專利名稱：用基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助衛(wèi)星導(dǎo)航的接收機(jī)以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和系統(tǒng)，具體而言涉及這樣一種低價 格的現(xiàn)場設(shè)備，它獲得由網(wǎng)絡(luò)提供的與精確時間和頻率的有關(guān)信息的 輔助，從而縮短首次定位時間(time-to-first - fix )，提高精度， 以及降〗氐制造成本。
背景技術(shù)：
在這里將2000年10月11日提交，序列號是09/687044，標(biāo)題是 "衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和方法"的美國專利申請引入作為參考。
全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)利用從通常是三個或者更多的地球軌 道衛(wèi)星收到的信號來確定位置和速度這樣的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。在全球范圍內(nèi) 都可以收到GPS信號而不需要任何費(fèi)用，現(xiàn)在已經(jīng)越來越多和更加經(jīng) 常地將它用來確定汽車的位置，其精度達(dá)到一個街區(qū)的大小或者更好。 雙載頻GPS接收機(jī)通常都跟蹤與GPS衛(wèi)星相關(guān)的一對無線電載波Ll和 L2 ，以便從這些載波上調(diào)制的P碼產(chǎn)生累積的增量距離測量結(jié)果(ADR )， 并且與此同時還跟蹤L1 C/A代碼以便產(chǎn)生代碼相位測量結(jié)果。所分配 的載波頻率L1是1575.42 MHz，載波頻率L2是1227. 78匪z。便宜的 接收機(jī)通常只接收一個頻率的載波，因此沒有足夠的信息用來計(jì)算作 為位置誤差出現(xiàn)的本地對流層和電離層信號傳播延遲。在這些頻率上， 無線電載波信號以視線方式傳播。因此建筑物、山和地平線會阻擋信 號傳播，多徑反射會造成干擾而使得不能良好地進(jìn)行接收。
地球軌道上GPS衛(wèi)星群中的每一個衛(wèi)星以碼分多址(CDMA)方式 發(fā)射32個唯一識別碼中的一個。從而，使所有GPS衛(wèi)星都能夠在同樣 的頻率上以擴(kuò)頻方式發(fā)射信號，這個頻率要加上或者減去由于衛(wèi)星存 在相對運(yùn)動而產(chǎn)生的多普勒頻移。通過將1023個"碼片"代碼跟預(yù)先 分配給每個GPS衛(wèi)星的32個偽隨機(jī)數(shù)(PRN)序列代碼中的一個進(jìn)行 相關(guān)運(yùn)算，可以從得到的混合信號和噪聲中找出某些衛(wèi)星。這些代碼沒有必要以同相的方式發(fā)射。因此， 一開始為了 "找到，，GPS衛(wèi)星需要 搜索各個載波頻率，為此要將多普勒頻移和本地晶體振蕩器的不精確 性考慮在內(nèi)。這一搜索還需要用1023個不同的代碼相位和20個或者 更多可能的相關(guān)代碼模板對代碼進(jìn)行匹配處理。
最大的不確定性來源于開機(jī)的時候本地振蕩器頻率的隨機(jī)性。因 此，視在多普勒頻率的搜索范圍很大。知道實(shí)際的多普勒頻率并不會 有^f艮大的幫助，因?yàn)楸镜卣袷幤饔锌赡芨约旱臉?biāo)稱值相差很遠(yuǎn)。
從用戶的角度來看，現(xiàn)有技術(shù)中的GPS接收機(jī)至少有兩項(xiàng)工作特 性不那么盡如人意。這些傳統(tǒng)的接收機(jī)在室內(nèi)常常會停止工作，因?yàn)?建筑物將本地信號場強(qiáng)降低到低于接收機(jī)的最大靈敏度。并且在冷啟 動的時候，大多數(shù)接收機(jī)都需要很長時間來產(chǎn)生定位結(jié)果。
GPS接收機(jī)所要進(jìn)行的大量計(jì)算要求有很高的時鐘速度和大量昂 貴的存儲器。這些因素導(dǎo)致硬件成本很高。制造商和用戶喜歡更輕巧 的導(dǎo)航解決方案，它們能夠使用便宜的平臺，或者共享為了其它應(yīng)用 而已經(jīng)存在平臺。
因特網(wǎng)還提供一種方式，用來讓單個的GPS接收機(jī)能監(jiān)視它所在 區(qū)域的差分修正數(shù)據(jù)，并且將計(jì)算量很大的計(jì)算任務(wù)交給具有高性能 處理器的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。
SnapTrack有限公司(San Jose， CA )是一個無線輔助GPS ( WAG ) 的提供商?？梢詮囊苿訜o線網(wǎng)絡(luò)提取時間、頻率和近似的位置數(shù)據(jù)來 幫助導(dǎo)航接收機(jī)處理GPS信號。這種技術(shù)在已轉(zhuǎn)讓給SnapTrack的多 項(xiàng)美國專利中都進(jìn)行了描述，這些專利包括5945944, 5663734 ， 5781156, 5825327， 5831574， 5841396， 5812087， 5874914， 5884214 等等。另外，還可以參考第6078290號美國專利。
發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，它能夠在室 內(nèi)信號強(qiáng)度非常低的情況之下工作。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，它在每次冷 啟動以后能夠非常迅速地進(jìn)行定位。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種便宜的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種能夠跟因特網(wǎng)連接的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
筒而言之，本發(fā)明的一個系統(tǒng)實(shí)施方案包括一個蜂窩電話、 一個
蜂窩電話基站和一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。它們中的每一個都配有一個GPS接 收機(jī)。與蜂窩電話相關(guān)的GPS接收機(jī)得到從蜂窩基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器收 到的信息的幫助，該信息幫助減少衛(wèi)星搜索過程中的不確定性。時差 和/或頻率差測量結(jié)果是利用蜂窩電話和它的GPS接收機(jī)收集到的數(shù) 據(jù)計(jì)算出來的，它們被假設(shè)是精確的時間和頻率。將修正系數(shù)用于由 蜂窩電話計(jì)算得到的速度的后處理，從而獲得更加精確地結(jié)果。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是提供了一種系統(tǒng)和方法，它能夠降低用戶導(dǎo) 航設(shè)備的成本。
本發(fā)明的另外一個優(yōu)點(diǎn)是提供了一種系統(tǒng)和方法，它能夠提高靈 敏度，縮短首次定位時間，足以用于城市峽谷和室內(nèi)。
本發(fā)明的另外一個優(yōu)點(diǎn)是提供了一種系統(tǒng)和方法，它能夠在因特 網(wǎng)上提供高級數(shù)據(jù)庫服務(wù)，這些數(shù)據(jù)跟實(shí)時和歷史用戶定位有關(guān)。
參考附圖讀完下面對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述以后，本發(fā) 明的這些目的和優(yōu)點(diǎn)以及其它目的和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人 員而言將會是顯而易見的。
圖1是本發(fā)明中用基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行協(xié)助的導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施方案的一個 功能框圖，它包括一個蜂窩電話、 一個蜂窩電話基站和一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 器；
圖2說明兩個不同時鐘的差值是如何被量化為數(shù)字計(jì)數(shù)器中的時 鐘脈沖積累量的；
圖3說明在一個1 -PPS周期的最后千分之一中的第二個事件的偏 差(bias skew );
圖4說明GPS事件、蜂窩基站事件和利用本發(fā)明的實(shí)施方案計(jì)算 出來的各種定時偏差之間的關(guān)系；
圖5是說明支持這里的數(shù)學(xué)公式的時鐘和時間周期之間的關(guān)系的 時序圖6說明在freqDiff (頻率差)測量結(jié)果中如何量化外部蜂窩基 站時鐘信號；
圖7說明GPS衛(wèi)星、基站和蜂窩電話之間的幾何關(guān)系，還說明定 時/頻率偏差會怎么影響位置信息；圖8是一個時序圖，它表示具有自己的系統(tǒng)時間的時鐘以及跟這 個時間對應(yīng)的時鐘偏差，這兩者的和產(chǎn)生一個基準(zhǔn)時間，用于在接收
器中進(jìn)行測量，時間差測量是在這些時間基準(zhǔn)之間進(jìn)行的；
圖9說明基站、蜂窩電話和GPS接收機(jī)1-PPS輸出之間的頻率關(guān)
系；和
圖io是本發(fā)明笫二個實(shí)施方案中用基礎(chǔ)設(shè)施提供幫助的第二個導(dǎo) 航系統(tǒng)的一個功能框圖，其中沒有任何政治因素和經(jīng)濟(jì)因素要求在蜂
窩基站中包括GPS接收機(jī)，因此蜂窩電話和GPS接收機(jī)組合永久性地
駐留在一個不動的位置上進(jìn)行工作。
具體實(shí)施例方式
可以用三個基于硬件的測量結(jié)果來同步兩個獨(dú)立系統(tǒng)中的本地時 鐘，例如(1)時間差，(2)頻率差和(3)晶體的溫度-頻率模型。 這三個測量結(jié)果中的任意一個或者全部都能夠被用于同步時鐘。在可 測量的timeDiff中，如果已知兩個不同時間源的時間事件的時間差， 就可以將一個時間源的一個事件時間用來計(jì)算另外一個時間源的事件 時間。在一個freqDiff中，如果知道兩個時鐘的頻率差，那么找到其 中一個的頻率后就可以將它用來預(yù)測另外一個的頻率。在一個可測量 的tempMeas (溫度測量)過程中，通過測量晶體的溫度就可以用一個 溫度-頻率校正模型來預(yù)測本地GPS時鐘的頻率。如果其中的一個時 間源是GPS接收機(jī)，其它的時鐘就可以跟這個GPS時間關(guān)聯(lián)起來。這 樣就可能將全世界所有的設(shè)備的時間和頻率跟一個共同穩(wěn)定的基準(zhǔn) (例如GPS系統(tǒng)原子時鐘)同步起來。
圖l說明本發(fā)明一個實(shí)施方案中的系統(tǒng)IOO,它包括一個基站102、 至少一個蜂窩電話104和一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106。這個基站102包括一個 蜂窩收發(fā)信機(jī)108和它的基準(zhǔn)時鐘110以及一個GPS接收機(jī)112。這個 蜂窩電話有一個蜂窩電話業(yè)務(wù)頻帶內(nèi)的接收機(jī)ll4，用于跟蹤它從蜂窩 基站102收到的信號的頻率和相位。蜂窩電話104也有它自己的GPS 接收機(jī)115。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)116從基站和蜂窩電話GPS 接收機(jī)接收和發(fā)布時間信息和其它數(shù)據(jù)，將它們的位置以及時間和頻 率跟GPS時間之間的偏移收集起來構(gòu)成一個數(shù)據(jù)庫118供以后使用。
本發(fā)明中的被動網(wǎng)絡(luò)同步實(shí)施方案利用基站GPS接收機(jī)將基站時 鐘跟GPS時間同步起來。然后就可以用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施
(例如因特網(wǎng))將蜂窩電話GPS接收機(jī)時鐘和蜂窩電話時鐘跟GPS時 間同步起來。典型的GPS接收機(jī)產(chǎn)生出每秒種一個脈沖(1-PPS)的 時間基準(zhǔn)，后者可以利用UmeDiff (時間差)電路跟從每個基站和蜂 窩電話電路無線電載波獲得的1-PPS時鐘進(jìn)行比較和相關(guān)聯(lián)。除了 1 秒鐘以外的其它測量間隔也可以采用同樣的方式來使用，但是使用1 秒鐘時間間隔的時候數(shù)學(xué)表達(dá)式更加簡單一些。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中可以采用三條不同的通信鏈路來傳送時間 和頻率數(shù)據(jù)。 一條鏈路將基站102的GPS基準(zhǔn)接收機(jī)112跟網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 器106連接起來。第二條鏈路在蜂窩電話114和蜂窩電話中的GPS接 收機(jī)115之間實(shí)現(xiàn)第二個載波軟件應(yīng)用程序接口 (API)或者數(shù)據(jù)包通 信，這可以是在蜂窩電話中直接進(jìn)行或者是通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間接地進(jìn) 行。在各個接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享改進(jìn)了系統(tǒng)性能。第三個連接將網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)器106和蜂窩電話跟蜂窩電話和GPS接收機(jī)鏈接起來。網(wǎng)絡(luò)服 務(wù)器106也可以放置在基站102內(nèi)，通過蜂窩電話系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)108 和114進(jìn)行通信。
到達(dá)時間差測量結(jié)果(TDOA )(例如從基站到蜂窩電話之間的時間 差)可以用于在組合在一起的蜂窩電話和GPS接收機(jī)中進(jìn)行定位，使 它能夠在更多的地方進(jìn)行定位，同時定位精度更高。從基站發(fā)送給蜂 窩電話的時間標(biāo)記可以跟基站位置、基站的時鐘偏差和基站相對GPS 時間的漂移這些先驗(yàn)知識結(jié)合起來。這些時間標(biāo)記可以用來從基站向 蜂窩電話傳送時間信息，其精度只受蜂窩電話和基站之間無線電信號 傳播距離的影響。
蜂窩電話載波頻率綜合器環(huán)的修正的頻率偏移可以被用來估計(jì) GPS接收機(jī)的頻率偏移。這個估計(jì)被用于減少頻率不確定性，從而縮短 首次定位時間，提高接收機(jī)靈敏度，和/或縮小硬件體積，降低功耗。 數(shù)控振蕩器(NCO)和模擬壓控振蕩器(VCO)常常被用于這種載波頻 率綜合器環(huán)。
tempMeas測量結(jié)果可以4皮用于進(jìn)一步提高從蜂窩電話向GPS接收 機(jī)傳遞的頻率傳送精度。freqDiff測量結(jié)果可以被單獨(dú)用于頻率傳送 而不需要任何timeDiff測量結(jié)果。也可以4吏用UmeDiff測量結(jié)果而 不需要將freqDiff測量結(jié)果用于組合的時間和頻率傳送。最好是通過 基于軟件的濾波器降低timeDiff硬件的量化噪聲來提高時間傳送精
度。對基站信號頻率和相位的蜂窩電話測量結(jié)果可以用于本發(fā)明的其 他的雙模式定位系統(tǒng)中。
在這里使用的術(shù)語"被動同步"指的是在基站和蜂窩電話中時鐘
的時間偏差和頻率偏差只有在相對于GPS接收機(jī)時鐘的時候才能夠觀 察到。利用例如因特網(wǎng)上的傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)數(shù) 據(jù)包，通過通信層發(fā)送被測的偏差來進(jìn)行以后的校準(zhǔn)。蜂窩電話和基 站中的真實(shí)時鐘不受控制。只是測量來自這些時鐘的信號，獲得的修 正數(shù)據(jù)根本就不被反饋回到源去改變時鐘。相反，將這些數(shù)據(jù)用于網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)器和GPS接收機(jī)軟件中的計(jì)算，幫助搜索GPS衛(wèi)星和進(jìn)行定位計(jì)算。
圖2給出了 GPS 1 - PPS周期202、 一個小區(qū)1 - PPS周期204和一 個輸出計(jì)數(shù)器值206之間的時間關(guān)系。可以用一個計(jì)數(shù)器電路測量 timeDiff,這個計(jì)數(shù)器電路將GPS的主時鐘用作它的輸入頻率。在兩 個事件源之間對內(nèi)部時鐘信號(例如內(nèi)部1 - PPS 202和外部(或者小 區(qū))1-PPS 204 )進(jìn)行計(jì)數(shù)。周期性地輸出所得到的結(jié)果，并且重新 啟動計(jì)數(shù)器，從而使時間的每一秒都有兩個計(jì)數(shù)器輸出。
可以將這個兩個計(jì)數(shù)值組合起來估計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，即這兩個時鐘源 之間的偏差。外部1-PPS 204每次重新啟動都要產(chǎn)生一個偏差結(jié)果。 如果計(jì)數(shù)器是在內(nèi)部l-PPS 202重新啟動的，這個結(jié)果就是l減去這 個偏差。至少可以用兩種方法之一將外部l-PPS (來自蜂窩基站或者 蜂窩電話)跟內(nèi)部1-PPS (GPS接收機(jī))同步，例如利用一個平滑的 受控或者不受控的內(nèi)部l-PPS。
現(xiàn)在參考圖3，假設(shè)一個GPS1-PPS脈沖定時邊緣精確地服從于 GPS時間。通過這種方式，這個GPS 1-PPS脈沖定時邊緣代表"真正 的，，GPS時間。1-PPS邊緣可以用一個向下計(jì)數(shù)電路來產(chǎn)生，該電路 由GPS整數(shù)秒中獲得的第999亳秒中斷來啟動。中斷范圍最好是士l毫 秒，從而使1 - PPS能夠調(diào)整在GPS整數(shù)秒的第999毫秒和第1毫秒之 間的任何位置上出現(xiàn)。在GPS接收機(jī)中計(jì)算毫秒偏差誤差，以作為跟 "真實(shí)"GPS時間誤差之間的GPS毫秒定時器。如果GPS接收機(jī)的振蕩 器漂移離開了 GPS時間，這樣的毫秒偏差誤差就會改變。向下計(jì)數(shù)值 也會改變，以反映這一漂移。當(dāng)偏差積累了 ±0.5 ms以后，最好是調(diào) 整GPS毫秒計(jì)數(shù)器，以使這個電路處于范圍之內(nèi)。
本發(fā)明中的平滑受控方法實(shí)施方案被用于基站中的GPS接收機(jī)， 因?yàn)楹撩肫钫`差是已知的。在GPS接收機(jī)中時間是已知的，通過測 量GPS時間和蜂窩基站時間基準(zhǔn)之間的任何偏差，該時間可以被動地 傳送給蜂窩基站。
可以計(jì)算出跟蜂窩基站l-PPS有關(guān)的時間，因?yàn)門imeCS (時CS ) 等于timeGPS(時間GPS ) + biasCSG(偏差CSG )。這其中，變量biasCSG 代表蜂窩基站和GPS時間之間的時間偏差。對于所有i，利用按時間先 后排列的測量值Nil、 Ni2，用快照或者過濾后的估計(jì)來估計(jì)它。
本發(fā)明中的不受控的內(nèi)部1-PPS方法不使用另外的向下計(jì)數(shù)電 路。內(nèi)部1-PPS是從對應(yīng)于整數(shù)GPS秒事件的毫秒中斷直接產(chǎn)生的。 當(dāng)毫秒偏差誤差超過預(yù)定門限的時候，這仍然要求對應(yīng)于GPS整數(shù)秒 的毫秒中斷^^周期性地偏移。內(nèi)部pps事件之間的時間可以大于或者 小于1秒。出現(xiàn)的步級偏移很簡短，不會給接收機(jī)帶來不利影響。可 以知道什么時候會發(fā)生事件，并且可以在計(jì)算出來的殘余毫秒偏差誤 差中將1毫秒偏移記錄下來。
不管蜂窩電話用戶接口什么時候請求獲得位置信息，不受控制的 基準(zhǔn)都可以被蜂窩電話中的GPS接收機(jī)使用。這樣的GPS接收機(jī)在這 個時刻通常都沒有跟蹤衛(wèi)星，因此GPS毫秒偏差誤差是未知的。蜂窩 電話中存在相反的問題。GPS時間是未知的，并且時間從蜂窩網(wǎng)絡(luò)向蜂 窩電話傳送。
在工作過程中，某個基站的時間偏移和頻率偏移是從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 那里獲得的。在計(jì)算結(jié)果的時候蜂窩基站的位置也是有用的。要測量 蜂窩電話時鐘和GPS接收機(jī)時鐘之間的偏移。從GPS時間計(jì)算出GPS 接收機(jī)時間和頻率偏差的一個估計(jì)，并將其用于減少搜索GPS衛(wèi)星的 范圍。
timeDiff測量結(jié)果凈皮同時用于蜂窩電話和基站，以用來減少這個 系統(tǒng)中未知因素的總數(shù)。timeDiff測量結(jié)果在這里^皮定義成由兩個不 同源產(chǎn)生的兩個時間事件之間的時間差。在每個時鐘預(yù)期標(biāo)稱頻率的 基礎(chǔ)上兩個時鐘產(chǎn)生具有相同預(yù)期周期的信號。被測量的是連續(xù)事件 之間的時鐘脈沖數(shù)。
因?yàn)樗械臅r鐘都跟所需標(biāo)稱頻率有某種頻率偏移，所以該偏差 由于與兩個時鐘標(biāo)稱值之間的頻率偏移的影響而總是在改變。假設(shè)"Freq (頻率)"等于測量出來的實(shí)際物理頻率，那么它也等 于baseFreq + drift (偏移)(等式2 )。 "baseFreq(基本頻率)"等于 一個所需頻率，例如，指定時鐘工作應(yīng)在這個頻率上，但是由于缺陷、 老化和溫度影響而表現(xiàn)為"Freq"，即實(shí)際出現(xiàn)的頻率。"Drift"等于 當(dāng)前頻率和所需標(biāo)稱頻率之間的頻率偏移。
假設(shè)這兩個時鐘都產(chǎn)生具有特定時間間隔的不同步的1秒時間事 件信號脈沖。1秒事件脈沖可以用一個計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生，該計(jì)數(shù)器對特定 個數(shù)的基準(zhǔn)時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且在到達(dá)所需計(jì)數(shù)值的時候輸出一 個脈沖。這個1秒計(jì)數(shù)對應(yīng)的頻率是標(biāo)稱晶體頻率。
產(chǎn)生的脈沖的實(shí)際時間間隔等于時鐘脈沖個數(shù)乘以每個時鐘脈沖 的"真實(shí)"周期。假設(shè)漂移是恒定的，每個時鐘脈沖的"真實(shí)"周期 就等于"ClockPeriod (時鐘周期)，，變量，它等于以赫茲表示的頻率 的倒數(shù)。
產(chǎn)生的實(shí)際時間周期DT等于baseFreq/freq。插入等式2， DT = ( f req - drift ) /f req (等式- 3 )
=1- drift/freq =1 + deltaBias, 其中deltaBias (增量偏差)等于兩個事件之間偏差發(fā)生的變化。
等式3的效果是對于每個1秒事件，將另外一個增量累加到總 的偏差中去。
對于當(dāng)已知GPS時間的情況下利用控制時鐘脈沖所產(chǎn)生的1 - PPS 而言，偏差可以從GPS時間估計(jì)出來，并且控制這個時鐘，讓它總是 處在這個事件發(fā)生的時候所需要的"真實(shí)"時間的一個時鐘脈沖內(nèi)。
或者，也可以不控制l-PPS。總的偏差保存在軟件內(nèi)并且在所有 校準(zhǔn)都以軟件方式進(jìn)行的時候不會失去同步的情況下進(jìn)行考慮。
擴(kuò)展到兩個時鐘脈沖，baseGRfreq等于GPS接收機(jī)所用時鐘的預(yù) 期頻率(Hz )。 "BaseCSf req"等于小區(qū)基站所用時鐘的預(yù)期頻率(Hz )。 "FreqGR，，等于GPS接收機(jī)的實(shí)測頻率(Hz )。 "FreqCS"等于小區(qū)基 站的實(shí)測頻率(Hz)。 "BiasGRi"等于GPS接收機(jī)在時刻Ti的1 - PPS 跟"真實(shí)"GPS時間的偏差。"BiasCSi"等于在時刻Ti的基站的l-PPS跟"真實(shí)"GPS的偏差。"DeltaBiasGR12"等于GPS接收機(jī)中從tl 到t2的偏差變化。"DelUBiasCS12"等于基站從tl到t2的偏差變化。
定義一個基準(zhǔn)時鐘和一個未知時鐘，然后將GPS時鐘選擇為基準(zhǔn)。 可以通過跟蹤衛(wèi)星來跟GPS同步。
將小區(qū)基站定義為要跟GPS時間同步的未知時鐘。
定義GPS和小區(qū)基站事件之間的"真實(shí)"時間。TDij等于第i個 時刻兩個連續(xù)事件之間的"真實(shí)"時間，其中最新事件的源是第j個 源。J-l是小區(qū)基站，j-2等于GPS接收機(jī)。
圖4說明"真實(shí)"GPS 1 - PPS事件、1 - PPS事件的實(shí)際位置、和 "真實(shí)，，tDiff測量結(jié)果之間的關(guān)系。這些測量可以這樣來進(jìn)行
BiasGR2 = biasGRl+deltaBiasGRl2
=biasGRl-driftGR/freqGR BiasCS2 = biasCSl+deltaBiasCS12
=biasCSl-driftCS/freqCS,
TD11 = (l+biasCSl)-(l+biasGRl)
=biasCSl-biasGRl TD12 = (l+biasGRl+(1-driftGR/freqGR))-(l+biasCSl)
=l+biasGRl-driftGR/freqGR-biasCSl
=l+biasGRl+deltaBiasGR12-biasCSl
=l+biasGR2-biasCSl
TD21 = (l+biasCSl+(l-driftCS/freqCS))-(1+ biasGRl+(1-driftGR/freqQR))
=(2+biasCSl+deltaBiasCS12)-(2+biasGRl+deltaBiasGR12 >
=biasCS2-biasGR2 TD22 = (l+biasGRl+(l-driftGR/freqGR) + (l-di:iftGR/freqGR)) -(l+biasCSl+(1-driftCS/freqCS))
=1+biasGRl-driftGR/freqGR-driftGR/freqGR-(biasCSl-driftCS/freqCS)
=l+biasGRl+deltaBiasGR12+deltaBiasGR23-(biasCSl+deltaBiasCS12)
求和，如果小區(qū)基站是時刻t = i的源，那么j-l，并且:
TDil = biasCS (t-;L)-biasGR(t-i) , (eq4)
如果GR是源，在時刻t-I，那么」=2而且
TDi2 = l-((biasCS(t=i)-biasGR(t=i+l)) . (eg5)
當(dāng)只有timeDiff可被測量的時候很難去除掉量化誤差，這就促進(jìn) 了收集freqDiff測量結(jié)果。這就使得量化噪聲要通過濾波來減少，并 且不需要更高的時鐘頻率。避免使用更高的時鐘頻率能夠使系統(tǒng)節(jié)省 功率，在用電池工作的便攜式裝置中這一點(diǎn)非常重要。
從可觀測量timeDiff可以估計(jì)兩個重要參數(shù)小區(qū)基站跟GPS時 間的偏差，以及小區(qū)基站的頻率漂移。然后用偏差估計(jì)跟頻率漂移估 計(jì)做相關(guān)運(yùn)算，并且不需要任何新信息來對小區(qū)基站偏差估計(jì)進(jìn)行濾 波。
圖5重新畫出了時間線，從而可以從圖中看到量化誤差的影響。 Nll等于3，因?yàn)榈谝粋€小區(qū)基站PPS是由于時鐘同步而在MCLK3上面 報(bào)告的。"真實(shí)"測量結(jié)果TDll等于被測計(jì)數(shù)(TDllm)減去量化Q1。 "真實(shí)"時間差是"真實(shí)"時鐘脈沖數(shù)(整數(shù)加分?jǐn)?shù)，它是量化) 乘以時鐘周期。假設(shè)在這個期間內(nèi)頻率是恒定的，那么周期就是"真 實(shí)"頻率的倒數(shù)。下面說明理想測量的"真實(shí)"模型。 "真實(shí)"時間差被定義為
TD11等于(Nil-Ql) /freqGR，
TD12等于(N12 + Q1) /freqGR，
TD21等于(N21-Q2) /freqGR。
被測的計(jì)數(shù)是整數(shù)。用來計(jì)數(shù)的時鐘的確切頻率只是一個估計(jì)值。 使用的測量結(jié)果是觀察到的計(jì)數(shù)乘以預(yù)測的周期，這個周期是預(yù)期頻 率的倒數(shù)。
測量結(jié)果被定義為TDllm = Nll/freqGRhat 二 3/freqGRhat TDl2m = N12/freqQRhat = 1/freqGRhat TD21m = N21/freqGRhat = 2/FreqqRhat.
其中，
FreqGRhat =估計(jì)出來的GPS接收機(jī)頻率 FreqGRhat = baseGRfreq + driftGRhat
DriftGRhat =與由GPS接收機(jī)產(chǎn)生的標(biāo)稱頻率之間的頻率偏差。
真實(shí)時間差模型定義 TD11 = biasCSl - biasGRl TD12 = 1 - MasCSl + biasGR2 TD21 = biasCS2 - biasGR2。
偏差參數(shù)的數(shù)字下標(biāo)代表它們的時間標(biāo)簽。TD上面的第一個數(shù)字 標(biāo)志是時間，第二個是用于觸發(fā)測量的源。
為了估計(jì)biasCSl而尋找誤差模型的第一個測量開始于將誤差定 義為"真"l減去被估計(jì)的參數(shù)。
將估計(jì)誤差定義為"errorBiasCSll"，它是將小區(qū)基站PPS用作 觸發(fā)器在第1秒鐘的小區(qū)基站偏差的估計(jì)誤差。
ErrorBiasCSll
=biasCSl-biasCSlhat
=(TDll+biasGRl)-(TDllm+biasGRlhat)
=((N11-Q1)/freqGR+biasGRl)-(Nll/freqGRhat+biasGRlhat)
輔助變量被定義為
ErrorBiasGR = biasGR-biasGRhat ErrorDriftGR 二 freqGR-freqGRhat
=(baseGRfreq+driftGR)—(baseGRfreq+driftGRhat)
=driftGR-driftGRhat .
繼續(xù)，
errorBiasCSll
=Nil * (l/freqQRl-l/fregGRlhat)-Ql/ f ireqQRl+errorBiasGRl
=Nil * (freqGRlhat-freqGRl)/(freqGRl * freqGRlhatJ-Ql / f reqGRl+errorBiasGRl
=-Nll ★ errorDriftGRl/(freqGRl * freqGRhatl) -Ql/freq^3Rl+er:ro2rBiasGRl .
假設(shè)Q1-1， errorDrif tGR = . 01, driftGR=0， baseGRf req = 27.456 MHz,那么這個誤差就是
errorBiasCSll = TimeDiffTrue * (36.42191142ns-36 . 42191142ns) -l"6 .42191142ns
=36ns
=主時鐘的一個時鐘脈沖。
這是最差情況下的精度誤差，它大約是IO. 91米。
可以忽略第一項(xiàng)，因?yàn)镚PS漂移誤差遠(yuǎn)小于總頻率?？傊?，對于 LI測量，GPS接收機(jī)的精度小于1赫茲。標(biāo)稱頻率的誤差是1/ (1575. 42/27. 456 )，對于baseGRfreq它等于1/57, 4，即0. 0174 Hz。 由于Nil可以接近freqGR，因此它成為0. 0174/freqGR等于0. 63納 秒，也就是O. 19米。當(dāng)漂移誤差很小的時候這一項(xiàng)可以被忽略掉。
第二項(xiàng)是較大的誤差源。最差的情況下，Ql接近一個時鐘周期， Ql/baseGRfreq等于36個納秒或者10. 91米。如果使用主時鐘脈沖的 兩個邊緣，就能夠得到18個納秒的精度。基準(zhǔn)時鐘脈沖的這兩個邊緣 都被用來在連續(xù)的1-PPS事件之間驅(qū)動計(jì)數(shù)器。分辨率得到了提高， 最差量化是-/baseGRf^eq，它等于18個納秒，也就等于5. 46米。
以上實(shí)例只是在基準(zhǔn)時鐘頻率27. 456 MHz的基礎(chǔ)之上給出了理論 上最差情況下的精度。
在第一個時間間隔內(nèi)進(jìn)行的第二次測量能夠提供小區(qū)基站偏差的 第二個估計(jì)值，但是它具有不同的GR偏差，
ErxorBiasCS12
=biasCS12-bia.sCS12hat
=(l-TDl2+biasGR2)-(l-TDl2m+biasGR2hat)
=(-(N12+Q1)/fi:eqGR2+biasGR2) - (-N12/freq^R2hat+biasGR2hat)
=-N12 (1/freqGR2-l/freqGR2hat)-Ql/ f reqGR2+eri:orBiasGR2
=-N12 (freqGR2hat-freqGR2)/(freqGR2 * freq^R2hat)
-Q1/f i:eqqR2+erxo]:BiasGRl
=N12 (erxorDriftGR2)/(freqGR2 *'freqGR2hat) -Q1/freqGR2+errorBiasGR2 .
這個GPS漂移估計(jì)誤差很小，因此可以忽略第一項(xiàng)。獲得1秒鐘
內(nèi)不同噪聲誤差情況之下對于小區(qū)基站偏差的兩個估計(jì)。 估計(jì)出的測量模型是
其中Nll、 N22和N12是硬件測量值的計(jì)數(shù)，biasGRhat是利用GPS 接收機(jī)計(jì)算出來的。
小區(qū)基站時鐘偏差的誤差模型是
ErrorBiasCSll = _Q1/fregGRl+errorBiasGRl-Nll (errorDriftGRl)/(freqGRl * freqGRlhat)
Ei:rorBiasCS12 = -Q1/f reqGR2+ei:roi:BiasGR2+Nl2 (erroi:DriftGR2) / (freqGR2 * freqGR2hat)
Eri:o;rBiasCS21 = -Q2/freqGR2+e:r:roi:BiasGR2-N21 (errorDrif tGR2) / (f.reqGR2 * freqGR2hat).
利用27.456 MHz GPS時鐘脈沖的兩個邊緣，量化誤差是一個均勻 隨機(jī)變量，它的最大誤差是1/( 2*27. 456e6)，等于18 ns,也就是5. 46
BiasCS12hat
BiasCSllhat
BiasCS21hat
Nil/freqGRlhat+biasGRlhat 1-N21/fregGR2hat+biasGR2hat N12/freqGR2hat+biasGR2hat .
也可以這樣來表示GPS的誤差模型:
errorBiasGR = N( 0,sigmaBiasA2)
sigmaBias = TDOP * sigmaPR
sigmaPR = (l-2meters)/speed—of—light
=3-6納秒
errorDriftGR = N(0,sigmaDriftA2) sigrnaDrift - TDOP ★ sigmaPRR sigmaPRR = O.Olm/s = 0.003 納秒/秒
其中N (均值，方差)是一個高斯分布。TDOP等于最小二乘解矩 陣的精度的時間稀釋。上面對于偽距(PR)和偽距變化率(PRR)的標(biāo) 準(zhǔn)偏差給出的數(shù)是用于利用代碼和載波跟蹤環(huán)來進(jìn)行傳統(tǒng)跟蹤的。
小區(qū)基站時鐘漂移的估計(jì)可以用timeDiff數(shù)據(jù)來形成?？梢詫?個時間差測量結(jié)果加起來，以便從一個小區(qū)基站去覆蓋2個外部PPS 事件。它們的和是小區(qū)基站一秒事件的一個時間估計(jì)
其中DriftCS12等于小區(qū)基站PPS事件之間的間隔內(nèi)小區(qū)基站時 鐘的漂移。
在這個間隔內(nèi)可以假定頻率是恒定的，因此freqCSl = freqCS2， 替換，TD12 + TD21
=l-driftCS12/fregCS
=l-driftCS12/(baseCSfreq+driftCS12). 進(jìn)行簡化，TD= 1-d/ (base + d)
TD12+TD21
=(l-biasCSl+biasGR2)+(biasCS2-biasGR2) =l+biasCS2-biasCSl
=l+biasCSl+deltaBiasCS12-biasCSlTD*(base+d) = (base+d)-d TD*(base+d) = base TD * d = base (1-TD) d = base (1/ TD-1).
擴(kuò)展回到常用符號表示法，DriftCS12 = baseCSfreq* (1/(TD12 - TD21 ) - 1 )。
替換timeDiff測量結(jié)果的定義，可以利用"真實(shí)，，driftCS的等 式，driftCS12 = baseCSfreq* ( f reqGR2〃 N12 + N21 + Ql - Q2 ) - 1 )。 為了定義drif tCS12估計(jì)，drif tCS12hat = baseCSfreq * ( freqGR2hat / (N12 + N21) -1)。
為了簡化漂移估計(jì)的誤差，返回到上面簡化符號表示法中第三個 等式的格式。在兩邊乘以freqGR
TD * ( base + d ) = base "真實(shí)"模型
((N12+Q1)+(N21-Q2)) * (baseCSfreq+driftCSl) =baseCSfreq * freqGR2 .
將它用于測量模型(除了兩邊乘以f reqGR2hat以外)， (N12 + N21) * ( baseCSfreq + drif tCSlhat ) -baseCSfreq* freqGR2hat。
從"真值(truth)"模型減去測量模型，
(Q1-Q2) ★ (baseCSfreq+driftCSl)+(N21+N21) * (driftCSl-driftCSlhat)
=baseCSfreq (freqGR2-freqGR2hat)
應(yīng)用以下定義
freqGR = baseGRfreq+driftGR freqGRhat - baseGRfreq+driftGRhat ErrorDriftCS = driftCS-driftCShat ErrorDriftGR = driftGR-driftGRhat,
(Ql-Q2)* (baseCSfreq+driftCSl) + (N21+N21)★(driftCS-driftCShat)
=baseCSfreq * (baseGRfreq+driftGR2-baseGRfreq-driftGR2hat)
(Q1-Q2) ★ (baseCSfreq+driftCSl)+(N21+N21) * (errorDriftCSl)
=baseCSfreq * errorDriftGR2
進(jìn)行重新排列，以便隔離errorDriftCS這一項(xiàng)，
(N21+N21) * erxorDriftCSl
=baseCSfreql ★ errorDriftGR2-(Q1-Q2) * fregCSl .
以前的基站偏差測量結(jié)杲被提前在兩個基站PPS事件之間得到保護(hù)。
定義一個新參數(shù)，它是前面的biasCS估計(jì)的投影，并且使漂移估 計(jì)產(chǎn)生一個基準(zhǔn)軌跡，以便濾去新的biasCS估計(jì)相對。 "真值"模型，
BiasCS2Minus = biasCS12-driftCS1/(baseCSfreq+driftCSl).
測量模型，
BiasCS2MinusHat = biasCS12hat-
driftCSlhat/(baseCSfreq+driftCSlhat).
在它們的兩邊乘以小區(qū)基站總頻率的估計(jì)值，
BiasCS2Minus * (baseCSfreq+driftCSl)
=biasCS12 * (baseCSfreq+driftCSl〉-driftCSl
BiasCS2MinusHat * (baseCSfreq+driftCSlhat)
=biasCS12hat * (baseCSfreq+driftCSlhat)-driftCSlhat
形成"真值"減去被測模型，
(BiasCS2Minus-BiasCS2MinusHat) * baseCSfreq
+ BiasCS2Minus ★ driftCSl-BiasCS2MinusHat *
driftCSlhat
=(biasCSl2-biasCS12hat) * baseCSfreg
+ biasCS12 * driftCSl-biasCS12hat * driftCSlhat
-(driftCSl-driftCSlhat).
投影誤差定義為，
ErrorBiasCS2minus = biasCS2minus _ BiasCS2MinusHat
利用隨機(jī)碼(hat)等于真值誤差的規(guī)則，
errorBiasCS2minus * baseCSfreq + biasCS2Minus * driftCSl -(biasCS2Minus-errorBiasCS2minus)★ (driftCSl-errorDriftCSl)
=errorBiasCS12 * baseCSfreq + biasCSl2 * driftCSl-(biasCS12-erroi:BiasCS12) * (driftCSl-errorDriftCSl) -erxorDriftCSl,
errorBiasCS2minus * baseCSfreq + er:rorBiasCS2minus ★ driftCSl + (biasCS2Minus-e:rrorBiasCS2ininus) * errorD:cif tCSl =erro:i:BiasCS12 * baseCSfreq + e:r:ro:rBiasCS12 * driftCSl + (biasCS12-errorBiasCS12) * errorDriftCSl -erxorDriftCSl.
對于誤差等于"真值"-隨機(jī)碼，真值誤差等于hat ei::t:oi:BiasCS2ininus * (baseCSfreq+driftCSl) + biasCS2MinusHat ★ errorDriftCSl =errorBiasCS12 * (baseCSfreq+driftCSl) + biasSC12hat * errorDri f tCS l-eriro;rD::i f tCSl
將兩邊除以freqCS，并且重新整理 Er3:o:rBiasCS2minus
=er;ro;rBiasCS12+(biasSC12hat-biasCS2MinusHat-l〉 * errorDriftCSl/freqCSl .
在該定義插入
BiasCS2MinusHat equals biasCS12hat-driftCSlhat/(baseCSfreq+driftCSlhat> .
并且重新整理
biasCS12hat-BiasCS2hatMinus equals driftCSlhat/(baseCSfreq+driftCSlhat) ErrorBiasCS2minus
=erro:rBiasCS12 + (-l+drdftCSlhat / (baseCSfreq+driftCSlhat)) * errorDriftCSl/fregCSl .
簡化括號中的項(xiàng)，
應(yīng)用更多的簡單符號-l + d/(b + d) = (-b-d + d)/(b + d) =-b/ (b + d)
e;ri:o:rBiasCS2mirius
=errorBiasCS12 - (baseCSfreq / (baseCSfreq+driftCSlhat)) * errorDriftCSl/freqCSl,
替換
baseCSfreq/(baseCSfreq+driftCSlhat) =(N12+N21)/freqGR2hat, errorBiasCS2minus
=errorBiasCS12-((N12+N21)/fregGR2hat) * errorDriftCSl/freqCSl .
插入errorBiasCS12的定義
=-Ql/freqGR2+erxorBiasGR2+Nl2 (errorDriftGR2)/(freqGR2 ★ freqGR2hat).
在兩邊除以freqGR2hat以后，用這個結(jié)果來導(dǎo)出漂移估計(jì)的誤差:
((N21+N21)/freqGR2hat) * errorDriftCS
=-(Ql-Q2) ★ freqCSl/freqGR2hat+baseCSfreq
★errorDriftGR2/freqGR2hat .
將這兩個等式插入工作方程
erroi:BiasCS2ndnus = -Ql/f reqpR2+er:roi:BiasGR2+N12 (errorDriftGR2) / (freqGR2 * freqGR2hat) + (Ql-Q2>/fi:eqGR2hat-baseCSfreq * errorDrif tGR2/(freqCSl * freqGR2hat), e:nro:i:BiasCS2minus = Ql. * (l/freqGR2hat-1/freqGR2) - Q2/freqGRhat + errorBiasGR2 + (errorDriftGR2/frec^3R2hat) * (N12/f reqGR2-baseCSfreq/freqCSl),
errorBiasCS2minus = Ql * <freqGR2-freqGR2hat)/(freqGR2hat ★ freqGR2) -Q2/freqGRhat + errorBiasGR2
+ (errorDriftGR2/freqGR2hat) * (Nl2/freqGR2-
baseCSfreq/freqCSl) , e:rrorBiasCS2minus
=Ql * erro:rFi:eqGR2/(freqGR2hat * f i:eqGR2 >
-Q2/freqGRhat + errOrBiasGR2 + (erxorDriftGR2/f:reqGR2hat)
* (N12/fregGR2-baseCSfreq/fregCSl〉.
回憶起定義
baseCSfreq/freqCSl equals (N12+N21)/freqGR2十(Ql-Q2)/freqGR2.
將括號中的最后一項(xiàng)簡化為
(<formula>formula see original document page 25</formula>
Q2 * errorDriftGR2/(freqGR2hat * freqGR2)
errorBiasCS2minus =Q2 (- freqGR2+eriro:r:Drif tGR2) / ( freqGR2hat ★ f regGR2 ) 十ei:rorBiasGR2
-N21 * errorDriftGR2/(freqGR2hat * freqGR2)
e3:iroi:BiasCS2minus =-Q2 (freqGR2-errorDriftGR2)/(freqGR2hat * freqGR2) 十errorBiasGR2
-N21 * errorDriftGR2/(freqGR2hat * freqGR2)
erroi:BiasCS2mimis =-Q2 (fregGR2hat) / (freqGR2hat * fi:eqGR2) +errorBiasGR2
-N21 * errorDriftGR2/(fregGR2hat * freqGR2)
errorBiasCS2minus =-Q2/freqGR2 +errorBiasGR2-N21 * erro:rDriftGR2/(freqGR2hat * freqGR2)
它等于上面為errorBiasCS21導(dǎo)出的等式。
量化誤差和GPS接收機(jī)誤差會出現(xiàn)在小區(qū)基站濾波以后的最終估 計(jì)里。用一個互補(bǔ)濾波器將相同參數(shù)的這兩個估計(jì)合并成單獨(dú)一個濾 波以后的估計(jì)。這個互補(bǔ)濾波器具有這樣的形式，F(xiàn)ilteredEstimate =(l-a) * previousFiltere犯stimate+a * newUnfilteredMeasurement，其 中a< = 1. 0。
如果前一個濾波以后的估計(jì)和新的沒有濾波的測量結(jié)果都是同一 個參數(shù)的估計(jì)，那么濾波以后的估計(jì)就是沒有偏差的，
FilteredEstimate equals (l-a) * (X+Nl)+a ★ (X+N2)
- ((l-a+a) * X)+(a * N2+(l-a) * Nl))
- X+((l-a) * Nl+a * N2).
如果增益參數(shù)"a"很小，那么前一個濾波以后的估計(jì)的噪聲最好 是不被濾波。如果從前面的一個時間到當(dāng)前時間傳播過程中有誤差， 就將這個誤差直接放到濾波以后的估計(jì)中去。
當(dāng)傳播誤差的幅度跟新測量結(jié)果的噪聲是相同量級的時候，最佳
濾波器的增益是O. 5。通過這種方式，就能獲得傳播誤差的某些衰減。 應(yīng)用這個互補(bǔ)濾波器，BiasCS12filtered = (1- a) * MasCS12minusHat + a * MasCS12hat。于是誤差具有這樣的形式 Error = ( 1 - a ) * ( biasCS12minusHat中的誤差)+ a * ( biasCS12hat 中的誤差)。
不可能減小任何誤差源，因?yàn)轭A(yù)測的偏差等于被測量的量，這兩 項(xiàng)的誤差相同。
可以使用小區(qū)基站偏差的而不是GPS測量所允許的一個較早估計(jì)。 用變量errorBiasCSll來代替errorBiasCS12。
從"真值，，模型開始，BiasCS2Minus = biasCSll - driftCS1/ (baseCSfreq + driftCSl)。
測量模型，BiasCS2MinusHat = biasCSllhat - driftCSlhat/ (baseCSfreq + driftCSlhat )。
我寸門得至'h errorBiasCS2minus =
errorBiasCSll - (baseCSfreg/(baseCSfreq+driftCSlhat)〉 * errorDriftCS1/freqCSl.
替換，
baseCSfreq/(baseCSfreq+driftCSlhat)= (N12+N21)/freqGR2hat,
eri:o:i:BiasCS2minus = errorBiasCSl2-( (N12+N21)/freqGR2hat) * errorDriftCS/fregCSl.
在結(jié)果中插入，errorBiasCSll =-
Ql/freqGRl+errorBiasGRl-Nll (errorDriftGRl〉/(freqGRl * freqGRlhat).
在兩邊除以freqGR2hat以后，用該結(jié)果來導(dǎo)出漂移估計(jì)中的誤差
((N21+N21)/freqQR2hat) * errorDriftCS
=-(Q1-Q2) * fi:eqCSl/freqqR2hat+baseCSf;req
★errorDrif tGR2/f :ceqGR2hat.
將這兩個等式插入工作方程，
erxo:rBiasCS2minus - -Q1/fireqGRl+erirorBiasGRl-Nll (errorDriftGRl)/(freqGRl * freqGRlhat)' + (Ql-Q2)/freqGR2hat-baseCSf;reg * ei:;rorDi:iftGR2/(freqCSl * freqGR2hat),
errorBiasCS2mirms = Ql * (1/freqGR2hat-l/freqGRl)-Q2/freqGR2hat + errorBiasGRl-Nll (errorDriftGRl)/(freqGRl
* freqGRlhat) - baseCSfreq * errorDriftGR2/(freqCSl * freqGR2hat)',
erro:rBiasCS2minus = Ql * ( freqGRl-freqGR2hat) / ( freqGR2hat
* freqGRl)-Q2/fregGR2hat + errorBiasGRl-Nll (errorDriftGRl)/(freqGRl * freqGRlhat) - baseCSfreq * errorDriftGR2/(freqCSl * freqqR2hat),
errorBiasCS2minus = Ql ★ (freqGRl-fregGR2+erroi:DriftGR2) / (freqGR2hat ★ freqGRl)— Q2/freqGR2hat + errorBiasGRl-Nll (errorDriftGRl)/(freqGRl
* freqGRlhat) - baseCSfreq * errorDriftGR2/(freqCSl * fregGR2hat).
這樣，MasCS2hat - biasCS2minusHat的差，ErrorBiasCS21-errorBiasCS2minus
- -Q2/fregGR2+errorBiasGR2-N21 (errorDriftGR2) / (fre柳2 * freqGR2hat) - Ql * (freqQRl-
fregGR2+er3:orDriftGR2) / (freqGR2hat * fTeqGRl) +Q2/freqGR2hat - errorBiasGRl+Nll (errorDriftGRl)/(freqGRl * freqGRlhat) + baseCSfreq * errorDriftGR2/(freqCSl * freqGR2hat)) = Q2 * (1/freq^R2hat-1/freqGR2) -Ql * (baseGRfreq+driftGRl-baseGRfreq-driftGR2+errorDriftGR2)/(freqGR2hat * freqGRl) + er:roirBiasGR2-er:roi:BiasGRl
+ Nil (errorDriftGRl) / (freq^3Rl * freqGRlhat)
- N21 (erro:rDi:iftGR2) / (freqGR2 * freqGR2hat)
+ baseCSfreq * errorDriftGR2/(freqCSl * freqGR2hat)
=Q2 * errorDriftGR2/(freqGR2hat * freqGRl) -Q1 * (drif tGRl-driftGR2+errorD:i:iftGR2〉./(freqGR2hat * freqGRl) + e:r:i:oirBiasGR2-ei:roirBiasGRl + Nil (errorDriftGRl)/(freqGRl * freqGRlhat)
- N21 (errorDriftGR2)/(freq^R2 * freqGR2hat)
■+ baseCSfreq * errorDriftGR2/(freqCSl * freqGR2hat〉.
看起來它比前面得到的誤差小。但是，這個結(jié)果不是最終的，還 需要進(jìn)一步分析。
按照由基準(zhǔn)時鐘產(chǎn)生的 一 個已知的時間間隔對具有未知頻率誤差 的時鐘的時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以形成freqDiff測量結(jié)果。按照時鐘 脈沖個數(shù)除以"真實(shí)，，時間間隔來計(jì)算頻率。即使有足夠的信息來估 計(jì)timeDiff測量數(shù)據(jù)，估計(jì)中的誤差也跟偏差估計(jì)完全相關(guān)。同樣的 測量結(jié)果和它們的量化源被用于估計(jì)偏差和漂移。這樣，freqDiff被 用于形成，在統(tǒng)計(jì)上獨(dú)立于偏差估計(jì)的漂移估計(jì)。
本發(fā)明的實(shí)施方案直接用未知的頻率誤差對時鐘脈沖形成計(jì)數(shù)。 相反，timeDiff電路用基準(zhǔn)時鐘對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。
量化誤差是(O， 1)之間的一個均勻隨機(jī)變量，它的平均值不等 于0。為了減小這個參數(shù)，必須預(yù)先對數(shù)據(jù)進(jìn)行白化，以產(chǎn)生一個零均 值測量誤差，可以將傳統(tǒng)技術(shù)用于具有量化噪聲源的參數(shù)估計(jì)。
一旦噪聲源成為一個零均值過程，就可以通過良好的濾波來減小
它。但是，在估計(jì)非恒定斜率參數(shù)的時候，以前的濾波偏差必定會傳 播給當(dāng)前時刻。這需要用以前的數(shù)據(jù)以一種無偏差方式來與新測量結(jié) 果相比。平均偏差和新數(shù)據(jù)之間的差進(jìn)行換算，然后將其附加到已傳 播的估計(jì)上去完成更新。
一階低通濾波7，
Bf iltered ( K ) = PropagatedBias ( K )十gain(K) * (biasMeas (K) -PropagatedBias (K))， 其中，
PropagatedBias( K ) = Bf iltered( K-l)-drift(K) * deltaTime
(K)
gain (K) = l/m，其中 m = k， 如果k < Kmax m-Kmax， 如果k > Kmax
deltaTime (K )等于t = K和t = K - 1之間的時間。
注意，如果Kmax等于無窮大，那么濾波器輸出就是所有數(shù)據(jù)的平均。
來自基于timeDiff的漂移估計(jì)的傳播誤差跟新測量結(jié)果具有相同 的誤差。傳播誤差不經(jīng)過濾波，也不能將基于timeDiff的漂移估計(jì)用 于投影相位。
本發(fā)明的實(shí)施方案直接對未知的頻率誤差時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 timeDiff電路對基準(zhǔn)時鐘的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。
freqDiff測量結(jié)果是在用整數(shù)的內(nèi)部時鐘脈沖數(shù)目定義的時間間 隔內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)的外部時鐘脈沖個數(shù)。對內(nèi)部時鐘頻率偏移的估計(jì)可以 用來測量外部時鐘脈沖的頻率。
"真實(shí)，，觀'J量是，ClockCount = freqCS * DeltaTimeTrue。
測量得到的計(jì)數(shù)會因?yàn)殚_始計(jì)數(shù)和完成計(jì)數(shù)的時候外部時鐘相對 于內(nèi)部主時鐘的量化影響而發(fā)生誤差。
測量模型可以從圖6獲得，其中的電路對4個外部時鐘脈沖進(jìn)行 計(jì)數(shù)。但是，這個實(shí)數(shù)是一個其小數(shù)部分等于(Ql-Q2)的數(shù)，其中 Q1和Q2具有計(jì)數(shù)單位，并且是O和1計(jì)數(shù)之間的連續(xù)隨機(jī)變量。
"真實(shí)"整數(shù)加上小數(shù)計(jì)數(shù)ClockCountTrue = freqCS * DeltaTimeTrue = N+ ( Ql-Q2 )。
由電路測量得到的計(jì)數(shù)只有N個計(jì)數(shù)。
"真實(shí)，，時間差是時間間隔內(nèi)的內(nèi)部主時鐘脈沖個數(shù)乘以這個時
鐘的"真實(shí)"周期。
DeltaTimeTrue- M * truePeriod
=M / freqGR。
于是有
N+ (Q1-Q2) -freqCS * M/freqGR (等式A) 通過重新整理得到
(靡)★ (baseGR+driftGR) = (Q2-Q1) * (baseGR+driftGR)/M+baseCS+driftCS .
(N/M) * baseGR-baseCS = (1/M) ★ (Q2-Q1) ★ baseGR+driftCS
-driftGR ★ (1/M) * (- (Q2-Ql)+N).
括弧中的項(xiàng)可以用等式A替換。 (N+ ( Ql _ Q2 )) /M= freqCS/freqGR。 這樣，
(N/M) * baseGR-baseCS
=(1/M) * (Q2-Q1〉 * baseGR
+ driftCS :-drdftGR * ( freqCS/freqGR)
=driftCS-drif tGR * ( f reqCS/f req<3R) + (1/M) * (Q2-Ql) * baseGR .■
等式(baseGR/M)左邊第一項(xiàng)的換算系數(shù)是在標(biāo)稱GPS接收機(jī)頻 率的基礎(chǔ)之上的deltaTime的近似。于是，這一項(xiàng)是總的小區(qū)基站頻 率的估計(jì)。從總的頻率估計(jì)中減去標(biāo)稱小區(qū)基站頻率，得到的差代表 兩個時鐘的頻率偏移的差。左側(cè)代表用于產(chǎn)生所需頻率差的測量數(shù)據(jù)。 頻率估計(jì)的誤差來源于在時間間隔內(nèi)丟失的分?jǐn)?shù)周期。這個誤差可以 通過提高小區(qū)基站的頻率(增大baseCS，減小Q1和Q2)來減小，或 者可以通過延長時間間隔(通過增大M)來減小。GPS接收機(jī)漂移項(xiàng)的 換算系數(shù)(freqCS/freqGR)將GPS接收機(jī)的時鐘頻率從它的基準(zhǔn)頻率 轉(zhuǎn)換成小區(qū)基站的基準(zhǔn)頻率。
freqDiff測量值N被定義為AF- ( N/M) * baseGR - baseCS (對 于baseCSfreq單位是計(jì)數(shù)個數(shù)成差等于(1/M) *(Q2-Q1) * baseGR。 應(yīng)用變量的這個變化
DriftCS equals AF+driftGR * (baseCS+driftCS)/(baseGR+driftGR)-error.
展開，
DriftCS * (l-driftGI1/(baseGR+driftGR)) =AF+driftGR * baseCS/(baseGR+driftGR)-error.
展開左邊，
DriftCS ★ ((baseGR+driftGR-driftGR)/(baseGR+driftGR)> =AF+driftGR * baseCS/(baseGR+driftGR)-error.
并且減去，
DriftCS * baseGR/(baseGR+driftGR)
=AF+driftGR ★ baseCS/(baseGR+cirif tGR)-error .
最后，求解小區(qū)基站漂移并且重新插入誤差項(xiàng)
DriftCS equals AF * freqGR/baseGR+driftGR * baseCS/baseGR + (1/M) * (Q1-Q2) * freqGR
利用已知參數(shù)，最后的小區(qū)基站漂移估計(jì)
DriftCShat equals AF * freqGRhat/baseGR+dxiftGRhat * baseCS/baseGR.
其中AF- (N/M) * baseGR - baseCS。
在小區(qū)基站漂移估計(jì)精度中，"真實(shí)"和被測小區(qū)基站漂移之間的
差是
eriroirDiriftCS - erxorDriftGR ★ AF/baseGR+erxorDriftGR * baseCS/baseGR
+ (1/M> ★ (Ql-Q2) * freqGR.
插入AF的定義，
ErrorDriftCS
=errorDriftGR * (1/baseGR) * (N/M * baseGR-baseCS+baseCS) + (1/M) MQ1-Q2) * freqGR
=errorDriftGR * (1/baseGR) * (N/M * baseGR) + (1/M) MQ1-Q2)) * freqGR =errorDriftGR * N/M+(Ql-Q2)/M * freqGR =errorDriftGR ★ N/M+( (Ql-Q2>/M) * fre,.
這樣，
ErrorDriftCS =((Q1-Q2)/M) * freqGR十(N/M) * errorDriftGR ,
積分時間越長，估計(jì)"真實(shí)"時間間隔的誤差會因?yàn)閷PS漂移 誤差項(xiàng)的errorDriftGR積分而變得越大。量化誤差是兩個均勻隨機(jī)變 量的和。
用來對確定最差情形頻率誤差的頻率差進(jìn)行計(jì)數(shù)的是時鐘周期。 頻率越高，則周期越短，量化項(xiàng)也越小?；蛘?，也可以使用更長的測 量周期。如果時鐘工作在溫度會發(fā)生可測量的變化的環(huán)境內(nèi)，這樣做 會成為一個問題。這會導(dǎo)致時鐘改變頻率，還會導(dǎo)致非線性變化。平 均頻率的精度會比量化的估計(jì)差。
如果外部時鐘頻率低于內(nèi)部時鐘頻率，從timeDiff測量獲得的 driftCS估計(jì)被用于估計(jì)小區(qū)基站頻率偏移。但是如果外部頻率高于內(nèi) 部時鐘頻率，就使用freqDiff測量結(jié)果。
在只能實(shí)現(xiàn)頻率同步的情況中，因?yàn)椴淮嬖谝粋€系統(tǒng)1PPS,因此 將利用freqDiff計(jì)數(shù)器估計(jì)外部時鐘頻率，因?yàn)樵跓o法獲得外部PPS
的時候timeDiff不會提供外部時鐘的任何信息。
對于一個跟網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和GPS接收機(jī)進(jìn)行通信的裝置，這兩個 接收機(jī)都會跟蹤它們的有關(guān)的發(fā)射機(jī)的載波頻率。對于GPS，接收機(jī)也 跟蹤偽隨機(jī)代碼的相位，從而產(chǎn)生一個偽距測量結(jié)果。這個測量結(jié)果 是到達(dá)時間差的測量值，因?yàn)榘l(fā)射時間是已知的，并且接收機(jī)相對于 它的本地時鐘來記錄到達(dá)時間。
GPS衛(wèi)星(SV)跟"真實(shí)的"GPS時間和"真實(shí)的，，航天器時鐘所
需要的基準(zhǔn)頻率之間有一個時間誤差和頻率誤差。 FreqSV = baseSVfreq + DriveSV TimeSV = timeGPS + biasSV
GPS接收4幾(GR)跟GPS時間還有一個時間誤差和頻率誤差。 FreqGR = baseGRfreq + driftGR TimeGR = timeGPS + biasGR
一個其中所有的小區(qū)基站都具有基準(zhǔn)時間的小區(qū)基站系統(tǒng)(CSS ) 將采用小區(qū)基站系統(tǒng)時間或者UmeCSS。這個時間基準(zhǔn)不同于GPS時 間。小區(qū)基站也可能跟公共時間不同步。本發(fā)明的實(shí)施方案不要求所 有小區(qū)基站具有相同的時間基準(zhǔn)。
"FreqCS，， = baseCSfreq + drif tCS 。 "TimeCS，， = timeCSS + biasCSS(相對于小區(qū)基站系統(tǒng)時間)。它還等于t imeCSG + biasCSG(相 對于GPS時間)。
每個小區(qū)基站跟timeCSS之間都有一個偏移，也就是biasCSS。我 們也可以使timeCSS以GPS時間作為基準(zhǔn)。小區(qū)基站的時間誤差變成 biasCSG。蜂窩電話相對于它的標(biāo)稱頻率也有一個頻率偏移，把它叫做 driftCP。
FreqCP = baseCPfreq+driftCP TimeCP = timeCPS十biasCPS =timeCPG+biasCPG.
有兩種蜂窩電話方法用來跟蹤小區(qū)基站頻率，也就是NCO方法和 VCO方法。在本發(fā)明的NCO方法實(shí)施例中，蜂窩電話基準(zhǔn)頻率保持恒定， 跟蹤小區(qū)基站所需要的額外頻率是通過增加另外一個振蕩器或者NCO 來提供的。產(chǎn)生這個額外頻率的電路一般都會有一個軟件計(jì)數(shù)器，它
累積所有的頻率調(diào)整值從而產(chǎn)生一個代表跟蹤小區(qū)基站頻率所需要 的、與標(biāo)稱頻率之間的偏移的數(shù)。這個頻率偏移是通過三個過程得到
的(1)蜂窩電話跟其標(biāo)稱頻率之間的偏移，(2)蜂窩電話和小區(qū)基 站之間的多普勒頻移，它是蜂窩電話用戶的運(yùn)動在蜂窩電話和小區(qū)基 站之間的直線上的投影引起的，和(3)基站跟它自己的標(biāo)稱頻率的頻 率偏移。
蜂窩電話輸出一則消息，其中包含有總的頻率偏移數(shù)和有關(guān)的時 間標(biāo)簽。這個數(shù)跟freqDiff和timeDiff測量結(jié)果一起使用，以便使 蜂窩電話跟GPS接收機(jī)時鐘實(shí)現(xiàn)同步。
在本發(fā)明的壓控振蕩器方法中，通過直接用一個壓控振蕩器調(diào)整 基準(zhǔn)頻率來跟蹤基站載波頻率。將電壓改變供給到產(chǎn)生不同的下變頻 頻率的電路。不需要數(shù)控振蕩器。如果利用timeDiff和freqDiff測 量結(jié)果直接去測量被調(diào)整的基準(zhǔn)時鐘，蜂窩電話就不需要發(fā)送任何額 外信息。所有的蜂窩電話偏差都由一個小區(qū)基站范圍和偏差來替代， 所有的蜂窩電話漂移都成為rangeRate和小區(qū)基站漂移。
可測量的tempMeas跟freqDiff非常相似。導(dǎo)航數(shù)字信號處理器 最好包括一個振蕩器，它的頻率由一個RC時間常數(shù)決定，其中的電阻 實(shí)際上是一個熱敏電阻。tempMeas電路按照預(yù)先確定的時間間隔對振 蕩器的周期個數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且從熱敏電阻校準(zhǔn)曲線獲得溫度測量值。
GPS時鐘會隨著溫度發(fā)生自然漂移。這樣，在校準(zhǔn)過程中，當(dāng)基于 完整導(dǎo)航數(shù)字信號處理器的GPS接收機(jī)的溫度變化時，看到計(jì)數(shù)和GPS 接收機(jī)的時鐘漂移(driftGR2hat)同時發(fā)生擺動。已建立起了一個才莫 型，利用它能夠從tempMeas預(yù)測GPS的時鐘漂移。
時鐘的老化和晶體缺陷會導(dǎo)致晶體頻率跟模型發(fā)生偏差。晶體內(nèi) 在的變化會限制估計(jì)器的精度。
進(jìn)行tempMeas測量的硬件也就是一個計(jì)數(shù)器，它在一個由GPS預(yù)
定的亳秒開始，并在預(yù)定數(shù)量的毫秒以后結(jié)束。
當(dāng)在工廠中掃掠過工業(yè)溫度范圍(以及在現(xiàn)場每當(dāng)獲得可靠的GPS 定位)的情況下，^更測量tempMeas和driftGR2hat，并且構(gòu)造 driftGR2hat隨計(jì)數(shù)器值變化的模型(以及在現(xiàn)場的更新模型)。于是 可以在任意時刻執(zhí)行tempMeas測量，并且利用這一模型對GPS接收才幾 的時鐘漂移進(jìn)行估計(jì)。SCXO這個縮寫是來源于軟件補(bǔ)償?shù)木w振蕩器。
在蜂窩電話中，在啟動的時候進(jìn)行tempMeas測量來形成 driftGR2hat。在(從電話到蜂窩電話的)時間和頻率傳送的過程中間 要使用這些估計(jì)，以減少所需要的GPS的搜索范圍，從而能夠?qū)崿F(xiàn)超 薄型GPS客戶機(jī)。
雙模式系統(tǒng)的組成部件包括GPS衛(wèi)星、GPS接收機(jī)、基站和蜂窩電話。
在基站處用一個GPS接收機(jī)跟蹤GPS衛(wèi)星，其目的是測量基站時 間相對于GPS時間及其頻率基準(zhǔn)的偏移。這個接收機(jī)和基站的位置是 已知的，并且是靜止不動的。它們在物理上足夠近，能夠進(jìn)行必需的 物理連接，以便測量timeDiff和freqDiff。
第二個GPS接收機(jī)位于蜂窩電話內(nèi)。其目的是估計(jì)蜂窩電話的位 置(位置和速度)。所有可能的測量源都可完成這一工作?？梢圆捎闷?通的GPS偽距和偽距變化率測量來計(jì)算蜂窩基站處的GPS接收機(jī)的位 置、時間和頻率。這樣，就能使GPS接收機(jī)能夠跟GPS時間同步，并 且通過測量蜂窩基站和GPS接收機(jī)時間和頻率之間的相對偏移，能夠 從GPS時間計(jì)算出基站的時間和頻率偏移。
在本發(fā)明的蜂窩電話實(shí)施方案中可以做相反的事情。假設(shè)蜂窩電 話在跟蹤基站的頻率和時間。偽距和偽距變化率測量也可以針對蜂窩 電話和基站之間的信號進(jìn)行。因?yàn)榛镜奈恢檬且阎?，所以蜂窩基 站可以用作距離測量的源，所使用的方式跟使用GPS衛(wèi)星一樣。
由于蜂窩電話在跟蹤蜂窩基站，而且所需跟蹤的頻率是已知的， 因此利用freqDiff就能夠做兩件事情。可以將蜂窩電話和基站之間的 偽距和偽距變化率用作為蜂窩電話時間和頻率誤差的估計(jì)。可以用 timeDiff和freqDiff測量結(jié)果來估計(jì)GPS接收機(jī)的時間和頻率，從而 大大地縮小GPS衛(wèi)星的搜索范圍。它也能夠被用于縮短捕獲時間和/ 或提高捕獲靈敏度。蜂窩系統(tǒng)可幫助GPS捕獲衛(wèi)星。在捕獲到了至少 一個GPS衛(wèi)星以后，將蜂窩電話和基站之間的偽距和偽距變化率跟GPS 的偽距和偽距變化率一起用于位置計(jì)算。因?yàn)闇y量了 timeDiff和 freqDiff,所以蜂窩基站時間和漂移可以用GPS偏差和漂移來表示， 從而使得未知參量的數(shù)量減少到正常的未知參量的數(shù)量，就象獨(dú)立的 GPS情形一樣。
圖7表示一個雙模式系統(tǒng)700，它具有GPS接收機(jī)以用于跟蹤衛(wèi)星
運(yùn)載器(SV) 702，還有一個蜂窩電話704以用于跟蹤基站706。雙模 式系統(tǒng)中的時鐘是
SV時鐘* ( numSatellites ),
基站里的GPS接收機(jī)1的時鐘，
蜂窩電話里的GPS接收機(jī)2的時鐘，
基站時鐘* (numCellSites)，
蜂窩電話時鐘。
例如，如果有5個GPS衛(wèi)星和5個基站，那么這個系統(tǒng)中時鐘的 總數(shù)就是畫Satellites +讓CellSites + 3 = 5 + 5 + 3 = 13。對于每 一個蜂窩基站和GPS衛(wèi)星，都可以進(jìn)行偽距(PR )和偽距變化率(PRR ) 測量。
對于有一個GPS衛(wèi)星702和一個基站706的系統(tǒng)，通過在蜂窩基 站706和蜂窩電話704之間進(jìn)行被動連接而開始校準(zhǔn)。基站時鐘信號 和它的1-PPS可以用GPS接收機(jī)-1 706測量出來。這些信號分別被 連接到導(dǎo)航數(shù)字信號處理器的freqDiff和timeDiff電路。蜂窩電話 時鐘信號和它的1-PPS可以由GPS接收機(jī)-2 704來測量。還有一個
導(dǎo)航數(shù)字信號處理器芯片，這些信號分別連接到導(dǎo)航數(shù)字信號處理器 的freqDiff和timeDiff電路。
圖8畫出了每個時鐘、它本身的系統(tǒng)時間、以及相對于這個時間 的一個相應(yīng)的時鐘偏差。從這以上的后兩者的和(例如系統(tǒng)時間加上 偏差)就可得到硬件在接收機(jī)內(nèi)進(jìn)行測量時使用的基準(zhǔn)時間。在這些 時間基準(zhǔn)之間進(jìn)行時間差測量。第一個時間差TD1是GPS接收機(jī)1和 基站之間的時間差。第二個時間差TD2是GPS接收機(jī)2和蜂窩電話之 間的時間差。時鐘脈沖信號表示一個在已知的時刻離開發(fā)射機(jī)并根據(jù) 距離而在晚些時候到達(dá)接收機(jī)的定時信號。但是，時間偏差誤差會使 相位測量結(jié)果受到例如發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的偏差誤差的影響。這些測量 結(jié)果變成為偽距。
TD1是GPS接收機(jī)1的1-PPS和小區(qū)基站的l-PPS之間的 timeDiff測量結(jié)果。這樣就能夠從接收機(jī)1產(chǎn)生以計(jì)數(shù)為單位的N12 和N21測量值，并且它們能夠被用于形成以秒為單位的timeDiff TD1。
TD2是GPS接收機(jī)1的l-PPS和小區(qū)基站的l-PPS之間的 timeDiff測量結(jié)果。這樣就能夠從接收機(jī)2產(chǎn)生以計(jì)數(shù)為單位的N12
和N21測量值，并且能夠用于形成以秒為單位的timeDiff TD1。 從圖8可以看出，
BiasGRl + TD1 = biasCSS + △( CSS - GPS ) = biasCSG，(單位是秒) BiasGR2 + TD2 = MasCSS + A ( CSS - GPS ) = biasCSG。 偽距測量的測量單位最好是秒而不是米，以便簡化對timeDiff和
freqDiff的描述。但是也可以采用單位米。
每一秒鐘從timeDiff電路獲得兩個測量結(jié)果。它們是Nil和Ni2,
其中1 =時間標(biāo)記，"l"是來自外部PPS的測量結(jié)果，""是內(nèi)部PPS
的測量結(jié)果。
可以訪問相位測量值，產(chǎn)生該相位測量值是為了讓蜂窩電話中產(chǎn) 生的信號的本地相位跟蹤蜂窩基站發(fā)射的信號的接收相位。 從圖8可以看到被測量出的相位是 BiasCS + rangeCP = BiasCp +令cp。
(單位是秒) 通過整理得到
())cp = rangeCP + BiasCS - BiasCP.
TD1 = biasCSG-BiasGRl, TD2 = biasCPG-BiasGR2 .
GPS接收機(jī)中類似的測量可得到
biasSV + rangeGR2 = biasGR2 + (j)GR2, biasSV + rangeGRl = biasGRl + ())GRl.
通過整理可得到
())GRl = rangeGRl + biasSV - biasGRl, (()GR2 = rangeGR2 + biasSV - biasGR2.
于是就可以找到"真實(shí)，，位置。采用以地球?yàn)橹行牡牡厍蚬潭?(ECEF)三維笛卡兒坐標(biāo)，例如WGS-84。蜂窩基站位置和速度被看成 是已知的
PosCS (in meters) = (xCS, yCS, zCS),
VelCS (in m/s) = (xVelCS, yVelCS, zVelCS) = 0.
在基站處的GPS接收機(jī)1的位置是已知的，它靠近基站的位置， 但是沒有必要跟它完全相同。于是posGPSl = ( xl, yl ， zl )，并且ve 1GPS1 =(xVell, yVell， zVell ) = 0。
假設(shè)從根據(jù)該系統(tǒng)而發(fā)布的天文歷模型知道了 GPS的衛(wèi)星位置。 從天文歷計(jì)算出衛(wèi)星的速度。posSV- (xSV， ySV， zSV )， VelSV = (xVelSV， yVelSV， zVelSV)。
GPS接收機(jī)2有一個蜂窩電話，它的位置是這個系統(tǒng)中主要的未知 量。所有其它未知量是系統(tǒng)中需要求解或者刪除的多余參數(shù)。
規(guī)定小區(qū)基站和GPS接收機(jī)位于同 一個(未知)位置。因此，posGPS2 =posCP= (x， y， z)，并且velGPS2 = velCP = (xVel， yVel, zVel )。
在"真實(shí)"距離定義中，坐標(biāo)框架是正交的。任意兩點(diǎn)之間正的 距離是這兩點(diǎn)之間的矢量的幅度。距離方程可以用秒來表示。RangeGRl =k* ((xSV-xl) 2+ (ySV-yl) 2 ( zSV - zl ) 2) 1/2。 RangeGR2 = k * (( xSV - x ) 2 + ( ySV - y ) 2 ( zSV - z ) 1/2。 RangeCP = k * (( xCP -x) 2+ (yCP-y) 2 (zCP-z) 2) 1/2。其中〖=光速的倒數(shù)，例如光速 是2.99792458e8m/s。
圖9說明如何測量freqDiff和使用它。從GPS接收機(jī)1基準(zhǔn)和蜂 窩基站基準(zhǔn)之間獲得一個freqDiffl測量結(jié)果。從GPS接收機(jī)2基準(zhǔn) 和蜂窩電話基準(zhǔn)之間獲得一個freqDiff2測量結(jié)果。這兩個GPS接收 機(jī)都使用同樣的基準(zhǔn)，例如GPS接收機(jī)中使用的標(biāo)稱頻率。 一部分策 略是在兩個基準(zhǔn)臺中為DGPS和數(shù)據(jù)、小區(qū)基站和客戶機(jī)(蜂窩電話) 解決方案采用同樣的硬件，其中包括導(dǎo)航數(shù)字信號處理器芯片。這樣
就能夠采用同樣的頻率基準(zhǔn)，它是標(biāo)稱晶體頻率，被用來產(chǎn)生可用于
跟蹤GPS衛(wèi)星載波的所有頻率。
對于蜂窩系統(tǒng)一側(cè)，在計(jì)算具有不同標(biāo)稱頻率的系統(tǒng)的頻率偏移 的時候，使用一個公共頻率基準(zhǔn)是比較方便的。但是，這兩種情況都 能用同樣的模型。所有標(biāo)稱頻率都需要換算到一個主頻率。然后通過 將偏移乘以該比值otherRefFreq / nominalRefFreq，就可以將頻率 偏移從它的標(biāo)稱頻率轉(zhuǎn)換成新的主頻率?？梢杂眠m當(dāng)?shù)膿Q算過程來進(jìn) 行代數(shù)運(yùn)算。利用逆換算可將其結(jié)果轉(zhuǎn)換回到標(biāo)稱基準(zhǔn)。
距離變化率測量不包括在freqDiff圖中，偽距則包括在timeDiff 圖中。用戶移動和衛(wèi)星通常都是用GPS載波頻率來表示(Ll = l575.42 MHz)。 freqDiff測量結(jié)果不受用戶或者衛(wèi)星運(yùn)動的影響。這適合于用 于產(chǎn)生蜂窩電話頻率的數(shù)控振蕩器。在本發(fā)明的壓控振蕩器振蕩器方 法實(shí)施方案中，距離和小區(qū)基站時鐘的影響不會出現(xiàn)在蜂窩電話的基 準(zhǔn)頻率中。
freqDiff電路的原始測量是來自GPS接收機(jī)1的計(jì)數(shù)Nl和來自 GPS接收機(jī)2的N2。以周期/秒為單位的小區(qū)基站基準(zhǔn)頻率的freqDiff 可以利用這些來計(jì)算?？梢约僭O(shè)BaseCS - baseCP。
AF1 = (Nl/M) * baseGR-baseCS ( baseCSf req為Hz )
AF2 = (N2/M) * baseGR-baseCP ( baseCSf req為Hz )
其中，
Nl = freqDiff，根據(jù)導(dǎo)航數(shù)字信號處理器1的計(jì)數(shù)值， N2 = freqDiff,根據(jù)導(dǎo)航數(shù)字信號處理器2的計(jì)數(shù)值。
需要來自蜂窩電話的頻率估計(jì)值來跟蹤小區(qū)基站載波。本發(fā)明的 方法是使用一個數(shù)控振蕩器。蜂窩電話可以輸出這樣一個數(shù)，它可以 被換算成為baseCP頻率的周期/秒的單位。
從蜂窩電話載波跟蹤環(huán)中的測量結(jié)果
小DotCP = rangeRateCP + driftCS - driftCP ( baseCSfreq為Hz) 在另外一個實(shí)施方案中，通過控制壓控振蕩器來跟蹤小區(qū)基站載 波，并且對蜂窩電話標(biāo)稱頻率的影響直接在timeDiff和freqDiff電 路中測量。仍然有可能輸出相對于標(biāo)稱頻率的頻率偏移數(shù)值表示。但 是，由于以freqDiff形式出現(xiàn)的蜂窩電話時鐘，因此該頻率分量具有 不同的含義。現(xiàn)在，freqDiff將會測量出蜂窩電話移動的多普勒分量
和小區(qū)基站的頻率偏移。
如果發(fā)射機(jī)有一個正的頻率偏移，接收機(jī)就必須提高它所產(chǎn)生的 頻率來跟蹤相對標(biāo)稱頻率的附加頻率偏移。如果接收機(jī)有一個正的頻
率偏移，它就必須降低它所產(chǎn)生的頻率來跟蹤載波。最后，如果發(fā)射 機(jī)和接收機(jī)之間有一個正的多普勒頻率，接收機(jī)就必須提高它的頻率 來進(jìn)行跟蹤。
通過跟蹤小區(qū)基站的載波，所產(chǎn)生的頻率能夠進(jìn)行跟蹤的頻率 <formula>formula see original document page 41</formula>
其中在跟蹤小區(qū)基站的時候，Drif tCPvco = rangeRateCP + drif tCS。
用于更新壓控振蕩器頻率的相位誤差鑒別器必須去掉蜂窩電話的 漂移。
通過檢查對freqDiff測量結(jié)果的影響，計(jì)數(shù)器可以測量到 freqCPvco頻率的整數(shù)周期數(shù)以便來跟蹤小區(qū)基站，而不僅是蜂窩電話 頻率f reqCP。
換句話說，<formula>formula see original document page 41</formula> 。
這樣，當(dāng)測量結(jié)果跟未知數(shù)相等的時候，定義
<formula>formula see original document page 41</formula>GPS接收機(jī)可以根據(jù)它在數(shù)控振蕩器中產(chǎn)生的頻率偏移來測量偽 距變化率，它給出相對于基準(zhǔn)頻率的附加的頻率偏移(freqCS = baseGRfreq + driftGR)。測量結(jié)果可以作為偽距的導(dǎo)數(shù)來建模。 小后面的一個"Dot"說明是導(dǎo)數(shù)。 ())DotGRl = rangeRateGRl + drif tSV — driftGRlj (J)DotGR2 = rangeRateGR2 + driftSV - driftGR2;
去掉freqDiff和偽距變化率的未知數(shù)，假設(shè)根據(jù)這個系統(tǒng)而發(fā)布 的天文歷數(shù)據(jù)中已經(jīng)知道了 driftSV。已知小區(qū)基站是靜止不動的，可 以用以下公式來計(jì)算rfangeRateGRl,該公式是RangeRateGRl = (xVelSV-xVel ) * uX + (yVelS-yVel) * uY + ( zVelSV - zVel ) * uZ,其中，
uX = ( xSV - xl ) /rangeGRl
uY= (ySV-yl) /rangeGRl
uZ = ( zSV - zl ) /rangeGRl
以及
"真實(shí)"用戶速度矢量=(xVel， yVel， zVel )。 可以假設(shè)小區(qū)基站那里的GPS接收機(jī)有一個等于0的"真實(shí)"用 戶速度。這樣，就假設(shè)已經(jīng)知道了所有位置和速度。小區(qū)基站那里的 GPS接收機(jī)112可以計(jì)算它的位置，或者這個位置可以是一個實(shí)測位 置。其次，利用蜂窩基站GPS接收機(jī)可以獲得的天文歷來計(jì)算衛(wèi)星的 位置和速度。
因?yàn)橐呀?jīng)知道RangeRateGRl和drif tSV，所以可以用測量出來的
偽距變化率來估計(jì)GPS接收機(jī)的漂移。
這樣，就能夠計(jì)算GPS接收機(jī)1中漂移的估計(jì)值。
driftGRlhat = rangeRateGRl + driftSV -小DotGRl (baseGRfreq
的單位是Hz)。
如果跟蹤了更多的衛(wèi)星，就能夠從速度定位形成漂移估計(jì)，或者 通過平均上面的一組等式，如果知道位置的話。如果位置精度很高就 能夠提高估計(jì)的精度。
利用freqDiff和估計(jì)出來的GPS接收機(jī)1的時鐘漂移，就可以形 成小區(qū)基站的時鐘漂移估計(jì)。
DriftCShat = AF1 * freqGRlhat/baseGR + driftGRlhat * baseCS/baseGR ( baseCSf req的單位是Hz )
其中，
AF1 = (Nl/M) * baseGR-baseCS
f reqGRhatl = baseGRhat + driftGRlhat (來自GPS接收機(jī)1 ) Nl =小區(qū)基站和GPS接收機(jī)1之間的f reqDif f 。 可以利用本發(fā)明的方法實(shí)施方案通過去掉蜂窩電話時鐘漂移來計(jì) 算速度。
當(dāng)蜂窩電話正在用一個數(shù)控振蕩器跟蹤頻率的時候，利用術(shù)語GPS 接收機(jī)的漂移，可以用freqDiff來表示小區(qū)基站漂移。這樣就能夠從 被測蜂窩電話載波頻率中去掉蜂窩電話時鐘從而跟蹤小區(qū)基站載波。
記住<formula>formula see original document page 43</formula>這樣，
DriftCPhat = AF2+driftGR2 * (baseCSfreq/baseGRfreq).
載波測量結(jié)果可以用作drif tCP的估計(jì)
())DotCP = rangeRateCP+drif tsCShat
-(AF2+driftGR2 * (baseCSfreq/baseGRfreq)) (baseCSfreq為Hz).
于是，這就是偽隨機(jī)范圍變化率的表達(dá)式，其中的未知數(shù)是GPS 接收機(jī)的速度和時鐘偏差項(xiàng)。
去掉蜂窩電話時鐘漂移來預(yù)測蜂窩電話中GPS接收機(jī)的漂移。
在定位之前，可以將這個程序用來產(chǎn)生蜂窩電話中GPS接收機(jī)時 鐘的時鐘漂移估計(jì)。
可以通過假設(shè)蜂窩電話處于靜止?fàn)顟B(tài)來形成漂移的一個估計(jì)，于 是可以將rangeRateCP這一項(xiàng)假i殳為0。這一估計(jì)的精度取決于這-H艮 設(shè)的精度。但是，對于多數(shù)低成本時鐘，由于溫度和晶體老化造成的 頻率不確定性遠(yuǎn)大于蜂窩電話和基站之間的用戶運(yùn)動，這一估計(jì)能夠 提供大量的信息，以用于減少搜索時間或者提高靈敏度。
例如，假設(shè)用戶以100 mph的速度運(yùn)動。我們首先將用戶速度轉(zhuǎn) 換成米/秒(100英里/小時)* ( 1小時/3600 s ) * ( 5280英尺/1英 里)* (12英寸/ l英尺)* ( 0.0254 m/l英寸)=44.704 m/s。
現(xiàn)在針對這個實(shí)例，假設(shè)在蜂窩電話里GPS接收機(jī)時鐘的標(biāo)稱頻 率是27.456 MHz。波長就是
Xcp = c/f =光速/27. 456e6周期/s = 10. 9 m/周期。 假設(shè)用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)但實(shí)際上用戶正在以100 mph的速度運(yùn)動 的時候，driftCP的頻率誤差
freqError (標(biāo)稱GR頻率為Hz)
=(44.704邁/s) * (baseCPfreq的一周/10. 9m)
=4. 1 Hz。
作為以萬分之一 (PPM)為單位的freqError， FreqError (PPM)
=4. 1/27. 456
=0. 15 PPM。
對速度的影響是這個頻率誤差增加Ll倍，它的波長-O. 19 m/ 周期。
于是，Ll的頻率誤差
=(44.704 m/s) * ( Ll的一周/0. 19m )
=235 Hz。
對于任何基準(zhǔn)頻率PPM維持不變。 以百萬分之一 (PPM)為單位的freqError為 235 Hz / 1575,42 =0. 15 PPM。
晶體的頻率誤差數(shù)量級可以是0. 5~1 PPM，假設(shè)用戶的速度等于 0還是能夠提供很大的信息增益用來估計(jì)GPS接收機(jī)的頻率漂移。1PPM 不確定性的信息增益是1/0. 15 = 6. 7。這意味著對頻率的搜索能夠減少 6. 69倍。這樣能夠大大地縮短搜索時間。
假設(shè)用戶的移動速度等于0，首先估計(jì)蜂窩電話的頻率漂移， DriftCPhat = rangeRateCP + driftCShat -小DotCP (baseCSfreq 為Hz)
然后，利用freqDiff并且假設(shè)rangeRateCP-0，將GPS的時鐘漂
移估計(jì)為，
DriftGR2hat
=(driftCPhat - AF2 ) *( baseGRfreq/baseCSfreq ) (baseCSfreq為Hz)
=(driftCShat-命DotCP- AF2 ) * ( baseGRfreq/baseCSfreq )
(baseGRf req的單位是Hz )。
去掉蜂窩電話時鐘漂移來計(jì)算速度。如果蜂窩電話正在用壓控振 蕩器跟蹤基站的頻率，freqDiff可保持對baseCPfreq的影響。 這一測量結(jié)果的"真值"模型
FreqDiffVC0= ((Nvco+ (Q1-Q2)/M) * f reqGR (以CP f req 計(jì)數(shù))
因?yàn)橹挥蠳vco，我們的測量結(jié)果，F(xiàn)reqDiffVCO (測量值)=Nvco (以CP freq按整數(shù)計(jì)數(shù))。
我們隨后形成以赫茲為單位的freqDiff估計(jì)。AF2vco = ( Nvco/M) * baseGRf req - baseCSf req (以CP freq計(jì)數(shù))。 于是我們的模型是AF2vco
=driftCSvco-driftGR2 * ( baseCSfreq/baseGRfreq ) (CP f req為Hz )
=(rangeRateCP + driftCS ) - driftGR2 * ( baseCSfreq/ baseGRf req )。
插入小區(qū)基站漂移的估計(jì)，就能構(gòu)成能夠用來求出用戶速度以及 GPS接收機(jī)時鐘漂移的一個測量方程。 AF2vco
=rangeRateCP + driftCShat - driftGR2 * ( baseCSfreq/ baseGRfreq)( CP freq為Hz)。
去掉蜂窩電話時鐘的漂移來預(yù)測蜂窩電話中GPS接收機(jī)的漂移。 用戶速度是0。這樣就能夠估計(jì)蜂窩電話中GPS接收機(jī)的時鐘漂移。 假設(shè)rangeRateCP等于0，
DriftGR2hat = ( driftCShat - AF2vco ) * baseGRfreq/ baseCSfreq ( GR freq為Hz)。
可以將這一估計(jì)用來減少找到GPS衛(wèi)星所需要的頻率搜索時間。 于是可以用這一測量結(jié)果來進(jìn)行頻率傳送。
為了估計(jì)用戶速度，本發(fā)明的方法實(shí)施方案的測量結(jié)果(利用蜂 窩電話中的數(shù)控振蕩器)是令DotCP = rangeRateCP + drif tsCShat -(AF2 + driftGR2 * ( baseCSfreq/baseGRfreq ))。
本發(fā)明中另外一個實(shí)施方案的測量結(jié)果是(利用蜂窩電話中的壓 控振蕩器)AF2vco = rangeRateCP + driftCShat - driftGR2 *
(baseCSf req/baseGRf req)。
為了簡單起見將這些等式推廣為，
PrrCP = C3 * rangeRateCP - drif tGR2 * CI + C2
其中對于本發(fā)明的方法實(shí)施方案，
PrrCP = (()DotCP
CI = (baseCSfreq/baseGRfreq)
C2 = driftsCShat-AF2
C3 = 1/ (XCP)
XCP = C/baseCSfreq.
對于本發(fā)明的另外一個方法實(shí)施方案，
PrrCP = AF2vco
Cl = (baseCSfreq/baseGRfreg)
C2 = driftsCShat
C3 = 1/ (XCell-site)
X = C/baseCPfreq.
可以將蜂窩電話和GPS偽距變化率測量結(jié)果綜合起來估計(jì)用戶速 度和GPS接收機(jī)漂移。
蜂窩電話可以跟蹤一組J個蜂窩基站，并且形成第j個偽距變化
速率測量結(jié)果
PrrCP(j) = C3 * rangeRateCP(j)-driftGR2 * Cl+C2 (baseCPfreq為Hz )
K個GPS衛(wèi)星形成第一個偽距變化率測量結(jié)果
PrGR2(k) =■ C6 *' rangeRateGR2 (k)-drif tGR2 *C4+C5 (baseGRf req為Hz ),
為了求解速度，首先求解位置，然后按照以下方式預(yù)測標(biāo)稱 rangeRateCP (j)二
RangeRateCPhat(j) = xVelCS(k) * uX(k)十yVelS(k) uY(k)+zVelCS(k) * uZ(k),
uXCS(j) = (xCS(j)-x)/rangeGR2 uYCS(j) = (yCS(j)-y)/rangeGR2 uZCS(:i) = (zCS(j)-z)/rangeGR2.
但是對于基站，假設(shè)它也是靜止的，于是
xVelCS(k) "VelCS(k) =zVelCS(k) = 0。 同樣，可以將標(biāo)稱rangeRateGR2 (k)預(yù)測為
RangeRateGR2hat(k) =(xVelSV(k)-xVel) * uX(k>+(yVelS(k)響yVel) * uY(k) + (zVelSV(k)-zVel>*uZ(k),
其中:
C4 = 1
C5 = drif tSVhat (根據(jù)衛(wèi)星天文歷) C6 = 1/ (;U3R)
(X—GR) = C/baseGRfreq
其中，
其中，
uZSV(k)
uXSV(k) uYSV(k)
(xSV(k)-x)/rangeGR2 (ySV(k)-y)/rangeGR2 (zSV(k)-z)/rangeGR2.
進(jìn)行這些替換， LinPrrCP(j)
=PrrCP(:J)-C3 * rangeRateCPhat (;j)
=C3 * (-uXCS(j) * xVel漏uYCS(:H ★ yVel-uZCS(:i) * zVel)-driftGR2 * Cl+C2
LinPrrGR2(k) =PrrGR2(k>-C3 * rangeRateGR2hat(k)
=C6 * (-uXSV(k) * xVel-uYSV(k) * yVel-uZSV(k) ★ zVel)-driftGR2 * C4+C5.
這些方程中只有用戶速度和GPS接收機(jī)的時鐘漂移。這樣，只要 能夠找到多個GPS衛(wèi)星或者多個基站中的四個測量結(jié)果，就可以用傳 統(tǒng)方法(例如最小二乘或者卡爾曼濾波器)求解速度和漂移。
為了去掉timeDiff和偽JE巨的未知數(shù)，必須利用timeDiff測量結(jié)果。
rangeGRl被看成是一個已知量，因?yàn)樗母鱾€分量是已知的。
衛(wèi)星位置和時鐘偏差被看成是已知的，因?yàn)槟軌蛴肎PS天文歷將 它計(jì)算出來，這個GPS天文歷則可以由服務(wù)器在系統(tǒng)內(nèi)傳播。
假設(shè)GPS接收機(jī)1正在跟蹤的衛(wèi)星個數(shù)足以供計(jì)算它的時間之用。 如果它的位置是已知的，就只需要一個衛(wèi)星來完成這一工作。
在timeDiff和偽距測量中，偽距是通過蜂窩電話跟蹤基站來形成 的，小CP= rangeCP+BiasCS-BiasCP。
在基站的GPS接收機(jī)1中形成的偽距(()GRl-rangeGRl+ biasSV-biasGRl。
在基站的GPS接收機(jī)2中形成的偽距令GR2-rangeGR2 + biasSV-biasGR2。
利用GPS接收機(jī)1和基站(Nil和Ni2)之間的timeDiff測量結(jié) 果，MasCSG = BiasGRl + TD1。
利用GPS接收機(jī)2和蜂窩電話(Nil和Ni2)之間的timdDiff測 量結(jié)果，biasCPG = BiasGR2 + TD2。
為了求解基站中GPS接收機(jī)的時鐘偏差，rangeGRl是已知的，并 且biasSV是已知的，以及小GR1是在GPS接收機(jī)1中測量出來的，能夠
按照以下方式估計(jì)GPS接收機(jī)1中的時鐘偏差
biasGRlhat = biasGRl的估計(jì)=rangeGRl + biasSV -令GR1。 為了從GPS時間求解基站的時鐘偏差，利用GPS接收機(jī)1和基站
之間的timeDiff測量結(jié)果(TD1 )。估計(jì)蜂窩基站和GPS時間之間的偏差。
可以使用timeDiff測量結(jié)果(N11或者N12)中的任意一個。 TD1 = Nll/freqGRlhat TD2 = N12/freqGRlhat 其中，
FreqGRhat = baseGRfreq + driftGRlhat。
假i殳biasGRlhat和drif tGRlhat是已知的，并且是從基站的GPS 接收機(jī)l直接獲得的。
現(xiàn)在，利用timeDiff的定義按照以下方式求解基站的漂移， 利用Nil,于是
BiasCSlhat = TD1 + biasGRlhat (單位是秒) 利用N12,于是
BiasCSlhat = 1 - TD2 + biasGRlhat (單位是秒) 去掉蜂窩電話時鐘偏差來計(jì)算位置。
假設(shè)蜂窩電話產(chǎn)生蜂窩電話和基站之間的偽距測量結(jié)果。 由跟蹤基站的蜂窩電話產(chǎn)生的偽距是命CP = rangeCP + BiasCS -BiasCP。
應(yīng)用基站時鐘偏差的估計(jì)，并且利用蜂窩電話和GPS接收機(jī)2之 間的timeDiff。這樣改變變量值能夠消除蜂窩電話時鐘和基站時鐘， 用蜂窩電話位置和GPS接收機(jī)2的時鐘來表示蜂窩電話獲得的偽距。
蜂窩電話中的timeDiff具有這樣的形式
TD1 = Nll/freqGR2hat
TD2 = N12/freqGR2hat
其中，
FreqGRhat = baseGRfreq + driftGR2hat
在沒有估計(jì)蜂窩電話的driftGR的情況下形成timeDiff,直到確 定位置之前，不知道有GPS接收機(jī)2的漂移估計(jì)。于是，重新用公式 表示這個模型，以獲得能夠說明這一參數(shù)的明顯影響的一個模型。
利用baseGRfreq而不是FreqGRhat對測量得到的計(jì)數(shù)timeDiff 進(jìn)行歸一化。
在這種情況下，
TD1= Nll/freqGR
=Nil ★ (1/(baseGRfreq+driftGR)-1/baseGRfreq+l/baseGRfreq)
=Nil * ((baseGRfreq-baseGRfreq-driftGR)/(freqGR * baseGRfreq)+l/baseGR)
=Nil * (1/baseGRfreg- driftGR/(freqGR ★ baseGRfreq)〉
=Nll/baseGRfreq-Nll * driftGR/(freqGR ★ baseGRfreq)
該測量結(jié)果不是driftGR的線性函數(shù)，因?yàn)樗瑫r代表第二項(xiàng)的 分子和分母(freqGR內(nèi))。雖然可以對此進(jìn)行處理，但是不方便的。于 是，執(zhí)行一個簡單的近似，使這個模型線性化。用baseGRfreq直接替 換分母中的freqGR。
對未知的GPS接收機(jī)漂移進(jìn)行線性化，使得測量結(jié)果以變量 driftGR的形式呈現(xiàn)為線性。從分母去掉變量driftGR。
這樣，檢查driftGR/ (baseGRfreq * freqGR) - driftGR/ (baseGRfreq * baseGRfreq)的近似值。
再一次對于driftGR-20PPM。求解"真實(shí)，，值，
=549/ ( 27.456e6 * 27. 456549e6 )
=7.282644976e - 13。
如果將分母近似為baseGR * baseGR，那么這個比值，
=549/ ( 27. 456e6 * 27.456e6 )
=7.282790418e - 13。 其差值- 1.456220e-17。
乘以最大值Nl = baseGR，誤差是3. 998197e - 10 = 0. 11 m。 于是仍然有一個線性誤差模型。如果這一技術(shù)不能奏效，那么這 個模型就不會是線性的，因?yàn)閐riftGR項(xiàng)代表分母。
為了在找到driftGR2的估計(jì)之前將蜂窩電話偽距用于定位，將漂 移項(xiàng)包括在偽距中。正常情況下，偽距只跟位置和時鐘偏差有關(guān)。這 樣，這個公式有另外一個未知量。但是，能夠獲得偽距變化率，所有
的未知量都能夠一起求解出來。
為了利用tempMeas來估計(jì)driftGR2，假設(shè)drif tGR = 20 PPM。假 設(shè)Nil幾乎精確地等于baseGR。這意味著蜂窩基站就在GPS1 - PPS的 左邊。正比于driftGR的附加項(xiàng)是driftGR/freqGR。
如果漂移是20 PPM,那么driftGR= 20 * baseGR/le6 = 549 Hz， 以及driftGR2 / baseGR + drif tGR = 0. 2 s。
使用測量結(jié)果tempMeas。利用SXCO校準(zhǔn)，可以將drif tGR估計(jì)到 精度+ / 5PPM。
driftGR-O. 5 * baseGR/le6 = 13. 7 Hz。這樣會導(dǎo)致時間誤差 13.7/( 27456014 ) = 5. 0e7 = 50 ps。這大約是GPS偽隨機(jī)碼的50個 碼片，它會每1023個碼片重復(fù)一次。
為了將蜂窩電話偽距用于預(yù)測GPS接收機(jī)的時鐘偏差，tempMeas 提供了一個足夠好的近似?？梢詫⑺糜陬A(yù)先定位。
為了測量timeDiff，我們按照以下方式為蜂窩電話一側(cè)重新定義 t imeDiff，
回憶以下測量模型
TD1 = Nll/baseGRfreq-Nll * drif tGR/(f req^3R * baseGR) 定義
TDla = Nll/baseGRfreq
于是
TDla = TD1+N11 * driftGR/(freqGR * baseGR)
現(xiàn)在插入蜂窩電話處的timeDiff的測量模型(不包括量化項(xiàng)，因
此這些參數(shù)是估計(jì)值，而不是"真實(shí)"參數(shù))， TD1 = biasCPhat - biasGR2hat。
于是TDla
=biasCPhat-biasGR2hat+N11 * driftGR2/(baseGRfreq * baseGRfreq)
利用這種形式，正比于driftGR2的附加項(xiàng)會考慮到使用 baseGRfreq而不是freqGR來進(jìn)行歸一化的誤差。 重新整理測量模型來求解MasCPhat。
BiasCPhat = Nll/baseGR+biasGR2hat-N11 * driftGR/(baseGRfreq ★ baseGRfreq).
將以上公式插入蜂窩電話偽距，從而使所有的時鐘項(xiàng)都用GPS接 收機(jī)2的時鐘來表示。
0CP = rangeCP+BiasCShat
-(Nll/baseGR+biasGR2hat-N11 * driftGR/(baseGRfreg * baseGRfreq).
定義
PrCP(:J) = (])CP
=D3 ★ rangeCP(:i)-biasGR2 * Dl+D2 (單位秒)
其中，
Dl = 1
D2 = biasCShat-Nll/baseGR+N11 * driftGR/(baseGRfreq * baseGRfreq)
(秒) D3 = 1/C
(單位秒/米)，
利用本發(fā)明的方法實(shí)施方案去掉蜂窩電話時鐘的偏差以便預(yù)測蜂 窩電話內(nèi)GPS接收機(jī)的偏差。
為了直接估計(jì)GPS接收機(jī)2的偏差，簡單地重新整理以上公式來 求解它。
biasGR2hat = rangeCP+BiasCShat-(])cp
+ (Nll/baseGR-N11 * driftGR/(baseGRfreq * baseGRfreq).
在跟蹤任何GPS信號之前，這個等式給出了用于估計(jì)GPS接收機(jī) 時鐘偏差的一種方法。對于GPS，最大時間搜索窗是一毫秒。于是，為 了減少搜索范圍，需要誤差明顯地小于1毫秒的一個時鐘偏差估計(jì)。
假設(shè)蜂窩電話距離蜂窩基站只有1公里(1000m)。在日本這種情 況是可能出現(xiàn)的，在那里蜂窩基站的密度很高。
還假設(shè)用freqDiff來估計(jì)driftGR2。
回憶起
AF2 = driftCP-driftGR2 * (baseCSfreq/baseGRfreq) DriftGR2hat = (drif tCShat—())DotCP-厶F2) *
(baseGRfreq/baseCSfreq)
在這個等式中假設(shè)用戶速度等于0。
用tempMeas來估計(jì)driftGRscxo,也就是說，用tempMeas測量 來估計(jì)GPS接收機(jī)2的時鐘漂移，并且用校準(zhǔn)模型根據(jù)temMeas來估 計(jì)時鐘頻率。
假設(shè)與基站之間的距離是1000，并且用driftGR估計(jì)，
biasGR2hat = (1000/c)+biasCShat-())cp
+ Nll/baseGR-Nll * (drif tCShat-(()DotCP-AF2 ) / (baseCSf req * baseGRfreq).
估計(jì)的精度主要取決于與基站之間的距離是1000米這樣一個假 設(shè)。甚至在2000m的距離上，精度將是大約1000/c - 3. 3e - 1 = 3. 3 。 時間不確定性已經(jīng)從lms降低到3. 3微秒。這是大約300倍的信息增 益。這種信息增益能夠允許實(shí)施超薄的GPS接收機(jī)。
去掉蜂窩電話時鐘偏差以便計(jì)算位置。
當(dāng)蜂窩電話利用本發(fā)明的壓控振蕩器方法來跟蹤載波的時候，可 以導(dǎo)出測量模型。調(diào)整頻率使之能夠與進(jìn)來的信號的相位匹配。
timeDiff的含義發(fā)生了變化，因?yàn)楦涓C電話基準(zhǔn)有關(guān)的PPS也隨著 頻率的調(diào)整而移動。
timeDiff不再遵守蜂窩電話偏差，而是遵守基站偏差和基站跟蜂 窩電話之間的距離。例如，如果基站的時鐘偏差是正的，那么基站同 樣必須增大它的相位以便與它對準(zhǔn)。為了補(bǔ)償信號從基站到蜂窩電話 的傳播時間，蜂窩電話必須進(jìn)一步延遲它的信號，以便跟蹤進(jìn)來的信
號。相位超前是相位正的增大。
蜂窩電話時鐘偏差用rangeCP和蜂窩基站偏差替換。 "真實(shí)，，timeDiff模型是
TD1 = BiasCPvco - biasGR2， 其中，
BiasCPvco = rangeCP + biasCS。
對于實(shí)際的測量我們具有同樣的情況，也就是用正確的頻率歸一 化timeDiff 。歸一化baseGRfreq,然后考慮drif tGR2這一項(xiàng)。 定義
TDla = Nll/baseGRfreq。 于是，
TDla = TDl + Nll * driftGR/ ( baseGRfreq * baseGRfreq)。 現(xiàn)在，對于"真實(shí)"TD1插入我們的模型，并且插入估計(jì)的參數(shù)， (不包括我們的測量模型中的量化項(xiàng))，
TDla = rangeCP+biasCShat-biasGR2+N11 ★ driftGR/(baseGRfreq * baseGRfreq). 定義
PrCP(j) = Nll/baseGR
=D3 * rangeCP(j>-biasGR2 * Dl+D2
(單位是秒)。
其中，
Dl = 1
D2 = baseCShat -Nll/baseGR+Nl1 * driftGR/(baseGRfreq *
baseGRfreg) (秒)
D3 = 1/C (單位秒/米).
給出蜂窩電話偽距的表達(dá)式，其中的未知數(shù)是用戶位置和GPS接 收機(jī)時鐘誤差。即使存在GPS接收機(jī)漂移，仍然可以求解這個方程。 去掉蜂窩電話的時鐘偏差以便計(jì)算位置。
對于為了幫助GPS捕獲而進(jìn)行的時間傳送，整理以上方程來求解 MasGR。再一次用兩個源來估計(jì)GPS接收機(jī)時鐘漂移?；蛘呤抢?tempMeas測量結(jié)果或者是利用freqDiff并且假設(shè)用戶速度等于0。
BiasGR2 = rangeCP+biasCShat-N11/ baseGRfreq+N11 * driftGR2/(baserGRfreq * baseGRfreq).
利用來自tempMeas測量的數(shù)據(jù)，
biasGR2hat = rangeCP+biasCShat-N11/ baseGRfreq+Nl1 * driftGR2SCXO/(baserGRfreq * baseGRfreq).
在蜂窩電話處的freqDiff的組合中假設(shè)蜂窩電話的rangeRate等
于0，
D:riftGR2hat = (driftCShat-厶F2vco) * baseGRfreq/baseCSfreq (GR freq為 Hz ).
插入它，
biasGR2 = rangeCP+biasCShat-N11/ baseGRfreq+N11 * (driftCShat-AF2vco)/(baserCSfreg * baseGRfreq) (單位秒)
求解雙模式系統(tǒng)中的位置/速度。 將蜂窩電話偽距和GPS偽距組合起來。
為本發(fā)明的一種方法實(shí)施方案(本發(fā)明的數(shù)控振蕩器方法實(shí)施方
案)定義
PrCP(j〉 - φCP=D3 . * rangeCP(j )-biasGR2. * Dl+D2 (單位秒)
其中，
Dl = 1
D2 = biasCShat-Nll/baseGR+N11* driftGR/(baseGRfreg * baseGRfreg) (seconds)
D3 = (單位秒/米).
或者，為本發(fā)明的方法實(shí)施方案(本發(fā)明的壓控振蕩器方法實(shí)施方案) 定義
PrCP(:J) = Nll/baseGR
=D3 * rangeCP (j )-biasGR2 * Dl+D2 (單位矛少)
其中，
Dl = 1
D2 = baseCShat -Nll/baseGR+N11 * driftGR/(baseGRfreq baseGRfreq) (秒)
D3 = 〃C (單位秒7米).
并且將GPS測量結(jié)果定義為，
PrGR2 (k) =D6 * rangeSV (k) - D4 * driftGR2 + D5
其中，
D4 = 1
D5 = biasSV D6 = 1/C。
至于偽距變化率，通過將它們減去標(biāo)稱距離而將它們相對于位置
線性化。
將德爾塔(delta)矢量定義成"真實(shí)，，位置矢量和位置的起始估 計(jì)之間的誤差。在估計(jì)過程中，計(jì)算德爾塔矢量，然后將其添加到起 始位置上去以便獲得位置估計(jì)。這樣，假設(shè)在形成需要用戶位置的預(yù) 測量的時候，使用xNominal。
將我們的標(biāo)稱估計(jì)值的誤差定義為delX。
delX = x - xNominal
delY = y - yNominal
delZ = z - zNominal
假設(shè)測量J個蜂窩基站和K個衛(wèi)星。第j個蜂窩基站和第k個GPS 衛(wèi)星的線性測量結(jié)果是
LinPrCP(j) =PrCP (;j) -D3 * rangeCPhat (j )
=D3 ★ (-uXCS(j) * delX-uYCS(j) * delY-uZCS(j) * delz)-biasGR2 * Dl+D2
LinPi:GR2 (k) =PrGR(k)-C3 * rangeGRhat(j>
=D6 * (-uXSV(k〉 ★ delX-uYSV(k) ★ delY-uZSV(k) ★ delZ)-biasGR2 * D4+D5
其中uXCS和uXSV跟偽距變化率部分所定義的一樣。
雙模式系統(tǒng)已經(jīng)獲得了這些方程，它們將系統(tǒng)中的所有可測的量
跟用戶位置/速度和GPS接收機(jī)的時鐘偏差和漂移聯(lián)系起來。所有其
它系統(tǒng)時鐘已經(jīng)在系統(tǒng)以外進(jìn)行了校準(zhǔn)。
然后可以利用標(biāo)準(zhǔn)求解技術(shù)來求解這8個未知數(shù)。
為了得到解，許多測量都有未知數(shù)需要求出。這意味著需要有用
戶位置的4個測量結(jié)果。還需要導(dǎo)出的測量結(jié)果。估計(jì)GPS接收機(jī)速
度和時鐘漂移。
可以利用蜂窩電話測量結(jié)果以及timeDiff、freqDiff和tempMeas 測量值通過減少這些信號的搜索范圍來加速對GPS的衛(wèi)星的捕獲。估 計(jì)相對于蜂窩電話和基站校準(zhǔn)的GPS接收機(jī)的時鐘偏差和漂移。
該系統(tǒng)是一個真正的分布式處理系統(tǒng)。取決于客戶機(jī)的類型，所
有的校準(zhǔn)和計(jì)算既可以在蜂窩電話中完成，又可以在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中完 成，還可以由這兩個系統(tǒng)共同完成。但是，服務(wù)器是為基站發(fā)送校準(zhǔn)
數(shù)據(jù)的通道，從而使這些數(shù)據(jù)能夠用于時間和頻率傳送，以便縮短GPS 的捕獲時間，并且，對于雙模式操作，可利用這兩個系統(tǒng)的距離和距 離變化率來計(jì)算蜂窩電話的位置。
在基站、服務(wù)器、蜂窩電話以及基站和蜂窩電話中的GPS接收機(jī) 之間采用一種通信裝置。但是，采用的具體方法的細(xì)節(jié)對于這里給出 的方程來說不是關(guān)鍵的。
GPS接收機(jī)1設(shè)在蜂窩基站里。它連續(xù)地跟蹤GPS，并且估計(jì)它的 位置、時鐘偏差和時鐘漂移。它在GPS接收機(jī)和基站時鐘之間測量 timeDiff和freqDiff。它將測量結(jié)果和它的解發(fā)回網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。服務(wù) 器計(jì)算蜂窩基站時鐘偏差和漂移。它還將其它的GPS數(shù)據(jù)(比方說50 bps的導(dǎo)航數(shù)據(jù)消息)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器從蜂窩基站接收數(shù)據(jù)，為每個基站的時鐘偏差和漂移 構(gòu)造一個表。它還根據(jù)GPS接收機(jī)位置產(chǎn)生一個基站位置。網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 器構(gòu)造一個導(dǎo)航數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫分布在整個系統(tǒng)中，作為計(jì)算 衛(wèi)星位置、速度、時鐘偏差和漂移的數(shù)據(jù)源。
GPS接收機(jī)2設(shè)在蜂窩電話里，用來計(jì)算這個接收機(jī)的位置。在開
機(jī)的時候，不知道GPS接收機(jī)的時鐘偏差、漂移和位置。該接收機(jī)測
量timeDiff、 freqDiff和tempMeas。蜂窩電話接收機(jī)跟蹤基站(至
少一個)。通過跟蹤載波的相位和頻率，它也可以生成與基站之間的偽
距和偽距變化率。利用這些測量結(jié)果，加上其中包括蜂窩基站時鐘偏
差和漂移以及蜂窩基站位置的蜂窩基站數(shù)據(jù)，并且利用timeDiff、
freqDiff和tempMeas測量結(jié)果，就能夠在蜂窩電話和GPS接收機(jī)之間
傳送時間和頻率。捕獲了一個GPS衛(wèi)星以后，也可以將測量結(jié)果用于
計(jì)算雙模式位置/速度。
時間和頻率傳送使得我們能夠通過減少搜索范圍來提高GPS衛(wèi)星
的捕獲速度。這樣能夠縮短捕獲時間，提高靈敏度。并且使得超薄客 戶機(jī)的實(shí)施成為可能。
在至少捕獲了一個GPS衛(wèi)星以后，兩個系統(tǒng)中的距離和距離變化 率測量結(jié)果可以組合起來以用來計(jì)算蜂窩電話的位置。當(dāng)每個系統(tǒng)能 夠獲得的測量結(jié)果比正常情況要少的時候，這是能夠進(jìn)行定位的。例
如，只用一個GPS衛(wèi)星和三個基站，或者兩個GPS衛(wèi)星和兩個基站， 或者三個GPS衛(wèi)星和一個基站，就能夠進(jìn)行三維定位。
實(shí)際上在蜂窩電話沒有跟蹤上任何GPS衛(wèi)星的情況下就能夠計(jì)算 蜂窩電話的位置。因?yàn)榉涓C基站沒有垂直方向上顯著的相對位移，因 此這個三維解是非常受干擾的。但是如果能夠獲得蜂窩電話的高度， 就能夠獲得二維解。(要記住，蜂窩基站仍然需要GPS衛(wèi)星來保持同 步)。如果這些基站在垂直方向上有顯著的區(qū)別，也可以是僅三維碼分 多址(three _ dimens ional - CDMA - only )。
獲得GPS導(dǎo)航天文年歷和天文歷，并由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106利用它自 己的基準(zhǔn)GPS接收機(jī)對它們進(jìn)行歸納，以便提供分別代表每個衛(wèi)星的 位置和速度的筒單的多項(xiàng)式。隨著時間流逝，這樣的多項(xiàng)式當(dāng)然會失 效，但是在基站102和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106之間通過因特網(wǎng)周期性的聯(lián)系 在很大程度上依賴于提供足夠新的軌道數(shù)據(jù)。于是GPS接收機(jī)112不 再需要用到大量的存儲器以便在本地RAM/ROM中保存大量的當(dāng)前天文 歷和天文年歷數(shù)據(jù)，也不需要在本地用雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算來為每次定位 計(jì)算衛(wèi)星的軌道位置。
在本發(fā)明的商業(yè)模型實(shí)施方案中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106由獨(dú)立的服務(wù) 提供商擁有和進(jìn)行運(yùn)營。每次使用費(fèi)或者預(yù)約費(fèi)由使用蜂窩電話IO4 和/或蜂窩基站102的用戶支付。蜂窩電話也可以捆綁在用于為專用 網(wǎng)絡(luò)客戶機(jī)設(shè)計(jì)半導(dǎo)體集成電路裝置的知識產(chǎn)權(quán)(IP)成套設(shè)備中。
這樣的知識產(chǎn)權(quán)按照特許費(fèi)和硬件裝置成本銷售給網(wǎng)絡(luò)客戶機(jī)的原始 設(shè)備制造商(OEM)。
在工作過程中，GPS接收機(jī)112必須同時在兩個域內(nèi)搜索GPS微波 信號，例如頻率和代碼相位。本地振蕩器和衛(wèi)星相對速度引起的多普 勒頻移會導(dǎo)致產(chǎn)生需要加以解決的載波頻率不確定性。GPS衛(wèi)星的瞬時 偽隨機(jī)數(shù)代碼相位是另外一個未知數(shù)。收到的高于"噪聲底限"的信 號相對而言能夠很容易和很快地搜索到。但是微弱信號(就像在建筑 物內(nèi)存在的那些信號一樣)甚至被淹沒在噪聲以下20分貝之處。每次 訪問頻率/代碼相位庫(bin)時都必須在那里停留足夠長的時間，以 便用代碼相關(guān)器提供的處理增益去"戰(zhàn)勝"噪聲底限。微弱的信號還 要求搜索庫在庫頻率和庫代碼相位之間步長很小，這例如是由于混疊 所造成的。因此需要搜索更多的庫，每個庫都需要更多的處理停留時
間，所有這些都會按照指數(shù)規(guī)律而延長搜索時間。
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106實(shí)時地將導(dǎo)航數(shù)據(jù)公布給因特網(wǎng)。目前存在的其 它業(yè)務(wù)將部分或者非實(shí)時導(dǎo)航數(shù)據(jù)和初始化數(shù)據(jù)分布在因特網(wǎng)上，這 些數(shù)據(jù)能夠被部分地利用來替代發(fā)送給GPS接收機(jī)112的實(shí)時導(dǎo)航數(shù) 據(jù)，或者可以用來檢查該導(dǎo)航數(shù)據(jù)的有效性。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106主要和 關(guān)鍵的工作是從GPS接收機(jī)112下載導(dǎo)航計(jì)算雜務(wù)。這種下載能夠執(zhí) 行的程度依賴于在GPS接收機(jī)112和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106之間能夠?qū)崿F(xiàn)的 通信聯(lián)系的規(guī)律。GPS接收機(jī)112獲得的實(shí)際測量結(jié)果被轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)服 務(wù)器106。
本發(fā)明的其它實(shí)施方案采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106為概念化和更高層的 目的進(jìn)行數(shù)據(jù)庫處理。例如，服務(wù)器平臺包括一個健康和質(zhì)量監(jiān)視器， 用于檢查所述靜態(tài)測量，并防止在所述測量誤差和衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息數(shù)據(jù) 庫中包括不正確的信息。另一方面，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106可以按照小時、 天、星期、月、年等收集GPS接收機(jī)112的位置信息。于是可以對這 些信息進(jìn)行處理來估計(jì)GPS接收機(jī)112的用戶在什么地方，用戶去過 什么地方，或者用戶將來很可能在什么地方。這些信息可以用于調(diào)度、 時鐘、軟禁、部署、盤點(diǎn)、資產(chǎn)管理、軍事、安全和其它類型的應(yīng)用。 可以分析位置信息來猜測在任意時刻用戶在做什么。例如，如果用戶 的位置跟當(dāng)?shù)氐囊粋€食品雜貨店位置相同，就可以認(rèn)為用戶在采購。 用戶還可以在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器106產(chǎn)生記錄，例如由城市維護(hù)部門在電子 數(shù)據(jù)庫中配置和"標(biāo)記"消火栓、電源變壓器、車道等等的永久位置。
在因特網(wǎng)上有用戶位置的信息能夠被廣告商和市場商人用來實(shí)時 地發(fā)送消息給用戶。這些數(shù)據(jù)在本發(fā)明的一個商業(yè)模型實(shí)施方案中被 實(shí)時地銷售。
總之，本發(fā)明的實(shí)施方案用因特網(wǎng)服務(wù)器來處理遠(yuǎn)程GPS接收機(jī) 收集的數(shù)據(jù)，跟傳統(tǒng)的接收機(jī)和方法相比，能夠提高信號靈敏度，縮 短搜索時間。
最新的測試數(shù)據(jù)表明現(xiàn)有技術(shù)中在利用溫度模型時最差情形下典 型晶體頻率的模型誤差是大約±0. 5 PPM(± 787Hz)。為了謹(jǐn)慎起見， 并且留下關(guān)于頻率的用戶位置誤差影響的某些不確定性，搜索第一個 衛(wèi)星的時候最好搜索± 1000 Hz的頻率范圍。如果對第一次搜索過程中 獲得的頻率信息有足夠的信心，可以縮小隨后對衛(wèi)星的頻率搜索范圍
以節(jié)省時間?；蛘?，搜索時間的節(jié)省可以跟較慢的時鐘速度折衷，從 而降低硬件成本。
圖io是本發(fā)明中利用基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助的笫二個導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)施方案
的功能框圖，在這里總的用數(shù)字1000表示。系統(tǒng)1000需要的特定情 形是沒有政治或者經(jīng)濟(jì)因素存在，其中在蜂窩電話基站中包括GPS接 收機(jī)，例如在系統(tǒng)100 (圖1)中的情形。于是可以將靜止位置的蜂窩 電話和GPS接收機(jī)組合起來用來提供服務(wù)。在需要商業(yè)覆蓋又沒有其 它手段的地方，本發(fā)明的商業(yè)模型實(shí)施方案在每個蜂窩基站的固定位 置上部署普通的蜂窩電話。不能進(jìn)行部署可能是因?yàn)榛具\(yùn)營商存在 敵意，法律上不利或者過于繁瑣，時間太短，成本太高等等。
系統(tǒng)1000包括一個服務(wù)提供商1002,它跟一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)1004連 接(例如跟因特網(wǎng)連接)。基站1006在基站之間利用電話號碼處理普 通的蜂窩電話呼叫。正在訪問的移動蜂窩電話用戶1008能夠通過基站 1006打出和接聽電話。服務(wù)提供商1002在此以前已經(jīng)部署了一個永久 性的蜂窩基站IOIO，它位于基站1006的服務(wù)區(qū)內(nèi)。它也能夠通過基站 1006用電話呼叫訪問這個系統(tǒng)的其它部分。
服務(wù)提供商1002包括一個GPS接收機(jī)1012、一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器10" 和用于儲存溫度、時間和頻率數(shù)據(jù)及模型的數(shù)據(jù)庫1016。這個基站1006 包括蜂窩收發(fā)信機(jī)1018，但沒有GPS接收機(jī)。蜂窩電話1008還有它自 己的GPS接收機(jī)1020和蜂窩收發(fā)信機(jī)1022。永久性的蜂窩基站1010 有一個GPS接收機(jī)1024和一個蜂窩電話頻帶收發(fā)信機(jī)1026，后者用于 跟蹤基站1006的信號的頻率和相位。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器1014接收和發(fā)布通 過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)10 04從蜂窩基站和蜂窩電話GPS接收機(jī)收到的時間信息和 其它數(shù)據(jù)。有關(guān)位置和它們相對GPS時間的時間和頻率偏移的數(shù)據(jù)庫 1016 4皮建立起來供以后使用。
如同在系統(tǒng)100 (圖1)中那樣，可以用三種基于硬件的測量來同 步兩個獨(dú)立系統(tǒng)中的本地時鐘，例如(l)時間差，(2)頻率差，和(3) 晶體的溫度-頻率模型?？梢杂眠@三種中的任一種或者全部來同步時 鐘。在可測量的timeDiff中，如果知道來自兩個不同時間源的兩個時 間事件的時間差，就可以將一個時間源的 一個事件的時間用來計(jì)算另 外一個時間源的事件的時間。在可測量的freqDiff中，如果知道兩個 時鐘之間的頻率差，那么找到其中一個的頻率就能夠用它來預(yù)測另外
一個的頻率。在可測量的tempMeas中，用 一個溫度-頻率校準(zhǔn)模型通 過測量晶體溫度來預(yù)測本地GPS時鐘的頻率。如果其中有一個時間源 是GPS接收機(jī)，就可以將其它時鐘跟GPS時鐘關(guān)聯(lián)起來。這樣就能夠 讓全世界的裝置跟一個共同的穩(wěn)定基準(zhǔn)(例如GPS原子時鐘)保持時 間和頻率同步。
本發(fā)明的被動網(wǎng)絡(luò)同步實(shí)施方案利用GPS接收機(jī)1024來測量蜂窩 基站1006的GPS時間中的時鐘。然后可以通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(例如因 特網(wǎng))由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將蜂窩電話GPS接收機(jī)1020時鐘和蜂窩電話1022 時鐘跟GPS時鐘同步起來。典型的GPS接收機(jī)產(chǎn)生每秒種一個脈沖的 時間基準(zhǔn)，可以用timeDiff電路將它跟從每個蜂窩基站和蜂窩電話無 線電載波獲得的1 - PPS時鐘信號進(jìn)行比較和關(guān)聯(lián)。除了一秒以外其它 的測量時間間隔也可以按同樣的方式工作，但是采用1秒的時間間隔 的時候計(jì)算起來比較簡單。
本發(fā)明的實(shí)施方案能夠采用3種不同的通信鏈路來傳送時間和頻 率數(shù)據(jù)。 一種通信鏈路將GPS基準(zhǔn)接收機(jī)1024跟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器10H鏈 接起來。第二種在蜂窩電話1022和蜂窩電話中的GPS接收機(jī)1020之 間實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用程序接口或者數(shù)據(jù)包通信，或者是直接在蜂窩電話內(nèi)， 或者間接地通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。在GPS接收機(jī)之間直接共享數(shù)據(jù)能夠提 高系統(tǒng)性能。第三種連接將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器1014跟蜂窩電話If)"和GPS 接收機(jī)1G2G鏈接起來。
到達(dá)時間差(TD0A)測量值(例如從蜂窩電話1010到蜂窩電話 1008 )可以被用來在蜂窩電話和GPS接收機(jī)組合起來的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行定 位，從而提高定位概率和精度。從蜂窩電話1010發(fā)送給蜂窩電話loos 的時間標(biāo)記可以跟蜂窩電話1010的位置、蜂窩電話1010時鐘偏差和 蜂窩基站1006跟GPS時間的漂移這些信息組合起來。這些時間標(biāo)記可 以用來從蜂窩電話1010向蜂窩電話1008傳送時間信息，使其精度只 受它們之間的無線電信號傳播距離影響。
蜂窩電話載波頻率綜合器環(huán)路的修正頻率偏移再一次被用于這個 實(shí)施方案中來估計(jì)GPS接收機(jī)頻率偏移。這一估計(jì)被用來減少頻率不 確定性，從而減少首次定位時間，提高接收機(jī)靈敏度，和/或縮小硬 件體積和降低功耗。數(shù)控振蕩器(NCO)和壓控振蕩器(VCO)被普遍 地用于這種載波頻率綜合器環(huán)路中。
通過例如構(gòu)造溫度模型，任何tempMeas測量結(jié)果能被用于進(jìn)一步 提高從蜂窩電話到GPS接收機(jī)的頻率傳送精度。freqDiff測量結(jié)果能 夠單獨(dú)用于頻率傳送而不需要任何timeDiff測量結(jié)果。timeDiff測量 結(jié)果也能夠被使用而不需要freqDiff測量結(jié)果，用于傳送時間和頻率。 時間傳送精度最好是通過基于軟件的濾波器減少timeDiff硬件的量化 噪聲來加以提高。蜂窩電話1010的頻率和相位可以用于本發(fā)明其它實(shí) 施方案中的雙模式定位系統(tǒng)。
這里使用的術(shù)語"被動同步"指的是蜂窩電話1010中時鐘的時間 和頻率偏移只是相對于GPS接收機(jī)時鐘來測量的。校準(zhǔn)是例如利用因 特網(wǎng)上的傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)隨后通過通信層發(fā)送被 測頻移完成的。蜂窩電話1010中的真實(shí)時鐘是不受控的。只測量這些 時鐘的信號，獲得的修正數(shù)據(jù)根本不被反饋回到源來改變時鐘。相反， 這些數(shù)據(jù)被用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和GPS接收機(jī)軟件以便協(xié)助搜索GPS衛(wèi)星， 并且然后用于位置計(jì)算。
雖然描述本發(fā)明的時候利用了優(yōu)選實(shí)施方案，但是很顯然這些說 明并不是限制性的。通過閱讀以上說明，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會很容 易地設(shè)想到各種改變和改進(jìn)。因此，下面的權(quán)利要求將覆蓋本發(fā)明的 "真實(shí)"實(shí)質(zhì)和范圍所包括的所有改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括，第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，用于提供第一個位置解；第一個無線通信裝置，它跟第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在一起，并且跟第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)連接，以便跟它共享時間和頻率測量結(jié)果中的至少一個；第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，用于提供精確的時間和頻率估計(jì)；第二個無線通信裝置，它跟第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在一起，并且可以跟第一個無線通信裝置進(jìn)行無線聯(lián)系；和一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用于利用所述精確的時間和頻率估計(jì)對第一個位置解進(jìn)行后處理，并且為第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)提取更加精確的第二個位置解，以及借助于一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)跟第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和第二個無線通信裝置連接。
2. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其特征在于笫二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和第二個無線通信裝置位于一個固定位 置，用于獲得一個本地差分修正測量結(jié)果，并且傳遞給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器， 以便為笫一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)提供更加精確的位置解。
3. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供信息給第 一 個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，以便減少本地振 蕩器頻率不確定性和時間不確定性中間的至少一個，并且改善縮短衛(wèi) 星搜索時間和靈敏度。
4. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在通過無線聯(lián)系和所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳遞的情況下通過比 較第 一 個和第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)之間的時間測量結(jié)果來計(jì)算時間差信息。
5. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過比較第一個和第二個無線通信裝置之間的載波頻 率測量結(jié)果來計(jì)算頻率差信息，這些測量結(jié)果通過無線聯(lián)系和所述數(shù) 據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。
6. —種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，用于提供一個用戶位置解； 一個蜂窩電話，它跟第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在一起，并且跟第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)相連，以便跟它共享時間和頻率測量結(jié)果；第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，用于提供一個精確的時間和頻率估計(jì)；一個蜂窩基站，跟第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在一起，并且能夠跟蜂 窩電話進(jìn)行無線電聯(lián)系；和一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用于利用所述精確時間和頻率估計(jì)對所述用戶 位置解進(jìn)行后處理，并且為第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)提取更加精確的第 二個位置解，以及通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)跟第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和蜂窩基站 連接。
7. 權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其特征在于第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和基站位于一個固定位置，用于獲得一個 本地差分修正測量結(jié)果，并且傳遞給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，以便為第一個衛(wèi)星 導(dǎo)航接收機(jī)提供更加精確的位置解。
8. 權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供信息給第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，以便減少本地振 蕩器頻率不確定性和時間不確定性中間的至少一個，并且改善衛(wèi)星搜 索時間和靈敏度。
9. 權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在通過蜂窩無線聯(lián)系和所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞的情況 下通過比較第一個和第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)之間的時間測量結(jié)果來計(jì) 算時間差信息。
10. 權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過比較蜂窩電話裝置之間載波頻率的測量結(jié)果來計(jì) 算頻率差信息，這些測量結(jié)果通過蜂窩無線聯(lián)系和所述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 傳遞。
11. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器收集溫度測量結(jié)果(tempMeas )，將它們存入一個數(shù)據(jù) 庫，以后根據(jù)該數(shù)據(jù)庫構(gòu)造一個溫度-頻率模型，用于在軟件補(bǔ)償晶 體振蕩器(SCX0)中改善接收機(jī)靈敏度和捕獲性能。
12. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其特征在于其中最少可將一個GPS衛(wèi)星和三個蜂窩基站用于雙模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
13. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器包括一個全球定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)字信號處理器(DSP)專用集成電路(ASIC)，用來累積時間差、頻率差和溫度測量結(jié)果基礎(chǔ) 設(shè)施信息，以便改善衛(wèi)星捕獲時間和接收機(jī)靈敏度。
14. 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其特征在于 位置解的計(jì)算是分布在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和無線通信裝置中的。
15. —種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括 第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，用于提供笫一個位置解； 第一個蜂窩電話，它跟第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在一起，并且與其相連接，以便在第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的幫助下進(jìn)行時間和頻率測量中的至少一種，并與其共享所述測量的結(jié)果；笫二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，用于提供一個精確的時間和頻率估計(jì)； 第二個蜂窩電話，它跟第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在一起，并且能夠通過位于這個區(qū)域中的蜂窩基站跟第一個蜂窩電話進(jìn)行電話連系；和 一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可通過蜂窩基站接入每個蜂窩電話，并且可利用所述精確時間和頻率估計(jì)對笫一個位置解進(jìn)行后處理，為第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)提取更加精確的第二個位置解，以及借助于一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)跟第二個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和第二個蜂窩電話連接；其中第一個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和第一個蜂窩電話永久性地設(shè)置在一 個位置上，并且能夠連續(xù)地訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。
16. —種導(dǎo)航系統(tǒng)，包括一個蜂窩電話、 一個蜂窩電話基站和一 個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，其中的每一個都跟一個全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)配對；其中跟蜂窩電話有關(guān)的GPS接收機(jī)得到來自基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的 信息的幫助，以便利用時間差和/或頻率差測量結(jié)果減少衛(wèi)星搜索不 確定性，所述測量結(jié)果是從蜂窩電話的GPS接收機(jī)認(rèn)為是精確的時間 和頻率的數(shù)據(jù)中收集到的；和其中，用修正信息來對蜂窩電話計(jì)算出來的所有速度解進(jìn)行后處 理，從而獲得更高的精度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助衛(wèi)星導(dǎo)航的接收機(jī)以及方法。一種導(dǎo)航系統(tǒng)，包括蜂窩電話、基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。它們中的每一個都有一個GPS接收機(jī)配對。蜂窩電話的GPS接收機(jī)得到從基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器收到的信息的幫助，從而可減少衛(wèi)星搜索的不確定性。時間差和/或頻率差測量結(jié)果跟收集的數(shù)據(jù)一起使用，蜂窩電話和它的GPS接收機(jī)假設(shè)它們是精確的時間和頻率。將修正信息用于對蜂窩電話計(jì)算出來的速度解進(jìn)行后處理，從而為系統(tǒng)獲得更加精確的解。
文檔編號G08G1/0969GK101339236SQ200810129710
公開日2009年1月7日 申請日期2002年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者A·N·沃, P·W·麥博尼 申請人:伊萊德公司;精工愛普生株式會社