專利名稱：用于壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播消息信息的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及無線電通信系統(tǒng)中的定位服務，具體涉及用來在無線電通信系統(tǒng)中使用輔助全球定位系統(tǒng)(輔助GPS)位置確定能力幫助移動手機確定其位置的方法和設備。
GPS接收機通過使用二十四個衛(wèi)星的GPS星座確定其在地球上的位置，這些衛(wèi)星在地球表面上大約20,183.61km的高度上一天兩次沿軌道飛行。這些衛(wèi)星提供導航參考，允許用三到四個衛(wèi)星的三角測量作為精確參考點確定GPS接收機的位置(緯度、經度、高度，以及在某些應用中的速度)。在55度傾角的六個軌道面中提供GPS衛(wèi)星。各個軌道面包含四個衛(wèi)星。GPS星座給GPS接收機提供四到十二個衛(wèi)星，這些衛(wèi)星在視線清晰的情況下在地球上的任何地點都能用肉眼看到。
GPS衛(wèi)星通常將歷書和時鐘校正參數(shù)直接發(fā)送到GPS接收機。歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)給予GPS接收機計算衛(wèi)星位置和衛(wèi)星時鐘誤差參數(shù)所需的所有信息，衛(wèi)星位置和衛(wèi)星時鐘誤差參數(shù)都是時間的函數(shù)。GPS衛(wèi)星以50比特/秒(BPS)的速率以廣播模式從衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面。根據(jù)GPS接收機何時與所傳輸?shù)膹V播消息同步，一次發(fā)送單個GPS衛(wèi)星廣播消息需要十八到三十秒。Rockwell公司在所發(fā)布的ICD-GPS-200規(guī)范中公布了用于衛(wèi)星到地面消息的空中協(xié)議的規(guī)范。


圖1詳細介紹了現(xiàn)有技術的GPS衛(wèi)星廣播消息100。每個消息100有五個子幀子幀1 111、子幀2 112、子幀3 113、子幀4 114和子幀5115。每個子幀111、112、113、114、115有十個字120、121、122、123、124、125、126、127、128、129，每個字各有三十比特。各個三十比特的字有二十四個信息比特和六個奇偶校驗比特。對于各個子幀的第一字，即遙測(Telemetry)(TLM)字120有固定的八比特前同步碼131、十六比特數(shù)據(jù)段132和六比特奇偶校驗133。對于各個子幀的第二字，即越區(qū)切換字(HOW)121有十七比特周時(TOW)參數(shù)141、包含三比特子幀標識的七比特數(shù)據(jù)段142、和六比特奇偶校驗143。因為GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息以50BPS的速率傳輸，傳輸每個300比特的子幀111、112、113、114、115正好需要六秒，傳輸整個1500比特的消息100需要三十秒。參考ICD-GPS-200規(guī)范可以知道關于GPS衛(wèi)星廣播消息內容和格式的完整細節(jié)。
消息傳輸與GPS時間精確同步，消息100的50BPS序列的各個比特在GPS時間坐標中準確已知。各個比特代表從英國格林威治的上星期六的午夜后的0.02秒的附加經過時間。GPS系統(tǒng)通過TOW參數(shù)141表示該經過時間。GPS時鐘從英國格林威治的星期六的午夜開始計算秒數(shù)，直到下一個星期六的午夜。一個GPS星期包含604,800秒，然后在開始下一星期時時鐘被重置。然后用GPS星期計數(shù)器表示一星期之外的時間。因為50BPS消息的各個數(shù)據(jù)比特還和1023比特擴展頻譜擴展碼相干并與其同步，在一個數(shù)據(jù)比特內，時間已知為在0.001秒內。產生一個數(shù)據(jù)比特需要信號擴展碼的正好二十次重復。因而已知對偽隨機噪聲(PRN)代碼重復的整數(shù)次進行計數(shù)的GPS接收機的時間精度在20毫秒之內。
最后，測量一個PN代碼重復間隔的分數(shù)(也稱為測量時間的編碼相位)的GPS接收機的時間精確度已知為一毫秒。因此，現(xiàn)在制造的每個GPS接收機使用50BPS消息和基礎PN擴展代碼來得到從GPS衛(wèi)星傳輸?shù)臅r間的測量值，通過將從衛(wèi)星到接收機的傳播延遲加到由50BPS消息表示的時間上，有效地將衛(wèi)星中的精確時鐘轉換到基于地面的GPS接收機。在將GPS接收機(或傳感器)嵌入蜂窩電話用于定位目的的任何實現(xiàn)中，慢速的50BPS數(shù)據(jù)速率都是一個問題，因為它降低了位置坐標的可用性，并因此減緩了對位置確定請求的響應。另外，以50BPS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在諸如高樓或茂密樹葉下的弱信號環(huán)境下變得難以解調。為了解決這個問題，產生了輔助GPS的想法。
在輔助GPS中，通信網(wǎng)絡基礎結構用來幫助移動站GPS接收機，移動站GPS接收機可以作為獨立設備，也可以和無線電電話手機集成在一起。輔助GPS建立GPS參考網(wǎng)絡(或廣域DGPS網(wǎng)絡，下面將有詳細介紹)，它的參考GPS接收機對天空具有良好視野，并能持續(xù)工作以監(jiān)視實時GPS星座狀態(tài)。GPS參考網(wǎng)絡因此提供各個GPS衛(wèi)星在特定紀元時間的精確數(shù)據(jù)。該GPS參考網(wǎng)絡還和蜂窩基礎結構相連。
輔助GPS工作至少支持三種模式“MS輔助的”、“基于MS的”和“自主的”。對于MS輔助的GPS，移動站(MS)GPS接收機的位置在網(wǎng)絡進行計算。典型地，移動站接收諸如GPS時間、多普勒和編碼相位搜索窗口的輔助數(shù)據(jù)，并將偽距數(shù)據(jù)傳輸回網(wǎng)絡。對于基于MS的GPS，移動站GPS接收機的位置在手機進行計算。典型地，移動站接收諸如GPS時間、歷書和時鐘校正的輔助數(shù)據(jù)，并且如果需要可以將計算后的位置傳輸回網(wǎng)絡。對于自主的GPS，移動站GPS接收機的位置在手機進行計算，網(wǎng)絡提供非常有限的幫助(或者根本不提供幫助)。盡管對于自主的GPS，移動站GPS接收機的位置典型地在沒有網(wǎng)絡幫助的情況下獨立確定，自主的GPS可以寬松地被認為是基于MS的。
對于任何GPS應用，位置誤差歸因于衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星軌道、歷書預測、電離層延遲、對流層延遲和選擇可用性(SA)，選擇可用性是被設計用來降低對于普通用戶可用的位置精度的精度降低方案。為了減小這些誤差，距離和距變率校正能應用到原始偽距測量，以產生在開放環(huán)境下能精確到幾米的位置分辨率。一種這樣的校正技術是微分GPS(DPGS)，它在已測量位置使用參考GPS接收機通過網(wǎng)絡鏈路向移動站GPS接收機發(fā)送校正信息。對于MS輔助的GPS，可以在網(wǎng)絡或服務器將校正直接應用到從移動站GPS接收機接收的偽距和偽距變率(pseudo range-rates)。對于基于MS的GPS，校正必須以“點對點”或“廣播”(“點對多點”)傳輸被發(fā)送到移動站GPS接收機。注意到輔助GPS可以在有或沒有微分GPS校正的情況下工作；然而，對于那些大多數(shù)需要精度的定位應用來說通常需要校正。
因為GPS衛(wèi)星定位是基于到達時間(TOA)原則的，輔助GPS接收機中精確GPS時間的確定對于位置確定很重要。TOA原則用時間標記的距離信息指定GPS接收機的位置，因此GPS接收機中的GPS時間的精度影響從GPS信號計算的位置的完整性。
三種主要傳輸信息的類型包括它自己的位置、衛(wèi)星時間和PRN代碼的衛(wèi)星傳輸，GPS接收機使用PRN代碼來計算它到衛(wèi)星的距離。衛(wèi)星位置和時間來源于精確的基于地面的跟蹤設備和精確率達到每300,000年誤差為一秒的原子鐘。GPS接收機中產生的PRN代碼的內部流(它表現(xiàn)為隨機比特的非常長序列)可以和從衛(wèi)星接收的PRN代碼比特相比較調整兩個數(shù)據(jù)流可以得到代表從衛(wèi)星到GPS接收機的精確傳播時間的時間移位或位移。
在GPS信號接收端，現(xiàn)有GPS接收機的四種主要功能是1)通過確定偽距(編碼相位)測量從衛(wèi)星到接收機的距離；2)從衛(wèi)星傳輸消息的內容中提取信號達到時間；3)通過在指示的到達時間估計歷書數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的位置；和4)通過使用上述數(shù)據(jù)項目計算接收天線的位置和接收機的時鐘偏差。
搜索和捕獲GPS信號的處理、對于幾個衛(wèi)星解碼衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)(和別的數(shù)據(jù))、以及從這些數(shù)據(jù)計算用于定位GPS接收機的以天為單位的精確時間需要大量的計算和時間消耗。
需要一種對于GPS衛(wèi)星廣播消息的所有子幀以有效方式從原始1500比特長模式發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，這樣GPS接收機在不實際接收所有比特的情況下能使用整個1500比特消息的內容。這樣實現(xiàn)了兩個目的，即傳送衛(wèi)星軌道參數(shù)和給GPS接收機提供時間同步方法。還進一步需要提供一種能盡可能少損壞輔助GPS系統(tǒng)的性能的方法和設備。
圖1詳細介紹了現(xiàn)有技術的GPS衛(wèi)星廣播消息。
圖2是根據(jù)優(yōu)選實施例的輔助全球定位系統(tǒng)(輔助GPS)蜂窩無線電電話系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。
圖3展示了根據(jù)第一優(yōu)選實施例的真實衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)的修正。
圖4A和圖4B顯示了根據(jù)優(yōu)選實施例的使用來自GPS輔助消息的解壓縮后的信息的時間確定的過程。
圖5展示了根據(jù)第二優(yōu)選實施例的傳輸GPS輔助消息的定時考慮。
在移動蜂窩和PCS電話網(wǎng)絡中希望提供定位服務，使用全球定位系統(tǒng)(GPS)的定位系統(tǒng)可以使用與時間相關的衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息來便于測量手機位置。因此，這里披露了用來在輔助GPS無線電通信系統(tǒng)中給GPS接收機提供GPS衛(wèi)星廣播消息信息和精確時間的方法和設備。盡管這里討論的實施例指的是使用GPS衛(wèi)星，同樣可以使用別的衛(wèi)星系統(tǒng)。另外，盡管使用GSM蜂窩網(wǎng)絡作為示例來描述實施例，也能使用別的無線通信系統(tǒng)代替。
輔助GPS系統(tǒng)有GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點，它收集GPS衛(wèi)星廣播消息并準備要由基站收發(fā)信臺(BTS)在蜂窩載波信號上調制的單獨GPS輔助消息，并傳送到單個或多個手機。在第一優(yōu)選實施例中，不是由手機接收GPS輔助消息中的標準歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)元素，而是在包含XYZ信息的壓縮GPS輔助消息中包含根據(jù)衛(wèi)星時鐘校正修改的GPS衛(wèi)星坐標位置。在第二優(yōu)選實施例中，有第一類型的包含GPS衛(wèi)星廣播消息的子幀1、2、3數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息，以及第二類型的包含GPS衛(wèi)星廣播消息的子幀4、5數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息。為了減小壓縮GPS輔助消息的大小，根據(jù)第二優(yōu)選實施例的壓縮GPS輔助消息沒有冗余的或可預測的信息。為了減小業(yè)務量并保持手機的更新，第一類型能以與第二類型不同的速率更新。
圖2是根據(jù)優(yōu)選實施例的輔助GPS蜂窩無線電電話系統(tǒng)200的系統(tǒng)圖。為了從GPS衛(wèi)星200接收GPS衛(wèi)星廣播消息，帶有天線219的參考GPS接收機218位于一個已測量位置，并對天空具有開闊視野。為了產生GPS輔助數(shù)據(jù)，參考GPS接收機218從多個GPS衛(wèi)星220接收并跟蹤GPS衛(wèi)星廣播消息信號，根據(jù)當前工作的或定位應用請求的特定輔助GPS模式，將GPS輔助數(shù)據(jù)有選擇地發(fā)送給某個移動手機204或廣播到所有移動手機。輔助數(shù)據(jù)可以包括參考位置、參考時間、GPS時間、多普勒、編碼相位搜索窗口、歷書和時鐘校正、電離層延遲元素、世界時間坐標(UTC)偏移、年歷、DGPS校正和許多其它項目。對于使用DGPS的系統(tǒng)，由參考GPS接收機218產生的微分校正數(shù)據(jù)最好對于參考GPS接收機天線219的接收范圍之內的所有GPS衛(wèi)星200產生，以使移動手機的覆蓋范圍最大。
GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點260中的服務移動站位置中心(SMLC)212收集GPS衛(wèi)星廣播消息并準備要由基站收發(fā)信臺(BTS)202在蜂窩載波信號201上調制的單獨GPS輔助消息，并發(fā)送到單個或多個手機204。特定消息格式作為傳輸模式和輔助數(shù)據(jù)類型的函數(shù)而變化。注意到單個GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點260能連接到不止一個BTS。帶有天線203的BTS 202通過通信鏈路201以更高速率(諸如9600BPS或更高)將GPS輔助消息發(fā)送到裝有GPS傳感器的手機204。通信鏈路201可以是包括使用修正蜂窩電話控制和通信消息收發(fā)的任何消息收發(fā)方法。手機204中的GPS傳感器然后能更快地得到歷書、時鐘校正和其它輔助數(shù)據(jù)，還能在來自衛(wèi)星220的直接信號阻塞的情況下得到數(shù)據(jù)。
鏈路238、239代表用于輔助GPS蜂窩無線電電話系統(tǒng)200的替代基礎結構。如果使用鏈路238(因此不使用鏈路239)，GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點260連接到基站控制器(BSC)210。該基礎結構稱作基于基站子系統(tǒng)(BSS)。如果使用鏈路239(因此不使用鏈路238)，GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點260連接到移動站服務交換中心和訪問者位置寄存器(MSC/VLR)222,MSC/VLR222又連接到BSC210。該基礎結構被稱作基于網(wǎng)絡系統(tǒng)子系統(tǒng)(NSS)。典型地，在單個網(wǎng)絡中只支持一種類型的基礎結構，但是在兩種基礎結構中，BSC210都連接到與天線203連接的基站收發(fā)信臺(BTS)202。
圖2中描述的系統(tǒng)基礎結構是基于BSS的和基于NSS的基礎結構。雖然優(yōu)選實施例根據(jù)這些基礎結構來描述，這些導航消息壓縮技術在許多別的系統(tǒng)基礎結構中都可用。兩種基礎結構都意味著GPS服務器(位置確定實體)是GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點260的集成部分。GPS服務器能連接到參考GPS接收機218、SMLC 212、GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點260或另一個GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點。
熟悉本技術的人知道，參考GPS接收機和相關的GPS服務器(位置確定實體)能位于任何對天空具有開闊視野的已測量位置，只要它能連接到網(wǎng)絡或與網(wǎng)絡節(jié)點位于同一地點。例如，服務器能從參考GPS接收機分離，并和網(wǎng)絡節(jié)點集成在一起。根據(jù)移動站、網(wǎng)絡或定位服務客戶的請求，從GPS參考網(wǎng)絡得到的輔助數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡發(fā)送到移動站GPS接收機，以幫助快速啟動、增加傳感器靈敏度和減少得到位置信息所需的電源消耗。
使用在各個子幀111、112、113、114、115的第二字中包含的TOW141，諸如圖2中的參考GPS接收機218的參考GPS接收機能直接從GPS衛(wèi)星廣播消息100(見圖1)得到GPS時間。TOW141以GPS周時坐標描述了下一個子幀的第一比特的上升沿的傳輸精確時間。例如，子幀1111中的TOW描述了包含在子幀2112中的第一字的第一比特的上升沿的GPS周時。因此，一旦GPS接收機觀測到了TOW，就知道了周時。
GPS衛(wèi)星廣播消息100的前三個子幀111、112、113包含用于發(fā)送GPS衛(wèi)星的歷書和衛(wèi)星時鐘校正數(shù)據(jù)。歷書數(shù)據(jù)是使GPS接收機能重新創(chuàng)建衛(wèi)星飛行路徑的精確軌道參數(shù)。前三個子幀111、112、113的數(shù)據(jù)內容具有每個衛(wèi)星的720比特信息(忽略了對于每個二十四比特信息發(fā)送的六比特奇偶校驗)。
回到圖2，從GPS參考網(wǎng)絡260到手機204發(fā)送信息的方法是在GPS輔助消息中簡單地將包含在前三個子幀111、112、113(不包括奇偶校驗信息)中的所有信息內容比特發(fā)送到手機204。然而，該原始信息能按下述實施例中介紹的那樣被壓縮。
在第一優(yōu)選實施例中，不是由手機204直接從衛(wèi)星260接收標準歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)元素，或者直接從網(wǎng)絡接收標準歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)，而是手機204接收從由網(wǎng)絡接收的歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)計算得到的衛(wèi)星位置坐標。盡管位置坐標在這里用X、Y、Z迪卡爾坐標描述，它們也可以用球坐標θ、φ、r或其它類型的坐標替代。表1中給出了包含XYZ信息的該壓縮GPS輔助消息的內容，其中t2=t0+2Δt、t1=t0+Δt。注意，消息有三組對于各個GPS衛(wèi)星計算后的位置，它相對于發(fā)送全部歷書數(shù)據(jù)組減少了廣播所需的比特的數(shù)量。這三組數(shù)據(jù)在時間上分離，以允許移動手機在所計算數(shù)據(jù)的適用時間(time ofapplicability)之間進行曲線擬合內插，以得到當前時間的位置和速度數(shù)據(jù)。使用內插而不是外推，從而相對于基于完全的歷書數(shù)據(jù)組的手機計算去除了任何顯著誤差。
表1．包含XYZ信息的壓縮GPS輔助消息的格式
注意ECEF表示地心地固坐標。為了使上述參數(shù)或這些參數(shù)的子集適合于多種消息格式，它們能被合并、分隔、剪裁或壓縮。
包含XYZ信息的壓縮GPS輔助消息包括單獨消息中的所有三種衛(wèi)星位置向量X0、Y0、Z0；X1、Y1、Z1和X2、Y2、Z2，各個衛(wèi)星位置向量(X,Y,Z)被認可的時間間隔Δt分隔。為了進一步減小GPS輔助消息的長度，可以修改消息，使每個消息只包括一個衛(wèi)星位置向量(X,Y,Z)，用某個先前認可的時間間隔Δt分隔。這需要在t1和t2之間以及t2和t3之間的其它時間能計算移動站的位置之前，移動站在t1、t2和t3得到三個持續(xù)的廣播消息。這可能有問題，因為要得到完整的三個測量則需要手機不能丟失一個傳輸。
手機使用一種算法來計算在任意時間t,t0＜t＜t1(其中t1=t0+Δt)的衛(wèi)星位置和速度。這個算法實際上是迭代的，它分為三步首先從位置數(shù)據(jù)計算初始加速度估計，然后計算速度估計，最后計算位置估計。該算法對于位置向量的各個分量是一樣的，所以在下面的公式中只詳細介紹了一個單獨分量X。首先，用公式(1)得到加速度估計X..=X2-2X1+X0Δt2---(1)]]>然后用公式(2)得到速度估計X..0=X1-X0Δt-12X..Δt---(2)]]>最后，用公式(3)得到GPS衛(wèi)星位置X(t)=X0+X.0(t-t0)+12X..(t-t0)2---(3)]]>一旦在手機中確定了衛(wèi)星位置，進行偽距測量，它代表接收機和衛(wèi)星(外加接收機時鐘偏差)之間的接收機測量距離，在現(xiàn)有技術中已經知道如何從測量值計算GPS接收機位置。參看Bradford Parkinson等的“全球定位系統(tǒng)理論和應用”。
注意到包含XYZ信息的壓縮GPS輔助消息沒有衛(wèi)星時鐘校正數(shù)據(jù)。為此，如圖3所示，適當修改在信道201(圖2)上發(fā)送的位置數(shù)據(jù)以吸收時鐘誤差的影響。這樣允許完全去掉時鐘校正參數(shù)，并進一步減少要傳輸?shù)谋忍氐臄?shù)量。為了達到這個目的，時鐘誤差的影響按如下所述被轉化為等價的衛(wèi)星位置偏移。
圖3展示了根據(jù)第一優(yōu)選實施例的衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)的修改。在圖3中，GPS衛(wèi)星320在無線電通信系統(tǒng)上沿軌道旋轉。無線電通信系統(tǒng)包括多個基站302(或別的網(wǎng)絡節(jié)點)，它和諸如移動手機304的移動站進行雙向無線通信。手機304接收包含上表1中詳細介紹的格式的XYZ信息的壓縮GPS輔助消息。將時鐘誤差的影響轉化為等價衛(wèi)星位置偏移需要以對應于衛(wèi)星時鐘校正的數(shù)量修改衛(wèi)星的真實位置的衛(wèi)星軌道曲線擬合X(t)，以產生有效位置曲線XE’(1)，衛(wèi)星的真實位置X(t)由曲線310表示，有效位置XE’(t)由曲線328表示。從時間t0、t1和t2的歷書數(shù)據(jù)得到的衛(wèi)星時鐘校正乘上光速(SOL)可以計算得到有效距離延伸(effective range extension)C(t0)312、C(t1)314和C(t2)316。該值可以是正值(離參考點R更遠)或負值(離參考點R更近)。
按下式計算由曲線328表示的有效位置XE’(t)XE′(t0)=X(t0)+C(t0)SOL(X(t0)-R|X(t0)-R|)---(9)]]>為了產生有效衛(wèi)星軌道，需要參考點R沿著衛(wèi)星真實位置X(t)和參考點R之間的延長線設計衛(wèi)星軌道位置?？梢苑奖愕卮_定參考點R為基站302或和參考GPS接收機(未顯示)連接的另一個節(jié)點。因此，使用簡單向量數(shù)學將衛(wèi)星軌道路徑X(t)310修改為有效軌道路徑XE’(t)328。
選擇系統(tǒng)的各個單個基站作為參考點R可以控制在距離測量中出現(xiàn)的誤差。與從移動站302的位置U到衛(wèi)星320的位置之間的距離相比，基站302和移動站304之間的分隔距離D很短。假設基站302在移動站304的10km之內(這在蜂窩系統(tǒng)中多數(shù)時間是有效的)。還已知衛(wèi)星時鐘校正不能大于5ms，因為這是參數(shù)的最大值。衛(wèi)星預知距離的最大誤差是該時鐘誤差和分隔距離D的函數(shù)。那么，基于修改的或設計的衛(wèi)星軌道、10km分隔距離D和5ms時鐘誤差的測量距離中的計算出的最大誤差是大約1米，相比于諸如多徑、接收機噪聲、電離層延遲和別的量化影響，這是一個可以接受的小值。
可以使用多種技術進一步壓縮或減少發(fā)送衛(wèi)星廣播歷書數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)數(shù)量。例如，可以對衛(wèi)星運動方程進行二階(或更高階)曲線擬合，發(fā)送曲線擬合參數(shù)，而不是發(fā)送更大的歷書數(shù)據(jù)。該技術可以把從基礎結構到移動站的通信所需的比特的總數(shù)有效地減少大約2的因數(shù)?；蛘撸缜八?，可以在三個已知時間t0、t1和t2向移動站發(fā)送三組衛(wèi)星坐標X、Y和Z，移動站可以在移動站中計算曲線擬合參數(shù)，因此移動站可以在t0和t2之間的任何時間計算衛(wèi)星的位置。
所有這些技術都可以用于從GPS衛(wèi)星向移動站發(fā)送用于GPS衛(wèi)星軌道確定的壓縮原始信息；然而，它們沒有發(fā)送包含在GPS衛(wèi)星50BPS消息序列中的一個另外的關鍵信息元素，那就是時間。
如前所述，GPS衛(wèi)星50BPS消息與GPS時間非常精確地同步。GPS接收機測量消息的到達時間，該消息包含表示開始下一個子幀的第一比特的精確到達時間的信息(主要是TOW141，包含在每個子幀111、112、113、114、115的第二字中)。在某些蜂窩系統(tǒng)中(例如CDMA)，在手機中能精確地知道時間。在別的系統(tǒng)中(例如AMPS、GSM、TDMA、W-CDMA、UMTS等)，并不知道時間，需要各種復雜而昂貴的技術來向移動站發(fā)送時間。
可以使用的一種時間傳送技術是向移動站發(fā)送所有的GPS衛(wèi)星已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特，適當?shù)貥擞洉r間，這樣任何單個比特的精確GPS時間使手機可以計算任何比特或所有比特的時間。然后手機在多個數(shù)據(jù)比特上把已知的數(shù)據(jù)比特模式與所接收信號相關。發(fā)現(xiàn)最大相關點就可以確定接收到特定消息比特序列的時間。最大相關的時間偏移成為手機時鐘中的時間偏移，因此手機時鐘可以被校正。
在顯示了三個主要步驟的圖4A和圖4B中介紹了使用來自GPS輔助消息的解壓縮信息的時間確定過程。在步驟410中，在與從BTS202(顯示在圖2中)發(fā)送的已知PRN代碼數(shù)據(jù)比特序列的預期相關時間段中，手機204(顯示在圖2中)中從相關器441以1毫秒速率輸出的去擴展的I和Q抽樣存儲在本地存儲器445中。在步驟420中，手機204在預期時間內從BTS202接受GPS輔助消息451，該消息將被存儲在存儲器445中。手機204然后通過用已計算或預測字段替換未發(fā)送的數(shù)據(jù)來重新構造GPS衛(wèi)星廣播消息，并將其存儲在本地存儲器453中。擴展器(expander)455擴展GPS衛(wèi)星廣播消息數(shù)據(jù)，對于各個比特擴展到同樣極性的二十比特。將延遲器456設置為零延遲。在將所有存儲器445字與存儲器453中的GPS衛(wèi)星廣播消息數(shù)據(jù)模式相關，在相加塊457中把擴展GPS衛(wèi)星廣播消息數(shù)據(jù)模式與存儲在存儲器445中N個字的每一個字相加存儲器445的長度。在量值計算塊458中計算該總和的量值，將結果存儲到量值對延遲(magnitude vs.delay)存儲器459的存儲器零。設置延遲塊457為一毫秒延遲，再次重復，將總和存儲到量值對延遲存儲器459的地址一。重復這個過程，直到完成了塊457的所有可能延遲，將總和存儲到量值對延遲存儲器459中的所有可用延遲。
在步驟430，掃描量值對延遲存儲器459，以得到最大量值。對應于最大量值相關總和的存儲器地址對應于數(shù)據(jù)進入本地存儲器445的捕獲開始時間與對應于存儲進存儲器445的GPS衛(wèi)星廣播消息的第一比特的時間之間的時間延遲。
熟悉本領域的人知道該時間延遲能用來得到GPS衛(wèi)星廣播消息序列的預期到達時間與它的實際TOA的時間偏移。時間誤差能被用來校正本地(手機)定時時鐘。也可能從基礎結構向移動站發(fā)送的消息被發(fā)送來向移動站表示大概時間(例如，基礎結構中的定時時鐘在特定時間使能一個消息)，這樣移動站知道大概在何時尋找已知GPS衛(wèi)星廣播消息模式。時間的不確定性已知是信號傳播延遲和與從基礎結構向移動站發(fā)送消息相關的等待時間的函數(shù)。可以預期在較壞情況下該等待時間不超過幾秒，它限制了移動站必須尋找數(shù)據(jù)模式的范圍。
這樣，從對應于任何單個比特的GPS時間的知識可以得到任何比特的時間知識(各個比特在時間上相差二十毫秒)。現(xiàn)在的問題是，以有效比特方式向移動站傳輸大量原始50BPS數(shù)據(jù)。
第二優(yōu)選實施例提出了基礎結構廣播或點對點消息，它以有效比特方式傳送GPS衛(wèi)星發(fā)送消息的50BPS消息內容。第二優(yōu)選實施例僅發(fā)送不冗余或不能預測的數(shù)據(jù)。這種方式減少了GPS輔助消息中的數(shù)據(jù)比特的數(shù)量。在圖1中，子幀中有數(shù)據(jù)比特字段，它們對于各個子幀都相同。例如，各個子幀111、112、113、114、115的第一字120的前八個比特包含前同步碼131。因為前同步碼131對于各個子幀是相同和已知的，因此它不需要被發(fā)送。與此相似，TOW141是可以用時間預測的十七比特長序列。只要已知時間在三秒之內，GPS接收機能預測包含在當前子幀中的TOW數(shù)據(jù)模式。同樣，可以預測在第一子幀111開始時的TOW141，因此允許有十五秒的時間不確定性窗口。同樣，包含在各個子幀111、112、113、114、115的第三字122中的三比特子幀標識參數(shù)也能用時間預測。用相似的方式，包含在各個子幀111、112、113、114、115的第一字中的三十比特長遙測(TLM)字120僅需要被發(fā)送一次，因為在多數(shù)時間TLM字120對于各個子幀是相同的(也就是，TLM字以比每六秒一次慢得多的速度改變)。因此，如果TLM字120從第一子幀111發(fā)送，很可能同樣的TLM字將在第二子幀和第三子幀112、113中再次發(fā)送。這樣，能減小GPS衛(wèi)星消息100的內容。
如前所述，各個三十比特字120、121、122、123、124、125、126、127、128、129包含六比特奇偶校驗和二十四比特信息字段。奇偶校驗比特字段不需要被發(fā)送到移動站，因為移動站可以基于當前字的二十四比特和來自前一個字的最后兩個計算的奇偶校驗比特重新計算數(shù)據(jù)模式。最后，原始衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)包含IODE(數(shù)據(jù)歷書發(fā)布)(issueof data ephemeris)參數(shù)，它在前三個子幀111、112、113中是完全相同的。IODE參數(shù)是為了確保從各個子幀收集歷書數(shù)據(jù)的GPS接收機收集具有相同IODE的所有三個子幀，因此確保歷書和時鐘數(shù)據(jù)用于相同發(fā)布。在發(fā)送單個消息中的歷書和時鐘校正的方案中，僅需要發(fā)送一個IODE參數(shù)；可以消除來自第二子幀和第三子幀112、113的IODE。因此，能按下述構造包含有在前三個子幀111、112、113中的所有不冗余和不能預測的比特的GPS輔助消息從子幀1 111發(fā)送所有數(shù)據(jù)比特，減去奇偶校驗比特、消息前同步碼、子幀標識；從子幀2 112發(fā)送所有數(shù)據(jù)比特，減去奇偶校驗比特、消息前同步碼、TOW141、子幀標識、TLM字121、IODE；和從子幀3 113發(fā)送所有數(shù)據(jù)比特，減去奇偶校驗比特、消息前同步碼、TOW141、子幀標識、TLM字120、IODE。
表2中顯示了包含子幀1、2、3數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息的格式。
表2．包含子幀1、2、3數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息的格式
對上表進行稍微修改能從子幀1數(shù)據(jù)中去掉TOW141。但是為了方便于向手機給出子幀3的實際時間，建議在子幀1數(shù)據(jù)中保留第一TOW字。
如圖5所示，對于GPS衛(wèi)星520的子幀1到子幀3所發(fā)送的消息包含三個50BPS數(shù)據(jù)的子幀，其總長為900比特。通過別的網(wǎng)絡節(jié)點連接到基站收發(fā)信臺(BTS)502的參考GPS接收機518收集50BPS數(shù)據(jù)序列，并將其存儲在本地存儲器(未顯示)。數(shù)據(jù)被組裝，并按前述壓縮為包含子幀1、2、3數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息515。在某個預先確定的廣播消息時間T2(例如，每九十秒一次或某個其它的周期率)，具有由GPS衛(wèi)星520發(fā)送的不可預測和不冗余的比特的壓縮消息515被使用格式化消息509從基礎結構向移動站504廣播。格式化消息509由時間dT1進行時間標記，精度可達到三秒。移動站504現(xiàn)在能知道T2和T1之間的延遲時間dT1或者T2和三個子幀的結束之間的延遲時間dT2，因為它知道包含在數(shù)據(jù)的第一子幀中的TOW。該時間延遲的精度達到幾秒的級別。
使用參考圖4在前面介紹的相關技術可以計算實際的精確延遲，然后能得到時間的精確知識并被手機504得知。只要向移動站504發(fā)送包含子幀1、2、3數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息的時間不超過十五秒(包括消息傳輸?shù)却龝r間)，移動站504可以重新產生包含在GPS衛(wèi)星廣播消息的前三個子幀中的整個900比特序列，其目的是提取消息內容并使900比特長數(shù)據(jù)模式可用于移動站504內的時間確定。
以相似方式可以產生具有子幀4、5數(shù)據(jù)的內容的壓縮GPS輔助消息。而且，當從基礎結構向移動站發(fā)送時，去除了來自GPS衛(wèi)星廣播消息100(圖1)的冗余的和可預測的消息比特。表3中顯示了這樣的消息。
表3．包含子幀4、5數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息的格式
已經產生了兩種單獨類型的壓縮GPS輔助消息。一種消息包含用于特定衛(wèi)星的子幀1、2和3數(shù)據(jù)，另一種消息包含來自特定衛(wèi)星的子幀4和5數(shù)據(jù)。兩種消息的區(qū)別和分隔很重要，因為它能使兩種單獨消息以兩種單獨速率廣播，該速率符合第一最佳速率以傳送衛(wèi)星歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)，以及另一個最佳速率以傳送來自子幀4和5的其它星座數(shù)據(jù)。
例如，在有八個可視衛(wèi)星的情況下，表2中所示的包含子幀1、2、3數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息能以諸如九十秒的間隔廣播，每九十秒從一個衛(wèi)星發(fā)送所有的衛(wèi)星歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)。在這種方案中，每十二分鐘發(fā)送一次用于八個可視衛(wèi)星的歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)。作為廣播消息，這是合理的時間段，它確保能在短時間內向加電的新移動站傳送用于所有可視衛(wèi)星的所有所需歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)在移動電話通常在早上加電一次，然后整天開著，廣播速率使所有移動站在所有時間保持更新。這是因為歷書和時鐘數(shù)據(jù)的有效期是大約四個小時，但是新衛(wèi)星可能要升起和設置，因此在短時間內將新數(shù)據(jù)傳送到新的可視衛(wèi)星就很重要。
至于子幀4、5數(shù)據(jù)，它們大多數(shù)包含用于星座中的所有衛(wèi)星的衛(wèi)星年歷數(shù)據(jù)，并且包括UTC到GPS時間偏移、電離層延遲和其它非常緩慢變化的參數(shù)，有可能以慢得多的速率廣播一個包含子幀4、5數(shù)據(jù)的壓縮GPS輔助消息，該速率適宜于周期性地更新手機中的信息。例如，年歷數(shù)據(jù)典型地每隔一天改變一次，但是它能在數(shù)月內有效。因此，以每幾個小時一次或每天一次的使移動站中的信息更新的速率發(fā)送子幀4、5數(shù)據(jù)能更快地更新歷書數(shù)據(jù)以保持其更新，其代價是以慢得多的速率更新年歷和其它子幀4、5數(shù)據(jù)。無線傳輸資源的這種類型的動態(tài)分配可以由服務操作員基于當前使用模式和業(yè)務負荷實時完成。例如，在高業(yè)務負荷時服務操作員可以動態(tài)調整GPS輔助消息更新率，在高業(yè)務量時相比于子幀4、5數(shù)據(jù)更偏向于子幀1、2、3數(shù)據(jù)，和/或在低業(yè)務量時重新使用標準更新率。
實際上所有GPS輔助消息可以在一個控制標題下組織在一起?？刂茦祟}可以具有加密信息、數(shù)據(jù)格式(內容)信息和其它由這些消息共享的公用參數(shù)。在解碼該控制標題后，手機將知道在消息的剩余部分包含什么類型的數(shù)據(jù)。例如，控制標題可以包含表2和表3中討論的兩個消息，以及捕獲輔助和DGPS校正消息。為了允許進一步擴展，可以保留數(shù)據(jù)格式參數(shù)，使得控制標題可以控制不僅這四種類型的消息。與子幀1、2、3數(shù)據(jù)和子幀4、5數(shù)據(jù)消息相似，其它消息的傳輸速率可能不同，或者可以動態(tài)調整。例如，捕獲輔助消息可以每九分鐘廣播一次，DGPS校正消息可以每三十秒廣播一次?；蛘?，可以基于網(wǎng)絡負載和其它前述因素調整傳輸速率。
對于捕獲輔助消息，除了適應性時間SVID、多普勒(0階、1階和2階)、編碼相位和整數(shù)編碼相位，還可以包括參考位置(緯度、經度和高度)，以使手機知道消息產生的地方。典型地，GPS輔助消息傳輸覆蓋范圍大于單個蜂窩。知道該附加信息后手機可以相應使用剩余的輔助數(shù)據(jù)參數(shù)。
DGPS校正消息可以包含定時信息、健康狀態(tài)、包含了多少衛(wèi)星校正以及諸如衛(wèi)星ID、IODE、用戶微分距離誤差(UDRE)、偽距校正(PRC)和偽距變率校正(RRC)的其它DGPS校正參數(shù)。另外，對于廣播區(qū)域中的不同手機使用的歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)的多個拷貝，可以包括校正差(ΔPRC和ΔRRC值)。根據(jù)可用消息長度，它可以和一組差一樣短，或者和四組差一樣長。
上面討論的GPS輔助消息可應用在廣播和點對點傳輸模式中。為了使這些消息適合不同格式，熟悉本領域的人知道對于各個消息所討論的參數(shù)可以合并、分離、剪裁和壓縮，以形成用于傳輸?shù)牟煌L度。
在上面已經提出了前面討論的實施例，熟悉本領域的人知道本發(fā)明還能應用在所介紹的實施例之外的其他情況。因此，所附權利要求定義了本發(fā)明的范圍，包括這些設想的改變、修正和變化。
權利要求
1．用于從基礎結構到手機的無線傳輸?shù)娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)輔助消息，包括來自全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀1的子幀1壓縮數(shù)據(jù)；來自全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀2的子幀2壓縮數(shù)據(jù)；和來自所接收的全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀3的子幀3壓縮數(shù)據(jù)。
2．根據(jù)權利要求1的GPS輔助消息，其中所述子幀1壓縮數(shù)據(jù)包括全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀1的比特，減去HOW字、TLM字、星期數(shù)和奇偶校驗比特。
3．根據(jù)權利要求1的GPS輔助消息，其中所述子幀2壓縮數(shù)據(jù)包括全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀2的比特，減去HOW字、TLM字、數(shù)據(jù)歷書發(fā)布和奇偶校驗比特。
4．根據(jù)權利要求1的GPS輔助消息，其中所述子幀3壓縮數(shù)據(jù)包括全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀3的比特，減去HOW字、TLM字、數(shù)據(jù)歷書發(fā)布和奇偶校驗比特。
5．根據(jù)權利要求1的GPS輔助消息，其中所述子幀1壓縮數(shù)據(jù)包括GPS衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀1的比特，減去前同步碼、子幀標識和奇偶校驗比特。
6．根據(jù)權利要求1的GPS輔助消息，包括在GPS衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀1的第一比特的開始的傳輸信息的時間標記時間。
7．用于從基礎結構到手機的無線傳輸?shù)娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)輔助消息，包括來自全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀4的子幀4壓縮數(shù)據(jù)。
8．根據(jù)權利要求7的GPS輔助消息，其中所述子幀4壓縮數(shù)據(jù)包括全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀4的比特，減去電離層延遲元素、UTC偏移、TLM字、HOW字、數(shù)據(jù)ID和奇偶校驗比特。
9．根據(jù)權利要求7的GPS輔助消息，包括來自全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀5的子幀5壓縮數(shù)據(jù)。
10．根據(jù)權利要求9的GPS輔助消息，其中所述子幀5壓縮數(shù)據(jù)包括GPS衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀5的比特，減去HOW字、TLM字、數(shù)據(jù)ID和奇偶校驗比特。
11．一種產生用于從基礎結構到手機的無線傳輸?shù)娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)輔助消息的方法，包括壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀1數(shù)據(jù)；壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀2數(shù)據(jù)；和壓縮所接收的全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀3數(shù)據(jù)。
12．根據(jù)權利要求11的方法，通過從所述子幀1壓縮數(shù)據(jù)除去HOW字、TLM字、星期數(shù)和奇偶校驗比特來壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀1數(shù)據(jù)。
13．根據(jù)權利要求11的方法，通過從所述子幀2壓縮數(shù)據(jù)除去HOW字、TLM字、數(shù)據(jù)歷書發(fā)布和奇偶校驗比特來壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀2數(shù)據(jù)。
14．根據(jù)權利要求11的方法，通過從所述子幀3壓縮數(shù)據(jù)除去HOW字、TLM字、數(shù)據(jù)歷書發(fā)布和奇偶校驗比特來壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀3數(shù)據(jù)。
15．一種產生用于從基礎結構到手機的無線傳輸?shù)娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)輔助消息的方法，包括壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀4數(shù)據(jù)；壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的子幀5數(shù)據(jù)。
16．根據(jù)權利要求15的方法，通過從所述子幀4壓縮數(shù)據(jù)除去電離層延遲元素、UTC偏移、TLM字、HOW字、數(shù)據(jù)ID和奇偶校驗比特來壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀4數(shù)據(jù)。
17．根據(jù)權利要求15的方法，通過從所述子幀5壓縮數(shù)據(jù)除去HOW字、TLM字、數(shù)據(jù)ID和奇偶校驗比特來壓縮全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星廣播導航消息的所述子幀5數(shù)據(jù)。
全文摘要
輔助全球定位衛(wèi)星(輔助GPS)系統(tǒng)具有GPS參考網(wǎng)絡節(jié)點(260),它收集GPS衛(wèi)星廣播消息,并準備由基站收發(fā)信臺(BTS)(202)在蜂窩載波信號(201)上調制的各個GPS輔助消息,并將其傳送到一個或多個手機(204)。在第一優(yōu)選實施例中,不是由手機(204)接收GPS輔助消息中的標準歷書和時鐘校正數(shù)據(jù)元素,而是在包含XYZ信息的壓縮GPS輔助消息中包含根據(jù)衛(wèi)星時鐘校正修改的GPS衛(wèi)星坐標位置。
文檔編號H04B1/66GK1309519SQ0110186
公開日2001年8月22日 申請日期2001年2月15日 優(yōu)先權日2000年2月15日
發(fā)明者趙亦林, 托馬斯M·金, 喬治J·蓋爾 申請人:摩托羅拉公司