DE69936427T2

DE69936427T2 - Verfahren und Gerät zur InitiaIisierung des Kommunikationsnetzes zur schnellen Bestimmung der GPS Position

Info

Publication number: DE69936427T2
Application number: DE69936427T
Authority: DE
Inventors: Michael San Diego Castelloe; Allan San Diego Lamkin; Anthony Lovettsville Noerpel; David Boyds Roos
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2019-08-28
Also published as: TW515910B; EP0984295B1; IL131446A0; KR20000022804A; EP0984295A1; DE69936427D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Initialisierung eines globalen Positionsbestimmungssystems bzw. Global Positioning System (GPS) Empfängers zur Benutzung in einem Kommunikationsnetzwerk, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Initialisierung eines GPS-Empfängers, der Teil eines Kommunikationsnetzwerks bildet derart, dass er eine schnelle Erfassung der Position des GPS-Empfängers beim Start des GPS-Empfängers erleichtert.
(b) Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Typischerweise verlässt sich ein GPS-Empfänger auf GPS-Satellitenlaufbahnparameter, die in einem Speicher während dem letzten Betrieb abgespeichert wurden, eine Zeitabschätzung aus einer laufenden Uhr oder einer Benutzereingabe und einer Positionsabschätzung aus dem Speicher oder einer Benutzereingabe, um einen Start schneller auszuführen als einen „Kaltstart". Falls irgendeine dieser Informationen fehlt, wird ein Kaltstart notwendig werden und die Zeit, um eine erste Position zu bestimmen (TTFF), kann 1–3 Minuten dauern.
Allgemein ist eine übliche Strategie für einen GPS-Empfänger, der in ein Kommunikationsnetzwerk integriert ist, entweder die GPS-Satelliten kontinuierlich zu verfolgen, oder zyklisch in zeitlichen Intervallen, um eine Ortsbestimmung zu erhalten, eine lokale Uhr zu resynchronisieren und GPS-Parameter runterzuladen. Die Nachteile dieses Lösungswegs sind: 1) längere Erfassungszeiten im Allgemeinen; 2) größerer Energieverbrauch und Verarbeitungskanal; und 3) die Notwendigkeit der GPS-Erfassung zu Zeitpunkten, wenn das Endgerät nicht anderweitig in Benutzung ist (im Falle eines mobilen Endgeräts ist dies insbesondere problematisch; wenn das Endgerät nicht in Benutzung ist, ist es irgendwo verstaut, wie bspw. einer Tasche oder einer Aktentasche, wo die GPS-Satellitenerreichbarkeit sehr schlecht ist).
Eine andere Strategie umfasst einen vollständig integrierten Lösungsweg, bei dem ein Endgerät zwischen GPS-Messungen an das Netzwerk berichtet, und das Netzwerk die aktuellen Positionsberechnungen ausführt. Die Nachteile dieses Lösungswegs sind 1) erhöhte Datenübertragung vom Endgerät zu dem Netzwerk wird benötigt; 2) komplexe Netzwerkberechnungsgeräte werden benötigt, um jedes Endgerät separat handzuhaben; und 3) das Endgerät ist nicht in der Lage, GPS-Positionsbestimmungen auszuführen, wenn das Netzwerk nicht verfügbar ist.
Es gibt Technologien, die in Kommunikationsnetzwerken auftauchen, hauptsächlich die Emergency-911 Systeme, wie jene, die von Navsys Inc. und Snaptrack Inc. entwickelt wurden, die vollständig integrierte Lösungswege benutzen, um die Endgerätepositionen zu bestimmen, was bedeutet, dass die Positionsbestimmung im Wesentlichen ein Hand-shake-Betrieb und eine Kooperation zwischen entfernten Endgeräten und der Netzwerkinfrastruktur erfordern. (Nachfolgend beschreibt der Begriff „Endgerät" eine mobile Einheit innerhalb eines Kommunikationsnetzwerks, wie bspw. ein tragbares Telefon bzw. Handy.)
WO 98/25157 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, um einen abgeschätzten Doppler für ein Satellitenpositionsbestimmungssystem (SPS) Empfänger abzuleiten aus einem abgeschätzten Ort, der von einer Informationsquelle eines zellularen Kommunikationssystem erhalten wird. Ein abgeschätzter Ort des SPS-Empfängers wird von der Informationsquelle erhalten und dieser abgeschätzte Ort wird benutzt, um angenäherte Doppler zu einer Vielzahl von SPS-Satelliten zu einem vorgegebenen Zeitpunkt zu bestimmen. Diese angenäherten Doppler werden dann eingesetzt, um die Verarbeitungszeit entweder beim Bestimmen von Pseudoentfernungen zu den SPS-Satelliten oder zum Erfassen von Signalen von den SPS-Satelliten zu reduzieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist auf ein umfassendes Verfahren zur Benutzung eines Kommunikationsnetzwerks gerichtet (in diesem bestimmten Design ist es ein GEM (geomobiles) Satellitenkommunikationsnetzwerksystem), um einen globalen Positionsbestimmungssystem (GPS) Empfänger (wie bspw. einer, der in einem mobilen Benutzerendgerät enthalten ist) zu initialisieren, um es dem GPS-Empfänger zu ermöglichen, sehr schnell GPS-Satellitensignale zu erfassen und eine Positionsbestimmungsberechnung auszuführen. Durch systematisches Speisen des GPS-Empfängers mit Schlüsselinformationsteilen, wie bspw. GPS-Satellitenlaufbahnen, Zeitschätzungen, Positionsschätzungen und zusätzliche Positionsreferenzen, kann die Zeit zur ersten Ortsbestimmung (TTFF; Time To First Fix) des GPS-Empfängers deutlich reduziert werden. Ein neuer Gesichtspunkt der Erfindung liegt in der Reihe von Aktionen, die von dem GEM-System zur Bestimmung und zur Bereitstellung von Information für den GPS-Empfänger durchgeführt werden, die ansonsten nicht verfügbar waren.
Die vorliegende Erfindung ist für ein geo-mobiles (GEM) Satellitentelefonnetzwerk nützlich, bei dem jedes und alle Endgeräte zu jedem Zeitpunkt durch ein allgemeines Rundsenden des GEM-Satelliten initialisiert werden können, kann aber bei einer breiten Klasse von Kommunikationsnetzwerken angewendet werden. Ein Netzwerk kann erfordern, dass ein Endgerät (bspw. ein drahtloses Telefon) seine Position bestimmt und berichtet, bevor es einen Ruf zu dem Netzwerk absetzt. Aus diesem Grund wird von jedem Endgerät die Fähigkeit gefordert, dass es schnell eine GPS-basierte Positionsbestimmung ausführen kann. Diese Erfindung liefert die Fähigkeit, automatisch und gleichzeitig alle Endgeräte mit der Information zu initialisieren, die benötigt wird, um minimale GPS-Erfassungszeiten zu erhalten.
Es wurde festgestellt, dass minimale Positionserfassungszeiten erreichbar sind, wenn die folgenden fünf Informationen für ein Endgerät verfügbar sind, und damit für den integrierten GPS-Empfänger:

1. Satellitenparameter, die die Umlaufbahn-Laufbahnen (bzw. -Flugbahnen) aller GPS-Satelliten beschreiben, die für das Endgerät sichtbar sind, die von dem Endgerät verwendet werden, um die Satellitenpositionen zu einem gegebenen Zeitpunkt zu berechnen (ein kritischer Schritt bei der Berechnung der eigenen Position des Empfängers);
2. GPS-Zeitabschätzung, die innerhalb weniger Millisekunden liegt;
3. eine grobe Positionsabschätzung, die innerhalb weniger hundert Kilometer liegt;
4. ein GPS-Almanach; und
5. zusätzliche Positionsreferenzen.

Dem Fachmann ist klar, dass das Bereitstellen der Umlaufbahn-Laufbahnen aller GPS-Satelliten, die für das Endgerät sichtbar sind, optimal ist. Allerdings beabsichtigt die Erfindung, die Umlaufbahn-Laufbahnen von weniger als allen sichtbaren GPS-Satelliten ebenfalls zu verwenden.
Das erfindungsgemäße System erfasst kontinuierlich und liefert alle fünf vorher erwähnten Informationen an alle Endgeräte im Abdeckungsgebiet bzw. Ausleuchtungsgebiet, so dass jedes Endgerät zu jedem Zeitpunkt in der Lage ist, eine schnelle Positionsbestimmung auszuführen.
Das GEM-System ist bspw. ausgelegt, um diese Schlüsselinformationen bereitzustellen wie folgt:

1. GPS-Satellitenlaufbahnen: Jede Bodenstation unterstützt einen fortwährend aktiven GPS-Empfänger, der alle sichtbaren GPS-Satelliten verfolgt, und speichert Satellitenparameter, die präzise deren Umlaufbahnen für alle beschreiben. Die Bodenstation sagt vorher, welche GPS-Satelliten in einem bestimmten Servicegebiet (Punktstrahl) sichtbar sind, und der GEM-Satellit sendet die lokalen Laufbahnkoeffizienten rund, (die von der Bodenstation berechnet wurden) für jene GPS-Satelliten über jeden Punktstrahl.
2. GPS-Zeit: Die Bodenstation wird auf GPS-Zeit synchronisiert über den aktiven GPS-Empfänger der Bodenstation. GPS-Zeit, die auf die Laufzeitverzögerung innerhalb weniger Millisekunden eingestellt ist, wird mit der Satelliteninformation rundgesendet.
3. Grobe Positionsabschätzung: Das Endgerät misst die relative Signalstärken der Rundsendekanäle in benachbarten Punktstrahlen. Basierend auf diesen Messungen wird eine Positionsabschätzung, die typischerweise auf etwa 100 km genau ist, berechnet werden, obgleich die Positionsabschätzungsgenauigkeit bis zu 1000 km akzeptabel wäre.
4. Ein GPS-Almanach wird von der Bodenstation heruntergeladen und in das Abdeckungsgebiet erneut rundgesendet.
5. Bei einer weiteren Netzwerkinitialisierung kann eine GPS-Erfassung auch in Situationen möglich sein, in denen die Sichtbarkeit von GPS-Satelliten schlecht ist. Eine extrem genaue Zeitreferenz (bspw. innerhalb von zwei Mikrosekunden genau) könnte die Anzahl der erforderlichen GPS-Satellitensignalerfassungen von vier auf drei reduzieren, vorausgesetzt, dass eine gewisse Verschlechterung der Bestimmungsgenauigkeit akzeptabel ist. Falls das Kommunikationsnetzwerk präzise Positionsinformation bereitstellen kann (wie bspw. Höhe und/oder Entfernung von einer bekannten Referenz), kann die Anzahl der benötigten GPS-Satelliten weiter reduziert werden.

Entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, um einen GPS-Empfänger zu initialisieren, um schnell GPS- Satellitensignale zu erfassen, um eine präzise Abschätzung der Position des GPS-Empfängers vorzunehmen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Rundsenden eines Signals, das die Umlaufbahn-Laufbahnen von einem oder mehreren GPS-Satelliten innerhalb des Sichtfelds des GPS-Empfängers darstellt; Rundsenden eines Zeitsynchronisationssignals; Rundsenden einer Höhenschätzung des entfernten GPS-Empfängers; erneutes Rundsenden eines aktuellen GPS-Almanachs; Berechnen einer groben Schätzung der Position des GPS-Empfängers und Senden dieser Schätzung an den GPS-Empfänger; und Einbringen des Signals, das die Flugbahnen in der Umlaufbahn, das Zeitsynchronisationssignal, die aktuellen GPS-Almanachdaten und die grobe Schätzung der Höhe und der Position des GPS-Empfängers darstellt, in den GPS-Empfänger.
Vorzugsweise ist das Zeitsynchronisationssignal innerhalb von etwa fünf Millisekunden genau und die grobe Abschätzung der Position des GPS-Empfängers ist innerhalb etwa 1000 km genau.
Vorzugsweise wird das Umlaufbahn-Laufbahnensignal über einen Satelliten rundgesendet, indem ein freier Kommunikationskanal benutzt wird. Ebenfalls bevorzugt wird das Zeitsynchronisationssignal über einen Satelliten rundgesendet, indem ein freier Kommunikationskanal benutzt wird.
Es ist offensichtlich wünschenswert, ein Zeitsynchronisationssignal zu haben, das extrem genau ist (bspw. innerhalb einiger weniger Mikrosekunden). Derartige Genauigkeitswerte sind aber im Allgemeinen nicht machbar.
Ein Kommunikationsnetzwerk umfasst zumindest eine Kommunikationsstation, eine Vielzahl von GPS-Satelliten und ein Endgerät. Die Kommunikationsstation hat die Fähigkeit, Kommunikationssignale zu senden, GPS-Satellitenlaufbahnsignale, einen aktuellen GPS-Almanach, grobe Abschätzungen der Höhe und der Position des Endgeräts und Zeitsynchronisationssignale an das Endgerät. Das Endgerät umfasst eine Vorrichtung zum Empfangen der Kommunikationssignale und einen aktuellen GPS-Almanach von der Kommunikationsstation, eine Vorrichtung zum Senden von Kommunikationssignalen zu der Kommunikationsstation, eine Vorrichtung zum Empfangen von GPS-Signalen von den GPS-Satelliten, eine Vorrichtung zum Empfang der GPS-Satellitenlaufbahnsignale, der Zeitsynchronisation und der groben Höhen- und Positionsabschätzungen des Endgeräts, und ein Vorrichtung zum Verarbeiten der GPS-Satellitenlaufbahnsignale, der groben Höhen- und Positionsabschätzungen des Endgeräts, der aktuellen GPS-Almanachdaten und der Zeitsynchronisationssignale, um die Position des Endgeräts schnell zu bestimmen.
Entsprechend einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Endgerät zur Verwendung in einem Kommunikationsnetzwerk vorgesehen. Das Kommunikationsnetzwerk umfasst zumindest eine Kommunikationsstation und eine Vielzahl von GPS-Satelliten. Die Kommunikationsstation umfasst eine Vorrichtung zum Senden von Kommunikationssignalen, GPS-Satellitenlaufbahnsignalen, groben Positions- und Höhenabschätzungen des Endgeräts, aktuelle GPS-Almanachdaten, und Zeitsynchronisationssignale an das Endgerät. Das Endgerät umfasst eine Vorrichtung zum Empfangen von Kommunikationssignalen von der Kommunikationsstation, GPS-Satellitenlaufbahnen, Zeitsynchronisation, groben Abschätzungen der Position und der Höhe des Endgeräts und einem aktuellen GPS-Almanach, eine Vorrichtung zum Senden von Kommunikationssignalen zu der Kommunikationsstation, eine Vorrichtung zum Empfangen von GPS-Signalen von den GPS-Satelliten, und eine Vorrichtung zum Verarbeiten der GPS-Satellitenlaufbahnsignale, der GPS-Empfängerhöhenabschätzungssignale, der Zeitsynchronisationssignale, und der aktuellen GPS-Almanachdaten, um die Position des Endgeräts schnell zu bestimmen.
Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Gatewaystation zur Verwendung in einem Kommunikationsnetzwerk vorgesehen. Das Kommunikationsnetzwerk umfasst zumindest ein Endgerät, einen Kommunikationssatelliten und eine Vielzahl von GPS-Satelliten. Die Gatewaystation umfasst einen GPS-Empfänger, der kontinuierlich verfolgt, eine Vorrichtung zum Berechnen der GPS-Satellitenlaufbahndaten für die GPS-Satelliten, die für jedes Endgerät sichtbar sind, eine Vorrichtung zum Berechnen einer groben Positions- und Höhenabschät zung für jedes Endgerät, und eine Vorrichtung zum Senden von Signalen, die GPS-Satellitenlaufbahndaten, die aktuellen GPS-Almanachdaten, Zeitsynchronisationssignale und Signale darstellen, die grobe Positions- und Höhenabschätzungen jedes Endgeräts repräsentieren.
Die Erfindung, die hier offenbart ist, hat den klaren Vorteil, dass die Endgeräte voll funktionsfähige GPS-Empfänger in sich tragen. Die Erfindung wirkt als ein Zusatz, um den GPS-Empfängerbetrieb stark zu beschleunigen, ihn aber nicht zu ersetzen. Somit besitzt jedes Endgerät eine volle GPS-Funktionalität, selbst wenn das Kommunikationsnetzwerk nicht verfügbar ist. Zusätzlich wird der Hand-shake-Betrieb, der zum Berechnen einer Endgeräteposition erforderlich ist, auf ein allgemeines Einwegerundsenden von dem Kommunikationsnetzwerk zu den Endgeräten reduziert. Alle Endgeräte in einem gegebenen geografischen Cluster von bis zu wenigen hundert Kilometern empfangen die gleiche Information und führen die beschleunigten GPS-Erfassungen durch. Keine Information wird benötigt, um sie von dem Endgerät zu dem Netzwerk zu senden. Die Position, wenn sie berechnet ist, ist zur schnellen Darstellung für den Benutzer des Endgeräts verfügbar und kann zu dem Netzwerk gesendet werden, falls dies gewünscht ist.
Durch Verwendung der Erfindung wird das GEM-System automatisch dem GPS-Empfänger genug Information liefern, um den Start zu optimieren, unabhängig davon, was im Speicher vorhanden ist, ohne eine laufende Uhr und ohne Benutzereingriff. Das Ergebnis ist eine konsistentere und viel schnellere Anfangspositionsbestimmung, die typischerweise nur einige wenige Sekunden benötigt.
Die Erfindung verbessert die Kundenzufriedenheit und führt zu Energieeinsparungen im Endgerät, was insbesondere dann wichtig ist, wenn das Endgerät ein tragbares Handgerät ist mit einer begrenzten Batterieladung. Es ist ferner insbesondere wirksam, wann immer ein Benutzer versucht, einen Telefonanruf in ein Netzwerk abzusetzen, das eine GPS-Positionsbestimmung benötigt, bevor der Anruf zugelassen wird. Die GPS-Positionsbestimmungsfunktionalität, die einen Anrufaufbau für ein bis drei Minuten verzögert, würde eine verheerende Auswirkung auf die Produktqualität haben. Durch Verwendung der vorliegenden Erfindung sollte der GPS-Vorgang die Registrierung oder den Rufaufbau nicht mehr als einige wenige Sekunden verzögern. Der zweite Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass wenn eine GPS-Position erhalten ist, der GPS-Empfänger ausgeschaltet werden kann. Ein GPS-Empfänger kann bis zu 0,5 Watt verbrauchen, wenn er eingeschaltet ist, und die Verwendung der Erfindung würde diesen Betrag der Einschaltzeit stark reduzieren und folglich Energie einsparen.
Die Erfindung selbst zusammen mit weiteren Aufgaben und zugehörigen Vorteilen wird am Besten durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen verstanden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Darstellung eines Satellitenkommunikationsnetzwerks gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung eines Ausleuchtungsmusters von überlappenden Punktstrahlen, die auf die Erde projiziert werden, von einem Kommunikationssatelliten entsprechend der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Darstellung der sichtbaren Höhen (Elevation) eines GPS-Satelliten, der Teil des Satellitenkommunikationsnetzwerks von 1 bildet;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren darstellt, um entsprechend der vorliegenden Erfindung einen GPS-Empfänger für eine schnelle Positionsbestimmung zu initialisieren;
5 ist eine schematische Darstellung eines Satelliten und Punktstrahlen, die von dem Satelliten ausgehen, wobei der sich vergrößernde Durchmesser der Projektion jedes Punktstrahls auf der Erde als Funktion der Länge dargestellt wird;
6 ist eine schematische Darstellung eines Satelliten und der Punktstrahlen, die von dem Satelliten ausgehen, wobei eine zweidimensionale Ebene gezeigt wird, auf die die Punktstrahlen abgebildet werden für eine Koordinatentransformationsprozedur, um in einem ersten Verfahren zur Bestimmung einer Benutzerendgerätpositionsabschätzung basierend auf relativen Leistungsmessungen benutzt zu werden;
7 ist eine schematische Darstellung eines Satelliten und eines Punktstrahls, der vom Satelliten ausgeht, wobei die Entfernungen und Winkel gezeigt sind, die in dem ersten Verfahren zur Bestimmung der Benutzerendgerätepositionsabschätzung verwendet werden, basierend auf den relativen Leistungsmessungen;
8 ist eine schematische Darstellung der drei benachbarten Punktstrahlen, wobei eine Suchprozedur gezeigt wird, durch die Linien gleicher relativer Leistung benutzt werden, um den Endgeräteort abzuschätzen, indem das erste Verfahren zur Bestimmung der Benutzerendgerätepositionsabschätzung basierend auf relativen Leistungsmessungen verwendet wird;
9 ist eine schematische Darstellung dreier benachbarter Punktstrahlen, wobei die Entfernungen und Winkel gezeigt sind, die für das erste Verfahren zur Bestimmung der Benutzerendgerätepositionsabschätzung basierend auf relativen Leistungsmessungen benutzt werden;
10 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrens zur Abschätzung der Benutzerendgeräteposition basierend auf relativen Leistungsmessungen, indem ein Satz von Punkten konstanter relativer Leistung gleich der relati ven Leistung gefunden werden, die von drei stärksten benachbarten Punktstrahlen gemessen werden;
11 ist eine schematische Darstellung, die Winkel zeigt, die bei der Strahltransformation von der Erde in die zweidimensionale Ebene verwendet werden; und
12 ist eine schematische Darstellung, die Winkel zeigt, die zum Entkrümmen der Oberfläche der Erde verwendet werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit einer aktuellen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem GEM-Satellitenkommunikationsnetzwerksystem beschrieben. Die Erfindung ist jedoch bei jedem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk einsetzbar.
Für jeden Gesichtpunkt dieser Erfindung, die nachfolgend beschrieben wird, wird das allgemeine Verfahren erläutert, das auf eine breite Klasse von Kommunikationsnetzwerken angewendet werden könnte, sowie spezifische Verfahren, die zur Verwendung in dem GEM-System entworfen sind.
Wie in 1 gezeigt umfasst ein Satellitennetzwerk 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung einen geo-mobilen (GEM) Satelliten 12, eine Vielzahl von GPS-Satelliten 14, ein Gateway 16 und eine Vielzahl von Endgeräten 18. Jedes Endgerät 18 umfasst einen GPS-Empfänger 19.
Beim Einschalten (Block 54 in 4) empfängt jedes Endgerät 18 sofort Positionsdaten von sichtbaren GPS-Satelliten 14, ein Zeitsignal, und führt eine grobe Positionsschätzung des GPS-Empfängers 19 aus, wie in Block 56 in 4 gezeigt. Die grobe Positionsschätzung könnte bspw. einfach auf dem Wissen basieren, innerhalb welchem Punktstrahl 22 sich der GPS-Empfänger 19 befindet. (In einer terrestrischen zellularen Anwendung sind die Zellen typischerweise nur einige wenige Meilen groß und entsprechend könnte die grobe Positionsabschätzung auf Wissen basieren, in welcher Zelle sich der GPS-Empfänger 19 befindet.) Der GPS-Empfänger 19 in dem Endgerät 18 wird initialisiert und erlaubt, eine präzise Positionsberechnung (Block 58 in 4) auszuführen. Das Endgerät 18 empfängt die berechnete Position (Block 59 in 4) und sendet die berechnete Position an den GEM-Satelliten 12 (Block 60 in 4).
Bereitstellen von GPS-Satellitenlaufbahnen:
Allgemeiner Fall
Das Netzwerk 10 betreibt zumindest einen kontinuierlich erfassenden GPS-Empfänger 20, der sich im Gateway 16 befindet, der GPS-Satellitenparameter runterlädt und speichert, wie bspw. Ephemeris, ionosphärische Korrektur, Zeitkorrektur, etc., wie in Navstar's ICD-GPS-200 definiert, von jedem GPS-Satelliten 14, der in Sicht ist, wie in Block 40 in 4 dargestellt. GPS-Satellitenumlaufbahnen betragen etwa 12 Stunden. Während ein GPS-Satellit 14 außerhalb der Sicht ist, werden die zuletzt verfügbaren Parameter gespeichert und für deren Gültigkeitsdauer benutzt, wie in Blöcken 42 und 44 von 4 dargestellt. Oder eine Extrapolation kann verwendet werden, oder mehrere kontinuierlich erfassende GPS-Empfänger 20 können über das gesamte Abdeckungsgebiet verteilt sein und können vernetzt sein, um kurze Perioden zwischen dem Auslaufen einer Gültigkeitsperiode der GPS-Satelliten gespeicherten Daten und dem Wiedersichtbarwerden dieses GPS-Satelliten zu überbrücken.
Jedes Gateway 16 erhält gültige Parameter für so viele GPS-Satelliten 14 wie möglich, die in dem Gebiet für das Gateway 16 sichtbar sind. Wenn ein Endgerät 18 eine Positionsbestimmung ausführen muss, empfängt es ein Signal, das vom Netzwerk 10 rundgesendet wird, das überträgt, welcher GPS-Satellit 14 in Sicht des Endge räts 18 sein soll, basierend auf einer groben Positionsschätzung, und sendet dem Endgerät 18 gültige Parameter (entweder die gespeicherten Parameter oder die lokalen Laufbahnkoeffizienten, die von den gespeicherten Parametern abgeleitet werden) für diese GPS-Satelliten 14. Auf diese Weise empfängt das Endgerät 18 die notwendige GPS-Information sehr viel schneller als es die gleiche Information direkt von den GPS-Satelliten 14 empfangen und verarbeiten könnte, was in einem normalen GPS-Empfängerbetrieb geschehen würde.
GEM-System
Der GEM-Satellit 12 leuchtet das Abdeckungsgebiet auf der Oberfläche der Erde 21 mit einander überlappenden Punktstrahlen 22 aus, die etwa 200 km Radius besitzen, wie in 2 gezeigt. Die Satellitenlaufbahnkoeffizienten, die aus den GPS-Satellitenparametern berechnet werden, die von jedem Gateway 16 heruntergeladen und gespeichert werden, und die es einem Endgeräte-GPS-Empfänger ermöglichen, die GPS-Satellitenposition zu jedem Zeitpunkt innerhalb der nächsten paar Minuten genau zu berechnen, müssen separat über jeden Punktstrahl 22 für die GPS-Satelliten 14 gesendet werden, die innerhalb dieses Punktstrahls für die Empfänger 18 sichtbar sind.
Wie in 1 gezeigt, wird der kontinuierlich verfolgende GPS-Empfänger 20 an jeder Bodenstation (bspw. Gateway 16) betrieben. Von allen GPS-Satelliten 14, die für den Gateway-GPS-Empfänger 20 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt sichtbar sind, werden Parameter, wie bspw. Ephemeris, ionosphärische Korrektur, Zeitkorrektur, etc., wie in Navstar's ICD-GPS-200 definiert, heruntergeladen und zu jeder Möglichkeit abgespeichert. Wenn ein GPS-Satellit 14 das Sichtfeld des zentralen Gateways 16 verlässt, werden die zuletzt verfügbaren Parameter gespeichert und benutzt, bis die GPS-Satellitendaten zu alt werden oder der GPS-Satellit 14 zurück in das Sichtfeld kehrt (innerhalb einiger weniger Stunden).
Aus diesen Parametern, und wie in Block 46 von 4 angezeigt, werden die GPS-Satellitenpositionen jede Sekunde berechnet, wie in Navstar's ICD-GPS-200 beschrieben und in Tabelle 1, Tabelle 2 und Tabelle 3 angegeben. Eine vorhersagende Kurvenanpassung dritter Ordnung jenes Typs, der in den nachfolgenden Gleichungen gezeigt ist, wird für jede Satellitenlaufbahn berechnet basierend auf einer Lagrange Interpolation mehrerer berechneter Positionen, gespreizt über ein 10-Minuten-Intervall, startend mit der aktuellen Position zum Zeitpunkt t₀ und der Vorhersage zukünftiger Positionen.
Gleichung 1
Für bis zu zwölf GPS-Satelliten 14 in möglicher Sicht von jedem Bereich eines Punktstrahls 22 werden die Laufbahnkoeffizienten a_0-3, b_0-3, c_0-3, und t₀ wiederholt zu diesem Punktstrahl 22 rundgesendet.
Um zu bestimmen, welche GPS-Satelliten 14 in Sicht jedes Punktstrahls 22 sind, berechnet das Gateway 16 eine GPS-Satellitensichtbarkeitsliste für jeden Punktstrahl 22, basierend auf den Punktstrahlmittelpunktkoordinaten (x_r, y_r, z_r), und jede GPS-Satelliten 14 Position (x_k, y_k, z_k), alle fünf Minuten, wie in Block 48 in 4 dargestellt. Die berechneten Positionsdaten für sichtbare GPS-Satelliten 14 für jeden Punktstrahl 22 werden verarbeitet, um Laufbahndaten zu bilden, und werden dann an den GEM-Satelliten 12 gesendet, wie in Block 50 von 4 dargestellt. Der GEM-Satellit 12 überträgt kontinuierlich über jeden Punktstrahl 22 berechnete Laufbahndaten für sichtbare GPS-Satelliten 14, wie in Block 52 in 4 angegeben.

Jeder GPS-Satellit 14 mit einem Elevationswinkel von einem vorgegebenen Zentrum eines Punktstrahls 22 an der Oberfläche der Erde 21, der innerhalb der Antennenelevationsmaske des Endgeräts 18 ist, ist geeignet für die Sichtbarkeitsliste dieses Punktstrahls 22. Die Elevation bzw. Höhe eines GPS-Satelliten 14 bei (x_k, y_k, z_k) von einem Referenzpunkt (x_r, y_r, z_r) auf der Oberfläche der Erde 21 (in diesem Fall ein Punktstrahlmittelpunkt) ist in 3 dargestellt und wird berechnet, wie in Tabelle 4 gezeigt. Die Laufbahnkoeffizienten a_0-3, b_0-3 und c_0-3 für die GPS-Satelliten 14, die als sichtbar innerhalb eines vorgegebenen Punktstrahls 22 bestimmt wurden, werden innerhalb des Punktstrahls 22 wiederholt rundgesendet von dem GEM-Satelliten 12, um jedes Endgerät 18 innerhalb dieses Punktstrahls 22 zu initialisieren.

M₀	Mittlere Anomalie zur Referenz-Zeit
Δn	Mittlere Bewegungsdifferenz aus berechnetem Wert
E	Exzentrizität
A^1/2	Quadratwurzel der Halb-Haupt-Achse
Ω₀	Länge des aufsteigenden Knotens der Umlaufbahnebene in wöchentl. Folge
i₀	Inklinationswinkel zur Referenz-Zeit
ω	Erdnähe-Argument
Ω'	Rate des rechten Aufsteigens
I	Rate des Inklinationswinkels
^Cuc	Amplitude des harmonischen Cosinus Korrektur-Werts für den Breiten-Wert
C_us	Amplitude des harmonischen Sinus Korrektur-Werts für den Breiten-Wert
C_rc	Amplitude des harmonischen Cosinus Korrektur-Werts für den Umlaufbahn-Radius
C_rs	Amplitude des harmonischen Sinus Korrektur-Werts für den Umlaufbahn-Radius
C_ic	Amplitude des harmonischen Cosinus Korrektur-Werts für den Inklinationswinkel
C_is	Amplitude des harmonischen Sinus Korrektur-Werts für den Inklinationswinkel
t_oe	Referenz-Zeit-Ephemeris
IODE	Herausgabe der Daten (Ephemeris)

Tabelle 1: GPS-Satelliten-Ephemeris-Parameter

Tabelle 2: GPS-Satellitenpositionsberechnung, Teil I
Tabelle 3: GPS-Satellitenpositionsberechnung, Teil II
Tabelle 4: Berechnung der Satelliten-Elevation wie sie von einem Punkt auf der Erdoberfläche beobachtet wird
Das Ausführen der Berechnungen, wie sie in Tabellen 2–4 angegeben sind, erlaubt dem Netzwerk 10, auszuwählen, welche GPS-Satelliten 14 die Laufbahnen (sowie die Berechnung der Laufbahnen selbst) für jeden Punktstrahl 22 rundsenden. Jedes Endgerät 18 innerhalb eines Punktstrahls 22 kann all diese Information von den GPS-Satelliten 14 innerhalb der Sicht des Endgeräts 18 empfangen. Die Information muss wiederholt und schnell rundgesendet werden.
Das Endgerät 18 empfängt diese Information von dem GEM-Satelliten 12 und übersetzt bzw. verschiebt diese Information, um sie in Einklang zu bringen mit Eingangssignalen, die von dem GPS-Empfänger akzeptiert werden.
Der GPS-Empfänger 19 berechnet seine präzise Position basierend auf den empfangenen Satellitenlaufbahnen und den Signalen, die von einer Vielzahl von GPS-Satelliten empfangen werden. Diese GPS-Satellitensignale müssen bezüglich Synchronisierungsfehlern kompensiert werden (Takt-Offset, Relativität und Gruppenverzögerung), wie in Navstar's ICD-GPS-200 beschrieben.
Für jedes empfangene GPS-Satellitensignal muss ein „Code-Phase-Offset" zum Zeitpunkt t berechnet werden:
wobei
, Δt_r und T_gd alle aus dem GPS-Rundsendesignal, wie in Navstar's ICD-GPS-200 beschrieben verfügbar sind, und sich alle auf die Zeit T_0c beziehen, die ebenfalls rundgesendet wird.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Satellitenlaufbahnrundsendung für jeden GPS-Satelliten mit diesen Parametern ergänzt, um es dem GPS-Empfänger 19 zu ermöglichen, seine Position zu berechnen, ohne diese Parameter direkt von den GPS-Satelliten herunterzuladen. Ein Rundsenden für die Laufbahnen jedes Satelliten sind (für den gleichen Satelliten):

Δt_sv: berechnet für t₀, die gleiche Zeitdauer, für die die Laufbahnen berechnet würden.
: mit reduzierter Präzision aufgrund der Tatsache, dass das Rundsendesignal Δt_sν einen zeitvariierenden Wert gibt. Dann kann der GPS-Empfänger 19 sein empfangenes Δt_sν für die abgelaufene Zeit seit der ursprünglichen Berechnung von Δt_sν zum Zeitpunkt t₀ berechnen.
verursacht ebenfalls eine Zeitvariation, aber dessen Wirkung kann vernachlässigt werden und wird nicht rundgesendet.

Dann berechnet der GPS-Empfänger einen korrigierten Code-Phasen-Offset
wobei

t: = aktuelle Zeit
t₀: = Zeit, zu der Δt_sν (empfangen) berechnet wurde (gleiche Zeit, bei der die Laufbahn berechnet wurde)

Somit ist für jeden Satelliten in der Sichtbarkeitsliste die Laufbahninformationsgrundsendung in Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 5
Bereitstellen der Zeit:
Allgemeiner Fall
Der kontinuierlich verfolgende GPS-Empfänger 20 wird auf die GPS-Zeit synchronisiert. Das Netzwerk 10 synchronisiert jedes Endgerät 18 auf die GPS-Zeit, und die GPS-Empfänger 19 der Endgeräte können mit der genauen GPS-Zeit initialisiert werden. Die Genauigkeit der Zeitabschätzung der GPS-Empfänger kann durch Steuern der Synchronisationsungenauigkeit der Synchronisation zwischen dem Endgerät 18 und dem Netzwerk 10 gesteuert werden.
GEM-System

Die GPS-Zeit ist von den GPS-Empfängern 20 des Gateways 16 verfügbar. Jedes Gateway 16 rundsendet wiederholt die GPS-Zeit der Woche, referenziert auf die Rundsenderahmenstruktur selbst, über den GEM-Satelliten 12, in jedem Punktstrahl 22. Für jeden Punktstrahl 22 wird die Ankunftszeit des referenzierten Rahmens auf der Oberfläche der Erde geschätzt basierend auf der Ausbreitungsverzögerung bzw. Laufzeitverzögerung durch den GEM-Satelliten 12 und die Ausbreitungszeit von dem Satelliten zur Oberfläche der Erde 21. Die Verzögerung variiert über den Strahl, und Rundsenden wird so entworfen, dass der maximale Fehler minimiert wird (d.h., der Durchschnitt der maximalen und minimalen Verzögerungen wird angenommen). Das Rundsenden der Zeitnachricht zu jedem Punktstrahl 22 ist in Tabelle 6 gezeigt. Das Endgerät 18 wandelt die Zeitwerte in GPS-Zeit um (das alternative Format wird aus Bandbreiteneinspargründen rundgesendet), und sendet es weiter zu dem GPS-Empfänger 19 des Endgeräts. Tabelle 6: GPS-Zeitsynchronisationsnachricht

Feld	Beschreibung	Bits
Zeitstempel	Minimaxzeit, in GPS-Zeit der Woche, in Einheiten von 2^–20 Sek.	40
Rahmennummer	Die Nummer des GEM-Rahmens, auf den sich der Zeitstempel bezieht	19
Gesamt		59

Bereitstellen einer Positionsschätzung:
Allgemeiner Fall
Das Netzwerk 10 hat gewisse Hinweise auf den Ort eines Endgeräts 18. Beispielsweise ist es in einem zellularen Netzwerk bekannt, in welcher Zelle sich das Endgerät 18 befindet. Für eine bessere Schätzung kann das Endgerät 18 seine zuletzt bekannte GPS-Position speichern und den Zeitpunkt dieser Ortsbestimmung. Das Endgerät 18 macht eine intelligente Abschätzung seiner Position basierend auf: der Abschätzung des Netzwerks, der vorhergesagten Genauigkeit der Abschätzung des Netzwerks, der letzten bekannten Position, der verstrichenen Zeit seit der Positionsbestimmung, die vorhergesagte Wahrscheinlichkeit einer Bewegung seit seiner letzten Positionsbestimmung und der statistischen Erwartung der Position des Endgeräts 18.
GEM-System
Das Endgerät 18 schätzt seine Position ab, in dem relative Leistungsmessungen der Signale in drei von vier stärksten verfügbaren Punktstrahlen 22 verwendet werden. Das Benutzerendgerät erhält die Positionen des GEM-Satelliten 12 zuerst und den Mittelpunkten von jedem einer Gruppe von sieben bis zehn nächstliegenden Punktstrahlen 22 aus der Rundsendesysteminformation, die in den empfangenen GEM-Signalen enthalten sind. Mit dieser Information und der gemessenen relativen Stärke der Signale von den drei oder vier stärksten Punktstrahlen kann das Endgerät 18 dann seine Etwa-position berechnen. Die exakte Entfernung von dem Endgerät 18 zu dem GEM-Satelliten 12 kann am Gateway bestimmt werden, indem die 2-Wege-Signallaufzeit überwacht wird. Diese Entfernung kann dann verwendet werden, um die Benutzerendgerätepositionsgenauigkeit zu erhöhen.
Einer der beiden Verfahren zur Positionsbestimmungsabschätzung, die nachfolgend im Detail ausgeführt werden, können zur Ausführung der Positionsbestimmungsabschätzung verwendet werden, direkt basierend auf den relativen Leistungsmessungen der Signale der drei oder vier stärksten Punktstrahlen 22.
POSITIONSBESTIMMUNGSVERFAHREN BASIEREND AUF RELATIVEN LEISTUNGSMESSUNGEN
Jeder Punktstrahl 22 in einem GEM-System hat die Form eines Kegels, der von dem GEM-Satelliten 12 ausgeht. Die Projektion dieses Kegels auf die Oberfläche der Erde 21 bildet das Gebiet, das vom Punktstrahl 22 bedient wird. Aus der Satellitenperspektive sind alle Punktstrahlen 22 etwa 0,695° im Durchmesser, d.h. etwa 0,695° entfernt, falls der GEM-Satellit 12 in einer Null-Inklinationsumlaufbahn ist. Da sich der GEM-Satellit 12 von etwa 6° und –6° Breite über den Tag aufgrund der geneigten Umlaufbahn bewegt, wird sich die Strahlbreite aus der Satellitenperspektive verändern, um eine konstante Strahl-„Ausleuchtung” am Boden zu erhalten. Aufgrund der Krümmung der Erde 21 haben Punktstrahlen auf der Erde Durchmesser, die sich als Funktion des Abstands von dem Subsatellitenpunkt erhöhen. Die Punktstrahldurchmesser können zwischen 450 km zu mehr als 1200 km an dem entferntesten Rand der Abdeckung auf der Erde 21 variieren. Dies ist in 5 gezeigt.
Die Punktstrahlen 22 auf der Erde 21, die auf eine Ebene rechtwinklig zu dem Satellitenradius projiziert sind, sind alle im Wesentlichen äquivalent unabhängig von der Neigung der Umlaufbahn, wie in 2 gezeigt.
In dem GEM-System ist der GEM-Satellit 21 in einer nominalen geostationären Umlaufbahn und erscheint folglich nahezu stationär relativ zu der Erde 21 im Vergleich zu einem unteren Erdumlaufbahnsystem. Tatsächlich bewegt sich der GEM-Satellit 12 in dem GEM-System zwischen etwa –6 und 6° Breite über den Tag aufgrund der geneigten Umlaufbahn. Der GEM-Satellit 12 ist etwa 35787 km entfernt von der Oberfläche der Erde 21 platziert. Bei dieser Höhe ist es zulässig, eine kugelförmige Erde mit einem Radius von 6378 km anzunehmen und die Höhe des Endgeräts 18 auf der Erde 21 zu ignorieren. Zwei mögliche Verfahren werden vorgeschlagen, um die Position des Benutzerendgeräts zu bestimmen.
POSITIONSABSCHÄTZUNGSVERFAHREN #1
Der Positionsabschätzalgorithmus benutzt die relativen BCCH (Broadcast Control Channel) Leistungsmessungen der drei Punktstrahlen 22 gleichzeitig. Er berechnet etwa Positionen für einen der zwölf Kombinationen der drei Punktstrahlen 22 abhängig von der Anzahl der Nachbarn in dem Cluster. Es mittelt diese Etwa-Positionen, um endgültige gemittelte Etwa-Position zu erhalten. Es ist das bevorzugte Verfahren, da der Algorithmus die Endgeräteposition sehr schnell schätzt.
Um das Positionserfassungsproblem zu erleichtern, werden zuerst zwei Transformationen ausgeführt, um die drei Punktstrahlen 22 auf der Erde 21 auf eine zweidimensionale Ebene 100 abzubilden, die rechtwinklig zu dem Satellitenradius (x'-Achse) ist und um einen Subsatelliten 102 zentriert ist, wie in 6 gezeigt. Auf dieser neuen zweidimensionalen Ebene 100 haben die drei Punktstrahlen 22 in etwa äquivalente Abmessungen. Die erste Transformation dreht die Achse (x, y, z) um θ_sat und ψ_sat derart, dass die neue Achse (x', y', z') mit dem Satellitenradius ausgerichtet ist, der durch den Subsatellitenpunkt 102 läuft. Falls der GEM-Satellit 12 eine Nullneigungsumlaufbahn hat, ist θ_sat der Winkel zwischen der x-Achse und dem Satellitenradius x', der durch den Subsatellitenpunkt 102 läuft, und ψ_sat ist gleich 0. Danach werden nur noch die Koordinaten der Punktstrahlen 22 von Interesse herumbewegt, während die Achse bei (x', y', z') fest bleibt. Die zweite Transformation projiziert die drei Punktstrahlen 22 auf der Erde 21 in die zweidimensionale Ebene 100 zentriert um den Subsatellitenpunkt 102.
Um das Problem weiter zu vereinfachen werden zwei zusätzliche Transformationen ausgeführt. Das Cluster der drei Punktstrahlen 22 wird zuerst in die zweidimensionale Ebene 100 verschoben, derart, dass der ausgewählte Punktstrahl auf der Mitte der Ebene platziert ist. Die Ebene wird dann derart verschoben, dass die Mitte der zweidimensionalen Ebene 100, die dem Subsatellitenpunkt 102 entspricht, mit der Mitte der Erde 21 zusammenfällt. Mit diesen vier Transformationen wird die Anzahl der unbekannten um eins reduziert: y und z bleiben die Unbekannten und x entspricht nun 0 für alle drei Punktstrahlen 22. Der nachfolgende Algorithmus beschreibt die vier Schritte, die benötigt werden, um die drei Punktstrahlen 22 auf diese zweidimensionale Ebene abzubilden. Als eine allgemeine Regel für die Gleichungen und Figuren für den Rest dieses Abschnitts sind (x, y, z), (x', y', z') etc. ohne Indexe Achsen, während (x₁, y₁, z₁), (x_i', y_i', z_i') etc. Punktstrahlkoordinaten sind.

1) Drehen der Achse (x, y, z) um θ_sat und ψ_sat, derart, dass der Satellitenradius (x'-Achse) mit der x-Achse in 6 ausgerichtet ist. Die Koordinaten der drei Punktstrahlen, (i = 1, 2, 3) Mittelpunkte und des GEM-Satelliten 12 werden: xi' = (xicos(θsat) + yisin(θsat))cos(ψsat) + zisin(ψsat); yi' = yicos(θsat) – xisin(θsat); zi' = zicos(ψsat) – (xicos(θsat) + yisin(θsat))sin(ψsat). x'sat = (xsatcos(θsat) + ysatsin(θsat))cos(ψsat) + zsatsin(ψsat); y'sat = ysatcos(θsat) – xsatsin(θsat); z'sat = zsatcos(ψsat) – (xsatcos(θsat) + ysatsin(θsat))sin(ψsat). wobei
2) Finde den Ort des Mittelpunkts des Punktstrahls, (i = 1, 2, 3) auf der zweidimensionalen Ebene (der Satellit bewegt sich nicht während dieser Tranformation).
3) Verschiebe die x-Koordinate des Punktstrahls; (i = 1, 2, 3) Mittelpunkts und des GEM-Satelliten 12 um 6378 km derart, dass die zweidimensionale Ebene 100 nun auf die Mitte der Erde 21 zentriert ist, um die x-Komponente zu beseitigen:
a) Finde den Winkel zwischen dem GEM-Satelliten 12 und dem Mittelpunkt des Punktstrahls, (i = 1, 2, 3):
Prüfe, ob x_i oder y_i negativ sind. Falls ja ist ϕ_sat = –ϕ_sat;
b) Finde den Ort des Mittelpunkts des Punktstrahls, (i = 1, 2, 3) auf der zweidimensionalen Ebene 100. Verschiebe dann die x-Koordinate des Punktstrahls; (i = 1, 2, 3) Mittelpunkts und des GEM-Satelliten 12 um 6378 km; x''i = 0; x''sat = x'sat – R;
wobei R = 6378 km; H = 35787 km; ϕ_sati, λ_sati, d₁ und d₂ in 7 dargestellt sind.
4) Verschiebe die Koordinaten des Punktstrahls, (i = 1, 2, 3) Mittelpunkts und des GEM-Satelliten 12 so, dass der Mittelpunkt der zweidimensionalen Ebene 100 übereinstimmt mit dem Mittelpunkt des ausgewählten Punktstrahls (y₁, z₁): y'''i = y''i – y''1 ; z'''i = z''i – z''1 ; x'''sat = x''sat ; y'''sat = y''sat – y''1 ; z'''sat = z''sat – z''1 .

Die 3-D-Positionserfassung wird nun auf ein 2-D-Problem mit zwei Unbekannten y''' und z''' reduziert. Auf dieser neuen Ebene kann das Endgerät 18 nun nach seiner Position effizient mit der geringsten Menge an Berechnung suchen. Das Endgerät 18 wird zuerst auf dieser Ebene suchen, wie in 8 gezeigt, entlang der Achse₂, wobei der Punktstrahl₁ und Punktstrahl₂ zu einem Punkt (y_u2, z_u2) vereint werden mit einer relativen Leistung gleich der relativen Leistung, die zwischen dem Punktstrahl₁ und dem Punktstrahl₂ während der Punktstrahlauswahl oder dem Neuselektionsalgorithmus gemessen wurde. Bei diesem Punkt (y_u2, z_u2) wird eine Linie rechtwinklig zu der Achse₂ gezeichnet. Das Endgerät 18 wird dann den gleichen Vorgang zwischen Punktstrahl₁ und Punktstrahl₃ wiederholen. Das Endgerät 18 wird entlang der Achse₃ suchen, und den Punktstrahl₁ und den Punktstrahl₃ zu einem Punkt (y_u3, z_u3) mit einer relativen Leistung zusammenlegen, die der relativen Leistung entspricht, die zwischen Punktstrahl₁ und Punktstrahl₃ während der Punktstrahlselektionsprozedur gemessen wurde. Wiederum wird an diesem zweiten Punkt (y_u3, z_u3) eine Linie rechtwinklig zu der Achse₃ gezeichnet werden. Der Schnittpunkt zwischen diesen beiden Linien wird eine Abschätzung der Position des Endgeräts 18 liefern.
Der nachfolgende Algorithmus sollte benutzt werden, um die Position des Endgeräts 18 zu bestimmen, sobald die vier Schritte, die zur Abbildung der drei Punktstrahlen 22 auf diese zweidimensionale Ebene erforderlich sind, ausgeführt wurden. Als eine Konvention bei diesem Algorithmus ist:

• Der ausgewählte Punktstrahl 22 wird als Punktstrahl₁ bezeichnet.
• Die Koordinaten des Mittelpunkts des Punktstrahls_i (i = 2, 3) werden als y_i''' und z_i''' bezeichnet.
• Die relative Leistung, die zwischen Punktstrahl₁ und Punktstrahl_i (i = 2, 3) durch die Punktstrahlauswahlprozedur gemessen wurde, wird als Max_i_Power_Level bezeichnet.
• Die relative Leistung, die zwischen Punktstrahl₁ und Punktstrahl_i (i = 2, 3) durch den Positionsbestimmungsalgorithmus berechnet wird, wird als Diff_Power_i bezeichnet.
• Die Koordinaten des Punkts entlang der Achse₂ mit einer relativen Leistung (Diff_Power₂) gleich der gemessenen relativen Leistung (Max₂_Power_Level) werden als y_u2 und z_u2 bezeichnet. In gleicher Weise werden die Koordinaten des Punkts entlang der Achse₃ mit relativer Leistung (Diff_Power₃) gleich der gemessenen relativen Leistung (Max₃_Power_Level) mit y_u3 und z_u3 bezeichnet.
• Der minimale Leistungspegel, der für die erste Abschätzung des Orts des Endgeräts 18 innerhalb des ausgewählten Punktstrahls benutzt wird, kann variieren abhängig von der geneigten Umlaufbahn des Satelliten. Die Mittelpunktpositionen verändern sich nicht auf der Erde. Die Satellitenbandbreite wird modifiziert, um die Strahlmittelpunktspositionen auf der Erde zu fixieren. Folglich ist der Winkel zwischen dem Mittelpunkt eines Strahls und dem Rand des gleichen Strahls nicht fest sondern hängt ab von der Satellitenposition. Um den Minimum_Power_Level₂ und den Minimum_Power_Level₃ zu berechnen, müssen wir zuerst den Winkel zwischen Strahl₁ und Strahl₂ bzw. dem Strahl₁ und dem Strahl₃ berechnen. Sobald wir diese Winkel haben, können wir über die Antennenmusterannäherungsgleichung die Leistungen bei diesen Winkeln berechnen.

Der Algorithmus soll zweimal für i = 2 und i = 3 ausgeführt werden.
1) Initialisieren der unterschiedlichen Variablen
2) Ausführen der Positions-Bestimmung
Wobei ap = 4,5 m die Apertur des Satelliten ist, λ ≈ 0,2 m die Wellenlänge ist und H₁, H_i, H_fixed, Δ₁, Δ_i, Δφ_i, und Δφ_i grafisch in 9 dargestellt sind.
Sobald die Position des Endgeräts 18 auf der zweidimensionalen Ebene 100 bestimmt wurde, müssen die Koordinaten dieses Orts zurück auf die Fläche der Erde 21 abgebildet werden. Der nachfolgende Algorithmus beschreibt die drei Schritte, die erforderlich sind, um die Koordinaten der geschätzten Position des Endgeräts 18 auf die Oberfläche der Erde 21 zurückzubilden.

1) Verschiebe die Koordinaten derart, dass der ausgewählte Punktstrahl, Punktstrahl₁, der sich in der Mitte der zweidimensionalen Ebene 100 befindet, zurück zu seiner ursprünglichen Position auf der zweidimensionalen Ebene 100: x''new = x''1 + R; y''new = y'''new + y''1 ; z''new = z'''new + z''1 ;
2) Bilde die Koordinaten von der zweidimensionalen Ebene 100 zurück auf die Oberfläche der Erde 21:
wobei R = 6378 km und H = 35787 km sind.
3) Drehe die Koordinaten um θ_sat und ψ_sat, so dass der GEM-Satellit 12 auf seinen ursprünglichen Ort zurückgeführt wird: xnew = ((x'new cos(ψsat) – z'new sin(ψsat))cos(θsat)) – y'new sin(θsat); ynew = y'new cos(θsat) + ((x'new cos(ψsat) – z'new sin(ψsat))sin(θsat)); znew = z'new cos(ψsat) + x'new sin(ψsat). wobei

Die Koordinaten der geschätzten Position des Endgeräts 18 sind x_new, y_new und z_new für diese Kombination. Diese Schritte werden für eine der zwölf Kombinationen der drei Punktstrahlen wiederholt abhängig von der Anzahl der Nachbarn in dem Cluster. Die endgültige abgeschätzte Position des Endgeräts 18 ist der Durchschnitt aller geschätzten Positionen (x_new, y_new, z_new) für jede Kombination der drei Punktstrahlen.
POSITIONSSCHÄTZUNGSVERFAHREN #2
Das Benutzerendgerät 18 berechnet einen Satz von Punkten konstanter relativer Leistung gleich der relativen Leistung, die aus den drei stärksten Punktstrahlen gemessen wurden, ohne jedoch den ausgewählten Punktstrahl. Diese drei Sätze von Punkten bilden drei Kurven mit Schnittpunkten, wie in 10 dargestellt. Falls es keinen eingebrachten Fehler gibt, wird nur ein Punkt die drei Kurven gleichzeitig schneiden und löst die Benutzerendgerätpositionssuche. Allerdings wird ein gewisser Fehler vorhanden sein, wie bspw. Strahlausrichtungsfehler, Umlaufbahnneigungsabweichungen, Abschwächung und Schlitz-zu-Schlitz-Verstärkungsfluktuationen. Die drei nächstliegenden Schnittpunkte zwischen Kurve₂ und Kurve₃, Kurve₂ und Kurve₄ und Kurve₃ und Kurve₄ bilden einen Vertrauensbereich 104 um den exakten Benutzerendgeräteort.
Um das Problem der Positionserfassung zu erleichtern werden die drei stärksten Punktstrahlen, die sich auf der Oberfläche der Erde 21 befinden, gedreht und im Raum verschoben, um auf einer zweidimensionalen Ebene mit zwei Unbekannten y und z anstelle von drei anfänglichen Unbekannten x, y, z zu enden. Diese Transformationen werden die Form der Punktstrahlen nicht verändern. Folglich werden die Punktstrahlen nicht alle die gleiche Abmessung auf dieser zweidimensionalen Ebene haben. Das Cluster von Punktstrahlen wird drei Stufen der Transformation durchlaufen, um auf einer zweidimensionalen Ebene zu landen, die um den ausgewählten Punktsstrahl zentriert sind:

1) Die Punktstrahlen und die Satellitenkoordinaten werden zuerst um θ gedreht (siehe 11) derart, dass der Mittelpunkt des ausgewählten Punktstrahls mit der x-Achse ausgerichtet ist: x' = x·cosθ + y·sinθ; y' = y·cosθ – x·sinθ; z' = z;
2) Die Punktstrahlen und die Satellitenkoordinaten werden dann gedreht derart, dass der Mittelpunkt des ausgewählten Punktstrahls von der x-Achse geschnitten wird. x'' = x'·cosφ + z'·sinφ; y'' = y'; z'' = z'·cosφ – x'·sinφ
3) Die Punktstrahlen und die Satellitenkoordinaten werden dann um (x₁, y₁, z₁) verschoben, derart, dass der Ort des ausgewählten Punktstrahlmittelpunkts (x₁, y₁, z₁) (0, 0, 0) wird. x''' = x'' – x''1 ; y''' = y'' – y''1 ;
4) Schließlich wird das Cluster, das auf der Oberfläche der Erde liegt, entkrümmt, um auf einer zweidimensionalen Ebene zu liegen. Diese Transformation wird die x-Komponente der Koordinaten des Mittelpunkts des Punktstrahls_i (i = 2, 3, 4) entfernen. Um die ursprünglichen Abmessungen des Systems soweit wie möglich zu erhalten derart, dass die Entfernung zwischen dem Satelliten und dem Mittelpunkt des Punktstrahls; konstant bleibt, werde ich den Satelliten mit jedem Punktstrahl bewegen. Die y- und z-Koordinaten der Punktstrahlen und der Satellit werden nicht von diesen Transformationen beeinflusst.
wobei R = 6378 km und r_i und ω_i in 12 gezeigt sind.

Durch Ausführen dieser Transformationen wird das Problem der Positionssuche reduziert von einem dreidimensionalen Problem auf ein zweidimensionales Problem, wobei y und z die Unbekannten sind. Sobald diese Transformation abgeschlossen ist, wird das Benutzerendgerät 18 zuerst die Grenzen des Gebiets identifizieren, wo es nach seinem Ort suchen soll, um den Umfang der Berechnungen weiter zu reduzieren. Das Benutzerendgerät 18 kann dann das Abtasten dieses Gebiets starten. Für jede mögliche y- und z-Kombination innerhalb dieses Gebiets berechnet das Benutzerendgerät 18 die relative Leistung aus den drei stärksten Punktstrahlen ohne den ausgewählten Punktstrahl. Falls an einem bestimmten Ort y und z jede relative Leistung jeder entsprechenden relativen Leistung entspricht, die von dem Benutzerendgerät gemessen wurde, ist eine Positionsabschätzung gefunden. Die relative Leistung zwischen dem Punktstrahl₁ und dem Punktstrahl₂, dem Punktstrahl₃ und dem Punkstrahl₄ wird für eine bestimmte Benutzerendgeräteposition (y_u, z_u) wie folgt berechnet:
wobei H₁, H_i, H_fixed, Δ₁, Δ_i, Δφ₁ und Δφ_i grafisch in 9 dargestellt sind.
Falls die Diff_Power_i gleich ist zu der relativen Leistung, die zwischen Punktstrahl₁ und Punktstrahl, gemessen wurde, wird dieser Punkt festgehalten und wird einer der Punkte, die die Kurve₁ bilden. Sobald das gesamte Gebiet gescannt wurde, werden drei Kurven erhalten. Der Schnittpunkt dieser drei Kurven wird die Position des Benutzerendgeräts abschätzen, wie in 10 dargestellt.
Die Signalleistungsmessungen werden von den Endgeräten 18 nach Erhalt einer GPS-Ortsbestimmung berichtet, und die Signale werden wiederum von dem Netzwerk kalibriert. Somit werden die Signale ausgeglichen gehalten, verbesserte Genauigkeit wird bei der leistungsmessungsbasierten Positionsabschätzung erreicht.
Falls eine bessere Genauigkeit noch gefordert ist, kann das Endgerät 18 das Wissen der zuletzt bekannten Position mit einführen, die Zeit, die seit der Positionsbestimmung verstrichen ist, die vorhergesagte Wahrscheinlichkeit der Bewegung seit der letzten Positionsbestimmung und die statistische Erwartung der Position des Endgeräts 18 in diese Positionsabschätzung.
Im Falle, dass eine GPS-Positionsbestimmung nicht verfügbar ist (aufgrund von Strahlabdeckungen, etc.) wird diese Positionsabschätzung basierend auf den Signalstärken anstelle einer GPS-Positionsbestimmung verwendet.
Die Positionsabschätzung wird in Breiten-/Längenkoordinaten von dem Endgerät 18 umgewandelt und dem Endgeräte-GPS-Empfänger 19 zugeführt.
Bereitstellen zusätzlicher Initialisierungsinformation:
Allgemeiner Fall
Ein typischer GPS-Empfänger berechnet seine Position basierend auf der Kenntnis von vier GPS-Satellitenpositionen und seiner Entfernung von jedem Satelliten. Vier GPS-Satelliten werden benötigt aufgrund der Notwendigkeit, vier Unbekannte aus vier Gleichungen zu bestimmen: Position in jeder der drei Dimensionen und die exakte Zeit.
Die Verfügbarkeit einer extrem genauen Zeitreferenz (d.h. genau innerhalb von etwa zwei Mikrosekunden) würde die Anzahl von Unbekannten in den Gleichungen reduzieren und würde die benötigte Anzahl von GPS-Satellitenerfassungen reduzieren, die für eine Positionsbestimmung notwendig sind, und zwar von vier auf drei, vorausgesetzt, dass eine gewisse Verschlechterung der Bestimmungsgenauigkeit tolerierbar ist.
Zusätzliche Positionsinformation über eine grobe Abschätzung hinaus kann die Anzahl der erforderlichen GPS-Signalerfassungen reduzieren. Das Kommunikationsnetzwerk 10 kann eine Datenbasis von Höheninformationen enthalten. Basierend auf der groben Positionsabschätzung, einer Höhen-Lookup-Tabelle und der Historie des Endgeräts kann eine Höhenabschätzung vorgenommen werden, die eine der Gleichungen substituieren könnte. Das Netzwerk könnte ebenfalls in der Lage sein, eine Entfernung zwischen dem Endgerät 18 und einer bekannten Referenz zu bestimmen, wie bspw. einem Satelliten oder einer bodengestützten Antenne. Eine solche Information kann die Anzahl der Satellitenerfassungen weiter reduzieren, die zur Berechnung einer Position notwendig sind.
Ein neues Rundsenden eines aktuellen GPS-Almanach mit einer hohen Datenrate (Block 39 in 4) würde ebenfalls die GPS-Erfassungsleistung der Endgeräte 18 verbessern.
GEM-System
Das Netzwerk 10 sagt die Höhe eines Endgeräts 18 basierend auf der Geografie seines Punktstrahls 22, seiner groben Positionsabschätzung innerhalb des Punktstrahls 22, der Populationsverteilung innerhalb dieses Punktstrahls 22 der Orts-Historie des Endgeräts 18 vorher. Eine Höhenabschätzung reduziert die Anzahl von GPS-Satelliten 14, die für eine Positionsbestimmung benötigt werden, von vier auf drei.
Ebenfalls kann das Netzwerk 10 eine präzise GPS-Zeit bestimmen, und den Abstand von einem Endgerät 18 zu dem GEM-Satelliten 12, der eine genaue Position hat. Dies wird in der nachfolgenden Weise getan: Nachdem das Endgerät 18 seinen Punktstrahl 22 bestimmt hat nimmt es an, dass es sich in der Mitte dieses Punktstrahls 22 befindet und führt eine Zeitsynchronisation aus, indem ein Offset zu dem empfangenen GEM-Satellitensignalzeitstempel hinzuaddiert wird, basierend auf der Entfernung von dem GPS-Satelliten 14 zu dem Mittelpunkt des Punktstrahls 22 des Endgeräts. Das Gateway 16 überwacht die Übertragungen in beide Richtungen und berechnet eine Korrektur für die lokale Zeit des Endgeräts mit Bezug auf die reale GEM-Satellitenzeit. Das Gateway 16 sendet dann einen Zeitkorrektur-Offset an das Endgerät 18. Basierend auf dem Zeitkorrektur-Offset erreicht das Endgerät 18 eine sehr genaue (etwa 2 μs) Synchronisation mit der GPS-Zeit. Ebenfalls basierend auf dem Offset kann das Endgerät 18 dann seine exakte Entfernung von dem GEM-Satelliten 12 berechnen.
Mit dieser Erfindung können Zeit und Höhe mit ausreichender Genauigkeit abgeschätzt werden, um sie als bekannte Parameter zu behandeln, um zwei der vier Positionsgleichungen zu lösen. Die Erfassung von zwei GPS-Satelliten 14 sollte in diesen Situationen ausreichen, in denen eine gewisse Verschlechterung der Bestimmungsgenauigkeit tolerierbar ist. Falls aber die GEM-Position und -Entfernung von dem GPS-Empfänger 19 des Endgeräts mit ausreichend hoher Genauigkeit bekannt sind, könnte eine GPS-Satellit 14 in den Berechnungen durch den GEM-Satelliten 12 ersetzt werden, und die GPS-Position könnte möglicherweise mit einer GPS-Satellitenerfassung ausgeführt werden.
Als ein zusätzliches Merkmal unterstützt das GEM-Netzwerk 10 ein erneutes Rundsenden eines GPS-Almanach. Der GPS-Almanach, wie in Navstar's ICD-GPS-200 beschrieben, liefert ungefähre Umlaufbahnbeschreibungen aller GPS-Satelliten 14. Falls von einem GPS-Empfänger gespeichert wird es möglich sein, eine optimale Leistung in Verbindung mit dieser Erfindung zu erreichen. Falls ein GPS-Empfänger eines Endgeräts ein GPS-Almanach hat, dessen Alter einige wenige Wochen beträgt, kann es eine direkte Satellitensignalsuche beginnen, bevor es alle der GEM-Rundsendedaten empfängt, wohingegen ohne einen Almanach es auf den Abschluss der GEM-Rundsendung warten wird, bevor es mit einer direkten Suche beginnt. Somit sendet das GEM-System den GPS-Almanach (erhalten über den GPS-Empfänger 20, der im Gateway 16 liegt) in einem Hintergrundkanal erneut rund, so dass ein Endgerät 18 seinen Almanach aktualisieren kann, wann immer dies benötigt wird.
Kurz zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, dass ein Kommunikationsnetzwerk 10[in diesem bestimmten Entwurf ist es ein GEM (Geo-Mobile) Satellitensystem] verwendet, um einen Global-Positioning-System (GPS) Empfänger 19 zu initialisieren (der ein einem mobilen Benutzerendgerät 18 integriert sein kann, oder einem Telefon, das in dem Kommunikationsnetzwerk 10 benutzt wird), um dem GPS-Empfänger 19 eine schnelle Erfassung der GPS-Satellitensignale zu ermöglichen und eine Positionsbestimmungsberechnung auszuführen. Durch systematisches Speisen des GPS-Empfängers 19 mit Schlüsselinformationen (GPS-Satellitenlaufbahnen, Zeitabschätzungen, Positionsabschätzungen und zusätzliche Positionsreferenzen) kann die Zeit zur ersten Ortsbestimmung (TTFF) des GPS-Empfängers 19 drastisch reduziert werden.

Claims

Verfahren zum Initialisieren eines GPS-Empfängers (19), um schnell GPS-Satellitensignale zu erfassen, um eine präzise Abschätzung der Position des GPS-Empfängers (19) zu geben, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Rundensenden eines Signals, das die Flugbahnen einer oder mehrerer GPS-Satelliten (14) in der Umlaufbahn innerhalb des Sichtfelds des GPS-Empfängers (19) darstellt; Rundensenden eines Zeitsynchronisationssignals; Rundensenden einer Höhenschätzung des entfernten GPS-Empfängers; Berechnen einer groben Schätzung der Position des GPS-Empfängers (19) und Senden dieser Schätzung an den GPS-Empfänger; erneutes Rundsenden eines aktuellen GPS-Almanach; und Einbringen des Signals, das die Flugbahnen in der Umlaufbahn, das Zeitsynchronisationssignal, die Höhenschätzung des entfernten GPS-Empfängers, die aktuellen GPS-Almanachdaten und die grobe Schätzung der Position des GPS-Empfängers (19) darstellt, in den GPS-Empfänger (19).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitsynchronisationssignal auf fünf Millisekunden genau ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die grobe Schätzung des GPS-Empfängers (19) auf etwa 1000 Kilometer genau ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlaufbahn-Flugbahnensignal über einen Satelliten (12) rundgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlaufbahn-Flugbahnensignal über einen freien Kommunikationskanal rundgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitsynchronisationssignal über einen freien Kommunikationskanal rundgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitsynchronisationssignal über einen Satelliten (12) rundgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, gekennzeichnet durch den Schritt: Bereitstellen eines aktiven GPS-Empfängers (20) an einem festen Ort, der präzise GPS-Satellitenflugbahnen berechnet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle GPS-Almanach über einen Hochgeschwindigkeitskanal neu rundgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–9, gekennzeichnet durch die Schritte: Messen der Laufzeitverzögerung zwischen einer bekannten Referenz und dem GPS-Empfänger (19); und Versorgen des entfernten GPS-Empfängers (19) mit einem extrem genauen Zeitsignal und einer Positionsreferenz, die aus der gemessenen Laufzeitverzögerung berechnet wurde.
Endgerät (18) zur Verwendung in einem Kommunikationsnetzwerk (10), wobei das Kommunikationsnetzwerk (10) zumindest eine Kommunikationsstation (12, 16) und eine Vielzahl von GPS-Satelliten (14) aufweist, wobei die Kommunikationsstation (12, 16) eine Vorrichtung zum Senden von Kommunikationssigna len, GPS-Satellitenflugbahnsignalen, GPS-Empfängerpositions- und Lageschätzungssignale, Zeitsynchronisationssignale und einen aktuellen GPS-Almanach zu dem Endgerät (18) aufweist, wobei das Endgerät (18) umfasst: eine Vorrichtung zum Empfangen von Kommunikationssignalen von der Kommunikationsstation (12, 14); Vorrichtung zum Senden von Kommunikationssignalen an die Kommunikationsstation; und Vorrichtung (19) zum Empfangen von GPS-Signalen von den GPS-Satelliten; Vorrichtung zum Empfangen der GPS-Satellitenflugbahnsignalen, den Zeitsynchronisationssignalen und der Lage- und Positionsabschätzung; Vorrichtung zum Empfangen des aktuellen GPS-Almanach; und Vorrichtung zum Verarbeiten der GPS-Satellitenflugbahnsignale, der aktuellen GPS-Almanachdaten, den GPS-Empfängerpositions- und -lageschätzungssignale und der Zeitsynchronisationssignale, um die Position des Endgeräts (18) schnell zu bestimmen.
Gatewaystation (16) zur Verwendung in einem Kommunikationsnetzwerk (10), wobei das Kommunikationsnetzwerk (10) zumindest ein Endgerät (18), einen Kommunikationssatelliten (12) und eine Vielzahl von GPS-Satelliten (14) aufweist, wobei die Gatewaystation (16) umfasst: einen kontinuierlich nachführenden GPS-Empfänger (20); eine Vorrichtung zum Berechnen der GPS-Satellitenflugbahndaten für GPS-Satelliten (14), die für jedes Endgerät (18) sichtbar sind; und Vorrichtung zum Berechnen einer groben Positions- und Höhen-Schätzung für jedes Endgerät (18); Vorrichtung zum Senden von Signalen, die GPS-Satellitenflugbahndaten repräsentieren, von Zeitsynchronisationssignalen und Signalen, die die groben Positions- und Höhen-Schätzungen repräsentieren, zu jedem Endgerät (18); und Vorrichtung zum Neurundsenden eines aktuellen GPS-Almanach.
Gatewaystation nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatewaystation (16) ortsfest auf der Erde ist.
Gatewaystation nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Satellit (12) in der Erdumlaufbahn ist.