导航系统中卫星位置的确定方法

专利名称：导航系统中卫星位置的确定方法
技术领域：
本发明涉及在卫星导航系统中确定卫星位置的方法。它特别可应
用于增加位置数据的有效持续时间(validity duration)。
背景技术：
卫星导航系统通常指的是GNSS (全球导航卫星系统)。这些系统 包括围绕地球运动的一群(a constellation of)卫星。在卫星定位系统 中，目标的位置，换句话说其在空间中的坐标通过确定每个卫星和目 标之间的特殊超频率波(hyper frequency wave)的传播时间以己知方 式进行确定，传播时间用于确定从目标到卫星的距离。知道距离至少 四个卫星的距离和这些卫星它们自己的位置于是提供一种确定目标位 置的方法。
因此，知道卫星的位置是确定目标位置中的重要元素。卫星围绕 地球按它们的轨道转动。结果是由卫星提供的导航数据具有多种缺点。 首先，这些数据仅在短时期是有效的，通常为4小时的级别，并因此 必须进行定期更新，作为对于产生和分发数据所需的近似值 (approximation)的结果。结果是服务开发内容(service development context)中的一系列问题中的其它信息源(陆地网络、同步卫星等) 被加入到主导航系统，特别是
-导航数据被更新时的频率使用造成通信网络上的拥塞的数据流；
-导航数据被更新时的频率意味着用户难以独立，特别是在他比数 据有效时期更长地失去通信网络的情况下；
-导航数据有效期间的持续时间防止正在处理他的数据的远离服务 中心的用户使用该服务中心，这是因为同一卫星在同一时间对用户和 对该服务中心两者必须是可视的，这特别是在用户进行长途旅行时会 引起问题。
所有这些问题都造成由卫星产生的导航数据随时间的降级
(degradation)。注意到由卫星产生的导航数据的降级对于它们位置的 预测比对于它们的原子钟的偏移的预测更重要。对于定位，在作为超 过数据有效期间的时间的函数的误差方面存在快速增长，同时时钟偏 移的误差增大，但是更加慢。
卫星位置数据通过一组轨道参数由导航消息发送给用户。这些轨 道参数是用于由开普勒定律描述的轨道的参数方程的参数，其中开普 勒定律被略微修改以包括不同类型的偏差(distortion),以便考虑卫星 轨道中力的第二阶作用(second order effect)而不是球形地球的重力势。 这种类型的轨道随后将被称为准开普勒轨道。通过对卫星到卫星轨道 上的预测位置的运动方程进行积分而获得这些参数。通过这些被预测 的位置上的准开普勒轨道的调节来获得用于表示一部分准开普勒轨道 的参数轨道方程的参数。然后使用这些经过调节的参数提供卫星位置 数据。如上所述，这些卫星位置数据随时间降级。特别地，这种降级 的一个原因是下述问题。
用于准开普勒轨道的参数方程是仅参考伽利略坐标系统来描述卫 星位置的有效模型。不过，由于实际上的原因，准开普勒参数方程用 于在跟随地球转动的坐标系统中播报卫星位置的坐标。该坐标系统是 非伽利略的。出于这个原因，无疑可以获得可靠的轨道，但只是对于 具有有限和已知持续时间的短时间间隔。在该时间间隔之外被预测的 轨道非常不符合卫星的真实轨道。
给出卫星的位置坐标的非伽利略坐标系统是与地球有关的坐标系 统，因此该坐标系统随着地球转动。为什么使用这种坐标系统的原因 在于例如数字地图模型的坐标系统的服务的用户使用的所有其它数据 都关于这种地球坐标系统进行参考。结果是使用这种坐标系统用于参 考卫星位置数据实际上是不可避免的。

发明内容
本发明的一个特殊目的是克服上述缺点，特别是扩展具有以关于 与地球有关的坐标系统的坐标形式的上述卫星位置数据播报的有效 性。为了实现此事，本发明的目的是一种方法，用于使用导航系统外 部的、并参考与地球有关的坐标系统的卫星位置数据以在导航系统中 确定卫星的位置。这些数据被转换成伽利略坐标系统以计算卫星轨道、 预测由被转换成伽利略坐标系统的轨道确定的卫星位置。
该方法同样优选使用导航系统内部的、参考与地球有关的坐标系 统的导航数据，以计算轨道。
在一个可行的实施例中，该方法包括
-采集卫星位置数据的第一步骤，
-采集地球的转动参数值的后续歩骤；
-在与地球有关的坐标系统中计算卫星的位置坐标的步骤； -使用地球转动参数将位置坐标转换成伽利略坐标系统的步骤； -为每颗卫星计算作为在伽利略坐标系统中所参考坐标的函数的轨 道的步骤。
在第一步骤中采集到的数据有利地包括导航系统的外部数据。例
如，通过EGNOS或WAAS系统或通过例如IGS组织的其它公共团体 产生这些数据。
优选地，在第一步骤中采集到的数据还包括导航系统的内部数据。 在根据本发明的方法的第一可行实施例中，参考伽利略坐标系统
产生卫星位置预测，接着在发送给导航系统的用户之前将这些坐标转
换成与地球有关的坐标系统。于是根据本发明的方法可以包括上述步
骤之后的下列步骤
-产生伽利略坐标系统中的多组卫星位置坐标预测的步骤； -使用在上述步骤中预测的地球转动参数在与地球有关的坐标系统
中转换坐标的步骤；
-准备数个导航消息的步骤，每个消息包括与地球有关的坐标系统
中的多组卫星位置坐标，产生的多组坐标追随卫星在它们的轨道上的
刖进；
-将准备的消息发送给用户的步骤；
在根据本发明的方法的第二可行实施例中，将与伽利略坐标系统 有关的卫星位置坐标直接发送给导航系统的用户，在用户的设备上进 行与地球有关的坐标系统中的数据转换。在这种情况下，该方法包括 下列附加的步骤
-将与伽利略坐标系统有关的轨道参数的预测发送给用户的步骤；
-从用户的设备上采集现有的地球转动参数的步骤； -在用户的设备上计算卫星位置坐标的步骤，在伽利略坐标系统中
从在上述步骤中获得的轨道参数的预测开始；
-使用在上述歩骤中采集到的地球转动参数在用户的设备上将伽利
略坐标系统中的有关卫星位置坐标转换成地球坐标系统中的位置坐标
的后续歩骤。
本发明具有特殊优点，即，它可以用于扩展卫星位置数据的有效 性，而同样这种可能性可以扩展到关于适当的伽利略坐标系统分布坐 标的情况。本发明还能够基于使用公共参考数据来计算卫星位置坐标， 并消除了对该问题的物理模型的需要。最后，它易于实施。


在参考附图读出下面给出的介绍之后本发明的其它特征和优点将 变得清晰，其中
-图1示出参考伽利略坐标系统的卫星轨道的图示；
-图2示出参考与地球有关的参考系统的上述卫星轨道的图示；
-图3示出用于实施根据本发明的方法的可行步骤的图示；
-图4示出在上述步骤期间执行的位置数据处理的图示；
-图5示出根据第一实施例的一系列后续步骤；
-图6示出根据第二实施例的一系列后续歩骤。
具体实施例方式
图1示出参考独立于地球4的转动3的伽利略X， Y， Z坐标系统 的GNSS系统中的卫星2的轨道1。卫星2围绕地球的轨道的该轨道1 近似为椭圆。对该准开普勒轨道的参数进行完美的限定以描述表示三 维空间中轨道l的曲线，这些参数参考伽利略坐标系统X， Y， Z。
图2示出参考与地球4有关的非伽利略XT， YT， ZT坐标系统的卫 星2的轨道21。特别是，该坐标系统XT， YT， Zt随着地球跟随相同 的转动22转动。在该非伽利略坐标系统中，轨道21不再是椭圆。该 轨道21以鞍状形式描述表面。更特别的是，轨道21的形状类似于网 球上印制的线条。假设轨道21描述一种扭曲的椭圆，以与地球有关的
XT， YT， ZT坐标系统为参考的准开普勒轨道参数可以用于描述以这种 轨道21为代表的曲线的短片段。不过，很清楚，用于轨道21的这种
参数设置仅对于短时期是有效的并且非常快速地导致卫星2的巨大定
位误差，因为这样从与地球有关的XT， YT， ZT坐标系统可以看到真实
的椭圆轨道1非常快速地离开轨道21。例如这是对于由GPS系统中是 卫星发射的位置数据的情况，而当然也将是对于由未来的伽利略系统 发射的数据的情况，这是因为由这些系统输出的数据参考地球的坐标 系统。因此，对于依赖由卫星发射的位置数据的任何人来说，频繁连 接到这些位置数据源就必须保持导航服务。当导航数据源是另一个信 道，例如用于位置搜索应用的正视的(envisaged)移动电话网络，更 通常是所有定位应用，而不是由卫星发射的导航消息时，这显然是一 个问题。特别是，这产生网络拥塞。
图3示出根据本发明的方法中的可行步骤。本发明能够通过组合 使用具有短有效期间的现有数据和地球转动参数在相当长的有效期间 内独立使用卫星位置数据。被考虑的卫星是在所考虑的有效期间内计 算目标位置所必须的那些卫星，必须考虑至少4颗卫星。
在第一步骤31中，采集GNSS卫星位置数据。特别是，这些数据 由通过例如GPS和伽利略的GNSS系统自身发射的消息产生的公共数 据组成。除了导航系统自身的这些内部数据之外还采集外部数据，例 如由检査和校正GPS数据的EGNOS (欧洲同步导航覆盖服务)或 WAAS (广域增加系统)产生的数据。还可以采集其它位置数据，例如 由以较好精度连续监控GPS群并重建卫星轨道的IGS (国际GNSS服 务)的其它公共团体提供的数据。
在随后的步骤32中采集地球的转动参数的值。例如，由包括数据 的新GPS导航消息、或例如也提供地球参数的预测的IGS类型公共团 体发射的消息来采集这些数据。在该步骤32中采集现有的地球转动参 数连同相应于卫星位置的未来预测的被预测参数。该步骤32可以在上 述步骤31之前进行。
在下一个步骤33中，使用在第一歩骤31期间采集到的位置数据
在它们相应的有效持续时间内计算卫星在与地球有关的坐标系统XT，
YT， ZT中的位置坐标。特别是，从GPS获得的数据可以例如使用由
EGNOS或WAAS系统提供的数据进行校正。
在随后的步骤34中，使用在上述步骤32中采集到的地球的转动 参数、使用传统转换方法将在上述步骤33中计算出的这些坐标转换成 伽利略坐标系统X， Y， Z。由于地球的参考系统XT， YT， Zt与地球 有关并追随其转动的事实，这是可行的。所使用的地球的转动参数是 在相应的卫星位置数据有效的时间处是有效的参数。因此被转换成伽 利略X， Y， Z坐标系统的数据将用于为图1中所示类型的准开普勒轨 道设置参数。
因此，在随后的步骤35中，为每颗卫星计算准开普勒参数曲线， 其是参考伽利略坐标系统、并在上述步骤34期间获得的坐标的函数。 该曲线追随假设被卫星追随的轨道。于是结果是在长期限内一系列卫 星位置是有效的，这是因为他们参考伽利略坐标系统。应该注意到在 这个阶段，不需要所获得的准开普勒轨道是严格的GPS类型，换句话 说不需要使用在GPS系统中使用的全部参数来定义准开普勒轨道。
图4示出模拟图，其示出在上述步骤期间进行的位置数据的处理。 在这个阶段，精确坐标系统使用的根据本发明的方法改变信息，特别 是地球转动参数，以便在步骤34中将内部导航数据41和外部导航数 据42转换到伽利略坐标系统中的导航系统。特别是，可以在长时间段 内采集外部导航数据42。因此，可以在比卫星位置数据的现有有效持 续期间更长的时间段内有利地拉长准开普勒轨道。同样有利的是，根 据本发明的方法中的步骤被执行而不用任何详细模拟的物理环境，这 有利于实施。另外，服务的用户可以长时期独立地使用卫星位置数据。
因此，在随后的步骤35期间，可以由被转换到伽利略坐标系统的 外部位置数据42计算卫星轨道的方程。特别是，GPS类型系统的内部 位置数据41可以用于计算轨道。这些轨道可以用于在长时期内获得卫 星位置预测43。因此，在该歩骤35结束时参考伽利略坐标系统的位置 坐标是可用的。
不过，这些坐标不必适用于用户，这是因为由用户使用的大多数 其它数据通常参考与地球有关的非伽利略坐标系统。例如，根据本发 明，至少两种解决方案对于将数据转换成与地球有关的坐标系统是可 行的，更适于导航系统的用户
-可以用中心方式将坐标转换成与地球有关的坐标系统，并可以事 先准备和发送导航数据；
-或者可以将与伽利略坐标系统有关的坐标直接发送给用户，而转 换成与地球有关的坐标系统可以在用户的设备上进行。
该第二种解决方案意味着所必须的全部就是在位置数据的有效时 期期间将一组计算出的轨道参数发送给用户。有利的是，这避免了网 络拥塞。
下面介绍这两种解决方案。
图5示出第一种解决方案。在这个阶段，参考与地球有关的坐标
系統Xt， Yt， zt的数据在长时期中分布。在下一个步骤56中，使用 在上述步骤35中定义的坐标产生伽利略坐标系统X， Y， Z中卫星位 置的坐标的一组预测，这些数据在长时期内是有效的。每个预测对应 于预定的未来数据。
在接下来的步骤57中，通过在上述步骤32中采集到的被预测的 地球转动参数例如使用传统转换方法将这些坐标转换到地球坐标系统 XT， YT， ZT。这是上述步骤34中所进行工作的逆转换。于是在地球坐 标系统中设置用于卫星的准开普勒轨道的参数。
在随后的步骤58中，为了数个未来时间间隔事先准备数个导航消 息。每个消息包括关于地球坐标系统为参考并在上述歩骤57中获得的 卫星轨道的参数。所产生的不同组的坐标在该上述步骤57中参考地球 的坐标系统产生的卫星的准开普勒轨道上追随卫星的前进。
最后在下一个步骤59中，将准备好的消息事先发送给用户。为了 减少所发送数据的量，可以仅发送从一个消息到下一个消息已经被修 改的那些参数。
图6示出用于实施根据本发明的方法的第二种可行解决方案。在 这个阶段中，参考伽利略坐标系统的数据在长时期内分布。
在随后的步骤66中，把参考伽利略坐标系统的位置数据的预测发 送给用户，这些坐标在长时期内是有效的。
在随后的步骤67中，用户采集地球的当前转动参数。用户采集这 些当前参数以便在随后的步骤中进行坐标系统转换。例如，用户使用 应该包括地球转动参数的GPS L5消息来采集这些坐标。这些参数还可
以通过服务提供商定期发送。显然，可以使用其它信息源。
在随后的步骤68中，在用户的设备上使用在上述步骤66中获得 位置数据预测来计算伽利略坐标系统中的卫星位置坐标。最后在下一
个步骤69中，在用户的设备上使用在上述步骤67中采集到的地球转 动参数将参考伽利略坐标系统的卫星位置坐标转换成与地球有关的坐 标系统中的位置坐标。
因此，在上述两种解决方案中的步骤结束时，结果是参考地球坐 标系统的数据，并因此与由其它系统提供的其它数据兼容。另外，这 些位置数据在长时期中是有效的，这是因为它们最终与相应于这个时 期中的卫星轨道的准开普勒轨道有关。有效持续时间可以多如数天。
例如在定位或导航服务的处理中心的服务商处存储在不同步骤中 采集的数据。该服务商也包括例如对于转换和产生不同位置坐标所必 须的计算方法。特别是，不同于在用户的设备商进行的计算，中心化 进行的所有预测计算在服务中心里进行，服务中心接着将结果发送给 导航系统用户。更通常地是，可以设想在服务商处采集和预测计算的 集中化，或者以足够的计算能力在接收者处去集中化。
权利要求
1、导航系统中卫星位置的确定方法，其特征在于使用导航系统外部的、并参考与地球有关的坐标系统(XT，YT，ZT)的卫星位置数据(42)，这些数据被转换(33)成伽利略坐标系统(X，Y，Z)以计算(34)卫星(2)的轨道，卫星位置的预测(43)从转换成伽利略坐标系统(X，Y，Z)的轨道被确定。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于还使用导航系统内部 的、并参考与地球有关的坐标系统(XT， Yt， Zt)的导航数据(1)， 来计算轨道。
3、 根据上述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于 -在第一步骤(31)中，采集卫星(2)的位置数据， -在后续步骤(32)中，采集地球的转动参数的值； -在后续步骤(33)中，在与地球有关的坐标系统(Xt， Yt， Zt)中计算卫星的位置坐标；-在后续步骤(34)中，使用地球转动参数将位置坐标转换成伽利 略坐标系统(X， Y， Z);-在后续步骤(35)中，为每颗卫星计算作为参考伽利略坐标系统 (X， Y， Z)的坐标的函数的轨道。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于在第一步骤(31)中 采集的数据包括导航系统的外部数据。
5、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于数据是由EGNOS或 WAAS系统产生的。
6、 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于数据由IGS组织 产生。
7、 根据权利要求3至6的任一项所述的方法，其特征在于在第一 步骤中采集的数据包括导航系统的内部数据。
8、 根据上述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于卫星位置 预测参考伽利略坐标系统产生并且在被发送给导航系统的用户之前这 些坐标被接着转换成与地球有关的坐标系统。
9、 根据权利要求8所述的方法，其特征在于--在步骤(56)中，伽利略坐标系统(X， Y， Z)中的多组卫星位 置坐标预测被产生；-在后续步骤(57)中，使用在上述歩骤中预测的地球转动参数转换与地球有关的坐标系统(XT， Yt， Zt)中的坐标；-在后续步骤(58)中，数个导航消息被准备，每个消息包括与地 球有关的坐标系统(XT， YT， ZT)中的多组卫星轨道参数，被产生的 多组坐标在卫星的轨道上追随它们的前进；-在后续步骤(59)中，被准备的消息被发送给用户。
10、 根据权利要求1至7的任一项所述的方法，其特征在于与伽 利略坐标系统有关的卫星位置坐标被直接发送给导航系统的用户，在 用户的设备上进行与地球有关的坐标系统中的数据转换。
11、 根据权利要求10所述的方法，其特征在于-在步骤(66)中，与伽利略坐标系统有关的轨道参数的预测被发 送给用户；-在后续步骤(67)中，现有的地球转动参数从用户的设备被采集； -在后续歩骤(68)中，在用户的设备上计算卫星位置坐标，在伽利略坐标系统中从在上述步骤(66)中获得的轨道参数的预测开始； -在后续歩骤(69)中，使用在上述步骤(67)中采集的地球转动参数在用户的设备上将伽利略坐标系统中的有关卫星位置坐标转换成与地球有关的坐标系统中的位置坐标。
全文摘要
本发明涉及卫星导航系统中卫星位置的确定方法。本方法使用导航系统外部的、并且参考与地球有关的坐标系统的卫星位置数据(42)、这些数据被转换(33)到伽利略坐标系统用以计算(34)卫星轨道，其中根据转换到伽利略坐标系统中的轨道确定卫星位置的预测(43)。然后，两种解决方案可以用于将数据转换到与地球有关的坐标系统。第一种解决方案中，以中心化的方式将坐标转换到与地球有关的坐标系统以及准备和事先将导航数据项发送给用户。第二种解决方案中，将与伽利略坐标系统有关的坐标直接发送给用户并在用户的设备中执行与地球有关的坐标系统的转换。所述本发明特别适于增加位置数据项的有效时间。
文档编号G01S1/00GK101351722SQ200680048243
公开日2009年1月21日 申请日期2006年10月31日 优先权日2005年11月2日
发明者M·范德波西其 申请人:泰勒斯公司