专利名称：在辅助gnss环境中对伪距离星期时间进行因数分解的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于根据以下内容计算移动设备的位置的方法●多个可见卫星的扩频码的已知相位，●对应于这些代码相位的测量值的已知精度的时间基准或近似时间基准，以及●重新设定离开时间基准的伪距离、要定位的移动设备的近似位置以及代码相位。
背景技术：
在移动电话技术领域中，人们越来越认识到需要能够定位移动电话设备。
为此，在本技术领域内已知，在这种类型的移动设备中进行组合，这种移动设备通常包括GSM(全球移动通信系统)移动电话类型的蜂窝无线电话接收机、GNSS(全球卫星导航系统)接收机(诸如，GPS(全球定位系统)、GLONASS或GALILEO接收机)，利用这些接收机，移动设备从卫星采集传输信号(transmission)，以确定其位置。这样，例如，如果发生交通事故，或者对于其它定位要求，移动设备可以计算并发送其位置。
可以用下面的方式，确定上述类型的接收机的位置多个卫星连续发送载有“星期时间(time of week，TOW)”并寻址到接收机的信号。当该接收机与卫星的时钟同步时，该接收机可以测量信号的传播时间，并由此推断它与特定卫星之间的距离。通过利用三个卫星进行三角测量，这种类型的接收机可以确定其位置。所测量的每个传播时间表示以特定卫星为中心的球的半径，该接收机位于该球面上。利用两个距离测量值，接收机的位置位于两个球面的交叉形成的圆上。同时测量的第三测量值使该交叉缩小到两个地点，其中一个地点位于大距离(great distance)上，而且容易排除。
然而，由于接收机的时钟不完全地与GPS同步，所以偏移ΔT影响该时钟。GPS卫星的原子时钟非常精确，但是更原始的GPS接收机的精度非常低。该时钟偏移ΔT是接收机的时钟与卫星的时钟的时间差，而且可能多达几秒钟。它反映在GPS信号传播时间的测量值中的误差，并因此反映卫星接收机距离误差c.ΔT，其中c是光速。该误差影响接收机测量的所有距离。因为在存在时间偏移时，该距离不理想，所以将它们称为伪距离。然后，必须确定事先未知的时间偏移。
因此，在3维中存在第四个未知数(因为有3个卫星)，而且至少需要测量一个附加距离。并且因此，为了求解4个未知数的4个等式的方程组，至少使用4个卫星。
每个卫星发送的信号被调相为伪随机信号；GPS接收机必须获取该信号。卫星和接收机二者在利用GPS系统的通用时钟设置的同一个时间发送伪随机信号(接收机产生该信号的复制品)。然后，接收机使该传输信号的开始时间延迟，直到其信号与来自卫星的信号重叠。通过使这两个信号相关，确定该延迟。该延迟的值是信号从卫星传播到用户花费的时间。因为信号传播该距离花费的时间在1/20秒数量级，所以这种测量值类型要求极高的精度(优于100纳秒)。然而，由于为了使这两个信号之间的相关性最高，GPS接收机的时钟始终与卫星的时钟不完全同步，所以接收机必须始终利用逐步近似法调节其时钟。因此，信号的获取要求接收机必须扫描非常长的时间。
对于辅助的GPS(辅助的全球定位系统)，位置计算处理使用移动接收机，可以接收并处理GNSS信号，而且可以与蜂窝式网络通信；并且，辅助数据服务器，用于广播数据，以在移动台中辅助GNSS信号的处理过程。MS辅助(移动台辅助)操作模式使服务器广播数据，从而有助于利用GPS信号测量伪距离，测量值被转发到服务器，该服务器计算该位置。该操作模式的目的是●使辅助数据的数量最少，●降低接收机的工作阈值(根据信噪比)，以及●降低处理GNSS信号所需的计算能力辅助GPS操作模式或辅助GNSS操作模式的基本原理是●避免接收机对包含在来自卫星的信号内的、卫星的天文历数据进行解调，这样可以节省计算第一地点和工作阈值所需的时间，以及●将卫星的预先位置、理想时间以及多普勒效应发送到接收机，再一次使操作过程加速。
然而，在通常被称为辅助MS模式的这种操作模式中，移动台必须将伪距离送到服务器。
因为对于不确定与该小区的大小等效的小区，事先知道移动台的位置，所以可以仅发送一项扩频码相位信息，以使业务量最少。通常，对于GPS SPS(GPS标准定位业务)的情况，扩频码具有1ms的周期，该移动台以数据毫秒的形式将扩频码长度开始的测量位置送到服务器，该数据毫秒通常以GPS系统时间毫秒开始为基准。然后，服务器从系统时间推断传输该信号时卫星的位置，从而使服务器三角测量用户的位置。
图1示出目的在于节省移动接收机的操作的最直接操作模式。假定移动台访问导航系统的系统时间，在该例子中，GPS系统时间(参考文献1)。这一点可以利用各种方法实现
●以精确的本地时钟维持本地时间，●与和GPS同步的外部信源同步。
如果接收机连接到与GPS同步的移动网络，情况就是这样。
对于位置本身，接收机必须测量其自身与每个可见卫星之间的距离。通过乘以传输星期时间(TOW)与接收卫星发出的信号的TOW之间的差值，测量该距离。为此，具有卫星信号在TOW消息中含有TOW信息，该消息具有几秒的周期，在GPS中通常具有6秒的周期。利用这种信号结构，以较短的重复周期中继TOW信息，通过重复扩频码(为了简洁起见，下面将扩频码简称为代码)，该TOW信息将更精确。该信息与包含在导航消息内的TOW信息无关，而且是歧义的，因为它以特定周期重复。在1表示该结构。在GPS的L1情况下，扩频码具有1ms的重复周期。在2表示从第一卫星SV Oberv.#1(可见的卫星的#1)接收的信号。在3表示从第二卫星SV Obersv.#2接收的信号。以及，在4表示从第n卫星SV Obersv.#nsat接收的信号。
在图1所示的辅助情况下，即，在移动台访问外部同步信源(GPS时钟1)的情况下，不需要为了在消息中读取TOW信号的传输TOW，而求解位置。实际上，足以测量每个卫星的代码相位，即，测量从以码片数量(6至8)表示的接收代码周期的开始到根据GPS时标(1)的毫秒过渡之间的时间。
可知道●预先位置，以及●在此进行测量的GPS TOW，可以●在传输信号时，计算卫星的近似位置，以及●推导用户-卫星的近似距离，并因此对传输TOW求解1ms模糊度。
在完成上述过程后，明确知道所测量的卫星-用户距离。
减少了所发送的信息量，因为对于接收时间，只有一个时间基准。
通常，当在与GPS同步的IS95移动电话网络内，移动台访问GPS系统时间时，上述设备尤其具有吸引力。在异步GSM电话网络中，情况就不是这样。在GSM网络中，通过从卫星读取GPS消息的TOW字段，可以获得GPS系统时间，但是这样做有许多缺点●它强迫移动接收机对GPS消息进行解调，这样对计算该地点的时间产生影响，以及●与仅检测代码的开始相比，解调数据要求接收信号具有更高的功率。
另一种方法是在移动台内利用本地时钟保持GPS时间，但是这样做的先决条件具有首先访问该信息以复位本地时钟。此外，接收机的本地时钟的质量有限，几十ms的误差可以影响TOW，这样导致在服务器计算卫星的位置时产生误差，并因此而导致用户位置的答案产生误差。
为此，本发明建议了一种用于使与GPS同步的复杂性最小的方法。
本发明的第一实施例建议相对于以特定GPS信号接收的TOW，而非相对于GPS系统TOW，标记代码相位测量值。这样做的优点在于，可以使要解调的TOW的数量最少。为此，足以仅根据一个所接收的信号识别代码跃变，换句话说，足以仅解调一个接收信号。其优点是●使移动台的计算负荷最小，以及●从卫星进行接收要求的功率电平比解调所有TOW要求的功率电平低得多。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于计算移动设备的位置(或地点)的方法，该方法采用辅助数据服务器，该辅助数据服务器用于提供求解该移动设备的地点的帮助，并且该移动设备包括用于通过蜂窝式移动电话网络与服务器通信的装置和用于采用扩频接入技术从卫星定位系统接收定位信号的装置，该方法包括以下步骤●在接收定位信号之后，该设备将所获取的对应于各卫星的一组扩频代码相位发送到服务器，代码相位具有一个与代码相位之一的传输时间对应的星期时间(time of week)的指示，●该服务器从该信息推导与代码相位和伪距离对应的传输时间，以及●该服务器求解该地点。
本发明还提供了一种用于计算移动设备的位置(或地点)的方法，该方法采用辅助数据服务器，该辅助数据服务器有助于求解该移动设备的地点，并且该移动设备包括用于通过蜂窝式移动电话网与服务器通信的装置和用于采用扩频接入技术从卫星定位系统接收定位信号的装置，该方法包括下面的步骤●该移动设备将对应于所获取的卫星的一组代码相位发送到该服务器，相对于本地时钟保持的毫秒时间段的开始，测量代码相位，该代码相位具有相对于传输时间的星期时间，●服务器从该代码相位和有关传输时间求解该伪距离，以及●该服务器计算该移动设备的位置。
本发明还提供了一种用于计算移动设备的位置(或地点)的方法，该设备包括用于使用扩频接入技术接收卫星定位系统发出的定位信号的装置，在该方法中，为了避免读取定位信号的传输TOW Te，利用非线性技术使下面的函数最小，其中Xu，Yu，Zu表示该移动设备的位置，ΔT表示伪距离测量值中的时钟误差，Te表示定位信号的传输TOWf(Xu,Yu,Zu,ΔT,Te)=Σksat=1Nsat((Xs(Te,ksat)-Xu)2+(Ys(Te,ksat)-Yu)2+(Zs(Te,ksat)-Zu)2-ρksat-ΔT)2]]>
在本发明的一个实施例中，使函数f最小的步骤是对称地基于接收定位信号的TOW Tr，而非基于传输TOW Te。
在本发明的一个实施例中，利用该移动设备的计算装置执行使函数f最小的步骤。
在本发明的一个实施例中，该方法使用辅助数据服务器，该辅助数据服务器有助于求解该移动设备的地点，而且该移动设备包括用于通过蜂窝移动电话网络与服务器通信的装置，该服务器的计算装置执行该方法的最小化步骤。
通过参考本发明的优选实施例的附图，阅读下面的说明，本发明以及由本发明获得的优点将更加显而易见，仅利用非限定性例子提供本发明的优选实施例。
图1涉及代码相位的标准TOW，上文已经对图1进行了描述；图2涉及对从移动台发送到服务器的信息进行编码的一种方式；图3和4涉及具有所有卫星发出的相同传输的TOW字段的测量值。
具体实施例方式
图2示出本发明方法的第一实施例。在9获取来自第一卫星的第一信号。解调TOW，以获得第一信号12的代码相位的星期时间，从第一信号12推导时间基准。然后，相对于该时间基准(13，14)测量其它接收信号的代码相位。
该方法使用下面的单元●至少一个无线导航卫星，●至少一个移动设备，●至少一个辅助服务器，用于改进移动设备获取卫星数据，并且，该处理过程包括以下步骤●移动设备接收卫星数据，
●移动设备估计GPS信号的代码相位(或者通过扩展GNSS信号)，●相对于卫星之一，通常相对于最强的可视卫星，从传输时间，确定代码相位的TOW，●将所述代码相位和TOW传输到服务器，以及●服务器估计与每个代码相位有关的伪距离。
所述估计方法的特征还在于，从网络上的信息获得的移动台的已知位置(例如，基本小区的位置)，服务器推断与以辅助消息方式发送的TOW相关的代码相位传输TOW。
在更具体的项目中，在图2所示的例子中，TOW主元是卫星1。因此，发送到服务器的消息包括
服务器知道卫星的天文历，并且执行以下计算步骤●在与来自移动台的消息有关的TOW，它计算卫星的位置，●在TOW，它计算卫星ksat与移动台的先前位置(从关于小区的信息获得的近似位置)之间的距离drow(ksat，MS)，●它估计传输时间tTOW(ksat，MS)＝dTOW(ksat，MS)/c，其中c是光速，●它进行各种校正t~TOW(ksat,MS)=tTOW(ksat,MS)-Δbksat-ΔIksat,]]>其中ΔbKsat是卫星ksat的时钟校正，而ΔI是电离层和对流层校正之和，●它估计在该表中寻址的每个代码相位的传输时间TSend(k_sat)=TOW-E[t~TOW(ksat,MS)-t~TOW(1,MS)],]]>其中E[.]表示积分部分，
●如果Frac[t~TOW(ksat,MS)-t~TOW(1,MS)]-[code_phase(ksat)-code_phase(1)]Rc>100Rc,]]>它求模糊度，其中Rc是码片速率(对于GPS是1.023M码片/s)，在这种情况下，Tsend(k_sat)＝Tsend(k_sat)-1ms，●它估计伪距离ρ(k_sat)=[code_phase(ksat)Rc+E[t~TOW(ksat,MS)-t~TOW(1,MS)]*10-3]*c]]>●通过解下面的方程，它得到移动台的位置的标准答案‖Pos_sat(ksat，TSend(ksat)-Pos_MS‖＝ρ(k_sat)+cΔClock，其中ΔClock是未知的时钟。
由于有了本发明，在异步GSM网络中，通过在移动台到服务器的方向仅发送一个时间基准(多个毫秒)和一组代码相位，MS辅助模式下的辅助数据服务器可以求解移动台的位置，而不产生误差。
该设备有利地利用服务器知道卫星的天文历和移动台的近似位置的事实，因此移动台不需要随时知道该信息。
通过将相对于根据本地时钟保持的毫秒时间段(slice)的开始的代码相位的测量值发送到服务器，还可以以少许不同的方式实现本发明。TOW字段指定每个代码周期开始的传输时间，在该代码周期，进行测量，如图3所示。将接收机的本地时钟15用作时间基准。(17至19)示出了每个可见卫星(SV)的代码周期。GPS接收机测量每个卫星分别同步发送的代码周期的代码相位。因此，接收机发送到移动台的测量值分别相当于传输TOW(例如，位于图3中的20的142ms)和每个周期的开始与本地时钟毫秒跃变之间所经过的时间，分别对于卫星1参考16，对于卫星2参考21，并且对于卫星N参考22。
因此，可以容易地求解该地点，因为所有代码周期的开始均与同一个传输时间对应，但是难以同时接收它们。为了推导伪距离，利用与先前的计算过程类似的计算过程，服务器估计要附加到每个代码相位的差值(表示为数个微秒)。
下面提出第二实施例，该实施例的目的在于，减少对解调信号传输时间信息的要求，并因此而限制接收机执行的处理。图4示出这种操作模式。接收机23使用时钟信息，但是该时钟信息不必与GPS同步。分别相对于卫星1至N的同步信息28至30的毫秒时间段，接收机分别测量各可见卫星的代码相位。从这些测量值，推导下面的信息
然后，以与第一实施例中相同的方式，计算伪距离。
在本技术领域内已知，通过求解下面的方程组，求解用户位置d(User，Satellite1(TE))＝ρ1+cΔTd(User，Satellite2(TE))＝ρ2+cΔTd(User，SatelliteNsat(TE))＝ρNsat+cΔT其中，d(x，y)是x与y之间的距离，ρk是可见卫星k与用户之间的伪距离，ΔT是伪距离测量时钟误差。
因此，通过读取卫星信号，可以完全得知传输TOW Te。因此，线性化该方程组，以产生下面的方程Xs(Te,1)-Xud(Te,1)Ys(Te,1)-Yud(Te,1)Zs(Te,1)-Zud(Te,1)1Xs(Te,N_sat)-Xud(Te,N_sat)Ys(Te,N_sat)-Yud(Te,N_sat)Zs(Te,N_sat)-Zud(Te,N_sat)1δXuδYuδZuΔT=ρ1-d(Te,1)···ρNsat-d(Te,Nsat)]]>in whichd(Te,ksat)=(Xs(Te)-Xu)2+(Ys(Te)-Yu)2+(Zs(Te)-Zu)2.]]>在该例子中，移动台不读取卫星信号中的传输TOW。因此，传输TOW变成未知数。
因此，本发明还提出了一种用于求解作为另一个未知数的传输TOW的方法。因此，该问题包括5个未知数(Xu，Yu，Zu，ΔT，Te)。为了求解该问题，提出以使下面的函数最小f(Xu,Yu,Zu,ΔT,Te)=Σksat=1Nsat((Xs(Te,ksat)-Xu)2+(Ys(Te,ksat)-Yu)2+(Zs(Te,ksat)-Zu)2-ρksat-ΔT)2]]>所使用的最小化技术是现有技术中的牛顿(Newton)或其它类型的非线性技术。
在另一个实施例中，使所述函数f最小的步骤是平衡地基于接收各定位信号的TOW Tr，而非基于传输TOW Te。
可以由移动台的计算装置或由服务器的计算装置使用这种技术。
通过使该问题线性化，该方法的另一个实施例使函数f(.)最小。然后，需要求解下面的线性方程的方程组。
对于给定的传输TOW Te，····Xs(Te,ksat)-XudksatYs(Te,ksat)-YudksatZs(Te,ksat)-Zudksat1····δXuδYuδZuδΔT=·ρksat-dksat·]]>20可以将其写成下面的形式A.δX＝B，其中
····Xs(Te,ksat)-XudksatYs(Te,ksat)-YudksatZs(Te,ksat)-Zudksat1····,]]>4列、ksat行的矩阵B=·ρksat-dksat·,]]>1列、ksat行的矢量δX=δXuδYuδZuδΔ5T,]]>1列、ksat行的矢量。
δX=(AAt)-1ABt]]>给出上述方程组的解，其中tA表示A的转置矩阵。
因此，下面是求解算法-ifδXu2+δYu2+δZu2≥α]]>-δX=(AAt)-1ABt]]>XuYuZuΔT=XuYuZuΔT+δXuδYuδZuδΔT]]>A-endif在上面的算法结束时，需要计算与估计余数对应的矩阵g(Te)＝‖A(Te)δX-B‖2TOW Te被近似为并且作为未知数做近似处理，该问题的解相当于以使判据g(Te)最小的Te为前提获得的解。整个问题，即，5个未知数(XuYu，Zu，ΔT，Te)的问题的解就是使函数g(Te)最小。求解该问题的一种方式是离散化该矩阵的计算过程，即，对Te的下面的值，计算判据g(.)
Tk＝Te0+kδTe，其中k是0至N之间的整数；δTe，量化步骤；Te0，Te值的下限。
因此，用户位置是对于0至N之间的k，g(Tk)是最小的位置。
还请注意，本发明的描述已经强调了本发明方法的各步骤。但是，显然，该方法中使用的各单元包括用于实现本发明所需的装置，而且除了在此引用的计算装置，移动台和服务器还分别包括在移动台与服务器之间交换信号的通信装置以及定位信号的接收装置。此外，移动台包括用于发送代码相位的装置，而服务器包括用于接收所述代码相位的装置。
特别是，尽管根据GPS类型的系统，对本发明进行了说明，但是该系统可以是GNSS类型的另一种系统(例如，GLONASS或GALILEO类型的系统)。
权利要求
1.一种用于计算移动设备的位置或地点的方法，所述方法采用辅助数据服务器，该辅助数据服务器用于提供求解所述移动设备的地点的帮助，并且所述移动设备包括用于通过蜂窝式移动电话网络与服务器通信的装置和用于采用扩频接入技术从卫星定位系统接收定位信号的装置，所述方法包括以下步骤在接收所述定位信号之后，该设备将对应于各卫星的所获取的一组扩频代码相位发送到所述服务器，所述代码相位具有一个与代码相位之一的传输时间对应的星期时间(TOW)的指示，所述服务器从所述信息推导与所述代码相位和所述伪距离对应的传输时间，以及所述服务器求解所述地点。
2.一种用于计算移动设备的位置或地点的方法，所述方法采用辅助数据服务器，该辅助数据服务器用于提供求解所述移动设备的地点的帮助，并且所述移动设备包括用于通过蜂窝式移动电话网与服务器通信的装置和用于采用扩频接入技术从卫星定位系统接收定位信号的装置，所述方法包括下面的步骤所述移动设备将对应于各卫星的所获取的一组代码相位发送到所述服务器，相对于本地时钟保持的毫秒时间段的开始，测量所述代码相位，所述代码相位具有与传输时间相关的星期时间的指示，所述服务器从所述代码相位和有关传输时间求解所述伪距离，以及所述服务器计算所述移动设备的位置。
3.一种用于计算移动设备的位置或地点的方法，所述设备包括用于采用扩频接入技术接收来自卫星定位系统的定位信号的装置，在该方法中，为了避免读取所述定位信号的传输TOW Te，利用非线性技术使以下函数最小，其中Xu，Yu，Zu表示该移动设备的位置，ΔT表示伪距离测量值的时钟误差，并且Te表示定位信号的传输TOWf(Xu,Yu,Zu,ΔT,Te)=Σksat=1Nsat(Xs(Te,ksat)-Xu)2+(Ys(Te,ksat)-Yu)2+(Zs(Te,ksat)-Zu)2-ρksat-ΔT2.]]>
4.根据权利要求3所述的方法，其中使得所述函数f最小的所述步骤是对称地基于所述接收所述定位信号的TOW Tr，而非基于所述传输TOW Te。
5.根据权利要求3所述的方法，其中利用所述移动设备的计算装置执行使所述函数f最小的所述步骤。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法采用辅助数据服务器，该辅助数据服务器有助于求解该移动设备的地点，并且所述移动设备包括用于通过蜂窝式移动电话网络与服务器通信的装置，所述服务器的计算装置执行所述方法的所述最小化步骤。
7.一种用于计算移动设备的位置或地点的方法，所述设备包括用于采用扩频接入技术从卫星定位系统接收定位信号的装置，在该方法中，为了避免读取定位信号中的传输TOW Te，对于传输TOW Te的多个假设，以及最终仅保持对于使用户位置估计余数最小的传输TOW Te的多个假设获得的位置，求解用户的位置。
全文摘要
本发明公开了一种用于计算移动设备的位置的方法，在该方法中，辅助数据服务器提供求解移动设备的地点的帮助，并且该移动设备通过蜂窝式网络与服务器通信，并且利用扩频接入技术从卫星定位系统接收定位信号。该方法包括以下步骤在接收定位信号之后，该设备将对应于各卫星的所获取的一组扩频代码相位发送到服务器，代码相位具有一个与代码相位之一的传输时间对应的星期时间(time of week)的指示；该服务器从该信息推导与代码相位和伪距离对应的传输时间；以及，服务器求解该地点。
文档编号G01S5/00GK1648681SQ200510002999
公开日2005年8月3日 申请日期2005年1月27日 优先权日2004年1月28日
发明者米歇尔·莫内拉 申请人:阿尔卡特公司