专利名称：用于基于广播初始化数据定位计算的设备和方法
技术领域：
本发明涉及定位计算设备和方法，更具体地涉及位于无线电通信系统覆盖区内设备的定位计算设备和方法。
本发明
背景技术：
无线(或无线电)通信网络通常应用于对规定地理区域内多个用户提供话音和数据通信。例如，模拟蜂窝无线电话系统，例如所标志的AMPS、ETACS、NMT-450和NMT-900，已经在全世界范围成功部署。现在，数字蜂窝无线电话系统例如所标志的北美IS-54B(和其后继系统IS-136)和欧洲GSM已经被引入并且正在部署。这些和其它系统在例如Balston等人的“蜂窝无线电系统”一书中进行了描述，由ArtechHouse,Norwood,MA(1993)出版。除了上述系统，正在开发的称为个人通信服务(PCS)的系统也在实施中。当前PCS系统的例子包括那些指定为北美的IS-95、PCS-1900和PACS、欧洲的DCS-1800和DECT以及日本的PHS。这些PCS系统在2吉赫兹(GHz)无线电频谱频带上工作，并且一般用于话音和高比特速率数据通信。
例如所述系统的无线系统可以包括一个或几个无线移动终端与依次连接到移动电话交换中心(MTSO)的基站服务的多个小区通信。这些基站一般安置在固定地理位置上并且覆盖位于该基站附近通常称为小区的有限地理区域。
小区一般起无线电通信网络节点作用，由这些节点通过服务小区的基站建立无线移动终端之间的链路。每个小区一般分配有一个或几个专用控制信道用于和一个或几个业务信道。控制信道是用于一般通过广播传输小区标识、寻呼和其它信息的专用信道。
其它技术依靠接收无线传输提供有用信息。这样一种技术是全球定位系统(GPS)。应当理解，术语“全球定位系统”或“GPS”用于标志任何测量地面上位置的空基(Spaced-based system)系统，包括欧洲的GLONASS卫星导航系统。如同本领域技术人员所公知的，GPS是空基三角测量系统使用卫星和计算机测量地面上任何地方的位置。GPS最早由美国国防部作为导航系统开发。与其它陆基系统相比，GPS在覆盖区内没有限制，可以提供连续24小时覆盖而不论何种气候条件，并且可以高精度。尽管提供最高精度级的GPS技术被政府保留在军事用途，较低精度的服务可以用于民用用途。
在工作中，在地球轨道运行的卫星星座连续发射预定码片频率的GPS射频信号。GPS接收机例如具有GPS处理器的手持无线电接收机接收来自最近卫星的无线电信号，并且测量无线电信号从GPS卫星传播到GPS接收机天线所花费的时间。这种接收机的一个例子是RockwellSemiconductor System广泛可用的“Jupiter”GPS接收机，在注明1998年1月19日的数据表中描述。通过将传播时间乘以光速，GPS接收机可以计算与每个所观察卫星的距离。根据来自卫星无线电信号中提供的另外信息，包括卫星轨道和速度和与星上时钟校准，GPS处理器可以通过三角处理测量计算GPS接收机的位置。
GPS系统的一个问题是初始捕获与足够数量定位卫星通信联系以计算位置所需要的时间和功率。特别是，如果GPS探测系统没有任何其位置的估计，它不知道卫星星座中的哪个在视野内，也不知道其视野范围内卫星的空间位置。因此，捕获一般需要冷启动，而这通常消耗大量功率并且需要比热启动(即利用初始位置估计的启动)更多时间。典型GPS接收机例如Rockwell Semiconductor System的Jupiter接收机具有不同卫星捕获工作模式。第一模式是热启动。此状态通常出现在连续工作一段时间后或短暂空闲时间后，其中位置、时间、速度和星历表数据是相当有效的。热启动一般产生最短捕获时段。第二模式是初始化启动，其中用户提供位置和时间信息，或根据以前操作是由机上存储器中可使用的信息。不象热启动那样，在这种模式中速度和星历表数据不可使用，捕获时间一般较慢。第三模式是冷启动，其中唯一可使用信息是标志以前操纵卫星的日历信息。因此该模式提供比热启动和初始化启动慢的捕获。最后，称为极冷启动的模式提供最慢的捕获，其中在寻求捕获卫星之前没有一点信息可使用。
早期用于改善GPS系统精度的另一个方法是用广播校准差分的GPS。在该方案中，来自GPS卫星的正常传输包括系统误差，该误差可以通过使用由例如海岸警卫队的部门广播的校准信息消除。这种广播部门通过比较已知位置和使用从定位卫星传输所接收的GPS信息计算的位置而获得校准信息。该信息通常由部门在特定副载波上广播。使用这类信息，GPS接收机可以改善其计算精度。可是，尽管该方法预计可以改善接收机精度，它没有提供对接收机捕获时间或减少功率消耗的改善。
希望提供尽可能多种条件下的热启动。通过例如用户键盘输入获得位置数据是公知的。使用存储在存储器中的以前位置数据也是已知的。可是，这些方法一般需要用户输入并且通常不提供减少捕获时间和较低功率消耗的星历数据。
本发明概述按照前面所述，本发明的目的是提供一种设备和方法，用于以定位卫星的热启动捕获的定位计算。
本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于利用最少额外硬件和利用现有无线电通信网络进行以热启动的定位计算。
本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，用于以可提供热启动的而不需要现有无线电通信网络帐户(account)的定位计算。
由按照本发明的设备和方法所提供的这些和其它目的、特征和优点用于具有高精度、低捕获时间和低功耗的定位计算。该定位计算设备包括一个无线电通信接收机监视覆盖定位计算设备所位于的地理区域的无线电通信网络，例如蜂窝网络。该设备解调来自无线电通信网络的信号并且在计算位置之前使用卫星初始捕获操纵从网络广播信道获得定位数据。该设备进一步包括一个接收机用于接收由GPS卫星星座广播的定位消息。在该设备中的一个定位计算电路利用在对一个或几个定位卫星初始捕获中从无线电通信网络获得的定位数据。一旦捕获所需要数量的定位卫星，就接收来自所捕获定位卫星的定位消息并且用于计算定位计算设备的位置。
通过从无线电通信网络基站接收定位数据，以及在基站/计算设备视野范围内定位卫星的星历数据和定时信息，当可以接入无线电通信网络时本发明的定位计算设备能够通常总是工作在卫星捕获的热启动模式，由此提供了定位计算操作的最低功耗和最快捕获时间。
无线电通信网络的接收机可以是简化的接收机，因为不要需要双向通信并且该接收机只需要能够按照无线电通信网络广播控制信道中预定协议对所插入的解调和解码定位数据同步。最好，定位计算设备甚至不需要获得无线电通信网络帐户，以便监视由基站在空中发射的定位数据。可是，如果无线电通信网络服务商要求一个帐户，提供加密以防止未授权用户存取该信息，通过在定位计算设备中安装适当解密电路仍然可以获得本发明优点。
在本发明的一个方面中，提供了在无线电通信网络服务区内使用的移动定位计算设备。该设备包括第一接收机用于接收无线电通信网络上的无线电通信广播，和第二接收机用于接收由定位卫星广播的定位消息。定位计算电路耦合到第二接收机。最后，提供一个耦合到第一接收机的装置，用于从无线电通信广播获得定位数据并且将定位数据提供给定位计算电路用于定位卫星的捕获。在一个实施例中用于获得定位数据的装置包括对无线电通信解调和解码的装置，用于从解调的解码的无线电通信获得定位数据的装置，和用于将从解调和解码的无线电通信所获得的定位数据提供给定位计算电路的装置。
定位卫星可以是全球定位系统卫星。无线电通信网络可以是蜂窝通信网络。无线电通信最好是无线电通信网络在广播控制信道上的广播。
在本发明的另一个方面，定位数据是从包括定位卫星星历数据、发射无线电通信基站的位置、时钟校准信息和广播控制信道的帧结构时间标记的一组中选择出的。定位计算电路包括用于根据定位数据热启动捕获定位卫星的装置。在本发明的一个实施例中，定位计算电路进一步包括用于限制根据定位数据搜索定位卫星广播的定位消息的时间窗口和多普乐频率范围的装置。定位计算电路可进一步包括用于根据定位数据选择多个定位卫星的子集作为定位卫星的装置。
在本发明的另一个实施例中，提供在无线电通信网络广播定位数据覆盖区内捕获定位卫星的方法。在无线电通信网络中接收定位数据。根据所接收定位数据捕获定位卫星。在本发明方法方面的一个实施例中，从所捕获定位卫星接收定位消息。
附图简介
图1是工作环境中本发明定位计算设备实施例的示意图。
图2是图1的定位计算设备的方框图。
图3是表示按照本发明实施例的定位计算操作的流程图。
图4是说明按照本发明实施例的卫星捕获操作的流程图。
优选实施例详细说明下面结合附图更详细地描述本发明，其中表示了本发明的实施例。本领域技术人员应当理解，本发明可以用各种不同形式实施而不解释为限于在此所阐述的实施例，所提供的这些实施例是为了使公开更加充分和完整，并且对本领域技术人员全面表达本发明的范围。在附图中，相同参考数字代表相同元件。
现在参照图1，描述本发明定位计算设备的工作环境。定位计算设备10位于能够接收基站12和GPS(定位)卫星14两者无线电通信的地理区域。尽管在图1中表示了仅仅一个基站12，应当理解基站12一般是覆盖包括大量小区和覆盖扩展地理区域的更大无线电通信网络的特定小区的发射机基站。也应当理解尽管图1所示的基站12是陆地基站，本发明的设备和方法也可以用于与基于卫星的无线电通信网络连接，其中覆盖特定地理区域的卫星起基站12的作用。
尽管在图1中只表示了一个GPS卫星，应当理解一般在全球定位系统中提供了星座或多个定位卫星。如同前面所描述的，这种卫星通过分布定位卫星网络总是可以提供对整个地球的覆盖。从地面上的任何给定位置，在任何时刻，给定定位计算设备10只可以观察(即，在视野内)有限的多个卫星的子集。另外，本发明的许多说明书描述的设备和方法是针对单一定位卫星的捕获，应当理解通常为一个位置计算要捕获多个卫星。一般捕获四个单独卫星并且从每个卫星获得定位消息用于计算三维位置以及时间。也应当理解，所捕获卫星数量越少定位计算越不完整。例如，捕获三个卫星计算二维(经纬度)位置。
现在参照图2，在特定实施例中进一步描述本发明的移动定位计算设备10。如图2所示，定位计算设备10包括通信网络接收机20，用于接收服务定位计算设备所位于的地理区域的无线电通信网络中的无线电通信广播。定位计算设备10也包括一个GPS类型信号接收机22，用于接收定位卫星14广播的定位消息。由无线电通信网络接收机20将从无线电通信基站12所接收的信号传递给信号处理电路24或其它用于根据无线电通信广播获得定位数据并且将定位数据提供给定位计算电路26的装置，用于捕获定位卫星14。
根据无线电通信网络基站12所使用的特定格式和协议，信号处理电路24可以提供解调和解码的无线电通信的装置和根据解调和解码的无线电通信获得定位数据的装置。信号处理电路24进一步提供将根据解调和解码的无线电通信获得的定位数据提供给定位计算电路26的装置。
定位计算电路26提供根据从信号处理电路24所接收定位数据热启动定位卫星14捕获的装置。如同将结合按照本发明工作流程图更详细描述的，定位数据可以用于提供有关卫星捕获的各种改善的操作。在无线电通信网络上所发射的定位数据最好包括定位卫星的一个或几个星历数据、描述发射无线电通信的基站12位置的信息、时钟校准信息例如用于差分GPS中、和广播信息中帧结构的时间标记。通过只提供基站12视野范围内定位卫星的星历数据，定位计算设备10也提供当前视野中定位卫星14的识别。
通信网络接收机20与通过基站12在无线电通信网络上用于通信的移动终端所要求的收发信机电路相比只需要提供有限的能力。特别是，通信网络接收机20只需要能够收听并且同步到广播定位数据的蜂窝/PCS无线电通信网络的广播控制信道上。发明人相信有能力适当将GPS卫星定位数据传输标准化，使其适合于按照本发明的设备和方法在当前安装的无线电通信网络广播控制信道上使用。为优化定位计算电路的性能，希望提供包括如上所述位置、速度、时间和星历信息的定位数据。通信网络接收机20不必是完整的蜂窝电话机，因为它不需要发射功能也不需要具有键盘或其它用户接口。所需要的是足够电路以充分解调和解码所接收无线电通信，以便能够由此获得所发射的定位数据并且将该数据提供给定位计算电路26。因此，本发明定位计算设备10的用户不需要向无线电通信网络服务提供商付任何预定费，因为本发明的设备只收听控制信道而不与无线电通信网络交流或使其增加任何负担。
本领域技术人员将理解，图1和2所示的设备可以包括各种普通使用的通信元件。例如，图2的设备可以包括一个或几个数字信号处理器(DSP)芯片和/或特定用途集成电路(ASIC)。总之，应当理解图1和2的设备可以使用运行在通用或特定用途的数据处理器上的特定目的的硬件、软件或固件和它们的组合实现。
现在参照图3，参照流程图描述本发明定位计算的设备和方法的工作。在方框40，由设备10在无线电通信网络上接收来自无线电通信网络的广播定位数据。在方框42，解调无线电通信。对于编码控制信道，也在方框42解码该通信。如同在方框44所示，根据解调和解码的无线电通信获得定位数据。然后在方框46根据所接收定位数据捕获定位卫星14。尽管在图3中未作为单独方框描述，当该设备在广播定位数据的无线电通信网络覆盖区之外时，可以使用已知的非热启动初始化过程而不用定位数据来捕获定位卫星。在方框48，从所捕获定位卫星接收定位消息。如果在方框50确定需要从另外定位卫星读取以获得所需要的定位计算信息，重复在方框46和48的操作直到从足够数量的定位卫星接收到定位消息。最后，在方框52，该定位消息用于计算定位计算设备10的位置。
现在参照图4，以进一步详细描述本发明特定实施例来描述有关捕获GPS卫星的方框46的操作。在方框70，选择由所接收定位数据表示可观察的特定定位卫星用于捕获。在方框72，根据从定位数据所获得的近似时间和位置信息选择捕获的优选的时间窗口。使用从无线电通信网络所接收的近似时间和位置信息，在方框74选择用在搜索所选择可观察卫星中的优选多普勒频率范围。在方框76然后捕获所选择定位卫星传递的信号。应当理解，尽管本发明提供有关全球定位系统中卫星捕获的新的初始化设备和方法，对于本领域技术人员来说如何利用所提供初始化信息完成实际卫星捕获是已知的。最后，如同在方框78所示，捕获操作可以重复以捕获并且建立与多个另外定位卫星14的通信信道(见图3的方框50)。
应当理解，流程图的每个方框和流程图的这些方框的组合可以通过计算机程序指令实现。可以将这些程序指令提供给处理器产生一个设备，以便在处理器上执行的指令产生实现流程图或方框图中指定功能的装置。计算机程序指令可以由处理器执行，使处理器执行一系列操作步骤，产生计算机执行过程，以便在处理器上执行的指令提供实现流程图或方框图中指定的功能的步骤。
因此，流程图的方框支持实现指定功能装置的组合、执行指定功能步骤的组合和执行指定功能的程序指令装置。也应当理解，流程图的每个方框和流程图的方框的组合可以通过执行指定功能或步骤的特殊用途硬件系统实现，或由特殊用途硬件和计算机指令的组合实现。
在附图和说明书中，公开了典型的本发明实施例，尽管使用了特定术语，它们仅仅用作一般和说明性用途而非为限制本发明范围，该范围由下列权利要求书阐述。
权利要求
1．一种移动定位计算设备，用于无线电通信网络的服务区内，包括第一接收机，用于接收在无线电通信网络上的无线电通信广播；第二接收机，用于接收由定位卫星广播的定位消息；定位计算电路，耦合到第二接收机；和装置，耦合到所述第一接收机，用于根据无线电通信广播获得定位数据并且将定位数据提供给定位计算电路以用在定位卫星捕获中。
2．按照权利要求1的一种定位计算设备，其中定位卫星是全球定位系统卫星。
3．按照权利要求1的一种定位计算设备，其中无线电通信网络是蜂窝通信网络。
4．按照权利要求3的一种定位计算设备，其中在广播控制信道的无线电通信网络上广播无线电通信。
5．按照权利要求3的一种定位计算设备，其中根据包括定位卫星星历数据、发射无线电通信基站位置、时钟校准信息和广播控制信道帧结构时标的组合选择定位数据。
6．按照权利要求3的一种定位计算设备，其中耦合到第一接收机的装置进一步包括用于解调和解码无线电通信的装置；用于根据解调和解码的无线电通信获得定位数据的装置；和用于向定位计算电路提供根据解调和解码的无线电通信所获得定位数据的装置。
7．按照权利要求3的一种定位计算设备，其中定位计算电路包括根据定位数据热启动定位卫星捕获的装置。
8．按照权利要求7的一种定位计算设备，其中定位计算电路进一步包括用于限制时间窗口的装置，在该时间窗口期间其根据定位数据搜索定位卫星广播的定位消息。
9．按照权利要求7的一种定位计算设备，其中定位计算电路进一步包括用于限制多普乐频率范围的装置，在该频率范围上其根据定位数据搜索定位卫星广播的定位消息。
10．按照权利要求7的一种定位计算设备，其中定位计算电路进一步包括用于根据定位数据选择多个定位卫星的子集作为定位卫星的装置。
11．一种在广播定位数据的无线电通信网络覆盖区内捕获定位卫星的方法，该方法包括步骤在无线电通信网络中接收定位数据；和根据所接收定位数据捕获定位卫星。
12．按照权利要求11的一种方法，其中接收定位数据的步骤包括在无线电通信网络上接收包含定位数据的无线电通信；解调该无线电通信；解码该无线电通信；和根据解调和解码的无线电通信获得定位数据。
13．按照权利要求11的一种方法，其中定位卫星是全球定位系统卫星。
14．按照权利要求13的一种方法，其中无线电通信网络是蜂窝通信网络。
15．按照权利要求14的一种方法，其中在无线电通信网络的广播控制信道上广播无线电通信。
16．按照权利要求13的一种方法，其中根据包括定位卫星星历数据、发射无线电通信基站位置、时钟校准信息和广播控制信道帧结构时标的组合选择定位数据。
17．按照权利要求13的一种方法，其中捕获定位卫星的步骤包括根据定位数据热启动捕获定位卫星的步骤。
18．按照权利要求13的一种方法，其中捕获定位卫星的步骤包括限制时间窗口的步骤，在该时间窗口期间其根据定位数据搜索定位卫星广播的定位消息。
19．按照权利要求13的一种方法，其中捕获定位卫星的步骤包括限制多普乐频率范围的步骤，在该频率范围上其根据定位数据搜索定位卫星广播的定位消息。
20．按照权利要求13的一种方法，其中捕获定位卫星的步骤包括根据定位数据选择多个定位卫星的子集作为定位卫星的步骤。
21．按照权利要求11的一种方法，进一步包括当在广播定位数据的无线电通信网络覆盖区之外时，不用定位数据捕获定位卫星的所述接收步骤之后的步骤。
22．按照权利要求11的方法，进一步包括根据所捕获定位卫星接收定位消息的所述捕获步骤之后的步骤。
全文摘要
本发明提供用于具有高精度、低捕获时间和低功耗的定位计算的设备和方法。定位计算设备包括一个无线电通信接收机,该接收机监视一个无线电通信网络,例如覆盖地理区域的一个蜂窝网络,该定位计算设备位于该区域中。该设备解调来自无线电通信网络的信号并且在计算位置之前使用卫星捕获操作从网络广播信道获得定位数据。该设备进一步包括一个接收机用于接收由GPS卫星星座广播的定位消息。在该设备中的定位计算电路利用在对一个或几个定位卫星的初始捕获的无线电通信网络中所获得的定位数据。一旦捕获所需要数量的定位卫星,从所捕获的定位卫星接收定位消息并用于定位计算设备的位置计算。
文档编号G01S5/00GK1312913SQ99809459
公开日2001年9月12日 申请日期1999年5月25日 优先权日1998年6月16日
发明者R·拉梅斯 申请人:艾利森公司