在一个蜂窝网络中递增广播GPS导航数据的系统和方法

摘要

这里公开一种用于将在一个无线通信网络中的GPS辅助数据广播到移动站的系统。每个移动站包括工作在该无线通信网络中的一个收发信机和一个集成GPS接收机,以进行GPS定位测量。该系统包括一个GPS接收机,用于得到用于可见GPS卫星的轨道模化信息和DGPS校正数据。收发信机同在该无线通信网络中的移动站通信。一个广播控制器与该GPS接收机和收发信机相关联工作,以选择性地对选择的移动站建立一个直接的点对点频道以便传送该轨道模化信息和周期性地将－在该无线通信网络上的DGPS校正数据广播到所有在该无线通信网络中进行通信的移动站。

说明书

                        发明领域

本发明涉及全球定位系统(GPS)接收机，特别涉及在一个无线蜂窝网络中递增广播GPS导航数据的系统和方法。

                        发明背景

确定在一个无线蜂窝网络或其他公共陆地移动网络(PLMN)中一个移动站的地理位置在目前对于广泛应用而言已成为重要的事务。例如，可以由运输和出租公司要求定位业务以确定其运载车辆的位置和改进调度程序的效率。此外，对于紧急呼叫，例如911呼叫，知道一个移动终端准确的位置对于确保在紧急状态下的实际成效是特别重要的。

此外，可以使用定位业务去确定被盗车辆的位置，识别可在低费用率的局部地区呼叫，检测在一个微小区中的过热点，或提供优质的用户服务，例如，Where Am I服务，该Where Am I服务例如将方便确定到一个移动站的最近的加油站，餐馆，或医院的位置。

用于确定一个移动站地理位置的一种技术是使用基于卫星的全球定位系统(GPS)。GPS是一个卫星导航系统，它提供能在GPS接收机内处理的特定编码的卫星信号以产生一个接收单元的位置，速度和时间。需要四个或多个GPS卫星信号去计算三维位置坐标和接收机时钟相对一个固定坐标系统的时间偏移。

GPS系统包括围绕地球运行近似12小时的24个卫星(不计空闲时间)。GPS卫星的轨道的高度(20，200Km)使得近似每24小时在任何位置上卫星重复相同的地面跟踪和造形一次。存在六个轨道的平面，每个平面通常至少具有四个卫星在其中，它们间隔相等(即分开60°)，并且相对地球赤道平面倾斜大约55°。这种星座配置确保对地球上任何位置的用户可看见四个和十二个之间的卫星。

GPS系统的卫星在GPS接收机中提供确定位置，速度和时间坐标的两个精度等级，许多GPS系统的百姓用户使用标准定位业务(SPS)，具有水平方向上100米，垂直方向±156米2-σ的精度和±340纳秒时间。精确的定位服务(PPS)仅对于具有加密设备和密钥和特别装备的接收机的授权用户才可使用。

每个GPS卫星发射两个L-波段的载波信号。L1频率(中心在1575.42MHz)携带导航消息以及SPS和PPS代码信号。L2频率(中心在1227.60MHz)也携带PPS代码并用与PPS系统兼容的接收机测量电离层的延迟。

L1和L2载波信号由三个二进制代码调制：1.023MHz的粗捕获(C/A)代码，10.23MHz精代码(P-Code)和50Hz导航系统数据代码(NAV Code)。C/A代码是唯一表征一个GPS卫星的一个伪随机数(PRN)代码。所有GPS卫星在相同的L1和L2载波上发射它们的二进制代码。同步的多个接收信号由码分多址(CDMA)相关器恢复。在百姓GPS接收机中的相关器首先恢复由NAV代码调制的C/A代码。然后锁相环路(PLL)电路从NAV代码分离出C/A代码。应强调的是一个GPS接收机首先需要确定其近似的位置，以便确定哪一个GPS卫星是实际上可看得见的。相反地，知道其近似位置的一个GPS接收机可以更快地采集由适宜地GPS卫星发射的信号。

开始启动一个GPS接收机一般要求从四个或更多个GPS卫星的导航数据信号采集一组导航参数。这种初始化一个GPS接收机的过程通常可消耗数分钟的时间。

GPS定位过程的持续时间直接依赖于一个GPS接收机具有多少信息。多数GPS接收机用天文年历数据编程，该天文年历数据提前一年粗略地描述所期待的卫星位置。但是，如果该GPS接收机不具有某个其自身近似位置的资料，则该GPS接收机不能足够快地相关来自可见卫星的信号，并且因此不能快速地计算其位置。此外，应指出的是，在工作启动时，与连续监视一个已采集的信号所需要的相比，对捕获C/A代码和NAV代码需要更高的信号强度。还应指出的是，监视GPS信号的处理受环境因素的很大的影响。这样，在室外可以容易获得的GPS信号将变成难以获得的景况，如果一个接收机处于叶饰(foliage)的条件下，在一个运载工具内，或最坏的情况是在一幢建筑物内。

目前管理机构命令，例如，FCC Phase II E-911业务的响应时间要求使得迅速地准确地确定一个移动手持机的位置是强制性的。这样为了有效地实施在一个移动终端中的一个GPS接收机并同时符合快而准确的定位要求，已成为必要的是能够快速地提供准确的辅助数据给移动终端，例如，本地时间和位置估算，卫星天文历表和时钟信息(它们能随该移动站的位置变化)，使用这样的辅助数据能使与一个移动站是整体的或连接到一个移动站的一个GPS接收机迅速完成其开始过程。因此希望能够在一个现存的无线蜂窝网络上传送送必要的辅助GPS信号到与一个移动终端是整体的或连接到一个移动终端的一个GPS接收机。

在一无线电链路上将卫星天文历表和时钟校正信息提供到一个远程GPS接收机目前是已知的技术。同样，在地面观测中将微分GPS(DGPS)校正在一个无线电链路上提供到远程GPS接收机是普通的技术。但是，这些现有的系统未提供蜂窝移动站和与其相互作用的无线蜂窝网络的特定的操作要求。

对于一个配置GPS的移动站(GPS-MS)，备用时间和通话时间由电池的容量所限制。由集成GPS接收机工作引起的附加电池的损耗基本上比基本小区电话要求的大。不希望限制备用时间和通话时间。

与耐用的GPS接收机相比，提供GPS辅助信息到GPS-MS将改善灵敏度，到第一定位点时间(TTFF)，和该GPS-MS的功率损耗。然而，典型的GPS-MS的使用情况提出与获得和更新来自无线蜂窝网络的GPS辅助信息有关的问题。例如，DGPS校正数据是对时间很敏感的并要求经常更新，这在该无线蜂窝网络的设备上配置了一个负荷。并且，一旦新的天文历表和时钟校正数据对一个卫星是可得到的，则对于可看得见该卫星的所有GPS-MS尽可能快地要求该新的辅助，以便保持高的定位精度。及时传送这些更新可配置有效的负荷于无线蜂窝网络的设备上。

本发明的目的在以新的和简单方式于克服以上讨论的一个或多个问题。

                        发明概述

按本发明提供一个系统和方法，用于在一个无线蜂窝网络中递增广播GPS辅助数据。该系统和方法以即时方式提供导航数据而不在无线蜂窝网络资源上配置过度的负荷。

广泛地，按本发明一个方面这里公开了在一种无线通信网络中广播全球定位系统(GPS)辅助数据到移动站的方法。每个移动站包括工作在该无线通信网络中的一个收发信机和进行GPS定位测量的一个集成的GPS接收机。该方法包括步骤：对选择的一个移动站建立一个直接的点-对-点频道；将点-对-点频道上的轨道模化信息转换到选择的用于可看见GPS卫星的移动站；以及将在该无线网络上的GPS校准数据广播到在该无线通信网络中进行通信的所有移动站。

本发明的特征在于转换步骤包括转换GPS卫星和时钟校正信息或GPS卫星天文年历数据的步骤。

本发明的另一特征在于该广播步骤包括广播DGPS校正数据的步骤。

本发明的再一特征在于通过广播代表更新的轨道模式信息的数据到在无线通信网络中进行通信的所有移动站提供更新辅助数据的步骤。更新步骤包括分析代表更新的轨道模化信息的数据和选择性地将分析的数据附加到广播消息不使用的部分。该更新的轨道模式信息与现存轨道模化信息比较以确定对目前可看见的卫星的偏差。该分析步骤包括分析对目前可看见的卫星的偏差。

本发明一个附加的特征在于更新步骤包括压缩代表更新的轨道模化信息的数据。该数据由对目前可看见的卫星确定的偏差进行压缩。

按本发明另一方面公开了一种递增广播一个无线通信网络中的更新的GPS辅助数据到移动站的方法。每个移动站包括一个工作在该无线通信网络中的收发信机，以及一个集成GPS接收机以进行GPS测量，移动站具有过去的轨道模化信息用于目前可看见的GPS卫星。该方法包括步骤：周期性地接收目前的轨道模化信息用于目前可看见的卫星；将接收到的目前轨道模化信息与过去的模化信息相比较并响应任何得出的更新的轨道模化信号的偏差；以及将更新的轨道模化信息在无线通信网络上广播到在该无线通信网络中进行通讯的所有移动站。

按本发明的再一方面公开了一个系统，用于在一个无线通信网络中将GPS辅助数据广播到移动站。每个移动站工作在该无线通信网络中并包括一个集成GPS接收机以进行GPS定位测量。该系统包括一个GPS接收机用于获得可看见的GPS卫星的轨道模化信息和GPS校正数据。一个收发信机同在该无线通信网络中的移动站通信。一个广播控制器与该GPS接收机和收发信机相关工作，用于有选择性地对选择的移动站建立直接点-对-点频道，以便转移轨道模化信息并周期性地将GPS校正数据在该无线通信网络上广播到在该无线通信网络中进行通信的所有移动站。

本发明的特征在于轨道模化信息包括GPS卫星天文历表和时钟校正信息。

本发明的另一特征在于轨道模化信息包括GPS卫星天文年历数据。

本发明的再一特征在于该GPS校正数据包括DGPS校正数据。

本发明的附加特征在于该广播控制器通过广播代表更新的轨道模化信息的数据到所有在该无线通信网络中进行通讯的所有移动站来更新辅助数据。这种更新包括分析代表更新的模化信息的数据并有选择性地附加该分析的数据到广播消息的未用部分。广播控制器将更新的轨道模化信息同现存的轨道模化信息相比较以确定对目前可看见的卫星的偏差。广播控制器分析对目前可看见的卫星的偏差。

本发明再一个特征在于该广播控制器压缩代表更新的轨道模化信息的数据。该数据由对目前可看见的卫星的确定的偏差进行压缩。

根据说明书和附图本发明的其他特征和优点容易明白。

                   附图的简要说明

图1是一个系统的方块图，用于按本发明在一个无线通信网络中广播GPS辅助数据；

图2是用于图1的系统的一个GPS辅助广播控制器的方块图；以及

图3是说明由图2控制器实施的分析更新的GPS导航信息的定时图。

                    本发明的详细说明

参照图1，说明使用辅助GPS定位的一个无线通信网络系统10的方块图。描述按本发明的系统和方法与GSM蜂窝标准有关。尽管如此，本专业技术人员将公认本发明可应用到其他的蜂窝系统，例如，TDMA(ANSI-136)和CDMA(cdmaOne)，而且还可应用到非蜂窝无线通信系统，例如卫星电话或地面移动无线电设备。

无线通信网络系统10包括连接到基站控制器(BSC)14的基收发信机站(BTS)12。BSC通过由一朵云34表示的蜂窝系统网络经发送信号与移动定位中心(MLC)16通信。BTC12是系统10的无线电设备部分，并且负责发送和接收在特定小区18内使用的无线电信号。BSC14控制一个例如BTS12或多个BTS的资源，其包括下面描述的广播性能。MLC16负丽确定用于传送到其服务的区域中的任何配备移动站(GPS-MS)的GPS的全球定位系统(GPS)辅助信息，例如在小区18中表示的GPS-MS20。这可以通过与MLC16相互定位的本地微分GPS(DGPS)接收机22来完成。DGPS接收机22从对其可看见的卫星，例如一个卫星24，提供校正消息以及导航消息。卫星24可以是任一个提供GPS式的测距信号的基于卫星的加强系统(SBAS)的卫星。为应用目的，卫星24被描述成一个GPS卫星。DGPS接收机22还可以使用来自另一个SBAS卫星的信息，例如WAAS或EGNOS对地静止卫星26作为DGPS校正的冗余源。

GPS-MS20包括一个典型的移动站(也称无线电话，蜂窝电话，或小区电话)，其具有一个蜂窝收发信机，用于发送和接收在其自身和无线通信网络系统10之间的无线电信号。GPS-MS20还配备有一个集成GPS接收机，用于从例如卫星24可看见的GPS卫星接收复合信号。对GPS-MS20编程，以便使用从该无线通信网络系统10接收的复合信号和导航辅助数据进行GPS定位测量。

如显见的，网络系统10一般包括数个BTS，每一个小区用一个，同样包括数个BSC。GPS-MS的数量取决于在任何给定时间使用该网络系统的用户的数量。但是，为简化起见描述按本发明的系统和方法的特征与说明的BTS12，BSC14和GPS-MS20有关。

可以将无线通信网络系统10的信息-承载频道或“载体”分成三类。第一类是在28所表示的一个点-到-点频道。对于一个点-对-点频道28，一个专用逻辑或物理频道存在在GPS-MS20和BSC14或一个移动转换中心(未示)之间。由于该频道是专用的，所以在使用前它必须建立在GPS-MS20和网络实体之间，然后在完成通信后释放。这些过程要求根据一个或多个不“免费”的网络实体的处理能力。

第二类频道是如在30说明的一个点-对-多点频道。对于一个点-对-多点频道，无线通信网络系统10广播信息到在某一地理位置中的所有移动站。由于无逻辑频道用于广播操作，所以不要求建立和释放过程。但是，一个控制实体必需确定每一个点-对-多点频道30的广播内容。例如，在GSM系统中，BSC14配置由在每个由BSC14服务的小区中的BTS12发送的广播控制频道(BCCH)。

第三类频道是一个多点-对-点频道，在那里多个移动站在一个公共频道上发送。在GSM系统中该类频道的一个例子是随机访问频道(RACH)，其由在一个小区范围内所有移动站使用，以向该网络请求一个专用的连接。

GPS辅助数据可以分成两类。第一类是用于可看见的卫星的轨道模化信息。第二类是DGPS校正。轨道模化信息由包括卫星天文历表和时钟校正或天文年历数据的导航信息组成。该数据相当大，对10个卫星可以是在接近5000位的量级。该导航信息要求不常更新，对目前可看见的卫星接近每两小时更新。GPS卫星天文年历数据的更新更不经常。如果导航信息仅提供给在一个参考位置可看见的卫星，例如提供给BTS12，则当一个新的卫星变成可看得见时也要求更新。该导航信息对GPS-MS20是需要的，以便计算其自身的位置。从网络系统10提供导航信息意味着GPS-MS20不必根据例如在图1中信号32的相应的GPS卫星信号对其进行解调。

DGPS校正用来按距离对它们各自的卫星调节大气，轨道，和选择的可用性(SA)误差，这些卫星由GPS-MS20测量并用于位置计算。该数据相当小，但要求经常更新，其量级是30秒，或更小，这是由于SA下降的时变性质所造成。DGPS校正改善了GPS-MS水平位置精度从50m(RMS)到5-10m(RMS)，这对于例如个人导航应用是重要的。

每个小区的或BTS的广播能力是相当受限的。这种能力必需用于信息而不是GPS辅助。例如，BCCH必需提供信息以帮助越区切换到相邻小区。因此，在一个广播载体上传送较大的导航辅助是不切实际的。

为满足以上要求，按本发明的无线通信网络系统10使用若干程序将GPS辅助信息提供到GPS-MS20。第一程序为当GPS-MS20加电时，它使用一个专用的点-到-点频道28请求和接收来自网络10的轨道模化信息和DGPS校正辅助。可以专门为此目的建立该专用频道，或者为其他目的建立的一个逻辑频道可以用于GPS-MS20和网络系统10之间的通信。使用点-对-点频道28提供快速传送，而快速传送使GPS-MS20快速地计算其位置。

其间，DGPS校正数据在每个小区的BCCH或另外的广播载体上广播。用于每个小区的例如小区18的DGPS广播数据由BSC14每30秒或更小时间更新。由于它允许立刻地快速传送DGPS校正到所有GPS-MS，所以广播是有益的。由于对校正数据短的有效持续期，这就显得特别重要。

以上两个过程提供了初始的工作情况。但是，当轨道模化信息，特别是导航信息必需对在一个地域-例如小区对所有GPS-MS进行更新时将出现问题，作为其一个例子是当一个新的卫星成为可看得见时。点-对-点传送到在该小区中的所有GPS-S并不实际，而使用附加广播能力也是不实际的。

按本发明通过分析更新信息并将其附加到广播消息的不使用部分来解决这个问题。特别地，多数网络发送信号的协议具有所谓协议数据单元(PDU)，其中所有消息必需是某一尺码的倍数，例如，对于GSM短消息业务小区广播(SMS-CB)的PDU是82字节，或656位。如果实际消息内容小于这个长度，则该协议增加填充数据，以便其达到PDU尺码。按本发明如果上述广播DGPS校正数据低于1PDU，则该未使用的容量由更新的导航数据填充。按此方式，所有在小区18中的GPS-MS能接收该更新的导航数据而不占据专用的点-到-点频道28和其他的网络资源，例如MSC或BSC。

按照本发明，存在两种选择传送广播DGPS消息中的导航数据更新。第一种选择是直接通过分析该数据传送天文历表，时钟校正等于每个受更新影响的卫星以填充未使用的广播容量。第二种选择是直接送信息于一个或多个刚可看见的卫星，但对目前可看见的卫星仅发送期望的导航参数偏差。随着储存的过去的广播更新，GPS-MS20能将偏差施加到现存信息并确定最新近的导航数据更新。这使数据更快地分配到GPS-MS20。

一旦MLC16从DGPS接收机22或其他外部源捕获DGPS校正数据，它将该数据通过网络34送到BSC14。另外，MLC16可以与BSC14共同定位。最好MLC16周期性地更新DGPS校正数据，例如每30秒钟或更少时间。参照图2，在它接收每个更新后，BSC14传送该数据到其内部GPS辅助广播控制器36。

参照图2，广播控制器36包括一个从MLC16接收DGPS校正数据的多路转换器38，BSC14也从MLC16接收GPS导航数据。该数据来自DGPS接收机22或也许来自一个外部源(未示)。当GPS卫星改变它们的各自的导航消息或可能地当一个新的卫星进入视野时产生对导航数据的更新。在接收该导航数据后，BSC14将其传送到内部广播控制器36，在那里将其储存在一个缓冲器40中用于目前数据。缓冲器40同使用改变检测块44储存过去数据的缓冲器42相比较。如果对于一个目前可看得见的卫星无导航数据差存在，则对于该卫星无附加广播消息内容需要产生。如果对于一个目前可看得见的卫星存在改变，则广播控制器36计算将在先导航参数组与新的导航参数组相关的偏差项。这些偏差项传送到方块46其编码和缓冲该改变的数据并使用一个分析器48将其分析到点-对-多点广播消息的未用部分。分析器48还连接到接收DGPS校正数据的尺码检测块50。尺码检测块确定广播DGPS校正数据是否小于一个PDU。然后，尺码检测块50指令分析器48关于能用更新导航数据填充的未使用容量。分析器(parser)48将分析的导航数据施加到多路转换器38，以填充输出作为广播消息内容的广播DGPS校正数据的未使用的容量。这允许导航数据更快地分配到在该无线通信网络10中进行通信的所有GPS-MS。

如所显见的，如果一个卫星重新可见并且在块42未缓存过去的数据，则导航数据简单地向前传播和按其标准方式分析。

图3表示等时线，表示在块52说明的更新的导航信息如何进行分析，并同时在时间to，t1，t2，t3和t4的各DGPS校正数据一起附加到标志N，N+1，N+2，N+3和N+4的广播消息。

仅传送偏差项于目前可看见的卫星的一个益处在于消息压缩。当单独的导航更新尺码减小时，导航更新的一个序列的有效传送率能够增加。另外，当保存的位用于其他目的时，有效传送率能加以保持。例如，表示无线蜂窝网络系统的各自的时间基准和GPS之间的准确关系的位可以周期性地使用这些保存的位广播。本专业的技术人员了解这种关系的知识是任何有效GPS辅助方案的核心组成部分，在Bloebaum等的申请序号09/264,120中描述了这些定时关系，该申请的申请日为1999年3月8日，并转让给本申请的受让人。

可以预料，在连续的2小时导航适合跨度间隔之间的二到三次压缩率是可行的。例如，用于Clock和Ephemeris的Issue-Of-Data(IODC & IODE)项可以从组合的18位减小到正好1-2位，这对于表示一个改变的出现是足够了。同样，time-of-clock和time-of-ephemeris(t_OC和t_OE)能从每16位减小到小于每8位。

此外，其他的轨道参数本身将适用于压缩，这是因为储存在GPS-MS20中的来自在先更新的导航数据包括它们的相应的高阶导数。可以通过使用包含在组{af₁，af₂，DI/dt，dΩ/dt，Δn}中的高阶导数提前两小时准确地设计项{af₀，af₁，I₀，Ω₀，M₀，W}的普通组。在该准确设计估算和它们的来自新更新的相关项之间的差是最小的。这是特别准确的，因为人们了解由连续适合距度更新(两小时滞后)产生的伪距离对相差小于一米。由于六项的该组对于总共166时钟/天文历表位计算。所以该子组的四次压缩可能产生大约120位的减小。

对于确定所要求的跨度-跨度参数偏移的距离的剩余项{af₂，dI/dt，dΩ/dt，Δn，e，A^1/2}和六个谐波校正幅度就不是那样简单了。这种确定要求表现在编档保存的导航消息中的跨度-跨度偏差的某些经验的调研。但是，必需考虑的是用于两个连续的适合跨度间隔的相应的参数基本上是从控制段观察数据的相同的连续的4-工作周的组(4-week set)导出的。这样，在连续的适合跨度参数组之间的连接是固有地平滑的，因为使用非常长的观察窗口。如果由这些剩余的项所要求的222位可以截一半和进行上述减小，则三次压缩是可能的。

如图1所示，GPS-MS20接收由服务BTS12发送的点-到-点和点-到-多点频道。当GPS-MS20加电并具有无效导航数据时，它可以在一个点-到-点频道上直接从MLC16请求该数据。但是，如果GPS-MS20已经具有有效导航数据，则当使用其现存的数据的同时它可以倾听新数据的点-到-多点频道。

这样，按本发明，说明在一个无线通信系统中用于递增广播GPS辅助数据的系统和方法，例如在一个蜂窝网络系统中，以提供时间灵敏信息的经常的更新，同时使该无线通信网络上的负担减至最小。