PL194686B1 - Sposób i system do wspomagania odbiorników GPS przez sieć komórkową albo PCS - Google Patents

Abstract

1. Sposób wspomagania przy dokonywaniu pomiarów po lozenia odbiornika GPS zintegro- wanego ze stacj a ruchom a zawieraj ac a nad- biornik, znamienny tym, ze przekazuje si e z sieci bezprzewodowej do stacji ruchomej informacj e wspomagaj ac a odwzorowuj ac a za- sieg ustalonego po lo zenia w sieci bezprzewo- dowej w pobli zu stacji ruchomej w wybranym czasie i pochodne zasi egu w stosunku do wy- branych satelitów systemu GPS, oraz za po- moc a odebranej informacji wspomagaj acej mierzy si e w stacji ruchomej fazy kodowe sy- gna lów odebranych z wybranych satelitów sys- temu GPS, które to fazy kodu reprezentuj a zasi eg stacji ruchomej wzgl edem wybranych satelitów. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Ten wynalazek wykorzystuje zgłoszenie tymczasowe USA nr 60/096 437, złożone 13 sierpnia 1998.

Dziedzina wynalazku

Wynalazek dotyczy odbiorników globalnego systemu lokalizacyjnego (GPS), a zwłaszcza sposobu dostarczania informacji do odbiorników GPS, które są zintegrowane z telefonami komórkowymi albo innymi urządzeniami, które komunikują się przez sieć komórkową albo PCS.

Tło wynalazku

Określanie położenia geograficznego stacji ruchomej w sieci komórkowej albo innej publicznej krajowej sieci ruchomej (PLMN) stało się ostatnio ważne w szerokim zakresie zastosowań. Na przykład usługi lokalizacyjne mogą być potrzebne przedsiębiorstwom przewozowym i taksówkowym do ustalania położenia ich pojazdów i do zwiększania wydajności procedur dyspozytorskich. Dodatkowo, dla rozmów awaryjnych, na przykład rozmów 911, znajomość dokładnego położenia terminala ruchomego może być bardzo istotna, aby uzyskać żądany efekt w sytuacjach awaryjnych.

Ponadto usługi lokalizacyjne można zastosować, aby ustalić położenie skradzionego samochodu, albo do identyfikacji połączeń w strefie lokalnej, które podlegają niższej taryfie, aby wykrywać istotne punkty w mikrokomórce albo zapewniać dodatkowe usługi abonenckie, na przykład usługę „Gdzie jestem. Usługa „Gdzie jestem ułatwia odszukanie stacji benzynowej, restauracji albo szpitala, który jest najbliższy stacji ruchomej.

Jedną z technik określania położenia geograficznego stacji ruchomej jest zastosowanie globalnego systemu lokalizacyjnego (GPS). GPS jest systemem nawigacji satelitarnej, który dostarcza specjalnie zakodowane sygnały satelitarne, które mogą zostać przetworzone w odbiorniku GPS, aby wyznaczyć położenie, prędkość i czas zespołu odbiorczego. Potrzeba czterech albo więcej sygnałów satelitarnych GPS do obliczenia trójwymiarowych współrzędnych przestrzennych i przesunięcia czasowego zegara odbiornika względem stałego układu współrzędnych. System GPS zawiera 24 satelity (nie licząc zapasowych), które okrążają Ziemię w przybliżeniu w 12 godzin. Wysokość orbitalna satelitów GPS (20 200 km) jest taka, że satelity powtarzają ten sam tor podstawowy i konfigurację nad każdym punktem w przybliżeniu co 24 godziny. Istnieje sześć płaszczyzn orbitalnych, w każdej nominalnie są przynajmniej cztery satelity, które są w równych odstępach (czyli 60° od siebie) i są nachylone pod kątem około 55° do płaszczyzny równika Ziemi. Ten układ konstelacyjny zapewnia, że z każdego punktu Ziemi dla użytkowników widocznych jest od czterech do dwunastu satelitów.

Satelity systemu GPS oferują dwa poziomy precyzji w określaniu położenia, prędkości i współrzędnych czasowych odbiornika GPS. Większość użytkowników cywilnych systemu GPS korzysta ze standardowej usługi lokalizacyjnej (SPS), która ma dokładność 2-σ wynoszącą 100 metrów w poziomie, ±156 w pionie oraz czas ±340 ns. Usługa precyzyjnej lokalizacji (PPS) jest dostępna tylko dla upoważnionych użytkowników mających sprzęt i klucze kryptograficzne oraz specjalnie wyposażone odbiorniki. Każdy z satelitów GPS wysyła dwa mikrofalowe sygnały nośne. Na częstotliwości L1 (wyśrodkowanej na 1575,42 MHz) przenoszony jest komunikat nawigacyjny oraz sygnały kodowe SPS i PPS. Na częstotliwości L2 (wyśrodkowanej na 1227,60 MHz) również przenoszony jest kod PPS i jest ona stosowana do pomiaru opóźnienia jonosferycznego przez odbiorniki zgodne z systemem PPS.

Mikrofalowe sygnały nośne L1 i L2 są modulowane trzema kodami binarnymi: kodem zgrubnego pobierania C/A (Coarse Acquisition) 1,023 MHz, kodem precyzyjnym (P-kodem) 10,23 MHz i kodem NAV danych systemu nawigacyjnego 50 Hz (NAVigational system data code)). Kod C/A to kod liczb pseudolosowych (PRN), który jednoznacznie identyfikuje satelitę GPS. Wszystkie satelity GPS wysyłają swoje kody binarne na tych samych częstotliwościach nośnych L1 i L2. Wiele jednocześnie odbieranych sygnałów jest odzyskiwanych przez korelator dostępu wielokrotnego z podziałem kodu (CDMA - Code Division Multiple Access). Korelator w cywilnym odbiorniku GPS najpierw odzyskuje kod C/A jako modulowany kodem NAV. Następnie obwód pętli fazowej (PLL) wydziela kod C/A z kodu NAV. Należy podkreślić, że odbiornik GPS musi najpierw określić swoje przybliżone położenie, aby ustalić, które satelity GPS są w zasięgu. Na odwrót, odbiornik GPS, który zna swoje przybliżone położenie, może się szybciej dostroić do sygnałów wysyłanych przez odpowiednie satelity GPS.

Uruchomienie odbiornika GPS wymaga zwykle pobrania zbioru parametrów nawigacyjnych z sygnałów danych nawigacyjnych z czterech albo więcej satelitów GPS. Ten proces inicjalizacji odbiornika GPS często zajmuje kilka minut.

Czas trwania procesu lokalizacji GPS jest bezpośrednio zależny od tego, ile informacji posiada odbiornik. Większość odbiorników GPS jest zaprogramowanych danymi kalendarzowymi, które

PL 194 686 B1 w przybliżeniu opisują oczekiwane położenia satelitów na rok w przód. Jednak jeżeli odbiornik GPS nie ma pewnych informacji o własnym położeniu, nie może wystarczająco szybko skorelować sygnałów z widocznych satelitów i dlatego nie może szybko obliczyć swojego położenia. Ponadto należy zauważyć, że potrzebna jest większa moc sygnału, aby pobrać kod C/A i kod NAV przy uruchamianiu niż moc dla stałego monitorowania już pobranego sygnału. Należy także zauważyć, że na proces monitorowania sygnału GPS znaczny wpływ mają czynniki z otoczenia. Tak więc sygnał GPS, który można łatwo odebrać w otwartej przestrzeni, jest znacznie trudniejszy do pobrania, gdy odbiornik jest przykryty, gdy jest w pojeździe lub, w najgorszym razie, znajduje się w budynku.

Ostatnie zalecenia rządowe, na przykład wymogi co do czasu odpowiedzi dla usługi FCC faza II E-911, nakazują, aby położenie ruchomego telefonu było ustalane dokładnie i w przyspieszony sposób. Tak więc aby efektywnie zrealizować odbiornik GPS w terminalu ruchomym, spełniając także wymagania szybkiej i dokładnej lokalizacji, potrzebna jest możliwość szybkiego dostarczania dokładnych danych wspomagających do terminali ruchomych, na przykład czasu lokalnego oraz oszacowania położenia, efemeryd satelitów i informacji zegarowych (które mogą się zmieniać wraz z położeniem stacji ruchomej). Zastosowanie takich danych wspomagających może umożliwić odbiornikowi GPS, który jest zintegrowany albo połączony ze stacją ruchomą, aby przyspieszył zakończenie swoich procedur uruchamiania. Dlatego potrzebna jest możliwość wysyłania odpowiedniej informacji wspomagającej GPS istniejącą siecią bezprzewodową do odbiornika GPS, który jest zintegrowany albo połączony z ruchomym terminalem.

W opisie patentowym Taylora i innych nr 4 445 118 jest opisana idea wspomagania albo wspierania odbiorników GPS. W opisanym sposobie stosuje się jeden nadajnik, taki jak satelita geostacjonarny, do dostarczania jednego komunikatu wspomagającego dla szerokiego obszaru geograficznego. Dane wspomagające zawierają listę widocznych satelitów GPS, położenia odpowiednich satelitów i przewidywane przesunięcia Dopplera dla sygnałów satelitarnych. Struktura tego komunikatu umożliwia wykonanie funkcji obliczania położenia (PCF) w odbiorniku użytkownika.

W opisie patentowym USA Krasnera nr 5 663 734 opisano inny sposób, związany z odbiornikiem GPS. Ten opis dotyczy głównie architektury odbiornika, ale omawia jak można ulepszyć działanie odbiornika przez jego wspomaganie. Opis wymienia „dane reprezentujące efemerydy” i oczekiwane przesunięcia Dopplera jako możliwą zawartość komunikatu wspomagającego. Opis patentowy USA 5 418 538 Lau'a opisuje system i sposób wspomagania odległego odbiornika GPS/GLONASS przez rozgłaszanie informacji „różnicowej” z podobnego odbiornika w „stacji odniesienia”. Ta stacja odniesienia rozgłasza listę widocznych satelitów, jak również związanych z nimi efemeryd, w jednym przykładzie wykonania. Korzyść dla odległego odbiornika jest potrójna: zmniejszone wymagania co do pamięci, mniejszy koszt przejścia na częstotliwość odniesienia i szybsze pobieranie. W opisie omawia się zalety możliwości oszacowania i usuwania efektu Dopplera wskutek niedokładności zegara odbiornika po pobraniu pierwszego satelity.

Opis USA nr 5 663 735 Eshenbacha opisuje sposób, w którym odbiornik GPS wyznacza dokładne bezwzględne odniesienie czasowe z sygnału radiowego. Opcjonalnie odbiornik wyznacza z sygnału radiowego częstotliwość odniesienia, bardziej dokładną niż w niedrogim oscylatorze kwarcowym zawartym w odbiorniku. Odbiornik GPS przeprowadza obliczenia położenia, dlatego musi mieć czas bezwzględny, jak również efemerydy i poprawki zegarowe dla satelitów GPS.

Mówiąc ogólnie, w powyższych opisach patentowych nie wykorzystuje się synchronizacji pomiędzy terminalem użytkownika i siecią poprzez interfejs radiowy. Inną typową wadą we wspomnianym wyżej stanie techniki jest to, że wspomaganie nie jest zbyt ścisłe i musi być dość często aktualizowane, co może wykluczać efektywną transmisję w sieci komórkowej albo innej sieci PLMN.

Inną propozycją dla sieci opartych na GSM i wspomaganych przez GPS jest dokument standardów T1P1/98-132r2. Ta propozycja opiera się na umieszczeniu odbiorników odniesienia GPS w różnych węzłach sieci, pobieraniu danych efemerydalnych z tych odbiorników i dostarczaniu tych danych razem z listą widocznych satelitów do wszystkich telefonicznych odbiorników GPS poprzez komunikaty na łączach w dół GSM. Zaletą tego sposobu jest to, że telefoniczny odbiornik GPS może być w pełni funkcjonalny, czyli zawiera PCF i może działać w ciągłym trybie nawigacji. Jednak aktualna architektura sieci GSM może nie być w stanie obsługiwać takiej liczby transmisji danych, która jest wymagana w tym sposobie. Jest bardzo pożądane, aby wysyłać informacje wspomagające do wszystkich telefonów wyposażonych w GPS, ale jest nieprawdopodobne, aby urządzenie transmisyjne mogło dostarczyć informacje wspomagające na czas. Dostarczanie typu punkt do punktu może być możliwe w przyszłości, ale aktualne łącza Unstructured Supplementary Data (USSD) nie mają wymaganej

PL 194 686 B1 szerokości pasma. Opóźnienie jest szczególnie istotne przy lokalizacji awaryjnej (E911), która jest obowiązkowym wymogiem na rynku USA.

Niniejszy wynalazek jest ukierunkowany na rozwiązanie jednego albo większej liczby omówionych wyżej problemów, w nowy i prosty sposób.

Podsumowanie wynalazku

Według wynalazku dostarcza się sposób określania położenia stacji ruchomej zawierającej nadajnik-odbiornik działający w sieci bezprzewodowej i odbiornik globalnego systemu lokalizacyjnego (GPS).

Ogólnie ujawnia się tutaj sposób wspomagania odbiornika GPS w celu dokonania pomiarów położenia, przy czym odbiornik GPS jest zintegrowany ze stacją ruchomą zawierającą nadajnik-odbiornik działający w sieci bezprzewodowej. Sposób zawiera kroki, w których przekazuje się informację wspomagającą z sieci bezprzewodowej do stacji ruchomej, przy czym informacja wspomagająca reprezentuje zakres ustalonego miejsca w sieci bezprzewodowej w pobliżu stacji ruchomej w wybranym czasie, oraz pochodne zakresu, odnoszące się do wielu wybranych satelitów w GPS, oraz steruje się stacją ruchomą, aby wykorzystywała odebraną informację wspomagającą do wyszukiwania złożonych odbieranych sygnałów z wielu wybranych satelitów w GPS, żeby zmierzyć fazę kodu dla wielu wybranych satelitów w GPS, przy czym zmierzone fazy kodu reprezentują zakres stacji ruchomej względem wielu wybranych satelitów.

Cechą wynalazku jest to, że wybrany czas jest zawarty w informacji wspomagającej i jest wyrażony dla stacji ruchomej jako czas sieci bezprzewodowej.

W jednym aspekcie wynalazku sieć bezprzewodowa wykorzystuje metody dostępu wielokrotnego z podziałem czasu, a wybrany czas jest reprezentowany przez numer ramki, numer szczeliny czasowej i bitową liczbę transmisji sieciowych obsługujących obszar, który jest bliski geograficznie stacji ruchomej. Numer szczeliny czasowej, liczba bitów, albo obydwie wielkości, są niejawnie wiadome sieci bezprzewodowej i stacji ruchomej, dlatego nie są wysyłane.

Zgodnie z innym aspektem wynalazku, sieć bezprzewodowa wykorzystuje metodę dostępu wielokrotnego z podziałem kodu, a wybrany czas jest reprezentowany przez fazę kodu dostępu wielokrotnego dla transmisji obsługujących obszar bliski geograficznie stacji ruchomej.

Kolejną cechą wynalazku jest to, że satelity GPS wysyłają komunikaty nawigacyjne w okresach bitowych równych dwudziestu milisekundom, a krok przekazywania zawiera krok, w którym reprezentuje się zakres jako fazę bitową obserwowaną w ustalonym miejscu w wybranym czasie. Wybrany czas następuje jednocześnie z okresem dwudziestu milisekund czasu GPS. Kolejną cechą wynalazku jest to, że krok przekazywania obejmuje krok, w którym oblicza się informację wspomagającą, oraz kwantyzuje się i koduje informację wspomagającą do przekazania przez sieć bezprzewodową do stacji ruchomej.

Jeszcze jedną cechą wynalazku jest to, że stacją ruchomą steruje się tak, aby wykorzystywała informację wspomagającą do obliczenia estymatorów fazy kodu i przesunięcia częstotliwości dla sygnałów wysyłanych przez wybrane satelity, oraz dla każdego z tych satelitów wykorzystywała te estymatory do pobierania sygnału i pomiaru fazy kodu dla określonego satelity.

Zgodnie z innym aspektem wynalazku ujawnia się sposób określania położenia stacji ruchomej zawierającej nadajnik-odbiornik, działający w sieci bezprzewodowej i odbiornik GPS. Sposób zawiera kroki, w których przekazuje się informację wspomagającą z sieci bezprzewodowej do stacji ruchomej, przy czym informacja wspomagająca reprezentuje zakres ustalonego miejsca w sieci bezprzewodowej w pobliżu stacji ruchomej w wybranym czasie, oraz pochodne zakresu, odnoszące się do wielu wybranych satelitów w GPS, steruje się stacją ruchomą, aby wykorzystać odebraną informację wspomagającą do wyszukiwania złożonych odebranych sygnałów z wielu wybranych satelitów w GPS, aby zmierzyć fazę kodu dla wielu wybranych satelitów w GPS, oraz zwraca się zmierzone fazy kodu do sieci bezprzewodowej i oblicza się położenie stacji ruchomej w sieci bezprzewodowej wykorzystując ustalone miejsce i zmierzone fazy kodu.

Cechą wynalazku jest to, że stacja ruchoma ustala czas pomiaru, odpowiadający pomiarowi fazy kodu dla jednego z wybranych satelitów i zwraca się czas pomiaru do sieci bezprzewodowej. Czas pomiaru jest reprezentowany względem czasu sieci bezprzewodowej, a w kroku obliczania położenia przekształca się czas pomiaru na czas bezwzględny GPS.

Kolejną cechą wynalazku jest to, że sieć bezprzewodowa zawiera ruchome centrum lokalizacyjne (MLC) i MLC komunikuje się ze stacją ruchomą przez system nadajnika-odbiornika bazowego (BTS) o ustalonym położeniu, a krok obliczania wykonuje się w MLC. MLC zawiera odbiornik GPS, albo środki do odbioru potrzebnych informacji z odbiornika GPS, który nie znajduje się w tym samym

PL 194 686 B1 miejscu, a w kroku przekazywania MLC odbiera informacje efemerydalne i oblicza informację wspomagającą z informacji efemerydalnych. W pewnym przykładzie wykonania BTS zawiera także odbiornik GPS do dostarczania dokładnego odniesienia czasowego, aby powiązać czas w sieci bezprzewodowej z bezwzględnym czasem GPS.

Jeszcze jedną cechą wynalazku jest to, że sieć bezprzewodowa zawiera zespół pomiaru czasu (TMU) o znanym położeniu, mający odbiornik GPS i nadajnik-odbiornik bezprzewodowy monitorujący BTS, a w kroku przekazywania przekazuje się odniesienie czasowe z TMU do MLC, aby powiązać czas w sieci bezprzewodowej z czasem bezwzględnym GPS.

Zgodnie z jeszcze jednym aspektem wynalazku, ujawnia się system do określania położenia stacji ruchomej. Stacja ruchoma zawiera nadajnik-odbiornik działający w sieci bezprzewodowej i odbiornik GPS. System zawiera system sterowania siecią bezprzewodową, zawierający odbiorniki GPS do uzyskiwania danych efemerydalnych. System sterowania wyznacza informację wspomagającą z danych efemerydalnych i wysyła informację wspomagającą do stacji ruchomej poprzez sieć bezprzewodową. Informacja wspomagająca reprezentuje zakres ustalonego miejsca w sieci bezprzewodowej blisko stacji ruchomej w wybranym czasie, oraz pochodne zakresu, odnoszące się do wielu satelitów w GPS. Stacja ruchoma zawiera środki wykorzystujące odebraną informację wspomagającą do wyszukiwania złożonych odbieranych sygnałów z wielu wybranych satelitów w GPS, żeby zmierzyć fazę kodu dla wybranych wielu satelitów w GPS i do zwracania zmierzonych faz kodu do systemu sterowania siecią bezprzewodową poprzez sieć bezprzewodową. System sterowania siecią bezprzewodową zawiera środki do obliczania położenia stacji ruchomej w sieci bezprzewodowej, z wykorzystaniem ustalonego miejsca i zmierzonych faz kodu.

Jednym z najważniejszych zadań odbiornika GPS jest wykonanie pomiaru zakresu dla różnych nadajników satelitarnych. W przypadku GPS typu cywilnego, odbiornik mierzy zakres badając fazę kodu C/A, który jest jednoznaczny dla każdego satelity. Zwykle odbiornik musi przeszukać cały okres 1023 chipów każdego satelity, aż go odbierze. To zadanie jest jeszcze trudniejsze, jeżeli odbiornik nie ma bardzo dokładnej częstotliwości odniesienia i jeżeli sygnał został zakłócony wskutek tłumienia przez otoczenie i/lub opcji projektowych. W tych przypadkach albo potrzeba więcej zasobów odbiornika albo wydłużenia procesu pobierania i pomiaru. Żadna z tych opcji nie jest preferowana, ponieważ w pierwszej z nich zwiększa się koszt, a druga powoduje opóźnienie lokalizacji, co może być nie do przyjęcia dla pewnych usług lokalizacyjnych, na przykład E-911.

Zgodnie z wynalazkiem, odbiornikowi zapewnia się „wspomaganie”, tak że można uniknąć obydwu opcji. W szczególności, ujawnia się system i sposób do dostarczania informacji wspomagającej dla odbiorników GPS, które są zintegrowane z nadajnikami-odbiornikami, mogącymi się komunikować z siecią komórkową albo PCS.

Według wynalazku, zwiększona czułość zintegrowanych odbiorników GPS umożliwia im pracę w środowisku, w którym nie mogłyby pracować zwykłe samodzielne odbiorniki GPS. Zmniejsza się łączny czas potrzebny do lokalizacji użytkownika. Uzyskuje się to zmniejszając zarówno opóźnienie przy wysyłaniu informacji wspomagającej do użytkownika, jak i czas pomiaru dla odbiornika użytkownika w stacji ruchomej.

Zapewnienie bardzo zwięzłej reprezentacji informacji wspomagającej zmniejsza szerokość pasma wymaganą do rozprowadzania informacji do różnych węzłów sieci i zwiększa częstość, z jaką można wysyłać informacje do stacji ruchomych. Wybór parametrów dla komunikatu wspomagającego zmniejsza częstość, z jaką trzeba aktualizować komunikat. Odbiornik użytkownika w stacji ruchomej nie musi znać czasu bezwzględnego, ponieważ wszystkie pomiary wykonuje się względem czasu transmisji komórkowej. Całościowe rozwiązanie lokalizacyjne jest bardzo elastyczne i stwarza minimalne wymagania co do sieci i jej zasobów.

Dalsze cechy i zalety wynalazku będą wynikać z opisu i z rysunku.

Krótki opis rysunku

Figura 1 to schemat blokowy zwykłego naziemnego bezprzewodowego systemu telekomunikacyjnego; fig. 1a i 1b to schematy blokowe systemu do wspomagania odbiorników GPS według wynalazku; fig. 2 przedstawia w uproszczeniu satelitę umieszczonego względem nadawczo-odbiorczej stacji bazowej i GPS-MS; fig. 3 to schemat czasowy przedstawiający, jak GPS-MS mógłby działać w wyznaczonej podstawie czasu; fig. 4a i 4b to schematy przepływu komunikatów, przedstawiające wspomaganie odbiornika GPS według wynalazku; fig. 5 to uogólniony schemat blokowy stacji ruchomej według wynalazku; a fig. 6 przedstawia schematycznie struktury ramki czasowej GSM TDMA.

PL 194 686 B1

Szczegółowy opis wynalazku

Figura 1 przedstawia publiczną krajową sieć ruchomą (PLMN), taką jak przykładowa sieć komórkowa GSM 110, która z kolei zawiera wiele obszarów obsługowych MSC/VLR 112, każdy z centralą systemu ruchomego (MSC) 114 i odnośnym rejestrem abonentów wizytujących (VLR) 116. Obszary obsługowe MSC/VLR 112 zawierają z kolei wiele obszarów lokalizacyjnych (LA) 118, które są określone jako taka część danego obszaru obsługowego MSC/VLR 112, w której ruchomy terminal albo stacja ruchoma (MS) 120 mogą się swobodnie poruszać bez konieczności uaktualnienia swojego położenia dla MSC 114 i/lub VLR 116, który kontroluje LA 118. Każdy obszar lokalizacyjny 118 jest podzielony dalej na pewną liczbę komórek 122. Przykładowa stacja ruchoma 120 to sprzęt fizyczny, na przykład telefon w samochodzie albo inny telefon przenośny, używany przez abonenta ruchomego do komunikowania się z siecią komórkową 110, z innymi abonentami ruchomymi, albo z innymi stronami poza siecią abonencką, przewodowo albo bezprzewodowo.

MSC 114 ma łączność z przynajmniej jednym sterownikiem stacji bazowej (BSC) 123, który z kolei ma łączność z przynajmniej jedną nadawczo-odbiorczą stacją bazową (BTS) 124. BTS 124 to sprzęt fizyczny, przedstawiony dla uproszczenia jako wieża radiokomunikacyjna na fig. 1, która zapewnia pokrycie radiokomunikacyjne dla komórki 122, za którą jest odpowiedzialna. Należy rozumieć, że można podłączyć różne BSC 123 do kilku BTS 124 i można je zrealizować jako węzły samodzielne, albo zintegrowane z MSC 114. W każdym przypadku, elementy BSC 123 i BTS 124 jako całość nazywa się ogólnie systemem stacji bazowej (BSS) 125.

Odnosząc się dalej do fig. 1, każdy obszar usługowy PLMN albo sieć komórkowa 110 zawiera rejestr abonentów macierzystych (HLR) 126, który jest bazą danych zawierającą informacje o abonencie, na przykład profile użytkowników, informacje o aktualnym położeniu, międzynarodowy numer identyfikacyjny abonenta ruchomego (IMSI) oraz inne informacje administracyjne, dla abonentów zarejestrowanych w PLMN 110. HLR 126 może mieć to samo położenie, co określony MSC 114, być zintegrowany z MSC 114, albo (jak przedstawiono na fig. 1), obsługiwać wiele MSC 114.

VLR 116 jest bazą danych zawierającą informacje o pełnym zbiorze MS 120, które znajdują się w obszarze obsługowym MSC/VLR 112. Jeżeli MS 120 przemieści się do nowego położenia fizycznego, takiego jak nowy obszar obsługowy MSC/VLR 112 (nie pokazany na fig. 1), VLR 116 związany z MSC 114 żąda informacji o MS 120 z HLR 126 (jednocześnie informując HLR 126 o nowym położeniu MS 120). Tak więc jeżeli użytkownik MS 120 chce nawiązać połączenie, lokalny VLR 116 będzie miał wymaganą informację identyfikującą abonenta bez konieczności ponownego analizowania HLR 126.

Podstawowym schematem dostępu GSM jest dostęp wielokrotny z podziałem czasu (TDMA) z ośmioma kanałami fizycznymi na częstotliwość nośną. Odstęp pomiędzy częstotllwościami nośnymi to 200 kHz. Kanał fizyczny jest więc określony jako sekwencja ramek TDMA, dodatkowo określona przez numer szczeliny czasowej i sekwencję przeskoków częstotliwości. Podstawowy zasób radiowy to szczelina czasowa, która trwa 15/26 ms (czyli 576,9 ps) i która przekazuje informacje z szybkością modulacji w przybliżeniu 270,83 Kbit/s. Oznacza to, że okres każdej szczeliny czasowej (łącznie z czasem ochronnym) to 156,25 bitów. Osiem szczelin czasowych stanowi ramkę TDMA. Tak więc ramka TDMA ma czas trwania 4,615 ms (60/13 ms).

Struktury ramki czasowej GSM TDMA są przedstawione schematycznie na fig. 6. Najdłuższy cykliczny okres czasowy struktury jest zwany hiperramką i ma czas trwania 3 h, 38 m, 53 s i 760 ms. Ramki GSM TDMA są ponumerowane numerem ramki (FN). Numer ramki (FN) to cykliczny licznik kolejnych ramek TDMA, który biegnie w zakresie od 0 do 2 715 647 (czyli 2048 x 51 x 26 - 1, co jest nazywane także FN_MAX). Numer ramki jest zwiększany na końcu każdej ramki TDMA. Pełny cykl numerów ramek TDMA od 0 do 2 715 647 nazywa się hiperramką. Ten długi okres jest wymagany do obsługi pewnych mechanizmów kryptograficznych określonych przez specyfikację ETSI GSM. Hiperramką GSM TDMA jest podzielona na 2048 superramek, każda z nich ma czas trwania 6,12 s. Superramka to najmniejsza wspólna wielokrotność struktur ramek czasowych GSM TDMA. Sama superramka dzieli się dalej na trzy rodzaje multiramek: multiramki-26, multiramki-51 i multiramki-52.

Pierwszy rodzaj multiramek GSM TDMA to multiramka-26, która zawiera 26 ramek TDMA mających łączny czas trwania 120 ms. W konsekwencji, superramka GSM TDMA może mieć 51 takich multiramek-26. Te multiramki-26 stosuje się do przenoszenia kanałów ruchu (TCH) i odnośnych kanałów sterujących (wraz z wolnymi stowarzyszonymi kanałami sterującymi (SACCH) oraz stowarzyszonymi kanałami sterującymi o pełnej szybkości (FACCH)). Drugi typ multiramki GSM TDMA to multiramka-51, zawierająca 51 ramek TDMA i mająca łączny czas trwania 235,4 ms. Superramka GSM TDMA może mieć 26 takich multiramek-51. Te multiramki-51 stosuje się do obsługi kanałów transmiPL 194 686 B1 sji, wspólnych kanałów sterujących i samodzielnych dedykowanych kanałów sterujących (i kanałów sterujących z nimi związanych), takich jak na przykład rozgłoszeniowy kanał sterujący (BCCH), wspólny kanał sterujący (CCCH) i samodzielne dedykowane kanały sterujące (SDCCH) albo pakietowy rozgłoszeniowy kanał sterujący (PBCCH) i pakietowy wspólny kanał sterujący (PCCCH). Trzeci typ multiramki GSM TDMA to multiramka-52 zawierająca 52 ramki TDMA i mająca łączny czas trwania 240 ms. Superramka GSM TDMA może mieć 25,5 takich multiramek-52. Ramki TDMA w multiramce52 są ponumerowane od 0 do 51. Format multiramki-52 stosuje się do obsługi pakietowych kanałów ruchu danych i kanałów sterujących, na przykład pakietowego rozgłoszeniowego kanału sterującego (PBCCH), pakietowego wspólnego kanału sterującego (PCCCH), pakietowanego stowarzyszonego kanału sterującego (PACCH) i pakietowego kanału ruchu danych (PDTCH). Jak wspomniano wcześniej, ramka TDMA składa się z ośmiu szczelin czasowych i ma czas trwania 4,615 ms (60/13 ms). Każda szczelina czasowa to przedział czasowy w przybliżeniu 576,9 ąs (15/26 ms), czyli 156,25 bitowych okresów trwania, a jej zawartość fizyczna jest nazywana pakietem. Jak pokazano na fig. 6, w systemie GSM TDMA stosuje się cztery różne typy pakietów.

Pierwszy typ pakietu to tak zwany pakiet zwykły (NB), który zawiera 116 zaszyfrowanych bitów i zawiera czas ochronny trwający 8,25 bitu (w przybliżeniu 30,46 ąs). Zwykłe pakiety są stosowane do przenoszenia informacji na kanałach ruchu i kanałach sterujących, z wyjątkiem kanału o dostępie swobodnym (RACH).

Drugi typ pakietu to tak zwany pakiet korekcji częstotliwości (FB), który zawiera 142 stałe bity i ma czas ochronny trwający 8,25 bitu (w przybliżeniu 30,46 ąs). Pakiety korekcji częstotliwości są stosowane do synchronizacji częstotliwości terminali ruchomych. FB są równoważne niemodulowanemu sygnałowi nośnemu, który ma przesuniętą częstotliwość, ale ma taki sam czas ochronny co pakiet zwykły. FB są wysyłane wraz z BCCH. Powtarzane FB nazywa się także kanałem korekcji częstotliwości (FCCH).

Trzeci typ pakietu to tak zwany pakiet synchronizacyjny (SB), która zawiera 78 zaszyfrowanych bitów i ma czas trwania 8,25 bitu. Pakiety synchronizacyjne zawierają sekwencję próbną o długości 64 bitów i przenoszą informacje o numerze ramki TDMA (FN), oraz kod identyfikacyjny stacji bazowej (BSIC). SB są stosowane do synchronizacji czasowej terminala ruchomego i są wysyłane wraz z pakietami korekcji częstotliwości (FB). Powtarzanie SB nazywa się także kanałem synchronizacyjnym (SCH).

Czwarty typ pakietu to tak zwany pakiet dostępowy (AB). Pakiety dostępowe są stosowane przy dostępie swobodnym i charakteryzują się dłuższym czasem ochronnym (okres trwania 68,25 bitu albo 252 μβ) do obsługi transmisji pakietowych z terminali ruchomych, które mogą znać wyprzedzenie synchronizacyjne w czasie pierwszego dostępu (albo po przekazaniu). Ten dłuższy okres ochronny umożliwia, aby stacja bazowa była w odległości do 35 km od nadajnika-odbiornika stacji bazowej. W wyjątkowych przypadkach ten projekt może być zgodny z sytuacjami, gdy promień komórki jest większy niż 35 km. AB są stosowane w (pakietowym) kanale o dostępie swobodnym (PRACH), po przekazaniu, na łączu w górę dla kanału stosowanego dla rozmowy grupowej, aby zażądać użycia tego łącza w górę, a także na łączu w górę dla pakietowego kanału sterowania ruchem (PTCCH), aby umożliwić oszacowanie wyprzedzenia synchronizacyjnego dla stacji ruchomej w pakietowym trybie transmisji.

Schemat blokowy sieci komórkowej wykorzystującej wspomaganą lokalizację położenia GPS jest pokazany na fig. 1a. Ten określony przykład jest oparty na standardzie GSM, tak jak wyżej, ale znawca zauważy, że ten sposób można zastosować w innych standardach. Urządzenie użytkownika 10 to stacja ruchoma o pełnej możliwości komunikowania się z siecią GSM 12 standardowym interfejsem radiowym, zawiera ona odbiornik GPS, który może pobrać i zmierzyć sygnały z satelitów GPS. To urządzenie 10 jest nazywane GPS-MS.

Na fig. 5 pokazany jest schemat blokowy GPS-MS 10. W szczególności GPS-MS 10 zawiera typową stację ruchomą (nazywaną także telefonem bezprzewodowym albo telefonem komórkowym) i zawiera pierwszą antenę 30 do wysyłania i odbioru sygnałów radiowych przesyłanych między nim samym i siecią bezprzewodową. Antena 30 jest podłączona do nadajnika-odbiornika komórkowego 32, aby wysyłać i odbierać sygnały. Tak jak w typowych stacjach ruchomych, nadajnik-odbiornik 32 demoduluje, demultipleksuje i dekoduje sygnały radiowe na jednym albo więcej kanałach. Takie kanały obejmują kanał sterujący i kanał ruchu dla głosu albo danych. Komunikaty z kanału sterującego są dostarczane do procesora 34. Procesor 34 kontroluje i koordynuje działanie GPS-MS 10 w odpowiedzi na komunikaty na kanale sterującym przy użyciu programów i danych przechowywanych w pamięci 36, tak

PL 194 686 B1 że GPS-MS 10 może działać w sieci bezprzewodowej. Procesor 34 steruje także działaniem GPS-MS 10 w odpowiedzi na sygnał wejściowy z bloku I/O 38 reprezentującego interfejs użytkownika. I/O 38 może zawierać klawiaturę, wyświetlacz, diody, przyciski specjalnego znaczenia itp. Drugą antenę 40 stosuje się do odbioru złożonych sygnałów z globalnego systemu lokalizacyjnego (GPS), które są dostarczane do odbiornika GPS 42. Odbiornik GPS 42 przekazuje do procesora 34 informacje związane z tymi sygnałami. Procesor 34 jest według wynalazku tak zaprogramowany, aby przeprowadzał pomiary lokalizacyjne GPS przy użyciu informacji otrzymanych z sieci bezprzewodowej, co jest bardziej dokładnie opisane poniżej. Odnosząc się znowu do fig. 1a, ruchome centrum lokalizacyjne (MLC) 14 jest odpowiedzialne za uzyskiwanie informacji wspomagającej GPS i przekształcanie jej na format wymagany przez GPS-MS 10. MLC 14 prawdopodobnie będzie otrzymywał informacje wspomagające w postaci efemeryd i poprawek zegara. Pokazane są dwa możliwe źródła tej informacji. Jednym źródłem jest odbiornik odniesienia GPS 16, który komunikuje się bezpośrednio z MLC 14. Ten odbiornik odniesienia GPS 16 pobiera widoczne sygnały GPS i demoduluje wysłane komunikaty nawigacyjne, które zawierają efemerydy i poprawki zegarowe dla odnośnych satelitów. Odbiornik GPS 15 można także stosować jako dokładne odniesienie czasowe, jak również jako źródło poprawek różnicowego GPS (DGPS). Efemerydy można także uzyskać z zewnętrznej bazy danych 18, na przykład przez sieć TCP/IP.

W tym przypadku MLC 14 musi uzyskać dokładny czas i informacje DGPS z innego źródła. Faktycznie może być korzystne, aby MLC 14 miał więcej źródeł informacji GPS, w celu zwiększenia niezawodności. Jak pokazuje fig. 1a, MLC ma także dostęp do bazy danych komórek 28, która zawiera współrzędne wszystkich komórek, znajdujących się w obszarze geograficznym obsługiwanym przez MLC. Na fig. 1a pokazane są także standardowe elementy sieci GSM, które zostały opisane poprzednio, wraz z MSC/VLR 15, sterownikiem stacji bazowej (BSC) 22 i systemem nadajnika-odbiornika bazowego (BTS) 20.

Kolejny element w sieci pokazanej na fig. 1a to odbiornik GPS 24 dołączony do każdego BTS 20. Według niniejszego wynalazku, głównym celem odbiornika GPS 24 jest dostarczenie do BTS 20 dokładnego odniesienia czasowego, tak aby BTS 20 mógł powiązać synchronizację interfejsu radiowego z czasem GPS. Taka konfiguracja jest zwykle nazywana siecią „zsynchronizowaną”. Należy zauważyć, że sieć synchronizowana ma inne zalety, nie związane bezpośrednio z tym wynalazkiem (na przykład szybsze przekazywanie).

Alternatywny przykład wykonania sieci komórkowej wykorzystującej wspomaganą lokalizację GPS jest pokazany na fig. 1b. Ten przykład wykonania również opiera się na standardzie GSM i zawiera kilka opisanych wyżej elementów sieciowych, jak BTS 20, BSC 22 i MSC/VLR 15. Te elementy działają w taki sam sposób jak opisano wyżej, przekazując informacje wspomagające i pomiary pomiędzy MLC 1 i GPS-MS 10. Główna różnica w porównaniu z siecią pokazaną na fig. 1a jest taka, że BTS 20 w sieci nie mają odbiorników GPS do dostarczania informacji synchronizacyjnej, czyli sieć nie jest zsynchronizowana. Chociaż sieć nie jest zsynchronizowana, potrzebne zależności czasowe są dostarczane przez zespół pomiaru czasu (TMU) 26, który jest wyposażony w jeden albo więcej odbiorników komórkowych i odbiornik GPS. Gdy zostanie już umieszczony na odpowiedniej współrzędnej, TMU 26 monitoruje transmisje komórkowe z jednego albo więcej BTS, które znajdują się blisko geograficznie. Zdarzenia w każdej monitorowanej transmisji BTS są stemplowane czasowo odpowiednim czasem GPS z odbiornika GPS. Otrzymane zależności są wysyłane do MLC 14 poprzez BTS obsługujący TMU, którym w przykładowej sieci pokazanej na fig. 1b jest BTS1.

Figura 2 pokazuje w uproszczeniu jednego satelitę GPS oraz zależności jego współrzędnych od określonego BTS 20 w miejscu x_k i GPS-MS 10 w miejscu u. Zakres od satelity i zmierzony przez GPS-MS w czasie t jest dany przez:

· (s,(Z) - (x_k + Δχ)) + c (b_u (t) - B,(i)) + c (I_t (Z) + T_t (i) + S,(i)) + v, = (A(0 - ^ΔΑ (0) · ((^(0 - ^Δ^(0) - (* k + Δ))+c-(bu (t) - (Bt (t) - ΔΒ, (t))) +c-(1() + T() + S()) + v, (1) gdzie c jest prędkością światła (m/s), Bi to odchylenie w zegarze i-tego satelity (s), bu to odchylenie w zegarze odbiornika (s), I, oraz Ti to opóźnienia (s) jonosferyczne i troposferyczne wzdłuż drogi od satelity i do odbiornika, a Si to odchylenie zegarowe (s) wskutek selektywnej dostępności (SA) w i-tym satelicie. Składnik v, reprezentuje szum pomiaru (m). Wszystkie składniki ze znakiem ,,^Λ” wskazują

PL 194 686 B1 oszacowanie albo przewidywanie, a składniki delta („Δ”) to błędy pomiędzy wartością przewidywaną i wartością faktyczną odpowiedniego parametru. W ten sam sposób wektory jednostkowe linii widzenia są dane przez:

S ( )~(x_k + Δχ) k ( ) -U*^+Δχ)

s 0-χ k ()- χ^Ι ,ΔΛ = 1, - Z (2)

Chociaż opóźnienia jonosferyczne, troposferyczne i SA mają znaczny wpływ na łączny błąd GPS, są zdominowane przez inne niepewności w obliczeniach wspomagających. Podobnie błąd modelowania ΔΒ, odchylenia zegara satelity jest względnie mały. Te składniki można uwzględnić w składniku szumu pomiaru υ,. Dodatkowo, jeżeli niepewności zakresu odbiornika i satelity, odpowiednio Δχ i Δβ, są dosyć małe w porównaniu do zakresu dla satelity, to:

Przyjmując te założenia, równanie dla pomiarów zakresu można ponownie zapisać jako:

^{ξ (/)}« ί (0 · (£·· (0 - *k}~ ^Δά C) ⁾ ·&(0 - 2**) - ź((0 · (Δ$, ())+/^2)) +c · (>, ()) - /?,. (z) )+v, ~ (^Ą(° (£, (0 - xk) - ² · ±(^ΖΧΔ^⁽⁽⁾ + Δχ) + c (b_u (t) - B_t (⁽)) + * U- Λ * I - ^c · ^Ą(()- ² · ^y(⁽) ^Δχ - 2 · l±(⁽) · As,.(⁽) + c - bu(() + ν, « η,* (0 - ² · ^(0·^Δχ- 2- 4 ⁽⁽) ·^Δ(,·(^Ζ)+σ·⁽„ (0+ν.

(41)

W powyższym równaniu pierwszy składnik r,,k(t) reprezentuje pomiar oczekiwanego zakresu do wykonania przez odbiornik GPS w Xk, pod warunkiem że zegar odbiornika jest idealnie zsynchronizowany z bezwzględnym czasem GPS. Ten pomiar obejmuje odchylenie zegara i-tego satelity od bezwzględnego czasu GPS i zwykle jest nazywany „pseudozakresem”. Drugi składnik w (4) reprezentuje niejednoznaczność położenia użytkownika, natomiast trzeci składnik niejednoznaczność położenia satelity. Składnik r,,k(t) jest znacznie większy niż inne składniki w równaniu (4) i może zostać zastosowany przez odbiornik GPS do zogniskowania jego procesu pobierania. Jak opisano poniżej, MLC 14 oblicza ten składnik i dostarcza jego reprezentację jako część komunikatu wspomagającego do wszystkich GPS-MS 10, które są obsługiwane przez BTSk. Przed obliczeniem danych wspomagających, MLC 14 musi posiadać poprawne efemerydy i poprawki zegarowe, które można uzyskać z różnych źródeł, jak opisano wyżej. MLC 14 musi mieć dokładny zegar czasu rzeczywistego, który może być dostarczany poprzez odbiornik GPS albo z innych źródeł, takich jak WWV, który jest sygnałem na falach krótkich, wysyłanym przez agencję NIST rządu USA. MLC 14 musi posiadać także współrzędne geograficzne wszystkich BTS 20, które obsługuje, czyli wszystkich BTS 20 podłączonych do obsługiwanych BSC 22. Wyśrodkowane stałe współrzędne naziemne (ECEF) dla k-tego obsługiwanego BTS będą oznaczane jako Xk. T a informacja jest pokazana jako baza danych 28 na fig. 1a i fig. 1 b.

Jeżeli MLC 14 jest w tym stanie w pewnym czasie h, MLC 14 stosuje poprawne efemerydy do obliczenia położeń wszystkich satelitów GPS w t|. Następnie MLC 14 określa, które są widoczne dla BTSk oraz zakres r_iik pomiędzy i-tym widocznym satelitą w s, oraz BTSk w Xk. BTSk może dostarczyć ten składnik zakresu jako parametr komunikatu wspomagającego dla wszystkich GPS-MS 10, które obsługuje.

Jednak ten zakres r,k jest pomocny przy wspomaganiu GPS-MS 10 obsługiwanego przez BTS 20 tylko w czasie h albo bardzo blisko niego. Wskutek orbitalnej szybkości satelity GPS około 3,8( km/s, zakres ri,_k bardzo szybko się zmienia. Faktyczny zakres zależy od kilku czynników, ale zwykle wynosi pomiędzy ±800 m/s. Jest pożądane, aby informacje wspomagające pozostawały poprawne przez dłuższy okres czasu, na przykład 30 do 60 minut po h, więc potrzebnych jest więcej informacji. Te informacje można otrzymać stosując rozwinięcie ri,_k(t) w szereg Taylora względem czasu h, czyli:

PL 194 686 B1

Uwzględniając wystarczającą liczbę pochodnych z szeregu, można opisać położenie r^) z potrzebną dokładnością dla pewnego czasu t,+At. Na podstawie dobrze znanego ruchu satelitów GPS i docelowego czasu At<45 minut, można uzyskać dostateczną dokładność uwzględniając pierwszych pięć składników szeregu (n=0...4). Należy zauważyć, że można zastosować mniej pochodnych, jeżeli zmniejszy się żądane At.

Jednostką składnika zakresu r_ik(t₁) są metry (m), a jego rząd to 2x10⁷ m. Istnieje więcej efektywnych reprezentacji niż bez pośrednie zakodowanie zakresu. Na przykład cywilne odbiorniki GPS zwykle mierzą zakres obserwując fazę kodu C/A w każdym okresie 1-ms swojego lokalnego źródła zegarowego. Zakres może zostać wyznaczony dzięki obserwacji fazy kodu w każdym okresie 1-ms przez „idealny” odbiornik odniesienia w Xk, którego lokalną podstawą czasu jest czas GPS (na przykład bez odchylenia zegarowego i szumu pomiaru). Daje to niejednoznaczność wyrażoną w całkowitych milisekundach dla GPS-MS, ale nie dla MLC, ponieważ położenie GPS-MS jest znane z przybliżoną dokładnością promienia komórki. Inne niejednoznaczności to składniki zakresu i składniki zegarowe w równaniu (4).

Alternatywny sposób, który jest preferowany, jest opisany następująco. Satelity GPS wysyłają komunikat nawigacyjny w okresach bitowych 20 ms (częstość transmisji 50 Hz). Zależnie od zakresu ą_k(t) idealny odbiornik w Xk widzi zbocza bitowe w komunikacie nawigacyjnym z satelity i występujące w zakresie od 0 do 20 ms względem czasu ich wysyłania. Tak więc zakres można wyrazić jako fazę bitową obserwowaną przez idealny odbiornik w okresie GPS 20 ms t,, tak że:

gdzie 1023 jest liczbą chipów w 1 ms kodu Gold wysyłanego przez satelitę i. Z perspektywy GPS-MS 10 ta postać ma bitową niejednoznaczność całkowitą plus niejednoznaczności wynikające z odchylenia położenia i zegara. Wynik φι,κ(Ί₁) jest wyrażony w chipach i ma maksymalną wartość 20460. Należy zauważyć, że ten związek (6) jest ściśle poprawny tylko wtedy, jeżeli t1 jest okresem GPS 20 ms, gdy faktyczne fazy bitowe i kodowe transmisji satelity GPS wynoszą, zero. Jeżeli t1 nie jest okresem 20 ms, w obliczeniach φί,ι_<(ί₁) trzeba uwzględnić niezerową fazę.

Po obliczeniu składników wspomagających, są one kwantyzowane i kodowane przed dostarczeniem do obsługiwanych BSC 22. Można zastosować wiele różnych schematów kwantyzacji i przydziału bitów, poniższa tabela 1 stanowi taki przykład dla wspomagania z czterema pochodnymi.

T a b e l a 1

Parametr	Zakres	Bity	wymagana #
φι,ι< (Ł)	0-20460 chipów	13	N
r'i,k (b)	±800 m/s	10	N
Ąk (ti)	-0,08-+0,16 m/s2	7	N
r’i,k (t1)	± 2,5χ105 m/s3	7	N
ri,k (b)	± 0,8χ108 m/s4	3	N
SatlD	0-31	5	N
b	0-604800 s	20	1
łącznie bitów	20+45N

Kwantyzacja może być oparta na funkcjach gęstości prawdopodobieństwa (PDF) poszczególnych parametrów. Na przykład oczekuje się, że φί,κ(1|) będzie miał rozkład jednorodny. Łączna liczba bitów zależy od liczby satelitów N i będzie znajdować się w zakresie od 200 (N=4) do 560 (N=12), przy czym typowe jest 380 (N=8). 20-bitowa wartość dla t1 daje wystarczającą dokładność, jeżeli parametry wspomagania oblicza się dla czasu GPS wyrażonego w całkowitych sekundach.

Dla przypadku, gdy MLC 14 obsługuje 5 BSC 22, z których każdy obsługuje 100 BTS 20, a komunikat wspomagający jest aktualizowany co trzydzieści minut, łącze pomiędzy MLC 14 i BSC 22

PL 194 686 B1 musi przenosić średnio 380 000 bitów na godzinę. Jeżeli dozwolone jest 10-sekundowe opóźnienie aktualizacji, łącze musi przenosić 19 000 bitów na sekundę w każdym okresie aktualizacji.

Istnieje kilka możliwych rozszerzeń tej procedury obliczeń wspomagających. Jedną z przewidywanych wad jest to, że niektóre satelity widoczne w fr mogą nie być widoczne w t2 lub blisko t2, przez co zmniejsza się efektywny rozmiar listy. Rozwiązanie polega na tym, aby MLC 14 „patrzył w przód” przy obliczaniu swojej widocznej listy. Można uwzględnić wspomaganie dla satelitów, które stały się widoczne w Xk pomiędzy t₁ i t2. W większości przypadków ta funkcja zwiększa listę tylko o jednego albo dwa satelity. Jeżeli MLC 14 ma pewną wiedzę o warunkach geograficznych i/lub propagacyjnych, lokalnych dla każdego obsługiwanego BTS 20, może zastosować tę informację do konstrukcji wspomagania dla satelitów, które najprawdopodobniej są widoczne w każdym BTS 20. Na przykład bardzo użyteczne wspomaganie można uzyskać, jeżeli MLC 14 ma informację, że BTS 20 obsługuje ulicę o określonym ukierunkowaniu geograficznym.

W każdym sposobie określania położenia opartym na GPS konieczne jest przekazywanie czasu do stacji ruchomej. W typowej metodzie GPS odbiornik GPS musi zdemodulować informację o czasie tygodnia (TOW) GPS z jednego albo więcej sygnałów satelitarnych, które mierzy. Kluczową częścią wynalazku jest to, że GPS-MS 10 nie musi mieć dokładnego odniesienia do czasu bezwzględnego (GPS). Zamiast tego GPS-MS 10 wykonuje obliczenia związane z GPS i pomiary względem czasu opartego o zdarzenia sieciowe. Z drugiej strony MLC 14 musi mieć dokładne odniesienie do czasu bezwzględnego, aby wykonać dokładne obliczenie położenia w oparciu o pomiary GPS-MS. Dlatego kluczową cechą tego wynalazku jest przekształcenie pomiędzy czasem GPS i czasem wyznaczonym z sieci, co jest opisane poniżej.

Poziom dokładności przekształcenia czasu zależy od wymagań dla określonego zadania wykonywanego przez GPS-MS 10 albo MLC 14. Są dwa główne zadania w określaniu położenia na bazie GPS, które wymagają dokładnego czasu odniesienia:

1. Pobieranie w GPS-MS: jak opisano wyżej, niepewność czasowa w GPS-MS 10 stanowi czwarty składnik w równaniu (4). Wzrost niepewności czasowej powoduje, że GPS-MS 10 będzie musiał przeszukać więcej przestrzeni kodowej podczas procesu pobierania. Dlatego jest pożądane, aby utrzymywać jak najmniejszy błąd albo niepewność. Niepewność czasu wynosząca 10 μs wymaga, aby GPS-MS 10 przeszukał 10 dodatkowych chipów 1023-chipowego kodu C/A, dodatkowo do wyszukiwania spowodowanego położeniem odniesienia, dla którego zapewnione jest wspomaganie.

2. Pomiary stempla czasowego: GPS-MS 10 musi oznaczyć pomiary stemplem czasowym przed ich zwróceniem do MLC 14, tak aby MLC 14 mógł obliczyć położenia satelitów podczas dokonywania pomiarów. Prędkości satelitów GPS, w przybliżeniu 3,85 km/s, narzucają przede wszystkim wymaganą dokładność czasową dla tej czynności. Na przykład błąd synchronizacji 1 ms powoduje błąd tylko 3,85 m w oszacowaniach położenia satelity GPS obliczonych przez MLC 14. Tylko część tego błędu wzdłuż wektora linii widzenia odbiornik-do-satelity wpływa na dokładność PCF. Ogólnie ten błąd w oszacowanym zakresie jest mniejszy niż 1 m. W konsekwencji, dokładność 1 ms jest wystarczająca dla pomiarów ze stemplem czasowym.

Jeżeli dokładność czasowa informacji wspomagającej dostarczonej do GPS-MS 10 jest rzędu 1 ms, GPS-MS 10 będzie musiał przeszukać całą długość kodów C/A jednego albo więcej satelitów, które są wskazane jako widoczne. Dokładność synchronizacji 1 ms umożliwia, aby GPS-MS 10 uniknął synchronizacji bitowej z jednym albo więcej satelitów GPS, natomiast znawca dostrzeże zalety GPS-MS 10 mającego dokładność synchronizacyjną 10 μs albo lepszą. W korzystnym przykładzie wykonania tego wynalazku, wspomaganie synchronizacyjne GPS-MS 10 ma dokładność 10 μs albo lepszą. Aby ten poziom dokładności był użyteczny dla GPS-MS 10, trzeba także utrzymywać względnie małe błędy przy przewidywaniu zakresu. Wykonuje się to uwzględniając dostateczną liczbę pochodnych w komunikacie wspomagającym oraz stosując dostateczną liczbę bitów do kwantyzacji i kodowania parametrów.

Głównym wymaganiem dla przekształcania czasu jest to, że zespół przekształcający musi mieć informacje o bezwzględnej i wyznaczonej podstawie czasu. W przypadku systemu opartego na GSM, stosowanemu tutaj jako przykład, BTS 20 uzyskują synchronizację transmisji radiowych z obsługiwanym GPS-MS 10, więc ma on informacje o względnej podstawie czasu. Istnieje kilka sposobów przekazania BTS 20 informacji o bezwzględnej podstawie czasu (GPS). Na przykład jeżeli stosuje się linię T1 do transmisji danych pomiędzy BSC 22 i BTS 20, zegar T1 może zostać bardzo dokładnie powiązany z bezwzględnym czasem odniesienia. Aby uzyskać dostateczną (na przykład 1 ms) dokładność względem czasu GPS, mogą być potrzebne pewne procedury kalibracyjne.

PL 194 686 B1

Inną alternatywą jest wspólna lokalizacja odbiornika GPS 24 z każdym BTS 20 jak pokazano na fig. 1a. W tym przypadku interfejs radiowy BTS można zsynchronizować z czasem GPS obserwowanym przez odbiornik 24. Ten błąd obserwacji jest określany jako <340 ns przez przynajmniej 95% czasu. Większość komercyjnych odbiorników GPS można tak zaprojektować, aby wysyłały okresowy impuls (na przykład 1 Hz) wraz z komunikatem wskazującym obserwowany czas GPS przy tym impulsie. BTS 20 może zastosować te dwie informacje do ustanowienia względnej podstawy czasu interfejsu radiowego, która jest bardzo dokładna względem bezwzględnej podstawy czasowej GPS.

Jeszcze jedną alternatywą jest zastosowanie TMU 26 pokazanego na fig. 1b. Interfejs radiowy BTS jest zsynchronizowany z czasem GPS obserwowanym przez TMU 26.

Dla topologii sieci pokazanej na fig. 1a jeden sposób przejścia na względną podstawę czasu jest następujący. Najpierw BTS 20 odbiera impuls okresowy w pewnym czasie to z odbiornika GPS 24. Próbkuje stan interfejsu radiowego w to i zachowuje zmienne stanu BNo, TNo i FNo, reprezentujące odpowiednio bit, szczelinę czasową i ramkę. Następnie BTS 20 odbiera komunikat wspomagający z obsługującego go BSC 22, zawierający stempel czasowy t,, jak opisano poprzednio. Mający dany stan w to i różnicę BTS 20 oblicza stan interfejsu radiowego w t_1f złożony z FN1, TN1, i BN1. Czas bezwzględny t₁ jest więc reprezentowany w podstawie czasu interfejsu radiowego przez parametry FN1, TN1 i opcjonalnie BN1. Użycie FN1 i TN1 zapewnia dokładność synchronizacji 0,56 ms, uzyskuje się dokładność 3,9 με jeżeli zastosuje się także BN₁.

Powyżej skoncentrowano się na sieciach bezprzewodowych GSM, ale znawca zauważy, że czas bezwzględny można reprezentować jako podstawę czasu innych typów sieci, stosujących zarówno techniki TDMA, jak i dostępu wielokrotnego z podziałem kodu (CDMA). Na przykład sieci ANSI136 TDMA stosują strukturę ramka/szczelina czasowa/bit, która jest całkiem podobna do GSM. W sieciach CDMA może istnieć niejawny związek pomiędzy jednym albo większą liczbą kodów dostępu wielokrotnego i czasem GPS; jeżeli nie, z pewnością możliwe jest wyznaczenie jawnej zależności przy użyciu technik monitorowania, takich jak pokazane na fig. 1b. W każdym przypadku można wyrazić parametr czasowy w komunikacie wspomagającym w zależności od fazy odpowiedniego kodu dostępu wielokrotnego w sieci. Gdy BTS 20 odbierze komunikat wspomagający i przekształci t) na wyznaczoną podstawę czasu interfejsu radiowego, przekazuje ten uaktualniony komunikat wspomagający na kanale transmisyjnym. Łączna szerokość pasma wymagana dla rozsyłanego komunikatu zależy od liczby widocznych satelitów N, liczby pochodnych zakresu („.rząd” wspomagania) i dokładności synchronizacji. Przyjmując cztery pochodne i dokładność synchronizacji na poziomie bitu, poniższa tabela 2 pokazuje, że łączna szerokość pasma jest w zakresie od 213 bitów (N=4) do 573 bitów (N=12), a typowo wynosi 393 bity (N=8). Ponieważ szerokość pasma transmisyjnego w większości systemów komórkowych jest dość ograniczona, bardzo ważna jest minimalizacja rozmiaru wymaganego rozgłaszanego komunikatu. Względnie zwięzła postać komunikatu wspomagającego umożliwia jego bardzo częste rozgłaszanie w sieci. Zmniejszając opóźnienie w dostarczaniu wspomagania, zmniejszony zostaje łączny czas potrzebny do znalezienia położenia użytkownika. Alternatywnie dane wspomagające można przechowywać w MLC 14 i dostarczać je na żądanie w kanale typu punkt do punktu.

T a b e l a 2

Parametr	Zakres	Bity	wymagana #
ψίΛ (ti)	0-20460 chipów	13	N
r’i,K (fi)	±800 m/s	10	N
ri,k (ti)	-0,08 -+ 0,16 m/s2	7	N
r'i,k (t1)	±2,5 χ 10-5 m/s3	7	N
ri,k (t1)	±0,8 χ 10'8 m/s4	3	N
SatlD	0-31	5	N
FN1, TN1, BN1	0-FN, MAX-1, 0-7, 0-156	33	1
łącznie bitów	33 + 45N

Poniżej jest opisane, jak GPS-MS 10 wykorzystuje informację wspomagającą rozsyłaną przez BTS 20, aby pobrać i zmierzyć sygnały poszczególnych satelitów z złożonym odebranym sygnale

PL 194 686 B1

GPS. Ważnym aspektem tego wynalazku jest działanie GPS-MS 10 wyłącznie w podstawie czasowej sieci. Figura 3 przedstawia jeden sposób, w jaki można to uzyskać. Ponumerowane elementy na fig. 3 są opisane następująco:

1. Przed przeprowaddeniem pomiarów, GPP-MM 10 muui byńw tryt>ie bbzccynności oddierając wspólny kanał GSM przez pewien okres czasu. Podczas tego procesu, GPS-MS 10 ustawia się na częstotliwość sieci 12, odbierając kanał korekcji częstotliwości (FCCH) i inicjalizuje swoją lokalną podstawę czasu na pewien czas to (FNo, TNo, BNo), obserwując kanał synchronizacyjny (SCH).

2. GPS-MS 10 odbiera komunikat wspomagający na rozgłoszeniowym kanale sterującym (BCCH), który zawiera czas wspomagania h, reprezentowany przez FN1, TN1 i być może BN1, jak opisano wyżej.

3. GPS-MS10oddierakomuuikarżąCadia bomiarzzsieei 11. Altemo-ywaie,GPS-MS10i ηιο^lizuje proces pomiaru, być może na żądanie użytkownika. GPS-MS 10 ustala swój aktualny czas, t., wyrażony zależnie od wyznaczonych parametrów podstawy czasu, FN2, TN2 i BN2. Mając tę informację, GPS-MS 10 przeprowadza następujące obliczenia, aby oszacować różnicę At = t₂- ti w zależnoCci od bezwzględnej podstawy czasu (GPS):

AFN = FN. - FN1; if AFN < 0

AFN = AFN + (FN_MAX+1);

ATN = TN. - TN1; if ATN<0,

AFN = AFN-1;

ATN = ATN+8;

At = ΔΤΝ*τ_τ + AFN*t_f;

gdzie τ_τ oraz t_f są odpowiednio czasami trwania szczeliny czasowej GSM i ramki. GPS-MS 10 stosuje obliczone At wraz z informacją wspomagającą do predykcji parametrów wyszukiwania, jak opisano wyżej. Jeżeli w informacji wspomagającej jest podany bit BN1, jest także uwzględniany w obliczeniach.

4. Do tego momentu, częstotliwość GPS-MS 10 była sprzężona z siecią 12. Jeżeli odbiornik GPS-MS 10 jest tak zaprojektowany, że nie jest możliwy jednoczesny odbiór GPS i interfejsu radiowego sieci, w tym momencie odsprzęga się od sieci i jego wewnętrzny oscylator pracuje swobodnie. Dokładność częstotliwości GPS-MS będzie rzędu 0,05 ppm (albo lepsza) tuż przed odsprzężeniem, więc GPS-MS 10 będzie mógł swobodnie pracować przynajmniej przez kilka minut, bez istotnego wpływu na pomiary GSM.

5. W tym momencie, GPS-MS 10 jest przygotowany do rozpoczęcia pobierania i pomiaru poszczególnych sygnałów satelitów podanych na wspomagającej liście widocznych satelitów.

Istnieje wiele możliwych strategii wyszukiwania do pobierania tych sygnałów, dla poniższej wspomaganie jest szczególnie użyteczne.

a. oblicz estymator przesunięcia częstotliwości f pierwszego sygnału jako:

gdzie fo jest pewnym oczekiwanym albo nominalnym przesunięciem wynikającym z realizacji sprzętowej, a drugi składnik przewiduje przesunięcie Dopplera wskutek ruchu satelity. Symbol * oznacza liczbę zastosowanych/wysyłanych pochodnych. Parametr λ to długość fali sygnału GPS (0,1903 m/cykl dla częstotliwości nośnej 1575,42 MHz), a wskazuje wartości skonstruowane ze skwantyzowanych parametrów wspomagania. Należy też obliczyć estymator fazy bitowej ~~ sygnału dla pierwszego satelity na liście widocznych satelitów jako:

gdzie xca jest długością fali jednego chipu kodu GPS C/A (293 m).

b. Przeszukaj pewną część kodu dla pierwszego sygnału przy użyciu oszacowanego przesunięcia 7! i fazy bitowej Φ.

PL 194 686 B1

Potrzebne poszukiwanie zależy od ilości czasu i niepewności położenia stwierdzonej przez GPS-MS 10. Zależnie od oczekiw_anej dokładności ~f1 może być także potrzebne poszukiwanie na innych częstotliwościach bliskich ~f 1 Czynniki wpływające na dokładność synchronizacji i częstotliwości GPS-MS to dokładność częstotliwości nadajnika BTS 20, różnica czasowa At, niepewność położenia GPS-MS (rozmiar komórki BTS i/lub wyprzedzenie synchronizacyjne komórkowej transmisji użytkownika), oraz rozdzielczość parametru synchronizacyjnego w komunikacie wspomagającym. Estymator przesunięcia częstotliwości f1 precyzuje się w ten sposób do lepszego estymatora f*.

c. Jeżeli potrzeba, po znalezieniu fazy kodu 1023-chipowego, wykonaj synchronizację bitową, aby uniknąć niejednoznaczności w synchronizacji bitowej. Daje to precyzyjny estymator fazy bitowej

-(/a*. Synchronizacja bitowa nie jest potrzebna jeżeli składniki błędu lokalizacji i odchylenia zegarowego w równaniu (4) są w sumie mniejsze niż 0,5 ms, w tym przypadku estymator fazy bitowej można wyznaczyć bezpośrednio z fazy kodu.

d. Jeżeli nie można pobrać sygnału dla pierwszego satelity na liście, kroki 1-3 powtarza się dla kolejnych satelitów na liście wspomagania, aż zostanie on pobrany. W przeciwnym razie odbiornik przewiduje przesunięcie częstotliwości i fazę bitową drugiego satelity za pomocą następujących zależności:

gdzie znowu reprezentuje skwantyzowany parametr wspomagania, a X_CA jest długością fali kodu C/A (293 m/chip dla fo_A = 1.023 MHz). Wartość zawiera lepszy estymator przesunięcia wynikającego ze sprzętu, który jest wyznaczany z pomiarów na pierwszym satelicie. Podobnie, wartość φ zawiera odchylenie czasowe w ułamkach milisekund, wyznaczone z pierwszego satelity.

e. Przy użyciu tych oszacowań, odbiornik poszukuje pozostałych satelitów na wspomagającej liście satelitów widocznych. Liczba hipotez przesunięcia częstotliwości do przetestowania dla każdego satelity zależy od wiarygodności estymatorów /, ale ogólnieprzestrzeń poszukiwań jest względnie mała. Jednym z czynników wpływających na wiarygodność /1 jest przesunięcie Dopplera wskutek ruchu GPS-MS 10, które jest nieznane i różne dla każdego satelity. Jeżeli stacja GPS-MS 10 jest stacjonarna lub przemieszcza się z prędkością przechodnia, efekt Dopplera można zaniedbać i prawdopodobnie potrzebna będzie tylko jedna hipoteza co do przesunięcia. Wyższe prędkości wprowadzają większość niejednoznaczność Dopplera, więc wymagają albo więcej hipotez, albo krótszych korelacji. Estymatory Dopplera można uzyskać z odbiornika komórkowego w GPS-MS 10. Ponadto trzeba przeszukać tylko podzbiór 1023-chipowej przestrzeni kodowej dla każdego z pozostałych satelitów. Przeważające pozostałe niejednoznaczności wynikają z niepewności położenia GPS-MS i błędu predykcyjnego w zakresach satelitów (drugi i trzeci składnik w równaniu (4)). Jeżeli komórka obsługiwana przez BTSk ma promień mniejszy niż 30 km, to niepewność zakresu wynikająca z położenia użytkownika jest ograniczona przez:

— -(Ϊ,-Δχ

2-(3-10 ⁴ m)

IC

206cfapów (10)

CA ca

Należy zauważyć, że typowa liczba będzie znacznie mniejsza, więc niejednoznaczność jest znacznie mniejsza niż okres kodowy 1 ms. Ta niepewność wynikająca z błędu predykcji zakresu zależy od kilku czynników, jak schemat kwantyzacji wspomagania i czas At, odkąd obliczano wspomaganie.

f. Po pobraniu przynajmniej trzech satelitów przez odbiornik i przeprowadzeniu odpowiednich pomiarów, GPS-MS 10 wykonuje następujące czynności:

i) skwantyzuj zmierzoną fazę kodu 1 ms (0-1023 chipy) dla każdego widocznego satelity; na przykład kwantyzacja 18-bitowa (poziom 2¹⁸) zapewnia rozdzielczość ~1/256 chipu dla pomiarów, co stanowi rozdzielczość zakresu ~1 m;

ii) oblicz wskaźnik jakości dla każdego pomiaru, na przykład kwantyzacja 4-bitowa stosunku sygnału do szumu dla pomiaru; oraz

PL 194 686 B1 iii) próbkowanie wyznaczonej podstawy czasu GPS-MS w czasie pomi^i^<^\w. Czas pomiaru t_m jest zakodowany przez FNm i TNm, co wymaga 25 bitów. Ta reprezentacja daje rozdzielczość 0,56 ms dla czasu pomiaru.

Trzeba także wskazać zmierzone satelity. Przykładowy przydział bitów w komunikacie zwrotnym opisanym wyżej jest podany w poniższej tabeli 3. Liczba bitów jest w zakresie od 106 (N=3) do 349 (N=12).

T a b e l a 3

Parametr	Zakres	Bity	wymagana #
0i	0-1023 chipy	18	N
qi	0-15	4	N
SatlD	0-31	5	N
FNm, TNm	0-(FN MAX-1), 0-7	25	1
łącznie bitów	25+27N

6. GPS-MS 10 się z tr^^n^imi^j^. sieciową (jeżell potrzeba) i wysyła komunikat pomiarowy taki jak pokazano w powyższej tabeli 3.

Gdy obsługujący BTS 20 odbierze pomiary z GPS-MS 10, przekształca swój parametr czasowy t_m na czas bezwzględny (GPS) i przekazuje pomiary z tym bezwzględnym stemplem czasowym do MLC 14. Powyżej zakłada się, że sieć 12 inicjalizuje pomiary GPS, ale wynalazek przewiduje też przypadek, w którym GPS-MS 10 inicjalizuje pomiary. W tym przypadku odpowiedź z sieci może zawierać parametry wspomagania dla GPS-MS 10.

Poniżej opisano, jak MLC 14 oblicza położenie po odebraniu wyników pomiaru z GPS-MS 10. Dodatkowo do wyników pomiaru, MLC 14 ma również następujące informacje potrzebne do obliczania położenia GPS-MS:

• Bezwzględny (GPS) czas pomiarów, t_m;

• Efemerydy dla satelitów GPS;

• Położenie wszystkich obsługiwanych BTS; oraz • Maksymalny możliwy rozmiar (promień) komórek w obsługiwanym systemie.

Opisany tutaj sposób rozwiązania to dobrze znana technika, która polega na przekształceniu równań nieliniowych na liniowe wokół punktu odniesienia. Dla znawcy będą oczywiste inne techniki. Gdy MLC 14 odbierze pomiarowy komunikat odpowiedzi z GPS-MS 10 obsługiwanego przez BTSk, wykonuje następujące kroki przy obliczaniu położenia GPS-MS:

1. MLC 14 oszacowuje położenia sAtm) wszystkich satelitów GPS zawartych w komunikacie pomiarowym w t_m przy użyciu efemeryd. Jest to dobrze znane obliczenie, można je na przykład znaleźć w B. Parkinson i J.Spilker (wydawcy), Global Positioning System: Theory and Applications (tomy I i II), AIAA Press 1996.

2. MLC 14 oblicza zakresy r_i,_k(t_m) z BTSk dla każdego z satelitów w t_m.

3. MLC 14 oblicza kierunkową macierz kosinusową H dla oszacowanej linii widzenia każdego mierzonego satelity. Oszacowany wektor linii widzenia na fig. 2 to sAtm)-Xk· Ta macierz jest dana przez:

4. MLC 14 koryguje pomiary fazy kodu Θ, stosując satelltarne poprawki zegarowe, z poprawkami rotacyjnymi i, jeżeli są dostępne, z poprawkami różnicowego GPS (DGPS). Te skorygowane pomiary są oznaczane 0,'. Poprawki DGPS mogą zostać dostarczone przez odbiornik GPS w znanym miejscu w sieci, jak jeden z BTS 20. Innym możliwym źródłem DGPS jest podnośna FM, która jest dostępna poprzez radiostacje w wielu obszarach Stanów Zjednoczonych i Europy.

PL 194 686 B1

5. Dla każdego satelity GPS w komunikacie pomiarowym, MLC 14 oblicza różnicę zakresu Δρ, pomiędzy obliczonym zakresem r_hk(tm) i pomiarem dokonanym w czasie tm w GPS-MS 10. Należy przypomnieć, że pomiary GPS-MS 10 mają moduł jednej milisekundy. MLC 14 usuwa pozostającą niejednoznaczność 14 wykorzystując fakt, że zakres GPS-MS 10 i BTS_k (|Δχ|) na fig. 2) jest mniejszy niż maksymalny promień komórki, który wynosi 30 km w systemie GSM. W najgorszym przypadku pozostaje niejednoznaczność wynosząca tylko 100 ps. Na wyjściu tego kroku uzyskuje się wektor kolumnowy Δρ, w którym poszczególne zakresy delta są wyrażone w metrach (m).

6. Mając dany wektor Δρ zakresu delta i macierz H, MLC 14 rozwiązuje następujący układ równań:

gdzie Δχ jest nieznanym przesunięciem wektorowym od punktu odniesienia x_k (patrz fig. 2), a Δt jest nieznanym zwykłym odchyleniem czasowym w pomiarach. Istnieje kilka różnych sposobów rozwiązania powyższego równania, wraz z dobrze znaną techniką ważonych najmniejszych kwadratów. W tej metodzie konstruuje się macierz Q z metryk jakości pomiaru q_h a niewiadome oblicza się z:

Można zastosować wiele iteracji tej techniki rozwiązywania dla tego samego zbioru pomiarów i mogą one być konieczne, aby uzyskać zbieżność.

Powyższy opis dotyczy związanych z określaniem położenia funkcji poszczególnych części systemu komórkowego albo PCS 12 wspomagającego GPS-MS 10. Poniżej wyjaśniono, jak współdziałają one ze sobą w postaci protokołu komunikatów. Przykład protokołu, który jest odpowiedni dla sieci zsynchronizowanej pokazanej na fig. 1a jest pokazany na fig. 4a. Na tej figurze pionowe linie reprezentują jednostki podane poniżej, a czas rośnie od góry w dół figury. Linie poziome reprezentują poszczególne komunikaty w protokole, z kropkami i strzałkami wskazującymi odpowiednio węzeł początkowy i docelowy. Protokół na fig. 4a jest przeznaczony dla sieci, w której jeden MLC 14 jest związany z MSC/VLR 15, który obsługuje M BSC 22, z których każdy obsługuje N BTS 20. Istotny jest tutaj pojedynczy GPS-MS 10, chociaż mogłoby istnieć wiele GPS-MS we współbieżnej operacji w obszarze geograficznym obsługiwanym przez MLC 14. Na fig. 4a GPS-MS 10 jest obsługiwany przez BTS1 20 i oba uczestniczą w następującym protokole:

1) MLC 14 oblicza jednoznaczną informację wspomagającą dla każdego BTS 20 w obszarze obsługowym MLC przy użyciu poprawnych efemeryd GPS i poprawek zegarowych, bazy danych z położeniami BTS i dokładnego czasu odniesienia.

2) MSC/VLR 15 odbiera informację wspomagającą z MLC 14, dzieli ją na części odpowiadające każdemu obsługiwanemu BSC 22 i wysyła poszczególne części do odpowiednich BSC.

3) Każdy BSC 22 odbiera komunikat wspomagający, rozdziela go na poszczególne komunikaty dla każdego BTS 20, który obsługuje, i wysyła poszczególne części do odpowiednich BTS.

4) Gdy BTS1 20 odbierze nowy komunikat wspomagający, przekształca podstawowy czas t1 dla wspomagania z czasu GPS na czas podstawowy sieci, wykorzystując informacje o nich obydwu. BTS1 zastępuje poprzednią informację wspomagającą i zaczyna transmisję nowej informacji wspomagającej na BCCH albo innym kanale rozgłoszeniowym nadawanym przez BTS1. Komunikat wspomagający jest powtarzany okresowo, z okresem będącym zwykle całkowitą liczbą superramek (240 ms w systemie GSM). Informacja wspomagająca jest teraz ważna przez 45 minut i jest dostępna dla wszystkich GPS-MS odbierających BCCH tej komórki, wraz z GPS-MS 10, który odbiera i zachowuje informację wspomagającą. Okres ważności zależy od liczby pochodnych w informacji wspomagającej, a szybkość powtarzania od równoważenia obciążenia ruchu na BCCH z wymaganiami opóźniającymi dla lokalizacji GPS-MS 10.

5) MLC 14 wysyła komunikat do MSC/VLR 15, żądając lokalizacji tego GPS-MS 10 przy użyciu pomiarów GPS.

6) MSC/VLR 15 identyfikuje położenie GPS-MS 10 w sieci i wysyła komunikat poprzez odpowiedni BSC 22 i BTS1 20, nakazując GPS-MS 10 rozpoczęcie pomiarów GPS. GPS-MS odbiera żądanie i stosuje poprawne dane wspomagające oraz oszacowanie aktualnego czasu t₂ do obliczenia przesunięcia Dopplera i parametrów fazy kodu, które ogniskują jego proces pobierania.

PL 194 686 B1

7) Po dokonaniu pomiarów przez GPS-MS 10 w czasie t_m, konstruuje on odpowiedź i wysyła ją do BTS) 20 poprzez interfejs radiowy.

8) BTS1 20 przekształca czas pomiaru t_m z podstawy czasu sieci stosowanej w GPS-MS na podstawę czasu GPS. Te parametry są wstawiane do wynikowego komunikatu pomiarowego i wysyła się go do obsługującego MSC/VLR 15.

9) MSC/VLR 15 przekazuje wynikowy komunikat do żądającego MLC 14. Ta informacja jest stosowana przez MLC 14 wraz z położeniem BTS1 do obliczenia położenia GPS-MS 10. Opcjonalnie, MLC odpowiada informacją pozycyjną GPS-MS poprzez MSC/VLR.

Ewentualnym wariantem jest wykonanie przez BSC 22 przekształcenia podstawy czasu dla komunikatu wspomagającego i odpowiedzi pomiarowych z GPS-MS 10. W tym przypadku BSC 22 musi mieć informacje o synchronizacji interfejsu czasowego wszystkich BTS 20, które obsługuje, jak również informacje synchronizacyjne z odbiornika GPS. Ten schemat może być korzystny w pewnych sytuacjach, ponieważ w sieci potrzebnych jest mniej odbiorników odniesienia GPS.

Innym możliwym wariantem dla BTS1 20 jest obliczenie jednoznacznych danych wspomagających dla urządzeń ruchomych w jego obszarze, przekształcenie czasu podstawowego fr dla informacji wspomagających z czasu GPS na podstawę czasu sieci, z wykorzystaniem informacji o nich obydwu, oraz rozgłaszanie okresowe komunikatu albo transmisja danych wspomagających przy użyciu protokołu komunikatów typu punkt do punktu. W tym schemacie, po przeprowadzeniu pomiarów przez GPS-MS 10 i ich wysłaniu do BTS1 20, BTS1 20 może albo sam obliczyć położenie GPS-MS 10, albo opcjonalnie przekazać je do MLC poprzez MSC/VLR, po przekształceniu czasu pomiaru z podstawy czasu sieci stosowanej w GPS-MS 10 na podstawę czasu GPS. W takim schemacie BTS1 20 wykonuje niektóre albo wszystkie zadania wykonywane dotychczas przez MLC, ponieważ sam BTS1 20 ma dostęp do odbiornika GPS. Należy zauważyć, że nie jest to korzystny przykład wykonania, ale takie warianty są oczywiste dla znawcy i są zawarte w zakresie tego wynalazku.

Inną możliwą opcją dla zespołu przekształcającego jest zmiana wspomagającego parametru czasowego t_1f aby był zgodny z określonym zdarzeniem w czasie sieci. Na przykład BTS 20 może wybrać dopasowanie fr do początku FN1, tak że TN1 = BN1 = 0. Jeżeli stosuje się to jako standardową praktykę w sieci, może występować niejawna informacja o dopasowaniu pomiędzy BTS 20 i GPS-MS 10, więc TN1 i BN1 nie muszą być zawarte w komunikacie wspomagającym. Jednak zespół przekształcający musi zmodyfikować fazę bitową O,,k(ti), aby uwzględnić zmianę w fazie transmisji satelitarnych pomiędzy początkowym i nowym ty

Figura 4b pokazuje inny możliwy zbiór strumieni komunikatowych dla tego wynalazku. Ten protokół komunikatów reprezentuje przypadek sieci niezsynchronizowanej, takiej jak pokazana na fig. 1b. W tym przypadku sieć zawiera TMU 26 w znanych miejscach, które przejmują synchronizację GPS oraz sieci komórkowej, obserwując transmisje w obu systemach. Każdy TMU 26 ma związany z nim obsługujący BTS 20, poprzez który TMU 26 zgłasza swoje obserwacje w postaci zależności synchronizacyjnej pomiędzy transmisjami w GPS i w sieci. Protokół komunikatów pokazany na fig. 4b jest opisany następująco:

1. Każdy z P TMU 26 w części sieci obsługiwanej przez MLC 14 zgłasza do obsługującego MSC/VLR 15 zależności czasowe pomiędzy GPS i transmisje w komórkach obserwowanych przez odpowiednie TMU. Ten komunikat może być wysyłany okresowo na własne życzenie przez każdy TMU 26, albo może być wysyłany jako odpowiedź na żądanie tej informacji przez MLC.

2. MSC/VLR 15 przekazuje komunikat informacji synchronizacyjnej do MLC 14. Po udanym odbiorze komunikatu, MLC 14 ma możliwość przekształcenia pomiędzy podstawami czasu GPS i sieci.

3. MLC 14 oblicza jednoznaczną informację wspomagającą dla każdego BTS 20 w obszarze obsługowym MLC przy użyciu ważnych efemeryd GPS i poprawek zegarowych, bazy danych dla położeń BTS 20 i dokładnego czasu odniesienia. MLC przekształca czas od niesienia dla informacji wspomagającej na podstawę czasu sieci. MLC wysyła do MSC/VLR 15 informację wspomagającą dla wszystkich komórek obsługiwanych przez MSC/VLR.

4. MSC/VLR 15 odbiera informację wspomagającą z MLC 14, rozdziela ją na części odnoszące się do każdego obsługiwanego BSC 22 i wysyła poszczególne części do odpowiednich BSC.

5. Każdy BSC 22 odbiera komunikat wspomagający, rozdziela go na poszczególne komunikaty dla każdego obsługiwanego BTS 20 i wysyła poszczególne części do odpowiednich BTS.

6. Gdy BTS 20 odbierze nowy komunikat wspomagający, zastępuje poprzednią informację wspomagającą i zaczyna transmisję nowej informacji wspomagającej na BCCH. Ta informacja wspo18

PL 194 686 B1 magająca jest teraz dostępna dla wszystkich GPS-MS odbierających BCCH tej komórki, wraz z GPSMS 10, który odbiera i zachowuje informację wspomagającą.

7. MLC 14 wysyła komunikaa do MSC/VLR 15, żądając l(^lk^ll^^cci GPS-MS 10 prey użyciu pomiarów GPS.

8. MSC/VLR 15 Identyfikuje pc^oc^^^r^i^ GPS-MS 10 w sieci l wysyła komunikat poprzez odpowiedni BSC 22 i BTS 20 nakazując GPS-MS 10 rozpoczęcie pomiarów GPS.

9. Pop^prao/ad/reniu pomiaróww czasśe I_m, GPS-MS 10 konntruuje odpowieed I wyyyła j ą do MSC/VLR 15 poprzez BTS 20 i BSC 22.

10. MSC/VLFR15 w\^rΉ^c^-^\łkc^r^LUΉ^£^t do żądającegoMLC 14, kióry przeksztatca t_m z podstawy czasu sieci na czas GPS przy użyciu informacji pobranej z TMU 26. Ta informacja jest stosowana przez MLC 14 wraz z pomiarami i położeniem BTS1, aby obliczyć położenie GPS-MS 10. Opcjonalnie MLC odpowiada informacją o położeniu dla GPS-MS poprzez MSC/VLR.

Znawca od razu zauważy, że informację wspomagającą można także dostarczyć dzięki transmisji typu punkt do punktu, zamiast opisanego wyżej rozgłaszania. Protokoły komunikatów na fig. 4a i 4b można łatwo zmodyfikować, aby dopasować je do dostarczania typu punkt do punktu, przez usunięcie komunikatów stosowanych do rozprowadzania informacji rozgłoszeniowej ((1)-(4) na fig. 4a, (3)-(6) na fig. 4b). Zamiast tego można dostarczać informację wspomagającą z żądaniem pozycyjnym ((5) na fig. 4a, (7) na fig. 4b) z polem czasowym wspomagania, przekształcanym w odpowiednim węźle sieci.

Tak więc według wynalazku ujawnia się system i sposób, w których do stacji ruchomej dostarcza się informację wspomagającą w postaci zakresu ustalonego miejsca w sieci bezprzewodowej i pochodne zakresu, aby wspomóc odbiornik GPS w stacji ruchomej w przeprowadzeniu pomiarów położenia. Tę informację można zastosować do pomiaru faz kodu dla satelitów i przekazania zmierzonych faz kodu do sieci bezprzewodowej, aby obliczyć położenie stacji ruchomej.

Claims (39)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wspomagania przy dokonywaniu pomiarów położenia odbiornika GPS zintegrowanego ze stacją ruchomą zawierającą nadbiornik, znamienny tym, że przekazuje się z sieci bezprzewodowej do stacji ruchomej informację wspomagającą odwzorowującą zasięg ustalonego położenia w sieci bezprzewodowej w pobliżu stacji ruchomej w wybranym czasie i pochodne zasięgu w stosunku do wybranych satelitów systemu GPS, oraz za pomocą odebranej informacji wspomagającej mierzy się w stacji ruchomej fazy kodowe sygnałów odebranych z wybranych satelitów systemu GPS, które to fazy kodu reprezentują zasięg stacji ruchomej względem wybranych satelitów.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wybrany czas zawarty w informacji wspomagającej jest odniesiony dla stacji ruchomej jako czas sieci bezprzewodowej.
3. 3. Sposób według 2, znamienny tym. że sieć ^/ΚοΓζνοΗρίο metody dostępu wielokrotnego z podziałem czasu, a wybrany czas jest reprezentowany przez numer ramki, numer szczeliny czasowej i liczbę bitów transmisji sieciowych obsługujących obszar geograficznie bliski stacji ruchomej.
4. 4. Sposób według zas^z. 3, znamienny tym. że numee szczellny czasowee Ilczba bitów albo obydwie te wielkości są niejawnie znane zarówno sieci bezprzewodowej jak i stacji ruchomej i nie są wysyłane.
5. 5. Sposób według 2, znamienny tym. że sieć wykorzystuje metodę dostępu wielokrotnego z podziałem kodu, a wybrany czas jest reprezentowany przez fazę kodu dostępu wielokrotnego dla transmisji sieciowych obsługujących obszar bliski geograficznie stacji ruchomej.
6. 6. Sposóbwedługzastrz. 2, znamienny tym, że w etapiepreekazywania zasśęgj ess towany jako faza bitowa obserwowana w ustalonym miejscu w wybranym czasie.
7. 7. Sposób według zas^z. 6, tym, że wybrany czas less zgodny z 20 ms okresem bitowym, w którym satelity systemu GPS wysyłają komunikaty nawigacyjne.
8. 8. Sposób według 1, zr^^r^i^i^i^\y tym, że w e1:apie ppzekazywania wyllcza się Informację wspomagającą oraz kwantyzuje się i koduje się ją w celu przekazania przez sieć bezprzewodową do stacji ruchomej.
9. 9. Sposób według zas^z. 2, znamiennytym, że za pomocą I nto-macji wspomagającej wyUcza się w stacji ruchomej estymatory fazy kodu i przesunięcia częstotliwości sygnałów wysyłanych przez wybrane satelity, oraz wykorzystuje się te estymatory do pobrania sygnału i pomiaru fazy kodu dla określonego satelity.

   PL 194 686 B1
10. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny t^r^, że dla określenia położenia stacji ruchomej zawierającej nadbiornik i odbiornik globalnego systemu lokalizacji GPS, przekazuje się z sieci bezprzewodowej do stacji ruchomej informację wspomagającą reprezentującą zasięg ustalonego miejsca w sieci bezprzewodowej w pobliżu stacji ruchomej w wybranym czasie i pochodne zasięgu odnoszące się do wybranych satelitów GPS, oraz za pomocą odebranej informacji wspomagającej, mierzy się fazy kodu złożonych odebranych sygnałów z wielu wybranych satelitów systemu GPS i przekazuje się zmierzone fazy kodu do sieci bezprzewodowej oraz wylicza się położenie stacji ruchomej w sieci bezprzewodowej wykorzystując ustalone miejsce i zmierzone fazy kodu.
11. 11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że wybrany czas jest zawarty w informacji wspomagającej i jest odniesiony dla stacji ruchomej jako czas sieci bezprzewodowej.
12. 12. Sposób według 11, znamienny tym, że sieć melody dostępu wielokrotnego z podziałem czasu, a wybrany czas jest reprezentowany przez numer ramki, numer szczeliny czasowej i liczbę bitów transmisji sieciowych obsługujących obszar geograficznie bliski stacji ruchomej.
13. 13. Sposóbwedługzasstz. 12, znamiennytym, że numer szczellny czasoweji I lczbabitów albo obydwie te wielkości są niejawnie znane zarówno sieci bezprzewodowej jak i stacji ruchomej i nie są wysyłane.
14. 14. Sposób według 11, znamienny tym, że sieć bezprzewodowa wykorzystaje mejodę dostępu wielokrotnego z podziałem kodu, a wybrany czas jest reprezentowany przez fazę kodu dostępu wielokrotnego dla transmisji sieciowych obsługujących obszar bliski geograficznie stacji ruchomej.
15. 15. Sposób według 11, znamienny tym, że w eeapie zasięg jess zentowany jako faza bitowa obserwowana w ustalonym miejscu w wybranym czasie.
16. 16. Sposób według zas^z. 1 znamiennytym, że wybrany czas j ess zgodny z 20 ms okresem bitowym, w którym satelity systemu GPS wysyłają komunikaty nawigacyjne.
17. 17. Sposób według zassrz. 10, znarnienny tyti. że w etapie przekazywania wyllcza się informację wspomagającą oraz kwantyzuje się i koduje się ją, w celu przekazania przez sieć bezprzewodową do stacji ruchomej.
18. 18. Sposób według zassrz. 11, znamienny tym, że za pr^rm^r^^ lofcrmaccj wspomagającej wyllcza się w stacji ruchomej estymatory fazy kodu i przesunięcia częstotliwości sygnałów wysyłanych przez wybrane satelity oraz wykorzystuje się te estymatory do pobrania sygnału i pomiaru fazy kodu dla określonego satelity.
19. 19. Sposób według zassrz. 10, znamienny tym, że ussala się w siaccj ruchomej czas pomiaru, odpowiadający pomiarowi fazy kodu mierzonego dla jednego z wybranych satelitów, i ten czas pomiaru przekazuje się z powrotem do sieci bezprzewodowej.
20. 20. Sp^c^^(^trw^j^łłU3Z£^^Sr^^. j9, znamiennytym. że czas pomiaru j ess odniesiony do czasusieci bezprzewodowej, a podczas wyliczania przekształca się go na czas bezwzględny GPS.
21. 21. Sposób według z^^ł^t^^. 10, znarnienny tyii, że ruchome centrum lokallzacyyne MLC sieci bezprzewodowej, w którym odbywają się wyliczenia, łączy się ze stacją ruchomą poprzez nadbiornik bazowy BTS o ustalonym położeniu.
22. 22. Sposób według zassrz. 21, znamienny tym, że w ruchomym conTum lokallzacyynym MLC zawierającym odbiornik GPS odbiera się informacje efemerydalne i wylicza się z nich informację wspomagającą.
23. 23. Sposóbwedług zasirz. 22, znamienny tym. że w nadbiomikubazowym BTS zawierającym odbiornik GPS wytwarza się dokładne odniesienie czasowe, wiążące czas w sieci bezprzewodowej z bezwzględnym czasem GPS.
24. 24. Sposób według zassrz. 22, znarnienny tym, że w zespole pomiaru czasu TMU sieci bezprzewodowej, mającym odbiornik GPS i nadbiornik bezprzewodowy, monitoruje się transmisje wielu nadbiorników bazowych BTS, a odniesienie czasowe z zespołu pomiaru czasu TMU przekazuje się do ruchomego centrum lokalizacyjnego MLC, aby powiązać czas w sieci bezprzewodowej z czasem GPS.
25. 25. System do οΚι^^^Ι^ι^ή^ pokożenia siaccj ruchomej nadbiornik działający w sieci bezprzewodowej i odbiornik GPS, który to system zawiera układ sterowania siecią bezprzewodową z odbiornikami GPS do uzyskiwania danych efemerydalnych, znaiienny ty,, że układ sterowania przekształca informację wspomagającą z danych efemerydalnych i wysyła ją do stacji ruchomej poprzez sieć bezprzewodową, przy czym informacja wspomagająca reprezentuje zasięg ustalonego miejsca w sieci bezprzewodowej blisko stacji ruchomej w wybranym czasie, oraz pochodne zasięgu odnoszące się do wybranych satelitów GPS, natomiast stacja ruchoma zawiera układ wykorzystujący

    PL 194 686 B1 odebraną informację wspomagającą do wyszukania sygnałów złożonych, odebranych z wybranych satelitów GPS, i do pomiaru fazy kodu wybranych satelitów w GPS oraz przekazania z powrotem zmierzonych faz kodu do systemu sterowania siecią bezprzewodową poprzez sieć bezprzewodową, ponadto system sterowania siecią bezprzewodową zawiera układ do obliczania położenia stacji ruchomej w sieci bezprzewodowej z wykorzystaniem ustalonego położenia i zmierzonych faz kodu.
26. 26. System według zastrz. 25, znamienny tym, że wybrany czas jest zawarty w informacji wspomagającej i jest określany dla stacji ruchomej jako czas sieci bezprzewodowej.
27. 27. System według zastrz. 26, znamienny tym. że sieć bezprzewodowa wykorzystuje metody dostępu wielokrotnego z podziałem czasu, a wybrany czas jest reprezentowany przez numer ramki, numer szczeliny czasowej i liczbę bitów transmisji sieciowych obsługujących obszar geograficznie bliski stacji ruchomej.
28. 28. Syssem wedługzassirz. 27, tym. że numer szczellny Ilczba bitów albo obydwie te wielkości są niejawnie znane zarówno sieci bezprzewodowej jak i stacji ruchomej i nie są wysyłane.
29. 29. System według zastrz. 26, znamienny tym. że sieć bezprzewodowa metodę dostępu wielokrotnego z podziałem kodu, a wybrany czas jest reprezentowany przez fazę kodu dostępu wielokrotnego dla transmisji sieciowych obsługujących obszar bliski geograficznie stacji ruchomej.
30. 30. SysSem wedługzastrz. 26, zi^^r^i^i^i^yyt^r^, że zasięgj esS reprezentowanyjakofazabitowa obserwowana w ustalonym miejscu w wybranym czasie.
31. 31. Syssem według 30, tym. że czas jess zgodny z 20 ms okresem bitowym, w którym satelity GPS wysyłają komunikaty nawigacyjne.
32. 32. Syst:em według zastrz. 25, znamienny tym. że system sserowania siecią zawiera układ do wyliczania informacji wspomagającej oraz kwantyzacji i kodowania informacji wspomagającej, w celu przesłania przez sieć bezprzewodową do stacji ruchomej.
33. 33. System według zastrz. 26, znamienny tym, że stacja ruchoma wykorzystuje informację wspomagającą do wyliczania estymatorów fazy kodu i przesunięcia częstotliwości sygnałów wysyłanych przez wybrane satelity, a estymatory wykorzystuje do pobrania sygnału i pomiaru fazy kodu dla określonego satelity.
34. 34. Syssem wedłu g zasstz. 25, znamiennytym, że ssacjaruchoma układdo nia czasu pomiaru, odpowiadającego pomiarowi fazy kodu jednego z wybranych satelitów i przesłania tego czasu pomiaru z powrotem do sieci bezprzewodowej.
35. 35. System według zastrz. 34, znamienny tym, że czas pomiaru jest zgodny z czasem sieci bezprzewodowej, a układy obliczające przekształcają czas pomiaru na czas bezwzględny GPS.
36. 36. Syssem według zas^z. 25, tym. że sieć bezprzewodowa zawiera ruchome centrum lokalizacji (MLC), które łączy się ze stacją ruchomą za pośrednictwem nadbiornika bazowego (BTS) o ustalonym położeniu, a układ obliczający jest określony przez ruchome centrum lokalizacji (MLC).
37. 37. Syssem według zasirz. 36, znamienny tym, że ruchomecenltrum I<^l^^ll^^<ci (MLC) zawierające odbiornik globalnego systemu określania położenia (GPS) odbiera informacje efemerydalne i wylicza informację wspomagającą z informacji efemerydalnych.
38. 38. Syssem według zassrz. 37, tym, że nadbiornik bazowy (BTS) zawiera odbiornik globalnego systemu określania położenia (GPS), do dostarczania dokładnego odniesienia czasu w sieci bezprzewodowej do bezwzględnego czasu GPS.
39. 39. System wet^łuu] zastrz. 3Q, znamienny tym, że sieć bezprzewodowa zawiera ponadto zespół pomiaru czasu (TMU), mający odbiornik globalnego systemu określania położenia (GPS) i nadbiornik bezprzewodowy monitorujący nadbiornik bazowy (BTS), w celu dostarczania dokładnego odniesienia czasu w sieci bezprzewodowej do bezwzględnego czasu GPS.