用于輔助全球定位系統完整性維護的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于輔助全球定位系統完整性維護的方法和裝置的制作方法
本申請是先前于1999年11月12日提交的序列號為09/438,204的美國申請的部分的延續，因而引入本文作為參考，并對共同主題要求優先權。
本發明一般涉及無線通信系統。本發明具體涉及用于在無線通信系統中維護移動手機位置確定的完整性的方法和裝置。
無線通信系統通常在遙遠位置之間提供雙向語音和數據通信。這種系統的示例是蜂窩和個人通信系統(PCS)無線系統、中繼無線系統、調度無線系統和諸如基于衛星系統的全球移動個人通信系統(GMPCS)。這些系統之間的通信根據預先定義的標準引導。移動站，也叫做手機、便攜機或無線電話，遵從系統標準，以和一個或多個固定基站通信。
需要獲得和傳輸系統內移動站的實際位置，諸如蜂窩系統內的無線電話手機。另外，美國聯邦通信委員會(FCC)要求在2001年以前蜂窩手機必須是可地區定位的。這個能力對于諸如增強911(E911)的緊急系統是很需要的。FCC要求嚴格的精度和實效性性能目標，并要求對于基于網絡的解決方案，蜂窩手機在67％的時間在100米內是可定位的，對于基于手機的解決方案，蜂窩手機在67％的時間在50米內是可定位的。
更進一步，以移動站已有的位置信息，能響應于手機位置而為手機用戶定制依賴位置的服務和包括廣告的消息收發。
當前一代的無線通信只有有限的移動站位置確定能力。在一種技術中，移動站的位置是通過在幾個基站監控移動站傳輸而確定的。能從開始測量的時間計算移動站的位置。然而，這種技術的精度是有限的，有時不能充分滿足FCC的要求。
在另一種技術中，各個移動站裝備有適合于使用諸如全球定位系統(GPS)的全球衛星巡航系統的接收機。在美國專利5,175,557和5,148,452中介紹了適合于使用GPS的接收機的構造和工作原理，兩個專利都轉讓給本發明的受讓人。GPS接收機檢測來自圍繞地球旋轉的GPS衛星中的一個星座的傳輸。GPS接收機使用來自傳輸的數據和定時來計算衛星的位置，并使用來自它們位置的數據和定時來計算它自己的位置。軌道中的GPS衛星以大約4,000米/秒的速度運動。衛星有由參數X(t)定義的位置數據和由參數V(t)定義的速度數據。參數X(t)和V(t)是用于這個衛星的三維位置和速度矢量，并且以地球為中心的固定地球笛卡爾坐標系為參照。GPS系統包括24個衛星，其中的幾個衛星在任何時候都能覆蓋到移動站。各個衛星根據預先定義的標準格式和定時廣播數據。
衛星坐標和速度現在是在GPS接收機內計算的。接收機通過解調衛星廣播消息流而獲得衛星歷書(satellite ephemeris)和時鐘校正數據。衛星傳輸包含以50比特/秒(bps)傳輸的超過400位的數據。包含在歷書數據中的常數與Kepler軌道常數相符，它需要許多數學運算，以將數據轉換為位置和速度數據。在一個實現中，為了對一個衛星在一個單一點將歷書轉化為衛星位置和速度矢量，這個轉換需要90個乘法、58個加法和21個三角函數調用(sin,con,tan)。大多數計算需要雙精度浮點處理。接收機必須對每一個衛星在每秒進行這種計算，一直計算到12個衛星。
這樣，用來進行現有計算的計算機負荷是非常大的。手機必須包括能進行必要計算的高級處理器。這種處理器相對昂貴并且消耗大量的能源。為用戶使用的便攜式設備，移動站最好便宜并且在低能耗下工作。這些設計目標和用于GPS處理所需要的高計算負荷相矛盾。
更進一步，來自GPS衛星的慢數據率是一個限制。在GPS接收機的GPS捕獲可能需要許多秒或幾分鐘，在這些時間內接收機電路和移動站的處理器必須持續供給能源。為了維護諸如移動蜂窩手機的便攜式接收機和無線電收發機的電池壽命，盡可能不給電路供電。長GPS捕獲時間能快速耗盡移動站的電池。在任何形勢并特別是緊急形勢下，長GPS捕獲時間是不方便的。
在輔助GPS(稱為A-GPS)中，作為獨立設備或與移動站(MS)集成，通信網絡和基礎設施用來輔助移動GPS接收機。A-GPS的基本思想是建立一個GPS參考網絡(或一個廣域DGPS網絡)，它的接收機對天空有開闊視野并能持續操作。參考網絡還和蜂窩基礎設施連接，并持續監控實時星座狀態，在特定信號出現的時間提供各個衛星的精確數據。熟悉本領域的人應當知道，GPS參考接收機和它的服務器(或位置確定實體)能位于任何對天空具有開放視野的已測量位置，只要它能連接到網絡，或者共同位于另一個網絡節點。例如，GPS服務器能和參考接收機分開，并和網絡節點集成。在移動電話、網絡或位置服務客戶的要求下，從GPS參考網絡得到的輔助數據通過通信網絡被傳送到移動電話GPS接收機，以幫助快速啟動、增加傳感器靈敏度和減小能源消耗。至少三種工作模式能得到支持“輔助MS”、“基于MS”和“自主”。對于輔助MS的GPS，在網絡計算移動接收機位置。典型地，MS需要接收諸如GPS時間、多普勒和代碼相位搜索窗口的輔助數據，并將偽距數據傳送回網絡。對于基于MS的GPS，在手機計算移動接收機位置。典型地，MS需要接收諸如GPS時間、歷書和時鐘校正的輔助數據，并且如果需要將計算后的位置傳送回。對于自主GPS，在來自網絡的輔助非常有限(或根本沒有輔助)的情況下，它的位置也在手機進行計算，它還能在基于MS的GPS下非常寬松地被分類。典型地，在沒有網絡輔助的情況下，接收機位置被獨立地確定。
對于GPS請求，位置誤差歸因于衛星時鐘、衛星軌道、歷書預測、電離層遲延、對流層遲延和選擇可用性(SA)。為了減小這些誤差，范圍和范圍率校正能應用到原始偽距測量，以產生在空曠環境下能精確到幾米的位置分辨率。一個這樣的校正技術是微分GPS(differentialGPS)(DGPS)。對于輔助MS的GPS，校正能在網絡或它的GPS接收機直接應用到從MS接收的偽距和偽距率。對于基于MS的GPS，校正必須通過“點對點”或“廣播”(“點對多點”)模式傳送到移動接收機。注意A-GPS在具有或不具有微分GPS校正時都可以工作具有多數要求精度條件的那些請求(例如E911)通常需要校正。
當存在沒有發現的GPS衛星故障時，三種GPS工作模式的位置精確度能極大地降低這樣的故障雖然很少，但能致使從移動手機得到的位置信息完全不能使用。盡管GPS控制段監控GPS衛星的健康狀況，但這種行為并沒有持續進行，并且可能需要超過30分鐘才能傳輸到GPS用戶。另外，對于以微分模式工作的A-GPS，獨立于GPS星座的健康狀況，在DGPS接收機已測量場所的未預料到的多徑能導致比標稱值更大的位置誤差。
因此，需要一種改進的方法和裝置來維護無線電系統中位置確定的完整性。


圖1是根據本發明的優選實施例的輔助全球定位系統(GPS)蜂窩無線電話系統的系統圖。
圖2是能支持根據圖1的輔助GPS無線電話系統的優選實施例的定位服務(LCS)的蜂窩無線電話系統體系結構的框圖。
圖3是圖1的輔助GPS無線電話系統的工作的流程圖。
圖4是圖1的輔助GPS無線電話系統的工作的協議級流程圖。
圖5是根據本發明的優選實施例的在圖1的輔助GPS無線電話系統上作為點對點消息收發的移動始發位置請求操作的定位過程/數據流程圖。
圖6是根據本發明的優選實施例的在圖1的輔助GPS無線電話系統上作為點對點消息收發的移動終端位置請求操作的定位過程/數據流程圖。
圖7是根據本發明的優選實施例的在圖1的輔助GPS無線電話系統上進行GPS廣播消息收發的數據流程圖。
圖8是根據本發明的優選實施例的蜂窩移動站的框圖。
圖9是根據本發明的優選實施例的用來請求/接收和點對點傳送歷書和微分校正數據的圖8的手機的工作的流程圖。
圖10是根據本發明的優選實施例的用來請求/接收和廣播傳送歷書和點對點傳送微分校正數據的圖8的手機的工作的流程圖。
圖11是根據本發明的優選實施例的用來請求/接收和點對點傳送歷書和廣播傳送微分校正數據的圖8的手機的工作的流程圖。
圖12是根據本發明的優選實施例的用來請求/接收和廣播傳送歷書和微分校正數據的圖8的手機的工作的流程圖。
圖13是根據本發明的優選實施例的用于蜂窩基礎設施的集成監視器(IM)的圖。
圖14是根據本發明的優選實施例的實際衛星位置和估計衛星位置的圖。
下面說明輔助GPS接收機位置確定和完整性維護的改進后的系統和方法。本發明的系統包括能以高等級的精確度和標稱外(off-nominal)誤差狀況的公差確定移動站位置的新穎體系結構。參考圖1，作為請求的一個示例，GSM蜂窩網絡使用根據本發明優選實施例的輔助GPS位置系統的系統圖來描述。這個系統帶有基于基站子系統(BSS)的服務移動位置中心(SMLC)112。為了促進產生合適的輔助和校正數據，參考GPS接收機118位于帶有SMLC 112的已測量位置，并對天空具有開闊的視野。在這個體系結構中，意味著GPS服務器是SMLC112的一個集成部分。或者，這個服務器還可以是參考GPS接收機118自身的一個集成部件。熟悉本領域的人知道，GPS參考接收機118和它的服務器(位置確定實體)能隨意地位于任何對天空具有開闊視野的已測量位置，只要它能通過串行鏈路114連接到網絡或共同位于網絡節點。例如，GPS服務器可以是一個單獨實體或任何別的網絡節點的集成部件。SMLC 112通過基站控制器(BSC)110連接到基地收發信站(BTS)102。SMLC 112還以本領域公知的方式連接到移動服務交換中心(MSC)和訪問者位置寄存器(VLR)122。
GPS參考接收機118根據特定的GPS工作模式，接收和跟蹤來自多個GPS衛星120的信號，以產生輔助數據，輔助數據有選擇地發送給能定位的移動站(手機)104。該輔助數據可以包括參考位置、參考時間、GPS時間、多普勒、代碼相位搜索窗口、歷書和時鐘校正、電離層、世界時間坐標(UTC)、年歷、DGPS校正和許多別的項目。由GPS參考接收機118生成的微分校正數據最好對于所有GPS衛星120在GPS參考接收機天線119的范圍內產生，以使移動手機覆蓋范圍最大。
如上所述，SMLC 112收集輔助數據并準備要在蜂窩載波信號101上調制的單獨GPS輔助消息，并將其發送給多個用戶104。注意輔助數據的主消息集在1999年11月12日提交的標題為“用于輔助GPS協議的方法和裝置”的美國專利申請09/438,204中被整體稱為“歷書數據”，并且轉讓給本發明的受讓人。特定消息格式隨著傳輸模式功能而變化。在下文中將詳細說明用于“點對點”和“廣播”(或“點對多點”)工作模式的消息結構。
SMLC 112還進行必要的計算，以確保來自和用于所有移動站的位置信息的完整性。IM的目的是通知移動站、它們的用戶或網絡測量的質量，并且通過將它們從這些失效中隔離開來警告它們正在失效和已經失效的GPS衛星。它應當在廣播和點對點協議下都能有效工作。一個簡單方法是無論何時檢測到不健康衛星，在用于傳送或用于位置確定時將排除它的對應輔助數據，這意味著將消除它對分辨率質量的不良影響。另外，對于DGPS用戶，DGPS消息內的UDRE參數提供了用于將這個信息傳輸到使用GPS得到位置固定的移動站體的手段。對于非DGPS用戶，包括自主用戶，正如在稍后的IM消息指出的那樣，必須開發別的機制，以使所有GPS用戶不受GPS衛星失效的影響。
近來的蜂窩系統包括位置服務(LCS)和相關技術，并且許多體系結構、協議和程序依然處于發展之中，諸如邏輯LCS體系結構、信令協議和接口、網絡位置程序和定位程序。因此，當在上文中提出了具有如在GPS標準03.71(函數描述)中介紹的LCS和相關技術的基于BSS的GPS蜂窩網絡時，本發明的輔助GPS完整性維護(或監視器)和協議具有足夠的變通性，以應用到任何目前和將來的LCS體系結構、協議、程序和諸如Analog、GSM、TDMA、和CDMA，包括CDMA2000、W-CDMA、UMTS的接入技術以及許多別的變化。
接著參考圖2，下面將說明能支持位置服務(LCS)的體系結構。通過將一個網絡節點和移動位置中心(MLC)加在一起，根據本發明優選實施例的LCS在GSM結構上加以邏輯實現。圖中顯示了普通的基于BSS的SMLC 112。這個體系結構能被結合，以產生LCS體系結構變化。
基站系統(BSS)包含在不同定位程序的處理中。在各個定位程序部分指定了特定的BSS功能性。
網關移動位置中心(GMLC)124包含了支持LCS所需的功能性。在一個公共陸上移動網絡(PLMN)126中，那里可能多于一個GMLC124。GMLC 124是外部LCS客戶128進入GSM PLMN的第一個節點，也就是Le(外部用戶和MLC之間的接口)130參考點是由GMLC 124支持的。外部LCS客戶128能是請求識別一個特定移動站(MS)104的位置的實體，或者是特定移動站104。GMLC 124可以從原籍位置寄存器(HLR)132通過Lh接口(在MLC和HLR之間)134請求路由信息。在進行了注冊認可后，它通過Lg接口(在GMLC和MSC/VLR之間)136給MSC/VLR 122發送定位請求并從MSC/VLR 122接收最終位置估計。
服務移動位置中心(SMLC)112包含了支持LCS所需的功能性。在一個PLMN中，那里可能多于一個SMLC 112。SMLC 112管理進行移動定位所需的資源的全部調整和資源調度。它還計算最終位置估計和精度。兩種類型的SMLC 112都是可以的。根據本發明的優選實施例的SMLC 112是基于BSS的SMLC支持SMLC 112和基站控制器(BSC)110之間的Lb接口138。
基于BSS的SMLC 112支持通過在Lb接口138上到服務于目標MS 104的BSC 110的信令來定位。兩種類型的SMLC 112可以支持Lp接口140，這樣能獲取由另一個SMLC 112擁有的信息和資源。SMLC112控制一批位置測量單元(LMU)142、143，其目的是得到無線電接口測量，以定位或幫助定位它所服務的區域內的MS訂戶。SMLC 112由各個它的LMU 142、143產生的測量的容量和類型來管理。在基于BSS的SMLC 112和LMU 142、143之間的信令通過BSC 110傳送，BSC 110使用Lb接口138和Um接口144(對于類型A LMU 142)或Abis接口145(對于類型B LMU 143)服務或控制LMU。SMLC 112和GMLC124的功能性可以在同一個物理節點合并，在現有物理節點合并或位于不同節點。
對于位置服務，當蜂窩廣播中心(CBC)150和BSC 110相聯系時，SMLC 112可以接口到CBC 150，以使用現有蜂窩廣播容量來廣播輔助數據。對CBC 150來說，SMLC 112應當充當用戶和蜂窩廣播實體。GSM標準03.41說明了CBC 150的現有工作原理。另外，MS 104可以包含在不同定位程序中。
LMU 142、143進行無線電測量，以支持一個或多個定位方法。這些測量屬于兩種分類中的一個特別對用來計算MS 104的位置的一個MS 104的位置測量，和特別對在某個地理區域內的所有MS 104的輔助測量。所有由LMU 142、143得到的位置和輔助測量被提供給和LMU 142、143聯系的特定SMLC 112。關于定時、自然和這些測量的任何周期的指令要么由SMLC 112提供，要么在LMU 142、143中已經預先給予。這里有兩種類型的LMU，類型A LMU 142是在正常GSM空氣接口Um 144上訪問的LMU，類型B LMU 143是在Abis接口145上訪問的LMU。
MSC 122包含響應于移動站簽署權限和管理GSM LCS的呼叫相關和非呼叫相關的定位請求的功能性。MSC通過Lg接口136可以進入GMLC 124。
HLR 132包含LCS簽署數據和路由信息。HLR 132可以從GMLC124通過Lh接口134訪問。為了漫游MS 104，對應于那個移動站的HLR 132可以是不同的PLMN 126，而不是當前SMLC 112。
GSM SCF 152是PLMN的一部分。Lc接口154支持CAMEL訪問LCS，并且只有在用于移動網絡增強邏輯(CAMEL)相位三的定制的應用中是可應用的。GSM標準03.78和09.02中分別定義了和它相關的程序和信令。
LCS體系結構致力于支持高級適應性，憑此任何物理SMLC 112能支持多個Lb接口138(例如允許基于BSS的SMLC 112服務于多個BBC 110)，并且憑此不同SMLC 112類型的混合能服務于單一網絡或單一MSC區域。當然，不同SMLC類型的混合也能服務于單一網絡或單一MSC區域。
圖1和圖2中描述的系統體系結構是BSS體系結構。當優選實施例按照BSS體系結構說明時，本發明的輔助GPS協議在許多別的體系結構中也是可用的。
在圖3中出現的流程圖展示了在SMLC內(實際上是SMLC的特定部分，GPS接收機，在以后用SMLC作為其簡稱)出現的計算和事件的時間序列。過程以在300從DGPS參考接收機接收微分校正數據開始使用串行鏈路來以標稱輸出率(例如0.1～1.0Hz)來傳送校正數據。根據當前發明，最好對所有歷書數據裝置導出由DGPS參考接收機產生的校正數據(正如通過伴隨有各個唯一歷書裝置的數據歷書發布(Issue Of Data Ephemeris)(IODE)命令所確定的那樣)。或者，如果只對于一個單一IODE來計算校正，SMLC本身能進行必要的計算。在步驟302，在當前DGPS消息收發模式上進行測試如果模式是廣播，在304將建立DGPS廣播消息，如果在306 SMLC確定是廣播這個消息的時間，稍后在308將消息調制到蜂窩載波頻率，以便最終通過CBC廣播到整個由網絡服務的區域。另一方面，如果在316接收到DPGS點對點消息請求，將在318建立消息，并調制到蜂窩載波頻率，以便最終傳輸到手機。與此相似，如果在322接收到“點對點”歷書消息，在324建立消息，并稍后調制到蜂窩載波頻率，以便最終傳輸給請求歷書數據的手機。最后，在328如果歷書通知模式是廣播，在330建立消息，并在332測試是否到廣播這個消息的時間。如果到了廣播的時間，稍后將消息調制成蜂窩載波頻率，以便最終傳輸到整個由網絡服務的區域上。應當注意IODE值還能用來確定如何壓縮歷書和時鐘校正數據的各個參數。在下文中提供了和當前發明相關的所有廣播和點對點消息的詳細定義。
注意流程圖描述了SMLC如何管理位置確定和輔助消息處理的GPS服務器職責的示例。在下文中討論的流程圖和圖9到圖12中使用了歷書和DPGS輔助消息。熟悉本領域的人知道，這里和圖9到圖12中介紹的原則能用于許多別的輔助消息，諸如UTC時間、電離層、年歷和從GPS衛星信號建立的別的項目。對于輔助MS的GPS，只需要一個來將包括GPS時間、多普勒、代碼相位搜索窗口和可能的別的參數的簡單輔助消息傳送到手機。作為回報，手機將傳送回一組偽距，這樣SMLC能確定手機在網絡中的位置。如果需要非常精確的位置，在得到最終位置之前應當應用DGPS校正。另外，熟悉本領域的人知道，只要有輕微改動，圖9到圖12還能用于自主GPS用戶。
圖4顯示了用來支持SMLC 112和帶有基于BSS的SMLC 112的目標MS(移動站)104之間的信令協議的協議層。在描述中忽略了SMLC112、MSC 122和BSC 110之間的信令的細節。
圖4中描述的許多協議是對現有GSM蜂窩系統典型的協議，并且在GSM標準01.04中有介紹。對于位置服務(LCS)新的那些協議按如下定義RR代表無線電資源；RRLP代表到目標MS的RR LCS協議；Um是到LMU的空氣接口；BSSAP-LE代表基站系統應用部分LCS擴展；BSSLAP代表基站系統LCS輔助協議；以及Lb 138代表SMLC和BSC之間的接口。
參考圖5，將說明根據本發明的優選實施例的在圖1的輔助GPS無線電話系統上作為點對點消息收發的移動始發位置請求操作的數據流圖。描述的數據流允許移動站(MS)請求它自己的位置、位置輔助數據或從網絡廣播輔助數據消息密碼鍵。隨后MS可以使用位置輔助數據，通過使用基于移動的位置方法來計算遍布延長的間隔的它自己的位置。密碼鍵能使MS由網絡周期性地解密別的位置輔助數據廣播。可以使用GSM標準04.08中介紹的后面程序，用位置更新請求后面的MO-LR(移動始發位置請求)來請求密碼鍵或GPS輔助數據。程序還能用來使MS請求它自己的位置被發送到另一個LCS客戶。熟悉本領域的人知道，GSM標準03.71中詳細討論的是圖5中描述的十六步驟，而不是步驟八。
根據本發明，在步驟八描述了主輔助GPS相關數據流。對于諸如基于MS的GPS、輔助MS和偶爾自主GPS的所有基于MS位置方法，這個信令流將是很普通的。在消息428中，SMLC確定輔助數據并在RRLP ASSISTANCE DATA消息中將其發送給BSC。在消息430中，BSC在RRLP輔助數據消息中將輔助數據傳送給MS。如果輔助數據不適合一個消息，消息428和430能被重復。在消息432中，MS在RRLP輔助數據確認(ACK)的作用下承認完成到BSC的輔助數據的接收。BSC將RRLP輔助數據ACK消息作為消息434發送到SMLC。
除了上面介紹的輔助數據流，在步驟八中還提出了定位程序流。定位程序流包括如下各步驟SMLC確定可能的輔助數據，并將RRLPMEASURE POSITION請求發送給BSC 428，以及BSC將包括QoS的定位請求和任何輔助數據在RRLP測量位置請求430中發送給MS。倘若MS不啟動位置私秘性，或者為了獲得緊急呼叫的位置啟動但是被越控，MS進行所需的GPS測量。如果MS能計算它自己的位置并且也需要這樣，MS計算GPS位置估計。任何對于進行這些操作所需的數據將要么在RRLP測量位置請求中提供，要么可以從廣播源得到。作為結果的GPS測量或GPS位置估計在RRLP測量位置響應430中返回到BSC。如果MS不能進行必要的測量或計算位置，將改為返回一個失敗指示。BSC將響應于LCS信息報告消息的測量位置中的測量結果發送到SMLC 434。
圖6中描述了根據本發明的優選實施例的在輔助GPS系統中作為點對點消息收發的移動終止位置請求操作的數據流圖。這個消息收發允許諸如緊急服務(救護或消防隊)的外部LSC客戶請求目標移動站的當前位置。它被稱為移動終止位置請求(MT-LR)，在GMS標準03.71中能找到十六步的詳細說明，而不是步驟十一。當外部LCS客戶是北美緊急服務(NAES)時，NAES MT-LR定義為只包括步驟1、4、8、12、15、16和根據本發明的優選實施例的11。
步驟十一中提出了根據本發明的輔助GPS定位和數據流。信令流可用于包括基于MS、輔助MS和偶然自主GPS的所有基于MS的位置方法。在步驟十一的436、438、440、442中顯示的帶有基于BSS的SMLC的輔助數據發送流和圖5中步驟八的四步(也就是步驟428、430、432和434)中是一樣的。同樣，數據流有兩個方面，輔助數據流和定位數據流，圖6的步驟十一中的定位數據流和圖5的步驟八中的是一樣的。
參考圖7，顯示了本發明的輔助GPS系統中的GPS廣播消息收發的優選數據流。圖7所示的廣播消息收發也稱為點對多點輔助數據廣播，作為圖5和圖6的方法，圖7的信令流對于所有包括基于MS和自主GPS(如果需要)的基于MS的位置方法都是可用的。
GPS輔助數據廣播消息能在SMLC中產生，包括密碼部件和用于控制傳送的參數的全部消息從SMLC傳送到MS。根據本發明的優選實施例，短消息服務蜂窩廣播(SMSCB)間斷接收(DRX)服務被用于LCS輔助數據廣播。為了能夠接收LCS廣播數據或進度消息，在接收第一進度消息前，MS應讀取各個消息組的第一塊。在接收進度消息后，MS應根據進度消息接收LCS廣播數據消息。
SMLC然后將完成的廣播消息450發送到帶有LCS廣播數據消息的CBC。這個LCS廣播數據消息包含要廣播的數據，還包含表示廣播消息的目標為哪個BTS和廣播應在什么時候發生的參數。為了MS能使用GSM標準04.21的說明書中特別指明的SMSCB DRX特征，LCS廣播數據消息還可以包含廣播到MS的SMSCB進度信息。為了優化MS性能，需要SMSCB DRX操作。
接著，CBC根據消息452中所示的GSM 03.41，開始將消息傳送到BSC和BTS。接著，使用從CBC到SMLC的LCS廣播數據響應消息454來表示已經發送該LSC廣播數據和已經完成該請求。這個消息不是強制性的。然后，BTS根據GSM標準03.41，開始將消息456傳送到MS。具有SMLC和/或集成到BSC的CBC的別的執行可以使用別的消息發送。
轉到圖8，顯示了諸如合并了本發明的輔助GPS激活蜂窩無線電話的無線通信設備的框圖。在該優選實施例中，幀發生器塊501和微處理器503聯合生成在蜂窩系統中進行輔助GPS定位所需的通信協議。微處理器503使用存儲器504執行生成傳送協議所需的步驟并處理接收協議，其中存儲器504包含了RAM 505、EEPROM 507和ROM509，它們最好一起固化在一個封裝511中。另外，微處理器503進行用于無線通信設備的其它的功能，諸如寫到顯示器513、從鍵盤515接受信息、通過連接器516接受輸入/輸出信息、控制頻率合成器525、執行放大信號和從麥克風接收音頻輸出和給揚聲器提供音頻輸出所需的步驟。根據本發明的優選實施例，微處理器還控制著GPS電路550的功能，并計算無線通信設備的位置。
發射機523使用由頻率合成器525產生的載波頻率通過天線529發射。由通信設備的天線529接收的信息進入接收機527，接收機使用來自頻率合成器525的載波頻率解調符號。微處理器503可以選擇地包括數字信號處理裝置，用來處理諸如CDMA或TDMA波形的數字無線波形。
集成在無線通信設備中的全球定位系統接收機550可以是現有的自主接收機設計類型，或者是輔助GPS接收機設計類型。這種自主GPS接收機的示例是Kennedy和King在美國專利5,148,452中所介紹的接收機。Krasner在美國專利5,663,734中提出一種輔助類型的GPS接收機的示例。現有GPS設計更多以自主模式操作，其中對于進行基于衛星的位置計算所必需的所有定位數據通過天線532從GPS衛星直接送達。正如圖1到圖7中根據本發明所介紹的那樣，輔助GPS接收機設計通過通信天線529得到一些或所有必要的衛星位置參數。
如上所述，根據本發明，輔助信息由蜂窩基礎組織網絡實體發展，并根據遞送用于快速位置確定所需的一些或所有數據參數的唯一消息協議傳送到無線通信設備。正如美國專利5,663,734中所介紹的那樣，除了加速位置數據的捕獲，遞送到無線通信設備的輔助信息還能極大地增強在諸如城市樓群間和建筑物中的困難信號阻塞環境中GPS信號的檢測。
集成到無線通信設備的輔助GPS接收機的元件包括GPS天線532，用于接收由GPS衛星發射的信號。GPS降頻變頻器534將1575.42Hz的GPS中心頻率轉換為一些更低中間或零IF頻率546。由模擬/數字轉換器536將中間或零IF頻率數字化，它在來自時鐘發生器538的命令作用下，制作中間或零IF頻率信號的周期抽樣。模/數轉換器536的輸出被發送到基帶處理器相關器540。基帶處理器相關器540對信號548執行數字信號處理功能，以確定多個GPS衛星信號同時到達天線532的時間。GPS信號到達時間的測量在所接收各個特定GPS衛星擴展碼相位中被編碼，同時每秒50比特的數據調制覆蓋了衛星擴展碼。
在優選實施例中，通過信號542使用無線通信設備無線電頻率發生器/合成器525，信號542作為用于GPS降頻變頻器534的參考頻率的基礎。在許多無線通信設備中，控制無線電參考頻率發生器/合成器525，以在頻率上與到達天線529的基礎設施基站載波頻率同步，它在頻率上比諸如晶體控制振蕩器的典型低成本手機參考頻率發生器穩定得多。通過使用頻率控制的基礎設施作為GPS降頻變頻器的基礎，基礎設施基站載波的高頻穩定性能被用來限制用于GPS衛星信號的多普勒頻率搜索空間。
合成器參考時鐘信號542還由時鐘發生器538標度，以給模擬/數字轉換器536產生抽樣時鐘信號，并且可選地產生時鐘信號，以驅動GPS基帶處理器相關器540。
圖9、10、11和12對應于根據本發明的可能協議的手機中發生的操作和計算的順序。在圖9中，展示了“點對點”歷書協議和“點對點”微分協議的結合，圖10展示了“點對點”歷書協議和“廣播”微分協議的結合，圖11展示了“廣播”歷書協議和“點對點”微分協議的結合，最后，圖12展示了“廣播”微分協議和“廣播”歷書協議的結合。
在表示本發明的第一協議結合的圖9中，手機內事件順序以捕獲GPS衛星信號開始。GPS信號捕獲過程由在步驟600中從蜂窩基礎設施傳送的輔助數據幫助這個數據允許在GPS接收機捕獲過程內縮小多普勒和代碼相位搜索窗口，這樣極大地加快了可用GPS信號的捕獲。注意這個步驟通常貫穿于所有的協議結合。一旦接收到捕獲輔助數據，在602中能對于適合的信號強度的GPS信號確定偽距(PR)測量。接著，在604進行測試，以確定是否有充足的PR可用來支持位置固定通常需要四個衛星來計算固定；然而，如果能假定高度或從用于移動手機的基礎設施獲得，三個衛星也足夠了。如果有充足的衛星可用，在606收集和檢驗可用的歷書數據，在步驟608計算作為結果的固定精確度。如果預知的精確度已經足夠了，在616能請求適當的“點對點”微分校正數據。然而，如果精確度不夠，在612確定哪一個衛星的歷書數據需要更新，并在614只對于這些衛星提出請求更新后的歷書。對于各個歷書，在616所請求的DGPS校正數據對IODE是特定的。當接收到校正數據，在618校正首先傳播到當前時間，然后在620應用到所測量的PR。在622在所測量的RP和對各個衛星(使用歷書數據和優先位置估計導出)的預期距離之間形成余項(residual)，并用來改善位置估計，或在624計算位置固定。在使用這個協議結合中，對于各個手機位置計算的數據傳送的控制存在于手機本身。由于各個傳送按移動手機的需要而驅動，這樣的協議將因此使蜂窩網絡中的數據交換降至最少。
在表示本發明的第二協議結合的圖10中，手機內事件順序以捕獲GPS衛星信號開始。GPS信號捕獲過程由在步驟628中從蜂窩基礎設施傳送的輔助數據幫助這個數據允許在GPS接收機捕獲過程內縮小多普勒和代碼相位搜索窗口，這樣極大地加快了可用的GPS信號的捕獲。一旦接收到捕獲輔助數據，在630中能對于適合的信號強度的GPS信號導出偽距(PR)測量。接著，在630進行測試，以確定是否有充足的PR可用來支持位置固定通常需要四個衛星來計算固定；然而，如果能假定高度或從用于移動手機的地勢數據庫獲得，三個衛星也足夠了。如果有充足的衛星可用，在632收集和檢驗可用的歷書數據，在步驟634計算作為結果的固定精確度。如果預知的精確度已經足夠了，在步驟642能收集適當的微分校正數據。然而，如果精確度不夠，在638確定哪一個衛星的歷書數據需要更新，并在640只對于這些衛星提出請求更新后的歷書。在步驟642中，收集DGPS廣播數據，然后在644傳播到當前時間。在646中，必須基于歷書年齡(ephemeris age)來調整校正；注意廣播消息包括對于所有(或部分)可能的數據歷書發布(IODE)值的校正。然后在648將所傳播和調整的校正應用到所測量的PR。在650在所測量的RP和對各個衛星(使用歷書數據和優先位置估計導出)的預期范圍之間形成余項，并用來改善位置估計，或在652計算位置固定。在使用這個協議結合中，對于各個手機位置計算的歷書數據傳送的控制存在于手機本身。由于各個傳送按移動手機的需要而驅動，這樣的協議將因此使蜂窩網絡中的數據交換降至最少。然而，DGPS“廣播”模式的使用相對于圖9中介紹的第一協議結合可能增加了用于DGPS數據分配的通信流量。由于它們將以固定速率(例如，當SA打開時典型地為每30秒，當SA關閉時為更長時間)簡單地廣播，這個增加伴隨著基礎設施內的邏輯簡化，以確定分配DGPS校正的時間。
在表示本發明的第三協議結合的圖11中，手機內事件順序以捕獲GPS衛星信號開始。GPS信號捕獲過程由在步驟654中從蜂窩基礎設施廣播的輔助數據幫助這個數據允許在接收機捕獲過程內縮小多普勒和代碼相位搜索窗口，這樣極大地加快了可用的GPS信號的捕獲。一旦接收到捕獲輔助數據，在656中能對于適合的信號強度的GPS信號導出偽距(PR)測量。接著，在658進行測試，以確定是否有充足的PR可用來支持位置固定通常需要四個衛星來計算固定；然而，如果能假定高度或從用于移動手機的地勢數據庫獲得，三個衛星也足夠了。如果有充足的衛星可用，在步驟660收集和檢驗可用的歷書數據。大多數新近的廣播歷書數據被收集，然后在662被用來使用插補方法計算衛星位置。在664所請求的“點對點”DGPS校正數據對于各個歷書的IODE是特定的。當接收到校正數據時，在666校正首先傳播到當前時間，然后在668應用到所測量的PR。在670在所測量的RP和對各個衛星(使用歷書數據和優先位置估計導出)的預期范圍之間形成余項，并用來改善位置估計，或在672計算位置固定。在使用這個協議結合中，對于各個手機位置計算的DGPS數據傳送的控制存在于手機本身。由于各個傳送按移動手機的需要而驅動，這樣的協議將因此使蜂窩網絡中的數據交換降至最少。然而，歷書“廣播”模式的使用相對于圖9中介紹的第一協議結合可能增加了用于歷書數據分配的通信流量。由于它將以固定速率(例如，典型的每30秒)簡單地廣播，這個增加伴隨著基礎設施內的邏輯簡化，以確定分配歷書數據的時間。
在表示本發明的第四協議結合的圖12中，手機內事件順序以捕獲GPS衛星信號開始。GPS信號捕獲過程由在步驟674中從蜂窩基礎設施廣播的輔助數據幫助這個數據允許在接收機捕獲過程內縮小多普勒和代碼相位搜索窗口，這樣極大地加快了可用的GPS信號的捕獲。一旦接收到捕獲輔助數據，在676中能對于適合的信號強度的GPS信號導出偽距(PR)測量。接著，進行測試678，以確定是否有充足的PR可用來支持位置固定通常需要四個衛星來計算固定；然而，如果能假定高度或從用于移動手機的地勢數據庫獲得，三個衛星也足夠了。如果有充足的衛星可用，在步驟680收集和檢驗可用的歷書數據。大多數新近的廣播歷書數據被收集，然后在682被用來使用插補方法計算衛星位置。在步驟684中，收集DGPS廣播數據，然后將其傳播到當前時間686。在688中，必須基于歷書年齡，來調整校正；注意廣播消息包括對于所有(或部分)可能的IODE值的校正。然后在690將所傳播和調整的校正應用到所測量的PR。在692在所測量的RP和對各個衛星(使用歷書數據和優先位置估計導出)的預期范圍之間形成余項，并用來改善位置估計，或在694計算位置固定。在使用這個協議結合中，對于各個手機位置計算的歷書和DGPS校正數據傳送的控制存在于網絡。當和“點對點”策略相比在額外的網絡流量的代價下，這樣的協議將因此使和來自網絡的數據分配相關的邏輯降至最小。歷書和DGPS校正數據將以固定速率(例如，當SA打開時，典型地為對歷書數據每30分，對DGPS校正數據每30秒，當SA關閉時為更長時間)廣播。
關于GPS集成監控器，DGPS校正數據被用來補償在已測量場所的由DGPS參考接收機得到的偽距，并計算DGPS位置固定相對于接收機已知位置的固定誤差能被用來測量微分校正的效用。例如，如果固定誤差與它的預期精度一致(例如，像使用UDRE值和加權最小二乘法(WLS)解決方案的協方差矩陣元素所預期的那樣)，然后DGPS校正沒有受到過度多徑和/或噪聲的污染。另一方面，計算出的誤差相比期望值應該大，一些通知移動用戶精確度下降的裝置應當被初始化。對于移動電話位置請求，用于GPS完整性監控目的的已安裝的單獨GPS接收機將是昂貴和耗時的。
接著參考圖13，由于參考GPS接收機(帶有微分能力)和它的服務器對于A-GPS已經是可用的，網絡自身能執行完整性監控功能。為了從和天線728連接的GPS參考接收機700請求已過濾的偽距數據726和計算出的衛星位置704和時鐘校正724(除偽距校正外)，網絡(或SMLC 706)能計算參考GPS接收機的位置，并將其和它的已測量位置比較。這樣，網絡能用作它自己的完整性監視器702，并通知GPS用戶潛在的精度降低。完整性監控功能應當在710通知用戶失效的衛星。良好建立的技術為了確定單一衛星的時鐘什么時候可以以非正常的高速率漂移而存在，并且可以應用到此處。對于GPS用戶，作為從GPS參考接收機700的輸出的UDRE參數能在708適當地調整，以通知用戶降級。如果DGPS消息收發結構不允許宣布個別衛星的故障，對于失效的衛星，校正將簡單地從消息中排除，正如在714中那樣。對于諸如輔助MS、基于MS和偶然自主的請求輔助數據712的非DGPS用戶，對于已經失效或正在失效的衛星能排除輔助數據712的特定部分。與此相似，對于輔助MS的GPS用戶，由于在服務器722確定了MS位置，在718能從最終計算中排除從MS返回的諸如偽距的特定已失效或正在失效衛星參數。對于所有可視衛星716以使用/不使用指示器的形式，諸如自主用戶的不請求輔助數據的非DGPS用戶將需要請求完整性信息。完整性信息因此通過和通信網絡連接的鏈路720發送給使用GPS的所有移動手機，以計算位置。熟悉本領域的人知道，只要它能連接到網絡或共同位于另一個網絡節點，GPS參考接收機700和它的服務器722(或位置確定實體)能位于任何對于天空有開闊視野的已測量地方。如前所述，GPS服務器722還能是諸如SMLC 706的網絡節點的集成部分，或者是參考GPS接收機700的集成部分，或者是一個獨立實體。正如前面所指出的那樣，輔助數據包括能用于A-GPS的所有數據，諸如用于輔助MS的GPS的GPS時間、多普勒和代碼搜索窗口，用于基于MS的GPS的GPS時間、歷書和時鐘校正，以及UTC時間、電離層、年歷和從GPS衛星信號建立的別的項目。發明定義了六個點對點消息和兩個廣播消息點對點消息--請求歷書/時鐘校正更新(手機到網絡)，歷書/時鐘校正更新(網絡到手機)，請求點對點DGPS校正(手機到網絡)，點對點DGPS校正(網絡到手機)，請求點對點完整性數據(手機到網絡)，以及點對點完整性數據(網絡到手機)；和廣播消息--DGPS廣播消息(網絡到多個手機)和歷書廣播消息(網絡到多個手機)。熟悉本領域的人知道，在沒有MS＇的請求(或懇求)的情況下，能隨意地從網絡推出(push)這些和別的輔助消息。將通過詳細參數描述，進一步討論各個消息交換。請求歷書/時鐘校正更新(手機到網絡)點對點歷書控制消息允許原始歷書和時鐘校正到移動站的最小控制和傳輸。在這種模式下，手機只需要每個衛星路徑一次請求歷書數據。在這個協議中，MS通過制定SatID的目錄和衛星的對應IODE(數據歷書發布)來通知網絡在存儲器中它包含了哪個衛星歷書。另外，手機發送歷書年齡限制(t-toe)，讓網絡對所有目前可視衛星發送原始歷書，因而該手機歷書現在比指定歷書年齡限制更久。最后，歷書年齡越控位通知網絡，忽略歷書年齡限制，并發送和它的年齡無關的原始歷書。這個越控位能由諸如最大位的(t-toe)中沒有使用的數字表示。
假定一組來自MS的IODE對應于存儲在手機存儲器中的原始歷書，和與微分校正的歷書誤差分量相關的最小空間去相關的識別，對于衛星的各個路徑通常只需要單一的原始歷書。然而，可以認識到對于不同等級用戶所需的精度將不同。因此，定義了各個手機能機械化以根據作為結果的分辨率精度來預測歷書年齡的效果的算法則。由于如果，并且只是如果，它由移動站的精度需求來規定，它將請求新歷書，這個計算法則進一步減小數據傳輸需求。
因為本發明要求對于各個IODE導出微分校正，定義新的廣播消息。這個廣播消息使用微分校正數據的智能壓縮，這樣對于所有可用IODE典型地只需要單一消息。下面是歷書廣播消息的說明。歷書/時鐘校正更新(網絡到手機)如上所述，只有當MS進行請求或當基礎設施注意到手機歷書久于由MS為歷書年齡指定閾值允許的手機歷書，才傳輸歷書數據。下面的表1給出了這個消息的內容。
表1歷書/時鐘校正更新消息內容
第一個參數N_Sat每個消息發送一次，同時對于各個包含在N_Sat中的衛星傳送剩余的參數。表1中出現的參數(不包括N_Sat)對應于外加URA、TGD和IODE參數的歷書和時鐘校正數據的常規組。包含URA參數將允許MS調節其作為選擇可用性(SA)的級別的函數的精度預測。另外，能在由各個移動站完成的精度預測的基礎上進行歷書請求。包含TGD將允許各個移動站校正群延遲影響，并得到可能的最精確分辨率。同時，包含IODE參數將允許MS確定IODE是否匹配。在IODE不匹配的情況下，MS能去加權(deweight)來自IODE不匹配的衛星的信息，以校正偏移效果。如上所述，IODE值能用來確定如何壓縮歷書和時鐘校正數據的各個參數。請求點對點DGPS校正(手機到網絡)當需要微分精度來滿足基于手機的應用的位置性能需求(例如緊急定位)時，移動站請求點對點DGPS校正消息。在這個協議中，MS通過給出SatID的列表和衛星的對應IODE(數據歷書發布)來通知網絡在存儲器中它包含了哪個衛星歷書集。然后網絡能根據手機具有的特定IODE來處理DGPS校正。在這種模式下，手機只需要在每個衛星通過請求一次歷書數據。以點對點模式發送到手機的微分校正能由網絡定制，這樣源自手機中歷書年齡(ephemeris age)的附加誤差效果由微分校正吸收和補償。這樣，將用到下面表2所示的簡單微分校正響應消息。可以預料點對點微分校正將是首選，并且是主要使用的配置，直到廣播微分信道在GSM網絡(不是所有的GSM網絡執行廣播服務)中普遍存在。根據本發明的優選實施例，由于原始歷書每個衛星通過僅發送一次，并且微分校正適合于由移動站存儲的特定歷書，對于該最可能的模式，通過最小化總消息業務量優化協議。這個消息另外的好處是終端應用能控制位置精度，并且蜂窩運營商能在應用或已經選擇了特定消息服務的用戶之外得到好處。點對點DGPS校正消息(網絡到手機)這個消息的內容出現在表2中。注意微分校正只對它們所請求的特定IODE發送。如果需要的話還能發送給多個IODE。根據本發明的優選實施例，通過每30秒或由移動站請求的速率有利地發送DGPS校正，和微分校正等待時間相關的誤差保持為可以接受的水平。
表2點對點DGPS校正消息內容(每個衛星)
本發明通過允許微分校正補償由老化歷書數據(aging ephemerisdata)引起的誤差而減小了業務量。為了實現點對點傳輸的目標，表2中的校正消息應當基于服務MS或接收機的當前IODE值被處理(或應用)。正如在請求點對點DGPS校正中所介紹的那樣，MS的當前IODE值能作為MS始發消息的一個部分被傳送到網絡(或SMLC 706)。根據特定應用，諸如Corr SF和IODE的某些參數是可選的。另一種替代方法是傳送用于表3中介紹的所有可用IODE值的校正。為了節約帶寬，PRC和PPC值能用少于所需RTCM標準值的比特壓縮，同時對于DGPS廣播消息中介紹的LCS保持足夠的分辨率或精度。請求點對點完整性數據(手機到網絡)不請求和使用GPS信號捕獲輔助數據的自主GPS用戶必須從網絡請求完整性數據，以避免在它的位置確定中使用已經失效或正在失效的衛星。點對點完整性數據(網絡到手機)這個消息響應于移動手機在自主模式使用GPS的請求而由網絡發送。對于由移動手機跟蹤的各個衛星，網絡簡單地用單獨使用/不使用比特來響應。正如后面的公式(5)中所表示的那樣，完整性比特從DGPS校正的大小設置。
IM在這個消息中驅動兩類完整性信息，用來傳輸到移動GPS用戶嵌入到對于DGPS用戶所傳輸的UDRE值之中的測量質量信息，和GPS衛星失效信息。由完整性監控功能執行的第一步是請求將計算后的衛星位置以及過濾后的偽距數據輸出到執行完整性監控功能的SMLC(或者連接到參考GPS接收機并用于IM的任何節點)。還需要衛星時鐘校正，除非由GPS參考接收機輸出的偽距已經被校正它可能是一個需要由參考接收機廠商制定的設計細節。對于IM最好是1Hz輸出速率；然而更低的速率也是可以接受的。隨著偽距(或偽距率)校正被接收，它們被保存起來，直到最大的預期移動傳播間隔(例如在目前SA級別下的30秒)。這能使由完整性監視器評估根據校正的傳播而引起的誤差。如果先前的校正數據是可用的，偽距和速率校正(也就是PRC和RRC值)在不取出當前PRC和RRC值的情況下使用PRC和RRC校正速率被傳播到當前時間適當傳播間隔的選擇并不是無關緊要的。使用假定的30秒傳播間隔代表著最壞的情況，而不能充分表征通常由傳播引起的移動定位誤差。由各個移動站使用的傳播間隔能以均勻地在0到30秒之間分布的隨機變量表征。因此使用它的平均值(15秒)可能更恰當將根據在完整性監視器中要求的保守性的級別進行選擇。注意這個傳播將使正在失效的衛星(具有潛在不利的時間去相關)的影響由完整性監視器標記，直到已經失效的衛星從解集中除去。
一旦傳播到當前偽距的時間，將校正值從偽距中減去；如果GPS參考接收機沒有執行該補償，衛星時鐘(包括相對論的)校正也可以被減去。使用計算后的衛星位置(假定在地球為中心對地球固定(ECEF)幀中可以得到)和參考接收機的已測量位置，對于各個衛星計算單位視線(LOS)矢量這些計算能在ECEF或當地級別(例如東北上(ENU))幀中進行。單位LOS矢量然后一起被收集到測量斜度矩陣H中。H的各行對應于衛星的LOS矢量hiT=[uiT1] (1)粗體符號表示矢量，公式(1)中的下標i指的是衛星(或H的行)；u是到第i個衛星的單位LOS矢量，T表示轉置操作。
接著，在各個經過微分校正(或傳播)的偽距和對各個衛星估計的距離之間建立余項(使用輸出衛星位置和已測量的參考接收機位置)PRres=PRmeas-Rest(2)接著使用由DGPS參考接收機輸出的UDRE值和表示由校正傳播導出的誤差的誤差方差構造測量誤差協方差矩陣RRii=UDREi2+σSAac2△tprop2/2 (3)在公式3)中，σSAacc是和SA加速度相關的一個西格瑪誤差，△tprop是設定的用于完整性監視器的校正的傳播間隔。注意R是對角矩陣，這樣它能容易地倒置。
接著建立了解校正矢量△x=P HTR-1PRres(4)其中P=(HTR-1H)-1由于上面用于WLS解的起始點是已測量位置，校正矢量△x的大小表示解誤差。上面的矩陣P是解誤差的協方差，它的對角元素表示預期位置誤差方差。在下面的公式5)中能計算歸一化的誤差統計量S=△xTP△x (5)統計量S表示和它的預期誤差方差有關的解誤差(平方)的大小。它是作為解精度監視器提出的統計量。當然，也能類似地使用許多別的統計量，包括從S得到的統計量(例如，從多個解得到的抽樣均值)。
對于S需要基于完整性監視器所需的保守性級別而建立閾值T例如，值4對應于“兩個西格馬”誤差條件。當S超過這個閾值時，各個UDRE值將增加(對于所有衛星都一樣)，它減小S的大小(如果重新計算)。下面提供了用于進行必要調整的偽代碼IF(s＞T)，UDRE_new=SQRT(S/T)*UDRE_old上面對于UDRE所調整的值然后用來產生在適當消息中用于UDRE的值，如表2中對點對點和表3中對廣播所定義的那樣。注意對于點對點(表2中)和廣播(表3中)校正值所存在的差異對于點對點，只有對應于實際上在使用的衛星的那些UDRE值被調整；對于廣播校正，由于不知道移動手機可能使用哪個校正子集，所有UDRE值都必須被調整。
除了上面的UDRE比例因數調整外，衛星時鐘失效必須被檢測和隔離。Geier和King在1994年的IEEE FCS的“GPS定時的精度和完整性的預測”中介紹了用來檢測和隔離衛星失效的數學。然而，這個發展沒有使用能使計算簡化的DGPS校正數據。對于各個衛星i，能夠基于各個計算后的DGPS校正值構造更簡單的測試IF(fabs(PRCi)＞N*σPR)，Set satellite i unhealthy。
參數N控制測試的保守性。值5或6進行非常少見的假警報。基于SA的標稱級別，和偽距誤差相關的一個西格瑪級別應當(保守地)是35米。URA參數的標稱外級別(它的標稱級別是7)應當導致σPR中的對應改變(也就是更大和更小)。從而，當SA被停用時測試將變得更有效。DGPS廣播消息(網絡到多個手機)如上所述，本發明通過允許微分校正補償由老化歷書數據引起的誤差而減小網絡業務量。為了實現對于廣播傳輸的這個目標，對應廣播DGPS消息必須包括對于所有可用IODE值的校正集。這將導致消息長度超過對于GSM短消息服務蜂窩廣播(SMSCB)消息的82個八位字節的最大消息長度。然而，如下面的表3中所示，數據根據本發明的優選實施例被智能壓縮。
表3DGPS廣播消息內容
從表3中可以明顯地看到廣播消息中使用的智能壓縮的的幾個方面，同時別的方面更微妙。正如所討論的那樣，同樣的壓縮能用于表2的點對點DGPS參數。由于各個移動站具有相當可靠的定時信息，相對于用于DGPS校正數據的RTCM標準的完全二十比特，DGPS時間標記被壓縮。微分校正數據本身要么通過在保持所需LCS精度的同時簡單地減少RTCM中定義的比特來壓縮，要么通過從各個PRC和RRC值中減去對于所有衛星校正的平均值來壓縮。這個平均值反映了校正數據中由振蕩器偏移和漂移引起的公共時間和頻率偏差。這些偏差對經過微分校正的移動站的導航解沒有影響，因而能夠被排除。或者，如果DGPS參考接收機已經除去了平均校正值，或者已經知道DGPS參考接收機時鐘的漂移對于校正值來說無關緊要，那么就不需要該操作。另外，由于由歷書年齡引起的速度誤差相對于標稱等待時間誤差較小，對于通常沒有必要包括前面的IODE的△RRC值。然而，在某些速度精度很重要的應用中，包括它們將是有利的。另外，當SA由國防部停用時，由忽略△RRC值引起的誤差相對來說將變得更大。因此，△RRC是可選的。和表2中的點對點DGPS消息相似，根據特定應用，諸如Corr SF的某些參數也是可選的。表3中的參數N_IODE確定所包括的前面IODE值的數量根據所需的帶寬減小，這個數量在1-4之間(值4對應于最大基礎設施帶寬減小)。此外，如果對于這個參數使用的值小于4，△PRC(并且可能是△RRC)值不需要連續也就是由于它產生了最小的差異，對于和當前歷書最近的歷書拷貝跳過△PRC(并且可能是△RRC)值可能更有利。例如，能夠傳送當前IODE和久于當前IODE的值前面的值的校正。最后，因為△PRC差異值由歷書年齡誤差得到，而不是由正常DGPS等待時間效果(例如SA加速度)得到，它們不需要以諸如每30秒的短時間周期頻繁地發送。更長的廣播時間將有助于數據壓縮。在最壞的情況下，當SA關閉時每隔更長時間，諸如每分鐘或甚至更長，發送△PRC差異值將足夠了。一個選擇是使用△Count來表示這個交互方案。最壞的情況在歷書最久的情況下發生，它建議不利地基于年齡進行數據的附加壓縮也就是最近的PRC差異值將更不頻繁地發送。使用這兩個壓縮技術，對于所有可視衛星，需要用來傳播DGPS廣播消息的字節數量不超過八十二字節。當然，如果消息長度無關緊要，上面介紹的壓縮技術成為可選的。除了這個明顯事實，基于當前和前面IODE應用DGPS校正的原理，也就是通過減少或取消歷書和時鐘校正數據的頻繁更新，對于節約通信帶寬還是有效的。歷書廣播消息(網絡到多個手機)表4中給出了廣播歷書消息的內容。注意對于各個GPS衛星，消息由兩組計算后的位置和速度組成，相對于發送完整的歷書數據集，它減小了廣播所需的比特數量。這兩組數據在時間上分開，以允許移動手機在計算后的數據的適用性的時間之間內插，以在當前時間得到位置和速度數據。使用內插，而不是外推，相對于基于完整的歷書數據集的手機計算消除了任何顯著誤差。
表4廣播歷書消息
為了進一步減小廣播歷書消息的數量和長度，本發明將包含每個消息只發送一個衛星位置和速度矢量的歷書廣播消息。在能夠在t1和t2之間的一些別的時間計算移動站的位置之前，這將需要移動站在t1和t2得到兩個連續歷書廣播消息。
根據本發明的另一方面，手機使用一個算法則計算在任意時間t0＜t＜t1(其中t1=t0+△t)的衛星位置和速度。這個算法實際上是迭代的，它由兩步組成，首先從速度數據計算初始加速度估計，然后使用這個數據和位置數據計算加速度率(加速度的導數)，然后用它改進位置估計。這個算法對位置和速度的各個分量是一樣的，所以在下面的公式中只詳細說明一個單獨分量。用公式(6)建立加速度估計X_ddot=(X_dot1-X_dot0)/(t1-t0)(6)來自公式(6)的加速度估計用來使用下面的公式(7)預測X1X1_hat=X0+X_dot0△t+X_ddot△t2/2(7)預測的X1和它的計算后的值之間的差用來發現加速度率級別，它使預測值和計算后的值保持一致△X1=X1-X1_hat=X_dddot△t3/6(8)公式(7)用來解加速度率值(X_dddot)，并在公式(8)中用來對于GPS衛星位置內插X(t)=X0+X0_dot(t-t0)+X0_ddot(t-t0)2/2+X0_dddot(t-t0)3/6(9)注意這個廣播消息中沒有衛星時鐘校正數據。如圖14所示，可以通過適當修改為了吸收時鐘誤差影響而發送的位置和速度數據來實現。圖14顯示了估計和實際衛星位置，其中提供了衛星位置曲線擬合數據和衛星時鐘校正參數的結合。它允許完全消除時鐘校正參數，并甚至更進一步將傳送的比數量從每個衛星254位比特減小到每個衛星217比特。為了完成這些，時鐘誤差的影響必須被轉化為等價的衛星位置誤差。
在圖14中，諸如GPS的全球導航定位系統的衛星804在無線通信系統上沿軌道飛行。無線通信系統包括和諸如移動站800的移動站進行雙向無線通信的多個基站802。將時鐘誤差的影響轉化為等價的衛星位置誤差需要衛星軌道曲線擬合X(t)由對應于衛星時鐘校正的數量而修改。有效的距離擴展C0、C1和C2從衛星時鐘校正計算得到，而衛星時鐘校正是由在時間t0、t1和t2的歷書數據乘以光速(SOL)得到的。這個大小可能是正的(更遠)，也可能是負的(離移動站更近)，但典型地是小于1ms的數量級(但也能大到5ms)。
有效位置XE’(t)按如下計算XE′(t0)=X(t0)+C(t0)SOLX(t0)-R|X(t0)-R|(10)]]>為了修改有效衛星軌道，需要參考點“RL”來沿著在它的真實位置X(t)和RL之間延伸的線投影衛星軌道位置。RL能方便地是基站802。簡單的矢量運算將衛星軌道路徑X(t)修改為修改后的軌道路徑X’(t)。
選擇系統的各個單獨基站作為參考位置允許控制在距離測量中出現的誤差。假定基站802在移動站800的10km之內(在蜂窩系統的多數時間有效)。同時知道衛星時鐘校正不能大于5ms，因為它是參數的最大大小。衛星預測距離中的最大誤差是這個時鐘誤差和基站到移動站分隔距離的函數。基于修改或投影的衛星軌道，也就是移動站到參考點的距離為10km和時鐘校正為5ms，測量距離中的最大誤差大約為1米，給定諸如多徑、接收機噪聲、電離層延遲和其它量化影響的別的系統誤差，這個誤差是可以接受的小誤差。
這里詳細說明了支持廣播和點對點消息收發的蜂窩網絡協議，用于支持用于基于輔助GPS的蜂窩手機定位的完整性監視器(IM)。可以發現本發明相對于當前方案有幾個優點。提高了基于輔助GPS定位的可靠性的本發明的完整性監視器的兩個方面是第一個方面監控DGPS校正的質量并通知DGPS用戶測量質量下降，例如當存在預料之外級別的多徑誤差時；第二個方面通過將它們從這些失效中隔離來警告移動手機GPS衛星失效，并且這對于所有類型GPS用戶，也就是MS輔助、基于MS和自主的GPS用戶來說都是需要的。另外，根據本發明的優選實施例已定義了支持IM功能的消息收發結構和協議。
盡管在上面的說明和圖中已經說明和展示了本發明，但是熟悉本領域的人能夠理解，這些說明只是示例，在不背離發明的真實精神和范圍的情況下，發明可以有大量的變化和修改。例如，在GSM蜂窩系統的范圍內的優選和替代實施例中提出了本發明，本發明能在別的無線通信系統中實現。因此，發明應當只由下面的權利要求所限制。
權利要求
1．一種用于維護一個系統中的移動手機位置確定的完整性的方法，該系統包括移動手機，無線通信基礎設施和耦合到無線通信基礎設施并安裝在預定位置的微分全球定位系統(DGPS)參考接收機，該方法包括以下步驟所述無線通信基礎設施接收來自DGPS參考接收機的DGPS信息；從所述DGPS信息導出用于所述移動手機的微分校正數據；確定所述微分校正數據是否將在所述移動手機位置確定中產生標稱外誤差；將從所述微分校正數據產生的微分校正消息發送到所述移動手機；當所述確定步驟確定出所述微分校正數據將在所述移動手機位置確定中產生標稱外誤差時，將識別標稱外誤差的誤差消息發送到所述移動手機。
2．根據權利要求1的方法，其中確定所述微分校正數據是否將產生標稱外誤差的步驟包括步驟根據所述微分校正數據和DGPS參考接收機產生的測量數據計算DGPS參考接收機的位置。
3．根據權利要求2的方法，其中確定所述微分校正數據是否將產生標稱外誤差的步驟包括步驟在無線通信基礎設施確定所述微分校正數據是否將產生標稱外誤差。
4．根據權利要求2的方法，其中確定所述微分校正數據是否將產生標稱外誤差的步驟包括步驟在移動手機確定所述微分校正數據是否將產生標稱外誤差。
5．根據權利要求2的方法，其中確定所述微分校正數據是否將產生標稱外誤差的步驟包括步驟計算位置確定；將該位置確定與DGPS參考接收機的測量位置進行比較以產生位置誤差。
6．根據權利要求5的方法，其中確定所述微分校正數據是否將產生標稱外誤差的步驟進一步包括步驟將位置誤差與位置誤差閾值進行比較以確定是否將產生所述標稱外誤差。
7．根據權利要求1的方法，其中發送所述微分校正消息的步驟包括步驟將所述微分校正消息作為尋址多于一個移動手機的廣播微分校正消息發送。
8．根據權利要求1的方法，其中發送所述微分校正消息的步驟包括步驟將所述微分校正消息作為僅尋址該移動手機的點對點微分校正消息發送。
9．根據權利要求1的方法，其中發送所述誤差消息的步驟包括步驟適當地按比例放大包含在所述微分校正消息中的UDRE精度預測以補償所述標稱外誤差。
10．根據權利要求1的方法，其中發送所述誤差消息的步驟包括步驟適當地按比例放大包含在所述微分校正消息中的UDRE比例因數以反映所述標稱外誤差的出現。
全文摘要
公開了一種維護基于輔助GPS的定位可靠性的蜂窩網絡協議。一完整性監視器(IM)將測量質量通知給移動站,其用戶或網絡,并通過將它們與失效影響隔離來警告它們所正在失效或已經失效的GPS衛星。每當檢測到失效衛星時,將從發送或位置確定中排除其對應的輔助數據。換句話說,完整性監視器(IM)有兩個特定的方面。對于DGPS用戶,其預測DGPS校正的可靠性或質量。對于所有用戶,其將移動位置計算與GPS衛星故障隔離。
文檔編號H04Q7/34GK1304270SQ0013298
公開日2001年7月18日 申請日期2000年11月13日 優先權日2000年1月10日
發明者托馬斯M·金, 喬治J·蓋爾, 趙亦林 申請人:摩托羅拉公司