DE69929915T2

DE69929915T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Zeit im Satellitenpositionierungssystem

Info

Publication number: DE69929915T2
Application number: DE69929915T
Authority: DE
Inventors: Leonid Sheynblat; Norman F. Krasner
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: FI114343B; CN1645162A; ES2262744T3; CA2328847A1; WO1999053338A2; US6215442B1; IL139041A0; ES2358302T3; CA2328847C; DE69943151D1; EP1073914A2; US6433731B1; US6597311B2; AU4180999A; EP1566655A3; EP2017640B1; EP2017640A1; DE69940572D1; KR100749712B1; ATE245819T1

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Satellitenpositionsbestimmungssysteme (SPS), und insbesondere auf die Bestimmung einer Zeit bzw. eines Zeitpunktes, der mit einer SPS-Signalübertragung und/oder einem SPS-Signalempfang assoziiert ist.
Hintergrundinformationen
SPS-Empfänger wie beispielsweise GPS-Empfänger (GPS = Global Positioning System) bestimmen normalerweise ihre Position durch Berechnung von relativen Ankunftszeiten von Signalen, die gleichzeitig von einer Vielzahl von Satelliten übertragen werden, wie beispielsweise GPS-Satelliten (oder NAVSTAR-Satelliten). Bei typischen Satellitenpositionsbestimmungssystemen, wie beispielsweise GPS, wird die Vielzahl von Satelliten gemäß eines hochgenauen Systemtaktes synchronisiert, der die Genauigkeit einer Atomuhr bieten kann. Im allgemeinen überträgt jeder Satellit Navigationsdaten (beispielsweise die Lage des Satelliten) die auch einen Zeitstempel aufweisen, um anzuzeigen, wann die Daten übertragen wurden, und zwar gemäß der Zeit, wie von dem Systemtakt bzw. der Systemuhr angezeigt (im folgenden als Systemzeit bezeichnet), welche im Fall von GPS als (GPS-) Systemzeit bezeichnet wird.
Jedoch haben SPS-Empfänger typischerweise nicht eine so genaue Uhr bzw. Takt. Somit bestimmt ein SPS-Empfänger typischerweise die Zeitsteuerinformationen bzw. Zeitinformationen durch Lesen von Zeitinformationen, die in der Satellitennachricht enthalten waren. Viele Empfänger bestimmen die Position und die Zeit durch Verwendung von Messungen von vier (oder mehr) Satelliten. Der Bereich von jedem der vier Satelliten (i = 1, 2, 3, 4) kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei gilt:

x, y und z: sind die Koordinaten/Position des Empfängers (unbekannt);
xi, yi und zi: sind die Koordinaten/Position des i-ten Satelliten (bekannt); und
cb: stellt die Taktvorspannung bzw. Clock-Vorspannung (clock bias) dar, die ein Ergebnis des Zeitfehlers zwischen der Zeit des Empfängers und der Referenzzeit ist (unbekannt).

Somit gibt es typischerweise eine Gesamtzahl von vier Unbekannten in der Gleichung (1) oben.
Oft wird PRi als Pseudobereich bezeichnet, da er den tatsächlichen Bereich bzw. die tatsächliche Entfernung zum i-ten Satelliten plus oder minus einer Versetzung darstellt, die von dem Takt- bzw. Uhrfehler des Empfängers herrühren kann, wie durch den Ausdruck cb in Gleichung (1) gezeigt. Die obige Gleichung, die Messungen von vier Satelliten verwendet, kann linearisiert werden und in Matrixform wie folgt ausgedrückt werden:
wobei gilt:

ΔPri: ist der residuelle Pseudobereich für den i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4) und stellt eine Differenz zwischen dem gemessenen Pseudobereich und ei nem anfänglichen abgeschätzten Bereich zum i-ten Satelliten dar (bekannt);
uxi, uyi und uzi: sind die Richtungscosini des Richtlinienvektors (LOS-Vektors, LOS = line-of-sight) vom Empfänger zum i-ten Satelliten, wie entlang den x-, y- und z-Koordinatenachsen projiziert (bekannt);
Δx, Δy, Δz: und Δcb sind die Korrekturen der anfänglichen Abschätzungen der Koordinaten/Position und des Taktes bzw. der Uhr des Empfängers, die von einem Referenztakt bzw. einer Referenzuhr versetzt sein können (unbekannt).

Im folgenden wird der residuelle Pseudobereichsvektor auch als Z bezeichnet, die Matrix H mit nx4 Elementen wird auch als Beobachtungsmatrix bezeichnet, und x stellt die SPS-Empfängerposition und den Zeitkorrekturvektor dar, was die interessanten Unbekannten enthält. Wenn somit eine Inverse der Beobachtungsmatrix bzw. Observationsmatrix H existiert, kann eine einzige Lösung für die Unbekannte x für den Satz von linearen Gleichungen bestimmt werden, die durch die obige Matrixgleichung (2) dargestellt wird, so daß folgendes gilt: x = H–1·Zoder:x ^ =(Ht·H)–1 Ht·Zwobei gilt:

H^–1: ist die Inverse der Beobachtungs- bzw. Observationsmatrix;
(H^t·H)^–1: ist die Pseudoinverse der Beobachtungsmatrix; und
x ^: ist die Abschätzung der kleinsten Quadrate des Vektors der unbekannten Parameter x.

Um die Pseudobereiche (PRi) zu bestimmen, verwendet ein herkömmlicher SPS-Empfänger typischerweise eine anfängliche Abschätzung seiner Position und seiner Taktvorspannung (clock bias), die innerhalb einer Millisekunde bekannt ist. Da jedoch Signale von Satelliten mit Lichtgeschwindigkeit laufen oder ungefähr mit Lichtgeschwindigkeit laufen, kann sogar eine zeitliche Zweideutigkeit von einer Millisekunde einen Fehler um bis zu 300 Kilometer in der Pseudobereichsmessung haben. Durch Auflösen der Matrixgleichung (2) oben kann der herkömmliche GPS-Empfänger eine Korrektur für seine anfängliche Uhr- bzw. Taktvorspannungsabschätzung berechnen, wobei die anfängliche Taktvorspannungsabschätzung abgeleitet wird durch Lesen der Navigationsnachricht, die "Zeitausrichtungsinformationen" liefert.
Unglücklicherweise kann in vielen Situationen die Bestimmung der Systemzeit durch Lesen der Navigationsnachricht von einem oder mehreren Satelliten schwierig sein, und zwar aufgrund der Verschlechterung der Signalqualität. Wo es beispielsweise eine Blockage der Satellitensignale gibt, kann der empfangene Signalpegel oder das Verhältnis von Signal zu rauschen (SNR = signal-to-noise ratio) von den GPS-Satelliten zu niedrig sein, um die Satellitendatensignale ohne Fehler zu demodulieren und zu lesen. Solche Situationen können bei der Personenverfolgung oder bei anderen besonders mobilen Anwendungen erscheinen. Bei solchen Signalbedingungen ist es möglich, daß ein Empfänger immer noch die GPS-Signale aufnimmt und verfolgt bzw. trackt. Jedoch können die Ausführung der Lagemessung und eine unzweideutige Zeitmessung ohne Zeitsteuerdaten am besten unter Verwendung von alternativen Verfahren ausgeführt werden.
US-A-4,5783678 beschreibt einen GPS-Empfänger mit einer Anzahl von Kanälen, und zwar einer für jeden einer Vielzahl von Satelliten. Eine Anhäufung von pseudobereich-code-zeit-vielfach-modulierten Signalen wird von einigen oder allen Satelliten empfangen und in das Basisband und anschließend in eine digitale Form zur separaten Verarbeitung in den separaten Kanälen konvertiert, wobei jeder von diesen einen komplexen Mischer für die Anpassung des Basisbandsignals in eine weiche Schätzung der Frequenz für das nächste Messungsintervall beinhaltet. Ein N-Lag-Kreuz-Korrelierer empfängt ein Replikat eines Pseudobereich-Codes angepasst für eine geglättete Schätzung des Pseudobereichs (Verzögerung). Ein Fast-Fourier-Transformationsprozessor berechnet die Signalenergie als eine Funktion der Doppler-Frequenz für jeden Korrelierungsnachlauf, und ein Bereich- und Frequenzschätzer berechnet Schätzungen des Pseudobereichs und des Frequenzpunkts. Diese groben Schätzungen von allen Kanälen werden benutzt, um die Empfängerposition, Geschwindigkeit, Takt, Versatz in einer konventionellen Navigation und Steuereinheit geschätzt, basierend auf die gesamte Lösung berechnet diese Einheit die geglätteten Schätzungen für das nächste Messungsintervall.
WO-A-98/02984 beschreibt eine GPS-Signalverarbeitung, die mehrere Satellitencodes und Doppler-Bins, die sequenziell durchsucht werden können, erlaubt. Die vom Empfänger ausgegebenen Basisbanddaten werden abgetastet und gespeichert und zwar über ein Zeitintervall, das ausreichend ist, eine Akquisition und Synchronisation für jedes CDMA-Signal bei jeder spezi- fischen Dopplerverschiebung zu erreichen. Diese Abtastung wird digital aufgenommen und vom Speicher wieder abgespielt, und zwarso oft, wie benötigt wird, um jedes gewünschte CDMA-Signal zu bekommen und zu synchronisieren. Um den Verarbeitungsenergieverbrauch niedrig zu halten wird ein analoger Kreuzkorrelierer benutzt. Der Ablauf der kohärenten und nichtkohärenten Verarbeitung für alle Doppler-Kanäle wird so gewählt, um die Energieeffizienz zu maximieren, während die benötigte Prozessorhardware minimiert wird.
WO-A-95/04941 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Verfolgen der Position von mindestens einem sich bewegenden Objekt von einer Bodenprozessstation durch Abfangen von Breitbandspreizspektrumsignalen, die von einer Vielzahl von Satelliten gesendet wurden, in denen die Codesequenz der Signale nicht bekannt ist. Eine Empfängerschaltung in dem sich bewegenden Objekt komprimiert die empfangenen Breitbandsignale in ein Schmalband, entfernt jede Frequenzverzerrung mit einem Referenzoszillator mit einem Frequenzversatzwert, bildet ein schmales Analog-Basisband und sendet zur Prozessstation bei der die Spektrallinien erzeugt werden und mit den synthetischen Spektrumswerten verglichen werden, um die Identität jedes Satelliten zu bestimmen. Der Referenzoszillatorfrequenzversatzwert wird geschätzt und der Ort und die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts wird bestimmt.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, um die Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem bzw. SPS zu bestimmen, wie beispielsweise die Zeit der Satellitenübertragung bzw. Absendung beim Satelliten und/oder die Meßzeit durch einen SPS-Empfänger bezüglich einer Referenzzeit (beispielsweise einer Systemzeit oder einer anderen relativ genauen Referenzzeit), und zwar ohne die Notwendigkeit, die Referenzzeit aus den Verarbeitungszeitinformationen zu bestimmen, die innerhalb der Satellitennavigationsdatennachricht geliefert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Referenzzeit assoziiert mit einem Satellitenpositionssystem ist beschreiben. Sobald die Referenzzeit in einem Ausführungsbeispiel bestimmt wurde, kann sie benutzt werden, um andere Navigationsinformationen zu bestimmen. Solche Navigationsinformationen können zum Beispiel den Ort/Position eines Satellitenpositionssystemempfängers (SPS) beinhalten.
Somit, gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Zeit assoziiert mit einem Satellitenpositionssystem, wie dargelegt in Anspruch 1, vorgesehen. Gemäß einem zweiten Aspekt ist eine Vorrichtung für das Bestimmen einer Zeit assoziiert mit einem Satellitenpositionssystem wie dargelegt in Anspruch 4, vorgesehen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird eine Fehlerstatistik benutzt, um die Referenzzeit zu bestimmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt ein Beispiel eines kombinierten Mobilfunk-GPS-Empfängers und eines Kommunikationssystems, das gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann;
1B zeigt im weiteren Detail die HF zu ZF-Konvertierung 7 und den Frequenzsynthesizer 16 der 1A;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Verwendung der relativen Satellitengeschwindigkeit zur Zeitbestimmung in einem Satellitenpositionssystem zeigt, und zwar so wie es mit einem Mobilfunk-SPS-Empfänger angewendet werden kann, der mit einem Mobilkommunikationsempfänger und -sender kombiniert wird, wie zum Beispiel der in 1A gezeigte;
3a ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Verwendung einer Fehlerstatistik, um die Zeit in einem Satellitenpositionssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu bestimmen, zeigt;
3b ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Verwendung einer Einheitsvarianzfehlerstatistik in dem Verfahren 300 der 3a zeigt, um die Zeit in einem Satellitenpositionssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu bestimmen;
4a und 4b beschreiben ein Beispiel von Einheitsvarianzpassungen für einen Satz von Bereichsschätzungen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 zeigt ein verallgemeinertes Verfahren zur Bestimmung der Zeit assoziiert mit einem Satellitenpositionssystem basierend auf einen Vergleich einer ersten und einer zweiten Aufnahme einer Satellitendatennachricht, und welches mit einem Mobilfunk-SPS-Empfänger angewendet werden kann, der mit einem Mobilkommunikationsempfänger kombiniert wird, wie zum Beispiel der gezeigt in 1a gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 zeigt im weiteren Detail ein Verfahren 620 zum Messen einer Zeit bezogen auf Satellitendatennachrichten für die Verwendung mit einem Satellitenpositionssystem;
7a zeigt eine Basisstation gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7b zeigt eine Basisstation gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 zeigt ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen SPS-Empfänger, ein Zellulartelefonstandort, eine Basisstation, das Internet und ein Anwendercomputersystem beinhaltet.
Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Messung einer Zeit bezüglich Satellitendatennachrichten zur Anwendung bei Satellitenpositionsbestimmungssystemen werden unten beschrieben. Ein Teil der Besprechung der Erfindung konzentriert sich auf das globale Positionsbestimmungssatellitensystem (GPS-System, GPS = Global Positioning System) der Vereinigten Staaten. Es sollte jedoch offensichtlich sein, daß diese Verfahren gleichfalls auf ähnliche Satellitenpositionsbestimmungssysteme anwendbar sind, wie beispielsweise das russische Glonass-System. Darüber hinaus wird klar sein, daß die Lehre der vorliegenden Erfindung gleichfalls auf Positionsbestimmungssysteme anwendbar ist, die Pseudoliten oder eine Kombination von Satelliten und Pseudoliten verwenden. Darüber hinaus sind die verschiedenen Architekturen für die Basisstationen und die mobilen SPS-Empfänger eher zu veranschaulichenden Zwecken vorgesehen, als daß sie als Einschränkungen für die vorliegende Erfindung angesehen werden sollen.
Verwendung der Satellitengeschwindigkeit für die Zeitbestimmung
2 ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren veranschaulicht, um die relative Satellitengeschwindigkeit zur Zeitbestimmung in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu verwenden, wie dies mit einem mobilen SPS-Empfänger verwendet werden kann, der mit einem mobilen Kommunikati onsempfänger und -sender kombiniert ist, wie beispielsweise in 1A gezeigt. Bei dem in 2 gezeigten Verfahren 200 schätzt eine Einheit, wie beispielsweise ein mobiler SPS-Empfänger 100, der in 1A gezeigt ist, seine Position bezüglich eines Satzes von einem oder mehreren Satelliten im Schritt 202 ab. Der SPS-Empfänger kann einen Satz von Pseudobereichen zu einem Satz von Satelliten basierend auf Signalen bestimmen, die von den Satelliten übertragen werden. Als solches wird irgend eine Bereichs- oder Positionsabschätzung durch den SPS-Empfänger typischerweise eine Versetzung relativ zu einer tatsächlichen Position oder einem tatsächlichen Bereich (Entfernung) versetzt sein, und zwar aufgrund einer Versetzung zwischen der Zeit der Messung, wie durch die Uhr des SPS-Empfängers vorgesehen, und einer Referenzzeit.
In einem Schritt 204 empfängt eine Basisstation, wie beispielsweise die in 7A gezeigte Basisstation Informationsabschätzungen von dem SPS-Empfänger. Beispielsweise kann die Informationsabschätzung eine Darstellung der Pseudobereichsmessungen aufweisen, wie mit einer Abschätzung der Zeit der Messung durch den SPS-Empfänger assoziiert. Beispielsweise kann der Pseudobereich unter Verwendung der Zeit bestimmt werden, wie sie durch den Takt bzw. die Uhr des SPS-Empfängers angezeigt wird. Wie oben bemerkt, kann ohne Kenntnis der Satellitenposition zu einem exakten Zeitpunkt relativ zu einer genauen Referenzzeit der SPS-Empfänger nur auf eine Abschätzung/Annäherung seiner Position eingeschränkt sein, was die Versetzung zu der tatsächlichen Distanz aufgrund irgend einer Versetzung oder eines Zeitfehlers sein kann.
Im Schritt 206 bestimmt die Basisstation die Zeitversetzung, die mit der Bereichs- oder Positionsabschätzung des SPS-Empfängers assoziiert ist, wie durch die Informationsabschätzung dargestellt, die an die Basisstation durch den SPS-Empfänger geliefert wurde, und zwar basierend auf einer Abschätzung der relativen Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten. Die Relativgeschwindigkeit von jedem des Satzes von Satelliten stellt eine ungefähre Relativgeschwindigkeit zwischen den Satelliten und dem mobilen SPS- Empfänger dar. Ein Verfahren zur Anwendung von relativen Satellitengeschwindigkeiten zur Bestimmung einer Zeitversetzung zwischen einer Meßzeit eines SPS-Empfängers und einer Referenzzeit (beispielsweise der GPS-Systemzeit) wird unten mit Bezugnahme auf die Matrixgleichung (4) beschrieben.
Schließlich liefert im Schritt 208 die Basisstation verbesserte Navigationsinformationen, wie beispielsweise die Zeit, die Position, die Geschwindigkeit usw. an den SPS-Empfänger. Die verbesserte Navigationsinformation basiert auf einer Bestimmung der Versetzung (oder einer Annäherung davon), um zu bestimmen, zu welchem Zeitpunkt, relativ zur Referenzzeit, welche Position, welcher Bereich oder welche andere Information abgeschätzt oder durch den mobilen SPS-Empfänger gemessen wurde. Alternativ kann die Basisstation nicht die verbesserten Navigationsinformationen an den SPS-Empfänger liefern. Beispielsweise können solche Informationen gespeichert werden und können zu einer anderen Einheit über eine Datenkommunikationsverbindung geliefert werden, die mit Drähten oder drahtlos sein kann, usw..
Tabelle 1 zeigt wie und durch welche Vorrichtungen) einige der oben erwähnten Größen bestimmt werden können. Tabelle 1
Eine Pseudobereichsmatrixgleichung (4), wie unten gezeigt, kann bezüglich des Fehlers/der Versetzung der Zeit zwischen der abgeschätzten Zeit, die mit der Zeit einer Messung bei dem mobilen SPS-Empfänger assoziiert ist, und der Referenzzeit aufgelöst werden. Eine solche Auflösung basiert auf der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Satz von Satelliten, die verwendet wird, um die Position des mobilen SPS-Empfängers abzuschätzen, und dem mobilen SPS-Empfänger selbst. Für fünf Messungen kann die modifizierte Matrixgleichung (4) wie folgt ausgedrückt werden:
wobei gilt:

ΔPri: ist das Pseudobereichsresiduum für den i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4, 5) und stellt eine Differenz zwischen dem gemessenen Pseudobereich und einem anfänglichen abgeschätzten Bereich bis zum i-ten Satelliten dar (bekannt);
uxi, uyi und uzi: sind die Richtungscosini des Richtlinienvektors (LOS-Vektors, LOS = line-of-sight) vom Empfänger zum i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4, 5), wie entlang den x-, y- und z-Koordinatenachsen projiziert (bekannt);
sv_range_ratei: ist die relative Geschwindigkeit zwischen dem i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4, 5) und einer Einheit (beispielsweise einem mobilen SPS-Empfänger) (bekannt);
Δx, Δy, Δz und Δcb: sind die Korrekturen der anfänglichen Abschätzungen der Koordinaten/Position und des der Uhr bzw. des Takts des Empfängers (unbekannt);
Δt: ist die Versetzung in der Zeitmessung, die die Differenz (oder Versetzung) zwischen der abgeschätzten Zeit, bei der die Pseudobereichsmessungen ausgeführt wurden, und einer Referenzzeit darstellen kann (beispielsweise der GPS- Systemzeit, eine Zeit basierend auf der GPS-Systemzeit, usw.) (unbekannt).

Die obige Matrixgleichung (4) kann aufgelöst werden, um eine einzige Lösung zu erhalten, die zu den Pseudobereichsmessungen "paßt", die zu einem speziellen Zeitpunkt aufgenommen wurden. Aus der Lösung der Matrixgleichung (4) sieht Δt die Grobkorrektur bzw. Coarse-Korrektur vor, und Δcb liefert die Feinkorrektur für die anfängliche Abschätzung der Zeit, bei der die Pseudobereiche bestimmt werden. Somit kann eine Versetzung, die in der Größenordnung von einer Millisekunde oder mehr liegen kann, zwischen einer Referenzzeit (beispielsweise einer GPS-Systemzeit) und der abgeschätzten Zeit, bei der eine Einheit ihre Lage und/oder jene eines Satzes von Satelliten schätzt, basierend auf der Relativgeschwindigkeit des Satzes von Satelliten bestimmt werden kann.
Obwohl nicht notwendigerweise immer der Fall, weist die Matrixgleichung (4) gewöhnlicherweise fünf unbekannte Werte auf: Δx, Δy, ΔZ, Δcb und Δt. Somit sollten, außer wenn irgend welche dieser unbekannten Werte zum Zeitpunkt der Messung bekannt sind, fünf (oder mehr) unabhängige Pseudobereichsmessungen typischerweise berücksichtigt werden, um nach einer einzigen Lösung für die unbekannten Werte aufzulösen.
Im Allgemeinen ist die Genauigkeit der Matrixgleichung (4) zumindest teilweise von der Genauigkeit der Relativgeschwindigkeit von jedem der Satelliten abhängig (sv_range_ratei). Weiterhin können Fehler bei den anfänglichen Positions- und Zeitabschätzungen, die verwendet werden, um die Sichtlinienvektoren (LOS-Vektoren) von jedem Satelliten zu einer Einheit zu berechnen, wie beispielsweise zu einem mobilen SPS-Empfänger, Fehler in den Geschwindigkeitsabschätzungen von jedem Satellit bewirken. Somit können Zelleneinrichtungslageinformationen verwendet werden, um eine anfängliche Abschätzung der Lage des SPS-Empfängers zu bestimmen. Weiterhin kann die Matrixgleichung (4) iterativ gelöst werden, und zwar durch erneute Berechnung der Geschwindigkeiten von einem oder mehreren des Satzes von Satelliten, und zwar mit verbesserten Positionsabschätzungen von der Einheit. Als solches kann jede Iteration fünf Verbesserungen liefern: drei in der räumlichen Domäne bzw. im räumlichen Bereich oder in der Position/Entfernung (Δx, Δy, Δz), und zwei Verbesserungen in der Zeitdomäne bzw. im Zeitbereich (Δcb und Δt).
Wo die Geschwindigkeit des mobilen SPS-Empfängers bekannt ist, können Doppler-Messungen verwendet werden, um die Zeit zu bestimmen. In diesem Fall wird der Geschwindigkeitsfehler a posteriori, d.h. nachträglich, unter Verwendung von Doppler-Informationen zur Bestimmung der Zeit minimiert. Dieser Geschwindigkeitsfehler stellt die Differenz zwischen einer berechneten Geschwindigkeit für den mobilen SPS-Empfänger (die unter Verwendung von verschiedenen Verfahren berechnet werden kann, einschließlich der Matrixgleichung (4) oben, oder des unten beschriebenen statistischen Fehlerverfahrens) und der bekannten Geschwindigkeit des mobilen SPS-Empfängers dar. Durch Minimierung eines solchen Fehlers kann die Zeit von Interesse bestimmt werden. Wenn beispielsweise der mobile SPS-Empfänger stationär ist (d.h. die Geschwindigkeit Null ist) kann ein Satz von Lösungen unter Verwendung von mehreren Annäherungen für die Messungszeit relativ zu einer Referenzzeit berechnet werden. Die Lösungen entsprechend einer Geschwindigkeit von Null wären die beste Annäherung an die Referenzzeit, die dann verwendet werden kann, um die Position des mobilen SPS-Empfängers und/oder andere Navigationsinformationen zu bestimmen. Die Hilfe der Höhe, das dead reckoning (d.h. die Einschränkung der Geschwindigkeit auf eine bekannte Richtung) oder andere Techniken können ebenfalls eingesetzt werden, um die Anwendung der Relativgeschwindigkeit des SPS-Empfängers und des Satzes von einem oder mehreren Satelliten zu verbessern oder zu vereinfachen, um die Zeit und/oder andere Navigationsinformationen zu bestimmen.
Verwendung einer Fehlerstatistik zur Zeitbestimmung
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Fehlerstatistik verwendet, um eine Referenzzeit zu bestimmen, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist. Eine Situation, in der dieser Aspekt der Erfindung, nämlich die Bestimmung der Zeit basierend auf einer Fehler- statistik, nützlich ist, ist wenn die Anzahl der Messungen (beispielsweise Pseudobereichsmessungen) die Anzahl von unbekannten Werten überschreitet (beispielsweise Δx, Δy, Δz, Δcb, usw.). Weiterhin kann die Fehlerstatistik in Verbindung mit anderen Techniken verwendet werden, um die Bestimmung der Zeit und/oder anderer Navigationsinformationen zu verbessern.
3A ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren zur Anwendung bzw. Verwendung einer Fehlerstatistik veranschaulicht, um die Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu bestimmen, und zwar gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Schritt 302 des in 3A gezeigten Verfahrens 300 schätzt eine Einheit, wie beispielsweise ein mobiler SPS-Empfänger, seinen Abstand oder seine Position relativ zu einem Satz von Satelliten bei einem Satz von Zeitpunkten, wobei einer oder mehrere des Satzes von Zeitpunkten mit einer abgeschätzten Messungszeit assoziiert sind, die von einer Referenzzeit versetzt ist. Eine solche Versetzung bzw. Verzögerung, wie oben erwähnt, kann aufgrund einer Versetzung zwischen der SPS-Empfängeruhr und -zeit, wie durch eine Referenzuhr bzw. einem Referenztakt angezeigt, sein, aufgrund einer Trift- bzw. Abweichung und/oder aufgrund von anderen Ungenauigkeiten in der SPS-Empfängeruhr, usw. Die Referenzzeit kann einer Zeit entsprechen, die mit dem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, wie beispielsweise die GPS-Systemzeit.
In einem Schritt 304 wird jeder des Satzes von Zeitpunkten verändert durch weitere Addition oder Subtraktion einer Versetzung. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel jede abgeschätzte Zeit der Messung, die mit je dem Bereich oder mit jeder Positionsabschätzung assoziiert ist, durch eine Versetzung zwischen –5 und +5 Sekunden verändert werden. In alternativen Ausführungsbeispielen können andere Bereiche von Versetzungswerten addiert oder subtrahiert werden, um verschiedene Proben bzw. Aufnahmen für die Fehlerstatistik zu erhalten.
Im Schritt 306 wird eine Fehlerstatistik für den veränderten Satz von Zeitpunkten bestimmt (d.h. solche, zu denen eine Versetzung addiert wurde oder solche, von denen eine subtrahiert wurde). Schließlich wird im Schritt 308 die Referenzzeit (oder eine Annäherung daran) basierend auf dem Verhalten der Fehlerstatistik bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel, wie sie weiter unten mit Bezug auf 3B beschrieben wird, weist die Fehlerstatistik die Bestimmung einer Einheitsvarianzverteilung von Pseudoresidualwerten (pseudorange residual values) auf. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht eine lineare Abweichung der Einheitsvarianz typischerweise einer linearen Abweichung in den räumlichen (x, y, z) und zeitlichen (Δt) Domänen. Durch Optimierung der verwendeten Fehlerstatistik, die im Fall einer Einheitsvarianz einem minimalen Wert der Einheitsvarianz entsprechen würde, könnte eine Zeit bestimmt werden, die sich der gesuchten Referenzzeit annähert. Die Anwendung der Einheitsvarianz mit Bezug auf Bereichs- bzw. Abstands- oder Positionsabschätzungsfehler/Versetzungen wird weiter unten mit Bezug auf 3B beschrieben, und zwar gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3B ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren zur Verwendung einer Einheitsvarianzfehlerstatistik in dem Verfahren 300 der 3A gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, um eine Referenzzeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu bestimmen.
Insbesondere bildet 3B einm Ausführungsbeispiel des Schrittes 306 der 3A ab. Im Schritt 310 wird eine Einheitsvarianz für den veränderten Satz von Zeitpunkten bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel kann die Einheitsvarianz wie folgt definiert werden:
wobei gilt:

v ^^T: ist der transponierte Vektor von Pseudobereichsresiduen a posteriori;
W: ist ein Gewichtungsfaktor, der eine Gewichtungsbeobachtungsmatrix darstellt. In einem Ausführungsbeispiel wird kein Gewichtungsfaktor verwendet, was im allgemeinen dem äquivalent ist, daß man eine Gewichtungsmatrix auf die Identitätsmatrix setzt bzw. einstellt; und
n: ist die Anzahl der Messungen; und
m: ist eine Anzahl von Unbekannten.

Somit stellt die Einheitsvarianz hauptsächlich die gewichtete (oder ungewichtete) Summe der Quadrate der Pseudobereichsresidualwerte dar. Der Nenner der Einheitsvarianzgleichung (5) stellt die Zahl der Freiheitsgrade dar.
Im Schritt 312 wird eine Polynomeinpassung für die Einheitsvarianz bestimmt. Es kann gezeigt werden, daß für die normal verteilten Pseudobereichsresiduen der erwartete Wert der Einheitsvarianz eins ist, und daß die Verteilung die Chi-Quadrat-Verteilung mit (n-m) Freiheitsgraden ist. Jedoch können in manchen Fällen die einzelnen Einheitsvarianzwerte auch gleich Null sein, was einer perfekten Einpassung einer Position oder Zeit entspricht, die für den SPS-Empfänger fest ist. Somit sollten die Messungen (beispielsweise Pseudobereiche, Pseudobereichsresiduen, usw.) für die statistisch optimale Positionsfestlegung im allgemeinen die Einheitsvarianz minimieren (idealer Weise auf einem Wert nahe Null). Anders gesagt, wenn die Einheitsvarianz für einen Satz von Bereichs- oder Positionsabschätzungen minimiert wird, kann eine "beste Einpassung" (oder Lösung) im Raum und/oder in der Zeit erhalten werden.
Die 4A und 4B bilden ein Beispiel von Einheitsvarianzeinpassungen für einen Satz von Bereichsabschätzungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ab. Wenn eine Verteilung der Einheitsvarianzfehlerstatistik (als eine Funktion der Zeitversetzung), wie beispielsweise die in 4A gezeigte, erhalten wird, können zwei lineare Anpassungen berechnet werden - eine für positive Versetzungen und eine für negative. Der Neigungspunkt, wo sich die zwei Linien schneiden, sieht eine Annäherung an die Referenzzeit vor. Es sei bemerkt, daß verschiedene wohl bekannte Arten von Polynomeinpassungen für die Einheitsvarianzdaten verwendet werden könnten, und auch um das lokale Minimum der Einheitsvarianzverteilung und wiederum der Referenzzeit von Interesse zu bestimmen.
4B ist eine vergrößerte Abbildung des Einheitsvarianzverteilungsbeispiels, welches in 4A gezeigt ist. Als solches ist die Zeitversetzungsskala der 4B kleiner als jene der 4A. Es sei aus dem Beispiel der 4B bemerkt, daß der Schnitt oder der Minimumpunkt der Neigung der Einheitsvarianzeinpassung nicht notwendigerweise genau einer Zeitversetzung von Null entsprechen kann. Auf jeden Fall kann die Einheitsvarianz eine ausreichend genaue Abschätzung der Position eines SPS-Empfängers und/oder einer interessanten Referenzzeit vorsehen, wie beispielsweise der GPS-Systemzeit.
Es sei bemerkt, daß andere Fehlerstatistiken verwendet werden könnten, um eine "Einpassung" zu erhalten, die eine Annäherung an eine Referenzzeit vorsieht. Weiterhin kann das mit Bezug auf die 3A und 3B beschriebene Verfahren durch eine Kombination eines mobilen SPS-Empfängers und einer Basisstation ausgeführt werden, oder exklusiv durch jede Einheit. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel die Basisstation einen Satz von Bereichsabschätzungen empfangen (beispielsweise Pseudobereichswerte) von dem mobilen SPS-Empfänger, und sie kann die Zeit, die Position oder andere Navigationsinformationen des Empfängers basierend auf einer Fehlerstatistik bestimmen, wie beispielsweise der Einheitsvarianz. Optional kann die Basisstation die Navigationsinformationen liefern oder In formationen, die zumindest teilweise darauf basieren, und zwar zu dem mobilen SPS-Empfänger oder irgendeiner anderen Einheit. In diesem Fall kann der SPS-Empfänger basierend auf diesen Informationen und/oder anderen Informationen seine Zeit, seine Position und/oder andere Navigationsinformationen bestimmen.
Wie oben gezeigt, können die Relativgeschwindigkeit und eine Fehlerstatistik (beispielsweise die Einheitsvarianz, die mit den Pseudobereichsresiduen assoziiert ist) getrennt oder in Verbindung verwendet werden, um die Zeit zu bestimmen, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist. Weiterhin kann eine Auswahl, welches Verfahren zu verwenden ist, gemäß einer vorbestimmten Bedingung ausgeführt werden, wie beispielsweise gemäß der verfügbaren Daten, gemäß der Qualität der Signale, der Anzahl/Beabstandung der Satelliten, bezüglich des Bereiches zwischen einem oder mehreren Satelliten und dem Empfänger, usw. Beide Verfahren können ausgeführt werden, und das optimale Ergebnis für die Lösung der Zeit, der Position oder für irgend eine andere Navigationsinformation kann basierend auf der Minimierung der Ungenauigkeit ausgewählt werden.
Ein Verfahren oder eine Kombination der oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem können mit einem anderen Verfahren und mit Vorrichtungen zur Zeitbestimmung kombiniert werden, wie im Detail im US-Patent Nr. 5 812 087 beschrieben, welches betitelt ist "Method an Apparatus for Satellite Positioning System Based Time Measurement". Wie im Detail in dem erwähnten Patent beschrieben, kann die Zeit bestimmt werden durch Vergleich einer Aufzeichnung einer Satellitendatennachricht, die von einer Einheit empfangen wurde, wie beispielsweise von einem mobilen SPS-Empfänger, und zwar mit einer weiteren Aufzeichnung, von der man annimmt, daß sie fehlerfrei ist. Aus einem solchen Vergleich kann die Zeit bestimmt werden, wie es im allgemeinen unten mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben wird, und wie es weiter genauer in dem oben erwähnten US-Patent 5 812 087 beschrieben wird.
5 zeigt ein verallgemeinertes Verfahren zur Bestimmung der Zeit, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, und zwar basierend auf einem Vergleich einer ersten und einer zweiten Aufzeichnung einer Satellitendatennachricht, und welches mit einem mobilen SPS-Empfänger verwendet werden kann, der mit einem mobilen Kommunikationsempfänger und -sender kombiniert ist, wie beispielsweise mit jenem, der in 1A gezeigt ist. Das unten mit Bezug auf die 5 und 6 beschriebene Verfahren kann mit einer oder mit einer Kombination der oben beschriebenen Techniken der Zeitbestimmung basierend auf der Relativgeschwindigkeit und/oder einer Fehlerstatistikbestimmung kombiniert werden. Der mobile GPS-Empfänger 100, der in 1A gezeigt ist, nimmt die Satellitendatennachricht auf, wie beispielsweise die Ephemeride, und erzeugt eine Aufzeichnung der Nachricht im Schritt 501. Als nächstes überträgt bei diesem Verfahren 500 der entfernte oder mobile GPS-Empfänger diese Aufzeichnung an eine Basisstation, wie beispielsweise die Basisstation, die in den 7A oder 7B gezeigt ist, und zwar im Schritt 503. Diese Aufzeichnung ist typischerweise eine gewisse Darstellung der Satellitendatennachricht, die von dem mobilen SPS-Empfänger empfangen wurde. Im Schritt 505 vergleicht die Basisstation die Aufzeichnung, die von dem mobilen SPS-Empfänger übertragen wurde, mit einer weiteren Aufzeichnung, die als eine Referenzaufzeichnung der Satellitennavigationsnachricht angesehen werden kann. Diese Referenzaufzeichnung hat assoziierte Zeitwerte, in denen verschiedene Segmente der Satellitendatennachricht damit assoziierte "Referenzzeiten" festgelegt haben. Im Schritt 507 bestimmt die Basisstation die Zeit der Aufnahme der Satellitendatennachricht durch den mobilen GPS-Empfänger. Diese Bestimmung basiert auf einem Zeitwert, der mit der Referenzaufzeichnung assoziiert ist, und wird im allgemeinen die Zeit anzeigen, zu der die Aufzeichnung durch den mobilen GPS-Empfänger empfangen wurde.
6 veranschaulicht noch genauer ein Verfahren 620 zur Messung der Zeit bezüglich der Satellitendatennachrichten zur Anwendung bei einem Satellitenpositionsbestimmungssystem. Der mobile oder entfernte GPS- Empfänger nimmt im Schritt 621 GPS-Signale auf und bestimmt Pseudobereiche von diesen aufgenommenen GPS-Signalen. Im Schritt 623 entfernt der mobile GPS-Empfänger die PN-Daten und erzeugt eine Aufzeichnung der Satellitendatennachricht aus den aufgenommenen GPS-Signalen, die verwendet wird, um die Pseudobereiche zu erzeugen oder zu bestimmen. Diese Aufzeichnung ist typischerweise eine gewisse Darstellung der Sateilitennavigationsnachricht in den aufgenommenen GPS-Signalen und stellt typischerweise eine Abschätzung der Daten dar. In dem Schritt 625 überträgt der mobile GPS-Empfänger die Aufzeichnung und die bestimmten Pseudobereiche zu einer Basisstation, wie beispielsweise zu der Basisstation, die in den 7A oder 7B gezeigt ist.
Im Schritt 627 führt die Basisstation eine Kreuzkorrelation der Aufzeichnung aus, die von dem mobilen GPS-Empfänger übertragen wurde, und zwar zu einer Referenzaufzeichnung der Navigationsnachricht des Satzes von Satelliten. Diese Referenzaufzeichnung weist typischerweise einen genauen Zeitstempel auf, der mit den Daten in der Referenzaufzeichnung assoziiert ist (beispielsweise hat jedes Bit der Daten in der Referenzaufzeichnung einen assoziierten Zeitwert oder "Stempel"), und dieser Zeitstempel wird verwendet werden, um die Empfangszeit der ursprünglich aufgenommenen GPS-Signale durch den mobilen GPS-Empfänger zu bestimmen. Im allgemeinen überlappen die Aufzeichnung, die von dem mobilen GPS-Empfänger übertragen wurde, und die Referenzaufzeichnung teilweise bezüglich der Zeit.
Im Schritt 629 bestimmt die Basisstation aus dem Kreuzkorrelationsvorgang die Zeit der Aufnahme der aufgenommenen GPS-Signale durch den entfernten GPS-Empfänger. Die Basisstation verwendet dann im Schritt 631 die Zeit der Aufnahme der GPS-Signale durch den entfernten GPS-Empfänger und verwendet die bestimmten Pseudobereiche zur Bestimmung einer Positionsinformation, die eine Breite und eine Länge des entfernten/mobilen GPS-Empfängers sein können. Die Basisstation kann im Schritt 633 dieser Positionsinformationen des entfernten GPS-Empfängers zu einer anderen Einheit übertragen, wie beispielsweise zu einem Computersystem, welches durch ein Netzwerk mit der Basisstation gekoppelt ist, wie beispielsweise durch das Internet oder durch ein Intranet.
Hardwareübersicht
1A zeigt ein Beispiel eines kombinierten mobilen GPS-Empfängers und eines Kommunikationssystems, welches mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Dieses kombinierte GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 100 ist im Detail im US-Patent Nr. 6 002 363 beschrieben worden, welches betitelt ist "Combined GPS Positioning System and Communication System Utilizing Shared Circuitry". 1B veranschaulicht genauer den RF/IF-Wandler 7 und den Frequenzsynthesizer 16 der 1A. Diese Komponenten, die in 1B gezeigt sind, werden auch im US-Patent Nr. 6 002 363 beschrieben.
Das mobile GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 100, das in 1A gezeigt ist, kann konfiguriert sein, um eine spezielle Form einer Digitalsignalverarbeitung bei gespeicherten GPS-Signalen derart auszuführen, daß der Empfänger eine sehr hohe Empfindlichkeit hat. Dies wird weiter beschrieben im US-Patent Nr. 5 663 734, welches am 2. September 1997 ausgegeben wurde und betitelt ist "GPS Receiver and Method for Processing GPS Signals". Dieser Verarbeitungsvorgang, der in dem US-Patent Nr. 5 663 734 beschrieben wird, berechnet typischerweise eine Vielzahl von Zwischenfaltungen in dem digitalen Speicher und verwendet dann diese Zwischenfaltungen, um mindestens einen Pseudobereich vorzusehen. Das kombinierte GPS- und Kommunikationssystem 100, welches in 1A gezeigt ist, kann auch gewisse Frequenzstabilisierungs- oder Frequenzkalibrierungstechniken aufweisen, um weiter die Empfindlichkeit und die Genauigkeit des GPS-Empfängers zu verbessern. Diese Techniken werden beschrieben im US-Patent Nr. 5 841 396, welches betitelt ist mit "An Improved GPS Receiver Utilizing a Communication Link".
Anstatt im Detail den Betrieb des kombinierten mobilen GPS-Empfänger-und Kommunikationssystems 100 zu beschreiben, welches in 1A gezeigt ist, wird hier eine kurze Zusammenfassung vorgesehen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel wird das mobile GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 100 einen Befehl von einer Basisstation empfangen, wie beispielsweise von der Basisstation 17, welche irgend eine der Basisstatio- nen sein kann, die entweder in der 7A oder in der 7B gezeigt sind. Dieser Befehl wird auf der Kommunikationsantenne 2 empfangen, und der Befehl wird als eine digitale Nachricht verarbeitet und in dem Speicher 9 durch den Prozessor 10 gespeichert. In einem Ausführungsbeispiel könnte der Speicher 9 erweitert werden, um ein Arbeitsspeicher bzw. random access memory bzw. RAM zur Speicherung von Befehlen, Daten und/oder „Augenblicksinformation" zu sein. Der Prozessor 10 bestimmt, daß die Nachricht ein Befehl ist, eine Positionsinformation an die Basisstation zu liefern, und dies bewirkt, daß der Prozessor 10 den GPS-Teil des Systems aktiviert, der zumindest teilweise gemeinsam mit dem Kommunikationssystem verwendet werden kann. Dies umfaßt beispielsweise die Einstellung des Schalters 6, so daß der RF/IF-Wandler 7 GPS-Signale von der GPS-Antenne 1 empfängt, und nicht Kommunikationssignale von der Kommunikationsantenne 2. Dann werden die GPS-Signale empfangen, digitalisiert und in dem digitalen Speicher 9 gespeichert, und können gemäß der Digitalsignalverarbeitungstechniken verarbeitet werden, die im US-Patent Nr. 5 663 734 beschrieben werden. Das Ergebnis dieser Verarbeitung kann typischerweise eine Vielzahl von Pseudobereichen für einen Satz von Satelliten "im Blickfeld" aufweisen, und diese Pseudobereiche oder Daten basierend darauf können dann zurück zur Basisstation durch die Verarbeitungskomponente 10 übertragen werden, und zwar durch Aktivierung des Übertragungsteils bzw. Senderteils und durch Übertragung der Pseudobereiche zurück zur Basisstation über die Kommunikationsantenne 2.
Die Basisstation 17, die in 1A gezeigt ist, kann direkt mit der entfernten Vorrichtung durch eine drahtlose Kommunikationsverbindung gekoppelt sein, oder kann, wie in 8 gezeigt, mit der entfernten Vorrichtung durch eine Funktelefoneinrichtung gekoppelt sein, die eine verdrahtete Kommunikationsverbindung zwischen der Telefoneinrichtung und der Basisstation vorsieht. Die 7A und 7B veranschaulichen Beispiele von diesen zwei möglichen Basisstationen.
Die Basisstation 701, die in 7A veranschaulicht ist, kann als autonome Einheit wirken, indem sie eine drahtlose Verbindung zu den mobilen GPS-Empfängern und von diesen vorsieht, und durch Verarbeitung von empfangenen Pseudobereichen. Entsprechend einer oder einer Kombination der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kann die Basisstation 701 die Pseudobereiche verarbeiten, um die Zeit zu bestimmen, und zwar unter Verwendung der relativen Geschwindigkeit der Satelliten, unter Verwendung einer Fehlerstatistik und/oder unter Verwendung eines Vergleichs der Satellitendatennachrichtenaufzeichnungen. Die Basisstation 701 kann Anwendung dort finden, wo die Basisstation in einem städtischen Bereich gelegen ist, und alle mobilen GPS-Empfänger, die zu verfolgen sind, in ähnlicher Weise in dem städtischen Bereich gelegen sind. Beispielsweise kann die Basisstation 701 für Polizeikräfte oder Rettungsdienste eingesetzt werden, um Personen zu verfolgen, die die mobilen GPS-Empfänger tragen oder verwenden. Typischerweise werden die Sender- und Empfängerelemente 709 bzw. 711 zu einer einzigen Sender/Empfänger-Einheit verschmolzen werden und eine einzige Antenne haben. Jedoch sind diese Komponenten getrennt gezeigt worden, da sie auch getrennt existieren können. Der Sender 709 wirkt dahingehend, daß er Befehle und/oder Navigationsinformationen zu den mobilen GPS-Empfängern durch die Senderantenne 710 liefert. Typischerweise ist der Sender 709 unter der Steuerung der Datenverarbeitungseinheit 705, die eine Anforderung von einem Anwender empfangen kann, daß die Verarbeitungseinheit die Stelle eines speziellen mobilen GPS-Empfängers bestimmt. Folglich würde die Datenverarbeitungseinheit 705 bewirken, daß der Befehl durch den Sender 709 zu dem mobilen GPS-Empfänger übertragen wird. Ansprechend darauf würde der mobile GPS-Empfänger zum Empfänger 711 die Pseudobereiche und assoziierten Zeitabschätzungen und/oder Satellitendatennachrichtenaufzeichnungen (oder Teile davon) in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zurückübertragen, um von der Empfangsantenne 712 empfangen zu werden. Der Empfänger 711 empfängt diese Informationen von dem mobilen GPS-Empfänger und liefert sie zu der Datenverarbeitungseinheit 705, die dann einen oder mehrere der oben beschriebenen Vorgänge ausführt, um die Zeit, die Position und/oder andere Navigationsinformationen zu bestimmen, die mit den Pseudobereichen assoziiert sind, die von dem mobilen GPS-Empfänger empfangen wurden. Wie oben mit Bezug auf das US-Patent Nr. 5 812 087 erwähnt, können solche Betriebsvorgänge die Satellitendatennachrichten mit einschließen, die von dem GPS-Empfänger 703 empfangen wurden, oder eine andere Quelle von qualitativ hochwertigen Referenzsatellitendatennachrichten. Dies wird weiter beschrieben in den oben erwähnten US-Patenten Nr. 6 002 363 und 5 841 396. Der GPS-Empfänger 703 kann die satellitenephemeriden Daten liefern, die mit den Pseudobereichen verwendet werden können, und die bestimmte Zeit, um eine Positionsinformation für den mobilen GPS-Empfänger zu berechnen. Der Massenspeicher 707 kann Satellitengeschwindigkeitsinformationen speichern, eine gespeicherte Version der Referenzaufzeichnung der Satellitendatennachrichten, die verwendet wird, um einen Vergleich mit den Aufzeichnungen aufzustellen, die von dem mobilen GPS-Empfänger empfangen wurden, weiter Fehlerstatistikanalyseroutinen gemäß einer oder mehrere der oben besprochenen Techniken und/oder andere Informationen zur Bestimmung der Zeit basierend auf den Pseudobereichen und irgend welchen anderen Informationen, die von dem mobilen GPS-Empfänger vorgesehen werden. Die Datenverarbeitungseinheit 705 kann mit einer optionalen Anzeige 715 gekoppelt sein und kann auch mit einem Massenspeicher 713 mit GIS-Software gekoppelt sein, die optional sind. Es wird klar sein, daß während diese getrennt abgebildet wurde, der Massenspeicher 713 der gleiche sein kann, wie der Massenspeicher 707, und zwar dahingehend, daß sie auf der gleichen Festplatte oder auf einer anderen Datenspeichervorrichtung bzw. einem Datenspeichermedium enthalten sind.
7B veranschaulicht eine alternative Basisstation der vorliegenden Erfindung. Diese Basisstation 725 soll mit entfernten Übertragungs- und Emp fangseinrichtungen gekoppelt sein, wie beispielsweise einer Funktelefoneinrichtung 855, wie in 8 gezeigt. Diese Basisstation 725 kann auch mit Client-Systemen bzw. abhängigen Systemen durch ein Netzwerk gekoppelt sein, wie beispielsweise durch das Internet oder durch ein Intranet, oder mit anderen Arten von Computernetzwerksystemen. Die Anwendung der Basisstation in dieser Weise wird weiter beschrieben im US-Patent Nr. 6 131 067, welches betitelt ist "Client-Server Based Remote Locator Device". Die Basisstation 725 kommuniziert mit einer mobilen GPS-Einheit, wie beispielsweise mit dem kombinierten mobilen GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 853, das in 8 gezeigt ist, und zwar durch die Funktelefoneinrichtung 855 und ihre entsprechende Antenne oder Antennen 857, wie in 8 gezeigt. Es wird klar sein, daß das kombinierte GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 853 ähnlich dem System 100 sein wird, welches in 1A gezeigt ist.
Die Basisstation 725, wie sie in 7B gezeigt ist, weist einen Prozessor 727 auf, der ein herkömmlicher Mikroprozessor sein kann, der durch einen Bus 730 mit dem Hauptspeicher 729 gekoppelt ist, der ein Arbeitsspeicher bzw. RAM (RAM = random access memory) sein kann. Die Basisstation 725 weist weiter andere Eingabe- und Ausgabevorrichtungen auf, wie beispielsweise Tastaturen, Mäuse und Anzeigen 735 und assoziierte I/O- bzw. Eingabe/Ausgabe-Steuervorrichtungen, die über den Bus 730 mit dem Prozessor 727 und mit dem Speicher 729 gekoppelt sind. Eine Massenspeichervorrichtung 733, wie beispielsweise eine Festplatte oder eine CD-Rom, oder andere Massenspeichervorrichtungen, ist mit verschiedenen Komponenten des Systems gekoppelt, wie beispielsweise mit dem Prozessor 727, und zwar durch den Bus 730. Eine Eingabe/Ausgabe-(I/O-)Vorrichtung 731, die dazu dient, eine Eingabe/Ausgabe-Funktion zwischen dem GPS-Empfänger oder einer anderen Quelle von Satellitendatennachrichten vorzusehen, ist ebenfalls mit dem Bus 730 gekoppelt. Diese Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 731 kann Satellitendatennachrichten von einem GPS-Empfänger empfangen (beispielsweise von dem in 7A gezeigten GPS-Empfänger 703) und liefert sie über den Bus 730 zum Prozessor, der, gemäß einer der oben be schriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung bewirken kann, daß an ihnen ein Zeitstempel aufgebracht wird. Die Aufzeichnungen können dann beispielsweise in der Massenspeichervorrichtung 733 gespeichert werden, und zwar zur späteren Anwendung beim Vergleich mit den Aufzeichnungen, die von den mobilen GPS-Empfängern empfangen wurden. Die Massenspeichervorrichtung 733 kann auch Geschwindigkeitsinformationen speichern, die die Relativgeschwindigkeit eines Satzes von einem oder mehreren Satelliten darstellen. Zusätzlich kann die Massenspeichervorrichtung 733 Routinen entsprechend einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren speichern, um Satellitenpositionsbestimmungsinformationen/Signale zu verarbeiten.
Zwei Modems 739 und 737 sind in 7B als Schnittstellen zu anderen Systemen gezeigt, die entfernt relativ zur Basisstation 725 gelegen sind. Im Fall der Modem- oder Netzwerkschnittstelle 739 ist diese Vorrichtung beispielsweise mit einem Client-Computer gekoppelt, und zwar durch das Internet oder durch irgend ein anderes Computernetzwerk. Das Modem oder die andere Schnittstelle 737 sehen eine Schnittstelle zu der Funktelefoneinrichtung vor, wie beispielsweise zu der Einrichtung 855, die in 8 gezeigt ist, die ein System 851 veranschaulicht.
Die Basisstation 725 kann mit verschiedenen Computerarchitekturen eingerichtet werden, wie dem Fachmann klar sein wird. Es kann beispielsweise mehrere Busse oder einen Hauptbus und einen Peripheriebus geben, oder es kann mehrere Computersysteme und/oder mehrere Prozessoren geben. Es kann vorteilhaft sein, wenn man beispielsweise einen extra dafür vorgesehenen Prozessor hat, um die Satellitendatennachricht von dem GPS-Empfänger 703 zu empfangen, und diese Nachricht zu verarbeiten, um eine Referenzaufzeichnung in extra dafür vorgesehener Weise bzw. ungestörter Weise vorzusehen, so daß es keine Unterbrechung beim Prozeß der Vorbereitung der Referenzaufzeichnung und deren Speicherung gibt, und wobei man dann die Menge der gespeicherten Daten gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung managt.
8 veranschaulicht ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches einen SPS-Empfänger aufweist, weiter eine Funktelefoneinrichtung, eine Basisstation, das Internet und ein Client-Computersystem. Das in 8 gezeigte System 851 kann in der folgenden Weise in einem Ausführungsbeispiel arbeiten. Ein Client-Computersystem 863 wird eine Nachricht durch ein Netzwerk zur Basisstation 825 übertragen, wie beispielsweise durch das Internet 861. Es sei bemerkt, daß es eingreifende bzw. dazwischenliegende Router oder Computersysteme in dem Netzwerk oder im Internet 861 geben kann, die die Anforderung bezüglich einer Position eines speziellen mobilen GPS-Empfängers weiterleiten. Die Basisstation 825 wird dann eine Nachricht durch eine Verbindung (Zink) übertragen, welche typischerweise eine verdrahtete Telefonverbindung 859 ist, und zwar zu der Funktelefoneinrichtung 855. Die Funktelefoneinrichtung 855 überträgt dann einen Befehl unter Verwendung ihrer Antenne oder ihrer Antennen 857 an das kombinierte mobile SPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 853. Entsprechend überträgt das System 853 die Pseudobereiche, die Aufzeichnungen der Satellitendatennachrichten, Geschwindigkeitsinformationen und/oder andere Informationen zurück. Solche Informationen können von der Funktelefoneinrichtung 855 aufgenommen werden und zurück zur Basisstation durch die Verbindung 859 übermittelt werden. Die Basisstation führt dann einen oder mehrere Betriebsvorgänge aus, wie oben beschrieben, und zwar gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie beispielsweise gemäß der Zeitbestimmung unter Verwendung eines Verfahrens der relativen Satellitengeschwindigkeit, der Doppler-Messungen, einer Fehlerstatistik und/oder eines Vergleiches von zwei oder mehr Satellitendatenaufzeichnungen oder unter Verwendung einer Kombination davon. Die Basisstation kann dann Navigationsinformationen bestimmen, wie beispielsweise die Zeit und/oder die Position des SPS-Empfängers, und kann die Navigationsinformationen durch ein Netzwerk zu dem Client-Computersystem 853 übermitteln, wie beispielsweise durch das Internet 861, welches selbst eine Mapping-Software bei dem Client-Computersystem haben kann, die es dem Anwender dieses Systems gestattet, auf einer Karte (Map) die genaue Position des mobilen SPS-Systems 853 zu sehen.
Alternative Ausführungsbeispiele
Während die Erfindung bezüglich verschiedener Ausführungsbeispiele und veranschaulichender Figuren beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele oder Figuren eingeschränkt ist.
Daher sei es bemerkt, daß das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung mit Modifikationen und Veränderungen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Ein Verfahren zur Bestimmung einer Zeit, die mit einem Satellitenpositionssystem assoziiert ist, wobei das Verfahren die folgenden maschinenimplementierten Schritte aufweist: Schätzen einer Vielzahl von Werten, wobei die Werte mit wenigstens einem relativen Bereich und einer relativen Position zwischen einer Einheit (100, 853) und einer Gruppe von Satelliten assoziiert sind, wobei jede dieser Vielzahl von Werten mit einer entsprechenden Messzeit assoziiert ist, wobei sich jede Messzeit und die mit dem Satellitenpositionssystem assoziierte Zeit, um einen ersten Versatz bzw. Versetzung unterscheidet, gekennzeichnet durch: Bestimmen einer ersten Gruppe von Fehlerstatistikwerten unter Benutzung jeder Messzeit, die mit einer dieser Vielzahl von Werten assoziiert ist; Ändern jeder Messzeit durch einen zweiten Versatz bzw. Versetzung; Bestimmen einer zweiten Gruppe von Fehlerstatistikwerten unter Verwendung dieser veränderten Messzeit; und Bestimmen des ersten Versatzes bzw. Versetzung basierend auf den zweiten Fehlerstatistikwerten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung dieses ersten Versatzes die Bestimmung einer linearen Konvergenz der zweiten Fehlerstatistik aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Fehlerstatistik eine Einheitsvarianz basierend auf der Vielzahl von Werten und dem zweiten Versatz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, das eine Bestimmung einer Polynomanpassung für die Einheitsvarianz aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einheit (100, 853) ein mobiler Satellitenpositionssystemempfänger ist.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Zeit, die mit einem Satellitenpositionssystem assoziiert ist, wobei diese Vorrichtung folgendes aufweist: eine Einheit (100, 853) betriebsfähig zum Schätzen einer Vielzahl von Werten, die mit wenigstens einem relativen Bereich und einer relativen Position zwischen der Einheit und der Gruppe von Satelliten assoziiert sind, wobei jede dieser Vielzahl von Werten mit einer entsprechenden Messzeit assoziiert ist, wobei sich jede Messzeit und die Zeit, die mit dem Satellitenpositionssystem assoziiert ist, um einen ersten Versatz bzw. Versetzung unterscheidet, gekennzeichnet durch: Mittel zur Bestimmung einer ersten Gruppe von Fehlerstatistikwerten unter Verwendung jeder Messzeit, die mit einer dieser Vielzahl von Werten assoziiert ist; Mittel zum Ändern jeder Messzeit durch einen zweiten Versatz bzw. Versetzung; Mittel zur Bestimmung einer zweiten Gruppe von Fehlerstatistikwerten unter Verwendung der veränderten Messzeit; und Mittel zur Bestimmung des ersten Versatzes bzw. Versetzung basierend auf der zweiten Gruppe von Fehlerstatistikwerten.