CN1484038A - 客户机辅助多普勒估计 - Google Patents

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P·W·麦克博尼
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Abstract

一种蜂窝电话系统，它包括位于电话基站的GPS基准站。这种GPS基准站跟踪其本地区域可见的GPS卫星并估计各GPS卫星的多普勒信息。所述系统还包括在基站工作区域附近或在基站工作区域内移动的移动GPS接收机和蜂窝电话。假定GPS基准站观测到的卫星多普勒信息与在基站服务区域内工作的其它GPS接收机观测到的真实的多普勒信息没有实质性的差异。因此例行地通过无线电话信道将多普勒估计传送给在本地登记的移动GPS接收机和蜂窝电话。于是，这种移动GPS接收机可以采用这种替代多普勒估计作为它们的初始化频率搜索的中心起始点。这样，就可以大大减少这种移动GPS接收机和蜂窝电话初始化和提供首次定位所需要的时间。

Description

客户机辅助多普勒估计
技术领域
本发明涉及导航卫星接收机，更具体地讲，涉及利用移动工作区本地卫星多普勒估计辅助导航接收机初始化的方法和系统。
背景技术
全球定位系统(GPS)接收机使用从星座中若干地球轨道卫星接收的信号确定用户位置和速率以及其它导航数据。刚刚接通的导航接收机尚不知道它所在何处、其晶振频率误差多大，也不知道具体时间。所有这些都是找到并锁定卫星传输所需的，因此必须对所有可能性进行搜索。
GPS接收机为了锁定可见卫星的传输，它必须知道目前哪些GPS卫星可见以及它们相对于GPS接收机的速率。否则，它必须搜索所有可能性，因此可能花费大量时间。卫星识别有助于选择在搜索中应该使用哪一种CDMA(码分多址)编码。相对速率有助于确定由于多普勒效应载波频率可能漂移多少。GPS卫星的运行速度可以引起标称载波频率的显著漂移，因此如果最初很好地确定频率搜索窗口的中心就可以节省大量搜索时间和努力。
与蜂窝电话相关联的GPS接收机可以用多种方式获得其它已经锁定卫星和正在跟踪的GPS接收机的协助。电话通信信道可用于将GPS信息的密钥比特传送给这样的蜂窝电话GPS接收机组合。本发明的发明者之一，Paul McBurney最近已经提交几个美国专利申请，这些专利申请涉及协助GPS接收机客户，概括于表I和II中，这些专利申请通过引用将结合到本说明书中。
代理人案号 标题 发明者 USPTO提交日期  USPTO序号
734-01 卫星导航接收机和方法 P.McBurney，A.Woo 11-Oct-00  09/687044
734-02 用于卫星导航接收机的辅助基础设施和方法 P.McBurney，A.Woo 28-Feb-01  09/797521
734-03 高灵敏度GPS接收机和接收 P.McBurney，A.Woo 19-Feb-02  09/797245
734-04 全面校正策略 Stephen J，EdwardS，P.McBurney 19-Feb-02  09/797217
734-05 根据计算时间的位置计算方法和系统 S.Edwards，P.McBurney 19-Feb-02  09/797244
736-06 计算网络路径延迟以便可以将精确绝对时间从服务器转发至客户机 H.Mat sushita，P.McBurney 19-Feb-02  09/797251
736-07 无前导帧同步 AkiraKimura，P.McBurney 19-Feb-02  09/797250
736-08 瘦客户机 P.McBurney，C.Rasmus sen，F.Vaucher，K.Victa 19-Feb-02  09/797249
 736-09 软件晶体振荡器 H.Matsushita，P.McBurney 19-Feb-02  09/797248
 738-10 传感器的高灵敏度不常用用法 P.McBurney，K.Victa 19-Feb-02  09/797247
 738-11 实时时钟 P.McBurney 19-Feb-02  09/797253
 738-12 共享基准站 P.McBurney，M.Junker 19-Feb-02  09/797252
典型的蜂窝电话工作在最近的基站收发信机区域内。由于蜂窝电话在基站的工作区域内移动，故可以合理地假定蜂窝电话的位置和任何相关装置和个人位于以基站为中心的半径为150公里的圆圈内。正如已在本方面发明者以前的专利和专利申请中所公开的那样，与通信网络相连的第一GPS接收机对其它GPS接收机的初始化和支持可能有很大的帮助，所述其它GPS接收机也至少偶尔访问同样的通信网络。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种方法和系统，用于辅助与蜂窝电话相关联的GPS接收机的导航卫星接收和接收机初始化。
本发明的另一个目的是提供一种减少GPS接收机初始化所需时间的方法和系统。
本发明的再一个目的是提供效率高、成本低的卫星导航系统。
简单地讲，本发明的蜂窝电话系统实施例包括位于电话基站的GPS基准站。这种GPS基准站跟踪其本地区域可见的GPS卫星并估计每个这种GPS卫星的多普勒信息。所述系统还包括移动GPS接收机和蜂窝电话，它们在基站工作区域中或其附近移动。假定基准GPS基准站观测到的卫星多普勒信息与在该基站服务区域内工作的其它GPS接收机观测到的真实的多普勒信息没有实质的差别。因此将多普勒估计例行地通过无线电话信道传送给本地登记的移动GPS接收机和蜂窝电话。然后，这些移动GPS接收机就可以放心地采用替代多普勒估计作为其初始化频率搜索的中心起始点。这样，就大大减少了这些移动GPS接收机和蜂窝电话初始化和提供首次定位所需的时间。
本发明的优点之一是提供一种系统和方法，所述系统和方法提供与移动蜂窝电话相关联的GPS接收机的快速初始化。
本发明的另一优点是提供一种系统和方法，用于降低与移动蜂窝电话相关联的导航卫星接收机的成本。
在阅读以下对最佳实施例(在不同的附图中对它们进行图解说明)的详细描述之后，对本技术领域中的普通技术人员而言，本发明的这些和其它目的及优点无疑将变得显而易见。
附图说明
图1是本发明的客户辅助多普勒估计系统实施例的功能框图，其中基站正利用通过无线通信信道传送的多普勒信息辅助移动蜂窝电话；以及
图2是本发明的蜂窝电话系统方法实施例的流程图。
具体实施方式
图1说明本发明的客户辅助多普勒估计系统实施例，它在本说明书中用总的标号100注明。系统100利用可见GPS导航卫星101-105的星座来计算单个蜂窝电话基站服务区域106内的导航解。基站108位于所述服务区域106内，它包括基准站GPS导航接收机110和蜂窝电话收发信机112。基准站GPS接收机110作为区域106内的基准站和保持锁定到并跟踪GPS导航卫星101-105。具体地说，基准站GPS接收机110计算各GPS导航卫星101-105相对于基站108的固定位置的多普勒频率漂移。
移动装置114包括蜂窝电话116和移动GPS接收机118。基准GPS接收机通过本地链路120将信息下载到蜂窝电话收发信机112中。它通过无线通信信道122发送包括多普勒信息的所述信息。然后将所述信息通过另一连接124转发至移动GPS接收机118。移动GPS接收机118利用以这种方式获得的多普勒信息，通过提供用于找到来自各卫星101-105的每一种无线传输的中心起始视在载波频率，以协助初始化。
区域106中已经初始化的第二移动装置114可用于本发明的备选实施例，以通过无线通信信道122提供这种多普勒信息。在这种情况下，因为第二移动装置114用作移动基准接收机，故不需要来自基准GPS导航接收机110的信息以对第一移动装置114初始化。
GPS导航卫星101-105都在天空的不同部分中移动，并具有不同的速度。然而，它们的轨道跟踪速率都基本上相同。各卫星和各地面GPS接收机之间的相对速率影响视在载波频率，并且每毫秒都在变化。本发明的实施例假定，这些计算得到的各GPS导航卫星101-105的多普勒漂移将对任何其它正在工作并尝试在区域106中初始化的GPS接收机有效。
在本发明的方法实施例中，各卫星101-105的多普勒信息，例如用于计算所述卫星的客户、例如移动GPS接收机118搜索的频率窗口的中心。基准GPS接收机110和移动GPS接收机118在同一基站，即区域106内通信。基准GPS接收机110在基站108维持基准GPS接收机110的位置和一组最新的卫星多普勒测量值。假定基准GPS接收机110处所有卫星的卫星多普勒信息近似等于从移动GPS接收机118位置观测到的同一卫星的卫星多普勒信息。
这种假设之所以基本上是正确的，是因为以下三个原因：
a)客户机基准GPS接收机110和移动GPS接收机118与同一基站区域106通信；
b)任何客户机和其相应基站增加的最大可能距离小于150公里；以及
c)半径小于150公里的圆形区域上的卫星多普勒变化可以忽略。
因此将基准GPS接收机110的计算位置用于估计另一例如移动GPS接收机118检测到的卫星多普勒信息。如果所述位置是固定的，那么这种计算只需进行一次并将结果永远保存以作参考。重要的是要实时地知道各可见卫星的精确位置，以便可以了解其相对几何结构，以求解未知的多普勒信息。因此，基准GPS接收机110需要不断跟踪卫星101-105并能够报告即时多普勒信息。
利用传统的GPS技术，可以根据GPS时间计算卫星的位置和速率。基准GPS接收机110和卫星位置的计算位置用于形成方向余旋DC。利用卫星速度vs计算移动GPS接收机118的察觉到的卫星多普勒的估计。移动GPS接收机118的卫星多普勒的估计为DC·vs。
在本发明的备选方法实施例中，将基准GPS接收机110的最近的一组卫星多普勒测量值转换成移动GPS接收机118的卫星多普勒估计。
考虑测量多普勒和卫星多普勒之间的关系： v m = DC · ( v u - v s ) + d ^
其中，
vm＝基准GPS接收机110的测量的多普勒
vu＝基准GPS接收机110的用户速度
vs＝卫星多普勒
DC＝基准GPS接收机110和测量卫星之间的方向余弦
＝基准GPS接收机110的时钟漂移
这样，对于给定的多普勒测量vm，知道先验的 vu和DC，
直接利用测量的多普勒，则移动GPS接收机118的卫星多普勒估计又是DC·vs。
在本发明的另一实施例中，类似于基站108的附近的基站126跟踪卫星101-105。如果基站126位于移动装置114的150公里以内，它还可以通过因特网或陆地电话干线128提供有用的多普勒信息。基站126的计算位置和/或多普勒测量值可用于估计移动GPS接收机118的卫星多普勒。只要基站126和移动GPS接收机118之间的距离小于150公里这就是正确的。这意味着如果基站区域106和基站126之间的距离加上任何客户机和它的相应的基站之间最大可能距离的两倍小于150公里，那么两个客户机的间隔就小于150公里。
图2概括了本发明蜂窝电话系统方法实施例，所述方法用总的标号200注明。方法200一般与如图1所述的硬件配置一起使用。方法200在基站以步骤200开始，其中，基准GPS接收机捕获并跟踪天空中GPS卫星的可见星座。这种功能一直在进行，因此，总是可以获得最新的辅助数据。步骤202获得多普勒、星历和GPS时间信息，这些信息将对另一正在初始化并且不确定所述时刻卫星多普勒信息的GPS接收机有用。这种多普勒信息可以是测量多普勒本身、或
Figure A0315306900111
够好的GPS时间信息，以便卫星星历可为正在初始化的GPS接收机所用，以计算它需要的多普勒信息。步骤206检查已在基站或附近基站登记了的移动蜂窝电话。如果蜂窝电话在基准GPS接收机的150公里范围内，即，GPS清除-获取代码(C/A code)的一次传播距离(1毫秒)的范围内，那么辅助信息就会有用。步骤208通过无线电话通信信道发送所述辅助信息。蜂窝电话以步骤210开始，其中，它来自冷启动，例如它没有锁定到任何GPS卫星并因此不确知多普勒。它还可能不确知GPS时间、星历等等。在步骤212，蜂窝电话在本地区域中登记并查看辅助信息是否可用。如果可用，步骤214就下载所述信息并将其用于测量它在其载波频率搜索中应该使用的多普勒。步骤216利用辅助信息找到这种载波。步骤218捕获并跟踪GPS卫星。步骤220产生蜂窝电话用户的位置解。
尽管已根据目前的最佳实施例对本发明作了描述，但是，应当指出，不应将本公开理解成限制性的。在已经阅读上述公开之后，对于本领域的技术人员而言，各种变化和改进无疑是显而易见的。因此，意图在于，应将所附权利要求书理解成包括属于本发明“真正的”精神和范围之内的所有变化和修改。

Claims (8)

1.一种移动电子装置，它包括：
蜂窝电话，用于下载初始化辅助信息，所述初始化辅助信息涉及对空中轨道GPS卫星的多普勒估计；以及
移动GPS导航接收机，它连接成接收所述辅助信息并且能够在其初始化期间用所述辅助信息确定其最初载波频率搜索窗口的中心；
其中，所述多普勒估计减少移动GPS接收机对其本身初始化所需的时间。
2.一种蜂窝电话系统，它包括：
基站，它包括基准GPS导航接收机和蜂窝收发信机；
其中，所述基准GPS导航接收机具有固定的位置并且收集多普勒、星历表和GPS时间信息，这些信息对正在初始化且不确知任何卫星多普勒信息的其它GPS接收机有用；以及
所述蜂窝收发信机通过无线电话通信信道发送对所述其它GPS接收机有用的所述信息。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于还包括：
蜂窝电话，用于从所述基站下载与空中轨道GPS卫星的多普勒估计有关的任何初始化辅助信息；以及
移动GPS导航接收机，它连接成接收所述辅助信息并且能够在其初始化期间用所述辅助信息确定其最初载波频率搜索窗口的中心；
其中，所述多普勒估计减少移动GPS接收机对其本身初始化所需的时间。
4.一种协助GPS导航接收机对其本身初始化的方法，所述方法包括如下步骤：
在基站利用基准GPS接收机获取并跟踪空中GPS卫星的可见星座；
获得多普勒、星历表和GPS时间信息，这些信息对正在初始化且不确知任何卫星多普勒信息的其它GPS接收机有用；
检查在所述基站或附近基站登记了的任何移动蜂窝电话；以及
通过无线电话通信信道向所述任何移动蜂窝电话发送多普勒辅助信息。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：
使蜂窝电话从冷启动这样启动、使得它没有锁定到任何GPS卫星、因此不确知多普勒信息；
在所述基站的本地区域中登记所述蜂窝电话；
查看所述多普勒辅助信息是否可用；
如果可用就下载所述多普勒辅助信息；以及
在载波频率搜索中使用所述多普勒辅助信息，以减少不确定性并改善得到第一位置解的时间。
6如权利要求4所述的方法，其特征在于还包括如下步骤：
确定所述蜂窝电话是否在所述基准GPS导航接收机的150公里半径内；以及
如果是这样就向所述蜂窝电话提供所述多普勒辅助信息。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于还包括如下预备步骤：
假定所述基准GPS导航接收机观测到的任何卫星多普勒信息与在所述基站服务区域内工作的任何其它GPS接收机观测到的真实的多普勒信息没有实质的差别。
8.一种蜂窝电话系统，它包括：
GPS基准站，它位于电话基站内，跟踪其本地区域内可见的任何GPS卫星并估计每个这种GPS卫星的多普勒信息；
至少一个移动GPS接收机和蜂窝电话组合，它们可以在所述电话基站工作区域内或附近移动；
收发信机，用于通过无线电话通信信道将至少一种多普勒估计传送给在本地登记的所述GPS接收机和蜂窝电话组合；
其中，所述移动GPS接收机采用替代多普勒估计作为其初始化频率搜索的中心起始点，因而大大减少了初始化所需的任何时间。
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