卫星定位系统接收机中的时间确定及其方法.pdf

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)。

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。

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接收机使用地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)。
PR_res＝V_rΔt+a_rΔt²/2+…                  Eq.(1)
其中V_r是卫星距离速率(range rate)，a_r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PR_res)重复所述解。这种补偿至少在对PR_res的一系列扩大中的下一个项(即a_rΔt²/2)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。
PR_res^c_k＝PR_res-a_rΔt_k-1²/2                   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