，而2小时时间通常是标准星历表参数视为有效的时间。

[0028] 标准NAVSTAR GPS星历表含有15种随时间变化的基本轨道参数：(1)半主轴的平方根，(2)偏心度，(3)轨道半径的正弦谐波校正项的幅值，(4)轨道半径的余弦谐波校正项的幅值，(5)与计算值的平均移动差，(6)在基准时间处的平均异常，(7)纬度幅角的余弦谐波校正项的幅值，(8)纬度幅角的正弦谐波校正项的幅值，(9)倾斜角的余弦谐波校正项的幅值，(10)倾斜角的正弦谐波校正项的幅值，(11)每周轨道平面上升节点的径度，(12)基准时间的倾斜角，(13)倾斜角的变化率，(14)近地点幅角，以R(15)右上升(right ascension)的变化率。

[0029] 发明人已经发现，上述每一参数(P)随时间的变化(除了(偏心度)以外)可以采用下述等式来形成模型：

[0030] P＝C1+C2T+Csuncos(2πfsumt+φsun)+Cmooncos(2πfmoont+φmoon)[0031] 式中：

[0032] t是从本年度开始起的时间

[0033]

[0034]

[0035] 并且，C1、C2、Csun、Cmoon、φsun和φmoon是仅采用少量的历史数据为每一星历表参数确定的常数。图4示出在2002年为卫星2在两小时(T)内测得的以弧度(RAD)表示的倾斜角。很明显，产生了偏移和漂移(上述等式中用C1+C2t)劫表示)以及由于太阳效应和月亮效应而产生周期变化(以cos(2πfsunt+φsun)和cos(2πfmoont+φmoon)表示)。

[0036] 因此，按照本发明，由基站BS1决定并提供到移动电话MS1的补充星历表包含有14组6个常数，每一组描述了15个标准星历表参数中14个参数随时间的变化。

[0037] 轨道偏心度的变化并非必须以上述等式来形成其模型。但是幸运的是，其他某些标准星历表参数不会变化到这样的程度，使得标准星历表在通常被看作是有效的2小时以外的时间里轻松保持有效。不管是在哪一种情况下，可以通过例如对第一、第二级变化进行外插或多项式曲线逼近，来形成更长时间的偏心度变化。可以采用基站BS1来确定描述这种变化的参数，并传送到移动电话MS1。

[0038] 上述例子给出了有关基于服务器的A-GPS类型的技术方案。但是，如上所述，给定所包含的简化计算方法，可以提供一种GPS接收机，其自身能够根据从该GPS接收机直接从GPS卫星接收的标准GPS星历表历史，来决定补充的GPS星历表。图5中示意示出了这样一种单独的GPS接收机。当接收机能够接收GPS信号并从中直接导出星历表数据(从而获得星历表历史)时，可以确定描述星历表变化的参数。因此，也许当信号条件是这样的时候，可以从该GPS信号来测得伪距，但无法对有关GPS信号的星历表数据消息进行解调，可以采用早些时候确定的补充星历表所校正的老的星历表数据来提供精确的星历表并因此确定位置。

[0039] 通过阅读本说明书，对本领域中的普通技术人员显而易见的是，可以存在其他的修改形式，并且还可以包含GPS接收机及其元部件的设计、制造和使用中已知的其他特征，这些特征可以用来取代本说明书中所描述的那些技术特征。

[0040] 最后，尽管本发明是参照美国国防部已开发并且当前正使用的NAVSTAR GPS、全天候、间距导航系统来描述的，但应当理解，本发明同样可以应用于包括GLONASS和加利略及其组合形式的其他全球定位系统。