通信系統中用作gps輔助的方法和設備的製作方法
2023-10-09 19:56:54
專利名稱：通信系統中用作gps輔助的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明總的說來涉及定位系統。本發明尤其涉及用來確定移動話機在蜂窩通信系統中的物理位置的系統和方法。
背景技術：
近年來，全球定位衛星(GPS)系統及陸地移動通信的發展使得人們需要把GPS功能集成到諸如移動話機的移動通信設備中，以支持各種定位功能和性能。無線鏈路存在於陸地移動通信系統中的移動通信設備和該通信系統中的基站之間。基站通常地是從無線移動通信設備接收無線通信信號並向無線移動通信設備發射無線通信信號的固定的通信設備。基站還和通信網通信以完成移動通信設備和諸如另一移動通信設備、普通電話機、電腦或任何其他這樣的設備的端點設備間的連接。可用這種無線鏈路在移動通信設備和基站間發送定位信息，以改進無線通信設備中的GPS接收機的性能。特別是，為了依照GPS系統給一移動通信設備定位而必須執行的某些功能可由基站而非由通信設備執行。通過對基站「斷開加載」某些功能，能減小通信設備的複雜性。而且，由於基站是靜止的，基站的位置可用來幫助進行通信設備的定位。
許多業務，如CDMA分層業務(見由電信工業協會(TIA/EIA)出版的工業標準TR45.5.2.3/98.10.XX.XX，CDMA分層業務階段2說明(1.1版本))，要求移動話機空閒時能測定自身的位置。然後必須把位置顯示給用戶。在空閒狀態，無線話機在基站傳播的控制信道上監視來自基站的發射。例如，在一工業標準I595CDMA系統(如工業標準I595所規定，由TIA/EIA出版)中，基站發射尋呼信道。每個能從某一基站接收信號的話機將監視在控制信道上傳送的信息，以確定是否有面向該話機的輸入呼叫或其他數據。
GPS接收機通常測量到至少四個GPS衛星的距離。如果測量時已知衛星位置和話機到衛星的距離，則可計算話機的位置。由於GPS衛星繞著地球循軌道運行，所以GPS衛星相對地球的位置隨時間變化。GPS衛星的位置可通過對衛星軌道及計算衛星位置的時間的描述而確定。GPS衛星的軌道通常是建模成有校正項說明各種微擾的修正橢圓軌道。
在GPS系統中，可用「Almanac」或「Ephemeris」來表示衛星軌道。Ephemeris提供很精確地表示衛星軌道的數據。Almanac提供表示對Ephemeris提供的參數進行舍位簡化精確度後的一組參數的數據。Almanac數據的精確性比詳細的Ephemeris數據小得多。Almanac精確度是自發射以來所經過的時間的函數。
表1示出信息時效(從信息發射起經歷的時間)和信息精確度之間的關係。
表1另外，Almanac提供舍位的時鐘校正參數。Almanac時間校正提供在2微秒的GPS時間內的時間。然而，因為如上面表1中所示的低精確度，用Almanac數據計算的衛星位置和時鐘校正對計算話機位置是沒有用的。
某些用來計算設備位置的方法要求在無線話機測量到衛星的距離，然後把這些距離發射給連接基站的伺服器。基站用這些距離及進行測距時衛星的位置來計算話機的位置。該計算的位置可顯示給用戶或發送給需要該位置的的實體。該方法適合於有專用業務信道的話機。然而，該方法不適合於在空閒狀態的話機，因為該話機缺少在空閒狀態期間向基站發送信息用的專用業務信道。
在缺少用來和基站進行通信的專用業務信道時，話機可用共用接入信道向基站發送信息。然而，在共用接入信道上向基站發送測得的距離(這常用來建立對話機的呼叫和來自話機的呼叫)可對共用接入信道的容量和給話機供電的電池的壽命有很大的影響。因此，向基站發射測得的距離是不實際的。這要求話機能夠計算自身的位置。為做到這一點，話機必須知道GPS衛星的位置以及GPS衛星時鐘中的誤差(這是因為要求有精確的GPS衛星時鐘以精確確定距離測量結果)。該信息必須在控制信道上發射給話機。然而，即使向話機發射該信息也顯著增加了控制信道的負擔。
一般情況下，控制信道不得不承載非常大量的信息。控制信道承載消息的容量是有限的。因此，在控制信道上傳送大量的GPS信息是不可能的。而且，信息必須以一種允許其在接收後能使用一相當長時間的形式發射。
本發明以下述方式解決了這些難題和缺陷。
發明概要此處揭示的方法和設備有效地在控制信道上向移動通信設備發射位置輔助信息，而同時對控制信道容量的影響為最小。定位伺服器提供先用Almanac數據再用Ephemeris數據計算的衛星位置之間的差值。只發送用這兩種不同數據類型計算的位置和時鐘校正之間的差值，將大大減少要向移動通信設備發射的信息總量。而且，通過提供變化率信息，該方法和設備使位置輔助信息能夠在由移動通信設備接收後保持相當長時間的有效性。
附圖簡述讀者在結合附圖閱讀了本發明的詳細描述以後，將能清楚地了解本發明的特徵、目標和優點。圖中，相同的標號所表示的意義相同。
圖1是用衛星定位系統(諸如GPS系統)對移動通信設備進行定位的通信系統元件的高級方框圖。
圖2是依照所揭示的方法和設備的移動通信設備的高級方框圖。
圖3說明由揭示的方法執行的步驟。
較佳實施例的詳細描述本文中揭示的方法和設備提供了一種減少需要在移動通信設備和基站間發射的信息量的新穎方法。具體地說，所揭示的方法和設備減少了採用用於定位的兩種類型的信息所需發射的信息量。第一種類型的信息精確性較差，但更有效(諸如全球定位衛星(GPS)提供的Almanac數據)。第二種類型的信息較精確，但有效性較差(諸如GPS衛星提供的Ephemeris數據)。該方法和設備使對通信信道(諸如控制信道)容量的影響為最小，並且，依照一種實施例，使發射信息的有效時間量為最大。
圖1是用衛星定位系統(諸如GPS系統)對移動通信設備進行定位的通信系統元件的高級方框圖。該通信系統包括移動通信設備100和基站102。移動通信設備100可以是任何能夠通過無線連接和基站進行通信的設備(諸如無線話機、帶有無線數據機的電腦或帶有無線數據機的傳真機)。基站102是任何一種能夠從移動通信設備100接收無線發射的設備。通常，這樣的基站102使移動通信設備100與諸如公共交換電話網(PSTN)或網際網路的陸基通信網界面連接起來。
依照所揭示的方法和設備的一種實施例，基站102包括定位伺服器106(諸如GPS伺服器)。或者，定位伺服器106和基站102隔開一定的距離，並在通信鏈路上和基站102進行通信。基站102和伺服器106之間的通信鏈路可採用任何一種使信息能夠通過基站102從移動通信設備100傳送到伺服器106的形式。在所揭示的方法和設備的另一種實施例中，本文中描述的由定位伺服器106執行的功能是直接由基站102執行的。因此，在這樣一種實施例中，無需分立的定位伺服器。
圖2是移動通信設備100的高極方框圖。移動通信設備100包括定位天線300、定位接收機302、定位處理器304、通信天線306、通信接收機308、通信處理機310和存儲器312。
圖3a到圖3c說明依照所揭示的方法執行的步驟。首先，定位伺服器106向移動通信設備100發射有關每個衛星104的軌道的信息，而這時，移動通信設備100有可能正從衛星104接收定位信號(步驟300)。依照一種實施例，該信息由定位伺服器106傳達給基站102。然後該信息從基站102在空中發射並由移動通信設備100中的通信天線306接收。由通信天線306接收的信號耦合到通信接收機308。通信接收機308執行任何必要的射頻處理(諸如濾波、下變頻、放大等等)。這樣的射頻處理為本領域技術人員所熟知。通信接收機308的輸出耦合到通信處理器310。
通信處理器310從接收的信號中提取關於定位衛星軌道的信息。這種信息的提取為本領域中的普通技術人員所熟知。該信息是以眾所周知的「Almanac」格式提供的。和Almanac一起，移動通信設備100接收「Almanac標識符」。Almanac標識符唯一地標識發射標識符時所使用的Almanac格式。移動通信設備100把Almanac格式和Almanac標識符存儲在它的存儲器312中(步驟302)。依照所揭示的方法和設備的一種實施例，Almanac標識符是一個代表Almanac有效時間段(諸如一星期)的數字。
在有關向移動通信設備100發射Almanac和Almanac標識符的任何時間(這樣的發射之前、期間或之後)裡，定位伺服器106用發射的Almanac計算與該Almanac相關的衛星的位置(步驟304)。另外，用該Almanac計算時鐘校正。在時間t0計算時鐘校正。這樣的時鐘校正說明由衛星時鐘中的誤差引起的時鐘誤差。用來計算這樣的時鐘校正的方法為本領域的技術人員所熟知。
用Almanac計算的、在時間t0時某衛星104的位置表示為(xoa，yoa，zoa)。在時間t0時用Almanac計算的衛星時鐘校正表示為coa。
接下來，定位伺服器106用在時間t0時眾所周知的「Ephemeris」數據計算衛星位置和時鐘校正(步驟306)。本領域中的技術人員知道在任一精確的GPS定位系統中，Ephemeris數據是必需的。Ephemeris數據和Almanac數據都是實時從衛星接收的。在時間t0、用Ephemeris計算的衛星104的位置表示為(xoe，yoe，zoe)。應當理解的是，為其計算(xoe，yoe，zoe)值的衛星(即從其接收Almanac的衛星)與為其計算(xoe，yoe，zoe)值的衛星(即從其接收Ephemeris的衛星)是一樣的。在時間t0、用Ephemeris計算的衛星的時鐘校正表示為Coe。
定位伺服器106還計算將用於從衛星104測得的距離的差分校正(步驟08)。差分校正用於糾正因為和所揭示的方法和設備無關的歷史原因而由衛星有意引入的時鐘誤差。該差分校正表示為do。
定位伺服器106計算從Almanac和Ephemeris獲得的衛星的位置x、y、z及時鐘校正之間的差值(步驟310)。在時間t0的位置差值表達為Δxo＝xoe-xoaΔyo＝yoe-yoaΔzo＝zoe-zoaΔco＝coe-coa定位伺服器106還計算Δcod＝Δco+do的值，它表示加上差分校正後的時鐘校正Δco(步驟312)。然後，用經校正的時鐘值ΔCod調整Δxo、Δyo和Δzo的值(步驟314)。
基站計算校正Δxo、Δyo、Δzo和Δcod的變化率(步驟316)。我們把Δxo、Δyo、Δzo和Δcod的變化率分別表示為 和 依照所揭示的方法和設備的一種實施例，變化率的值是通過取兩時間二點的兩位置間的差值及標識每個方向x，y和z上的該兩位置間的線(line)的斜率來計算的。
定位伺服器106向移動通信設備發送每個衛星的t0、Δxo、Δyo和Δzo、Δcod、 和 (步驟318)。依照所揭示的方法和設備的一種實施例，這些值是通過諸如由電信工業協會/電子工業協會(TIA/EIA)出版的、由工業標準IS-95B規定的共用接入信道的控制信道發送的。和該信息一起，定位伺服器106發送一標識符以標識伺服器106在計算這些校正時使用的Almanac。
移動通信設備通過控制信道接收信息。移動通信設備比較由伺服器106使用的Almanac的標識符和存儲於存儲器312中的Almanac的標識符(步驟320)。
如果標識符匹配(步驟322)，則移動通信設備用在時間t1的Almanac計算每個衛星104的位置和每個衛星的時鐘校正(步驟324)。時間t1不必與時間t0相同。在時間t1的、由話機計算的衛星位置和時鐘校正分別表示為(x1a，y1a，z1a)和c1a。
移動通信設備把通過控制信道接收的校正應用到用Almanac計算的衛星位置和衛星時鐘(步驟326)。這產生經校正的衛星位置和時鐘校正。這些校正的衛星位置和時鐘校正可表達為x1=x1a+xo+(t1-t0)xo]]>y1=y1a+yo+(t1-t0)yo]]>z1=z1a+zo+(t1-t0)zo]]>c1=c1a+cod+(t1-t0)cod]]>移動通信設備用這些校正的衛星位置以及對衛星的距離測量結果來計算其自身的位置。定位信號由定位天線300接收。定位天線300耦合到定位接收機302。定位接收機302執行所有必要的前端射頻處理。定位接收機302耦合到定位處理器304。定位處理機以傳統方式測定到每個衛星104的距離，然後用每個衛星104的位置測定其自身的位置。
如果基站使用的Almanac的標識符與(步驟322)存儲於移動通信設備的存儲器312中的Almanac的標識符不匹配，則移動通信設備建立一個業務信道(步驟328)，並通過基站102從伺服器106下載新的Almanac(步驟330)。
在所揭示的方法和設備的較佳實施例中，通過控制信道發送的信息包括位置和時鐘校正，以及它們關於時間的一階微分(變化率) 和 另一種實施例可包括關於時間的更高階微分。另一種實施例可不包括所有的變化率項。
在較佳實施例中，電話機測得的距離的差分校正是通過把校正應用到時鐘校正項Δco以獲得Δcod而完成的。在其他實施例中，這些距離的差值校正能夠通過把校正項應用到衛星位置校正Δxo、Δyo、Δzo而不是應用到時鐘校正項Δco而獲得。
儘管本發明是針對全球定位系統來描述的，但同樣的原理可用於諸GLONASS的其他基於衛星的定位系統。
而且，參照IS-95CDMA系統只作為具體的通信系統的例子而提供。然而，所揭示的方法和設備可應用於其他需要減少在移動通信設備和定位伺服器之間傳送的信息量的無線通信系統。
由於通過控制信道傳送的信息只是用Ephemeris和Almanac計算的位置和時鐘校正之間的差值，因而可以用很少幾個數據位來傳送該信息。其他發送諸如發送Ephemeris參數或衛星的實際位置的衛星定位信息的方法需要更多的數據位來傳送該信息。這些方法就控制信道的容量而言要昂貴的多。
鑑於包括有變化率信息，因而所揭示的方法和設備中向移動通信設備發射的校正在發射時間後有一長時間窗口的有效期。因此，移動通信設備能夠在不同於信息發射時間的時間裡使用該信息。這意味著移動通信設備能夠在任何時間計算它本身的位置，而不受限於在信息發射時間周圍的一個小時間窗口之內的定位計算。其他發送衛星信息的方法在信息發射後僅對於很短的時間窗內是有效的。
所揭示的方法和設備使得本領域中的任何技術人員都能製造或使用本發明。對所揭示的方法和設備的各種各樣的變更，對本領域中的技術人員來說是非常明顯的，而且此處描述的一般原理可不使用創造性的勞動而應用於其它實施例。這樣，本發明不局限於此處給出的方法和設備，而應當以最寬的意義來理解權利要求書所限定的範圍。
權利要求
1.一種用來在第一位置時間計算衛星的位置的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟a)向移動通信設備發送Almanac數據；b)用發送的Almanac數據從所述移動通信設備遠程計算在第一位置時間時衛星的位置；c)用發送的Almanac數據從所述移動通信設備遠程計算在第一位置時間時衛星的衛星時鐘校正；d)用Ephemeris數據從所述移動通信設備遠程計算在第一位置時間時衛星的位置；e)用Ephemeris數據從所述移動通信設備遠程計算在第一位置時間時衛星的衛星時鐘校正；f)從所述移動通信設備遠程計算用發送的Almanac數據確定的位置與用Ephemeris數據算出的位置之差的位置差值；以及g)從所述移動通信設備遠程計算用發送的Almanac數據確定的衛星時鐘校正與用Ephemeris數據算出的衛星時鐘校正之差的衛星時鐘差值。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括向所述移動通信設備發送衛星時鐘差值、第一位置時間和位置差值的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述的衛星時鐘差值、第一位置時間和位置差值是在控制信道上發送到所述移動通信設備的。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述的衛星時鐘差值、第一位置時間和位置差值是在話務控制信道上發送到所述移動通信設備的。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括以下步驟a)通過將一差分校正加到所述衛星時鐘差值，從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值；b)從所述移動通信設備遠程計算位置差值的變化率；以及c)從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值的變化率。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟向所述移動通信設備發送位置差值、位置差值的變化率、第一位置時間、差分校正的時鐘值、以及差分校正的時鐘值的變化率。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於所述的位置差值、位置差值的變化率、第一位置時間、差分校正的時鐘值、以及差分校正的時鐘值的變化率是在控制信道上發送到所述移動通信設備的。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於所述的位置差值、位置差值的變化率、第一位置時間、差分校正的時鐘值、以及差分校正的時鐘值的變化率是在話務信道上發送到所述移動通信設備的。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟通過將一差分校正加到所述衛星時鐘差值，從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟向所述移動通信設備發送差分校正的時鐘值、位置差值以及第一位置時間。
11.如權利要求9所述的方法，其特徵在於根據差分校正的時鐘值，從所述移動通信設備遠程調節位置差值。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟向所述移動通信設備發送經調節的位置差值以及第一位置時間。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於經調節的位置差值和第一位置時間是在控制信道上發送到所述移動通信設備的。
14.如權利要求12所述的方法，其特徵在於經調節的位置差值和第一位置時間是在話務信道上發送到所述移動通信設備的。
15.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括以下步驟a)從所述移動通信設備遠程計算位置差值的變化率；以及b)向所述移動通信設備發送位置差值、位置差值的變化率和第一位置時間。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於所述的位置差值、位置差值的變化率和第一位置時間是在控制信道上發送到所述移動通信設備的。
17.如權利要求15所述的方法，其特徵在於所述的位置差值、位置差值的變化率和第一位置時間是在話務信道上發送到所述移動通信設備的。
18.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括以下步驟a)通過將一差分校正加到所述衛星時鐘差值，從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值；b)從所述移動通信設備遠程計算位置差值的變化率；c)從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值的變化率；以及d)利用經差分校正的時鐘值和差分校正的時鐘值的變化率，從所述移動通信設備遠程調節位置差值和位置差值的變化率。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟向所述移動通信設備發送經調節的位置差值、經調節的位置差值的變化率和第一位置時間。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於經調節的位置差值、經調節的位置差值的變化率和第一位置時間在控制信道上發送到所述移動通信設備的。
21.如權利要求19所述的方法，其特徵在於經調節的位置差值、經調節的位置差值的變化率和第一位置時間在話務信道上發送到所述移動通信設備的。
22.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟a)通過將一差分校正加到所述衛星時鐘差值，從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值；b)從所述移動通信設備遠程計算位置差值的變化率；c)從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值的變化率；以及d)利用位置差值和位置差值的變化率，從所述移動通信設備遠程調節差分校正的時鐘值和差分校正的時鐘值的變化率。
23.如權利要求22所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟向所述移動通信設備發送所述的位置差值、位置差值的變化率和第一位置時間。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於所述的位置差值、位置差值的變化率和第一位置時間在控制信道上發送到所述移動通信設備的。
25.如權利要求23所述的方法，其特徵在於所述的位置差值、位置差值的變化率和第一位置時間在話務信道上發送到所述移動通信設備的。
26.如權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟a)通過將一差分校正加到所述衛星時鐘差值，從所述移動通信設備遠程計算差分校正的時鐘值；b)根據所述的位置差值，從所述移動通信設備遠程調節差分校正的時鐘值。
27.如權利要求9或26所述的方法，其特徵在於所述差分校正包括電離層校正。
28.如權利要求9或26所述的方法，其特徵在於所述差分校正包括對流層校正。
29.如權利要求9或26所述的方法，其特徵在於所述差分校正包括由於地球旋轉造成的因素。
30.如權利要求26所述的方法，其特徵在於進一步包括步驟向所述移動通信設備發送所述的第一位置時間和經調節的差分校正的時鐘值
31.如權利要求30所述的方法，其特徵在於所述的第一位置時間和經調節的差分校正的時鐘值在控制信道上發送到所述移動通信設備的。
32.如權利要求30所述的方法，其特徵在於所述的第一位置時間和經調節的差分校正的時鐘值在話務信道上發送到所述移動通信設備的。
全文摘要
一種對控制信道的容量影響最小、用來在控制信道上向移動通信設備有效發射定位輔助信息的方法和設備。定位伺服器提供已用Almanac數據和Ephemeris數據計算的衛星位置間的差值。只發送用這兩種不同的數據類型計算的位置和時鐘校正間的差值，大大減少了要向移動通信設備發射的總信息量。而且，通過提供變化率信息，該方法和設備使得定位輔助信息能夠在由移動通信設備接收後保持一相當長時間的有效。
文檔編號H04Q7/34GK1700033SQ20041010011
公開日2005年11月23日 申請日期2000年2月14日 優先權日1999年2月12日
發明者P·A·阿加西, A·H·瓦雅諾斯, S·S·索利曼 申請人:高通股份有限公司