СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ ДАННЫМИ МОБИЛЬНОЙ СТАНЦИИ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
METHOD OF PROVIDING MOBILE STATION OF SATELLITE POSITIONING SYSTEM WITH AUXILIARY DATA

Область техники
Рассматриваемое изобретение относится в основном к определению местоположения средствами системы спутникового позиционирования, в частности, к способу обеспечения мобильной станции вспомогательными данными, содействующими определению ее местоположения.
Уровень техники
Приемники GNSS (Global Navigation Satellite System - глобальная система спутниковой навигации) определяют дальность до вращающихся вокруг Земли спутников для определения их географического местоположения. В случае если дальность от приемника до спутников и расположение спутников известны, местоположение приемника может быть вычислено. Т.к. расположение спутников в течение времени изменяется, приемнику необходимо описание их орбит в зависимости от времени. В качестве ориентировочного расчета, можно предположить, что ошибка в 100 м в расположении спутника ведет к ошибке в приблизительно 25 м в определенном приемником месторасположении. Поэтому каждый спутник в составе транслируемых сигналов передает в качестве описания его орбиты эфемеридные данные. Автономные приемники должны демодулировать эти эфемеридные данные из транслируемых спутниками сигналов для определения их (спутников) местоположения.
Философия, на которой основана AGNSS (Assisted GNSS - глобальная система спутниковой навигации с внешней поддержкой), подразумевает передачу некоторых функций, которые должны быть выполнены для определения местоположения, на серверный узел, обменивающийся информацией с мобильной станцией через сеть связи, например через сеть сотовой связи. В случае если должно быть определено расположение мобильной станции, мобильная станция посылает на серверный узел запрос вспомогательных данных. В ответ на этот запрос серверный узел передает мобильной станции вспомогательные данные. Мобильной станцией могут быть запрошены различные типы вспомогательных данных, например контрольное месторасположение, контрольное время, навигационная модель, ионосферные коррекции, дифференциальные коррекции, альманахи (годовые календари с астрономической статистической информацией) и т.п. После получения от серверного узла вспомогательных данных мобильная станция затем обрабатывает спутниковый сигнал, например проводит обнаружение спутника и/или вычисления псевдодальности. В настоящее время существуют две возможности для вычисления месторасположения: или мобильная станция осуществляет необходимые вычисления сама (MS-based mode), или мобильная станция передает псевдодальности на серверный узел, который вычисляет местоположение и затем отсылает его мобильной станции (MS-assisted mode).
Необходимо отметить, что в области GNSS делают различие между спутниковыми орбитами спутника и двумя типами данных, используемых для их представления, т.е. «эфемеридные данные», дающие точное описание спутниковых орбит и «альманах», дающий значительно менее точное описание спутниковых орбит. Данные альманаха не являются достаточно безошибочными для точного определения местоположения, отвечающего системным техническим требованиям или ожиданиям конечного пользователя (обычно до нескольких десятков метров). Мобильная станция, принимающая эфемеридные данные через сеть сотовой связи, имеет преимущество, выражающееся в отсутствии необходимости демодулировать эфемеридные данные, являющиеся частью так называемого «навигационного сообщения», содержащегося в транслируемом спутниками сигнале распространения в космосе (signal-in-space, или SIS). По сравнению с GNSS без внешней поддержки это ведет, в конечном счете, к облегченному определению местоположения, т.е. к уменьшению времени определения и/или уменьшению пороговой величины чувствительности приемника (в показателях интенсивности сигнала).
Некоторые способы обеспечения вспомогательными данными мобильной станции используют высокоуровневые слои сетей связи, т.е. аппликативные слои (слои приложений). Преимущество такого решения заключается в том, что аппликативные слои имеют гораздо большую скорость передачи данных по сравнению со слоями уровня управления (control plane). Несмотря на это, пользователь может получить доступ к этому слою только в том случае, если он имеет подписку (т.е. абонентский доступ) к этому слою, что повышает приоритет запроса определения местоположения по отношению к экстренным вызовам. Поэтому было бы предпочтительно перемещать вспомогательные данные к мобильной станции и доставку информации о расположении от мобильной станции по слою управления сети связи. Протокол стандартизирован в TS44.031 (RRLP) для GSM и в TS23.371 (RRC) для UMTS. Важным преимуществом реализации уровня управления является то, что обмен данных, касающихся местоположения, является возможным даже без SIM (Subscriber Identity Card) -карты. Как следствие, экстренный вызов может быть определен на местности даже в том случае, когда пользовать не имеет абонентского доступа. Другим преимуществом является то, что оператор полностью управляет процессом и может поручиться за предоставление услуг. Основной недостаток заключается в том, что сигнальные слои имеют низкую скорость передачи данных, что ведет к проблемам в случае запроса вспомогательных данных многими мобильными станциями. Поэтому ищут способы обмена GNSS вспомогательными данными с уменьшенной скоростью передачи.
Такой способ описан в US 6,058,338. Сервер определения местоположения передает альманах с длительным периодом достоверности (например, неделя) мобильной станции, которая хранит эти данные. При получении запроса вспомогательных данных сервер вместо отправки эфемеридных данных передает вектор коррекции, соответствующий разнице между текущими эфемеридными данными и текущим альманахом, которые получены от спутников в режиме реального времени. В силу длительной применимости альманаха эти данные не требуют частой ретрансляции. Т.к. отсылают только разностные векторы, может быть использовано меньшее количество битов, чем это было бы необходимо для отсылки эфемеридных данных в том виде, в каком они транслируются спутниками.
Не затронутая в вышеуказанном документе проблема связана с «роумингом», т.е. с запросом мобильной станцией вспомогательных данных в случае ее нахождения в географической области, в которой отсутствует покрытие ее домашнего оператора. В силу того что серверный узел пересылает транслируемые спутниками навигационные данные, может иметь место ситуация, в которой видимые мобильной станцией спутники не видны для GNSS приемника серверного узла и в которой применимости последних хранимых на серверном узле эфемеридных данных для соответствующих спутников утратила силу. Известным решением этой проблемы является размещение сети стационарных контрольных GNSS приемников, расположенных вокруг земного шара и соединенных с серверным узлом. В настоящее время оператор имеет возможность самостоятельно построить сеть, что очень дорого, или заключить контракт с владельцем такой контрольной сети, что делает его зависимым от другой стороны.
В настоящем контексте спутник понимается как «видимый» с определенной географической точки, если он находится выше линии горизонта по отношению к этой точке.
US 2004/0117114 A1, а также взаимосвязанные US 2002/0190898 A1 US и 2002/0188403 A1 описывают использование в удаленном приемнике долгосрочных спутниковых маршрутных данных вместо транслируемых спутниками эфемеридных данных. После запроса удаленным приемником вспомогательных данных сервер передает спутниковые маршрутные данные, полученные путем прогнозов спутниковой орбиты и имеющие период достоверности до четырех дней.
Объект изобретения
Объектом рассматриваемого изобретения является разработка улучшенного способа для обеспечения мобильной станции вспомогательными данными. Данный объект достигается заявляемым в п.1 способом.
Основное описание изобретения
Спутники системы спутникового позиционирования излучают в составе навигационных сигналов имеющие определенный период применимости эфемеридные данные. Период достоверности может, например, быть определен как отрезок времени, в течение которого полученная из этих эфемеридных данных точность определения местоположения отвечает техническим требованиям и, соответственно, ожиданиям конечного пользователя. На мобильной станции, например мобильном телефоне, цифровой камере, ноутбуке, карманном персональном компьютере или любом подобном устройстве, снабженном приемником спутникового определения местоположения, эфемеридные данные необходимы для определения местоположения. В системах спутникового позиционирования с внешней поддержкой получение испускаемых спутниками навигационных сигналов облегчается, т.к. мобильную станцию снабжают вспомогательными данными. Серверная станция, например AGNSS сервер или любой подобный провайдер вспомогательных данных, получает транслируемые спутниками эфемеридные данные, например, с помощью соединенного с ней контрольного приемника. Запрос вспомогательных данных от мобильной станции получают на серверной станции, которая затем в ответ на запрос передает на мобильную станцию эфемеридные данные как часть вспомогательных данных. В соответствии с важным аспектом изобретения после получения запроса вспомогательных данных от мобильной станции серверная станция принимает решение о возможности достижения мобильной станцией заданной точности определения местоположения в случае ее обеспечения транслируемыми эфемеридными данными. В положительном случае, т.е. если заданная точность определения местонахождения может быть достигнута с транслируемыми эфемеридными данными, серверная станция передает транслируемые эфемеридные данные на мобильную станцию. В отрицательном случае, т.е. если только заданная точность определения местонахождения не может быть достигнута с транслируемыми эфемеридными данными, серверная станция передает на мобильную станцию вместо транслируемых эфемеридных данных долгосрочные эфемеридные данные как часть запрошенных вспомогательных данных. Долгосрочные эфемеридные данные извлекают из прогнозов спутников орбит, и они имеют период достоверности существенно больший по сравнению с транслируемыми спутниками эфемеридными данными.
Преимущественно шаг принятия решения остается простым. Он может, к примеру, включать в себя определение применимости во время запроса принятых серверной станцией транслируемых эфемеридных данных.
Как станет понятным далее, рассматриваемый способ снижает нагрузку на пропускную способность канала связи между серверной и мобильной станциями вследствие принятия во внимание целесообразности передачи транслируемых эфемеридных данных или долгосрочных эфемеридных данных. По сути, обновления хранящихся в мобильных станциях эфемеридных данных становятся реже. Это ведет к практическому снижению ширины полосы пропускания, т.к. общий размер долгосрочных эфемеридных данных не превышает размер обычных эфемеридных данных. С другой стороны, это повышает автономность приемника, т.е. периода, во время которого приемник не требует дополнительных вспомогательных данных. Предпочтительно период применимости долгосрочных эфемеридных данных увеличен по меньшей мере в 1,5 раза, более предпочтительно по меньшей мере в 2 раза и еще более предпочтительно в 4 раза по отношению к обычным эфемеридным данным.
Предпочтительно формат долгосрочных эфемеридных данных совпадает с форматом транслируемых эфемеридных данных и остается, таким образом, совместимым с существующими стандартами.
Устройство прогноза внешней орбиты может снабжать серверную станцию прогнозами спутниковой орбиты, которая затем извлекает из них долгосрочные эфемеридные данные. Альтернативно или дополнительно серверная станция может извлекать прогнозы орбит, используя в качестве входного сигнала транслируемые эфемеридные данные, полученные на серверной станции, например, средствами соответствующего, соединенного с серверной станцией спутникового приемника. В любом случае прогнозы спутниковой орбиты предпочтительно основаны на механической модели действующих на спутники сил. Прогнозы орбиты могут быть получены путем интеграции фундаментальных законов механики, используя в качестве начальных величин известные параметры спутника.
Если серверная станция оборудована GNSS приемником, он может получать и хранить транслируемые спутниками эфемеридные данные в течение времени, пока спутники остаются видимыми с месторасположения приемника. Если спутник исчезает за горизонт, серверная станция может вычислить орбиту спутника, основываясь на хранимых эфемеридных данных. Специалист отметит, что это значительно уменьшает проблему «роуминга». Предположим, к примеру, что серверная станция и ее контрольный приемник находится в Европе, в то время как мобильная станция запрашивает вспомогательные данные для Австралии. В этом приводимом для примера и не налагающем ограничения иллюстрируемом случае контрольный приемник не снабжает серверную станцию текущими эфемеридными данными видимых спутников, т.е. тех спутников, которые не могут в то же время быть использованы для навигации в Австралии. Тогда серверная станция может вычислить долгосрочные прогнозы орбит для этих спутников, основываясь на самых последних, заложенных в памяти эфемеридных данных. Необходимо отметить, что в данном случае период времени между самыми последними эфемеридными данными и временем запроса включен в период, в отношении которого проводят прогноз орбиты. Затем эти прогнозы используют для получения текущих долгосрочных эфемеридных данных. В отличие от известных систем серверная станция не должна быть подключена к контрольной сети приемников, рассредоточенных по земному шару. Единственный контрольный приемник может быть достаточным в случае его расположения в подходящем географическом месте. Необходимость расположения контрольного приемника в той же географической области, что и серверная станция, отсутствует.
В дополнение к эфемеридным данным передаваемые на мобильную станцию вспомогательные данные могут факультативно содержать данные ионосферной рефракции и/или данные синхронизации. Тип необходимых для передачи данных может быть задан мобильной станцией в запросе вспомогательных данных. Данные ионосферной рефракции или данные синхронизации могут еще более уменьшить длительность определения местоположения или повысить точность вычисляемого расположения. В особо предпочтительном варианте серверная станция вместе с запросом вспомогательных данных получает первоначальное предположение о местоположении мобильной станции, например информацию о соте сети связи, в которой располагается мобильная станция. Тогда серверная станция может оптимизировать вспомогательные данные в соответствии с первоначальным местоположением. Оптимизация по определенному местоположению может быть достигнута в отношении экономии полосы пропускания канала связи между мобильной и серверной станциями. Например, посылаемые к мобильной станции эфермеридные данные могут быть сокращены до эфемеридных данных только тех спутников, которые в настоящее время видны из соты сети связи. Передаваемые к мобильной станции данные ионосферной рефракции могут быть сокращены до данных ионосферной рефракции определенного местоположения.
Краткое описание фигур
Ниже описывается предпочтительный, приводимый в качестве примера, вариант выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры, из которых:
Фиг.1 - структурная схема компонентов сети связи, использующая систему спутникового позиционирования для определения местоположения мобильной станции;
Фиг.2 - высокоуровневая блок-схема способа обеспечения вспомогательными данными мобильной станции системы спутникового позиционирования согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;
Фиг.3 - иллюстрация хронологических событий, происходящий перед и, соответственно, после запроса вспомогательных данных.
Описание предпочтительного варианта осуществления
На фиг.1 представлены компоненты системы 10 связи, использующей систему спутникового позиционирования (такую как, к примеру, GPS, GLONASS, Galileo или их комбинацию). Система 10 связи включает в себя стационарную инфраструктуру такую, как базовые приемопередающие станции 12, 14, 16 и мобильную станцию 18, например показанный на фиг.1 мобильный телефон. Стационарная инфраструктура также включает в себя контроллер 20 базовой станции (КБС), обслуживающий мобильное месторасположение центр 22 (ОММЦ) и AGNSS сервер 24. Стационарная инфраструктура типично соединяет мобильную станцию 18 с наземными сетями связи и/или интернетом.
AGNSS сервер соединен с контрольным GNSS приемником 26, который принимает эфемеридные данные, транслируемые GNSS спутниками 28, 30, 32, видимыми с месторасположения контрольного приемника 26. Связь между контрольным приемником 26 и AGNSS сервером 24 может быть основана на протоколе интернета или на любом другом подходящем протоколе. Сервер 24 принимает транслируемые эфемеридные данные через звено 34 связи от контрольного приемника 26 и хранит их в памяти. Транслируемые эфемеридные данные имеют, к примеру, период применимости около 3 часов с момента их отсылки. Вне периода применимости расхождения между транслируемыми эфемеридными данными и актуальными орбитами спутника существенно возрастают так, что заданная точность определения местоположения пользователя не может более быть достигнута при использовании им этих эфемеридных данных.
rd
Определение местоположения может быть инициировано пользователем мобильной станции 18 умышленно или автоматически, например, в ответ на старт взаимосвязанного с местностью просмотра информации на его мобильной станции. Альтернативно определение местоположения может быть инициировано внешним приложением, например, в ответ на отправленное пользователем сообщение с просьбой о помощи. На первом шаге запрос вспомогательных данных посылается мобильной станцией и направляется на AGNSS сервер 24. Запрашиваемые вспомогательные данные могут быть выбраны из стандартизированного набора технической спецификации 3GPP TS 44.031, выпущенной 3 Generation Partnership Project. Этот набор содержит среди прочего контрольное местоположение (предварительное месторасположение, полученное, как правило, из сотовой информации), контрольное время (для синхронизации мобильной станции с GNSS временем), навигационную модель (эферемидные данные), ионосферные коррекции, альманахи и т.п. Затем AGNSS сервер 24 уточняет запрошенные вспомогательные данные, которые передаются к мобильной станции. Мобильная станция использует полученные вспомогательные данные для получения транслируемых спутниками сигналов и выполняет измерение псевдодальности. Детали этой операции хорошо знакомы специалистам в области AGNSS. Местоположение может быть вычислено или в MS-based mode или в MS-assisted mode в зависимости от конфигурации мобильной станции 18.
Фиг.2 представляет шаги, выполняемые для окончательной подготовки эферемидных данных для мобильной станции 18 согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения. Выдаваемый мобильной станцией 18 запрос вспомогательных данных принимают на AGNSS сервере 24 (шаг 201). В представленном примере предполагают, что пользователь запрашивает эфемеридные данные. Запрос содержит также информацию, например, предоставленную ОММЦ 22, о сетевой соте 35, относящуюся к текущему месторасположению мобильной станции 18. На основании информации, включающей, например, сотовую информацию, информацию альманаха и информацию о текущем времени, AGNSS сервер 24 определяет, какие спутники могут быть видны с месторасположения пользователя (шаг 202).
Затем сервер 24 извлекает из памяти самые последние эфемеридные данные, транслированные этими спутниками и принятые на контрольном приемнике 26, и оценивает возможность мобильной станции 18 определить местоположение с заданной точностью (например, 40 м), предполагая, что мобильная станция 18 была бы способна использовать транслируемые эфемеридные данные (шаг 203). Оценка может быть основана на простом эвристическом утверждении, что транслируемые эфемеридные данные каждого спутника не могут быть использованы во время, не включенное в период применимости транслируемых эфемеридных данных.
Если эфемеридные данные в памяти достаточно свежие, они могут быть направлены в мобильную станцию 18 как часть вспомогательных данных. Такой случай может, например, произойти, если во время запроса пользователь находится в той же географической области, что и контрольный приемник 26, соединенный с AGNSS сервером. На шаге 204 эфемеридные данные подготавливают для передачи в мобильную станцию.
Если хранящиеся в памяти наиболее свежие эфемеридные данные не являются более достоверными или если, например, интенсивность обмена информацией в канале связи между AGNSS сервером 24 и мобильной станцией 18 достаточно высока, вычисляют (на шаге 205) и подготавливают для передачи в мобильную станцию (шаг 206) долгосрочные эфемеридные данные.
После того как эфемеридные данные были подготовлены для передачи со вспомогательными данными, например, путем форматирования эфемеридных данных в RINEX формат, они передаются в мобильную станцию 18 (шаг 207).
В описываемом варианте выполнения изобретения имеется две возможности предоставления долгосрочных эфемеридных данных.
Сервер 24 соединен с устройством 36 прогноза внешней орбиты. В случае рассмотрения системы Galileo эта функция может быть отнесена к т.н. Orbit and Synchronisation Processing facility (устройству обработки орбиты и синхронизации - УООС). Устройство 36 прогноза орбиты может отправлять на AGNNS сервер 24 прогнозы орбиты или даже долгосрочные эфемеридные данные, полученные из прогнозов орбит.
Дополнительно сервер 24 сохраняет историю расположения и скорости данного спутника так долго, пока он принимает эфемеридные данные от этого спутника через контрольный приемник 26. Эти данные используются в качестве входного сигнала для экстраполяции орбиты спутника средствами механической модели, принимающей во внимание действующие на спутник силы. Концепция прогноза орбиты основана на интеграции фундаментальных законов механики с известными расположениями и скоростями спутников в качестве начальных величин. Прогноз орбиты может принимать во внимание земную, лунную и солнечную гравитацию, вращение Земли вокруг полюса, вращение Земли по отношению к звездам, прецессию и нутацию, солнечное давление, приливы и отливы и т.д. Спутниковые орбиты прогнозируются для периода, который существенно превышает период применимости транслируемых эфемеридных данных, используемых в качестве входных данных. В зависимости от используемого алгоритма прогноза орбит они могут быть спрогнозированы для 24 или даже более часов. Спрогнозированные орбиты служат для получения долгосрочных эфемеридных данных.
Необходимо отметить, что устройство 36 прогноза внешней орбиты может вычислять орбиты и/или долгосрочные эфемеридные данные таким же или схожим способом, как это описано для сервера 24. Внутренняя и внешняя орбита и/или эфемеридные вычисления могут быть использованы дублировано (избыточно по отношению друг к другу), т.е. одно служит в качестве резервной копии для другого в случае сбоя в работе, или они взаимодополняют друг друга. В частности, последняя возможность может быть интересной в случае, когда AGNSS сервер должен работать с разными системами спутников, например GPS и Galileo. Для Galileo устройство 16 прогноза орбиты запланировано, в то время как для GPS - нет. Эфемеридные данные для спутников GPS могли бы быть вычислены сервером 24 самостоятельно, в то время как эфемеридные данные для спутников Galileo могли бы быть предоставлены УООС.
Фиг.3 показывает ход событий на временной шкале. Протекание времени представлено слева направо вдоль оси 38. AGNSS сервер принимает эфемеридные данные, транслируемые отдельно взятым спутником в различные моменты времени ТоЕ-2, ТоЕ-1, ТоЕ-0 (ТоЕ обозначает "time of ephemeris" - время эфемериды). В момент времени ToR (время запроса) AGNSS сервер получает запрос эфемеридных данных для этого частного спутника. Последние эфемеридные данные рассматриваемого спутника по отношению к моменту времени ToR были получены в момент времени ТоЕ-0. Фиг.3 иллюстрирует случай, в котором запрос происходит после того, как применимость самых последних данных истекла: период 40 применимости этих эфемеридных данных истек ранее момента времени ToR в момент времени ТЕ. В момент времени ToR AGNSS сервер предоставляет прогноз орбиты для интервала времени 42, который включает в себя момент времени ToR. Прогноз орбиты начинается в момент времени, для которого расположение и скорость спутников известна, т.е. до ТЕ. Долгосрочные эфемеридные данные получают из прогноза орбиты для временного интервала 44, который имеет существенно большую длительность, чем период применимости транслируемых эфемеридных данных, и который содержит, предпочтительно в начале временного интервала 44, момент времени ToR.
Необходимо отметить, что прогнозы орбиты могут быть выполнены в ответ на определенный запрос мобильной станции. Альтернативно прогнозы орбиты могут постоянно обновляться в памяти и быть доступными в случае запроса мобильной станции для извлечения долгосрочных эфемеридных данных.