CN1375062A - 确定通信信号中的变化并使用该信息改进sps信号的接收和处理的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定耦合到通信接收机或收发机的移动卫星定位系统(SPS)接收机的位置的方法和装置。在一典型方法中,确定通信接收机接收到的通信信号的变化。根据变化确定参数,并根据参数处理来自所述SPS卫星的SPS信号。根据该方法的进一步细节,变化涉及通信信号的电平波动,参数是用于指定从SPS卫星捕获SPS信号的过程中搜索SPS信号频段的运动信息。在另一实施例中,通信信号的变化是发射信号响应功率控制指令的变化。本发明还描述了装置,如包括SPS接收机和通信接收机的移动通信系统。

Description

确定通信信号中的变化并使用该信息 改进SPS信号的接收和处理的方法
本申请要求1999年7月20日提交的美国临时专利申请号60/144,610的利益，该申请的发明人是Norman F.Krasner，题为“Method for DeterminingMotion of a Mobile Communication Receiver and Using this Informationto Improve GPS Signal Reception and Processing”。
背景
众所周知当移动卫星定位系统(SPS)接收机(如全球定位系统接收机)从SPS卫星捕获SPS信号时，它的移动将影响SPS接收机的位置确定功能。移动SPS接收机的速度越快，捕获/搜索过程的时间损耗就越多。移动SPS接收机的较快速度还影响SPS信号的跟踪(在捕获过程之后)。来自SPS接收机移动的多普勒效应会引起这些问题，SPS接收机的移动与高速移动的轨道SPS卫星的移动混合。本领域中熟知预测由于SPS卫星移动引起的多普勒效应的几种技术。这些技术对于固定SPS接收机(它可能可以移动)尤其有用。美国专利号4,445,118和5,841,396，PCT公布号WO 98/25157中描述了这种技术。这些技术通常假设SPS接收机本质上固定(如固定在地球表面或缓慢移动，如人步行的速度)。当SPS接收机在汽车中移动时，由于SPS接收机的快速移动引起的有效多普勒效应与固定SPS接收机的估计多普勒效应显著不同。因此，虽然现有技术有助于多种情况，但是在SPS接收机高速移动时是不利的。
发明内容
本发明涉及确定通信信号中变化并使用该变化的相关信息影响SPS信号处理(如，接收)的方法和装置。在一典型方法中，确定通信接收机接收到的通信信号的变化。基于该变化，确定一个参数，根据高参数处理来自SPS卫星的SPS信号。例如，该参数可以表示移动信息，该移动信息可用于确定在从至少一个SPS卫星捕获SPS信号的过程中搜索SPS信号的频带。这种移动信息的实例包括通信信号包络中衰落之间的衰落速率或时间。在另一实例中，监控通信发射机发射的通信信号电平的变化，或者监控改变这种电平的指令。
本发明还描述了装置，如包括SPS接收机和通信接收机的移动通信系统。
附图概述
用实例说明本发明，而不起限制作用，在附图中相同的标号表示类似的单元。
图1显示了根据本发明的一个方面，描述典型方法的流程图。
图2显示了根据本发明，另一方法的流程图。
图3显示了根据本发明的装置的实例。
图4显示了测量到的瑞利包络的实例。
图5显示了信号电平相交速率相对于特定电平(分贝)的曲线图的实例。
图6显示了对于各种车辆速度，平均衰落周期的曲线图的实例。
详细描述
本发明描述了用于确定通信信号中变化并使用该变化的相关信息处理SPS的方法和装置信号。以下描述和附图说明了本发明，但不构成对本发明的限制。在以下描述中，为了解释的目的，描述了多个特定细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，对本领域熟练的技术人员显而易见的是没有这些特定细节也可以实现本发明。在其他实例中，在框图中显示了公知的结构和装置，以便于解释。
在一个实施例中，当SPS接收机经历移动时，本发明处理卫星定位系统(SPS)信号，如来自GPS卫星的GPS(全球定位系统)信号。在这种SPS接收机移动的情况下，GPS信号的频率由于来自SPS接收机移动的多普勒效应而移动。这使得更难捕获GPS信号，并且引起跟踪信号中的困难。如果能够获得辅助信息资源向GPS接收机提供移动信息，那么接收机可以使用该信息改变其捕获策略。例如，如果知道移动较小，那么多普勒效应(由于GPS接收机的移动引起的)将是次要的，并且GPS接收机能够避免宽多普勒区域上的较长搜索，该过程通常导致较长的捕获时间。
在一个实施例中，本发明提供了在GPS接收机与工作通信装置结合或接近时，确定这种平台移动的方法。
本发明的优点在于可以避免用于确定移动的专用外部设备，如加速计、陀螺仪、速度计等等。这种设备可能较昂贵，需要大规模安装，并且可能不实用，尤其对于对成本敏感的移动用户应用。
本发明的较佳实施例是带有集成GPS接收机的小区电话。然而，本发明能等效地较佳工作于小区电话或与小区电话通信的其他通信装置(如，通过连续的有线链路或小范围的无线链路)，其中小区电话接近于通信系统，它们共用类似的平台移动。
根据本发明的实施例，一种方法观察通信信号的包络的波动或其他信号参数，并从这些波动速度信息得出信息，然后这些信息可用于确定如何处理(如，搜索)GPS信号。
众所周知，在移动的情况下，由于从几条通路提供给移动站的接收信号的干扰，蜂窝型信号经历快速信号电平波动。例如，可以从小区电话塔直接接收蜂窝信号，也可以在被地面反射后再接收。或者，可以从建筑物附近的多途径反射接收小区电话信号。
在反射环境中，尤其在窄带中，已知接收信号包络的概率分布遵循瑞利概率分布。此外，当沿直线移动时，接收信号通常在半载波波长距离中从峰值变到较小值。该衰落实际是统计的，所以当测量值间隔1/2波长时，包络的振幅在测量值之间几乎统计独立。1979年1月Bell System TechnicalJournal的303-315页中G.A.Arrendondo等人的“Advanced Mobile PhoneService，Voice and Data Transmission”中提供了关于衰落现象的讨论，其中包括测量值。
例如，在850MHz的小区电话频带处，独立衰落间隔7英寸。因此，当车辆或其他移动平台运动时，包络线将向上或向下运动，并且该运动发生的平均速率是平台速度的函数。用所谓的电平相交速率找出该速率的一个测量值。找出包络的平均值，并将电平设置成比平均值低指定量，例如比平均值低10dB。当信号电平低于该较低阈值时，在如10秒钟的时间内测量出现数目。这种阈值的相交速率是衰落速率的量度。例如，在850MHz附近，显示以20英里/秒的速率，相对于平均值10dB阈值的衰落速率为大约18次/秒。另一量度是低于阈值的衰落的平均周期。以20英里/秒的速度，在850MHz处，平均衰落周期为大约5毫秒。衰落速率与车辆速度成比例，还与接收信号的频率与成比例。类似地，衰落周期与这些分量成反比例。
因此，本发明的典型方法监控GPS接收机附近或其中的小区电话或其他通信装置的接收信号，并使用接收到通信信号的载波衰落统计或接收到的信号的其他多途径有关统计值，以估计移动平台的速度。移动平台的估计速度可用于控制通信装置附近的GPS接收机接收到的GPS信号的捕获或处理。GPS信号的捕获通常涉及搜索信号载波的频率。该频率通过两个多普勒源交替改变：(1)GPS卫星相对于地球移动引起的多普勒效应(2)接收机平台的移动引起的多普勒效应。然后，知道平台的速度有助于开展适当的捕获策略。例如，如果估计速度较低(表示平台基本固定)，那么可以减小所需的频率(或多普勒)搜索量，以捕获来自GPS卫星的GPS信号。另一方面，如果估计速度较高，那么要增加这种频率搜索量。当估计速度在低级和高级之间时，可以执行中级多普勒搜索。因此，从估计速度(从衰落统计中获得的)中可以确定多普勒不确定性的等级，并且该多普勒不确定性等级可用于确定搜索多普勒频移的等级(如搜索的多普勒区间数目可能基于多普勒不确定性等级)。
Lee(见1986年Howard Sams & Co.中100-105页William C.Y.Lee的Mobile Communications Design Fundamental)中提供了移动系统衰落现象的模型。该模型产生了每秒电平相交数目(只有一个方向，如正方向)的等式，n(R)和特定电平R下的时间(称为“衰落周期”)为： n ( R ) = 2 π ( V / λ ) Re - R 2 - - - ( 1 ) t ( R ) = 1 - e - R 2 2 π ( V / λ ) R e - R 2 - - - ( 2 ) 这里R是用RMS信号电平归一化的电平，V是移动速度，λ是信号波长。要注意到电平相交速率与频率成比例，与衰落周期成反比。例如，对于速度为30英里/小时或13.4米/秒的车辆，电平设置为比RMS低10dB，我们可以得到这些量，n(R)＝27.2相交/秒，和3.49毫秒。当然这些数是平均值，由于来自用于预测这些数的模型的统计波动和方差，短期如1秒内的个别测量值可以与这些平均值相当不同。然而这些等式是较好的趋势预测器。
图1显示了描述本发明一个一般实例的流程图。在操作101中，确定通信信号的变化。该通信信号可以是使用码分多址(CDMA)技术区分不同接收机的蜂窝电话信号。或者，它可以是AMPS模拟蜂窝系统，或GSM时分多址蜂窝系统，或者是寻呼型系统。通常测量到的变化是时间上信号振幅或接收通信信号其它信号电平的变化。如上所述，一种这样的测量值是信号电平相交速率。操作102从操作101中测量到的该变化中确定参数。该参数可用于处理SPS信号。SPS信号的处理发生在操作103中，至少部分基于该参数确定处理SPS信号的方式。
图2显示了根据本发明实施例的更特殊方法。在操作201中，确定蜂窝通信信号中的变化。如图2所述，该变化可以是信号电平相交速率的测量值。在操作203中，从蜂窝通信信号的变化中确定近似运动信息。这可以通过查找表或通过将考虑蜂窝通信信号变化的测量信息转换成近似运动信息的其它技术执行。例如，可以使用等式(1)和(2)，或者以上引用的Bell SystemTechnical Journal中显示了可用于将操作201中测量到的变化转换成操作203中确定的运动信息的各种曲线图。
然后，操作205中可以使用该运动信息，以根据近似运动信息，确定多普勒搜索窗口。本领域的技术人员能够理解与表示较慢速度的运动信息相比，表示较快速度的运动信息将要求较宽的频率搜索窗口。在操作207中，通过在操作205中确定的多普勒搜索窗口中进行搜索，以捕获SPS信号，确定到至少一个SPS卫星的伪距。然后，在操作209中，使用常规技术确定SPS接收机的位置。
应该理解可以用本领域中熟知的其它技术实现以上方法，包括使用相对于轨道SPS卫星的多普勒信息。例如，美国专利号5,841,396中描述了将近似多普勒信息提供给移动SPS接收机或者与移动SPS接收机一同使用的技术。该多普勒信息可以与本发明的近似运动信息结合使用，根据与SPS卫星关联的多普勒效应和与根据本发明确定的运动信息关联多普勒效应，确定适当频段上的合适的搜索窗口。此外，如PCT公布号WO 98/25157中所述，可以使用各种基于小区的信息源。例如，确定与通信接收机通信的特殊区站可以指定相对于至少一个SPS卫星的多普勒信息，并且该多普勒信息可以结合根据本发明确定的运动信息使用，以指定SPS信号捕获过程中的频率范围/搜索窗口。因此，应该理解本发明可以与其它技术结合，以改进对SPS信号的捕获或跟踪，就如美国专利号5,841,396和1997年4月15日提交的共同待批美国专利申请号08/842,559中所述的，这两个申请通过引用结合于此。
图3显示了根据本发明的移动系统301的一个实施例。移动系统301包括蜂窝通信收发机303和SPS接收机307，每个都耦合到通信信号测量单元305。通信信号测量单元305通过信道309耦合到蜂窝通信收发机303。应该理解测量单元305可以是蜂窝通信收发机303的一部分或与之合为一体。例如，多种蜂窝通信收发机包括信号测量单元。SPS接收机307通过信道312耦合到通信信号测量单元305，根据这里所述的技术和方法，信道312提供SPS接收机307所用的测量值或参数。SPS接收机307可以通过选择性信道311选择性地耦合到蜂窝通信收发机303，信道311可用于通过到基站或其它信源的蜂窝通信链路向SPS接收机307提供多普勒信息或其它帮助信息(例如，SPS服务器如1997年4月15日提交的共同待批的美国专利申请号08/842,559中所述)。通过天线304接收和/或发射蜂窝通信信号。通过SPS天线308接收来自SPS卫星的SPS信号。应该理解在某些实施例中，这些天线304和308可以共用。SPS接收机307可以是传统GPS接收机，或者是如美国专利号6,002,363中所述的GPS接收机，或美国专利号5,663,734中所述的GPS接收机。还可以使用其它类型的SPS接收机，如传统基于相关的GPS接收机。蜂窝通信收发机303可以是CDMA蜂窝电话收发机，或GSM蜂窝电话收发机，AMPS收发机或各种其它常用的收发机。通信信号测量单元305通过到收发机303中信源的信道309耦合到接收到的蜂窝信号，以测量蜂窝信号。该蜂窝信号的测量可以根据这里所述测量信号电平相交速率的传统技术。然后，该信号电平相交速率的测量可用于确定这里所述的运动信息。例如，测量单元305可以执行将测量速率的信号电平转换成估计速度的查找表。然后，信道312可以将该速度提供给SPS接收机307，SPS接收机307根据测量单元305确定的近似运动信息，相应地改变用于捕获SPS信号的频率搜索窗口。
图4显示了测量到的瑞利包络的实例，其中在12英里/小时(MPH)的速度下，信号电平变化。该变化的信号电平可以用各种方法测量并在曲线图中表示。这些曲线图可用于产生用于确定移动通信系统速度的查找表。图5显示了信号相交速率相对于电平(分贝)的曲线图的实例。测量到的信号电平相交速率可用于从如图5的曲线图中获得估计速度。图6是显示各种车辆速度的平均衰落周期的曲线图的实例；测量到的平均衰落周期可用于从如图6的曲线图中获得估计速度。
速度的其它测量
如上所述，根据对接收到的通信信号的统计可以用各种方法估计平台的速度。获得该信号包络中的变化是方便的。可以通过检测AGC控制电压或用于控制接收链中通信信号电平的信号执行该变化。通常将平均接收信号电平作为接收机强度的量度，所谓的RSSI(接收机信号强度指示器)。然而，在一些情况下，没有高速测量该RSSI，所以就影响了确定快速包络波动的能力。
监控通信信号强度变化的另一方法是监控小区电话(或其它通信装置)发射机的功率控制指令。在CDMA系统中，蜂窝基站通常将功率控制指令发送到移动站，接着调节移动站的发射功率，使得基站接收以指定的电平接收移动站的信号。这称为闭环功率控制。通常高速产生这些功率控制指令，如每毫秒一次，使得移动站发射机可以补偿基站观察到的瑞利衰落。功率控制指令通常是带有如1dB的较小增量的上/下指令。通过累加这种增量，可以将这些指令转换成实际发射电平。使用这种监控小区电话(或其它通信装置)发射机的功率控制指令的技术，可以执行类似于图1或2中所示的方法，以使用小区电话(或其它通信系统)发射信号中的变化确定处理SPS信号的方式。
应该注意到在以上的方法中，被有效监控的参数是移动站发射机发射功率的电平，而非移动系统接收机处接收到信号的接收功率。当然，在另一实施例中，可以直接监控收发机的发射功率，而非监控功率控制指令。然而，通常实际上是数字的功率控制指令便于直接实现。
虽然参考GPS卫星描述了本发明的方法和装置，但是应该理解这些理论可等效地应用于使用伪卫星(pseudolite)或伪卫星与卫星组合的定位系统。伪卫星是基于地面的发射机，它广播在L波段载波信号上调制的PN码(类似于GPS信号)，它通常与GPS时间同步。可以将唯一的PN码分配给每个发射机，以允许远程接收机进行识别。在不能获得来自轨道卫星的GPS信号的情况下，如在隧道、矿井、建筑物或其它封闭区域中，伪卫星是有用的。这里所用的术语卫星试图包括伪卫星或伪卫星的等价物，这里所用的术语GPS信号试图包括伪卫星或伪卫星的等价物发出的类似GPS信号。在以上的讨论中，参考美国全球定位系统(GPS)系统中的应用描述了本发明。然而，显而易见的是这些方法可等效地应用于类似的卫星定位系统，如俄罗斯全球系统(Russian Glonass system)。这里所用的术语GPS包括这种替换的卫星定位系统，包括俄罗斯全球系统。术语“GSP信号”包括替换的卫星定位系统发出的信号。
虽然参考特殊的典型实施例描述了本发明，但是显而易见的是不脱离权利要求书中所述本发明的较宽精神和范围，这些实施例可以进行各种改变和变化。

Claims (43)

1.一种确定耦合到通信接收机的移动卫星定位系统(SPS)接收机的位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
确定所述通信接收机接收到的通信信号的变化；
根据所述变化确定参数，并以所述参数指定的方式处理所述SPS接收机中的SPS信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信信号是无线区站发射的蜂窝信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蜂窝信号使用码分多址(CDMA)技术区分不同的通信接收机。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蜂窝信号使用时分多址(TDMA)技术区分不同的通信接收机。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述变化是所述移动SPS接收机和所述通信接收机一同运动时信号电平的变化，所述参数是所述通信接收机的运动信息。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述运动信息确定从至少一个SPS卫星捕获SPS信号的搜索范围。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述运动信息指定第一速度时，所述搜索范围是第一范围，当所述运动信息指定第二速度时，所述搜索范围是第二范围。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一速度小于所述第二速度，所述第一范围在频率上小于所述第二范围。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述SPS接收机确定到所述SPS接收机可见的至少一个SPS卫星的至少一个伪距。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述参数可用于确定所述伪距，所述变化是所述信号电平的衰落。
11.一种移动通信系统，其特征在于，它包括：
卫星定位系统(SPS)接收机，它接收并处理来自SPS卫星的SPS信号；
通信接收机，它接收通信信号；
通信信号测量(CSM)单元，它耦合到所述通信接收机和所述SPS接收机，所述CSM单元确定所述通信信号中的变化，该变化指定处理所述SPS信号的方式。
12.如权利要求11所述的移动通信系统，其特征在于，所述CSM单元根据所述变化确定参数，其中所述参数指定所述方式。
13.如权利要求12所述的移动通信系统，其特征在于，所述通信信号是无线区站发射的蜂窝信号。
14.如权利要求13所述的移动通信系统，其特征在于，所述蜂窝信号使用(a)码分多址(CDMA)或(b)时分多址(TDMA)技术中的一种，以区分不同的通信接收机。
15.如权利要求12所述的移动通信系统，其特征在于，所述变化是所述移动通信系统移动时信号电平的变化，所述参数是所述通信系统的运动信息。
16.如权利要求15所述的移动通信系统，其特征在于，所述运动信息确定从至少一个SPS卫星捕获SPS信号的搜索范围。
17.如权利要求16所述的移动通信系统，其特征在于，当所述运动信息指定第一速度时，所述搜索范围是第一范围，当所述运动信息指定第二速度时，所述搜索范围是第二范围。
18.如权利要求17所述的移动通信系统，其特征在于，所述第一速度小于所述第二速度，所述第一范围在频率上小于所述第二范围。
19.如权利要求15所述的移动通信系统，其特征在于，所述SPS接收机确定到所述SPS接收机可见的至少一个SPS卫星的至少一个伪距。
20.如权利要求19所述的移动通信系统，其特征在于，所述参数可用于确定所述伪距，所述变化是所述信号电平的衰落。
21.一种确定耦合到通信收发机的移动卫星定位系统(SPS)接收机的位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
确定所述通信收发机发射的通信信号的变化；
根据所述变化确定参数，并以所述参数指定的方式处理所述SPS接收机中的SPS信号。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述变化是通过监控通信收发机在通信链路上接收到的功率控制指令而确定的功率电平的变化。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述变化是通过监控所述通信收发机的控制单元提供给所述通信收发机的控制发射机电路的功率控制指令而确定的功率电平。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，响应所述基站从所述通信收发机接收的信号，接收来自基站的所述功率控制指令。
25.一种移动通信系统，其特征在于，它包括：
卫星定位系统(SPS)接收机，它接收并处理来自SPS卫星的SPS信号；
通信收发机，它接收并发射通信信号；
通信信号测量(CSM)单元，它耦合到所述通信收发机和所述SPS接收机，所述CSM单元确定所述通信信号中的变化，该变化指定处理所述SPS信号的方式。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述变化是通过监控通信收发机在通信链路上接收到的功率控制指令而确定的功率电平的变化。
27.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述变化是通过监控所述通信收发机的控制单元提供给所述通信收发机的控制发射机电路的功率控制指令而确定的功率电平。
28.如权利要求26所述的系统，其特征在于，响应所述基站从所述通信收发机接收的信号，接收来自基站的所述功率控制指令。
29.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述通信信号是无线区站发射的蜂窝信号。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述蜂窝信号使用(a)码分多址(CDMA)技术或(b)时分多址(TDMA)技术中的至少一种，以区分不同的通信收发机。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述变化是所述移动SPS接收机和所述通信收发机一同运动时信号电平的变化，所述参数是所述通信收发机的运动信息。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述运动信息确定从至少一个SPS卫星捕获SPS信号的搜索范围。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，当所述运动信息指定第一速度时，所述搜索范围是第一范围，当所述运动信息指定第二速度时，所述搜索范围是第二范围。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一速度小于所述第二速度，所述第一范围在频率上小于所述第二范围。
35.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述SPS接收机确定到所述SPS接收机可见的至少一个SPS卫星的至少一个伪距。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述参数可用于确定所述伪距，所述变化是所述信号电平的衰落。
37.如权利要求25所述的移动通信系统，其特征在于，所述CSM单元根据所述变化确定参数，其中所述参数指定所述方式。
38.如权利要求37所述的移动通信系统，其特征在于，所述通信信号使用(a)码分多址(CDMA)或(b)时分多址(TDMA)技术中的一种，以区分不同的通信收发机。
39.如权利要求37所述的移动通信系统，其特征在于，所述变化是所述移动通信系统移动时信号电平的变化，所述参数是所述移动通信系统的运动信息。
40.如权利要求39所述的移动通信系统，其特征在于，所述运动信息确定从至少一个SPS卫星捕获SPS信号的搜索范围。
41.如权利要求40所述的移动通信系统，其特征在于，当所述运动信息指定第一速度时，所述搜索范围是第一范围，当所述运动信息指定第二速度时，所述搜索范围是第二范围。
42.如权利要求41所述的移动通信系统，其特征在于，所述第一速度小于所述第二速度，所述第一范围在频率上小于所述第二范围。
43.如权利要求39所述的移动通信系统，其特征在于，所述SPS接收机确定到所述SPS接收机可见的至少一个SPS卫星的至少一个伪距。
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