CN1315276C - 卫星定位系统激活的移动接收机和基站的时间同步 - Google Patents

Abstract

本发明公开了与卫星定位系统时钟同步的卫星定位系统激活的移动接收机(310)和蜂窝通信网络基站(330)及其同步方法。在网络辅助实施例中，确定用于将辅助信息(232)从基站发往移动接收机的变化的传播延迟，以修正手持装置的时钟(318)。在另一实施例中，基于连续时间快照(snapshot)，通过本地和卫星时间差的比率来确定移动接收机(310)和/或基站(330)的本地时钟漂移，以用于修正本地时钟。

Description

卫星定位系统激活的移动接收机和基站的时间同步

发明领域

本发明总的来说涉及对移动接收机进行定位，尤其是涉及对网络基站和卫星系统激活的移动接收机(例如在蜂窝通信网络中的GPS激活的蜂窝手持装置)进行时间同步。

发明背景

卫星定位系统激活的移动接收机是众所周知的，其包括例如导航和双向无线通信器件。

已知的卫星定位系统包括美利坚合众国所采用的导航卫星定时和测距系统(NAVSTAR)的全球定位系统(GPS)，俄罗斯所采用的全球导航卫星系统(GLONASS)，和所提议的欧洲卫星导航系统(Gaileo)。

管理和市场的驱动力量推动通信设备制造商和服务提供商能够更加迅速和精确地定位这些以及其它移动接收机，以支持(例如)增强的紧急911(E911)业务，用以为导航等提供增加的和付费的增值业务。

近一段时期来，基于定位机制的网络辅助卫星将可能支持用于移动接收机，特别是蜂窝通信网络中的蜂窝手持装置的定位业务的一些需求。移动接收机的定位也可能变为自动的，换句话说，无需网络的帮助。

附图说明

对于本领域普通技术人员来说，在认真地考虑下面介绍的本发明的详细的说明书和附图后，本发明的各个方面、特征和优点将变得很清楚。这些图说明如下。

图1示出支持卫星定位系统激活的移动接收机的辅助卫星定位系统的蜂窝通信网络；

图2为示例性的蜂窝通信网络同步信号定时方框图；

图3为示例性的蜂窝通信网络辅助卫星定位系统；

图4为示例性的定时信号采样方框图。

具体实施方式

移动接收机的内部或本地时钟通常不象卫星定位系统中的时钟那么精确。用于网络辅助卫星定位系统中的蜂窝通信网络基站的本地时钟相对而言也不精确。

改善移动接收机和网络基站中的定时和同步将为自动和基于定位方案的网络辅助卫星定位系统提供改进的定位性能。

图1为网络辅助卫星定位系统100，其通常包括位于具有对在星群中的120颗卫星的无障碍视角的已测位置的参考接收机，和与其连接的服务器或参考节点130。在一些网络中，参考接收机是服务器的一部分，或反之，服务器是参考接收机的一部分，并且他们的组合构成了参考节点。在另一些网络中，服务器在其它位置。参考节点通常与几个网络基站通过其它网络节点直接或间接地连接，图1中仅标识出其中之一的基站140。

参考接收机接收卫星信号，并且参考节点根据所接收的卫星信号产生GPS辅助消息，设置为适当的格式以用于通过网络发射到一个或者多个移动接收机。辅助消息通常被在蜂窝载波信号101上进行调制，该载波被以点对点方式发射到特定的蜂窝手持装置104，或者被点对多点或广播方式发射到多个移动接收机。

辅助消息包括(例如)参考位置、参考时间、GPS时间、GPS时周(time of week)(TOM)、辅助TOW、多普勒、码相位以及它的搜索窗口、星历表和时钟校准，电离层延迟分量，国际标准时间坐标(UTC)偏移，天文历，实时完整数据，这些信息位于其它信息中。通常GPS时间被标记在(stamped)服务器或者参考节点处的辅助消息上。在差分全球定位系统(DGPS)中，辅助消息可包括差分纠正信息。

在辅助卫星定位方案中，具有GPS时间的辅助消息从参考节点经网络发往移动接收机时，在将GPS时间用于辅助消息的时间与移动接收机收到辅助信息的时间之间有一个延迟，在此称为传播延迟。

传播延迟通常具有一个或多个固定和变化分量，即T_FIXED DELAY和T_{VARIABLE DELAY}，他们叠加构成总传播延迟T_PROPTOTAL。例如，图1中，参考节点和基站之间的距离是固定的因此他们之间的传播延迟通常在事先就是已知的或至少可以根据它们之间的固定距离合理地做出预测。然而，基站140和移动接收机104之间的传播延迟通常是变化的，因为当移动接收机在移动时移动接收机相对于基站的位置总是在改变。

许多蜂窝通信网络周期地确定基站和移动台之间的往返延迟，以用于越区切换或时隙同步等。在全球移动通信系统(GSM)网络和其他网络中，往返延迟(RTD)通称为定时超前(TA)。在基于3G WCDMA的网络中，RTD通称为往返时间(RTT)。其它通信网络也确定往返延迟，它通常提供移动接收机和基站之间的估计距离。

在产生具有相应比特持续时间的比特形式的RTD测量值的网络中，基站和移动接收机之间的估计传播延迟正比于RTD和BD的乘积，如下式：

T_{VARIABLEDELAY}＝[1/2]*[RTD]*[BD]    (1)

用于特别网络的BD和比特持续时间分辨率(bit duration resolution)(BDR)通常在相应蜂窝通信标准中规定。例如在GSM网络中，基站和移动接收机之间的估计的传播延迟为：

T_{VARIABLEDELAY}＝[1/2]*[TA]*[3.692毫秒]    (2)

式中TA是定时超前而3.692是GSM网络中的比特持续时间(BD)

在GSM网络中，大约每480毫秒在基站确定定时超前(TA)。因此以每小时100公里的速度行进的手持装置在连续TA确定的时间间隔期间可能移动了13米远。

图2中，通过使用如下式所确定的估算往返延迟，可以更加精确地确定基站和移动接收机之间的传播延迟

eRTD＝RTD+(T’_SCH/T_SCH-1)*(T_OFFSET)    (3)

式中T_SCH为连续同步脉冲之间的时间间隔，或导频信号即发自基站的SCH_i 230和SCH_i+1 234。T’_SCH是移动接收机接收的连续的同步信号SCH_i和SCH_i+1之间的时间间隔。T’_SCH通常与T_SCH不同，依移动接收机是朝着还是远离基站移动而定。T_OFFSET为发射同步信号例如SCH_i和发射辅助消息232的之间的时间间隔。在GSM和其他网络中，T_SCH和T_OFFSET或类似的量也是已知的

移动接收机和基站之间的变量传播估计延迟可以通过如下将方程式(3)中的估计往返延迟(eRTD)代替方程式(1)中的RTD来确定：

T_{VARIABLEDELAY}＝[1/2]*[RTD+(T’_SCH/T_SCH-1)*(T_OFFSET)*[BD]   (4)

在GSM网络中，方程式(4)可以表示如下：

T_{VARIABLEDELAY}＝[1/2]*[TA+(T’_SCH/T_SCH-1)*(T_OFFSET)*[3.692]  (5)

根据方程式(4)和(5)确定的传播延迟补偿了在周期性RTD确定的间隔期间移动接收机相对于基站的移动。

另外一种确定移动站和基站间传播延迟的方法可以如下式：

T_{VARIABLEDELAY}＝[1/2]*[RTD]*[BD]+[T_CORRECTION]    (6)

修正时间分量，T_CORRECTION，与比特持续分辨率(BDR)和在移动接收机处两个或更多T’_SCH测量值的平均值的乘积成比例，如下式：

$T_{\mathrm{CORRECTION}}=\left[\right[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{SCH}}^{\text{'}}]/n]*\left[\mathrm{BDR}\right].........\left(7\right)$

例如，在GSM网络中，BD在移动接收机处具有四分之一比特分辨率，即BDR＝0.923毫秒，其中BD＝3.692毫秒，如方程式(6)所示如下：

依照用于特别网络的在蜂窝通信标准中规定的比特持续时间分辨率BDR，T_CORRECTION分量提供了更高的分辨率。方程式(6)和(8)更适于确定移动接收机是静止时的变化的传播延迟，而方程式(4)和(5)更适于确定移动接收机相对于基站移动时的变化的传播延迟。

如上所述，总传播延迟可以通过将固定传播延迟与用上面所讨论到的通用方程式(4)和(6)之一所确定的变量传播延迟相加而确定。总传播延迟用于手持装置中以补偿辅助消息传播到移动接收机所需时间，例如总传播延迟时间可以加在被标记在辅助消息上的GPS时间中。

如果手持装置具有与星座中的卫星无阻碍的对空视角，通常希望能够周期地将手持装置的本地时钟与卫星定位系统时间直接同步。

图3以蜂窝手持装置的示例形式移动接收机310，所述蜂窝手持基包括用于与蜂窝网络基站330通信的通信网络接口314手持装置(例如，收/发机(T_X/R_X))。可选地，移动接收机310可以是具有或者没有通信网络接口的手持或者安装了GPS导航或跟踪的设备。

移的接收机310进一步包括卫星信号接收接口312(例如GPS测量感应器)，用于接收来自头顶上的星座320中的卫星所发射的卫星信号322。移动接收机还包括处理器316，其具有与卫星信号接收接口连接的相关的存储器，还包括本地时钟318。示例的蜂窝手持装置可以配制以用于自动或网络辅助定位。感应器312可以是全功能GPS接收机。可选地，该全功能GPS接收机可以是与蜂窝电话独立相连的设备(例如一个附件)。

图4示出移动接收机处对卫星时间和本地时钟时间的采样。具体地说，移动接收机采样第一和第二卫星时间T_GPS1 410和T_GPS2 420以及第一和第二本地时钟时间T_MS1 412和T_MS2 422。

优选地，第一卫星信号与第一时钟信号具有和第二卫星信号与第二时钟信号相同的关系。在一个实施例中，第一卫星信号的采样与第一本地时钟信号同时发生，而第二卫星信号的采样与第二本地时钟信号同时发生。如果第一卫星的采样与本地时钟信号之间有延迟，在第二卫星采样和本地时钟信号之间也存在相同的延迟。

可以如下确定移动接收机，或移动站处的本地时钟漂移：

T_DRIFTMOBILE＝[T_MS1-T_MS2]/[T_GPS1-T_GPS2]   (9)

本地时钟漂移在手持装置中由处理器316，例如可在软件程序控制下计算。因此，根据本地时钟的快慢，例如通过将本地时钟时间加上或者减去计算出的本地时钟漂移来修正本地时钟。

在提供定位辅助的蜂窝通信网络中，基站330可以与GPS接收机相连，例如作为定位测量单元(LMU)340一部分的GPS接收机342用于为定位业务提供测量。LMU可以是基站的一部分或可选地与基站直接或通过空中接口相连。

在辅助消息从蜂窝通信网络发往移动接收机的应用中，基站中的本地时钟332可能已被修正。基站中具有存储器的处理器334可以采样GPS时间，例如该信号发自LMU中的GPS接收机342，和本地时钟332，以用于如下计算本地漂移：

T_DRIFTBS＝[T_BS1-T_BS2]/[T_GPS1-T_GPS2]    (10)

可选地，LMU340中的处理器可以执行采样和漂移计算。本领域技术人员也应认识到，在具有与移动接收机310相似结构的基站中也可以采用相同技术。

更可取地，周期地修正移动接收机和基站中的本地时钟。本地漂移也可以如上面讨论那样周期地进行更新，尽管漂移率在相对短的时间间隔中基本上不变而无需象纠正本地时钟那样进行频繁的进行修正。考虑本地时钟晶振具有大约每秒50纳秒的漂移率，通过大约每5.5小时对本地时钟修正一次，就能维持1毫秒的时钟精度。

尽管已经在上文中描述了本发明，使得本领域普通技术人员可以进行和使用在目前被认为是最佳的方式，本领域普通技术人员将能了解和理解：可以不背离本发明的范围和主旨而进行等同替换、修改和变化，本发明应由所附权利要求而非示例性实施例所限定。

Claims (12)

1.一种用于使具有本地时钟的卫星定位系统激活的移动接收机与卫星定位系统同步的方法，其包括：

在所述移动接收机处采样第一和第二卫星信号；

在所述移动接收机处采样第一和第二本地时钟信号，第一卫星信号与第一时钟信号具有和第二卫星信号与第二时钟信号相同的关系；

确定本地时钟漂移，所述本地时钟漂移正比于第一和第二卫星采样信号之差除以第一和第二本地时钟信号之差的比率；

基于所述本地时钟漂移修正所述本地时钟。

2.根据权利要求1的方法，基本同时地采样第一卫星信号和第一本地时钟信号，基本同时地采样第二卫星信号和第二本地时钟信号。

3.根据权利要求1的方法，所述移动接收机是用于蜂窝通信网络中的蜂窝手持装置，周期地修正所述本地时钟，以慢于所述本地时钟修正的频率更新所述本地时钟漂移。

4.根据权利要求3的方法，基本同时地采样第一卫星信号和第一本地时钟信号，基本同时地采样第二卫星信号和第二本地时钟信号。

5.一种用于使蜂窝通信网络基站本地时钟与卫星定位系统时钟同步的方法，其包括：

在所述基站处采样具有卫星时间的第一和第二卫星信号；

采样第一和第二基站本地时钟信号，第一本地时钟信号与第一卫星信号具有和第二本地时钟信号与第二卫星信号相同的关系；

确定本地时钟漂移，其正比于第一和第二卫星信号的卫星时间之差除以第一和第二本地时钟信号之差的比率；

根据所述时钟漂移修正所述本地时钟。

6.根据权利要求5的方法，重新修正所述本地时钟。

7.根据权利要求5的方法，基本同时地采样第一卫星信号和第一本地时钟信号，基本同时地采样第二卫星信号和第二本地时钟信号。

8.一种卫星定位系统激活的移动接收机，其包括：

卫星定位系统接口，用于接收来自卫星定位系统的具有卫星时间的卫星信号；

本地时钟；

用于确定正比于[T_MS1-T_MS2]/[T_GPS1-T_GPS2]的本地时钟漂移T_DRIFTMOBILE的装置，

式中，T_MS1和T_MS2是采样的第一和第二本地时钟时间，T_GPS1和T_GPS2是采样的第一和第二卫星时间，

第一卫星时间与第一本地时钟时间具有和第二卫星时间与第二本地时钟时间相同的关系。

9.根据权利要求8的移动接收机，装置用于基于所述本地时钟漂移修正所述本地时钟。

10.根据权利要求8的接收机是卫星定位系统激活的蜂窝手持装置，其包括用于在蜂窝通信网络中通信的无线通信接口。

11.一种蜂窝通信网络基站，其包括：

用于接收来自卫星定位系统的具有卫星时间的卫星信号的卫星定位系统接口；

本地时钟；

用于确定正比于[T_BS1-T_BS2]/[T_GPS1-T_GPS2]的本地时钟漂移T_DRIFTS的装置，

式中，T_BS1和T_BS2是采样的第一和第二本地时钟时间，T_GPS1和T_GPS2是采样的第一和第二卫星时间，

第一卫星时间与第一本地时钟时间具有和第二卫星时间与第二本地时钟时间相同的关系。

12.根据权利要求11的基站，装置用于基于所述本地时钟漂移修正所述本地时钟。

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