获得信号捕获辅助数据的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及获得信号捕获辅助数据的系统和方法。为接收装置获得信号捕获辅助数据，接收装置诸如搜寻来自诸如卫星飞行器和基站之类的任意源（B1-B10）的信号的无线辅助位置定位装置（208、210）。基于对诸如时间和位置等参数的有可能危害有效性的改变的评估，可以从先前获得的数据获得这些数据。在一些情况下，可以针对参数改变来调整这些数据。特别地如果由一个远端实体提供的捕获辅助数据比已经典型地提供的包括更确切的参数，则可以由接收机采用信号集的部分测量来计算精密的数据。除非检测到不可补偿的移动台移动，并且该移动危害了先前数据的有效性，否则直到先前数据的有效性由于采用多普勒系数的时间外推的限制而过期时，才需要获得新的数据。
【专利说明】获得信号捕获辅助数据的系统和方法
[0001]本申请是申请日为2004年4月2日申请号为第201110328570.X号发明名称为“获得信号捕获辅助数据的系统和方法”的中国专利申请的分案申请，而后者又是申请日为2004年4月2日申请号为200480015208.5号发明名称为“获得信号捕获辅助数据的系统和方法”的中国专利申请的分案申请。
_2] 相关申请的交叉引用
[0003]本发明要求于2003年4月25日提交的美国临时申请N0.60/465，371和于2003年4月30日提交的美国临时申请N0.60/467, 258的优先权，在此通过参考引入这些申请。
【技术领域】
[0004]所公开的方法和装置涉及无线通信，并且更具体地涉及采用信号捕获辅助数据来辅助一个接收站捕获所选信号的无线系统。
【背景技术】
[0005]无线通信业界正在开发为无线终端生成精确位置信息的服务。这种开发部分地由公共安全服务提供者致力于对紧急呼叫的快速反应的需要而推动。在很多实例中，主叫方可能不愿或不能提供精确的位置信息。当自动地提供这种信息时，公共安全官员能够迅速地反应并提供服务。一般来说，在其中一个公共安全实体接收到紧急“911”电话呼叫的一个位置称为公共安全应答点(下文中称为“PSAP”)。
[0006]众所周知的全球定位系统(GPS)提供一种可能的方法来提供无线终端位置确定。采用GPS技术，可以在由FCC报告和规则所要求的精确度要求范围内确定无线终端位置和速度信息。一旦将GPS技术加入到该单元，除提供足够精确的无线终端位置信息之外，则还容易地将新的GPS特征集成到无线电话中。可以用这额外的有价值的特征来增加无线电话的市场价值并通过向这些电话的终端用户提供附加服务来提高收益。
[0007]众所周知，GPS导航系统采用在环绕地球的轨道中的卫星。地球上任何地方的任何GPS用户都可以得到包括三维位置、速度和时刻(time of day)的准确导航信息。GPS系统包括24颗卫星，这些卫星部署在三个关于赤道以55°倾斜并关于彼此间隔120°的平面内具有26，600千米半径的圆形轨道上。在三个轨道路径中的每一个内八颗卫星等距地间隔。采用GPS的位置测量基于从在轨卫星向一个GPS接收机广播的GPS信号的传播延迟时间的测量。通常，在四维(纬度、经度、高度和时间)中进行准确的位置确定需要接收来自4颗卫星的信号。在一个接收机测量各信号的传播延迟之后，通过用光速乘以每个延迟来计算到每个卫星的距离。通过结合所测量的距离和卫星的已知位置求解一组具有四个未知数的四个方程，得到位置和时间。结合连续地监控和修正卫星时钟和轨道参数的跟踪台，对于每个卫星采用星载(on-board)原子钟来维持GPS系统的精确能力。
[0008]每个GPS卫星飞行器(SV)在L频带中发送两个直接序列编码扩频信号:在载波频率1.57542GHz处的一个LI信号，以及在1.2276GHz处的一个L2信号。LI信号包括两个以相位正交调制的相移键控(PSK)扩频信号:P码信号(P代表“精确”)和C/A (C/A代表“粗糙/捕获”)码信号。L2信号只包含P码信号。P码和C/A码是调制到载波上的重复伪随机(又称伪噪声或“PN”)比特(被通信领域的普通技术人员称为“码片”)序列。接收机利用这些码类似于时钟的性质来进行时延的测量。用于每个SV的PN码是唯一的，使得接收机可以分辨哪个卫星发送了一个给定的码，即使这些码全部是在同一载波频率上发送的。包含对于导航计算有用的系统状态信息和卫星轨道参数的50bit/s的数据流也调制到每个载波上。P码信号是加密的，并且通常P码信号对于商业用户和私人用户是不可用的。C/A信号对于所有用户可用。
[0009]由GPS接收机执行的绝大部分操作具有由直接序列扩频接收机执行的操作的特征。在一个称为“解扩”的处理中，必须通过用PN码的一个时间校准的本地生成副本乘以每个信号来从该信号中去除PN码调制的扩展效果。由于不太可能在接收机启动时就知道合适的时间校准或码延迟，因此必须通过在GPS接收机操作的初始“捕获”阶段期间进行搜索来确定。
[0010]在执行解扩之后，每个信号包含在中间载波频率的一个50bit/sPSK信号。由于由卫星和终端单元之间的相对移动引起的多普勒效应，并且由于本地接收机的GPS时钟参考误差，该PSK信号的确切频率是不确定的。由于在信号捕获之前多普勒频率通常是未知的，因此在初始信号捕获期间必须执行对多普勒频率的搜索。一旦近似地确定了多普勒频率，就可以进行载波解调。
[0011]在执行载波解调之后，使用一个比特同步环路得出数据比特定时，并最终检测数据流。一旦已经捕获来自四颗卫星的信号并锁定到这些信号上，已经进行了时延和多普勒测量，并且接收到足够数目的数据比特(足以确定GPS定时参考和轨道参数)，就可以进行导航计算。
[0012]对于位置确定，GPS系统的一个缺点是需要相对较长的时间来执行信号捕获。如上所述，直到已经通过在其维度为码相位延迟和多普勒频移的二维搜索“空间”中进行搜索对SV信号进行了定位，才能跟踪SV信号。典型地，如果在该搜索空间中没有该信号的位置的先前知识，在接收机“冷启动”之后通常是这种情况，对于待捕获和跟踪的每个SV信号，必须要搜索大量的码延迟(大约2000个)和多普勒频率(大约15个)。因此，对于每个信号，必须检查在搜索空间中的多达30，000个的位置。典型地，一次一个地顺序地检查这些位置，这是一个可能耗费5-10分钟的过程。如果在接收天线的视野内四颗卫星的身份(即PN码)是未知的，则捕获时间还会变长。
[0013]至少当一个GPS接收机已经丢失了信号时，需要进行信号捕获，GPS接收机丢失信号可能发生在例如关机之后，或发生在当信号已经被阻塞而不能到达接收机一段时间时。在捕获信号之后，可以保持或“跟踪”这些信号。
[0014]然而，诸如蜂窝电话移动台(MS)之类的许多装置具有的GPS功能作为一个附加特征或增强，而不是作为该装置的一个首要目的。对于这些装置，连续地跟踪GPS SV信号的需要会增加成本，缩短电池使用期限，或降低主要装置(例如主要用作蜂窝电话)的功能性。例如，由于GPS SV信号是在不同于蜂窝电话信号频率的频率提供的，因此单个接收机不能同时监控两个频率。为此，MS需要一个额外的接收机单元，从而增加了装置的成本。此外，需要增加系统的处理能力，以便并发地监控两个信号，这会同时增加成本和功率消耗。因此，很多这种系统都很少跟踪GPS SV信号，而仅根据需要来捕获所需的信号。[0015]所有的有GPS能力的系统都需要捕获GPS SV信号。一些系统仅偶尔需要这种捕获，而其他的系统则在每次对于一个GPS功能需要它们时都需要捕获GPS SV信号。遗憾的是，对信号捕获的需要不能避免紧急地需要GPS功能，诸如当需要迅速地获得MS位置以便于对一个紧急情况进行响应时。在这种情况下，非常希望能获得与在位置确定之前由GPS/无线终端单元进行的5至10分钟的GPS卫星信号捕获的冷启动相关联的时延。
[0016]为了减小该时延，可以提供信息来辅助一个接收机捕获一个特定信号。通过提供一个“码窗口”，这种捕获辅助信息使得一个接收机可以缩小为了定位一个信号必须搜索的空间。码窗口提供了一个在其中必须找到“码相位”(有效地，信号到达时间)的缩小的范围，或一个与该信号相关的多普勒偏移的预测范围。捕获辅助还可以包括关于该信号的其他信息，诸如其PN (伪噪声或伪随机)码、频率、调制和内容。关于信号不确定度的窗口越小，接收机就可以越快地捕获信号。缩小这些窗口不仅可以能够更快的信号捕获，这缩短了能够产生位置确定结果之前的延迟，而且还减小了接收机上的处理负担，这可以降低功率消耗。在其中在从一个系统中的另一源提供的信息的辅助下，接收机根据需要定位用于位置定位的测距信号(例如GPS SV信号)的系统通常称为“无线辅助位置定位”系统。
[0017]自从引入了无线辅助位置定位系统，它们就作为优选的位置定位技术得到普及。它们可应用于任何这样的系统中，其中能够测量来自给定信号源的测距信号的用户终端可以访问一个数据库以获得便于测距信号的快速捕获的信息。其中，一种应用就是由与一个或更多基站(BS)进行通信的具有位置定位的能力的无线移动台(MS)所用，其中BS连接到一个或多个数据库服务器，也称为位置确定实体(PDE)，其能够提供信号捕获辅助数据。
[0018]发送到一个MS的信号捕获辅助信息可以包括对该MS可得到的测距信号类型的描述和这些信号的特征，诸如频率、PN偏移、期望的码相位等。这些参数中的一些参数的确定基于对MS的内部状态和位置的近似知识。这种捕获辅助信息的一个目标是使得MS可以预测一个特定SV信号的到达时间或码相位，并且如果可应用，该SV信号的多普勒偏移，这通常可以称为码相位预测。需要考虑的事项包括码相位预测信息的生成、传送和使用。
[0019]码相位预测仅仅和输入用于其计算的参数一样准确。由于通常不能精确地知道相对于所期望的一个特定信号源的MS的移动和位置，时钟偏移，因此所预测的码相位具有某些不确定性，其可以表示为围绕一个预测的码相位的不确定度窗口和围绕一个预测的信号多普勒偏移的不确定度窗口。
[0020]无线辅助位置定位系统受到这样的一个缺陷的影响，该缺陷是例如当需要GPS功能时由于需要接收捕获辅助信息而引起的等待时间。该等待时间不仅起因于获得必要信号所需的时间，而且还起因于请求捕获辅助信息所需的时间-通常从在该通信系统中的另一实体，对于该实体要收集和提供该捕获辅助，对于该捕获辅助要被接收。此外，传输该捕获辅助信息加重了通信系统传送能力的负担。
[0021]因此，需要一种采用捕获辅助来实现准确的码相位预测，同时减小在无线辅助位置定位系统中的接收机上的通信负担的系统和方法。
【发明内容】
[0022]此处描述的系统和方法包括用于向一个用户终端传送捕获辅助信息的特征，以及用于在一个网络基础设施和在该用户终端中确定捕获辅助参数的特征。所述系统和方法的各方面解决了上面指出的采用捕获辅助来实现准确的码相位预测，同时减小在无线辅助位置定位系统中的接收机上的处理和通信负担的需要。本领域的普通技术人员应理解，所述系统和方法的各方面还提供了其他优点。
[0023]一个方面包括一种方法，通过这种方法，当在一个蜂窝通信系统中的一个移动台(MS)在尝试获得一个给定信号时，通过确定先前接收到的捕获信息对在捕获该给定信号的MS来说仍然有效，避免了对接收捕获辅助信息的需要。
[0024]另一个方面包括一种方法，通过该方法，可以利用捕获辅助来获得多个信号。可以捕获多个信号中的一个第一信号，并且可以采用该第一信号的测量来改善与所搜寻的多个信号中的其他信号相关的捕获辅助数据。
[0025]又另一个方面包括在一个移动台(MS)处获得一个信号的方法。该方法包括当MS在一个第一位置时获得捕获辅助，并随后随着MS移动到一个不同的新位置补偿所获得的捕获辅助数据。
[0026]另外一个方面包括确定在一个蜂窝通信系统中的一个MS位置的变化的方法。该方法利用了符合与MS的一个位置相关的选择标准的基站(BS)的一个列表。该方法包括将在某一时刻属于这样一个列表的BS与在一个稍后的时刻属于该“相同”列表(即符合相同选择标准的BS的列表)的BS相比较的步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]附图中示出了所公开的方法和设备的实施方式，其中相同的参考标号和名称表示相同或相似的部件。
[0028]图1示出了移动台、服务基站和其信号待捕获的卫星飞行器的典型基本几何关系。
[0029]图2示出了多个基站，并且该图用于描述如何可以使用移动台中的基站列表来得出该移动台已经移动了位置的结论。
[0030]图3示出了发起于移动台的位置定位会话的消息流程。
[0031]图4示出了终止于移动台的位置定位会话的消息流程。
【具体实施方式】
[0032]此处描述的系统和方法可应用于诸如利用捕获辅助数据来辅助一个接收机捕获一个信号的无线辅助位置定位系统之类的系统。大多数无线辅助位置定位系统都能够捕获和利用全球定位系统(GPS)卫星飞行器(SV)信号。如上所述，目前的GPS SV信号发送具有一个与CDMA通信信号紧密相关的格式的信号。因此，此处所描述的示例性系统基于一个CDMA蜂窝通信系统。然而，本领域的技术人员应当理解，同样可以采用任何其他通信空中接□。
[0033]为了信号捕获和测距的目的，与所选通信信号的定时相关的信息是有用的。有用的做法是，确定何时预料一个给定信号的一个可识别特征到达，以便使对该信号的搜索仅覆盖一个有限的时间期间，并且同样有用的是，尽可能正确地确定各信号相对于彼此的到达时间。如下所述，各信号相对于彼此的到达时间可以用于测距的目的。这些定时问题都涉及一个信号的一个可识别特征的“到达时间”。[0034]熟悉通信系统的技术人员应当理解，这种到达时间信息在大多数情况下都相当于一个信号的“码相位”。“码相位”在接收码和开始于一个参考时间的相同码之间的相位偏移方面描述了到达信号的定时。因此，识别一个信号的“码相位”有效地识别了该信号的“到达时间”，只需该用信号的频率乘以该码相位来获得一个到达时间。这两者如此接近地并简单地相关，以至于“到达时间”几乎可与“码相位”互换。“到达时间”这一术语经常用于位置确定系统中，特别是用于不共享通信系统的“码”方面的系统中。
[0035]所有无线系统都可以容易地采用此处描述的系统和方法。为测距的目的而需要捕获的信号不限于CDMA信号，而是可以包括很多其他的类型。测距信号也不限于GPS SV信号。例如，基站(BS)信号通常用于测距，并且不需要传送该测距信号。但是，此处描述的一个示例性系统是一个CDMA通信系统，并且对于这种系统通常地使用“码相位”。本领域的普通技术人员应当理解这些术语的相关本质，并且他们将没有困难地在一个更经常应用其他术语的系统中使用利用这些术语中的一个来描述的思想。
[0036]以下符号可以用于整个本说明书中:
[0037]R是MS位置不确定度区域的半径
[0038]bsv是SV时钟偏差
[0039]bss是所估计的BS时钟偏差[0040]您是BS时钟偏差的不确定度[0041 ] bB是MS时钟偏差
[0042]bMS是所估计的MS时钟偏差
[0043]^是MS时钟偏差的不确定度
[0044]dm是MS的GPS与CDMA接收链之间的估计时延差
[0045]是MS的GPS与CDMA接收链之间的估计时延差的不确定度
[0046]Afm是所估计的MS频率偏移
[0047]A&是所估计的MS频率偏移的不确定度
[0048]fsv是SV多普勒
[0049]a是SV仰角
[0050]c是光速
[0051]fc 是码片速率(对于 GPSC/A 码，fc = 1.023MHz)
[0052]是从BS指向MS的向量
[0053]4 ?是从BS指向SV的向量
[0054]rMS s/是从MS指向SV的向量
[0055]在当前的系统中，向移动台(MS)提供用于全球定位系统(GPS)空间飞行器(SV)信号的捕获辅助数据。在诸如TIA/EIA IS-801-1之类的各种位置定位信令标准中定义了用于提供该捕获辅助数据的确切过程。这些标准中的至少一些标准未能提供用于传送关于蜂窝BS的相似捕获辅助信息的方法。众所周知，例如蜂窝BS导频信号之类的不同于GPS SV信号的信号也可以用作测距信号源。至今，还没有看到该缺点的严重性。这是因为BS捕获辅助信息典型地是借助于其他无线信令方法，例如在TIA/EIA IS-2000中以一个邻居列表消息的形式提供给MS的。然而，这种捕获辅助适于便于在无线网络中进行无缝切换，而不是便于进行位置定位测量。尽管现有的捕获辅助技术相应地提供了低于最优的性能，但可以通过在位置定位消息中添加明确的BS捕获辅助来提高它们的效率。在位置定位消息中的另外附加的明确的捕获辅助也便于实现对无线辅助位置定位系统的其他改善。
[0056]信号多普勒偏移的辅助捕获
[0057]以下相对简单的方法可以用于提供信号捕获辅助。由于MS不需要非常精确地知道所预测的多普勒频率，因此可以采用以下方法缩小对一个SV信号的一个多普勒频移的搜索。
[0058]所预测的多普勒亡可以推导为
[0059]
【权利要求】
1.一种在捕获辅助数据的辅助下在移动台通信系统接收机处捕获信号的方法，包括: a)当所述移动台在第一位置时，在所述移动台处从无线通信系统的基站获得第一捕获辅助数据； b)确定所述移动台已经从所述第一位置移动到超出门限距离的第二位置；以及 c)响应于所述确定，为所述第二位置补偿所述第一捕获辅助数据来提供第二捕获辅助数据，以对由所述移动台在所述第二位置处搜索信号进行辅助。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一捕获辅助数据包括从远端实体获得的数据，并且包括估计到达时间。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括从所述第一捕获辅助数据得出移动台时钟偏差，并且使用所得出的移动台时钟偏差来在所述移动台处计算所述估计到达时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一捕获辅助数据包括从远端实体获得的数据，并且包括到达时间不确定度窗口。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括从所述第一捕获辅助数据得出移动台时钟偏差，并且使用所得出的移动台时钟偏差来在所述移动台处计算所述到达时间不确定度窗□。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在使用所述第一捕获辅助数据以辅助捕获一特定信号之前评估所述第一捕获辅助数据的有效性。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括仅当从获得所述第一捕获辅助数据以来已经经过了少于预定时间量时，才使用所述第一捕获辅助数据中的一些数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述预定时间量的值依赖于所述移动台具有精确系数的描述多普勒偏移的等式的阶。
9.根据权利要求1所述的方法，确定所述移动台已经移动基于以下比较的任意组合: (a)所述接收机的当前邻居列表与所述接收机的先前邻居列表的比较； (b)所述接收机的当前激活基站列表与所述接收机的先前激活基站列表的比较；或者 (C)所述接收机的当前服务基站与所述接收机的先前服务基站的比较。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括: 确定要捕获多个信号； 捕获所述多个信号中的第一信号；以及 利用所述多个信号中的所述第一信号的测量到的参数来对捕获所述多个信号中的第二信号进行辅助。
11.一种配置为在无线通信系统中操作的移动台，所述移动台包括: a)用于从所述无线通信系统的基站获得第一捕获辅助数据的获得装置，所述第一捕获辅助数据与第一位置相关； b)用于响应于所述移动台从所述第一位置移动到第二位置来确定所述移动台已经移动了超出门限距离的确定装置；以及 c)用于响应于所述确定，为所述第二位置补偿所述第一捕获辅助数据来提供第二捕获辅助数据，以对由所述移动台在所述第二位置处搜索信号进行辅助的补偿装置。
12.根据权利要求11所述的移动台，其中所述第一捕获辅助数据包括从远端实体获得的数据，并且包括估计到达时间。
13.根据权利要求12所述的移动台，还包括用于从所述第一捕获辅助数据得出移动台时钟偏差的装置，以及用于使用所得出的移动台时钟偏差来在所述移动台处计算所述估计到达时间的装置。
14.根据权利要求11所述的移动台，其中所述第一捕获辅助数据包括从远端实体获得的数据，并且包括到达时间不确定度窗口。
15.根据权利要求14所述的移动台，还包括用于从所述第一捕获辅助数据得出移动台时钟偏差的装置，以及用于使用所得出的移动台时钟偏差来在所述移动台处计算所述到达时间不确定度窗口的装置。
16.根据权利要求11所述的移动台，还包括用于在使用所述第一捕获辅助数据以辅助捕获一特定信号之前评估所述第一捕获辅助数据的有效性的装置。
17.根据权利要求11所述的移动台，还包括用于仅当从获得所述第一捕获辅助数据以来已经经过了少于预定时间量时，才使用所述第一捕获辅助数据中的一些数据的装置。
18.根据权利要求17所述的移动台，其中所述预定时间量的值依赖于所述移动台具有精确系数的描述多普勒偏移的等式的阶。
19.根据权利要求11所述的移动台，确定所述移动台已经移动基于以下比较的任意组合: (a)所述接收机的当前邻居列表与所述接收机的先前邻居列表的比较； (b)所述接收机的当前激活基`站列表与所述接收机的先前激活基站列表的比较；或者 (C)所述接收机的当前服务基站与所述接收机的先前服务基站的比较。
20.根据权利要求11所述的移动台，还包括: 用于确定要捕获多个信号的装置； 用于捕获所述多个信号中的第一信号的装置；以及 用于利用所述多个信号中的所述第一信号的测量到的参数来对捕获所述多个信号中的第二信号进行辅助的装置。
【文档编号】G01S19/09GK103792555SQ201310751754
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2004年4月2日 优先权日:2003年4月25日
【发明者】彼得·加阿尔, 利奥尼德·希恩布拉特, 克里斯托弗·帕特里克, 怀亚特·托马斯·赖利 申请人:高通股份有限公司