CN101305294B - 用于移动网络辅助定位的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于固定用户设备(120)的位置的方法(200)，该方法包括以下步骤：启动(210)一个定位会话，以及在所述定位会话内部：根据所述信号在用户设备(120)上的接收条件来确定(230)定位系统的信号快照大小，其中所述快照被适配成启用固定位置的处理；在网络设备(110)上经由网络连接(130)接收(250)来自用户设备(120)的所述快照；以及在网络设备(110)上根据所述快照来固定(260)用户设备(120)的位置。

Description

用于移动网络辅助定位的方法和系统
技术领域
本发明主要涉及网络辅助定位领域，尤其涉及的是移动网络基于定位信号所提供的地理定位服务，其中举例来说，该移动网络可以是GSM、GPRS、EDGE、UMTS网络等等，该定位信号可以是全球定位系统(GPS)或Galileo的卫星定位信号。
背景技术
近年来，诸如GPS之类的定位系统已被投入实际使用，盼望中的基于卫星的Galileo也处于计划部署之中，预计这些定位系统将会日益得到普及。
众所周知，GPS是一种基于多个卫星的无线电定位系统，在该系统中，每一个GPS卫星都会发射数据，由此允许GPS接收机使用已知的三角测量方法来精确测量从选定的GPS卫星到其天线的距离，以及在此后高精度地计算位置、速度和/或时间参数。卫星是在星座图中定位的，由此接收机通常可以在地球表面或接近地球表面的位置观察到七颗卫星，并且最少可以观察到四颗卫星。每一个卫星的信号都与一个原子时钟同步，正常用户设备的时钟存在着用时钟偏差衡量的误差。通过测量来自四颗而不是三颗卫星的视在卫星信号传播时间，冗余度可被用于得出该时钟偏差以及所计算的位置。在校正用户时钟偏差之前，卫星视在距离都存在着固定量的误差，这个视在距离被称为伪距离。
在已知为L1的波段内，每一个卫星都在1575.42MHz的中心频率上使用扩频技术发射信号，其中该扩频技术使用了粗/捕获(C/A)伪随机噪声(PRN)码。这种码具有大小为1.023MHz的二进制反相速率或“码片”速率，并且每一个1毫秒的码周期都具有1023个码片重复周期。这些码序列属于一个名为Gold码的系列。每一个GPS卫星都使用唯一的Gold码来广播信号。在用户的接收机上接收的信号具有大约2MHz的带宽，并且通常具有大约-20dB的信噪比。
导航消息叠加在C/A码上，该消息即为直接序列扩展频谱且速率为50比特/秒的二进制相移键控数据信号。特别地，该消息包含GPS系统时间、卫星时钟校正参数、被追踪的特定卫星的星历数据，以及星座图中所有卫星的历书数据。星历包含与卫星在接下来两个小时的自身航向有关的详细信息，历书包含整个卫星星座图在较长时段中的不甚详细的信息，而时钟校正参数则允许用户设备校正GPS卫星自身的时钟误差。
GPS接收系统具有两种基本功能：(1)计算与不同GPS卫星的伪距离，以及(2)使用伪距离、卫星定时以及星历数据来计算接收机位置(以及其他导航数据)。一旦获取并追踪GPS信号，则会从GPS信号中提取卫星星历和定时数据。
实际上，所有已知的GPS接收机都使用相关方法来计算码相位(参见下文)。对从指定GPS卫星接收的信号来说，在经过了下变换到基带的处理之后，相关接收机会将接收信号与包含在其本地存储器内部的恰当Gold码的已存储副本相乘，然后对该乘积执行积分或低通滤波处理，以便获取信号存在的指示。通过按顺序调整这个已存储副本相对于接收信号的相对定时，以及通过观察相关输出，接收机可以确定接收信号码与本地码副本之间的时间延迟(“码相位”)。这种初始的输出存在判定被称为“捕获”。一旦执行了捕获，那么该处理将会进入“追踪”阶段，在该阶段中将对本地基准定时进行少量调整，以便保持高相关输出，并且对码相位和载波频率量度进行精细化(refine)。追踪阶段的相关输出可以被视为移除了伪随机码的GPS信号，或者可以依照公共术语将其称为“解扩”，其中该信号代表导航信号。
此外，由于每一个卫星都以超过3km/s的速度移动，因此，接收到的GPS信号与GPS中心频率存在多普勒频移。由此，移动GPS接收机必须能够接收那些频率与GPS中心频率相差偏移大于±4KHz的信号。为了恢复数据和测量卫星信号的传播时间，GPS接收机必须消除或考虑多普勒频移，并且产生与每一个卫星相关的C/A码。
一般来说，在传统的独立GPS接收机中，所有导航处理活动(例如捕获、追踪和导航解决方案)都是在接收机上进行的，接收机输出接收机的位置和速率。对于搜索和捕获GPS信号、读取众多卫星的星历数据以及从该数据中计算接收机位置的处理来说，该处理非常耗时，在接收信号很弱时尤为如此，在这种情况下，该处理通常需要好几分钟的时间。在很多情况下，冗长的处理时间是无法接受的，此外，在微小型便携应用中，冗长的处理时间会极大限制电池寿命。为了改善捕获时间，大多数GPS接收机使用大量允许并行搜索相关峰值的相关器。
对常规GPS接收机来说，其另一个限制在于：为了实现低差错率，这些GPS接收机的操作被局限于如下情形：可以在无遮挡或衰减的情况下清楚看到多个卫星，以及正确定位质量良好的天线来接收此类信号。对常规的独立GPS接收机来说，它需要在长的时段具有强的信号(＞＝135dBm)，以便在没有任何外部帮助的情况下实施其功能。同样，它们通常既不能在便携式贴身应用中使用；也不能在具有大量植物或建筑障碍物(例如城市峡谷)的区域中使用；而且还不能在室内应用中使用。
目前，经由移动网络实施移动通信并且包含或者关联于GPS接收机的蜂窝电话正在快速普及。一般来说，GPS接收机与蜂窝电话的关联以及与通常需要固定用户设备的位置的、基于位置扩散的服务一起，推动了在城市和/或室内环境中基于定位系统信号固定用户设备的位置的需要，而这些环境也正是使用蜂窝电话和移动网络服务的典型环境。
申请人注意到，现有技术中的GPS接收机并不适合在与蜂窝相关的环境中固定用户设备的位置，在城市或室内环境中尤其如此。
城市和室内环境的典型特征在于困难接收条件。例如，室内环境通常表明接收条件的特征在于：接收定位信号强衰减，对强电场接收条件(例如开放电场)来说，该信号有可能遭遇到约10～20dB的附加衰减，在这种条件下，最小信号电平通常约为-135dBm。另一方面，城市环境(尤其是例如“城市峡谷”环境)通常表明卫星可视性受限问题(空中障碍物)和/或干扰问题，其中干扰问题包括定位信号在到达接收机之前被多个表面反射的多径问题。这些干扰项将会增大衰减和/或定位信号噪声和/或增大定位误差。这些表明困难接收条件的环境被称为“弱信号”环境；而在相反情况下使用表述“强信号”环境。
另一方面，在与蜂窝相关的环境中，用户会期望高的服务质量，特别地，这意味着很高的定位服务可用性和/或短的首次定位时间(time-to-first-fix，TTFF)，其中所述首次定位时间是从用户请求定位时起到首次定位之前经过的时间。特别地，如果对位置的固定是基于定位信号并且结合了基于位置的服务来完成的，那么TTFF将是非常重要的。事实上，基于位置的服务被设计成提供良好的用户体验，这些用户体验包括在提供服务之前的等待时间很短。对所谓的“冷启动”、也就是只在请求定位时接通定位接收机的情形来说，其对短TTFF的需求尤其苛刻(通常针对移动定位接收机，这是因为移动定位接收机的功耗需求严格)。事实上，在这种情形中，由于在接收机中没有可用的先前信息，因此，与“热启动”情形相比，定位信号追踪将会耗费更长的时间。
SnapTrack公司开发了一种用于位置确定的无线辅助GPS技术，这种技术与空中接口无关。举例来说，美国专利6,542,821描述了一种GPS接收机，该接收机具有被适配成在空中障碍物条件下接收和处理伪随机序列的电路。作为可编程数字信号处理器，该电路对预定记录长度的接收序列执行数字化处理，并对其进行存储，然后通过对存储数据执行快速卷积运算来确定伪距离，从而处理伪随机序列。
在上述专利中还描述了一种通过在远端单元中存储包括多普勒频移的GPS卫星信息来确定远端GPS接收机位置的方法。在障碍物条件下，远端单元使用该信息和来自可视卫星的采样GPS信号，以便随后使用快速卷积运算来计算其与卫星的伪距离。然后，该计算出的伪距离可被用于确定远端单元的位置。该位置确定既可以在远端单元上进行，也可以在基站上进行。如果在基站上执行位置确定，那么远端单元将会经由数据链路将伪距离发送到基站，基站则可以把这个信息与卫星星历数据相结合，以便完成位置计算。如果在GPS接收机上执行位置确定，那么卫星数据消息将被从基站发送到GPS接收机，以使GPS接收机能够将该信息与伪距离量度相结合，从而计算其位置，此外，GPS接收机自身也可以使用常规的GPS接收机，以本领域通常实现的常规方式从接收的GPS信号中获取那些在一到两个小时中有效的卫星星历数据。
为了实现高灵敏度，在引用的美国专利6,542,821中处理了一个很长的波形部分，其长度通常是100毫秒到1秒。
申请人发现，如果在GPS接收机上计算伪距离，那么将会存在只能将有限的计算能力用于伪距离计算本身的缺陷，特别地，如果考虑到最小化功耗的需求，那么这种缺陷将会更为明显。据申请人所知，在期望的定位精度方面，该缺陷转而会限制定位的可用性，并且将会限制TTFF的缩短。此外，上述解决方案还会导致GPS接收机的硬件和/或软件复杂化，从而增加其成本和/或可靠性。
在本领域中，对常规的独立GPS接收机来说，其替换方案同样是已知的，这些替换方案存在于GPS转换器或数字转换器(transdigitizer)中，其中GPS信号通过转换或变换而被遥测(remoted)，并且在地面处理设施中将对这些GPS信号进行追踪，在该设施中，得出目标位置和速度。这些转换器或数字转换器通常只包含GPS接收机的天线配件和RF配件部分，并且通常是在那些需要易耗型传感器的应用中使用的。已知的数字转换器使用正交相位调制，以2Msps的速率来重传那些经过数字采样的GPS信号。根据这种方法，经过转换的信号始终需要很大带宽来进行传送。
美国专利5,379,224描述了一种使用GPS卫星的追踪系统，该系统包括：用于提供定位特定对象所需数据的GPS传感器模块，单向遥测链路，以及用于处理数据并且显示目标位置和速度的数据处理工作站。GPS传感器模块包括天线和传感器。该传感器对来自可视GPS卫星的信号执行数字采样处理，并且将该数据保存在数字缓存器中。这个传感器并未执行任何处理功能，由此能够明显降低其成本。保存在缓存器中的原始卫星数据被传送回到数据处理工作站。通过使用原始卫星数据集合，可以确定传感器在记录该数据时的位置和速度。如果使用20kHz的数据链路，并且以2Mbps的速率来采样GPS信号，那么既可以每100秒提供1秒的GPS数据集合，也可以每50秒提供0.5秒的GPS数据集合，还可以每10秒提供0.1秒的数据集合。
申请人发现，如果在强、弱信号接收条件中都为用户提供可用性很高的基于定位信号的移动网络定位服务，同时将移动网络服务的带宽需求最小化，那么将是非常理想的。实际上，服务选择方面的一个重要因素是价格，同样，无论是网络设备与移动用户设备之间的哪一个移动网络连接，通常，只要业务量越高，那么服务计费也就越高。特别地，对(例如分组)数据移动网络连接来说，无论带宽、也就是连接自身提供的数据传送速率怎样，只要要传送的数据量越高，那么价格通常也就越高。
由此，申请人面临的问题是提供一种在移动用户设备的网络设备上根据在该用户设备上接收的定位系统信号来固定位置的方法、系统以及基于该方法的服务，其中在弱信号接收条件下，该定位处理可以很好地实现指定定位精度，对经由用户设备与网络设备之间的网络连接并且与定位处理相关联的数据传送业务量来说，数据传送业务量会以适当的较低等级而被得到优化。另外，在冷启动条件下，较为优选的是，定位处理的特征在于短的首次定位时间。此外，较为理想的是，对位置的固定应该是低成本、可靠和快速的。
发明内容
申请人发现了一种根据定位系统信号来固定用户设备位置的方法和系统，其中所述方法和系统可以解决一个或多个上述问题。此外，本发明的解决方案简单可行，并且成本低。
申请人认为，在保持待传输数据的尽可能低的大小的同时，本发明解决了在弱信号接收条件下对于指定定位精度提供良好定位可用性的问题，这一点归因于如下事实：对用户设备位置的固定是在网络设备上根据定位系统的信号快照以及由用户设备接收并从用户设备经由移动网络连接发送到网络设备的信号执行的，此外，定位信号的数字快照大小是动态(也就是在当前定位会话内部)确定的，因此其与用户设备上的定位信号接收条件(例如弱或强信号接收条件)相适应。对上文描述的操作，如确定大小、在网络设备上接收快照以及固定位置来说，这些操作是在一个定位会话内部执行的，该定位会话可以采用若干种方式启动。例如，该会话既可以通过从用户设备向网络设备发送定位请求来启动，也可以采用相反的方式启动，还可以通过在用户设备上存储定位信号采样来启动。
接收条件是物理层的接收条件，也就是在用户设备天线上接收的定位信号的质量，例如功率电平、噪声电平、干扰等级、多径等级、空中障碍物等级等等。一般来说，接收条件并不是显性和直接可知的。在这种情况下，它们可以通过那些归属于更高层的信息而被隐性和/或间接地推导得到。在一个实施例中，通过用户设备周围环境的显性识别(乡村或城市、室内或室外、车内、步行)，可以粗略地推导出接收条件。在另一个实施例中，通过尝试固定具有指定大小的定位信号采样的一部分，可以隐性评估接收条件，如果没有以期望精度实现这种固定处理，那么可以增加该部分的大小，直至实现所述固定处理。此外，上述技术还可以结合，从而至少近似识别接收条件。
对术语“快照”或是其等价术语“数字快照”来说，该术语是指通过对原始定位信号执行数字采样所获取的采样阵列，例如，该数字采样处理可以依照常规的模数转换技术来进行。所述数字快照的大小可以是采样频率、每个单独采样的比特数量以及与快照相对应的已采样原始信号的时间长度(在下文中将其称为“快照长度”)的函数。
就本发明而言，术语“定位系统”被用于指示任何定位系统，这其中包括基于陆地(例如基于伪卫星)或卫星的定位系统或是其组合，全球、区域或本地定位系统，当前或未来的定位系统。对(基于卫星的)定位系统来说，其实例是GPS、Galileo、Glonass等等。通常，定位系统的信号(在下文中将其称为“定位信号”)包含了分别由多个发射机(例如卫星和/或伪卫星)广播的多个重叠信号，此外它还包含了噪声和/或干扰项。
根据本发明的一个方面，在这里提供了一种如权利要求1所述的用于固定用户设备位置的方法。该方法包括：启动一个定位会话，以及在所述定位会话内部：根据所述信号在用户设备上的接收条件来确定定位系统的信号快照大小，其中所述快照被适配成启用对位置的固定；在网络设备上经由网络连接来接收来自用户设备的所述快照；以及在网络设备上根据所述快照来确定用户设备的位置。
优选地，确定快照大小的步骤包括：识别用户设备环境，以及根据所述所识别的环境来确定快照大小。
优选地，确定快照大小的步骤是在网络设备上执行的。在一个实施例中，该方法还包括：将所述快照大小传递到用户设备。在另一个实施例中，接收所述快照的步骤包括：接收所述快照的第一部分。第一部分的大小可以是预先确定的。在替换方案中，确定所述快照大小的步骤包括：在网络设备上确定第一部分的大小，并且还包括：在接收所述快照的第一部分之前，将所述第一部分的大小传递到用户设备。
非常有利的是，上述方法还包括：在网络设备上向用户设备发送关于所述快照的第二部分的请求，并且接收所述快照的步骤还包括：接收所述快照的所述第二部分。
在一个实施例中，第二部分的大小是预先确定的，优选地，其大小至少是第一部分的两倍。非常有利的是，该方法还包括：向用户设备发送关于所述快照的第三部分的请求，其中所述第三部分具有预先确定的相应大小，并且其中接收所述快照的步骤还包括：接收所述快照的所述第三部分。
在另一个实施例中，确定所述快照大小的步骤包括：在网络设备上确定第二部分的大小，并且还包括：在接收所述快照的第二部分之前，向用户设备传递所述第二部分的大小。
非常有利的是，确定所述快照大小的步骤包括：接收与移动网络的至少一个信号相关的测量数据，以及根据所述数据来确定所述快照的所述大小。
在一个优选配置中，确定所述快照大小的步骤包括：确定与所述快照相对应的定位系统信号的时间长度。
非常有利的是，该网络连接可以是移动网络连接。
优选地，该定位系统是基于卫星的定位系统。
优选地，启动定位会话的步骤包括：在网络设备上接收来自用户设备的固定位置的请求。
优选地，上述方法还包括：从网络设备经由所述网络连接向用户设备发送所固定的位置。
根据另一个方面，本发明涉及一种用于提供移动用户设备的位置的服务的系统，包括：网络设备；被适配成与网络设备建立移动网络连接的移动用户设备，该移动用户设备包括被适配成对定位系统信号执行数字采样的接收机；其中该网络设备和移动用户设备被适配成通过协作来实施上述方法。
在另一个方面中，本发明涉及一种用于为用户设备的用户提供固定用户设备的位置的服务，其中所述对位置的固定基于上述方法。
附图说明
通过下文中关于本发明的一个或多个实施例的详细描述可以清楚了解本发明的特征和优点，其中该描述仅仅是作为非限制性实例提供的，并且该描述是参考附图进行的，其中：
图1按照功能框图示意性显示了一个根据本发明的例示系统架构；
图2是按照逻辑框图显示根据本发明的例示方法的示意性流程图；以及
图3是按照逻辑框图显示根据本发明的方法的例示实施例的示意性流程图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的一个可行实施例的系统架构。
系统100包括网络设备110和用户设备120，用户设备120被适配成例如通过移动网络140与网络设备建立通常是至少部分无线的网络连接130，其中，该移动网络140例如是本领域中公知的CDMA、GSM、GPRS/EDGE或UMTS移动网络。
用户设备120可以是移动用户设备，例如蜂窝电话、寻呼机、便携式计算机、掌上手持机或类似设备。通常，该设备包含了诸如用户识别模块(SIM)之类的识别符硬件和/或软件，以便由移动网络140进行识别并与之通信。此外，该用户设备通常还具备运行专用客户端应用的能力。
根据本发明，用户设备120包括快照接收机150，它被适配成接收定位系统信号，并对该信号执行数字采样，以及存储由此获取的数字采样。数字采样处理可以依照已知技术进行。例如，快照接收机150可以包括：被适配成接收定位系统信号的天线152，RF-IF下变换器154，模数转换器156，以及被适配成存储数字采样的数字存储器158。该快照接收机150可以并且通常包含了被适配成执行、改进以及促成对接收信号执行数字采样和存储的功能的附加部件，例如电子滤波器、放大器、限幅器、本地振荡器、混频器、计数器等等。在本领域中(例如与前端接收机相关的领域)，快照接收机和其内包含的所引用部件的结构及操作都是已知的，并且可以根据引用的美国专利5,379,224中的图2、3以及相关的描述来制造。
用户设备120还被适配成经由其内包含的常规无线电接口设备(在图1中并未显示)并通过移动网络140支持的网络连接130来向网络设备110发送已存储的数字采样的全部或部分。
根据本发明，网络设备110被适配成接收来自用户设备120的定位信号的数字快照，并且通过处理该数字快照来计算在用户设备120在其接收到已处理数字快照时的地理位置的固定。通常，位置的固定是依照维度和经度之类的地理坐标给出的。作为补充或替换，从接收快照中还可以计算出用户设备120的纬度、速度和/或定时数据。该数字快照与快照接收机150存储的全部定位信号数字采样或是其中一部分是对应的。
数字快照处理可以依照已知技术来执行。优选地，网络设备110包括：捕获模块114，它被适配成计算码相位的第一估计，并且估计包含在接收快照内部的定位信号载波频率(该定位信号通常会受各种可视卫星的不同多普勒频移的影响)；调谐模块116，它被适配成对捕获模块获取的码相位估计执行精细化处理(通常不执行追踪)；以及导航模块，它被适配成根据调谐模块116计算的码相位和载波频率来计算导航数据(例如用户设备的地理位置和/或速度，和/或用户设备接收已处理快照的确切时间)。模块114、116和118仅仅例示了逻辑块，它们可以对应于物理实体或是在一个或多个计算机上运行的软件组件。
非常有利的是，网络设备110关联了至少一个(通常是一个以上)基准定位信号接收机160，该接收机被适配成为网络设备提供与定位系统有关的最新数据，其中举例来说，较为优选的是提供导航消息。非常有利的是，基准定位信号接收机160可以被适配成接收定位信号，在下文中将这个信号称为“基准定位信号”。在一个实施例中，网络设备110配备了依照本领域公知技术来对基准定位信号接收机160接收的原始基准定位信号进行处理、以便提取基准导航数据的功能(未显示)。在另一个实施例中，基准定位信号接收机160本身被适配成连续追踪定位信号，并且从用户终端接收的快照中解码卫星星历、历书数据、时钟校正(clock correction)、电离层校正(ionosphericcorrection)以及其他数据，以便为卫星信号处理提供便利。这些卫星数据被保存在存储器(未显示)中，以供网络设备110在计算针对用户设备120的卫星伪距离的过程中使用。
非常有利的是，如果基准接收机与用户设备在空间(例如在350km的范围以内)和时间上足够接近，那么基准接收机160或网络设备110将被适配成从基准定位信号中计算码相位、伪距离和位置固定，以便允许在网络设备110上使用差分技术来进行用户设备的位置固定。网络设备110使用基准接收机160来确定自身位置，由于该位置已被精确得知，因此，网络设备110可以计算出定位信号的最新误差项。在计算用户设备120的位置时，该误差可以从用户设备的伪距离中移除，从而提高位置固定的精度。
网络设备110可以构成移动网络140的一部分，也可以不构成移动网络140的一部分。非常有利的是，网络设备110被适配成与移动网络140进行通信，由此从后者那里接收与近似位置和/或用户设备120的环境有关的信息。
网络连接130可以是任何连接，其中该连接至少有一部分是无线的，该网络连接130被适配成允许在网络设备与用户设备之间执行数据交换。网络连接类型取决于支持这种连接的移动网络140的类型。该网络连接130的类型可以随时间动态变化，例如，根据用户设备与网络设备110之间的当前交互需要，网络连接可以从SMS类型连接变为GPRS、或EDGE或UMTS连接。优选地，网络连接130是数据网络连接，例如IP分组数据网络连接。更为优选的是，该连接是UMTS或WCDMA数据网络连接。
图2显示的是根据本发明的可能实施例200的示意性流程图。图2所示步骤可以代表图1系统的工作步骤，并且在下文中随时都会引用图1中的部件以及相应的附图标记。从当前的全部描述中应该清楚了解，图2的方框代表的是逻辑步骤，并且图2的流程图、尤其是方框顺序和/或连接方框的箭头并不代表相应操作的时间连续性。事实上，某些步骤可以在与图2所示点不同的点执行，和/或两个或更多操作可以部分或者完全同时地执行，此外，一个操作中的两个或更多个子部分可以在时间上与一个或多个其他操作的两个或更多个子部分交织。
在步骤210，定位会话启动。在一个实施例中，网络设备110可以接收一个要求固定用户设备120的位置的请求。该请求既可以直接从用户设备120那里接收(例如来自驻留在用户设备上的专用应用)，也可以来自关联或包含在移动网络140中的其他网络设备。在一个方案中，用户设备120的用户通过用户设备的用户接口(在图1中并未显示)或是通过加载专用应用来直接输入其位置固定请求，该专用应用则将请求发送到网络设备110。在另一个方案中，用户设备120的用户使用基于位置的服务-LBS-，这个服务转而通过驻留的专用应用本身或者通过提供LBS的其他网络设备来触发向网络设备110发送定位请求的处理。
在优选步骤220，网络设备110可以从用户设备自身或是从关联于移动网络140的其他网络设备那里接收或检索与用户设备120的近似地理位置有关的信息。对于这些与近似位置有关的信息来说，该信息与用户设备发送的数字快照(参见下文中的步骤250)的区别在于：这些信息是从测量结果或是与移动网络140的信号有关的数据中推导得到的。而数字快照则是定位系统(例如基于卫星的)的原始信号的数字采样。有关近似位置的信息的简单实例可以是在指定时刻覆盖用户设备的蜂窝移动网络140中的一个或多个小区的标识。优选地，用户设备120可以将这个信息连同位置固定请求一起发送(例如在步骤210)。位置精度可以使用附加的移动网络数据和/或本领域中已知的量度来改进。对使用不同量度的、基于蜂窝的定位方法来说，该方法的实例即为通常所说的Cell-ID或Enhanced-Cell-ID(同时使用了Cell-ID数据和信号强度量度和/或定时提前或往返时间，例如在GSM/UMTS网络中)，或是基于到达时间差的方法，例如专为GSM和/或UMTS网络标准化的EOTD(增强型观测时间差)或OTDOA(观测到达时间差)。
在优选步骤225中将会非常有利地识别用户设备120的环境。对本说明书和权利要求书来说，术语“环境”指的是在接收作为数字采样而被存储的定位信号的时候，用户设备周围的环境，例如室内、室外、车内、乡村、城市等环境。
例如在一个实施例中，用户设备的用户通过用户接口直接输入关于用户设备环境的信息。例如，在向用户显示随环境而定的不同类型的定位处理的菜单中可以进行选择，其中所述选择可以是“弱信号”、“强信号”、“(无阻碍)定位”、“乡村定位”、“城市定位”、“室内定位”或“车内定位”，这些选择可以与环境关联度相关联，例如“轻”、“中”或“重”。
在另一个实施例中，用户设备120对来自移动网络140、例如服务基站和附近基站的一个或多个信号执行功率测量(例如根据网络测量结果——GSM网络中的NMR量度，或是接收信号码功率——RSCP或路径损耗，UMTS网络中的量度)，和/或它会对这些信号上的干扰进行测量(例如根据干扰信号码功率——ISCP，或接收信号强度指示符——RSSI，UMTS网络中的量度)。从这些量度中可以间接推导出关于用户设备120的环境的粗略估计。
优选地，上述选择和/或上述量度是从用户设备120发送并在网络设备110上接收的。
非常有利的是，网络设备110可以从用户设备110自身或者从关联于移动网络140的一个或多个其他网络设备中接收或检索用户设备120的环境信息。例如，环境信息(例如乡村、市郊或城市)可以从步骤220获得的近似地理位置信息中推导得到。
根据本发明，在步骤230中将会确定定位系统中原始信号的数字快照大小，其中所述确定取决于用户设备在接收到包含快照的采样时的定位信号接收条件，并且所述数字快照被适配成能够固定用户设备的位置。表述“接收条件”指的是在物理无线电层上的定位信号接收质量，例如功率电平(衰减)、噪声电平、干扰和多径等级、空中障碍物等级、其他噪声电平等等。
在一个实施例中，如上所述，由于环境是由用户直接输入用户设备而被选择的，或者是由用户设备借助移动网络140上的信号量度或是与移动网络140交换的数据来识别的，因此，确定大小的步骤会在近似识别了用户设备环境之后由用户设备120上的专用应用直接执行。
在另一个优选实施例中，步骤230是在网络设备110上执行的。数字快照的大小既可以作为明确识别的用户设备环境的函数来确定(例如在步骤225)，也可以在尝试对定位信号的数字采样的接收部分来计算位置固定之后，以及在检查是否获取码相位和/或伪距离和/或载波频率和/或其是否具有期望精度之后执行，这一点将会在下文中进行说明。
在另一个实施例中，步骤230是在用户设备和网络设备上同时执行的。
确定定位信号数字快照大小的处理可以包括：确定从以下群组中选出的一个或多个参数：采样频率、每个单独采样的比特数量、与快照相对应的已采样原始信号的时间长度(“采样长度”)。优选地，采样频率和每个单独采样的比特数量是预先确定的，而在本发明的定位会话中确定的唯一参数则是快照长度。例如，对强信号条件、例如开放电场环境(乡村或室外)来说，良好的快照长度值介于1与20ms之间，优选介于2与10ms之间。这个值通常会随着用户设备上的定位信号接收条件的恶化而递增。在弱信号条件下，快照长度可以介于10与1000ms之间，优选介于50与500ms之间。
在步骤240，用户设备120可以在指定时刻捕获定位信号的数字采样，并且优选地将其保存在数字存储器158中。所捕获的数字采样的大小可以取决于采样频率、每个单独采样的比特数量，以及取决于与所捕获的采样相对应的已采样原始信号的时间长度(在下文中将其称为“捕获采样长度”)。以上这三个参数中的每一个都可以是预先确定的，也就是被用户设备预先知道的(例如记忆在专用应用中)，或者作为选择，它也可以采用与如参考步骤230所述方式相类似的方式作为环境函数而被确定。优选地，采样频率介于1与10MHz之间，更为优选的是介于约2与5MHz之间。此外，优选地，每个单独采样的比特数量介于1与12之间，并且更为优选的是每个单独采样具有1或2个比特。在步骤240捕获的采样长度介于约0.1秒到10秒之间，并且更为优选的是介于约0.5秒～2秒之间。通常，对在步骤230中确定其大小的数字快照来说，该数字快照至少是在步骤240捕获的数字采样的一部分。步骤240可以在图2的流程图中以及步骤250之前的任何点上执行，例如，它可以在步骤210中或是在步骤210之前执行。
根据本发明，在步骤250，具有在步骤230中确定了大小的数字快照被用户设备发送，并且经由网络连接130而在网络设备110上被接收。根据本发明，在步骤250中从用户设备120发送到网络设备110的数字快照是原始定位信号的快照，并且所述发送优选是在执行以计算伪距离或码相位为目标的任何数学处理之前进行的。
根据本发明，在步骤260，在网络设备110上将会根据接收到的数字快照来固定用户设备的位置。
非常有利的是，在步骤270，网络设备110将所固定的位置发送到用户设备或另一个网络设备，例如LBS设备。
图3显示的是本发明的方法中的某个部分的可能实施例300。作为例示，图3的步骤可以对应或者包含在图2的步骤230、250和260的内部。
在步骤310，在网络设备110上接收数字快照的第一部分。
在第一实施例中，第一部分的大小是预先确定的，例如，专用应用是使用第一部分的大小值预先配置的。优选地，在这种情况下，数字快照的第一部分的时间长度介于约1毫秒与25毫秒之间，更为优选的是介于约5到15毫秒之间。
在第二实施例中，如以上在步骤225中举例说明的那样，第一部分的大小是在用户设备120上作为已识别用户环境的函数确定的。
在第三实施例中，如以上在步骤225中举例说明的那样，第一部分的大小是在网络设备110上作为已识别用户环境的函数确定的。在第二和第三实施例中，数字快照的第一部分的时间长度有可能会根据用户设备的环境类型而发生极大变化，并且可能取决于与该环境相关的程度。例如，它有可能在约1毫秒(强信号，空旷的天空)到1000毫秒(弱信号，有障碍物的天空)之间变化，并且优选在最小约5毫秒到最大约500毫秒之间变化。
在步骤320，网络设备110通过处理接收到的数字快照的第一部分来尝试对位置固定。
在步骤330，其中将会检查步骤320中计算码相位、和/或载波频率和/或伪距离的尝试是否成功，这些尝试通常是在网络设备上进行的，作为选择，如果先前的检查结果是肯定的，则检查计算得到的码相位、和/或载波频率和/或伪距离是否具有期望的质量，例如期望的精度和/或噪声电平。
如果步骤320中尝试计算码相位、和/或载波频率和/或伪距离的处理取得成功，并且作为选择，计算得到的值具有可接受的质量，则在步骤360结束处理，此外，如果先前还没有计算用户设备定位，那么有可能对固定用户设备的位置进行计算。在这种情况下，该快照的第一部分代表了整个快照。
如果步骤320中尝试计算码相位、和/或载波频率和/或伪距离的处理并未成功，或者计算得到的值具有不可接受的质量，那么在步骤340，网络设备110向用户设备120发送要求快照的第二部分的请求。
在一个实施例中，第二部分的大小可以是预先确定的。
在另一个实施例中，如以上在步骤225中举例说明的那样，第二部分的大小是在网络设备110上作为已识别用户环境的函数来确定的。在这种情况下，数字快照的第二部分的时间长度有可能依照环境以及与之关联的程度而发生极大变化。例如，它有可能在约10毫秒(强信号，空旷的天空)到1000毫秒(弱信号，有障碍物的天空)之间变化，并且优选是在最小约20毫秒到最大约500毫秒之间变化的。
在步骤350，在网络设备110上经由网络连接130从用户设备接收在步骤340中请求的数字快照的第二部分。该步骤包括在用户设备120上从数字存储器158中提取所需要的数字快照的第二部分，这个部分属于已被接收机150捕获的采样(参见上文中的步骤240)，并且与所捕获采样内部的第一部分邻接。
在步骤320，网络设备将第二部分附着于第一部分上，并且根据组合在一起的第一和第二部分来尝试对位置进行固定。
在步骤330之后，如果没有获取适合计算位置的伪距离值，则重复执行340，350和320，直至获取适合计算位置的伪距离值为止(步骤360)。
应该指出的是，对在步骤340中请求的快照来说，如果该快照的任何其他部分具有预定大小，那么较为优选的是逐步增大其他部分的大小，例如，对数字快照中的任何其他部分来说，其时间长度至少两倍于先前部分的时间长度，更优选的则是至少四倍。对这种逐步增大部分长度的处理来说，其优点是在用户设备与网络设备之间的有限次数的交互(也就是图3中步骤320、330、340和350的有限次数的重复)以内提供定位，同时确保在最为频繁的强信号的情况下只传递第一较小部分。
作为对比实例，下表1显示了本发明的三个可能实施例与一个对比实例之间的比较关系，其中发送到网络设备110的快照的大小是固定的(与用户设备接收条件无关)，并且该快照的大小将被预先确定成是最坏情况的值(弱信号)，以便确保大多数条件下的定位。括号中的值是在假设采样频率是4MHz以及每个单独采样都具有1个比特的情况下的相应快照大小的实例(以Kb为单位)。应该指出的是，以Kb为单位的大小可以与商业网络连接的可用数据带宽相比拟(例如在GPRS/EDGE/UMTS移动网络140中从约20到约2000K比特/秒)。
Figure S2005800520151D00191
表1
从只用于例示目的的对比表1中可以清楚了解，本发明的方法灵活动态地将那些从用户设备经由(例如UMTS)网络连接发送的快照的长度与用户设备接收条件相适配，由此将快照大小最小化，同时还实现了良好的定位方法可用性。
在很多范例中，本发明还允许缩短向用户设备发送适当长度的快照的传送时间。
再次参考图2中的步骤260，在下文中将会描述从定位信号快照计算位置固定的某些细节，并且将会特别关注那些很有利地与本发明相适应的方面。
依照本发明，在网络设备110上执行获取导航数据(例如位置、速度和/或定时)所需要的所有数学计算，其中该导航数据是从原始定位信号开始的。该处理的优点是可以使用近乎无限的处理和/或电力资源。由此转而允许实现快速、精确以及可升级的导航定位。此外，快照接收机150被证明是简单、可靠和低成本的，而用户设备120同样也会如此。另外，快照接收机150的功耗很低，其在实践中仅仅关联于存储数字采样的持续时间(不执行捕获和追踪功能)。
虽然以下描述参考了标准的GPS定位服务，但是应该理解，本公开中的任何内容不应解释成是将本发明局限于特定的定位系统。本发明发现与任何定位系统相关的应用，这其中包括基于陆地或卫星的定位系统，全球、区域或本地定位系统，以及现在或未来的定位系统。
实际上，本发明的优点之一是可以同时地与多种定位系统相适合的灵活性。由于用户设备120中的接收机150存储了定位系统的数字采样，并且计算处理是在网络设备110上执行的，因此，如果两个或更多个不同定位系统的两个或更多个定位信号共存于同一波段(这与L1波段上的BPSK-GPS和BOC-GALILEO的情形相类似)，并且通常处于可被接收机150接收的同一波段，那么上述处理将允许在网络设备110上对接收到的快照内部的两个或更多个信号中的一个或多个信号进行处理。网络设备110(或更为恰当的是系统100)可以充当多标准定位接收机，并且它将会以一种对用户透明的方式来有效确定哪个或哪些信号是解码的最佳定位信号。此外，通过升级网络设备，还可以在不修改或者少量修改用户设备120的情况下使本发明系统的可能升级与未来的定位系统相适合。
另一方面，在未来，期望导航卫星(例如GALILEO的导航卫星)将会具有灵活的净荷，由此允许实施定位信号的升级。本发明的另一个优点在于：如果存在这种升级，那么本发明的用户设备120仍旧适合经过升级的信号(有可能是在诸如网络设备110之类的设备重新配置了采样频率之后，由此与经过升级的定位信号调制相适应)。在这种情况下，只有网络设备110需要在信号解调处理方面进行升级。
对于在网络设备110上执行的从原始定位信号的快照中计算导航数据的处理来说，该处理可以依照本领域中已知的任何技术来执行。
为了清楚起见，该处理可以被描述成是比较以下三个阶段中的至少一个阶段，即捕获阶段，调谐阶段和导航阶段。这三个步骤可以与图1中的各逻辑块114、116和118相对应。
在捕获步骤中，网络设备110根据本领域已知的任何适当技术，从相同的接收快照中提取可以被用户设备120看到的每一个卫星信号的码相位和/或载波频率值(通常是很粗略的)。优选地，在定位信号的内部，码相位和/或载波频率捕获是在来自可视卫星的所有码信号上并行执行的。
非常有利的是，每一个卫星信号的码相位和载波频率都是使用相干积分技术获取的，对那些长度大于20ms的快照来说更是如此，这样做允许补偿那些以50比特/秒的速率叠加在导航消息上的码相位调制(也就是每20毫秒一个比特)。非常有利的是，该技术可以本地码的穷举性重建为基础，其中所述本地码具有叠加调制比特的所有可能组合。这种技术被称为“穷举性相干积分(exhaustive coherentintegration)”。在叠加于快照内部所有可能位置的所有可能比特序列上并行执行扫描。然后，响应于正确位置中的正确比特序列，搜索自相关函数的最大值。举例来说，设想一个长为100毫秒的快照100，通常，与六比特导航消息序列中的比特边缘相对应的五个相位变换是为总计26个可能比特序列给出的。每一个具体的比特序列都可以占用快照内部的20个可能的位置(因为一比特内20个Gold码周期适合20毫秒长，并且导航消息比特全都与Gold码的码片同步)。
在一个实施例中，网络设备110可以在一个时间间隔中接收每个卫星以50比特/秒的速率传送的比特序列的信息，其中该时间间隔包含了用于传送所接收的快照内部的信号的时刻。举例来说，如果网络设备110向用户设备120发送一个记忆定位信号采样的命令，那么上述时间间隔可以从发送命令时开始，并且在接收到至少一部分快照时结束。在这种情况下，由于只考虑了与该时间间隔相对应的导航消息部分中包含的比特序列，因此，上述扫描有可能会局部受限。非常有利的是，可以从图1的基准接收机160接收所述关于比特序列的信息。
非常有利的是，通过在网络设备110上接收关于用户设备120的近似位置的信息，可以为码相位和载波频率的计算提供帮助(相关实例参见上文中的步骤220)，由此可以为每一个卫星信号执行多普勒频移预测，这种处理在涉及辅助GPS方法的领域中是已知的。
非常有利的是，举例来说，多普勒频移的动态补偿是在大于70毫秒的时间执行的，在接收快照很长的时候尤其如此。在这种情况下，在由于卫星移动所导致的多普勒频移的期望值周围并行搜索多普勒频移的常数分量(以便也包含用户设备120的移动和/或接收机150的时钟漂移)，此外，在快照的持续时间以内还会搜索由于卫星运动变化所导致的多普勒频移的其他分量。如果接收到的快照很短，例如不到约20毫秒，那么多普勒频移可以被忽略。
与多普勒补偿进行积分的自相关方法既可以在时域执行，也可以在频域中执行，例如借助施加于快照块序列的快速傅里叶变换来执行。特别地，多普勒补偿可以在每一个块上执行。
一般来说，捕获阶段输出精度可以与数字快照采样间隔(也就是采样频率的倒数)相比的码相位。
然后，调谐步骤根据本领域中已知的任何技术(例如互相关技术)来精细调谐捕获阶段输出的码相位和/或频率值。举例来说，精细调谐可以通过使用卷积码和/或载波追踪环(例如基于两个耦合锁相环)来执行，特别地，对频率调谐来说，所述精密调谐可以使用在本领域中被称为BASS方法的技术来执行(基于两个延迟间隔之间的相位差)。
非常有利的是，举例来说，在常规的追踪阶段，对50比特/秒的消息所实施的卷积解调并不是根据本发明执行的。
在从调谐阶段获得了码相位和/或频率的精确值之后，导航步骤会基于这些值来提供导航数据。
优选地，在本领域中被称为“整数毫秒二义性”(integermillisecond ambiguity)的二义性(ambiguity)(该PRN码每微秒重复一次，由此，对接收到的PRN以及本地产生的PRN来说，为其实施的循环相关处理只允许计算卫星信号发射时间的子毫秒部分)被求解，以便获取明确的伪距离量度。优选地，如上所述，该二义性是使用与用户设备120的近似位置有关的信息来求解的。由于发射时间中的1毫秒差值对应于300km的卫星伪距离差值，因此，如果了解用户设备120在大约100km以内的位置，则允许以整数毫秒计算信号传送时间。
如果不知道处于该精度的用户设备120的位置，那么卫星信号的数据比特边缘可以充当定时标记，并且在这些标记之间将会具有20毫秒的间隔(与大约6000千米相对应)。由于借助数据的卫星信号调制与原子时钟同步，因此，接收信号中的数据比特边缘位置会给出关于传送时间的粗略量度，尽管如此，这个值还是精确到了1毫秒以内。
非常有利的是，在各个信号的传输时刻TTOT，可视卫星的位置是根据已知技术估计的。优选地，为了知道可视卫星的位置，网络设备110首先估计包含在快照内部的各个卫星信号的传输时间TTOT。
在一个实施例中，尤其是在一个适合长度至少为100毫秒的快照的实施例中，传输时刻TTOT是从关于50比特/秒的导航消息所具有的叠加调制比特的正确序列的知识中推导得到的(如在上文的捕获阶段中所述)。通过将接收到的快照的第一个单独接收采样放置在相应卫星传送的GPS信号内部的正确位置，可以使用以下公式来计算传输时刻TTOT(参考周时间以秒为单位)：
TTOT＝SubframeNumber*6s+(firstbitNumber-1)*20ms+(CAcodeNumber-1)*1ms+
IntegerChipCount+fractionalChip
其中SubframeNumber代表导航消息中的6秒子帧编号，并且快照中的第一个单独采样减小，firstbitNumber代表子帧内部的20毫秒比特编号，CAcodeNumber代表20毫秒比特内部的C/A 1毫秒码重复数量，捕获阶段输出的IntegerChipCount代表用恰当的时间单位(大约1μs)表示的C/A码中的码片数量。而从调谐阶段输出的fractionalChip代表使用正确单位时间的码片部分。应该指出的是，传输时刻TTOT是指接收快照内部的第一个接收的单独采样。
对正确的接收导航消息比特序列来说，该序列有可能出现在期望传输间隔内部的不同时刻(尤其是在该序列很短的情况下，例如小于或等于3或4比特)。这种二义性可以通过同时设想可视卫星传送的所有比特序列来解决。优选地，传播时间方面的差值将被考虑，例如使用来自基准接收机160的信息。
在另一个实施例，尤其是适合短于100ms的快照的实施例中，对快照中的第一个单独采样的捕获时间进行估计。该期望的时间间隔包括接收快照内所包含的信号的传输时刻，并且这个时间间隔被划分为离散时间间隔。作为例示，该时间划分间隔可以是1毫秒，这个间隔与因卫星运动而导致的大小约为1米的导航相位输出误差相对应。对每一个时刻k来说，使用伪距离来计算传送了在捕获时间k接收的信号的卫星星座图。每一个卫星i与用户设备之间的距离ri都是作为星座图中的卫星位置与用户设备的位置之间的差值来估计的，其中用户设备的位置是在考虑了卫星星座图和伪距离的情况下通过求解GPS导航解来获取的。然后，对于每一个时刻k依照如下等式，估计伪距离差值与相应距离差值之间的二次误差，其中将误差减至最小的k值代表捕获时间：
Min k ( Err ( k ) ) = Min k Σ i = 1 N _ sat Σ j = i + 1 N _ sat [ ( ρ i - ρ j ) - ( r i ( k ) - r j ( k ) ) ] 2
其中ρi代表相对第i个卫星的伪距离，并且ri (k)代表上述距离。
优选地，后一种方法需要至少五个可视卫星，或是四个可视卫星以及用户设备120的高度资料。此外，这种方法还适用于解决先前方法中仍旧存在的二义性。
应该指出的是，举例来说，在捕获阶段，关于传输时刻的知识可被用于推导出因卫星运动所导致的多普勒频移估计以及多普勒频移。
一旦计算了可视卫星的位置，则可以求解本领域中公知的导航等式。
虽然在这里借助某些实施例公开并描述了本发明，但对本领域技术人员来说，很明显，在不脱离附加权利要求定义的发明实质或是其本质特征/范围的情况下，针对所述实施例的修改以及本发明的其他实施例都是可行的。

Claims (14)

1.一种用于移动网络辅助固定用户设备(120)的位置的方法(200)，包括：
启动(210)一个定位会话，以及在所述定位会话内部：
1)在网络设备上根据定位系统的信号在用户设备(120)上的接收条件来确定(230)所述信号的快照的第一部分的大小，其中所述快照被适配成启用固定位置的处理；
2)将所述第一部分的大小传递到用户设备；
3)在网络设备(110)上经由网络连接(130)接收(250)来自用户设备(120)的所述快照的第一部分；以及
4)在网络设备(110)上根据所述快照来固定(260)用户设备(120)的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定快照的第一部分的大小的步骤包括：识别用户设备(120)的环境，以及根据所述所识别的环境来确定快照的第一部分的大小。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：在网络设备上，向用户设备发送一个关于所述快照的第二部分的请求，并且接收所述快照的所述第二部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其中第二部分的大小是预先确定的。
5.根据权利要求3的方法，其中第二部分的大小至少是第一部分的两倍。
6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括：向用户设备发送一个关于所述快照的第三部分的请求，其中所述第三部分具有预先确定的相应大小，并且接收所述快照的所述第三部分。
7.根据权利要求3所述的方法，还包括：在网络设备上确定第二部分的大小，并且在接收所述快照的第二部分之前，向用户设备传递所述第二部分的大小。
8.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述快照的第一部分的大小的步骤包括：接收与移动网络的至少一个信号相关的测量数据，以及根据所述数据来确定所述快照的第一部分的所述大小。
9.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述快照的第一部分的大小的步骤包括：确定与所述快照相对应的定位系统信号的时间长度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中网络连接是移动网络连接。
11.根据权利要求1所述的方法，其中定位系统是基于卫星的定位系统。
12.根据权利要求1所述的方法，其中启动定位会话的步骤包括：在网络设备(110)上接收来自用户设备(120)的固定位置的请求。
13.根据权利要求所述1的方法，还包括：从网络设备(110)经由所述网络连接(130)向用户设备(120)发送所固定的位置。
14.一种用于提供移动网络辅助定位移动用户设备(120)的服务的系统，包括：
网络设备(110)；
被适配成与网络设备(110)建立移动网络连接(130)的移动用户设备(120)，该移动用户设备包括被适配成对定位系统信号执行数字采样的接收机(150)；其特征在于：该网络设备(110)和移动用户设备(120)被适配成通过协作来实施上述任何一个权利要求的方法。
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