CN1533507A - 用于估计gps时间的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种从非GPS定时信息中提供GPS时间估计值的方法，其中非GPS定时信息存在于基站(BS1)发送到第一移动通信设备(MS1)的通信信号中，该方法包括步骤：(i)在一个第二移动通信设备(MS2)中，接收存在于基站所发送通信信号中的相应的非GPS定时信号；(ii)在第二移动通信设备(MS2)的一个GPS接收机(23，24)中，获取至少一个到达一个到GPS卫星的伪距，以及获取GPS时间的第一估计值；(iii)导出在步骤(i)中接收到的定时信号的接收与在步骤(ii)中得到的GPS时间估计值之间的关系；以及(iv)从第一移动通信设备(MS1)接收的非GPS定时信息以及从步骤(iii)中导出的关系中计算GPS时间的第二估计值。

Description

用于估计GPS时间的方法和设备

本发明涉及一种从非GPS定时信息中提供一个GPS时间估计值的方法以及用于相同目的设备，其中非GPS定时信息存在于基站发送到移动通信设备的通信信号中。

提供一个GPS接收机是众所周知的，在该接收机中连续产生复制的GPS卫星伪随机噪声(PRN)码信号，并且将其与所接收的GPS信号进行相关，以便捕获该信号。通常，由于复制码有可能与所接收的GPS信号具有不同码相位，并且由于接收机和轨道卫星之间的多普勒频移而产生一个不同频率，因此使用二维码频率/相位扫描，这种扫描最终将导致输入PRN码的频率和码相位与本地生成的复制品的相同。如果检测到编码，则该编码将被捕获和追踪，并且可以对伪距信息进行检索，通过使用常规导航算法，可以从该信息中计算出接收机位置。

进一步已知的是，提供了一个包含这种GPS接收机的移动蜂窝电话，以使蜂窝电话网络运营商能够确定发起呼叫的位置，特别是向应急服务发起紧急呼叫的位置。当然，对于紧急呼叫而言，呼叫位置尽快可用将是合乎需要的，然而，从GPS接收机还无法访问最新天文历数据的“冷启动”开始，或者更糟的话，从GPS接收机还不具有最新历书的“出厂冷启动”开始，首次定位时间(TTFF)可能是在30秒和15分钟之间。

为了减少TTFF，可以为GPS接收机提供基站辅助，以便更快捕获GPS信号。这种辅助可以包括基站为接收机提供精密载波频率参考信号，以便校准GPS接收机使用的本地振荡器；并且提供涉及最新卫星历书以及天文历数据的数据消息，从中可以判定处于可视位置的卫星的多普勒频移。通过这些辅助，有可能只对一个很窄的频率范围以及目标PRN码占用的已知码相位进行扫描，由此减少需要检查的编码实例数目，从而减少编码捕获的时间。基站辅助在美国专利5841396和5874914中被进一步描述，在这里将其引入作为参考。

为了更快获取GPS信号，对于GPS接收机来说，合乎需要的是在解扩任何GPS信号之前拥有GPS时间的精确估计值。通过GPS时间的精确估计值、GPS接收机位置的位置粗略估计值以及GPS卫星轨道的资料，有可能预测输入GPS信号的更多状况，例如数据位极性、数据位边缘定时以及码相位，从而更易于获取GPS信号。

美国专利5945944公开了一种方案，其中移动蜂窝电话包含一个GPS接收机，并且从网络定时信息中获取GPS定时信息，其中网络定时信息包含在电话从对应网络基站接收的传输中。这一点对于那些依从IS-95和CDMA2000标准的网络特别便利，因为它们的基站包含GPS接收机来确保其同步。然而，如在美国专利5945944中所确认的那样，并非所有网络在基站之间都具有这种同步。

美国专利5945944第16栏第38行到53行声称公开了一种在非同步网络中获取GPS时间的方法。具体地说，它描述了使许多蜂窝电话位于各个小区，以便在独立于小区内部远程单元位置的情况下使得该小区的绝对时间可以在GPS基站与一个远程单元之间得到协调，由此部分解决要求每个GPS基站都可以访问小区地点的定时信息的问题。从这个稍微有限的公开中可知，如何在这种非同步网络中实际获取GPS时间并不是显而易见的。

因此，本发明的一个目的是提供一种从非GPS定时信息中提供一个GPS时间估计值的方法，其中非GPS定时信息存在于基站发送到移动通信设备的通信信号中，特别地，其中基站是蜂窝电话网络中若干个未被使用GPS接收机而同步的基站之一。

根据本发明，提供了这样一种方法，包括步骤：(i)在一个第二移动通信设备中，接收基站发送的通信信号中所存在的相应的非GPS定时信号；(ii)在第二移动通信设备的一个GPS接收机中，获取至少一个到GPS卫星的伪距，以及获取一个GPS时间估计值；(iii)导出在步骤(i)中接收到的定时信号的接收与在步骤(ii)中得到的GPS时间估计值之间的关系；以及(iv)从第一移动通信设备接收的非GPS定时信息以及从步骤(iii)中导出的关系来计算一个GPS时间估计值。

上述方法能在第一移动通信中提供一个GPS时间估计值，举例来说，这个估计值可用于在第一移动通信设备的GPS接收机中快速获取GPS信号，或是提供一个基于GPS时间的时间戳。在后一种情况下，第一移动通信并不是绝对需要一个GPS接收机。

在一种优选方案中，第一和第二移动通信设备都以一种方式来与基站同步，这种方式考虑到了移动通信设备与基站之间所进行传输的传输时间的变化。由此可以独立于第一和第二移动通信设备位置的情况下提供GPS时间估计值。

同样，虽然到GPS卫星的单独伪距与相应的GPS卫星以及第二移动通信设备的位置估计值相结合可用于获取一个GPS时间估计值，但是较为优选的是，第二移动通信设备的GPS接收机获取至少四个到达相应GPS卫星的伪距，这是因为之后不会需要这种位置信息。

通常希望在第一移动通信设备中实施步骤(iv)的计算，以便能够同时对输入的GPS信号进行解扩。然而可以了解，GPS信号取样(有时称为快照)可以经由基站上载到一台远程计算机，并且，比方说，如果快照时间是以非GPS定时信息进行时间标记的，那么(iv)的计算以及随后的GPS信号解扩将在远程计算机上完成。

步骤(iii)中推导的非GPS定时信号的接收以及GPS时间估计值之间的关系可以上载到一个远离移动通信设备的服务器所保持的一个数据库中，例如保持在网络服务器上并可以通过互联网而被第一移动通信设备访问的数据库，作为替换，该数据库也可以是一个连接到网络系统控制器的数据库。

从理论上讲，数据库不仅可以由第一移动通信设备访问，还可以由注册到相同基站的其它移动通信设备访问。并且，在那些基站是若干未被使用GPS接收机而同步的蜂窝电话网络基站之一的地方，数据库最好包含从步骤(iii)中推导出那种类型的至少两个这类基站的关系。

根据本发明，进一步提供了权利要求14到25中要求保护的一个相应的系统，其中包括一个基站和第一和第二移动通信设备；以及权利要求26到29中要求保护的移动通信设备。

作为实例，现在参考附图来对根据本发明的方法和相应设备进行描述，其中：

图1显示了GSM蜂窝电话网络的布局；

图2更详细地显示了图1移动蜂窝电话MS1以及MS2的结构；

图3显示了蜂窝电话MS1与MS2以及基于互联网的远程服务供应商之间的连接；以及

图4显示了图3中基于互联网的远程服务供应商使用的设备。

图1示意性显示了常规GSM蜂窝电话网络1的布局。该网络包括多个BS，其中显示了BS1到BS7这七个基站，它们位于各个相互隔开的地理位置。在任何一个地点或服务区域，其中每一个基站都包含一个由干线系统控制器操作的无线电发射机和接收机整体。这些基站的相应服务区域SA1到SA7如截面线所示地重叠，从而共同覆盖所示的整个区域。该系统还可以包含一个系统控制器SC，它与每个基站BS1到BS7之间分别具有双向通信链路CL1到CL7。其中每条通信链路可以是例如一条专用陆线。此外，系统控制器SC可以连接到一个公共电话交换网(PSTN)，以使移动蜂窝电话MS1能与该网络的一个用户进行通信。系统控制器SC连接到数据库10，后面将描述该SC的功能。并且提供了多个移动电话MS，其中显示了MS1、MS2和MS3这三个移动电话，每个移动电话都能在整个区域乃至区域之外自由漫游。移动蜂窝电话MS1和MS2都位于由基站BS1提供服务的区域中。

图2更为详细的显示了移动电话MS1、MS2的结构，其中每个移动电话都包含一个连接到通信天线20并由微处理器(μc)22控制的通信发射机(Comm Tx)和接收机(Comm Rx)21，用于与移动电话所注册的基站BS1进行通信。对于这种用于蜂窝电话网络内部双向通信的电话来说，其设计和制造是众所周知的，因此在这里不再对这些并未构成本发明一部分的内容进行描述。

除了移动电话的常规部件之外，电话MS1、MS2还包含一个连接到GPS天线23并由微处理器(μc)22控制的GPS接收机(GPS Rx)24，用于接收轨道GPS卫星发送的GPS扩频信号。当操作时，GPS接收机24可以通过天线23来接收NAVSTAR SPS GPS信号，并且对这些信号进行预处理，在预处理中通常使用的是使带外RF干扰最小化的无源带通滤波、前置放大、下变换到一个中频(IF)以及模数转换。最终得到的数字化IF信号保持为已调制的，仍旧包含来自可用卫星的所有信息，并被馈送到微处理器22的一个存储器(未示出)。然后可以获取GPS信号，并在若干个数字接收机信道中的任何一个信道中追踪该信号，以便获取伪距信息，通过该信息，可以使用传统的导航算法来确定移动电话位置，其中所述信道的数目通常是12。这种用于GPS信号捕获和追踪的方法是公知的，参见例如Artech House出版，ISBN号为0-89006-793-7的GPS Principles and Applications(GPS原理与应用)(编者Kaplan)一书中的第4章(GPS satellite signal characteristics(GPS卫星信号特征))以及第5章(GPS satellite signalacquisition and tracking(GPS卫星信号捕获和跟踪))。所示的通用微处理器22既控制基站通信也控制GPS处理，然而可以了解，举例来说，也可以使用两个或两个以上集成电路(IC)来实现这些。

众所周知，如果移动蜂窝电话MS1的用户发起紧急呼叫并且经由双向通信链路CL1受控于系统控制器SC，则可以将定位从移动蜂窝电话MS1回送到基站，然后到达紧急服务运营商，在美国称为公众安全应答点(PSAP)。为了获取定位以及根据本发明，如在下面步骤(1)到(3)中所描述的那样，移动电话MS1的GPS处理器25获取输入GPS信号：

步骤(1)：位于蜂窝电话MS1附近并且注册到相同GSM基站的是移动蜂窝电话MS2。在使用电话MS1进行紧急呼叫之前的某个时刻，为了获取一个定位，电话MS2已经获取了4个伪距，在这种情况下，电话MS2能够确定GPS时间。由于电话MS2正在接收“本地”GSM时间(也就是与服务基站BS1有关并以特超帧(Hyper Frame)、超帧、复帧和单帧为形式的GSM定时信息，以及时隙信息)，因此它能推导出本地GSM时间与GPS时间之间的关系。然后这个关系经由基站BS1上载到系统控制器，在那里它被存入一个数据库10。

步骤(2)：经由双向通信链路CL1而在系统控制器SC的控制下，基站BS1提供最新的历书和天文历数据。这个数据可以由一个与系统控制器(也就是说，不必接近或是处于基站BS1)相连的GPS接收机提供，作为替换，也可以由电话网络中任何地方所使用的移动蜂窝电话的一个GPS接收机提供。

步骤(3)：除了最新的历书和天文历数据之外，基站BS1还把GSM与GPS时间之间的关系发送到移动蜂窝电话。由于移动蜂窝电话MS1注册到相同基站BS1，因此它拥有相同的本地GSM时间，并且能够估计GPS时间。移动蜂窝电话MS1使用这个GPS估计值，以便(i)结合所接收的天文历数据而在获取之前估计输入GPS信号的频率和码相位，由此减小码相位搜索的范围，并且提高获取的速度；以及(ii)预测数据位边缘定时，以确保只有相干相关用在信号捕获处理中，由此能够获取更为微弱的GPS信号。

GSM基站时钟通常是铷钟，其精确度好于0.1ppm。然而，虽然GPS和GSM时间非常稳定，但是从移动电话MS2中建立GPS与GSM时间之间关系开始而在GPS与GSM时间之间存在偏差，因此有可能在估计GPS时间中存在一些不准确性。因而较为理想的是对移动蜂窝电话MS2导出并且存入数据库10的关系经常进行更新。更为理想的是由若干或是许多其他注册到基站BS1的移动蜂窝电话独立地导出这个关系，由此避免虚假的定时测量。

在图3、4所示的替换方案中，假定移动蜂窝电话MS1的用户希望请求一个基于互联网的服务，例如从在线银行网站检查银行账上余额或者进行在线购买，并且进一步假定需要GPS时间戳来验证用户请求。如图3所述，移动蜂窝电话MS1首先用常规方式，通过经由基站BS1、蜂窝网络系统控制器(SC)30以及公用交换电话网31进行发送和接收来访问互联网(www)32。基于互联网的服务供应商(SP)使用连接到万维网的通信设备33来与电话MS1进行通信，如图4更为详细描述的那样，电话MS1尤其包含用于与移动电话MS1进行通信的发射机和接收机40，一个微处理器41以及一个用于保存任何必要信息的数据库42。

进一步假定移动蜂窝电话MS1处于城市峡谷并且无法获取足够的GPS信号来导出GPS，或者其GPS接收机不起作用(乃至它不具有一个GPS接收机)。则可以用与上述推导GPS时间估计值的步骤(1)到(3)相同的方式来把本地GSM时间与GPS时间之间关系的估计值提供到移动电话MS1。这个估计值可以在不必获取GPS信号的情况下提供给基于互联网的服务供应商，也就是说，不必解扩GPS信号。可替换地，GPS时间估计值可用于解扩GPS信号，以便导出一个GPS时间的精确估计值。

同样，虽然本地GSM时间与移动电话MS2中导出的GPS时间之间的关系是经由连接到系统控制器的数据库而被传递到电话MS1的，但是可以了解，这个关系也可以通过直达通信来传递，例如蓝牙或是电话MS1与MS2之间的其它短程通信链路，还可以经由一个基于互联网的服务器提供商来传递，该提供商有可能包括向电话MS1的用户提供其它服务的同一提供商。

GSM与GPS时间之间的关系可以基于全部GSM定时信息，如在上述包含特超帧、超帧、复帧和单帧编号以及时隙信息的实例中。然而，根据需要的估计精确度，并不是必须提供所有这些信息。举例来说，只提供帧编号将会提供一个达到4.615毫秒间隔的估计值，这个间隔仍然足以估计输入GPS信号上被观测到的多普勒效应以及对码相位同步的搜索加以限制，由此确保快速TTFF。为了提供一个时间戳，只基于GSM特超帧和超帧编号的GSM与GPS时间之间的关系有可能就足够了。

已经基本上在NAVSTAR GPS的上下文中对本发明进行了描述，NAVSTAR GPS是美国国防部当前运作和研发的基于全天候以及彼此隔开的(spaced)导航系统。然而可以了解，GPS的一般基本原则是通用的，而不是仅仅局限于NAVSTAR。因此，GPS是指任何定位系统，其中包括处于不同位置的多个无线电发射机，以及一个接收机，接收机根据无线电发射机所进行传输的到达时间来确定其位置，其中，无线电发射机包括GLONASS、伽利略(Galileo)。

通过阅读对本公开可知，其他修改对本领域技术人员来说也是显而易见的，并且这些修改可以包含其他特征，这些特征在GPS接收机、移动通信设备及其组成部分的设计、制造和使用中都是已知的，并且，这些特征可以替换或是补充这里所描述的特征。

Claims (29)

1.一种从非GPS定时信息中提供GPS时间估计值的方法，其中非GPS定时信息存在于从一个基站发送到一个第一移动通信设备的通信信号中，该方法包括步骤：

(i)在一个第二移动通信设备中，接收存在于基站所发送的通信信号中的相应的非GPS定时信号；

(ii)在第二移动通信设备的一个GPS接收机中，获取至少一个到一个GPS卫星的伪距，并获取GPS时间的第一估计值；

(iii)导出步骤(i)中所接收定时信号的接收与在步骤(ii)中得到的GPS时间估计值之间的关系；以及

(iv)从第一移动通信设备接收的非GPS定时信息以及从步骤(iii)中导出的关系中计算GPS时间的第二估计值。

2.根据权利要求1的方法，其中第一和第二移动通信设备都以一种考虑到移动通信设备与基站之间所进行传输的传输时间变化的方式来与基站同步。

3.根据权利要求1或2的方法，其中基站是蜂窝电话网络中若干个未被使用GPS接收机而同步的基站之一。

4.根据前述任一权利要求的方法，其中第二移动通信设备的GPS接收机获取到相应GPS卫星的至少四个伪距，以便获取一个GPS时间估计值。

5.根据前述任一权利要求的方法，其中步骤(iv)的计算是在第一移动通信设备中执行的。

6.根据前述任一权利要求的方法，其中第一移动通信设备包含一个GPS接收机，并且其中使用GPS时间估计值来快速获取GPS信号。

7.根据权利要求1到5中任一权利要求的方法，其中GPS时间估计值被用于提供一个基于GPS时间的时间戳。

8.根据权利要求7的方法，其中第一移动通信设备不包含GPS接收机。

9.根据前述任一权利要求的方法，其中步骤(iii)中导出的关系被上载到一个服务器所保存的数据库中，该服务器的位置远离移动通信设备。

10.根据权利要求9的方法，其中数据库能被访问，以便检索步骤(iii)中导出的关系，用于从这个关系以及非GPS定时信息中计算GPS时间的第二估计值，其中非GPS定时信息是由与相同基站进行通信的第一和其他移动通信设备接收的。

11.根据权利要求9或10的方法，其中基站是蜂窝电话网络中若干个未被使用GPS接收机而同步的基站之一；并且其中数据库包含步骤(iii)中导出的那种类型的关于至少两个这种基站的关系。

12.根据权利要求9到11中任一权利要求的方法，其中服务器基于万维网并且能够通过互联网而被访问。

13.根据权利要求9到11中任一权利要求的方法，其中数据库连接到一个网络系统控制器。

14.一种系统，包括一个基站以及第一和第二移动通信设备，其中该系统被配置成导出非GPS定时信号与GPS时间的第一估计值之间的关系，其中非GPS定时信号存在于基站发送到第二移动通信设备的通信信号中，GPS时间的第一估计值是从第二移动通信设备的一个GPS接收机中获取的，并且使用所述关系以及第一移动通信设备接收的非GPS定时信息来获取GPS时间的第二估计值。

15.根据权利要求14的系统，其中第一和第二移动通信设备都以一种考虑到移动通信设备与基站之间所进行传输的传输时间变化的方式来与基站同步。

16.根据权利要求14或权利要求15的系统，其中基站是蜂窝电话网络中若干未同步基站中的一个。

17.根据权利要求14到16中任一权利要求的系统，其中GPS时间的第二估计值是在第一移动通信设备中获取的。

18.根据权利要求14到17中任一权利要求的系统，其中第一移动通信设备包括一个GPS接收机，并且其中GPS时间的第二估计值被用于快速获取GPS信号。

19.根据权利要求14到17中任一权利要求的系统，其中GPS时间的第二估计值被用于提供一个基于GPS时间的时间戳。

20.根据权利要求19的系统，其中第一移动通信设备不包含GPS接收机。

21.根据权利要求14到19中任一权利要求的系统，还包括一个远离移动通信设备的服务器，在该服务器上保存了一个数据库，其中上载了步骤(iii)中导出的关系。

22.根据权利要求21的系统，其中数据库能被访问，以便检索步骤(iii)中导出的关系，用于从这个关系以及从非GPS定时信息中计算GPS时间的第二估计值，其中非GPS定时信息是由与相同基站进行通信的第一和其他移动通信设备接收的。

23.根据权利要求21或权利要求22的系统，其中基站是蜂窝电话网络中未被使用GPS接收机而同步的若干基站之一；并且其中数据库包含步骤(iii)中导出的那种类型的关于至少两个这种基站的关系。

24.根据权利要求21到23中任一权利要求的系统，其中服务器基于万维网并且可以在互联网上被访问。

25.根据权利要求21到23中任一权利要求的系统，其中数据库连接到一个网络系统控制器。

26.一种移动通信设备，包括一个GPS接收机并且适合于向一个相应的通信基站发送信息，该信息描述的是非GPS定时信号的接收与一个GPS时间估计值之间的关系，其中非GPS信号存在于由基站发送并由设备接收的通信信号中，GPS时间估计值是使用GPS接收机得到的。

27.一种移动通信设备，包括一个通信接收机，该接收机适合于从一个相应的通信基站接收信息，该信息描述的是存在于基站所发送的通信信号中的非GPS定时信号与GPS时间之间的关系，该移动通信设备还包含一个处理器，用于使用这个关系来在移动通信设备上获取一个GPS时间估计值；其中移动通信设备能与基站通信，该基站是蜂窝网络中没有使用GPS接收机同步的若干基站之一。

28.根据权利要求27的移动通信设备，其中移动通信设备能与基站进行通信，该基站是蜂窝网络中根本没有同步的若干基站之一。

29.一种移动通信设备，包括一个通信接收机，该接收机用于从一个相应的通信基站接收信息，该信息描述的是基站所发送的通信信号中存在的GPS定时信号与GPS时间之间的关系，并且还包括一个处理器，用于使用这个关系来在移动通信设备上获取一个GPS时间估计值；其中移动通信设备不包含GPS接收机。