專利名稱：用于利用估計的參考時間確定全球定位系統(tǒng)接收機的位置的方法
技術領域：
本發(fā)明一般屬于用于確定全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機的位置的方法，特別涉及當用于確定GPS接收機的位置的輔助信息在與由該GPS接收機所進行的范圍測量不同的時刻被計算時，用于確定GPS接收機位置的方法。
現(xiàn)有技術描述蜂窩式電話系統(tǒng)裝備有用于確定在該蜂窩式電話系統(tǒng)中工作的蜂窩式電話的地理位置的裝置是人們所期望的，并且有可能在不久的將來成為強制性的標準。為了滿足這個要求，人們提出在蜂窩式電話中裝備有用于確定該蜂窩式電話的位置的全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機。但是，GPS接收機價格昂貴、增加蜂窩式電話的尺寸并且消耗該蜂窩式電話可用的有限電池能量。另外，在建筑物中或在GPS衛(wèi)星發(fā)射由于障礙物的衰減、反射等等而變弱的其他位置，GPS接收機不能良好地工作。
眾所周知，通過削除用于獲得輔助信息的特定GPS接收機的功能，可以使GPS接收機做得更小、更加便宜和更加具有能量效率，其中該輔助信息一般通過GPS衛(wèi)星信號的解調而獲得。取代解調GPS衛(wèi)星信號的是采用另一種裝置來把所需的輔助信息提供給GPS接收機。該輔助信息包括各種信息，例如當前在GPS接收機的視野范圍內的GPS衛(wèi)星的列表、對于所列出的GPS衛(wèi)星的多普勒頻移、對于每個所列出的GPS衛(wèi)星的天文歷數(shù)據(jù)、以及對于每個所列出的GPS衛(wèi)星的時鐘校正數(shù)據(jù)。削除對GPS接收機解調GPS衛(wèi)星信號的需要，還使得GPS接收機可以在較長時間段上對該GPS衛(wèi)星信號進行積分，用于接收由于障礙物所削弱的信號。
但是，為了計算由于GPS接收機的輔助信息，GPS接收機的大約位置必須已知。另外，GPS接收機的實際位置越接近于在計算輔助信息中所用的近似位置，則由GPS接收機所執(zhí)行的最終位置搜索更少。例如，已知，如果把對GPS接收機實際位置的一百英里半徑內的某個位置計算的輔助信息給予GPS接收機，則該GPS接收機不需要測量到GPS衛(wèi)星的實際范圍，而是僅僅需要對每個范圍測量一毫秒的一部分。在一毫秒代碼周期中查找相對碼移位置大大地簡化必要的范圍測量。但是，為了實現(xiàn)該操作，GPS接收機仍然必須為所有要用于該定位解決方案的所有GPS衛(wèi)星搜索所有一千零二十三個碼移位置。
碼移搜索可以通過結合快速傅利葉變換與反快速傅利葉變換相關器而執(zhí)行，以同時搜索所有碼移位置。用于查找循環(huán)系列的碼移位置的技術在教科書中描述，例如由Oppenheim和Shafer所著的《數(shù)字信號處理》。盡管這種方法比直接相關法更加具有計算效率，但是它仍然是需要大量計算，這需要附加功能并且消耗有限的電池能源。另外，隨著把信息傳送到移動單元以幫助它搜索GPS衛(wèi)星范圍，則由于該方法消耗計算周期來對不可能的許多碼移位置進行搜索，因此它計算效率變低。
其它搜索所有一千零二十三個位移代碼位置的另一種解決方法是設計專用的硬件來同時搜索多個碼移位置。但是，到目前為止專用硬件的解決方法不能夠同時搜索一小部分的碼移位置，因此需要多次搜索和較長的時間延遲。
在共同未決共同轉讓的美國專利申請序號08/950690，名為用于蜂窩式電話系統(tǒng)的簡化全球定位系統(tǒng)接收機碼移搜索空間，在1997年10月15日申請，其中公開一種用于提供在移動站中的簡化功能的GPS接收機的方法，其利用為在服務該移動站的小區(qū)中的已知地理位置計算的輔助信息。連接到蜂窩式電話網(wǎng)絡的服務器根據(jù)在蜂窩式電話基站所服務的小區(qū)中的已知位置計算輔助信息。在一個例子中，該輔助信息包括在該基站的視野內的GPS衛(wèi)星的列表、用于每個所列GPS衛(wèi)星的多普勒校正值、以及根據(jù)對已知位置的國際標準時間調整的時間的用于每個所列GPS衛(wèi)星的碼移位置。在另一個例子中，該輔助信息包括在基站視野中的GPS衛(wèi)星的列表、基站覆蓋的中央位置、以及基于國際標準時間調整的時間的所列衛(wèi)星的位置和時鐘校正。
該方法的一個缺點是，它取決于GPS衛(wèi)星和由GPS接收機所做的范圍測量之間的時間同步。但是，在許多例子中，GPS接收機進行范圍計算的時間由于蜂窩式電話網(wǎng)絡中的延遲而變化。因此，提供一種根據(jù)不與GPS衛(wèi)星時間同步的輔助信息執(zhí)行范圍計算的方法是有利的。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一種用于確定衛(wèi)星接收機的位置的方法。該方法以選擇用于利用至少四個衛(wèi)星計算假定位置的嘗試時間為開始。該假定位置是根據(jù)所選擇的嘗試時間而確定的。計算從該假定位置到第五衛(wèi)星的第一范圍，并且測量從該假定位置到第五衛(wèi)星的第二范圍。把第一范圍與第二范圍相比較。如果第一范圍不等于該第二范圍，則把該假定位置不是實際位置。選擇一個新的嘗試時間，重復該方法。當?shù)谝环秶c第二范圍基本上相等，則該假定位置是實際位置。
附圖簡述為了更加完整的理解本發(fā)明，請參照下文結合附圖的具體描述，其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例用于確定地理位置的系統(tǒng)的功能方框圖；圖2示出多個GPS衛(wèi)星和一個已知和未知的位置，用于說明根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的用于確定地理位置的例子；以及圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施例用于確定地理位置的方法的流程圖。
本發(fā)明的具體描述現(xiàn)在參照圖1，其中示出根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的用于確定地理位置的系統(tǒng)的功能方框圖。位于蜂窩式電話網(wǎng)絡110的小區(qū)位置120中的蜂窩式電話基站100服務于一個蜂窩式電話140。該小區(qū)位置120被分為第一扇區(qū)130、第二扇區(qū)132和第三扇區(qū)134，圖1示出該蜂窩式電話140位于第一扇區(qū)130中。該蜂窩式電話140還包括簡化功能的GPS接收機150，該接收機從多個GPS接收機160接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號。簡化功能的GPS接收機150不包括用于解調GPS衛(wèi)星160的信號以及確定輔助信息的功能。替代地，用于確定位置以及減小要搜索的多普勒頻移和代碼相移范圍所需的輔助信息被從另一個源提供到該簡化功能的GPS接收機150。
各種不同的信息組可以包含在該輔助信息中，以實現(xiàn)減小搜索空間，它們每個都具有一定的優(yōu)缺點。第一組包括在簡化功能的GPS接收機140視野內的衛(wèi)星160列表、用于所列衛(wèi)星160的多普勒頻率以及用于所列衛(wèi)星160所期望的代碼相位關系。但是，該信息必須以在非常短的延遲傳送，因為用于所列衛(wèi)星160的所期望代碼相位關系隨著時間而急劇變化。并且，需要一些形式的時間同步來在測量時定位衛(wèi)星160。
另一種輔助信息包括在簡化功能的GPS接收機140視野內的衛(wèi)星160列表，用于所列衛(wèi)星160的天文歷數(shù)據(jù)、用于所列衛(wèi)星160的時鐘校正數(shù)據(jù)，簡化功能的GPS接收機140的大約位置以及時序信息。在這種情況下，該信息的延遲不太成問題，并且多普勒頻率和衛(wèi)星信號之間的相對代碼相位可以被計算。但是，該時間信息需要在幾秒內得知，用于有效搜索和偽范圍的測量。例如，由于衛(wèi)星160需要在測量時被精確地定位，因此該時間信息需要在10毫秒內得知以解決定位問題。時間信息可以從時間標準、內部時鐘或者蜂窩式電話網(wǎng)絡中獲得。時間信息還可以從GPS信號中獲得，但是需要把附加功能包含在該簡化功能的GPS接收機中，以執(zhí)行GPS信號的解調。
第三組輔助信息包括在該簡化功能的GPS接收機140的視野內的衛(wèi)星160的列表、用于所列衛(wèi)星160的位置數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)、用于所列衛(wèi)星160的時鐘校正以及該簡化功能的GPS接收機140的大約位置。該組輔助信息考慮用在已知時間的衛(wèi)星160的位置和它們的短期運動取代通常的天文歷和時間信息。使用該組輔助信息和本發(fā)明的用于定位簡化功能的GPS接收機的方法，則可以容許直至60秒的延遲用于快速信號搜索和測量。在上述情況中，可以進行差別GPS校正的求和。
該已知位置是基站100的位置或者是該蜂窩式電話所在扇區(qū)130的中心200。在基站100的覆蓋區(qū)域中的已知位置被用于計算輔助信息。該位置可以用任何方法來確定，包括使用位于基站100或服務器170的計算輔助信息的GPS接收機180。
基站100獲得并定期更新屬于該GPS衛(wèi)星160的當前狀態(tài)的GPS天文歷信息和時鐘校正值。在一個優(yōu)選實施例中，GPS天文歷信息和時鐘校正值由基站100通過蜂窩式電話網(wǎng)絡110從數(shù)據(jù)服務190獲得。另外，該信息可以直接從由位于基站100或服務器170的GPS接收機180所接收的GPS衛(wèi)星160的發(fā)射信號獲得。
在將來，當稱為廣域增量系統(tǒng)(WAAS)的輔助GPS相關系統(tǒng)投入使用時，位于基站100或服務器170的GPS接收機180還將能夠獲得差分校正信息。該差分校正信息使得GPS接收機以更高的精度計算它們的位置。
位于基站100或遠程位置的服務器170利用從GPS接收機180或者數(shù)據(jù)服務190獲得的信息計算輔助信息，并且隨后傳送到基站100并發(fā)送到位于該蜂窩式電話140中的簡化功能的GPS接收機150。該輔助信息例如包括在基站100的視野內的GPS衛(wèi)星160的列表、時鐘校正信息、對應于該簡化功能的GPS接收機將進行范圍測量的最可能時間的每個所列GPS衛(wèi)星160的位置的三維坐標、每個所列GPS衛(wèi)星160的三維速度和軌跡、以及用于計算輔助信息的已知位置的三維坐標。利用速度信息對每個所列的GPS衛(wèi)星計算多普勒頻率。利用衛(wèi)星160的位置、已知位置的地點、以及時鐘校正數(shù)據(jù)計算用于每一個所列GPS衛(wèi)星160的所期望代碼相移。另外，該輔助信息包括在基站100視野內的GPS衛(wèi)星160列表、用于每個所列GPS衛(wèi)星160的天文歷數(shù)據(jù)、以及用于計算輔助信息的已知位置的三維坐標。
如果小區(qū)位置120被分為多個扇區(qū)，并且基站100可以確定該蜂窩式電話140所在的扇區(qū)，在該例子中為第一扇區(qū)130，則服務器170根據(jù)與小區(qū)120的中心相對的扇區(qū)130的中心位置200計算輔助信息。根據(jù)中心位置200計算輔助信息增加了輔助信息的精度，因為與在小區(qū)中心處的基站100相比，蜂窩式電話140更可能靠近中心位置200。中心位置200的地理價值不必需是扇區(qū)130的實際中心，而是可以為蜂窩式電話最可能在的位置，例如在該扇區(qū)內的大型購物中心、辦公室、機場或體育場所。但是，如果小區(qū)位置120被分為多個扇區(qū)，或者如果基站100不能夠確定蜂窩式電話140所在的扇區(qū)，則根據(jù)基站100的地理位置計算輔助信息。
在另一個實施例中，采用商業(yè)交易區(qū)或市政服務區(qū)的地理中心位置來取代基站100的地理位置。每個蜂窩式電話服務區(qū)用一個由蜂窩式電話140所讀取的系統(tǒng)標識(SID)來識別。蜂窩式電話140可以存儲屬于這些位置的輔助信息并且參考與當前SID有關的信息，或者該輔助信息被存儲在服務器170中，并且蜂窩式電話把該SID提供給提供輔助信息的服務器170。
在服務器170計算輔助信息之后，基站100把輔助信息發(fā)送到蜂窩式電話140中的簡化功能的GPS接收器150。該輔助信息可以通過各種途徑發(fā)送到簡化功能的GPS接收器150。例如，在使用全球數(shù)字移動電話系統(tǒng)(GSM)的蜂窩式電話網(wǎng)絡中，信息可以通過短信息服務消息發(fā)送、通過分組數(shù)據(jù)消息在業(yè)務信道上發(fā)送、或者通過廣播消息在控制信道上發(fā)送。該輔助信息利用在本領域中所公知的用于在蜂窩式電話網(wǎng)絡110和蜂窩式電話140之間傳輸信息的方式來發(fā)送。位于蜂窩式電話140中的收發(fā)信機141從基站100和也位于蜂窩式電話140中的控制器142接收發(fā)送信號，把該信息識別為輔助信息并且向簡化功能的GPS接收器150提供該輔助信息。另外，該輔助信息可以在需要時發(fā)送到特定的蜂窩式電話或者通過廣播信道發(fā)送到多個蜂窩式電話。
現(xiàn)在參照圖2，其中示出多個GPS衛(wèi)星220a-n、已知位置230和未知位置240，說明根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例用于確定地理位置的例子。在輔助信息中所列的每個GPS衛(wèi)星220a-n具有一組三維坐標(Xa-nYa-nZa-n)。通常對所有坐標使用地心的地固系統(tǒng)。已知位置230還具有一組三維坐標(X，Y，Z)。從已知位置230到每個GPS衛(wèi)星220a-n的范圍Ra-n由如下等式所計算Ra-n=((xa-n-x)2+(Ya-n-Y)2+(Za-n-Z)2)]]>使用該輔助信息，簡化功能的GPS接收器150根據(jù)本領域內已知的方式利用光速的已知數(shù)值和用于每個衛(wèi)星的各個時鐘校正值對每個衛(wèi)星220a-n計算碼移位置。簡化功能的GPS接收器150還為每個GPS衛(wèi)星220a-n搜索碼移搜索空間，以為每個GPS衛(wèi)星220a-n確定測量的碼移位置。該測量的碼移位置與所計算的碼移位置相減，以計算到每個GPS衛(wèi)星220a-n的范圍。這些增量范圍的矢量被從已知位置到每個GPS衛(wèi)星220a-n的單位矢量余弦的矩陣的逆矩陣所乘，得出對X、Y和Z的校正矢量的校正值，其被加到已知的位置230，以確定未知的位置240。
現(xiàn)在參照圖3，其中示出根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的用于確定地理位置的方法的流程圖。在輔助信息被簡化功能的GPS接收機所接收之后，至少四個GPS衛(wèi)星的三維位置坐標被計算(步驟300)。如果輔助信息包含在時刻T0的GPS衛(wèi)星的坐標以及它們的速度和軌跡，則通過把它們的速度乘以時間并且計算在時刻T0和T1之間的時間段中沿著它們的軌跡所運動的距離，而計算當前時刻T1的GPS衛(wèi)星的位置。另一方面，如果該輔助信息包括天文歷數(shù)據(jù)，則GPS衛(wèi)星的位置利用眾所周知的并且通常用于GPS接收機中的方法而計算。
從GPS衛(wèi)星到已知位置的范圍是利用圖2中所示的表述而計算的(步驟320)，并且從GPS衛(wèi)星到未知位置的范圍還利用在圖2中所述的碼移測量來計算(步驟330)。計算所計算和所測量的范圍之間的差別(步驟340)，并且計算校正矢量(步驟350)，如圖2中所示。一個假定位置是通過把校正矢量加到已知位置而計算的(步驟360)。在這一點上，該位置僅僅是假設的，因為參考GPS衛(wèi)星的確切時間僅僅是一個嘗試性的估計。因此，假設位置需要被確認。
為了確認該假設位置就是實際位置，從假設位置到在接收機視野中的衛(wèi)星列表中第五GPS衛(wèi)星的范圍被計算(步驟370)，并且從假設位置到第五GPS衛(wèi)星的范圍被測量(步驟380)。在假設位置與第五GPS衛(wèi)星之間的所計算和測量范圍之間的差值被計算(步驟390)，并且判斷該假設位置是否為實際位置(步驟400)。如果所計算和所測量范圍之間的差值為零，則假設位置為實際位置。另一方面，如果所計算和所測量范圍之間的差值不為零，則在步驟(300)的所選擇時間不正確并且假設位置不正確。在這種情況下，新的嘗試時間被選擇(步驟410)，并且該處理過程從步驟310開始重復進行。在兩次不正確嘗試時間的選擇之后，判斷在選擇第三嘗試時間時選擇時間的取向，并且任何搜索例程可以被用于識別正確的參考時間。
假設某個人可以把更高階次的校正應用于根據(jù)假設的圓形軌道的軌道運動。這使得能夠把簡單的二次校正用于衛(wèi)星位置計算。這使得該方法。實際效應使得該方法在偽范圍測量的時間上幾分鐘不確定的情況中有用。
盡管本發(fā)明的方法已經參照附圖和上文的具體描述進行描述，但是應當知道本發(fā)明不限于所公開的實施例，而且能夠有各種改變、改進和替代而不脫離由如下權利要求所確定的本發(fā)明的精神。
權利要求
1．一種用于確定衛(wèi)星接收機的位置的方法，其中包括如下步驟(a)選擇用于利用至少四個衛(wèi)星計算假定位置的嘗試時間；(b)根據(jù)所選擇的嘗試時間計算假定位置；(c)計算從該假定位置到第五衛(wèi)星的第一范圍；(d)測量從該假定位置到第五衛(wèi)星的第二范圍；(e)把第一范圍與第二范圍相比較；(f)如果第一范圍基本上等于該第二范圍，則把該假定位置確認為實際位置，否則執(zhí)行如下步驟；(g)選擇一個新的嘗試時間；以及(h)從步驟(b)開始重復該處理。
2．根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，計算該假定位置的步驟包括如下步驟為至少四個衛(wèi)星的每一個計算當前位置；計算從該四個衛(wèi)星的每一個到一個已知位置的第三范圍；測量從該四個衛(wèi)星的每一個到衛(wèi)星接收機的位置的第三范圍；根據(jù)所計算的從四個衛(wèi)星中的每一個到已知位置的第三范圍與所測量的從四個衛(wèi)星中的每一個到未知位置的第三范圍之間的差值，計算一個校正矢量；以及把該校正矢量加到已知位置的坐標上。
3．根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，計算校正矢量的步驟包括如下步驟把所計算的從四個衛(wèi)星中的每一個到已知位置的第三范圍與所測量的從四個衛(wèi)星中的每一個到未知位置的第三范圍之間的差值乘以從已知位置到四個衛(wèi)星中的每一個的單位矢量余弦的矩陣的逆矩陣。
4．根據(jù)權利要求2所述的方法，其中還包括接收輔助信息的步驟。
5．根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，接收輔助信息的步驟包括如下步驟接收在該接收機的視野內的衛(wèi)星的列表；接收時鐘校正信息；接收用于每個所列出衛(wèi)星的原始三維坐標；接收每個所列出衛(wèi)星的三維速度和軌跡；以及接收已知位置的三維坐標。
6．根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，計算至少四個衛(wèi)星中的每一個的當前位置的步驟包括如下步驟計算所選擇嘗試時間與該四個衛(wèi)星中的每一個的三維坐標被確定的時間之間的時間差；把該時間差乘以該四個衛(wèi)星中的的每一個的速度，以確定該四個衛(wèi)星中的每一個在該時間差內所經過的距離；以及根據(jù)所經過的距離和該四個衛(wèi)星中的每一個的軌跡，識別該四個衛(wèi)星中的每一個的位置。
7．根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，接收輔助信息的步驟包括如下步驟接收在該接收機視野內的衛(wèi)星列表；接收時鐘校正信息；接收用于每個所列出衛(wèi)星的天文歷數(shù)據(jù)；以及接收已知位置的三維坐標。
8．根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，計算至少四個衛(wèi)星的當前位置的步驟包括推算該天文歷數(shù)據(jù)中的信息以計算當前位置的步驟。
全文摘要
一種用于確定衛(wèi)星接收機的位置的方法。該方法以選擇用于利用至少四個衛(wèi)星計算假定位置的嘗試時間為開始。該假定位置是根據(jù)所選擇的嘗試時間而確定的。計算從該假定位置到第五衛(wèi)星的第一范圍,并且測量從該假定位置到第五衛(wèi)星的第二范圍。把第一范圍與第二范圍相比較。如果第一范圍不等于該第二范圍,則把該假定位置不是實際位置。選擇一個新的嘗試時間,重復該方法。當?shù)谝环秶c第二范圍基本上相等,則該假定位置是實際位置。
文檔編號H04Q7/34GK1282423SQ98812377
公開日2001年1月31日 申請日期1998年12月14日 優(yōu)先權日1997年12月18日
發(fā)明者小W·O·坎普 申請人:艾利森公司