向卫星导航系统接收机提供星历表数据和时钟校正的制作方法

专利名称：向卫星导航系统接收机提供星历表数据和时钟校正的制作方法
向卫星导航系统接收机提供星历表数据和时钟校正相关串请本申请是S. Venkatraman等人于2008年10月8日提交的题为“ProvidingEphemeris Data and Clock Corrections to a Satellite Navigation System Receiver(向卫星导航系统接收机提供星历表数据和时钟校正)”的共同待决、共同拥有的美国专利申请S/N. 12/247,817的部分继续申请，该申请通过援引全部纳入于此。背景使用全球定位系统(GPS)卫星确定接收机的位置的常规办法要求该接收机从四个或更多个可见卫星下载导航消息、从这些导航消息提取针对每个卫星的广播星历表，并利用该星历表数据计算这些卫星在特定时间在ECEF (地心地固)坐标系中的位置。针对每个 卫星的广播星历表是在花费大约30秒来发送/接收的数据帧中提供的。该广播星历表在从该卫星开始广播该导航数据的时间开始的四小时期间内有效。控制站较不频繁地向卫星上传数据，通常一天几次。在四小时期间之后，接收机不得不再次下载最新的广播星历表。在“温”或“冷”启动条件下，GPS接收机可能不具有有效星历表，因此它可能不得不一直等待到已捕获至少四个卫星并提取它们的广播星历表之后才估计位置。这将捕获有效星历表所需的时间延长到超过30秒，可能若干分钟，这对用户可能是不能接受的。此外，在弱信号条件下，来自一个或更多个卫星的信号的信噪比可能落到接收机没有实质性差错地解码导航消息的阈值之下。为了克服这些类型的问题，如果GPS接收机具有经由受辅助GPS (A-GPS)与无线网络通信的能力，则该接收机可从例如蜂窝网络获得星历表。可替换地，星历表可以是存储在接收机处存储器中的文件的形式。该文件可包括针对一个或更多个卫星的在若干天内有效的星历表数据。可使用无线介质向GPS接收机传送该文件，或者用户可周期性地将GPS接收机连接至因特网并从已知位置下载最新的文件。通过来自无线网络或来自存储着的文件的辅助，TTFF (首次锁定时间)可被减小到几秒(5-15秒的量级上)。然而，该文件的大小会成问题。如果该文件很大，则会花费很长时间将该文件传递到GPS接收机。通常存在与文件传递相关联的成本。例如，可能必须在无线链路上将该文件传递到GPS设备，或者用户可能必须将设备连接到链接至存在该文件的服务器的计算机以传递下载该文件。传递该文件的成本通常与正被传送的文件的传送时间或大小成正比。而且，下载该文件花费的时间量可能对该用户造成不便。此外，如果GPS接收机是移动设备或者具有受限存储器容量的类似设备，则大的文件可能耗用设备存储器的过度份额。概述根据本发明的实施例，接收(例如,客户端)设备可访问包含经缩放值(例如,整数值)和缩放因子的文件。这些缩放因子用于将这些经缩放值转换成系数和残差，这些系数和残差进而可与时间相关函数联用以计算针对卫星导航系统(例如，GPS)卫星的星历表数据，包括时钟校正数据。客户端设备可使用所计算的星历表数据和时钟校正来确定位置(例如，该设备的定位)。通过使用经缩放值和缩放因子来表示星历表数据，包括时钟校正数据，可显著减小文件大小，进而减小了向客户端设备传送和/或下载该文件所需的时间量，并且还减小了该文件耗用的设备存储器量。根据本发明的各实施例，可使用小于约为15千字节(KB)的文件空间来存储相当于一个礼拜的星历表数据和时钟校正数据。此大小的文件比其中每四小时积累从例如喷气推进实验室(JPL)数据估计的星历表数据集并未压缩地发送这些星历表数据集的情形要好三到四倍。本领域普通技术人员在阅读以下在各种绘制附图中解说的各实施例的详细描述后将认识到本发明的各种实施例的这些及其他目的和优势。附图简要说明被纳入本说明书并构成其一部分的诸附图解说 了诸实施例，并且与本描述一起用于解释诸实施例的原理图I是根据本发明的实施例的卫星导航系统的示例的框图。图2A是根据本发明的各实施例用于向卫星导航系统提供星历表数据和时钟校正数据的方法的流程图。图2B和2C是解说根据本发明的各种实施例的用于计算残差的时段的示例。图3、4和5是根据本发明的各种实施例的用于处理卫星导航系统数据的方法的流程图。图6解说了根据本公开的实施例对时钟校正项的更新。具体描述接下来的详细描述中的一些部分是以规程、逻辑块、处理以及其它对计算机存储器内的数据比特的操作的符号表示的形式来给出的。这些描述和表示是数据处理领域中的技术人员用来向该领域其他技术人员最有效地传达其工作实质的手段。在本申请中，规程、逻辑块、过程、或类似物被设想为是导向期望结果的自洽的步骤或指令序列。这些步骤是那些需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管并非必然，这些量采取能被存储、转移、组合、比较并以其他方式在计算机系统中被操纵的电或磁信号的形式。然而应谨记，所有这些以及类似术语要与恰适物理量相关联且仅仅是应用于这些量的便利性标签。除非另外明确声明，否则如从以下讨论所显见的，应当领会到贯穿本申请，利用诸如“访问”、“接收”、“发送”、“广播”、“标识”、“调节”、“转换” “更新”、“确定”、“补偿”、“代替”、“评价”、“计算”、“预测”、“使用”、“推导”、“表示”、“存储”、“拟和”或类似术语的讨论是指计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，它们将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵并变换成类似地表示为计算系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。本文所描述的各实施例可在驻留在某种形式的计算机可使用介质(诸如程序模块)上、由一个或更多个计算机或其他设备执行的计算机可执行指令的一般化上下文中讨论。一般而言，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构，等等。各程序模块的功能性可如各实施例中所期望地被组合或分布。藉由示例而非限定，计算机可使用介质可包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括在任何用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据之类的信息的方法或技术中实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括但不限定于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存或其他存储器技术、压缩碟ROM (CD-ROM)、数字多用碟(DVD)或其他光学存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备、或任何其他可用于存储期望信息的介质。通信介质可在经调制数据信号中实施计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据，并包括任何其他信息递送介质。术语“经调制数据信号”意指其有一个或更多个特性以在信号中编码信息的方式被设置或改变的信号。藉由示例而非限定，通信介质包括诸如有线网络或直接有线连接之类的有线介质、以及诸如声学、射频(RF)、红外和其他无线介质之类的无线介质。任何上述介质的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

图I是示出根据本发明的一个实施例的卫星导航系统100的各元件的框图。系统100可包括作为本文所示出和描述的这些的替代或补充的元件。一般来说，图I的示例仅包括功能性卫星导航系统的基本元件。在一个实施例中，该卫星导航系统是全球定位系统。系统100包括例示为卫星110、111、112和113 (110-113)的卫星星座、包括存储器和中央处理单元(CPU)并且还可包括无线接收机的客户端设备120、以及也具有存储器和CPU并且可包括无线发射机的服务器130。客户端设备120可以是但不限定于蜂窝电话或智能电话、个人数字助理、或便携式(或个人)导航设备。服务器130可经由有线或无线连接、抑或直接抑或间接地(例如，经由某个种类的中间设备)向客户端设备120发送信息。可替换地，可使用某个类型的便携式计算机可读存储介质(诸如以上提到的那些)将信息从服务器130传递至客户端设备120。一般来说，客户端设备120有途径访问驻留在服务器130上的信息。在一个实施例中，客户端设备120有能力接收并处理来自卫星110-113的卫星导航系统信号。这些卫星导航系统信号包括星历表数据和时钟校正数据。一般来说，这些卫星导航系统信号包括允许客户端设备120确定自己的定位的信息。根据本发明的各实施例，服务器130从诸如但不限定于喷气推进实验室(JPL)之类的源接收周期性卫星位置(ECEF x-y-z坐标)和针对将来若干天内的时钟校正形式的原始数据(源数据)。可以高准确性来预报轨道确定、预测和传播。该源数据还可包括对所预测的卫星位置和时钟校正两者的质量指示符。根据本文所描述的各实施例，所预测的星历表数据和时钟校正(本文中可统称作伪星历表或合成星历表数据)是在服务器130处从源数据推导出的。可使得伪星历表数据以二进制文件内的经压缩格式对客户端设备120可用。这些预测一般可供若干天期间使用。如将从接下来的讨论中所见，所预测的时钟校正可使用该预测所覆盖的时期期间接收到的广播星历表(若可用)来更新。通过从源数据估计星历表并压缩该结果，星历表(包括时钟校正)就以促成传输、存储和检索的方式被格式化。图2A包括流程图200，其提供了用于从源数据估计星历表并用于以减少传送到客户端设备120的数据量的格式提供这些星历表的过程的概览。相应地，向客户端设备传送和/或下载该文件所需的时间量，以及该文件耗用的设备存储器量得以减少。在以下的讨论中，术语“预测的”用于指代从以卫星位置和时钟校正形式的原始源数据推导出的数据。如将要描述的，所预测的数据被压缩，并且术语“计算的”用于指代从经压缩数据计算(重构)的数据。术语“广播”用于指代从卫星广播的数据。在某种意义上，预测的数据被用于预报广播数据，并且(基于所预测的数据的)计算的数据用于代替广播数据。
在框210中，从原始(源)数据估计星历表参数，如刚刚提到的，原始(源)数据是周期性卫星位置(ECEF x-y-z坐标)和针对将来若干天内的时钟校正的形式。换言之，不是将星历表参数集转换成ECEF坐标中的卫星位置，而是执行从已知卫星位置转到星历表参数集的逆操作。该源数据未必是连续的；例如，可以15分钟的间隔提供卫星位置和时钟校正的序列。框210的结果是时间相关并且卫星相关的星历表参数和时钟校正的集合。如果源数据是以15分钟间隔分隔开的，则在该点处，所预测的星历表参数和时钟校正数据也以15分钟间隔分隔开。在框220中，将每个星历表参数(不包括以下讨论的时钟校正)的时间相关值独立地表示为时间和其他轨道参数(见后文表I)的连续函数。例如，可将多项式或三角函数拟 合到框210中生成的数据，其中每个参数由分开的函数或模型表示。在用于推导该函数的值(来自框210的所预测的值)与当该函数后续被求值时计算的值之间可能存在差值。也可为各种时间间隔计算这些差值、或即残差。为了减少二进制文件中的数据量，可以不将所有残差都包括在该二进制文件中。在一个实施例中(图2B)，如果以N分钟的间隔(例如，每15分钟)确定所预测的星历表参数，则也可以N分钟的间隔来确定这些残差，随后可计算这些残差对于该二进制文件所覆盖的每个时段的平均并将其包括于该二进制文件中。例如，该二进制文件可覆盖7天期间。对于该七天期间中的每四小时的时期(各时期可以交叠)，每星历表参数计算单个残差。这单个残差可以是该四小时窗内以15分钟间隔计算的所有残差的平均。因此，该二进制文件将包含每星历表参数若干个残差，尽管每参数每四小时期间仅一个残差。在另一个实施例中(图2C)，在每个四小时期间内的单个时间点计算每星历表参数的残差。在图2C的示例中，包括在该二进制文件中的这些残差是在与原始数据的中心对应的广播星历表时间(TOE)计算的。(JPL每四小时提供新的七天预测。因此，在前述各示例中使用了四小时的期间。但是，根据本发明的各实施例不限定于JPL数据也不限定于四小时的时期。)时间校正也随时间变化，并且时钟校正的变动可以类似方式表示为多项式与谐波曲线之和。源数据中的时钟校正项可以是曲线拟合的，并且可使用经缩放值和缩放因子来表示该曲线的各系数。当在接收机处重构星历表和时钟校正时，可从时钟校正模型推导与相位误差、频率误差、和频率误差变化率分别对应的afO、afl和af2项。在一个实施例中，缩放因子一般而言是发送设备和接收设备(例如，图I中分别为服务器130和客户端设备120)双方均已知的标准化缩放因子集。也就是说，缩放因子可在预载并驻留在发送和接收设备上，或以其他方式被发送和接收设备访问。在此类实施例中，缩放因子可以是接口控制文件(I⑶)缩放因子(例如，在GPS I⑶中，表20-111星历表参数)。由于此类缩放因子对接收机是已知的，因此它们不需要被包括在该二进制文件中，由此进一步减小了文件的大小。这些缩放因子可以自身是经缩放或修正的。例如，该二进制文件可包括可由接收机应用到存储在接收机上或由接收机使用的缩放因子的另一整数或整数集。更具体地，缩放因子(例如，I⑶缩放因子)可以比必需的更为精确，并且第二整数集可用于粗化这些因子。
在图2A的框230中，与框220中推导出的函数相关联的系数和常量各自被表示为缩放因子和经缩放值(诸如有符号整数值)的乘积。例如，所预测的星历表参数可表示为具有三个系数和一常量的时间相关三阶多项式，这些系数和常量各自被表示为缩放因子和整数的乘积。曲线拟合到时钟校正项的各系数也可被表达为缩放因子和经缩放值的倍数。残差可被类似地表达。在图2A的框240中，还是参考

图1，缩放因子和有符号的经缩放值可被转换到二进制数制并写入到具有卫星导航系统接收机(例如，客户端设备120)已知的特定格式的文件中。此类文件可以是大小为大约15KB，并且可以小到7KB。可以若干方式将该文件提供给接收机。在一个实现中，客户端设备120使用已知接口(诸如通用串行总线接口)连接到联网计算机(例如，服务器130)并下载最新近的二进制文件。在另一实现中，客户端设备120利用无线接口或蜂窝网络来无线连接到服务器130(或连接到已从该服务器接收了该文件的另一设备)以下载该文件。
可随后为下一预测期间重复框210到240。注意到，可以比客户端设备120访问二进制文件的频度更为频繁地生成新的和更新近的二进制文件。也就是说，例如，客户端设备120可在每周的基础上下载新的_■进制文件；但是，可以每四小时(例如，JPL每四小时提供新的七天预测；但是，本发明的各实施例不限定于JPL数据)或者一般而言如源数据被更新一样频繁地创建新的文件。取决于下载源数据和生成二进制文件所花费的时间，源数据在二进制文件准备好的时间有可能变得过时。因此，服务器130可就在发布新生成的二进制文件之前验证源数据。此外，在生成文件的时间与客户端设备120下载该文件或使用所下载文件中的信息的时间之间可能过去了一些时间。在此期间，可能发生对该文件中的数据应当被使用的方式具有显著影响的事件。例如，因为某个原因，针对赖以生成文件中的数据的诸卫星之一的源数据可能不再是令人满意的。相应地，可修改该文件以移除与该卫星相关联的数据，或者可指令客户端设备120忽略与该卫星相关联的数据。在图2A的框250中，还是参考图1，在接收机(客户端)侧，本质上实现以上操作的逆操作以重构系数、常量和残差，它们可进而用于重构所预测的星历表和时钟校正项(例如，af0、afl和af2)。已由服务器130用来表示所预测的星历表和时钟校正的函数的类型(例如，三阶多项式)对客户端设备120是已知的。客户端设备120选择恰适的系数、常量和残差并将这些值与正确的函数联用以计算感兴趣的参数(星历表或时钟校正)，直至计算出所有需要的值。客户端设备120随后可使用所计算的值来以常规方式确定自己的定位。取决于诸如可用存储器的量、程序空间和处理能力之类的各因素，可以不同方式从文件中提取二进制数据。在可用存储器和缓冲器空间有限的设备(诸如移动设备)中，星历表和时钟校正可(例如，在给定历元针对特定卫星)按需计算而不是必须一次提取二进制文件中的所有数据，由此降低了对客户端设备寄予的要求。可替换地，可计算文件中表示的所有星历表和时钟校正，或者可计算某个子集(例如滑动窗)的值。可将所计算的星历表和时钟校正转换成标准格式，诸如I⑶-200 (接口控制文件200C，“Navstar (导航卫星定时和测距)GPS空间段/导航用户界面”)中规定的一种格式。在图2A的框260中，可在客户端设备120 (图I)处使用来自特定卫星的广播星历表(具体而言，广播时钟校正项)(若此类广播信息可用)调节针对该卫星计算的时钟校正项。换言之，如果客户端设备120可获访问更新近的时钟校正数据，则客户端设备可使用该信息校正在框250中计算的时钟校正项。图3、4和5分别是用于处理卫星导航系统数据的方法的各实施例的流程图300、400和500。虽然在流程图300、400和500 (300-500)中揭示了具体的步骤，但此类步骤是示例性的。也就是说，可执行各种其他步骤或流程图300-500中叙述的各步骤的变体。可以与所呈现的次序不同的次序来执行流程图300-500中的各步骤。此外，流程图300-500描述的各种实施例的各特征可单独或彼此组合使用。在一个实施例中，流程图300-500可实现为存储于计算机可读介质中的计算机可执行指令。在一个实施例中，由图I的服务器130执行估计星历表数据和时钟校正并在二进制文件中以卫星导航系统接收机理解的格式存储该信息的过程(流程图300)。在另一个实施例中，由图I的客户端设备120执行将二进制文件中的信息转换为星历表和时钟校正数据的过程(流程图400)。在又一个实施例中，由客户端设备120执行使用广播星历表数据来更新时钟校正数据的过程(流程图500)。 首先参考图3，在框310中，从描述多个卫星在选定时间的预测位置的源数据中推导针对这多个卫星的预测星历表数据。每个卫星轨道可被建模为经修正的椭圆形轨道，其中，理想的二体开普勒轨道被若干个因素扰动，这些因素有但不限于非球面地球重力球谐、太阳辐射压、月亮和太阳引力。卫星在经修正开普勒轨道中的位置已知是表I中列出的各参数的函数。表I -星历表参数定义参数/单位定义
(a)l/2 / m1/2半长轴的平方根
el无单位轨道离心率
hi弧度在参考时间的倾角
M0/弧度在参考时间的平近点角
Q0/弧度在参考时间轨道平面的升交点经度
5/弧度/秒赤经率
ω/弧度近地点幅角
idotmm/f}倾斜率
Anmmm来自所计算值的平均运动差
cy弧度对倾角的余弦谐波校正的幅度
GM度对倾角的正弦谐波校正的幅度
CrM对轨道半径的余弦谐波校正的幅度
Crs/米对轨道半径的正弦谐波校正的幅度
Clic/弧度对炜度幅角的余弦谐波校正的幅度
Cm/弧度对纬度幅角的正弦谐波校正的幅度表I中各参数是在广播星历表消息中提供的同一集合的吻切元。为了实现对卫星轨道的最佳拟合，周期性改变模型的各参数。卫星位置和时钟校正的序列以某个间隔分隔开，通常分开15分钟。在源数据中每个历元的参数估计可作为将参数集拟合到例如以该历元为中心的四或六个小时的源数据卫星位置的估计规程来实行。其结果产生了在被转换到卫星位置时提供在中心历元处精确的轨道位置和在离开该历元的时间逐渐降级的准确性的吻切元集。选择N小时滑动窗使得星历表元素在从开始N/2小时之后、以及在源数据结束之前N/2小时是可用的。描述从星历表参数集到ECEF坐标中的卫星位置的转换的模型方程是已知的。但是，将要描述的过程旨在执行从已知卫星位置转到星历表参数集的逆操作。这可使用落在称为曲线拟合或非线性最小化技术的广泛类别内的技术来达成，其中一般非线性函数在该函数的若干参数的空间上被最小化。此类技术的一个示例是公知的列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)最小化规程。可使用任何当前可用的广播星历表作为要被估计的星历表参数的开始集来初始化星历表估计过程。然而，如果各广播星历表不可用，则可使用先前计算的伪星历表数据(即，先前预测的星历表)来初始化该过程。此外，一些轨道模型参数在时间上改变如此迅速以使得必需使用这些星历表参数的经传播值来进行初始化。该传播基于参数的时间导数的近似并基于拟合窗中心与初始化星历表的历元之间的时间差。可用大的数据集来对该估计过程进行基准检测以获得对该过程的行为的理解。基于这种理解，可形成接受估计结果的准则。如果估计结果不落在该准则内，则可用相同输入数据但使用不同步长来重复此最小化技术。可尝试不同步长直至覆盖了步长范围或者估计结果可接受。在一个实施例中，可通过以通常产出最佳估计结果的步长开始、随后藉以交替的方式选择更小和更大的步长来逐渐拉离该初始步长的方式来选择不同的步长。在一个实施例中，提前指定某个数目(例如，五个)不同步长一如果第一步长不产出可接受的结果，则自动调用下一步长 。如果所有的不同步长均导致非典型的输出质量，则还是可以接受其中最佳的输出，如果其从典型输出质量的偏离是适量的。另一选择是丢弃该输出，因为在下一步骤(框320)中会计及丢失的样本。框310的结果是呈与源数据类似的间距(例如，15分钟的间隔)的针对每个卫星的预测星历表参数集。由对轨道运动的扰动引起的星历表参数随时间的变动可以长期、短周期性和长周期性的作用的形式来描述。长期作用显现为时间的函数，通常是线性的或者与时间的某次方成正比。轨道的长期岁差主要是由因地球的扁率对轨道卫星产生的扭矩导致的。短周期性作用具有短于卫星的轨道周期的重复循环并且是由地球的重力势和月球及太阳效应的球面谐波导致的。长周期性作用具有若干周或月量级的周期。如果源数据可用一周或几周，则长周期性作用可被忽略并且轨道元素可被建模为长期和短周期性作用之和。这可通过将每个所预测的星历表参数的时间序列与时间相关函数(例如，多项式或三角函数)拟合来达成。有可能找到表示每个参数关于时间的变动的非常准确的函数。在一个实施例中，考虑对文件大小、处理时间、复杂度以及其他因子的约束，使用阶数为三或以下的多项式或者简单的三角函数。在框320中，在一个实施例中，将所预测的星历表数据的每个参数(来自框310 ;时钟校正结合框340讨论)表示为时间的函数。每个参数可以是独立地曲线拟合的并且可使用不同于其他参数的函数来表示。在参数的真实变动与所拟合的曲线之间可能存在偏离。这些偏离的大小对于使用该函数计算的卫星位置的准确性可能非常显著。因此，在一个实施例中，可连同该函数的系数一起计算并压缩这些偏离或即残差项。如以上所提及的，在一个实施例中，计算残差的平均并随后将其代替时间相关残差来使用，而在另一个实施例中，计算源数据覆盖的时期(例如四小时)中的单个时间点(例如，在Τ0Ε)的残差并将其代替时间相关残差来使用。在框330中，每个系数和常量被表示为经缩放值和缩放因子的乘积。在一个实施例中，每个残差项被类似地表示。表示系数或常量的经缩放值在本文中可称作第一经缩放值，并且表示残差的经缩放值在本文中可称作第二经缩放值。通过将系数、常量和残差转换成经缩放值(例如，整数)，它们可使用较少比特来表示。可选择系数、常量和残差项的分辨率以减小二进制文件的大小，文件大小的减小是与期望的位置准确性相权衡的。可以对每卫星的每个星历表参数有一个缩放因子，或者对所有卫星的每个星历表参数有一个缩放因子。有可能向不同集(期间)的所预测的星历表数据施加相同缩放因子。如果这样，则可一次性向客户端设备提供缩放因子集合，其或许可能与二进制文件分开。一般来说，可以不如系数那样频繁地、或与系数分开地向客户端设备提供缩放因子，在这种情况下可进一步减小文件的大小。可使用比系数粗的分辨率来表示残差项，这取决于卫星位置误差对每个参数的灵敏度。更具体地，在一个实施例中，在对函数求值时重构的系数或常量将比重构出的残差具有更高的精度(更多有效位数或比特)。换言之，可使用比用于量化模型系数和常量的步长更大的量化步长来量化残差。这允许在调节二进制文件大小上具有灵活性，因为可减少表示残差所需比特数。此外，使参数的残差项可用的频度对文件大小可具有显著影响。例如，如果残差是每15分钟发送的，则所计算的卫星位置的准确性与来自源数据的原始准确性相当，但具有由曲线拟合误差和量化误差引起的少许降级。然而，文件大小可能比期望的大。已发现对残差而言四或六小时的频度允许实现期望的文件大小同时将准确性·维持到几米。例如，在一个实施例中，如果所预测的星历表参数是以15分钟的间隔来确定的，则残差也可以15分钟的间隔来确定，但是随后可为每四到六小时期间计算残差的平均、将其如所描述地压缩、并代替时间相关残差包括在二进制文件中。在另一实施例中，计算与该四到六小时期间的单个时间点(例如，Τ0Ε、或者原始(源)数据的中心)对应的残差，并且仅将该残差包括在二进制文件中。在框340中，可将在源数据中提供的针对每个卫星的时钟校正的时间相关性建模为多项式和谐波曲线拟合之和。时钟校正中的谐波项是因为相对论校正是偏近点角的正弦函数而产生的。源数据中的时钟校正项可以是曲线拟合的。当在接收机处重构星历和时钟校正时，可从该时钟校正模型推导与相位误差、频率误差、和频率误差变化率分别对应的afO.afl和af2项。表示已拟合到时钟校正项的曲线中的系数的经缩放值在本文中可被称作第三整数值。在框350中，在一个实施例中，可将来自框330和340的缩放因子和有符号的经缩放值转换成二进制数制并存储在计算机可读存储器(例如，二进制文件)中。如以上所提及的，可使用对发送设备和接收设备双方均已知的标准化缩放因子，在这种情形中不必要在二进制文件中包括这些缩放因子。在图4的框410中，接收设备(例如，图I的客户端设备120)访问如刚才描述地创建的且包含经缩放值并或许可能包含缩放因子的二进制文件，如本文先前所描述的。如以上所述，可与之分开地提供各缩放因子；即，这些缩放因子可在一分开的文件中提供给客户端设备120。可重复使用相同(例如，标准集的)缩放因子，在这种情形中，缩放因子可在任何时间(例如在包含经缩放值的二进制文件之前)并且或许可能仅一次性地提供给客户端设备120。在框420中，使用缩放因子将经缩放值转换成系数、常量和残差。可进而将这些系数、常量和(诸)残差与各种时间相关函数联用以计算针对数个卫星的星历表数据，包括时钟校正。更具体地，所计算的星历表和时钟校正是已从源数据(诸如但不限定于JPL数据)推导出的所预测的星历表和时钟校正的相对近似。所计算的星历表和时钟校正可被转换为标准格式并随后由接收设备使用以确定自己的定位。本质上，所计算的星历表和时钟校正可代替通常在来自卫星的导航消息中广播的类似信息来使用。对于所计算的星历表和时钟校正有效的时期(例如，一周)，接收设备无须从卫星接收导航消息亦可操作。卫星时钟校正是随机效应并且最难准确地预测，因此趋向于在误差计算中占首要地位。所预测并由此计算的时钟校正趋向于随着自预测起的天数在准确性上降级。如果接收机能间歇地下载针对特定卫星的广播星历表，则检查由时钟校正引起的误差的方法是校正针对该卫星计算的afO、afl和af2项。在图5的框510中，由接收设备(例如，图I的客户端设备120)访问(例如，在接收设备处接收)与卫星相关联的时钟校正参数(例如，afXKafl和af2)的广播值。这些广播值对应于特定时间点(Tl)。在框520中，接收设备通过使用时间点Tl作为输入对时间相关函数求值来计算时钟校正参数的值(或者访问先前计算的值)。也就是说，时间Tl时的afO、afl和af2值可由接收设备使用时间相关函数以及表示这些参数的对应系数和残差来计算。在框530中，一般而言，可调节所计算的值以补偿所计算的值与广播值之间的任何差值。还可调节使用此后(时间Tl后)的时间点作为输入来计算的值。在一个实施例中，如果在合成星历表有效的区间期间有针对一卫星的一组广播时钟校正项变得可用，则可计算从合成时钟校正计算的afO项与从在广播星历表时间(TOE)的广播星历表计算的afO项之间的差值并将该差值用于调节在TOE时和超过TOE的所有时间的所计算星历表中的afO项，直至所预测的值覆盖的期间(例如，一周)结束。这将与所计算的afO项的曲线中的垂直移位相当，其中该移位等于所计算的afO值对广播afO值的差值。在另一个实施例中，如果有来自两个不同历元的两个广播时钟校正集可用，则除了调节afO项之外,还可通过拟合穿过该第一和第二广播afO值的一阶方程来重算afl项；afl的值等于该一阶方程的斜率(导数)。以类似方式，如果有来自三个不同历元的三个或更多个广播时钟校正集可用，则除了调节afO和afl项之外，还可通过将二阶曲线拟合到第一、第二和第三广播afO值来重算af2项；af2的值是该二阶曲线的二阶导数。一阶和二阶曲线拟合办法的准确性可能受卫星时钟的随机行为影响。可通过增加在曲线拟合中使用的广播集的数目或者通过要求在被选择使用的广播集之间有某个最小时间区间来改善曲线拟合办法的性能。除了如以上描述地使用从合成时钟校正计算的afO项与从TOE时的广播星历表计算的afO项之间的差值来仅更新afO项之外，所计算的afO项和所计算的afl项两者均可被更新，从而使得来自预测的瞬间时钟偏差和时钟漂移等于广播时钟校正的历元时的广播afO和afl项。图6示出此时钟校正方法的理念。图6中标记“原始预测”的曲线是指通过对拟合到源数据中所预测的时钟偏差样本的二阶多项式求值来计算的afO、afl和af2项。首先，以类似于以上解释的方式来更新afO的值。然后，用广播afl (afins)与瞬间时钟漂移(Cd源(trsi))的差值来更新afl的值。斜率cdrsi(triil)与“经更新预测”曲线在tr#时相切。在实践中，时钟频率漂移项af2总是为零，因为卫星时钟频率漂移程度低于以广播星历表数据格式中的af2项的分辨率。因此，可例如使用以上描述的曲线拟合的办法来更新预测中的af2项。更具体地，在更新之前 时钟偏差cb=af2( Δ t) ^af1 ( Δ t) +af0; 时钟漂移cd=2af2( Δ t) +af^ ;cd源(trsi)=2af2，源(At)+af\，源；|At=trs|-t源Cdns (1:广播)=2已;^广播(AtKaf1 广播；| Δ t=0
=af\ 广播；并且在更新之后(t≥t 广播):cb 新，源(t) =af2；源(Δ t) ^af1 新(At) +af0 新；| Λ t=t_t 源其中af1#=af1； ^+ Acd=Bf1，源+cd广播(t广播)_cd源(t广播)
_2] =af\广播-2af2；源(t广播~tm)；以及af0新=af0广播_af2，源(t广播_t源)2If1新(t广播_t源)=af0 广播 ~af2； m (t 广播 _t m) ^af1 广播(t 广播-t 源)。在以上描述的时钟校正方法中，用广播星历表时的afO和afl的广播值替换所计算的afO和afl值。作为其代替，可使用瞬间时钟偏差与afO的的广播值的加权平均、或者瞬间时钟漂移与afl的的广播值的加权平均。加权的一种选择是使用afO的广播值的期望(例如，统计地确定的)方差与源数据预测的瞬间时钟偏差(作为该预测的陈旧程度的函数)的倒数。在另一实施例中,有可能改善对其广播星历表不可用但已确定从卫星导航系统接收机至其的伪射距的卫星的时钟校正。该方法使用真实接收机位置以计算从该接收机到该卫星的真射距。可使用来自其他卫星的广播星历表来确定真实的接收机位置；若有针对四个或更多个卫星的伪射距和广播星历表可用则可获得该真实位置。真射距与伪射距之间的差值可归因于在该历元时感兴趣的卫星的时钟校正误差。概括言之，根据本发明的各实施例，在集中式服务器处从卫星轨道预测和时钟校正的集合创建伪星历表数据，包括时钟校正数据，并将该伪星历表数据存储在可由远程客户端设备访问的二进制文件中。该伪星历表数据在若干天内有效，并且可使用广播星历表(若可用)来更新这些时钟校正以及任选地更新整个伪星历表集。可使用经缩放值和缩放因子来表示伪星历表数据。可选择缩放因子的粗度以达到经与期望数据压缩量权衡的期望准确性程度。如本文所描述的，可显著减小该文件的大小，进而减小了向客户端设备传送和/或下载该文件所需的时间量，并且还减小了该文件耗用的设备存储器量。在前述说明书中，已参考许多具体细节描述了各实施例，具体细节在各实现之间可以有所变化。因此，对于什么是本发明、以及申请人旨在将什么作为本发明的唯一和排他的指标是从本申请发布的权利要求集，其指以此类权利要求发布的具体形式，包括任何后续的修改。因此，任何未在权利要求中明确叙述的限定、元素、性质、特征、优点或属性均不应当以任何方式限定该权利要求的范围。因此，说明书和附图应在说明性而非限制性意义上来看待。
权利要求
1.一种处理卫星导航系统数据的方法，所述方法包括 使用多个卫星在选定时间的预测位置来推导针对所述卫星的预测星历表数据； 将所述预测星历表数据的参数表示为时间的第一函数； 将i)所述第一函数的系数转换成各自相应的第一经缩放值并将ii)表示所述预测星历表数据与使用所述第一函数计算的值之间的差值的残差转换成第二经缩放值，所述转换是用接收设备可访问的标准化缩放因子执行的；以及 在计算机可读存储器中存储所述第一经缩放值和所述第二经缩放值。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括 访问针对所述卫星的时钟校正数据，所述时钟校正数据包括用作有用于计算每卫星时钟偏差的多项式中的系数的多个卫星相关参数； 将所述时钟校正数据表示为时间的第二函数；以及 将所述第二函数的系数转换成各自相应的第三经缩放值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括向所述接收设备传送所述第一、第二和第三经缩放值，所述接收设备能作用于从中生成重构的系数及残差，其中，所述接收设备进一步能作用于使用所述重构的系数和残差以生成所计算的星历表和时钟校正值、所计算的卫星位置、以及所述接收机设备的定位。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述预测星历表数据的每个参数被独立表示为时间的函数。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一函数是从以下群中选出的；三角函数；以及N阶多项式函数，其中N不大于三。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括 访问包括所述第一经缩放值和所述第二经缩放值的所述计算机可读存储器； 访问所述缩放因子；以及 使用所述缩放因子将所述第一和第二经缩放值分别转换成重构的系数和重构的残差，其中，所述重构的系数和重构的残差能与所述第一函数联用以重构针对多个卫星的所述预测星历表数据。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算机可读存储器还包括第三经缩放值，所述第三经缩放值被转换成有用于计算所述卫星中的每个卫星的时钟偏差的多项式的第二系数。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括 访问从所述多个卫星中的卫星广播的星历表数据；以及 使用所述广播的星历表数据更新所述预测星历表数据的实例。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括 访问与所述多个卫星中的卫星相关联的时钟校正参数的广播值，所述广播值与第一时间点对应，其中，所述时钟校正参数用作有用于确定与所述卫星上机载的时钟相关联的偏差量的多项式中的系数； 访问所述时钟校正参数的计算值，所述计算值是通过使用所述第一时间点作为输入来对时间相关函数求值来确定的；以及 补偿所述计算值与所述广播值之间的任何差值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述补偿包括用所述广播值代替所述计算值。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述补偿包括用以下各项的加权平均代替所述计算值；i)所述第一时间点的时钟偏差量；以及ii)所述广播值。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括 访问在历元时从接收设备到卫星的伪射距； 确定在所述历元时从所述接收设备到所述卫星的真射距； 使用所述真射距与所述伪射距之间的差值来确定在所述历元时所述卫星上机载的时钟的偏差量。
13.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述残差包括多个包括所述差值的残差的平均。
14.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述残差包括与广播星历表时间(TOE)对应的残差。
15.—种系统,包括 处理器；以及 耦合至所述处理器的存储器，所述存储器具有存储于其中的计算机可执行指令，所述指令在被执行时使得所述系统使用多个卫星在选定时间的预测位置来推导针对所述卫星的预测星历表数据；将所述预测星历表数据的参数表示为时间的第一函数；将所述第一函数的系数转换成各自相应的第一经缩放值；以及将表示所述预测星历表数据与使用所述第一函数计算的值之间的差值的残差转换成第二经缩放值，其中，所述系数和残差是使用驻留在所述存储器中的已知缩放因子来转换的。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述指令还使得所述系统访问针对所述卫星的时钟校正数据，所述时钟校正数据包括用作有用于计算每卫星时钟偏差的多项式中的系数的多个卫星相关参数；将所述时钟校正数据表示为时间的第二函数；以及将所述第二函数的系数转换成各自相应的第三整数值。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述指令还使得所述系统向所述接收设备传送所述第一、第二和第三经缩放值，所述接收设备能作用于从中生成重构的系数以及残差，其中，所述接收设备进一步能作用于使用所述重构的系数和残差以生成所计算的星历表和时钟校正值、所计算的卫星位置、以及所述接收机设备的定位。
18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述残差包括从以下群中选出的值多个包括所述差值的残差的平均；以及与广播星历表时间(TOE)对应的残差。
19.一种系统,包括 处理器；以及 耦合至所述处理器的存储器，所述存储器具有存储于其中的计算机可执行指令，所述指令在被执行时使得所述系统访问包括第一经缩放值和第二经缩放值的二进制文件；访问缩放因子；以及使用所述缩放因子将所述第一经缩放值转换成系数并将第二经缩放值转换成残差，其中，所述系数和残差能与时间相关函数联用以重构针对多个卫星的预测星历表数据。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述二进制文件还包括第三经缩放值，所述第三经缩放值被转换成有用于计算所述卫星中的每个卫星的时钟偏差的多项式的第二系数。
21.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述指令还使得所述系统访问从所述多个卫星中的卫星广播的星历表数据；以及使用所述广播的星历表数据更新所述预测星历表数据的实例。
22.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述指令还使得所述系统访问与所述多个卫星中的卫星相关联的时钟校正参数的广播值，所述广播值与第一时间点对应，其中，所述时钟校正参数用作有用于确定与所述卫星上机载的时钟相关联的偏差量的多项式中的系数；访问所述时钟校正参数的计算值，所述计算值是通过使用所述第一时间点作为输入来对时间相关函数求值来确定的；以及补偿所述计算值与所述广播值之间的任何差值。
23.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述缩放因子包括接口控制文件(ICD)缩放因子。
24.如权利要求19所述的系统，其特征在于，所述第二经缩放值包括从以下群中选出的值多个包括所述预测星历表数据和使用所述时间相关函数计算的值之间的差值的残差的平均；以及包括所述预测星历表数据与在广播星历表时间(TOE)使用所述时间相关函数计算的值之间的差值的残差。
全文摘要
设备可访问经缩放值和缩放因子，其用于将经缩放值转换成系数和残差。这些系数和残差可进而与时间相关函数联用以重构针对卫星导航系统卫星的预测星历表数据，包括时钟校正数据。从这些卫星中的任何卫星广播的星历表数据均可用于更新所计算的星历表数据。
文档编号H04B7/185GK102939723SQ201080066188
公开日2013年2月20日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年3月8日
发明者S·范卡彻曼, J·雅彭瓦, 孙秦方 申请人:高通创锐讯有限公司