专利名称：在卫星定位系统中改进首次定位时间的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及卫星定位系统，并且更具体地涉及改进卫星捕 获的方法和系统。
背景技术：
在移动手持设备中的典型GPS应用中，天线取向未知，且GPS搜 索引擎无法得到优化参数来考虑天线特性，产品设计者知道针对固定 天线取向的天线特性。
一些现有的系统使用罗盘和加速计，以确定与来自基站的RSSI 的校准的映射相关的单元取向，其中，信号强度被用于位置确定。这 些系统无法将GPS用作位置确定的方法。
发明内容
当关于用户当前取向的前进方向(heading)信息被结合到SPS或 GPS搜索引擎作为天线辅助算法的部分时，根据本发明的实施例能够 快得多地提供位置定位(location fix)。方向信息连同与附近身体或车 辆阻塞相关联的预期遮蔽效应，能够被用于执行划分相关器搜索(split correlator searches)，该划分相关器搜索的目的在于针对卫星的假定信 号水平，捕获尽可能接近第一路径(path)的卫星。
捕获在搜索顺序中的第一路径或首选一些路径上的更多卫星而不 是要求大量非必需路径以获得较低水平的信号将直接影响首次定位时 间(TTFF)。划分搜索另外能够结合针对已测试设计的天线性能的特 定认知，其能够显著改进用于针对可见的各个卫星调节开始搜索级别 的算法。可以将天线图案的模型添加到SPS或GPS软件仿真以评估真实世界性能，由此能够将天线辅助结合到移动设备中。
在本发明的第一实施例中， 一种在卫星定位系统(SPS)中改进首 次定位时间的方法能够包括步骤确定SPS设备的前进方向；确定与 可见的多个卫星相关的峰值天线增益的估计方向；以及根据峰值天线 增益的估计方向并考虑到SPS设备的前进方向，来对可见的一部分卫 星的捕获尝试进行优先级排序。该方法还能够包括判定SPS设备是在 徒步环境还是在车载环境中的步骤。该方法还能够包括步骤利用在 对具有假定峰值增益的卫星和具有较低水平增益的卫星的搜索之间的 相关器划分，进行划分搜索，其中，在具有假定峰值增益的卫星的搜 索上应用较短的停留时间，而在具有较低水平增益的卫星的搜索上应 用较长的停留时间。该方法还能够包括基于峰值天线增益的估计方 向并考虑到SPS设备的前进方向，向SPS设备的用户电子地呈现取向 引导。能够通过使用倾斜确定、罗盘前进方向确定或加速度确定来细 化前进方向的确定，从而改善前进方向。该方法还能够应用针对特定 设计的先验已知的天线增益性能值。
在本发明的第二实施例中，另一种在卫星定位系统(SPS)中改进 首次定位时间的方法能够包括步骤取得(retrieve) GPS辅助信息； 确定具有适当的方位角和仰角值的可见的一组卫星；取得前进方向值； 确定卫星优先级划分相关性；以及根据卫星优先级划分相关性来执行 划分相关器搜索。如上所述，划分搜索可以涉及在对于具有假定峰值 增益的卫星和具有较低水平增益的卫星的搜索之间的相关器划分，其 中，在具有假定峰值增益的卫星的搜索上应用较短的停留时间，而在
具有较低水平增益的卫星的搜索上应用较长的停留时间。能够根据可 见卫星之间的卫星优先级划分相关性以及这些卫星的假定峰值增益， 来确定这样的划分。该方法还能够包括判定是否捕获了最小数量的卫 星，以及如果划分相关器搜索没能找到最小数量的卫星，则刷新前进 方向值。注意，年历信息或星历信息能够用于GPS辅助信息，以及罗 盘前进方向值能够被用于前进方向值。前进方向值能够包括行进方向
5信息以及可能的阻塞信息。该方法还能够包括应用针对特定设计的先 验已知的天线增益性能值。
在本发明的第三实施例中，卫星定位系统(SPS)天线辅助设备包 括SPS接收机、环境传感器来确定前进方向值、倾斜值或加速度值， 还包括耦合到SPS接收机和环境传感器的处理器。该处理器能够是任 何适合的部件或部件的组合，包括任何适合的硬件或软件，这些适合 的硬件或软件能够执行这里就本发明方案所述的过程。该处理器能够 被编程来确定SPS接收机的前进方向(诸如倾斜确定、罗盘前进方向 确定或加速度确定来进一步细化前进方向)，确定与可见的多个卫星 相关的峰值天线增益的估计方向，以及根据峰值天线增益的估计方向
并考虑到SPS接收机的前进方向，来对可见的一部分卫星的捕获尝试 进行优先级排序。该处理器还能够被编程来判定SPS接收机是处于徒
步环境中还是车载环境中。该处理器还能够被编程，从而利用对具有 假定峰值增益的卫星的搜索和对具有较低水平增益的卫星的搜索之间 的相关器划分，来执行划分搜索，其中，对具有假定峰值增益的卫星 的搜索使用较短的停留时间，而对具有较低水平增益的卫星的搜索则
使用较长的停留时间。SPS天线辅助设备还能够根据峰值天线增益的估 计方向并考虑到SPS接收机的前进方向，向SPS天线辅助设备的用户
电子地呈现取向引导。该处理器还能够应用针对特定设计的先验已知 的天线增益性能值。
术语"一"，如这里使用的，被限定为一个或多于一个。术语"多 个"，如这里使用，被限定为两个或多于两个。术语"另外的"，如 这里使用的，被限定为至少第二个或更多个。术语"包括"和/或"具 有"，如这里使用的，被限定为包含(也就是开放式语言)。术语"耦 合"，如这里使用的，被限定为连接，虽然不一定是直接连接，也不 一定是机械连接。
术语"程序"、"软件应用"等，如在这里使用的，被限定为被设计成在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序或软件应 用可以包括子程序、函数、过程、目标方法、目标实现、可执行应用、 小应用程序、伺服小程序、源代码、目标代码、共享库/动态加载库和/ 或其他被设计成在计算机系统上执行的指令序列。术语"前进方向" 能够表示在二维或三维空间中的方向。
其他实施例，当根据这里公开的本发明方案被配置时，能够包括 用于执行的系统，以及机器可读存储器，用于使机器来执行这里所公 开的多种过程和方法。
图1是根据本发明实施例的卫星定位系统(SPS)天线辅助设备的
框图2是根据本发明实施例的可见卫星的"卫星分布图(skyplot)";
图3是根据本发明实施例的在卫星定位系统(SPS)中改进首次定 位时间的方法；
图4是根据本发明实施例的天线增益特性的图示；
图5是根据本发明实施例的天线增益特性的另一图示；
图6是根据本发明实施例的能够结合图4或图5的天线增益特性 图示使用、来改进TTFF的另一卫星分布图7是根据本发明实施例的就卫星的方位角和仰角示出这些卫星 在空中的位置的卫星分布图8是根据本发明实施例的示出来自图7的可见卫星的卫星分布
图9是示出根据本发明实施例将促使用户做出的方向取向的另一 卫星分布图IO是示出当用户面向西时可见卫星的初始检查的另一卫星分布
图ll是示出根据本发明实施例的用户选择东南作为最优方向的另 一卫星分布图；图12示出根据本发明实施例的2轴加速计倾斜感应的俯视图的图
示；
图13的参考表说明了根据本发明实施例、如何利用测量数据来得 出参考倾斜与天线增益之间的关系；
图14是示出根据本发明实施例的在SPS系统中改进首次定位时间 的方法的流程图。
具体实施例方式
虽然说明书以用来限定被认为新颖的本发明的实施例的特征的权 利要求书为结束，但是认为，通过考虑下面的描述结合附图将更好地 理解本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的部分。
这里的实施例通常能够通过天线辅助来改进卫星信号捕获的首次 定位时间(TTFF)。在这里的实施例中，天线辅助自身通常分为两类， 但不一定局限于此。在第一类中，对于用户的天线辅助能够被用于最 优物理取向(例如，搜索引擎中的软件可以不知道单元的物理取向， 也不调节搜索，但是给出用户关于面对的最佳方向或持有他们的手持 单元的倾斜角的提示，以便最大化增益)。在第二类中，天线辅助能 够被用于改进软件相关性(例如，用户没得到辅助，也不需要物理地 尝试改变他们的取向来提高增益，而是由软件来使用利用传感器或用 户输入的辅助，从而帮助搜索引擎判定哪些卫星可能受益于优化的划 分相关器搜索)。
在移动手持设备中的典型GPS应用中，天线取向未知，GPS搜索 引擎也无法得到优化参数来考虑关于固定天线取向的、产品设计者已 知的天线属性。然而，集成罗盘来馈给单元的当前方向取向的前进方 向信息，或者集成诸如加速计的其他环境传感器，能够提供反馈给搜 索引擎，这样的反馈证实在选择首先尝试捕获的可见卫星的优先级方 面很有价值。通过使用经常与磁性罗盘结合进行倾斜补偿的加速计，能够获得 关于用户环境的附加信息。加速计另外能够测量用户运动的速度，该 运动速度然后能够被用来判定用户是以步行速度还是在车辆中行进。 该特性的附加提示又能够针对特定的用户环境来进一步优化最佳的搜 索算法。诸如移动手持设备ioo的设备，如图1中所示，能够包括SPS
或GPS接收机102、环境传感器106、存储器108以及呈现设备110， 该呈现设备110耦合到处理器或GPS芯片集104。设备100还能够包 括用户接口 112。环境传感器106能够包括罗盘或加速计，但是也能够 包括能够测量前进方向、倾斜、位置或其他因子的任何其他数量的环 境传感器。存储器108能够包括取向引导地图以及根据实施例有用的 其他信息的寄主(host)。该取向引导地图或其他数据能够包括关于已 知阻塞结构的信息。存储器还能够存储天线增益性能值(针对特定的 设备)、年历信息、星历信息以及基于从传感器106收集的信息的其 他信息或设置。
GPS信号水平具有与天线取向的相关性。还知道，附近物体接近 天线会导致信号阻塞。还知道，当从空中视图(overhead sky view)平 面看时，在不同的用户位置处的手持设备的测试将导致GPS天线的平 均增益(dBi)的降低，该不同的用户位置诸如虚拟手部中持有的拨打 位置或虚拟头部旁的呼叫位置。该衰减与由于附近身体阻塞所导致的 天线的去谐效应有关。因为在身体阻塞的方向上的增益可以被降低2-3 dB，或在一些位置中增益降低更多，这些方向将是用来接收卫星信号 的间接路径，所以直观上看，天线性能的平均峰值增益将位于远离附 近身体阻塞的方向上。因为车辆顶构成了信号阻塞，所以车辆内的导 航还能对不处在通过一个窗户的视图的直线上的卫星平均添加5-8 dB 的额外信号衰减。
GPS芯片集经常使用辅助参数来帮助卫星信号的快速捕获。这些 辅助参数典型地被限定为TCXO频率辅助、位置辅助、GPS时间辅助 以及星历。使用其他环境参数的天线辅助当前没有在任何手持机上实
9现，并由此能够提供性能的可能增益。GPS搜索引擎典型地将使用根 据年历估计或根据星历辅助精确已知的可见卫星的列表，来判定着重
哪些卫星的搜索从而完成捕获。通过停留在指定的搜索区(search bin) 中，同时尝试与特定卫星代码相关，来执行这些搜索。当尝试捕获高 信号水平的卫星时，在初始搜索阶段中停留时间将较短。为了捕获在 较低信号水平处的卫星，将在每个搜索周期上逐渐增加停留时间(例 如在较短停留时间中进行了所有搜索区之后，然后周期以稍微长一点 的搜索时间来重复，而随着更多级别的搜索被执行，序列继续，而TTFF 逐渐增加)。
由于执行搜索的方式，TTFF能够直接与在定位中使用的卫星的信 号水平相关。取决于系统体系结构和其他辅助参数的质量，利用来自 网络的星历的完全辅助的定位可以使用一分钟或更多时间来在15-23 dB-Hz的低信号水平上进行报告。无需星历的自主或部分辅助的定位通 常可以使用几分钟来报告定位，而30 dB-Hz以下的卫星通常不能被捕 获。
再次参考图1，这里的实施例能够包括根据由一个或多个传感器 106确定的手持机取向，向芯片集或处理器104仅仅馈给用户的前进方 向。(GPS)搜索引擎知道可见卫星的方位角和仰角，由此能够估计出， 对于位于与用户前进方向成直角的180度平面中的卫星来说，除了用 户的身体或车辆顶之外将只有很少的阻塞。以这种方式，芯片集或处
理器104能够估计峰值天线增益的方向。例如，如果在开放的空中视 图中可见到8个卫星，则芯片集然后能够选择对在估计峰值增益的方 向上的卫星的捕获尝试进行优先级排序，从而加速TTFF。术语"峰值 天线增益"能够表示对于特定的天线配置来说所接收的最强或最佳的 信号集，尤其当它涉及对于设备可见的卫星，或替换地当它涉及与可 见的卫星的设备相关的取向时。该术语能够，但是不需要一定考虑阻 塞结构。另外，如果结合了能够报告用户运动速度的加速计信息，芯片集 能够就用户环境是在车辆中还是徒步进行估计或作出最好的猜测。该 信息能被用于利用相关器进行划分搜索。通过对搜索进行划分，某些 部分的相关器能够假定前进方向上的峰值增益，并利用较短的停留时 间搜索已知的、处于较高信号水平的、在该区域内的卫星。剩余相关 器将被指定为直接将它们的搜索跳转到较长停留时间，其中对于处于 身体或车辆阻塞的方向上的卫星，针对用户环境所估计的衰减来假定 该较长停留时间。使用这样的技术消除了执行尝试搜索的多个过程所 需的时间，而这些尝试搜索很可能失败并增加整体的TTFF。衰减参数
的示例选择可以对单独的身体阻塞假定2-3 dB的衰减，并对车辆阻塞 假定大约5-8 dB的衰减。减少捕获足够卫星来完成完整捕获计算所需 要的搜索重复(iteration)(最少4个)对TTFF将具有正面影响。如 果不知道与用户运动相关的信息，则依然能够使用划分相关器搜索， 但是对所有情况来说，身体阻塞模型可能是假定的出发点。
可以利用图2所示的"空中分布图"来图示描述这里的实施例， 图2就卫星的方位角和仰角示出这些卫星在空中的位置，其也能够被 看作罗盘方向。所有罗盘方向都以图的中心点为基准，该中心点是在 开始搜索时手持机的粗略呈现位置(通常是从附近基站协助的位置广 播)。图1中的空中分布图的中心处于估计的用户位置处。如果卫星 直接在头上方90度，则该卫星将在空中分布图的中心处显示。图的中 间圆表示在45度仰角处的卫星。外部圆则表示在0度仰角处的卫星， 并且由于开放空中情况下的地球的地平线，当卫星接近大约5-10度的 仰角时，这些卫星将落到用户可见范围之外。
在图2的示例中，让用户面对北方，如由箭头所示，卫星2(几乎 在头顶)、4、 7和30将被假定为具有来自直接用户环境(身体或车辆) 的最小阻塞。预期卫星2和30具有比卫星4和7稍微高一些的信号水 平，卫星4和7在仰角上被示出为接近地平线并显然远离用户。卫星5、 9和IO将被假定为被用户的身体或车辆中的位置衰减一些程度。能够如下地对可能的搜索策略进行优化卫星30和2是第一优先级高级别
搜索；在峰值增益的方向上的4和7已知为具有比卫星30和2低1-2 dB
的信号水平，这是由于传播损失所导致的，所以划分相关器搜索对于
它们的捕获尝试会降低几个级别；而5、 9和IO会落在最低类中，因 为其根据位置被认为是否在车辆中而具有假定2-3 dB的阻塞或5-8 dB 的阻塞。
因此，能够根据对用户前进方向的简单了解，选择用于在相关器 之间进行划分的多个级别的停留时间来分配在第一路径搜索上。虽然 这不能考虑到由建筑物或地理特征引起的其他周围阻塞，但是对于这 种类型的搜索算法来说预期能够使得整体的TTFF更快，尤其在开放空 中环境中(无阻塞物)。
参考图3，示出在卫星定位系统(SPS)中改进首次定位时间的方 法300的流程图，能够包括步骤304:取得GPS辅助信息并确定具有 近似的方位角和仰角值的可见卫星。GPS辅助信息能够包括但是不一 定局限于星历、年历、粗略初始位置、时钟漂移和时间、卫星状态以 及如果能得到还包括精确的时间同步信号。注意，如果使用年历信息 则仅仅需要粗略位置和时间，否则能够使用星历数据。方法300还能 够包括确定SPS设备的前进方向的步骤306，该步骤306能够包括确 定与多个可见卫星相关的峰值天线增益的估计方向和可能的阻塞信
息。在一些实施例中，前进方向信息可选地包括速度信息，该速度信 息还能够被用于确定某些阻塞情况(例如徒步或车载情况)。方法300 还能够包括确定卫星优先级划分相关的步骤308，换句话说，也就是根 据峰值天线增益的估计方向并考虑到SPS设备的前进方向来对一部分 可见卫星的捕获尝试进行优先级排序。该方法还能够包括确定SPS设 备处于徒步环境还是车载环境中的步骤。方法300还能够包括步骤 利用在对具有假定峰值增益的卫星和具有较低水平增益的卫星的搜索 之间的相关器划分来在步骤310处执行划分搜索，其中，在对具有假 定峰值增益的卫星的搜索上应用较短的停留时间，而在对具有较低水平增益的卫星的搜索上应用较长的停留时间。该方法还能够可选择地 包括根据峰值天线增益的估计方向并考虑到SPS设备的前进方向， 在步骤312向SPS设备的用户电子呈现取向引导或空中分布图。能够 通过可以与加速计组合的磁性罗盘来确定前进方向。加速计可以被用
于倾斜确定，从而电子地平衡(gimbal)罗盘以获得更好的精度。加速 计还可以被用于估计用户运动的速度，该用户运动的速度可以被用作 环境提示来确定用户进行徒步还是在车辆中。该方法还能够应用针对 特定设计的先验已知天线增益性能值，如下面将进一步讨论的。无论 如何，该方法能够在决定框314处判定是否捕获了最小数量的卫星。 如果是，则方法结束。如果没有捕获最小数量的卫星，则方法返回以 在步骤306刷新前进方向信息，并继续步骤308-314。
在替换的实施方式中，这里的方法和系统能够合并针对特定设计 的已知天线增益性能值结合上述 一 些或全部处理步骤的覆盖
(overlay)。图4和5的图示出了通过摩托罗拉连续24小时跟踪卫星 并肩测试进行估计得到的示例电话的两个独立模型的变化的天线增益 特性的示例图示。在该图示中没有将附近的身体阻塞考虑在内，因为 它们被固定于(clamp into)相对自由的空间条件，但是容易看到，在 增益高于其他天线的一个天线的图案中具有数个波瓣(lobe)。在面南 位置处测试天线，其得到检查到下述情况的支持对分布图的南象限
(southern quadrant)中跟踪的卫星示出稍微高些的天线增益。该数据 支持这样的假定，整体的天线增益基于手持机外壳的特定特性是稍微 定向的，该手持机外壳导致了在某个方向上能够影响增益达几个dB的 阻塞。这个假定清楚地扩展到在持有手持机时由用户的身体导致的阻 塞效应。
特定天线图案特性的认知能够被比作对图6所示的空中分布图的 覆盖，以进一步优化划分相关器搜索的实现，从而为每个可见卫星调 节适当的开始搜索级别。于是这能够不仅包括来自身体或车辆的阻塞 的认知，还能够包括在天线图案的特定波瓣上的增益的认知。图6的
13空中分布图中的用户取向是面南的，以简化与当取得增益数据时天线 的方向性的比较。
图6中的卫星2、 5、 9和IO对于两种天线类型都落入高增益搜索 区域中，其中利用图4表示的天线，这些卫星都预期具有稍微平坦的 增益，而图5表示的天线预期对卫星2和5将具有比对9和IO预期的 水平高出3-4 dB的增益。卫星4和7由于它们接近地平线，以及由于 它们不在天线所面对的外壳的一侧上的事实，所以相较南象限中的最 高信号水平低7-10dB。这是在假定身体遮蔽或车辆阻塞之前。卫星30 对两个天线的检查提供最有意思的结果。即使在假定数个dB的身体阻 塞的情况下，依然预期图4表示的天线对于卫星30具有相对较高的增 益响应。图5表示的天线在图案中呈现"孔"，在北象限中具有低增 益，并且甚至在考虑到身体或车辆阻塞之前，卫星再次能够落到南象 限中的最大增益之下大约8dB。如果能够跳过搜索引擎的8个高水平的 搜索路径而直接搜索在较低水平的特定卫星，那么相较于假定所有卫 星在开始时都处于相同水平的搜索来说，实时捕获该特定卫星的机率 将增加，并且整体TTFF将被改善。
因此，如果将关于用户的当前取向的前进方向信息作为天线辅助 算法的一部分结合到SPS或GPS搜索引擎中，则用户能够快得多地获 得卫星定位。方向信息连同与附近身体或车辆阻塞相关联的预期遮蔽 效应能够被用于执行划分相关器搜索，该划分相关器搜索的目的为针 对卫星的假定信号水平，捕获尽可能接近第一路径的卫星。捕获在"第 一路径"上的更多卫星，而不是需要大量不重要路径来捕获较低水平 信号，将对TTFF具有直接影响。划分搜索另外会结合针对已测试设计 的天线性能的特定认知，该特定认知会显著改进用来为各个可见卫星 调节适当的开始搜索级别的算法。
GPS信号捕获使用空中可见的卫星的已知特性，来优化搜索并加 速TTFF。在可利用网络辅助得到星历的会话中，在会话开始时，手持单元将知道所有可见卫星的方位角和仰角。在可以利用阿络广播得到 GPS时间和粗略的位置辅助的会话中，手持单元依然能够通过参考年 历来估计假定在该位置处可见的一系列卫星的近似方位角和仰角。甚 至在不知道开始信息的会话中， 一旦建立一个卫星的跟踪，则GPS软 件能够开始参考其年历来估计哪些其他卫星可能可见。
在具有低信号水平的完全辅助的会话中，定位可能需要一分钟或 更多时间来报告位置，以及在没有星历辅助或没有任何辅助的自主会
话中，该TTFF可能增加到几分钟或更多。在所有这些会话中，通常知 道，能够建立TTFF的显著改善，以增加卫星的平均信号强度(C/N) 水平，用于计算甚至超出最小操作水平2-3 dB的增益的位置定位。这 在没有星历辅助的捕获中更加显著，因为操作所需的信号水平大大高 于(30dB-HzC/N)星历辅助情况(根据设计架构，15-23 dB-Hz)。
因为对于快速报告定位来说信号水平很重要，且少许dB的增益能 够产生能否成功捕获定位之间的差异，所以用于在GPS会话期间与用 户交互来帮助他们优化他们的天线的方向指向的方法能够是有利的。 当单元在初始捕获期间可能需要帮助，以及然后在一旦建立会话之后 能够以较低信号水平进行跟踪时，这样的用户辅助能够最直接地应用 于在任何基于位置服务(LBS)会话期间所捕获的第一定位的初始化。 使用关于当前可见卫星的容易得到的信息的视觉提示，能够帮助用户 确定如何最佳地定向他们的单元，以尽可能快地捕获定位。辅助用户 以帮助他或她改进物理天线取向，能够是对于划分相关器方法的取代 实现。如先前讨论的使用划分相关器进行辅助，将可能被置入很低层 的移动设备的软件代码中以供使用。对于用户的辅助能够与市场上已 有的任何产品一起使用，这些产品具有标准的搜索过程，且不一定需 要对现存的搜索处理软件进行软件修改。辅助意图帮助用户将他们的 电话取向为物理地最大化信号水平(利用罗盘方向以便用户能够转向 具有最多可见卫星的方向，或利用倾斜取向以便天线没有源自指向地 面的较差的多路径)，以及更快地捕获具有较高信号水平的卫星，从
15而改进TTFF。
一旦再次使用图8到ll所示的空中分布图，与空中卫星的方位角
和仰角相关的空中卫星的位置也能够被看作罗盘方向。所有罗盘方向 都以图的中心点为基准，该中心点为开始搜索时手持机粗略呈现的位 置(通常是从附近基站协助的位置广播)。
参考图7，示出了 2005年2月1日午夜创建的Spirent仿真的一组 可见卫星的示例。用户位置能够在纬度37经度122处的北美西海岸(由 没有列有卫星编号的X表示)。
参考图8,所示的图示出卫星的地球视图(earth view)如何对应 于"空中分布图"。空中分布图的中心在用户位置处。如果卫星在头 顶正上方90度，该卫星会在空中分布图的中心处显示。如先前注意的， 图的中间圆表示在45度仰角处的卫星。外部圆是O度仰角，以及当卫 星达到大约5-10度的仰角时，由于在开放空中情况下的地球的地平线， 则卫星将落到用户可见范围之外。
参考图9，如果在用户的GPS会话开始时在他们的当前可用卫星 的手持设备上示意性呈现空中分布图，则示出能够提示用户做出的方 向取向决定。从卫星的排列很清楚知道，用户要把他们的身体(或在 持有设备时来自他们身体的阻塞)布置在相对于设备的SSE或SE方向 上，因为在那里没有可见卫星。这会把GPS天线的峰值增益(在持有 他们的手持单元的用户的前面和侧面)布置为面对可见卫星的方向。 用户能够参考视觉线索，诸如太阳的方向，或通过在手持设备中集成 罗盘，来完成方向取向。
在手持机屏幕上示意性地，具有集成的罗盘的单元能够自动指示 相对于在定位会话开始时己知可见的卫星的用户的开始位置。图IO和 11中的空中分布图能够示出在用户的GPS定位尝试期间估计最佳的面对方向时，如何将这些空中分布图用作用户的决定做出过程的一部
分。在图10中，示出发生于37-121纬度和经度在10AM时的2006年 6月10日仿真的一组可见卫星。用户面西地开始会话。可见卫星的初 始检查将示出，面对SE或SW可能是用来朝着最大数量的可见卫星布 置峰值天线增益的最佳位置。在开放空中情况下，可能假定，会选择 面对SW作为最佳方向，因为卫星30在空中比卫星4和IO稍微高些， 卫星4和IO更接近地平线。然而，用户也能够在做出他们最终的决定 之前检查附近建筑物或地理特征导致的阻塞，地理特征诸如山，如图 11所示，这些阻塞可能使得一个方向比另一个方向更优选。由此，图 ll示出用户的最终决定为面对SE，该决定基于建筑物向NW提供阻塞， 而在其他方向中具有开放的空中视图。
如果手持机能够就接收最佳天线增益所需的取向对用户进行辅 助，则用户能够更经常地以及在更多位置处获得定位。通过使用针对 用户的前进方向的相关的罗盘方向性，以及诸如在手持机屏幕上显示 的空中分布图，能够针对当前可见的卫星来对该增益进行优化。如果 知道粗略的位置和时间，通过参考GPS年历，则容易地得到产生卫星 空中分布图所需的信息(可见卫星的方位角和仰角)。在由能够进行 (辅助GPS) AGPS的网络提供给手持机的星历辅助中，也能够容易地 得到该卫星信息。用户前进方向可以利用用户条目(user entry)来粗 略估计，或者可以利用在手持机中的集成罗盘来更精确地估计。利用 更好的天线增益优化来实现更快定位能够具有这样的影响更好的 TTFF以及由用户感知的更好的可靠性。
在本发明的又一方面，能够类似地使用其他环境传感器来改进 TTFF。在移动手持设备中的典型的GPS应用中，天线取向被留给用户， 而没有界面来提供可能增加信号增益的优化提示。然而，集成加速计 作为倾斜传感器会允许用户界面提供交互辅助，该交互辅助会导致更 优化的信号增益取向，该信号增益取向可以提高完成定位并降低TTFF 的机率。加速计典型地是小型微机设备，这些小型微机设备能够感测到与 地球的引力场以及惯性力、冲击和振动相关的倾斜或弯曲。MEMS加 速计对于空间受限的手持设备实现是优异的选择，因为它们成本低、
表面可安装、需要很少的装载空间(board space)(典型的包装尺寸为 5X5或6X6mm)、具有低操作电流，并且在功能性上是多功能的， 能够在移动设备中加强很多特征。二轴加速计能够感测与地球的引力 场相关的XY方向上的正和负倾斜，如图12中所示。该设备的水平位 置名义上是0倾斜。
倾斜感测能够被实现为GPS芯片集的天线辅助功能，以告知用户 他们是否将他们的单元保持在次优位置上，该次优位置可能不利地影 响信号增益。这对于任何天线类型都有利，但尤其有利于具有较强方 向特性的天线。如先前注意的，由于影响捕获的间接信号路径(多路 径)，不适当指向的天线会对典型手持设备中的增益影响2-3 dB。
典型地，在产品的设计阶段中测量天线的增益。该方法能够实现
倾斜度增量与该取向上的天线以dBi计的预期平均增益的简表，如图
13所示。这将创建倾斜范围的抉择矩阵(decision matrix)，其中，增
益与取向可以接受，或者如果用户期望提高性能是否应该调节增益与
取向。如果取向被确定为次优，则能够向用户显示消息，以建议他们
如何调节他们的倾斜取向来得到更好的结果。以这种方式，用户的天 线能够具有相比正常使用情况的可见卫星更好的空中视图，其将产生
更直的视线以接收低水平GPS信号。
在没有信号阻塞的开放空中情况下，在天线的空中接口对于GPS 典型接收的信号大约在-125到-130 dBm的范围内；而在室内情况下， 该典型接收的信号则能够在-150 dBm或更低的范围内。在如此的低信 号水平上，报告接收信号具有尽可能少的衰减的位置定位，对于TTFF 非常有益。这在自主操作情况下甚至更重要，在自主操作情况下，没有从网络提供星历辅助，其意味着不能获得在30 dB-Hz的C/No水平 以下的定位。在星历辅助的情况下，可以在23dB-Hz或更低的水平获 得定位。
参考图14，示出用于在GPS会话期间尝试捕获卫星的同时使用倾 斜与增益表的可能决定过程400的流程图。在步骤402，开始GPS取 向过程，以及在决定框404处做出判定设备(诸如电话)是否处于 优化取向。如果设备处于优化位置，则在决定框410处做出判定是 否捕获了所有的GPS卫星。如果在决定框404处取向小于优化，则在 步骤406处通知用户来根据参考表格在更优化的角度上倾斜该设备。 然后，能够在步骤408处检验电话取向。如果在决定框410处捕获了 所有适合的GPS卫星或用户终止功能，则过程能够结束。
已知较低的信号增益对TTFF具有直接影响。利用更好的天线增 益优化完成更快的定位能够产生这样的影响用户感知到的更好的可 靠性。如果手持机能够通过使用加速计来就用于接收最佳天线增益所 需的取向辅助用户，则用户能够更经常地以及在更多位置获得定位。
根据前面的描述，应该知道，根据本发明的实施例能够利用硬件、 软件或硬件和软件的组合来实现。根据本发明的网络或系统能够以集 中式方式在一个计算机系统或处理器中实现，或以分布式方式实现， 在该分布式方式中，不同的元件跨数个互连的计算机系统或处理器(诸 如微处理器和DSP)而分布。任何类型的计算机系统，或适于执行这 里所述功能的其他装置，是适合的。硬件和软件的典型组合能够是具 有计算机程序的通用计算机系统，当加载并执行这些计算机程序时， 计算机程序控制计算机系统以便计算机系统执行这里所述的功能。
根据前面的描述，还应该知道，根据本发明的实施例能够利用预 期落在权利要求的范围和精神内的许多配置来实现。另外，上面的描 述意图仅仅作为示例，而不意图以任何方式限制本发明，除非在以下 的权利要求中阐明。
权利要求
1. 一种在卫星定位系统(SPS)中改进首次定位时间的方法，包括步骤确定SPS设备的前进方向；确定与多个可见卫星相关的峰值天线增益的估计方向；以及根据峰值天线增益的所述估计方向并考虑到所述SPS设备的前进方向，来对一部分可见卫星的捕获尝试进行优先级排序。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述方法还包括步骤判 定所述SPS设备是在徒步环境中还是在车载环境中。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述方法还包括步骤利 用在对具有假定峰值增益的卫星和具有较低水平增益的卫星的搜索之 间的相关器划分，来执行划分搜索。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括步骤在 对所述具有假定峰值增益的卫星的搜索上应用较短的停留时间，而在 对所述具有较低水平增益的卫星的搜索上应用较长的停留时间。
5. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述方法还包括步骤根 据峰值天线增益的所述估计方向并考虑到所述SPS设备的前进方向， 向所述SPS设备的用户电子地呈现取向引导。
6. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述确定前进方向的步骤包括使用磁性罗盘或与加速计组合的磁性罗盘来进一步细化所述前进 方向。
7. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述方法还包括步骤应 用针对特定设计的先验已知的天线增益性能值。
8. —种卫星定位系统(SPS)天线辅助设备，包括 SPS接收机；环境传感器，用来确定前进方向值、倾斜值或加速度值；以及 处理器，耦合到所述SPS接收机和所述环境传感器，其中，所述 处理器被编程以确定所述SPS接收机的前进方向；确定与多个可见卫星相关的峰值天线增益的估计方向；以及 根据峰值天线增益的所述估计方向并考虑到所述SPS接收机 的前进方向，对一部分可见卫星的捕获尝试进行优先级排序。
9. 根据权利要求8所述的SPS天线辅助设备，其中，所述处理器 被进一步编程来判定所述SPS接收机是在徒步环境中还是在车载环境 中。
10. 根据权利要求8所述的SPS天线辅助设备，其中，所述处理 器被进一步编程以利用下述搜索'义间的相关器划分来执行划分搜索 使用较短停留时间的对具有假定峰值增益的卫星的搜索，以及使用较 长停留时间的对具有较低水平增益的卫星的搜索。
11. 根据权利要求8所述的SPS天线辅助设备，其中，所述处理 器被进一步编程以根据峰值天线增益的所述估计方向并考虑到所述 SPS接收机的前进方向，向所述SPS天线辅助设备的用户电子地呈现 取向引导。
12. 根据权利要求8所述的SPS天线辅助设备，其中，所述处理 器被进一步编程以使用倾斜确定、罗盘前进方向确定或加速度确定来确定前进方向，以进一步细化所述前进方向。
13. 根据权利要求8所述的SPS天线辅助设备，其中，所述处理 器被进一步编程以应用针对特定设计的先验已知的天线增益性能值。
全文摘要
一种卫星定位系统(SPS)天线辅助设备(100)，包括SPS接收机(102)、环境传感器(106)来确定前进方向值、倾斜值或加速度值；还包括处理器(104)。处理器能够被编程以确定(306)前进方向；确定(304)与可见卫星相关的峰值天线增益的估计方向；以及根据峰值天线增益的估计方向和环境数据，来对一部分可见卫星的捕获尝试进行优先级排序(308)。该处理器能够利用下述搜索之间的相关器划分来执行(310)划分搜索对具有假定峰值增益的卫星的搜索，该搜索使用较短停留时间；以及对具有较低增益的卫星的较长停留时间搜索。该设备能够根据峰值天线增益的估计方向并考虑到SPS接收机的前进方向，向用户电子地呈现(312)取向引导。
文档编号G01S1/00GK101479621SQ200780024636
公开日2009年7月8日 申请日期2007年3月29日 优先权日2006年5月12日
发明者克瑞斯蒂·A·哈弗坎普, 基思·M·克卢格 申请人:摩托罗拉公司