卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离计算方法
【专利摘要】本发明提供一种卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离计算方法。该卫星虚拟距离计算装置用以计算一卫星与一卫星定位接收机之间的一虚拟距离，其中该虚拟距离包含一整数电码值及一小数电码值。该卫星虚拟距离计算装置包含一接收器及一电性连接至该接收器的处理器。该接收器用以自一卫星信号撷取单元接收一电码相位，且该处理器用以根据该电码相位计算该小数电码值。该处理器更用以界定一近似点位置，并根据该近似点位置与该小数电码值计算该整数电码值。该卫星定位方法用以定位该卫星定位接收机。
【专利说明】卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离
计算方法【技术领域】
[0001]本发明提供一种卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离计算方法。更具体而言，本发明提供一种关于快速冷开机的卫星定位装置的卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离计算方法。
【背景技术】
[0002]由于卫星定位具有许多优势，例如全球覆盖率高(高达98% )、高精确度、快速、省时、应用广泛、可移动定位等等，使得卫星定位早已成为室外定位的一项重要指标技术。
[0003]传统的卫星定位接收机的定位程序可分为撷取、追踪及定位三个程序。在撷取程序中，卫星定位接收机用以计算出天空中可视的卫星的电码相位以及都卜勒位移。在追踪程序中，卫星定位接收机用以使本地的信号与卫星信号同步，进而解出卫星星历等参数，其中卫星星历为后续定位程序中所不可或缺的参数，包含卫星的绝对发射时间以及卫星轨道信息。在定位程序中，卫星定位接收机用以根据卫星星历等参数，取得正确的卫星位置以及卫星与卫星定位接收机之间的虚拟距离，计算其所处的位置。
[0004]对于传统的卫星定位接收机而言，一旦在追踪程序中无法正常取得卫星星历的信息，将无法取得卫星的绝对发射时间以及卫星轨道信息；而在缺乏卫星的绝对发射时间以及卫星轨道信息的情况下，传统的卫星定位接收机将无法取得正确的卫星位置以及卫星与卫星定位接收机之间的虚拟距离，因而无法计算出使用者的定位位置。
[0005]传统的卫星定位接收机可包含射频前端单元、卫星信号撷取单元、卫星信号追踪单元以及定位计算单元，其中射频前端单元作为卫星及卫星定位接收机之间的通信接口，而卫星信号撷取单元、卫星信号·追踪单元以及定位计算单元分别用以执行撷取、追踪及定位三个程序。由于卫星传送卫星星历的传输率非常低(大约50bps)，故卫星信号追踪单元从卫星下载并处理一笔完整的卫星星历数据(包含卫星的绝对发射时间以及卫星轨道信息)，需要花费非常多的时间(大约30秒至数分钟)。于是，传统的卫星定位接收机普遍存有一个急需解决的问题，那就是首次定位(或称为冷开机)的速度过慢，导致使用者等待时间过长，或影响到其应用层面。
[0006]有鉴于此，如何改善传统的卫星定位接收机因其卫星信号追踪单元需花费过多的时间从卫星下载并处理一笔完整的卫星星历而导致首次定位的速度过慢的问题，确为所属【技术领域】中亟需克服的重要问题。
【发明内容】
[0007]本发明的主要目的在于提供一种卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离计算方法。本发明提供的卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离计算方法可使传统的卫星定位接收机在缺乏卫星星历的情况下，直接计算出卫星与卫星定位接收机之间的虚拟距离及卫星的绝对发射时间，进而计算出使用者(即卫星定位接收机)的定位位置。换言之，本发明提供的卫星定位方法、卫星虚拟距离计算装置及其卫星虚拟距离计算方法可用以取代传统的卫星定位接收机的卫星信号追踪单元或与之并存，因而已有效地改善因卫星信号追踪单元发费过多的时间从卫星下载并处理一笔完整的卫星星历数据而导致首次定位的速度过慢的问题。
[0008]为达上述目的，本发明提供了一种卫星虚拟距离计算装置，用以计算一卫星与一卫星定位接收机之间的一虚拟距离，其中该虚拟距离包含一整数电码值及一小数电码值。该卫星虚拟距离计算装置包含一接收器及一电性连接至该接收器的处理器。该接收器用以自一卫星信号撷取单元接收一电码相位。该处理器用以执行下列操作:根据该电码相位计算该小数电码值；界定一近似点位置；以及根据该近似点位置与该小数电码值计算该整数电码值。
[0009]为达上述目的，本发明更提供了一种卫星虚拟距离计算方法，用以计算一卫星与一卫星定位接收机之间的一虚拟距离，其中该虚拟距离包含一整数电码值及一小数电码值。该卫星虚拟距离计算方法包含下列步骤:
[0010](a)使该卫星定位接收机的一接收器自该卫星定位接收机的一卫星信号撷取单元接收一电码相位；
[0011](b)使该卫星定位接收机的一处理器根据该电码相位计算该小数电码值，其中该处理器与该接收器电性连接；
[0012](C)使该处理器界定一近似点位置；以及
[0013](d)使该处理器根据该近似点位置与该小数电码值计算该整数电码值。
[0014]为达上述目的，本发明更提供了一种卫星定位方法，用以定位一卫星定位接收机。该卫星定位接收机与数个卫星之间各自具有一虚拟距离，其中各该虚拟距离包含一整数电码值及一小数电码值。该卫星定位方法包含下列步骤:
[0015](a)使该卫星定位接收机的一接收器自该卫星定位接收机的一卫星信号撷取单元接收这些卫星其中之一的一电码相位；
[0016](b)使该卫星定位接收机的一处理器根据该电码相位计算一小数电码值，其中该处理器与该接收器电性连接；
[0017](C)使该处理器界定一近似点位置；
[0018](d)使该处理器根据该近似点位置与该小数电码值计算该整数电码值；
[0019](e)重复该步骤(a)至该步骤(d)的步骤，以取得这些卫星与该卫星定位接收机之间的这些虚拟距离；以及
[0020](f)使该卫星定位接收机的一定位计算单元根据这些虚拟距离定位该卫星定位接收机，其中该定位计算单元与该处理器电性连接。
[0021]于参阅附图及随后描述的实施方式后，所属【技术领域】具有通常知识者便可了解本发明的技术手段及相关实施态样。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的第一实施例所述的卫星定位接收机的示意图；
[0023]图2为本发明的第二实施例所述的卫星虚拟距离计算方法的流程图；
[0024]图2A及图2B为本发明的第二实施例所述的卫星虚拟距离计算方法的细部流程图；
[0025]图3为本发明的第三实施例所述的卫星定位方法的流程图；以及
[0026]图3A及图3B为本发明的第三实施例所述的卫星定位方法的细部流程图。
[0027]主要元件符号说明:
[0028]1:卫星定位接收机
[0029]11:射频前端单元
[0030]13:卫星信号撷取单元
[0031]15:卫星虚拟距离计算装置
[0032]151:接收器
[0033]153:处理器
[0034]17:定位计算单元
【具体实施方式】
[0035]本发明的内容可通过以下实施例来解释，但本发明的实施例并非用以限制本发明必须在如以下实施例中所述的任何特定的环境、应用或方式方能实施。因此，以下实施例的说明仅在于阐释本发明，而非用以限制本发明。在以下实施例及图式中，与本发明非直接相关的元件已省略而未绘示，且绘示于图式中的各元件之间的尺寸比例仅为便于理解，而非用以限制为本发明实际的实施比例。
[0036]本发明的第一实施例如图1所示，其用以描绘一卫星定位接收机I。卫星定位接收机I包含一射频前端单元11、一卫星信号撷取单元13、一卫星虚拟距离计算装置15及一定位计算单元17。卫星虚拟距离计算装置15包含一接收器151及一处理器153，其中处理器153与接收器151电性连接。卫星定位接收机I的实施态样可包含但不受限为:行动电话、个人数位助理(PDA)、数位相机、笔记型电脑、平板电脑等可经由硬件、韧体或软件等设置而具有卫星定位功能的装置。
[0037]射频前端单元11作为地球上可视卫星(未绘示于图)及卫星定位接收机I之间的通信接口，用以接收各卫星所传送的信号/数据，并视情况将该信号/数据转换为卫星信号撷取单元13所需的信号/数据形式。卫星信号撷取单元13用以撷取射频前端单元11自各卫星所接的卫星信号，并计算各卫星所传送的电码相位(CodePhase)及都卜勒偏移量(Doppler Shift)等参数。定位计算单元17用以根据卫星虚拟距离计算装置15所计算出的参数值，例如各卫星以及卫星定位接收机I之间的虚拟距离、各卫星的绝对发射时间，计算出卫星定位接收机I目前所处的位置(即使用者的定位位置)。
[0038]原则上，实施例所述的射频前端单元11、卫星信号撷取单元13及定位计算单元17可视为传统的卫星定位接收机中所包含的射频前端单元、卫星信号撷取单元及定位计算单元。因此，实施例所述的射频前端单元11、卫星信号撷取单元13及定位计算单元17的相关运作及功能已可为本领域具有通常知识者所理解，于此不多赘述。
[0039]与传统的卫星定位接收机不同，在缺乏卫星信号追踪单元可提供卫星星历的情况下，本实施例所述的卫星虚拟距离计算装置15可直接计算出各卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离及各卫星的绝对发射时间，进而使定位计算单元17计算出卫星定位接收机I目前所处的位置(即使用者的定位位置)。[0040]各卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离通常可以电码作为衡量单位。一般而言，各卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离约为67至86个电码，其中一个电码的时间单位为I毫秒(ms)。如此，电码的总数与光速(约3X IO8公尺/秒)的乘积即为各卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离，其中电码的总数包含一小数电码值与一整数电码值。据此，一旦各卫星与卫星定位接收机I之间虚拟距离的该小数电码值与该整数电码值为已知，则各卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离等同已知。
[0041]以下将进一步说明卫星虚拟距离计算装置15计算各卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离的相关运作。为了便于说明，以下将以计算一卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离为例，且本领域具通常知识者已可根据以下说明，轻易思及其他颗卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离的计算方式。
[0042]卫星虚拟距离计算装置15的接收器151用以自卫星信号撷取单元13接收对应至该卫星的一电码相位(未绘示于图)，而处理器153用以根据该电码相位计算该卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离的该小数电码值。根据该电码相位计算该卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离的该小数电码值已可为本领域具通常知识者所知悉。换言之，该小数电码值对于卫星虚拟距离计算装置15而言为一已知的参数。
[0043]一般而言，卫星传送电码的电码率为1023千赫兹(kHz)，而卫星定位接收机的电码取样率为16368千赫兹(kHz)。因此，处理器153只要将该电码相位除以卫星定位接收机I的上述电码取样率，即可求得该卫星与卫星定位接收机I之间的该小数电码值。举例而言，假设该电码相位为8074，则该小数电码值等于8074/16368，也就是等于0.493毫秒。
[0044]卫星虚拟距离计算装置15的处理器153更用以界定一近似点位置，并根据该近似点位置与该小数电码值计算该卫星与卫星定位接收机I之间的虚拟距离的该整数电码值。更具体而言，处理器153将执行下列操作以计算出该整数电码值:对该近似点位置进行一线性化技术处理 ，例如计算该近似点位置的一泰勒展开式；基于该泰勒展开式，计算该近似点位置至该卫星的一单位向量矩阵；根据该单位向量矩阵及该小数电码值计算出该卫星与卫星定位接收机I之间的该虚拟距离的一估测小数电码值；以及经由一迭代演算法逼近该估测小数电码值至该小数电码值以计算出该整数电码值。
[0045]以下将辅以数学表示式，进一步阐述处理器153计算出该整数电码值的过程，惟以下说明并非用以限定本发明。首先，该卫星与卫星定位接收机I之间的一虚拟距离观测方程式可表示如下:
[0046]Ru= pu+E(I)
[0047]其中P u表示为该卫星与卫星定位接收机I之间的一虚拟距离，E表示为一误差值，且该误差值可包含一电离层延迟误差1、一对流层延迟误差T、一时钟误差b及一系统随机误差ε等组合。一般而言，误差所影响虚拟距离的误差值是小于一完整电码。换言之，各误差已隐含于一完整电码内。
[0048]根据几何距离的观念，该卫星与卫星定位接收机I之间的几何距离Pu可表示如下:
【权利要求】
1.一种卫星虚拟距离计算装置，用以计算一卫星与一卫星定位接收机之间的一虚拟距离，该虚拟距离包含一整数电码值及一小数电码值，该卫星虚拟距离计算装置包含: 一接收器，用以自一卫星信号撷取单元接收一电码相位；以及 一处理器，与该接收器电性连接，并用以执行下列操作: 根据该电码相位计算该小数电码值； 界定一近似点位置；以及 根据该近似点位置与该小数电码值计算该整数电码值。
2.如权利要求1所述的卫星虚拟距离计算装置，其特征在于，该处理器更执行下列操作: 对该近似点位置进行一线性化技术处理； 基于该线性化技术处理，计算该近似点位置至该卫星的一单位向量矩阵； 根据该单位向量矩阵及该小数电码值计算该虚拟距离的一估测小数电码值；以及 经由一迭代演算法逼近该估测小数电码值至该小数电码值以计算该整数电码值。
3.如权利要求2所述的卫星虚拟距离计算装置，其特征在于，该处理器经由该迭代演算法执行下列操作: 界定该估测小数电码值与该小数电码值的一平方差值； 根据该平方差值，界定该整数电码值的一成本函数；以及 根据该成本函数， 迭代搜寻该平方差值的最小值以计算该整数电码值。
4.如权利要求1所述的卫星虚拟距离计算装置，其特征在于，该近似点位置落于该卫星的一可视范围内。
5.一种卫星虚拟距离计算方法，用以计算一卫星与一卫星定位接收机之间的一虚拟距离，该虚拟距离包含一整数电码值及一小数电码值，该卫星虚拟距离计算方法包含下列步骤: (a)使该卫星定位接收机的一接收器自该卫星定位接收机的一卫星信号撷取单元接收一电码相位； (b)使该卫星定位接收机的一处理器根据该电码相位计算该小数电码值，其中该处理器与该接收器电性连接； (C)使该处理器界定一近似点位置；以及 (d)使该处理器根据该近似点位置与该小数电码值计算该整数电码值。
6.如权利要求5所述的卫星虚拟距离计算方法，其特征在于，该步骤(d)更包含下列步骤: (dl)使该处理器对该近似点位置进行一线性化技术处理； (d3)使该处理器基于该线性化技术处理计算该近似点位置至该卫星的一单位向量矩阵； (d5)使该处理器根据该单位向量矩阵及该小数电码值计算该虚拟距离的一估测小数电码值；以及 (d7)使该处理器经由一迭代演算法逼近该估测小数电码值至该小数电码值以计算该整数电码值。
7.如权利要求6所述的卫星虚拟距离计算方法，其特征在于，该步骤(d7)更包含下列步骤: (d71)使该处理器界定该估测小数电码值与该小数电码值的一平方差值； (d73)使该处理器根据该平方差值，界定该整数电码值的一成本函数；以及 (d75)使该处理器根据该成本函数，迭代搜寻该平方差值的最小值以计算该整数电码值。
8.如权利要求5所述的卫星虚拟距离计算方法，其特征在于，该近似点位置落于该卫星的一可视范围内。
9.一种卫星定位方法，用以定位一卫星定位接收机，该卫星定位接收机与数个卫星之间各自具有一虚拟距离，各该虚拟距离包含一整数电码值及一小数电码值，该卫星定位方法包含下列步骤: (a)使该卫星定位接收机的一接收器自该卫星定位接收机的一卫星信号撷取单元接收这些卫星其中之一的一电码相位； (b)使该卫星定位接收机的一处理器根据该电码相位计算一小数电码值，其中该处理器与该接收器电性连接； (C)使该处理器界定一近似点位置； (d)使该处理器根据该近似点位置与该小数电码值计算该整数电码值； (e)重复该步骤(a)至该步骤(d)的步骤，以取得这些卫星与该卫星定位接收机之间的这些虚拟距离；以及 (f)使该卫星定位接收机的一定位计算单元根据这些虚拟距离定位该卫星定位接收机，其中该定位计算单元与该处理器电性连接。
10.如权利要求9所述的卫星定位方法，其特征在于，该步骤(d)更包含下列步骤: (dl)使该处理器对该近似点位置进行一线性化技术处理； (d3)使该处理器基于该线性化技术处理计算该近似点位置至该卫星的一单位向量矩阵； (d5)使该处理器根据该单位向量矩阵及该小数电码值计算该虚拟距离的一估测小数电码值；以及 (d7)使该处理器经由一迭代演算法逼近该估测小数电码值至该小数电码值以计算该整数电码值。
11.如权利要求10所述的卫星定位方法，其特征在于，该步骤(d7)更包含下列步骤: (d71)使该处理器界定该估测小数电码值与该小数电码值的一平方差值； (d73)使该处理器根据该平方差值，界定该整数电码值的一成本函数；以及 (d75)使该处理器根据该成本函数，迭代搜寻该平方差值的最小值以计算该整数电码值。
12.如权利要求9所述的卫星定位方法，其特征在于，该近似点位置落于该卫星的一可视范围内。
【文档编号】G01S19/13GK103852767SQ201210531605
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2012年12月5日
【发明者】李智鸿, 王和盛, 周泽民, 庄淑闵, 杨善元, 许志民 申请人:财团法人资讯工业策进会