解扩展GPS扩频信号的方法

摘要

公开了一种在一基站BS1辅助之下解扩展在一移动单元MS2处接收的GPS扩频信号的方法包括步骤:(a)在基站接收和解扩展GPS信号并从其导出GPS信号信息;(b)估算该移动单元的位置;(c)修改该GPS信号信息,使得将该GPS信号特性反映成在该移动单元的一个估算位置处可能观察到的那样;(d)从基站将该GPS信息发射到移动单元;(e)使用修改的GPS信号信息产生包含相应于这些GPS信号的PRN代码的复制信号;以及(f)进行GPS信号和该复制信号的相关性运算以获取GPS信号。

说明书

本发明涉及在一个基站的辅助之下解扩展(despreading)在一个移动单元处接收的GPS扩频信号的方法。

人们知道提供一个GPS接收机，其中连续产生复制GPS卫星伪随机噪声(PRN)代码信号并同接收的GPS信号相关以获取它们。一般地当由于接收机和沿轨道运行的卫星之间的多谱勒偏移复制代码与接收的GPS信号相比似乎具有不同的代码相位以及还有不同的频率时，应用两维代码频率/相位扫描，由此这样的扫描将最终产生具有相同频率和代码相位的输入PRN代码，就像本地产生的复制信号那样。如果进行检测，则该代码将被捕获和跟踪，同时可以检索到伪距离信息，据此，接收机的位置可以使用普通的导航算法进行计算。

人们还知道提供一个包含有这样一种GPS接收机的移动蜂窝电话，目的是使蜂窝电话网络的操作人员去确定由其进行一个呼叫的位置以及在实际中其目的是用于紧急服务的紧急呼叫。当然对于一个紧急呼叫，希望尽可能快地得到该呼叫位置，然而，根据GPS接收机不具有可以使用现代星历表数据场所的“冷起动”或甚至最差的根据GPS接收机不具有现代天文年历场所的“代理冷启动”，无论如何至第一定位点的时间(TTFF)能在30秒到5分之间。

为降低TTFF，可以用基站辅助设备提供GPS接收机，以更快地获取GPS信号。这样的辅助设备可以包括由基站对接收机提供精确载波频率参考信号，以校准在GPS接收机中使用的本地振荡器，如由该基站所得到的那样，根据用于现代卫星天文年历的数据消息和星历表数据，对于在观察中的卫星的多谱勒偏移可以和目前的PRN代码相位一起加以确定。在这样的辅助的条件下，有可能仅扫描一个窄的频率范围和代码相位，其中知道GPS PRN代码占据，由此减少了需要检测的代码事例数量，并由此减少了代码获取的时间。在专利US 5 841 396和5 874 914中还进而描述了基站辅助设备，它们在此作为参考。

本发明的目的在于提供一种改进方法，其在一基站的辅助之下，解扩展在一个移动单元接收的GPS扩频信号，使用这种方法可以降低TTFF。

按照本发明，提供的这种方法包括步骤：

(a)在基站接收和解扩展GPS信号并从其导出GPS信号信息，理想地包括多谱勒和代码相位信息；

(b)估算该移动单元的位置；

(c)修改GPS信号信息，使得将GPS信号特性反映成在移动单元一个估算位置处可能观察的那样；

(d)将GPS信号信息从基站传送到该移动单元；

(e)使用修改的GPS信号信息产生包含相应于那些GPS信号的PRN代码的复制信号；和

(f)执行GPS信号和复制信号的相关运算，以获取GPS信号。

本发明的方法使得可识别其中已知GPS PRN代码占据的一个更窄的频率范围和/或代码相位。这样，需要进行检测的代码事例更少，由此GPS信号捕获时间和进而TTFF可以减少。

在基站可进行步骤(c)，在这种情况下修改的GPS信号信息从基站传送到移动单元，即步骤(c)先于步骤(d)。如果是这样，则对于基站使用直接RF通信将修改的GPS信号信息传送到移动单元是方便的，从基站将修改的GPS信号信息传送到移动单元还试图包括例如通过陆地线路或使用转发站的间接传送。此外，可以在该移动单元确定移动单元位置的初始估算，并发送到基站。

按本发明还提供一个基站和一个移动单元的组合在一个基站的辅助之下解扩展在移动单元接收的GPS扩频信号；其中基站包括一个GPS接收机，用于在基站接收和解扩展GPS信号并从其导出GPS信号信息，一个处理器，配置来修改该GPS信号信息，使得将该GPS信号特性反映成在该移动单元的一个估算位置处可能观察到的那样；和一个发射机，用于将该修改的GPS信号信息从该基站发射到该移动单元；以及其中移动单元包括一个GPS接收机用于接收该GPS信号，一个通信接收机用于从一个基站接收GPS信号信息；和一个处理器，配置来使用修改的GPS信号信息产生包含相应于那些GPS信号的PRN代码的复制信号，并执行GPS信号和该复制信号的相关运算以捕获GPS信号。另外，提供了进一步的组合，其中基站包括一个GPS接收机，用于在基站接收和解扩展GPS信号并从其导出GPS信号信息，和一个发射机，用于将修改的GPS信号信息从该基站传送到移动单元；以及其中移动单元包括一个GPS接收机用于接收GPS信号；一个通信接收机用于从一个基站接收GPS信号信息；和一个处理器，配置来修改GPS信号信息。使得将该GPS信号特性反映成在该移动单元的估算位置处可能观察到的那样，使用该修改的GPS信号信息产生包含相应于那些GPS信号的PRN代码的复制信号并执行该GPS信号和该复制信号的相关运算以获取GPS信号。

按本发明还提供用于提供这样一种辅助作用的一个基站，其包括一个GPS接收机，用于在该基站接收和解扩展GPS信号并从其导出GPS信号信息，一个处理器用于修改GPS信号信息，使得将该GPS信号特征反映成在一个移动单元的一个估算位置处可能观察到的那样；一个发射机，用于将修改的GPS信号信息从该基站传送到该移动单元。

按本发明还提供了一个移动单元，其包括一个GPS接收机用于接收GPS信号；一个通信接收机用于从一个基站接收GPS信号信息；以及一个处理器，配置来修改该GPS信号信息，使得将GPS信号特性反映成在该移动单元的一个估算位置处可能观察到的那样，使用修改的GPS信号信息产生包含相应于那些GPS信号的PRN代码的复制信号并执行GPS信号和复制信号的相关运算以捕获该GPS信号。

参照附图，根据一个移动蜂窝电话实施例作为例子的下列说明，本发明的上述和其他特征以及优点将是显而易见的，该移动蜂窝电话包括用在一个蜂窝电话网络中的一个GPS接收机，其中：

图1示意性地表示一个蜂窝电话网络的地理位置；

图2以更详细方式示意性地表示图1移动蜂窝电话MS1；以及

图3以更详细方式示意性地表示图1的基站BS1。

在图1中示意性地表示普通蜂窝电话网络1的地理配置。该网络包括多个基站BS，其中指示BS1-BS7共七个，定位在各自的相互间隔的地理位置。这些基站的每一个包括由在任一位置或服务区的一个集群系统(trunking system)控制器操纵的无线电发射机和接收机整体。这些基站的各自的服务区SA1-SA7重叠，如由交叉影线所示，共同覆盖整个所示的区域。该系统还包括备有双向通信链路CL1-CL7的一个系统控制的SC，分别到每个基站BS1-BS7。这些通信链路的每一个例如可以是一个专用陆地线路。此外，该系统控制器可以连接到公共交换电话网络(PSTN)以使得在移动蜂窝电话MS1和那个网络的用户之间进行通信，提供了多个移动蜂窝电话MS，其中表示MS1，MS2和MS3三个，每个能通过整个确实在其外边的区域自由地漫游。

参照图2更详细地表示移动蜂窝电话MS1，包括连接到通信天线20并由通信微处理器(comm μc)22控制的通信发射机(comm Tx)和接收机(comm Rx)21，用于同被注册的基站BS1进行通信。人们都了解蜂窝电话网络中用于双向通信的这种电话的设计和制造，所以在此将不再对不构成本发明部分的那些部分加以详细说明。

除移动电话的普通元件外，电话MS1还包括一个GPS接收机(GPSRx)24，其连接到一个GPS天线23并由接收从轨道GPS卫星发射的GPS扩频信号的GPS微处理器(GPS μc)25加以控制。工作时，GPS接收机24可通过天线23接收NAVSTAR SPS GPS信号，并一般用带通滤波器对其进行预处理以使带外RF干扰最小，然后预放大，下变频到一个中频(IF)并进行模数转换。结果，数字IF信号保持被调状态，即仍然包含所有来自可利用的卫星的信息，并馈送到GPS微处理器25的存储器中。之后捕获和跟踪GPS信号以导出伪距离信息，使用普通的导航算法，从该伪距离信息能确定该移动电话的位置。人们熟悉这样的GPS信号捕获和跟踪的方法，例如，参见GPS原理和应用(编辑，Kaplan)ISBN 0-89 006-793-7 Artech House的第4章(GPS卫星信号特性)和第5章(GPS卫星信号捕获和跟踪)。GPS微处理器25可以用这样的方式实施，普通用途的微处理器，任选的和通信微处理器22相同的微处理器，或者放在GPS应用专用集成电路(ASIC)中的微处理器。

在图3中示意性地表示蜂窝电话网络基站BS1。除一个基站的普通元件外，它还包括GPS天线34，接收机35和处理器36，它们基本上处于连续工作状态，因此基站处于固定占有现代GPS卫星信息。该信息包括那些目前处于观察中的轨道卫星的信息(这样的卫星似乎对电话和相关的基站是公共的，甚至对于一边模糊不清的宏小区，)；如由基站所观察到的，GPS数据消息包含现代天文年历和星历表数据，和GPS卫星信号的多谱勒偏移和目前代码相位。按本发明，该信息将被加以修改以反映移动单元的位置，即描述该GPS信号的多谱勒偏移和代码相位，如像在该移动单元可能观察到的那样。万一移动蜂窝电话MS1的用户进行紧急呼叫并且在系统控制器SC的控制下通过双同通信链路CL1，基站BS1可以将该修改的信息提供给电话机，由此其仅被要求扫描频率和代码相位的窄的范围，其中已知GPS PRN代码占据，由此保证快速代码捕获和TTFF。之后该移动电话的位置从该电话机传送到基站，同时传送到在US中移为公共安全响应点(PSAP)的紧急服务操作人员。

在以上例子中，对移动电话提供辅助以解扩展输入信号的基站同样也是该移动电话与其联络紧急呼叫和所在位置的通信基站，即移动电话与其注册的基站。当然不需要是这种情况，即用于提供辅助以解扩展输入信号的基站可以是一个移动电话与其注册的不同的基站，例如，这种辅助是由服务多个网络小区的专用单元提供的场合。在这种情况下，提供辅助的基站将通过该移动站与其注册的基站传送修改的GPS信号信息到该移动电话。

以下提供修改由基站观察到的GPS卫星信号的多谱勒位移和目前代码相位以反映移动单元位置的方法的例子：

如果基站BS1处于位置b＝(X_b，Y_b，Z_b)并接收从位置为s＝(X_s，Y_s，Z_s)，飞行速度为v＝(X_v，Y_v，Z_v)的一个GPS卫星发送的GPS信号，则在基站BS1观察到的从卫星发送的这些信号的理论多谱勒偏移f_b为：这里F是GPS信号的载频(在NAVSTAR GPS L1信号情况是1575.42MHz)，C是光速，而d_sb是卫星偏离基站的单位方向矢量，由正式给出：实际中运行时各种较小影响，包括选择的可利用性将使测量的f′_b有稍许不同。频率偏移f可由基站用下式确定：如果移动蜂窝电话MS1位于m＝(X_m，Y_m，Z_m)，则该基站对因运动的多谱勒偏移f′_m提供更准确的近似，由下式给出：这里d_sm是卫星因运动的单位方向矢量，由下式给出：类似地，对于代码相位估算，如在基站观察到的理论代码相位cp_b可以表示如下：这里C是GPS PRN代码的片率(在C/A代码情况下为1.023MHz)，而c是光速和L是代码长度(1023片)。再者，由于大气，选择的可用性等引起的不可补偿的距离误差。将存在小的偏差cp，其可以在基站加以确定：

       cp＝cp′_b-cp_b                          [等式7]这里CP′_b是测量的代码相位。因此由于移动期望的代码相位可以估算如下：

可以用各种普通方法提供一个移动单元位置的初始估算，例如，通过从储存在基站或移动电话或其他地方的存储器检索移动单元的最近已知的GPS导出位置并根据请求提供到基站。另外，通过移动单元或每个基站，在移动单元和至少一个基站之间可进行到达时间，到达时间差和/或到达角度测量，据此可提供一个位置估算。一个进一步的使用一系列基站的选择方案是通过提供一个移动站能“看见”的基站位置的平均或加权平均来估算一个位置，即那样一些基站，该移动单元能检测由它们发送的信号。还有另一种选择方案是使用独立系统，例如推算航行法或映射匹配，特别是该移动单元是基于运载工具的场合。这样一些提供一个位置估算的方法是已知的，所以不再在此赘述。

不但卫星的多谱勒和代码相位数据处于观察之中，而且GPS信号信息还包括其他GPS SV信息，例如方位，高度和信号强度数据。

也可使用如最新近的相关方法，在实际上包括快速富立叶转换(FFTs)的快速卷积方法去捕获PRN代码的方案。这种卷积方法在下列文件中加以描述：Robert G Davenport，“FFT processing of directsequence spreading codes using modem DSP microprocesor”IEEE1991 National Aerospace and Electronics Conference NAECON1991，Vol.1，pp.98-105，以及US 5,66 3,734。本发明的方法等同地应用这样的卷积方法。

现在GPS是最新颖地与具有时间和距离的导航系统(NAVSTAR)GPS相关，一个全天候的，基于空间的导航系统由美国国防部开发和操作，但是，支承GPS的一般原理是通用的并不仅仅限于NAVSTAR。因此，GPS意指任一定位系统，其包括多个在不同位置的CDMA无线电发射机和一个接收机，其根据该无线电发射机发射信号的到达时间确定其位置。

根据对本发明公开的阅读，对技术人员而言另外的修改将是显见的，并且可包括在设计和制造以及使用其GPS接收机和元件部分中已了解的其他特征和可以使用替代在此已加以描述的特征或在此已加以描述的以外的特征。虽然在该申请中对具体特征组合已详细阐明了权利要求，但应理解本申请公开的范围还包括在此显函或隐函公开的任一新的特征或特征的任一新的组合，而不管它是否涉及如与在任一权利要求中目前要求的那样的相同发明以及它是否缓解如本发明所解决的那样的任一或所有相同问题。本申请由此给出声明：在执行本申请或从其导出的任何另外申请期间对这样的特征和/或这样的特征的组合可正式提出新的权利要求。