CN1642797A - 卫星定位系统接收机中的时间确定及其方法 - Google Patents

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Abstract

在全球定位系统(GPS)中的方法，包括为至少四个卫星确定伪距(PR)测量(210)；确定与伪距测量相应的粗略时间(220)；确定四个卫星之一的周期性GPS事件和粗略时间之间的偏移时间(240)；如果粗略时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和粗略时间确定时间校正Δ(250)；如果粗略时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据粗略时间和时间校正Δ确定校正的时间(260)。

Description

卫星定位系统接收机中的时间确定及其方法
技术领域
本发明总的来说涉及卫星定位系统接收机，尤其涉及卫星定位系统接收机，例如能使用全球定位系统(GPS)的蜂窝无线通信手机中的时间确定及其方法。
背景技术
全球定位系统(GPS)是由美国国防部发展的基于卫星的系统，用于向在地球上任何地方的GPS接收机提供精确的定位信息，包括它的海拔高度。GPS系统包括24个或更多的位于12-小时轨道的地球轨道卫星组成的星座。这些卫星分布在六个轨道面上，每个轨道面包含四个卫星，这六个轨道面呈六十度分隔分布并与与赤道面呈近似五十五度倾斜。星座的配置确保在天空有清晰视界的情况下，在地球的任何位置任何时间都可观测到四到十二个卫星。正确配备了GPS的接收机通常产生三维位置坐标。
GPS卫星信号包括用1023位长的戈尔德扩展码(Gold spreadingcode)以1.023MHz的芯片速率(对应于0.001秒的重复间隔)双相调制的载波信号。该载波信号还包括以50位每秒(BPS)(以每数据位二十微秒的速率发射)调制的导航数据报文。该导航数据报文包括用于由GPS接收机使用的GPS卫星数据(包括卫星位置(星历表)数据和卫星时钟校正数据)、用于确定GPS时间(即GPS卫星的时钟时间)的信息和用于确定地理位置的信息。
精确的GPS定位需要精确的时间。为了得出精确的位置判断，需要与几个相应的伪距测量相关的卫星位置的精确判断，而且需要了解在GPS接收机与每个卫星之间的信号传输时间以确定伪距测量。例如，为了预测大约一米的卫星位置，要求时间必须精确到1微秒，因为卫星运动的最高距离速率大约为1km/sec。没有精确的时间信息，GPS接收机代码相位测量就会模糊，因为它们仅代表在1微秒内的伪距测量的极小部分，而1微秒是GPS商用伪随机码的周期。
包括在GPS报文中的时钟时间是在卫星上精确同步的绝对时间信号。具体是，在GPS星座中的所有卫星都与地面参考站同步，这些地面参考站精确地控制卫星的绝对时间误差只有几纳秒。
绝对GPS时间信号可以由GPS接收机使用以精确地确定时间和位置。一旦大概知道了位置，GPS接收机的绝对时间就能够通过用可计算的在接收机和卫星之间的传播延迟补偿由GPS接收机在卫星广播报文中观测的精确时间来确定。因此，期望GPS接收机能够得到精确的时间测量。
GPS接收机不能总是可靠地从GPS卫星广播导航数据报文确定本地时间。由于它们的便携特性，这种GPS接收机，例如整合在蜂窝电话和手持装置中的GPS接收机常在穿行于城市峡谷的车辆中、楼宇内和其他妨碍或明显削弱卫星信号的环境中使用。在这些环境中，导航数据报文的50BPS绝对时间信号的接收是不可靠的。
包括在50BPS导航数据报文中的周时间(TOW)数据字段，结合绝对时间信号，使GPS接收机精确地和可靠地确定本地时间。TOW数据由所有的卫星以六秒的间隔发射。TOW数据的检测取决于信号的强度。在特定的信号强度水平以下，有可能得到距离测量，但是不可能对TOW数据进行解码。例如，在信号水平低于约30dB-Hz时，几乎不可能对50BPS报文的各信息位进行解码。然而，在信号明显低于30dB-Hz时，是可能得到信号相关性的，或许在低于20dB-Hz时也可能。不仅期望在GPS接收机中得到精确的时间，还期望在微弱的信号环境中精确地确定时间，例如在信号水平低于30dB-Hz时。
专利号为5,945,944名称为“Method And Apparatus For DeterminingTime For GPS Receivers”的美国专利公开了通过解调从蜂窝通信基础设施中接收的信号在无线通信手机中建立GPS时间。
专利号为5,812,087名称为“Method And Apparatus For SatellitePositioning System Based Time Measurement”的美国专利公开了通过对比在时间上重叠的部分卫星导航数据报文确定GPS时间，但是该方案仅用于时间有至多几秒误差的情况。
专利号为6,346,911名称为“Method And Apparatus For DeterminingTime in a GPS Receiver”的美国专利公开了通过数据相关性方法测量预测顺序位的到达时间的方法，与预测顺序位相关的时间是已知的。
通过仔细思考以下关于发明的详细描述并结合所附的附图，本领域的普通技术人员将更充分地明了本发明的各个方面、特点和优点。
附图说明
图1是示范的移动GPS接收机手机。
图2是根据本发明的示范实施例用于确定时间的处理流程图。
图3说明与周期性GPS事件相关的伪距测量的偏移时间。
图4说明报头的到达时间的检测及其与时间的关系。
图5说明增加两个附加位的报头的到达时间的检测及其与时间的关系。
图6说明TLM报文的到达时间的检测及其与时间的关系。
图7说明奇偶同步位的到达时间的检测及其与时间的关系。
图8说明任何已知序列的位的到达时间的检测及其与时间的关系。
图9是根据本发明的另一示范实施例用于确定时间的流程图。
图10是根据本发明的又一示范实施例用于确定时间的流程图。
图11说明导航解残余量(navigation solution residual magnitude)与时间的关系曲线。
具体实施方式
图1说明移动卫星定位系统接收机，例如与无线蜂窝通信手机100结合的GPS接收机。图1还说明了示范的手机GPS接收机部分120用于从地球轨道卫星的星座中的卫星132、134、136和138接收卫星信号的示意框图。
在图1中，GPS接收机通常包括与GPS天线耦合的下变换器122、模拟至数字转换器(A/D)124、具有伪随机(PN)码相位和多普勒搜索空间结构的GPS信号处理器126、控制器128和输入/输出(I/O)块130，该输入/输出块代表用户接口、无线通信电路接口和其他输入及输入/输出部分。在其他实施例中，GPS接收机可以是独立的装置，或者它可以与一些其他设备结合。
在本发明中，时间通常是通过将卫星定位系统接收机与由GPS卫星(SV)发射的信号的周期性GPS事件同步，然后通过根据粗略时间或从过确定导航时间解得出的改进的粗略时间进行计算时间来确定，如下面更全面描述的，其取决于粗略时间的精确度。该方法的优点是，GPS导航数据报文信号的每一位或组合位都与在某周期间隔模糊的时间相关。
粗略时间(或改进的粗略时间)中的误差通过GPS卫星的运动影响伪距(PR)，即，所知道的GPS时间误差量Δt按下面Eq.(1)给出的方式影响PR残余(PR减去估计的到卫星的距离)。
PRres＝VrΔt+arΔt2/2+…                  Eq.(1)
其中Vr是卫星距离速率(range rate)，ar是卫星距离加速度(rangeacceleration)。
对于任意量的Δt，Eq.(1)具有无限数量的项。因此，期望限制项的数量以利于对Δt求解。具体是，如果假定比一阶项Δt高出的所有高阶项是小的，那么Eq.(1)表示在PR残余与未知误差分量Δt之间的线性关系。GPS卫星距离加速度最高为约0.2米/秒2，而且高阶导数同样是小的。这为时间解建立了所谓的“线性范围”，即Eq.(1)所表示的关系能够假定为线性(即所有高出Δt的高阶项都能够忽略)的Δt量的范围。
线性范围通常是可用卫星数量、卫星几何形状和与每个信号相关的信噪比的函数。粗略时间的线性范围应该谨慎地选择以防止导航解的误差汇聚。特别是，当粗略时间误差变大时，在Eq.(1)中被忽视的项会产生超出预期的伪距测量误差的误差。当粗略时间误差大于几秒时，该误差会变得很明显。例如，10秒的粗略时间误差将产生象10米一样大的距离测量误差。在一种应用中，粗略时间误差的范围不大于约3到4秒，尽管在某些应用中，取决于上面所述的变量，它可以大到10秒或更大。
线性估计量的汇聚范围能够通过迭代扩大。对于上面所述的时间解，这意味着线性解在一个循环内执行，在该循环中，在时间误差Δt的每一个新的线性估计形成后，以补偿非线性影响的伪距残余向量(Eq.1中的PRres)重复所述解。这种补偿至少在对PRres的一系列扩大中的下一个项(即arΔt2/2)得到应用，其中Δt的值是从线性估计量的前一次迭代得到的。因此，以线性估计量的第k次迭代执行的补偿具有由以下方程式Eq.(1.1)给出的形式。
PRres c k＝PRres-arΔtk-1 2/2                   Eq.(1.1)
其中，下标k和k-1代表迭代次数。
在图2中，在方框210，通过本领域中普通技术人员熟知的方法在接收机进行对至少四个卫星的伪距(PR)测量。在图2中，假定粗略时间在导航解的线性范围之内。
在图2中方框220，确定与PR测量的时间相应的粗略时间。该粗略时间可以从几个源之一(例如本地时钟)估计出，或者在一些无线通信手机实施例中从无线通信网络估计出。
在图2中方框230，确定粗略时间的误差是否小于周期性GPS事件的周期的1/2。这种确定可以通过估计粗略时间的精确度的不确定性来进行。例如，如果粗略时间是通过先前由包括在50BPS导航数据报文中的周时间(TOW)数据字段校准的本地实时时钟(RTC)产生的，那么预测的实时时钟振荡器的稳定性就能以在当前时间和TOW数据字段被用来校准RTC的时间之间的历时来增加。作为替换，如果粗略时间是通过从蜂窝网络内的时钟经无线协议报文向手机发送粗略时间来产生的，那么蜂窝网络中的时钟精确度加上通过网络向手机发射报文的时间的估计延迟就能够用来估计粗略时间的误差。
在图2中方框240，确定在至少四个卫星之一的周期性GPS事件和粗略时间之间的偏移时间。图3说明偏移时间(ΔT)、周期性GPS事件和PR测量之间的关系。
存在许多能够用于确定偏移时间的周期性GPS事件，包括(例如)GPS导航数据报文的结构。具体地，每个卫星发射与随卫星携带的原子钟同步的50位每秒(BPS)导航数据报文，这些原子钟被周期性地校准。导航数据报文是1500位长的帧，包括五个300位长的子帧。它利用30秒发射全部5个子帧，每个子帧六秒。
每个子帧包含十个30位长的字。首先发射每个字的MSB。每个子帧和/或子帧页含有遥测字(TLM)和切换字(HOW)，它们均由SV产生，并以TLM/HOW对开始。首先发射TLM字，紧接着是HOW。HOW之后是八个数据字。每帧中的每个30位的字含有6个奇偶位和24个信息位。每0.6秒发射一个字。10个字的组合称为子帧。每6秒发射一个子帧。每30秒发射一个由子帧1-5组成的超级帧。
子帧4和5每个都进行25次副转换(subcommutated)，所以完整的数据报文需要25个完整帧的发射。子帧4和5的25个版本在这里被称为每个子帧的页面1至页面25。关于数据结构的更详细情况包含在由ARINC Research Corporation在1993年10月10日出版的、名为“Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces”的GPS系统规范文件ICD-GPS-200中。
两个参数跟踪GPS系统时间，这两个参数称为周时间(TOW)和周数(WN)。TOW参数是基于从周的开始时秒的数值，每周TOW字段在零到604,800秒之间变化。在周结束(定义为GMT时间星期六午夜)时，TOW参数复位为零，周数增加一。GPS周数在1980年1月5日从零开始。因此，通过解释GPS周数和TOW参数，GPS接收机能够计算出本地时间和日期。
对于每个卫星，GPS导航报文序列在GPS时间星期六午夜与第一个子帧的第一个字的第一位以及戈尔德扩展码的第一位同步一致。在正好GPS时间星期六午夜，对于每一个卫星，第一个子帧的第一个字的第一位和戈尔德扩展码的第一位开始离开卫星进行它到地面的短暂的行程。从卫星到地面的传播延迟通常为大约60至100微秒，取决于接收机的位置。因此，从那一时刻发射的每一个行进的位都能用以作为时间时钟，其中“滴答(tick)”是0.020秒的增量或一位的时间。更精确地，如果能够在接收机内创建与数据位边沿的到达时间同步的时间滴答，并补偿卫星到接收机的传播延迟和卫星时钟误差，在接收机测量的事件的绝对时间就能够表示为N*0.020秒，其中N是自周开始以来的数据位的整数。
数据位边沿的到达时间能够通过诸如在这里作为参考结合的、共同未决的、申请号为09/931120、名称为“Data Message BitSynchronization And Local Time Correction Methods And Architectures”的美国专利申请中所述的位同步(bit-sync)检测器的方法容易地测量，或者通过其他同步方法，诸如由Parkinson在1996年由AmericanInstitute of Aeronautics and Astronautics出版的“Global PositioningSystem：Theory and Applications Volume 1”中第395页所述的直方图位同步方法。作为替换，由Spilker在1977年由Prentice Hall出版的“Digital Communications by Satellite”第431至449页描述了几种方法，包括通用的早/晚门位同步(early-late gate bit synchronizer)。
由于数据位的周期性特性，当接收机随数据位边沿获得位同步时，可以说接收机“知道了”具有0.020秒模糊的精确时间。然而接收机不知道从周开始的整数位的数值。因此需要解决对周期性GPS事件的整数模糊N的方法，以使接收机能够根据称为位同步(bit-sync)偏移时间的测量的周期性事件的到达时间确定时间以达到10纳秒的精确度。
导航数据报文结构具有许多其他相关的可检测的周期性事件，也可以用于确定时间。例如，由于50BPS数据报文集合成多个30位字，每个数据字都能被用作时间标记，对于该标记，与30位字的开始相关的绝对时间以0.6秒作为增量。同样，每个子帧的开始(例如，每个子帧的字1的第一位)能够被用作滴答标记，对于该滴答标记，与位相关的绝对时间以6秒为单位。这些和其他的都能够被用作在GPS接收机中检测精确时间的基础。
表1显示能够被解决模糊的方法所使用的7个事件的概况。这不是一个穷举的表，因为“已知位”的任何序列都能被用来检测到达时间(TOA)，这一点是公知的，如GPS事件的周期的一些整数N以重复时间递增。
表1.可以使用的七个可能的周期性事件
  事件     重复时间   时间方程式
  报头     6.0秒   N*6.0+0.160-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)
  报头+两个在前位“00”     6.0秒   N*6.0-0.160-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)
  TLM字同步     6.0秒   N*6.0+0.480-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)
  TOW字同步     6.0秒   N*6.0+0.940-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)
  字奇偶同步     0.60秒   N*0.60-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)
  位同步     0.020秒   N*0.020-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)
  代码同步     0.001秒   N*0.001-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)
图4说明通过观测8位报头“10001011”的到达时间检测报头的到达时间。这个序列由每个卫星每6.0秒发射一次以指示子帧边界的开始。检测器简单地将接收的数据报文的8位长序列进行逐位对比，当每一位都与模型“10001011”一致时，输出脉冲指示时间具有6秒模糊，脉冲的时间为自周开始以后N*6秒。作为替换，该序列能够用数据相关方法检测，该方法在专利号为6,346,911、名称为“Method AndApparatus For Determining Time In A GPS Receiver”的美国专利中描述，其中信号可能太弱以至不能可靠地检测每一个单独的数据位。因为任意的8位数据位都能随机地匹配“10001011”报头数据模型，所以一些形式的确认是必需的，以确保接收到了报头。一种形式的确认可能为每隔6秒精确地观测两个连续的报头模型。作为替换，模型确认还能够通过观测报头从两个或更多卫星的同时到达时间获得，当然是在用Dtprop(sv)和Tcorr(sv)项代表的传播时间和卫星时钟误差差额进行补偿之后。
在图4中，基于报头检测的对时间的量化表示由下式给出。
时间＝N*6.0+0.160-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)              Eq.(2)
其中，N是自周开始后发射的整数子帧的未知数值。常数0.160秒代表与发射8位报头相关的时间，直到全部8位都接收到才能进行8位的检测。由于报头是在子帧的字1的位置1到8的位中发射，并且子帧的开始代表整数6.0秒的倍数的时间，所以直到在子帧开始之后8*0.020＝0.160秒才检测所有报头。参数Dtprop(sv)代表检测的卫星信号的信号传播时间(卫星到用户)，该时间是可通过星历表数据、粗略时间估计和用户终端的大概位置计算的。参数Tcorr(sv)是卫星时钟误差，该误差可从在导航数据报文中提供的发射参数和粗略时间估计计算。时钟校正参数通过用于每个卫星的GPS地面站测量并上传给卫星，用于为了模型化时钟误差的目的发送给用户群。
图5说明增加两个在前的位(.00)的报头的到达时间的检测，该检测通过观测由子帧1的最后两位(总是“00”)和子帧1的第一个8位组成的10位长的序列的到达时间进行，这种组合形成了可以如前所述被检测的已知的10位序列。在图5中，基于10位报头检测的对时间的量化表示由下式给出。
时间＝N*6.0-0.160-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)              Eq.(3)
两个附加位位于序列的前端，而且实际上是在前的子帧的最后两位。因此，与10位序列的第一位的开始相关的时间是提前0.040秒，从而从子帧的开始到检测全部10位序列的偏移时间仍然是0.160秒。
在图6中，TLM报文的检测形成了时间确定的基础，所述TLM报文具有由位于每个子帧的字1的9到22位组成的14位长的序列。TLM字能够被接收机辨认(例如，从另一个源发射到接收机，或者从前面的子帧观测)。因此，TLM字的TOA能够被用作周期性事件的源。在图6中，基于14位TLM报文的对时间的量化表示由下式给出。
时间＝N*6.0+0.480-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)             Eq.(4)
在图7中，32位字奇偶性的检测是确定时间的周期性GPS事件。当奇偶性检测器指示正奇偶性时，10个字边界之一的TOA已经被检测，并且时间被辨认为0.6秒模糊量。在这种情况下，时间方程式由下式给出。
时间＝N*0.60-Dtprop(sv)+Tcorr(sv)                Eq.(5)
其中在这种情况下，N是自周开始后由卫星发射的字的数量，即重复间隔。
在图7中，每一次接收一个新位(每0.020秒)时，通过检验由接收的最新位和之前的31位组成的32位，直到观测到奇偶同步来重复该过程。奇偶校验算法在30位字上运行，但也包括来自前一个字的最后两位，因此，算法需要观测接收的前面的32位以提供奇偶校验通过或失败的指示。
图8总的来说说明了“已知位”的任意序列都能被用来确定时间，其中所述时间被认为是已知位的重复时间的(RT)的一些整数N倍加上一些偏移时间Y，Y是相对于GPS周期性事件的重复时间的开始的已知位检测事件的偏移时间。对于图4和图5中的例子，RT是6.0秒，Y是0.160秒。
在图2中方框250，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和粗略时间值，通过计算第一和第二个量的模数来确定时间校正Δ。第一个量是时间值、偏移时间、卫星时钟误差和卫星的传播时间之和，该卫星具有用于确定偏移时间的周期性事件；第二个量是周期性GPS事件的周期。量化表示如下。
Fmod(a，b)＝[(a/b)-int(a/b)]*b         Eq.(6)
其中“a”是时间值、偏移时间、卫星时钟误差和传播时间之和，“b”是周期性GPS事件的周期，“int(a/b)”是比值“a/b”的整数部分。
在图2中方框260，假如粗略时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据粗略时间和时间校正Δ确定校正后的时间。在一些实施例中，可以通过根据在相应数目的附加卫星的周期性GPS事件和粗略时间之间的偏移时间确定多个附加的校正后时间，然后比较第一次校正后的时间和其他校正后的时间来评估校正后时间的统一性。仍然是在其他实施例中，可以通过用附加组的伪距测量重复时间确定过程，然后观测校正后时间解的稳定性来评估校正后时间的统一性。
在图2中方框230，如果粗略时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，处理过程继续执行图9。具体是，在图9中方框910，如果粗略时间在线性范围以内但不小于周期性GPS事件的1/2，那么确定改进的粗略时间。例如，改进的粗略时间可以通过计算过确定导航时间解来确定，该过确定导航时间解是基于至少四个伪距测量和粗略时间的。
在图9中方框920，如上面根据图3所概括论述的，确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和改进的粗略时间之间的改进的偏移时间。之后，在方框930，按照Eq.(6)，根据周期性GPS事件的周期、改进的偏移时间和改进的粗略时间确定改进的时间校正Δ。之后，在方框940，根据改进的粗略时间和改进的时间校正Δ确定校正后时间。
如果粗略时间不在线性范围内，则按照图10的过程确定校正后时间。在方框1100，如上所述，在接收机进行对于至少四个卫星的伪距(PR)测量。在方框1110，确定最小导航解残余量时间。在方框1120，确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和最小导航解残余量时间之间的偏移时间。在方框1130，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和最小导航解残余量时间确定时间校正Δ。在方框1140，根据时间校正Δ和最小导航解残余量时间确定校正后时间。
最小导航解残余量时间是通过根据至少四个伪距测量和粗略时间迭代计算导航解残余量确定的，其中粗略时间是在预定的范围(例如粗略时间误差的估计范围)上以递增的时间值递增的。图11说明残余的量与时间的关系。
在一个实施例中，时间在其上递增的范围被减小直到该范围小于周期性事件的周期的1/2，此时最小导航解残余量时间将小于周期性事件的周期的1/2。在图11中，例如，数据点A和B代表相对大的时间递增，在它们之间，根据估计的曲线MR1，可知最小导航解残余量被知道是可确定的。之后，减小时间递增以更精确地确定在数据点A和B之间最小导航解残余量和相应的时间定位在哪，如由曲线MR2所示。
在一个实施例中，计算导航解残余量直到导航解残余量时间的误差在导航时间解的线性范围之内，例如当时间值在其上递增的范围如上所述为大约3或4秒时。在那一点，最小导航解残余量时间值可以被用在图9的过程中，以直接计算校正后时间。如果迭代继续直到最小导航解残余量时间小于周期性GPS事件的周期的1/2，那么可以按照图2的过程计算校正后时间。
如上所述，按照图10和/或图2和9计算的校正后时间的统一性可以通过以下方法评估：根据对于一个或多个附加卫星的补偿重新计算校正后时间，或用替换组的伪距测量重复时间确定步骤，然后比较结果。
以下论述代表一种时间解方法的细节级别。该时间确定方法如下进行：“粗略的”GPS时间与由GPS接收机为所有已获得的卫星得到的代码相位(或伪距)集合相关。尽管还不知道精确的时间，位同步处理已经为已获得的卫星标识了导航数据位边沿的位置。作为替换，在本文中，在表1中所示的其他周期性事件之一的时间可以如上所述检测。后面的论述是相对于位同步事件的。然而作为替换，通过用特定周期性事件的重复间隔代替位同步事件的重复间隔(即20微秒)，对位同步论述的同样的方法能够应用于表1中所述的任意的周期性GPS事件。例如，如果报头事件被用于周期性事件，那么重复时间是6.0秒等等。
如图3所示，在图中位同步处理已经标识了间隔Δt，Δt指示在伪距测量和下一个导航数据位边沿之间的时间间隔。这个粗略的GPS时间(在图3中指示PR测量时间)可能有几秒，或者甚至几分钟的误差。最佳时间确定方法的选择将取决于该粗略的、初始的时间估计的期望精确度。可能粗略时间会有几分钟的误差，那么就需要迭代解，或许接下来是对于时间补偿的直接线性解。作为替换，如果粗略时间仅有几秒钟的误差，那么迭代就会被简单的直接线性解替代，从而避免时间消耗在迭代上。
对于迭代方法，导航解残余可以被用作接近时间假定的方法以解决模糊性。
图11显示6卫星解的残余之和，从-200微秒到+200微秒以20微秒的整数步长改变方位的假定时间。其持续时间是+/-10位同步时间或+/-1个10位报头周期。可以看到，残余之和是用于测量假定解的时间误差的有效的统计量，而且仅需要测试的“试验值”是从某一假定时间以N*20微秒的步长，时间模数20微秒是通过位同步方法得知的。
如果初始时间误差被认为有几秒钟的误差，或者从较大的初始时间误差的迭代已经汇聚于几秒钟之内，就可以使用直接解方法。这种方法起作用是因为如Eq.(1)所示由卫星距离加速度和更高阶导数引起的非线性影响相对于标称的伪距误差是不明显的。线性使得能够为对于来自伪距测量集的时钟补偿和位置将时间偏移作为附加的未知数在最小二乘方(LS)或加权最小二乘方(WLS)解中直接模型化。附加的未知数(其代表已知GPS测量时间(即伪距测量时间)的误差)可通过对每个卫星估计的距离速率来观测。能够使用卫星星历表数据估计出距离速率以计算每个卫星的速度，然后沿到每个卫星的视线投影每个速度向量。因此修订的测量梯度向量成为：
hi T＝[ui T1Rdot i]                 Eq.(7)
注意Eq.(7)代表对于四种估计状态的测量可观测性，这四种估计状态包括除了三个位置误差分量(可通过ui T观测的)外的GPS时间补偿，以及用户时钟误差。
一旦“粗略的”GPS时间已经使用任一种方法进行了校正，或者可能使用几种方法的组合，期望的1微秒精确度就通过用已知的位同步对时间解积分来达到。只要在初始的时间确定中残余误差在10微秒以内(即周期性事件的时间周期的二分之一)，那么正确的导航数据位边沿时间就能被确定为亚微秒(sub-second)的精确度。具有时间确定的位同步信息的积分的详情用下面的方程式说明。
tGPS c1＝tGPS i-Δtcorr                    Eq.(8)
其中，tGPS c1是在时间确定的第一步之后的伪距测量的GPS时间，即校正后的粗略时间(tGPS i是粗略时间)，Δtcorr是通过时间确定的第一步产生的对初始的、假定的GPS时间tGPS i的校正。
tGPS b＝tGPS c1+Δtbs                      Eq.(9)
其中，tGPS b代表在伪距测量时间之后的最近的位边沿(周期性事件)的校正后GPS时间。
tGPS t1＝tGPS b-(R/c)+Δtsv                Eq.(10)
其中，tGPS t1代表导航数据位边沿的发射(从用于确定位同步的卫星)时间的估计；R是估计的到卫星的距离；c是光速；Δtsv是对卫星时钟计算的校正。
tGPS t20＝(int)((tGPS t1+0.01)/0.02)       Eq.(11)
在Eq.(11)中计算的时间代表在卫星上导航数据位边沿的发射时间的校正后GPS时间，应该是20微秒的整数倍(在Eq.11中是0.02秒)。因此残余误差能够从Eq.5得出。
Δtcorr2＝tGPS t1-0.02tGPS t20             Eq.(12)
最后的精确至亚微秒的校正后GPS时间由下式得到。
tGPS c2＝tGPS c1-Δtcorr2                  Eq.(13)
尽管上面描述的方法是相对于位同步事件的，可以对处理作轻微改动以对表1中所列的任意周期性事件起作用。实际上，如果周期性事件的时间越大(即报头同步，TOW同步，TLM字同步，或奇偶同步代替位同步事件或代码相关性事件)，处理就越能更好地起作用。
在此所描述的方法论述了在基于MS的允许GPS的手机或自主GPS接收机中设置时间的方法，其中，对接收机进行内部计算最后的位置解。在配备有GPS接收机的基于MS的手机中，在手机中计算位置必需的大概位置、星历表数据和卫星时钟校正数据是被之前的GPS卫星解调或经无线协议报文向手机发送所已知的。在这种情况下，GPS接收机进行一个或多个伪距测量，然后测量在测量时间和来自具有表1所示周期性事件之一的至少一个卫星的到达时间之间的时间。注意到达时间是具有重复间隔模糊的，直接或迭代过确定导航解被用于解决时间的模糊性。在时间中的模糊性解决后，就能计算出正确的导航解，而没有与时间误差相关的误差。
同样的方法能够在MS辅助的手机中使用，在这种手机中，位置解是在配备有GPS的手机之外在远程位置计算设备(PDE)中计算的。远程位置计算设备从本地GPS接收机或从基于网站的服务器获得对于所有可见的卫星接近实时的星历表和卫星时钟校正数据。MS辅助手机简单地测量对一系列可见卫星的伪距，将时间标签应用于基于至少一个卫星的测量，然后发送观测的伪距和时间标签到用于计算最终位置的PDE。本发明能够用于将来自MS辅助的手机的伪距测量打上时间标签，以便远程PDE能够计算伪距测量的时间并最终根据那些测量和包括卫星星历表、时钟校正数据以及或许手机的大概位置的其他数据计算位置。
为了实现这个目的，在给PDE的格式化报文中，手机必须标识哪个卫星被用于测量在周期性事件和伪距测量之间的时间差。这可以通过发送用于进行周期性事件测量的卫星的卫星ID来实现。另外，格式化报文包括在所选卫星的周期性事件时间和伪距测量的时间之间的时间差。最后，手机标识哪种类型的周期性事件被用于进行观测，以便PDE能够把周期性事件时间间隔包括进解决时间模糊性的处理的因素中。
一种替换是发送在一个卫星上观测到的周期性事件与伪距测量之间的时间差，在GPS时间单元中发送伪距测量的时间标签是可能的，该时间标签为周期性事件的时间周期的模数。如果手机具有卫星星历表和时钟校正以及内部存储的大概位置数据(如基于MS的手机所需要的)，在卫星与GPS接收机之间的传播时间和卫星时钟校正数据就能够被包括进产生时间标签的因素中，无需在手机中计算位置。这消除了标识和向PDE发射哪个卫星被用于进行周期性事件观测时间的需要。这在手机中通过应用以下方程式实现。
Tgps_local_ambiguous＝fmod(Tperiodic+dt1，Trepeat)   Eq.(14)
其中，Tperiodic是根据周期性事件的类型、星历表、大概位置和大概时间(用于计算dTprop)以及用于计算Tcorr的时钟校正数据，使用在表1中所示的方程式得到的。Dt1是在周期性事件的观测与伪距测量的时间之间的时间差。注意，dT1可以是正的(即周期性事件在进行伪距测量之前观测到)，或者负的(周期性事件在进行伪距测量之后观测到)。
例如，如果观测的周期性事件是报头到达，Tgps_local_ambiguous将是伪距测量的时间的本地时间测量(在GPS时间坐标中)。Tgps_local_ambiguous的值将在0和6秒之间变化。如果观测的周期性事件是奇偶同步事件，那么Tgps_local_ambiguous将在0和0.6秒之间变化。手机进行Tgps_local_ambiguous的这种计算并将其作为伪距测量的时间标签随同一些类型的指示符一起发送到PDE，这些指示符类型描述了被用于进行观测的周期性事件的周期。PDE记录下时间标签(Tgps_local_ambiguous)和周期性事件的周期(如6秒或0.6秒)，并用前面所述的方法得出在时间标签Tgps_local_ambiguous中的模糊性。即，由于Tgps_local_ambiguous是重复时间的模数，伪距观测的实际时间由下式给出。
Tgps_local_unambiguous＝N*Trepeat+Tgps_local_ambiguousEq.(15)
其中，模糊性N是在PDE中通过使用前面所述的直接或迭代的过确定导航解来解得的。
对于在网络中确定位置的情况，一旦PDE已经确定了手机的位置和与测量相关的精确的本地时间，网络就可以向手机发回它计算的位置，以供在手机中使用。这个新的位置估计能够被用作下一次需要位置需求时的大概位置的基础。另外，网络能够向手机发送解出的伪距测量的绝对时间，所述伪距测量被用于在PDE中计算位置。一旦精确的不模糊的伪距测量的时间被发送到手机上，手机就能使用该精确的时间作为用于在手机中校准本地实时时钟的基础。为了执行后运算(post-fix)时间校准，在伪距测量的时间，手机将同时读取本地实时时钟并在存储器中存储时间Trtc_meas。伪距测量将随以下当中的任一个一起被发送到网络PDE设备中。
(1)时间差，其是在伪距测量的时间和周期性事件和卫星ID或其他指示符的观测的时间之间的差值；，以便网络能够确定哪个卫星被用于观测周期性事件。
(2)模糊的本地时间标签，其基于在(1)中测量的时间差，并基于估计的卫星到用户的传播时间和卫星时钟校正。
然后，网络PDE设备将如前所述解出手机的位置和伪距测量的时间。然后网络将手机的位置和解出的测量的时间发送回手机，这称为Tresolved。然后手机能够通过对Tresolved和Trtc_meas求差值来计算本地RTC的时间误差，并使用该差值调整或校准当前存储在RTC中的时间。例如，本地RTC时间可以如Eq.(16)所示调整。
Local_RTC_Time＝Local_RTC_Time+(Tresolved-Trtc_meas)  Eq.(16)
Tresolved和Trtc_meas之间的差值可以被用于校准或改进存储在本地RTC中的时间，用于作为精确时间源，如被要求用于在本地计算位置或用精确的不模糊的时间标签将未来的伪距测量打上时间标签。本地实时时钟时间的精确度还可以根据在手机上(而不是在网络上)校正的伪距测量时间改进。
以建立由发明者所有并使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明的方式对本发明和目前被认为最好的方式进行了描述，应该认识到，会有许多与这里公开的示范实施例的等同和无数改进和变型可以作出，都不脱离本发明的范围和要旨，本发明并不限于示范实施例，而是由所附的权利要求限定。

Claims (25)

1.一种在全球定位系统(GPS)接收机中的方法，其包括：
以与伪距测量相应的粗略时间为至少四个卫星确定伪距测量；
确定在四个卫星之一的周期性事件和所述粗略时间之间的偏移时间；
如果粗略时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和粗略时间来确定时间校正Δ；
如果粗略时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据所述粗略时间和时间校正Δ确定校正后时间。
2.如权利要求1的方法，根据在四个卫星中第二个卫星的周期性事件和粗略时间之间的偏移时间，确定第二校正后时间，通过比较校正后时间与第二校正后时间评估校正后时间的统一性。
3.如权利要求1的方法，基于为至少四个卫星确定后续的伪距测量，确定后续的校正后时间，通过比较第一校正后时间和后续的校正后时间评估校正后时间的统一性。
4.如权利要求1的方法，
如果粗略时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和改进的粗略时间确定改进的时间校正Δ；
如果粗略时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据所述改进的粗略时间和改进的时间校正Δ确定校正后时间。
5.如权利要求4的方法，从基于至少四个伪距测量和粗略时间的导航时间解来确定改进的粗略时间。
6.如权利要求4的方法，如果改进的粗略时间在导航时间解的线性范围以内，根据改进的粗略时间和改进的时间校正Δ确定校正后时间。
7.如权利要求4的方法，根据在四个卫星的第二个卫星的周期性GPS事件和粗略时间之间的偏移时间，确定第二校正后时间，通过比较校正后时间与第二校正后时间评估校正后时间的统一性。
8.如权利要求4的方法，在用后续的伪距测量集至少重复一次时间确定步骤之后，通过比较第一校正后时间和后续的校正后时间评估校正后时间的统一性。
9.如权利要求4的方法，通过计算第一和第二个量的模数确定改进的时间校正Δ，所述第一个量是改进的粗略时间、偏移时间、卫星时钟误差和卫星的传播时间之和，所述卫星具有用于确定偏移时间的周期性事件，第二个量是周期性GPS事件的周期。
10.如权利要求1的方法，通过计算第一和第二个量的模数确定时间校正Δ，所述第一个量是粗略时间、偏移时间、卫星时钟误差和卫星的传播时间之和，所述卫星具有用于确定偏移时间的周期性事件，第二个量是周期性GPS事件的周期。
11.如权利要求1的方法，如果粗略时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，并且所述粗略时间在导航时间解的线性范围内，根据改进的粗略时间和改进的时间校正Δ来确定所述校正后时间。
12.一种在全球定位系统(GPS)接收机中的方法，其包括：
为至少四个卫星确定伪距测量；
确定最小导航解残余量时间；
确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和最小导航解残余量时间之间的偏移时间；
根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和最小导航解残余量时间确定时间校正Δ；
根据所述时间校正Δ和最小导航解残余量时间来确定校正后时间。
13.如权利要求12的方法，
如果导航解残余量时间的误差在导航时间解的线性范围之内并且小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和导航解残余量时间来确定时间校正Δ；
如果导航解残余量时间的误差在导航时间解的线性范围之内并且小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据所述导航解残余量时间和时间校正Δ来确定校正后时间。
14.如权利要求13的方法，
如果导航解残余量时间的误差在导航时间解的线性范围之内但是不小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和改进的导航解残余量时间来确定时间校正Δ；
如果导航解残余量时间的误差在导航时间解的线性范围之内但是不小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据在导航时间解的线性范围内的改进的导航解残余量时间和时间校正Δ来确定校正后时间。
15.如权利要求14的方法，从基于至少四个伪距测量和在导航时间解的线性范围内的导航解残余量时间的导航时间解确定改进的导航解残余量时间。
16.如权利要求12的方法，在用后续的伪距测量集至少重复一次时间确定步骤之后，通过比较第一校正后时间和后续的校正后时间来评估校正后时间的统一性。
17.一种用在全球定位系统(GPS)接收机中的方法，其包括：
为至少四个卫星确定伪距测量；
确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和伪距测量的时间之间的偏移时间；
发送包括伪距测量、确定的偏移时间、周期性GPS事件的卫星的卫星ID的无线报文，
所述无线报文用于在远程位置计算GPS接收机的位置。
18.如权利要求17的方法，
根据相应的周期性GPS事件的周期性GPS事件偏移时间和周期性GPS事件周期确定所述偏移时间；
为相应的周期性GPS事件产生包括周期性GPS事件偏移时间和周期性GPS事件周期的指示符的无线报文。
19.一种用在远程位置计算设备处计算GPS接收机的位置的方法，其包括：
在远程位置计算设备处接收无线报文，所述无线报文包括对于至少四个卫星的伪距测量、偏移时间和四个卫星之一的卫星ID，
所述偏移时间是在与所述卫星ID相应的卫星的周期性GPS事件和伪距测量的时间之间的时间；
在远程位置计算设备处，确定最小导航解残余量时间；
在远程位置计算设备处，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和最小导航解残余量时间来确定时间校正Δ；
在远程位置计算设备处，根据时间校正Δ和最小导航解残余量时间来确定校正后时间。
20.一种用在远程位置计算设备处计算GPS接收机的位置的方法，其包括：
在远程位置计算设备处接收无线报文，所述无线报文包括对于至少四个卫星的伪距测量、伪距测量时间、偏移时间和四个卫星之一的卫星ID，
所述偏移时间是在与所述卫星ID相应的卫星的周期性GPS事件和伪距测量时间之间的时间；
在远程位置计算设备处，根据周期性GPS事件的周期、偏移时间和伪距测量时间来确定时间校正Δ；
在远程位置计算设备处，根据时间校正Δ和伪距测量时间来确定校正后时间。
21.一种用在全球定位系统(GPS)接收机中的方法，其包括：
为至少四个卫星确定伪距测量；
确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和伪距测量的时间之间的偏移时间；
确定与伪距测量的时间相应的伪距测量本地时间标签；
发送包括伪距测量和本地时间标签的无线报文；
所述无线报文用于在远程位置计算GPS接收机的位置。
22.一种用在远程位置计算设备处计算时间的方法，其包括：
从远程GPS接收机接收无线报文；
所述无线报文包括用于至少四个卫星的伪距测量，伪距测量本地时间标签，
确定最小导航解残余量时间；
确定在伪距测量本地时间标签和最小导航解残余量时间之间的时间差；
根据所述时间差的模数和周期性GPS事件的重复时间来确定时间校正Δ；
根据时间校正Δ和最小导航解残余量时间来确定校正后时间。
23.一种用在全球定位系统(GPS)接收机中的方法，其包括：
为至少四个卫星确定伪距测量；
确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和伪距测量的时间之间的偏移时间；
根据偏移时间和伪距测量的时间得到时间校正Δ；
根据时间校正Δ和伪距测量的时间得到校正后时间；
根据校正后时间提高本地实时时钟的精确度。
24.如权利要求23的方法，
如果伪距测量的估计时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和伪距测量的估计时间之间的偏移时间；
如果伪距测量的估计时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据偏移时间和伪距测量的估计时间来确定时间校正Δ；
如果伪距测量的估计时间的误差小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据时间校正Δ和伪距测量的估计时间来得到校正后时间。
25.如权利要求24的方法，
如果伪距测量的估计时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，确定最小导航解残余量时间；
如果伪距测量的估计时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，确定在四个卫星之一的周期性GPS事件和最小导航解残余量时间之间的偏移时间；
如果伪距测量的估计时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据偏移时间和最小导航解残余量时间来确定时间校正Δ；
如果伪距测量的估计时间的误差不小于周期性GPS事件的周期的1/2，根据时间校正Δ和最小导航解残余量时间来确定校正后时间。
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