Die gegenwärtige Erfindung liegt allgemein im Bereich der Funk-Kommunikationssysteme.
Genauer bezieht sich die gegenwärtige Erfindung auf ein Verfahren und eine Anordnung für
ein Protokoll zur Bestimmung des Standortes eines mobilen Handgerätes in einem Funk-
Kommunikationssystem.
Funk-Kommunikationssysteme stellen im allgemeinen zwei-Wege Sprech- und Datenkom
munikation zwischen entfernten Orten bereit. Beispiele für derartige Systeme stellen mobile
und persönliche Kommunikationssysteme (PCS) zur Funk-Kommunikation, Bündelfunksy
steme, schnelle Funknetzwerke, und globale mobile persönliche Kommunikationssysteme
(GMPCS), wie auf Satelliten basierende Systeme, dar. Die Kommunikation in diesen Syste
men wird gemäß einem vorher festgelegten Standard geleitet. Mobile Stationen, auch als
Handapparate, "Portables" oder Funktelefone bekannt, fügen sich in diesen Systemstandard
ein, um mit einer oder mehreren festen Basisstationen zu kommunizieren.
Es ist wünschenswert, die physikalischen Standorte mobiler Stationen innerhalb eines Sy
stems zu bestimmen und mit ihnen zu kommunizieren, so wie Funktelefonhandgeräte inner
halb eines Mobilfunknetzes. Des weiteren verfügte die "Federal Communications Commissi
on" der USA (FCC), dass Mobiltelefone bis zum Jahr 2001 geographisch ortbar sein müssen.
Dies ist insbesondere bei Notsystemen wie "Enhanced 911" (E911) wünschenswert. Das FCC
verlangt strikte Genauigkeits- und Erreichbarkeitsleistungen und fordert, dass der Standort
von Mobiltelefonen für Netzwerklösungen zu 67% der Zeit auf 100 Meter genau festgestellt
werden kann und dass der Standort von Mobiltelefonen für Handgerätelösungen zu 67% der
Zeit auf 50 Meter genau festgestellt werden kann.
Des weiteren können mit diesen für Mobilstationen erhältlichen Standortinformationen stand
ortabhängige Leistungen und Nachrichten, Werbung eingeschlossen, als Antwort auf den
Standort des Mobiltelefons an den Benutzer des Mobiltelefons weitergeleitet werden.
Gegenwärtige Generationen von Funkkommunikation besitzen nur begrenzte mobile Stand
ortbestimmungsgenauigkeit. Bei einer Methode wird die Position der mobilen Station be
stimmt, indem die Übertragungen der mobilen Station an mehrere Basisstationen verfolgt
wird. Aus der Laufzeit der Signale kann die Position der mobilen Station berechnet werden.
Allerdings ist die Genauigkeit dieser Technik begrenzt und kann bei Zeiten unzureichend für
die FCC-Anforderungen sein.
Bei einer anderen Methode ist jede mobile Station mit einem Empfänger für ein globales Sa
tellitennavigationssystem wie das "Global Positioning System" (GPS) ausgerüstet. Konstruk
tion und Bedienung der GPS-Empfänger werden in den nordamerikanischen Patenten 5 175 557
und 5 148 452 beschrieben, die beide dem Erfinder der hier beschriebenen Erfindung
zugeteilt wurden. Der GPS-Empfänger empfängt Signale von mehreren GPS-Satelliten, die
die Erde umrunden. Aus diesen Daten und deren Übertragungszeit berechnet der GPS-
Empfänger die Positionen der Satelliten und daraus seine eigene Position. Ein GPS-Satellit im
Weltraum bewegt sich mit etwa 4000 Metern in der Sekunde. Die Standortdaten des Satelliten
sind definiert als X(t), die Geschwindigkeitsdaten als V(t). Die Parameter X(t) und V(t) sind
dreidimensionale Positions- und Geschwindigkeitsvektoren des Satelliten und beziehen sich
auf ein karthesisches Koordinatensystem, das sich mit der Erde mitbewegt und seinen Ur
sprung im Erdmittelpunkt hat. Das GPS-System beinhaltet 24 Satelliten, von denen zu jedem
Zeitpunkt mehrere den mobilen Stationen sichtbar sind. Jeder dieser Satelliten sendet Daten
gemäss vorher definierter Standardformate und Zeitpunkte.
Traditioneller Weise werden Satellitenkoordinaten und -geschwindigkeiten im GPS-
Empfänger berechnet. Der Empfänger erhält Ephemeride und Uhrzeitkorrekturdaten des Sa
telliten, indem er den vom Satelliten übertragenen Datenfluss demoduliert. Die Satellitenüber
tragung enthält 576 Bit Daten, übertragen mit 50 Bit pro Sekunde (bps). Die in den Ephemeridedaten
enthaltenen Konstanten stimmen mit Kepplerkonstanten überein und man benötigt
viele mathematische Operationen, um diese Daten in Ort- und Geschwindigkeitsdaten umzu
wandeln. In einer Anwendung verlangt diese Umwandlung 90 Multiplikationen, 58 Addie
rungen und 21 transzendente Funktionsaufrufe (sin, cos, tan), um die Ephemeride in Satelli
tenpositions- und Geschwindigkeitsvektor für einen einzelnen Satelliten umzurechnen. Die
meisten dieser Berechnungen verlangen doppelte Präzision, "floating point"-Prozessierung.
Diese Berechnungen müssen vom Empfänger jede Sekunde für jeden der bis zu 12 Satelliten
ausgeführt werden.
Daher ist der rechnerische Aufwand zur Ausführung dieser traditionellen Berechnungen be
achtlich. Das Handgerät muss einen hochwertigen Prozessor enthalten, der fähig ist, die not
wendigen Operationen durchzuführen. Solche Prozessoren sind relativ teuer und verbrauchen
viel Leistung. Ein Handgerät für den Benutzer soll möglichst billig sein und wenig Leistung
verbrauchen. Dieses Ziel ist allerdings nicht mit der hohen rechnerischen Anforderungen für
die GPS-Prozessierung vereinbar.
Des weiteren stellt die langsame Datenrate vom GPS-Satelliten eine Limitierung dar. GPS-
Empfang an einem GPS-Empfänger kann mehrere Sekunden oder mehrere Minuten in An
spruch nehmen, während denen der Empfänger-Stromkreis und der Prozessor der mobilen
Station kontinuierlich mit Energie versorgt werden müssen. Vorzugsweise werden zur Ver
längerung des Lebens der Batterie in tragbaren Empfängern und Empfangseinheiten, wie mo
bile Handgeräte, die Schaltungen so oft wie möglich von der Stromversorgung getrennt. Die
lange Zeit zum Empfang eines GPS-Signals kann die Batterie einer mobilen Station schnell
leeren. In jeder Situation, speziell aber in Notsituationen, ist die lange Zeit zum Empfang ei
nes GPS-Signlas unbequem.
Ein Systemvorschlag, "Assisted GPS" genannt, beinhaltet den Empfang der Ephemeride- und
Zeitkorrekturdaten in einer Basisstation eines Funk-Kommunikationssystems und die Über
sendung dieser Daten über eine konventionelle Kommunikationsverbindung an die mobile
Station. Die Basisstation empfängt die 50 bps-Übertragung von einem GPS-Satelliten und
handelt als ein Wiederholer, der die Daten des GPS-Satelliten sammelt und sie mit einer hö
heren Datenrate an eine mobile Station weiterleitet. Die Ephemeride- und Zeitkorrekturdaten
werden von der mobilen Station empfangen und für Satellitenpositionsberechnungen verwendet.
Aus der Satellitenposition kann dann die Position der mobilen Station berechnet werden.
Obwohl dieses System einige Vorteile, wie größere Datenraten in der Basis-Mobil-
Kommunikationsverbindung, aufweist (typischer Weise 9600 bps), die es der Empfänger
schaltung der mobilen Station erlauben, einen größeren Zeitraum ausgeschaltet zu sein, bleibt
der hohe rechnerische Aufwand zur Bearbeitung der ephemeridischen Rohdaten erhalten.
In einer anderen vorgeschlagenen Lösung wird ein GPS-Almanach in der mobilen Station
gespeichert. Dieser Almanach stellt eine reduzierte Teilmenge der Ephemeridedaten dar. Eine
Basisstation berechnet Standort- und Zeitkorrekturinformation für diesen Almanach und über
trägt diese Korrektur über die Kommunikationsverbindung auf die mobile Station. Die mobile
Station entscheidet, dass sie die richtigen Korrekturdaten für ihren Almanach besitzt und, falls
dies so ist, berechnet Satellitenstandort und Zeitdaten, indem sie den Almanach verwendet.
Dieses System verringert etwas den von der mobilen Station verlangten rechnerischen Auf
wand. Allerdings muss der Empfänger der mobilen Station während der Übertragung seiner
Almanachdaten und während aller folgenden Übertragungszeiten für Korrekturdaten seines
Almanachs mit Energie versorgt werden. Des weiteren müssen die Daten des Almanach in der
mobilen Station gespeichert werden, was Größe und Preis der mobilen Station vergrößern
kann.
Eine weitere vorgeschlagene Lösung ist ein netzwerk-zentrierter Ansatz, bei dem die Verant
wortung zu entscheiden, wann ein Mobiltelefon auf den neuesten Stand gebracht werden soll,
dem Netzwerk obliegt. Dies fährt zu einer harten Randbedingung für die Endanwendung, die
sehr konsequent verfolgte Datenupdatebedingungen für alle Mobiltelefone fordert, da es dem
Mobiltelefon unmöglich ist, das Netzwerk zu informieren, dass das Datenupdateschema Prio
rität erhalten soll.
Diese Lösung birgt drei große Nachteile. Erstens wurde noch nicht nachgewiesen, dass die
dynamische Breite der inkrementellen Updatefelder ausreicht, alle möglichen Werte der Pa
rameter abzudecken. Bei der Komplexität des inkrementellen Updatealgorithmus werden
selbst mehrere Wochen an epheremidischen Daten nicht ausreichen, alle Möglichkeiten, wie
Manöver zum Erhalt der Satellitenstation oder Änderungen der Satellitenumlaufbahn, wie sie
von Zeit zu Zeit von der GPS Bodenkontrolle durchgeführt werden, abzudecken. In der Vergangenheit
wurden mehrere GPS Satelliten für Wochen auf höhere Umlaufbahnen gebracht,
um diese Satelliten dann auf eine andere Umlaufbahn in der alten Umlaufebene zu bringen.
Während der gesamten Phase waren die Satelliten aktiv, bis auf die kurzen Beschleunigungs-
und Bremsvorgänge.
Zweitens muss ein neuer Parameter, "Issue of Data Assistance" (IODA), erzeugt und für jede
Probe der sichtbaren Satelliten alle 15 Minuten verwendet werden, und es müssen komplizier
te Intra- und Inter-Tabellen und damit verwandte Datenstrukturen und Algorithmen erzeugt,
verwaltet und am "Serving mobile location Center" (SMLC), zusammen mit dem IOAD,
kommuniziert werden. Insbesondere sind Inter-Tabellenverwaltung und Inter-SMLC-
Kommunikation schwierig und oft nicht notwendig.
Und Drittens gibt es keinen Grund, den Ephemeridensatz in den meisten, wenn nicht gar in
allen, Fällen auf den neuesten Stand zu bringen, wenn das Mobiltelefon einen ersten Roh
ephemeridensatz für einen sichtbaren Satellit erhalten hat, obwohl die Lösung nach dem
Stand der Technik vorschlägt, die Ephemeridendaten immer wieder auf den neuesten Stand zu
bringen. Dies nimmt große Teile der Punkt-zu-Punkt Verbindungskanäle in Beschlag, wie in
Tabelle 1 gezeigt:
Anzahl an Bits, die an die MS über den sichtbaren Satelliten geschickt werden, gemäß Stand der Technik
Demzufolge besteht die Notwendigkeit, ein verbessertes Verfahren und Anordnung zu liefern,
um in einem Funk-Kommunikationssystem Standortbestimmungen zu liefern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt ein Systemdiagramm eines Mobilfunktelefonsystems eines "Assisted Glo
bal Positioning System" (GPS) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Architektur eines Mobilfunktelefonsystems, das
es erlaubt, Standortservices (LCS) zu unterstützen, gemäß der bevorzugten Aus
führungsform des "Assisted GPS" Funktelefonsystems aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm der Funktion des "Assisted GPS" Funktelefonsystems
aus Fig. 1.
Fig. 4 zeigt ein Protokoll-Flussdiagramm der Funktion des "Assisted GPS" Funktele
fonsystems aus Fig. 1.
Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm der Positionierungsprozeduren/daten eine Mobiltele
fons, wobei eine Standordanfrage als Punkt-zu-Punkt Nachricht an das "Assisted
GPS" Funktelefonsystems aus Fig. 1 erzeugt wird, gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm der Positionierungsprozeduren/daten eines Mobiltele
fons, wobei eine Standordanfrage als Punkt-zu-Punkt-Nachricht an das "Assisted
GPS"-Funktelefonsystem aus Fig. 1 beendet wird, gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 7 zeigt ein Datenflussdiagramm einer GPS Übertragungsnachricht an das "Assi
sted GPS"-Funktelefonsystems aus Fig. 1, gemäß der bevorzugten Ausfüh
rungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer mobilen Station, gemäß der bevorzugten Ausfüh
rungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm der Funktion des Handgerätes aus Fig. 8 zur Anfrage/
Empfang und Punkt-zu-Punkt-Übersendung von ephemeridischen und differen
tiellen Korrekturdaten, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der gegenwär
tigen Erfindung.
Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm der Funktion des Handgerätes aus Fig. 8 zur Anfra
ge/ Empfang und Funkübersendung von ephemeridischen Daten und zur Punkt-
zu-Punkt-Übersendung von differentiellen Korrekturdaten, gemäß der bevorzug
ten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 11 zeigt ein Flussdiagramm der Funktion des Handgerätes aus Fig. 8 zur Anfra
ge/Empfang und Punkt-zu-Punkt-Übersendung von ephemeridischen und Funk
übersendung von differentiellen Korrekturdaten, gemäß der bevorzugten Aus
führungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 12 zeigt ein Flussdiagramm der Funktion des Handgerätes aus Fig. 8 zur Anfra
ge/Empfang und Funkübersendung von ephemeridischen und differentiellen
Korrekturdaten, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen
Erfindung.
Fig. 13 zeigt eine Illustration der räumlichen Korrelation in Zusammenhang mit dem
GPS Ephemeridenfehler.
Fig. 14 zeigt eine graphische Illustration der "eins-sigma" GPS Satellitenpositionsfeh
ler-Komponenten als Funktion des Ephemeridenalters.
Fig. 15 zeigt ein Diagramm der tatsächlichen und der geschätzten Satellitenpositionen,
gemäß der bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 16 zeigt eine graphische Illustration der "eins-sigma" GPS Satellitengeschwindig
keitsfehler-Komponenten als Funktion des Ephemeridenalters.
Fig. 17 zeigt ein Systemdiagramm eines "Assisted GPS" Mobilfunktelefonsystems,
gemäß einer anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 18 zeigt ein Blockdiagram einer Mobilfunktelefonsystem-Architektur, die Stand
ortsysteme (LCS) unterstützen kann, gemäß der anderen Ausführungsform des
"Assisted GPS" Mobilfunktelefonsystems aus Fig. 17.
Fig. 19 zeigt ein Flussdiagramm des Protokolls der Funktion des "Assisted GPS" Mo
bilfunktelefonsystems aus Fig. 17, gemäß einer anderen Ausführungsform der
gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 20 zeigt ein Flussdiagramm der Positionierungsprozeduren/-daten der Datenüber
tragung auf das "Assisted GPS" Mobilfunktelefonsystem aus Fig. 17, gemäß
der anderen Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es wird ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung zur Standortbestimmung
über einen "Assisted GPS" Empfänger beschrieben. Die Anordnung der gegenwärtigen Erfin
dung beinhaltet eine neue Architektur für die mobile Station, die ihren Standort mit großer
Genauigkeit und geringem Energieverbrauch und Kosten bestimmen kann. Dies ermöglicht
Energieeinsparung - eine wichtige Eigenschaft in tragbaren Geräten, und ermöglicht die Nut
zung des E911 Service durch das tragbare Gerät.
In Fig. 1 wird ein zellenförmiges GSM Netzwerk dargestellt, wobei das Systemdiagramm
eines "Assisted GPS" Standortsystems verwendet wird, gemäß der bevorzugten Ausführung
der gegenwärtigen Erfindung. Es handelt sich um ein System mit einem auf ein Basisstations-
Subsystem (BSS) basierendem "Serving Mobile Location Center" (SMLC) 112. Der GPS
Referenzempfänger 118 ist an einer vorher untersuchten Stelle angebracht, zusammen mit
SMLC 112, und hat freie Sicht auf den Himmel, um die Erzeugung sinnvoller Korrekturen zu
ermöglichen. Optional kann, wie der Fachmann unschwer erkennt, der GPS Referenzempfän
ger 118 auch an jedem anderen Ort mit freier Sicht auf den Himmel angebracht werden, so
lange er mittels der seriellen Verbindung 114 an das Netzwerk angebunden werden kann.
SMLC 112 ist an die Basis-Empfangsstation (BTS) 102 mittels Basis-Stationscontroller
(BSC) 110 angekoppelt. Der BSC 110 ist auch an ein mobiles Service-Schaltzentrum ("Mobi
le Service Switching Center") (MSC) und einer Registrierung des Besucherstandorts ("Visitor
Location Register") (VLR) 122 gemäß dem heutigen Stand der Technik angekoppelt.
Der GPS Referenzempfänger 118 empfängt und verfolgt Signale von mehreren GPS Satelli
ten 120, um die differentiellen Korrekturdaten zu erzeugen, die gegebenenfalls an standort
taugliche mobile Stationen (Handgeräte) 104 gesendet werden. Die differentiellen Korrektur
daten, die vom GPS Referenzempfänger 118 erzeugt werden, werden vorzugsweise für alle
GPS Satelliten 120, die sich in Sicht der GPS Referenzempfängerantennen 119 befinden, er
zeugt, um die Abdeckung der mobilen Handgeräte zu maximieren.
Des weiteren werden die ephemeridischen Korrekturdaten und Zeitkorrekturdaten (im Fol
genden "ephemeridische Daten" genannt), die von jedem Satelliten gesammelt werden, zu
sammen mit den differentiellen Korrekturdaten an den SMLC 112 gesendet. Der SMLC 112
sammelt die ephemeridischen und differentiellen Korrekturdaten und erzeugt separate Nach
richten, die von den Trägersignalen 101 der Zellen moduliert werden und an mehrere Benut
zer 104 gesendet werden. Die spezifischen Nachrichtenformate variieren als Funktion des
Übertragungsmodus. Die Strukturen der Nachrichten für "Punkt-zuPunkt"- und "Sende"-
Modus (oder "Punkt-zu-Multipunkt"-Modus) der Operation werden später detailliert beschrie
ben.
Gegenwärtige Mobilsysteme beinhalten Standortservice (LCS) und verwandte Technologien,
und viele der Architekturen, Protokolle und Verfahren sind noch immer in der Entwicklung,
wie logische LCS Architektur, Protokoll und Schnittstellen der Signalverarbeitung, Netzwerk-
Standortprozeduren und Positionierungsprozeduren. Demnach ist das "Assisted GPS"-
Protokoll der gegenwärtigen Erfindung flexibel genug, um auf jede gegenwärtige und zukünf
tige LCS-Architektur, Protokolle und Prozeduren angewandt zu werden, während hier ein
zellenförmiges GSM-Netzwerk mit LCS und verwandten Technologien, wie im GSM Stan
dard 03.71 beschrieben, vorgestellt wird.
In Fig. 2 wird eine Architektur beschrieben, die den Standortservice (LCS) unterstützen
kann. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ist der LCS
logisch in die GSM Struktur durch die Hinzufügung eines Netzwerkknotens, das mobile
Standortzentrum (MLC), implementiert. Ein allgemeines BSS-basierendes SMLC 112 wird in
dieser Figur gezeigt. Diese Architektur kann kombiniert werden, um LCS Architekturvarian
ten zu erzeugen.
Das Basisstationssystem (BSS) ist in die Handhabung mehrerer Positionsprozeduren invol
viert. Spezifische BSS-Funktionalität wird in jedem der Positionsprozedur-Abschnitte spezifi
ziert.
Das "Gateway Mobile Location Center" (GMLC) 124 enthält die zur LCS-Unterstützung
notwendige Funktionalität. In einem "Public Land Mobile" Netzwerk (PLMN) 126 können
mehr als ein GMLC 124 enthalten sein. Das GMLC 124 ist der erste Knoten, den ein externer
LCS-Klient 128 in einem GSM PLMN anspricht, d. h. der Le Referenzpunkt 130 (Schnittstelle
zwischen externem Benutzer und MLC) wird vom GMLC 124 unterstützt. Ein externer LCS-
Klient 128 könnte eine Person sein, die den Standort einer bestimmten mobilen Station (MS)
104 oder mehrerer mobiler Stationen 104 erfahren möchte. Das GMLC 124 kann Routing-
Information von einem "Home Location Register" (HLR) 132 mittels Lh-Schnittstelle (zwi
schen MLC und HLR) anfordern. Nach der Autorisierungsregistration sendet es Positionsan
fragen an und erhält aktuelle Positionsschätzungen von MSC/VLR 122 mittels der Lg Schnitt
stelle (zwischen GMLC und MSC/VLR) 136.
Das "Serving Mobile Location Center" (SMLC) 112 enthält die zur Unterstützung des LCS
benötigte Funktionalität. In einem PLMN können mehr als ein SMLC 112 enthalten sein. Das
SMLC 112 verwaltet die gesamte Koordination und Zeitplanung der Resourcen, die benötigt
werden, um die Positionsbestimmung einer Mobilstation auszuführen. Es berechnet auch die
aktuelle Positionsabschätzung und -genauigkeit. Es gibt zwei mögliche Arten von SMLC 112.
Ein SMLC 112 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ist ein
BSS-basierendes SMLC: es unterstützt die Lb-Schnittstelle 138 zwischen SMLC 112 und
dem Basisstationscontroller (BSC) 110. Ein NSS-basierendes SMLC, das die Ls-Schnittstelle
zwischen SMLC und MSC/VLR unterstützt, wird unten in Zusammenhang mit einer anderen
Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung beschrieben.
Ein BSS-basierendes SMLC 112 unterstützt die Positionsbestimmung mittels Signalgebung
auf die Lb_Schnittstelle 138 zum BSC 110, um das Ziel MS 104 zu bedienen. Beide Arten
von SMLC 112 können die Lp-Schnittstelle 140 unterstützen, um Zugriff auf Informationen
und Resourcen, die einem anderen SMLC 112 gehören, zu erlangen. Das SMLC 112 kontrol
liert eine Anzahl von Positionsmesseinheiten ("Location Measurement Units" (LMUs)) 142,
143, um Funkschnittstellenmessungen zur Ortung oder zur Unterstützung der Ortung der MS-
Abonnenten in seinem Arbeitsgebiet zu erhalten. Das SMLC 112 wird vom Leistungsvermö
gen und den Arten der Messungen, die von seinen LMUs 142, 143 vorgenommen werden,
geleitet. Die Signalgebung zwischen einem BSS-basierenden SMLC 112 und einer LMU 142,
143 wird mittels BSC 110, der die LMU bedient oder kontrolliert, indem die Lb-Schnittstelle
138 und entweder die Um-Schnittstelle 144 für eine Typ A LMU 142 oder die Abis-
Schnittstelle für eine Typ B LMU 143 verwendet wird, weitergeleitet. Die Funktionalitäten
des SMLC 112 und des GMLC 124 können in dem selben physikalischen Knoten, in existie
renden physikalischen Knoten kombiniert werden, oder in verschiedenen Knoten bleiben.
Für Standortservices kann, wenn ein Zellen-Sendezentrum (CBC) 150 mit einer BSC 110
verknüpft ist, das SMLC 112 mit einem CBC 150 verbunden werden, um Unterstützungsda
ten zu senden, wobei existierende Zellen-Sendekapazitäten verwendet werden. Das SMLC
112 soll sich gegenüber dem CBC 150 wie ein Benutzer, einer Zellen-Sendeperson, verhalten.
Die herkömmliche Operation des CBC 150 wird im GSM Standard 03.41 beschrieben. Des
weiteren kann die MS 104 in die verschiedenen Positionsprozeduren mit einbezogen werden.
Eine LMU 142, 143 vollzieht Funkmessungen, um eine oder mehrere Positionsbestimmungs
verfahren zu unterstützen. Diese Messungen fallen in eine von zwei Kategorien: Positions
messungen, spezifisch für eine MS 104, verwendet, um den Standort dieser MS 104 zu be
rechnen, und Unterstützungsmessungen, spezifisch für alle MSs 104 in einem bestimmten
Gebiet. Alle Positions- und Unterstützungsmessungen, die von einer LMU 142, 143 erhalten
werden, werden einem bestimmten SMLC 112 geliefert, das mit der LMU 142, 143 verknüpft
ist. Anweisungen bezüglich Zeitpunkt, Natur und Periodizität dieser Messungen werden ent
weder vom SMLC 112 geliefert oder in der LMU 142, 143 vorverwaltet. Es gibt zwei Arten
von LMU, eine Typ A LMU 142 ist eine LMU, die über die herkömmliche GSM-
Luftschnittstelle Um 144 angesprochen wird, und eine Typ B LMU 143 ist eine LMU, die
über die Abis-Schnittstelle 145 angesprochen wird.
Das MSC 122 enthält Funktionalität zur Autorisierung eines Abonnements für eine mobile
Station und zur Verwaltung rufbezogener und nicht-rufbezogener Positionsbestimmungsan
fragen des GSM LCS. Das MSC kann vom GMLC 124 über die Lg-Schnittstelle 136 ange
sprochen werden.
Das HLR 132 enthält LCS Abonnementdaten und Routinginformation. Das HLR 132 kann
vom GMLC 124 über die Lh-Schnittstelle 134 angesprochen werden. Bei wandernden MSs
104 kann die HLR 132, die sich auf diese mobile Station bezieht, in einer anderen PLMN 126
sein als die gegenwärtige SMLC 112.
Das gsmSCF 152 ist Teil der PLMN. Die Lc-Schnittstelle 154 unterstützt den Zugriff von
CAMEL ("kundenspezifische Anwendungen für verbesserte mobile Netzwerklogik") auf LCS
und kann nur für CAMEL Phase Drei eingesetzt werden. Die damit zusammenhängenden
Prozeduren und Signale werden in den GSM Standards 03.78 und 09.02 definiert.
Die LCS-Architektur soll ein hohes Maß an Flexibilität liefern, wobei jedes physikalische
SMLC 112 mehrere Lb-Schnittstellen 138 unterstützen kann (z. B. indem es einem BSS-
basierenden SMLC 112 ermöglicht wird, mehrere BSCs 110 zu bedienen) und wobei eine
Mischung verschiedener SMLC 112 Typen ein einzelnes Netzwerk oder ein einzelnes MSC-
Gebiet bedienen kann. Natürlich kann auch eine Mischung verschiedener SMLC 112 Typen
ein einzelnes Netzwerk oder ein einzelnes MSC-Gebiet bedienen.
Die Systemarchitektur in Fig. 1 und 2 ist eine BSS-Architektur. Obgleich die bevorzugte
Ausführungsform anhand einer BSS-Architektur beschrieben wird, kann das "Assisted GPS"-
Protokoll der gegenwärtigen Erfindung in vielen anderen Systemarchitekturen aktiviert wer
den. Eine Architektur, eine Netzwerksystem-Subsystem (NSS)-Architektur wird unten mit
Bezugname auf eine andere Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung beschrieben.
Das Flussdiagramm in Fig. 3 zeigt die Sequenzierung der Berechnungen und Vorgänge, die
im SMLC auftreten. Der Prozess beginnt mit dem Erhalt der differentiellen Korrekturdaten
300 von DGPS-Referenzempfänger: Um die Korrekturdaten mit nomineller Ausgaberate (z. B.
0,1-1,0 Hz) zu übersenden, wird eine serielle Verbindung verwendet. Vorzugsweise, gemäß
der gegenwärtigen Erfindung, werden die Korrekturdaten, die vom DGPS-Referenzempfänger
erzeugt werden, für alle ephemeridische Datensätze abgeleitet (wie es vom "Issue Of Data
Ephemeris" (IODE)-Wort, das sich bei jedem einzelnen ephemeridischen Satz befindet, ver
langt wird). Alternativ kann das SMLC die notwendigen Berechnungen selbst durchführen,
wenn die Korrekturen nur für eine einzelne IODE berechnet wurden. In Schritt 302 findet ein
Test des gegenwärtigen DGPS-Nachrichtenmodus statt: Steht der Modus auf Funkübertra
gung, wird die DGPS-Funkübertragungsnachricht 304 erzeugt, und wenn vom SMLC ent
schieden wird, dass der Zeitpunkt zur Übersendung dieser Nachricht 306 gegeben ist, wird die
Nachricht auf die Trägerfrequenz 308 der Zellen aufmoduliert, um gegebenenfalls in das Sen
degebiet des Netzwerks ausgesendet zu werden. Wenn andernfalls eine DGPS Punkt-zu-
Punkt-Nachrichtenanfrage erhalten wurde 316, wird diese Nachricht erzeugt 318 und auf die
Trägerfrequenz der Zellen aufmoduliert, um gegebenenfalls zum Handgerät, das die Anfrage
sendete, gesendet zu werden. Genauso wird, wenn eine Anfrage nach einer ephemeridischen
"Punkt-zu-Punkt"-Nachricht erhalten wurde 322, wird diese Nachricht erzeugt 324 und auf
die Trägerfrequenz 326 der Zellen aufmoduliert, um gegebenenfalls zum Handgerät, das die
Anfrage nach den ephemeridischen Daten sendete, gesendet zu werden. Schließlich wird,
wenn der ephemeridische Nachrichtenmodus auf Übertragung 328 steht, die Nachricht einge
baut 330, und es wird getestet, ob der Zeitpunkt für ihre Versendung gekommen ist 332. Ist
der Zeitpunkt für ihre Versendung gekommen, wird die Nachricht auf die Trägerfrequenz 334
der Zellen aufmoduliert, um gegebenenfalls in das Sendegebiet des Netzwerks ausgesendet zu
werden. Unten wird eine detaillierte Beschreibung aller Übertragungs- und Punkt-zu-Punkt-
Nachrichten, die mit der gegenwärtigen Erfindung zusammenhängen, gegeben.
Fig. 4 zeigt die Protokollebenen, die verwendet werden, um die Übertragung von Protokol
len zwischen einem SMLC 112 und einer Ziel-MS (mobile Station) 104 mit einem BSS-
basierenden SMLC 112 zu unterstützen. Details bezüglich Übertragung zwischen SMLC 112,
MSC 122 und BSC 110 werden in dieser Beschreibung nicht berücksichtigt.
Viele der in Fig. 4 beschriebenen Protokolle, sind typisch für ein konventionelles GSM-
Zellensystem und werden im GSM-Standard 01.04 erwähnt. Diese für die Standortservices
(LCS) neuen Protokolle werden folgendermaßen definiert: RR steht für Funkresource; RRLP
steht für ein RR LCS-Protokoll an eine Ziel-MS; Um ist die Luftschnittstelle an eine LMU;
BSSAP-LE steht für "Basisstationssystemanwendung Part-LCS Erweiterung"; BSSLAP steht
für "Basisstationssystem LCS Assistenzprotokoll"; und Lb 138 steht für eine Schnittstelle
zwischen SMLC und BSC.
Fig. 5 zeigt ein Datenflussdiagramm einer Mobilstation, die eine Standortanfrage erzeugt,
als Punkt-zu-Punkt Nachricht an das "Assisted GPS"-Funktelefonsystem aus Fig. 1, gemäß
der bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Der beschriebene Daten
fluss ermöglicht es einer mobilen Station (MS), entweder ihren eigenen Standort, ihre Stand
ortassistenzdaten oder die Schlüssel der Übertragungsassistenzdaten-Nachricht vom Netzwerk
anzufordern. Die Standortassistenzdaten können dann von der MS verwendet werden, um
ihren eigenen Standort während eines gewissen Intervalls zu berechnen, wobei ein mobiles
Positionsbestimmungsverfahren angewendet wird. Der Schlüssel ermöglicht es der MS, ande
re Standortassistenzdaten, die periodisch vom Netzwerk gesendet werden, zu entschlüsseln.
Die MO-LR (mobile Erzeugung einer Standortanfrage) kann verwendet werden, nachdem ein
Standortupdate angefragt wurde, um die Schlüssel oder die GPS-Assistenzdaten anzufragen,
indem der Prozedur, die im GSM-Standard 04.08 beschrieben wird, gefolgt wird. Auch kann
dieses Verfahren dazu verwendet werden, um es einer MS zu ermögliche, anzufordern, dass
ihr eigener Standort an einen anderen LCS-Klienten gesendet wird. Die 16 in Fig. 5 gezeig
ten Schritte werden bis auf Schritt 8 detailliert im GSM-Standard 03.71 beschrieben und sind
dem Fachmann wohlbekannt.
Gemäß der gegenwärtigen Erfindung wird der Hauptdatenfluss, der sich auf "Assisted GPS"
bezieht, in Schritt 8 angezeigt. Dieser Signalfluss ist normal für alle MS-basierende Standort
bestimmungsverfahren, wie handgerätebasierendes GPS und von Handgeräten assistiertes
GPS. In Nachricht 428 bestimmt das SMLC Assistenzdaten und sendet sie in der RRLP
ASSISTANCE DATA-Nachricht an den BSC. Als Antwort darauf leitet der BSC in Nach
richt 430 die Assistenzdaten an die MS in einer RRLP ASSISTANCE DATA-Nachricht wei
ter. Wenn die Assistenzdaten nicht zu einer Nachricht passen, können die Nachrichten 428
und 430 wiederholt werden. In Nachricht 432 bestätigt die MS den Empfang der gesamten
Assistenzdaten an den BSC mit einer RRLP ASSISTANCE DATA-Bestätigung (Ack). Der
BSC leitet die RRLP ASSISTANCE DATA ACK-Nachricht an das SMLC als Nachricht 434
weiter.
Neben dem Assistenzdatenfluss, der oben beschrieben wird, ist auch der Positionsbestim
mungsprozedur-Fluss in Schritt 8 abgebildet. Der Positionsbestimmungsprozedur-Fluss bein
haltet die Bestimmung möglicher Assistenzdaten durch das SMLC und die Übersendung der
Anfrage RRLP MESSE POSITION an den BSC 428, eingeschlossen QoS und aller Assi
stenzdaten an die MS in der Anfrage RRLP MESSE POSITION 430. Vorausgesetzt, dass die
MS die Option "Standortdatenschutz" nicht aktiviert hat, oder sie ist aktiviert, wird aber igno
riert, um die Standortposition bei einem Notruf festzustellen, führt die MS die angeforderten
GPS-Messungen aus. Wenn die MS fähig ist, und das ist die Voraussetzung, ihren eigenen
Standort zu berechnen, berechnet die MS eine GPS-Standortschätzung. Die für diese Operati
on benötigten Daten werden entweder in der Anfrage RRLP MESSE POSITION oder von
Funkstationen bereitgestellt. Die resultierenden GPS-Messungen oder GPS-
Standortschätzungen werden an den BSC in Form einer Antwort RRLP MESSE POSITION
432 zurückgegeben. Wenn die MS die notwendigen Messungen nicht tätigen konnte, oder den
Standort nicht berechnen konnte, wird statt dessen eine Fehlermeldung zurückgegeben. Der
BSC sendet Messresultate in der Antwort MESSE POSITION innerhalb einer LCS Informati
ons-Reportnachricht an das SMLC 343.
Fig. 6 zeigt ein Datenflussdiagramm einer Mobilstation, die die Standortanfrage beendet, in
Form einer Punkt-zu-Punkt-Nachricht in einem "Assisted GPS"-System, gemäß der bevor
zugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Diese Nachricht ermöglicht es einem
externen LCS-Klient, wie beispielsweise einem Notfallservice (Ambulanz oder Feuerwehr),
den gegenwärtigen Standort der entsprechenden Mobilstation anzufragen. Dieser Vorgang
wird "mobile Terminierung der Standortanfrage" genannt (MT-LR) und eine detaillierte Dis
kussion der 16 Schritte, bis auf Schritt 11, ist im GSM-Standard 03.71 zu finden. Wenn der
externe LCS-Klient der Nordamerikanische Notfallservice ist, wird ein NAES MT-LR defi
niert, um nur die Schritte 1, 4, 8, 12, 15, 16 und, gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der gegenwärtigen Erfindung, Schritt 11 einzufügen.
In Schritt 11 wird der "Assisted GPS"-Positionierungs- und Datenfluss gemäß der gegenwär
tigen Erfindung angezeigt. Dieser Signalfluss ist auf alle MS-basierenden Positionsbestim
mungsverfahren anwendbar, handgerätebasierendes und handgeräteassistiertes GPS einge
schlossen. Der Zulieferfluss der Assistenzdaten mit einer BSS-basierenden SMLC, gezeigt in
den Schritten 436, 438, 440, 442, ist derselbe, wie in den vier Schritten von Schritt 8 in Fig.
5 (d. h. Schritte 428, 430, 432 und 434). Genauso besitzt der Fluss zwei Aspekte, Assistenzda
tenfluss und Positionsbestimmungsprozedurfluss, und der Positionsbestimmungsprozedurfluss
in Schritt 11 in Fig. 6 ist derselbe wie Schritt 8 in Fig. 5.
Fig. 7 zeigt den bevorzugten Datenfluss einer GPS Übertragungsnachricht im "Assisted
GPS"-System der gegenwärtigen Erfindung. Diese Benachrichtigung über Funk, wie in Fig.
7 gezeigt, ist auch bekannt als Punkt-zu-Mehrpunkt-Assistenzdatenübertragung und der Si
gnalfluss in Fig. 7 ist anwendbar auf alle MS-basierenden Positionsbestimmungsverfahren,
wie auch die Verfahren in den Fig. 5 und 6, handgerätebasierendes und handgeräteassi
stiertes GPS eingeschlossen.
Die GPS-Assistenzdaten-Übertragungsnachricht wird in der SMLC erzeugt und die gesamte
Nachricht wird, zusammen mit den verschlüsselten Teilen und den Parametern, die den Trans
fer überwachen, vom SMLC zur MS transferiert. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der gegenwärtigen Erfindung wird für die LCS-Assistenzdatenübertragung der "Short Messa
ge Service Cell Broadcast" (SMSCB) "Discontinuous Receive" (DRX)-Service verwendet.
Vor Empfang der ersten Verzeichnisnachricht sollte die MS den ersten Block jedes Nachrich
tenloses lesen, um die LCS-Übertragungsdaten oder die Verzeichnisnachricht empfangen zu
können. Nach Erhalt der Verzeichnisnachricht sollte die MS die LCS-
Übertragungsdatennachrichten gemäß der Verzeichnisinformation erhalten.
Das SMLC sendet dann die vollständige Übertragungsnachricht 450 zusammen mit der LCS-
Übertragungsnachricht an das CBC. Diese LCS-Übertragungsdatennachricht enthält die Da
ten, die übertragen werden sollen, und die Parameter, die anzeigen, an welche BTS die Über
tragungsnachricht gerichtet ist und zu welchem Zeitpunkt die Übertragung stattfinden soll.
Die LCS-Übertragungsdatennachricht kann auch die SMSCB-Verzeichnisinformation enthal
ten, die an die MS übertragen wird, so dass die MS die SMSCB DRX-Einrichtung, die in der
Spezifizierung des GSM-Standards 04.12. spezifiziert wird, verwenden kann. Die SMSCB
DRX-Verwendung ist notwendig, damit die Leistung der MS optimiert werden kann.
Als nächstes beginnt das CBC mit dem Nachrichtentransfer an den BSC und die BTS, gemäß
GSM 03.41, wie in Nachrichten 452 gezeigt. Dann wird eine LCS-Übertragungsdaten-
Antwortnachricht 454 vom CBC zur SMLC verwendet, um anzuzeigen, dass die LCS-
Übertragungsdaten geliefert wurden und der Anfrage nachgekommen wurde. Diese Nachricht
ist nicht zwingend. Dann beginnt die BTS den Nachrichtentransfer 456 zur MS, gemäß GSM-
Standard 03.41. Andere Implementierungen, die eine SMLC und/oder ein CBC, integriert in
ein BSC, besitzen, mögen andere Arten der Nachricht-Signalgebung verwenden.
In Fig. 8 wird ein Blockschaltbild einer kabellosen Kommunikationsanordnung gezeigt, wie
zum Beispiel ein Funkzellentelefon, das "Assisted GPS" verwendet und die gegenwärtige
Erfindung enthält. In der bevorzugten Ausführungsform wirken ein Rahmengeneratorblock
501 und ein Mikroprozessor 503 zusammen, um das für die Anwendung von "Assisted GPS"-
Positionsbestimmung in einem zellenförmigen System notwendige Kommunikationsprotokoll
zu erzeugen. Der Mikroprozessor 503 verwendet Speicher 504, der RAM 505, EEPROM 507
und ROM 509 beinhaltet, vorzugsweise in einem Paket 511 vereinigt, um die für die Erzeu
gung des Übertragungsprotokolls notwendigen Schritte auszuführen und das erhaltene Proto
koll zu bearbeiten. Des weitem führt der Mikroprozessor 503 andere Funktionen für die draht
lose Kommunikationsanordnung aus, wie zum Beispiel das Schreiben auf ein Display 513, die
Entgegennahme von Information von einer Tastatur 515, die Entgegennahme von Eingangs-
/Ausgangsinformation durch eine Anschlussstelle 516, die Kontrolle eines Frequenzsynthesi
zers 525, die Ausführung der zur Signalverstärkung und zum Erhalt von Tonsignalen von
einem Mikrofon und zur Bereitstellung von Tonsignalen für einen Lautsprecher notwendigen
Schritte. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung kontrolliert
der Mikroprozessor die Funktionen des GPS-Schaltkreises 550 und berechnet die Position des
kabellosen Kommunikationsgeräts.
Ein Transmitter 523 sendet über eine Antenne 529 unter Verwendung von Trägerfrequenzen,
die vom Frequenzsynthesizer 525 erzeugt werden. Information, die von der Antenne 529 des
Kommunikationsgerätes empfangen wird, gelangt zum Empfänger 527, der die Symbole unter
Verwendung der Trägerfrequenzen des Frequenzsynthesizers 525 demoduliert. Der Mikro
prozessor 503 kann optional eine digitale Signalprozessoreinheit beinhalten, um digitale ka
bellose Wellenformen, wie beispielsweise CDMA- oder TDMA-Wellenformen, zu prozessie
ren.
Der GPS-Empfänger 550, der in das kabellose Kommunikationsgerät integriert ist, kann der
konventionellen autonomen Empfänger-Designklasse oder der "Assisted GPS"-Empfänger-
Designklasse angehören. Ein Beispiel solch eines autonomen GPS-Empfängers wird im US-
Patent Nummer 5 148 452 von Kennedy und King beschrieben. Ein Beispiel für einen GPS-
Empfänger vom "assisted"-Typ wird im US-Patent Nummer 5 663 734 von Krasner bereit
gestellt. Das konventionelle GPS-Design arbeitet in einer autonomeren Mode, in der alle Da
ten zur Positionsbestimmung, die zur Ausführung von Satelliten-basierenden Positionsbe
rechnungen notwendig sind, direkt von den GPS-Satelliten über Antenne 532 geliefert wer
den. Das "Assisted GPS"-Empfängerdesign erhält einige oder alle notwendigen Satelliten-
Potitionsbestimmungsparameter über die Kommunikationsantenne 529, wie gemäß der ge
genwärtigen Erfindung in Fig. 1 bis 7 beschrieben.
Gemäß der gegenwärtigen Erfindung wird die Assistenzinformation von einem zellenfÖrmi
gen Infrastrukturnetzwerk entwickelt und zum kabellosen Kommunikationsgerät in Form ei
nes einzigartigen Nachrichtenprotokolls gesendet, das einige oder alle Datenparameter liefert,
die zur schnellen Positionsbestimmung wie oben beschrieben notwendig sind. Zur Beschleu
nigung der Erlangung der Positionsdaten kommt hinzu, dass die an das kabellose Kommuni
kationsgerät gelieferte Assistenzinformation auch den Empfang der GPS-Signale in, auf den
Signalempfang bezogen, schwierigen Umgebungen, wie zum Beispiel besiedelte Täler oder
innerhalb von Gebäuden, verbessern kann, wie in US-Patent Nummer 5 663 734 beschrieben.
Die Elemente eines "Assisted GPS"-Empfängers, die in ein kabelloses Kommunikationsgerät
integriert sind, bestehen aus einer GPS-Antenne 532 zum Empfang der von den GPS-
Satelliten übertragenen Daten. Ein GPS-Abwärts-Konvertierer 534 übersetzt die GPS-
Zentralfrequenz von 1575,42 MHz in eine niedriegere Zwischen- oder Null-IF-Frequenz 546.
Die Zwischen- oder Null-IF-FrequeNz wird mit einem analog-digital-Konverter 536 digitali
siert, der periodische Proben des Zwischen- oder Null-IF-Frequenzsignals auf Anweisung
eines Zeitgenerators 538 erstellt. Die Ausgabe des analog-digital-Konverters 536 wird an ei
nen Basisband-Prozessorkorrelator 540 geliefert. Der Basisband-Prozessorkorrelator 540 führt
Prozessierungsfunktionen von digitalen Signalen mit. Signal 548 aus, um die Ankunftszeit
mehrerer GPS-Satellitensignale, die gleichzeitig bei Antenne 532 ankommen, zu bestimmen.
Die Messung der Ankunftszeit der GPS-Signale ist in der Kodierungsphase jedes einzelnen
empfangenen GPS-Satelliten-Verteilungskode verschlüsselt, wie auch die mit 50 Bit pro Se
kunde vollzogene Datenmodulation, die über den Satelliten-Verteilungskodes liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der kabellose Kommunikationsgeräte-
Funkrefrequenzgenerator/Synthesizer 525 mittels Signal 542 als Basis der Referenzfrequenz
für den GPS-Abwärtkonverter 534 verwendet. In vielen kabellosen Funkkommunikationsge
räten wird kontrolliert, dass der Funkreferenzgeneratorsynthesizer 525 synchron ist mit der
Trägerfrequenz der Infrastrukturbasisstation, die bei Antenne 529 ankommt, und die in der
Frequenz stabiler ist, als typische billige Handgeräte-Referenzfrequenzgeneratoren, wie kri
stalline Oszillatoren. Indem die infrastrukturkontrollierte Frequenz als Basis für den GPS-
Abwärtskonverter verwendet wird, kann die hohe Frequenzstabilität des Infrastruktur-
Basisstationsträgers verwendet werden, um das Intervall, in dem nach der Dopplerfrequenz
der GPS-Satellitensignale gesucht wird, zu verkleinern.
Das Synthesizer-Referenzzeitsignal 542 wird vom Zeitgenerator 538 auch skaliert, um eine
Probe des Zeitsignals vom analog-digital-Konverter 536 zu erzeugen und, optional, um das
Zeitsignal zu erzeugen, um den GPS-Basisband-Prozessorkorrelator 540 zu fahren.
Fig. 9, 10, 11 und 12 beziehen sich auf die Operation Erfindung. Fig. 9 zeigt die
Kombination eines ephemeridischen "Punkt-zu-Punkt"-Protokolls und eines differenziellen
"Punkt-zu-Punkt"-Protokolls, während Fig. 10 zeigt die Kombination eines ephemeridischen
"Punkt-zu-Punkt"-Protokolls mit einem differenziellen "Übertragungs"-Protokoll. Fig. 11
zeigt die Kombination eines ephemeridischen "Übertragungs"-Protokolls mit einem differen
ziellen "Punkt-zu-Punkt"-Protokoll, und Fig. 12 zeigt schließlich die Kombination eines
differenziellen "Übertragungs"-Protokolls mit einem ephemeridischen "Übertragungs"-
Protokoll.
Fig. 9 zeigt die erste Protokollkombination der gegenwärtigen Erfindung, die Abfolge der
Vorgänge innerhalb des Handgeräts startet mit der Akquisition der GPS-Satellitensignalen.
Der Prozess der Akquisition der GPS-Satellitensignale wird von Assistenzdaten geleitet, die
von der zellenförmigen Infrastruktur in Schritt 600 übertragen werden: diese Daten erlauben
es, die Doppler- und Kodierungsphasen-Suchfenster innerhalb des GPS-Empfänger-
Akquisitionspxozesses zu verkleinern, und so die Akquisition der erhältlichen GPS-Signale
signifikant zu beschleunigen. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Schritt auf alle Protokoll-
Kombinationen zutrifft. Wenn die Akquisitionsassistenzdaten erhalten wurden, können Pseudo-Abstand
(PR)-Messungen für die GPS-Signale von ausreichender Signalstärke in 602 be
stimmt werden. Demzufolge findet ein Test 604 statt, um zu bestimmen, ob ausreichend PRs
zu Verfügung stehen, um eine Fix-Position zu unterstützen: im Allgemeinen werden vier Sa
telliten benötigt, um ein Fix zu berechnen; allerdings können drei Satelliten ausreichen, wenn
die Höhe abgeschätzt werden kann oder von der Infrastruktur des mobilen Handgeräts gelie
fert werden kann. Wenn genügend Satelliten zur Verfügung stehen, werden die zur Verfügung
stehenden ephemeridischen Daten gesammelt und untersucht 606, und die resultierende Fix-
Genauigkeit in Schritt 608 berechnet. Wenn die vorhergesagte Genauigkeit ausreicht, können
in 616 passende differentielle Korrekturdaten angefordert werden. Wenn die Genauigkeit
nicht ausreicht, wird festgestellt, welche ephemeridische Daten von welchen Satelliten ver
bessert werden müssen 612, und in 614 wird angefragt, die Ephemeriden für eben diese Satel
liten auf den neuesten Stand zu bringen. Die angeforderten DGPS-Korrekturdaten 616 sind
spezifisch für die IODE jeder Ephemeride. Nach Empfang der Korrekturdaten werden die
Korrekturen auf die gegenwärtige Zeit abgestimmt 618, und dann auf die gemessenen PRs
aufgebracht 620.
Residuen werden zwischen den PRs und dem vorhergesagten Abstand zu jedem Satelliten
geformt (berechnet unter Verwendung der ephemeridischen Daten und vorhergegangene Posi
tionsschätzungen) 622, und verwendet, um die Positionsschätzung zu erneuern oder um eine
Fix-Position zu berechnen 624. Unter Verwendung dieser Protokoll-Kombination bleibt die
Kontrolle des Datentransfers für die Positionsberechnungen jedes Handgeräts im Handgerät
selbst. Solch ein Protokoll minimiert demzufolge den Datentransfer innerhalb des zellenför
migen Netzwerks, da jeder Transfer vom Handgerät initiiert wird, wenn Notwendigkeit be
steht.
Fig. 10 zeigt die zweite Protokoll-Kombination der gegenwärtigen Erfindung, die Abfolge
der Vorgänge innerhalb des Handgeräts beginnt mit der Akquisition der GPS-
Satellitensignale. Der GPS-Signalakquisitions-Prozess wird von den Assistenzdaten geleitet,
die der zellulären Infrastruktur in 628 übertragen werden: diese Daten ermöglichen eine Ver
kleinerung der Doppler- und Kodephasen-Suchfenster beim Empfänger-Akquisitionsprozess,
und beschleunigt damit die Akquisition der zur Verfügung stehenden GPS-Signale erheblich.
Wenn die Akquisitions-Assistenzdaten erhalten wurden, können in 630 Pseudo-Abstand (PR)-
Messungen aus GPS-Signalen ausreichender Signalstärke abgeleitet werden. Demnach wird
getestet 630, ob ausreichend PRs zur Verfügung stehen, um die Fix-Position zu unterstützen:
im Allgemeinen werden vier Satelliten benötigt, um ein Fix zu berechnen; allerdings können
auch drei Satelliten ausreichen, wenn die Höhe gefolgert werden kann oder von einer örtli
chen Datenbasis für das mobile Handgerät geliefert werden kann. Wenn genügend Satelliten
zur Verfügung stehen, werden die zur Verfügung stehenden ephemeridischen Daten gesam
melt und untersucht 632, und die resultierende Fix-Genauigkeit in Schritt 634 berechnet.
Wenn die vorhergesagte Genauigkeit ausreicht, können in Schritt 642 passende differentielle
Korrekturdaten gesammelt werden. Wenn die Genauigkeit nicht ausreicht, wird festgestellt,
welche ephemeridische Daten von welchen Satelliten verbessert werden müssen 638, und in
640 wird angefragt, die Ephemeriden für eben diese Satelliten auf den neuesten Stand zu
bringen. In Schritt 642 werden die DGPS-Übertragungsdaten gesammelt, und dann auf die
gegenwärtige Zeit abgestimmt 644. In 646 werden die Korrekturen angepasst, basierend auf
die ephemeridischen Alter; es sei darauf hingewiesen, dass die Übertragungsnachrichten Kor
rekturen für alle IODE-Werte beinhalten. Die propagierten und angeglichenen Korrekturen
werden dann auf die gemessenen PRs angewendet 648. Residuen werden zwischen den PRs
und dem vorhergesagten Abstand zu jedem Satelliten geformt (berechnet unter Verwendung
der ephemeridischen Daten und vorhergegangene Positionsschätzungen) 650, und verwendet,
um die Positionsschätzung zu erneuern oder um eine Fix-Position zu berechnen 652. Unter
Verwendung dieser Protokoll-Kombination bleibt die Kontrolle des Datentransfers für die
Positionsberechnungen jedes Handgeräts im Handgerät selbst. Solch ein Protokoll minimiert
demzufolge den Datentransfer bezüglich der ephemeridischen Verteilung innerhalb des zel
lenförmigen Netzwerks, da jeder Transfer vom Handgerät initiiert wird, wenn Notwendigkeit
besteht. Allerdings wird die Verwendung eines DGPS-"Übertragungs"-Modus den Datenfluss
für die DGPS-Datenverteilung gegenüber der ersten Protokoll-Kombination, die in Fig. 9
beschrieben wurde, vergrößern. Diese Vergrößerung geht Hand in Hand mit einer Vereinfa
chung der Logik zur Bestimmung innerhalb der Infrastruktur, wann die DGPS-Korrekturen
verteilt werden müssen, da sie einfach mit einer festen Rate übertragen werden (z. B. typischer
Weise alle 30 Sekunden).
In Fig. 11, die die dritte Protokoll-Kombination der gegenwärtigen Erfindung zeigt, startet
die Abfolge der Ereignisse innerhalb des Handgeräts mit der Akquisition der GPS-
Satellitensignalen. Der GPS-Signalakquisitions-Prozess wird von den Assistezdaten geleitet,
die von der zellenförmigen Infrastruktur in 654 übertragen werden: diese Daten ermöglichen
eine Verkleinerung der Doppler- und Kodephasen-Suchfenster beim Empfänger-
Akquisitionsprozess, und beschleunigt damit die Akquisition der zur Verfügung stehenden
GPS-Signale erheblich. Wenn die Akquisitions-Assistenzdaten erhalten wurden, können in
656 Pseudo-Abstand (PR)-Messungen aus GPS-Signalen ausreichender Signalstärke abgelei
tet werden. Demnach wird getestet 658, ob ausreichend PRs zur Verfügung stehen, um die
Fix-Position zu unterstützen: im Allgemeinen werden vier Satelliten benötigt, um ein Fix zu
berechnen; allerdings können auch drei Satelliten ausreichen, wenn die Höhe gefolgert wer
den kann oder von einer örtlichen Datenbasis für das mobile Handgerät geliefert werden kann.
Wenn genügend Satelliten zur Verfügung stehen, werden die zur Verfügung stehenden ephe
meridischen Daten gesammelt und in Schritt 660 untersucht. Es werden die neuesten epheme
ridischen Übertragungsdaten gesammelt, und dann verwendet, um die Satellitenpositionen
unter Verwendung der Interpolation in 662 zu berechnen. Die angeforderten DGPS-
Korrekturdaten 664 sind spezifisch für die IODE für jede Ephemeride. Nach Empfang der
Korrekturdaten werden die Korrekturen als erstes auf die gegenwärtige Zeit abgestimmt 666,
dann auf die gemessenen PRs angewendet 668. Residuen werden zwischen den PRs und dem
vorhergesagten Abstand zu jedem Satelliten geformt (berechnet unter Verwendung der ephe
meridischen Daten und vorhergegangene Positionsschätzungen) 650, und verwendet, um die
Positionsschätzung zu erneuern oder um eine Fix-Position zu berechnen 652. Unter Verwen
dung dieser Protokoll-Kombination bleibt die Kontrolle des Datentransfers für die Positions
berechnungen jedes Handgeräts im Handgerät selbst. Solch ein Protokoll minimiert demzu
folge den Datentransfer innerhalb des zellenförmigen Netzwerks, da jeder Transfer vom
Handgerät initiiert wird, wenn Notwendigkeit besteht. Allerdings wird die Verwendung eines
ephemeridischen "Übertragungs"-Modus den Datenfluss für die ephemeridische Datenvertei
lung gegenüber der ersten Protokoll-Kombination, die in Fig. 9 beschrieben wurde, vergrö
ßern. Diese Vergrößerung geht Hand in Hand mit einer Vereinfachung der Logik zur Be
stimmung innerhalb der Infrastruktur, wann die ephemeridischen Daten verteilt werden müs
sen, da sie einfach mit einer festen Rate übertragen werden (z. B. typischer Weise alle 30 Mi
nuten).
In Fig. 12, die die vierte Protokoll-Kombination der gegenwärtigen Erfindung zeigt, startet
die Abfolge der Ereignisse innerhalb des Handgeräts mit der Akquisition der GPS-
Satellitensignalen. Der GPS-Signalakquisitions-Prozess wird von den Assistezdaten geleitet,
die von der zellenförmigen Infrastruktur in 674 übertragen werden: diese Daten ermöglichen
eine Verkleinerung der Doppler- und Kodephasen-Suchfenster beim Empfänger-
Akquisitionsprozess, und beschleunigt damit die Akquisition der zur Verfügung stehenden
GPS-Signale erheblich. Wenn die Akquisitions-Assistenzdaten erhalten wurden, können in
676 Pseudo-Abstand (PR)-Messungen aus GPS-Signalen ausreichender Signalstärke abgelei
tet werden. Demnach wird getestet 678, ob ausreichend PRs zur Verfügung stehen, um die
Fix-Position zu unterstützen: im Allgemeinen werden vier Satelliten benötigt, um ein Fix zu
berechnen; allerdings können auch drei Satelliten ausreichen, wenn die Höhe gefolgert wer
den kann oder von einer örtlichen Datenbasis für das mobile Handgerät geliefert werden kann.
Wenn genügend Satelliten zur Verfügung stehen, werden die zur Verfügung stehenden ephe
meridischen Daten gesammelt und in Schritt 680 untersucht. Es werden die neuesten epheme
ridischen Übertragungsdaten gesammelt, und dann verwendet, um die Satellitenpositionen
unter Verwendung der Interpolation in 682 zu berechnen.
In Schritt 684 werden die DGPS-Übertragungsdaten gesammelt und dann in 686 auf die ge
genwärtige Zeit abgestimmt. In 688 müssen die Korrekturen angepasst werden, basierend auf
die ephemeridische Alter; zu beachten ist, dass die Übertragungsnachricht Korrekturen für
alle möglichen IODE-Werte beinhaltet. Die angepassten Korrekturen werden dann auf die
gemessenen PRs angewendet 690. Residuen werden zwischen den gemessenen PRs und den
vorhergesagten Abständen zu jedem Satelliten (abgeleitet unter Verwendung der ephemeridi
schen Daten und einer vorherigen Positionsschätzung) geformt 692, und verwendet, um die
Positionsschätzung zu erneuern, oder um ein Positions-Fix zu berechnen 694. Unter Verwen
dung dieser Protokoll-Kombination bleibt die Kontrolle des Datentransfers ephemeridischer
und DGPS-Korrekturdaten für jede Handgerätepositionsberechnung innerhalb des Netzwerks.
Daher wird ein solches Protokoll die Logik, die mit der Datenverteilung vom Netzwerk ver
bunden ist, auf Kosten von zusätzlichem Netzwerkverkehr, im Vergleich zu "Punkt-zu-
Punkt"-Strategien minimalisieren.
Ein signifikanter Vorteil der gegenwärtigen Erfindung liegt in der reduzierten Bitrate, die mit
der Punkt-zu-Punkt-Übertragung in Zusammenhang steht (siehe Tabelle 1 oben und Tabelle 6
unten). Die Vorhersagen der durchschnittlichen Updaterate, die in der letzten Spalte in Tabel
le 1 für diesen netzwerkzentrierten Ansatz auftreten, können mit den entsprechenden Vorher
sagen für den handgerätszentrierten Ansatz der gegenwärtigen Erfindung in Tabelle 6 vergli
chen werden. Dieser Vergleich hebt die Verringerung des Netzwerkverkehrs, die durch Ver
wendung der vorgeschlagenen Erfindung bewerkstelligt wurde, hervor. Diese Verringerung
ist möglich, weil die Punkt-zu-Punkt- und differenziellen Übertragungsnachrichten (definiert
in Tabellen 3 und 4 unten) die Fehler in Zusammenhang mit alternden ephemeridischen Daten
absorbieren können. Dies rührt von der sehr kleinen "räumlichen Dekorrelation" des epheme
ridischen Fehlers her, der analytisch in den folgenden Paragraphen abgeleitet wird.
Die relative Geometrie für eine differenzielle GPS-Referenzstation (in der Figur DGPS RS
genannt) und für ein mobiles Handgerät (MS genannt) wird in Fig. 13 dargestellt und kann
verwendet werden, um die räumliche Dekorrelation bezüglich des ephemeridischen Fehlers zu
bestimmen. Aufgrund der sehr großen räumlichen Abstände zu den GPS-Satelliten kann der
Winkel Φ in der Figur wie folgt angenähert werden:
Φ = d/R (1)
Worin: Φ ist der Winkel zwischen den Vektoren der Sichtlinie;
d ist die Distanz zwischen dem Mobilgerät und der differenziellen Referenzsta
tion;
und R ist der Abstand zum GPS-Satellit.
Offensichtlicher Weise korrespondieren große Werte von Φ mit einem großen Abstand zwi
schen dem Mobilgerät und der Referenzstation, und damit mit einer größeren räumlichen De
korrelation: wählt man als maximalen Wert für d 100 km und als minimalen Wert für R drei
Erdradien (entsprechend einem Satelliten, der sich direkt über dem Gebiet befindet), erhält
man einen maximalen Wert für Φ von 0,005 Rad. Die Komponenten des ephemeridischen
Fehlers in der Figurenebene sind dpx (für die radiale Komponente) und dpc (für die cross
radiale Komponente in der Figurenebene). Die übrige Komponente des ephemeridischen Feh
lers (senkrecht zur Figurenebene) wirkt sich auf die räumliche Dekorrelation nicht aus.
Die räumliche Dekorrelation resultiert aus den Differenzen zwischen der Sichtlinie ("Line Of
Sight, LOS) von der Referenzstation zum Satelliten und dem Mobilgerät: für die radiale Feh
lerkomponente ist der räumliche Dekorrelalions-Skalierungsfaktor (1 - cosΦ); für die cross
radiale Komponente ist der Skalierungsfaktor sinΦ. Weil Φ so klein ist, wird die cross-radiale
Komponente dominieren, und proportional zu Φ sein. Im schlimmsten Fall ist der Skalie
rungsfaktor daher 0,005 Meter des post-differentiellen Abstandkorrekturfehlers pro Meter
ephemeridischen Fehlers. Daher sind im schlimmsten Fall mehr als 200 Meter cross-radialen
ephemeridischen Fehlers nötig, um einen Meter Abstandsfehler nach Anwendung der an
wendbaren differenziellen Korrektur zu produzieren.
Fig. 14 quantifiziert die ephemeridische Positions- und Geschwindigkeitsgenauigkeit gegen
über der Verbrauchtheit der Ephemeride (d. h. t-toe), ausgedrückt als eins-sigma In-track (I),
Radial (R) und Cross-track (C) Positions- und Geschwindigkeitsfehlerkomponenten in Metern
und Metern/Sekunde, gegenüber den Stunden nach der Zeit d ephemeridischen Anwendbar
keit (toe). Die Figuren wurden abgeleitet, indem beispielhafte Standardabweichungen von Dif
ferenzen aus Vorhersagen von 358 übertragenen Ephemeridesätzen von 1998 mit den präzisen
ephemeridischen Daten vom Internationalem GPS-Service (IGS), der vom Jet Propulsion La
bor bereitgestellt wird, berechnet wurden.
Es soll erwähnt werden, dass typischer Weise die Zeit der Ephemeride (toe) eines Satelliten
zwei Stunden vor der gegenwärtigen Zeit "t" liegt, wenn sie zum ersten Mal von dem Satelli
ten zur Verfügung gestellt wurde und daraufhin den Mobilstationen, die GPS verwenden kön
nen, zur Verfügung gestellt werden kann. Konsequenter Weise korrespondiert ein Wert t-toe
von zwei Stunden mit einer möglicher Weise vierstündigen Nutzungsdauer des selben Ephe
meridesatzes (-2 Stunden <= t-toe <= +2 Stunden), was ein vierstündiges Fit-Intervall für
jeden ephemeridischen Satz bedeutet. Demnach kann man die Periode der Anwendbarkeit
jedes einzelnen Ephemeridesatzes auf 5 Stunden (t-toe = +3 Stunden) oder mehr erweitern,
mit sehr kleinem Effekt auf den Satellitenpositions- und Geschwindigkeitsfehler (übersetzbar
in den benutzerautonomen Positionsfehler, wie unten beschrieben). Des Weiteren wird dieser
Fehler von maßgeschneiderten DGPS-Korrekturen für den gesamten Zeitraum, in dem der
Satellit sichtbar ist, vollständig entfernt.
Für Operationen nahe der Erdoberfläche wird von Satellitenbeobachtungsintervallen nicht
erwartet, dass sie länger als 6 Stunden dauern. Da die cross-radiale Fehlerkomponente den
dominanten Beitrag zum Residuenfehler liefert, und diese Richtung liegt normaler Weise mit
den cross-track und in-track Komponenten auf einer Linie, kann der größte ephemeridische
Fehler bestimmt werden, indem die in-track Komponente in Fig. 14, die die größte Komponente
darstellt, verwendet wird. Die Verwendung dieser Komponente resultiert in eine worst
case eins-sigma cross-radialen Positionsfehlerkomponente von grob 100 Metern. Skaliert man
dies um einen Faktor drei, um mit einer worst-case drei-sigma Bedingung übereinzustimmen,
und multipliziert man dies mit dem worst-case räumlichen Dekorrelationsskalierungsfaktor,
der oben abgeleitet wurde, erhält man einen worst-case residualen Abstandsfehler von 0,4
Metern, der sicherlich für Notfallpositionsbestimmung und anderen positionsbasierenden Ser
vices akzeptabel ist.
Die Erfindung definiert vier Punkt-zu-Punkt-Nachrichten und zwei Übertragungsnachrichten:
Punkt-zu-Punkt-Nachrichten-fordern ephemeridische/Zeit-Korrekturupdates (Handgerät auf
Netzwerk) an, fordern ephemeridische/Zeit-Korrekturupdates (Netzwerk auf Handgerät) an,
fordern Punkt-zu-Punkt DGPS-Korrektur (Handgerät auf Netzwerk) an und fordern Punkt-zu-
Punkt DGPS-Korrektur (Netzwerk auf Handgerät) an; und Übertragungsnachrichten-DGPS-
Übertragungsnachricht (Netzwerk auf viele Mobilgeräte) und ephemeridische Übertragungs
nachricht (Netzwerk auf viele Mobilgeräte). Jeder Nachrichtenaustausch wird im folgenden
mit detaillierter Parameterbeschreibung diskutiert.
Anforderung von ephemeridischem/Zeit-Korrekturupdate
(Handgerät auf Netzwerk)
Die ephemeridischen Punkt-zu-Punkt-Kontrollnachrichten ermöglichen eine minimale Kon
trolle und Transmission der rohen ephemeridischen und Zeit-Korrekturdaten auf das Handge
rät. In diesem Protokoll teilt die MS dem Netzwerk mit, welche ephemeridischen Satelliten
sätze es im Speicher enthält, indem eine Liste der SVIDs und die entsprechende IODE (Issue
Of Data Ephemeride) des Satelliten präsentiert wird. Des weiteren sendet das Handgerät ein
ephemeridisches Alterslimit (t-tue), das dem Netzwerk mitteilt, dass es rohe ephemeridische
Daten für alle gegenwärtig sichtbaren Satelliten, für die die Handgeräteephemeride älter ist als
das festgelegte Alterslimit, zu senden hat. Zuletzt informiert das ephemeridische Altersaufhe
bungsbit das Netzwerk, das ephemeridische Alterslimit zu ignorieren und die rohe Ephemeri
de ohne Rücksichtnahme auf ihr Alter zu liefern.
Mit dem Satz an IODEs von der MS, der mit den im Handgerätespeicher gespeicherten rohen
Ephemeriden korrespondiert, und einer Erkennung der minimalen räumlichen Dekorrelation,
die mit der ephemeridischen Fehlerkomponente der differenziellen Korrekturen korrespon
diert, wird im Allgemeinen nur eine einzelne rohe Ephemeride für jeden Durchgang eines
Satelliten benötigt.
Jedenfalls variieren die Genauigkeitsanforderungen an verschiedene Benutzerklassen. Daher
wird ein Algorithmus definiert, den jedes Handgerät einsetzen kann, um die Auswirkungen
des Ephemeridealters auf die resultierende Lösungsgenauigkeit vorherzusagen. Dieser Algo
rithmus reduziert des Weiteren die Datenübertragungsanforderungen, da er dann, und nur
dann, eine neue Ephemeride anfordern wird, wenn dies von den Genauigkeitsanforderungen
des Handgeräts gefordert wird.
Da die Erfindung verlangt, dass differenzielle Korrekturen für jede IODE berechnet werden,
wird eine neue Übertragungsnachricht definiert. Diese Übertragungsnachricht verwendet eine
intelligente Komprimierung der differentiellen Korrekturdaten, so dass typischer Weise nur
eine einzige Nachricht für alle zur Verfügung stehenden IODEs nötig ist. Eine Beschreibung
der ephemeridischen Übertragungsnachricht folgt später.
Ephemeridisches/Zeit-Korrekturupdate
Netzwerk auf Handgerät
Wie oben beschrieben werden die ephemeridischen Daten nur übertragen, wenn sie die MS
anfordert oder wenn die Infrastruktur feststellt, dass die Handgeräteephemeride älter ist, als
von der von der MS zugeteilten ephemeridischen Altersschwelle erlaubt. Der Inhalt dieser
Nachricht ist in Tabelle 2 unten abgedruckt:
Inhalt der ephemeridischen/Zeit-Korrekturupdatenachricht
Die Parameter in Tabelle 2 korrespondieren mit dem konventionellen Satz an ephemeridi
schen- und Zeit-Korrekturdaten und den URA und TGD Parametern. Die Hinzufügung der
URA Parameter erlaubt es der MS, ihre Genauigkeitsvorhersagen als Funktion der Höhe an
selektiver Verfügbarkeit (SA) abzustimmen. Des Weitem können die ephemeridischen Art
fragen auf Basis der Genauigkeitsvorhersage von jedem Mobilgerät getätigt werden. Die Hinzufügung
von TGD erlaubt es jedem Mobilgerät, Korrekturen bezüglich Gruppenverzöge
rungseffekte anzustellen und die Lösung mit dem höchsten Grad an Genauigkeit zu berech
nen.
Anforderung von DGPS Punkt-zu-Punkt Korrektur
Handgerät auf Netzwerk
Die DGPS Punkt-zu-Punkt Korrekturnachricht wird vom Mobilgerät angefordert, wenn diffe
renzielle Genauigkeiten benötigt werden, um den Positionsausführungsansprüchen der hand
gerätebasierenden Anwendung (z. B. Notrufpositionsbestimmung) zu entsprechen. In diesem
Modus benötigt das Mobilgerät nur einmal pro Satellitendurchgang ephemeridische Daten.
Die differenziellen Korrekturen, die an das Handgerät in einem Punkt-zu-Punkt Modus über
tragen werden, werden vom Netzwerk angeglichen, so dass der zusätzliche Fehler aufgrund
das ephemeridischen Alters im Handgerät von der differenziellen Korrektur absorbiert und
kompensiert wird. Auf diese Weise wird eine einfache differenzielle Korrekturantwortnach
richt verwendet, wie in Tabelle 3 unten gezeigt. Es wird erwartet, dass differenzielle Punkt-
zu-Punkt Korrekturen bevorzugt und in den meisten Fällen verwendet werden, bis differenzi
elle Übertragungskanäle in den GSM-Netzwerken überall zu finden sind (nicht alle GSM-
Netzwerke haben Übertragungsservices implementiert). Gemäß der bevorzugten Ausfüh
rungsform der gegenwärtigen Erfindung wird das Protokoll für diesen in den meisten Fällen
auftretenden Modus optimiert, indem der gesamte Nachrichtenverkehr minimiert wird, da die
rohe Ephemeride nur einmal pro Satellitendurchgang gesendet wird und die differentielle
Korrektur der spezifischen Ephemeride, die im Mobilgerät gespeichert ist, angepasst ist. Wei
tere Vorteile dieser Nachricht sind, dass die Endanwendung die Positionsgenauigkeit kontrol
lieren kann und dass der Vermittler der Zellen aus der Anwendung Nutzen ziehen kann oder
auch der Benutzer, der den Service dieser bestimmten Nachricht gewählt hat.
DGPS Punkt-zu-Punkt Korrekturnachricht
Netzwerk auf Handgerät
Tabelle 3 zeigt den Inhalt dieser Nachricht. Zu beachten ist, dass die differenziellen Korrektu
ren nur für die IODE gesendet werden, für die sie auch angefordert wurden. Gemäß der be
vorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung werden die Fehler, die mit der dif
ferenziellen Korrekturlatenz zusammenhängen, auf akzeptabler Größe gehalten, indem vor
teilhafter Weise die DGPS Korrekturen alle 30 Sekunden oder mit einer vom Mobilgerät ge
forderten Rate gesendet werden.
Inhalt der DGPS Punkt-zu-Punkt Korrekturnachricht (per Satellit)
DGPS Übertragungsnachricht
Netzwerk auf viele Mobilgeräte
Die gegenwärtige Erfindung verringert Netzwerkdatenverkehr, indem es den differenziellen
Korrekturen ermöglicht wird, Fehler aufgrund des Alterns ephemeridischer Daten zu kom
pensieren, die entsprechende DGPS Übertragungsnachricht muss Korrektursätze für alle zur
Verfügung stehenden IODE Werte enthalten. Dies kann zu einer Nachrichtenlänge führen, die
die maximale Nachrichtenlänge bei der GSM Kurznachrichten-Servicezellen-Übertragung
(SMSC) von 82-Oktet übersteigt. Allerdings sind die Daten, wie in Tabelle 4 unten gezeigt,
auf intelligente Weise komprimiert, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der gegenwär
tigen Erfindung.
Inhalt der DGPS Übertragungsnachricht
Aus Tabelle 4 sind mehrere Aspekte der intelligenten Kompression, die in der Übertragungs
nachricht verwendet wird, offensichtlich, während andere subtiler sind. Die DGPS Zeitplaket
te wird im Vergleich zu den vollen 20 Bit des RTCM Standards für DGPS Korrekturdaten
komprimiert, da jedes Mobilgerät ausreichend zuverlässige Zeitinformation besitzt. Die diffe
renziellen Korrekturdaten selbst werden komprimiert, indem der durchschnittliche Wert der
Korrekturen aller Satelliten von jedem PRC und RRC Wert abgezogen wird. Dieser Durch
schnittswert spiegelt die allgemeine Zeit- und Frequenzüberhänge der Korrekturdaten wider,
die vom Oszillatoroffset und der Drift induziert werden. Diese Überhänge haben auf die Na
vigationslösung der differenziellen Korrektur des Mobilgeräts keinen Einfluss und können
demzufolge entfernt werden. Des weiteren ist es nicht notwendig, RRC Werte für die voran
gegangenen IODEs einzufügen, da die vom ephemeridischen Alter induzierten Geschwindig
keitsfehler klein gegenüber den nominalen Latenzfehlern sind. Schließlich müssen die ver
schiedenen PRC Werte nicht alle dreißig Sekunden gesendet werden, was zu einer Daten
kompression führt, da sie mit den ephemeridischen Altersfehlern und nicht mit den normalen
DGPS Latenzeffekten zusammen hängen (z. B. SA Beschleunigung). Im schlimmsten Fall wird
eine Übertragung der PRC Differenzwerte einmal pro Minute ausreichen. Der schlimmste Fall
tritt ein, wenn die Ephemeride am ältesten ist, was eine weitere Komprimierung der Daten
invers bezüglich des Alters nahe legt: d. h. die neueren Differenzwerte werden weniger oft
gesendet. Unter Verwendung dieser beiden Kompremierungstechniken ist die Anzahl an
Bytes, die für den Transport der DGPS Übertragungsnachricht an alle sichtbaren Satelliten
benötigt werden, kleiner als 82 Bytes.
Ephemeridische Übertragungsnachricht
Tabelle 5 zeigt den Inhalt der ephemeridischen Übertragungsnachricht. Zu beachten ist, dass
die Nachricht aus zwei Sätzen berechneter Positionen und Geschwindigkeiten für jeden GPS-
Satelliten besteht, was die Anzahl an für die Übertragung notwendigen Bits gegenüber dem
Senden vollständiger Sätze ephemeridischer Daten verringert. Diese beiden Datensätze sind
zeitlich getrennt, um es dem mobilen Handgerät zu ermöglichen, zwischen den Zeiten der
Anwendbarkeit der berechneten Daten zu interpolieren, um Positions- und Geschwindigkeits
daten zum gegenwärtigen Zeitpunkt abzuleiten. Die Verwendung von Interpolation, anders als
Extrapolation, entfernt bezüglich der vom Handgerät durchgeführten Berechnung, basierend
auf einen vollständigen Satz ephemeridischer Daten, alle signifikante Fehler.
Ephemeridische Übertragungsnachricht
Um Anzahl und Länge der ephemeridischen Übertragungsnachrichten weiter zu reduzieren,
schließt die gegenwärtige Erfindung eine ephemeridische Übertragungsnachricht ein, die nur
einen Satellitenpositions- und Geschwindigkeitsvektor pro Nachricht sendet. Dies bedeutet,
dass die Mobilstation zwei aufeinanderfolgende ephemeridische Übertragungsnachrichten zu
den Zeiten t1 und t2 erhalten muss, bevor sie die Position der Mobilstation zu einem Zeitpunkt
zwischen t1 und t2 berechnen kann.
Gemäß eines weiteren Aspekts der gegenwärtigen Erfindung wird vom Handgerät ein Algo
rithmus verwendet, um Satellitenposition und Geschwindigkeit zu einem zufälligen Zeitpunkt
t0 < t < t1 (wobei t1 = t0 + Δt) zu berechnen. In seiner Natur ist dieser Algorithmus iterativ; er
führt zwei Schritte aus, zuerst die Berechnung einer ersten Beschleunigungsschätzung aus den
Geschwindigkeitsdaten, dann daraus, zusammen mit den Positionsdaten, die Berechnung ei
nes Rucks (Ableitung der Beschleunigung), die dann verwendet wird, um die Positionsschät
zungen neu zu erstellen. Da der Algorithmus für alle Positions- und Geschwindigkeitskompo
nenten identisch ist, wird in den Gleichungen unten nur eine einzelne Komponente detailliert
beschrieben. Eine Beschleunigungsschätzung ergibt sich aus Gleichung (2):
X_ddot = (X_dot1 - X_dot0)/(t1 - t0) (2)
Die Beschleunigungsschätzung aus Gleichung (2) wird verwendet, um X1 unter Verwendung
von Gleichung (3) unten vorherzusagen:
X1_hat = X0 + X_dot0 Δt + X_ddot Δt2/2 (3)
Die Differenz zwischen vorhergesagtem X1 und seinem berechnetem Wert wird verwendet,
um einen Ruck-Level, der den vorhergesagten Wert in Übereinstimmung mit dem berechne
ten Wert bringt, zu finden:
ΔX1 = X1 - X1_hat = X_dddot Δt3/6 (4)
Gleichung (4) wird verwendet, um einen Ruck-Wert zu finden (X_dddot), und dieser wird in
Gleichung (5) verwendet, um die GPS Satellitenposition zu interpolieren:
X(t) = X0 + X0_dot (t - t0) + X0_ddot (t - t0)2/2 + X0_dddot (t - t0)3/6 (5)
Zu beachten ist, dass in dieser Übertragungsnachricht die Satelliten-Zeitkorrekturdaten nicht
auftreten. Dies wird ermöglicht durch eine vorteilhafte Modifikation der Positions- und Ge
schwindigkeitsdaten, die gesendet werden, um die Zeitfehlereffekte zu absorbieren, wie in
Fig. 15 gezeigt. Fig. 15 zeigt geschätzte und tatsächliche Satellitenpositionen, wobei Vor
sorge getroffen wird, dass die Daten der Positionskurvenanpassung der Satelliten mit den
Zeitkorrekturparametern der Satelliten kombiniert werden. Dies ermöglicht die vollständige
Auslöschung der Zeitkorrekturparameter und verringert weiterhin die Anzahl der übertrage
nen Bits von 254 auf 217. Um dies zu erreichen, muss der Effekt des Zeitfehlers in einen
äquivalenten Satelliten-Positionsfehler umgewandelt werden.
In Fig. 15 kreist ein Satellit 696 eines globalen Navigations-Positionsbestimmungssystems,
wie GPS, auf einem Orbit über einem Funkkommunikationssystem. Das Funkkommunikati
onssystem beinhaltet eine Vielzahl an Basisstationen 698, die sich in zwei-Wege Funkkom
munikation mit Mobilstationen, wie Mobilstation 700, befinden. Die Umwandlung des Ef
fekts des Zeitfehlers in einen äquivalenten Satelliten-Positionsfehler erfordert, dass die Kur
venanpassung des Satellitenorbits X(t) um den der Satelliten-Zeitkorrektur entsprechenden
Beitrag modifiziert wird. Es werden effektive Längenerweiterungen C0, C1, und C2 aus der
Satelliten-Zeitkorrektur berechnet, wie von den ephemeridischen Daten zur Zeit t0, t1 und t2
abgeleitet, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit (Speed Of Light SOL). Diese Größe
kann entweder positiv (weiter entfernt) oder negativ (näher an der Mobilstation) sein, ist aber
typischer Weise von der Größenordnung 1 ms (aber kann bis zu 5 ms groß sein).
Die effektive Position XE'(t) wird wie folgt berechnet:
Um den effektiven Satelitenorbit zu modifizieren, wird ein Referenzpunkt "RL" benötigt, um
die Position des Satellitenorbit entlang der Linie zwischen seiner wahren Position X(t) und
dem RL abzubilden RL kann vorteilhafter Weise die Basisstation 698 sein. Einfache Vektor
mathematik modifiziert den Weg des Satellitenorbits X(t) auf den modifizierten Orbitweg
X'(t).
Jede individuelle Basisstation des Systems wird ausgewählt, wie es die Referenzstation zur
Kontrolle des in den Längenmessungen induzierten Fehlers erlaubt. Es wird angenommen,
dass die Basisstation 698 innerhalb einer Entfernung von 10 km zur Mobilstation 700 liegt
(trifft bei zellenförmigen Mobilsystemen in den meisten Fällen zu). Des weiteren ist bekannt,
dass die Zeitkorrektur des Satelliten nicht größer als 5 ms sein kann, da dies der größte Wert
dieses Parameters ist. Der maximale Fehler im vorhergesagten Satellitenabstand ist eine
Funktion seines Zeitfehlers und der Distanz Basisstation-zu-Mobilstation. Der maximale Feh
ler im gemessenen Abstand, basierend auf den modifizierten oder abgebildeten Satellitenorbit,
einer 10 km Distanz zwischen Mobilstation und Referenzpunkt und einer Zeitkorrektur von 5 ms,
beträgt ungefähr 1 Meter, was verglichen mit anderen Systemfehlern, wie Multipfad,
Empfängerrauschen, ionosphärischer Verzögerung und anderen quantisierenden Effekten
klein genug ist.
Vorhersage der Leistungsfähigkeit des Protokolls
Autonomer GPS Modus
Die Leistungsfähigkeit der gegenwärtigen Erfindung kann vorausgesagt werden, indem die
Verteilungen der Satelliten-Spurintervalle (die die Verteilung des ephemeridischen Alters
bestimmen) an verschiedenen geographischen Breiten untersucht werden und die durch
schnittliche Anzahl der ephemeridischen Sätze, die von jedem Satelliten benötigt wird, berechnet
wird. In Tabelle 6 unten wird diese Analyse zusammengefasst. Die Durchschnitte
erscheinen in der letzten Spalte und ein Vergleich dieser Spalte mit der letzten Spalte in Ta
belle 1 (die die entsprechenden Leistungsfähigkeitsdaten gemäß Stand der Technik präsen
tiert) zeigt klar die Vorteile der gegenwärtigen Erfindung. Für alle geographische Breiten
werden die ephemeridischen Updates reduziert und reichen von 40% in höheren Breiten bis
45% am Äquator.
Gesamtzahl an zur MS durch sichtbaren Satellit übertragenen Bits gemäß der Erfindung
Verwendung des Alters der Ephemeride zur Kontrolle der Updateanfragen
Wenn ephemeridische Daten angefordert werden, müssen BS oder SMLC nur ephemeridische
Daten für gegenwärtig sichtbare Satelliten, die im Speicher des Handgeräts noch nicht abge
speichert sind oder die den Parameter der "ephemeridischen Altersgrenze" überschreiten, der
von der entsprechenden Mobilstation festgelegt wird (die autonome Benutzer-Endanwendung
sollte diesen basierend auf die Anforderungen der Anwendung bezüglich Positionsgenauig
keit bestimmen), senden. So überträgt das Protokoll gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der gegenwärtigen Erfindung nur ephemeridische Daten für neue Satelliten, die nach der letz
ten Anfrage erschienen sind, zur Mobilstation.
Wenn die Endanwendung DGPS Korrekturen verwendet, kann die "ephemeridische Alters
grenze" hoch angesetzt werden, was bedeutet, dass die rohe Ephemeride im Handgerät nicht
während des gesamten sichtbaren Durchgangs des Satelliten auf den neuesten Stand gebracht
werden muss. In diesem Fall werden neue rohe ephemeridische Daten nur einmal an die Mo
bilstation übertragen und werden für den gesamten sichtbaren Durchgang des Satelliten ver
wendet.
Das Handgerät löscht alte ephemeridische Datensätze aus seinem Speicher auf mehrere Arten.
Zum Beispiel kann das Handgerät, so lange es einen Zeitintervallzähler besitzt, die verstri
chene Zeit seit der Annahme der ephemeridischen Daten im Handgerät verfolgen. Da bekannt
ist, dass die Ephemeride nach einer bestimmten Zeitperiode von 4 bis 6 Stunden nicht mehr
gültig ist, kann das Handgerät die gespeicherte Ephemeride, nachdem diese Zeitperiode ver
strichen ist, außer Kraft setzen. Des weiteren kann die Mobilstation zu jedem Zeitpunkt über
prüfen, ob der Satellit unter den lokalen Horizont gesunken ist, indem es die Ephemeride zum
gegenwärtigen Zeitpunkt evaluiert. Die Ephemeride sollte für jeden unter dem Horizont ver
schwindenden Satelliten gelöscht werden. Des weiteren bringt die Mobilstation, wenn sie ei
nen neuen ephemeridischen Satz erhält, die GPS Wochennummer an die ephemeridischen
Daten an (enthalten in der Kopfzeile der Antwort), so dass die Mobilstation selbst entscheiden
kann, wann ein bestimmter Datensatz zu alt ist und aus dem Speicher gelöscht werden kann.
Beschreibung des in ein mobiles Handgerät zu implementierenden Algorithmus zur Bestim
mung eines optimalen Verfahrens zum auf den neuesten Stand Bringen der Ephemeride des
Handgeräts
Ein anderer Aspekt der gegenwärtigen Erfindung ist ein Verfahren, das in ein mobiles Hand
gerät implementiert werden kann, um zu bestimmen, wann ein ephemeridisches Update von
der zellenförmigen Infrastruktur angefordert werden muss. Da der Fehler, der vom ephemeri
dischen Alter herrührt, durch die Verwendung geeignet generierter differentieller Korrekturen
kompensiert werden kann, soll dieses Verfahren nur angewendet werden, wenn das Handgerät
autonom arbeitet. Ziel dieses Verfahrens ist es, die Anzahl an ephemeridischen Updateanfra
gen zu minimieren. Die Anzahl der Anfragen wird minimiert, indem die Auswirkung des
ephemeridischen Alters auf das GPS Pseudo-Abstand (pseudo range PR) Residuum explizit
modelliert wird; indem dieses Modell im Lösungsverfahren verwendet wird (wenn ein
"Weighted Least Squares"-Algorithmus verwendet wird); indem die Genauigkeit der Lösung
mit dem gegenwärtigen Satz an ephemeridischen Daten vorhergesagt wird; und schließlich,
indem die ephemeridische Updateanfrage des Handgeräts von der Auswirkung des ephemeri
dischen Updates auf die vorhergesagte Genauigkeit der Lösung abhängt, wenn die vorherge
sagte Genauigkeit der Lösung exzessiv ist.
Bei der Vorhersage der Genauigkeit der Lösung sollte sowohl eine priori Einheit-
Varianzinformationsstatistik (d. h. eine Kovarianzinformation) und eine posteriori Varianzin
formationsstatistik (d. h. eine Einheit-Varianzinformation, wenn die Lösung überbestimmt ist)
verwendet werden. Da bei der Bestimmung eines Fix bereits viele der erforderlichen Berech
nungen vom Handgerät durchgeführt wurden, führt dieses Verfahren nicht zu signifikantem
zusätzlichen rechnerischen Aufwand für das Handgerät.
Vorhersage des Navigationsfehler
Die Fig. 14 und 16 zeigen Abschätzungen der Eins-Sigma In-Trak, Cross-Track und ra
dialen Fehlerkomponente des ephemeridisch abgeleiteten Satellitenstandorts als eine Funktion
seines Alters. Natürlich wird die Genauigkeit der Pseudobereichsmessung, die vom GPS
Empfänger berechnet wird, nicht direkt vom ephemeridischen Alter beeinflusst. Jedoch ist es
beim Ableiten von Navigationsinformation aus einer Auswahl von verfügbaren Pseudobe
reichsmessungen nötig, die Position des GPS Satelliten vorherzubestimmen und auf diese
Weise beeinflusst die ephemeridische Fehlerkomponente entlang der Sichtlinie (LOS-Line
Of Sight) zu jedem Satelliten die Navigationsgenauigkeit. Normalerweise ist die LOS
emphemeridische Fehlerkomponente eine Kombination der In-Trak, Cross-Track und radialen
Komponente, wird aber dominiert von der radialen Komponente: im Falle der denkbar
schlimmsten relativen Geometrie sind 24% (der Sinus von vierzehn Grad) des In-Track oder
Cross-Track Fehlers entlang der LOS, entsprechend eines Satelliten bei Höhenwinkel Null.
Sehr einfach gesprochen resultieren die konservativen Vorhersagen des Navigationsfehlers
aus der Benutzung der alten emphemeridischen Daten in konventionellen Vorhersage
berechnungen. Da implizit angenommen wurde, dass die Ephemeride eines jeden Satelliten
gleich alt war, waren die Schätzungen sehr konservativ.
Noch allgemeiner und realistischer wurde nur eine Unterauswahl von Satelliten für mehr als
sechs Stunden verfolgt und auf diese Weise besteht die Möglichkeit, alte ephemeridische Da
ten für Vorhersageberechnungen gemäß der gegenwärtigen Erfindung zu nutzen. Die Auswir
kung des ephemeridischen Fehlers auf den Navigationsfehler kann aus der Satelliten-
Geometrie und dem verwendetem Algorithmus bestimmt werden:
e = (HTH)-1HTδPR (LS Lösung) (7)
e = (HTR-1H)-1HT R-1δPR (WLS Lösung) (8)
wobei: e beschreibt den 4 dimensionalen Navigations-(und Zeit-)Fehlervektor
H ist die Messungsgradientenmatrix
R ist die abgeschätzte Messfehlervarianzmatrix
und δPR ist der m-dimensionale Vektor des Pseudobereichsfehlers
Im allgemeinen wird der WLS Algorithmus bevorzugt, da er das Entwichten des Pseudobe
reichs von Satelliten, für die ältere ephemeridische Daten benutzt werden, ermöglicht (falls
die Lösung überbestimmt ist, d. h. falls m den Wert vier überschreitet). Das Entwichten der
Messung wird beeinflusst durch das Einbinden des Eins-Sigma Fehlers, der mit dem epheme
ridischen Alter in der abgeschätzten Messfehlerkovarianzmatrix R assoziiert wird.
Nimmt man das äußere Produkt des Navigationsfehlervektors und quadriert die Gleichungen
(7) und (8), und nimmt dann die zu erwartenden Werte, ergebend sich die folgenden Glei
chungen für die Navigationsfehlerkovarianzmatrix:
P = (HTH)-1HT RH(HTH)-1 (LS Lösung) (9)
P = (HTR-1H)-1 (WLS Lösung) (10)
In der Herleitung der Gleichungen (9) und (10) sind die abgeschätzte und aktuelle Meßfehler
kovarianzmatrix (gekennzeichnet durch R) als gleich angenommen worden. Man sollte zur
Kenntnis nehmen, dass die Navigationsfehlerkovarianzmatrix, P, für die WLS Lösung bereits
durch den WLS Algorithmus berechnet ist, aber zusätzliche Rechnungen für den LS Algo
rithmus benötigt werden, die durch Gleichung (9) gegeben sind.
Für überbestimmte Lösungen sollte die Einheits-Varianzstatistik berechnet werden:
u = fTf/(m - 4) (11)
wobei f der m-dimensionale Fehlervektor.
Obwohl nicht ganz exakt, ist die Einheits-Varianz ein Maß für die Konsistenz der Messungen
(relativ zu den dazugehörigen angenommenen Fehlerstatistiken); ein viel zu großer Wert ist
daher ein Indikator für fehlerhafte Messdaten und kann auf diese Weise benutzt werden, um
die Navigationsfehlerkovarianz zu skalieren und realistischer zu machen.
Hat man die Charakterisierung der Navigationsfehler, die durch die Gleichungen (9), (10) und
(11) zur Verfügung steht, und eine Spezifikation des Navigationsfehlers, die das Handgerät
tolerieren kann, wird der folgende Test verwendet, um die Anfrage für ein neue Version der
Ephemeride zu kontrollieren:
α2(P(1,1) + P(2,2) + P(3,3)) < emax 2 (12)
Der Parameter α2 kontrolliert den Grad des Konservatismus. Zum Beispiel entspricht α2
gleich 2 einer 95%igen Sicherheit, dass emax nicht überschritten wird. Die drei in Gleichung
(12) auftauchenden Elemente der Kovarianzmatrix entsprechen dem östlichen, nördlichen und
vertikalem Positionsfehler; wird P(3,3) weggelassen, basiert der Test nur auf die zu erwarten
de horizontale Positionfehlervarianz.
Sollte die Gleichung (12) zeigen, dass der Navigationsfehler zu groß ist, werden zusätzliche
Test ausgeführt um zu bestimmen, ob eines oder mehrere ephemeridische Updates eine akzep
tablen Navigationslösung liefern können (d. h. der Test, der durch Gleichung (12) beschrieben
wird ist fehlgeschlagen). Alternativ kann der Test auch dazu benutzt werden, um zu bestim
men, ob ein oder mehrere ephemeridische Updates eine signifikante Reduzierung des vorher
gesagten Navigationsfehlers bewirken. Diese Tests entfernen den Beitrag von ephemeridi
schen Fehlern (da sie auf die entsprechende Elemente von R wirken) in Gleichung (9) oder
(10), vielleicht skaliert durch Gleichung (11). Der Test, der durch Gleichung (12) beschrieben
wird, wird dann wiederholt um zu bestimmen, ob die ephemeridische Updates für den zu tes
tenden Satelliten oder die zu testenden Satelliten die Navigationslösung akzeptabel machen.
Die Test werden für alle Satelliten mit einer mindestens vier Stunden alten Ephemeride aus
geführt, fortführend von der ältesten Ephemeride und dem Einbinden vorher getesteter Satelli
ten in jedem neuen Testsatz. Dadurch wird die minimale Anzahl von ephemeridischen Upda
tes, die benötigt wird um eine akzeptable Navigationsleistung zu ermöglichen, nachgefragt
und auf diese Weise wird die Anzahl der ephemeridischen Updates minimiert.
Vorhersage der örtlichen Dekorrelation von ephemerischen Fehlern
Es wird nochmals bezug genommen auf Fig. 13, in der die Geometrie, die mit der örtlichen
Dekorrelation der ephemerischen Fehler assoziiert wird, dargestellt ist. Nimmt man einen
separierenden Abstand d zwischen MS und RS und eine radiale und entlang der Spur (along
frack: at) Komponente des ephemerischen Fehlers δpr und δpat an, ist die Differenz im Be
reichsfehler gemessen durch die MS und RS proportional zum Sinus des Winkels θ (für gro
ße along-track Komponenten) und proportional zu eins minus dem Kosinus des Winkels θ
(für die radiale Komponente). Weil der Abstand zu den GPS Satelliten so groß ist (mindestens
drei Erdradien), kann θ als klein angenommen werden und daher wird der along-track Fehler
dominant sein. Gleichung (13) stellt die Empfindlichkeit der örtlichen Dekorrelation zu die
sem Fehler bereit:
δPR = (d/3 Re) δpat (13)
Für einen 20 Kilometer großen Abstand, zeigt Gleichung (13), dass ein ephemeridischer Feh
ler von einem Kilometer (in along-track Richtung angenommen) in nur einen residualen
Pseudobereichsfehler von einem Meter resultiert, nachdem eine differenzielle Korrektur an
gewandt wurde. Daher kann der Gebrauch von differenziellen Korrekturen das Ausnützen
eines alten Ephemridesatzes durch die MS erlauben, solange die IODE Werte zwischen dem
MS und RS übereinstimmen. Die Voraussetzung ist, dass die Software, die die differenzielle
Korrektur generiert, zusätzliche Ephemeridesätze speichert und die Korrekturen für die ent
sprechenden Sätze erzeugt. Von ephemeridische Daten die zehn Stunden alt sind (Fig. 14)
kann ausgegangen werden, dass sie eine Degradation von ungefähr 250 Metern erzeugen, also
einen Sigma, gut innerhalb des akzeptierbaren Bereichs der durch Gleichung (13) vorherge
sagt wird, da der schlimmste Fall für einen ephemeridischen Fehler, der durch vier-Sigma
beschrieben wird, einen Fehler von einem Kilometer erzeugt.
Die Kurven in Fig. 14 zeigen die Vorhersage für den eins-Sigma Fehler in Zusammenhang
mit der auf der Ephemeride basierten GPS Satelliten Positionsabschätzung 13226 00070 552 001000280000000200012000285911311500040 0002010054764 00004 13107als eine Funktion
des ephemeridischen Alters. Sie wurden hergeleitet aus der Analyse von GPS ephemeridi
schen Daten, die einem kompletten Tagessatz an Daten entsprechen, wobei eine präzise
Ephemeride, die im Internet von dem Jet Propulsion Laboratory (sub-Meter Genauigkeit) zur
Verfügung gestellt wird, als wahre Quelle benutzt wurde.
Rechtfertigung der ephemeridischen Übertragungskompression von PRC und RRC Differen
zen
Der (eins-Sigma) Fehler, der durch die selektive Verfügbarkeits (SA) Schwankungen auf
Grund der Latenz der differenziellen Korrekturdaten induziert wird, ist gegeben durch:
σSA = σSAacc Δt2/2 (14)
Für Δt = 30 Sekunden und σSAacc = 0.005 m/sec2 (Erfahrungswerte mit SA zeigen, dass es sich
hier um eine vernünftige und konservative Zahl handelt) nimmt der eins-Sigma Latenz Fehler
2,25 Meter an, bzw. im Fall des schlimmsten Fehlers (drei-Sigma) 7,75 Meter. Diese Zahl
wird als Basis zum Vergleich der Größenordnung der Effekte der latenten ΔPRC Werte die
nen: Ist der schlimmste Fehler der durch die ΔPRC Latenz induziert wird kleiner als der Feh
ler, der dem SA zuzuschreiben ist, wird die Latenz als akzeptabel bewertet.
Zu bemerken ist, dass der Effekt durch die ΔPRC Latenz sowohl Geschwindigkeits- als auch
Beschleunigungseffekte berücksichtigt, da in der Übertragungsnachricht nicht die ΔPRC Wer
te beinhaltet. Die Auswirkungen des Geschwindigkeitsfehlers können durch Referenz zur
eins-Sigma Geschwindigkeitsfehlerkurve in Fig. 16 zugänglich gemacht werden. Blickt man
ausgehend vom Zeitpunkt der Verfügbarkeit der Ephemeride (durch toe bezeichnet) zehn
Stunden (den schlimmsten Fall vorausgesetzt) voraus, ist der eins-Sigma radiale Geschwin
digkeitsfehler ungefähr 0,033 m/sec. Daher erzeugt eine 60 Sekunden Latenz einen eins-
Sigma Fehler von 1,98 Meter oder im schlimmsten Fall 5,94 Meter, weniger als der Fehler,
der durch SA für mehr als 30 Sekunden erzeugt wird. Zu bemerken ist, dass sich die Latenz
mit einer Verkleinerung der Zeit von tOE reduziert, und zwar ungefähr linear: z. B. für ΔPRC
Werte die einer Ephemeride, die nur sechs Stunden alt ist, entspricht, verkleinert sich der
größt möglichste Fehler auf 2,7 Meter. Daher liegt es Nahe, dass APRC Werte, die aktuelleren
ephemeridischen Daten entsprechen, weniger frequent gesendet werden, um zusätzliche Bits
zu sparen. Die Beschleunigungsfehler, auch wenn sie nicht in der Analyse der ephemeridi
schen Daten eingeschlossen sind, werden als klein angenommen, da die Fehler naturgemäß
sinusförmig sind, mit einer Periode des Sinus gleich der orbitalen Periode. Der größt anzu
nehmende Beschleunigungsfehler kann daher festgesetzt werden, wenn man den maximalen
Geschwindigkeitsfehler (für eine zehn Stunden alte Ephemeride) nimmt und ihn durch die
orbitale Periode teilt. Daraus resultiert ein Wert von 1,4 µg, welcher einen Positionsfehler von
0,05 Meter nach sechzig Sekunden erzeugt.
Bezugnehmend auf Fig. 17-20 ist eine andere Auswirkungsform der gegenwärtigen Er
findung dargestellt. Diese andere Auswirkungsform der gegenwärtigen Erfindung unter
scheidet sich von der bevorzugten hier beschriebenen Auswirkungsform in dem Punkt, dass
die bevorzugte Auswirkungsform eine Basisstation Subsystem (BSS) ist und eine BSS-
basierende SMLC 112 besitzt, während die andere Auswirkungsform die in Fig. 17 bis 20
dargestellt ist, eine Netzwerksystem Subsystem (NSS) ist.
Fig. 17 ist das Systemdiagramm der anderen Auswirkungsform der gegenwärtigen Erfin
dung einschließlich eines NSS basierten SMLC 112. Das System ist gleich zu dem in Fig. 1
dargestellten, außer dass der SMLC 112 an das MSC/VLR 122 statt an den BSC 110 ange
schlossen ist.
Fig. 18 zeigt die Architektur, die fähig ist die Standort Service (LSC) zu unterstützen gemäß
der anderen Auswirkungsform der gegenwärtigen Erfindung, die in Fig. 17 dargestellt ist.
Die detaillierte Diskussion dieser Architektur ist sehr ähnlich zur Beschreibung der Fig. 2,
außer, dass dies eine Architektur für einen NSS basierten SMLC 112 ist. Mit anderen Worten
unterstützt diese Architektur die Positionierung einer Ziel MS 104 über die Signalgebung auf
die LS Schnittstelle 702 zur besuchten MSC 122. Der Rest der Beschreibung in Fig. 2 sollte
auf diese Figur anwendbar sein. Das MSC 122 beinhaltet die Funktionalität, die für die MS
Abonnement Autorisierung und das Verwalten Ruf-bezogene und nicht Ruf-bezogene Positi
onsbestimmungsanfragen der GSM LCS, verantwortlich ist. Der MSC 122 ist zugänglich für
das GMLC 124 mittels LgG Schnittstelle und das SMLC 112 mittels Ls Schnittstelle 702. Die
Signalgebung zwischen einem NSS basiertem SMLC 112 und einer LMU 142, 143 geschieht
mittels MSC 122, das die LMU 142, 143 bedient, indem die Ls Schnittstelle 72 und entweder
die Um Schnittstelle (Luftschnittstelle zu einer LMU) für eine Typ A LMU 142 oder der Abis
Schnittstelle für eine Typ B LMU 143 verwendet werden.
Die Fig. 19 zeigt Protokollebenen, die verwendet werden, um Signalgebungsprotokolle zwi
schen dem SMLC 112 und der Ziel MS 104 mit einem NSS basiertem SMLC 112 zu unstüzen
gemäß der anderen Auswirkungsform der gegenwärtigen Erfindung, die in Fig. 17
dargestellt ist. Die Details der Signalgebung zwischen dem SMLC 112 und der MS 104 sind
ähnlich zur Signalgebung, die hier in Fig. 4 betrachtet wurde, außer, dass die Signalgebung
zwischen der SMLC 112 zum MSC 122 in einem NSS-basierenden System nicht direkt und
unbedingt Signalgebung von dem SMLC 112 zum MSC 122 und damit auch zum BSC 110
beinhaltet. Die Signalgebungsprotokolle und deren Verwendung sind denjenigen allgemein
bekamt, die mit GSM Systemen und den darin verwendeten Protokollen vertraut sind.
Bezugnehmend auf Fig. 20, gemäß der anderen Auswirkungsform der gegenwärtigen Erfin
dung, die hier diskutiert wird, sind zwei Datenflüsse gezeigt: Positionierungsablauffluss und
der Assistenzdatenfluss. Der Belieferungsfluss der Assistenzdaten für alle Standortverfahren,
die mit der NSS basierten SMLC 112 der Fig. 17 und 18 benutzt werden, sind in Fig. 20
dargestellt. Da die Standortverfahren der NSS-basierenden SMLC sehr ähnlich sind zu den
BSS basierten, die in Fig. 5 und 6 dargestellt sind, bis auf den Positionierungsverfah
ren/Assistenzdatenfluss, kann man Bezug nehmen auf die Fig. 5 und 6 für die gleichen
Schritte, die in Fig. 20 nicht gezeigt sind. Das auf NS basierte SMLC Positionierungsverfah
rensfluss besteht aus: (a) das SMLC bestimmt mögliche Assistenzdaten und sendet ein RRLP
MESSE POSITION Anfrage zum MSC und der MSC leitet eine RRLP MESSE POSITION
Anfrage zum BSC; (b) der BSC sendet einen Positionierungsanfrage zusammen mit einem
QoS und irgendwelchen Assistenzdaten zum MS in einer RRLP MESSE POSITION Anfrage;
(c) zur Verfügung gestellte Standortgeheimhaltung ist nicht aktiviert im MS oder aktiviert
aber überschrieben, um den Standort für einen Notruf zu erhalten. Die MS führt die angefor
derte GPS Messungen aus (Falls es der MS möglich ist die eigene Position zu berechnen, was
nötig ist, berechnet das MS eine GPS Standortabschätzung. Etwaige notwendige Daten, um
diese Operationen durchzuführen, werden entweder durch die RRLP MESSE POSITION An
frage zur Verfügung gestellt oder sind verfügbar von Übertragungsquellen) und die resultie
renden GPS Messungen oder GPS Standortschätzungen werden zum BSC zurückgeführt in
einer RRLP MESSE POSITION Antwort; (d) falls es der MS nicht möglich war die notwen
digen Messungen durchzuführen oder einen Standort zu berechnen, wird eine Fehlermeldung
zurückgeschickt; (e) der BSC sendet Messungsergebnisse in einer MESSE POSITION Anfra
ge innerhalb einer BSSMAP Standortinformationsbericht Nachricht zum MSC; und (f) das
MSC leitet die Messungsergebnisse in einer MESSE POSITION Antwort innerhalb einer
LCS Informationsbericht Nachricht zum SMLC.
Der auf NSS basierende SMLC Assistenzdatenfluss besteht aus: (a) das SMLC bestimmt die
Assistenzdaten und sendet die RRLP ASSISTENZDATEN-Nachricht an das MSC; (b) das
MSC leitet die RRLP ASSISTENZDATEN-Nachricht an den BSC weiter; (c) der BSC sendet
die Assistenzdaten an die MS in Form einer RRLP ASSISTENZDATEN-Nachricht (falls die
Assistenzdaten nicht in eine einzelne Nachricht passen, können Schritte (a), (b) und (c) wie
derholt werden); (d) die MS bestätigt dem BSC in Form eines RRLP ASSISTENZDATEN
ACK den Empfang der vollständigen Assistenzdaten; (e) der BSC sendet das RRLP
ASSISTENZDATEN ACK an das MSC; und (f) das MSC leitet das RRLP
ASSISTENZDATEN ACK an das SMLC weiter.
In anderen Aspekten des Verfahrens, insbesondere in Operationen bei der Mobilstation 104,
verfährt das NSS basierende System wie oben beschrieben, gemäss der bevorzugten Ausfüh
rungsform der gegenwärtigen Erfindung.
Es wurde ein zellenförmiges Netzwerkprotokoll spezifiziert, das sowohl Übertragungs- als
auch Punkt-zu-Punkt-Nachrichten unterstützt, um eine auf "Assisted GPS" basierende Positi
onsbetimmung für mobile Handgeräte zu unterstützen. Es ist offensichtlich, dass die gegen
wärtige Erfindung gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile bietet. Zum Beispiel
verringert die gegenwärtige Erfindung den zwischen Mobilstation und Netzwerk erforderli
chen Datenfluss (Bandbreite) und verringert die Komplexität der Infrastruktur, indem Intra-
und Inter-Tabellen, verwandte Datenstrukturen und Algorithmen und Intra- und Inter-SMLC-
Kommunikation für die Erzeugung und die Pflege von ephemeridischen Daten nicht mehr
nötig sind. Tatsächlich zeigt die oben diskutierte Analyse, dass der Datenfluss im Durch
schnitt um mehr als 40% gegenüber ähnlichen konventionellen Verfahren reduziert wird.
Die Nachrichten und Kontrollmethoden der gegenwärtigen Erfindung repräsentieren eine
Verbesserung gegenüber konventionellen Positionsbestimmungsverfahren, da diese Nachrich
ten und Methoden den erforderlichen Datenfluss im Netzwerk auf vorteilhafte Weise mini
mieren. Zum Beispiel reduziert das spezifizierte ephemeridische Punkt-zu-Punkt-
Übertragungsverfahren die effektiv erforderliche Bitrate um mindestens 40%. Bezüglich sei
ner Punkt-zu-Punkt-Nachrichten kann das Protokoll als "handgeräte-zentrierter" Ansatz be
zeichnet werden, um es von konventionellen "netzwerkzentrierten" Ansätzen abzugrenzen.
Drei spezifische Innovationen der gegenwärtigen Erfindung zusammen minimieren die An
zahl der zu jedem Handgerät übertragenen erforderlichen Bits: ein Verfahren zur Verringe
rung oder zur Entfernung der Anforderungen für ephemeridische GPS-Updates auf jedes
Handgerät; ein Verfahren zur Kontrolle der Rate, mit der das Netzwerk die Ephemeride jedes
Handgeräts auf den neuesten Stand bringt, basierend auf eine ephemeridische Altersgrenze;
und schließlich ein Verfahren, das jedes Mobilgerät verwenden kann, um festzustellen, wann
ein ephemeridisches Update benötigt wird, basierend auf eine Genauigkeitsvorhersage und
einem für jedes Mobilgerät individuellen Grenzwert.
In ephemeridischen Übertragungsnachrichten werden, gemäß der gegenwärtigen Erfindung,
drei weitere spezifische Innovationen spezifiziert: die Verwendung berechneter Positionsda
ten, statt ephemeridischer Elemente, die die effektive Bitrate um bis zu 50% reduziert; die
Absorption der Zeit-Korrekturdaten des Satelliten in die Übertragungspositionsschätzungen,
um sie nicht gesondert übertragen zu müssen; und ein Verfahren zur Komprimierung der dif
ferentiellen Korrektur-Übertragungsnachricht, basierend auf die Fehlercharakteristika des
GPS.
Obwohl die Erfindung in der obigen Beschreibung und in den obigen Figuren beschrieben
und illustriert wurde, handelt es sich hierbei nur um eine beispielhafte Ausführungsform der
gegenwärtigen Erfindung und es können vom Fachmann viele Änderungen und Modifikatio
nen vorgenommen werden, ohne vom wahren Geist und dem Rahmen der Erfindung abzu
weichen. Zum Beispiel könnte die gegenwärtige Erfindung, obwohl sie in einer bevorzugten
und einer weiteren Ausführungsform innerhalb eines zellenförmigen GSM-Systems beschrie
ben wurde, in andere Funk-Kommunikationssysteme implementiert werden. Demzufolge soll
te unsere Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche Beschränkung erfahren.