专利名称：确定无线cdma收发机的位置的系统和方法
技术领域：
本发明涉及通信系统。具体地说，本发明涉及用于确定在码分多址系统中的无线发送机的位置的系统和技术。
相关技术的描述由于管理部门(regulatory force)和通信公司希望通过与那些竞争者提供的业务区分开来增加收入，无线网络中的定位技术正在蓬勃发展。此外，在1996年的6月，联邦通信委员会(FCC)下令支持增强的紧急通信(enhancedemergency)911(E-911)业务。该法令(order)的阶段Ⅰ要求将扇区和小区信息设回到PSAP(公共安全应答点)代理。法令的阶段Ⅱ要求将蜂窝状收发机的位置送回到PSAP。为了符合FCC命令，在2005年之前总共77,000的区站要设有自动定位技术。
许多技术都被认为是具有自动定位能力的。已知的一种技术包括测量信号从多个区站到达的时间差。对这些信号作三角测量(triangulate)来提取位置信息。不幸的是，这一技术要求区站高度集中，和/或区站的发送功率(transmission power)增加是有效的。这是因为在典型的CDMA系统中，每个电话仅仅用信号只能到达最近区站的功率发送的这一事实。作三角测量要求至少与三个小区进行通信的情况下，必须增加区站的集中度或者必须增加每个无线单元的信号功率。
在任何情况下，每种方案都具有明显的缺点。区站的数量增加的成本很高。信号功率的增加导致每个无线单元的重量和成本上升，而且增加了在无线用户之间相互干扰的可能性。此外，三角测量方案不能提供FCC命令要求的精确度。
已知的另一种方法包括把GPS(全球定位系统)功能加到蜂窝状电话。虽然，这种方法使无线单元的成本和重量明显上升、要求视线达到四个卫星(line-of-sight to four satellites)，而且有些慢，但是它是支持定位业务的最精确方法。
为了加快该处理过程，第三种方法把帮助信息发送到无线单元，它指示无线单元应在GPS载波的频域中的何处搜索。大多数GPS接收器都运用被称为GPS卫星历书(almanac)的东西来使接收机在对于来自可视卫星的信号的频域中进行搜索的次数最少。该历书是整个星座图的粗星历表(coarse ephemeris)和时间模型数据的15,000位块。历书中关于卫星位置和当日时间的信息只是近似的。没有历书，CPS接收机必须进行在最宽的范围内进行可能频率搜索来捕获卫星信息。需要进行附加处理来得到附加信息，这有助于捕获其他卫星。
由于需要搜索大量的频率段(frequency bin)，导致信号捕获过程可能占用几分钟。每个频率段具有中心频率和预定宽度。历书的可获得性减少了卫星多普勒中的不确定性，因而减少必须搜索的频段的数量。
可从GPS导航消息中提取或者在下行(前行)链路上发送卫星历书作为到接收机的数据或信令消息。当接收到该信息时，接收机执行GPS信号处理来确定它的位置。虽然这种方法有点儿快，但是它需要视线达到至少4个卫星。这在城市环境中是成问题的。
因此，现有技术中仍然需要一种快速、精确和廉价的系统和技术来定位蜂窝状单元。
发明概述本发明的用于确定无线收发机的位置的系统和方法满足了现有技术中的这种需求。一般而言，本发明的方法是一种运用来自地面系统的测距信息和来自GPS卫星的测距信息确定位置的一种混合方法。组合该信息以允许快速和可靠地确定无线单元的位置。本发明的方法包括无线单元接收从第一GPS卫星发送的第一信号和从第二GPS卫星发送的第二信号以及从第三卫星发送的第三信号。无线单元适于接收这种GSP信号并响应于此将第四信号发送到基站。基站接收第四信号、利用在基站和无线单元之间的往返行程延迟校正强加在第四信号上的时钟偏置，并用无偏置的第四信号计算无线单元的位置。
在特定实施过程中，基站把辅助信息发送到无线单元。无线单元用辅助信息快速捕获由第一、第二和第三卫星发送的信号。从向无线单元提供业务的基站收发机子系统(BTS)收集到的信息推导出辅助信息，并包括卫星识别信息、多普勒移位信息和表示在基站和每个卫星之间的距离的值以及与每个卫星相关的搜索窗口大小，其中根据在无线单元和基站之间的往返行程延迟以及每个卫星的仰角计算上述搜索窗口大小。
无线单元一捕获到由第一、第二和第三卫星发送的信号，无线单元就计算在无线单元分别与每个卫星pm1、pm2和pm3之间的范围(range)。比该测距信息以及关于测量时间的信息一并送回到基站。在CDMA实施过程中，基站已知无线单元把第四信号发送到基站的时间。接收第四信号的延迟向基站指示在无线单元和基站之间的距离。此外，该延迟提供校正无线单元绝对时间的手段。
在移动装置外部的装置(诸如，基站控制器或与蜂窝状基础结构相关的一些其他实体)利用提供业务的基站已知的信息(诸如，它的位置、关于无线单元的第一、第二和第三卫星的位置和在无线单元和基站之间的距离)计算无线单元的位置。这可以通过找到围绕第一卫星的半径为cp1的第一球、围绕第二卫星的半径为cp2的第二球和围绕第三卫星的半径为cp3第三球以及围绕基站的半径为cp6第四球的交叉点来做到，其中c是光速，p1是与第一卫星和无线单元相关的伪距、p2是第二卫星和无线单元相关的伪距和p3是第三卫星和无线单元相关的伪距。
注意，如果视线(不是多路径)存在于无线单元和基站之间，那么所提出的方法要求仅从两个卫星和一个基站测量。可用来自另一个基站的附加信息(如果可获得的话)进一步减小卫星数量。此外，在只需两维位置的情况下，只需两个卫星和一个基站。
本方法比其他已知的GSP方法的一个关键优点是无线单元可确定伪距的速度。由于提供业务的基站有它自己的GPS接收机，而且还已知相对于提供业务的基站位置被跟踪的所有卫星的伪距，所以可以确定对于被跟踪的每个卫星的搜索窗口中心和搜索窗口尺寸。把该信息发送到无线单元以增加搜索过程的速度。
即，每个GPS卫星携带的时钟控制卫星广播测距信号的定时。每个这样的时钟都与GPS系统时间同步。基站也包含与GPS系统时间同步的时钟。无线单元利用与在基站和无线单元之间的单程延迟相对应的延迟，将它的时钟与GPS时间同步。在卫星测距信号中体现定时信息，它使得无线单元能够计算何时从特定卫星发送信号。通过记录接收信号的时间，可以计算从卫星到无线单元的距离(范围)。结果，无线单元的位置地点是以卫星位置为中心的球面，其半径等于算出的范围。如果运用两个其他卫星的测距，同时进行测量，那么无线单元将在三个球的表面上的某处。三个球在两点交叉，然而，只有一点是正确的无线用户位置。候选位置是相对于包含三个卫星的平面的相互镜象。
在最佳模式下，本发明的基站识别三个最佳GPS卫星用来确定无线单元在给定时刻的位置。把该信息发送到无线单元以促进无线单元执行的搜索操作。
在一个实施例中，无线单元可具有几种操作模式(1)运用来自无线系统基础结构和GPS卫星的信息的混合模式；(2)单机(stand-alone)(标准或传统)GPS模式；(3)辅助单机GPS模式；(4)逆微分(inverted differential)GPS模式；和(5)辅助和逆微分GPS模式。
图1是示出无线(CDMA)通信系统的基站和无线单元的示例实施的示图。
图2是示例CDMA蜂窝状电话系统的方框图。
图3是根据本发明的说明构成的基站的简化表示。
图4是确定本发明的无线CDMA收发机的位置的系统的无线单元的方框图。
图5是本发明的无线单元的接收机、控制信号接口、数字IF和无线解调器电路部分的示例实施的方框图。
图6是确定无线单元的位置的功能模型的示图。
图7示出在时域中搜索窗口尺寸和中心的计算。
图8是示出本地时钟偏置校正的示图。
本发明的详细描述参照附图，描述示例实施例。
虽然参照特殊应用的示例实施例描述本发明，但是应理解本发明并不局限于此。熟悉本技术领域并阅读这里所提供的内容的人员将认识到附加修改、应用和落在本发明的范围内的实施例以及其中本发明是特别有用的附加领域。
图1是示出无线(CDMA)通信系统的基站10和无线单元20的示例实施的示图。通信系统由建筑物40和地面上的阻挡物50包围着。基站10和无线单元20被设置在GPS(全球定位系统)环境中，它具有几个GPS卫星，附图中示出其中的四个，60、70、80和90。已知这种GPS环境。例如，参见Hofmann-Wellenhof,B.等人所著的GPS原理和实践(第二版，纽约，NYSpringer-Verlag Wien,1993)。熟悉本技术领域的人员应理解可将本技术用于其他通信系统，诸如，高级移动电话系统(AMPS)，用于移动通信的全球系统(GSM)，等等，而不偏离本发明的范围。
在典型的GPS应用中，至少需要4个卫星以便于GPS接收机确定它的位置。相反，本发明提供一种只用三个GPS卫星、从无线单元到提供业务的基站10的往返行程延迟和提供业务的基站10的已知位置来确定无线单元20的位置的方法和装置。在直接视线的情况下，只要两个GPS卫星、往返行程延迟和提供业务的基站10的已知位置来定位无线单元20。
图2是CDMA蜂窝电话系统30的方框图。该系统30包括具有基站控制(BSC)14的移动交换中心(MSC)12。公共电话交换网(PSTN)16把呼叫从电话线或其他网络(未图示)的呼叫路由至/自MSC12。MSC12把来自PSTN16的呼叫选路由至/自与第一小区19相关的源基站10和与第二小区21相关的目标基站11。此外，MSC12在基站10,11之间选路由呼叫。源基站10通过第一通信路径28，把呼叫直接送到在第一小区19内的第一无线单元20。通信路径28是双向链路，包括前向链路31和反向链路32。一般，当基站10已建立与无线单元20的语音通信时，链路28包括话务信道。虽然每个基站10,11只与一个小区相关，但是基站控制器通常管理在几个小区中的基站或者与它们有关。
当无线单元20从第一小区19移到第二小区21时，无线单元20开始与第二小区相关的基站进行通信。这通常被称为“切换”到目标基站11。在“软”切换过程中，无线单元20除了建立与源基站10的第一通信链路28，还建立与目标基站11的第二通信链路34。在无线单元20穿越进入第二小区21并建立与第二小区的链路时，无线单元可能丢失第一通信链路28。
在硬切换过程中，源和目标基站的操作一般足以不同，从而必须在建立到目标基站的链路之前丢失在源基站之间的通信链路34。例如，当源基站是在运用第一频带的CDMA系统内而且目标基站是在运用第二频带的第二CDMA系统中时，无线单元不能保持同时到两个基站的链路，因为大多数无线单元不具备同时调谐到两个不同频带能力。当第一无线单元20从第一小区19移到第二小区21时，丢失到源基站10的链路28，而且形成与目标基站11的新链路。
图3是根据本发明的说明构成的基站10的简化表示。根据如图3所示的实施例，基站10基本是现有技术。在另一个实施例中，基站10包括允许基站确定无线单元20的位置的附加功能，这从下面提供的说明中将显而移见。传统基站10包括用来接收CDMA信号的接收CDMA天线42和用于发送CDMA信号的发送CDMA天线。把由天线42接收到的信号选路由到接收机44。实践中，接收机44包括解调器、去交错器、解码器和其他电路，这对于熟悉本技术领域的人员是可理解的。把接收信号分配到与速率检测器60相关的适当的信道。控制处理器62用检测信号的速率来检测语音。如果在接收帧中检测到语音，那么控制处理器62通过开关63把接收帧切换到声码器64。声码器64解码可变速编码信号并响应于此提供数字化输出信号。数字-模拟转换器65和输出装置(诸如，扬声器(未图示))把数字化解声码(de-vocoded)信号转换成语音。
模拟-数字转换器66数字化来自麦克风或其他输入装置(未图示)的输入语音，并由声码器编码器68对它进行语音编码(vocode)。把声码语音输入到发射机69。实际上，发射机69包括调制器、交错器和编码器，如熟悉本技术领域已知的那样。把发射机69的输出馈送到发射天线43。
传统基站10还设有GPS天线76、接收机74以及定时和频率单元72。定时和频率单元接受来自GPS接收机的GPS引擎的信号，并用它们来产生定时和频率基准以适当操作CDMA系统。因此，在多种这样的CDMA系统，每个区站运用GPS时基基准(time base reference)，由它派生出所有时间限制(timecritical)CDMA发送(包括导频序列、帧和Walsh函数)。这种传统定时和频率单元以及GPS引擎在CDMA系统中是很普遍的，而且在现有技术中是已知的。传统定时和频率单元提供频率脉冲和定时信息。相反，本发明的定时和频率单元72最好还输出仰角、伪距、卫星识别(即，与每个卫星相关的伪噪声(PN)偏移)和与每个卫星相关的多普勒位移，从而帮助无线单元20捕获卫星(即，减小捕获卫星所需的时间量)。一般，在传统定时和频率单元中可用该信息，但是一般既不需要也不必向外部设备提供。最好以关于传统基站中的频率和定时信息所做的相同的方法，将由定时和频率单元72提供的附加信息送到BSC14。
图4是根据本发明的一个实施例的无线单元20的方框图。无线单元20最好包括双向天线92，它适于接收CDMA发送以及GPS信号。在本发明的另一个实施例中，分开天线可用来接收和发送GPS信号、CDMA信号和其他信号，诸如另一种系统信号。天线92最好馈送双工器94。双工器94最好馈送接收机100，而且最好由发射机200来馈送上述双工器。时间频率子系统102提供用于接收机100、控制信号接口300和发射机200的模拟和数字基准信号，如熟悉本技术领域的人员所知。由增益控制电路104提供CDMA功率控制。在本发明的一个实施例中，控制信号接口300是数字信号处理器(DSP)。另一方面，控制信号接口可以是能够执行增益控制功能的另一种电路。控制信号接口300提供用于无线单元20的控制信号。接收机100提供射频(RF)下变频和第一级中频(IF)下变频。数字IF专用集成电路(ASIC)400提供第二级IF到基带下变频、采样和A/D变换。移动解调器ASIC500搜索和相关联来自数字IF ASIC400的数字基带数据以确定伪距，如下面详细所述。
移动解调器500将伪距以及任何语音或数据送到数字IF调制器400。数字IF调制器400对从移动解调器500接收到的数据进行第一级IF上变频。由发射机电路200对这些信号进行第二级IF上变频和RF上变频。然后，把这些信号发送到基站10，并根据本发明的方法处理，如下所述。应注意，最好由无线单元20提供数据脉冲串(data burst)类消息(诸如，由工业标准TIA/EIA/IS-67定义的由电话工业协会公布的短消息业务(SMS))把在无线单元20和BSC14之间传递的位置信息(诸如由无线单元20接收到的伪距)送到基站10。另一方面，无线单元20可将新定义的脉冲串类消息发送到基站10。
图5是本发明的无线单元20的接收机、控制信号接口、数字IF和移动解调器电路部分的示例实施的方框图。无线单元20的发射机部分实际上与传统无线单元的发射机部分相同，因此为了说明简短这里不再描述。在较佳实施例中，分别通过第一和第二路径103和105实施接收机100，它们都通过第一开关106再通过双工器94连接到天线92。熟悉本技术领域的人员应理解，在双向通信装置和GPS接收机之间可能发生更多集成。另一方面，带有适当接口的两个分开的接收机可达到本发明的目的。
第一路径103下变频接收到的CDMA信号，并提供传统的CDMA RF下变频输出信号。第一路径103包括低噪声放大器108、第一带通滤波器112、第一混频器118和第二带通滤波器126。第二路径105下变频来自图1的GPS卫星60、70、80或90的GSP信号。第二路径105包括第二低噪声放大器110，它馈送第第三带通滤波器114。把带通滤波器114的输出输入到第二混频器120。第二混频器的输出馈送到第四带通滤波器128。分别由第一和第二本地振荡器122和124馈送第一和第二混频器。第一和第二本地振荡器122和124在双锁相环(PLL)116的控制下，在不同频率下进行工作。双PLL保证每个本地振荡器122和124保持基准频率能够在第一混频器118的情况下有效地下变频接收到的CDMA信号，或者在第二混频器120的情况下下变频接收GPS信号。把第二和第四带通滤波器126和128的输出耦合到传统设计的第一IF部分130。
把IF解调器130的输出输入到在数字IF ASIC400中的第二开关402。第一和第二开关106和402在控制信号接口300的控制下进行操作以转变接收信号的方向，用来通过传统CDMA方法进行语音或数据输出处理或由第三混频器404、第五带通滤波器406、自动增益控制电路408和模拟-数字换器410进行的GPS处理。第二输入到第三混频器404的是本地振荡器输出。混频器404把所用信号转换成基带。把经滤波的、增益控制的信号馈送到模拟-数字转换器(“A/D”)410。A/D410的输出包括同相(I)分量的第一数字流和正交分量(Q)的第二数字流。把这些数字化信号馈送到数字信号处理器520，它处理GPS信号并输出定位所需的伪距信息。
在本发明的另一个实施例中，把来自两个带通滤波器126,128的输出馈送到基带专用集成电路(ASIC)，它把来自基带滤波器126,128的IF频率信号输出转换成基带，而且输出表示正交和同相基带信号的数字值流。然后，把这些信号用于搜索器。搜索器基本上与传统上用于CDMA调制器中的搜索器相同。然而，所用的搜索器最好是可编程的，从而允许搜索器搜索与从基站发送的CDMA信号相关的PN码或与GPS卫星相关的PN码。搜索器当接收来自基站的CDMA信号时在CDMA信道之间进行区分，并当处于GPS模式下时确定正在发送接收到的GPS信号的GPS卫星。此外，一旦捕获GPS信号时，搜索器基本以传统的方法来指示与PN码相关的时间偏移，从而确定与卫星相关的伪距，其中从上述卫星接收信号，这如熟悉本技术领域的人员所知。
熟悉本技术领域的人员应理解，双变换处理(如图5所)或另一方面单变换和IF采样技术可用来产生所需的I和Q采样。此外，如图5所示的实施例的结构可以多种方式变换，而不影响本发明的操作。例如，可用传统可编程处理器来代替如图5所示的DSP。如果数据通过系统的速率能够满足不需要任何缓冲器，那么不需要存储器510。在某些条件下，可省略带通滤波器406和自动增益控制电路408，运用数字技术或模拟技术实施或改变它。可对如图5所示的结构进行多种其他变换，而不改变本发明。此外，应注意，另一个实施例可具有在GPS和无线接收机之间的更大或更少的硬件和软件资源的共享。
图6是包括本发明的通信系统的元件的高级方框图。在操作过程中，根据本发明方法，BSC14请求来自基站10中的控制处理器62(图3)的GPS信息。该信息包括(但不局限于)GPS收发机74(图3)当前看到的所有卫星、它们的仰角、多普勒移位和在特定时刻的伪距。注意，在基站10处的GPS接收机具有在该位置上的最新的信息、频率和视野中的每个卫星的PN偏移，因为它经常跟踪视野中的所有卫星。另一方面，基站10可发送与无线单元20看得见的那些卫星的子集相对应的数据，假设基站10贮存关于道路宽度和周围建筑物的高度的存储信息。即，如果基站10具有确定无线单元看不见的一个或多个卫星的能力，那么基站10不发送关于被阻挡的那些卫星的信息。
应注意，传统GPS接收机记录相对于接收机的内部GPS时钟的接收卫星信号的时间。然而，接收机的内部GPS时钟不与“真实”GPS时间精确同步。因此，接收机不能知道在“真实”GPS时间中接收到卫星信号的确切时刻。之后，导航算法(navigation algorithm)用第四卫星纠正这个错误。即，如果在接收机中的时钟与在每个卫星中的时钟精确同步，那么传统GPS接收机只要求三个卫星精确地确定接收机的位置。然而，由于接收机时钟不与卫星时钟精确地同步，所以需要附加信息。通过记录接收机接收到第四卫星的信号的时刻，提供该附加信息。通过以下提示可理解这一点，即有四个等式(即，一个公式与四个卫星中的每个相对应)和必须解出的四个未知数(即，接收机的x,y和z坐标，和在接收机时钟中的误差)。因此，对于三维解决方法，在传统GPS接收机中，需要对四个不同卫星的至少四种测量。
相反，本系统利用基于地球的站，它与真实GPS时间同步。在一个实施例中，该站是CDMA基站。熟悉本技术领域的人员应理解，CDMA基站与GPS时间同步。此外，运用CDMA协议通过这些CDMA基站进行通信的所有无线单元还与对于每个无线单元20是唯一的偏移GPS时间同步。时间的偏移等于由于无线电信号从基站天线传播到无线单元天线导致的单程延迟。这是因为无线单元通过接收到来自GPS时间的基站的指示，同步它的时钟的这一事实。然而，在指示到达无线单元时，该指示是有误差的，其量等于信号从基站到无线单元时遭到的传播延迟。通过测量信号需要多少时间来在基站和无线单元之间往返，可以确定该传播延迟。单向延迟等于往返行程延迟之半。熟悉本技术领域的人员可用测量往返行程的多种方法。
此外，在基站10和无线单元20之间的距离可用来辅助确定无线单元20的位置。于是，在基站10和无线单元20之间存在直接视线(LOS)的情况下，只需两个卫星范围测量和一个基站范围测量。在提供业务的基站和无线单元之间不存在直接LOS的情况下，需要三个卫星测量和一个往返行程延迟测量来计算三维位置。需要精确的卫星测量来校正由于多路径所致的附加延迟引入的附加距离。用往返行程延迟来校正在无线单元中的时钟误差。
这里所述的系统允许在任何时刻运用无线定位功能(WPF)18(图6)确定有效CDMA无线单元的位置，只要无线单元20是在CDMA网络的无线电覆盖区内以及只要在CDMA网络中存在足够的业务质量。可由无线单元20、网络或外部实体(诸如，内部位置应用(ILA)17、外部位置应用(ELA)15或紧急业务应用(ESA)13，启动确定无线单元的位置的处理。这些元件13、15和17中的每个元件都可以是硬件或软件，它们能够请求和/或接收位置信息。在一个实施例中，ILA17是耦合到BSC14的终端，它允许操作者直接请求和接收关于无线单元20的位置信息。另一方面，ILA17是由在MSC12中的处理器执行的软件应用。
WPF18最好是传统可编程处理器，它具有接受从无线单元和从卫星接收到的原始数据(即，离两个卫星的伪距、从无线单元到基站的距离和时间校正因子)的能力和计算无线单元的位置的能力。然而，可使用能够接收信息的任何装置，其中所述装置根据这些接收到的信息计算无线单元20的位置并输出该位置确定。例如，WPF18可作为在另一个网络装置(诸如BSC14)内的ASIC、离散逻辑电路、状态机或软件应用来实施。此外，应理解可将WPF18定位在基站10、BSM14或在MSC12内。最好的是，WPF18是由与BSC14进行通信的专用处理器执行的软件应用。因此，不需要大量地修正基站10、BSC14和MSC12以便用传统元件实施本发明。另一方面，WPF18是由在BSC14内的处理器实施的软件应用。WPF18最好通过类似于传统计费功能、管理功能、家庭位置寄存器/访问者位置寄存器功能和由耦合到传统BSC的处理器实施的其他辅助功能所用到的通信端口与BSC14进行通信。
在Parkinson,B.W.和Spilker,J.J.(编辑)所著的“全球定位系统原理和应用”(第Ⅰ卷，航空和太空公司的美国协会，华盛顿DC，1996年)中提出了计算位置的算法。此外，应注意第Ⅱ卷提出了如何执行差分GPS校正。熟悉本技术领域的人员应理解，可由WPF18实施这种校正来精确地计算无线单元的位置。
根据本发明的一个实施例，业务提供者可根据几种条件(诸如，能力、安全性、业务分布，等等)限定定位业务。定位业务可支持每个或一些下列业务的子集
(1)对于定位的无线单元始发请求(WPF)。
(2)对于定位的网络始发请求(NRP)。
(3)每业务例子(per service instance)允许的定位(PSI)无线单元临时允许外部应用定位单元以便于递送特定业务。
(4)带有/没有无线单元识别的定位(PWI/PWO)将定位在规定的地理区域中的所有无线单元。PWI将给出这些单元的标识和位置，而PWO将只给出它们的位置。
(5)在封闭组中定位(PCG)允许组的建立，其中可确定特殊定位权(车队(fleet)管理)。
根据本发明的一个实施例，其中无线单元20始发确定该无线单元20的位置的请求，无线单元20向MSC12发出定位请求。MSC12证实该请求以保证无线单元20已预订所请求的业务类型。然后，MSC12向提供业务的BSC14发出请求找到无线单元20的位置。BSC14要求提供业务的基站10定位辅助信息。提供业务的基站20通过发出视野中的卫星、它们的多普勒移位、它们的多普勒变化率、它们的伪距、它们的仰角、它们的信噪比(SNR)和在无线单元和提供业务的基站之间的往返行程延迟(RTD)的列表，响应于该请求。注意，在基站10中的GPS接收机74连续跟踪视野中卫星的位置，因此可具有关于这些参数的最新信息。BSC14将用每个卫星的RTD、伪距、卫星仰角、多普勒移位和多普勒变化率来在时间和频率下如下计算搜索窗口中心和搜索窗口尺寸(参见图7)在时域中，对于第i个空间交通工具(“SVi”)的搜索窗口的中心等于在提供业务的基站10和图7中的SVi,_b之间的伪距。对于SVi的搜索窗口尺寸等于往返行程延迟倍乘cos(_i)，其中cos(_i)是卫星的仰角相对于以地球中心为起点并通过接收机的地球半径的余弦。
在频域中，对于SVi的搜索窗口中心的中心等于fo+fdi；其中fo等于GPS信号的载波频率，和fdi等于由SVi发送的信号的多普勒移位。对于SVi的搜索窗口尺寸等于由于接收机频率误差和多普勒变化率所致的频率不确定性。BSC14发送包括视野中的卫星、搜索窗口中心、尺寸(时间和频率)和确定无线单元20的位置所需的最小数量的卫星的信息。
根据一个实施例，到无线单元20的消息将在无线单元20触发重新调谐信号。消息还可具有“动作时间”(将来接收机重新调谐到GPS接收机频率特定时间)。作为响应，无线单元20将在动作时间处启动第一和第二开关106和402，从而重新调谐它自己到GPS频率。数字IF ASIC400改变它的PN发生器(未图示)到GPS模式，并开始搜索所有特定卫星。
一旦无线单元20捕获最小数量的所需卫星，它根据在无线单元20内的GPS时钟计算伪距、重新调谐到通信系统频率并把伪距结果以及头三个卫星测得的信噪比和最近CDMA导频搜索结果发送到BSC14。如果单元不能捕获三个卫星以及在提供服务的基站和无线单元20之间没有直接视线路径则需要导频搜索结果。但是，可用少于三个卫星，只要运用可获得信息(诸如，导频搜索信息)，计算从另一个装置(诸如，另一个基站)的往返行程延迟。在现有技术中，已知根据导频搜索信息确定往返行程延迟的技术。
BSC14把由无线单元20进行的伪距测量以及提供业务基站10的位置、相应的往返行程延迟测量、所考虑的卫星位置(空间)(相对于固定、预定参考原点)和差分GPS校正发送到WPF18，在此处计算无线单元20的位置。由BSC14接收到的来自无线单元20并通到WPF18的伪距与在无线单元20内的时钟相关。因此，它们是有错误的(即，因在提供业务BTS10和无线单元20之间的往返行程延迟偏置)。图8是示出WPF18如何校正本地时钟偏置的示图。在图8中，_1表示接收从基站10发送到无线单元20的信号的伪距(一半的往返行程延迟)(反之亦然)，rm1、rm2和rm3分别是从无线单元到第一、第二和第三所选GPS卫星60、70和80的伪距。相对于在无线单元20中的本地时钟做这些测量。但是由于本地时钟偏移真实GPS时间_1，所以经校正伪距如下_1=__ml+__1_2=__m2+__1_3=__m3+__1WPF18用三个卫星的位置(空间)的上述三个等式、提供业务的基站的位置和相应RTD测量来计算无线单元20的位置。注意，RTD等同于精确地知道无线单元相对于真实GPS时间的本地时钟偏置。即，它足以解决根据三个卫星的三个范围等式。
同样注意，如果在无线单元20和基站之间的直接视线连接，则可将所需的卫星的最小数量减至二个，从而在无线单元20和基站10之间的距离可直接根据在无线单元20和基站10之间的RTD来确定。如果可用关于其他导频(站)的信息，还可以进一步减小该数量。例如，如果无线单元20与两个或多个基站进行通信(例如，软切换)，两者都不具有到无线单元20的直接视线，那么可计算多于一个往返行程延迟，而且两个卫星是确定无线单元20的位置所需的全部。即，可根据五个等式(两个等式关于与两个卫星相关的两个伪距测量，两个等式关于两个基站RTD测量和一个等式关于到提供业务的基站的RTD，它允许在无线单元20内的本地时钟与真实GPS时间同步)。这对于GPS卫星被建筑物或树木挡住的情况十分有用。此外，它减小了搜索GPS卫星的时间。WPF18把算得的位置发送到BSC14，把它送到MSC12或者直接把它送到无线单元20。
参照对于特殊应用的特定实施例描述本发明。熟悉本技术领域并阅读本说明的人员将认识到附加修正应用和实施例都在它的范围内。因此，所附权利要求覆盖了在本发明的范围内的任何和所有这样的应用、修正和实施例。
权利要求
1．一种确定移动无线收发机的位置的系统，其特征在于，包括第一卫星；第二卫星；第三卫星；位于所述第一卫星的用于发送第一信号的第一发射机；位于所述第二卫星的用于发送第二信号的第二发射机；位于所述第三卫星的用于发送第三信号的第三发射机；基站；与所述基站进行无线通信、适于接收所述第一、第二和第三信号并响应于此把第四信号发送到所述基站的收发机；和位于所述基站处的用于接收所述第四信号并响应于此计算所述无线收发机的位置的装置。
2．如权利要求1所述的发明，其特征在于，所述第一卫星、所述第二卫星和所述第三卫星是全球定位系统卫星。
3．如权利要求2所述的发明，其特征在于，所述基站是码分多址基站。
4．如权利要求3所述的发明，其特征在于，所述基站包括把辅助信息发送到所述无线收发机的装置。
5．如权利要求4所述的发明，其特征在于，所述收发机包括用所述辅助信息捕获所述第一和所述第二信号的装置。
6．如权利要求5所述的发明，其特征在于，所述辅助信息包括卫星识别信息、多普勒移位信息、在时间和频率方面搜索窗口中心和宽度和在所述基站和所述卫星之间的第一组范围信息。
7．如权利要求6所述的发明，其特征在于，所述第四信号包括在所述无线收发机和所述卫星之间的第二组范围信息以及时间信息tx。
8．如权利要求7所述的发明，其特征在于，位于所述基站处的用于接收所述第四信号和响应于此计算所述无线收发机的位置的装置包括用于确定在所述无线收发机和所述基站之间的距离的装置。
9．如权利要求8所述的发明，其特征在于，位于所述基站处的用于计算所述无线收发机的位置的所述装置包括利用所述无线收发机离所述基站的距离计算所述无线收发机的位置的装置。
10．一种确定移动无线收发机的系统，其特征在于，包括基站；相对于所述基站，分别计算从第一、第二和第三卫星发送的信号的多普勒移位的装置；相对于所述基站，分别计算第一和第二卫星的第一组伪距2,3的装置；在所述基站和所述无线收发机之间发送卫星识别信息、多普勒移位信息和所述伪距信息的装置；位于所述无线收发机的用于接收来自所述基站的所述卫星识别信息、多普勒移位信息和所述伪距信息2,3的装置；位于所述移动无线收发机的，用于利用从所述基站接收到的所述信息识别在时刻tx，在所述收发机分别和所述第一和第二卫星之间的第二组伪距4,5的装置；位于所述移动无线收发机的，把在所述收发机分别和所述第一和第二卫星之间的所述第二组伪距4,5以及时间信息tx发送到所述基站的装置；和位于所述基站的用于响应于所述第二组伪距4,5和所述时间信息tx计算所述无线收发机的位置的装置。
11．如权利要求10所述的发明，其特征在于，位于所述基站的用于响应于所述第二组伪距4,5计算所述无线收发机的位置的所述装置包括确定所述无线收发机离所述基站的距离的装置。
12．如权利要求11所述的发明，其特征在于，位于所述基站的用于计算所述无线收发机的位置的所述装置包括利用所述无线收发机离所述基站的距离计算所述无线收发机的位置的装置。
13．如权利要求10所述的发明，其特征在于，包括位于所述基站的用于识别两个最佳定位卫星的装置。
14．如权利要求10所述的发明，其特征在于，把所述移动无线收发机从影响语音/数据通信的第一模式切换到确定它的位置的第二模式的装置。
15．如权利要求10所述的发明，其特征在于，位于所述基站的用于计算所述无线收发机的位置的所述装置包括利用所述第二组伪距4,5来计算在所述第一和第二卫星分别与所述基站之间的第三组伪距4*，5*的装置，和利用在时刻tx的所述两个卫星的已知位置、所述基站的所述位置、所述第三组伪距和从所述移动无线收发机发送的信号到达时刻延迟1来确定所述无线收发机的所述位置的装置。
16．如权利要求15所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的所述位置的所述装置包括找出围绕两个卫星中第一个的半径为c4的第一球、围绕两个卫星中第二个的半径为c5的第二球和围绕所述基站的半径为c1的第三球的交点的装置，其中c是光速。
17．如权利要求10所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的所述位置的所述装置包括找出围绕两个卫星中第一个的半径为c4的第一球、围绕两个卫星中第二个的半径为c5的第二球和围绕所述基站的半径为c1的第三球的交点的装置，其中c是光速。
18．一种确定移动无线收发机的位置的系统，其特征在于，包括基站；位于所述基站的识别第一和第二全球定位系统卫星的装置；相对于所述基站，分别计算从所述第一和第二卫星发送的信号的多普勒移位的装置；相对于所述基站，分别计算所述第一和第二卫星的第一组伪距2,3的装置；把卫星识别信息、多普勒移位信息和所述伪距信息从所述基站发送到所述无线收发机的装置；位于所述无线收发机的用于接收来自所述基站的所述卫星识别信息、多普勒移位信息和所述伪距信息2,3的装置；位于所述移动无线收发机的用于利用从所述基站接收到的所述信息来识别在时刻tx，在所述收发机分别和所述第一和第二卫星之间的所述第二组伪距4,5的装置；位于所述移动无线收发机的把在所述收发机分别和所述第一和第二卫星之间的第二组伪距4,5以及时间信息tx发送到所述基站的装置；和位于所述基站的响应于所述第二组伪距4,5以及所述时间信息tx计算所述无线收发机的位置的装置，所述计算装置包括确定所述无线收发机离所述基站的距离的装置；和利用所述无线收发机离所述基站的距离来计算所述无线收发机的位置的装置。
19．如权利要求18所述的发明，其特征在于，把所述移动无线收发机从影响语音/数据通信的第一模式切换到确定它的位置的第二模式。
20．如权利要求18所述的发明，其特征在于，位于所述基站的用于计算所述无线收发机的位置的所述装置包括利用所述第二组伪距4,5来计算在所述第一和第二卫星分别与所述基站之间的第三组伪距4*，5*的装置；和利用在时刻tx的所述第一和第二卫星的已知位置、所述基站的位置、第三组的伪距和从所述移动无线收发机发送的信号到达所述基站的时间延迟1来确定所述无线收发机的位置的装置。
21．如权利要求20所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的位置的所述装置包括找到围绕两个卫星中的第一个的半径为c4的第一球、围绕两个卫星中的第二个的半径为c5的第二球和围绕所述基站的半径为c1的第三球的交点的装置，其中c是光速。
22．如权利要求18所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的位置的所述装置包括找到围绕两个卫星中第一个的半径为c4的第一球、围绕两个卫星中第二个的半径为c5的第二球和围绕所述基站的半径为c1的第三球的交点的装置，其中c是光速。
23．一种用于确定移动无线收发机的位置的方法，其特征在于，包括下列步骤在基站，接收从第一GPS卫星发送的第一信号和从第二GPS卫星发送的第二信号；在与所述基站进行无线通信的收发机，接收所述第一和第二信号并响应于此把第三信号发送到所述基站；和在所述基站，接收所述第三信号并响应于此计算所述无线收发机的所述位置。
24．如权利要求23所述的发明，其特征在于，将辅助信息从所述基站收发送到所述无线收发机的步骤。
25．如权利要求24所述的发明，其特征在于，用在所述收发机处的所述辅助信息来捕获所第一和所述第二信号的步骤。
26．如权利要求25所述的发明，其特征在于，所述辅助信息包括卫星识别信息、多普勒移位信息和在所述基站和所述卫星之间的第一组范围信息。
27．如权利要求26所述的发明，其特征在于，所述第三信号包括在所述无线收发机和所述卫星和时间信息tx之间的所述第二组范围信息。
28．如权利要求27所述的发明，其特征在于，还包括确定在所述无线发送机和所述基站之间的距离的步骤。
29．如权利要求28所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的位置的所述步骤包括利用所述无线收发机离所述基站的距离来计算所述无线收发机的位置的步骤。
30．一种确定移动无线收发机的位置的方法，其特征在于，包括下列步骤相对于基站，分别计算从第一和第二卫星发送的信号的多普勒移位；相对于所述基站，分别计算所述第一和第二卫星的第一组伪距2,3；把卫星识别信息、多普勒移位信息和所述伪距信息从所述基站发送到所述无线收发机；在所述收发机，接收来自所述基站的所述卫星识别信息、多普勒移位信息和所述伪距信息2,3；利用从所述基站接收到的所述信息识别在时刻tx，在所述收发机分别和所述第一和第二卫星之间的第二组伪距4,5；把在所述收发机分别和所述第一和第二卫星之间的所述第二组伪距4,5和时间信息tx发送到所述基站；和响应于所述第二组伪距4,5以及所述时间信息tx计算所述无线收发机的位置。
31．如权利要求30所述的发明，其特征在于，响应于所述第二组伪距4,5和所述时间信息tx计算所述无线收发机的位置的所述步骤包括确定所述无线收发机离所述基站的距离的步骤。
32．如权利要求31所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的所述步骤包括利用在所述无线收发机和所述基站之间的距离来计算所述无线收发机的位置的步骤。
33．如权利要求30所述的发明，其特征在于，包括识别两个最佳定位卫星的步骤。
34．如权利要求30所述的发明，其特征在于，把所述移动无线收发机从影响语音/数据通信的第一模式切换到确定它的位置的第二模式的步骤。
35．如权利要求30所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的位置的所述步骤包括下列步骤用所述第二组伪距4,5来分别计算在所述第一和第二卫星与所述基站之间的第三组伪距4*，5*；和利用在时刻tx所述两个卫星的已知位置、第三组伪距和从所述移动无线收发机发送的信号到达所述基站的时间延迟1来确定所述无线收发机的位置。
36．如权利要求35所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的位置的所述步骤包括找到围绕两个卫星中第一个的半径为c4的第一球、围绕两个卫星中第二个的半径为c5的第二球和围绕所述基站的半径为c1的第三球的交点的步骤，其中c是光速。
37．如权利要求30所述的发明，其特征在于，计算所述无线收发机的位置的所述步骤包括找到围绕两个卫星中第一个的半径为c4的第一球、围绕两个卫星中的第二个的半径为c5的第二球和围绕所述基站的半径为c1的第三球的交点的步骤，其中c是光速。
全文摘要
确定移动无钱收发机的装置和方法。本发明合并了GPS定位和无线通信技术来在密集的城市和其他环境中当卫星的视线不太清楚时获得精确的定位。本发明的装置和发明用只来自两个GPS卫星(60,70,80,90)和提供业务的地面基站的信号。一般而言,本发明的方法包括在基站(10)接收从第一GPS卫星发送的第一信号和从第二GPS卫星发送的第二信号。移动单元的发射机(200)和接收机(100)适于接收这些GPS信号并响应于此把第三信号发送到基站。基站(10)接收第三信号并用它来计算无线单元(20)的位置。
文档编号G01S5/14GK1300370SQ99804092
公开日2001年6月20日 申请日期1999年3月16日 优先权日1998年3月17日
发明者S·S·苏莱曼, K·S·吉尔豪森 申请人:夸尔柯姆股份有限公司