用于蜂窝电话系统的简化全球定位系统接收机码偏搜索空间的制作方法

专利名称：用于蜂窝电话系统的简化全球定位系统接收机码偏搜索空间的制作方法
背景技术：
发明领域本发明一般涉及用于在全球定位系统接收机中减少码偏搜索空间(code shift search space)的一种方法和设备，更具体地涉及在全球定位系统接收机中减少码偏搜索空间，该接收机连接到工作在蜂窝电话系统中的蜂窝移动站。
有关技术说明在不久的将来，希望并可能强制所安装的蜂窝电话系统能确定在蜂窝电话系统中工作的蜂窝电话的地理位置。为满足该要求已经提出在蜂窝电话上装备全球定位系统(GPS)接收机用于确定蜂窝电话的位置。可是，GPS接收机很贵，增加蜂窝电话的尺寸，并消耗可用于蜂窝电话的有限电池能量。另外，GPS接收机在建筑内或其它区域中不能有效工作，那里由于阻挡、衰落、反射等使GPS卫星的发射被减弱。
一般已知通过去掉GPS接收机用于获得通常通过对GPS卫星信号解调所获得的辅助信息的一些功能，使GPS接收机能够制造得较小，较便宜，和提高电源效率。替代解调GPS卫星信号，而使用另一个装置为GPS接收机提供所需要的辅助信息。该辅助信息包括各种信息，例如GPS接收机当前可视范围内的GPS卫星历表(ephemeris)，所列出GPS卫星的多普勒频移，和每个所列出GPS卫星的星历表数据。去掉GPS接收机解调GPS卫星信号的需要也允许GPS接收机在较长时间段内集中GPS卫星信号以允许接收由于阻挡被减弱的信号。
可是，为计算GPS接收机的辅助信息，必须知道GPS接收机的大致位置。另外，在计算辅助信息中所使用的位置越接近实际位置，由GPS接收机所要执行的最后位置搜索越小。例如，知道如果给出辅助信息计算位置的GPS接收机在GPS接收机实际位置的一百英里半径内，GPS接收机不需要测量到GPS卫星的实际距离，而是，只需要为每个距离计量几分之一毫秒。这将必要的距离测量极大地简化为寻找对于一毫秒码周期的相对码偏位置(code shift position)位置。可是，为此GPS接收机仍必须对所有用于位置求解的GPS卫星搜索所有一千零二十三个码偏位置。
通过快速傅立叶变换和快速反傅立叶变换相关器的组合能够执行码偏搜索以同时搜索所有码偏位置。在书本中公开了寻找周期序列码偏位置的技术，例如由Oppenheim和Shafer所著的“数字信号处理”。尽管这种方案比直接相关有更高的计算效率，但是计算强度仍然需要额外功能并消耗有限的电池电源。另外，由于有向移动单元传送有助于它搜索GPS卫星距离信息的可能，该方法则变得计算效率低，因为这占用了搜索许多不可能的码偏位置的计算周期。
另一个搜索所有一千零二十三个码偏位置的方案是建立专用硬件同时搜索多个码偏位置。可是，至今硬件专用方案还不能同时搜索比码偏位置的一小部分更多，因此需要多个搜索和延长了时间延迟。
因此，发明一种减少需要由GPS接收机执行的码偏搜索空间的方法和设备是有利的，并从而减少GPS接收机确定位置所需要的功能和时间。另外，发明一种GPS接收机获得确定位置的辅助信息的方法和设备是有利的。
发明概述本发明包括一个全功能的全球定位系统(GPS)接收机，位于基站或远端位置上，并通过通信链路与基站连接。全功能GPS接收机获得GPS星历表和定时信息并将这些信息传送到服务器。另一个方式，该服务器能够通过蜂窝电话网络从数据服务中获得星历表数据，避免在基站安放GPS接收机的需要。该服务器然后处理这些信息计算出辅助信息，由位于工作在基站服务区内蜂窝电话内和与之连接的简化功能移动GPS接收机使用。根据远端单元的请求或作为广播消息周期地进行，该基站将辅助信息发射到蜂窝电话GPS接收机。在蜂窝电话中的GPS接收机然后使用这些辅助信息搜索来自GPS卫星信号内所有适合码的码偏位置。根据所计量出的码偏位置计算表示蜂窝电话地理位置的伪距。该蜂窝电话然后将伪距发送给蜂窝电话网络，和蜂窝电话网络计算蜂窝电话的地理位置。另一个方面，蜂窝电话确定其地理位置，使用根据提供给它的星历表数据所推导出的GPS星历表，和将地理位置坐标发送给蜂窝电话网络。
附图简介通过结合附图和参照下列详细说明可以更完整地理解本发明的方法和设备，其中

图1是本发明优选实施例的功能方框图；图2图示多个GPS卫星和一个已知和未知位置，说明了预计码偏位置的实例；图3说明对位于蜂窝电话内简化功能的GPS接收机传送时间基准；和图4是实现本发明的优选方法的流程图。
实施例详细说明现在参照图1说明本发明优选实施例的功能方框图。位于蜂窝电话网络110小区场地(cell site)120中蜂窝电话基站120服务于蜂窝电话140。该小区场地120被分成第一扇区130，第二扇区132，和第三扇区134，如图1所示蜂窝电话140位于第一扇区130内。该蜂窝电话140也包括接收来自多个GPS卫星160GPS卫星发射的简化功能GPS接收机150。简化功能GPS接收机150不包括解调GPS卫星160信号和确定辅助信息的功能。而是，从另一个来源向简化功能GPS接收机提供确定位置必要的辅助信息，和也减少了要搜索的多普勒频移范围。当在发现码偏位置时刻与GPS卫星160位置合并时，本发明利用天线辐射图覆盖区内的已知位置补充辅助信息，该覆盖区将要搜索的码偏位置范围从一千零二十三减少到一千零二十三的一小部分。这一小部分与蜂窝电话140的实际位置与已知位置之间的距离成正比。该一小部分为从已知位置到蜂窝电话140的几英里数量级距离除以一百八十六英里；一百八十六英里是对应一毫秒的GPS卫星160信号飞行时间的距离。该一小部分进一步由时间基准的精确度决定。
在优选实施例中，已知位置是基站100的位置，或另一个方式为蜂窝电话所位于的扇区130中心200。如果时间基准也由基站100传送，所有码偏搜索被减少到一千零二十三的一小部分。如果，另一方面，时间基准不由基站100传送，则搜索对于第一GPS卫星160所有可能的一千零二十三个码偏位置，和只搜索其余GPS卫星160的一千零二十三个码偏位置的一小部分。
如同前面所述，在基站100覆盖区内的已知位置被用于计算辅助信息。该位置能够通过包括使用位于基站100或计算辅助信息的服务器上的GPS接收机180的任何方法确定。该基站100获得并周期地更新与GPS卫星160当前状态有关的GPS星历表信息。在优选实施例中，由基站100通过蜂窝电话网络110从数据服务器190获得GPS星历表信息。另一个方式，由位于基站100或服务器170上的GPS接收机180直接接收来自GPS卫星160的发射而获得该信息。将来，当附属GPS有关系统称为“广域增强系统”Wide Area Augmentation System(WAAS)投入使用时，位于基站100或服务器170上的GPS接收机也能够获得差分校正信息。该差分校正信息允许GPS接收机以更高精度计算其位置。
位于基站100或远端位置的服务器170使用从GPS接收机180或数据服务器190获得的信息计算辅助信息，该辅助信息随后被传送到基站100并被发射到位于蜂窝电话140内的简化功能GPS接收机150。该辅助信息包括基站100可视范围内的GPS卫星160列表，所列每个GPS卫星160的多普勒校正，和基于基站100位置统一时间坐标时间的每个所列GPS卫星160的码偏位置。
如果小区场地120被分成多个扇区和基站100能够确定蜂窝电话140工作在哪个扇区，在此实例中为第一扇区130，服务器170根据扇区130的中心位置200计算辅助信息。根据中心位置200计算辅助信息增加了辅助信息的精确度，因为蜂窝电话140有更大的可能更靠近中心位置200而非基站100。对于中心位置200的地理坐标不需要在扇区130的实际中心，而是可以在蜂窝电话最可能位于的位置上，例如在商业街，办公建筑区，机场或位于扇区的支持设施。可是，如果小区场地120没有被分成多个扇区或如果基站100不能确定蜂窝电话140工作在哪个扇区，根据基站100的地理位置计算辅助信息。
在另一个实施例中，使用商业交易区或大城市地理中心位置替代基站100的地理位置。每个蜂窝电话服务区由蜂窝电话140读取系统ID(SID)来识别。蜂窝电话140能够存储属于这些位置的辅助信息并参考当前SID的相关信息，或在服务器170中存储辅助信息，和蜂窝电话将SID提供给提供辅助信息的服务器170。
在服务器170计算辅助信息之后，基站100发射辅助信息到蜂窝电话140中的简化功能GPS接收机150。辅助信息可以用各种方式发射给简化功能GPS接收机150。例如，在应用全球移动通信系统协议(GSM)的蜂窝电话网络中，可以通过短报文服务消息发送信息，在业务信道上发送分组数据，或在控制信道上广播消息。辅助信息以符合本行业在蜂窝电话网络110和蜂窝电话140之间传输信息的公知方法发送。位于蜂窝电话140中的收发信机141接收来自基站100的发射，和也位于蜂窝电话140中的控制器142识别作为辅助信息的该信息并向简化功能GPS接收机150提供辅助信息。另外，辅助信息可以按照需要提供给特定蜂窝电话，或通过广播信道提供给多个蜂窝电话。
为实现码偏搜索空间的明显减少，希望定时坐标信号精确到五十微秒内或少于GPS系统使用的统一时间坐标时间。因此，定时信息通过蜂窝电话140按照蜂窝电话网络110协议的各种方式发射给简化功能GPS接收机150。例如，在数字协议如GSM或IS-136(数字AMPS)中，定时信息通过消息传送，该消息规定特定帧同步号码将出现或已经出现在某个时间。在模拟“先进移动电话系统”(AMPS)中，由尖脉冲组成的时间点可以用于表示确定每个GPS卫星160码偏位置的基准时间。
位于蜂窝电话140中的简化功能GPS接收机150使用辅助信息计量每个GPS卫星160的码偏位置。对于长整段时间，例如1秒，在此期间实际码偏位置的变化高达每秒3码片。通过滑动(slipping)相关码定时来补偿该变化以在使用码偏位置值求解位置之前制止此变化。码偏位置被换算成到每个GPS卫星160的增量距离，例如以米计量。通过将对每个GPS卫星160位置所计算出的码偏位置减去所计量出的码偏位置来计算出增量距离，星历表是根据已知位置上的星历表数据获得的。这些增量距离矢量乘以根据对每个GPS卫星160的已知位置的单位矢量余弦逆矩阵，产生根据已知位置的增量X，增量Y，和增量Z。
现在另外参照图2，说明了多个GPS卫星220a-n、已知位置230和未知位置240预测码偏位置的实例。如下描述的计算由服务器170执行并将预计的码偏位置发送给简化功能GPS接收机150作为辅助信息部分。另一个方式，可以由简化功能GPS接收机150执行计算。辅助信息中所列的每个GPS卫星220a-n具有一组三维坐标(Xa-n，Ya-n，Za-n)。已知位置230也具有一组三维坐标(X，Y，Z)。从已知位置到每个GPS卫星220a-n的距离由表达式表示Ra-n=((Xa-n-X)2+(Ya-n-Y)2+(Za-n-Z)2)]]>
来自每个GPS卫星220a-n的信号传播时间Ta-n由表达式表示Ta-n＝Ra-n/(光速)对每个GPS卫星220a-n的预计码偏位置Ca-n由表达式表示Ca-n＝[(Ta-n/1000)]*1023的一小部分；其中Ta-n除以一千以用毫秒表示信号传播时间和使用(Ta-n/1000)的一小部分使预计码偏位置落入零到一千零二十三的范围，码偏位置的可能范围。
由于时间基准中的两个未知数和未知位置240位于离已知位置230一定距离的事实，该未知位置对应蜂窝电话140的位置，预计码偏位置附近的搜索空间扩大到Ca-n加或减一定偏移量以产生码偏搜索空间。该偏移取决于服务区大小和时间基准中的未知数，其中较大服务区和所增加的未知数产生具有作为主要因素的时间基准中未知数的较大偏移。
简化功能GPS接收机150搜索第一卫星220a的码偏搜索空间以确定第一卫星220a的实际码偏位置C`a。因为误差主要缘于时间基准的精度而不是未知位置240与已知位置230之间的距离，预计码偏位置Ca与计量出的码偏位置Ca之间的差被加到其余码偏位置Cb-n。这样产生更精确的预计值和因此更小的码偏搜索空间。偏移被加上之后如果所产生的预计码偏位置Cb-n余量大于一千零二十三，从所产生预计码偏位置Cb-n中减去一千零二十三以便预计码偏位置落入零到一千零二十三内，码偏位置的可能范围。
如果时间基准不能使用，对第一卫星220a的初始码偏搜索要求为包括所有一千零二十三个可能码偏位置的搜索。可是，在初始搜索后，其余GPS卫星220b-n的码偏搜索处理与时间基准可以使用时的处理相同。这样，预计码偏位置Ca与计量出的码偏位置C`a之间的差被加到其余码偏位置Cb-n产生了更精确的预计值，和因此更小的码偏搜索空间。偏移被加上之后如果所产生的预计码偏位置Cb-n余量大于一千零二十三，从所产生预计码偏位置Cb-n中减去一千零二十三以便预计码偏位置落入零到一千零二十三内，码偏位置的可能范围。
矢量CD是根据计量出的码偏位置C`a-n与预计码偏位置Ca-n之差产生的。这些值通常乘以每秒米的光速用米表示。将矢量CD乘以根据计量时刻每个GPS星历表已知位置230单位矢量余弦逆矩阵产生对X，Y和Z校正的校正矢量，该矢量加到已知位置230上以确定未知位置240。
另一个方式，替代上述预计码偏位置Ca-n的计算，位于已知位置230的GPS接收机180可以用于直接计量该值。可是，使用GPS接收机需要GPS接收机位于每个基站上。
现在另外参照图3，说明了向位于蜂窝电话140内简化功能GPS接收机150传送时间基准。在计量时刻从第一GPS卫星220a到已知位置230的距离Ra用图2所示的方式计算，和预计码偏位置Ca也用图2所示的方式计算。只有基站相关器码发生器的基准定时正好与GPS系统同步时，在相关器中获得相同的码偏位置Ca。为获得同步，设置位于基站100上的GPS接收机180的基准定时以产生作为预计值的码偏位置C`a。选择基准定时发生器的基准点Tp并与基站100帧同步过程的时刻Tx比较。Tp与Tx之间的时间差传输到基站100，该基站将该差值通过蜂窝电话140传输给简化功能GPS接收机150。简化功能GPS接收机1.50使用该差值设置其内部定时基准发生器与接收的帧同步过程等量偏移。
使用任何大量已知的方法，使用硬件或软件完成校正。因为蜂窝电话140一般位于服务基站100的十英里内或更少，并仍靠近中心位置200，在辅助信息中发送到简化功能GPS接收机150的码偏位置与蜂窝电话140位置的实际码偏位置非常接近。因此，简化功能GPS接收机150必须搜索的码偏搜索空间极大地减少。
使用带有同时搜索引擎(相关器)的标准GPS硬件，简化功能GPS技术150搜索列在辅助信息中的第一GPS卫星160的码偏位置。因为所要搜索的第一GPS卫星160的信号强度可能非常弱，使用长相关时间实现处理增益。例如，一秒的相关实现二十分贝的处理增益。甚至信号强度电平非常弱时，使用硬件相关器利用精确到五十微秒范围内的时间基准同时搜索两百个半码偏位置产生预计码偏位置任何一侧上的一百个半码偏位置的一秒长度的平行相关，该预计码偏位置足够寻找到对GPS卫星160的准确码偏位置。
另一个方式，如果没有给简化功能GPS接收机150提供时间基准，执行对第一GPS卫星220a所有一千零二十三个可能码偏位置的搜索，和一旦确定实际码偏位置，根据第一GPS卫星220a预计码偏位置计算内部时间。因此减少了对其余GPS卫星220b-n随后搜索码偏位置。
当所有码偏位置已经识别时，简化功能GPS接收机150通过蜂窝电话140和基站100发送产生的伪距给蜂窝电话网络，由此，服务器170确定蜂窝电话140的地理位置。另一个方式，简化功能GPS接收机150使用伪距能够计算地理位置并通过蜂窝电话140和基站100发送地理坐标给蜂窝电话系统110。
伪距或地理坐标可以用任何方式发送给蜂窝电话网络110。例如，在使用全球移动通信系统协议的蜂窝电话网络中，能够通过短报文服务发送信息。该信息能够用本行业已知的在蜂窝电话140与蜂窝电话网络110之间传送的方法发送。控制器142识别作为伪距或地理坐标的信息并向收发信机141提供该信息用于发送给基站100。
在第二实施例中，蜂窝电话140进一步装备了自动频率控制反馈210以将蜂窝电话140的时钟频率锁定到基站100的载波频率上。这允许要进行多普勒校正具有足够精确度，以致只需要少量多普勒校正来相关GPS卫星160信号。
现在参照图4，说明了实施本发明的优选方法的流程图。确定蜂窝电话网络基站的位置(步骤300)。位于基站上的服务器获得GPS星历表和定时信息，如果可使用(步骤305)。服务器从数据服务获得GPS星历表，或另一个方式从位于基站上的GPS接收机获得。
服务器计算辅助信息(步骤310)和校准基站定时(步骤315)。服务器发送辅助和定时信息给单个蜂窝电话，或通过广播信道广播该信息给所有蜂窝电话(步骤320)。蜂窝电话然后传输该信息给位于蜂窝电话内的简化功能GPS接收机。
使用所传送的数据，位于蜂窝电话内的GPS接收机搜索第一GPS卫星的码偏搜索空间以确定实际码偏位置(步骤330)。一旦定位了第一码偏位置，GPS接收机校准其定时(步骤335)并纠正其余GPS卫星的预计码偏位置中的误差(步骤340)。GPS接收机然后搜索其余码偏位置(步骤350)和将定位信息通过蜂窝电话和基站发送给蜂窝电话网络(步骤360)。
尽管在附图和上述详细说明中描述了本发明方法和设备的实施例，应理解本发明不限于所公开的实施例，不脱离所阐述的本发明精神可以进行大量重新设计、修改和替代，本发明由下列权利要求限定。
权利要求
1.一种设备，用于减少工作在蜂窝电话网络内的简化功能全球定位接收机码偏搜索，包括装置，用于获得全球定位系统星历表信息；一个服务器，用于根据已知位置和星历表信息计算辅助信息；和装置，用于传送辅助信息给简化功能移动全球定位接收机。
2.权利要求1中所述的设备，其中已知位置是大城市服务区的地理中心。
3.权利要求1中所述的设备，进一步包括服务于简化功能全球定位接收机所位于的小区场地的一个基站，和其中已知位置是该基站的位置。
4.权利要求3中所述的设备，其中用于获得全球定位系统星历表信息的装置是位于该基站上的全功能全球定位接收机。
5.权利要求3中所述的设备，其中用于获得全球定位系统星历表信息的装置是一个数据服务。
6.权利要求3中所述的设备，其中用于传送辅助信息的装置是一个蜂窝电话。
7.权利要求6中所述的设备，其中辅助信息是通过蜂窝电话的控制信道传送的。
8.权利要求6中所述的设备，其中辅助信息是通过蜂窝电话的业务信道传送的。
9.权利要求6中所述的设备，其中辅助信息是通过蜂窝电话的短报文服务消息传送的。
10.权利要求3中所述的设备，其中服务器根据全球定位接收机所位于小区场地的一个扇区的中心位置计算辅助信息。
11.一种设备，用于确定蜂窝电话的地理位置，包括一个位于蜂窝电话内的收发信机，用于接收来自包含辅助信息的蜂窝电话网络接收的传输；和一个位于蜂窝电话内的简化功能全球定位接收机，起处理辅助信息和计算表示信息的位置的作用。
12.权利要求11中所述的设备，其中简化功能全球定位接收机计算伪距并将伪距发射到蜂窝电话网络。
13.权利要求11中所述的设备，其中简化功能全球定位接收机计算地理坐标并将坐标发射到蜂窝电话网络。
14.一种方法，用于减少工作在蜂窝电话网络内简化功能全球定位系统接收机的码偏搜索空间，包括步骤确定服务于全球定位系统接收机所位于的蜂窝电话网络的小区场地的基站位置；获得全球定位系统星历表信息；根据星历表信息计算由全球定位系统接收机执行码偏搜索而使用的辅助信息；和将辅助信息传送到全球定位系统接收机。
15.权利要求14中所述的方法，其中获得星历表信息的步骤进一步包括获得定时信息的步骤。
16.权利要求14中所述的方法，其中由蜂窝电话网络所计算出的辅助信息包括至少下列之一考虑到基站的卫星列表；考虑到基站用于每个卫星的多普勒校正；考虑到基站用于每个卫星的码偏位置；和考虑到基站用于每个卫星的码偏位置。一个用于每个基站所观察卫星的码偏位置。
17.权利要求14中所述的方法，进一步包括确定全球定位系统接收机正工作的小区场地扇区的步骤，和其中由蜂窝电话网络计算辅助信息的步骤是基于扇区中心位置的。
全文摘要
位于蜂窝电话网络基站上的一个全球定位系统(GPS)接收机确定基站的位置并获得GPS星历表和定时信息,如果可使用。一个服务器使用所获得的信息计算由GPS接收机使用的辅助信息。该基站发射辅助信息给GPS接收机,该接收机位于正在基站服务区内工作的蜂窝电话内。该蜂窝电话GPS接收机使用辅助信息确定蜂窝电话的位置并将位置信息通过蜂窝电话和基站发射给蜂窝电话网络。
文档编号G01S5/00GK1276875SQ98810244
公开日2000年12月13日 申请日期1998年10月14日 优先权日1997年10月15日
发明者小W·O·坎普, K·赞吉, R·拉梅斯 申请人:艾利森公司