CN1253725C - 通过蜂窝或pcs网络辅助gps接收机的方法和系统 - Google Patents

Abstract

按照本发明，公开了一种用于确定移动站位置的系统。该移动站包括工作在无线电网络上的一个收发信机和一个GPS接收机。该系统包括一个无线电网络控制系统，包含用于获得星历数据的GPS接收机。该控制系统根据星历数据产生辅助信息并且将辅助信息通过无线电网络传输给移动站。该辅助信息代表选择时间移动站附近无线电网络中固定位置相对GPS中多个选择卫星的距离，和该距离的导数。移动站利用所接收辅助信息搜索来自GPS中多个选择卫星的组合接收信号，以测量GPS中多个选择卫星的码相位并且将所测量出的码相位通过无线电网络返回给无线电网络控制系统。该无线电网络控制系统利用固定位置和所测量出的码相位计算无线电网络中移动站的位置。

Description

通过蜂窝或PCS网络辅助GPS接收机的方法和系统

本申请要求1998年8月13日申请的在先美国专利60/096437的优先权。

本发明技术领域

本发明涉及全球定位系统(GPS)接收机，更具体地涉及传送信息给GPS接收机的方法，该接收机把通过蜂窝或其它PCS网络通信的蜂窝电话机或其它设备结合起来。

本发明背景技术

在蜂窝网络或其它公共陆地移动网络(PLMN)中确定移动站的地理位置对于大范围应用近来变得重要。例如，运输和出租车公司可能需要定位服务以确定它们车辆的位置并且改善调度作业效率。另外，为紧急呼叫例如911呼叫，了解移动终端的确切位置在紧急情况下保证正确应急结果是至关重要的。

另外，定位服务可以用于确定被盗汽车的位置，确认可能以较低费率收费的本地区域呼叫，检测微蜂窝小区中的热点，或提供额外服务例如“我在哪里”服务。“我在哪里”服务有助于确定离移动站最近的加油站、餐馆或医院。

一种用于确定移动站地理位置的技术将使用以卫星为基础的全球定位系统(GPS)。GPS是提供在GPS接收机中可以处理的指定编码卫星信号以获得接收单元位置、速度和时间的卫星导航系统。需要四个或更多GPS卫星信号以计算相对固定坐标系统的三维位置坐标和接收机时钟时间偏差。

GPS系统包括二十四个(不算备用)以约12小时绕地球运行的卫星。GPS卫星的轨道高度(20200Km)使得卫星重复相同的地面轨迹和对任何一点每二十四小时过顶一次的配置。有六个轨道平面每个额定地具有至少四个卫星，等距离间隔(即60度隔离)并且相对地球赤道平面大约55度倾斜。该星座配置保证从地球上任何一点可以观察到四到十二个之间的卫星。

GPS系统的卫星提供确定GPS接收机位置、速度和时间坐标的两种精度。大量GPS系统的民用用户使用标准定位服务(SPS)，它具有水平100米、垂直±156米和±340ns时间的2-σ精度。精确定位服务(PPS)只对具有加密设备和密钥和特定装备接收机的授权用户可使用。

每个GPS卫星发射两个微波载波信号。L1频率(以1575.42MHz为中心)携带导航消息以及SPS和PPS编码信号。L2频率(以1227.60MHz为中心)也携带PPS编码并用于通过与PPS系统兼容的接收机测量电离层延迟。

L1和L2微波载波信号通过三种二进制编码调制：1.023MHZ粗捕获(C/A)码，10.23MHZ精码(P-CODE)和50Hz导航系统数据码(NAVCODE)。C/A码是伪随机数字号码(PRN)唯一地表征GPS卫星.所有GPS卫星在相同的L1和L2载波上发射它们二进制编码。通过码分多址(CDMA)相关器恢复同时接收的多个信号。在民用GPS接收机中的相关器首先恢复作为由NAV码调制的C/A码。锁相环电路(PLL)然后从NAV码中分离出C/A码。应当强调GPS接收机首先需要确定其大致位置以便确定在哪些卫星的范围内。相反，知道其大致位置的GPS接收机可以迅速地调谐到合适GPS卫星发射的信号上。

GPS接收机的启动一般需要从四个或更多GPS卫星导航数据信号中捕获一组导航参数。初始化GPS接收机的过程可能通常花费几分钟。

GPS定位处理的时间直接取决于一个GPS接收机具有多少信息。大多数GPS接收机利用天文历数据编程，其粗略描述了卫星远达一年的预期位置。可是，如果GPS接收机不知道其自己的大致位置，则GPS接收机不能足够快地相关可观察卫星的信号，因此不能快速计算位置。另外，应当注意，在启动时捕获C/A码和NAV码所需要的信号强度比已经捕获信号的持续监测所需要信号强度更高。也应当注意，监测GPS信号的过程明显受环境因素的影响。因此，当接收机在树林下、在车辆内或最坏的在建筑内时，在露天容易捕获的GPS信号变得很难捕获。

最近的政府命令，例如FCC Phase II E-911业务的响应时间要求，强制以迅速的方式精确确定移动站手机的位置。因此，为高效率实现移动终端内GPS接收机并且也满足快速和精确定位需要，能够快速给移动终端提供精确辅助数据例如本地时间和位置估计、卫星星历和时钟信息(可能随移动站位置而改变)已经变成必需。这种辅助数据的使用可以允许与移动站成整体的或连接到移动站的GPS接收机迅速完成启动处理。因此需要能够通过现有无线电网络向与移动终端成整体的或连接到移动终端的GPS接收机发送必需的辅助GPS信息。

Taylor等人的美国专利4445118讨论了辅助GPS接收机的原理。该方法描述了使用单一发射机，例如地球同步卫星，为广泛地理区域提供单一辅助消息。该辅助数据包括可观察的GPS卫星清单，各个卫星位置，和预计的卫星信号多普勒频移。该消息的结构允许在用户接收机中进行位置计算功能(PCF)。

Krasner的美国专利5663734描述了另一个GPS接收机方法。该专利主要涉及接收机结构，但讨论了如何通过辅助改善接收机性能。该专利提出“代表星座数据”和预期多普勒频移作为辅助消息的可能内容。

Lau的美国专利5418538描述了用于通过“基准站”中相同接收机广播“差分”信息帮助远程GPS/GLONASS接收机的系统和方法。该基准站在实施例中广播可观察卫星清单和有关星历。对远程接收机的好处有三方面：减少存储器要求、降低频率基准成本和快速捕获。该讨论描述了在捕获第一卫星之后能够估计和消除由接收机时钟不准确引起的多普勒现象的好处。

Eshenbach的美国专利5663775描述了一种方法，通过该方法GPS接收机从无线电信号中分离出精确绝对时间基准。可选择地，该接收机也从无线电信号中分离出频率基准信号，比包含在接收机内便宜晶振更精确。GPS接收机执行位置计算，因此必须具有绝对时间以及GPS卫星的星历和时钟校正。

总之，上述发明没有利用用户终端与网络之间通过空中接口(air-interface)的同步。所引用现有技术的另一个共同缺点是这些辅助不是非常紧凑并且必须比较经常更新，这些可能妨碍在蜂窝网络或其它PLMN中的有效广播传送。

基于GSM网络的另一个辅助GPS建议是T1标准文件T1P1/98-132r2。该建议基于在网络的各种节点上安置基准GPS接收机，捕获来自这些接收机的星历，然后将这些信息与可观察卫星清单一起通过GSM下行链路承载电路上的消息提供给所有基于手机的GPS接收机。该方法的好处是允许所有基于GPS接收机的手机成为全功能，即它包含PCF和也能够在连续导航方式中工作。可是，当前GSM网络结构不能支持该方法所需要的大量数据传输。非常希望对所有装备GPS的手机广播辅助信息，但广播设施以适时方式传送辅助信息是不可能的。在将来点对点的传送可能是适宜的，但当前承载电路非结构辅助数据(USSD)缺乏必要的带宽。对于紧急定位(E911)等待时间特别重要，这是美国市场的管理要求。

本发明致力于用新颖和简单的方法解决上述一个或几个问题。

本发明概述

按照本发明提供一种确定移动站位置的方法，该移动站包括在无线电网络中工作的收发信机和全球定位系统(GPS)接收机。

更广泛地，所公开了辅助GPS接收机进行定位测量的方法，该GPS接收机被结合在包含在无线电网络中工作的收发信机的移动站中。该方法包括从无线电网络向移动站传输辅助信息的步骤，该辅助信息代表在选择时间接近移动站的无线电网络内固定位置的距离，和相对GPS中多个选择卫星距离的导数，和操纵移动站利用所接收辅助信息搜索来自GPS中多个选择卫星组合接收信号以测量GPS中多个选择卫星的码相位的步骤，该测量出的码相位代表移动站相对多个选择卫星的距离。

本发明的特征是选择时间被包含在辅助信息内并且按照无线电网络时间表示给移动站。

在本发明的一方面中，无线电网络利用时分多址联接方法和通过服务于地理接近移动站的地区的网络传输的帧序号、时隙序号和比特序号代表选择时间。时隙序号、比特序号或两者是无线电网络和移动站暗中知道的，因此不用传输。

按照本发明的另一个方面，无线电网络利用码分多址联接方法和通过服务于地理接近移动站的地区的传输多址联接码的相位代表选择时间。

本发明的另一个特征是GPS卫星以二十毫秒比特周期发射导航消息，并且传输步骤包括将距离表示为在选择时间在固定位置上所观察的比特相位的步骤。选择时间与GPS时间的二十毫秒历元(epoch)一致。

本发明的另一个特征是传输步骤包括计算辅助信息的步骤，将通过无线电网络传输给移动站的辅助信息量化和编码的步骤。

本发明的另一个特征是操纵移动站使用辅助信息计算所选择卫星发射信号的码相位及频偏估计，并且对每个卫星使用这些估计捕获信号和测量对特定卫星的码相位。

按照本发明的另一个方面，公开了一种确定移动站位置的方法，该移动站包括工作在无线电网络中的收发信机和GPS接收机。该方法包括从无线电网络向移动站传输辅助信息的步骤，该辅助信息代表在选择时间接近移动站的无线电网络中固定位置的距离，和相对多个选择卫星距离的导数，和操纵移动站利用所接收辅助信息搜索GPS中多个选择卫星组合接收信号以测量GPS中多个选择卫星码相位的步骤，和将测量出的码相位返回给无线电网络的步骤，和利用固定位置和所测量出码相位计算无线电网络中移动站位置的步骤。

本发明的特征是移动站确定代表测量一个选择卫星码相位时间的测量时间，和将该测量时间返回给无线电网络。该测量时间相对无线电网络时间表示，而且定位计算步骤包括将测量时间转变为绝对GPS时间。

本发明的进一步特征是无线电网络包括一个移动定位中心(MLC)，而MLC与移动站通过固定位置的基站收发信机系统(BTS)通信，而计算步骤在MLC执行。MLC包括一个GPS接收机，或从不位于一处的GPS接收机接收必要信息的装置，和传输步骤包括MLC获得星历信息和根据星历信息计算辅助信息。在一个实施例中，BTS也包括一个GPS接收机提供精确时间基准使无线电网络中时间与GPS绝对时间相关。

本发明的另一个特征是无线电网络包括一个时间测量单元(TMU)，在已知位置上，具有一个GPS接收机和一个无线电收发信机监测BTS，并且传输步骤包括传输来自TMU的时间基准给MLC将无线电网络中时间与GPS绝对时间相关。

按照本发明的又一个方面，公开了一种确定移动站位置的系统。该移动站包括一个工作在无线电网络上的收发信机和一个GPS接收机。该系统包括一个包含获得星历数据的GPS接收机的无线电网络控制系统。该控制系统根据星历数据产生辅助信息并且通过无线电网络将辅助信息传输给移动站。辅助信息代表选择时间移动站附近无线电网络中固定位置相对GPS中多个选择卫星的距离，和该距离的导数。移动站包括利用所接收辅助信息的装置，用于搜索来自GPS中多个选择卫星的组合接收信号以测量多个GPS中选择卫星的码相位并且将测量出的码相位通过无线电网络返回给无线电网络控制系统。该无线电网络控制系统包括利用固定位置和测量出码相位计算无线电网络中移动站位置的装置。

GPS接收机最重要的一个任务是进行对各种卫星发射机的测距。在民用级GPS情况下，接收机通过观察C/A码相位测量距离，该码对于每个卫星是唯一的。通常，接收机必须搜遍每个卫星的全部1023个码片时间间隔直到捕获一个卫星。如果接收机没有非常精确的频率基准和如果因为环境衰减和/或设计选择使信号已经衰退，执行该任务会更困难。这些情况需要更多接收机资源或者延长捕获和测量过程。两个选择都不是情愿的，因为前者增加额外成本而后者增加对某些服务例如E911不可接受的定位等待时间。

按照本发明给接收机提供“辅助”以便可以避免这两个情况。具体地，公开了一个系统和方法，用于向能够与蜂窝或PCS网络通信的收发信机成整体的的GPS接收机提供辅助信息。

按照本发明，集成的GPS接收机改善的灵敏度允许它们在常规单独GPS接收机不能工作的环境中工作。需要减少对用户定位的总时间。这通过减少在向用户传输辅助信息的等待时间和在移动站机用户接收机测量时间来完成。

提供非常紧凑的辅助信息表达法减少对各种网络节点分配该信息所需要的带宽和增加能向移动站广播该信息的频率。辅助消息参数的选择减少该信息必须更新的频率。移动站中的用户接收机不需要知道绝对时间，因为所有测量都相对蜂窝传输定时进行。总定位解决方法非常灵活和对网络和其资源寄予非常小的要求。

根据说明书和附图，本发明的进一步特征和优点将更明显。

附图简介

图1是常规陆地无线电电信系统的方框图；

图1a和1b是按照本发明辅助GPS接收机的系统的方框图；

图2是相对基站收发信机和GPS-MS的卫星位置的简化图；

图3是表示GPS-MS如何根据导出时基工作的时序图；

图4a和4b是表示按照本发明辅助GPS接收机的消息流程图；

图5是按照本发明移动站的综合方框图；

图6是代表GSM TDMA时间帧结构的图。

本发明详细说明

图1表示公共陆地移动网络(PLMN)，例如示范性GPS蜂窝网络110，该网络依次包括多个MSC/VLR服务区112，每个具有移动交换中心(MSC)114和有关的访问位置寄存器(VLR)116。MSC/VLR服务区112依次包括多个定位区(Las)118，该区被定义为给定MSC/VLR服务区112的一部分，在服务区中移动终端或移动站(MS)120可以自由运动而不必对控制LA118的MSC114和/或VLR116更新其位置。每个定位区118进一步被分成大量小区122。示范性移动站120是物理设备，例如车载电话机或其它便携电话机，由移动用户用来与蜂窝网络110或与其它移动用户或与用户网络之外的其它方进行有线或无线通信。

MSC114与至少一个基站控制器(BSC)123通信，该控制器又依次与至少一个基站收发信机(BTS)124连接。BTS124是物理设备，为简单图示为图1中的无线电天线塔，该天线塔对所负责的小区122提供无线电覆盖。应当理解，各种BSC123可以连接到几个BTS124，和可以作为单独节点或与MSC114成整体来实现。在无论哪个情况中，BSC123和BTS124部分作为整体通常被称为基站系统(BSS)125。

进一步参照图1，每个PLMN服务区或蜂窝网络110包括一个归属位置寄存器(HLR)126，该寄存器是包含登记在PLMN110内用户的用户信息例如用户概况、当前位置信息、国际移动用户识别号码(IMSI)和其它管理信息的数据库。HLR126可以与特定MSC114处于同一位置，与MSC114成整体，或(如图1所示)服务多个MSC114。

VLR116是包含有关位于MSC/VLR服务区112内的全体MS120的数据库。如果MS120移动到新的物理位置例如新的MSC/VLR服务区112(在图1中未表示)，与MSC114有关的VLR116从HLR126请求有关MS120的信息(当同时通知HLR126有关MS的新位置时)。因此，当MS120用户要进行呼叫，本地VLR116将拥有必需的用户识别信息而不必重新询问HLR126。

基本的GSM接入方案是时分多址(TMDA)，每个载波八个基本物理信道。载波间隔为200KHz。因此一个物理信道被定义为如通过时隙序号和跳频序列另外指定的一系列TDMA帧。基本无线电资源是持续15/26ms(即576.9μs)的时隙，其并且以大约270.83Kbit/s的调制速率发射信息。这意味着每个时隙(包括保护时间)持续156.25比特。八个时隙构成一个TDMA帧。因此，一个TDMA帧具有4.615ms(60/13ms)的持续时间。

在图6中表示了代表GSM TDMA时间帧结构的图。该结构的最长再现周期称为超超帧并且具有3小时38分53秒760毫秒持续时间。GSMTDMA帧由帧序号(FN)编号。帧序号(FN)是连续TDMA帧的循环计数，范围从0到2715647(即2048×51×26-1，也称为FN-MAX)。帧序号在每个TDMA帧结尾递增。从0到2715647的TDMA帧序号完整周期称为一个超超帧(hyperframe)。需要这样的长周期支持由ETSI GSM规定所定义的某些加密机制。

一个GSM TDMA超超帧被分成2048个超帧，每个具有6.12s的持续时间。超帧是多个最小公共GSM TDMA时间帧结构.超帧自身被进一步分成三种多帧：26-多帧、51多帧和52多帧。

第一种GSM TDMA多帧是26-多帧，其包括26个TDMA帧具有总共120ms的持续时间。因此，一个GSM TDMA超帧可以具有51个这种26-多帧。这些26多帧用于携带业务信道(TCH)和辅助控制信道(包括慢辅助控制信道(SACCH)和全速辅助控制信道(FACCH))。

第二类GSM TDMA多帧是51-多帧，包括51个TDMA帧并且具有总共235.4ms的持续时间。一个GSM TDMA超帧可以具有26个这种51-多帧。这些51-多帧用于支持广播、公共控制和独立专用控制(和它们的辅助控制信道)，包括例如广播控制信道(BCCH)、公共控制信道(CCCH)和独立专用控制信道(SDCCH)或分组广播控制信道(PBCCH)和分组公共控制信道(PCCCH)。

第三种GSM TDMA多帧是52-多帧，包括52个TDMA帧和具有总共240ms的持续时间。一个GSM TDMA超帧可以具有25.5个这种多帧。一个52多帧中的TDMA帧从0到51编号。52-多帧格式用于支持分组数据业务和控制信道，例如分组广播控制信道(PBCCH)，分组公共控制信道(PCCCH)，分组辅助控制信道(PACCH)和分组数据业务信道(PDTCH)。

如上所述，一个TDMA帧由八个时隙组成并且具有4.615ma(60/13ms)的持续时间。每个时隙是大约576.0μs(15/26ms)的时间间隔，即156.25比特持续时间，其物理内容称为脉冲串。如图6所示，在GSM TDMA系统中使用四种不同类型的脉冲串。

第一种脉冲串称为正常脉冲串(NB)，包含116个加密比特和包括8.25比特持续时间的保护时间(大约30.46μs)。正常脉冲串用于携带业务或控制信道上的信息，除了随机接入信道(RACH).

第二种脉冲串称为频率校正脉冲串(FB)，包含142个固定比特并且包括8.25比特持续时间的保护时间(大约30.46μs)。频率校正脉冲串用于移动终端的频率同步。FB等同于未调制载波，在频率上偏移，但具有与正常脉冲串相同的保护时间。FB与BCCH一起广播.FB的重复也称为频率校正信道(FCCH)。

第三种脉冲串称为同步脉冲串(SB)，包含78个加密比特和8.25比特保护时间。同步脉冲串包含一个64比特的训练序列并且携带有关TDMA帧序号(FN)的信息以及基站识别码(BSIC)。SB用于移动终端的时间同步并且与频率校正脉冲串(FB)一起广播.SB的重复也称为同步信道(SCH)。

第四种脉冲串称为接入脉冲串(AB)。接入脉冲串用于随机接入并且特征在于更长的保护周期(68.25比特持续时间或252μs)以满足来自移动终端的脉冲串传输，该终端可能在第一次接入(或随后切换)时知道定时提前。更长的保护时间允许移动站与基站收发信机距离达到35公里。在例外情况下该设计可以兼容小区半径大于35公里的情况。在切换之后，AB用于话音类呼叫上行链路上的(分组)随机接入信道(PRACH)，以便请求使用上行链路，以及用于上行链路的分组业务控制信道(PTCCH)以控制允许移动站在分组传输方式下估计定时提前。

利用辅助GPS定位的蜂窝网络方框图在图1a中表示。如上所述，该特定例子是基于GSM标准，但本领域技术人员将认识该方法可以用于其它标准。用户设备10是完全能够与GSM网络通过标准空中接口通信的移动站，并且包括能够捕获和测量来自GPS卫星信号的GPS接收机。该设备10称为GPS-MS。

参照图5，表示了GPS-MS10的方框图。具体地，GPS-MS10包括一个典型移动站(也称为无线电电话机、蜂窝电话机或手机(cellphone))并且包括用于在自己与无线电网络之间发射和接收无线电信号的一个第一天线30。该天线30连接到蜂窝收发信机32以广播和接收信号。如同常规典型移动站，收发信机32解调，多路分路和解码无线电信号到一个或几个信道中。这种信道包括一个控制信道和一个业务信道用于语音或数据。来自控制信道的消息被发送给处理器34。该处理器34使用存储在存储器36中的程序和数据响应控制信道上信息控制和协调GPS-MS10的功能，以便GPS-MS10可以在无线电网络内工作。处理器34也响应来自代表用户接口I/O模块38的输入控制GPS-MS10的工作。I/O38可以包括一个小键盘、显示器、指示灯和特殊用途按键等。利用一个第二天线40接收提供给GPS接收机42的来自全球定位系统(GPS)卫星的组合信号。GPS接收机42将有关这些信号的信息传递给处理器34。处理器34按照本发明被编程使用从无线电网络所接收信息进行GPS定位测量，如同下面更具体的描述。

再次参照图1a，一个移动定位中心(MLC)14负责获得某些GPS辅助信息并且将其翻译成GPS-MS10所需要的格式。MLC14可能接收星历和时钟校正数据形式的辅助信息。表示了该信息的两个可能信源。一个信源是直接与MLC14通信的基准GPS接收机16。该基准GPS接收机16捕获可观察GPS信号并且解调所发射导航消息，该消息包含各个卫星的星历和时钟校正。GPS接收机16也可以用作准确时间基准，以及差分GPS(DGPS)校正的信源。也可以从外部数据库18例如通过TCP/IP网络获得星历。

在此情况下，MLC14必须从其它信源获得准确时间和DGPS信息。实际上，MLC14具有多个GPS信息信源以改善可靠性或许是有利的。如图1a所示，MLC也具有对小区数据库28的访问，该数据库包含在MLC服务的地理区域内所有小区站点的坐标。也如图1a所示，上述标准GSM网络单元包含MSC/VLR15，基站控制器(BSC)22，和基站收发信机系统(BTS)20。

图1a所示的网络中另一个单元是附在每个BTS20上的GPS接收机24。按照本发明，GPS接收机24的主要目的是对BTS20提供精确时间基准以便BTS20可以使无线电接口定时与GPS时间相关。如此，该配置通常称为“同步”网络。注意，同步网络提供不直接涉及本发明的其它优点(例如，快速切换)。

图1b表示了利用辅助GPS定位的蜂窝网络的替换实施例。该实施例也是基于GSM标准，并且包含上述标准网络元件，例如BTS20、BSC22和MSC/VLR15。这些元件以上述相同的方式起作用在MLC1和GPS-MS10之间传输辅助信息和测量。与图1a所示网络的主要区别在于该网络中的BTS20没有让GPS接收机来提供定时信息，即该网络不是同步的。

尽管该网络是不同步的，由装备了一个或几个蜂窝接收机和一个GPS接收机的定时测量单元(TMU)26提供必要定时关系。一旦它安置在已知坐标上，TMU26监视来自在附近地区中一个或几个BTS的蜂窝发射。每个所监视BTS发射过程用对应TMU的GPS接收机的GPS时间做时间标记。产生的关系通过服务BTS的TMU传输给MLC14，该BTS是在图1b中所示示范网络中的BTS1。

图2表示了单个GPS卫星i和其与在位置 X _k的特定BTS20和在位置μ的GPS-MS10的坐标关系。在时刻t由GPS-MS测量的距卫星i的距离可以通过下式给出：

$r_i\left(t\right)={\underset{\‾}{l}}_i\left(t\right)\·({\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)-({\underset{\‾}{x}}_k+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x}))+c\·(b_u\left(t\right)-B_i\left(t\right))+c\·(I_i\left(t\right)+T_i\left(t\right)+S_i\left(t\right))+v_i$

$=({\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)-\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{l}}_i\left(t\right))\·(({\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right))-({\underset{\‾}{x}}_k+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x}))+c\·(b_u\left(t\right)-({\hat{B}}_i\left(t\right)-\mathrm{\Δ}{B}_i\left(t\right)))---\left(1\right)$

$+c\·(I_i\left(t\right)+T_i\left(t\right)+S_i\left(t\right))+v_i,$

其中c是光速(m/s)，B_i是在第i个卫星时钟上的偏差，b_u是在接收机时钟上的偏差，I_i和T_i是沿卫星i到接收机路径的电离层和对流层延迟，S_i是第i个卫星选择性利用率(SA)引起的时钟偏差。项ν_i代表测量噪声(m)。所有符号(“^”)项表示估计或推算，而字母德尔塔(“Δ”)项是估计值与各自参数实际值之间的差。以相同方式，视线单位矢量可以通过下列公式给出：

${\underset{\‾}{l}}_i\left(t\right)=\frac{{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)-({\underset{\‾}{x}}_k+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x})}{|{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)-({\underset{\‾}{x}}_k+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x})|},{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)=\frac{{\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k}{|{\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k|},\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{l}}_i={\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i-{\underset{\‾}{l}}_i.---\left(2\right)$

尽管电离层、对流层和SA延迟对GPS误差预算有重要贡献，但它们在辅助信息计算中的受其它不确定性支配。同样，卫星时钟偏差的模拟误差ΔB_i相对小。这些项可以包含在测量噪声项ν_i中。另外，如果分别是Δx和Δs_i的接收机和卫星距离的不确定性，相对与卫星的距离很小，则：

${\underset{\‾}{l}}_i\left(t\right)\≈\frac{{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)-({\underset{\‾}{x}}_k+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x})}{|{\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k|},\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{l}}_i\≈\frac{\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x}}{|{\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k|}.---\left(3\right)$

使用这些假设，测距公式可以重新写为：

${\stackrel{\‾}{r}}_i\left(t\right)\≈{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·({\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k)-\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{l}}_i\left(t\right)\·({\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k)-{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·(\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x})+c\·(b_u\left(t\right)-{\hat{B}}_i\left(t\right))+v_i$

$\≈{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·({\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k)-2\·{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·(\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)+\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x})+c\·(b_u\left(t\right)-{\hat{B}}_i\left(t\right))+v_i$

$\≈\left[\right|{\underset{\‾}{\overset{^}{s}}}_i\left(t\right)-{\underset{\‾}{x}}_k|-c\·{\hat{B}}_i\left(t\right)]-2\·{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x}-2\·{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)+c\·b_u\left(t\right)+v_i---\left(4\right)$

$\≈r_{i,k}\left(t\right)-2\·{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}\underset{\‾}{x}-2\·{\underset{\‾}{\overset{^}{l}}}_i\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}{\underset{\‾}{s}}_i\left(t\right)+c\·b_u\left(t\right)+v_i.$

在上述公式中，第一项r_i，k(t)代表在 x _k的GPS接收机进行的预期距离测量，假设接收机时钟完全与绝对GPS时间同步。该测量包括离GPS绝对时间的第i个卫星时钟的偏差和通常称为“伪距”。公式4中的第二项代表用户位置的模糊度。而第三项代表卫星位置的模糊度。

在公式4中项r_i，k(t)远远大于其它项，并且可以由GPS接收机使用关注捕获过程。如上所述，MLC14计算该项并且提供其表示作为给BTS服务的所有GPS-MS10的辅助消息的一部分。在计算辅助信息之前，MLC14必须具有有效的星历和时钟校正信息，这些可以从如上所述各种信源获得。MLC14必须具有精确实时时钟，这可以由GPS接收机或由其它信源如WWV提供，WWV是美国政府的NIST机构发射的短波无线电信号。MLC14也必须有它服务的所有BTS20的地理坐标，即所有挂接到所服务BSC22上的BTS20。第K个服务BTS的地心地面固定坐标(ECEF)表示为 x _k。在图1a和1b中该信息被表示为数据库28。

如果MLC14在某时间t₁处于该状态，则MLC14使用有效星历计算所有在t₁时GPS卫星的位置。MLC14然后确定哪些对于BTS_k是可观察以及处于S_i的第i个可观察卫星与处于 x _k的BTS_k之间的距离。BTS_k可以提供该距离项作为它服务的所有GPS-MS10的辅助消息参数。

可是，距离r_i，k(t)仅仅在时间t₁或非常接近时间t₁有助于辅助BTS20服务的GPS-MS10。由于GPS卫星轨道速度接近3.85km/s，距离r_i，k(t)改变非常快。实际距离速度取决于几个因素，但通常在±800m/s之间。希望辅助信息对于长时期例如t₁之后的30到60分钟有效，所以需要更多信息。该信息通过利用对r_i，k(t)关于时间t₁的Taylor级数展开对t₁导出，即

$r_{i,k}(t_1+\mathrm{\Δt})=r_{i,k}\left(t_1\right)+\mathrm{\Δt}\·r_{i,k}^{\′}\left(t_1\right)+\frac{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^2}{2}{r}_{i,k}^{\′\′}\left(t_1\right)+\frac{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^3}{6}{r}_{i,k}^{\′\′\′}\left(t_1\right)+...=\underset{n=0}{\overset{*}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{i,k}^{\left(n\right)}\left(t_1\right)\frac{{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^n}{n!}.---\left(5\right)$

通过从级数中保留足够的导出项，对于某个时刻t₁+Δt的位置r_i，k(t₂)可以以必要精度描述。根据公知的GPS卫星移动和Δt＜45分钟的时间目标，通过保留级数的前五项(n＝0...4)可以实现足够的精确度。注意如果所希望的Δt减小可以使用更少的导出项。

距离项r_i，k(t₁)具有米为单位并且在2×10⁷m.t的数量级上。有比直接距离数值解码更有效的表示法。例如，民用GPS接收机一般通过观察在其本地时钟源1-ms历元的C/A码相位来测量距离。该距离可以由一个在x_k的“理想”基准接收机在1-ms历元的码相位观察确定，而基准接收机的本地时间基础是GPS时间(例如，没有时钟偏差或测量噪声)。这对GPS-MS产生整毫秒模糊度，但对MLC不产生，因为已知GPS-MS在近似小区半径内。公式4中的其它模糊度包括距离和时钟项。

下面描述优选的另一个替代方法。GPS卫星以20ms比特周期(50Hz数据速率)发射导航消息。根据距离T_i，k(t₁)，在 x _k的理想接收机观察到来自在相对发射时的0到20ms范围出现的卫星i的导航消息的比特边缘。因此，该距离可以表达为由理想接收机在20msGPS t₁的历元时所观察的比特相位，以致

其中1023是由卫星i发射的金色码1ms内的码片数量。根据GPS-MS10的观察，该形式具有整数位模糊度加由于位置和时钟偏差引起的模糊度。结果_i，k(t₁)以码片给出，并且具有20460的最大值。当GPS卫星发射的实际比特和码相位是零时，注意公式6中的关系仅仅在t₁是20ms GPS历元时才有效。如果t₁不是20ms历元，则在对_i，k(t₁)的计算中定包含非零相位。

一旦已经计算出辅助信息，在提供给所服务的BSC22之前它们被量化并且编码。可以使用许多不同量化和比特分配方案，下面的表1给出了这种四次求导辅助信息的例子。

表1

参数	距离	比特	#需要的
				φi，k(t1)	0-20460码片	13	N
r′i，k(t1)	±800m/s	10	N
				r″i，k(t1)	-0.08-+0.16m/s2	7	N
ri，k(t1)	±2.5×10-5m/s3	7	N
				r″″i，k(t1)	±0.8×10-8m/s4	3	N
Sat ID	0-31	5	N
				t1	0-604800s	20	1
总比特			20+45N

量化可以根据各个参数的概率密度函数(PDF)。例如，希望_j，k(t₁)具有均匀分布。比特总数取决于卫星数量N，和将具有200(N＝4)到560(N＝12)的范围，通常为380(N＝8)。如果为整数秒GPS时间计算辅助参数20比特数值的t₁提供足够的精确度。

在MLC14服务5个BSC22，而每个BSC服务100个BTS20，并且每三十分钟更新辅助消息的情况下，则MLC14和BSC22之间的链路必须平均每小时携带380000比特。如果允许10秒更新等待时间，则在每个更新期间该链路必须携带19000比特每秒。

对这些辅助计算过程有几个可能的增强。一个预料到的缺点是在t₁时可观察的某些卫星在或接近t₂时可能不可观察。由此减少该列表的有效大小。一种访问方法是当计算其可观察清单时MLC14“向前看”。在t₁和t₂之间在 x _k变得可观察卫星的辅助信息可以包括在内。在大多数情况下，此优点将清单增加一到两个卫星。如果MLC14知道每个所服务BTS20的本地地理和/或传播条件，它能够使用这些信息构成在每个BTS20最可能观察的卫星的辅助信息。例如，如果MLC14知道BTS20服务在特别地理方向上的一条街，可以产生非常有用的辅助信息。

任何基于GPS的定位方法都必须向移动站传输时间。在常规GPS解决方法中，GPS接收机必须解调来自它测量的一个或几个卫星的GPS周时间(TOW)信息。本发明的关键在于GPS-MS10不需要具有对绝对(GPS)时间的精确基准。相反，GPS-MS10执行相对基于网络过程的时间的有关GPS的计算和测量。换句话说，MLC14必须具有精确绝对时间基准，以便根据GPS-MS测量执行精确定位计算。因此，本发明的关键优点是在GPS时间和网络推导时间之间转换，这在下面描述。

时间转换的精确水平取决于由GPS-MS10或MLC14所要执行的特定任务的要求。需要精确时间基准的基于GPS定位中有两个主要任务：

1.在GPS-MS中捕获：如上所述，在GPS-MS10中的定时不确定性呈现为公式4中的第四项。当定时不确定性增加时，它使GPS-MS10在捕获过程期间必须搜索更多码空间。因此希望保持误差或不确定性尽可能低。10μs的定时不确定性需要GPS-MS10搜索1023码片C/A码的10个额外码片，除了因为与提供的辅助信息有关的基准位置相关的位置不确定性而搜索外。

2.时间标记测量：在将测量返回MLC14以便MLC14能够计算卫星位置之前当进行测量时，GPS-MS10必须对其测量标记时间。GPS卫星近似3.85km/s的速度主要规定了该运算所需要的定时精度。例如，一个1ms的定时误差在MLC14所计算的GPS卫星位置估计中仅产生3.85m的误差。仅仅该误差沿接收机到卫星视线矢量上的部分影响PCF的精确度。总之，在估计距离中的误差小于1m。因此，1ms精确度对于时间标记测量是足够的。

如果提供给GPS-MS10的辅助信息的定时精确度在1ms数量级，则GPS-MS10将需要搜索指示为可观察的一个或几个GPS卫星C/A码的整个长度。尽管1ms定时精确度允许GPS-MS10避免与一个或几个GPS卫星比特同步，本领域技术人员会理解具有10μs或更好定时精确度的GPS-MS10所提供的优势。在本发明的优选实施例中，提供给GPS-MS10的定时辅助信息具有10μs或更好定时精确度。为在GPS-MS10中使用这种级别的精确度，距离预测中的误差也必须保持相对小。这可以通过提供对辅助消息中足够数量的导数和使用足够数量比特的参数量化和编码实现。

时间变换的主要要求是变换单元必须知道绝对和导出时基两者。在使用基于GSM系统的例子中，BTS20建立对所服务GPS-MS10的空中接口定时，所以它知道相对时基。有几个方法向BTS20提供绝对(GPS)时基的了解。例如，如果使用T1线路用于BSC22和BTS20之间的数据传输，则T1时钟可以非常紧密地依赖绝对时间基准。为实现对GPS时间的足够精确度(例如1ms)，可能需要某些校准过程。另一个替代方法是如图1a所示将GPS接收机24与每个BTS20同位置安置。在此情况下，BTS空中接口可同步到如接收机24所观察到的GPS时间。至少95％的时间上观察误差指定小于340ns。可以对大多数商用GPS接收机编程以与表示在该脉冲所观察的GPS时间的消息一起输出周期脉冲(例如1Hz)。BTS20可以使用这两条信息建立具有极好绝对GPS时基精确度的相对空中接口时基。

另一个替代方法是利用图1b表示的TMU26。BTS空中接口与由TMU26所观察的GPS时间同步。

对于图1a所示的网络拓扑结构，一种转换到相对时基的方法如下所述。首先，BTS20在某个时间t₀接收来自GPS接收机24的周期脉冲。它在t₀对空中接口状态采样并且存储分别代表比特、时隙和帧的状态变量BN₀、TN₀和FN₀。随后，BTS20从其服务的BSC22接收包含时间标记t₁的辅助消息，如上所述。给出在t₀的状态和差值t₁-t₀，BTS20计算在t₁的空中接口状态，该状态由BN₁、TN₁和FN₁组成。因此空中接口时基中的绝对时间t₁由参数BN₁、TN₁和可选的FN₁表示。使用FN₁和TN₁提供0.56ms的定时精确度；当也使用BN₁时实现3.9μs的精确度。

结构上面的讨论集中在GSM无线电网络，本领域技术人员会理解，由使用TDMA和码分多址(CDMA)两个技术的网络其它类型时基也可以表示绝对时间。例如，ANSI-136TDMA网络利用与GSM类似的帧/时隙/比特结构。在CDMA网络中，在一个或几个多址码和GPS时间之间可能存在隐含的关系；如果没有，一定可以使用图1b所示的监测技术推导出明确关系。在任何情况下，用网络中适当多址码相位表示辅助消息中的时间参数是可行的.

一旦BTS20已经接收辅助消息并且已经将t₁转换为推导出的空中接口时基，它在广播承载电路上发射更新的辅助消息。广播消息所需要的总带宽取决于可观察卫星数量N、距离导数的数量(辅助消息的“次数”)和定时精确度.假设四个导数和比特级定位精确度，下面的表2表示从213比特(N＝4)到573比特(N＝12)范围的总带宽，通常为393比特(N＝8)。由于广播带宽在大多数蜂窝系统中是相对难得的资源，使所需要广播消息规模最小是非常重要的。辅助消息相对紧凑格式允许网络非常频繁广播它。通过减少辅助信息传递等待时间，可以减少寻找用户位置所需要的总时间。另一个方式，辅助信息可以存储在MLC14中按照要求在点对点信道上提供.

表2

参数	距离	比特	#需要的
				φi，k(t1)	0-20460码片	13	N
r′i，k(t1)	±800m/s	10	N
				r″i，k(t1)	-0.08-+0.16m/s2	7	N
ri，k(t1)	±2.5×10-5m/s3	7	N
				r″″j，k(t1)	±0.8×10-8m/s4	3	N
Sat ID	0-31	5	N
				FN1，TN1，BN1	0-FN，MAX-1，0-7，0-156	33	1
总比特			33+45N

下面描述GPS-MS10如何利用由BTS20广播的辅助信息捕获并且测量在组合所接收GPS信号中的各个卫星信号。本发明的一个重要方面是GPS-MS10如何单独地在网络时基上工作。图3表示如何实现这些的一个方法。图3中编号的项目描述如下：

1.在进行测量之前，GPS-MS10必须已经在接收GSM公共信道一段时间的IDLE模式。在该过程期间，GPS-MS10通过接收频率校准信道(FCCH)对网络12锁频，并且通过观察同步信道(SCH)将其本地时基初始化到某个时间t₀(FN₀，TN₀，BN₀)。

2.GPS-MS10在广播控制信道(BCCH)上接收辅助消息，该消息包含FN₁，TN₁和可能的BN₁所代表的辅助信息时间t₁，如上所述。

3.GPS-MS10接收来自网络12的测量请求消息。另一方面，GPS-MS10初始化测量过程，可能在用户请求之下。GPS-MS10依靠推导出的时基参数FN₂，TN₂，BN₂确定其它当前时间t₂。利用这些信息，GPS-MS10进行下列计算以依靠绝对(GPS)时基估计差值Δt＝t₂-t₁：

ΔFN＝FN₂-FN₁；

如果ΔFN＜0，

ΔFN＝ΔFN+(FN_MAX+1)；

ΔTN＝TN₂-TN₁；

如果ΔTN＜0，

ΔFN＝ΔFN-1；

ΔTN＝ΔTN+8；

Δt＝ΔTN·τ_T+ΔFN·τ_F；

其中τ_T和τ_F分别是GSM时隙和帧。GPS-MS10使用用辅助信息计算出的Δt预计搜索参数，如上所述。如果在辅助信息中提供比特数量BN₁，它也包含在计算中。

4.到此，GPS-MS10已经锁频在网络12上。如果GPS-MS10接收机设计得不可能同时接收GPS和网络空中接口，则这时它从该网络失锁并且它的内部振荡器自由运行。GPS-MS频率精确度在刚失锁之前是0.05ppm(或更好)数量级，所以GPS-MS10能够自由运行至少几分钟而对GPS测量没有明显影响。

5.此时，GPS-MS10准备好开始捕获和测量在辅助信息可观察清单中表示的卫星的各个信号。捕获这些信号有几种搜索策略，下面的一个辅助信息对其是特别有用的。

a.通过下面公式计算第一信号的频偏 f₁估值，

${\stackrel{\‾}{f}}_1=f_0+\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{n=1}{\overset{*}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\tilde{r}}_{i,k}^{\left(n\right)}}{(n-1)!}{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^{n-1}---\left(7\right)$

其中f₀是由于硬件设施引起的所预期和额定频偏和第二项预计由于卫星运动引起的多普勒频偏。符号*表示使用/传输的导数数量。参数λ是GPS信号的波长(0.1093m/周，对于1575.42MHz载波)和“~”表示根据量化辅助信息参数构成的数值。通过下列公式也计算可视清单中第一个卫星信号比特相位 φ₁的估值

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_1=[{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_1-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{CA}}}\underset{n=1}{\overset{*}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\tilde{r}}_{1,k}^{\left(n\right)}}{n!}{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^n]\mathrm{mod}\mathrm{ulo}\left(20.1023\right)---\left(8\right)$

其中λ_CA是GPS C/A码一个码片的波长(293m)。

b.使用估计出的频偏 f₁和码相位 φ₁搜索第一信号码一部分。所需要的搜索取决于GPS-MS10察觉到的时间和位置不确定性的数量。根据对 f₁的预期精确度，也必须在 f₁附近的其它频率上搜索。影响GPS-MS定时和频率精确度的因素包括BTS20发射机的频率精确度、时间差Δt、GPS-MS位置不确定性(BTS小区大小和/或用户蜂窝发射的定时提前)和辅助消息中定时参数的分辨率。用该方法将频偏估计 f₁改进成为更好的估计 f₁*.

c.如果必要，在找到1023码片码相位后，实现比特同步以求解比特定时中的整数毫秒模糊度。这产生出改进的比特相位估计 φ₁*。如果公式4中的位置误差和时钟偏差项总计小于0.5ms就不需要比特同步，在此情况下可以直接根据码相位推导出比特相位估计。

d.如果不能捕获在清单中第一个卫星的信号，则步骤1-3对于辅助清单中随后的卫星重复直到捕获到一个为止。另外，接收机通过下列关系预计第二卫星的频偏和比特相位

${\stackrel{\‾}{f}}_2=f_0+({\stackrel{\‾}{f}}_1^{*}-{\stackrel{\‾}{f}}_1)+\frac{1}{\mathrm{\λ}}\underset{n=1}{\overset{*}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\tilde{r}}_{2,k}^{\left(n\right)}}{(n-1)!}{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^{n-1}$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_2=[{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_2-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_1^{*}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_1)+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{CA}}}\underset{n-1}{\overset{*}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\tilde{r}}_{2,k}^{\left(n\right)}}{n!}{\left(\mathrm{\Δt}\right)}^n]\mathrm{mod}\mathrm{ulo}\left(20.1023\right)---\left(9\right)$

其中“-”还代表量化的辅助参数和λ_CA是GPS C/A码的波长(293m/码片，对于f_CA＝1.023MHz)。数值 f₂包括由于硬件引起的偏差的更好估计，根据第一卫星的测量推导出。同样地，数值 φ₂包括根据第一卫星推导出的小于1毫秒的时间偏差。

e.使用这些估计，接收机搜索辅助可视清单中的其它剩余卫星。对每个卫星要检测的频偏假设的次数取决于估计值 f₁的可靠性，但通常搜索空间比较小。影响 f₁可靠性的一个因素是由于GPS-MS1-运动引起的多普勒频移，这对于每个卫星是未知和不同的。如果GPS-MS10静止或以普通速度运动，则多普勒可以忽略和可能只需要单一频移假设。更高的速度引起更大多普勒模糊度并且也许需要更多假设或较差的相关性。多普勒估计可以从GPS-MS10中的蜂窝接收机获得。对于每个剩余卫星只需要搜索1023片码空间的一部分。主要的剩余模糊度是由于GPS-MS位置的不确定性和卫星距离中的预计误差引起(公式4中的第二和第三项)。如果BTS_k服务的小区具有小于30公里的半径，则由用户位置引起的不确定性通过下列公式限定

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}<\frac{2\&CenterDot;{({\underset{\&OverBar;}{\overset{^}{l}}}_i\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\underset{\&OverBar;}{x})}_{\max }}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{CA}}}=\frac{2\&CenterDot;(3\&CenterDot;{10}^{4}m)}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{CA}}}\&ap;206\mathrm{chips}.---\left(10\right)$

注意典型数字将更小并因此模糊度远小于1ms码周期。由于距离预计误差引起的不确定性取决于几个因素，由于计算辅助信息，包括辅助信息量化方案和时间Δt。

f.在接收机已经捕获至少三个卫星并且进行各个测量之后，GPS-MS10执行下列步骤：

i)对每个可观察卫星量化测量出的1ms码相位(0-1023码片)，例如，一个18位(2¹⁸级)量化提供1/256码片的测量分辨率，这是1m的距离分辨率；

ii)计算每个测量的质量指示；例如测量SNR的4位量化；和

iii)在测量时间对GPS-MS的导出时基进行采样。由需要25位的FN_m和TN_m对测量时间t_m编码。该表示给出时间测量的0.56ms的分辨率。

所测量的卫星也必须被指明。在下面的表3中表示上述返回消息中的示范比特分配。比特数量范围从106(N＝3)到349(N＝12)。

表3

参数	距离	比特	#需要的
				θi	0-1023码片	18	N
qi	0-15	4	N
				Sat ID	0-31	5	N
FNm，TNm，BNm	0-(FN，MAX-1)，0-7	25	1
				总比特			25+27N

6.GPS-MS10与网络发射重新同步(如果需要)并且发送如上面表3所示的测量消息。

一旦服务BTS20接收到来自GPS-MS10的测量，它将时间参数t_m转换为绝对(GPS)时间并且将带有绝对时间标记的测量传递给MLC14。上述讨论假设网络12启动GPS测量，但本发明也预见到GPS-MS10启动测量的情况。在此情况下，来自网络的响应包括GPS-MS10的辅助参数。

下面描述在从GPS-MS10接收测量结果之后MLC14如何计算位置解。除了测量结果外，MLC14也具有用于计算GPS-MS位置所需要的下列信息：

·测量的绝对(GPS)时间，t_m；

·GPS卫星的星历；

·所有服务BTS的位置；和

·服务系统中小区的最大可能尺寸(半径)。

在此描述的求解方法是公知的技术，涉及基准点附近非线性方程的线性化。其它技术对于本领域技术人员是明显的。当MLC14从BTS_k服务的GPS-MS10中接收测量响应消息时，在计算GPS-MS位置时它执行下列步骤：

1.MLC14使用星历估计包括在在t_m时的测量消息中所有GPS卫星的位置_i(t_m)。这是公知的计算并且可以例如在B.Parkinson和J.Spilker(编者)的《全球定位系统：理论和应用(卷I和II)》AIAA出版社，1996中找到。

2.MLC14计算在t_m从BTS_k到每个卫星的距离r_i，k(t_m)。

3.MLC14对到每个测量卫星的估计视线计算方向余弦矩阵H。图2中估计视线矢量是  _i(t_m)- x _k。该矩阵由下列公式给出

$H=\left[\begin{array}{cc}{\underset{\&OverBar;}{d}}_1& -1\\ {\underset{\&OverBar;}{d}}_2& -1\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& \&CenterDot;\\ {\underset{\&OverBar;}{d}}_n& -1\end{array}\right],{\underset{\&OverBar;}{d}}_i=(\underset{\&OverBar;}{\overset{^}{s}}\left(t_m\right)-{\underset{\&OverBar;}{x}}_k)/r_{i,k}\left(t_m\right).---\left(11\right)$

4.MLC14通过应用卫星时钟校正、用循环校正和差分GPS(DGPS)校正(如果可使用)来校正码相位测量θ_i。这些校正过的测量称为θ′_i。DGPS校正可以由在网络中已知位置上的GPS接收机提供，例如在BTS20上的接收机。另一个可能的DGPS资源是通过FM子载波，该载波在美国和欧洲的许多地区的无线电台站上可以得到。

5.对于测量消息中的每个GPS卫星，MLC14计算计算出的距离r_i，k(t_m)与GPS-MS10中t_m时刻的测量之间的距离差Δρ_i。从前面的讨论回忆GPS-MS10测量已经具有一毫秒的模数。MLC14通过利用GPS-MS10与BTS_K之间的距离(图2中的|Δ x|)小于最大小区半径的事实求解剩余模糊度。在最坏情况下，只剩下100μs的模糊度。该步骤的输出是列矢量Δρ，其中各个德尔塔距离增量以米为单位(m)。

6.给出德尔塔距离增量Δρ和矩阵H，MLC14求解下列方程组：

$\underset{\&OverBar;}{H}\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}\underset{\&OverBar;}{x}\\ c\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\end{array}\right]=\mathrm{\&Delta;}\underset{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}---\left(12\right)$

其中Δ x|是离基准点 X _k的未知矢量位移(见图2)并且Δt是测量中未知的公共时间偏差。为求解上述方程存在几个不同方法，包括公知的加权最小平方技术。在该方法中，由测量质量矩阵q_i构成矩阵Q，并且通过下列公式计算未知数

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}\underset{\&OverBar;}{x}\\ c\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\end{array}\right]={\left({\underset{\&OverBar;}{H}}^T\underset{\&OverBar;}{Q}\underset{\&OverBar;}{H}\right)}^{-1}{\underset{\&OverBar;}{H}}^T\underset{\&OverBar;}{Q}\mathrm{\&Delta;}\underset{\&OverBar;}{\mathrm{\&rho;}}.---\left(13\right)$

可以利用对相同组的测量多次重复该求解技术并且这对于实现收敛是必要的。

上述讨论涉及辅助GPS-MS10的蜂窝或PCS系统各个部分与定位有关的功能。下面解释它们如何以传递消息协议的形式一起相互影响。在图4a中表示了适合于图1a所示同步网络的协议示例。在该图中，垂直线代表下面标记的单元并且时间从图顶到底增长。水平线代表协议中的各个消息，点和箭头分别表示发端和目的节点。图4a的协议是用于在其中一个MGL14与一个服务M个BSC22的MSC/VLR联系的网络，而每个BSC22服务N个BTS20。尽管在MLC14服务的地理区域内可能有多个同时工作的GPS-MS，在此只关注单独一个GPS-MS。在图4a中，GPS-MS10由BTS₁20服务，并且两者都参与下列协议：

1)MLC14使用有效GPS星历和时钟校正、BTS位置的数据库和精确时间基准对MLC服务区域内的每个BTS20计算唯一辅助信息。

2)MSC/VLR15从MLC14接收辅助信息，将它分解成与每个所服务的BSC22有关的部分，并且将各个部分发送给各个BSC。

3)每个BSC22接收辅助消息，将它分析成与每个所服务BTS20有关的部分，并且将各个部分发送给各个BTS。

4)当BTS₁20接收新的辅助消息时，它使用对两者的了解将根据GPS时间的辅助信息的基线时间t₁转换为网络时基。BTS₁替代以前的辅助信息并且在BCCH或BTS₁发射的另一个广播信道上开始发射新的辅助信息。该辅助消息被周期性地重复，周期一般为超帧的整数(在GSM系统中240ms)。该辅助信息现在可在最大45分钟内有效并且对于所有接收那个小区BCCH的GPS-MS可使用，包括接收和存储辅助信息的GPS-MS10。有效期持续时间取决于辅助信息中的导数数量，而重复率取决于BCCH上业务载荷与定位GPS-MS10之间等待时间要求的平衡。

5)MLC14向MSC/VLR15发送消息以请求GPS-MS10使用GPS测量定位。

6)MSC/VLR15识别网络中GPS-MS10的位置，并且通过适当的BCS22和BTS₁20发送消息以命令GPS-MS10开始GPS测量。GPS-MS接收该请求并且使用有效辅助数据和当前时间估计t2计算关注捕获过程的多普勒和码相位参数。

7)GPS-MS10在时间t_m进行测量之后，它形成一个响应并且通过空中接口发送给BTS₁20。。

8)BTS₁20将测量时间t_m从GPS-MS中使用的网络时基转换为GPS时基。这些参数被插入到测量结果消息中并且发送给服务的MSC/VLR15。

9)MLC/VLR15将结果消息传递给请求的MLC14。该信息与BTS₁位置一起被MLC14使用以计算GPS-MS10的位置。可选择地，MLC通过MSC/VLR响应GPS-MS位置信息。

一种可能的改变是BSC22执行辅助消息和来自GPS-MS10测量响应的时基转换。在此情况下，BSC22必须知道它服务的所有BTS₁20的空中接口定时，以及来自GPS接收机的定时信息。该方案在某些条件下可能是最佳的，因为在网络中所必须的基准GPS接收机更少。

另一个可能改变是BTS₁20计算它区域内移动站的唯一辅助数据，利用对两者的了解将辅助信息的基线时间t₁从GPS时间转换为网络时基，并且使用点对点消息传递协议周期性广播该消息和发射辅助数据。在该方案中，GPS-MS10在进行测量并且将它发送给BTS₁20之后，BTS₁20能够或者自己计算GPS-MS10的位置或者在将测量时间从GPS-MS10使用的网络时基转换为GPS时基之后可选择地通过MSC/VLR将它传递给MLC。在这种方案中，BTS₁20执行迄今MLC执行的某些或所有任务，因为BTS₁20自己可以利用GPS接收机。应当注意，尽管这不是优选实施例，这种改变对于本领域技术人员是显而易见的并且包括在本发明的范围内。

另一个可能的改变是转换整体将辅助信息时间参数t₁改变成与网络时间中特定事件一致。例如，BTS20可以选择将t₁对准FN₁的开始，使得TN₁＝BN₁＝0。如果这些用作网络中的标准惯例，则校准知识可以隐含在BTS20与GPS-MS10之间因此TN₁和BN₁不需要包含在辅助消息中。可是，转换整体必须修改比特相位φ_i，k(t₁)以计算初始和新的t₁之间的卫星传输相位的改变。

图4b说明本发明消息流程的另一个可能组。该消息传递协议代表如同图1b所示的非同步网络情况。在此情况下，网络包含已知位置上的TMU26，该TMU通过观察两个系统的发射捕获GPS和蜂窝网络两者的定时。每个TMU26具有一个有关的服务BTS20，TMU26通过它用GPS和网络发射之间定时关系的形式报告其观察。下面描述图4b中所示的消息协议：

1.在MLC14所服务网络部分中的P个TMU26的每个向服务MSC/VLR15报告由各个TMU观察的GPS和小区发射之间的定时关系。该消息可以由每个TMU26不经请求地周期地发送，或可以作为对MLC请求该信息的响应发送。

2.MSC/VLR15将定时信息消息传递给MLC14。成功接收该消息之后，MLC14具有转换GPS和网络时基的能力。

3.MLC14使用有效GPS星历和时钟校正、BTS位置数据库和精确时间基准对MLC服务区域中的每个BTS20计算唯一辅助信息。MLC将辅助信息的基准时间转换为网络时间基础。MLC向MSC/VLR15发送用于MSC/VLR服务的所有小区辅助信息。

4.MSC/VLR15从MLC14接收辅助信息，将其分析成与每个它服务的BSC22有关的部分，并且将各个部分发送个各个BSC。

5.每个BSC22接收该辅助消息，将其分析成用于每个它服务的BTS20的各个消息，并且将各个部分发送给各个BTS。

6.当BTS20接收辅助消息时，它替换以前的辅助信息并且在BCCH上开始发射新的辅助信息。该辅助信息现在对所有接收该小区BCCH的GPS-MS可使用，包括接收和存储该辅助信息的GPS-MS10。

7.MLC14发送消息给MSC/VLR15请求GPS-MS10使用GPS测量定位。

8.MSC/VLR15识别网络中GPS-MS10的位置，并且通过适当的BSC22和BTS20发送消息命令GPS-MS10开始GPS测量。

9.在GPS-MS10在时刻t_m进行测量之后，它形成一个响应并且通过BTS20和BSC22将它发送给MSC/VLR15。

10.MSC/VLR15传递结果消息给请求的MLC14，该MLC使用从MTU26捕获的消息将t_m从网络时基转换为GPS时间。该信息与BTS₁的测量和位置一起的由MLC14使用以计算GPS-MS10的位置。可选择地，MLC通过MSC/VLR回答GPS-MS位置信息。

本领域技术人员会立刻理解，该辅助信息也可以通过点对点传输而不是如上述的广播提供。图4a和4b中的消息传递协议通过消除用于分配广播信息的消息(图4a中的(1)-(4)，和图4b中的(3)-(6))可以容易修改以容纳点对点传送。相反，辅助信息可以与带有将在适当网络节点上转换的辅助信息时间字段的定位请求(图4a的5和图4b中的7)一起传送。

因此，按照本发明，在所公开的系统和方法中，辅助信息以无线电网络中固定位置距离和该距离导数的形式提供给移动站，以辅助移动站中的GPS接收机进行位置测量。该信息可以用于测量卫星的码相位，并且将测量出的码相位返回给无线电网络以计算移动站的位置。

Claims (38)

1.辅助全球定位系统GPS接收机进行定位测量的方法，该GPS接收机被结合到包括工作在无线电网络上的收发信机的移动站中，该方法包括步骤：

从无线电网络向移动站传输辅助信息，该辅助信息代表在选择时间上在无线电网络中固定位置同GPS中多个选择卫星的每一个之间的距离，和该距离的导数；和

通过利用所述辅助信息来辅助所述GPS接收机进行移动站的定位测量。

2.权利要求1中方法，其中所述选择时间被包含在该辅助信息内并且用无线电网络时间表达给移动站。

3.权利要求2中的方法，其中所述无线电网络利用时分多址方法和所述选择时间由被发射到与移动站在地理上接近的区域的网络发射的帧序号、时隙序号和比特序号代表。

4.权利要求3中的方法，其中时隙序号、比特序号或两者已被无线电网络和移动站两者所知并且因此不被发射。

5.权利要求2中的方法，其中所述无线电网络利用码分多址方法并且所述选择时间由被发射到与移动站在地理上接近的区域的网络发射的多址联接码相位代表。

6.权利要求2中的方法，其中GPS卫星发射20毫秒比特周期的导航消息并且其中传输步骤包括将距离表示为在选择时间固定位置所观察比特相位的步骤。

7.权利要求6中的方法，其中选择时间与GPS时间的20毫秒历元一致。

8.权利要求1中的方法，其中传输步骤包括计算辅助信息，和量化和编码要通过无线电网络传输给移动站的辅助信息的步骤。

9.权利要求1中的方法，其中操纵移动站以利用辅助信息计算由选择卫星发射信号的码相位和频偏估计，并且对每个卫星使用这些估计捕获信号和测量特定卫星的码相位。

10.权利要求9的方法，还包括通过以下步骤来确定移动站的位置：

利用固定位置和测量出的码相位计算无线电网络中移动站的位置。

11.权利要求10中方法，其中所述选择时间被包含在该辅助信息内并且用无线电网络时间表达给移动站。

12.权利要求11中的方法，其中所述无线电网络利用时分多址方法和所述选择时间由被发射到与移动站在地理上接近的区域的网络发射的帧序号、时隙序号和比特序号代表。

13.权利要求12中的方法，其中时隙序号、比特序号或两者已被无线电网络和移动站两者所知并且因此不被发射。

14.权利要求11中的方法，其中所述无线电网络利用码分多址方法并且所述选择时间由被发射到与移动站在地理上接近的区域的网络发射的多址联接码相位代表。

15.权利要求11中的方法，其中GPS卫星发射20毫秒比特周期的导航消息并且其中传输步骤包括将距离表示为在选择时间固定位置所观察比特相位的步骤。

16.权利要求15中的方法，其中选择时间与GPS时间的20毫秒历元一致。

17.权利要求10中的方法，其中传输步骤包括计算辅助信息，和量化和编码要通过无线电网络传输给移动站的辅助信息的步骤。

18.权利要求10中的方法，其中移动站确定一个表示何时对所述选择卫星之一测量码相位的测量时间并且该测量时间被返回给无线电网络。

19.权利要求18中的方法，其中测量时间表示为相对无线电网络的时间并且计算步骤包括将该测量时间转换为绝对GPS时间。

20.权利要求10的方法，其中无线电网络包括一个移动站位置中心MLC和MLC与移动站通过固定位置上的基站收发信机系统BTS进行通信并且在MLC上执行计算步骤。

21.权利要求20的方法，其中MLC包括一个GPS接收机并且传输步骤包括MLC获得星历信息并且根据星历信息计算辅助信息。

22.权利要求21的方法，其中BTS包括一个GPS接收机以提供精确时间基准将无线电网络时间与GPS绝对时间相关。

23.权利要求21的方法，其中无线电网络进一步包括一个具有GPS接收机的时间测量单元TMU和监视多个BTS发射的无线电收发信机，并且传输步骤包括从TMU向MLC传递时间基准以使无线电网络时间与GPS时间相关。

24.一种确定移动站位置的系统，该移动站包括工作在无线电网络上的收发信机和全球定位系统GPS接收机，该系统包括：

一个无线电网络控制系统，包括用于获得星历数据的GPS接收机，该控制系统根据星历数据推导出辅助信息并且通过无线电网络将辅助信息传输给移动站，该辅助信息代表选择时间上在无线电网络中的固定位置同GPS中多个选择卫星的每一个之间的距离，并且代表该距离的导数；

该移动站包括利用所接收辅助信息来确定对应于所述移动站相对于所述GPS中多个选择卫星之位置的定位数据以及通过无线网络将所确定的定位数据返回给无线网络控制系统的装置；和

该无线电网络控制系统包括用于利用固定位置和所确定的定位数据来计算无线电网络中移动站位置的装置。

25.权利要求24的系统，其中所述选择时间被包含在该辅助信息内并且用无线电网络时间表达给移动站。

26.权利要求25的系统，其中所述无线电网络利用时分多址方法和所述选择时间由被发射到与移动站在地理上接近的区域的网络发射的帧序号、时隙序号和位序号代表。

27.权利要求26的系统，其中时隙序号、比特序号或两者已被无线电网络和移动站两者所知并且因此不被发射。

28.权利要求25中的系统，其中所述无线电网络利用码分多址方法并且所述选择时间由被发射到与移动站在地理上接近的区域的网络发射的多址联接码相位代表。

29.权利要求25中的系统，其中GPS卫星发射20毫秒比特周期的导航消息并且其中传输步骤包括将距离表示为在选择时间固定位置所观察的比特相位的步骤。

30.权利要求29中的系统，其中选择时间与GPS时间的20毫秒历元一致。

31.权利要求24中的系统，其中网络控制系统包括计算辅助信息，和量化和编码要通过无线电网络传输给移动站的辅助信息的装置。

32.权利要求24中的系统，其中操纵移动站以利用辅助信息计算由选择卫星发射信号的码相位和频偏估计，并且对每个卫星使用这些估计捕获信号和测量特定卫星的码相位。

33.权利要求32中的系统，其中移动站包括确定一个表示何时对所述选择卫星之一测量码相位的测量时间并且将该测量时间返回给无线电网络的装置。

34.权利要求33中的系统，其中测量时间表示为相对无线电网络的时间并且计算装置包括用于将该测量时间转换为绝对GPS时间的装置。

35.权利要求24的系统，其中无线电网络包括一个移动站位置中心MLC和MLC与移动站通过固定位置上的基站收发信机系统BTS进行通信并且由MLC限定计算装置。

36.权利要求35的系统，其中MLC包括一个GPS接收机并且该MLC获得星历信息并且根据星历信息计算辅助信息。

37.权利要求36的系统，其中BTS包括一个GPS接收机以提供精确时间基准将无线电网络时间与GPS绝对时间相关。

38.权利要求35的系统，其中无线电网络进一步包括一个具有GPS接收机的时间测量单元TMU和监视BTS的无线电收发信机，以提供精确时间基准使无线电网络时间与GPS绝对时间相关。

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