DE69936790T2

DE69936790T2 - Verfahren und vorrichtung zur positionsbestimmung unter verwendung von höhenlagendaten in einem satellitenpositionierungssystem

Info

Publication number: DE69936790T2
Application number: DE69936790T
Authority: DE
Inventors: Leonid Belmont SHEYNBLAT
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 1998-05-05
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2019-04-14
Also published as: JP5410303B2; HK1140266A1; EP1145035B1; JP2010145411A; MXPA00010881A; AU4406199A; EP2144079B1; JP4938172B2; US6061018A; BR9910229A; EP2144079A1; ES2291030T3; AU763226B2; EP1840592B1; JP2002532679A; WO1999057575A2; ATE369571T1; CN1670542A; BR9910229B1; ES2322104T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Satellitenpositionssysteme, die sich der Ergänzung von Information oder der Unterstützung bzw. „Aiding" durch Information hinsichtlich der Höhe eines Satellitenpositionssystemempfängers bedienen.
Konventionelle Satellitenpositionssysteme (SPS = satellite positioning systems) wie das amerikanische globale Positionierungssystem (GPS = global positioning system) verwenden Signale von Satelliten, um deren Position zu bestimmen. Konventionelle SPS-Empfänger bestimmen normalerweise ihre Position, indem relative Ankunftszeiten von Signalen errechnet werden, die simultan von einer Vielzahl von GPS-Satelliten gesendet werden, die die Erde umkreisen. Diese Satelliten senden als Teil ihrer Nachricht sowohl Satellitenpositionsdaten als auch Daten über das Timing der Taktung, die die Position eines Satelliten zu bestimmten Zeitpunkten festlegen; diese Daten werden oft als Satelliten-Ephimerisdaten bezeichnet. Konventionelle SPS-Empfänger suchen typischerweise nach und akquirieren die SPS-Signale, lesen die Ephimerisdaten für eine Vielzahl von Satelliten, bestimmen Pseudo-Abstände zu diesen Satelliten und errechnen den Standort der SPS-Empfänger aus den Pseudo-Abständen und den Ephimerisdaten von den Satelliten.
Konventionelle SPS-Systeme verwenden manchmal Höhen-Aiding bzw. – Unterstützung, um in zwei Fällen Unterstützung zu erhalten: einem Fall von schlechter Satellitengeometrie oder einem Mangel an Messungen für dreidimensionale Positionierung. In den meisten Fällen wird eine schlechte Satellitengeometrie von einer schlechten Beobachtbarkeit in vertikaler Richtung verursacht. Wenn zum Beispiel die Einheitsvektoren zu allen Satelliten, die in der Lösung verwendet werden, auf einem Kegel mit beliebigem Halbwinkel liegen, dann ist es möglich, auf die Spitzen der Einheitsvektoren eine Ebene zu legen, wenn die Einheitsvektoren nur einen zweidimensionalen Raum aufspannen. Der Fehler in der dritten Richtung oder Dimension, die zu der Ebene senkrecht steht, ist nicht beobachtbar; dies wird als Singularitätsbedingung bezeichnet. In städtischen Schlucht-beziehungsweise Straßenschluchtbedingungen mit hohen Gebäuden, die die GPS-Empfängerantenne umgeben, sind die einzigen Satelliten, die sichtbar sind, solche mit großen Höhenwinkeln. Diese Signalverhältnisse sind der hier beschriebenen Singularitätsbedingung ähnlich. Auch große Multipfadfehler neigen dazu, große Fehler bezüglich der vertikalen Richtung zu verursachen.
Konventionelles Höhen-Aiding basiert auf einer Pseudomessung der Höhe, die als eine Oberfläche einer Kugel dargestellt werden kann, deren Mittelpunkt sich im Mittelpunkt der Erde befindet. Diese Kugel hat einen Radius, der den Radius der Erde beinhaltet, und besitzt eine Höhe bezüglich der Erdoberfläche, die typischerweise durch ein Ellipsoid definiert wird (WGS84 ist eines der ellipsoiden Modelle). Es gibt zahlreiche Techniken, die verfügbar sind, um Höhen-Aiding durchzuführen, aber alle Techniken basieren auf einem Vorabwissen der Höhe, das benötigt wird, um die Oberfläche einer Kugel zu definieren, die eine Größe der Höhen-Pseudomessung ist. Typischerweise kann eine geschätzte Höhe manuell durch den Betreiber des GPS-Empfängers geliefert werden oder kann auf irgend einen vorbestimmten Wert eingestellt werden, wie die Erdoberfläche oder kann auf eine Höhe aus einer vorigen dreidimensionalen Lösung eingestellt werden.
Frühere GPS-Technologie verwendete auch Höhen-Aiding und in dem Fall, wo ein mobiler GPS-Empfänger GPS-Signale empfängt, seine Position aber nicht errechnet und sich auf eine Basisstation verlässt, die für ihn die Positionsberechnungen durchgeführt. Das US-Patent 5,225,824 gemäß EP 0512 789 A2 beschreibt solch ein System, das Höhen-Aiding verwendet, um die Verwendung von nur drei GPS-Satelliten zu gestatten. Die geschätzte Höhle der typischerweise aus Abbildungsinformation wird einer topologischen oder geodätischen Datenbank abgeleitet. In dieser Konfiguration kann die Höheninformation einer Basisstation ebenfalls verfügbar sein.
Eine Schwäche dieses Ansatzes ist, dass typischerweise eine anfängliche zweidimensionale Lösung erfolgt, bevor ein Höhen-Aiding mit einer vernünfti gen Höhenabschätzung angewandt wird. Die Höhe kann dann der vertikalen Datenbank als eine Funktion der Koordinaten des Längengrades und des Breitengrades entnommen werden.
Während die bisherigen Ansätze bestimmte Vorteile durch die Verwendung von Höheninformation vorsehen, funktionieren sie für den Fall eines verteilten verarbeitendes Systems nicht gut, wo sich ein mobiler GPS-Empfänger in einer beliebigen Position in einem relativ großen geographischen Gebiet befinden kann. Weiterhin verwenden die bisherigen Ansätze Höheninformation mit allen verfügbaren Pseudo-Abständen, auch wenn ein bestimmter Pseudo-Abstand fehlerhaft ist.
WO-A-97/14056 beschreibt ein kombiniertes GPS- und Kommunikationssystem, welches eine gemeinsame Schaltung besitzt. Ein Prozessor verarbeitet Daten, die GPS-Signale repräsentieren, um einen Pseudo-Abstand zu bestimmen, der auf Daten basiert, die GPS-Signale repräsentieren. Der integrierte Kommunikationsempfänger beinhaltet eine gemeinsame Komponente, welche mindestens ein Element aus einer Antenne, einem Frequenzwandler, einem Frequenz-Synthesizer und einem Analog-Zu-Digital-Wandler ist. Der Prozessor kann sowohl empfangene Kommunikationssignale demodulieren, als auch die Modulation der Daten steuern, die als ein Kommunikationssignal über eine Kommunikationsverbindung gesendet werden sollen.
US-A-5210540 beschreibt ein globales Positionierungssystem zur Positionsbestimmung eines mobilen Objektes und beinhaltet einen GPS-Empfänger, um Funkwellen von einer Vielzahl von Satelliten zu empfangen und um entweder zweidimensionale Positionsdaten, die die gegenwärtige Position eines mobilen Objekts in einem zweidimensionalen Positionsmessungsmodus anzeigen, auszugeben oder dreidimensionale Positionsdaten, die die gegenwärtige Position des mobilen Objekts in einem dreidimensionalen Positionsmessungsmodus anzeigen, auszugeben. Ein Höhenmessgerät erfasst eine relative Höhe des mobilen Objekts und gibt die relativen Höhendaten aus, die die erfasste relative Höhe anzeigen. Eine Einheit zur Ausgabe der gegenwärtigen Position berechnet die Daten der gegenwärtigen Position, die die gegenwärtige Position des mobilen Objekts allein basierend auf den Daten von dem GPS-Empfänger anzeigen, während der GPS-Empfänger in dem dreidimensionalen Positionsmessungsmodus arbeitet. Wenn der GPS-Empfänger in dem zweidimensionalen Positionsmessungsmodus arbeitet, berechnet die Einheit zur Ausgabe der gegenwärtigen Position die Daten der gegenwärtigen Position, die die gegenwärtige Position der mobilen Einheit basierend auf den zweidimensionalen Positionsdaten und den relativen Höhendaten anzeigen.
US-A-5265025 beschreibt ein Navigationssystem, das GPS-Signale von Satelliten verwendet und zuerst prüft, ob es vier oder mehr Satelliten im Funkabstand des sich bewegenden Körpers gibt oder nicht. Wenn ja, führt der Positionsberechnungsabschnitt eine gewöhnliche dreidimensionale Positionsoperation durch, um eine genaue Ortsangabe des sich bewegenden Körpers vorzusehen. Wenn die Anzahl der Satelliten innerhalb des Funkabstands drei oder weniger ist, wird eine zweidimensionale Positionsoperation durchgeführt, welche folgendes umfasst, und zwar das Auslesen der bisherigen Höhendaten aus dem Höhenspeicherabschnitt; die Berechnung der atmosphärischen Druckabweichung aus den bisherigen Höhendaten und der atmosphärischen Druckabweichung; die Berechnung der aktuellen Höhe aus der Höhenabweichung und den gegenwärtigen Höhendaten und dann die Berechnung der zweidimensionalen Positionsdaten aus den GPS-Signalen und den aktuellen Höhendaten.
US-A-5663734 beschreibt einen GPS-Empfänger, der folgendes beinhaltet, und zwar eine Antenne, die GPS-Signale bei einer HF-Frequenz von einem Satelliten mit Sichtverbindung empfängt; einen Herabwandler, der an die Antenne gekoppelt ist, um die HF-Frequenz der empfangenen GPS-Signale auf eine mittlere Frequenz (IF = intermediate frequency) zu vermindern; einen Digitalisierer, der an den Herabwandler gekoppelt ist und die IF-GPS-Signale bei einer vorbestimmten Rate abtastet, um abgetastete IF-GPS-Signale zu erzeugen; einen Speicher, der an den Digitalisierer gekoppelt ist und die abgetasteten IF-GPS-Signale speichert (einen Momentaufnahme der GPS- Signale); und einen digitalen Signalprozessor (DSP = digital signal processor), der an den Speicher gekoppelt ist und dabei nach gespeicherten Anweisungen Operationen zur schnellen Fourier-Transformation (FFT = Fast Fourrier Transformation) auf den abgetasteten IF-GPS-Signalen ausführt, um Pseudo-Abstandsinformationen vorzusehen. Diese Operationen beinhalten typischerweise auch die Vorverarbeitung und Nachbearbeitung der GPS-Signale. Nachdem eine Momentaufnahme der Daten aufgenommen wurde, wird das Empfänger-Frontend heruntergefahren. Der GPS-Empfänger beinhaltet in einem Ausführungsbeispiel auch andere Leistungsverwaltungsmerkmale und beinhaltet in einem anderen Ausführungsbeispiel die Fähigkeit, Fehler in seinem lokalen Oszillator zu korrigieren, der verwendet wird, um die GPS-Signale abzutasten. Die Berechnungsgeschwindigkeit der Pseudo-Abstände und die Empfindlichkeit des Betriebs können durch die Übertragung der Doppelfrequenzverschiebung der Satelliten mit Sichtverbindung von einer externen Quelle an den Empfänger erhöht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Somit wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren vorgesehen, um eine Position eines mobilen Satellitenpositionierungssystemsempfängers zu bestimmen, wie dargestellt in Anspruch 1.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein computer-lesbares Medium vorgesehen, das ausführbare Computerprogrammanweisungen enthält, die, wenn sie durch ein Datenverarbeitungssystem ausgeführt werden, das Datenverarbeitungssystem dazu veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt auszuführen.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Datenverarbeitungsstation wie dargestellt in Anspruch 12 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung sieht mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung einer Position eines mobilen Satellitenpositionierungssystems(SPS = satellite positioning system) Empfängers mit der Verwendung von Höheninformation vor. In einem Beispiel eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird eine Zellobjektinformation bestimmt. Diese Zellobjektinformation umfasst mindestens entweder einen Zellobjektstandort oder eine Zellobjektidentifikation. In einem Beispiel kann das Zellobjekt ein Zellstandort sein und die Identifizierung kann ein Identifizierer des Zellstandorts sein und der Standort kann die Breitengradkoordinate oder Längengradkoordinate des Zellstandorts sein.
Eine Höhe wird über die Zellobjektinformation bestimmt, die basierend auf einem Zellstandortsender ausgewählt wird, der sich in drahtloser Kommunikation mit einem zellbasierten Kommunikationssystem befindet, das an den mobilen SPS-Empfänger gekoppelt (und typischerweise in diesen integriert) ist. Das bedeutet, dass die Höhe über eine Zellobjektinformation bestimmt wird, die mit dem Zellstandortsender assoziiert ist, der sich in Kommunikation mit dem Kommunikationssystem des mobilen SPS-Empfängers befindet. Die Position des mobilen SPS-Empfängers wird berechnet, indem die Höhe verwendet wird, die über die Zellobjektinformation bestimmt wird.
In einem anderen Beispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Höhen-Pseudo-Messung bestimmt und diese Pseudo-Messung verwendet eine Abschätzung einer Höhe des mobilen SPS-Empfängers. Diese Abschätzung der Höhe kann aus einer zellbasierten Informationsquelle in einem zellbasierten Kommunikationssystem abgeleitet werden oder kann eine durchschnittliche Höhe sein oder eine andere mathematische Darstellung der Höhe oder Höhen einer Abdeckungsregion einer drahtlosen Basisstation in einem nicht zellbasierten System. In einer Implementierung bestimmt ein Vergleich der Höhenabschätzung mit einer Höhe, die aus Pseudo-Abständen zu SPS-Satelliten berechnet wird (oder aus Pseudo-Abständen und der Höhen-Pseudo-Messung) den Zustand von mindestens einem Pseudo-Abstand zwischen einem SPS-Satellit und dem mobilen SPS-Empfänger. In einer anderen Implementierung kann die Höhen-Pseudo-Messung als eine redundante Messung (mit Pseudo-Abständen zu SPS-Satelliten) verwendet werden und die Fehlererfassung und Isolationstechniken können unter Verwendung der redundante Messungen dazu benützt werden, den Zustand (z.B. fehlerhaft oder nicht fehlerhaft) von mindestens einem der Pseudo-Abstände oder von einer Navigationslösung zu bestimmen. In einem Ausführungsbeispiel dieses Beispiels wird die Position aus einem Positionslösungsalgorithmus bestimmt und wenn der Zustand eines Pseudo-Abstandes sich in einem ersten Zustand wie einem nicht fehlerhaften Zustand befindet, wird mindestens ein Pseudo-Abstand in dem Positionslösungsalgorithmus verwendet. Eine neue Berechnung einer Navigationslösung kann durchgeführt werden, indem nur nicht fehlerhafte Pseudo-Abstände verwendet werden (nachdem fehlerhafte Pseudo-Abstände identifiziert und von einer neuen Berechnung einer Navigationslösung ausgeschlossen wurden).
Mehrere mobile SPS-Empfänger und Basisstationen werden hier ebenfalls beschrieben. Zahlreiche andere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden weitergehend beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird in den Figuren der begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiches kennzeichnen, beispielhaft und ohne Beschränkungen dargestellt.
1 stellt ein zellbasiertes Kommunikationssystem dar, dass eine Vielzahl von Zellen besitzt, wobei jede Zelle durch einen Zellstandort bedient wird und jede Zelle an eine zellbasierte Vermittlungsstelle angekoppelt ist, die manchmal als eine Mobiltelefonvermittlungsstelle bezeichnet wird.
2 stellt eine Implementierung eines Standort-Serversystems dar.
3A stellt ein Beispiel eines kombinierten SPS-Empfängers und Kommunikationssystems dar.
3B stellt ein Beispiel einer SPS-Referenzstation dar.
4 stellt ein Beispiel einer zellbasierten Informationsquelle dar, die dazu verwendet werden kann, eine geschätzte Höhe eines mobilen SPS-Empfängers zu bestimmen.
5 stellt ein Flussdiagramm für ein Verfahren dar, das Höhen-Aiding verwendet.
5A und 5B zeigen zwei weitere Flussdiagramme, die Verfahren zur Verwendung von Höhen-Aiding darstellen.
6 ist ein Flussdiagramm, das weitere Verfahren zur Verwendung von Höhen-Aiding zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung sieht zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Verwendung von Höhen-Aiding mit Satellitenpositionierungssystemen vor. Die folgende Beschreibung und folgenden Zeichnungen sind eine Darstellung der Erfindung und sollen nicht als Einschränkung der Erfindung betrachtet werden. Eine Vielzahl von speziellen Details werden beschrieben, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern. In einigen Fällen jedoch werden wohl bekannte oder herkömmliche Details nicht beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig mit Details zu verkomplizieren.
Vor der Beschreibung zahlreicher Details bezüglich der Verwendung von Höhen-Aiding-Information ist es sinnvoll, den Kontext zu beschreiben, in dem ein Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Dementsprechend erfolgt eine vorausgehende Diskussion, die sich auf die 1, 2, 3A und 3B bezieht, bevor die Verwendung von Höhen-Aiding in einem zellbasierten Kommunikationssystem diskutiert wird.
1 zeigt ein Beispiel eines zellbasierten Kommunikationssystems 10, welches eine Vielzahl von Zellstandorten beinhaltet, wobei jeder Zellstandort dafür entworfen ist, eine bestimmte geographische Region oder einen bestimmten geographischen Standort zu bedienen. Beispiele solcher zellularbasierten oder zellbasierten Kommunikationssysteme sind nach dem Stand der Technik wohl bekannt wie zellbasierte Telefonsysteme. Das zellbasierte Kommunikationssystem 10 beinhaltet zwei Zellen 12 und 14, wobei beide Zellen sich per Definition in einer zellularen Dienstregion 11 befinden. Zusätzlich beinhaltet das System 10 die Zellen 18 und 20. Es sei angemerkt, dass eine Vielzahl von anderen Zellen mit entsprechenden Zellstandorten und/oder zellularen Dienstregionen ebenfalls in dem System 10 enthalten sein können, die an eine oder mehrere zellulare Vermittlungsstellen gekoppelt sind, wie die zellulare Vermittlungsstelle 24 und die zellulare Vermittlungsstelle 24b.
Innerhalb jeder Zelle, wie der Zelle 12, gibt es einen drahtlosen Zellstandort oder zellularen Standort wie den Zellstandort 13, der eine Antenne 13a beinhaltet, die dafür entworfen ist, um über ein drahtloses Kommunikationsmedium mit einem Kommunikationsempfänger zu kommunizieren, der mit einem mobilen GPS-Empfänger kombiniert werden kann, wie dem Empfänger 16, der in 1 gezeigt wird. In 3A wird ein Beispiel eines solchen kombinierten Systems gezeigt, das einen GPS-Empfänger und ein Kommunikationssystem besitzt, und sowohl eine GPS-Antenne 77 als auch eine Kommunikationssystemsantenne 79 enthalten kann.
Jeder Zellstandort ist an eine zellulare bzw. Zellvermittlungsstelle gekoppelt. In 1 sind die Zellstandorte 13, 15 und 19 an die Vermittlungsstelle 24 jeweils über die Verbindungen 13b, 15b und 19b gekoppelt und der Zellstandort 21 ist an eine andere Vermittlungsstelle 24b über die Verbindung 21b gekoppelt. Diese Verbindungen sind typischerweise drahtgebundene Verbindun gen zwischen den jeweiligen Zellstandorten und zellularen Vermittlungsstellen 24 und 24b. Jeder Zellstandort beinhaltet eine Antenne zur Kommunikation mit Kommunikationssystemen, die von dem Zellstandort bedient werden. In einem Beispiel kann der Zellstandort ein zellularer Telefonzellstandort sein, der mit mobilen zellulare Telefonen in der Region kommuniziert, die von dem Zellstandort bedient wird. Es sei angemerkt, dass ein Kommunikationssystem innerhalb einer Zelle, wie z. Bsp. der Empfänger 22, der in Zelle 4 gezeigt wird, tatsächlich mit dem Zellstandort 19 in Zelle 18 aufgrund einer Signalblockade (oder aus anderen Gründen, warum der Zellstandort 21 mit dem Empfänger 22 nicht kommunizieren kann) kommunizieren würde. Es trifft ebenfalls zu, dass mehrere Zellstandorte mit einem mobilen GPS-Empfänger, der ein Kommunikationssystem enthält, Daten (aber gewöhnlich keine Sprache) in einer Kommunikation austauschen können.
In einem typischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein mobiler GPS-Empfänger 16 ein zellbasiertes Kommunikationssystem, welches mit dem GPS-Empfänger so integriert ist, dass sich sowohl der GPS-Empfänger als auch das Kommunikationssystem in demselben Gehäuse befinden. Ein Beispiel dafür ist ein zellulares Telefon, das einen integrierten GPS-Empfänger besitzt, der sich mit dem zellularen Telefon-Transceiver eine gemeinsame Schaltung teilt. Wenn dieses kombinierte System für zellulare Telefonkommunikationen verwendet wird, finden Übertragungen zwischen dem Empfänger 16 und dem Zellstandort 13 statt. Übertragungen von dem Empfänger 16 zu dem Zellstandort 13 breiten sich dann über die Verbindung 13b zu der zellularen Vermittlungsstelle 24 und dann entweder zu einem anderen zellularen Telefon in einer Zelle, die von der zellularen Vermittlungsstelle 24 bedient wird, oder über eine Verbindung 30 (typischerweise drahtgebunden) zu einem anderen Telefon über das terrestrische Telefonsystem/netzwerk 28 aus. Es sei angemerkt, dass der Ausdruck "drahtgebunden bzw. verkabelt" Glasfaseroptik und andere nicht drahtlose Verbindungen wie Kupferverkabelung, etc. beinhaltet.
Übertragungen von dem anderen Telefon, das mit dem Empfänger 16 kommuniziert, werden von der zellularen Vermittlungsstelle 24 über die Verbindung 13b und den Zellstandort 13 auf konventionelle Weise zurück an den Empfänger 16 übermittelt.
Das entfernte Datenverarbeitungssystem 26 (das in einigen Ausführungsbeispielen als ein SPS-Server oder ein Standortserver bezeichnet werden kann) ist in dem System 10 enthalten und wird in einem Ausführungsbeispiel dazu verwendet, um die Position eines mobilen SPS-Empfängers (zum Beispiel Empfänger 16) zu bestimmen, indem SPS-Signale verwendet werden, die von dem SPS-Empfänger empfangen werden. Der SPS-Server 26 kann an das terrestrische Telefonsystem/-Netzwerk 28 über eine Verbindung 27 gekoppelt sein und er kann ebenfalls optional an die zellulare Vermittlungsstelle 24 über die Verbindung 25 (die ein Kommunikationsnetzwerk sein kann) gekoppelt sein und kann auch optional an die Stelle 24b über die Verbindung 25b, ( die dasselbe oder ein anderes Kommunikationsnetzwerk als Verbindung 25 sein kann) gekoppelt sein. Es sei angemerkt, dass die Verbindungen von 20 und 27 typischerweise verkabelte Verbindungen sind, obwohl sie drahtlos sein können. Ein Anfrageterminal 29, das aus einem anderen Computersystem bestehen kann, das über das Netzwerk 28 an den SPS-Server 26 gekoppelt ist, wird ebenfalls als optionale Komponente des Systems 10 gezeigt. Dieses Anfrageterminal 29 kann eine Abfrage der Position eines bestimmten SPS-Empfängers in einer der Zellen an den SPS-Server 26 senden, der dann mit einem bestimmten SPS-Empfänger eine Austausch über die zellulare Vermittlungsstelle beginnt, um die Position des GPS-Empfängers zu bestimmen und diese Position zurück an das Anfrageterminal 29 zu melden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Positionsbestimmung für einen GPS-Empfänger durch einen Benutzer eines mobilen GPS-Empfängers eingeleitet werden; zum Beispiel kann der Benutzer des mobilen GPS Empfängers auf dem Mobiltelefon 911 wählen, um eine Notfallsituation an dem Standort des mobilen GPS-Empfängers anzuzeigen und dies kann einen Standortbestimmungsvorgang, wie er hier beschrieben wird, auslösen. In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann jeder Zellstandort einen GPS-Standortserver beinhalten, der Daten innerhalb einer Kommunikation mit einem mobilen GPS-Empfänger über den Zellstandort austauscht. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls mit verschiedenen Kommunikationsarchitekturen wie Punkt-zu-Punkt-Architekturen verwendet werden, die nicht zellbasierte Systeme verwenden.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein zellularbasiertes oder zellbasiertes Kommunikationssystem ein Kommunikationssystem ist, das mehr als einen Sender besitzt, wobei jeder von ihnen eine andere geographische Region bedient, die zu jedem beliebigen Zeitpunkt vorab definiert ist. Typischerweise ist jeder Sender ein drahtloser Sender, der eine Zelle bedient, die einen geographischen Radius von weniger als 20 Meilen besitzt, obwohl die abgedeckte Region von dem speziellen zellularen System abhängt. Es gibt zahlreiche Typen von zellularen Kommunikationssystemen wie zellulare Telefone, das persönliche Kommunikationssystem PCS (PCS = personal communication system), spezialisierter Mobilfunk SMR (SMR = specialized mobile radio), Pager-Systeme mit einer oder zwei Richtungen, RAM, ARDIS und drahtlose Datenpaketsysteme. Typischerweise werden die vorab definierten geographischen Regionen als Zellen bezeichnet und eine Vielzahl von Zellen werden in einer zellularen Dienstregion zusammengefasst wie die zellulare Dienstregion 11 gezeigt in 1 und diese Vielzahlen von Zellen sind an eine oder mehrere zellulare Vermittlungsstellen gekoppelt, die Verbindungen mit terrestrischen Telefonsystemen und/oder Netzwerken vorsehen. Dienstregionen werden auch für Abrechnungszwecke verwendet. Somit kann auftreten, dass Zellen in mehr als einer Dienstregion mit einer Vermittlungsstelle verbunden sind. Zum Beispiel befinden sich in 1 die Zellen 1 und 2 in der Dienstregion 11 und Zelle 3 befindet sich in der Dienstregion 13, aber alle drei sind mit der Vermittlungsstelle 24 verbunden. Alternativ kommt es manchmal vor, dass Zellen innerhalb einer Dienstregion mit unterschiedlichen Vermittlungsstellen verbunden sind, besonders in Regionen mit einer hohen Bevölkerungsdichte. Im allgemeinen wird eine Dienstregion als eine Ansammlung von Zellen definiert, die sich innerhalb nächster geographischer Nähe zueinander befinden. Eine andere Klasse von zellularen Systemen, die zu der obigen Beschreibung passt, ist satellitenbasiert, wobei die zellularen Basisstationen oder Zellstandorte Satelliten sind, die typischerweise die Erde umkreisen. In diesen Systemen bewegen sich die Zellsektoren und Dienstregionen als eine Funktion der Zeit. Beispiele für solche Systeme beinhalten Iridium, Globalstar, Orbcomm und Odyssey.
2 zeigt ein Beispiel eines SPS-Servers 50, der als der SPS-Server 26 in 1 verwendet werden kann. Der SPS-Server 50 aus 2 beinhaltet eine Datenverarbeitungseinheit 51, die ein fehlertolerantes digitales Computersystem sein kann. Der SPS-Server 50 beinhaltet auch ein Modem oder eine andere Kommunikationsschnittstelle 52 und ein Modem oder eine andere Kommunikationsschnittstelle 53 und ein Modem oder eine andere Kommunikationsschnittstelle 54. Die Kommunikationsschnittstellen sehen die Verbindung für den Austausch von Information mit dem Standort-Server vor, der in 2 zwischen drei verschiedenen Netzwerken gezeigt wird, die als Netzwerke 60, 62 und 64 gezeigt werden. Das Netzwerk 60 beinhaltet die zellulare Vermittlungsstelle oder -stellen und/oder die terrestrischen Telefonsystemvermittlungen oder die Zellstandorte. Somit kann das Netzwerk 60 so betrachtet werden, dass es die zellularen Vermittlungsstellen 24 und 24b beinhaltet sowie das terrestrische Telefonsystem/-netzwerk 28 und die zellulare Dienstregion 11 sowie die Zellen 18 und 20. Das Netzwerk 64 kann so betrachtet werden, dass es das Anfrageterminal 29 von 1 oder die "PSAP" beinhaltet, welches die öffentliche Sicherheitsantwortstelle ist (PSAP = Public Safety Answering Point), die typischerweise das Steuerungszentrum ist, dass 911-Telefonnotrufe beantwortet. In dem Fall des Anfrageterminals 29 kann dieses Terminal dazu verwendet werden, eine Anfrage an den Server 26 zu stellen, um eine Positionsinformation von einem bestimmten mobilen SPS-Empfänger zu erhalten, der sich in den zahlreichen Zellen des zellbasierten Kommunikationssystems befindet. In diesem Fall wird die Standortbestimmungsoperation von jemand anderem als dem Benutzer des mobilen GPS-Empfängers ausgelöst. In dem Fall eines 911-Telefonanrufs von dem mobilen GPS-Empfänger, der ein zellulares Telefon beinhaltet, wird der Standortbestimmungsvorgang durch den Benutzer des zellularen Telefons eingeleitet. Das Netzwerk 62, das das GPS-Referenznetzwerk 32 von 1 darstellt, ist ein Netzwerk von GPS-Empfängern, die GPS-Referenzempfänger sind, welche dafür entworfen sind, differenzielle GPS-Korrekturinformation vorzusehen und um ebenfalls für die Datenverarbeitungseinheit GPS-Signaldaten vorzusehen, die die Satelliten-Ephimerisdaten enthalten (typischerweise als Teil der gesamten, unbearbeiteten Satellitennavigationsnachricht). Wenn der Server 50 eine sehr große geographische Region bedient, kann ein lokaler optionaler GPS-Empfänger, wie der optionale GPS-Empfänger 56, eventuell nicht dazu in der Lage sein, alle GPS-Satelliten zu beobachten, die sich in Sichtsverbindung mit den mobilen SPS-Empfängern der gesamten Region befinden.
Dementsprechend sammelt das Netzwerk 62 und sieht Satelliten-Ephimerisdaten (typischerweise als Teil der gesamten, unbearbeiteten Satellitennavigationsnachricht) sowie differenzielle GPS-Korrekturdaten vor, die über eine weitere Region anwendbar sind.
Wie in 2 gezeigt wird, ist ein Massenspeichergerät 55 an die Datenverarbeitungseinheit 51 gekoppelt. Typischerweise beinhaltet der Massenspeicher 55 Speicher für Daten und Software zur Durchführung der GPS-Positionsberechnungen, nachdem die Pseudo-Abstände von den mobilen SPS-Empfängern, wie einem Empfänger 16 in 1, empfangen wurden. Diese Pseudo-Abstände werden normalerweise über den Zellstandort und die zellulare Vermittlungsstelle und das Modem oder eine andere Schnittstelle 53 empfangen. Das Massenspeichergerät 55 beinhaltet in mindestens einem Ausführungsbeispiel ebenfalls Software, die dazu verwendet wird, die Satelliten-Ephimerisdaten zu empfangen und zu verwenden, die von dem GPS-Referenznetzwerk 32 über das Modern oder eine andere Schnittstelle 54 geliefert werden. Das Massenspeichergerät 55 beinhaltet ebenfalls typischerweise eine Datenbank, die Zellobjektinformation speichert, wie zum Beispiel Zellstandortidentifizierer, die geographische Position des Zellstandorts und entsprechende Höhen, welche typischerweise die Höhe beziehungsweise Höhen sind, die mit einer geographischen Position eines Zellstandorts assoziiert sind, und somit die geschätzten Höhen für einen mobilen SPS-Empfänger sind, der sich in Funkkommunikation mit einem bestimmten Zellstandort befindet. Die Zellobjektinformation und entsprechenden Höhen sind eine zellbasierte Informationsquelle, ein Beispiel, wie es in 4 gezeigt und im folgenden weitergehend beschrieben wird.
In einem typischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der optionale GPS-Empfänger 56 nicht notwendig, weil das GPS-Referenznetzwerk 32 von 1 (gezeigt als Netzwerk 62 von 2) die differenzielle GPS-Information, GPS-Messungen sowie die unbearbeiteten Satellitendatennachrichten von den Satelliten in Sichtverbindung von einer Vielzahl von Referenzempfängern in dem GPS-Referenznetzwerk vorsieht. Es sei angemerkt, dass die Satelliten-Ephimerisdaten, die von dem Netzwerk über das Modem oder eine andere Schnittstelle 54 erhalten wurden, normalerweise auf konventionelle Weise mit den Pseudo-Abständen, die von dem mobilen GPS-Empfänger erhalten wurden, dazu verwendet werden können, um die Positionsinformation für den mobilen GPS-Empfänger zu berechnen. Die Schnittstellen 52, 53 und 54 können jede ein Modem sein oder eine andere passende Kommunikationsschnittstelle für die Ankopplung der Datenverarbeitungseinheit an andere Computersysteme wie im Fall von Netzwerk 64 und an zellularbasierte Kommunikationssysteme wie im Fall von Netzwerk 60 und an sendende Geräte wie Computersysteme in dem Netzwerk 62. Es sei angemerkt, dass gemäß einem Ausführungsbeispiel das Netzwerk 62 eine verteilte Ansammlung von GPS-Referenzempfängern beinhaltet, verteilt über eine weite geographische Region. In einigen Ausführungsbeispielen wird die differenzielle GPS-Korrekturinformation, die von einem Empfänger 56 in der Nähe des Zellstandorts oder der zellularen Dienstregion erhalten wird, der sich in Kommunikation mit dem mobilen GPS-Empfänger über das zellularbasierte Kommunikationssystem befindet, die differenzielle GPS-Korrekturinformation vorsehen, die für die ungefähre Position des mobilen GPS-Empfängers geeignet ist. In anderen Fällen können differenzielle Korrekturen von dem Netzwerk 62 kombiniert werden, um eine differenzielle Korrektur zu berechnen, die für die Position des mobilen SPS-Empfängers angemessen ist.
3A zeigt ein verallgemeinertes kombiniertes System, welches einen GPS-Empfänger und einen Kommunikationssystems-Transceiver beinhaltet. In einem Beispiel ist der Kommunikationssystems-Transceiver ein zellulares Telefon. Das System 75 beinhaltet einen GPS-Empfänger 76, der eine GPS-Antenne 77 und einem Kommunikations-Transceiver 78 besitzt, der eine Kommunikationsantenne 79 besitzt. Der GPS-Empfänger 76 ist an den Kommunikations-Transceiver 78 über die Verbindung 80 gekoppelt, die in 3A gezeigt wird. In einem Betriebsmodus empfängt der Kommunikationssystems-Transceiver 78 eine ungefähre Doppler-Information über die Antenne 79 und liefert diese ungefähre Doppler-Information über die Verbindung 80 an den GPS-Empfänger 76, der die Pseudo-Abstandsbestimmung durchführt, wenn er die GPS-Signale von dem GPS-Satellit über die GPS-Antenne 77 empfängt. Dieser Pseudo-Abstand wird dann an einen Positionsserver, wie den GPS-Server 26, der in 1 gezeigt wird, über den Kommunikationssystems-Transceiver 78 gesendet. Typischerweise sendet der Kommunikationssystems-Transceiver 78 ein Signal über die Antenne 79 an einen Zellstandort, der daraufhin diese Information zurück an den GPS-Server transferiert, wie den GPS-Server 26 in 1. Beispiele von zahlreichen Ausführungsbeispielen für das System 75 sind nach dem Stand der Technik bekannt. Z.B. beschreibt das US-Patent 5,663,734 ein Beispiel für einen kombinierten GPS-Empfänger und Kommunikationssystem, das ein verbessertes GPS-Empfängersystem verwendet. Das System 75 von 3A sowie zahlreiche alternative Kommunikationssysteme, die SPS-Empfänger besitzen, können mit Ausführungsbeispielen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um mit den Ausführungsbeispielen des GPS-Referenznetzwerks der vorliegenden Erfindung zu arbeiten.
3B zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine GPS-Referenzstation. Es ist von Vorteil, dass jede Referenzstation auf diese Art und Weise konstruiert und an das Kommunikationsnetzwerk oder -medium gekoppelt werden kann. Typischerweise kann jede GPS-Referenzstation, wie die GPS-Referenzstation 90 von 3B, einen Dualfrequenz-GPS-Referenzempfänger 92 beinhalten, der an eine GPS-Antenne 91 gekoppelt ist, die GPS-Signale von GPS- Satelliten in Sichtverbindung mit der Antenne 91 empfängt. Alternativ kann ein GPS-Referenzempfänger ein Einzelfrequenzempfänger sein, abhängig von der Korrekturgenauigkeit, die benötigt wird, um eine bestimmte Region abzudecken. GPS-Referenzempfänger sind nach dem Stand der Technik wohl bekannt. Der GPS-Referenzempfängern 92 sieht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Informationstypen als Ausgaben von dem Empfänger 92 vor. Pseudo-Abstandausgaben 93 werden an einen Prozessor und Netzwerkschnittstelle 95 geliefert und diese Pseudo-Abstandausgaben werden verwendet, um differenzielle Pseudo-Abstandskorrekturen auf konventionelle Art und Weise für die Satelliten in Sichtverbindung der GPS-Antenne 91 zu berechnen. Der Prozessor und Netzwerkschnittstelle 95 kann ein konventionelles digitales Computersystem sein, dass eine Schnittstelle besitzt, um Daten von einem GPS-Referenzempfänger nach dem Stand der Technik zu empfangen. Der Prozessor 95 beinhaltet typischerweise Software, die dafür entworfen ist, die Pseudo-Abstandsdaten zu verarbeiten, um die angemessene Pseudo-Abstandskorrektur für jeden Satellit in Sichtverbindung mit der GPS-Antenne 91 zu bestimmen. Diese Pseudo-Abstandskorrekturen werden dann über die Netzwerkschnittstelle an das Kommunikationsnetzwerk oder -medium 96 gesendet, an das andere GPS-Referenzstationen typischerweise ebenfalls gekoppelt sind. In einem anderen Beispiel der Erfindung werden Pseudo-Abstandsdaten von dem Referenzempfänger über das Netzwerk 96 an eine zentrale Position wie einen GPS-Server 26 weitergeleitet, wo differenzielle Korrekturen berechnet werden. In einem weiteren Beispiel beinhaltet die Ausgabe 93 differenzielle Korrekturen, die von dem Referenzempfänger 92 erzeugt wurden. Der GPS-Referenzempfänger 92 sieht ebenfalls eine Satellit-Ephimerisdaten-Ausgabe 94 vor. Diese Daten werden an den Prozessor und Netzwerkschnittstelle 95 geliefert, der daraufhin diese Daten an das Kommunikationsnetzwerk 96 überträgt.
Die Satellit-Ephimerisdaten-Datenausgabe 94 sieht typischerweise mindestens einen Teil der gesamten unbearbeiteten binären 50-baud-Navigationsdaten vor, die in den tatsächlichen GPS-Signalen codiert sind, die von jedem GPS-Satellit empfangen werden. Die Satellit-Ephimerisdaten sind Teil der Navigationsnachricht, die als 50-Bit-pro-Sekunde-Datenstrom in den GPS-Signalen von den GPS-Satelliten gebroadcastet werden, was sehr detailliert in dem GPS-ICD-200-Dokument beschrieben ist. Der Prozessor und Netzwerkschnittstelle 95 empfängt diese Satellit-Ephimerisdaten-Ausgabe 94 und sendet sie in Realzeit oder nahezu in Realzeit an das Kommunikationsnetzwerk 96. Diese Satellit-Ephimerisdaten werden an das Kommunikationsnetzwerk übertragen und werden über das Netzwerk bei mehreren Positionsservern empfangen.
Nur bestimmte Segmente der Navigationsnachricht, wie die Satellit-Ephimerisdaten können an Positionsserver gesendet werden, um die Bandbreitenanforderungen für die Netzwerkschnittstellen und für das Kommunikationsnetzwerk zu vermindern. Typischerweise brauchen diese Daten ebenfalls nicht kontinuierlich vorgesehen zu werden. Zum Beispiel können nur die ersten drei Rahmen, die Satellitentaktinformation und Ephimeris-Information enthalten, anstatt aller fünf Rahmen zusammen auf einer regulären Basis an das Kommunikationsnetzwerk 96 gesendet werden. Es sei angemerkt, dass der Positionsserver die gesamte Navigationsnachricht empfangen kann, die von einem oder mehreren GPS-Referenzempfängern in das Netzwerk in Realzeit oder nahezu in Realzeit gesendet wird, um ein Verfahren durchzuführen, um die Zeit zu messen, die mit Satellitdatennachrichten in Zusammenhang steht, wie das beschriebene Verfahren in dem US-Patent Nr. 5 812 087 . So wie der Begriff "Satellit-Ephimerisdaten" hier verwendet wird, beinhaltet er Daten, die nur einen Teil der Satellitennavigationsnachricht (z.B. 50-baud-Nachricht) darstellen, die von einem GPS-Satellit oder mindestens einer mathematische Darstellung dieser Satellit-Ephimerisdaten gesendet werden. Zum Beispiel bezieht sich der Begriff Satellit-Ephimerisdaten auf mindestens eine Darstellung eines Teils der 50-baud-Datennachricht, die in das GPS-Signal codiert ist, das von einem GPS-Satelliten gesendet wird. Es ist ebenfalls verständlich, dass der GPS-Referenzempfänger 92 die verschiedenen GPS-Signale von den verschiedenen GPS-Satelliten in Sichtverbindung mit dem Referenzemp fänger 92 decodiert, um die binäre Datenausgabe 94 vorzusehen, die die Satellit-Ephimerisdaten enthält.
4 zeigt ein Beispiel einer zellbasierten Informationsquelle, die bei einer Datenverarbeitungsstation wie dem GPS-Server 26 gezeigt in 1 unterhalten werden kann. Alternativ kann diese Informationsquelle bei einer zellularen Vermittlungsstelle unterhalten werden wie der zellularen Vermittlungsstelle 24 von 1 oder bei jedem Zellstandort, wie dem Zellstandort 13 gezeigt in 1. Typischerweise wird diese Information jedoch bei dem Positionsserver unterhalten und routinemäßig aktualisiert, wobei der Server an die zellulare Vermittlungsstelle gekoppelt ist. Die Informationsquelle kann Daten in mehreren Formaten aufrechterhalten und es ist von Vorteil, dass das Format, das in 4 gezeigt wird, nur ein Beispiel eines Formats veranschaulicht. Typischerweise beinhaltet jede abgeschätzte Höhe, wie die abgeschätzte Höhe 203, eine entsprechende Position, wie eine Zellstandortposition oder – identifikation für einen Zellstandort oder Dienstregion. Die Information in der zellbasierten Informationsquelle 201 kann in einer Datenbank aufrechterhalten werden, die Zellobjektinformation enthält, wie eine Identifikation der Zelldienstregionen oder Zellstandorte, die jeweils in den Spalten 208 und 210 gezeigt werden und kann ebenfalls die Zellstandortposition, wie die Information enthalten, die in Spalte 212 gezeigt wird. Für den Fall jeder abgeschätzten Höhe gibt es typischerweise mindestens eine Zellstandortposition oder eine Zellstandortidentifikation. Es sei angemerkt, dass jede abgeschätzte Höhe eine durchschnittliche Höhe der geographischen Region sein kann, die von der Funksignalabdeckung von einem Zellstandort abgedeckt wird. Andere mathematische Darstellungen der Höhen um den Zellstandort können verwendet werden. Es kann nützlich sein, die Höhen um den Zellstandort statt der Höhe des Zellstandorts zu verwenden, besonders dort wo die Position des Zellstandorts nicht repräsentativ für die Höhen ist, auf denen sich mobile SPS-Empfänger in der speziellen Region befinden.
Die Verwendung der zellbasierten Informationsquelle 201 wird nun in Verbindung mit 5 beschrieben, die ein Beispiel eines Verfahrens der vorlie genden Erfindung zeigt. In dieser folgenden Beschreibung wird angenommen, dass der mobile SPS-Empfänger SPS-Signale empfängt und aus diesen Signalen Pseudo-Abstände bestimmt, aber eine Positionslösungsberechnung bei dem mobilen Empfänger nicht abschließt. Anstatt dessen sendet der mobile Empfänger diese Pseudo-Abstände an einen bestimmten Zellstandort, mit dem er sich in Funkkommunikation befindet und dieser Zellstandort gibt die Pseudo-Abstände an eine mobile Vermittlungsstelle weiter, die daraufhin die Pseudo-Abstände an einen Positionsserver weitergibt, wie den GPS-Server 26 von 1. Dieser GPS-Server beendet dann die Positionsberechnung, indem er Höhen-Aiding-Information gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet. In diesem speziellen Beispiel wird in Schritt 301 eine Zellobjektinformation bestimmt. Dies kann durch den GPS-Server erfolgen, der einen Zellstandortidentifizierer oder eine Position für den Zellstandort empfängt, der sich in drahtloser Kommunikation mit dem mobilen zellbasierten Kommunikationssystem befindet, das an den mobilen SPS-Empfänger gekoppelt ist, wie den Empfänger, der in 3A gezeigt wird. Zum Beispiel kann der Zellstandort seine Identifiziererinformation oder seine Position mit der Pseudo-Abstands-Information von dem mobilen SPS-Empfänger an den GPS-Server weitergeben. In Schritt 303 bestimmt der GPS-Server aus der Zellobjektinformation eine abgeschätzte Höhe für den mobilen SPS-Empfänger. In einem Beispiel führt der SPS-Server eine Datenbanknachschlagoperation durch, um die abgeschätzte Höhe zu erhalten, indem die Zellobjektinformation als ein Index für die Datenbank verwendet wird. Diese Datenbank kann in dem Massenspeicher 55, der in 2 gezeigt wird, unterhalten werden. Wenn die Position des Zellstandorts vorgesehen wird, indem ein Breitengrad und ein Längengrad vorgesehen werden, kann der Server diesen Breitengrad und Längengrades verwenden, um die Höhe der Erdoberfläche an diesem Punkt zu suchen. Alternativ, wird in dem Fall, wenn ein Zellstandortidentifizierer vorgesehen wird, wie eine Zellstandortnummer oder andere Identifikation, diese Zellobjektinformation verwendet, um eine abgeschätzte Höhe zu erhalten; die abgeschätzte Höhe 205 ist ein Beispiel für solch eine Situation, wo die Zellstandortnummer B1 verwendet wird, um die abgeschätzte Höhe 205 zu identifizieren. In Schritt 305 verwendet der GPS-Server die abgeschätzte Hö he, um die Position des mobilen GPS-Empfängers zu bestimmen. Es gibt bekannte Arten und Weise, auf die die Höhe verwendet werden kann, um die Positionslösungsberechnung zu ergänzen oder zu unterstützen.
Die 5A und 5B zeigen Verfahren, in denen eine abgeschätzte Höhe verwendet werden kann. Das Verfahren von 5A beginnt bei 311, wo Zellobjektinformation bestimmt wird. Diese Information wird dann in 313 von 5A verwendet, um eine anfängliche abgeschätzte geographische Position (, die spezifiziert sein kann als Breitengrad, Längengrades und Höhe) für den mobilen SPS-Empfänger basierend auf der Zellobjektinformation zu bestimmen. In einem Beispiel dieses Verfahrens wird die Zellobjektinformation als ein Index verwendet, um die abgeschätzte Position, die mit der Zellobjektinformation assoziiert ist, in einer Datenbank nachzuschlagen. Diese abgeschätzte Position wird dann in 315 von 5A verwendet, um eine Position des mobilen SPS-Empfängers (zum Beispiel ein berechneter Breitengrad und Längengrad) zu berechnen. Dieser berechnete Breitengrad und Längengrad wird dann in 317 von 5A verwendet, um eine abgeschätzte Höhe zu bestimmen; dies kann erfolgen, indem eine Datenbanknachschlageoperation auf einer zweiten Datenbank durchgeführt wird, um die abgeschätzte Höhe aus dem berechneten Breitengrad und Längengrad zu erhalten. In diesem Fall ist die zweite Datenbank der Datenbank ähnlich, die in 4 gezeigt wird, außer dass die zweite Datenbank, die in 5A verwendet wird, bei dem Vorsehen von Höhen für eine größere Anzahl von möglichen Kombinationen von Breitengraden und Längengraden einen größeren Umfang besitzt; da diese zweite Datenbank, die in 5A verwendet wird, nicht für alle möglichen Kombinationen von Breitengraden und Längengraden eine Höhe zu Verfügung haben kann, kann Interpolationslogik verwendet werden, um eine Höhe durch Interpolation von Höhen in der Datenbank bei Breitengraden und Längengraden zu bestimmen, die sich in der Nähe des berechneten Breitengrades und Längengrades befinden. Die Höhe, die in 317 von 5A erhalten wird, kann in 319 verwendet werden, um eine Position nochmal zu berechnen (gewissermaßen eine genauere Positionsberechnung).
Die zweite Datenbank kann mit der Zeit, in der sie verwendet wird, verbessert werden, indem jedes Mal, wenn eine berechnete Position bestimmt wird, Breitengrad/Längengrad/Höhe-Kombinationen hinzugefügt werden. Das bedeutet, dass Einträge in die Datenbank hinzugefügt werden können, indem das System oft verwendet wird (z.B. jedes Mal, wenn "911" von einem Benutzer eines Mobiltelefons gedrückt wird), und viele Inkonsistenzen bezüglich der Höhe bei einem gegebenen Breitengrad und Längengrad gemittelt werden können (oder markiert werden können, um "manuell" durch eine genaue GPS-Empfänger-Auslesung geprüft zu werden). Dies erzeugt mit der Zeit eine stabile dreidimensionale Datenbank der Oberfläche der Erde. 5B zeigt ein Beispiel dieses Verfahrens bezüglich dem Hinzufügen von Einträgen in die zweite Datenbank. In Schritt 325 wird die anfängliche Abschätzung der Position eines mobilen SPS-Empfängers verwendet, um eine Position des mobilen SPS-Empfängers zu berechnen. Die berechnete Position (Breitengrad-, Längengrad- und Höhenkombination) wird dann verwendet, um die zweite Datenbank zu aktualisieren (bezeichnet als Höhendatenbank in Schritt 329).
Während die bisherige Beschreibung von einer speziellen Architektur ausgegangen ist, sei es angemerkt, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Architekturen und in einer Vielzahl von anderen Beispielen verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Höheninformation bei einem Zellstandort gespeichert und an einen Positionsserver oder GPS-Server zusammen mit der Pseudo-Abstandsinformation von einem mobilen SPS-Empfänger gesendet werden. Dies würde die Notwendigkeit beseitigen, dass jeder GPS-Server eine Datenbank unterhält, obwohl dies für einen Server immer noch von Vorteil wäre für den Fall, dass es Zellstandorte gibt, mit denen der Server kommuniziert und die keine eigene Höheninformation besitzen. In einer weiteren Alternative kann die Höheninformation an den mobilen SPS-Empfänger gesendet werden, der seine eigene Position auf konventionelle Art und Weise bestimmt, indem SPS-Satelliten erworben und verfolgt werden, Pseudo-Abstände bestimmt werden, Satellit-Ephimerisinformation von den SPS-Satelliten gelesen wird und seine Position bestimmt wird. In einer weiteren Alternative kann, anstatt des Sendens der Höhe an die mobile Einheit, eine Zellobjektinformation, wie ein Zellstandortidentifizierer oder eine Zellstandortposition, an den mobilen SPS-Empfänger gesendet werden, der seine eigene Datenbank besitzt, die eine abgeschätzte Höhe für eine gegebene Zellobjektinformation anzeigt. Auf diese Art und Weise kann der mobile SPS-Empfänger seine eigene Position bestimmen und ebenfalls autonom ein Höhen-Aiding durchführen. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann der mobile SPS-Empfänger lediglich die SPS-Signale sammeln und diese digitalisieren und dann diese Digitalisierung der SPS-Signale an den GPS-Server senden, der aus dieser digitalisierten Information Pseudo-Abstände bestimmt und die Positionsberechnung beendet. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel können Satellit-Ephimerisdaten von einer Quelle, wie dem SPS-Server, über den Zellstandort an den mobilen SPS-Empfänger gesendet werden und diese Satellit-Ephimerisdaten werden zusammen mit den Pseudo-Abständen verwendet, die von dem mobilen SPS-Empfänger bestimmt werden, um eine Positionslösung bei dem mobilen SPS-Empfänger vorzusehen. Ein Beispiel für diese Architektur wird in dem US-Patent 5,365,450 beschrieben.
Das Verfahren, das in 6 gezeigt wird, bezieht sich auf Fehlererfassung und -isolation in einem SPS-Empfänger. Während zahlreiche Techniken zur Fehlererfassung und -isolation (FDI = fault detection and isolation) nach dem Stand der Technik bekannt sind (siehe zum Beispiel Kapitel 5 und Kapitel 8 von Global Positioning System: Theory and Applications, zweite Ausgabe, B. W. Parkinson und J. J. Spilker, Jr., Herausgeber, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1996; und siehe auch Navigation System Integrity Monitoring Using Redundant Measurements von Mark A. Sturza, Navigation: Journal of the Institute of Navigation, Ausgabe 35, Nr. 4, Winter 1988-89, Seite 483 ff.), haben diese Techniken Höhen-Aiding nicht auf die Weise benützt, um die Anwesenheit von fehlerhaften Satellit-Pseudo-Abständen zu identifizieren. Sobald ein fehlerhafter Satellit-Pseudo-Abstand identifiziert wird, kann er von einer neuen berechneten Navigationslösung ausgeschlossen werden, um die schließliche Positionsbestimmung zu verbessern.
Das Verfahren von 6 kann in Schritt 351 beginnen, wo Pseudo-Abstände für mehrere SPS-Satelliten bestimmt werden. In Schritt 353 wird eine Höhen-Pseudo-Messung bestimmt. Diese Höhen-Pseudo-Messung kann als ein Pseudo-Abstand zu einem Satellit im Erdmittelpunkt betrachtet und kann auf konventionelle Art und Weise bestimmt werden, indem Pseudo-Messungen für Höhen-Aiding bestimmt werden, die nach dem vorangegangenen Stand der Technik benutzt werden. Somit kann zum Beispiel diese Höhen-Pseudo-Messung als ein Radius dargestellt werden, der den Erdradius von dem Erdmittelpunkt bis zu einem Punkt oberhalb der angenommenen kugelförmigen Erdoberfläche bei einer abgeschätzte Höhe bezüglich der Erdoberfläche, die als ein Ellipsoid definiert ist, beinhaltet. Die abgeschätzte Höhe kann wie in 5 gezeigt (Schritte 301 und 303) abgeleitet werden. In Schritt 355 wird eine Höhe für den mobilen SPS-Empfänger berechnet und diese berechnete Höhe wird mit der abgeschätzten Höhe verglichen. Die berechnete Höhe kann aus einer Navigationslösung erhalten werden, die auf den Pseudo-Abständen basiert, die in Schritt 351 bestimmt werden. Der Unterschied zwischen diesen beiden Werten zeigt, wenn er groß genug ist, einen möglichen fehlerhaften Satelliten-Pseudo-Abstand oder eine mögliche fehlerhafte Navigationslösung an, die im Fall von großen Multipfadfehlern auftreten können, die in einer vertikalen Richtung große Fehler verursachen, wie dies oft in städtischen Schlucht- bzw. Stassenschluchtsituationen auftritt. In Schritt 357 kann der Zustand von mindestens einem Pseudo-Abstand basierend auf diesem Vergleich bestimmt werden. Wenn der Vergleich einen kleinen Unterschied zwischen der geschätzten Höhe und der berechneten Höhe zeigt, dann kann der Zustand der Pseudo-Abstände derart sein, dass sie nicht fehlerhaft sind. Wenn der Unterschied zwischen der geschätzten Höhe und der berechneten Höhe auf der anderen Seite groß genug ist (, wenn zum Beispiel der Unterschied einen Schwellenwert übersteigt), dann kann mindestens einer der Pseudo-Abstände (und/oder eine Navigationslösung) fehlerhaft sein.
In Schritt 357 wird ebenfalls ein alternatives Verfahren gezeigt, dass nicht von dem Vergleich einer geschätzten Höhe mit einer berechneten Höhe abhängig ist. Dieses alternative Verfahren kann anstatt des Vergleichs oder zusätzlich zu dem Vergleich durchgeführt werden. Dieses alternative Verfahren verwendet die Höhen-Pseudo-Messung (von Schritt 353) als eine redundante Messung (redundant bezüglich der Pseudo-Abstände von Schritt 351) und verwendet FDI-Techniken, die redundante Messungen verwenden, um zu erfassen, ob ein fehlerhafter Pseudo-Abstand (oder eine fehlerhafte Navigationslösung) existiert und um mindestens einen fehlerhaften Pseudo-Abstand zu identifizieren, falls dieser existiert. Diese FDI-Techniken werden in der Literatur beschrieben; wie zum Beispiel Sturza, "Navigation System Integrity Monitoring Using Redundant Measurements", was bereits zitiert wurde. Nachdem der fehlerhafte Pseudo-Abstand beziehungsweise die fehlerhaften Pseudo-Abstände identifiziert wurden, können sie von einer neu berechneten Navigationslösung ausgeschlossen werden. Ein Beispiel eines zellularen Pseudo-Abstandes ist eine Ankunftszeitdifferenz eines Kommunikationsfunkfrequenzsignals in einem CDMA- oder anderen zellularen (zellbasierten) Kommunikationssystem; der zellulare Pseudo-Abstand stellt typischerweise eine Ausbreitungszeit eines Kommunikationssignals zwischen einem Zellstandort bei einer bekannten Position und dem mobilen SPS-Empfänger dar, der ein zellbasiertes Kommunikationssystem beinhaltet.
Die Verfahren von 6 können einen bestimmten Pseudo-Abstand zu einem bestimmten Satellit als "schlecht" identifizieren, sogar wenn die SPS-Signale von dem bestimmten Satellit ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR = signal-to-noise ratio) besitzen. In diesem Fall können Ausführungsbeispiele der Erfindung diese Identifikation ablehnen und weiterhin die FDI- Techniken verwenden, um einen anderen fehlerhaften Pseudo-Abstand zu finden.
Die Verfahren von 6 können in einem nicht zellbasierten System verwendet werden, in dem sich eine einzelne Basisstation in einer Punkt-zu- Punkt-Funkkommunikation mit einem mobilen SPS-Empfänger befindet. In diesem Fall kann die geschätzte Höhe eine mittlere Höhe der geographischen Region sein, die durch Funksignale zu oder von der Basisstation abgedeckt wird. In diesem besonderen Beispiel muss keine Zellobjektinformation über ein Netzwerk übertragen werden. In einer anderen Alternative kann das Verfahren von 6 in einem zellbasierten Kommunikationssystem verwendet werden, in dem eine Zellobjektinformation von Komponenten in einem Netzwerk übertragen und schließlich als ein Index für eine Datenbank verwendet wird, um eine geschätzte Höhe abzuleiten.
Während die bisherige Beschreibung im allgemeinen von einer Systemarchitektur ausgegangen ist, in der ein mobiler SPS-Empfänger Pseudo-Abstände bestimmt und diese Pseudo-Abstände an einen entfernt positionierten SPS- Server sendet, ist es verständlich, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Systemarchitekturen angewendet werden kann. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung in einem System verwendet werden, in dem ein mobiler SPS-Empfänger digitalisierte SPS-Signale (mit einem Zeitstempel, der die Empfangszeit anzeigt) an einen entfernt positionierten SPS-Server übertragen (ohne Pseudo-Abstände zu SPS-Satelliten zu berechnen) und der entfernt positionierte SPS-Server bestimmt eine geschätzte Höhe und bestimmt eine Positionslösung (die ebenfalls mit FDI-Techniken wie oben beschrieben abgeschätzt werden kann). In einem anderen Beispiel kann die vorliegende Erfindung in einem System verwendet werden, in dem ein mobiler SPS-Empfänger seine eigene Position mit oder ohne Unterstützung eines entfernt positionierten SPS-Servers bestimmt. Ohne solch eine Unterstützung kann der mobile SPS-Empfänger FDI-Techniken basierend auf einer geschätzten Höhe mit der Unterstützung einer Höhenabschätzung anwenden, die von einem Benutzer vorgesehen oder an den mobilen SPS-Empfänger von einem Zellstandort ge sendet wird (der mobile SPS-Empfänger kann eine Zellstandortidentifikation aus seinen zellbasierten Kommunikationen mit dem Zellstandort bestimmen und in seiner eigenen Datenbank eine abgeschätzte Höhe nachschlagen, die dem Zellstandort entspricht). Mit solch einer Unterstützung kann der mobile SPS-Empfänger seine eigene Position bestimmen, indem er Satellit- Ephimerisdaten und/oder Doppler-Information und/oder Satellit-Almanach von einem SPS-Server empfängt (z.B. von einem Zellstandort an den mobilen SPS-Empfänger gesendet) und kann ebenfalls eine Höhenabschätzung von einem SPS-Server empfangen und verwenden; in diesem Fall kann der mobile SPS-Empfänger seine Position bestimmen (nach der Bestimmung von Satelliten-Pseudo-Abständen) und kann FDI-Techniken für die Positionslösung unter Verwendung der Höhenabschätzung anwenden.
Obwohl die Verfahren und Vorrichtungen mit Bezug zu GPS-Satelliten beschrieben worden sind, sei es angemerkt, dass die Erkenntnisse gleichermaßen auf Positionierungssysteme anwendbar sind, die Pseudo-Satelliten bzw. Pseudolites oder eine Kombination von Satelliten und Pseudo-Satelliten verwenden. Pseudo-Satelliten sind terrestrische Sender, die einen PN-Code (einem GPS-Signal ähnlich) broadcasten, der auf einem L-Bandträgersignal moduliert werden kann, das im allgemeinen mit GPS-Zeit synchronisiert ist. Jedem Sender kann ein eigener PN-Code zugewiesen werden, so dass eine Identifikation durch einen entfernten Empfänger erlaubt wird. Pseudo-Satelliten sind in Situationen nützlich, in denen GPS-Signale von einem Satelliten auf Umlaufbahn eventuell nicht verfügbar sind, wie Tunnel, Minen, Gebäude oder andere geschlossene Regionen. Die Bezeichnung "Satellit" soll, wie sie hier gebraucht wird, Pseudo-Satelliten oder Äquivalente von Pseudo-Satelliten beinhalten und die Bezeichnung GPS-Signale soll, wie sie hier gebraucht wird, GPS-ähnliche Signale von Pseudo-Satelliten oder von Äquivalenten von Pseudo-Satelliten beinhalten.
In der obigen Diskussion wurde die Erfindung bezüglich der Anwendung basierend auf dem globale Positionierungssystem der Vereinigten Staaten von Amerika (GPS = global positioning system) beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass dieses Verfahren in gleicher Weise auf ähnliche Satellitenpositionierungssysteme anwendbar ist und im besonderen auf das russische Glonass-System. Das Glonass-System unterscheidet sich von dem GPS-System in erster Linie dadurch, dass die Sendungen von den verschiedenen Satelliten voneinander unterschieden werden, indem leicht unterschiedliche Trägerfrequenzen verwendet werden, anstatt verschiedene Pseudo-Zufallscodes zu verwenden. Die Bezeichnung "GPS" die hier verwendet wird, schließt alternative Satellitenpositionierungssysteme einschließlich dem russischen Glonass-System ein.
In der obigen Spezifikation wurde die Erfindung bezüglich ihrer speziellen beispielhaften Ausführungsbeispiele beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass zahlreiche Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung, wie sie in den anhängenden Ansprüchen definiert wird, zu verlassen. Die Spezifikation und Zeichnungen sollen dementsprechend als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung betrachtet werden.

Claims

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines mobilen Satellitpositionssystemempfängers (16, 17, 22, 75 bis 80) mit einem zellbasierten Kommunikationsempfänger, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Bestimmen von Zellobjektinformationen, wobei die Zellobjektinformation mindestens einen Zellobjektstandort oder eine Zellobjektidentifikation aufweist; Bestimmen einer Höhe bzw. einer Höhenlage aus der Zellobjektinformation, wobei die Zellobjektinformation ausgewählt wird, basierend auf einem Zellstandortsender, der sich in Drahtloskommunikation mit dem zellbasierten Kommunikationsempfänger befindet; Berechnen einer Position des mobilen Satellitpositionssystemempfängers (16, 17, 22, 75 bis 80) unter Verwendung der Höhe.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Zellobjektinformation Information ist, die mindestens einen Standort oder eine Identifikation des Zellstandortsenders (13, 13a, 15, 15a, 19, 19a, 21, 21a) repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Höhe eine ungefähre Höhe des Zellstandortsenders (13, 13a, 15, 15a, 19, 19a, 21, 21a) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Höhe eine mathematische Darstellung von Höhen in der geographischen Umgebung des Zellstandortsenders (13, 13a, 15, 15a, 19, 19a, 21, 21a) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Zellobjektinformation und die Höhe in einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind.
Verfahren gemäß Anspruch 5, das weiterhin Folgendes aufweist: Senden von mindestens einer Pseudo-Range bzw. einem Pseudoabstand von dem mobilen Satellitpositionssystemempfänger (16, 17, 22, 75 bis 80) zu einer entfernten Verarbeitungsstation (26, 50).
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Senden durch einen Empfänger an den Zellstandortsender (13, 13a, 15, 15a, 19, 19a, 21, 21a) geschieht, und wobei die entfernte Verarbeitungsstation (26, 50) an eine zellulare Vermittlungsstelle (cellular switching center) (24, 24b) gekoppelt ist, die an den Zellstandortsender (13, 13a, 15, 15a, 19, 19a, 21, 21a) gekoppelt ist, und wobei das entfernte Verarbeitungssystem (26, 50) die Höhe bestimmt und die Position unter Verwendung der Höhe berechnet.
Verfahren gemäß Anspruch 2, das weiterhin Folgendes aufweist: Senden der Höhe an den mobilen Satellitpositionssystemempfänger (16, 17, 22, 75 bis 80), und wobei der Mobilsatellitenpositionsempfänger (16, 17, 22, 75 bis 80) die Position unter Verwendung der Höhe berechnet.
Verfahren gemäß Anspruch 2, das weiterhin Folgendes aufweist: Senden der Zellobjektinformation an den mobilen Satellitpositionssystemempfänger (16, 17, 22, 75 bis 80), und wobei der mobile SPS-Empfänger (SPS = satellite positioning system bzw. Satellitpositionssystem) (16, 17, 22, 75 bis 80) die Höhe bestimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, das weiterhin Folgendes aufweist: Empfangen, an dem entfernten Verarbeitungssystem (26, 50) von Satellit-Ephimerisdaten.
Ein computerlesbares Medium, das ausführbare Computerprogramminstruktionen enthält, die, wenn durch ein Datenverarbeitungssystem (26, 50) ausgeführt, bewirken, dass das Datenverarbeitungssystem (26, 50) das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt.
Eine Datenverarbeitungsstation (26, 50), die Folgendes aufweist: einen Prozessor (51); ein Speichergerät (55) gekoppelt an den Prozessor (51); und einen Transceiver (52, 53, 54) gekoppelt an den Prozessor (51), wobei der Transceiver (52, 53, 54) zum Koppeln der Datenverarbeitungsstation an einen Drahtloszellstandort dient; gekennzeichnet dadurch, dass: die Speichervorrichtung (55) Zellobjektinformation speichert, die mindestens einen Zellobjektstandort oder eine Zellobjektidentifikation für den Drahtloszellstandort aufweist, wobei der Prozessor eine Höhe bestimmt aus der Zellobjektinformation, die ausgewählt wird, und zwar darauf basierend, dass der Drahtloszellstandort in Drahtloskommunikation mit einem zellbasierenden Kommunikationsempfänger eines mobilen Satellitpositionssystemempfänger ist und wobei der Prozessor eine Position des mobilen Satellitpositionssystemempfängers berechnet unter Verwendung der Höhe.
Datenverarbeitungsstation (26, 50) gemäß Anspruch 12, wobei der Prozessor (51) eine Quelle (32, 62, 90) von Satellitpositionssystemsignalen empfängt und der Transceiver (52, 53, 54) mindestens einen Pseudoabstand von dem Drahtloszellstandort (13, 15, 19, 21) empfängt, und wobei der Prozessor (51) die Satellitpositionssystemsignale und den mindestens einen Pseudoabstand verwendet, um die Position zu bestimmen.
Datenverarbeitungsstation (26, 50) gemäß Anspruch 13, wobei die Speichervorrichtung (55) eine Datenbank speichert, die eine Zellobjektinformation und entsprechende Höhen für eine jede einer Vielzahl von Drahtloszellstandorten (13, 15, 19, 21) enthält, die an den Transceiver (52, 53, 54) gekoppelt sind.