CN1147193C - 用于辅助全球定位系统协议的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝网络协议，该蜂窝网络协议可以将蜂窝基础设施与支持基于GPS定位能力的各移动手机之间所要求的数据流减少到最少。所介绍的四种新方法为：用于减少或消除发送到各移动站的GPS历书更新的需求的方法；用于压缩微分校正广播消息的方法；用于将速率控制到能使网络根据历书年龄限制更新各手机的历书的方法；以及，最后，根据精度预测以及各移动站的唯一阈值，各移动站可以用于确定何时需要历书更新的方法。

Description

用于辅助全球定位系统协议的方法
技术领域
本发明一般地涉及无线通信系统，更具体地说，本发明涉及无线通信系统中移动手机定位确定协议的方法与装置。
背景技术
通常，无线通信系统在远程位置之间提供双向话音通信和数据通信。这种系统的实例有蜂窝无线系统和个人通信系统(PCS)的无线系统、中继无线系统、调度无线网络以及如基于卫星系统的全球移动个人通信系统(GMPCS)。在这些通信系统中是根据预定步骤进行通信的。为了与一个或多个固定基站进行通信，移动站，也称为手机、手提或无线电话要遵循系统标准。
希望获得并传达系统内移动站(如：蜂窝系统中的无线手机)的物理位置。此外，美国联邦通信委员会(FCC)要求在2001年前蜂窝手机必需能够进行地理定位。这种能力是对诸如增强911(E911)的应急系统的希望。FCC要求严格的精度和可用度特性对象，并且对基于网络的解决方案，要求蜂窝手机在67％的时间内能在100米内定位，对基于手机的解决方案，要求在67％的时间内能在50米内定位。
此外，利用移动站可用的位置信息，可以根据手机位置将与方位有关的服务以及包括广告在内的消息剪辑到手机用户。
当代无线通信系统仅具有有限的移动站定位确定能力。在一种技术中，通过在几个基站监视移动站的传送来确定移动站的位置。由到达测量点的时间，可以计算移动站的位置。然而，这种技术的精度有限，而且，有时不能满足FCC的要求。
在另一种技术中，各移动站配备适合用于全球卫星导航系统(如：全球定位系统(GPS))的接收机。第5,175,557号和第5,148,452号美国专利公开了适合用于GPS的接收机的结构和操作过程，这两个专利均转让给本发明的受让人。GPS接收机检测GPS轨道地球卫星坐标的发送。利用发送的数据和时序，GPS接收机计算卫星的位置并由这些位置计算其自身位置。轨道上的GPS卫星以约每秒4,000米的速度转动。卫星的位置数据由参数X(t)定义，速度数据由参数V(t)定义。参数X(t)和参数V(t)分别为该卫星的三维位置矢量和三维速度矢量并参照地心地轴笛卡儿坐标系。GPS系统包括24颗卫星，其中有几颗卫星在任何一个时刻均可以与移动站相关。根据预定的标准格式和时间标记，各卫星进行数据广播。
通常，在GPS接收机内部计算卫星的坐标和速度。通过对卫星广播消息流进行解调，接收机获得卫星的历书数据和时钟校正数据。卫星传送中包括以50位/秒(bps)发送的576位数据。包含在历书数据中的常数与开普勒轨道常数一致，开普勒轨道常数要求完成许多数学运算以将数据转变为位置数据和速度数据。在一种实施中，为了将一个卫星在一点的历书转换成卫星位置矢量和速度矢量，这种转换需要90次乘法、58次加法以及21次超越函数调用(sin、cos、tan)。多数计算要求双倍精度、浮点处理。最多对12颗卫星，接收机必需每隔一个卫星进行一次此计算。
因此，进行传统计算的计算负荷很大。手机必需包含可用于进行必要计算的高级处理器。这种处理器价格昂贵并且耗电量大。作为消费者使用的手提装置，移动站最好为价格低廉且可以在很低电压下操作。这些设计目标与对GPS处理所要求的高计算负荷相矛盾。
此外，GPS卫星发出的低数据速率也是一个制约。GPS接收机进行GPS搜索会花费许多秒或几分钟时间，在此期间，必需持续对接收机电路和移动站处理器供电。优选地，为了维持便携式接收机和收发信机(如：移动蜂窝手机)中的电池寿命，应尽可能将电路断电。长GPS搜索时间很快会将移动站的电池耗尽。在任何情况下，尤其在紧急情况下，长GPS搜索时间均不方便。
一种被称为辅助GPS的系统建议是在无线通信系统的基站接收历书数据和时钟校正数据并通过传统通信链接将此数据发送到移动站。基站接收由GPS卫星以50bps速率发送的数据并以更高的数据速率将此数据再发送到移动站。移动站接收历书数据和时钟校正数据并用于计算卫星位置。反过来，可以利用卫星位置确定移动站的位置。由于该系统具有某些优点，诸如在基站到移动站的通信链路中可以使用更高的数据速率(通常为9600bps)以使移动站接收机电路能具有更长的断电时间，所以，可以保留与原始历书有关的高计算负荷。
另一个建议解决方案是在移动站存储GPS天文年历。GPS天文年历数据为缩短的、降低精度的历书数据子集。基站对天文年历计算位置信息和时钟校正信息并通过通信链路将此校正信息发送到移动站。移动站判定对其天文年历具有合适的校正数据，如果如此，则利用天文年历计算卫星的位置和时钟数据。
此系统略微减少了移动站所要求的计算负荷。然而，在发送其天文年历数据期间以及随后所有可能的发送时间内，移动站接收机仍必需保持供电以接收其天文年历的校正数据。此外，必需将天文年历数据存储到移动站，这样就会增加移动站的大小和成本。
然而，另一种建议解决方案是网络中心接近法，当在网络中需要更新移动站时，该方法安排确定责任。由于移动站没有可用于由移动站通知网络如何依次排列数据库配置的设备，所以此方法对终端应用设置具有苛刻制约，要求对所有移动站采用最严格的应用数据库更新要求。
该建议方案有三个主要缺点，第一，它没有证明增加的更新区域动态范围足以覆盖参数的所有可能数值。已知增量更新算法的复杂性，利用几个星期的历书数据不可能覆盖所有可能性，诸如卫星站保持的移动或卫星轨道的改变不可能由GPS地面控制段定期进行。在过去，为了将这些特殊卫星安排到轨道面上的不同部分，一度将几颗GPS卫星重新定位到更高的轨道几个星期。除了在加速之前或之后的短时间和制动事件之外，卫星在整个新轨道飞行阶段是激活的。
第二，必需建立新参数即数据辅助发布(IODA)并用于可见卫星每十五分钟所进行的各次抽样，并且必需在呼出移动定位中心(SMLC)与IODA一道，建立、保持、通信传输的表间数据和表中数据以及相关的数据结构和算法。特别是，表间数据的维护与SMLC间数据的通信存在困难并且通常认为是不可能实现的。
第三，一旦移动站获得了可见卫星的原始历书集，即使不是全部情况，多数情况也无需更新此历书集，现有技术的建议解决方案建议频繁更新历书数据。这占距了点对点传输信道相当多的部分，如下表1所示：
表1.利用现有技术各可见卫星发送到移动站的总位数
纬度  原始历书更新的SV(％)  2小时增量更新历书的SV(％)  4小时增量更新历书的SV(％)  6小时增量更新历书的SV(％)  8小时增量更新历书的SV(％)      各SV的总原始历书更新
60度   100％     85％     50％     无     无 1.68×原始历书位
30度   100％     90％     70％     30％     无 1.95×原始历书位
15度   100％     95％     80％     30％     15％ 2.10×原始历书位
赤道   100％     97％     85％     65％     35％ 2.41×原始历书位
发明内容
因此，存在对改进的、支持在无线通信系统内确定位置的方法和装置的需要。
为此，本发明提供了一种在通信网络中支持GPS移动无线通信手机的方法，包括步骤：对于存储在所述GPS移动无线通信手机中的历书信息，从GPS移动无线通信手机上接收卫星标识信息和相应的数据历书发布信息；从所述GPS移动无线通信手机接收t-toe时限信息；基于从所述GPS移动无线通信手机接收到的t-toe时限，将更新后的历书信息发送给所述GPS移动无线通信手机。
此外，本发明还提供了另一种在通信网络中支持GPS移动无线通信手机的方法，包括如下步骤：对于存储在所述GPS移动无线通信手机中的历书信息，从GPS移动无线通信手机接收卫星标识信息和相应的数据历书发布信息；基于从所述GPS移动无线通信手机接收到的卫星标识信息和数据历书发布信息，为所述GPS移动无线通信手机计算各伪距校正信息；将所述各伪距校正信息、卫星标识信息、以及数据历书发布信息发送给所述GPS移动无线通信手机。
附图说明
图1示出根据本发明优选实施例的辅助全球定位系统(GPS)蜂窝无线电话系统的系统图；
图2示出根据本发明优选实施例的可支持定位服务(LCS)的蜂窝无线电话系统结构的方框图；
图3示出图1所示的辅助GPS无线电话系统的操作过程的流程图；
图4示出图1所示的辅助GPS无线电话系统的操作过程的协议级的流程图；
图5示出根据本发明优选实施例的图1所示的辅助GPS无线电话系统中作为点对点消息操作的移动始发端定位请求的定位过程/数据流的示意图；
图6示出根据本发明优选实施例的图1所示的辅助GPS无线电话系统中作为点对点消息操作的移动发端定位请求的定位过程/数据流的示意图；
图7示出根据本发明的优选实施例的图1所示的辅助GPS无线电话系统上GPS广播消息的数据流示意图；
图8示出根据本发明的优选实施例的蜂窝移动站的方框图；
图9示出根据本发明的优选实施例的图8所示的手机进行请求/接收以及点对点发送历书和微分校正数据的操作流程图；
图10示出根据本发明的优选实施例的图8所示的手机进行请求/接收以及广播发送历书和点对点发送微分校正数据的操作流程图；
图11示出根据本发明的优选实施例的图8所示的手机进行请求/接收以及点对点发送历书并广播发送微分校正数据的操作流程图；
图12示出根据本发明的优选实施例的图8所示的手机进行请求/接收以及广播发送历书和微分校正数据的操作流程图；
图13示出涉及GPS历书误差的空间解相关的示意图；
图14示出作为历书年龄(ephemeris age)函数的一个西格马GPS卫星定位误差分量的图解说明；
图15示出根据本发明的优选实施例的卫星的实际位置和估计位置；
图16示出作为历书函数的一个西格马GPS卫星速度误差分量的图解说明；
图17示出根据本发明的变换实施例的辅助GPS蜂窝无线电话系统的系统图；
图18示出根据图17所示的辅助GPS无线电话系统的变换实施例的可支持定位系统(LCS)的蜂窝无线电话系统的方框图；
图19示出根据本发明的变换实施例的图17所示的辅助GPS无线电话系统的操作过程的协议层流程图；
图20示出根据本发明的变换实施例的图17所示的在辅助GPS无线电话系统上进行数据发送的定位过程/数据流的示意图。
以下将说明辅助GPS接收机进行定位确定的改进系统和方法。本发明的系统包括可以高精度确定其位置的全新移动站结构，该结构同时实现了低功耗、低成本目标。这样就可以节约能源而且使得E911业务在便携式产品中成为可行，节约能源是便携式装置的重要特征。
具体实施方式
参考图1，利用根据本发明的优选实施例的辅助GPS定位系统的系统图说明了GSM蜂窝网络。该系统是基于基站子系统(BSS)的服务移动定位中心(SMLC)112。GPS参考接收机118与SMLC 112一起位于已测位置并具有开放式天空观测(open view of the sky)以方便产生适当校正。作为本领域的技术人员会认为，GPS参考接收机118可以选择位于任何具有开放式天空观测的已测位置，只要它可以通过串行链路114连接到网络或可以与其它网络节点互定位就可以。SMLC112通过基站控制器(BSC)110连接到基地收发信站(BTS)102。BSC110以业内公知的模式连接到移动业务交换中心(MSC)和访问者位置寄存器(VLR)122。
GPS参考接收机118接收并跟踪多个GPS卫星120产生的信号以产生微分校正数据，该微分校正数据最终被送到可定位移动站(手机)104。为了使覆盖的手机最多，GPS参考接收机118产生的微分校正数据最好是对GPS参考接收机天线119视界范围内的所有GPS卫星120产生的。
除了向SMLC 112发送微分校正数据之外，还发送由所有卫星采集的历书与时钟校正数据(以下共同简称“历书数据”)。SMLC 112收集历书数据和微分校正数据并准备待在蜂窝载波信号发生器101调制的独立消息并送到多用户104。专用消息格式随产生模式变化。以下将详细说明“点对点”操作模式和“广播”(或“点对多点”)操作模式的消息结构。
当前，蜂窝系统含有定位业务(LCS)及其相关技术，而许多结构、协议和程序仍在发展之中，诸如逻辑LCS结构、信令协议以及接口、网络定位过程和定位过程。因此，当在GSM标准03.71(功能说明)中描述的具有LCS和相关技术的GSM蜂窝网络存在时，根据本发明的辅助GPS协议可以灵活应用于任何当前的和未来的LCS结构、协议和过程中。
参考图2，说明了可以支持定位业务(LCS)的结构。在GSM结构上通过加入一个网络节点(移动定位中心(MLC))逻辑实现了根据本发明的优选实施例的LCS。图中示出一般的基于BSS的SMLC112。可以合并该结构以产生变换的LCS结构。
在处理各种定位过程时涉及到基站系统(BSS)。在各定位过程部分规定了专用BSS的功能。
信关移动定位中心(GMLC)124具有可支持LCS的功能。在一个公众陆地移动网络(PLMN)126中，可以存在多个GMLC 124。GMLC124为外部LCS客户128接入GSM PLMN的第一个节点，即GMLC 124支持Le(外部用户与MLC之间的接口)130参考节点。外部LCS客户128可以是请求识别特定移动站(MS)104的位置或特定移动站104的实体。GMLC 124可以请求通过Lh接口(在MLC与HLR之间)134从归属位置寄存器(HLR)132路由选择信息。完成登记授权之后，GMLC 124通过Lg接口(在GMLC和MSC/VLR之间)136向MSC/VLR122发送定位请求并从MSC/VLR 122接收最终定位估计。
服务移动定位中心(SMLC)112具有支持LCS的功能度。在一个PLMN中，可以存在多个SMLC 112。SMLC 112管理所有要求进行移动定位的资源的协调和调度，SMLC 112还计算最终定位估计和精度。可以存在两种类型的SMLC 112。根据本发明的优选实施例，SMLC 112为基于BSS的SMLC，即支持SMLC 112与基站控制器(BSC)110之间的Lb接口138。以下将结合本发明的变换实施例描述说明基于NSS的SMLC，基于NSS的SMLC支持SMLC与MSC/VLR之间的Ls接口。
基于BSS的SMLC 112通过在Lb接口138向服务目标MS 104的BSC 110发信令来支持定位。两种类型的SMLC 112均支持Lp接口140以访问属于另一个SMLC 112的信息和资源。
为了获得无线接口测量以在其服务区内定位或帮助定位MS用户，SMLC 112控制多个定位测量单元(LMU)142、143。SMLC 112引入由其各LMU 142、LMU 143产生的测量能力和测量类型。利用接口138和用于A类型LMU 142的Um接口144或用于B类型LMU 143的Abis接口145，通过BSC 110将信令在基于BSS的SMLC 112与LMU142和LMU 143之间转接。可以将SMLC 112和GMLC 124的功能合并到同一个物理节点、现有物理节点或常驻于不同的节点。
对于定位业务，当蜂窝广播中心(CBC)150与BSC 110相关时，可以将SMLC 112连接到CBC 150以利用现有蜂窝广播能力广播辅助数据。对于CBC 150，SMLC 112相对于用户、蜂窝广播实体。在GSM标准03.41中描述了CBC 150的传统操作过程。此外，在各种定位过程中会涉及到MS 104。
LMU 142和LMU 143均进行无线测量以支持一种或多种定位方法。可以将这些测量分为两种：专用于某个地理区域内的一个MS 104的定位测量，用于计算此MS 104的位置；专用于某个地理区域内的所有MS 104的辅助测量。将利用LMU 142、LMU 143获得的所有定位测量和辅助测量送到与LMU 142、LMU 143相关的特定SMLC 112。涉及这些测量的时间标记、性质以及周期性的指令或者由SMLC 112提供或者在LMU 142、LMU 143中预设。存在两种LMU：可以通过标准GSM空中接口Um 144接入的A类型LMU 142和可以通过Abis接口145接入的B类型LMU 143。
MSC 122具有负责移动站预约授权并管理涉及GSM LCS定位请求的呼叫和涉及GSM LCS定位请求的非呼叫。MSC可以通过Lg接口136接入GMLC 124。
HLR 132含有LCS预约数据和路由选择信息。HLR 132可以通过Lh接口134从GMLC 124接入。对于漫游MS 104，与此移动站对应的HLR 132可以在不同于当前SMLC 112的PLMN 126中。
gsmSCF 152是PLMN的一部分。Lc接口154支持CAMEL接入LCS，而且Lc接口154只能应用于第3期移动网络增强逻辑(CAMEL)的定型应用。在GSM标准03.78和09.02中分别定义了与Lc接口154有关的过程和信令。
LCS的结构的目的是支持高度灵活性，因此，任何实际的SMLC112均可以支持多Lb接口138(即允许基于BSS的SMLC 112服务多BSC 110)并且因此，不同类型的SMLC 112的混合可以服务单个网络或单个MSC区域。当然，不同类型的SMLC的混合还可以服务单网络或单MSC区域。
图1和图2所示的系统结构为BSS结构。优选实施例就是根据BSS结构描述的，本发明的辅助GPS协议可以应用于许多其它系统结构。以下将根据本发明的变换实施例说明一种结构，即网络系统子系统(NSS)结构。
图3所示的流程图示出对计算和在SMLC内发生的事件进行排序过程。该过程从接收DGPS参考接收机产生的微分校正数据300开始，利用串行链接以标准输出速率(即：0.1-1.0Hz)发送校正数据。优选地，根据本发明，DGPS参考接收机产生的校正数据是由所有历书数据集获得的(通过伴随各唯一历书集的数据历书(IODE)字)。另一方面，如果仅对单一IODE计算校正，则SMLC本身就可以完成必需的计算。在步骤302，对当前DGPS消息模式进行检测，如果是广播模式，则建立DGPS广播消息304，如果由SMLC确定广播消息306的时间，则为了最终遍布网络服务区进行广播，将此消息调制到蜂窝载波频率308。另一方面，如果316接收了DGPS点对点消息请求，则此消息由318建立并被调制为蜂窝载波频率以最终传送到发出请求的手机。同样，如果322接收对“点对点”历书消息的请求，则此消息由324建立并调制到蜂窝载波频率326以最终传送到请求历书数据的手机。最后，如果在328判定历书消息模式为广播，则此消息由330建立，并在332进行检测以判定是否到广播此消息的时间。如果到了广播时间，则在334将消息调制为蜂窝载波频率以最终遍布网络服务区域进行传送。以下将提供与本发明有关的所有广播消息和点对点消息的详细说明。
图4示出利用基于BSS的SMLC用于支持在SMLC 112和目标MS(移动站)104之间的信令协议的协议层。在此不对SMLC 112、MSC 122与BSC 110之间的信令细节做说明。
图4所示的许多协议是传统GSM蜂窝系统的典型协议并由GSM标准01.04做说明。对于定位业务的那些新协议被定义为：RR代表无线资源；RRLP代表目标MS的RR LCS协议；Um为连接到LMU的空中接口；BSSAP-LE代表基站系统应用部分-LCS扩展；BSSLAP代表基站系统LCS辅助协议；以及Lb 138代表SMLC与BSC之间的接口。
参考图5，示出在根据本发明的优选实施例的图1所示的辅助GPS无线电话系统上以点对点消息传送操作的移动发端定位请求的数据流示意图。所示的数据流使移动站(MS)或者从网络请求其自身定位数据、定位辅助数据或者广播定位辅助数据消息密钥。接着，采用基于移动的定位方法，MS可以利用定位辅助数据贯穿扩展间隔计算其自身位置。密钥可以使MS对网络周期性广播的其它定位辅助数据进行解密。利用在GSM标准04.08说明的后续过程，定位更新请求之后的MO-LR(移动始发端定位请求)被用于请求密钥或GPS辅助数据。该过程还可以被用于使MS请求将其自身位置发送到其它LCS客户。在图5所示的16个步骤中，只有步骤8在GSM标准03.71中作了详细说明并被本技术领域的技术人员所公知。
根据本发明，在步骤8对有关辅助GPS的主要数据流进行了说明。此信令流为所有基于MS的定位方法(如：基于手机的GPS和手机辅助的GPS)所共有。在消息428中，SMLC确定辅助数据并以RRLP辅助数据消息的形式将此辅助数据发送到BSC。根据消息430中的消息，BSC以RRLP辅助数据消息的形式将辅助数据转发到MS。如果辅助数据与某个消息不相符，则可以重发消息428和消息430。在消息432中，利用RRLP辅助数据(RRLP ASSISTANCE DATA)确认(ACK)，MS向BSC确认接收到全部辅助数据。BSC向SMLC转发RRLP辅助数据确认消息作为消息434。
除了上述描述的辅助数据流之外，在步骤8还说明了定位过程流。定位过程流包括SMLC确定可能的辅助数据并将RRLP测量位置请求发送到BSC 428的步骤以及BSC将包括QoS和任何辅助数据的定位请求以RRLP测量位置(RRLP MEASURE POSITION)请求430的模式发送到MS的步骤。假定在MS中不允许位置保密，或者允许保密但是可以超越位置保密以获得紧急呼叫的位置，那么MS进行请求GPS测量。如果MS可以计算其自身位置并且要求它这样做时，则MS计算GPS位置估计。完成这些操作所必需的任何数据既可以以RRLP测量位置请求的模式提供也可以从广播源获得。将获得的GPS测量或GPS位置估计以RRLP测量位置响应432的形式返回BSC。如果MS不能进行必要测量或不能计算位置，则代之以返回故障指示。BSC将测量结果以LCS信息报告消息中的测量位置响应的形式发送到SMLC 434。
根据本发明的允许实施例在辅助GPS系统中以点对点消息发送模式操作的移动终端定位请求数据流的示意图示于图6。此消息发送允许诸如应急通信业务(救护部门或消防部门)的外部LCS客户请求目标移动站的当前位置。这被称为移动终接定位请求(MT-LR)，类似地除了步骤11之外，可以在GSM标准03.71找到对步骤6的详细说明。当外部LCS客户为北美应急通信业务时，确定NAES MT-LR仅包括步骤1、4、8、12、15、16，根据本发明的优选实施例还包括步骤11。
在步骤11说明根据本发明的辅助GPS定位流和数据流。此信令流可应用于所有基于MS的定位方法，基于MS的定位方法包括基于手机的GPS和手机辅助的GPS。利用基于BSS的SMLC在步骤11中的436、438、440、442发送的辅助数据流与图5所示的步骤8的四个步骤(即步骤428、430、432和434)相同。类似地，辅助数据流具有两种模式，即辅助数据流和定位过程流，并且图6所示的步骤11中的定位过程流与图5所示的步骤8的定位过程流相同。
参考图7，在根据本发明的辅助GPS系统中的GPS广播消息发送的优选数据流示于图7。如图7所示，广播消息发送还被称为点对多点辅助数据广播，与图5和图6所示的方法相同，图7所示的信令流可用于所有基于MS的定位方法，包括基于手机的GPS和手机辅助的GPS。
在SMLC建立GPS辅助数据广播消息并且将包括用于控制传送的加密部分和参数的整个消息从SMLC传送到MS。根据本发明的优选实施例，短消息业务蜂窝广播(SMSCB)断续接收(DRX)业务用于LCS辅助数据广播。在接收第一调度消息之前，MS应读取可以接收LCS广播数据或调度消息的各消息的第一数据块。接收调度消息后，根据调度消息，MS应接收LCS广播数据消息。
然后，利用LCS广播数据消息，SMLC将全部广播消息450发送到CBC。此LCS广播数据消息包含待广播的数据以及指出广播消息的目标被定在哪个BTS和什么时间开始广播的参数。为了使MS利用在GSM标准04.12中说明的SMSCB DRX特征，LCS广播数据消息还可以含有对MS广播的SMSCB调度信息。为了使MS的性能最优，需要进行SMSCB DRX操作。
接着，如消息452所示，根据GSM标准03.41，CBC开始将消息传送到BSC和BTS。接着，将从CBC传送到SMLC的LCS广播数据响应消息454用于指出LCS广播数据已被接收并已完成请求。此消息不是必备消息。然后，根据GSM标准03.41，在456，BTS开始将消息传送到MS。将SMLC和/或CBC并入BSC中的其它实现过程还可以使用其它消息信令。
参考图8，示出根据本发明的无线通信装置(如：辅助GPS允许的蜂窝无线电话)的方框图。在此优选实施例中，在蜂窝系统中，帧产生器501与微处理器503结合产生用于完成辅助GPS定位的必需通信协议。微处理器503使用存储器504完成产生发送协议并处理接收协议所必需的步骤。存储器504包括优选被集成到组件511中的RAM505、EEPROM 507以及ROM 509。此外，对于无线通信装置，微处理器503还实现其它功能，诸如写给显示器513、从小键盘515接收信息、利用连接器516接收输入/输出、控制频率合成器525、完成放大信号并接收麦克风的音频输出并将音频输出到扬声器所必需的步骤。根据本发明的优选实施例，微处理器还控制GPS电路550的功能并计算无线通信装置的位置。
发射机523通过天线529利用由频率合成器525产生的载波频率发射信号。将通过通信装置的天线529接收的信息输入接收机527，接收机527利用频率合成器525产生的载波频率解调码元。微处理器503可以选择包括用于处理数字无线波形(诸如CDMA或TDMA波形)的数字信号处理器装置。
集成到无线通信装置中的全球定位系统接收机550可以是传统的自主接收机设计类的，也可以是辅助GPS接收机设计类的。授予Kennedy和King的第5,148,452号美国专利公开了这种自主GPS接收机的一种实例。授予Krasner的第5,663,734号美国专利公开了辅助型GPS接收机的一种实例。传统的GPS设计以更自主的模式操作，在自主操作模式中，利用天线532从GPS卫星直接发送进行基于卫星的定位计算所必需的所有定位数据。如图1至图7所示，根据本发明，通过通信天线529，辅助GPS接收机设计可以获得部分或全部必要卫星定位参数。
根据本发明，如上所述，利用发送快速位置确定所必需的某些或全部数据参数的唯一消息协议，蜂窝基础设施网络实体产生辅助信息并将辅助信息发送到无线通信装置。除了可以加速捕获位置数据之外，如同第5,663,734号美国专利所公开的那样，在不同的信号阻塞环境下(如：市区峡谷或在建筑物中)，发送到无线通信装置的辅助信息还可以大大增强对GPS信号的检测。
集成到无线通信装置的辅助GPS接收机的单元包括用于接收由GPS卫星发送的信号的GPS天线532。GPS降频变频器534将1575.42MHz的GPS中心频率变换成某些更低的中频或零-IF频率546。利用模数转换器536将该中频或零IF频率进行数字化，根据时钟脉冲发生器538产生的命令，模数转换器536对该中频或零IF频率信号进行周期抽样。将模数转换器536的输出送到基带处理器相关器540。为了确定同时到达天线532的多个GPS卫星信号的到达时间，基带处理器相关器540对信号548进行数字信号处理。在所接收的各GPS卫星扩频码的编码阶段以及以50比特/秒的速率覆盖卫星扩频码进行数据调制的阶段，对到达的GPS信号的时间测量值进行编码。
在优选实施例中，在无线通信装置中，借助作为GPS降频变频器534的参考频率的基础的信号542来使用无线频率发生器/合成器525。在许多无线通信装置中，控制无线参考频率发生器合成器525的频率与到达天线529的基础基站载波频率同步，这样，在频率方面就比通常的低成本手机的参考频率发生器(如：晶体控制的振荡器)具有更高的稳定性。通过使用基础设施控制的频率作为GPS降频变频器的参考，基础设施基站的高频稳定性可以用于限制GPS卫星信号的多普勒频率搜索空间。
时钟脉冲发生器538还可以标定合成器参考时钟信号542以产生模数转换器536抽样时钟信号，并且可选择产生驱动GPS基带处理器相关器540的时钟信号。
根据本发明可能的协议，图9、图10、图11和图12与手机进行的操作和计算顺序相对应。在图9中，示出“点对点”历书协议与“点对点”微分协议的组合过程，而图10示出“点对点”历书协议与“广播”微分协议的组合过程。图11示出“广播”历书协议与“点对点”微分协议组合的情况，最后，“广播”微分协议与“广播”历书协议的组合过程示于图12。
在图9中，示出本发明的第一协议组合，手机中的事件顺序是从捕获GPS卫星信号开始的。GPS信号的捕获过程是借助于从蜂窝基础设施发送(在步骤600)的辅助数据进行的，在GPS接收机捕获过程，辅助数据允许将多普勒和编码阶段搜索滑窗变窄，而且没有明显辅助GPS信号的捕获过程。请注意，该步骤为所有协议组合所共有。一旦接收到捕获辅助数据，可以在步骤602对适当信号强度的GPS信号确定伪距(PR)测量。此后，在步骤604进行检测以确定是否有足够的PR可用于支持定位(position fix)，通常，需要四颗卫星计算位置；然而，如果基础设施可以计算或提供移动手机的纬度，那么有三颗卫星就够了。如果有足够的卫星可用，则在步骤606采集并检验可用历书数据，并在步骤608计算合成定位的精度。如果预期精度足够，则在步骤616请求适当的微分校正数据。然而，如果预期精度不够，则需要在步骤614确定哪颗卫星的历书需要被升级。在步骤616请求的DGPS校正数据专用于各历书的IODE。当接收该校正数据时，首先在步骤618将校正数据传送到当前时间，然后在步骤620将校正数据施加到已测量的PR。在步骤622对各卫星计算已测量的PR与预期距离之间的余项(residual)(利用历书数据和先前的位置估计获得)，并利用余项改善位置估计或在步骤624计算位置估计。在使用此协议组合过程中，用于各手机定位计算的数据的传送控制归属于该手机本身。因此，由于每次传送是由移动手机的需要驱动的，所以，这种协议使蜂窝网络中所需的数据事务处理最少。
在图10中，示出了根据本发明的第二协议组合，手机中事件的顺序从捕获GPS卫星信号开始。在步骤628，GPS信号捕获过程是借助于从蜂窝基础设施发送的辅助数据进行的，在接收机捕获过程，该辅助数据允许多普勒和编码阶段搜索滑窗变窄，并且因此大大加速了可用GPS信号的捕获。一旦接收了捕获辅助数据，则在步骤630对适当信号强度的可用GPS信号获得伪距(PR)测量。此后，在步骤630进行检测以确定是否有足够的PR可用于支持定位，通常，需要四颗卫星计算位置；然而，如果可以由地势数据计算或提供移动手机的纬度，那么有三颗卫星就够了。如果有足够的卫星可用，则在步骤632采集并检验可用历书数据，并在步骤634计算合成定位的精度。如果预期精度足够，则在步骤642采集适当的微分校正数据。然而，如果预期精度不够，则需要在步骤638确定哪颗卫星的历书需要被升级，并在步骤640请求仅对这些卫星升级历书。在步骤642，采集DGPS校正数据，然后，在步骤644将DGPS校正数据传送到当前时间。在步骤646，根据历书年龄可以调整校正数据；请注意，广播消息包括用于所有可能的IODE数值的校正数据。然后，在步骤648，将被传送被调整的校正数据施加到已测量的PR。在步骤650对各卫星计算已测量的PR与预期距离之间的余项(利用历书数据和先前的位置估计获得)，并利用余项改善位置估计或在步骤652计算位置估计。在使用此协议组合过程中，用于各手机定位计算的数据的传送控制归属于该手机本身。因此，由于，每次传送是由移动手机的需要驱动的，所以，这种协议使蜂窝网络中涉及在蜂窝网络内对历书数据进行分布的数据事务处理最少。然而，相对于图9所示的第一协议组合，利用“广播”模式将增加DGPS数据分布的业务流量。由于可以以固定速率简单广播DGPS校正数据(如：典型的是每30秒一次)，所以，DGPS数据分布业务流量的增加会简化在基础设施内确定何时分布DGPS校正数据的逻辑过程。
在图11中，示出了根据本发明的第三协议组合，手机中事件的顺序从捕获GPS卫星信号开始。在步骤654，GPS信号捕获过程是借助于从蜂窝基础设施发送的辅助数据进行的，在接收机捕获过程，该辅助数据允许多普勒和编码阶段搜索滑窗变窄，并且因此大大加速了可用GPS信号的捕获。一旦接收了捕获辅助数据，则在步骤656对适当信号强度的GPS信号获得伪距(PR)测量。此后，在步骤658进行检测以确定是否有足够的PR可用于支持定位，通常，需要四颗卫星计算位置；然而，如果可以由地势数据计算或提供移动手机的纬度，那么有三颗卫星就够了。如果有足够的卫星可用，则在步骤660收集并检验可用历书数据。在步骤662，采集最近广播的历书数据，然后，利用内插法将此历书数据用于计算卫星位置。在步骤664，请求的DGPS校正数据专用于各历书数据的IODE。当接收到校正数据时，首先在步骤666将校正数据传送到当前时间，然后在步骤668此校正数据施加到已测量的PR。在步骤670对各卫星计算已测量的PR与预期距离之间的余项(利用历书数据和先前的位置估计获得)，并利用余项改善位置估计或在步骤672计算位置估计。在使用此协议组合过程中，用于各手机定位计算的DGPS数据的传送控制归属于该手机本身。因此，由于，每次传送是由移动手机的需要驱动的，所以，这种协议使蜂窝网络中的数据事务处理最少。然而，相对于图9所示的第一协议组合，利用历书的“广播”模式将增加历书数据分布的业务流量。由于可以以固定速率简单广播DGPS校正数据(如：典型的是每30分钟一次)，所以，DGPS数据分布业务流量的增加会简化在基础设施内确定何时分布DGPS校正数据的逻辑。
在图12中，示出了根据本发明的第四协议组合，手机中事件的顺序从捕获GPS卫星信号开始。在步骤674，GPS信号捕获过程是借助于从蜂窝基础设施发送的辅助数据进行的，在接收机捕获过程，该辅助数据允许多普勒和编码阶段搜索滑窗变窄，并且因此大大加速了可用GPS信号的捕获。一旦接收了捕获辅助数据，则在步骤676对适当信号强度的GPS信号获得伪距(PR)测量。此后，在步骤678进行检测以确定是否有足够的PR可用于支持定位，通常，需要四颗卫星计算位置；然而，如果可以由地势数据计算或提供移动手机的纬度，那么有三颗卫星就够了。如果有足够的卫星可用，则在步骤680采集并检验可用历书数据。在步骤682，采集最近广播的历书数据，然后，利用内插法将此历书数据用于计算卫星位置。在步骤684，采集DGPS校正数据，然后，在步骤686将校正数据传送到当前时间。在步骤688，根据历书年龄，必需对校正数据进行调整，请注意，该广播消息包括用于所有可能的IODE数值的校正数据。然后，在步骤690，将被传送被调整的校正数据施加到已测量的PR。在步骤692对各卫星计算已测量的PR与预期距离之间的余项(利用历书数据和先前的位置估计)，并利用余项改善位置估计或在步骤694计算位置估计。在使用此协议组合过程中，用于各手机定位计算的DGPS数据的传送控制归属于网络。与“点对点”的模式相比较，以增加网络业务流量为代价，所以，这种协议将使网络中涉及数据分布的逻辑最少。
本发明的显著优点是降低了点对点历书传输比特速率(参考上述表1和下面的表6)。可以将表1的最后一行所示的此网络中心接近法的平均更新速率预测与下表6所示的本发明的手机中心接近法的相应预测作对比。这样一比较使得利用本发明实现的网络业务流量的减少更显著了。这种减少可能是由于点对点和广播微分消息(在下面的表3和表4分别定义)能够吸收与年龄历书数据有关的误差。这是由很小的历书误差的“空间解相关”获得的，下面几段将分析历书误差。
微分GPS参考站(在图中被表示为DGPS RS)与移动手机(被表示为MS)的相对几何图形示于图13。并且，相对几何图形可以用于限制历书误差的空间解相关。由于GPS卫星的覆盖范围很广，所以，可以将图中的角度φ近似为：
φ＝d/R                       (1)
其中：φ为视线矢量之间的夹角：
      d为移动站与微分参考站之间的距离；
      R为GPS卫星的覆盖范围；
显然，φ的数值越大对应的移动站与参考站之间的间距越大，因此，具有更大的空间解相关，选d的最大值为100km，选R的最小值为三倍地球半径(对应于正上方的卫星)，这样就产生φ的最大值，即0.005弧度。图中平面上的历书误差分量被标为dpr(对于半径分量)和dpc(对于图中平面上垂直于半径的分量)。历书误差的剩余分量(垂直于图中平面)不会影响空间解相关。
由从参考站和移动站到卫星的视线(LOS)之间的差值获得空间解相关，对于半径误差分量，空间解相关比例因数为(1-cosφ)；对于垂直于半径的分量，该比例因数为sinφ。由于φ太小了，以致垂直于半径的分量起主要作用并与φ本身成正比。因此，最坏情况的比例因数为历书误差每米的微分后校正测距误差0.005米。因此，在最坏的情况下，在应用了可用的微分校正之后，垂直于半径的历书误差大于200米时，一定会产生一米的测距误差。
图14定量表示了历书位置和速度关系与旧历书之间的关系曲线(即，t到toe)，被表示为以米或米/秒为单位的一个西格马轨道内位置和速度误差分量(I)、半径位置和速度误差分量(R)以及“轨道间”轨道内位置和速度误差分量(C)分别对于从可使用历书的时间(toe)开始的小时数的关系曲线。通过计算与358广播历书集预测的差值的抽样标准偏差可以得到该图，广播历书集是1998年利用由喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)支持的国际GPS业务(IGS)精确的历书数据获得的。
应该注意，通常，GPS卫星的历书时间(toe)为当前时间“t”前的两小时，当前时间即卫星开始应用并在其后可以应用到GPS启动的移动站的时间。因此，2小时的t-toe值可能对应于相同历书集(-2小时＜＝t-toe＜＝+2小时)使用的4小时期间，对于各历书集四小时为适当间隔。相应地，我们就可以将任何特定历书集的可应用期间延长到5小时(t-toe＝+3小时)或更长，同时对卫星的位置误差和速度误差的影响很小(如下所述可转换到用户自主位置误差)。此外，对于卫星通过的所有可见预定点，通过恰当的DGPS校正消除此误差。
对于接近地球表面的操作，不希望卫星跟踪间隔超过6小时。由于垂直于半径的误差分量对残留误差起主导作用，并且通常此方向也被调整到与“轨道间”轨道内和轨道内成一条直线，可以利用图14所示的轨道内确定最坏情况历书误差。图14所示的轨道内将成为最大分量，利用此分量会导致最坏情况一个西格马垂直于半径的位置误差分量，即约100米。对应于最坏情况、三西格马情况，用3作为比例因数，并通过与上述获得的最坏情况空间解相关比例因数相乘产生0.4米的最坏情况残留测距误差，当然，对于应急定位以及其它基于定位的业务，0.4米的最坏情况残留测距误差是可接受的。
本发明定义了四种点对点消息、两种广播消息，点对点消息为：请求历书/时钟校正更新(手机到网络)、历书/时钟校正更新(网络到手机)、请求点对点DGPS校正(网络到手机)，以及广播消息为：DGPS广播消息(网络到许多移动站)和历书广播消息(网络到许多移动站)。以下将利用详细的参数说明，进一步对各消息交换进行讨论。
请求历书/时钟校正更新(移动站到网络)
点对点历书控制消息允许对原始历书数据和时钟校正数据进行最低控制并将它们传送到移动站。在此协议中，通过提供SVID的相应IODE(数据历书的发布)列表和卫星的相应IODE(数据历书的发布)列表，MS通知网络其存储器中存储了哪个历书集。此外，手机发送历书年龄期限(t-toe)通知网络对所有当前可见的、现在的手机历书晚于历书年龄期限的卫星发送原始历书。
如果在手机存储器中存储了与原始历书对应的MS产生的IODE集，并且判别与微分校正的历书误差分量有关的最小空间解相关，通常，对于卫星通过的各预定点，只需要单个原始历书。然而，考虑到不同级的用户对精度要求不同，所以，定义了一种算法，利用这种算法，各手机可以自动预测历书年龄对合成解决方案精度的影响。由于，当且仅当移动站精度要求控制请求新历书时，这种算法会请求新历书，所以，这种算法进一步减少了对数据传输的要求。
由于本发明要求对各IODE求微分校正，所以，定义了新广播消息。该广播消息利用对微分校正数据的智能压缩，使得对于所有可用IODE通常只需要单条消息。以下将说明历书广播消息。
历书/时钟校正更新(网络到移动站)
如上所述，只有当MS发出请求时或当基础设施通知手机历书晚于MS对历书年龄指定的阈值所允许的历书时，发送历书数据。该消息的内容示于下表2：
表2：历书/时钟校正更新消息内容
    参数     说明     单位
    SV ID     卫星ID
    SV health     正常说明
    URA     用户测距精度
    TGD     对群延迟的校正     秒
    toc     可使用时钟校正数据的时间     秒
    af0     零级时钟校正     秒
    af1     第一级时钟校正系数     秒/秒
    af2     第二级时钟校正系数     秒/秒2
    Crs     径向校正系数     米
    Δn     对平均运动的校正     半圆/秒
    M0     平均近点角     半圆
    Cuc     升交距角校正系数     弧度
    E     偏心率
    Cus     升交距角校正系数     弧度
    (A)1/2     半长轴平方根     米1/2
    toe     历书的可使用时间     秒
    Cic     倾斜校正系数     弧度
    Ω0     标称经度升交点     半圆
    CIs     倾角校正系数     弧度
i0 标称倾角 半圆
    Crc     径向校正系数     半圆/秒
    ω     近地点幅角     半圆
    Ωdot     赤经的变化率     半圆/秒
    idot     倾斜的变化率、     半圆/秒
表2所示的参数相当于传统的历书数据和时钟校正数据集外加参数URA和TGD。包括参数URA将允许MS对其随选择有效性(SA)程度发生变化的精度预测进行调整。此外，可用根据各移动站的精度预测发出历书请求。将参数TGD包括在内将允许各移动站对群延迟的影响进行校正，并可以获得最精确的解决方案。
请求点对点DGPS校正(手机到网络)
当要求微分精度满足基于手机的应用的定位特性要求时(例如，应急定位)，请求点对点DGPS校正消息。在这种模式中，对于卫星通过的各预定点，移动站仅需要请求一次历书数据。以点对点模式发送到手机的微分校正数据是由网络定制的，所以，由手机的历书年龄引起的额外误差影响就会被微分校正所吸收或补偿。由此可见，可以使用下面表3所示的简单微分校正响应消息。可以预期在广播微分信道在GSM网络(不是所有的GSM网络从事广播业务)中普遍存在之前，点对点微分校正是主要优选使用的配置。根据本发明的优选实施例，由于仅在卫星通过预定点时，发送一次原始历书并且将微分校正调整到适于移动站存储的特定历书，所以，通过将总消息业务流量减少到最少，对于这种不大可能的模式，将该协议进行最优化处理。此消息的附加效果是端应用可以控制定位精度并且蜂窝运营商会从应用或从选择此特定消息业务的用户获益。
点对点DGPS校正消息(网络到手机)
此消息的内容列于表3。请注意，对于被请求的特定IODE，仅发送微分校正数据。根据本发明的优选实施例，通过每30秒或以移动站请求的速率便利地发送DGPS校正数据，将与微分校正等待时间有关的误差保持到可接受的电平。
            表3：点对点DGPS校正消息内容(每个卫星)
    参数             说明 发送参数
    N sats     出现校正数据的卫星数目 每消息一次
    Time     校正数据有效的GPS时间(秒) 每消息一次
    UDRE SF     精度预估器的比例因数 每消息一次
    UDRE     用户微分测距误差(精度预测器，米) 每消息一次
    SVID     应用校正数据的GPS卫星 对各卫星
    Corr SF     校正数据的比例因数 对各卫星
    IODE     应用校正数据的历书发布 对各卫星
    PRC     伪距校正(米) 对各卫星
    RRC     距变率校正(米/秒) 对各卫星
DGPS广播消息(网络到许多移动站)
通过用微分校正数据对由年龄历书数据引起的误差进行补偿，本发明减少了网络业务流量，相应的广播DGPS消息必需包括所有可用IODE值的校正数据集。这样就会导致消息长度超过82个8位字节，即超过GSM短消息业务蜂窝广播(SMSC)消息的最大消息长度。然而，如下表4所示，根据本发明的优选实施例，对数据进行智能压缩。
                 表4：DGPS广播消息内容
参数     说明 发送参数
N sats     出现校正数据的卫星数目 每消息一次
Time     校正数据有效的GPS时间(秒) 每消息一次
UDRE SF     精度预估器的比例因数 每消息一次
SVID     应用校正数据的GPS卫星 每消息一次
Corr SF     校正数据的比例因数 每消息一次
Current IODE     校正数据应用的当前历书发布 每个SVID一次
PRC-PRCavg     压缩的伪距校正(米) 每个SVID一次
RRC-PRCavg     压缩的测距率校正(米/秒) 每个SVID一次
N_prev     以前IODE校正值的数目 每个SVID一次
ΔPRC     PRC校正值的差值(米) 每个N_prev一次
由表4，可以明白在广播消息中使用的几种智能压缩模式，而其它智能压缩模式就难于理解。由于各移动站具有相对可靠的定时信息，所以，相对于DGPS校正数据的整个20位的RTCM标准，DGPS时间标记被压缩了。通过从各PRC值和RRC值中减去所有卫星的校正数据的平均值，对微分校正数据本身进行压缩。该平均值反映了校正数据中的公共时偏和公共频偏，公共时偏和公共频偏是由振荡器偏移和漂移引起的。公共时偏和公共频偏对微分校正的移动站的导航解决方案没有影响，因此可以将它们消除。此外，由于历书年龄引起的速度误差相对于标称等待时间误差要小，所以，不必包括以前IODE的RRC值。最后，由于PRC差值是由历书年龄误差引起的而非由通常的DGPS等待时间效应(如：SA加速度)引起，所以，不必为了进行数据压缩而每隔30秒发送一次它们。在对于最坏情况，每分钟发送一次PRC差值足够。当历书非常过时时，就会发生最坏情况，发生这种情况时，就建议对与年龄成反比的数据进行附加压缩，即更近期的PRC差值被发送的更不频繁。利用这两种压缩技术，需要将DGPS广播消息发送到所有可见卫星的字节数少于82个字节。
历书广播消息
广播历书消息的内容示于表5。请注意，该消息由计算GPS卫星位置和速度的两个数据集组成，这样，相对于发送全部历书数据集来说就减少了广播的位数。为了当前时间获取位置数据和速度数据，允许移动手机在计算数据的可用时间之间内插，因此，按时间划分这两个数据集。根据整个历书数据集，相对于利用手机进行计算，利用内插法，而非利用外插法，可以消除任何显著误差。
              表5 广播历书消息
   参数     说明
    t0     第一位置和速度数据集的可用时间(秒)
    Δt     数据集之间的间隔时间(分钟)
    N_sats     位置和速度数据跟踪的GPS卫星的数目
    SVID     该位置和速度数据集的ID
    X0     t时刻的ECEF X位置分量(米)
    Y0     t时刻的ECEF Y位置分量(米)
    Z0     t时刻的ECEF Z位置分量(米)
    X_dot0     t时刻的ECEF X速度分量(米/秒)
    Y_dot0     t时刻的ECEF Y速度分量(米/秒)
    Z_dot0     t时刻的ECEF Z速度分量(米/秒)
    X1     t+Δt时的ECEF X位置分量(米)
    Y1     t+Δt时的ECEF Y位置分量(米)
    Z1     t+Δt时的ECEF Z位置分量(米)
    X_dot1     t+Δt时的ECEF X速度分量(米/秒)
    Y_dot1     t+Δt时的ECEF Y速度分量(米/秒)
    Z_dot1     t+Δt时的ECEF Z速度分量(米/秒)
为了进一步降低广播历书消息的数目和长度，本发明包括了每个消息仅发送一个卫星的位置矢量和速度矢量的历书广播消息。在t1和t2之间的某个时间计算移动站的位置之前，这就要求移动站去获得t1和t2时的两个连续的历书广播消息。
根据本发明的另一个方面，手机利用一种算法计算卫星在t0＜t＜t1(其中t1＝t0+Δt)的任意时间的位置和速度。实际上，这种算法就是两步迭代法，迭代法的两个步骤包括：首先，由速度数据计算初始加速度估计，然后，利用初始加速度估计来计算加速度率(加速度的导数)。之后，可利用所计算的加速度率改进位置估计。由于该算法对于位置分量和速度分量相同，所以，在下面的等式中只列出一项分量。利用等式(2)计算加速度估计：
X_ddot＝(X_dot1-X_dot0)/(t1-t0)       (2)
通过等式(3)，利用由等式(2)计算的加速度估计来预测X1：
X1_hat＝X0+X_dot0Δt+X_ddotΔt2/2     (3)
利用预测的X1与其计算值之间的差值来计算加速度率水平，该加速度率水平使得预测值与计算值相同：
ΔX1＝X1-X1_hat＝X_dddotΔt3/6        (4)
利用等式(4)求解加速度率值(X_dddot)，对于卫星位置，将加速度率值用于等式(5)进行内插：
X(t)＝X0+X0_dot(t-t0)+X0_ddot(t-t0)2/2+X0_dddot(t-t0)3/6
                                                     (5)
请注意，卫星时钟校正数据不在此广播消息中。如图15所示，通过适当调整被发送的位置数据和速度数据以吸收时钟误差影响，这是允许的。图15示出卫星的估计位置和卫星的实际位置，其中为将符合卫星位置曲线的数据与卫星时钟校正参数进行合并作准备。这样就允许完全消除时钟校正参数，同时将传送位数由每个卫星254位进一步减少到217位。为了实现此目标，必需将时钟误差转换为等效卫星位置误差。
在图15中，全球导航定位系统(如：GPS)中的卫星696在无线通信系统上方沿轨道运行。无线通信系统包括多个与移动站(如：移动站700)双向无线通信的基站698。将时钟误差的影响转换到等效卫星位置误差就要求卫星轨道曲线拟合X(t)被与卫星时钟校正数据对应的一个量调整。由卫星时钟校正数据计算有效距离扩展C0、C1和C2，卫星时钟校正数据由t0、t1和t2时的历书数据与光速(SOL)相乘获得。其大小可以是正数(离得更远了)也可以是负数(距离移动站更近了)，但是，通常小于1ms数量级(但是可以大到5ms)。
利用以下但是可以计算有效位置XE′(t)：
XE ′ ( t 0 ) = X ( t 0 ) + C ( t 0 ) SOL ( X ( t 0 ) - R | X ( t 0 ) - R | ) . . . . ( 6 )
为了调整卫星的有效轨道，需要确定参考点“RL”，这样就可以沿卫星实际位置X(t)和RL延长线投影出卫星轨道位置。通常，可以将基站698作为RL。简单的矢量计算就可以将卫星轨道由X(t)调整到X′(t)。
选择系统的各独立基站作为参考点可以控制在距离测量中产生的误差。可以假定基站698距离移动站700在10Km之内(在蜂窝系统中，其在多数时间有效)。此外，已知卫星时钟校正不能大于5ms，因为5ms是最大参数值。卫星预测距离的最大误差随时钟误差和基站到移动站的间距变化。根据调整的或投影出的卫星轨道、移动站距离参考点10Km的距离以及5ms的时钟误差，测量距离的最大误差接近1米，相对于已知的其它系统误差(如：多径误差、接收机噪声、电离层时延以及其它量化影响)，1米的误差小的可以接受。
自主GPS模式的协议性能预测
通过检验不同纬度的卫星跟踪间隔的分布(卫星跟踪间隔控制历书年龄分布)，并计算各卫星所需的历书集的平均数，可以预测本发明的性能。在下表6中对该分析进行了概括。将平均值列在在最后一行，并通过将此行中的平均值与表1中的最后一行(代表现有技术的相应性能数据)进行比较，清楚地说明了本发明的优点。对于所有纬度，均减少了历书更新，范围从对于高纬度减少40％的历书更新到对于赤道减少45％的历书更新。
            表6.根据本发明各可视卫星发送到MS的总位数
  纬度 利用原始历书更新的SV的历书的更新数(％) 利用其后的历书更新的SV的历书的更新数(％)     各SV的总的原等效更新
  60度     100％     无   1.0×原始历书位数
  30度     100％     无   1.0×原始历书位数
  15度     100％     17％   1.17×原始历书位数
  赤道     100％     33％   1.33×原始历书位数
利用历书的年龄来控制更新请求
如果是对历书数据发请求，那么BS或SMLC仅需要发送当前可见卫星的历书数据，因为，当前可见卫星的历书数据还没有存储到手机存储器中，或者因为当前可见卫星的历书数据不符合由特定移动站说明的“历书年龄限制”参数(根据应用定位精度要求，由自主用户端应用对此作设定)。因此，根据本发明的优选实施例，对于新卫星，协议仅对可能会由于上一次的请求可能已经上升的新卫星将历书数据发送到移动站。
如果终端应用就是利用DGPS校正，那么，可以将“历书年龄限制”设高，高“历书年龄限制”表示对于卫星通过的所有可见预定点不需要更新手机中的原始历书。在这种情况下，将新原始历书数据向移动站发送一次，并将新原始历书数据用于整个可视卫星的通过。
手机可以用多种方法将过时的历书数据集从其存储器中删除。例如，由于手机接收了历书数据，所以只有它具有时间间隔计数器，就可以对时间保持跟踪。由于我们知道经过某个时间(如4到6小时)之后，历书数据不再有效，所以，在此时间段期满之后，手机可以将所存储的历书数据作废。此外，通过估计当前时间的历书数据，移动站可以始终进行校验以检验卫星是否定位到低于本地地平线的位置。对于定位的任何卫星，应消除历书数据。此外，当移动站获得新历书数据集时，移动站将GPS周数(包含在响应头部)标记到历书数据，结果，移动站本身就可以决定设定到其的特定数据何时就太过时了并且可以将它们从存储器中删除。
对嵌入蜂窝手机用于确定更新手机历书的
最优过程的算法的说明
本发明的另一个方面是一种确定何时从蜂窝基础设施请求历书数据的方法，该方法可以由手机实现。由于可以利用适当产生的微分校正对由历书年龄引起的误差进行补偿，所以，仅在自主操作手机时，建议使用该方法。该方法的目的是将历书更新请求的次数减少到最小。历书更新请求的次数是通过如下模式达到最少的：通过设计历书年龄对GPS伪距残留的作用的模型；通过将此模型用于解决方案(如果采用加权最小平方算法)；通过利用当前的历书数据集预测解答精度；以及，最后，如果预测的解决方案精度过高，通过根据历书更新效应将手机历书更新请求建立在预测解决方案精度的上。
在预测解决方案精度时，先验统计(即：协方差信息)和后验统计(即：当解决方案被超定时，单位方差信息)均被使用。由于手机在计算定位时已完成了许多请求计算，所以该方法不会对手机产生明显的附加计算负担。
导航误差的预测
图14和图16提供了卫星位置导出历书的一个西格马轨道内误差分量估计、“轨道间”轨道内误差分量估计以及半径误差分量估计。当然，由GPS接收机计算的伪距测量的精度不受历书年龄的直接影响。然而，在由可用伪距测量推导导航信息的过程中，必需对GPS卫星的位置进行预测，因此，沿到各卫星的视线(LOS)的历书误差分量直接影响导航精度。通常，LOS历书误差分量为轨道内、“轨道间”轨道内以及半径分量的合成，但是将由半径分量起主导作用，在对应于0仰角的最坏相对几何关系情况下，沿LOS将有24％(14度的sine值)轨道内误差分量或“轨道间”轨道内误差分量。
在传统预测计算中使用旧的历书数据从而导致对导航误差的非常不精确的保守预测。由于可以毫无疑问地假定各卫星的历书数据已过时，可见，估计过于保守。
更一般、更实际的情况是，根据本发明，只有卫星子集作为目标被跟踪超过6个小时，因此，可以将过时历书数据用于某些预测计算。利用卫星几何关系和以下算法可以确定历书误差对导航误差的影响。
e＝(HTH)-1HTδPR             (LS解决方案)    (7)
e＝(HTR-1H)-1HTR-1δPR     (WLS解决方案)   (8)
其中：e代表4维导航(和时钟)误差矢量；
H为测量梯度矩阵；
R为估计测量误差方差矩阵；
以及，δPR为m维伪距误差矢量。
通常，由于WLS算法可以使使用过时历书数据的卫星产生的伪距去权重(当解决方案超定(overdetermined)时，即当m大于4时)，所以优先使用WLS算法。通过将涉及历书年龄的一个西格马误差包含在估计测量误差协方差矩阵R中，可以实现测量去权重。
通过取导航误差矢量的外积并对等式(7)和等式(8)进行平方，然后，取预期值，下列等式导出导航误差协方差矩阵：
P＝(HTH)-1HTRH(H TH)-1      (LS解决方案)    (9)
P＝(HTR-1H)-1                 (WLS解决方案)   (10)
在推导等式(9)和等式(10)的过程中，假定估计测量误差协方差矩阵和实际测量误差协方差矩阵(表示为R)相等。请注意，对于WLS解决方案，已经利用WLS算法计算了导航误差协方差矩阵P，但是，对于LS算法，还需要附加计算，正如等式(9)给出。
对于超定解决方案，应计算单位方差统计：
u＝fTf/(m-4)                                  (11)
其中：f为m维差错矢量。
尽管不完全严格，但是，单位方差为测量一致性的衡量(相对于其假定的误差统计)；因此，过大数值由差错测量数据指出，并且过大数值可以被用于标定导航误差协方差并使它更现实。
已知等式(9)、(10)和(11)提供了导航误差的特征，而且规定手机可容许的导航误差，利用下列测试来控制对历书数据更新的请求：
α2(P(1，1)+P(2，2)+P(3，3))＞emax 2          (12)
参数α控制保守度(conservatism)。例如，α为2表示emax不超过95％的准确度。出现在等式(12)中的三项协方差矩阵分别对应于东位置误差、北位置误差和垂直位置误差；如果P(3，3)被删除，则检测仅对预期的水平位置误差方差进行。
由于等式(12)指出的导航误差过大，所以进行附加检测以判定是否希望对一个或多个历书数据进行更新以被导航解决方案所接受(即：由等式(12)表示的检测无效)。换句话说，可以利用检测判定一个或多个历书更新是否会明显地减少预测导航误差。这些检测从等式(9)或(10)中消除历书误差的影响(由于历书误差影响R的适当矩阵元)，历书误差可由等式(11)计算。然后，重复由等式(12)表示的检测以判定某个卫星或多个卫星的历书数据更新是否会使导航解决方案可接受。对具有4小时龄历书数据的所有卫星进行检测，检测过程从最久的历书开始，包括以前在各新检测设定已检测的卫星。由此可见，将请求产生可接受导航性能所要求的历书更新的最小次数，因此，最小化了历书更新。
历书误差空间解相关的预测
参考图13，其中示出了涉及历书误差空间解相关的几何关系。假定MS与RS之间的间距d、以及历书误差的半径分量和沿航迹分量、δpr和δPat、由MS和RS测量的测距误差的差值与夹角θ的sine值成正比(对于沿航迹分量)、并与1减夹角θ的cosine值(对于半径分量)成正比。由于GPS卫星的测距范围太大了(至少三个地球半径)，所以希望θ为非常小的夹角，因此沿航迹误差的影响将起主导作用。等式(13)对此误差提供了空间解相关的灵敏度：
δPR＝(d/3 Re)δPat   (13)
对于20Km的间距，施加微分校正之后，等式(13)说明1Km的历书误差(假定是沿航迹方向)仅会导致1米的残留伪距。因此，在MS和RS之间，只要IODE值匹配，利用微分校正可以允许MS使用过时历书数据集。这就要求产生微分校正的软件存储附加历书数据集并对适当历书数据集产生校正数据。由于以四西格马为特征的最坏情况历书误差仅产生1公里误差，所以，可以预期10小时龄的历书数据(参考图14)会在等式(13)预测的可接受范围内产生约250米、一个西格马(one sigma)的质量下降。
图14所示的曲线可以预测与随历书年龄变化、基于历书的GPS卫星定位估计有关的一个西格马误差。利用喷气推进实验室(JetPropulsion Laboratory)通过互联网邮寄的精确历书(亚米精度)，通过对全天的GPS历书数据进行分析可以获得一个西格马误差。
PRC和RRC差值的广播历书压缩的调整
由于微分校正数据的等待时间，下式给出由选择有效性(SA)高频脉动引起的一个西格马误差：
σSA＝σSAaccΔt2/2  (14)
当Δt＝30秒，并且σSAacc＝0.005米/秒2时，(SA的实验说明这是所使用的合理且保守的数目)，则一个西格马等待时间误差为2.25米，或者最坏情况误差(3西格马)为7.75米。该数将用作对潜在ΔPRC值的影响的大小进行比较的基线，如果由ΔPRC等待时间引起的最坏情况误差小于由SA引起的最坏情况误差，则将等待时间调整到可接受的程度。
请注意，由于ΔPRC值不包括在广播消息中，所以，ΔPRC等待时间的影响包括对速度和加速度的影响。参考图16所示的一个西格马速度误差曲线，可以获取速度误差的影响。从历书可接受的时间(被表示为toe)中找出10小时(假定为最坏情况)，一个西格马径向速度误差约为0.033米/秒。因此，60秒的等待时间产生1.98米、一个西格马误差，或5.94米的最坏情况误差，均小于由SA在30秒引起的误差。请注意，当从toe开始的时间减少时，等待时间会接近线性减少，例如，对于对应于仅有6个小时过时的历书的ΔPRC值，最坏情况误差被减少到2.7米。这样我们就可以假定可以不频繁发送与多个当前历书数据对应的ΔPRC值以省去附加位。尽管在历书误差分析中未包括加速度误差，但是，由于误差的影响从性质上说是正弦的，同时正弦周期与轨道周期相同，所以，可以预期加速度误差很小。因此，可以通过取速度误差峰值(对于10小时的过时历书)并除以轨道周期可以获得最坏情况加速度误差。获得1.4μg的值，60秒后，该值产生0.05米的位置误差。
参考图17至图20，示出了根据本发明的变换实施例。此根据本发明的变换实施例与上述优选实施例的区别在于优选实施例为基站子系统(BSS)并且具有基于BSS的SMLC 112，而图17至图20所示的变换实施例为网络系统子系统(NSS)。
图17为根据本发明的变换实施例的系统图，该系统包括基于NSS的SMLC 112。除了SMLC 112被连接到BSC 110的MSC/VLR 122之外，该系统与图1所示的系统相同。
图18示出根据图17所示的本发明的变换实施例可以支持定位业务(LCS)的结构。除了这是关于基于NSS的SMLC 112的结构之外，对此结构的讨论与图2所示的描述非常相近。换句话说，通过将关于LS接口702的信令发送到所访问的MSC 122，此结构可以支持对MS104目标的定位。应将图2所示的其余部分应用到此图。MSC 122含有可对MS用户授权以及管理涉及GSM LCS定位请求的呼叫和涉及GSM LCS定位请求的非呼叫的响应的功能度。MSC 122可通过Lg接口接入GMLC 124，通过Ls接口702接入SMLC 112。利用Ls接口702和用于A类型LMU 142的Um接口(接到LMU的空中接口)或用于B类型LMU 143的Abis接口，通过BSC 122将信令在基于BSS的SMLC112与LMU 142和LMU 143之间转接。
图19示出图17所示的根据本发明的变换实施例，利用基于BSS的SMLC 112用于支持在SMLC 112和目标MS(移动站)104之间的信令协议的协议层。除了在基于NSS的系统中在SMLC 112与BSC 110之间的信令不是直接的而必需包括从SMLC 112到MSC 122的信令、然后再到BSC 110之外，在SMLC 112和目标MS(移动站)104之间的信令细节与上述根据图14所讨论的信令相同。该信令协议及其使用为熟悉GSM蜂窝系统及其所使用的协议的技术人员所熟知。
参考图20，根据在此讨论的本发明的变换实施例，存在两条数据流，即定位过程流和辅助数据流。使用了图17和图18所示的基于NSS的SMLC 112的各种定位方法的辅助数据发送流示于图20。由于除了定位过程/辅助数据流之外，基于NSS的SMLC的定位过程与图5和图6所示的基于BSS的SMLC的定位过程非常接近，所以，对于图20未示出的相同步骤，我们可以参考图5和图6。基于NSS的SMLC定位过程流包括：(a)SMLC确定可能的辅助数据并将RRLP MEASUREPOSITION请求发送到MSC并且MSC将RRLP MEASURE POSITION请求发送到BSC；(b)BSC将包括QoS和任一辅助数据的定位请求在RRLP MEASURE POSITION请求中发送到MS；(c)只要在MS中不允许提供定位专用(privacy)，或为了获得应急呼叫定位而允许但是发生了超越，MS进行所请求的GPS测量(如果MS能够计算其自身位置并且这是必需的，那么MS计算GPS定位估计。进行这些运算必需的任何数据或者在RRLP MEASURE POSITION请求中提供或者从广播源中获取)并将获得的GPS测量或GPS定位估计在RRLPMEASURE POSITION的应答中送回BSC；(d)如果MS不能进行必要测量，或者不能计算定位，那么就代之以返回无效指示；(e)BSC将测量结果以在BSSMAP定位信息报告消息中的MEASUREPOSITION响应的形式发送到MSC；以及(f)MSC将测量结果以在LCS信息报告消息中的MEASURE POSITION响应的形式转发到SMLC。
基于NSS的SMLC辅助数据流包括：(a)SMLC确定辅助数据并将RRLP ASSISTANCE DATA消息发送到MSC；(b)MSC将RRLPASSISTANCE DATA消息转发到BSC；(c)BSC将辅助数据以RRLPASSISTANCE DATA消息的形式发送到MS(如果辅助数据不适于一个消息发送，则可以重复步骤(a)、(b)和(c))；(d)BSC将RRLP ASSISTANCE DATA ACK发送到MSC；以及(f)MSC将RRLPASSISTANCE DATA ACK转发到SMLC。
在其它操作方面，特别是移动站104的操作、基于NSS的系统操作以根据本发明的优选实施例的上述模式进行。
对为了支持基于辅助GPS的定位蜂窝手机而同时支持广播和点对点消息的蜂窝网络协议作了规定。我们会注意到本发明比当前的解决方案具有多项优点。例如，本发明减少了在移动站和网络之间所要求的业务流量(带宽)，并通过去除对表内和表间、相关数据结构和算法以及用于历书数据建立和保持的SMLC内和SMLC间通信的要求，降低了基础设施的复杂性。事实上，上述分析指出，与类似的传统技术比较，业务流量的减少量平均超过40％。
本发明控制消息和控制方法比传统定位技术的改进之处在于，这些消息和方法优势之处在于将网络中所要求的业务流量降低到最少。例如，所说明的点对点历书广播方法对有效要求位速率至少降低40％。在其点对点消息中，协议可以是指“手机中心”接近法，以区别于传统的“网络中心”接近法。在本发明中共同将传送到手机所需的位数减少到最少的三种特定新方法为：用于减少或消除发送到各移动站的GPS历书更新的要求量的方法；用于将速率控制到能使网络根据历书年龄限制更新各手机的历书的方法；以及，最后，根据精度预测和各移动站的唯一阈值，各移动站可以用于确定何时需要历书更新的方法。
在根据本发明的历书广播消息中，还规定了的三种全新的特定方法：使用所计算的位置数据代替历书单元，这样，最多可以将有效位速率降低50％；将卫星时钟校正数据并入广播定位估计以省去对其单独广播的要求；以及一种根据GPS的误差特性将微分校正广播消息压缩的压缩方法。
尽管利用上述说明和附图对本发明进行了描述和说明，但是，很明显，本说明仅仅是利用实例，而且在本发明的实质范围内，本技术领域的技术人员可以进行大量变换和调整。例如，尽管在GSM蜂窝系统内的优选实施例和变换实施例中说明了本发明，但是本发明还可以应用于其它无线通信系统中。因此，仅由所附的权利要求对本发明作限定。

Claims (8)

1.一种在通信网络中支持GPS移动无线通信手机的方法，包括步骤：
对于存储在所述GPS移动无线通信手机中的历书信息，从GPS移动无线通信手机上接收卫星标识信息和相应的数据历书发布信息；
从所述GPS移动无线通信手机接收t-toe时限信息；
基于从所述GPS移动无线通信手机接收到的t-toe时限，将更新后的历书信息发送给所述GPS移动无线通信手机。
2.根据权利要求1所述的方法，基于从所述GPS移动无线通信手机接收到的所述卫星标识信息和数据历书发布信息，将更新后的历书信息发送给所述GPS移动无线通信手机。
3.根据权利要求1所述的方法，仅对某些卫星将更新后的历书信息发送给GPS移动无线通信手机，在这些卫星中，存储在所述GPS移动无线通信手机中的历书信息超过了从所述GPS移动无线通信手机所接收到的t-toe时限。
4.根据权利要求1所述的方法，基于从GPS移动无线通信手机接收到的t-toe时限信息，通过将更新后的历书信息从网络基础设施发送给所述GPS移动无线通信手机，从而减少空中的信息流量。
5.根据权利要求1所述的方法，为了减少空中的信息流量，仅对某些卫星将更新后的历书信息发送给所述GPS移动无线通信手机，在这些卫星中，存储在所述GPS移动无线通信手机中的历书信息超过了从所述GPS移动无线通信手机所接收到的t-toe时限。
6.根据权利要求1所述的方法，通过以下方式，延长存储在GPS移动无线通信手机上的历书信息的使用：只有在历书信息的年龄超过所设定的大于2小时的所述t-toe时限之后，才更新所述历书信息。
7.一种在通信网络中支持GPS移动无线通信手机的方法，包括如下步骤：
对于存储在所述GPS移动无线通信手机中的历书信息，从GPS移动无线通信手机接收卫星标识信息和相应的数据历书发布信息；
基于从所述GPS移动无线通信手机接收到的卫星标识信息和数据历书发布信息，为所述GPS移动无线通信手机计算各伪距校正信息；
将所述各伪距校正信息、卫星标识信息、以及数据历书发布信息发送给所述GPS移动无线通信手机。
8.根据权利要求7所述的方法，
计算各伪距校正的步骤包括：基于从所述GPS移动无线通信手机接收到的卫星标识信息和数据历书发布信息，为所述GPS移动无线通信手机计算各伪距率校正；
所述发送各伪距校正的步骤包括发送所述各伪距率校正。
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