專利名稱：在異步無線網絡內的移動站中設定粗略gps時間的系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及通過使用無線信號確定一例如蜂窩電話的移動站位置的定位系統。
背景技術：
現有的基于全球定位系統(GPS)人造衛星的定位技術利用一人造衛星(通常稱為太空飛行器(SV))網絡，所述網絡發射準確定相位參考GPS時間的信號。地面上的GPS接收機測量來自每一“視野內”SV(即，每一所述接收機可從其接收信號的SV)的信號到達的相對時間。通過使用一種通常稱為三邊測量的技術，用所述信號到達的相對時間連同所述SV的精確位置來確定GPS接收機的位置。需要在從每一SV發射信號時對GPS時間有相對準確的估計，以便準確地確定在信號發射時每一SV的位置。例如，SV相對于地球的運動可達到950米每秒。使用一數學等式來計算SV的位置，所述等式能及時預測一SV在特定時間點上在其軌道上的位置。由于SV的速度，一毫秒的時間誤差將等同于高達0.95米的SV位置誤差。這在GPS接收機位置計算中導致的誤差可能不同。然而，一般的經驗法則是一毫秒的時間誤差將導致所算得的GPS接收機位置有約0.5米的誤差。
為了獲知信號從SV發射的準確時間，一標準GPS接收機解調來自所接收信號的發射時間或維持一估計本地接收機時鐘與GPS時間之間的差異的時鐘偏差估計。建立所述GPS接收機的自由運行時鐘與GPS時間之間的時間偏差通常被稱為“設定時鐘”。如果所述GPS接收機在良好狀況下接收SV信號，那么GPS接收機就可以基于接收到的信號中所含有的信息來設定時鐘。所接受到的信息指示發射時間。然而，即使在最佳的狀況下，由于用來接收由SV發射的必要信息所需的時間量的緣故，設定時鐘可能會消耗相當長的時間(例如，高達6秒或更多)。此外，在信息受到阻塞或削弱的環境中，所述GPS接收機根本無法將時鐘設定成GPS時間，并因此根本無法確定其位置。
另一種設定時鐘的方式是將時鐘與一參考時鐘同步，所述參考時鐘與GPS時間具有已知關系。例如，在用于CDMA網絡中的CDMA移動站(MS)(例如一蜂窩電話)中與GPS時間的同步是直接的。這是因為CDMA網絡與GPS時間同步。與GPS時間同步意味著來自網絡內每一基站的發射都參考GPS時間。因此，MS中的所述CDMA接收機知道GPS時間。所述MS內的操作軟件可簡單地將此GPS時間傳遞給GPS接收機軟件，其通過(例如)將所述GPS時間與一精確硬件信號或脈沖相關聯，所述信號或脈沖允許GPS接收機軟件將GPS時間與其自身的時鐘時間以精確方式相聯系。如上所述，GPS接收機內部對精確GPS時間的預先知曉可以顯著縮短確定GPS接收機位置(通常稱為“獲得GPS坐標”)所需的時間。特別是在有干擾的環境中，對精確GPS時間的預先知曉對于獲得GPS坐標可能會是重要的乃至是必需的。
為了在CDMA系統中更快且更有效地確定GPS坐標，電子工業協會/電信工業協會(EIA/TIA)采用一種稱為“IS-801標準”或簡稱“IS-801”的標準。IS-801包括一套規則(通常稱為“協議”)。所述協議規定可在定位服務器(通常稱作PDE)與MS之間交換的數據內容和消息序列。這些IS-801消息幫助所述GPS接收機測量虛擬距離和/或產生位置坐標。例如，IS-801消息包括對“星歷表”的請求。星歷表為關于SV軌道的信息。IS-801消息還包括其它輔助信息，例如關于預期SV將發送的比特模式的信息。對比特的預測允許GPS接收機在較長時間周期中執行相干積分。這又會增加GPS接收機的靈敏度。
然而，一些例如全球移動通信系統(GSM)網絡的蜂窩網絡與GPS時間并不同步。此等系統被稱為“異步的”。因此，異步網絡中的GPS接收機不能直接訪問來自通信信號中的GPS時間。在存在干擾時或如果來自SV的信號被削弱時，無法從通信系統獲得GPS時間的GPS系統可能需要更長的時間來確定GPS坐標。在極端情況下，如果存在太多的干擾，可能無法確定GPS坐標。在異步系統中確定GPS時間的一種方法被稱為“模式匹配”方法。在模式匹配方法中，將在MS處接收到GPS信號的時間與在一與GPS時間同步的參考接收機處接收到GPS信號的時間進行比較。假定所述發射SV與所述參考接收機之間的距離同所述發射SV與所述GPS接收機之間的距離基本上相等，則所述參考接收機接收到信號的時間可以用來設定所述GPS接收機內的時鐘。然而，由于由GPS SV發射的信息是重復的，所以所述模式匹配方法的有效運作要求MS“粗略地”與GPS時間同步，例如在幾秒之內。否則，不可能判斷由GPS接收機接收的信息是否在由參考接收機接收信息的同時發射。
例如，假定一特定GPS SV每兩秒鐘發射一次相同的信息。進一步假定GPS接收機內的時鐘可能被來自參考接收機內的時鐘的兩秒鐘抵消。現在假定參考接收機內的時鐘和GPS接收機內的時鐘都指示所討論之信息恰好在下午12:00時接收。由于我們不知道GPS接收機真正接收所述信息的時間，所以事實上所述信息可能是在下午12:00整、下午12:00前兩秒鐘或者下午12:00后兩秒鐘接收到的。換言之，由GPS接收機接收的信息可能是SV實際上在參考接收機接收信息的同時、兩秒鐘前或兩秒鐘后發出的。因此，無法判斷參考接收機內的時鐘與MS是完全同步還是偏離同步兩秒鐘。
粗略時間同步確保MS內的時鐘與GPS時間以足夠的精確度同步，以確保模式匹配方法可毫無疑問地確定準確的時間。已知幾種用來建立粗略時間同步的方法。在一種方法中，使用一發射和確認消息對。例如，MS發射一時間請求且同時開始一本地計時器。BTS從MS接收到所述請求且通過發送當前時間來確認收到所述請求。MS從BTS接收時間估計。MS隨后終止所述本地計時器并讀取所經過的時間。這種系統可以輔助建立粗略同步，但是其增加了成本，可能變得比較復雜，并且可能引起不希望的時間延遲。因此，需要一種更快且更有效的用來在GPS接收機內設定粗略GPS時間的系統。
發明內容
本文所描述的方法和系統通過改進用來設定粗略時間的程序，使僅打算用于同步網絡的IS-801協議可以被異步系統中的移動站(MS)使用。所揭示方法和系統的一個實施允許一種“模式匹配”算法將接收機的時鐘更精確地設定成精確的GPS時間。
本文描述一種方法，其用于在一移動站(MS)的GPS接收機內設定粗略的GPS時間，所述移動站通過基站與一位置確定實體(PDE)通信。所述GPS接收機配置成從多個與GPS時間同步的SV周期性地接收所發射的導航比特。所述導航比特包括至少一個時間指示器域。所述MS從PDE請求一靈敏度輔助(SA)消息。所述消息包括一預測導航比特序列。響應來自MS的請求，與GPS時間近似合拍地從基站發送SA消息。在MS中接收所述SA消息并保存接收的時間。預測導航比特內定位有一預測時間指示器域。響應所定位的時間指示器域，確定一預測“周時間”(TOW)。響應所預測的TOW，在GPS接收機內設定粗略的GPS時間以反映在預測TOW所指示的時間上接收到預測導航比特。使用所述粗略時間，GPS接收機可更快且有效地確定GPS接收機的位置。例如，響應粗略GPS時間和預測導航比特，可執行一模式匹配算法來提供精確的GPS時間。
為了更好地設定粗略時間，可通過使用預期網絡延遲來確定TOW內的預期誤差。然后，在GPS接收機內設定粗略GPS時間的步驟可包括調節時間以考慮到由于網絡延遲造成的預期誤差。
本文揭示的方法使常規IS-801消息能夠用于輔助確定一例如GSM或UMTS(通用移動電話服務)的異步網絡中的GPS接收機的位置。在所描述的一個實施例中，所發射的導航比特具有一包括復數個幀的格式。每一幀組織成多個子幀。每一子幀具有一“時間指示器”域，例如“周時間”域。IS-801標準的SA消息包括至少一個預測導航比特的子幀。在這種實施例中，所述方法可進一步包含在所述預測導航比特的子幀內定位一個“預測時間指示器”域，并響應所述預測時間指示器來計算TOW。
在一些實施例中，所述SA消息包括一指定所述預測導航比特的長度的“數據長度”域和一“參考比特號碼”。所述參考比特號碼相對于包括實際參考比特的幀的第一比特，來在實際導航比特的幀內定位“實際參考比特”。
選作實際參考比特的特定比特是因為其對應一預測參考比特而被選中，所述預測參考比特處于預測導航比特流中的一已知位置。預測參考比特的位置是相對于預測導航比特流的開始處而得知的。通過相對于所述幀的開始處來定位實際參考比特并相對于預測導航比特流的開始處來定位預測參考比特，可以識別并定位整個預測導航比特流內的每一個域。
一旦定位，便解碼預測導航比特內的時間指示器域以提供一“預測時間指示器”。響應于所述預測時間指示器，確定一TOW，其中預測導航比特序列中的預測第一比特估計在所述TOW處被接收。因此，在GPS接收機內接收到預測導航比特序列中的預測第一比特時，基于所述TOW設定粗略GPS時間，其中在所述TOW處估計已接收到預測導航比特序列中的預測第一比特。關于一周時間參考來定義所述預測時間指示器。確定所述TOW的步驟可能包含計算一對應于從周時間參考直到預測導航比特序列中的第一比特所經過的比特數目的“周比特”。所述計算周比特的步驟可能包括確定預測導航比特序列的預測第一比特是否與預測時間指示器在相同的子幀內，并對此做出響應來調節所述預測時間指示器。
因此，揭示調節TOW的計算方法，以考慮到例如周滾轉(其中放置所述TOW的子幀直接位于一周末尾/開始處的轉換之前)的邊界狀況以及預測導航比特序列的第一比特與TOW域位于不同、相鄰幀的情況。
所述方法可在一MS中實施，用來利用從多個與GPS時間同步的SV周期性發射的導航比特來確定位置。所述周期性發射的導航比特包括一時間指示器域。所述MS還與一個或一個以上基站和一位置確定實體(PDE)通信。
為了更加全面地理解本發明，現參考以下對附圖中所說明的實施例的詳細描述，其中圖1展示多個蜂窩基站、GPS SV和一持有例如蜂窩電話的移動裝置的用戶；
圖2為一個含有通信和定位系統的實施例中的移動裝置的方塊圖；圖3為一包括幀、子幀和字節的GPS信號中的消息結構的圖；圖4為一由IS-801協議規定的GPS靈敏度輔助(SA)消息41的結構的圖；圖5為一通過使用異步網絡中的SA消息來設定粗略時間的步驟的流程圖；和圖6為一展示預測導航比特、一GPS消息的幀和TOW域之間的通信的比特映象。
具體實施例方式
在下列描述中參考了所述圖示，其中相同的數字代表相同或相似的元件。
術語和首字母縮寫詞表下列術語和首字母縮寫詞在具體實施方式
中通篇使用GPS全球定位系統。盡管術語GPS常用來指美國全球定位系統，但這一術語的含義包括其它全球定位系統，例如俄羅斯Glonass系統(Russian Glonass System)和計劃中的歐洲伽利略系統(European Galileo System)。
CDMA碼分多址。CDMA是一種高容量數字無線技術，其是由QUALCOMMTM公司開創并在商業上開發出來的。CDMA是GSM標準的主要商業對手。
GSM全球移動通信系統。GSM為一種廣泛使用的替代數字無線技術。
UMTS通用移動電話服務。UMTS為一種下一代高容量數字無線技術。
MS移動站。MS為任何移動無線通信裝置，例如一具有一用于與一個或一個以上基站通信的基帶調制解調器的蜂窩電話。本發明中所涉及的MS包括一GPS接收機以提供位置確定能力。
BS基站。BS為一與移動站通信的實體，例如BS可以包括BTS、移動交換中心(MSC)、移動定位中心(MPC)、PDE和任何對網絡連接有用的交互工作功能(IWF)。
BTS基地收發機站。BTS為用于與移動站通信的固定站。其包括用于發射和接收無線信息的天線。
SV太空飛行器。一套SV組成全球定位系統的一個主要元件。SV繞著地球運轉并播放在其它信息中可獨特確認的信號。
虛擬距離測量法虛擬距離測量法為一種用來確定發射器與接收機之間相對距離的測量法。其為由GPS接收機所采用的一種方法，且其基于信號處理技術來確定接收機與一選定SV之間的估計距離。所述距離是根據從所述SV到所述接收機的信號發射時間來測量的。“虛擬”指的是所述SV的時鐘與所述接收機不同步。因此，所述測量法含有一未補償的時鐘誤差期。
PDE位置確定實體。PDE為一種通常位于CDMA網絡內的系統資源(例如，一服務器)，其與一個或一個以上GPS參考接收機協同工作，其能夠與MS交換GPS相關信息。在一MS-輔助的A-GPS對話中，PDE發送GPS輔助數據到MS以增強信號獲得程序。所述MS將虛擬距離測量返回PDE，其隨后能夠計算所述MS的位置。或者，在一基于MS的A-GPS對話中，所述MS將計算的位置結果發送回所述PDE。
GPS SA消息全球位置靈敏度輔助消息。所述GPS SA消息在IS-801協議中定義。所述GPS SA消息包括當前可見SV的預測導航比特。所述導航比特由PDE預測，且以OTA(“空中”)格式從PDE發送到MS。
IS-95IS-95指由電信工業協會/電子工業協會出版的工業標準文件——TIA/EIA-95-B，題為“Mobile Station-B ase Station Compatibility Standard for WidebandSpread Spectrum Systems”(用于寬帶擴頻系統的移動站-基站兼容標準)。
IS-801IS-801指由電信工業協會/電子工業協會出版的工業標準文件——TIA/EIA/IS-801，題為“Position Determination Service Standard for Dual-Mode SpreadSpectrum System”(用于雙模擴頻系統的位置確定服務標準)，其為IS-95和IS-2000-5的附屬標準，描述MS與PDE之間的協議。
GPS坐標GPS坐標為測量和隨后計算處理的最終結果，通過其確定GPS用戶的位置。
IS-801對話IS-801對話為MS與PDE之間以IS-801標準規定的方式進行的數據交換序列，其目的是得到位置坐標。所述序列通常含有由PDE發送的各種GPS輔助消息和由MS發送的虛擬距離或位置結果。對話開端由任一端通過請求發起數據交換序列的時間來標記，且所述對話在發起端用對話結束消息終止交換序列時結束。
移動終止(MT)對話MT對話為由PDE發起的IS-801對話。
移動發起(MO)對話MO對話為由MS發起的IS-801對話。
OTA(“空中”)格式OTA格式為其中消息是物理發射的格式。
綜述本文所描述的系統提供一種用來在移動站(MS)內“粗略設定本地時間”的方法。所述系統包括接收一“計時輔助”消息，其包括與一同時從例如GPS人造衛星的另一源發射的導航消息中的一部分相同的信息(和格式化)。所述計時輔助消息內包括參考比特。所述參考比特的到達時間由本地時鐘記錄在MS內。假定所述計時輔助消息在一適當計算的時間發射，以導致所述計時輔助消息在導航消息從GPS SV發射的同時到達MS，便可根據所述計時輔助消息內含有的信息(例如一預測時間指示器域)計算出所述參考比特被接收的相對時間，下文中將對此作更詳細的解釋。
本發明所揭示的方法和設備的一個優點在于其將IS-801協議的使用從原先用于同步系統拓展為可用于異步系統，以輔助確定一移動站(MS)的位置。通常，通過首先利用本文所描述的方法來設定粗略時間，可將模式匹配算法用來改進粗略時間并將接收機的時鐘設定為精確的GPS時間。本文描述的設定粗略時間的方法是有用的，因為沒有本發明描述的方法，同步系統中MS與服務器之間交換的IS-801消息通常無法用于利用異步網絡的系統中。特別是，在IS-801標準中，沒有為時間轉換定義的專用消息。本發明描述一種用于從IS-801消息推算時間估計的方法。
圖1說明一種可實施本文所描述的粗略時間設定系統的環境。在所描述的一種環境中，在一移動站(MS)中一同實施了GPS接收機和蜂窩電話。然而，顯而易見，本發明可用于與一個或一個以上地面(land-based)站通信的任何其它類型的移動站(除了蜂窩電話)。此外，MS和GPS接收機無需集成在一起，而可能是通過直接連接或無線通信來電耦合。
圖1展示多個由參考數字10總體指代的蜂窩基站、由參考數字11總體指代的通常稱成為太空飛行器(SV)的GPS人造衛星和一握著MS 14的用戶13。如參考圖2更詳細的描述，MS 14包括一例如GPS系統的位置定位系統27和一例如蜂窩電話的通信系統22，其利用雙向通信信號20與蜂窩基站10通信。用戶13可能如圖中所示一樣步行，或可能(例如)在汽車或公共交通工具中行進。為方便描述，本文稱位置定位系統27為“GPS”系統，然而，應當了解，本文所描述的系統可以實施為若干其它類型的定位系統中的任何一種。
SV 11包含任何用來定位GPS接收機的SV群。所述SV經過同步化以發出與GPS時間同步的無線信號12。這些信號以預定頻率且以本文將在別處更詳細描述的預定格式產生。在一當前GPS實施中，每一SV在L頻率帶(GPS接收機在其上運作)上發射一GPS信號。如在背景技術中討論的，當MS 14中的GPS接收機29檢測到GPS信號12時，GPS系統27試圖計算從GPS信號12發射到接收之間時間流逝的量。換言之，GPS系統27計算每一GPS信號12從其相應的SV 11傳播到GPS接收機29所需要的時間量的差異。所述相對測量法被稱為虛擬距離。所述虛擬距離定義為c·(Tuser+Tbias-Tsv)，其中c為GPS信號12的速度，Tuser為當接收到來自給定SV 11的信號12時的GPS時間，Tbias為根據用戶時鐘的時間與實際GPS時間之間的差異，且Tsv為當SV 11發射信號12時的GPS時間。在通常情況下，接收機29需要解決四個未知數X、Y、Z(接收機天線的地心地固直角坐標系坐標)和Tbias(當接收到信號12時，接收機GPS時間估計與真實GPS時間的偏差)。在此一般情況下，解決所述四個未知數通常需要來自四個不同的SV 11的測量。然而，在某些情況下可放寬這一約束。例如，如果可得到一高度估計，那么所需要的SV 11數目可從四個降為三個，因為高度測量可用來定義Z方向上的值，從而僅留下三個未知數有待解決。
蜂窩基站10包含任何用作通信網絡的一部分的蜂窩基站集合，其使用無線信號20與MS 14通信。蜂窩基站10連接到一蜂窩基礎設施網絡15，所述網絡提供與多個例如公共電話系統16的其它通信網絡、例如因特網的計算機網絡17、一位置確定實體(PDE)18(如上文的定義)和其它多種在方塊24中一同展示的通信系統的通信服務。一可能在基站10內或附近或者在任何其他合適位置的GPS參考接收機19與PDE 18通信，以提供例如GPS時鐘的對確定位置有用的信息。
地面蜂窩基礎設施網絡15通常提供允許蜂窩電話的用戶13與另一使用電話系統16的電話相連接的通信服務；然而，所述蜂窩基站還可用來與其它裝置通信且/或用于其它通信目的，例如用手持個人數字助理(PDA)進行因特網連接。在一個實施例中，蜂窩基站10為GSM通信網絡的一部分；然而，在其它實施例中可使用其它類型的異步通信網絡。
圖2為包括通信和位置定位系統的移動裝置14的一個實施例的方塊圖。
在圖2中展示一蜂窩通信系統22，其連接到一使用蜂窩信號20通信的天線21。所述蜂窩通信系統22包含合適的裝置，例如調制解調器23、硬件和用來與蜂窩基站通信和/或檢測來自蜂窩基站的信號20以及處理所發射或接收的信息的軟件。
MS中的位置定位系統27(在此實施例中為GPS系統)連接到GPS天線28，以接收以理想GPS頻率或近似頻率發射的GPS信號12。所述GPS系統27包含一GPS接收機29、一GPS時鐘30(其可考慮時鐘偏差和不確定因素)和任何用來接收并處理GPS信號且用來執行任何必要計算以使用任何合適的位置定位算法來確定位置的合適硬件和軟件。Norman F.Krasner的美國專利第5,841,396號、第6,002,363號和第6,421,002號中揭示了GPS系統的一些實例。所述GPS時鐘30意圖維持準確的GPS時間，然而由于準確時間常常是未知的，因此通過其值和關于其值的不確定性來在GPS時鐘軟件中維持時間是通常的做法。應注意在一準確GPS定位坐標之后，將非常準確地知道GPS時間(達到在當前GPS實施中十億分之幾秒內以的不確定性)。
移動裝置控制系統25與雙向通信系統22和位置定位系統27都相連。所述移動裝置控制系統25包括任何合適結構，例如微處理器、存儲器、其它硬件、固件和軟件，以提供用于與其相連接的系統的合適控制功能。顯而易見，本文所描述的處理步驟可使用服從所述微處理器控制的一個或一個以上硬件、軟件和/或固件組件以任何合適的方式來實施。
控制系統25還連接到一用戶接口26，所述接口包括任何用來與用戶接口連接的合適組件，例如鍵盤、用于聲音通信服務的麥克風/揚聲器和例如背光LCD顯示器的顯示器。連接到位置定位系統27的所述移動裝置控制系統25和用戶接口26提供用于GPS接收機和例如控制用戶輸入和顯示結果的雙向通信系統的合適功能。
圖3為GPS信號20中的標準消息結構的圖。在一個實施中，SV以五十比特每秒鐘(50bps)的速率發射幀的序列。所述消息結構包括一1500比特長度的幀31，其由5個子幀32組成。每一子幀含有十個字節34，每一字節34為三十個比特長。在這三十個比特中，指定六個比特為奇偶比特，其余24個比特為源數據比特。這24個源數據比特稱為“導航”比特。
在一個當前GPS實施中，在發射之前，每一SV通過模數-2將每一字節中的所述24個導航比特轉換為“空中”(OTA)格式，向其每一者添加最近計算的前一個字節的奇偶比特(所謂D30比特35)。因此，如果D30比特35為一邏輯“1”，那么每一源數據比特將被倒轉。如果D30比特35為一邏輯“0”，那么源數據比特不受影響。然后，使用漢明碼(Hamming Code)計算所述字節的其余六個奇偶比特。當在GPS接收機接受到SV信號時，將消息從其OTA格式解碼從而重新得到源數據比特。如下文中更詳細討論的，SV消息的獲得可能要消耗一些時間，因為其以50bps的相對較慢的速度進行。在有干擾的環境中，可能難以(或不可能)實現準確的解碼。此外，時間信息(本文中稱為當前GPS實例中的一“子幀計數”(SUBFRAME COUNT))僅每六秒發生一次，這意味著解碼時間序列的機會相當罕見。在有干擾的環境中解碼可能會存在問題，且可能會丟失一個或一個以上確定時間序列的機會，這可能導致在可成功解碼時間信息前長久的時間延遲。
每一300比特子幀32以一30比特“遙測”(TLM)字節36開頭。TLM字節36后面為一30比特移交字節(HOW)37。HOW包括一19比特值中的17個最重要比特。所述19比特值有時被稱為“周時間”(TOW)。所述17比特長的域包含TOW的所述17個最重要比特，其在本文中被稱為子幀計數。所述子幀計數為一預測時間指示器，其用于當前揭示的方法中用來進行粗略時間設定。特別是，所述子幀計數域中的值指示在下一子幀相對于該周的開端的時間。因為所述子幀計數在每周的開端重新設定為零且每6秒鐘遞增一次，所以所述子幀計數可用作一子幀計數器。
為此文件之目的，“子幀時間點”為一個子幀周期終止而下一個開始的時間瞬間。所述子幀計數限于0到100,799的范圍。應注意，每6秒100,800次等于一周中的秒數。應了解，100,800還是每周發射的子幀的數目。在每周末尾(即，當所述子幀計數達到最大值時)，將所述子幀計數重新設定為零。因此，所述子幀計數的第一個狀態(即，為零的子幀計數)在子幀時間點發生，其與當前周的開始相一致。(在當前GPS實施中，這一時間點在午夜星期六夜晚-星期日早晨發生，其中午夜定義為協調世界時(UTC)刻度上的0000時，其名義上稱為格林威治子午線。)此處應注意，所述子幀計數有時被模糊地稱作“移交字節”(HandoverWord，HOW)或“周時間”(Time of Week，TOW)。然而，在本發明中并非如此。
如果GPS接收機可在良好狀況下從GPS SV接收SV信號，那么所述接收機可解調由可見SV發射的導航比特，且因此所述接收機將能夠解碼子幀計數。所述子幀計數隨后可用來將接收機內的時鐘設定為GPS時間。然而，接收所述子幀計數可消耗長達6秒的時間，因為所述子幀計數在每一子幀中僅發生一次，即每六秒一次。此外，在信號受阻塞或削弱的環境中，數據比特并非總能解調，或者如果可能也要消耗相當長的時間。因此，為了不管信號狀況如何，都能夠在異步網絡中進行高速粗略時間設定，本文描述了一種利用IS-801協議的特定消息(GPS靈敏度輔助消息)的系統。
所述靈敏度輔助(Sensitivity Assistant，SA)消息是從PDE 18通過蜂窩通信信號20提供的。可如本文所描述處理所述SA消息，以提供一預測HOW(而非實際HOW)，其隨后可用來設定粗略時間。
現在參考圖4，其為由IS-801規定的SA消息41的結構圖。提出時所述SA消息41的預期目的是在確定位置時向MS提供靈敏度輔助。所述SA消息41是輔助消息的一種類型，且應了解可使用不同于輔助消息的格式。然而，為方便描述起見，本文中所述的域用其IS-801名稱。
在當前實施中，SA消息41可包括高達八個部分42。每一部分42可含有高達十六個數據記錄。每一記錄唯一地與一個SV相關。每一數據記錄可包括預測導航比特域46和人造衛星PRN號碼域47(SV_PRN_NUM)。所述預測導航比特域46可含有高達510個預測導航比特。當前可見SV的預測導航比特域46以OTA格式由PDE 18(圖1)發送到MS 14。因此，預測導航比特的編碼與上文所示由SV使用的OTA編碼遵循相同的算法。因為這一OTA編碼，接收機必須解碼來自PDE 18的SA消息內的預測導航比特中的子幀計數，以便使用所述子幀計數信息來設定粗略GPS時間。
除記錄和記錄內的相關域之外，SA消息的每一部分42還包括許多附加域。圖4中展示了其中一些附加域，后面括號中為其當前IS-801名稱。“參考比特號碼”域43(REF_BIT_NUM)傳遞由SV發送的1500比特GPS幀內的“實際參考比特”的位置。所述實際參考比特為從SV發送的實際導航比特中與SA消息中預測導航比特流前半部分的最后的比特相關的比特(下文稱為“預測參考比特”)。下文將提供關于參考比特的使用的進一步信息。
“數據記錄大小”域44(DR_SIZE)指定每一包括預測導航比特的數據記錄的長度。在當前實施中，所述DR_SIZE的值以2比特增量指示。
“數據記錄數目”域45(NUM_DR_P)指定所述部分中數據記錄的數目。在一個實施中，每一數據記錄與一單一SV相關，因此所述數據記錄數目域45還指定高達16的SV的數目，所述部分中提供的信息是用于這些SV的。
PDE 18能夠基于許多導航比特的域為恒定的事實，預測由SV在不久將來的某一時間發射的導航比特的值。此外，那些不恒定的比特以一種通常可預測的方式從其當前狀態轉變。參考接收機19將由SV發射的導航比特傳達到PDE 18。因此，PDE 18知道最近由GPS SV發射的導航比特的值。PDE 18使用從參考接收機19接收的導航比特的值來預測將在未來發射的導航比特的值。特別是，由PDE 18預測所述預測導航比特，其是根據對導航比特值重復的知曉或對其代表的值將隨時間的流逝以已知量按已知速率周期性增加的知曉。
在一個實例中，在一同步CDMA網絡中，PDE 18發送一帶有針對每一可見SV的496個預測導航比特(等于9.92秒相當的導航比特)的SA消息到MS。在同步網絡中，SA消息中的預測導航比特用來增加GPS接收機的靈敏度。然而，如本文所描述，在異步網絡中，SA消息是用于完全不同的目的。那就是說，SA消息是用來在異步網絡中設定粗略時間。只要PDE 18對至少一個SV發送至少六秒相當的導航比特，在預測消息的某處將一定能發現完整的HOW。此預測HOW可解碼。根據經過解碼的HOW，可將GPS接收機的時鐘設定為粗略GPS時間。
圖5為在異步網絡中根據IS-801類型的消息設定粗略時間的步驟的流程圖。圖6展示預測導航比特、一GPS消息的一幀和子幀計數域之間的通信。在下列討論中，為說明起見將參考IS-801標準。顯而易見，所述方法可用于其他位置確定系統。然而，所揭示的方法和設備在一IS-801消息源可用的異步系統中最有用。MS 14(圖1)與基站通信，且(例如)從一用戶接收請求，以確定MS的位置。
在51，發起一IS-801類型的對話(例如MO或MT IS-801類型的對話)，且在所述IS-801類型的對話期間(最好在對話的開端)，MS從PDE 18(圖1)請求一輔助消息(IS-801類型格式的SA數據)。
在52，響應于來自MS的請求，PDE 18利用其GPS參考接收機19預測未來的導航比特，并形成如圖4所展示的SA消息。在形成SA消息時，PDE 18設定參考比特號碼域，以指示與預測參考比特相應的實際參考比特在1500比特SV消息幀內(從0到1499范圍內)的位置。PDE 18還設定一用于數據記錄大小域的值，其指定預測導航比特域的長度。PDE 18安排在某一時間從一BTS發射SA消息，其將導致MS在與MS中的接收機從GPS SV接收相應的實際導航比特的時間近似的時間上接收到SA消息的預測導航比特域的第一比特。
在53，一旦來自PDE 18的SA數據到達，接收機軟件就會在接收到SA消息的第一比特時標注本地時鐘所指示的時間。在替代方法中，可能會標注接收到SA消息的其它某個特定部分(例如預測導航比特的預測參考比特)的時間。PDE 18保存所指示的時間。然后，接收機將SA消息解碼，以便確定所述消息的內容。應注意，盡管SA消息中的預測導航比特的第一比特為用于將預測導航比特與實際導航比特同步化的參考點，但也可使用實際導航比特流中的任何其它明確定義的參考物。然而，SA消息中的預測導航比特域的第一比特容易檢測，這使其成為一種較為方便的選擇。還應注意，MS接收預測導航比特流的速率通常遠大于SV發射實際導航比率的速率。然而，只要SA消息的預測導航比特域的第一比特在與SV發射相應比特的幾乎同時到達(或在一已知時間偏差內)，本發明描述的方法就會有效。
在54，在解碼SA消息后，MS將知道參考比特號碼域43(圖4)的值和數據記錄大小44。使用此信息，預測導航比特中的預測子幀計數域如下文參考圖6更加詳細描述的一樣定位。
現結合圖5來參考圖6。如上所述，參考比特號碼域43的值由SV在1500比特GPS幀內傳達實際參考比特61(在圖6中展示)的位置。應了解，圖6展示的實際參考比特的定位僅為實際參考比特定位的一個實例。在實際操作中，實際參考比特可能位于幀31內的任意位置。SV消息的實際參考比特61對應于解碼的預測導航比特(即，預測導航比特62)中間的一比特62。由于參考導航比特號碼域43的值指示實際參考比特61到幀31開端的距離(即，如上文所示，從0到1499的值)，可容易地計算出到預測導航比特流內的最近的先前子幀計數域66的距離。
根據一個實施，預測參考比特62總是SA消息中預測導航比特流的前半部分的最后一個比特。那么，使用對預測導航比特域長度的知曉，接收機軟件可以確定子幀計數域66位于預測導航比特流內的何處。應注意，包括子幀計數域66的HOW的定位總在從所述幀的開端參考的定位比特30、330、630、930和1230處開始。這是因為SV導航消息的格式是嚴格的。因此，如果參考比特號碼域具有值1201且數據記錄大小44具有值398，那么SA預測導航比特的第一比特為1001，其為實際參考比特的定位，1201(由參考比特號碼域43提供)減去數據記錄的長度的一半(398/2)再加一等于200。
因此，由于在1500比特幀的五個字節中的每一者中有300比特，所以預測導航比特域的第一比特將對應于第四字節的第101比特。顯然，將不包括第四字節中的子幀計數，因為第四字節中的子幀計數發生在比特31-60中，但將提供在SA預測導航比特域內發生229比特第五字節的子幀計數。
再次參考圖5，在55，MS隨后解碼定位的子幀計數域66。在當前實施中，解碼預測導航比特流內的一字節需要先前字節的D30比特35(見圖3)可用。因此，為了解碼HOW字節37，先前(TLM)字節36的D30比特35必須在預測導航比特中可用。因此，預測導航比特中的第一可解碼HOW字節之前必須有一D30比特。在上文提供的實例中(其中預測導航比特域的第一比特為比特1001)，D30比特將發生198比特到預測導航比特域(1199-1001)中。因此，第五字節中子幀計數之前的D30比特將可用。
在一個實施中，執行下列子步驟來解碼子幀計數。
1.在SV導航消息幀的比特64內確定位置，所述幀對應于其子幀內預測導航比特域63的第一比特(即位置0-299)。在上文提供的實例中，所述位置由值1001-900＝101表示。
2.相對于預測導航比特域63的第一比特確定第一可解碼HOW字節開端的位置，并保存17比特子幀計數的值。在上文提供的實例中，所述位置由值229表示。應注意，在預測導航比特流內可能有不止一個完整HOW字節。例如，如果有496預測導航比特字節，則可用兩個完整HOW字節(且因此兩個完整子幀計數域)。為方便描述起見，將假定第一HOW字節將選作用于解碼。或者，預測導航比特流內的任何其它HOW字節可被解碼。
3.相對于預測導航比特域的第一比特確定直接在HOW之前的字節(在這一實施中為TLM字節)的D30比特的位置，并保存這一D30比特值。在上文提供的實例中，可由值198表示所述位置。在一個實施中，在直接先前字節的D30比特不具備預測導航比特的情況下，就無法解碼這一子幀計數域，且在所述情況下將選擇下一個子幀計數域進行解碼。
4.解碼子幀計數如果D30比特具有一為“1”的二進位值，那么轉換子幀計數的比特以從子幀計數的OTA值獲得其解碼值。如果D30比特具有一為“0”的二進位值，那么子幀計數的比特已經可用。
在56，解碼的子幀計數值和預測導航比特內的子幀計數域的位置用來解碼子幀計數值。應了解，所述子幀計數值是指緊接著包括解碼的從周開端參考的子幀計數域66的子幀的子幀的開端。應注意，在所述IS-801實施中，預測導航比特域46的長度足夠長，可以包括至少一個子幀計數值，且可能包括兩個。如上所述，子幀計數值具有一在0到100,799(100,800個可能值)的范圍內的值，其代表從所述周開始以來發生子幀的數目。此外，如上所述，每六秒發射一個子幀。因此，子幀計數指示從所述周開始(協調世界時刻度上午夜星期六夜晚-星期日早晨，所述刻度名義上被稱為格林威治子午線)以來六秒間隔的數目。
現揭示一種用來確定由子幀計數域66指示的時間的過程。應注意，由子幀計數所指示的時間為包括所述子幀計數的子幀之后的子幀的開始時間。注意，每一子幀有300個比特且每一比特持續20毫秒，計算關于所述周開始的時間(例如，時間＝300*子幀計數*20毫秒)。所計算的時間指示從當前GPS周到與SV發射的子幀計數相關的子幀的時間所流逝的毫秒的數目。為了將時鐘設定為粗略時間值，發射時間與接收時間之間的差異可忽略。應注意，在上文提供的實例中，所述子幀計數來自第五子幀。因此，根據所述子幀計數計算的時間為下一個幀開始的時間。換而言之，該時間為接收到預測導航比特域的第一比特后1501減去1001比特。
確定SA消息的預測導航比特域內的第一比特的時間。參考54和圖6描述這一過程。在上文提供的實例中，預測導航比特域的第一比特的位置為值1001且時間為(300*子幀計數*20毫秒)-((1501-1001)*20毫秒)。或者，可首先減去關于與所述子幀計數相關的子幀的第一比特的預測導航比特域的第一比特的定位。換而言之，預測導航比特域的第一比特的時間可計算為((300*子幀計數)-(1501-1001))*20毫秒。在本方法的又一替代實施例中，可調整所述子幀計數的值以指示載有所述子幀計數的子幀的開端。
在所述調整之后，可從載有子幀計數的子幀的第一比特的位置1201減去預測導航比特域的第一比特的位置1001。預測導航比特域的開端的時間就可計算為(300*(子幀計數-1))-(1201-1001)*20毫秒。
應注意，預測導航比特域的最小長度為330比特以確保需要的D30比特為可用。此外，如果預測導航比特跨越周滾轉，那么從子幀計數的減法運算就必須以100,800為模數以避免負值。
在另一使用IS-801標準的實例中，假定預測導航比特域的長度為500比特，且參考比特號碼域的值指定GPS幀在比特700處。于是，由于參考比特號碼對應于預測導航比特的前半部分的最后一個比特，所以預測導航比特域的第一比特為700-500/2+1＝451。因此，預測導航比特域的第一比特為由SV發射的幀的第451個比特。每一子幀的長度為300比特，每一字節的長度為30比特，且所述HOW字節為每一子幀中的第二個字節。因此，比特#451位于第二子幀中，在HOW字節之后。在其它實例中，預測導航比特域的第一比特可能回到前一個GPS幀，因此根據參考比特號碼計算預測導航比特域的第一比特的定位必須用模數1500的減法(即1-2＝1499)來進行。
再次參考圖5的流程圖，在57，估計粗略時間中的誤差(不確定性或“粗略度”)。應了解，在設定GPS時間中“粗略度”(即不確定性的程度)可近似地受到限制。這是因為粗糙度主要取決于PDE 18向MS發射SA消息的網絡的發射延遲。而發射延遲又取決于給定網絡中采用的發射模式。因此，可測量和/或預先確定所述延遲。因此，當PDE18發射SA消息時，大多數的時間誤差可歸結于比特從PDE 18發送到接收機所用的時間，其被稱為“網絡延遲”。在一個實例中，所述網絡延遲可能在幾秒的范圍內，然而，可以進行調整來考慮所述延遲。
因此，這種不確定性通常要考慮到網絡延遲，但也可考慮其它因素；或者，可基于預期的網絡延遲狀況來預先確定這一誤差。因此，在步驟52中，當PDE 18與GPS SV發送導航消息的實際計時幾乎同步地發送SA消息時，時間誤差的大多數可歸結于從PDE 18發送比特到接收機所用的時間，其稱為“網絡延遲”，且可能在幾秒的范圍內。
在58，在接收SA消息中的預測導航比特域的開端時將GPS接收機的時鐘30(圖2)設定為粗略時間。所述時鐘的偏差設定為零，且時間的不確定性設定為預先確定的誤差值。如上所述，所述粗略時間在準確度方面具有不確定性，其主要可歸結于網絡延遲。換而言之，時鐘設定的值僅在所述由網絡延遲造成的不確定性的限度內是準確的。由于在確定接收機的定位之前對GPS接收機而言準確時間在絕大多數情況下是未知的，因此在GPS時鐘軟件中由其值和一與所述值相關的不確定性來保持時間是通常的做法。在這種情況下，粗略時間的不確定性可能在幾秒的范圍內。
在59，將預測導航比特傳遞到例如模式匹配算法的一種方法，其隨后確定精確的GPS時間。在一個實施例中，所述預測導航比特以不變的OTA格式從SA消息傳遞到模式匹配算法，其隨后執行以計算精確的GPS時間(在一當前實施中，其可精確到幾毫秒內)。頒予Norman F. Krasner的美國專利第5,812,087號、第6,052,081號和第6,377,209號中揭示了一種模式匹配算法。
在60，隨后將GPS時鐘設定為經過計算的、精確的GPS時間。然后，用已知的GPS時間，使用任何合適的程序來確定定位。應注意，在執行定位確定之后，GPS時間已知具有幾納秒的準確度。因此，在定位確定后可用所述高度準確的時間來重新設定GPS時鐘。
擴展以允許周數目的確定先前的討論解決的是在一周內建立時間的問題，其需要參考通常由服務器提供的特定的輔助數據。然而，這一方法并沒有解決實際周數目的問題。周數目計算從GPS時鐘開始時發生的GPS周的數目。(所述GPS時鐘在1980年1月6日上午00:00開始)。特定數據類型可能具有延伸過當前周的相當長的壽命，SV年歷即為此的一個實例。因此，有時需要建立一個還解決周數目不明確性的時間估計。
在IS-801標準中，周數目由所有SV在子幀1(子幀1中第三個字節的比特1∶10)中發射。這一信息可包含在由IS-801服務器提供的SA預測數據中，且因此，一合適的比特提取碼可用來將周數目域從SA預測數據中分離出來，并隨后用來確定周數目。
所屬領域的技術人員應了解，鑒于這些教示，可在不偏離本發明的精神或范疇的前提下實施替代實施例。本發明僅受隨附權利要求書的限制，當結合上文的說明和附圖考慮時其包括所有這些實施例和修改。
權利要求
1.一種用于在一GPS接收機中設定粗略GPS時間的方法，其包含a)請求一預測導航比特序列；b)接收所述預測導航比特；c)保存所述導航比特的一接收時間；d)在所述預測導航比特內定位一預測時間指示器域；e)響應所述經過定位的時間指示器域確定一粗略時間設定；和f)響應所述粗略時間設定與所述接收時間之間的差異，在所述GPS接收機內設定粗略GPS時間。
2.根據權利要求1所述的方法，其進一步包含執行一模式匹配算法以提供精確的GPS時間。
3.根據權利要求1所述的方法，其進一步包含a)在所述粗略時間設定中確定一預期誤差；和b)考慮一GPS時鐘中的所述預期誤差，在所述GPS接收機內設定粗略GPS時間。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述預測導航比特是以一包括多個幀的格式接收的，每一幀組織成多個子幀，每一子幀具有所述時間指示器域并包括至少一個預測導航比特的子幀；所述方法進一步包含在所述預測導航比特的至少一個子幀內定位所述預測時間指示器域；和根據所述預測時間指示器計算所述粗略GPS時間。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述預測導航比特域與一數據長度和一參考比特號碼一起發射，所述數據長度指定所述預測導航比特序列的長度，所述參考比特號碼指明實際導航比特的一幀內的一預測導航比特的定位，所述方法進一步包含基于所述參考比特號碼的所述值和所述數據長度，在實際導航比特的一幀內確定所述預測導航比特序列內的一第一比特的一定位；基于所述參考比特號碼的所述值在所述預測導航比特內定位所述時間指示器域；解碼所述經過定位的時間指示器域以提供一預測時間指示器；相對于所述預測導航比特序列的所述第一比特被接收的時間來確定所述粗略GPS；和與所述預測導航比特序列的所述第一比特相一致，在所述GPS接收機內設定粗略GPS時間。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述MS與所述基站使用一GSM系統通信。
7.一種移動站，其用于利用周期性地從多個與GPS時間同步的SV發射的導航比特來確定位置，所述周期性發射的導航比特包括一時間指示器域，所述移動站還與一個或一個以上基站和一位置確定實體(PDE)通信，所述移動站包含一雙向通信系統，其用于與所述基站和所述PDE通信；一位置定位系統，其包括一GPS時鐘；用于從所述PDE請求一輔助消息的構件，所述輔助消息包括一預測導航比特序列，其是從所述在時間上與GPS時間幾乎同步的基站發送的；用于保存所述輔助消息的一接收時間的構件；用于在所述預測導航比特內定位所述預測時間指示器域的構件；響應所述經過定位的時間指示器域用于確定一預測周時間的構件；和用于響應所述預測周時間和所述接收時間在所述GPS接收機內設定粗略GPS時間的構件。
8.根據權利要求7所述的移動站，其進一步包含響應所述粗略GPS時間和所述預測導航比特，用于執行一模式匹配算法以提供精確GPS時間的構件。
9.根據權利要求7所述的移動站，其進一步包含用于在所述周時間中確定一預期誤差的構件；和用于在所述GPS接收機內設定粗略GPS時間的構件，其包括用于在一GPS時鐘中設定所述預期誤差的構件。
10.根據權利要求7所述的移動站，其中所述發射的導航比特具有一包括多個幀的格式，每一幀組織成多個子幀，每一子幀具有一時間指示器域，且所述輔助消息包括預測導航比特的至少一個子幀，且進一步包含用于在所述預測導航比特的一子幀內定位一預測時間指示器域的構件；和用于響應所述預測時間指示器計算所述周時間的構件。
11.根據權利要求10所述的移動站，其中所述輔助消息包括一指定所述預測導航比特的長度的數據長度域和一指明所述實際導航比特的一幀內的一比特的參考比特號碼，且進一步包含響應所述參考比特號碼域和所述長度域，用于確定所述預測導航比特序列的一第一比特的構件，所述第一比特對應于實際導航比特一幀內的所述序列的所述第一比特的位置；響應所述預測導航比特序列的所述第一比特的所述位置，用于在所述預測導航比特內定位一時間指示器域的構件；響應所述預測時間指示器，用于在所述預測導航比特序列的所述第一比特處確定一周時間的構件；和用于與所述預測導航比特序列的所述第一比特相一致并響應所述周時間，在所述GPS接收機內設定粗略GPS時間的構件。
12.一種用于在一移動站(MS)中將一GPS接收機與粗略GPS時間同步的方法，所述移動站使用ISO-801標準與一基站和一位置確定實體(PDE)通信，所述GPS接收機配置成周期性地從多個與GPS時間同步的SV接收所發射的導航比特，所述發射的導航比特具有一包括多個幀的格式，每一幀組織成多個子幀，每一子幀具有一子幀計數消息，所述方法包含通過所述MS，從所述PDE請求一靈敏度輔助(SA)消息，所述SA消息包括一預測導航比特域，其包括一預測導航比特序列，所述序列包括至少一個子幀，一數據記錄大小域，其指定所述預測導航比特域的長度，和一參考比特號碼域，其指明所述實際導航比特的一幀內的一比特，借此將所述預測導航比特與一組導航比特相關聯；響應來自所述MS的所述請求，與GPS時間近似合拍地從所述基站發送所述SA消息；在所述MS中接收所述SA消息，并保存所述SA消息的一接收時間；響應所述參考比特號碼域和所述數據記錄大小域，確定所述預測導航比特序列的一第一比特，其對應實際導航比特的一幀內的所述序列的所述第一比特的所述位置；響應所述預測導航比特序列的所述第一比特的所述位置，在所述預測導航比特內定位所述子幀計數域；解碼所述經過定位的子幀計數域以提供一預測子幀計數值；響應所述預測子幀計數值，在所述預測導航比特序列的所述第一比特處確定所述周時間；和與所述預測導航比特序列的所述第一比特相一致，響應所述預測子幀計數和所述接收時間在所述GPS接收機內設定粗略GPS時間。
13.根據權利要求12所述的方法，其進一步包含在所述周時間中確定一預期誤差，且所述設定粗略GPS時間的步驟進一步包括設定所述預期誤差。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述預測子幀計數值是相對于一周時間參考定義的，且所述確定所述周時間的步驟包含響應所述預測子幀計數值和所述預測導航比特序列的所述第一比特的所述位置，計算一對應于從所述周時間參考到所述預測導航比特序列的所述第一比特所經過的比特數目的周比特。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述計算一周比特的步驟包含確定所述預測導航比特序列的所述第一比特是否與所述子幀計數域位于相同的子幀中，且響應這一確定來調整所述預測子幀計數值。
16.根據權利要求12所述的方法，其進一步包含響應所述粗略GPS時間和所述預測導航比特執行一模式匹配算法以提供精確GPS時間。
17.根據權利要求12所述的方法，其中所述MS與所述基站使用一GSM系統通信。
全文摘要
一種方法和設備，其用于在一與一基站和一位置確定實體(PDE)通信的移動站(MS)中的一GPS接收機內設定粗略的GPS時間。所述MS要求一來自所述PDE的輔助消息，其包括一預測導航比特序列，所述序列包括一隨后被定位并解碼的預測時間指示器域。響應所述時間指示器值設定粗略時間。可執行一模式匹配算法以提供更準確的GPS時間。為了更好地設定粗略時間，可通過(例如)使用預期網絡延遲來確定周時間中的一預期誤差。本文所描述的系統通過改進所述粗略時間設定程序使異步網絡中的一MS能夠使用IS－801協議。
文檔編號G01S1/00GK1849523SQ200480025899
公開日2006年10月18日 申請日期2004年7月23日 優先權日2003年7月23日
發明者多米尼克·法默, 拉斯洛·萊雷爾 申請人:高通股份有限公司
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