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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Navigationssatellitenempfänger und
insbesondere auf Verfahren und Systeme für die Unterstützung einer
Navigationsempfänger-Initialisierung
mit Systemzeitinformationen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Empfänger von
Globalpositionierungssystemen (GPS) und Satellitenpositionierungssystemen
verwenden Signale, die von zahlreichen die Erde umkreisenden Satelliten
in einer Konstellation empfangen werden, um die Position und die
Geschwindigkeit sowie andere Navigationsdaten zu bestimmen. Einem
Navigationsempfänger,
der gerade eingeschaltet wurde, ist noch nicht bekannt, wo er sich
befindet, inwieweit sein Kristalloszillator fehlerhaft ist und welche
Uhrzeit herrscht. Es können
ihm jedoch die Zeit mit einer Genauigkeit von mindestens drei Sekunden
und seine ungefähre
Position mit einer Genauigkeit von 100 Kilometern bekannt sein.
Die exakte Zeit sowie die Satellitenträgerfrequenzen sind erforderlich,
um die Satellitensendungen zu finden und eine Kopplung mit diesen
durchzuführen,
weshalb eine Suche nach sämtlichen
Möglichkeiten erfolgen
muss. Die Einschränkung
des Bereichs der Möglichkeiten
führt direkt
zu schnelleren Initialisierungen bei einer ersten Positionsfixierung.
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Ein
GPS-Empfänger,
der einem Mobiltelefon zugeordnet ist oder der über das Internet kommunizieren kann,
kann auf vielfältige
Weise von den Netzwerk-Servern unterstützt werden, die mit anderen
GPS-Empfängern
verbunden sind, die bereits über
eine Satellitenkopplung verfügen
und eine Verfolgung ausführen.
Ein Tele fon- oder Netzwerk-Kommunikationskanal kann verwendet werden,
um Schlüsselbits
von Informationen einem Navigationsempfänger zuzuführen und diesen dadurch schneller
zu initialisieren.
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Die
GPS-Satelliten senden eine 50-bps-Navigations-(NAV-)Datennachricht,
die sich alle 12,5 Minuten wiederholt. Diese enthält Systemzeit-,
Satelliten-Ephemeriden-
und Almanachinformationen, die für
einen GPS-Empfänger
bei der Erlangung einer Signalkopplung mit einer ausreichenden Zahl
von Satelliten und der Erzeugung seiner Navigationslösungen wichtig
sind. Es gibt 25 Frames, die jeweils 30 Sekunden lang sind, wobei
jeder Frame Teil-Frames beinhaltet und jeder Teil-Frame über zehn
Wörter
verfügt.
Ein Z-Zählwert
am Beginn jedes Teil-Frames
gibt seine Sendezeit vom Satelliten vor. Die Ephemeride sind die
ersten drei Teil-Frames, und die Teil-Frames 4 bis 5 sind Almanachdaten,
die über
50 Seiten verteilt sind. Ein gesamter Daten-Frame von NAV-Daten
ist 1.500 Bits lang und beansprucht somit eine Sendedauer von 30
Sekunden.
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Die
NAV-Daten können
nicht zuverlässig
empfangen und demoduliert werden, wenn deren Signalpegel zu schwach
ist. Dies kann in Innenräumen
oder unter Deck der Fall sein. Somit müssen Empfänger hoher Empfindlichkeit
Informationsunterstützungen
von einem dritten Teilnehmer über
einen anderen Kanal empfangen, der aktuelle NAV-Daten zuführt. Ist
die Systemzeit des lokalen Empfängers
bekannt, können
die Z-Zählwert-Informationen
in eine anderweitige generische NAV-Datennachricht eingefügt werden,
die man vom dritten Teilnehmer bezieht.
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Jeder
Daten-Frame ist in fünf
Teil-Frames 1 bis 5 unterteilt, wobei jeder Teil-Frame 300 Bits, d.h. zehn 30-Bit-Wörter, lang
ist. Somit werden sechs Sekunden beansprucht, um jeden 300-Bit-,
10-Wort-Teil-Frame zu senden. Jeder Teil-Frame beginnt mit einem
Telemetrie-(TLM-)Wort von 30 Bits, gefolgt von einem Hand-Over-Wort (HOW) von
30 Bits. Beide 30-Bit-Wörter
enthalten 24 Datenbits und 6 Paritätsbits. Es gibt eine Datenkapazität von acht
Wörtern
in jedem Teil-Frame.
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Das
TLM-Wort an der Vorderseite jedes 300-Bit-Teil-Frames beginnt mit
einer 8-Bit-Präambel. Die
Präambel
gestattet die Erkennung eines Starts eines Teil- Frames und stellt anschließend einen
primären
Mechanismus für
den zu synchronisierenden Empfänger
bereit.
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Der
erste 300-Bit-Teil-Frame sendet die Satelliten-Vehikel-(SV-)Taktkorrekturdaten
nach dem TLM-Wort und dem HOW. Der zweite Teil-Frame sendet den
ersten Teil der SV-Ephemeridendaten. Der dritte Teil-Frame sendet
den zweiten Teil der SV-Ephemeridendaten. Die Teil-Frames vier und
fünf werden
verwendet, um unterschiedliche Seiten von Systemdaten zu senden.
Der vierte Teil-Frame beginnt ebenfalls mit dem TLM-Wort und dem
HOW, wobei die Datenkapazitäten über 12,5
Minuten rotieren, um die übermäßig langen Informationen über die
Ionosphäre,
UTC und andere Daten zu senden. Ein vollständiger Satz von 25 Frames (125
Teil-Frames) bildet die vollständige
Navigationsnachricht, die in einem derartigen Zeitraum von 12,5
Minuten gesendet wird. Der fünfte
Teil-Frame beginnt mit dem TLM-Wort und dem HOW, wobei dessen Datenkapazität ebenfalls über 12,5
Minuten rotiert, um den relativ großen Almanach zu senden.
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Die
Taktdaten-Parameter beschreiben den SV-Takt und dessen Beziehung
zur GPS-Zeit. Die Ephemeriden-Datenparameter beschreiben SV-Umlaufbahnen
für kurze
Abschnitte der Satellitenumlaufbahnen. Normalerweise sammelt der
Empfänger
jede Stunde neue Ephemeridendaten, wobei er jedoch bis zu vier Stunden
alte Daten ohne große
Fehlerhaftigkeit verwenden kann. Die Ephemeriden-Parameter werden mit einem Algorithmus
verwendet, der die SV-Position für
eine beliebige Zeit innerhalb des Zeitraums der Umlaufbahn berechnet,
die durch den Ephemeriden-Parametersatz beschrieben ist. Die Almanache
sine näherungsweise
Umlaufbahn-Datenparameter für
sämtliche
SV. Die Zehn-Parameter-Almanache
beschreiben SV-Umlaufbahnen über
erweiterte Zeiträume,
wobei dies bisweilen für
Monate hilfreich ist.
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Die
Signalbezugszeit eines GPS-Empfängers
beim Starten kann deutlich beschleunigt werden, wenn der aktuelle
Almanach zur Verfügung
steht. Die näherungsweisen
Umlaufbahndaten werden verwendet, um den Empfänger mit der ungefähren Position
und der Träger-Dopplerfrequenz
jedes SV in der Konstellation voreinzustellen.
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Norman
F. Krasner beschreibt eine Art des Umgangs mit NAV-Datennachrichten,
die nicht gelesen werden können,
weil die Trägersignalpegel
zu schwach sind, in METHOD AND APPARATUS FOR SATELLITE POSITIONING
SYSTEM BASED ON TIME MEASUREMENT, US-Patent 6.239.742 B1, erteilt
am 29. Mai 2001. Eine Basisstation wird verwendet, um Teile der
NAV-Datennachricht aufzuzeichnen, wobei diese mit ähnlichen
Daten von einem entfernten SPS-Empfänger verglichen werden. Der
entfernte SPS-Empfänger empfängt Teile
der NAV-Datennachricht direkt von Satelliten, die für ihn sichtbar
sind. Die NAV-Daten, die von der Basisstation aufgezeichnet werden,
enthalten eine korrekte Zeitidentifikation, so dass eine Abstimmung der
beiden zeitlich überlappenden
Teile für
den entfernten SPS-Empfänger beim
Ermitteln seiner korrekten Systemzeit hilfreich sein kann. Ein derartiger
Vergleich erfolgt nicht beim entfernten mobilen Empfänger, sondern
anstelle dessen in der Basisstation.
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US 6429811 beschreibt einen
GPS-Empfänger
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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ÜBERSICHT ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein System
für die
Unterstützung
des Navigationssatellitenempfangs und die Empfängerinitialisierung von GPS-
und SPS-Empfängern
anzugeben.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System
zur Verringerung der Zeit anzugeben, die erforderlich ist, um die
GPS- und SPS-Empfänger
zu initialisieren.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Satellitennavigationssystem
anzugeben, das kostengünstig
ist.
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Diese
Ziele werden mit einem Satellitenpositionierungssystem-Empfänger nach
Anspruch 1 und einem SPS-Empfänger
sowie einem Unterstützungssystem
gemäß Anspruch
2 erreicht.
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Kurz
gesagt enthält
ein SPS-Empfänger
gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Funkempfänger zum
Messen von Pseudostrecken zu in einer Umlaufbahn befindlichen SPS-Satelliten,
einen Lokalechtzeit-Taktgeber mit einer Genauigkeit von drei Sekunden
der wahren SPS-Systemzeit und einen Kommunikationskanal, um NAV-Daten-Rücksendungen
von einem Server zu empfangen. Ein derartiger Server ist seinem eigenen
privaten Navigationsempfänger
zugeordnet, der über
einen direkten Satellitensignalempfang verfügt, der ausreichend stark ist,
um zuverlässig
die SPS-System-NAV-Daten zu demodulieren. Der SPS-Empfänger synthetisiert
seine eigenen NAV-Daten aus den Zeitinformationen, die vom Lokalechtzeit-Taktgeber bereitgestellt
werden, sowie den Almanach- und Ephemeridendaten, die vom Server
bereitgestellt werden. Somit kann der SPS-Empfänger in Umgebungen mit schwachen
Signalen operieren, was andernfalls unmöglich wäre.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein System
und ein Verfahren angegeben werden, die eine Initialisierung von
GPS-Empfängern
in Umgebungen schwacher Signale ermöglichen, die andernfalls nicht
initialisiert werden könnten.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
ein System und ein Verfahren angegeben werden, die die Kosten von
Navigationssatellitenempfängern
verringern, die Mobiltelefonen zugeordnet sind.
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Diese
sowie andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
ohne Zweifel dem Fachmann durch das Studium der folgenden detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen verständlich,
die in den unterschiedlichen Zeichnungen dargestellt sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Funktionsblockschaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in Gestalt eines clientunterstützten Doppler-Schätzsystems, wobei
ein Zellenort ein Mobiltelefon mit Dopplerinformationen unterstützt, die über einen
Drahtloskommunikationskanal übermittelt
werden;
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2 ist
ein Funktionsblockschaltbild eines SPS-Empfängers und einer Systemverfahrens-Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
ein Netzwerksystem 100, das ein Bezugsstations-Server-System 102,
ein Benutzer-Client-System 104 und ein zwischengeschaltetes
Computernetzwerk 106, wie etwa das Internet, enthält. Das Server-System 102 enthält einen
Navigationssatellitenempfänger,
der mit einer Konstellation von Navigationssatelliten 108, 110 und 112 gekoppelt
ist und diese verfolgt. Einige davon können zudem für das Client-System 104 sichtbar
sein. Eine weitere Konstellation von Navigationssatelliten, die 114 und 116 beinhaltet,
ist für
das Client-System 104 sichtbar. Das Client-System 104 enthält seinen
eigenen Navigationssatellitenempfänger, kann jedoch noch nicht
mit seiner Konstellation von Navigationssatelliten 112, 114 und 116 gekoppelt
sein und diese verfolgen.
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Das
Server-System 102 soll immer eingeschaltet sein und seine
Konstellation von Navigationssatelliten 108, 110 sowie 112 verfolgen.
Es ist dann in der Lage, die präzise
absolute Systemzeit zu erkennen und kann zudem die aktuellen Ephemeriden-,
Troposphären-,
und Ionosphäreninformationen
sowie andere Informationen für
andere noch nicht initialisierte Navigationssatellitenempfänger bereitstellen,
die als Netzwerk-Clients angeschlossen sind. Derartige Informationen
müssen
allesamt während
der Initialisierung bestimmt werden, wobei eine portionierte Zuführung derselben
von einer weiteren Quelle in dramatischer Weise die Zeit zu ersten
Fixierung verbessert.
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Insbesondere
speichert das Server-System 102 die sich alle 12,5 Minuten
wiederholende NAV-Datennachricht. Es kann Teile dieser Anfrage zum
Client-System 104 weiterleiten. Dies gestattet es dem Client-System 104 ein
Pattern-Matching von NAV-Daten auszuführen, die es mit den gespeicherten
und weitergeleiteten NAV-Daten empfängt. Das Client-System 104 kann
dadurch die NAV-Daten- Frames
selbst vor dem Empfang seiner ersten Präambel in seinem ersten TLM-Wort synchronisieren.
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Das
Client-System 104 hat normalerweise seinen eigenen 24-Bit-Millisekundentakt
(Msec24), der bei Null beginnt, wenn seine Energieversorgung eingeschaltet
wird. Jeder Zeitraum des GPS-C/A-Codes ist eine Millisekunde lang.
Das Server-System 102 wird die GPS-Zeit erfahren und über den
Z-Zählwert
verfügen.
Der Z-Zählwert
ist eine 29-Bit-Binärzahl,
die eine fundamentale GPS-Zeiteinheit
repräsentiert.
Die zehn höchstwertigen
Bits tragen die GPS-Wochenzahl,
und die 19 geringstwertigen Bits geben die Zählung der Wochenzeit (TOW)
in Einheiten von 1,5 Sekunden an. Ein weitaus feineres Maß der Systemzeit
ist verfügbar,
sobald der Empfänger
mit einigen GPS-Satelliten gekoppelt ist. Vorrichtungen nach dem
Stand der Technik waren von der Bestimmung des Z-Zählwertes
während
der Initialisierung abhängig.
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Was
insbesondere während
der Initialisierung des Client-Systems 104 bestimmt werden
muss, ist, in welchem Maße
ein Offset zum lokalen Takt des Clients addiert werden muss, wie
etwa Msec24, um eine Gleichheit mit der GPS-Zeit zu erreichen. Dadurch
wird die korrekte NAV-Daten-Frame-Synchronisierung vorgegeben. Die
Zeit, die erforderlich ist, um eine derartige Synchronisation zu
erreichen, wird im Client-System 104 deutlich verringert,
wenn ein Teil-Frame, der gerade empfangen wurde, als Schablone verwendet
wird, um den nachfolgenden Eintrag von Teil-Frames zu suchen, die
das Server-System 102 beobachtet hat.
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In
Situationen, in denen die Kosten pro Byte einer Kommunikation über das
Netzwerk relativ hoch sind, ist es für das Client-System 104 wirtschaftlicher,
die Signal-Momentaufnahmen,
die es gesammelt hat, an das Server-System 102 weiterzuleiten.
Das Server-System hat anschließend
die Aufgabe, beliebige Musterübereinstimmungen
zu finden. In diesen Fällen
sendet das Server-System 102 Daten, die den Client dabei
unterstützen,
die zu verwendende aktuelle ganzzahlige Millisekunde zu identifizieren.
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Bei
einer derartigen Alternative sichert das Server-System 102 vorzugsweise
die NAV-Daten-Teil-Frames für
jedes SV, das die Bezugsstation verfolgt. Es bestimmt anschließend die
Netzwerklatenz, die zwischen sich selbst und den zahlreichen Netzwerk-Clients 104 vorhanden
ist. Dadurch kann eine Schätzung
der GPS-Zeit für
jeden Client vorgenommen werden. Eine derartige GPS-Zeit kennzeichnet
anschließend,
welcher Abschnitt der NAV-Daten-Teil-Frames beim Client aktuell
beobachtet werden sollte. Das Server-System kopiert diese NAV-Daten-Teil-Frames,
schreibt den Z-Zählwert
neu und fügt
Paritätsbits
in das HOW-Wort ein, bevor es dieses zum Client sendet.
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Im
Zusammenhang mit einem Verfahren erhält das Client-System 104 die
ungefähre
GPS-Zeit vom Server-System 102 zum Beispiel mit einer oder
zwei Sekunden Genauigkeit der tatsächlichen GPS-Zeit. Es gibt
einige Netzwerkweg-Verzögerungen über das
Netzwerk 106 zwischen dem Serversystem 102 und
dem Client-System 104. Und diesen Verzögerungen wird Rechnung getragen.
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Das
Client-System 104 fragt NAV-Daten-Teil-Frames vom Server-System 102 ab,
indem es eine GPS-Zeit von Interesse, wie etwa ein bestimmtes Millisekundenintervall,
spezifiziert. Das Server-System 102 bezieht einen entsprechenden
Satz von Teil-Frame-Mustern aus seiner Datenbank. Es schreibt das
HOW-Wort mit dem entsprechenden Z-Zählwert neu und addiert geeignete
Paritätsbits.
Die angefragten Teil-Frames werden über das Netzwerk gesendet.
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Das
Client-System 104 verwendet ein 30 Bit langes, sich bewegendes
Fenster, um die Teil-Frame-Daten zu untersuchen, die vom Server-System 102 bereitgestellt
werden, und versucht eine Übereinstimmung mit
dem zu finden, was es gerade direkt von einem SV empfangen hat.
Gibt es keine Übereinstimmung,
wird das Fenster um ein Bit verschoben, worauf die 30-Bit-Worte
wieder und wieder verglichen werden. Wenn eine 30-Bit-Übereinstimmung
gefunden wird, werden die vorangehenden und nachfolgenden Wörter zur
Verifizierung ebenfalls überprüft. Werden
hier ebenfalls Übereinstimmungen
gefunden, so kennzeichnet dies, dass eine Frame-Synchronisierung
gefunden wurde. Die Offset-Zeit kann anschließend berechnet und Msec24 hinzugefügt werden,
um das Client-System 104 mit der GPS-Zeit zu initialisieren.
Genauer gesagt wird der Z-Zählwert
aus dem aktuellen HOW-Wort in den NAV-Teil-Frame-Daten extrahiert.
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Im
allgemeinen greifen Alternativen der vorliegenden Erfindung auf
die Technik des Pattern-Matching zurück. Bestimmte Muster stellen
ein Problem dar, weshalb es notwendig ist, unzuverlässige Bitmuster,
wie etwa "FFFFFF", "000000", "AAAAAA", "555555" zurückzuweisen.
Derartige Muster erscheinen im allgemeinen in einem nicht gestarteten
SV oder nicht definierten Almanach-Seiten. Ein weiteres Problem
beim Pattern-Matching entsteht durch die Bitumkehrungen.
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Der
typischen Empfänger-Firmware
gelingt es bisweilen nicht, eine Phasenumkehr der NAV-Daten zu erfassen,
wenn das Signal zu schwach ist. Gelingt es dem Empfänger nicht,
die Änderung
zu erfassen, müssen
sämtliche
Bits, die der Änderung
folgen, umgekehrt werden. Somit sollte eine bestimmte Bit-Phasenumkehr
erwartet werden. Gemäß den Beobachtungen
können
bis zu 30 Phasenumkehrungen auftreten. Das TLM-Wort markiert den
Kopf des Teil-Frames und erscheint jedes zehnte 30-Bit-Wort. Das
HOW-Wort folgt und trägt
die obersten 17 Bits eines Z-Zählwertes,
wobei die vorausgehenden zwei Bits am Ende des Wortes 10 immer "00" sind. Da in diesen
Bereichen das NAV-Muster sehr ähnlich
ist, können
wir es nicht mit dem TLM-Muster abstimmen, wenn das Suchfenster
zehn Wörter überschreitet.
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Nach
dem Beziehen der ungefähren
Zeit, fragt der Client 104 Teil-Frame-Daten von Server 102 im
voraus ab. Die GPS-Zeit, die zum Client 104 zurückgesendet
wird, wird durch die Latenz des Netzwerkes 106 unbestimmt
verzögert
sein und hat somit beispielsweise die Doppeldeutigkeit σLatenz.
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Bei
einer Alternative wird das NAV-Paket als ein Gruppenpaket mit einer
maximalen Latenz von zwei Sekunden, wie etwa als Gruppen-NAV-Intervall
(1.000 msek) + maximale NAV-Paketlänge (1.000 msek) gesendet.
Somit sollte der Client 104 einen Teil-Frame mit einer
Startzeit = erwartete NAV-Paket-Empfangszeit – (σLatenz +
2 sek) abfragen.
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Berücksichtigt
man die Latenzzeit durch das Netzwerk und das Systemansprechverhalten,
wird eine Entscheidung über
eine adäquate
Wortlänge
getroffen, die zum Client
104 gesendet werden soll. Man
berücksichtige
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Der
NAV-Datenstrom wiederholt sich selbst alle 50 Wörter oder alle fünf Teil-Frame-Nummern 1 bis
5. Sendet der Server 102 mehr als zehn Wörter, kann
kein TLM-Wort zur Abstimmung verwendet werden, da sich das Muster
des TLM-Wortes bei
jedem Beginn eines Teil-Frames wiederholt.
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Bei
einer Alternative kann, sobald der Frame synchronisiert ist, die
GPS-Zeit bestimmt werden, indem Bits vom Ende des nächsten HOW-Wortes
und dem Beginn des NAV-Paketes gezählt werden. Das HOW-Wort trägt 17 Bits
eines gekürzten
Z-Zählwertes.
Der Offset vom Ende des HOW-Wortes zum Beginn des nächsten Teil-Frames
beträgt
240 Bits, wie etwa 4.000 msek. Das Subtrahieren eines derartigen
Offsets vom nächsten Teil-Frame
erzeugt die aktuelle GPS-Zeit. Wie etwa GPSTime
(@msec24) = Zcount × 6000 – (offset
+ 240) × 20-70[msec]
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Es
bereitet Schwierigkeiten, die exakte Sendeausbreitungszeit zwischen
dem SV und der Erdoberfläche
zu erfahren, so dass ein Voreinstellungswert von 70 Millisekunden
angemessen erscheint, da seine Verwendung als Startpunkt zu einer
Doppeldeutigkeit von ± 10
Millisekunden führt.
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Die
ganzzahlige Millisekunde ("intMsec") repräsentiert
die Pseudostrecke zwischen der Benutzerposition und der SV-Position.
Wird die GPS-Zeit für
ein erstes Z-Zählwert-Ereignis
berechnet, wird davon ausgegangen, dass intMsec 70 Millisekunden
beträgt.
Die Offset-Zeit zwischen der Variablen msec24 und der GPS-Zeit ("offGpsMsec") wird anschließend berechnet.
Nach dem ersten Z-Zählwert-Ereignis trifft dieses
Ereignis nicht für
die GPS-Zeiteinstellung zu, wird jedoch lediglich für die Berechnung
von intMsec verwendet. Auf der Basis von offGpsMsec wird die ganzzahlige
Millisekunde (intMsec) für
jedes SV unter Verwendung der folgenden Gleichungen aufgelöst. Die
GPS-Zeit und offGpsMsec werden durch Auflösen nach der Zeitverzerrung
in einer Positionsfixierungsroutine eingestellt. Wie etwa offGpsM sec = Zcount × 6000 – {m sec 24 + (offset + 240) × 20} – 70[msec] int M sec = Zcount × 6000 – {m sec 24 + (offset + 240) × 20} – offGpsM
sec
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Bei
einem bevorzugten Synchronisationsverfahren ohne Präambel gemäß Alternativen
der vorliegenden Erfindung ist ein Fall-Back-TLM-Präambel-Synchronisations-Erfassungsvorgang
für den
Fall enthalten, dass das Pattern-Matching
fehlschlägt.
Beide Schemata stellen einfach die synchronisierte Position ein,
wie etwa die Wort-ID, die Teil-Frame-ID, die Seiten-ID und den aktuellen
Z-Zählwert.
Auf dieses Weise können
die beiden Schemata unabhängig
voneinander koexistieren. Ist eine Unterstützung für den Client 104 vom
Server 102 verfügbar,
wird zunächst
die Technik des Pattern-Matching ausprobiert. Anschließend wird
die Verwendung der TLM-Wort-Präambel
zur Synchronisation versucht. Hat eines der Schemata Erfolg, kann
ein Empfänger
die Decodierung sanft verschieben. Die Frame-Kante kann somit im
allgemeinen innerhalb sechs Sekunden seit der Aktivierung synchronisiert
werden, selbst wenn kein geeignetes Bitmuster für ein Synchronisations-Pattern-Matching
ohne Präambel
verfügbar
ist.
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Der
Bezugsstations-Server 102 unterstützt ein derartiges Synchronisations-Pattern-Matching
ohne Präambel
durch Sichern der Teil-Frame-Daten für jedes SV. Er schätzt die
Netzwerklatenz und mutmaßt
die GPS-Zeit im Client 104. Der Server 102 findet
die entsprechenden Teil-Frame-Daten wieder auf, die sich auf die
Client-GPS-Zeit konzentrieren. Er schreibt den Z-Zählwert im
HOW-Wort neu und codiert Teil-Frame-Daten in Paketen, die zum Client 104 gesendet
werden.
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Sämtliche
derartige Teil-Frame-Daten, die in der Bezugsstation empfangen werden,
werden in der Datenbank gespeichert. Die Teil-Frame-Daten, die gespeichert
werden sollen, beinhalten 5.780 Bytes Ephemeridendaten und 3.000
Bytes Almanachdaten, wie etwa
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Da
sich der NAV-Strom vom SV wiederholt, müssen nicht sämtliche
NAV-Bits gespeichert werden. Der Server kann einige Teil-Frame-Daten
und sämtliche
Wortparitätsbits
ignorieren. Wenn sich die System-Ephemeride ändert, schlägt das Pattern-Matching ohne
Präambel
fehl, bis sowohl der Bezugsstations-Server 102 als auch
der Client 104 tatsächlich
die neuen Ephemeriden-Teil-Frames empfangen. Dasselbe gilt für die Änderungen
des System-Almanachs. Bisweilen dauert es bis zu zwölf Stunden,
bis die Almanachdaten von sämtlichen
SV vollständig
auf einen neuen Almanachsatz aktualisiert sind. Somit müssen sowohl
die vorherigen als auch die aktuellen Almanachdaten in der Datenbank
gespeichert werden.
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Der
Client 104 führt
eine Initialisierung durch Beziehen der Teil-Frame-Daten vom Server 102 durch, die
mit der aktuellen GPS-Zeit übereinstimmen.
Zu diesem Zweck nähert
der Server 102 die GPS-Zeit an, wobei die Informationspakete,
die über
das Netzwerk 106 gesendet werden, tatsächlich vom Client 104 empfangen
werden. Wie gut die Zeitannäherung
ist, hängt
davon ab, wie präzise
der Server die GPS-Zeit im Client schätzen kann, und zudem von der
Größe der Wortdaten,
die zum Client gesendet werden sollen. Kann der Server die Client-GPS-Zeit
mit einer Genauigkeit von ± 3
Sekunden schätzen,
so besteht die Möglichkeit,
den NAV-Frame innerhalb von zehn Datenwörtern, wie etwa eines Teil-Frames,
zu synchronisieren.
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Nach
der Schätzung
der GPS-Zeit am Client 104 ruft der Server 102 die
Datenbank ab und bezieht die geeigneten Teil-Frame-Daten entsprechend
dieser aktuellen GPS-Zeit. Da es zwei Sätze der Ephemeride und des
Almanachs gibt, sollte der Server 102 verfolgen, welcher
Datensatz vom SV verwendet werden sollte. Beim Codieren der Informationswörter sind
die Teil-Frame-Daten von WORD-1 und das TLM-Wort erforderlich. Die
Paritätsbits
hängen
von den letzten zwei Bits der vorhe rigen Wortdaten ab, wobei die
letzten Bits sowohl von HOW und WORD-10 "00" sind.
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Es
ist wichtig, das HOW-Wort neuzuschreiben. Dem Server ist die aktuelle
GPS-Zeit bekannt,
so dass er den Z-Zählwert
im HOW-Wort abändern
und die zugehörigen
Paritätsbits
fixieren kann. Der Server 102 sendet vorzugsweise ein Startwort-Kennzeichen (ID)
und zehn 30-Bit-Wörter
von Daten.
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2 zeigt
einen SPS-Empfänger
und ein Unterstützungssystem
als Alternative zur vorliegenden Erfindung, die hier allgemein mit
Bezugszeichen 200 gekennzeichnet sind. Das System 200 empfängt Mikrowellensignal-Sendungen
von einer in der Luft befindlichen Konstellation von SPS-Satelliten 202.
Ein Signal 204 wird in der Stärke während seiner Übertragung
durch eine Abschwächung,
wie etwa durch ein Gebäude,
in Innenräumen
verringert. Ein hochempfindlicher SPS-Empfänger 208 ist
trotzdem in der Lage, mit einem derartigen Signal zu arbeiten, obwohl
dies stark abgeschwächt
ist. Eine Folge der Abschwächung
besteht darin, dass die 50-Hz-NAV-Datennachricht nicht erkannt werden
kann oder unzuverlässig
ist. Daher muss sie durch eine alternative Einrichtung bei allen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bezogen werden. Beispielsweise von einer
Bezugsstation 212.
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Die
Pseudostrecken können
vom SPS-Empfänger 208 direkt
gemessen werden, da lange Abtastperioden vereinigt und bearbeitet
werden können,
um die Korrelationsverarbeitungsgewinne zu nutzen. Ein Funkempfänger 214 stimmt
sich auf derartige Sendungen ab, und ein Korrelationsprozessor 216 extrahiert
die unterschiedlichen Pseudostrecken zu den sichtbaren Satelliten.
Ein Navigationsprozessor 216 bezieht Zeitinformationen
von einem Echtzeit-Taktgeber (RTC) 220 und die Z-Zählwert-,
Ephemeriden- und Almanach-NAV-Daten-Informationen von einem NAV-Daten-Synthesizer 222.
Die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/079.253, eingereicht
am 19.2.2002, zeigt detaillierter den Aufbau und die Verwendung
eines derartigen RTC.
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Der
NAV-Daten-Synthesizer 222 ist für die Alternativen der vorliegenden
Erfindung einzigartig. Er rekonstruiert eine geeignete 25-Frame-NAV-Daten-Nachricht,
die vom Funkempfänger 214 empfangen
worden wäre,
wenn die Abschwächung 206 nicht
derart stark gewesen wäre.
Die entfernte Bezugsstation 212 stellt dem Client 224 keine
Zeitinformationen bereit, sondern lediglich aktuelle Ephemeriden-
und Almanachdaten. Da der Kommunikationskanal mit der entfernten
Bezugsstation 212 eine weitaus größere Bandbreite als 50 Hz haben
wird, können
die aktuellen Ephemeriden- und Almanachdaten in deutlich kürzerer Zeit übertragen
werden, als die 12,5 Minuten, die die Satelliten 202 benötigen, um
diese zu senden.
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Ein
Client 224 empfängt
lediglich die Ephemeriden- und Almanach-NAV-Daten-Informationen. Der Z-Zählwert und
die Zeitgabeinformationen werden durch den NAV-Daten-Synthesizer 222 und
durch Lesen der Zeit vom RTC 220 berechnet. Der NAV-Daten-Synthesizer 222 formatiert
die kombinierten Informationen zu einer Nachricht, die der Navigationsprozessor 218 akzeptieren
kann und mit denen er natürlich
arbeiten kann.
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Es
ist von Bedeutung, dass der RTC 220 eine Genauigkeit von
drei Sekunden hat, denn andernfalls kann der Z-Zählwert infolge von ganzzahligen
Doppeldeutigkeiten nicht korrekt in die synthetisierten NAV-Daten
geschrieben werden. Eine Positionsauflösungsausgabe 226 ist
somit aus dem Navigationsprozessor 218 möglich.
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Die
entfernte Bezugsstation 212 enthält ihren eigenen vollständigen Navigationsempfänger 228,
der routinemäßig und
fortwährend
die Navigationssatelliten-Konstellation 202 verfolgt.
Eine gesamte NAV-Daten-Nachricht 230 wird über die
Nachrichtenübertragungszeit
von 12,5 Minuten extrahiert und anschließend in einem lokalen Speicher
gespeichert. Eine Zeit-Ausblendeinrichtung 232 entfernt
die Zeitgabeinformationen, wie etwa den Z-Zählwert. Ephemeriden- und Almanach-NAV-Daten 234 werden
ausgefiltert und sind für
einen Netzwerk-Server 236 verfügbar. Eine Netzwerk-Verbindung 238 gestattet
es dem Client, eine Unterstützung anzufragen.
Der Server 236 antwortet mit den aktuellen Ephemeriden-
und Almanach-NAV-Daten.
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Alternativ
kann jeder beliebige Kommunikationskanal anstelle des Clients 224,
des Netzwerkes 238 und des Servers 236 verwendet
werden. Beispielsweise können
Drahtlosverbindungen gute Ergebnisse durch Mobiltelefone und Kommunikationssatelliten
erzeugen.
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In
einem Geschäftsmodell
wird dem Eigentümer/Benutzer
des SPS-Empfängers 208 eine
benutzungsabhängige
Abgabe oder Teilnehmergebühr
für derartige
NAV-Daten, die Informationen unterstützen, vom Vermittler der entfernten
Bezugsstation 212 in Rechung gestellt.
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Infolgedessen
sind sämtliche
Alternativen der vorliegenden Erfindung insbesondere gut für die Verwendung
in Innenräumen
und an anderen Orten geeignet, an denen die Signalpegel unter –145 dbm
abfallen.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit den dargestellten
Alternativen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Beschreibung
nicht darauf beschränkt
ist. Dem Fachmann werden unterschiedliche Veränderungen und Modifikationen
ohne Zweifel verständlich
sein, nachdem er die obige Beschreibung gelesen hat.
