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TWI498581B - 衛星定位方法、衛星定位裝置與電腦可讀取媒體 - Google Patents

衛星定位方法、衛星定位裝置與電腦可讀取媒體 Download PDF

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TWI498581B
TWI498581B TW103100253A TW103100253A TWI498581B TW I498581 B TWI498581 B TW I498581B TW 103100253 A TW103100253 A TW 103100253A TW 103100253 A TW103100253 A TW 103100253A TW I498581 B TWI498581 B TW I498581B
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Feng Chang Kuo
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He Sheng Wang
Jing Fen Chen
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Description

衛星定位方法、衛星定位裝置與電腦可讀取媒體
本揭露係關於藉計算到達角(angle of arrival)以單顆衛星的雙頻訊號定位的方法與裝置。
以美國的全球定位系統(Global Positioning System，簡稱GPS)為代表的衛星導航(satellite navigation)技術一般而言在接收端需有四顆以上的可見衛星才能準確決定接收端的位置，然而在都會應用環境中，衛星訊號易為樓房屏蔽，難以進行正常的定位流程。目前常見的解決方式係由行動通訊網路(如GSM〔Groupe Spécial Mobile〕、CDMA2000、LTE〔Long Term Evolution〕等)或無線區域網路(wireless local area network)提供預存的資訊輔助定位，但這需要接收端實作這些網路的硬體和通訊協定，更需要營運商和設備供應商的配合，在標準林立的現實下隱含著可觀的技術難度和社會成本，有違衛星導航作為公眾服務的初衷。
鑒於上述問題，本揭露旨在提供一種衛星定位方 法、一種衛星定位裝置與一種電腦可讀取媒體，利用衛星既有的雙頻訊號計算對兩個地理方向的到達角，達成單衛星定位。
本揭露提供之衛星定位方法包含：於待定位置， 接收衛星分別以第一頻率和第二頻率所廣播的第一訊號和第二訊號；量測第一訊號和第二訊號沿一地理方向的相位差(phase difference)的頻率；依據前述相位差的頻率、第一頻率和第二頻率的差和衛星相對待定位置沿該地理方向的移動速率，計算第一訊號和第二訊號對該地理方向的到達角的餘弦值(cosine)；以及依據三度空間中衛星在該地理方向上的座標、衛星與待定位置的距離和前述到達角的餘弦值，計算三度空間中待定位置在該地理方向上的座標。
本揭露提供之衛星定位裝置包含接收模組、相位 差量測模組、到達角計算模組和定位模組。接收模組用以於待定位置接收衛星分別以第一頻率和第二頻率所廣播的第一訊號和第二訊號。相位差量測模組耦接接收模組，用以量測第一訊號和第二訊號沿一地理方向的相位差的頻率。到達角計算模組耦接相位差量測模組，用以依據前述相位差的頻率、第一頻率和第二頻率的差和衛星相對待定位置沿該地理方向的移動速率，計算第一訊號和第二訊號對該地理方向的到達角的餘弦值。定位模組耦接到達角計算模組，用以依據三度空間中衛星在該地理方向上的座標、衛星與待定位置的 距離和前述到達角的餘弦值，計算三度空間中待定位置在該地理方向上的座標。
本揭露提供之電腦可讀取媒體具有用以使某處 理器執行多個指令的電腦程式碼，該些指令包含：依據衛星分別以第一頻率和第二頻率所廣播的第一訊號和第二訊號沿一地理方向的相位差的頻率、第一頻率和第二頻率的差和衛星相對待定位置沿該地理方向的移動速率，計算第一訊號和第二訊號對該地理方向的到達角的餘弦值；以及依據三度空間中衛星在該地理方向上的座標、衛星與待定位置的距離和前述到達角的餘弦值，計算三度空間中待定位置在該地理方向上的座標。
綜上所述，本揭露提供之衛星定位方法與裝置以 雙頻訊號的相位差頻率、頻率差和衛星的移動速率計算訊號的到達角，再以到達角、衛星的座標和與待定位置的距離計算待定位置的座標，其中頻率差、衛星的移動速率、座標和距離可由訊號內容求得，而到達角和待定位置的座標的計算可以軟體或硬體實作。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方 式之說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。
10‧‧‧接收模組
12‧‧‧訊號解析模組
14‧‧‧相位差量測模組
16‧‧‧到達角計算模組
18‧‧‧定位模組
第1圖係三度空間中衛星與待定位置的示意圖。
第2圖係依據本揭露一實施例衛星定位裝置的高階方塊圖。
第3圖係依據本揭露一實施例衛星定位方法的流程圖。
以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且依據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之諸面向，但非以任何面向限制本揭露之範疇。
請參見第1圖。第1圖係三度空間中衛星與待定位置的示意圖。如第1圖所示，衛星於三度空間中的座標係(x S ,y S ,z S )，而待定位置係(x R ,y R ,z R )，衛星與待定位置的距離。座標可由WGS84等大地基準 (geodetic datum)換算，並不一定屬直角座標系，而衛星可屬於GPS、俄國的全球導航衛星系統(Global’naya navigatsionnaya sputnikovaya sistema，簡稱GLONASS)、中國的北斗衛星導航系統、法國的軌道判斷與無線電定位整合衛星(Détermination d'Orbite et Radiopositionnement Intégré par Satellite，簡稱DORIS)、歐盟的加利略(Galileo)系統、日本的準天頂衛星系統(Quasi-Zenith Satellite System)或印 度區域導航衛星系統(Indian Regional Navigational Satellite System)等等，具雙頻以上的訊號廣播能力，如GPS的L1(1575.42MHz)和L2C(1227.6MHz)諸訊號，或GLONASS的L1OF(基頻1602MHz)、L2OF(基頻1246MHz)和L3OC(1202.25MHz)等分頻(frequency division)或分碼(code division)多工(multiple access)諸訊號。
請配合第1圖參見第2圖。第2圖係依據本揭露 一實施例衛星定位裝置的高階方塊圖。如第2圖所示，衛星定位裝置包含設於待定位置的接收模組10、訊號解析模組12、相位差量測模組14、到達角計算模組16和定位模組18。 接收模組10可以是天線或天線陣列。以GPS為例，其訊號包含星曆表(ephemeris)資訊，描述衛星的精確軌道，訊號解析模組12可據以求得(x S ,y S ,z S )。GPS訊號亦包含時間碼(timecode)資訊，訊號解析模組12將衛星發送與自身接收到訊號的時間差乘上光速常數即可在未知(x R ,y R ,z R )的情形下推估衛星與待定位置的距離r ；由於r 是推估所得，又被稱為偽距或虛擬距離(pseudorange)。
衛星和待定位置間長度為r 的訊號傳播路徑和空 間中三個座標軸各形成一平面；第1圖中灰底部分即為路徑與x 軸所形成者。在此平面上，路徑與x 軸的夾角為x 方向上衛星訊號的到達角θ x ，其餘弦值記為A x =cosθ x 。依據簡單的幾何關係，x S -x R =rA x ，因此定位模組16計算X R =x S -rA x 即為待定位置於x 方向上的座標。同理y R =y S -rA y ，其中A y 是y 方向上訊號的到達角的餘弦值，而
在本揭露中，知道兩個方向上的到達角，便能求出待定位置的三維座標。以x 軸為例，由於衛星訊號中包含軌道資訊，接收模組10連續接收訊號、訊號解析模組12計算連續的衛星座標亦可得知衛星在x 方向上相對待定位置的移動速率v x 。接收模組10沿x 軸所接收到的帶都卜勒效應(Doppler effect)的雙頻訊號s 1 (t )和s 2 (t )在複分析(complex analysis)中可表為 其中f 1 、f 2 分別為第一和第二訊號的廣播頻率，d 1 和d 2 分別為第一和第二訊號的都卜勒偏移(shift)，n 1 (t )和n 2 (t )為雜訊。正因為雜訊的存在，使用兩個訊號定位才顯得必要。實務上，透過多重訊號分辨(Multiple Signal Classifier，簡稱MUSIC)或旋轉不變訊號參數估測(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique，簡稱ESPRIT)等演算法可對多個訊號隔離雜訊，得到較為可信的s 1 (t )和s 2 (t )。在前述 平面上v x 沿訊號傳播路徑的分量係v x A x ，因此 ，其中c 為光速。令△f =f 2 -f 1 並忽略雜訊，則第二訊 號可改寫為 其中帶指數函數的乘項(multiplier)可視為另一訊號，相位差量測模組14依據此訊號量測出第一和第二訊號沿 x 方向的 相位差的頻率，而到達角計算模組16已知F x 、 △f 、v x 和光速，可依據 求得雙頻訊號對x 方向的到達角的餘弦值。
請配合第2圖參見第3圖。第3圖係依據本揭露一實施例衛星定位方法的流程圖。如第3圖所示，於步驟S301中，接收模組10於待定位置，接收至少一顆衛星分別以第一頻率和第二頻率所廣播的第一和第二訊號。於步驟S303中，訊號解析模組12依據第一或第二訊號，計算三度空間中衛星在一地理方向上的座標和衛星與待定位置的距離。於步驟S305中，訊號解析模組12判斷可見衛星數是否充足。若衛星定位裝置只有兩種定位模式，則當至少有四顆可見衛星時，執行步驟S307進行正常的定位流程，反之則進入步驟S309以降的流程以單顆衛星定位；若有三種以上的定位模式，則當可見衛星數恰為兩或三顆時，衛星定位裝置亦可選擇性地採用其中多顆的訊號。於步驟S309中，訊號解析模組12延續步驟S303，計算衛星相對待定位置沿該地理方向的移動速 率。於步驟S311中，相位差量測模組14量測兩訊號沿該地理方向的相位差的頻率。於步驟S313中，到達角計算模組16依據前述相位差的頻率、第一頻率和第二頻率的差和前述移動速率，計算兩訊號對該地理方向的到達角的餘弦值。於步驟S315中，定位模組18依據衛星的座標、與待定位置的距離和前述到達角的餘弦值，計算三度空間中待定位置在該地理方向上的座標。值得一提的是，實務上隔離雜訊的演算法可能不會收斂，而使步驟S311至S315中部分需被重複執行。
在本揭露一實施例中，可將到達角計算模組16 和定位模組18(或步驟S313和S315)分離出來，以軟體或硬體實作。這意味著定位係離線(offline)進行，前述相位差頻率、頻率差、移動速率、衛星本身座標和與待定位置的距離係自外部取得。
綜上所述，本揭露利用全球布建的導航衛星既有 的雙頻訊號求得衛星的座標、移動速度和偽距，進而量測兩訊號的相位差頻率以及計算兩訊號對兩個地理方向的到達角，達成利用單顆衛星決定待定位置的座標的技術要求。
雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims (13)

  1. 一種衛星定位方法，包含：於一待定位置，接收一第一訊號和一第二訊號，該第一訊號係一衛星以一第一頻率所廣播，該第二訊號係該衛星以一第二頻率所廣播，該第一頻率和該第二頻率具有一頻率差；量測該第一訊號和該第二訊號沿一地理方向的一相位差頻率；依據該相位差頻率、該頻率差和該衛星相對該待定位置沿該地理方向的一移動速率，計算該第一訊號和該第二訊號對該地理方向的一到達角餘弦值；以及依據三度空間中該衛星在該地理方向上的座標、該衛星與該待定位置的一距離和該到達角餘弦值，計算三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標；其中，該到達角餘弦值相關於一比例值減去1，而該比例值等於該相位差頻率與該頻率差的比例，且該到達角餘弦值反比於該移動速率，以及該待定位置在該地理方向上的座標相關於三度空間中該衛星在該地理方向上的座標與一乘積值的差，而該乘積值為該距離與該到達角餘弦值的乘積。
  2. 如請求項1所述的衛星定位方法，其中計算該到達角餘弦值係依據一第一表達式，該第一表達式為： 其中A 係該到達角餘弦值，F 係該相位差頻率，△f 係該頻率差，c 係光速，v 係該移動速率。
  3. 如請求項1所述的衛星定位方法，其中計算三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標係依據一第二表達式，該第二表達式為：w R =w S -rA ；其中w R 係三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標，w S 係三度空間中該衛星在該地理方向上的座標，r 係該距離，A 係該到達角餘弦值。
  4. 如請求項1所述的衛星定位方法，更包含：依據該第一訊號或該第二訊號中的一時間碼以及對應該衛星的一軌道資訊，計算該移動速率、該距離和三度空間中該衛星在該地理方向上的座標。
  5. 如請求項4所述的衛星定位方法，其中該距離係偽距。
  6. 一種衛星定位裝置，包含：一接收模組，用以於一待定位置，接收一第一訊號和一第二訊號，該第一訊號係一衛星以一第一頻率所廣播，該第二訊號係該衛星以一第二頻率所廣播，該第一頻率和該第二頻率具有一頻率差； 一相位差量測模組，耦接該接收模組，用以量測該第一訊號和該第二訊號沿一地理方向的一相位差頻率；一到達角計算模組，耦皆該相位差量測模組，用以依據該相位差頻率、該頻率差和該衛星相對該待定位置沿該地理方向的一移動速率，計算該第一訊號和該第二訊號對該地理方向的一到達角餘弦值；以及一定位模組，耦接該到達角計算模組，用以依據三度空間中該衛星在該地理方向上的座標、該衛星與該待定位置的一距離和該到達角餘弦值，計算三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標；其中，該到達角餘弦值相關於一比例值減去1，而該比例值等於該相位差頻率與該頻率差的比例，且該到達角餘弦值反比於該移動速率，以及該待定位置在該地理方向上的座標相關於三度空間中該衛星在該地理方向上的座標與一乘積值的差，而該乘積值為該距離與該到達角餘弦值的乘積。
  7. 如請求項6所述的衛星定位裝置，其中該到達角計算模組計算該到達角餘弦值係依據一第一表達式，該第一表達式為： 其中A 係該到達角餘弦值，F 係該相位差頻率，△f 係該頻率差，c 係光速，v 係該移動速率。
  8. 如請求項6所述的衛星定位裝置，其中該定位模組計算三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標係依據一第二表達式，該第二表達式為：w R =w S -rA ；其中w R 係三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標，w S 係三度空間中該衛星在該地理方向上的座標，r 係該距離，A 係該到達角餘弦值。
  9. 如請求項6所述的衛星定位裝置，更包含：一訊號解析模組，耦接該接收模組與該定位模組，用以依據該第一訊號或該第二訊號中的一時間碼以及對應該衛星的一軌道資訊，計算該移動速率、該距離和三度空間中該衛星在該地理方向上的座標。
  10. 如請求項9所述的衛星定位裝置，其中該距離係偽距。
  11. 一種電腦可讀取媒體，具有用以使一處理器執行多個指令的電腦程式碼，該些指令包含：依據一第一訊號和一第二訊號沿一地理方向的一相位差頻率、一頻率差和一衛星相對一待定位置沿該地理方向的一移動速率，計算該第一訊號和該第二訊號對該地理方向的一到達角餘弦值，該第一訊號係該衛星以一第一頻 率所廣播，該第二訊號係該衛星以一第二頻率所廣播，該第一頻率和該第二頻率具有該頻率差；以及依據三度空間中該衛星在該地理方向上的座標、該衛星與該待定位置的一距離和該到達角餘弦值，計算三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標；其中，該到達角餘弦值相關於一比例值減去1，而該比例值等於該相位差頻率與該頻率差的比例，且該到達角餘弦值反比於該移動速率，以及該待定位置在該地理方向上的座標相關於三度空間中該衛星在該地理方向上的座標與一乘積值的差，而該乘積值為該距離與該到達角餘弦值的乘積。
  12. 如請求項11所述的電腦可讀取媒體，其中計算該到達角餘弦值係依據一第一表達式，該第一表達式為： 其中A 係該到達角餘弦值，F 係該相位差頻率，△f 係該頻率差，c 係光速，v 係該移動速率。
  13. 如請求項11所述的電腦可讀取媒體，其中計算三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標係依據一第二表達式，該第二表達式為：w R =w S -rA ； 其中w R 係三度空間中該待定位置在該地理方向上的座標，w S 係三度空間中該衛星在該地理方向上的座標，r 係該距離，A 係該到達角餘弦值。
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