TWI379098B - Global positioning system, global positioning system receiver and global positioning system receiver positioning method - Google Patents
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Description
1379098 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種全球定位系統(Gi〇bai Positioning System,GPS) ’特別是一種GPS接收器。 【先前技術】
由於相關技術的迅速發展,汽車以及電子設備等的需 求目前持續增長。這些系統中廣泛地使用了 Gps,以滿足 不同領域的需求(例如,導航系統和可檇式設備等)。 GPS接仙於接收來自不_星之信號,並處理 接收到的化號以執行GPS定位。通常,待Gps接收器被供 電了段時間後,即可執行GPS定位。GPS接收器具有-稱 為初次定位時間(Time τ〇 First Fix,TTFF)之參數, T T F F被定義為從使用者初次打開G p s接收器至找到衛星所 而的時間以及备GPS接收器長時間處於待機模式後提供第 -人地理位置所需之時間。在信號強度微弱之環境下, HFF相對較長,例如幾分鐘。
【發明内容】 本發明提供了—種GPS接收器。在一實施例中,Gp Ϊ收解調器,從多個衛星發送之-導航訊息中耳 = = = —衛星星曆;—計算器,係電性連接該库
Ll萬年二^個衛星之多個以—星層為主之座標與多伯 靜1絲:之座標之間之多個座標差計算多個萬年 > ,數,以及一衛星位置計算器,係電性連接該計算 0445-TW-CH Spec+CIaim(filed-2〇〇9〇922) doc 益’並根據1¾星層資料計算該多個以該星 根據該衛星星曆計算該辣以該萬年 2 二 本發明提供了一種GPS接收器定位方 中丄定位方法包括從多個衛星所發送出之—導航訊自^ 料和—衛星星曆;根據該星層資料計算。個 ’時?::以一星曆為主之座標和多個以該星暦為主之 根據該衛星星曆計算該多個衛星的多個以-萬年曆為主之座標和多個以該萬年曆為主之計時器潭 移;根據該多個㈣星㈣主之座標以及該多個以兮萬= 2主之座標之間之多個座標差,以及根據該多個㈣星 曆為主之計時器漂移與該多個以該萬年曆為主之計時器 漂移之間之多個時間差’計算多個萬年曆修正參數;以^ f據該星㈣料、猶星星朴該多個萬年祕正參數計 鼻該多個衛星的多個位置。 本發明還提供了-種全球定位系統。在—實施例中, 全球.定位系統包括一擷取和追蹤設備,從多 導航訊息並追賴多個衛星;一解調器,== 设備電性連接’並從該導航訊息中取得—星曆資料和一衛 星星曆;-計算H,與該解調器電性連接,並根據該多個 衛星之多個以一星曆為主之座標和該多個衛星之多個以 一萬年層為主之座標之間之多個座標差,以及根據該多個 衛星之多個以該星曆為主之計時器漂移和該多個衛星之 多個以該萬年曆為主之計時器漂移之間之多個時間差,計 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 5 1379098 算多個萬年曆修正參數;以及一衛 β 和追蹤設備’並根據該星層資料;=多= 星曆為主之座標和該多個以該麵為 =該衛星呈層計算該多個以該萬年層為主和; 二個以該萬年㈣主之計時H漂移, η資 ::跑星層和該多個萬年層修正參數計算:多 的多個位置。 生 【實施方式】 以下將對本發明之可改善TTFF之GPS接收器之實施 例給出詳細的·。㈣此處圖式所*之實施例僅為閣釋 ^用,故其中包含於本發明的子元件及/或周邊元件予以 省略。為清楚故,在描述本發明之實施例時,將使用特定 之術5吾。然而,本發明所揭示内容並非意欲限定於這些特 定術語及特定實施例。雖然本發明將結合實施例進行闡 述,但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相 反,本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明 精神和範圍内所定義的各種變化、修改和均等物。 圖1所示為根據本發明一實施例GPS接收器1〇〇方塊 圖。以下將詳述GPS接收器1〇〇的TTFF透過使用萬年曆 修正(almanac correction)參數予以改善。在一實施例 中,GPS接收器1〇〇可被包括在一 gps系統中,以處理來 自不同衛星的GPS信號。 待GPS接收器1〇〇開機後,包含在GPS接收器1〇〇中 之衛星位置計算器170可根據儲存設備130中所儲存的初 0445-TW-CH Spec+CIaim(fiIed-20090922).doc 6 始/之刖的星曆資料(ephemeris data )和衛星星曆 jal贴nac data)以及儲存設備15〇中所儲存的初始/之 前的萬年轉正參數,計算各個衛星的相對粗略位置。裸 取和追蹤設備11G可根據衛星之相對粗略位置來擷取和追 蹤可視(visible)衛星。在—實施例中,可被擷取和追 蹤設備110摘取到並追縱之衛星在此被稱為可視衛星。隨 後操取和追蹤設備11G從各個衛星接㈣航訊息。 GPS接收器⑽還包括一解調器12(),用於解調接收 到的導航訊息’並從衛星所提供/發送之導航訊息中取得 相應的星層資料和衛星星曆。在—實施例卜導航訊息為 - 50赫兹(Hz)的信號’其中包括了描述奶曰期和時 間之資料位元’亦包括星層#料和衛星星I星曆資料可 包含執道資訊’使得GPS接收器⑽可計算每一衛星的位 置。衛星星曆可包含所有衛星的相關資訊和狀態包括 有衛星的位置。 儲存設備130用於儲存上述星曆資料和衛星星層。儲 存設備13G中的星曆㈣和衛星星盾可被更新。在施 例中,儲存設備13〇可包括一星盾儲存設備131,用於儲 存星曆貧料’還包括-萬年曆儲存設備133,用於儲存衛 星星曆。在-實施射’星射轉設備⑶與萬年層健存 設備133可整合為-單-儲存設備(例如,儲存設備 ^另^施财,星祕麵備131可糾切儲存設備 計算器14〇(例如,萬年曆修正參數計算器)可根據 有效的星;!㈣和衛星星曆計算料祕正錄。萬年層 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 7 修正參數計算器】4〇可包括一決定設 用於根據時⑽證星 3 1 #未不), 的有效性。在曆和萬年曆修正參數 衛星星曆在2巧二’星層貝料在4小時内為有效, 有效如萬::r參數在8小時内為 用於健存萬年層修正J如萬修正參數儲存設備) 中的萬年層修正參數;年驗參數儲存設請 接收16°™ 作時間,並將GPS接收器i卯的工作時間 二巧- GPS時間。包含在Gps接收器1〇〇内之衛星位置 °鼻益m可魏儲存設備13G中的星曆資料和衛星星 曆,以及萬年層修正參數儲存設備150中的萬年層修正參 數。衛星位置計算器17〇可根據目前之Gps時間、更新後 的星曆^料、更新後的衛星星曆以及更新後的萬年曆修正 參數计算修正後位置(例如,相對精綠位置定位設備 180可根據衛星之修正後位置計算Gps接收器丨⑽的位置。 圖2所示為根據本發明一實施例產生萬年曆修正參數 的流程200。萬年曆修正參數係由圖丨中所示之萬年曆修 正參數計算器140計算得之。在一實施例中,萬年曆修正 參數計算器140根據多個衛星之多個以一星曆為主之座標 和多個以一萬年曆為主之座標之座標差,以及根據多個衛 星之多個以一星曆為主之計時器偏移和多個以一萬年曆 為主之計時器偏移的計時器之差計算萬年曆修正參數。在 一實施例中’衛星位置計算器17〇根據星曆資料計算以星 曆為主之座標和以星曆為主之計時器漂移,並根據衛星星 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 8 =計算以萬年曆為主之座標和叫年曆融之計時器漂 在步驟210中,衛星位置計算器17〇在哪時間t根 ,相應的星曆資料計算每―衛星在每—採樣點的 為主之三維座標Xe⑴、ye⑴和Ze⑴以及以星 時器漂移咖。在步驟220巾,衛星位置計算器17〇在十 GPS時間t根據相應的衛星星層計算每一衛星在每一採 點的以萬年曆為主之三維座#Xa⑴、ya⑴和A⑴以及以 萬年曆為主之計時器漂移ta⑴。在步驟23G巾,在一每 施例中’在萬年曆修正參數計算II 140接收到由衛星位^ 計算器170在時間計算出之以星曆為主之座標以及以 萬年曆為主之座標後’萬年曆修正參數計算器副計算二 個座標之Sz\x(t)、Δ7(ι^Δζ⑴。具體來說,在一實施 例中,Δχ⑴為在同一取樣點xe⑴和Xa(t)之差、ΔΥ(ΐ) 為在同-取樣.點ye⑴和ya(t)之差、為在同一取樣 點ze(t)*Za(t)之差。在一實施例中,萬年曆修正參數計 算器140也計算以星曆為主之計時器漂移匕(1:)和以萬年 曆為主之計時器漂移ta(t)之差△/(:)。在一實施例中,厶 x(t)、ΔυΟ;)、△z(t)*At(t)分別為時間t的高階多項函 數’如下列方程式(1)、(2)、(3)和(4)所示: M0 = =Σα/ (1) Ay(〇 = =Σν Λ=〇 (2) Δζ(/): =Σ^/ (3) 务=0 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 9 1379098 (4) 走s〇 n代表多項函數的最高階n、...an,bD、bi.. bn, C〇、(^…匕和d。、dr..dn為萬年曆修正參數。 在步驟240中’在-實施例中’萬年曆修正參數計算 益140根據最小平方近似法分別計算差值心⑴、△ △z(t)和⑴的最小值^設每—衛星的採樣 ㈣個’队⑴最小值的最小平方法近似值如方程式(5為) 所不. ,《 η min(Z(Za/-Ax(〇)2)
M) UO (5) 在步驟250中’根據最小平方法近似法(例如,方程 式5)取得萬年祕正參數。具體來說,在—實施例中, 可根據與方㈣(5)均等㈣料( 近似法計算X轴鍊㈣年祕正參數,、ai a方 m+l Σ^··· Σ(" /=0 /=〇 m m mΣ,, Σ,'2 …Σ>; f*s〇 #s〇 i=0 m m Σ^ΣΓ'-Σ^
«0a, L^J L ㈣ /=〇 i=0 Σμ。 /=*〇 m Σ’. /=〇 mΣ’”·&(,,) ./=〇 (6) 在-實施例中,在-參考時間u之前2 U-2),每-衛星開始每隔2〇分鐘採樣一次。在—( 中’ U稱為一取樣參考時間。七為第i個取樣點= 。△織表在時間ti時在第i個取樣點取樣所』 星曆為主之X軸座標與以萬年層為主之 -實施例中,每-衛星的取樣點個數為12個標 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 1〇 1379098 广例支中’每一衛星在12個取樣點進行取樣所需的時 間l:Ple為4小時(亦即,20分鐘乘以12)。在一實施 卜萬年層修正參數在經過更新之後,可保持8小時:有 程式(6)類似,用於y軸、z轴和計時器漂移的 萬年磨修正參數bfl、bl...bn,e0、可 分別通過4川、Δζ⑴和&⑴最小平方近似法取得。η 的值越大,可提供用於近似法的資料越多,萬年層修正參 數的精確度就越高。如果衛星之取樣時間L華越長 可取得越奴萬年祕正參數有效舰^舉例來說,如果 衛星取樣時間長於4小時,則萬年曆修正參數經過更新之 後,萬年層修正參數的有效期限可大於8小時。 圖3所示為根據本發明一實施例更新萬年層修正 之流程300。萬年祕正參數可透過料祕正參數計算 器140進行更新’並儲存於如圖丨中所示之萬年曆修正^ 數儲存設備150中。圖3將結合圖丨進行描述。〆少 在步騾310中,GPS接收器100被供電。在步驟32() 中,擷取和追蹤設備110 τ擁取和追蹤可視衛星。在步驟 330中,解調器120可解調從可視衛星接收到的導航訊息 並從所接收狀導航訊息巾取得相應的星曆資料和衛星 星曆。 在步驟340中’萬年曆修正參數計算器14〇可根據時 間驗證新的星曆資料、新的衛星星曆和之前的萬年層修正 參數之有效性。在-實施例中,星曆資料被認定在4小時 内為有效、衛星星曆被認定在2周内為有效、萬年曆修正 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 參數被認定在8小時内為有效。在—實施例中,在步驟35〇 中’如果初始/之前的萬年祕正參數為無效,而星層資 料和衛星星曆都還為有效’則萬年曆修正參數計算器14〇 將計算新的萬年曆修正參數。如果星曆資料和衛星星層都 為無效’或者疋星曆資料、衛星星曆和萬年曆修正參數皆 無效,則流程300回到步驟33〇開始一個新的週期。在步 驟350中,新的萬年層修正參數被儲存在萬年曆修正參數 儲存設備150中。換言之,可使用新的萬年曆修正參數更 新萬年曆修正參數儲存設備15〇。 圖4所示為根據本發明一實施例計算Gps接收器(例 如,圖1中所示之GPS接收器1〇〇)位置之流程4〇〇。在 步驟410中,可從儲存設備13〇中取得星曆資料和衛星星 曆,從萬年曆修正參數儲存設備15〇 t取得萬年曆修正參 數。在步驟430中,萬年曆修正參數計算器14〇中所包含 的決定設備(圖1中未示)可驗證星曆資料的有效性。在 步驟440中’如果星層資料為有效,則衛星位置計算器ι7〇 根據星曆資料分別計算可視衛星的位置。在步驟45〇中, 如果星曆資料為無效,決定設備可進一步驗證衛星星曆和 萬年曆修正參數的有效性。如果衛星星曆或萬年曆修正參 數為無效’則流程400回到步驟430,再由衛星位置計算 器170重複驗證儲存設備13〇中的星曆資料和衛星星曆之 有效性’以及驗證萬年曆修正參數儲存設備15〇中的萬年 曆修正參數的有效性。在步驟460中,如果衛星星曆和萬 年曆修正參數為有效,則衛星位置計算器170可根據有效 的衛星星曆和萬年曆修正參數計算可視衛星的位置。 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 12 1379098 财,可根據衛星星料算出每—可視衛呈 根棱^的座標Χ,、Υ,、Z,以及計時器之漂移T,。隨後 3萬年層修正參數分別用方程式⑺、⑻、⑼和(10) ’和Τ,的修正值ΔΧ’⑴、Ay,⑴、Δζ,⑴ 蝴会〆 (7) (8) △少,(〇=!>/ its〇
η為萬年曆修正參數的最高階,t為目前的GPS時間。 ak、bk*Ck為修正後座標x、y和z在時間t的萬年曆修正 參數。dk為修正後之計時器漂移τ的萬年曆修正參數: 根據所取得之在時間t之修正值,可使用方程式 (11) (12)、(13)和(14)計算x、y、z*T: 义= χ,+Δχ, (11) y = y,+Ay, (12) z-z'+Az' (13) T = T'+AT' (14) 在步驟470中,可根據修正後之每一衛星的位置 GPS接收器1〇〇的位置。
在實際操作中,GPS接收器100開機後可根據、 始的 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 13 1379098 =貝料魅星料/或初始的萬年祕正參數計算衛 粗略置。縣和魏設備110根獅星的相對 Φ,n σ追料視衛星。從可視衛星取得導航訊 心’吏付解調器12G可取得相應的星曆資料和衛星星層。 可使用^的星曆資料和衛星星曆更新儲存設備⑽中之初 始/之刖的星曆靖和衛星星曆。萬年曆修正參數計算器 140使用更新後的星㈣料和衛星星曆計算新的萬年層修 正參數。如此,可❹新的萬年祕正參數更新儲存在儲 存設備150中的萬年曆修正參數。 衛星位置st鼻器170可根據更新後的星曆資料、衛星 星磨和萬年祕正參數計算修正後之衛星位置。根據修正 後之衛星位置,可計算GPS接收器1〇〇的位置。 有利之處在於,在一實施例中,當星曆資料為無效 時,可使用衛星星曆和萬年曆修正參數的組合計算接 收器100的位置。由於衛星位置計算器17〇計算得到修正 後的位置,則擷取和追蹤的效率得以提高,定位的精準度 也可增加。進而可降低TTFF。在一實施例中,TTFF可降 低至15秒。 上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施 例。顯然’在不脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精 神和保護範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本 技術領域中具有通常知識者應該理解,本發明在實際應用 中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前 提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及兑 它方面有所變化。因此,在此披露之實施例僅用於說明而 0445-TW-CHSpec+Claim(filed-20090922).doc 14 非限制,本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法均等 物界定’而不限於此前之描述。 【圖式簡單說明】 以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進 行詳細的描述,以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中: 圖1所示為根據本發明一實施例GPS接收器方塊圖。 圖2所示為根據本發明一實施例產生萬年曆修正參數 的流程。 圖3所示為根據本發明一實施例更新萬年曆修正參數 之流程。 圖4所示為根據本發明一實施例計算Gps接收器位置 之流程。 【主要元件符號說明】 10G ·’GPS接收器 110:擷取和追蹤設備 120 :解調器 130 :儲存設備 131 :星曆儲存設備 133 :萬年曆儲存設備 140 :計算器/萬年曆修正參數計算器 15〇 :儲存設備/萬年曆修正參數=存設備 160 :即時計時器 170 :衛星位置計算器 180 :定位設備 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922)doc 15 1379098 200 :流程 210、220、230、240、250 :步驟 300 :流程 310、320、330、340、350 :步驟 400 :流程 410、430、440、450、460、470 :步驟 0445-TW-CH Spec+Claim(filed-20090922).doc 16
Claims (1)
- 七、申請專利範圍: h二種全球定位系統(GPS)接收器,包括: ;广器,從多個衛星發送之一導航訊息中取得一星 赃⑷細—衛星㈣_纖daw ; 個以U性連接該解調器,根據該多個衛星之多 之乡個座標差計算乡似年曆修正 ^數,根據該多_星_多個以該星料主之計時 咳多C個漂移(drift)和該多個衛星的該多個以 年曆為主之計時器漂移之間之多個時間差 。十,該夕個萬年曆修正參數;以及 計算11 ’電性連接該計算器,並根據該星 星層,個以該星層為主之座標,根據該衛星 =星r個星二個萬年•參數_ 2. ==料、該衛星星磨和該多個萬年 =申:專利範圍·1項的全球定位系統接收器,其 星曆資料為有效,則該衛星位置計算器根 3知Γ層貝料计异该多個衛星的該多個位置。 .範圍第1項的全球定位系統接收器,其 :曆無效,該衛星星暦和該多個萬 ==萬年:衛星位置計算器根據該衛 哀多個萬年層修正參數計算該多個衛星的 17 该多個位置。 如申明專利範圍第1項的全球定位系統接收器,复 中,該衛星位置計算器分別根據該星曆資料和該衛i 星曆計算該多個以該星曆為主之計時器漂移和 個以該萬年曆為主之計時器漂移。 =申明專利㈣第4項的全球m统接收器其 該計算器根據該多個座標差之—最小平 ς 之該多個以該星曆為主之』 4年暦為主之座標之間之該多個座許 方t多個,值’且«該多個時間差之該最“ 似法取財料㈣轉之該乡個以該星曆為 潭::二漂:Γ多個以該萬年曆為主之計時器 :=:::間差之多個最小值,進而得到該多 中申圍第1項的全球定位系統接收器,其 別^^=:該:=年曆修正參數分 :個=多個以該萬=== 加,進而得到該多個位置。 π;專利範圍第1項的全球定位系統接收器,進- 個衛星的該多二m:算器,並根據該多 如申产糞ps接收器之一位置。 中,該\個:主麻1項的全球定位系統接收器,其 〜夕祕正參數錢存於—儲存設備中。 1379098 9. 一種一全球定位系統接收器之定位方法,包括: 從多個衛星所發送出之一導航訊息中取得一星曆資 料和一衛星星曆; 根據該星曆資料計算該多個衛星的多個以一星曆為 主之座標和多個以該星曆為主之計時器漂移; 根據該衛星星曆計算該多個衛星的多個以一萬年曆 為主之座標和多個以該萬年曆為主之計時器漂移; 根據該多個以該星曆為主之座標以及該多個以該萬 年曆為主之座標之間之多個座標差,以及根據該多個 以該星曆為主之計時器漂移與該多個以該萬年曆為 主之計時器漂移之間之多個時間差,計算多個萬年曆 修正參數; 根據該星曆資料、該衛星星曆和該多個萬年曆修正參 數計算該多個衛星的多個位置;以及 驗證該星曆資料、該衛星星曆和該多個萬年曆修正參 數的有效性。 10. 如申請專利範圍第9項的定位方法,進一步包含: 若該星曆資料為有效,則根據該星曆資料計算該多個 衛星的該多個位置。 11. 如申請專利範圍第9項的定位方法,進一步包含: 如果該星曆資料為無效,該衛星星曆和該多個萬年曆 修正參數為有效,則根據該衛星星曆和該多個萬年曆 修正參數計算該多個衛星的該多個位置。 12. 如申請專利範圍第9項的定位方法,其中,該多個萬 年曆修正參數之計算步驟包含: 19 1379098 根據該多個座標差之—最小平方近似法,計算在 間所取得之該多個以該星㈣主之座標和該多個以 該萬年層為主之座標之間之該多個座標ϋ之多個县 小值;以及 # 根據該多個時間差之-最小平方近似法,計算在該時 間所取得之該多個以該星曆為主之計時器漂移和χ該多個以該萬年曆為主之計時器漂移之間之該多 間差之多個最小值。 巧 13. 如申請專利範圍第9項的定位方法,其中,該多 星之該多個位置之計算方法包含: 根據該多個萬年層修正參數分別計算出多個 值;以及 > 將該多個修正值分職衫伽該萬年料主 標相加以計算該多個位置。 14. 如申請專利範圍第9項的定位方法,進—步包含·根據該多個衛星的該多個位置計算該Gps接收 一位置。 **叼 15. 如申請專·圍第9項蚊位方法,進—步包含: 儲存該多個萬年曆修正參數。 16. —種全球定位系統(Gps),包括: -擷取和追蹤設備’從多個衛賴取—導航訊息並追 縱該多個衛星; 一解調器,與該擷取和追蹤設備電性連接,並從該導 航訊息中取得一星曆資料和一衛星星曆; 一計算器,與該解調器電性連接,並根據該多個衛星 20 1379098 之多個以一星曆為主之座標和該多個衛星之多個以 一萬年曆為主之座標之間之多個座標差,以及根據該 多個衛星之多個以該星曆為主之計時器漂移和該多 個衛星之該多個以該萬年曆為主之計時器漂移之間 之多個時間差,計算多個萬年曆修正參數;以及 一衛星位置計算器,耦接至該擷取和追蹤設備,並根 據該星曆資料計算該多個以該星曆為主之座標和該 多個以該星曆為主之計時器漂移,並根據該衛星星曆 計算該多個以該萬年曆為主之座標和該多個以該萬 年曆為主之計時器漂移,並分別根據該星曆資料、該 衛星星曆和該多個萬年曆修正參數計算該多個衛星 的多個位置;其中, 該計算器驗證該星曆資料、該衛星星曆和該多個萬年 曆修正參數的有效性。 17. 如申請專利範圍第16項的全球定位系統,其中,該 計算器根據該多個座標差之一最小平方近似法,計算 在一時間所取得之該多個以該星層為主之座標和該 多個以該萬年曆為主之座標之間之該多個座標差之 多個最小值,以及根據該多個時間差之一最小平方近 似法,計算在該時間所取得之該多個以該星曆為主之 計時器漂移和該多個以該萬年曆為主之計時器漂移 之間之該多個時間差之多個最小值,進而取得該多個 萬年曆修正參數。 18. 如申請專利範圍第16項的全球定位系統,其中,該 衛星位置計算器根據該多個萬年曆修正參數分別計 21 1379098 算多個修正值,且其中,該衛星位置計算器將該多個 修正值與該多個以該星曆為主之座標分別相加,進而 得到該多個位置。22
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