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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Unterstützung einer Ortsbestimmung in einem
Globalen Positionierungssystem (GPS).
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Fig. 1 stellt ein Satellitenpositionierungssystem
100 nach dem bisherigen Stand der Technik dar, das im
vorliegenden Patent auch als Drahtlos Unterstütztes
Globales Positionierungssystem (WAG) bezeichnet wird.
Das dargestellte Satellitenpositionierungssystem
besteht aus einem drahtlosen Endgerät bzw. WAG-Client
501, einer Satellitenkonstellation 503, einem
Hilfssystem bzw. WAG-Server 505 sowie einem Zeittaktgeber
507. Bei der Satellitenkonstellation 503 handelt es
sich um das Globale Positionierungssystem (GPS), das
aus einer Vielzahl von Satelliten zum Übertragen von
GPS-Signalen besteht, über die verschiedene
ortsbezogene Informationen einschließlich
Entfernungsbestimmungsinformationen und
Satellitenephemerisinformationen weitergeleitet werden. Bei GPS handelt es
sich um ein wohlbekanntes System auf diesem Fachgebiet.
Für Fachleute aus diesem Fachbereich wird es deutlich
werden, wie Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung herzustellen und zu nutzen sind, die mit
anderen Satellitenkonstellationen zusammen eingesetzt
werden. Der WAG-Server 505 und der WAG-Client 501
werden eingesetzt, um GPS-Signale zu erfassen und
GPS-Signale zu verarbeiten (d. h., zu demodulieren und
auszublenden), um die Informationen zu erhalten, die
durch die GPS-Signale weitergeleitet werden.
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Das Hauptziel von WAG besteht in der Reduzierung
der Signalerfassungs- und
Signalverarbeitungsanforderungen an herkömmliche drahtlose Endgeräte, so
dass ein drahtloses Endgerät gemäß des dargestellten
Ausführungsbeispiels in der Lage ist, dessen Standort
schneller und mit schwächeren Signalen zu bestimmen als
drahtlose Endgeräte nach dem bisherigen Stand der
Technik (siehe zum Beispiel US 5 365 450). In
Übereinstimmung mit WAG werden die Signalerfassungs-
und Signalverarbeitungsanforderungen des drahtlosen
Endgeräts 501 zu Lasten des Hilfssystems 505 reduziert.
Insbesondere werden dabei die Aufgaben der
Signalerfassung und Signalverarbeitung, die von einem
herkömmlichen drahtlosen Endgerät zu dessen
Positionsbestimmung durchgeführt werden müssen,
zwischen dem drahtlosen Endgerät 501 und dem
Hilfssystem 505 aufgeteilt.
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Für Fachleute aus diesem Fachbereich wird deutlich
werden, wie die Aufgabe der Signalverarbeitung zwischen
dem drahtlosen Endgerät 501 und dem Hilfssystem 505
aufgeteilt werden kann, da teilweise verarbeitete
Signalinformationen zwischen den beiden durchgehenden
drahtlosen Telekommunikationsverbindungen 504 je nach
Anforderung hin und her ausgetauscht werden können,
wodurch die gewünschte Aufteilung der Aufgabe der
Signalverarbeitung erreicht wird.
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Es ist möglich, die Aufgabe der Signalverarbeitung
zwischen dem drahtlosen Endgerät 501 und dem
Hilfssystem 505 aufzuteilen, da jedes Signal, das von
jedem Satelliten der Satellitenkonstellation 503
übertragen wird, Entfernungsbestimmungs- und
Satellitenephemerisinformationen weiterleitet, die auf
eine unabhängige Erfassung und eine unabhängige
Verarbeitung ansprechen. Insbesondere leitet ein von
einem bestimmten Satelliten übertragenes GPS-Signal vom
selben Satelliten Ephemerisinformationen an einen
Empfänger (z. B. einen WAG-Client bzw. einen WAG-Server)
weiter, unabhängig davon, welcher Empfänger das Signal
erfasst und verarbeitet. Grundsätzlich wird das GPS-
Signal ähnlich mit digitalen Informationen moduliert,
wie beispielsweise das Funksignal eines Mobiltelefons
mit Sprachdaten moduliert wird. Derartige Informationen
können durch jeden entsprechend ausgelegten Empfänger
erkannt und demoduliert werden. Bei den vom Empfänger
rekonstruierten Informationen handelt es sich dabei um
die exakte Nachbildung der Informationen, die vom
Sender auf das Signal moduliert wurden (mit Ausnahme
von ungewünschten Fehlern wie Rauschen, Verzerrung
usw.), wobei sämtliche Empfänger unabhängig von ihrer
Position dieselben Informationen erhalten.
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Im Gegensatz dazu überträgt ein GPS-Signal von
einem bestimmten Satelliten verschiedene
Entfernungsbestimmungsinformationen an verschiedene Empfänger, die
das GPS-Signal erfassen und verarbeiten. Der Sender
(d. h., der Satellit) regelt den Zeittakt des
übertragenen Signals mit hoher Genauigkeit auf der
Grundlage einer gewissen präzisen Bezugsangabe, und
zwar in einer Weise, dass der vom Empfänger empfangene
Zeittakt des Signals Informationen zur Entfernung
zwischen dem Sender und dem Empfänger (und damit zur
Position des Empfängers) weiterleitet. Derartige
Informationen unterscheiden sich von einem Empfänger
zum anderen und stehen nur am Empfänger selbst zur
Verfügung.
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Da zum Beispiel jeder Satellit aus der
Konstellation 503 ein Signal 502 überträgt, das beide
Arten von Informationen enthält, die sowohl an das
drahtlose Endgerät 501 als auch an das Hilfssystem 505
geleitet werden, werden einige der Informationen bzw.
alle Informationen zur Ephemeris der Satelliten vom
Hilfssystem 505 über die Antenne 553 erfasst, obwohl
die vom Hilfssystem 505 erfasste
Entfernungsbestimmungsinformation für die Position der
Hilfssystemantenne 553 und nicht für die Position des
drahtlosen Endgeräts 501 von Bedeutung ist. Jedoch
verfügt das Hilfssystem 505 über annähernde Kenntnis
über die Position des drahtlosen Endgeräts 501
(beispielsweise über Kenntnis über die Zelle und den
Sektor, in der bzw. dem sich das drahtlose Endgerät
befindet); daher ist das Hilfssystem 505 in der Lage,
diese Kenntnis mit den erfassten
Entfernungsbestimmungs- und Satellitenephemerisinformationen zu
kombinieren und eine Schätzung der
Entfernungsbestimmungsinformationen an der Position des drahtlosen
Endgeräts 501 zu berechnen. Diese Schätzung wird
zusammen mit den Ephemerisinformationen der Satelliten
über die drahtlose Telekommunikationsantenne 551 an das
drahtlose Endgerät 501 übertragen und unterstützt damit
das drahtlose Endgerät 501 bei der Erfassung und
Verarbeitung der Entfernungsbestimmungsinformationen.
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Nach der Erfassung der
Entfernungsbestimmungsinformationen durch das drahtlose Endgerät 501 kann das
drahtlose Endgerät 501 die
Satellitenephemerisinformationen und Entfernungsbestimmungsinformationen
einsetzen, um seinen Standort zu bestimmen, oder das
drahtlose Endgerät 501 kann die
Entfernungsbestimmungsinformationen an das Hilfssystem 505 zurückübertragen,
damit das Hilfssystem 505 den Standort des drahtlosen
Endgeräts 501 bestimmen kann.
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Da das drahtlose Endgerät 501 von der Aufgabe der
Erfassung einiger der oder aller Informationen zur
Ephemeris der Satelliten befreit ist und
vorteilhafterweise über eine Schätzung der
Entfernungsbestimmungsinformationen verfügt, kann es
mit kostengünstigeren Technologien hergestellt werden,
mit denen lediglich die erleichterte Aufgabe der
Erfassung und Verarbeitung der
Entfernungsbestimmungsinformationen auf der Grundlage
von Anfangswissen zur geschätzten Form dieser
Informationen durchzuführen ist. Da weiterhin die
Satellitenephemerisinformationen auf denselben Träger
wie die Entfernungsbestimmungsinformationen moduliert
werden, wird das drahtlose Endgerät 501 mit der
Bereitstellung der Ephemerisinformationen der
Satelliten in die Lage versetzt, über die Antenne 512
die Ephemerisinformationen der Satelliten aus dem
empfangenen Satellitensignal auszublenden und damit
selbst unter abgeschwächten Bedingungen eines geringen
Rauschabstandes Entfernungsbestimmungsinformationen zu
erfassen, die für den Betrieb eines drahtlosen
Endgeräts nach dem bisherigen Stand der Technik
ungeeignet sind.
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Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der wichtigsten
Bestandteile des Hilfssystems 505, das aus folgenden
Elementen besteht: Zeittaktempfänger 603,
Zeittaktantenne 552, Gerät zur groben Schätzung des
Standorts 601, Telekommunikationssystemmanager 617,
GPS-Empfänger 605, GPS-Empfängerantenne 553,
Zeittakteichgerät 607, Gerät zur Schätzung der
Pseudozufallsfolgensynchronisation 609, Demodulator
611, Gerät zur Schätzung der Satellitensichtbarkeit
613, Dopplergerät zur Satellitenbestimmung 615,
Telekommunikationssender 619 und
Telekommunikationsantenne 551.
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Im allgemeinen verwendet das Hilfssystem 505
seinen GPS-Empfänger, um von jedem Satelliten über dem
Horizont sowohl Entfernungsbestimmungsinformationen als
auch Informationen über die Ephemeris des Satelliten zu
erhalten, wobei in wohlbekannter Weise ein
Groberfassungscode (C/A-Code) zum Einsatz kommt. Für
Fachleute aus diesem Fachbereich ist klar, wie
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter
der Verwendung eines P(y)-Codes oder eines P-Codes
hergestellt und genutzt werden. Im Prozess des
Erhaltens der Entfernungsbestimmungs- und
Satellitenephemerisinformationen lernt das Hilfssystem 505 unter
anderem folgende Vorgänge: (1) die
Pseudozufallsfolgensynchronisation von jedem Satelliten (d. h., den genauen
Zeittakt des Pseudozufallsfolgencodes, der von jedem
Satelliten übertragen wird), (2) die
Dopplerverschiebung im Zusammenhang mit jedem Satelliten, (3)
welche Satelliten sich über dem Horizont befinden, und
(4) den 50-bps-modulierten Bitstrom von jedem
Satelliten. Danach überträgt das Hilfssystem 505 für
jeden Satelliten über dem Horizont folgende Vorgänge
über einen drahtlosen Telekommunikationskanal an das
drahtlose Endgerät 501: (1) eine Schätzung der
Pseudozufallsfolgensynchronisation, (2) eine Schätzung
der Dopplerverschiebung und (3) den 50-bps-modulierten
Bitstrom. Zusammenfassend werden diese Informationen
als "Navigationsmeldungsdaten" bezeichnet.
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Wenn das Hilfssystem 505 Teil eines drahtlosen
Telekommunikationssystems ist, mit dem ein
geografisches Gebiet in eine bestimmte Anzahl
schachbrettartiger Bereiche mit der Bezeichnung
"Zellen" unterteilt wird, dann weiß das Hilfssystem
505, in welcher Zelle sich das drahtlose Endgerät 501
befindet und erkennt damit dessen ungefähre Position
auf einige wenige Meilen genau. Wenn das Hilfssystem
505 von der Position des drahtlosen Endgeräts 501 eine
ungefähre Vorstellung hat (d. h., auf einige wenige
Meilen genau), kann das Hilfssystem 505 die vom
drahtlosen Endgerät 501 erkannte
Pseudozufallsfolgensynchronisation und Dopplerverschiebung genau
einschätzen.
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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der wesentlichen
Bestandteile des drahtlosen Endgeräts 501, das aus
folgenden Elementen besteht: Endgerätregler 710,
Benutzerschnittstelle 720, Telekommunikationssender
741, Telekommunikationsempfänger 751, Feldempfänger
753, Zeittaktempfänger 755, Duplexgerät 733 und Antenne
731, wobei sämtliche Elemente wie gezeigt miteinander
verbunden sind.
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Vorteilhafterweise, jedoch nicht notwendigerweise,
ist das drahtlose Endgerät 501 in der Lage, sämtliche
Funktionalitäten auszuführen, die in Verbindung mit
einem typischen drahtlosen Endgerät (z. B. einem
Mobiltelefon) anstehen. Insbesondere ist der Benutzer
eines drahtlosen Endgeräts vorteilhafterweise in der
Lage, über den Telekommunikationssender 741, den
Telekommunikationsempfänger 751 und das Hilfssystem 505
eine Zweiwege-Sprachkommunikation durchzuführen.
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Da die Navigationsmeldungsdaten vom Hilfssystem
505 zum drahtlosen Endgerät 501 übertragen werden,
werden die Navigationsmeldungsdaten vom drahtlosen
Endgerät 501 über den Telekommunikationsempfänger 751
empfangen. Der Telekommunikationsempfänger 751 übergibt
die Navigationsmeldungsdaten an den Endgerätregler 710,
der wiederum die Navigationsmeldungsdaten an den
Feldempfänger 753 übergibt.
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Wie bereits weiter oben ausgeführt, empfängt das
drahtlose Endgerät 501 vorteilhafterweise einen
Systemzeittakt zu Zwecken der Synchronisation. Wenn der
Zeittakt vom Zeittaktgeber 507 übertragen wird, wird
der Zeittakt vom drahtlosen Endgerät 501 über den
Zeittaktempfänger 755 empfangen. Der Zeittaktempfänger
755 übergibt dabei den Zeittakt an den Endgerätregler
710, der wiederum den Zeittakt an den Feldempfänger 753
übergibt. Wenn jedoch alternativ der Zeittakt vom
Hilfssystem 505 übertragen wird (wie es der Fall ist,
wenn das drahtlose Endgerät 501 und das Hilfssystem 505
Teil eines CDMA-Telekommunikationssystems sind), dann
wird der Zeittakt vom Telekommunikationsempfänger 741
empfangen. Der Telekommunikationsempfänger 741 übergibt
den Zeittakt dann an den Endgerätregler 710, der
wiederum den Zeittakt an den Feldempfänger 753
übergibt.
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In beiden Fällen empfängt der Feldempfänger 753
die von ihm benötigte Zeittaktinformation, ohne dass er
diese aus der Satellitenkonstellation 503 ableiten
muss. Weiterhin empfängt der Feldempfänger 753 folgende
Angaben für jeden Satelliten über dem Horizont: (1)
eine Schätzung der Pseudozufallsfolgensynchronisation,
(2) eine Schätzung der Dopplerverschiebung und (3) den
50-bps-modulierten Bitstrom, wobei er wiederum keine
dieser Informationen direkt aus der
Satellitenkonstellation 503 empfängt.
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Vom drahtlosen Endgerät bzw. WAG-Client 501 werden
die empfangenen Informationen über jeden Satelliten (in
den Navigationsmeldungsdaten) eingesetzt, um die von
diesen Satelliten übertragenen GPS-Signale zu erfassen.
So sucht der WAG-Client beispielsweise nach GPS-
Signalen bei der Dopplerverschiebungsschätzung und der
Pseudozufallsfolgensynchronisationsschätzung bzw. bei
einer kontinuierlichen Suche nach
Synchronisationspositionen in der Nähe der
Pseudozufallsfolgensynchronisationsschätzung.
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EP-A-0902554 (angeführt gemäß Art. 54(3) EPÜ und
veröffentlicht am 17. März 1999) offenbart ein
drahtloses Endgerät und ein Hilfssystem, mit dem das
drahtlose Endgerät in die Lage versetzt wird, seinen
Standort auf der Grundlage von Signalen zu bestimmen,
die von Navigationssatelliten übertragen werden. Dabei
sind die Aufgaben der Signalerfassung und
Signalverarbeitung zwischen dem drahtlosen Endgerät und dem
Hilfssystem aufgeteilt. Das Hilfssystem unterstützt das
drahtlose Endgerät durch die Erfassung von
Informationen über die Ephemeriden der Satelliten,
durch die teilweise Verarbeitung dieser Informationen
und durch die Übertragung der teilweise verarbeiteten
Informationen an das drahtlose Endgerät in einer Form,
die für das drahtlose Endgerät geeignet ist. Das
drahtlose Endgerät nutzt dann die teilweise
verarbeiteten Informationen vom Hilfssystem zur
Unterstützung der schnellen Erfassung der
Entfernungsbestimmungssignale von den Navigationssatelliten durch
das drahtlose Endgerät, selbst wenn diese Signale
schwach sind.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Schätzung einer Pseudozufallsfolgensynchronisation
und einer Dopplerverschiebung eines Satellitensignals
an einem Bezugsort innerhalb einer Zelle oder eines
Sektors, in der bzw. dem sich ein drahtloses Endgerät
bzw. ein WAG-Client befindet. Die Schätzungen basieren
auf Informationen, die von einem GPS-Signal
weitergeleitet werden, das durch ein Hilfssystem bzw.
einen WAG-Server erfasst wird, das bzw. der sich an
einem anderen Ort als das drahtlose Endgerät bzw. der
WAG-Client befinden kann. Die
Pseudozufallsfolgensynchronisations- und Dopplerverschiebungsschätzungen
beruhen auch auf einer gewissen Bezugszeit, bei der es
sich um eine Zeit handelt, die genügend weit in die
Zukunft reicht, um dem WAG-Client die Möglichkeit zu
geben, die Pseudozufallsfolgensynchronisations- und
Dopplerverschiebungsschätzungen aus einer vom WAG-
Server übertragenen Supportmeldung zu demodulieren und
zu decodieren und derartige Schätzungen bei der
Erfassung von GPS-Signalen einzusetzen, in denen die
Supportmeldung die Pseudozufallsfolgensynchronisations
und Dopplerverschiebungsschätzungen anzeigt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann die
Supportmeldung an WAG-Clients rundgesendet werden.
Dabei können die Supportmeldungen von WAG-Clients zur
eigenen Ortsbestimmung eingesetzt werden; bei diesem
Vorgang ist keine zusätzliche Unterstützung durch den
WAG-Server erforderlich, und es wird keine
Rückkommunikation benötigt. Dies bringt den
zusätzlichen Vorteil von Übertragungssicherheit mit
sich, da das System nicht weiß, welcher WAG-Client
möglicherweise seine eigene Position bestimmt. Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel wird die
Supportmeldung den WAG-Clients auf Anfrage übermittelt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der WAG-Client eine
Kommunikationsverbindung hergestellt, wünscht sofort
seine Ortsbestimmung und stellt fest, dass eine
Ortsbestimmung im Gang ist. Bei dieser Betriebsart
bittet das Endgerät den WAG-Server um Unterstützung,
wobei nach dem Austausch einiger Meldungen dessen
Ortsbestimmung mit Unterstützung des WAG-Servers
durchgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines
Satellitenpositionierungssystems;
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des in Fig. 1
dargestellten Hilfssystems;
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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild des in Fig. 1
dargestellten drahtlosen Endgeräts;
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Bezugsortes
innerhalb eines Sektors einer Zelle, die einer
Basisstation zugeordnet ist;
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Fig. 5 zeigt eine Liste sämtlicher Felder in EINER
Supportmeldung mit der en Größe in Bits gemäß eines
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 6 und 7 zeigen eine Liste sämtlicher Felder
(Parametergrößen und Funktionen) in möglichen
Antwortmeldungen.
Ausführliche Beschreibung
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Der WAG-Server gemäß der vorliegenden Erfindung
geht von der Annahme aus, dass sich ein WAG-Client an
einem "Bezugsort" innerhalb einer Zelle und einem
Sektor befindet, in der bzw. dem der WAG-Client zum
gegenwärtigen Zeitpunkt positioniert ist. Auf der
Grundlage von Satellitenephemeris- und
Entfernungsbestimmungsinformationen, die von einem WAG-Server
erfasst werden, schätzt der WAG-Server die
Pseudozufallsfolgensynchronisation und die
Dopplerverschiebungen für den WAG-Client am Bezugsort
zu einer gewissen Bezugszeit. Die
Pseudozufallsfolgensynchronisations- und
Dopplerverschiebungsschätzungen werden als Teil einer Meldung übertragen,
die im vorliegenden Patent als "Supportmeldung"
bezeichnet wird und vom WAG-Client einzusetzen ist, um
die Erfassung und Verarbeitung von GPS-Signalen zu
erleichtern.
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Der WAG-Server definiert für jede Zelle und für
jeden Sektor einen Bezugsort. Bei dem Bezugsort handelt
es sich um eine annähernde Schätzung der Position eines
WAG-Client bzw. drahtlosen Endgeräts, der bzw. das sich
in dieser Zelle und diesem Sektor befindet. Dabei
könnte es sich beispielsweise um den Schwerpunkt eines
Erfassungsbereiches handeln. Es wird davon ausgegangen,
dass es sich um einen dreidimensionalen Ort
einschließlich Elevation handelt. Siehe Fig. 4, in der
eine Basisstation 201 und die ihr zugeordnete Zelle
dargestellt sind, die in eine Vielzahl von Sektoren
202, 203 und 204 unterteilt wurde. Anzumerken ist
dabei, dass es sich bei dem Punkt 205 um einen Punkt
handelt, der im Schwerpunkt des Erfassungsbereiches
bzw. im Sektor 203 positioniert ist und bei dem es sich
um einen möglichen Bezugsort innerhalb des Sektors 203
handelt.
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Vom WAG-Server wird gleichfalls eine "Bezugszeit"
definiert. Die Bezugszeit sollte ausreichend weit in
die Zukunft reichen, um den WAG-Clients die Möglichkeit
zu geben, die Supportmeldung zu demodulieren und zu
decodieren sowie ihre GPS-Empfänger (der WAG-Clients)
so vorzubereiten, dass diese den Vorteil der
Möglichkeit zur Ortsbestimmung nutzen. Die Bezugszeit
sollte nach der dem drahtlosen System eigenen
Zeitbezugsskala definiert werden. So kann sie
beispielsweise in einem IS-95-System als Beginn eines
bestimmten 20-ms-Frames (zukünftig Frame n. xxx)
definiert werden. Wir beziehen uns dabei beim Bezugsort
und bei der Bezugszeit zusammen auf das
"Bezugsereignis", Da sich der IS-95-Zeittakt innerhalb
eines Rahmens von wenigen Mikrosekunden auf die GPS-
Zeit bezieht, wird das Ereignis auch auf der GPS-
Zeitskala exakt definiert.
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Als nächsten Schritt unternimmt der WAG-Server die
Berechnung der Parameter des Signals aus jedem GPS-
Satellit, da diese am Bezugsereignis beteiligt sind.
Der Server kann diese Aufgabe durchführen, da er über
einen hochwertigen GPS-Empfänger mit kompletter
Himmelsansicht verfügt, der bereits über einen langen
Zeitraum in Betrieb ist; daher hat er Kenntnis von der
Ephemeris sämtlicher Satelliten. Da das Bezugsereignis
in der Zukunft liegt, besteht eine geringfügige
Unsicherheit im Hinblick auf den zukünftigen Status
bestimmter Parameter (insbesondere bei der Ausgewählten
Verfügbarkeit); solange jedoch die Berechnung nur
einige Sekunden im Voraus durchgeführt wird (z. B. 10
bis 15 Sekunden), kann der Fehler vernachlässigt
werden. Die Supportmeldung übermittelt dem WAG-Client
die Werte dieser Parameter für eine Anzahl sichtbarer
Satelliten. Bei diesen Parametern handelt es sich um:
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1) die Satellitenposition am Himmel (z. B.
Elevation und Azimut) und deren zeitliche
Ableitung.
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2) Die Satelliten-Dopplerverschiebung.
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3) Die "Ankunftszeit" des Satellitensignals, die
aus folgenden Bestandteilen besteht:
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a) der Teilchip-Fase des C/A-Codegenerators
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b) dem Vollchipstatus des C/A-
Codegenerators
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c) der 1-ms-Periode zur Definition der
Codewiederholung, die empfangen wird
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d) der 20-ms-Periode zur Definition des
Modulationsbits, das empfangen wird
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Natürlich befindet sich der WAG-Client nicht genau
am Bezugsort; daher weist die vom WAG-Client
beobachtete Ankunftszeit des Satellitensignals einen
leichten Unterschied auf. Der WAG-Server muss außerdem
den Maximalbereich dieses Unterschieds als Funktion der
Größe und Form des Erfassungsbereiches (z. B. der Größe
des speziellen Sektors) berechnen. Bei der Berechnung
werden die Position des Satelliten am Himmel sowie die
Verzögerung der Signalausbreitung von der Basisstation
zum drahtlosen Endgerät bzw. WAG-Client berücksichtigt.
Letzterer kann dabei den Zeittakt-unsicherheitsbereich
in Abhängigkeit von den Positionen des Satelliten, der
Basisstation und des Sektors zueinander erhöhen bzw.
verringern. Bei der Berechnung sollten auch sämtliche
zusätzlichen bekannten Quellen der Zeittaktunsicherheit
berücksichtigt werden (z. B. die 1-3-us-
Zeittaktdifferenz, die zwischen IS-95- und GPS-Zeit
zulässig ist). Im Ergebnis erhält man eine obere und
eine untere Grenze für den Wertebereich der
Ankunftszeit. Diese Information wird vom WAG-Client zur
Definition des Suchintervalls eingesetzt, über den nach
dem GPS-Signal zu suchen ist.
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Schließlich muss dem WAG-Client bekannt sein,
welche Informationsbit von jedem Satelliten um die
Bezugszeit herum übertragen wurden. Zur Bereitstellung
sehr langer Integrationszeiten setzen wir uns für die
Weiterleitung von Daten ein, die mehreren Sekunden
entsprechen. Da jeder Satellit mit einer
Geschwindigkeit von 50 bps überträgt, kann es sich bei
diesem Teil der Supportmeldung durchaus um den größten
Teil handeln. Wenn beispielsweise 10 Satelliten
sichtbar sind und Daten im Wert von zwölf Sekunden
übertragen werden sollen, müssen bis zu 6000 Bits
weitergeleitet werden. Diese Menge kann jedoch
reduziert werden, wenn man berücksichtigt, dass
verschiedene GPS-Satelliten oft dieselben Daten
übertragen. Dementsprechend beinhaltet die
Supportmeldung Datensätze übertragener
Navigationsdatenbits, die unter den Satelliten aufgeteilt werden
können.
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Zu den Beispielen für die Übertragung derselben
Bits durch verschiedene Satelliten gehören das
Telemetriewort und das Übergabewort, die am Anfang
jedes Subframes (alle 6 Sekunden) auftreten. Dazu
kommt, dass der gesamte vierte und der gesamte fünfte
Subframe des GPS-Übertragungsframes bei allen
Satelliten nominell identisch ist. (Die beiden
Subframes erstrecken sich dabei über einen Zeitraum von
12 Sekunden und treten alle 30 Sekunden auf.) Wenn
daher der WAG-Server bestimmt, dass die Bezugszeit in
der Mitte zwischen den beiden Subframes liegt, besteht
die Möglichkeit, einmal in 30 Sekunden mit einer
relativ kleinen Supportmeldung (weniger als 2000 Bits)
eine Möglichkeit zur Ortsbestimmung über eine sehr
lange Integrationszeit (12 Sekunden) anzubieten.
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Da die Bezugszeit in der Zukunft liegt, wird der
aufmerksame Leser feststellen, dass der WAG-Server die
als Teil der Supportmeldung weitergeleiteten
Navigationsdatenbits vorhersagen muss. Hierbei handelt
es sich um kein größeres Problem, da diese periodisch
wiederholt werden und sich nur selten ändern.
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Gelegentlich kann es Zeiten geben, zu denen die
Vorhersagen unkorrekt sind. Zu diesen Zeiten kann jeder
beliebige WAG-Client, der diese Möglichkeit zur
Ortsbestimmung nutzt, auf Grund der Bitfehler in der
Vorhersage einen Verlust beim Rauschabstand erleiden.
Der Schaden kann dadurch minimiert werden, dass man
beachtet, dass bestimmte Teile der Subframes (z. B. das
Telemetriewort und das Übergabewort) verlässlicher
vorhergesagt werden können als andere Teile. Durch den
bevorzugten Einsatz dieser Teile der
Satellitenübertragungen werden die Auswirkungen von
Vorhersagefehlern auf ein Minimum reduziert. Wenn
dieses Ortsbestimmungsverfahren dann noch im breiten
Maßstab eingesetzt wird, besteht die Möglichkeit, die
Betriebsgesellschaft des GPS-Systems zu bitten, die
Inhalte künftiger Satelliten-Uploads mit einem geringen
Vorlauf (z. B. fünf Minuten) öffentlich zugänglich zu
machen (z. B. im Web). Damit bräuchte der WAG-Server die
künftig übertragenen Bits aus dem empfangenen GPS-
Signal nicht vorherzusagen.
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Die Supportmeldung kann in Verbindung mit einer
Reihe verschiedener Ortsbestimmungsmodi verwendet
werden. In der vorliegenden Erfindung werden zwei
verschiedene Ortsbestimmungs-"Modi" identifiziert, die
bei grundlegend unterschiedlichen Anforderungspaketen
zur Anwendung kommen und zusammen genügend Flexibilität
bieten, um die meisten WAG-Applikationen auszuführen.
Bei diesen Modi handelt es sich um den "Rundsendemodus"
und den Modus "Ortsbestimmung auf Anfrage". Beim ersten
Ortsbestimmungsmodus, d. h., beim Rundsendemodus, werden
sämtlichen nutzungswilligen Endgeräten im
Erfassungsbereich "Möglichkeiten" zur Ortsbestimmung in
regelmäßigen Abständen (z. B. einmal pro Minute)
angeboten. Der Hauptzweck dieses Modus besteht darin,
die Ortsbestimmung von Endgeräten im Ruhemodus zu
ermöglichen. Bei diesem Modus übertragen Basisstationen
in regelmäßigen Abständen auf einem Rundsendekanal (von
einem WAG-Server empfangene) Supportmeldungen. Diese
Meldungen können durch entsprechend ausgerüstete
drahtlose Endgeräte genutzt werden, um eine eigene
Ortsbestimmung vorzunehmen; dabei ist keine zusätzliche
Unterstützung durch den WAG-Server erforderlich, und es
wird auch keine Rückkommunikation benötigt. Damit
ergibt sich der zusätzliche Vorteil der
Übertragungssicherheit, da das System keine Kenntnis
davon hat, welche Endgeräte eventuell ihre eigene
Ortsbestimmung vornehmen. Beim zweiten
Ortsbestimmungsmodus, d. h., bei der Ortsbestimmung auf Anfrage, wird
beispielsweise den Anforderungen eines Benutzers
entsprochen, der über ein Telefon einen Notruf absetzen
möchte. In diesem Fall hat der Benutzer eine
Kommunikationsverbindung hergestellt, wobei er sofort
geortet werden möchte und informiert ist, dass eine
Ortsbestimmung im Gange ist. Bei diesem Modus bittet
das Endgerät den WAG-Server um Unterstützung, wobei
nach dem Austausch einiger Meldungen dessen Standort
mit Unterstützung des WAG-Servers bestimmt wird.
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Der Hauptzweck des Rundsendemodus besteht in der
Möglichkeit, kontinuierliche Ortsbestimmungen ruhender
Endgeräte durchzuführen, ohne dass diese Endgeräte mit
dem WAG-Server Informationen auszutauschen brauchen,
der Möglichkeit, frühere Ortsbestimmungsdaten zu
verstärken, so dass beispielsweise stark abgeschwächte
Ortsbestimmungen von tief in einem Gebäude liegenden
Objekten noch zu akzeptablen Ortsbestimmungsergebnissen
führen, und gestützte GPS-Kapazitäten mit maximaler
Effektivität zu nutzen, indem relativ wenig Bits
übertragen werden, die von allen aktiven und
autorisierten Endgeräten gemeinsam genutzt werden
können.
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Beim Rundsendemodus handelt es sich um eine
"Einweg"-Implementierung von WAG, wobei dem Endgerät
bei der vollständigen eigenen Ortsbestimmung
wahrscheinlich etwas mehr Arbeit zufällt als bei dem
Modus "Ortsbestimmung auf Anfrage", wobei jedoch
vorteilhaft ist, dass keine Rückkommunikation benötigt
wird. Bei diesem Modus sendet die Basisstation in
regelmäßigen Abständen über einen Rundsendekanal
Ortsbestimmungs-Supportmeldungen. Diese Meldungen
stehen allen Endgeräten im Erfassungsbereich zur
Verfügung, die sie nutzen wollen, und sie enthalten
sämtliche Informationen, die erforderlich sind, um eine
vollständige Ortsbestimmung durchzuführen. Unsere
Bezeichnung für diese Meldungen lautet "Möglichkeiten
zur Ortsbestimmung", wobei mit diesen Meldungen bei
ausreichend häufigem Auftreten (beispielsweise einmal
oder zweimal pro Minute) eine praktisch kontinuierliche
Ortsbestimmungserfassung sämtlicher Endgeräte im
Erfassungsbereich bereitgestellt werden kann. Dabei ist
es durchaus möglich, dass selbst aktive Endgeräte
diesen Modus nutzen können, um ihre eigene Position
ohne die Kosten im Zusammenhang mit der Ortsbestimmung
auf Anfrage zu bestimmen. Dies erweist sich besonders
dann als vorteilhaft, wenn Übertragungssicherheit
erwünscht ist; bei diesem Modus hat das System keine
Kenntnis davon, welche Endgeräte gerade ihre eigene
Position bestimmen, und kennt daher natürlich auch
deren Position nicht. In der Folge wird deutlich
werden, dass diese Fähigkeit bei einer sehr moderaten
durchschnittlichen Kapazitätsbelastung des
Rundsendekanals von weniger als 100 bps bereitgestellt
werden kann, was einer 2-3-Kbit-Meldung alle 30
Sekunden entspricht.
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Mit der Ortsbestimmung auf Anfrage werden
Gegebenheiten unterstützt, bei denen Endgeräte umgehend
zu orten sind und aktive Endgeräte geortet werden
müssen, ohne dass dazu Informationen benötigt werden,
die von diesen Endgeräten über den Rundsendemodus
erstellt worden sind; anders ausgedrückt handelt es
sich hier um Applikationen, die mit sofortiger Wirkung
bereitgestellt werden müssen und bei denen die
entsprechend höhere Genauigkeit gewährleistet sein
muss. Bei der Ortsbestimmung auf Anfrage handelt es
sich um eine "Zweiwege"-Implementierung von WAG, wobei
ein bestimmtes Endgerät angewiesen wird, GPS-Signale zu
messen und die Ergebnisse unmittelbar danach zur
Verfügung zu stellen. Bei diesem Modus sendet die
Basisstation normalerweise unter Verwendung des von ihm
belegten Verkehrskanals Supportmeldungen an das zu
ortende Endgerät (wobei jedoch auch die Möglichkeit des
Einsatzes eines Rundsendekanals bzw. des Paketmodus
nicht von vornherein ausgeschlossen werden sollte). Bei
der Meldung aus dem Netz an das mobile Endgerät handelt
es sich um eine Supportmeldung, die in vorliegender
Erfindung als "Ortsschätzungs-Statusmeldung" bezeichnet
wird. Die an dieses Endgerät gesandte Meldung ist auf
die erwarteten Anforderungen dieses speziellen
Endgeräts abgestimmt worden und enthält in den
allermeisten Fällen sämtliche Informationen, die
erforderlich sind, um eine vollständige Ortsbestimmung
durchzuführen. Wenn sich die Informationen als
unzureichend erweisen, kann eine weitere
Ortsschätzungs-Statusmeldung folgen, in der vom mobilen
Endgerät zusätzliche Verarbeitungsschritte bzw. Daten
angefordert werden.
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Fig. 5 zeigt eine Liste sämtlicher Felder in der
Supportmeldung, wobei entsprechend eines
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung deren
Größe in Bits angegeben wird. Sowohl für den
Anfragemodus als auch für den Rundsendemodus kommt
dieselbe Meldungsstruktur zum Einsatz; dabei wird der
Rundsendemodus eingesetzt, um die empfangenen Parameter
zu sammeln bzw. in einem Rollfenster zu verwenden,
während im Anfragemodus sämtliche erforderlichen Daten
sofort zur Verfügung gestellt werden. Man beachte, dass
die Supportmeldung die Bitsequenz enthält, mit der das
GPS-Signal moduliert wird, so dass sie vom WAG-
Empfänger entnommen werden können. Das Konzept des
Aufbaus der Supportmeldung stellt sich wie folgt dar.
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Die Anzahl der Bits, die erforderlich sind, um die
unterschiedlichen Mengen darzustellen, hängt von der
Auflösung ab, mit der sie weitergeleitet werden müssen.
Das hängt wiederum davon ab, wofür jede einzelne Menge
eingesetzt wird. In Fig. 5 werden die erforderlichen
Bitgrößen dargestellt; in der vorliegenden Erfindung
wird erläutert, wie diese Werte erzielt werden können.
Die potenzielle Genauigkeit eines WAG-Empfängers
entspricht der eines Differential-GPS-Empfängers (DGPS-
Empfänger), da der Algorithmus äquivalent ist. DGPS-
Empfänger können häufig Sub-Meter-Genauigkeit
erreichen, weswegen von uns eine Auflösung benötigt
wird, die der Übertragung von Parametern der
Ortsbestimmungsgenauigkeit im Sub-Meter-Bereich
entspricht.
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Man beachte, dass zur Fehlerüberwachung bei
Paritätsbits keine Spielräume zugelassen werden. Dies
entspricht der IMT-2000-Forderung nach einer
Bitfehlerrate (BER) von 10&supmin;&sup6; bei der Datenkommunikation,
die ausreicht, um die Supportmeldung weiterzuleiten.
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Wenn diese Bitfehlerrate nicht zur Verfügung steht,
weisen wir darauf hin, dass der Teil der Meldung, der
die Navigationsdatenbits enthält, ausschließlich zur
Empfindlichkeitsunterstützung verwendet wird und daher
eine Bitfehlerrate bis zu 10&supmin;² tolerieren kann, wobei
die Auswirkungen auf den Rauschabstand nur minimal
sind. Der übrige Teil der Supportmeldung benötigt
jedoch eine Bitfehlerrate von mehr als ca. 10&supmin;&sup4;, um zu
gewährleisten, dass der Beitrag von
Ortsbestimmungsausfällen durch Bitfehler vernachlässigbar
bleibt.
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Nachstehend erfolgt eine Beschreibung jedes Feldes
und der entsprechenden Bitanforderungen. Beim Bezugsort
handelt es sich um einen willkürlich gewählten Punkt,
der sich in dem allgemeinen Bereich befinden soll, in
dem das mobile Endgerät positioniert ist; als
natürliche eine das Zentrum einer Zelle/eines Sektors
Wahl für diesen Ort. Zu deren Darstellung ist keine
größere Auflösung erforderlich. Dementsprechend gehen
wir von jeweils 20 Bits für die geografische Breite und
geografische Länge und von 10 Bits für die Elevation
aus, was einer größeren Auflösung als 40 m entspricht.
Dies ist viel mehr als erforderlich, doch da dieser
Parameter nur einen minimalen Einfluss auf die
Gesamtmeldungsgröße hat, wollen wir hier mehr tun, als
eigentlich erforderlich ist.
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Wie beim vorangehenden Punkt wird auch bei der
Bezugszeit keine größere Auflösung verlangt. Wie beim
Beispiel im vorhergehenden Unterabschnitt kann es sich
dabei um den Anfang eines zukünftigen vorgegebenen 20-
ms-Frames handeln. Zur Spezifizierung des Frames werden
von uns 16 Bits vorgegeben. Auch hier wollen wir mehr
tun, als eigentlich erforderlich ist.
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Bei der Anzahl der sichtbaren Satelliten geht es
darum, wie viel Satelliten sich im Sichtfeld befinden.
4 Bits lassen bis zu 16 zu.
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Bei der Kennung der sichtbaren Satelliten geben
wir 6 Bits zur Spezifizierung eines bestimmten
Satelliten bzw. Pseudo-Satelliten vor.
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Im Hinblick auf Elevation und Azimut der
sichtbaren Satelliten ist festzustellen, dass diese
Winkel eingesetzt werden, um den tatsächlichen Standort
des drahtlosen Endgeräts bzw. WAG-Client in Form eines
Differenzwertes vom Bezugsort zu berechnen. Da sich das
drahtlose Endgerät bzw. der WAG-Client mehrere tausend
Meter vom Bezugsort entfernt befinden kann, benötigen
wir eine größere Auflösung als 0,1 Mikroradian, wenn
Sub-Meter-Genauigkeit erreicht werden soll. Daher gehen
wir für jede Menge von 18 Bits aus.
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Im Hinblick auf zeitliche Ableitungen der
Elevation und des Azimut von sichtbaren Satelliten ist
festzustellen, dass sich ein sichtbarer Satellit
während der Möglichkeit zur Ortsbestimmung mit einer
Dauer von 12 Sekunden um bis zu 1 Mikroradian bewegen
kann (1/2 Mikroradian auf jeder Seite der Bezugszeit).
Wenn die 18-Bit-Auflösung aus dem vorangegangenen Punkt
von Bedeutung sein soll, benötigen wir 4 Bits für jede
Ableitung. Diese werden eingesetzt, um innerhalb der
Möglichkeit zur Ortsbestimmung jederzeit die korrekten
Winkel bestimmen zu können.
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Für den Parameter der Dopplerverschiebung bei
sichtbaren Satelliten gibt es drei Gründe: 1) Korrektur
der empfangenen Trägerfrequenz und deren Integration in
die Empfängerbandbreite; 2) Korrektur der Taktfrequenz
des Codegenerators zum Zwecke der ordnungsgemäßen
Integration; und 3) jederzeit mögliche Vorhersage der
Code-Fasen-Differenzen im Rahmen der Möglichkeit zur
Ortsbestimmung. Beim letztgenannten Punkt handelt es
sich um eine strengere Forderung, da es zum Erreichen
der Sub-Meter-Genauigkeit erforderlich ist, dass die
Code-Fasen-Differenzen mit Sub-ns-Genauigkeit
vorhergesagt werden. Damit dies mit einem Unterschied
von 6 Sekunden zur Bezugszeit erfolgen kann, muss die
Taktfrequenz über 0,1 MHz liegen, was einer Träger-
Dopplerverschiebung von 0,15 Hz entspricht. Da sich der
Bereich der Träger-Dopplerverschiebung auf ca. ±4 KHz
beläuft, werden von uns für diesen Parameter 18 Bits
vorgegeben.
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Wie oben wird auch die Ankunftszeit des Signals
von sichtbaren Satelliten zur Berechnung des Standortes
eingesetzt. Zur Erreichung von Sub-Meter-Genauigkeit
wird eine Sub-ns-Auflösung benötigt; dementsprechend
weisen wir der Teilchip-Fase 12 Bits zu. Da die
Codeperiode 1023 Chips umfasst, werden 10 Bits für den
Status des Codegenerators benötigt. Dabei stehen pro
Bit 20 1-ms-Perioden zur Verfügung, weswegen dafür 5
Bits erforderlich sind. Beim letzten Punkt, der 20-ms-
Periode, stellt sich die Frage, welche Art der
Unsicherheit gelöst werden soll. Sämtliche
Parameterwerte beziehen sich auf das Bezugsereignis. Nominell
handelt es sich um die Mitte zwischen dem vierten und
fünften Subframe. Auf Grund der variablen Entfernung
zwischen dem Satelliten und der Erdoberfläche, auf
Grund der Granularität der Bezugszeitbestimmung und auf
Grund weiterer Abweichungsquellen kann diese Position
um bis zu mehrere zehn Millisekunden abweichen. Hierbei
handelt es sich um den Bereich, der durch die
Bestimmung der 20-ms-Periode erfasst werden muss. Bei
großzügiger Betrachtungsweise teilen wir hier 4 Bits
zu. Damit kann ein Bereich von ±160 ms erfasst werden,
was mehr als ausreichend ist.
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Mit der Hinweisadresse auf den
Navigationsdatensatz wird angegeben, wie viel
Navigationsdatensätze folgen werden.
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Die Navigationsdatenmeldungsbits sichtbarer
Satelliten geben die Bits an, die von einem gegebenen
sichtbaren Satelliten empfangen werden, um am mobilen
Endgerät über längere Integrationszeiten zu verfügen:
Bei der Größe des Navigationsdatensatzes handelt es
sich um die Anzahl von GPS-Datenworten, die zur
Verwendung in diesem Integrationszyklus zur Verfügung
gestellt wurden. Dabei ist anzumerken, dass die
Datenworte jeweils eine Länge von 30 Bits haben.
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Fig. 6 und Fig. 7 stellen die Listen 600 und 700
sämtlicher Felder (Parametergrößen und Funktionen) dar,
die in Antwortmeldungen enthalten sind. Fig. 6 stellt
eine Meldung dar, die für netzwerkgestützte
Berechnungen zum Einsatz kommt. Bei einer Meldung
dieser Art leitet das drahtlose Endgerät bzw. der WAG-
Client Informationen zu seinem aktuellen Standort
weiter, indem 4-10 Pseudostrecken von allen sichtbaren
Satelliten ohne Statusbericht angegeben werden. Die
Größe einer solchen Meldung beläuft sich auf 340-800
Bits. Wenn dieser Meldungstyp verwendet wird, um
mehrere verschiedene zu unterschiedlichen Zeiten
gemessene Standorte weiterzuleiten, dann beträgt die
Größe 300-700 Bits multipliziert mit der Anzahl der
gemeldeten Standorte. Wenn Statusprotokolle enthalten
sind, muss deren Größe zur Gesamtzahl addiert werden.
Das absolute Größenlimit, das durch die Größe der
Indices vorgegeben wird, beläuft sich auf 605627 Bits;
dies ist offensichtlich ausreichend, um sämtliche Fälle
von praktischem Interesse abzudecken.
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Fig. 7 stellt eine Meldung dar, die für autonome
Berechnungen am Handgerät verwendet wird. Bei einer
Meldung dieser Art leitet das drahtlose Endgerät bzw.
der WAG-Client Informationen zu seinem aktuellen
Standort weiter, indem dessen Koordinaten (Zeit und
Raum) ohne Statusprotokoll angegeben werden. Die
Koordinaten werden dabei als Abweichung vom
Bezugsereignis der zugehörigen Supportmeldung
ausgedrückt. Die Größe einer solchen Meldung beläuft
sich auf 108 Bits. Wenn dieser Meldungstyp verwendet
wird, um mehrere verschiedene zu unterschiedlichen
Zeiten gemessene Standorte weiterzuleiten, beläuft sich
die Größe auf 108 Bits multipliziert mit der Anzahl der
angegebenen Standorte. Wenn Statusprotokolle enthalten
sind, muss deren Größe zur Gesamtzahl addiert werden.
Das absolute Größenlimit, das durch die Größe der
Indices vorgegeben wird, beläuft sich auf 545200 Bits;
dies ist offensichtlich ausreichend, um sämtliche Fälle
von praktischem Interesse abzudecken.