在全球定位系统接收机中改善信号捕获的方法.pdf

本发明详细说明

图1表示了公共陆地移动网络(PLMN)，例如示范性的GSM蜂窝
网络110，该网络本身包括多个MSC/VLR服务区112，每个具有一个
移动交换中心(MSC)114和一个相连接访问位置寄存器(VLR)116。
该MSC/VLR服务区112随后包括多个定位区(Las)118，被定义为给
定MSC/VLR服务区112的一部分，其中移动终端或移动站(MS)120
可以自由移动而不必向控制LA118的MSC114和/或VLR116更新其位
置。每个定位区118进一步分成大量小区122。示范性移动站120是
物理设备，例如车载电话机或其它便携电话机，由移动用户使用与蜂
窝网络110、其它移动用户或用户网络外的其它用户进行有线或无线
电通信。

MSC114与至少一个基站控制器(BSC)123通信，其随即与至少
一个基站收发信机系统(BTS)124连接。该BTS124是物理设备，为
简单在图1中表示为无线电天线塔，它提供对所负责小区122的无线
电覆盖。应当理解，各种BSC123可以连接到若干BTS124，并且可以
用单独节点或集成在MSC114中实现。在任何情况下，BSC123和BTS124
元件作为整体通常称为基站系统(BSS)125。

参照图1，每个PLMN服务区或蜂窝网络110包括一个归属位置寄
存器(HLR)126，其是包含用户信息例如用户概况、当前位置信息、
国际移动用户识别码(IMSI)或登记在PLMN110内用户的其它管理信
息的数据库。HLR126可以与MSC114结合的特定MSC114共同配置，
或(如图1所示)可以是服务的多个MSC114。

VLR116是包含有关位于MSC/VLR服务区112内MS120的完整集
合信息的数据库。如果MS120移动到新物理位置例如新MSC/VLR服务
区112(图1中未示出)，与MSC114连接的VLR116从HLR126请求
有关MS120的信息(同时通知HLR126有关MS120的新位置)。因此，
当MS120用户想进行呼叫时，本地VLR116将具有必要的用户识别信
息而不必再询问HLR126。

基本GSM接入方案是时分多址(TDMA)具有每载波八个基本的物
理信道。载波间隔是200KHz。因此物理信道定义为一系列TDMA帧作
为由时隙序号和跳频序列附加指定。基本无线电资源是持续15/26ms
(即576.9μs)的时隙并且以大约270.83Kbit/s的调制速率发射信
息。这意味着每个时隙(包括保护时间)持续156.25比特。八个时
隙构成一个TDMA帧。因此，一个TDMA帧具有4.615ms(60/13ms)的
持续时间。

在图6中表示了代表GSM TDMA时间帧结构的图。该结构的最长
再现时间周期称为超超帧并且具有3小时38分53秒和760毫秒持续
时间。GSM TDMA帧由帧序号(FN)编号。帧序号(FN)是连续TDMA
帧的循环计数，工作范围从0到2715647(即2048×51×26-1，也称为
FN-MAX)。帧序号在每个TDMA帧结尾递增。从0到2715647的TDMA
帧序号完整周期称为超超帧。需要这样的长周期支持由ETSI GSM规
定所定义的某些加密机制。

一个GSM TDMA超超帧被分成2048个超帧，每个具有6.12s的持
续时间。超帧是最小公共多个GSM TDMA时间帧结构。超帧自身被进
一步分成三种类型多帧：26-多帧、51多帧和52多帧。

第一种GSM TDMA多帧是26-多帧，其包括26个TDMA帧具有总
共120ms的持续时间。因此，一个GSM TDMA超帧可以具有51个这种
26-多帧。这些26多帧用于携带业务信道(TCH)和辅助控制信道(包
括慢辅助控制信道(SACCH)和全速辅助控制信道(FACCH))。

第二类GSM TDMA多帧是51-多帧，包括51个TDMA帧并且具有
总共235.4ms的持续时间。一个GSM TDMA超帧可以具有26个这种
51-多帧。这些51-多帧用于支持广播、公共控制和独立专用控制(和
它们的辅助控制信道)，包括例如广播控制信道(BCCH)、公共控制
信道(CCCH)和独立专用控制信道(SDCCH)或分组广播控制信道
(PBCCH)和分组公共控制信道(PCCCH)。

第三种GSM TDMA多帧是52-多帧，包括52个TDMA帧和具有总
共240ms的持续时间。一个GSM TDMA超帧可以具有25.5个这种52
个多帧。一个52多帧中的TDMA帧从0到51编号。52-多帧格式用于
支持分组数据业务和控制信道，例如分组广播控制信道(PBCCH)，
分组公共控制信道(PCCCH)，分组辅助控制信道(PACCH)和分组数
据业务信道(PDTCH)。

如上所述，一个TDMA帧由八个时隙组成并且具有
4.615ma(60/13ms)的持续时间。每个时隙是大约576.0μs(15/26ms)
的时间间隔，即156.25比特持续时间，其物理内容称为脉冲串。如
图6所示，在GSM TDMA系统中使用四个不同类型的脉冲串。

第一种脉冲串称为正常脉冲串(NB)，包含116个加密比特和包
括8.25比特持续时间的保护时间(大约30.46μs)。正常脉冲串用
于携带业务或控制信道上的信息，除了随机存取信道(RACH)。

第二种脉冲串称为频率校正脉冲串(FB)，包含142个固定比特
并且包括8.25比特持续时间的保护时间(大约30.46μs)。频率校
正脉冲串用于移动终端的频率同步。FB等同于未调制载波，在频率上
偏移，但具有与正常脉冲串相同的保护时间。FB与BCCH一起广播。
FB的重复也称为频率校正信道(FCCH)。

第三种脉冲串称为同步脉冲串(SB)，包含78个加密比特和8.25
比特保护时间。同步脉冲串包含一个64比特长训练序列并且携带有
关TDMA帧序号(FN)的信息以及基站识别码(BSIC)。SB用于移动
终端的时间同步并且与频率校正脉冲串(FB)一起广播。SB的重
复也称为同步信道(SCH)。

第四种脉冲串称为存取脉冲串(AB)。接入脉冲串用于随机接入
并且特征在于更长的保护周期(68.25比特持续时间或252μs)为来
自移动终端的脉冲串传输提供必要的条件，该终端可能知道第一次接
入时的定时提前(或随后切换)。更长的保护时间允许移动站与基站
收发信机距离达到35公里。在例外情况下该设计可以兼容小区半径
大于35公里的情况。在切换之后，AB用于话音类呼叫上行链路上的
(分组)随机接入信道(PRACH)，以便请求使用上行链路，以及用
于分组业务控制信道的(PTCCH)上行链路允许移动站在分组传输方
式下估计定时提前。

利用辅助GPS定位的蜂窝网络方框图在图1a中表示。如上所述，
该特定例子是基于GSM标准，但本领域技术人员认为该结构是通用的
并且可以用于描述其它标准。用户设备10是完全能够与GSM网络12
在标准空中接口通信的移动站，并且包括能够捕获和测量来自GPS卫
星信号的GPS接收机。该设备10称为GPS-MS.GPS-MS将在下面针对
图5进行详细描述。

一个移动定位中心(MLC)14负责获得某些GPS辅助信息并且将
其翻译成GPS-MS10所需要的格式。MLC14可能用星历和时钟校正数
据形式接收辅助信息。表示了该信息的两个可能信源。一个信源是直
接与MLC14通信的基准GPS接收机16。该基准GPS接收机16捕获可
观察GPS信号并且解调所发射导航消息，该消息包含各个卫星的星历
和时钟校正。GPS接收机16也可以用作精确的时间基准，以及差分
GPS(DGPS)校正的信源。也可以从外部数据库18例如通过TCP/IP
网络获得星历。

在此情况下，MLC14必须从其它信源获得准确时间和DGPS信息。
实际上，MLC14可以有利地具有多个GPS信息信源以改善可靠性。如
图1a所示，MLC也具有对小区数据库28的访问，该数据库包含在MLC
服务的地理区域内所有小区站点的坐标。也如图1a所示，上述标准
GSM网络元件包含MSC/VLR15，基站控制器(BSC)22，和基站收发信
机系统(BTS)20。

图1a所示的网络中另一个单元是附带在每个BTS20上的GPS接
收机24。按照本发明，GPS接收机24的主要目的是对BTS20提供精
确时间基准以便BTS20可以相对GPS时间对空中接口定时。例如，该
设计通常称为“同步”网络。注意，同步网络提供不直接相关本发明
的其它优点(例如，快速切换)。

图1b表示了利用辅助GPS定位的蜂窝网络的替换实施例。该实
施例也是基于GSM标准，并且包含上述标准网络元件，例如BTS20、
BSC22和MSC/VLR15。这些元件以上述相同的功能在MLC1和GPS-MS10
之间传输辅助信息和测量。与图1a所示网络的主要区别在于该网络
中的BTS20没有GPS接收机来提供定时信息，即该网络不是同步的。

尽管该网络是不同步的，由装备了一个或几个蜂窝接收机和一个
GPS接收机24的定时测量单元(TMU)26提供必要定时关系。一旦它
安置在已知坐标上，TMU26监视来自在附近地理位置中一个或几个BTS
的蜂窝发射。每个所监视BTS发射过程用对应GPS接收机24的GPS
时间做时间标记。产生的关系通过服务BTS的TMU传输给MLC14，在
图1b中所示示范网络中的BTS1。

图2a和2b表示了单独GPS卫星i和其相对位置Xk的特定BTS20
和位置u的GPS-MS10的坐标关系的简单示意图。GPS信号捕获是
GPS-MS10中测距过程的一部分。这些测距随后用于计算GPS-MS10位
置的估计。按照图2，在时刻t根据卫星i由GPS-MS进行的测距可以
通过下式给出：
r i ( t ) = l ‾ i ( t ) · ( s ‾ i ( t ) - ( x ‾ k + Δ x ‾ ) ) + c · ( b u ( t ) - B i ( t ) ) + c · ( I i ( t ) + T i ( t ) + S i ( t ) ) + v i ]]>
= ( l ‾ ^ i ( t ) - Δ l ‾ i ( t ) ) · ( ( s ‾ ^ i ( t ) - Δ s ‾ i ( t ) ) - ( x ‾ k + Δ x ‾ ) ) + c · ( b u ( t ) - ( B ^ i ( t ) - Δ B i ( t ) ) ) ( 1 ) ]]>
+ c · ( I i ( t ) + T i ( t ) + S i ( t ) ) + v i , ]]>
其中c是光速(m/s)，Bi是在第i个卫星时钟上的偏移，bu是在接
收机时钟上的偏移，Ii和TI是从卫星i到接收机路径上电离层和对流
层延迟，Si是第i个卫星选择性利用率(SA)引起的时钟偏移。术语
Vi代表测量噪声(m)。所有符号(“∧”)表示估计或推算，而字母
德尔塔(“Δ”)项是估计值与各自参数实际值之间的差。以此方式，
视线单位矢量可以通过下列公式给出：
l ‾ i ( t ) = s ‾ i ( t ) - ( x ‾ k + Δ x ‾ ) | s ‾ i ( t ) - ( x ‾ k + Δ x ‾ ) | , l ‾ ^ i ( t ) = s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k | s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k | , Δ l ‾ i = l ‾ ^ i - l ‾ i · - - ( 2 ) ]]>

尽管电离层、对流层和SA延迟对GPS误差估算起明显作用，但
在辅助信息计算中的其它不确定性起主导作用。同样，卫星时钟偏移
的模型误差ΔBi相对小。这些项可以包含在测量噪声项中Vi。例如，
如果接收机和卫星位置的不确定性分别是Δx和Δsi，相对卫星的距离
很小，则：
l ‾ i ( t ) ≈ s ‾ i ( t ) - ( x ‾ k + Δ x ‾ ) | s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k | , Δ l ‾ i ≈ Δ s ‾ i ( t ) + Δ x ‾ | s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k | · - - ( 3 ) ]]>
使用这些假设，测距公式可以重新写为：
r ‾ i ( t ) ≈ l ‾ ^ i ( t ) · ( s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k ) - Δ l ‾ i ( t ) · ( s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k ) - l ‾ ^ i ( t ) · ( Δ s ‾ i ( t ) + Δ x ‾ ) + c · ( b u ( t ) - B ^ i ( t ) ) + v i ]]>
≈ l ‾ ^ i ( t ) · ( s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k ) - 2 · l ‾ ^ i ( t ) · ( Δ s ‾ i ( t ) + Δ x ‾ ) + c · ( b u ( t ) - B ^ i ( t ) ) + v i ]]>
≈ [ | s ‾ ^ i ( t ) - x ‾ k | - c · B ^ i ( t ) ] - 2 · l ‾ ^ i ( t ) · Δ x ‾ - 2 · l ‾ ^ i ( t ) · Δ s ‾ i ( t ) + c · b u ( t ) + v i ]]>
(4)
≈ r i , k ( t ) - 2 · l ‾ ^ i ( t ) · Δ x ‾ 2 · l ‾ ^ i ( t ) · Δ s ‾ i ( t ) + c · b u ( t ) + v i · ]]>

在上述公式中，第一项ri,k(t)代表GPS接收机在Xk时进行期
望的测距，假设接收机时钟完全与绝对GPS时间同步。该测量包括根
据GPS绝对时间的第i个卫星时钟的偏差和通常称为“伪距”。其余
项代表在GPS-MS10测距中的不确定性，因为它与已知位置Xk处的测
距有关。即使GPS-MS10通过某些途径知道ri,k(t)，这些距离不确
定性扩展了必须搜索捕获卫星i信号的码空间。本发明的目的是减少
和控制这些不确定性。具体地，GPS-MS10使用来自BTS20的信息减
少码移位搜索而更快地捕获卫星信号。

公式4中的第二项代表用户位置的不确定性。按照码相位，施瓦
茨不等式表明卫星i的码相位不确定性可以通过下列公式限定：
| Δ φ u , i | < 2 · | l ‾ ^ i | · | Δ x ‾ | λ CA = 2 · | Δ x ‾ | λ CA · - - ( 5 ) ]]>
其中λCA是C/A码的波长(293m/码片对于fCA=1.023MHz)。例如，如
果｜ΔX｜=15km，则-102＜ΔΦu,i＜+102码片。可是，｜ΔX｜是未知的所以
码相位也是未知的并且因此必须对每个卫星搜索全部码空间(1023
码片)。

当GPS接收机是基于蜂窝定位系统的一部分时，如图2所示，则
有几个方式限制搜索。一种方法是用GPS-MS10假设｜ΔX｜小于最大小
区半径。该参数通常指定用于蜂窝系统；例如，GSM标准指定小区必
须小于35km半径。在此情况下，码相位不确定性被限制导致｜ΔΦu, i
｜＜239码片。可是，该不确定性仍然接近1023码片码空间的一半。

由蜂窝系统提供的其它信息可以用于减少用户位置引起的不确
定性。在所有现代蜂窝系统中，用户终端10根据来自BTS20的下行
链路发射定时对其上行链路发射到BTS 20定时。可是，由BTS20上
观察的上行链路发射定时受BTS20和终端10之间往返传播延迟影
响。没有校正措施，当距离｜Δ x｜增加时上行链路发射在时间上出现较
晚。这在现代数字系统中是不允许的，其中多个用户通过时隙(TDMA)
或具有延迟相关的互相关特性的伪随机码(CDMA)共享相同信道。为
对付延迟，BTS20观察来自用户的上行链路发射定时并且如果该定时
滞后就指令用户提前更早发射。该方法是公知的为GSM标准定时提前
(TA)，但也用在ANSI-136(TDMA)和IS-95(cdmeOne)中。通常
给出的TA值是码元传输速率的小部分；例如，GSM的TA被指定按一
比特递增。

该TA信息也能够用于减少在GPS捕获搜索过程中用户位置的不
确定性。图3表示了全方位单一小区系统所具有TA的图。TA值指定
用户位于BTS20周围有限范围环型30，环型30的宽度取决于TA参
数的分辨率。在GSM系统中，TA按照往返延迟报告因此往返路径有±0.5
比特(±580m)不确定性。因此，半径距离的不确定性是±0.25比特
(±290m)或近似GPS的C/A码±1码片。

本发明会预料三种可能情况，其中TA信息可以用于减少位移的
不确定性。在第一种情况下，GPS-MS10不知道卫星位置Si，其自身
近似位置Xi和近似仰角θλ,k。在此情况下GPS-MS10不能够计算其自
身位置。码相位的不确定性可以通过公式限定：
| Δ φ u , i | < | Δ x ‾ | λ CA < ( TA + 0.5 2 ) · ( c · τ TA λ CA ) · - - ( 6 ) ]]>
其中TA用网络指定单位给出而τTA是TA单位的时间周期。在GSM系统
中，TA用比特而τTA≈3.7μs/bit。该方案基本上形成了当卫星在地平
线上和与BTS20和GPS-MS10共线的最坏情况的限制。在第二种情况
下，GPS-MS10知道卫星仰角Qi,k和BTS位置。注意，GPS-MS10不需
要具有卫星i的星历。相反，仰角可以通过BTS20作为测量辅助信息
提供，例如。在此情况下，不确定性被下面公式限制：
| Δ φ u , i | < cos φ i , k · ( TA + 0.5 2 ) ( c · τ TA λ CA ) · - - ( 7 ) ]]>

在第三种情况下，GPS-MS10知道卫星位置Si和其自身位置xk的
估计。这些参数可以通过来自例如MLC的辅助信息提供。另一个方式，
GPS-MS10可以使用前面从卫星信号解调并且存储在存储器中的卫星
星历计算这些位置。GPS-MS10可以使用这些位置信息估计视线矢量
ιi。在该情况下的限制方法考虑并非所有位移Δx沿ιi投影。在此情况
下，由于不知道用户位置引起的卫星i码相位不确定性限制为：
| Δ φ u , i | < 1 - l ‾ ^ i T x ‾ k x ‾ k T l ‾ ^ i x ‾ k T x ‾ k · ( TA + 0.5 2 · c · τ TA λ CA ) · - - ( 8 ) ]]>

所有矢量乘积使用标准矩阵相乘而不用前面使用的标量点积。平
方根项是li投影在本地正切平面上的幅度。当卫星i直接过顶时，该
投影是零而位移Δx产生零码相位不确定性。因此，按平均计算通过利
用另外li和xk知识并且通过假设用户在BTS20的本地正切平面上该
方法进一步减少搜索空间。由于本地地形改变该假设可能不严谨地成
立，但这种误差的影响非常小。该投影方法可以被使用而不需要TA
信息，例如只需要最大小区尺寸。可是，这不提供当使用TA时那样
多的好处。

如上所述，这些限制方法解决了公式4中的第二项。在公式4中
的第三项代表卫星位置的不确定性，并且必须通过网络辅助信息或通
过对来自各个卫星发射的星历解调来解决。例如，辅助信息方案可以
提供该星历，使用该星历用精确时间基准将卫星位置估算到小于米的
精确度。

公式4中第四项是GPS-MS时钟偏差引起的不确定性。在图4的
时序图中表示了该偏差的影响。顶上的线80代表在GPS主控制站
(MCS)(未示出)上保持的“实际”GPS时间。垂直虚线标记82代
表1-ms的历元，在该时刻各个C/A码翻转为零相位。第二线84代表
GPS时间卫星i的观察并且包括偏差Bi86。MCS观察卫星的发射并且
提供在导航消息中的参数，以便用户GPS接收机可以利用高精确度模
式Bi(t)。第三线88代表从与BTS20位于一起的基准GPS接收机24
在xk对GPS时间的观察，如图1a所示。尽管下列描述针对该情况，
本领域技术人员认为该定时传输原理也同样应用于基准GPS接收机
24与TMU位于一起的情况，如图1b所示。GPS接收机24也具有时间
偏差，但如果它已经捕获到足够卫星则它的偏差bk对于GPS接收机
是典型的-在100ns(0.1码片)数量级，如同在NAVSTAR GPS标准
定位服务信号说明中所指定的，附录A：标准定位服务性能说明(1995
年6月)。

本发明也提供一种限制方法，用于由GPS-MS时钟偏差产生的不
确定性。总之，这是通过从BTS20向GPS-MS10传递非常精确时间实
现的，以便GPS-MS时钟非常精确了解何时GPS时间历元发生。这在
下列步骤中实现，所有将参照图4：

1．在Xk处的GPS接收机(GPS-R)24在某时刻t0对BTSk发布
脉冲90。该脉冲将在GPS历元时间出现，但实际上是来自由于GPS
接收机24(bk)中的时间偏差和在(τd)通过电路和GPS-R24与BTS20
之间连接的传播延迟引起的真实GPS时间的偏移。按照现在的硬件速
度并且假设GPS-R24和BTS20位于一起，总延迟将不大于300ns。

2．当BTS20接收来自GPS-R24的脉冲时，在92对发射(TX)
空中接口状态采样。通常，该状态包括在帧中的比特数量，以及在分
层帧结构中的帧数量。GSM标准使用一种帧结构，在M MOULY和M
PAUTENT的“移动通信GSM系统”，1992中描述。在例如GSM和IS-136
的TDMA系统中的状态也包括时隙数量。在图4中，在t0的TX空中
接口状态是(BNO,TNO,FNO)分别代表比特，时隙和帧。

3．BTS20发射该状态(BNO,TNO,FNO)给GPS-MS10作为单独
消息或作为利用GPS辅助信息方法的特定另一个消息的一部分。该发
射可以唯一发布给单独GPS-MS10(点对点)或广播给所有在BTS20
服务的小区内的GPS-MS。

4．在接收该消息之前，GPS-MS10必须经过与BTS20锁定频率
和与BTS20空中接口状态同步的过程。(通常，该过程被指定为特定
蜂窝系统标准的一部分。)当GPS-MS10在94接收该消息时，它通过
使用(BNO,TNO,FNO)和下列关系中的TA数值导出其GPS历元时间
t`0:

BN0`=BNO-[0.5TAτTA/τB]

TN0`=TNO

FN0`=FNO

如果BN`0＜0

调节(BN0`,TN0`)以翻转到前面时隙

检查翻转到前面帧和调节(BN0`,TN0`)如果必要

检查翻转交叉帧模块并且调节FN0`如果必要

结束

其中τB是比特周期而算符“[]”返回自变量的整数部分。在这些
步骤完成后，GPS-MS10非常精确地知道在接收机上空中接口状态
(BN0｀,TN0`,FN0`)出现的GPS历元。

尽管上述过程描述了时间传输方法的基本操作，仍然有几个重要
事项或选项。TA参数是该方法非常重要的部分，特别是对于大的小
区。如果不使用它，则GPS-MS10会有从零到最大单向传播延迟的延
迟不确定性。例如，在GSM系统中最大小区半径35km将产生0-120μs
(0-119C/A码码片)的不确定性。当TA数值使用时，剩余不确定性
是单向延迟的分辨率，对于GSM的例子是0.5比特(0-1.8C/A码码
片)。相对GPS历元的时间传输是本发明的关键部分，但在传输中使
用的历元类型也对GPS-MS10有影响。这主要取决于GPS-R24中的脉
冲时间t0如何涉及实际GPS周时间。如果脉冲t0根据C/A码的毫秒
历元，则通过时间传输GPS-MS10仅仅知道该历元。另一个方式，如
果在20msGPS历元发布脉冲t0，则GPS-MS10将知道在各个发射机的
GPS卫星发射的比特和码定时。该信息可以与卫星位置或距离辅助信
息结合而在GPS-MS10上提供良好的比特定时估计。这消除了对比特
同步的需要，该同步可能限制某些情况下的敏感度或捕获时间性能。
第三种替换方式是GPS-R24在二分之一GPS历元发布脉冲，从该时间
GPS-MS10可以导出比特和码定时。尽管二分之一脉冲对时间传输不增
加优点，由于大多数商用GPS接收机提供1Hz输出而可以简化实施。

从GPS-R24向GPS-MS10传输GPS历元时间的精确度取决于几个
因素。例如，考虑在GPS-MS10中的总时间偏差由下列公式给出：
bGPS-MS=bk+τd+εB+εTA+τpd，    (9)
其中bk=GPS-R与MCS实际GPS时间的偏差(μ-0,σ≈100ns)；

τd=通过GPS-R/BTS路径脉冲的传播延迟；

∈TA=TA参数分辨率引起的误差(均匀分布在±0.25τTA)；

∈B=在BTS空中接口中比特周期分辨率引起的误差(在O-τB上均
匀分布)；

τpd=通过GPS-MS接收机的GPS信号传播延迟。

如果对τd和τpd假设为300ns数值，并且使用500ns数值限制GPS-R
中的偏差，则：
｜bGPS-MS｜＜1.1μS+0.25τTA+0.5τB.    (10)

对于GSM标准，τB=τTA=3.7μs，这意味着｜bGPS-MS｜＜3.88μs。因此，GPS-MS
时间偏差引起的不确定性小于C/A码的±4码片。

上述方法不需要GPS-MS10知道绝对GPS时间。可是，从BTS20
到GPS-MS10的时间传输消息包括一个表示历元发生的绝对GPS时间
范围。如果位置计算功能(PCF)位于GPS-MS10中这有帮助，因为当
与估计的星历结合时将能够使GPS-MS10计算卫星位置和其自身位
置。

通过使用这些方法限制用户位置和GPS-MS时钟偏差的不确定
性，总的不确定性现在相当合理。例如，考虑BTS20服务10km半径
小区的GSM情况，GPS-MS10被安置在离BTS20有500m而导致TA=1。
如果GPS-MS10使用辅助信息方案，不知道ιi和 Xk，则｜Δφu,i｜＜2.85码片。
因此，｜Δφu,i｜+｜bGPS-MS｜小于七码片。如果辅助数据允许GPS-MS10估计6
公里内(20.5码片)的卫星距离，则GPS-MS10必须搜索GPS历元上
围绕预计C/A码相位的±27.5码片范围。因此，码搜索空间已经减少
了几乎95％。总之，较大小区尺寸的影响是增加搜索空间，因为平均
起来GPS-MS10将安置在离BTS20更远处。换句话说，如果GPS-MS10
知道卫星位置(例如，星历)可以减少搜索空间。

如上所述缩小搜索范围不仅需要GPS-MS10从BTS20接收非常精
确的时间传输消息，而且需要它使用该信息对准其自己的时间基础。
换句话说，GPS-MS10必须设置自己的时间基础(“时钟”)以产生出
现在本地GPS历元上的定时过程，该历元偏离上述真实GPS历元。这
些定时过程通常由GPS接收机使用以开始或结束信号处理任务，例如
产生适当C/A码的本地副本和将这些与所接收信号相关。

图5表示GPS-MS10接收机单元40的方框图，使用时间传输消息
对准本地时间基础。该接收机单元40包括一个能够接收GPS和蜂窝
信号的天线42，或对每种信号分开的天线。GPS接收机部分44连接
到天线42选择GPS信号频带，将它转换为低频率，并且在该频带内
在线路46上输出信号的数字采样。蜂窝接收机部分48连接到天线42
选择适当的蜂窝信道，将它转换为低频率，和在该频带内在线路50
上输出该信号的采样。锁相环(PLL)52连接到自激振荡器54并且产
生用于GPS接收机44(LOG)和蜂窝接收机48(LOC)适当频率的本振
信号。另外，根据PLL52产生的信号产生GPS历元定时。

数字处理器部分56包括GPS处理器58和蜂窝处理器60两者。
这些处理器58和60从各自接收机部分44和48在线路46和50接收
数字采样，并且执行对提取数据和进行必要测量所必须的处理。蜂窝
处理器60也通过线路62调节PLL52，以便其输出被锁定在由蜂窝网
络发射频率上。两个处理器58和60之间的通信通过图5中的线路64
表示，但这不是要求。

数控振荡器(NCO)66为GPS处理器58产生历元定时过程。PLL52
为NC066提供时钟信源，GPS和蜂窝处理器58和60具有控制NC066
的能力，如下所述。

接收机40通过下列过程调节GPS历元定时：

1．在从BTS20接收时间传输消息之前，接收机40必须进行与
BTS发射在时间和频率上同步的标准过程。在此过程期间，蜂窝处理
器60调节PLL52以便其各种输出被锁定在BTS发射频率，包括GPS
NCO66的信源。

2．给出由蜂窝接收机48的采样，蜂窝处理器60对来自BTS20
的时间传输消息解调并且执行上述计算。为此，蜂窝处理器60知道
GPS-MS蜂窝空中接口状态(FN0`,TN0`,BN0`)上出现的GPS时间历
元。

3．蜂窝处理器60确定更新GPS NCO66的某些未来时间t1=
(FN1,TN1,BN1)。该时间t1可以是蜂窝定时中的历元，例如帧或时
隙开始的时间。蜂窝处理器60然后通过下列步骤计算在t1GPS NCO66
所需要相位θce：
ΔFN=FN1-FN0′；
如果ΔFN＜0，

ΔFN=ΔFN+frame-counter modulus；
ΔTN=TN1-TN0′；
ΔBN=BN1-BN0′；
Δθce=(ΔBNτB+ΔFNτF)fge；
θce=Δθce- △θce」；
其中fge是GPS处理器58中使用的GPS历元频率(通常对应C/A码历
元1kHz)和“ 」”返回自变量的整数值。常数τB,τT,τF分别代表特
定蜂窝空中接口上比特、时隙和帧周期。

4．计算θce后，蜂窝处理器60将该数值转换为GPS NC066特定
的数字形式，并且对GPS NC066编程以便在t1时相位从θce开始。蜂
窝处理器60可以接收来自BTS20的连续时间传输消息，并且使用
它调节GPS NC066的相位和/或频率。这些调节用于消除在BTS传输
中任何剩余频率误差的影响。

5．可选择地，如果GPS-MS10包括PCF，则它也具有确定GPS
历元定时发生器中剩余偏差或移位的能力。在确定该移位后，GPS处
理器58使用它以类似所述的方式调节GPS NC066相位或频率。

总之，本发明包括一种方法，限制在GPS-MS10测量的C/A码相
位中由BTS20到GPS-MS10的位移所引起的不确定性，利用BTS20发
送给GPS-MS10的定时提前(TA)信息作为蜂窝系统中副信息。本发
明也提供一种方法，用以从与BTS20位于一起的GPS接收机24通过
蜂窝空中接口向GPS-MS10精确传输时间。通过消除GPS-MS内部GPS
定时产生中的大部分偏差，该方法也限制了GPS-MS码相位测量中的
不确定性。

组合的蜂窝/GPS接收机利用来自蜂窝网络的时间传输消息调节
数控振荡器(NCO)，该振荡器产生接收机的GPS历元定时。

通过上述两种方式限制不确定性，在捕获GPS卫星信号过程中
GPS-MS10只需要在C/A码小范围上搜索。这些方法减少搜索范围至
少一个幅度数量级，这使捕获信号和计算用户位置的等待时间更短。
另外，本发明消除了与由卫星广播导航消息比特-同步的需要，该需
要限制某些情况下的性能。这种改善允许GPS接收机在单独接收机不
能工作的环境计算位置。

应当理解，本领域技术人员认为也具有其它方面的优点。另外，
值得注意的是本发明的方法可以结合几乎任何向GPS-MS10提供卫星
位置有关的辅助信息的其它方案。