CN1395689A

CN1395689A - 一种确定移动单元方位的方法

Info

Publication number: CN1395689A
Application number: CN01803935A
Authority: CN
Inventors: S·R·多利; A·T·于勒; C·B·马沙尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-02-05
Also published as: US6618671B2; US20030212487A1; EP1325349A1; US20020049537A1; WO2002025309A1; JP2004510138A; KR100814251B1; KR20020065525A; US7089112B2

Abstract

公开了一种确定具有GPS接收机(24)的移动单元(MS1)的方位的方法。该方法包含的步骤有：在使用GPS接收机(24)的移动单元(MS1)处测量移动单元伪距离；提供对应于位置上远离该移动单元的参考位置(BS 1)的参考伪距离；并且将相对于参考位置(BS1)的移动单元(MS1)方位确定为参考伪距离和移动单元伪距离的函数。

Description

一种确定移动单元方位的方法

本发明涉及一种确定包含GPS接收机的移动单元的方位的方法。

提供一个GPS接收机已为人熟知，该接收机中持续产生复制的GPS卫星伪随机噪声(PRN)编码信号并将其与接收到的GPS信号进行相关以获取它们。典型地，因为复制的码可能与接收到的GPS信号具有的码相位不同并且由于接收机与轨道卫星间的多普勒频移还可能有不同的频率，可采用一种二维码频率/相位扫描，由此这样的扫描最终导致到来的PRN码与本地产生的复制具有的频率和码相位相同。若检测到码，就可获取和跟踪该码，并且可取得伪距离信息，由此可确定接收机的方位。方位的确定典型地通过传统而复杂的导航计算来进行，该计算涉及到通过使用一种迭代技术如线性化来解析至少4个非线性方程。比如可参看Artech House出版、ISBN号为0-89006-793-7的专著《GPSPrinciples and Applications(GPS原理与应用)》(编辑：Kaplan)中第二章“Fundamentals of Satellite Navigation(卫星导航基础)”2.4.2节。

我们还熟知提供并入这种GPS接收机的移动蜂窝电话，以便使蜂窝电话网运营商能确定进行呼叫的位置和特别是到紧急服务的紧急呼叫的位置。当然对于紧急呼叫，更愿意尽可能快地获得呼叫位置，然而，从GPS接收机无法访问最新的星历表数据的“冷启动”或甚至更糟的从GPS接收机没有最新天文年历的“工厂冷启动”，首次固定时间(TTFF)无论如何都在30秒到5分钟之间。

为了减少TTFF，可向GPS接收机提供基站辅助以便更快获取GPS信号。这些辅助可包括基站提供给接收机用来校准GPS接收机中使用的本地振荡器的精密载波频率参考信号，以及基站得到的最新卫星年历和星历表数据的数据消息，从这些消息可确定考虑的卫星的多普勒频移和当前的PRN码相位。通过这种辅助，可能只扫描GPS PRN码已知占用的窄范围的频率和码相位，由此可减少需要检验的码实例的数目并且因而减少了捕获码的时间。基站辅助也在美国专利5841396和5874914中有所介绍，这里引入它们作为参考。

虽然这种基站辅助使得GPS扩展频谱信号能够更快捕获(并且因此能更快获得从GPS卫星到GPS接收机的伪距离测量)，但它无论如何也没有简化GPS接收机为了解析测量的伪距离以返回固定方位而要求的复杂的导航计算。对应地，这种GPS接收机还要求有复杂和功耗大的处理器来执行必需的导航计算。此外，考虑到移动电话(和其电池组)为了美观和人机工程学而呈现小型化的流行趋势，就移动蜂窝电话中包含的GPS接收机而言，功耗是一个特别尖锐的问题。

因此本发明的一个目的是提供确定具有GPS接收机的移动单元的方位的改进方法，其中可减少移动单元中必需的导航计算和相关的功耗。

按照本发明的第一方面，这样一种方法包含的步骤有：在使用GPS接收机的移动单元处测量移动单元伪距离；提供对应于远离移动单元的参考位置的参考伪距离；并且将移动单元的相对方位，即相对于参考位置的方位，确定为参考伪距离和移动单元伪距离的函数。比如这可以是参考伪距离与移动单元伪距离之间差异的函数。

从参考位置和移动单元的相对方位，也可确定移动单元的绝对方位。

为了进一步简化必需的导航计算，该方法还可包含步骤来提供相对于参考位置的GPS卫星方位信息，其中移动单元的相对方位还可确定为GPS卫星方位信息的函数。比如，提供的GPS卫星方位信息的形式可以是相对于参考位置的GPS卫星的归一化方向矢量。

在一个优选方法中，相对于参考位置(X_ref，Y_ref，Z_ref)的移动单元方位(X_m，Y_m，Z_m)可用下面的近似来确定：

[\begin{matrix} X_{m} - X_{ref} \\ Y_{m} - Y_{ref} \\ Z_{m} - Z_{ref} \\ c_{m} - c_{ref} \end{matrix}] \approx H^{- 1} [\begin{matrix} {PSR}_{m 1} - {PSR}_{ref 1} \\ {PSR}_{m 2} - {PSR}_{ref 2} \\ {PSR}_{m 3} - {PSR}_{ref 3} \\ {PSR}_{m 4} - {PSR}_{ref 4} \end{matrix}]

(式1)

这里c_m和c_ref分别是移动单元和参考位置处的GPS时钟误差；PSR_mn和PSR_refn分别是移动单元伪距离和参考位置伪距离；而其中的H^-1是矩阵H的逆，该矩阵H以下式的形式包含了相对于参考位置的卫星的归一化方向矢量：(式2)

这里R_i-ref是第i颗卫星与参考位置间的距离。

参考伪距离和/或GPS卫星方位信息可通过使用位于参考位置处的GPS接收机来提供。这具有的优点是：结果的固定方位在这方面引入了差分GPS(DGPS)的优点，即：例如对诸如选择可用性、大气效应和可能的相对论效应、标准方位业务(SPS)NAVSTAR GPS不能补偿的误差，实际上可补偿。

作为通过使用位于参考位置的GPS接收机来提供参考伪距离和/或GPS卫星方位信息的一种替代，也可通过基于参考位置和从远离参考位置的GPS接收机获得的GPS卫星信号信息的计算来提供它们。这种情况下，若GPS接收机实际并非位于参考位置，则参考位置处的时钟偏差当然是象征性的偏差。

移动单元伪距离可从移动单元发送到通信基站以便移动单元的相对方位可在远离移动单元处确定。

可替代地，参考伪距离可从通信基站发送到移动单元且移动单元的相对方位可在移动单元处确定。这种情况下，移动单元的相对方位可从移动单元发送到通信基站。参考位置也可从通信基站发送到移动单元而移动单元的绝对方位可由参考位置和移动单元的相对方位来确定。然后移动单元的绝对方位可发送回通信基站。

为方便起见，参考位置地理上可与通信基站的位置重合，比如，用于提供参考伪距离的GPS接收机就位于该通信基站。

按照本发明的第一方面还提供了确定具有GPS接收机的移动单元的方位的另一种方法，该方法包含的步骤有：在移动单元处测量伪距离；使用该伪距离来确定移动单元相对于临近参考位置的方位；并且移动单元的绝对方位可由参考位置和移动单元对于参考位置的相对方位来确定。

涉及NAVSTAR GPS的地方，星历表数据被提供作为开普勒参数(带有添加的摄动项)的集合，然而为了简化如按上面2式的导航计算，必需以矢量形式表达卫星相对于参考位置的方向。鉴于此，并按照本发明的第二方面，提供了确定具有GPS接收机的移动单元的方位的另一种方法，该方法包含的步骤有：在使用GPS接收机的移动单元处测量移动单元伪距离；在远离该移动单元的参考位置处接收开普勒参数形式的GPS星历表数据；从该星历表数据计算描述GPS卫星的方位或移动的笛卡尔形式的卫星矢量信息；向移动单元提供卫星矢量信息；并且确定移动单元的方位为卫星矢量信息和移动单元伪距离的函数。卫星矢量信息可包含方位(x，y，z)、速度、加速度、四阶(即.加速度率)和更高阶矢量，每个矢量描述GPS卫星的方位或移动。

按照本发明还提供了权利要求22到29中要求的一种移动单元和权利要求30到37中要求的定位装置。

本发明的上述和其它特性和优点通过下面的介绍会更加清楚，下面通过举例的方式参考附图描述了用于蜂窝电话网的包含GPS接收机的移动蜂窝电话，附图中：

图1概念性地示意了蜂窝电话网的地理分布；

图2概念性地详细示意了图1的移动蜂窝电话MS1；

图3概念性地详细示意了图1的基站BS1。

传统的蜂窝电话网1的地理分布概念性地示意于图1。该网络包含多个基站BS，其中示意了7个基站BS1到BS7分别位于相互间隔的地理位置。其中每个基站包含在任一个地点或服务区由中继系统控制器操作的无线电发送机和接收机的整体。这些基站各自的服务区SA1到SA7如截面线所示相互重叠，合起来覆盖示意的整个区域。该系统还可包含分别装备有到每个基站BS1到BS7的双向通信链路CL1到CL7的系统控制器SC。比如其中每条通信链路可以是专用陆上线路。系统控制器SC还可连接到公共交换电话网(PSTN)从而使得在移动蜂窝电话MS1与该网络的用户间能够进行通信。提供了多个移动蜂窝电话MS，示意了其中的三个MS1、MS2和MS3，每个都能自由地在整个区域和实际上超出该区域的地方漫游。

参考图2，更详细地示意了移动蜂窝电话MS1，该电话包含连接到通信天线20并由通信微处理器(Commμc)22控制的通信发送机(CommTx)和接收机(Comm Rx)21，该发送机和接收机用于与该电话注册的基站BS1进行通信。用于在蜂窝电话网中进行双向通信的这种电话的设计和制造已为人熟知，这些内容不构成本发明的一部分，此后也不会详细解释。

除了移动电话的传统组件外，电话MS1还包含GPS接收机(GPS Rx)24，该接收机连接到GPS天线23并由GPS微处理器(GPSμc)25控制，来接收轨道GPS卫星发射的GPS扩展频谱信号。当进行操作时，GPS接收机可经由天线23接收NAVSTAR SPS GPS信号并对其进行预处理，典型的这是通过无源的带通滤波以便最小化带外RF干扰、预放大、向下转换到中频(IF)和模拟数字变换。结果得到的数字化的IF信号保持已调制，还包含来自可用卫星的所有信息，并输入GPS微处理器25的存储器中。然后为了得到伪距离信息，捕获和跟踪GPS信号。这种用于GPS信号捕获和跟踪的方法已为人熟知，比如，可参见同前的《GPSPrinciple and Applications(GPS原理和应用)》的第四章(GPSsatellite signal characteristics(GPS卫星信号特征))和第五章(GPS satellite signal acquistion and tracking(GPS卫星信号捕获和跟踪))。GPS微处理器25的实现可采取通用微处理器的形式，可选地与通信微处理器22或嵌入在GPS专用集成电路(ASIC)中的微处理器共用。

蜂窝电话网基站BS1概念性地示意于图3。除了基站的传统组件外，它还包含GPS天线34、接收机35和微处理器36，这些组件基本上是连续的操作，这样基站可一直占有最新的GPS卫星信息。此信息包括当前考虑的是哪些轨道卫星(甚至对于宏小区、旁边的遮挡，这些卫星都可能对电话和相关基站是共用的)；包含最新的天文年历和星历表数据的GPS数据消息；以及基站观察到的GPS卫星信号的多普勒频移和当前码相位。

在移动蜂窝电话MS1的用户进行紧急呼叫并经由双向通信链路CL1处于系统控制器SC控制下的事件中，基站BS1可向电话提供此GPS卫星信息，这样就只要求它对GPS PRN码已知占用的窄范围的频率和码相位进行扫描，从而保证了快速的码捕获和TTFF。

按照本发明，基站BS1还向移动电话MS1提供了基站的GPS接收机35观察到的伪距离测量以及基站的坐标。然后可使用上述式1和2的近似来确定移动电话相对于基站的方位。从移动电话相对于基站的方位和基站的坐标，可确定移动电话的绝对方位，然后可将该绝对方位发送到基站并再送到紧急服务运营商(在美国称为公共安全回答点)。

在上述范例中，向移动电话中的GPS接收机24提供伪距离信息以辅助GPS伪处理器25计算其方位的基站BS1也就是移动电话进行紧急呼叫通信的通信基站，即移动电话注册的基站。不一定是这种情况，实际上它可以与移动电话注册的基站不同，比如，在伪距离信息由服务多个网络小区的专用单元(称为“位置服务器”)提供的情况中。在这种情况下，位置服务器可很方便地伪距离经由移动电话注册的基站发送伪距离信息到达移动电话。位置服务器可能基于移动单元注册的(且可能最接近的)基站的位置发送简明的伪距离信息。即，通过基于移动单元注册的基站的位置和从位于位置服务器的GPS接收机获得的GPS卫星信号信息计算，来提供参考伪距离和/或GPS卫星方位信息。

如前表示的那样，通过使用位于参考位置的GPS接收机来提供参考伪距离和/或GPS卫星方位信息具有一个优点，即得到的固定方位并入了差分GPS(DGPS)的精确性。这可通过考虑参考位置和移动单元伪距离的组成来解释。参考伪距离PSRref和移动单元所取的伪距离PSRm可用下面的式子来表示：

PSR_ref＝R_ref+c_ref+δ_ref (式3)

PSR_m＝R_m+c_m+δ_m (式4)

这里R_m和R_ref是移动单元和参考位置分别离GPS卫星的实际距离；c_m和c_ref分别是移动单元和参考位置处的GPS时钟误差；而δ_m和δ_ref是其它误差之和，如可归因于选择可用性和未补偿的大气和相对论效应的那些误差。

在移动单元接近参考位置的地方，这样的移动单元向也处于参考位置的通信基站注册，然后误差δ_ref变得非常接近移动单元的误差δ_m。在传统的DGPS系统中，基站发送δ_ref误差而移动单元能通过从其测量的伪距离中减去它们来改善它的固定方位的精确度。这当然是为人熟知的并在美国专利5621646中公布，其中δ_ref项被称为“残余”伪距离。本发明与传统DGPS的区别之处在于提供了参考位置的伪距离，而不仅仅是纠错。

到此可考虑从星历表数据来计算笛卡尔形式的卫星矢量信息，优选地提供的信息是有公共时间基准的。比如，在提供卫星方位(x，y，z)、速度和加速度

的地方，它们是对于一个给定的时刻t₀提供的。在t₀之后或之前的不同时刻t，若提供的卫星矢量信息是关于将来的某一时刻提供的，则通过使用卫星矢量信息，GPS接收机可用此数据来确定时刻t时的卫星方位(x_t，y_t，z_t)。比如：

x_{t} = x + \dot{x} δt + \frac{\overset{. .}{xδ t^{2}}}{2}

y_{t} = y + \dot{y} δt + \frac{\overset{. .}{yδ t^{2}}}{2}

z_{t} = z + \dot{z} δt + \frac{\overset{. .}{z} δ t^{2}}{2}

这里δt＝t-t₀。

当然，δt越大，外推就变得越不精确。高阶导数也增加精确性但也会增加需要发送到移动单元的数据，但是这种用法可以对于不同应用来定制。类似地，如果数据的有效时段不需要太长，则可忽略加速度项。

作为前述相关方法的一种替代，可使用快速卷积方法和特别是包括快速傅立叶变换(FFT)的方法来捕获PRN码。这种卷积方法在Robert GDavenport著、IEEE 1991 National Aerospace and ElectronicsConference NAECON 1991(IEEE 1991国家航空和电子会议NAECON 1991)的卷1的98页至105页上、题为“FFT processing of direct sequencespreading codes using modern DSP microprocessors(使用现代DSP微处理器的直接序列扩展码的FFT处理)”的文章中有介绍，且在美国批准专利5,663,734中也有介绍。本发明的方法同样可应用这种卷积方法。

本发明的已进行的大部分介绍是在NAVSTAR GPS环境中，即美国国防部开发且当前运行的全天侯、基于空间的导航系统。然而，可以理解GPS的一般基础原理是通用的而并不仅局限于NAVSTAR。相应地，除非被另外地限制，GPS是用来指任何定位系统，该系统包含了处于不同位置的多个无线电发送机和基于无线电发送机发送信号的到达时间来确定其位置的一个接收机。

通过阅读本发明公开的内容，对于本领域内的技术人员其它修改也很清楚，并且这些修改可以涉及GPS接收机和其组件部分的设计、生产和使用中已为人熟知的其它特性，这些其它特性可用来替代或补充这里已描述的特性。尽管在本申请中权利要求已经阐明了特性的特定组合，但可以理解本发明公开的范围还包含这里显式或隐式公开的新特性或任何特性的新组合，而无论它是否涉及当前在任何权利要求中要求的相同发明，也不管它是否能减缓本发明解决的一些或所有相同问题。据此申请人提请注意，在本申请或由此导出的任何其它申请的实施期间，新的权利要求可被阐明为这种特性和/或这种特性的组合。

Claims

1.一种确定具有GPS接收机的移动单元的方位的方法，该方法包含的步骤有：在使用GPS接收机的移动单元处测量移动单元伪距离；提供对应于远离移动单元的参考位置的参考伪距离；并且使移动单元相对于参考位置的方位确定为参考伪距离和移动单元伪距离的函数。

2.按照权利要求1的方法还包含从参考位置和移动单元对于参考位置的相对方位确定该移动单元的绝对方位的步骤。

3.按照权利要求1或2的方法，其中将移动单元相对于参考位置的方位确定为参考伪距离和该移动单元伪距离间差异的函数。

4.按照前述任一权利要求的方法还包含提供相对于参考位置的GPS卫星方位信息的步骤，其中将移动单元相对于参考位置的方位确定为GPS卫星方位信息的函数。

5.按照权利要求4的方法，其中GPS卫星方位信息是以相对于参考位置的GPS卫星的归一化方向矢量的形式提供的。

6.按照权利要求5的方法，其中相对于参考位置(X_ref，Y_ref，Z_ref)的移动单元方位(X_m，Y_m，Z_m)可用下面的近似来确定：

[\begin{matrix} X_{m} - X_{ref} \\ Y_{m} - Y_{ref} \\ Z_{m} - Z_{ref} \\ c_{m} - c_{ref} \end{matrix}] \approx H^{- 1} [\begin{matrix} {PSR}_{m 1} - {PSR}_{ref 1} \\ {PSR}_{m 2} - {PSR}_{ref 2} \\ {PSR}_{m 3} - {PSR}_{ref 3} \\ {PSR}_{m 4} - {PSR}_{ref 4} \end{matrix}]

这里c_m和c_ref分别是移动单元和参考位置处的GPS时钟误差；PSR_mn和PSR_refn分别是移动单元伪距离和参考伪距离；而其中的H^-1是矩阵H的逆，该矩阵H以下式的形式包含了相对于参考位置的卫星的归一化方向矢量：

这里R_i-ref是第i颗卫星与参考位置间的距离。

7.按照权利要求4到6中任一权利要求的方法，其中可从位于参考位置的GPS接收机接收到的GPS卫星信号来获得GPS卫星方位信息。

8.按照前述任一权利要求的方法，其中可通过使用位于参考位置的GPS接收机测量伪距离来提供参考伪距离。

9.按照权利要求4到6中任一权利要求的方法，其中可通过基于参考位置和GPS卫星信号信息的计算来提供GPS卫星方位信息，该GPS卫星信号信息从由远离参考位置的GPS接收机接收到的GPS卫星信号获得。

10.按照权利要求1到6中任一权利要求的方法，其中可通过基于参考位置和从远离参考位置的GPS接收机获得的GPS卫星信号信息的计算来提供参考伪距离。

11.按照前述任一权利要求的方法，其中移动单元伪距离被从移动单元发送到通信基站，并且其中相对于参考位置的移动单元方位可在远离移动单元处确定。

12.按照权利要求1到10中任一权利要求的方法，其中参考伪距离被从通信基站发送到移动单元，并且其中相对于参考位置的移动单元方位可在移动单元处确定。

13.按照权利要求12的方法还包含从移动单元发送相对于参考位置的移动单元方位到通信基站的步骤。

14.按照权利要求12的方法还包含从通信基站发送参考位置到移动单元的步骤。

15.按照权利要求14的方法还包含从移动单元发送移动单元的绝对方位到通信基站的步骤。

16.按照权利要求12到15中任一权利要求的方法，其中参考位置在地理上可与通信基站的位置重合。

17.一种确定具有GPS接收机的移动单元的方位的方法，该方法包含的步骤有：在移动单元处测量伪距离；使用该伪距离来确定移动单元相对于临近参考位置的方位；并且由参考位置和移动单元对于该参考方位的相对方位来确定移动单元的绝对方位。

18.一种确定具有GPS接收机的移动单元的方位的方法，该方法包含的步骤有：在使用GPS接收机的移动单元处测量移动单元伪距离；在远离移动单元的参考位置处接收开普勒参数形式的GPS星历表数据；从星历表数据计算描述GPS卫星的方位或移动的笛卡尔形式的卫星矢量信息；向移动单元提供卫星矢量信息；并且确定移动单元的方位为卫星矢量信息和移动单元伪距离的函数。

19.按照权利要求18的方法，其中卫星矢量信息包含分别描述GPS卫星的方位和移动的方位(x，y，z)和速度

矢量。

20.按照权利要求18或19的方法，其中卫星矢量信息包含描述GPS卫星的移动的加速度矢量。

21.按照权利要求18到20中任一权利要求的方法，其中卫星矢量信息包含描述GPS卫星的移动的四阶或更高阶矢量。

22.一种包含GPS接收机并能通过使用按照权利要求12到21中任一权利要求的方法来确定其方位的移动单元。

23.一种移动单元包含：用于接收对应于远离移动单元的参考位置的参考伪距离的通信接收机；用于测量移动单元伪距离的GPS接收机；以及用于将相对于参考位置的移动单元方位确定为参考伪距离和移动单元伪距离的函数的GPS处理器。

24.按照权利要求23的移动单元，其中GPS接收机还配置成从参考位置和移动单元对于参考位置的相对方位来确定移动单元的绝对方位。

25.一种移动单元包含：用于在移动单元处测量伪距离的GPS接收机；以及GPS处理器，该GPS处理器能使用伪距离来确定相对于临近参考位置的移动单元方位，并能从参考位置和移动单元对于参考位置的相对方位来确定移动单元的绝对方位。

26.一种移动单元包含：用于接收描述GPS卫星的方位或移动的笛卡尔形式的卫星矢量信息的通信接收机；用于根据由开普勒参数形式的星历表数据调制的GPS卫星信号测量移动单元伪距离的GPS接收机；以及用于将移动单元的方位确定为卫星矢量信息和移动单元伪距离的函数的GPS处理器。

27.按照权利要求26的移动单元，其中卫星矢量信息包含分别描述GPS卫星的方位和移动的方位(x，y，z)和速度

矢量。

28.按照权利要求26或27的移动单元，其中卫星矢量信息包含描述GPS卫星的移动的加速度矢量。

29.按照权利要求26到28中任一权利要求的移动单元，其中卫星矢量信息包含描述GPS卫星的移动的四阶或更高阶矢量。

30.定位装置包含用于测量GPS伪距离的GPS接收机；以及用于将伪距离发送到远离该定位装置的另一个GPS接收机的发送机。

31.按照权利要求30的定位装置还适应于发送其方位到其它GPS接收机。

32.按照权利要求31的定位装置，其中提供给其它GPS接收机的定位装置的方位并不是通过使用提供给那个GPS接收机的伪距离测量来确定的。

33.按照权利要求32的定位装置，其中提供给其它GPS接收机的定位装置的方位并不是通过使用定位装置的GPS接收机来确定的。

34.定位装置包含用于接收开普勒参数形式的GPS星历表数据的GPS接收机；用于从星历表数据计算描述GPS卫星的方位或移动的笛卡尔形式的卫星矢量信息的处理器；以及用于将卫星矢量信息发送到远离定位装置的另一GPS接收机的发送机。

35.按照权利要求34的定位装置，其中卫星矢量信息包含分别描述GPS卫星的方位和移动的方位(x，y，z)和速度

矢量。

36.按照权利要求34或35的定位装置，其中卫星矢量信息包含描述GPS卫星的移动的加速度矢量。

37.按照权利要求34到36中任一权利要求的定位装置，其中卫星矢量信息包含描述GPS卫星的移动的四阶或更高阶矢量。