DE69909773T2 - Verfahren and vorrichtung zur bestimmung der zeit im satellitenpositionierungssystem - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Satellitenpositionsbestimmungssysteme (SPS), und insbesondere auf die Bestimmung einer Zeit bzw. eines Zeitpunktes, der mit einer SPS-Signalübertragung und/oder einem SPS-Signalempfang assoziiert ist.
  • Hintergrundinformationen
  • SPS-Empfänger wie beispielsweise GPS-Empfänger (GPS = Global Positioning System) bestimmen normalerweise ihre Position durch Berechnung von relativen Ankunftszeiten von Signalen, die gleichzeitig von einer Vielzahl von Satelliten übertragen werden, wie beispielsweise GPS-Satelliten (oder NAVSTAR-Satelliten). Bei typischen Satellitenpositionsbestimmungssystemen, wie beispielsweise GPS, wird die Vielzahl von Satelliten gemäß eines hochgenauen Systemtaktes synchronisiert, der die Genauigkeit einer Atomuhr bieten kann. Im allgemeinen überträgt jeder Satellit Navigationsdaten (beispielsweise die Lage des Satelliten) die auch einen Zeitstempel aufweisen, um anzuzeigen, wann die Daten übertragen wurden, und zwar gemäß der Zeit, wie von dem Systemtakt bzw. der Systemuhr angezeigt (im folgenden als Systemzeit bezeichnet), welche im Fall von GPS als (GPS-) Systemzeit bezeichnet wird.
  • Jedoch haben SPS-Empfänger typischerwise nicht eine so genaue Uhr. Somit bestimmt ein SPS-Empfänger typischerweise die Zeitsteuerinformationen bzw. Zeitinformationen durch Lesen von Zeitinformationen, die in der Satellitennachricht enthalten waren. Viele Empfänger bestimmen die Position und die Zeit durch Verwendung von Messungen von vier (oder mehr) Satelliten. Der Bereich von jedem der vier Satelliten (i = 1, 2, 3, 4) kann wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure 00020001
    wobei gilt:
    x, y und z sind die Koordinaten/Position des Empfängers (unbekannt);
    xi, yi und zi sind die Koordinaten/Position des i-ten Satelliten (bekannt); und
    cb stellt die Taktvorspannung bzw. Clock-Vorspannung (clock bias) dar, die ein Ergebnis des Zeitfehlers zwischen der Zeit des Empfängers und der Referenzzeit ist (unbekannt).
  • Somit gibt es typischerweise eine Gesamtzahl von vier Unbekannten in der Gleichung (1) oben.
  • Oft wird PRi als Pseudobereich bezeichnet, da er den tatsächlichen Bereich bzw. die tatsächliche Entfernung zum i-ten Satelliten plus oder minus einer Versetzung darstellt, die von dem Takt- bzw. Uhrfehler des Empfängers herrühren kann, wie durch den Ausdruck cb in Gleichung (1) gezeigt. Die obige Gleichung, die Messungen von vier Satelliten verwendet, kann linearisiert werden und in Matrixform wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure 00020002
    wobei gilt: ΔPri ist der residuelle Pseudobereich für den i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4) und stellt eine Differenz zwi schen dem gemessenen Pseudobereich und einem anfänglichen abgeschätzten Bereich zum i-ten Satelliten dar (bekannt);
    uxi, uyi und uzi sind die Richtungscosini des Richtlinienvektors (LOS-Vektors, LOS = line-of-sight) vom Empfänger zum i-ten Satelliten, wie entlang den x-, y- und z-Koordinatenachsen projiziert (bekannt);
    Δx, Δy, Δz und Δcb sind die Korrekturen der anfänglichen Abschätzungen der Koordinaten/Position und des Taktes bzw. der Uhr des Empfängers, die von einem Referenztakt bzw. einer Referenzuhr versetzt sein können (unbekannt).
  • Im folgenden wird der residuelle Pseudobereichsvektor auch als Z bezeichnet, die Matrix H mit nx4 Elementen wird auch als Beobachtungsmatrix bezeichnet, und x stellt die SPS-Empfängerposition und den Zeitkorrekturvektor dar, was die interessanten Unbekannten enthält. Wenn somit eine Inverse der Beobachtungsmatrix bzw. Observationsmatrix H existiert, kann eine einzige Lösung für die Unbekannte x für den Satz von linearen Gleichungen bestimmt werden, die durch die obige Matrixgleichung (2) dargestellt wird, so daß folgendes gilt: x = H–1∙Z oder: x ^ = (Ht∙H)–1Ht∙Z wobei gilt
    H–1 ist die Inverse der Beobachtungs- bzw. Observationsmatrix;
    (Ht∙H)–1 ist die Pseudoinverse der Beobachtungsmatrix; und
    x ^ ist die Abschätzung der kleinsten Quadrate des Vektors der unbekannten Parameter x.
  • Um die Pseudobereiche (PRi) zu bestimmen, verwendet ein herkömmlicher SPS-Empfänger typischerweise eine anfängliche Abschätzung seiner Position und seiner Taktvorspannung (clock bias), die innerhalb einer Millisekunde bekannt ist. Da jedoch Signale von Satelliten mit Lichtgeschwindigkeit laufen oder ungefähr mit Lichtgeschwindigkeit laufen, kann sogar eine zeitliche Zweideutigkeit von einer Millisekunde einen Fehler um bis zu 300 Kilometer in der Pseudobereichsmessung haben. Durch Auflösen der Matrixgleichung (2) oben kann der herkömmliche GPS-Empfänger eine Korrektur für seine anfängliche Uhr- bzw. Taktvorspannungsabschätzung berechnen, wobei die anfängliche Taktvorspannungsabschätzung abgeleitet wird durch Lesen der Navigationsnachricht, die "Zeitausrichtungsinformationen" liefert.
  • Unglücklicherweise kann in vielen Situationen die Bestimmung der Systemzeit durch Lesen der Navigationsnachricht von einem oder mehreren Satelliten schwierig sein, und zwar aufgrund der Verschlechterung der Signalqualität. Wo es beispielsweise eine Blockage der Satellitensignale gibt, kann der empfangene Signalpegel oder das Verhältnis von Signal zu rauschen (SNR = signal-to-noise ratio) von den GPS-Satelliten zu niedrig sein, um die Satellitendatensignale ohne Fehler zu demodulieren und zu lesen. Solche Situationen können bei der Personenverfolgung oder bei anderen besonders mobilen Anwendungen erscheinen. Bei solchen Signalbedingungen ist es möglich, daß ein Empfänger immer noch die GPS-Signale aufnimmt und verfolgt bzw. trackt. Jedoch können die Ausführung der Lagemessung und eine unzweideutige Zeitmessung ohne Zeitsteuerdaten am besten unter Verwendung von alternativen Verfahren ausgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, um die Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem bzw. SPS zu bestimmen, wie beispielsweise die Zeit der Satellitenübertragung bzw. Absendung beim Satelliten und/oder die Meßzeit durch einen SPS-Empfänger bezüglich einer Referenzzeit (beispielsweise einer Systemzeit oder einer anderen relativ genauen Referenzzeit), und zwar ohne die Notwendigkeit, die Referenzzeit aus den Verarbeitungszeitinformationen zu bestimmen, die innerhalb der Satellitennavigationsdatennachricht geliefert werden.
  • EP-A-0679 901 beschreibt eine Positionsabschätzung unter Verwendung von Satellitenbereichsratenmessungen. Ein Wert der Bereichsrate, der durch einen Empfänger beobachtet wurde, wie beispielsweise durch einen GPS-Empfänger, wird verwendet, um die Koordinaten der Punkte auf der Oberfläche der Erde zu bestimmen, von wo dieser Wert der Bereichsrate beobachtet werden würde. Diese Koordinaten werden in einem an der Erde zentrierten, an der Erde befestigten Koordinatensystem (ECEF-Koordinatensystem, ECEF = earth-centred, earth-fixed) gegeben, und sie bilden eine Anordnung von Punkten von gleicher Bereichsrate. Die Koordinaten dieser Punkte liefern allgemeine Abschätzungen der Lage des Empfängers. Durch Berechnung von mehreren Stellen der Punkte, die einander schneiden, kann eine präzisere Bestimmung der Lage des Empfängers vorgenommen werden.
  • US-A-4 578 678 beschreibt einen stark dynamischen Empfänger eines globalen Positionsbestimmungssystems bzw. GPS-Systems. Ein GPS-Empfänger mit einer Anzahl von Kanälen, einen für jeden von einer Vielzahl von Satelliten, empfängt eine Zusammensetzung von zeitaufgeteilten modulierten Pseudobereichscodesignalen (time division modulated) von einigen oder von allen Satelliten und wandelt die Zusammensetzung in ein Grundband und dann in eine digitale Form um, und zwar zur getrennten Verarbeitung in den getrennten Kanälen, wobei jeder davon einen komplexen Mischer zur Einstellung des Grundbandsignals auf eine glatte Abschätzung der Frequenz ω aufweist, und zwar für das nächste Messungsintervall und einen N-Lag-Kreuzkorrelator, der ein Abbild des Pseudobereichcodes empfängt, und zwar zur Einstellung für eine geglättete Abschätzung des Pseudobereiches (Verzögerung), τ. Ein Prozessor für eine schnelle Fouriertransformation bzw. ein FFT-Prozessor (FFT = fast fourier transform) berechnet die Signalenergie als eine Funktion der Doppler-Frequenz für jede Korrelationsverzögerung, und eine Bereichs- und Frequenzabschätzvorrichtung berechnet Ab schätzungen des Pseudobereiches τ und der Frequenz ω. Diese rohen bzw. groben Abschätzungen von allen Kanälen werden verwendet, um die Empfängerposition, die Geschwindigkeit, die Taktversetzung und die Taktratenversetzung in einer herkömmlichen Navigations- und Steuereinheit abzuschätzen, und basierend auf der Gesamtlösung berechnet diese Einheit geglättete Abschätzungen τ und ω für das nächste gemessene Intervall. Die geglätteten Abschätzungen basieren somit auf der Gesamtlösung und nicht nur auf getrennten Abschätzungen der Satelliten und zwar alles ohne Anwendung irgend einer phasenverriegelten Schleife bzw. PLL (PLL = phaselocked loop).
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein in einer Maschine eingerichtetes Verfahren vorgesehen, um eine Referenzzeit zu bestimmen, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem nach Anspruch 1 assoziiert ist.
  • Gemäß eines zweiten Aspektes ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Referenzzeit vorgesehen, die mit dem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, und zwar nach Anspruch 27.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Referenzzeit, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, wird beschrieben. Sobald sie bestimmt wurde, kann die Referenzzeit verwendet werden, um andere Navigationsinformationen zu bestimmen. Solche Navigationsinformationen können beispielsweise die Lage/Position eines Satellitenpositionsbestimmungssystemempfängers (SPS-Empfängers, SPS = satellite positioning system) aufweisen. Eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem SPS-Empfänger und einem Satz von einem oder mehreren Satelliten wird verwendet, um eine Versetzung zwischen dem Zeitpunkt zu bestimmen, wie von dem SPS-Empfänger angezeigt, und der Referenzzeit. Eine Fehler statistik kann auch verwendet werden, um die Referenzzeit zu bestimmen. Alternativ werden zwei Aufzeichnungen, die jeweils zumindest einen Teil einer Satellitennachricht darstellen, verglichen, um die Zeit zu bestimmen. Bei einer Einrichtung ist der SPS-Empfänger mobil und arbeitet in Verbindung mit einer Basisstation, um die Zeit und/oder andere Navigationsinformationen gemäß eines beschriebenen Verfahrens oder gemäß einer Kombination der beschriebenen Verfahren zu bestimmen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A zeigt ein Beispiel eines kombinierten mobilen GPS-Empfängers und eines Kommunikationssystems;
  • 1B veranschaulicht genauer den RF/IF-Wandler 7 und den Frequenzsynthesizer 16 der 1A;
  • 2 ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren veranschaulicht, um die relative Satellitengeschwindigkeit zur Zeitbestimmung bei einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu verwenden, wie bei einem mobilen SPS-Empfänger verwendet werden kann, der mit einem mobilen Kommunikationsempfänger und -sender kombiniert ist, wie beispielsweise in 1A gezeigt;
  • 3A ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren veranschaulicht, um eine Fehlerstatistik zu verwenden, um die Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu bestimmen;
  • 3B ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren zur Anwendung einer Einheitsvarianzfehlerstatistik bei dem Verfahren 300 der 3A anzuwenden, um eine Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu bestimmen;
  • 4A und 4B bilden ein Beispiel von Einheitsvarianzeinpassungen für einen Satz von Bereichsabschätzungen ab;
  • 5 zeigt ein verallgemeinertes Verfahren zur Bestimmung einer Zeit, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, und zwar basierend auf dem Vergleich einer ersten und einer zweiten Aufzeichnung einer Satellitendatennachricht, und welche bei einem mobilen SPS-Empfänger verwendet werden kann, der mit einem mobilen Kommunikationsempfänger und -sender kombiniert werden kann, wie beispielsweise mit jenem, der in 1A gezeigt ist;
  • 6 veranschaulicht weiterhin detailliert ein Verfahren 620 zur Messung der Zeit bezüglich Satellitendatennachrichten zur Anwendung in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem;
  • 7A veranschaulicht eine Basisstation; 7B veranschaulicht eine Basisstation;
  • 8 veranschaulicht ein System, welches einen SPS-Empfänger, eine Funktelefoneinrichtung, eine Basisstation, das Internet und ein Client-Computersystem aufweist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Messung einer Zeit bezüglich Satellitendatennachrichten zur Anwendung bei Satellitenpositionsbestimmungssystemen werden unten beschrieben. Ein Teil der Besprechung der Erfindung konzentriert sich auf das globale Positionsbestimmungssatellitensystem (GPS-System, GPS = Global Positioning System) der Vereinigten Staaten. Es sollte jedoch offensichtlich sein, daß diese Verfahren gleichfalls auf ähnliche Satellitenpositionsbestimmungssysteme anwendbar sind, wie beispielsweise das russische Glonass-System. Darüber hinaus wird klar sein, daß die Lehre der vorliegenden Erfindung gleichfalls auf Positionsbestimmungssysteme anwendbar ist, die Pseudoliten oder eine Kombination von Satelliten und Pseudoliten verwenden. Darüber hinaus sind die verschiedenen Architekturen für die Basisstationen und die mobilen SPS-Empfänger eher zu veranschaulichenden Zwecken vorgesehen, als daß sie als Einschränkungen für die vorliegende Erfindung angesehen werden sollen.
  • Verwendung der Satellitengeschwindigkeit für die Zeitbestimmung
  • 2 ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren veranschaulicht, um die relative Satellitengeschwindigkeit zur Zeitbestimmung in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu verwenden, wie dies mit einem mobilen SPS-Empfänger verwendet werden kann, der mit einem mobilen Kommunikationsempfänger und -sender kombiniert ist, wie beispielsweise in 1A gezeigt. Bei dem in 2 gezeigten Verfahren 200 schätzt eine Einheit, wie beispielsweise ein mobiler SPS-Empfänger 100, der in 1A gezeigt ist, seine Position bezüglich eines Satzes von einem oder mehreren Satelliten im Schritt 202 ab. Der SPS-Empfänger kann einen Satz von Pseudobereichen zu einem Satz von Satelliten basierend auf Signalen bestimmen, die von den Satelliten übertragen werden. Als solches wird irgend eine Bereichs- oder Positionsabschätzung durch den SPS-Empfänger typischerweise eine Versetzung relativ zu einer tatsächlichen Position oder einem tatsächlichen Bereich (Entfernung) versetzt sein, und zwar aufgrund einer Versetzung zwischen der Zeit der Messung, wie durch die Uhr des SPS-Empfängers vorgesehen, und einer Referenzzeit.
  • In einem Schritt 204 empfängt eine Basisstation, wie beispielsweise die in 7A gezeigte Basisstation Informationsabschätzungen von dem SPS-Empfänger. Beispielsweise kann die Informationsabschätzung eine Darstellung der Pseudobereichsmessungen aufweisen, wie mit einer Abschätzung der Zeit der Messung durch den SPS-Empfänger assoziiert. Beispielsweise kann der Pseudobereich unter Verwendung der Zeit bestimmt werden, wie sie durch den Takt bzw. die Uhr des SPS-Empfängers angezeigt wird. Wie oben bemerkt, kann ohne Kenntnis der Satellitenposition zu einem exakten Zeitpunkt relativ zu einer genauen Referenzzeit der SPS-Empfänger nur auf eine Abschätzung/Annäherung seiner Position eingeschränkt sein, was die Versetzung zu der tatsächlichen Distanz aufgrund irgend einer Versetzung oder eines Zeitfehlers sein kann.
  • Im Schritt 206 bestimmt die Basisstation die Zeitversetzung, die mit der Bereichs- oder Positionsabschätzung des SPS-Empfängers assoziiert ist, wie durch die Informationsabschätzung dargestellt, die an die Basisstation durch den SPS-Empfänger geliefert wurde, und zwar basierend auf einer Abschätzung der relativen Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten. Bei einer Anordnung stellt die Relativgeschwindigkeit von jedem des Satzes von Satelliten eine ungefähre Relativgeschwindigkeit zwischen den Satelliten und dem mobilen SPS-Empfänger dar. Ein Verfahren zur Anwendung von relativen Satellitengeschwindigkeiten zur Bestimmung einer Zeitversetzung zwischen einer Meßzeit eines SPS-Empfängers und einer Referenzzeit (beispielsweise der GPS-Systemzeit) wird unten mit Bezugnahme auf die Matrixgleichung (4) beschrieben.
  • Schließlich liefert im Schritt 208 die Basisstation verbesserte Navigationsinformationen, wie beispielsweise die Zeit, die Position, die Geschwindigkeit usw. an den SPS-Empfänger. Die verbesserte Navigationsinformation basiert auf einer Bestimmung der Versetzung (oder einer Annäherung davon), um zu bestimmen, zu welchem Zeitpunkt, relativ zur Referenzzeit, welche Position, welcher Bereich oder welche andere Information abgeschätzt oder durch den mobilen SPS-Empfänger gemessen wurde. Alternativ kann die Basisstation nicht die verbesserten Navigationsinformationen an den SPS-Empfänger liefern. Beispielsweise können solche Informationen gespeichert werden und können zu einer anderen Einheit über eine Datenkommunikationsverbindung geliefert werden, die mit Drähten oder drahtlos sein kann, usw..
  • Tabelle 1 zeigt wie und durch welche Vorrichtungen) einige der oben erwähnten Größen bestimmt werden, und zwar gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • Tabelle 1
    Figure 00110001
  • Bei einer Anordnung wird eine Pseudobereichsmatrixgleichung (4), wie unten gezeigt, bezüglich des Fehlers/der Versetzung der Zeit zwischen der abgeschätzten Zeit, die mit der Zeit einer Messung bei dem mobilen SPS-Empfänger assoziiert ist, und der Referenzzeit aufgelöst. Eine solche Auflösung kann basieren auf der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Satz von Satelliten, die verwendet wird, um die Position des mobilen SPS- Empfängers abzuschätzen, und dem mobilen SPS-Empfänger selbst. Für fünf Messungen kann die modifizierte Matrixgleichung (4) wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure 00120001
    wobei gilt:
    ΔPri ist das Pseudobereichsresiduum für den i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4, 5) und stellt eine Differenz zwischen dem gemessenen Pseudobereich und einem anfänglichen abgeschätzten Bereich bis zum i-ten Satelliten dar (bekannt);
    uxi, uyi und uzi sind die Richtungscosini des Richtlinienvektors (LOS-Vektors, LOS = line-of-sight) vom Empfänger zum i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4, 5), wie entlang den x-, y- und z-Koordinatenachsen projiziert (bekannt);
    sv_range_ratei ist die relative Geschwindigkeit zwischen dem i-ten Satelliten (i = 1, 2, 3, 4, 5) und einer Einheit (beispielsweise einem mobilen SPS-Empfänger) (bekannt);
    Δx, Δy, Δz und Δcb sind die Korrekturen der anfänglichen Abschätzungen der Koordinaten/Position und des Taktes bzw. der Uhr des Empfängers (unbekannt);
    Δt ist die Versetzung in der Zeitmessung, die bei einer Anordnung die Differenz (oder Versetzung) zwischen der abgeschätzten Zeit, bei der die Pseudobereichsmessungen ausgeführt wurden, und einer Referenzzeit darstellt (beispielsweise der GPS-Systemzeit, eine Zeit basierend auf der GPS-Systemzeit, usw.) (unbekannt).
  • Die obige Matrixgleichung (4) kann aufgelöst werden, um eine einzige Lösung zu erhalten, die zu den Pseudobereichsmessungen "paßt", die zu einem speziellen Zeitpunkt aufgenommen wurden. Aus der Lösung der Matrixgleichung (4) sieht Δt die Grobkorrektur bzw. Coarse-Korrektur vor, und Δcb liefert die Feinkorrektur für die anfängliche Abschätzung der Zeit, bei der die Pseudobereiche bestimmt werden. Somit kann eine Versetzung, die in der Größenordnung von einer Millisekunde oder mehr liegen kann, zwischen einer Referenzzeit (beispielsweise einer GPS-Systemzeit) und der abgeschätzten Zeit, bei der eine Einheit ihre Lage und/oder jene eines Satzes von Satelliten schätzt, basierend auf der Relativgeschwindigkeit des Satzes von Satelliten bestimmt werden.
  • Obwohl nicht notwendigerweise immer der Fall, weist die Matrixgleichung (4) gewöhnlicherweise fünf unbekannte Werte auf: Δx, Δy, ΔZ, Δcb und Δt. Somit sollten, außer wenn irgend welche dieser unbekannten Werte zum Zeitpunkt der Messung bekannt sind, fünf (oder mehr) unabhängige Pseudobereichsmessungen typischerweise berücksichtigt werden, um nach einer einzigen Lösung für die unbekannten Werte aufzulösen.
  • Im allgemeinen ist die Genauigkeit der Matrixgleichung (4) zumindest teilweise von der Genauigkeit der Relativgeschwindigkeit von jedem der Satelliten abhängig (sv_range_ratei). Weiterhin können Fehler bei den anfänglichen Positions- und Zeitabschätzungen, die verwendet werden, um die Sichtlinienvektoren (LOS-Vektoren) von jedem Satelliten zu einer Einheit zu berechnen, wie beispielsweise zu einem mobilen SPS-Empfänger, Fehler in den Geschwindigkeitsabschätzungen von jedem Satellit bewirken. Somit können Zelleneinrichtungslageinformationen verwendet werden, um eine anfängliche Abschätzung der Lage des SPS-Empfängers zu bestimmen. Weiterhin kann die Matrixgleichung (4) iterativ gelöst werden, und zwar durch erneute Berechnung der Geschwindigkeiten von einem oder mehreren des Satzes von Satelliten, und zwar mit verbesserten Positionsabschätzungen von der Einheit. Als solches kann jede Iteration fünf Verbesserungen liefern: drei in der räumlichen Domäne bzw. im räumlichen Bereich oder in der Position/Entfernung (Δx, Δy, Δz), und zwei Verbesserungen in der Zeitdomäne bzw. im Zeitbereich (Δcb und Δt).
  • Bei Anordnungen, wo die Geschwindigkeit des mobilen SPS-Empfängers bekannt ist, können Doppler-Messungen verwendet werden, um die Zeit zu bestimmen. In diesem Fall wird der Geschwindigkeitsfehler a posteriori, d. h. von hinten, unter Verwendung von Doppler-Informationen zur Bestimmung der Zeit minimiert. Der Geschwindigkeitsfehler stellt in diesem Fall die Differenz zwischen einer berechneten Geschwindigkeit für den mobilen SPS-Empfänger (die unter Verwendung von verschiedenen Verfahren berechnet werden kann, einschließlich der Matrixgleichung (4) oben, oder des unten beschriebenen statistischen Fehlerverfahrens) und der bekannten Geschwindigkeit des mobilen SPS-Empfängers dar. Durch Minimierung eines solchen Fehlers kann die interessante Zeit bestimmt werden. Wenn beispielsweise der mobile SPS-Empfänger stationär ist (d. h. die Geschwindigkeit Null ist) kann ein Satz von Lösungen unter Verwendung von mehreren Annäherungen für die Messungszeit relativ zu einer Referenzzeit berechnet werden. Die Lösungen entsprechend einer Geschwindigkeit von Null wären die beste Annäherung an die Referenzzeit, die dann verwendet werden kann, um die Position des mobilen SPS-Empfängers und/oder andere Navigationsinformationen zu bestimmen. Die Hilfe der Höhe, das dead reckoning (d. h. die Einschränkung der Geschwindigkeit auf eine bekannte Richtung) oder andere Techniken können ebenfalls eingesetzt werden, um die Anwendung der Relativgeschwindigkeit des SPS-Empfängers und des Satzes von einem oder mehreren Satelliten zu verbessern oder zu vereinfachen, um die Zeit und/oder andere Navigationsinformationen zu bestimmen.
  • Verwendung einer Fehlerstatistik zur Zeitbestimmung
  • Bei einer alternativen Anordnung wird eine Fehlerstatistik verwendet, um eine Referenzzeit zu bestimmen, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist. Eine Situation, in der diese Anordnung, nämlich die Bestimmung der Zeit basierend auf einer Fehlerstatistik, nützlich ist, ist wenn die Anzahl der Messungen (beispielsweise Pseudobereichsmessungen) die Anzahl von unbekannten Werten überschreitet (beispielsweise Δx, Δy, Δz, Δcb, usw.). Weiterhin kann die Fehlerstatistik in Verbindung mit anderen Techniken verwendet werden, um die Bestimmung der Zeit und/oder anderer Navigationsinformationen zu verbessern.
  • 3A ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren zur Anwendung einer Fehlerstatistik veranschaulicht, um die Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu bestimmen. Im Schritt 302 des in 3A gezeigten Verfahrens 300 schätzt eine Einheit, wie beispielsweise ein mobiler SPS-Empfänger, seinen Bereich oder seine Position relativ zu einem Satz von Satelliten bei einem Satz von Zeitpunkten, wobei einer oder mehrere des Satzes von Zeitpunkten mit einer abgeschätzten Messungszeit assoziiert sind, die von einer Referenzzeit versetzt ist. Eine solche Versetzung bzw. Verzögerung, wie oben erwähnt, kann aufgrund einer Versetzung zwischen der SPS-Empfängeruhr und -zeit, wie durch eine Referenzuhr bzw. einem Referenztakt angezeigt, sein, aufgrund einer Trift- bzw. Abweichung und/oder aufgrund von anderen Ungenauigkeiten in der SPS-Empfängeruhr, usw. Die Referenzzeit kann einer Zeit entsprechen, die mit dem Satellitenpositionsbestimmungssystems assoziiert ist, wie beispielsweise die GPS-Systemzeit.
  • In einem Schritt 304 wird jeder des Satzes von Zeitpunkten verändert durch weitere Addition oder Subtraktion einer Versetzung. Beispielsweise kann jede abgeschätzte Zeit der Messung, die mit jedem Bereich oder mit jeder Positionsabschätzung assoziiert ist, durch eine Versetzung zwischen –5 und +5 Sekunden verändert werden. Alternativ können andere Bereiche von Versetzungswerten addiert oder subtrahiert werden, um verschiedene Proben bzw. Aufnahmen für die Fehlerstatistik zu erhalten.
  • Im Schritt 306 wird eine Fehlerstatistik für den veränderten Satz von Zeitpunkten bestimmt (d. h. solche, zu denen eine Versetzung addiert wurde oder solche, von denen eine subtrahiert wurde). Schließlich wird im Schritt 308 die Referenzzeit (oder eine Annäherung daran) basierend auf dem Verhalten der Fehlerstatistik bestimmt. Bei einer Anordnung, wie sie weiter unten mit Bezug auf 3B beschrieben wird, weist die Fehlerstatistik die Bestimmung einer Einheitsvarianzverteilung von Pseudoresidualwerten auf. In dieser Anordnung entspricht eine lineare Abweichung der Einheitsvarianz typischerweise einer linearen Abweichung in den räumlichen (x, y, z) und zeitlichen (Δt) Domänen. Durch Optimierung der verwendeten Fehlerstatistik, die im Fall einer Einheitsvarianz einem minimalen Wert der Einheitsvarianz entsprechen würde, könnte eine Zeit bestimmt werden, die sich der gesuchten Referenzzeit annähert. Die Anwendung der Einheitsvarianz mit Bezug auf Bereichs- oder Positionsabschätzungsfehler/Versetzungen wird weiter unten mit Bezug auf 3B beschrieben.
  • 3B ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren zur Verwendung einer Einheitsvarianzfehlerstatistik in dem Verfahren 300 der 3A veranschaulicht, um eine Referenzzeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem zu bestimmen.
  • Insbesondere bildet 3B eine Verwirklichung des Schrittes 306 der 3A ab. Im Schritt 310 wird eine Einheitsvarianz für den veränderten Satz von Zeitpunkten bestimmt. Die Einheitsvarianz kann wie folgt definiert werden:
    Figure 00160001
    wobei gilt:
    vT ist der transponierte Vektor von Pseudobereichsresiduen a posteriori;
    W ist ein Gewichtungsfaktor, der eine Gewichtungsbeobachtungsmatrix darstellt. In einer Anordnung wird kein Gewichtungsfaktor verwendet, was im allgemeinen dem äquivalent ist, daß man eine Gewichtungsmatrix auf die Identitätsmatrix setzt bzw. einstellt; und
    n ist die Anzahl der Messungen; und
    m ist eine Anzahl von Unbekannten.
  • Somit stellt die Einheitsvarianz hauptsächlich die gewichtete (oder ungewichtete) Summe der Quadrate der Pseudobereichsresidualwerte dar. Der Nenner der Einheitsvarianzgleichung (5) stellt die Zahl der Freiheitsgrade dar.
  • Im Schritt 312 wird eine Polynomeinpassung für die Einheitsvarianz bestimmt. Es kann gezeigt werden, daß für die normal verteilten Pseudobereichsresiduen der erwartete Wert der Einheitsvarianz eins ist, und daß die Verteilung die Chi-Quadrat-Verteilung mit (n-m) Freiheitsgraden ist. Jedoch können in manchen Fällen die einzelnen Einheitsvarianzwerte auch gleich Null sein, was einer perfekten Einpassung einer Position oder Zeit entspricht, die für den SPS-Empfänger fest ist. Somit sollten die Messungen (beispielsweise Pseudobereiche, Pseudobereichsresiduen, usw.) für die statistisch optimale Positionsfestlegung im allgemeinen die Einheitsvarianz minimieren (idealer Weise auf einem Wert nahe Null). Anders gesagt, wenn die Einheitsvarianz für einen Satz von Bereichs- oder Positionsabschätzungen minimiert wird, kann eine "beste Einpassung" (oder Lösung) im Raum und/oder in der Zeit erhalten werden.
  • Die 4A und 4B bilden ein Beispiel von Einheitsvarianzeinpassungen für einen Satz von Bereichsabschätzungen ab. Wenn eine Verteilung der Einheitsvarianzfehlerstatistik (als eine Funktion der Zeitversetzung), wie beispielsweise die in 4A gezeigte, erhalten wird, können zwei lineare Anpassungen berechnet werden - eine für positive Versetzungen und eine für negative. Der Neigungspunkt, wo sich die zwei Linien schneiden, sieht eine Annäherung an die Referenzzeit vor. Es sei bemerkt, daß verschiedene wohl bekannte Arten von Polynomeinpassungen für die Einheitsvarianzdaten verwendet werden könnten, und auch um das lokale Minimum der Einheitsvarianzverteilung und wiederum der interessanten Referenzzeit zu bestimmen.
  • 4B ist eine vergrößerte Abbildung des Einheitsvarianzverteilungsbeispiels, welches in 4A gezeigt ist. Als solches ist die Zeitversetzungsskala der 4B kleiner als jene der 4A. Es sei aus dem Beispiel der 4B bemerkt, daß der Schnitt oder der Minimumpunkt Einheitsvarianzeinpassung nicht notwendigerweise genau einer Zeitversetzung von Null entsprechen kann. Auf jeden Fall kann die Einheitsvarianz eine ausreichend genaue Abschätzung der Position eines SPS-Empfängers und/oder einer interessanten Referenzzeit vorsehen, wie beispielsweise der GPS-Systemzeit.
  • Es sei bemerkt, daß andere Fehlerstatistiken verwendet werden könnten, um eine "Einpassung" zu erhalten, die eine Annäherung an eine Referenzzeit vorsieht. Weiterhin kann das mit Bezug auf die 3A und 3B beschriebene Verfahren durch eine Kombination eines mobilen SPS-Empfängers und einer Basisstation ausgeführt werden, oder exklusiv durch jede Einheit. Beispielsweise kann die Basisstation einen Satz von Bereichsabschätzungen empfangen (beispielsweise Pseudobereichswerte) von dem mobilen SPS-Empfänger, und sie kann die Zeit, die Position oder andere Navigationsinformationen des Empfängers basierend auf einer Fehlerstatistik bestimmen, wie beispielsweise der Einheitsvarianz. Optional kann die Basisstation die Navigationsinformationen liefern oder Informationen, die zumindest teilweise darauf basieren, und zwar zu dem mobilen SPS-Empfänger oder irgend einer anderen Einheit. In diesem Fall kann der SPS-Empfänger basierend auf diesen Informationen und/oder anderen Informationen seine Zeit, seine Position und/oder andere Navigationsinformationen bestimmen.
  • Wie oben gezeigt, können die Relativgeschwindigkeit und eine Fehlerstatistik (beispielsweise die Einheitsvarianz, die mit den Pseudobereichsresiduen assoziiert ist) getrennt oder in Verbindung verwendet werden, um die Zeit zu bestimmen, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist. Weiterhin kann eine Auswahl, welches Verfahren zu verwenden ist, gemäß einer vorbestimmten Bedingung ausgeführt werden, wie beispielsweise gemäß der verfügbaren Daten, gemäß der Qualität der Signale, der Anzahl/Beabstandung der Satelliten, bezüglich des Bereiches zwischen einem oder mehreren Satelliten und dem Empfänger, usw. Alternativ können beide Verfahren ausgeführt werden, und das optimale Ergebnis für die Lösung der Zeit, der Position oder für irgend eine andere Navigationsinformation kann basierend auf der Minimierung der Ungenauigkeit ausgewählt werden.
  • Gemäß noch einer weiteren Anordnung werden ein Verfahren oder eine Kombination der oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Zeit in einem Satellitenpositionsbestimmungssystem mit einem anderen Verfahren und mit Vorrichtungen zur Zeitbestimmung kombiniert, wie im Detail im US-Patent Nr. 5 812 087 beschrieben, welches am 3. Februar 1997 eingereicht wurde, und welches betitelt ist "Method an Apparatus for Satellite Positioning System Based Time Measurement" (Verfahren und Vorrichtung für eine Zeitmessung basierend auf einem Satellitenpositionsbestimmungssystem). Wie im Detail in dem erwähnten Patent beschrieben, kann die Zeit bestimmt werden durch Vergleich einer Aufzeichnung einer Satellitendatennachricht, die von einer Einheit empfangen wurde, wie beispielsweise von einem mobilen SPS-Empfänger, und zwar mit einer weiteren Aufzeichnung, von der man annimmt, daß sie fehlerfrei ist. Aus einem solchen Vergleich kann die Zeit bestimmt werden, wie es im allgemeinen unten mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben wird, und wie es weiter genauer in dem oben erwähnten US-Patent 5 812 087 beschrieben wird.
  • 5 zeigt ein verallgemeinertes Verfahren zur Bestimmung der Zeit, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, und zwar basierend auf einem Vergleich einer ersten und einer zweiten Aufzeichnung einer Satellitendatennachricht, und welches mit einem mobilen SPS-Empfänger verwendet werden kann, der mit einem mobilen Kommunikati onsempfänger und -sender kombiniert ist, wie beispielsweise mit jenem, der in 1A gezeigt ist. Das unten mit Bezug auf die 5 und 6 beschriebene Verfahren kann mit einer oder mit einer Kombination der oben beschriebenen Techniken der Zeitbestimmung basierend auf der Relativgeschwindigkeit und/oder einer Fehlerstatistikbestimmung kombiniert werden. Der mobile GPS-Empfänger 100, der in 1A gezeigt ist, nimmt die Satellitendatennachricht auf, wie beispielsweise die Ephemeride, und erzeugt eine Aufzeichnung der Nachricht im Schritt 501. Als nächstes überträgt bei diesem Verfahren 500 der entfernte oder mobile GPS-Empfänger diese Aufzeichnung an eine Basisstation, wie beispielsweise die Basisstation, die in den 7A oder 7B gezeigt ist, und zwar im Schritt 503. Diese Aufzeichnung ist typischerweise eine gewisse Darstellung der Satellitendatennachricht, die von dem mobilen SPS-Empfänger empfangen wurde. Im Schritt 505 vergleicht die Basisstation die Aufzeichnung, die von dem mobilen SPS-Empfänger übertragen wurde, mit einer weiteren Aufzeichnung, die als eine Referenzaufzeichnung der Satellitennavigationsnachricht angesehen werden kann. Diese Referenzaufzeichnung hat assoziierte Zeitwerte, in denen verschiedene Segmente der Satellitendatennachricht damit assoziierte "Referenzzeiten" festgelegt haben. Im Schritt 507 bestimmt die Basisstation die Zeit der Aufnahme der Satellitendatennachricht durch den mobilen GPS-Empfänger. Diese Bestimmung basiert auf einem Zeitwert, der mit der Referenzaufzeichnung assoziiert ist, und wird im allgemeinen die Zeit anzeigen, zu der die Aufzeichnung durch den mobilen GPS-Empfänger empfangen wurde.
  • 6 veranschaulicht noch genauer ein Verfahren 620 zur Messung der Zeit bezüglich der Satellitendatennachrichten zur Anwendung bei einem Satellitenpositionsbestimmungssystem. Der mobile oder entfernte GPS-Empfänger nimmt im Schritt 621 GPS-Signale auf und bestimmt Pseudobereiche von diesen aufgenommenen GPS-Signalen. Im Schritt 623 entfernt der mobile GPS-Empfänger die PN-Daten und erzeugt eine Aufzeichnung der Satellitendatennachricht aus den aufgenommenen GPS-Signalen, die verwendet wird, um die Pseudobereiche zu erzeugen oder zu bestimmen.
  • Diese Aufzeichnung ist typischerweise eine gewisse Darstellung der Satellitennavigationsnachricht in den aufgenommenen GPS-Signalen und stellt typischerweise eine Abschätzung der Daten dar. In dem Schritt 625 überträgt der mobile GPS-Empfänger die Aufzeichnung und die bestimmten Pseudobereiche zu einer Basisstation, wie beispielsweise zu der Basisstation, die in den 7A oder 7B gezeigt ist.
  • Im Schritt 627 führt die Basisstation eine Kreuzkorrelation der Aufzeichnung aus, die von dem mobilen GPS-Empfänger übertragen wurde, und zwar zu einer Referenzaufzeichnung der Navigationsnachricht des Satzes von Satelliten. Diese Referenzaufzeichnung weist typischerweise einen genauen Zeitstempel auf, der mit den Daten in der Referenzaufzeichnung assoziiert ist (beispielsweise hat jedes Bit der Daten in der Referenzaufzeichnung einen assoziierten Zeitwert oder "Stempel"), und dieser Zeitstempel wird verwendet werden, um die Empfangszeit der ursprünglich aufgenommenen GPS-Signale durch den mobilen GPS-Empfänger zu bestimmen. Im allgemeinen überlappen die Aufzeichnung, die von dem mobilen GPS-Empfänger übertragen wurde, und die Referenzaufzeichnung teilweise bezüglich der Zeit.
  • Im Schritt 629 bestimmt die Basisstation aus dem Kreuzkorrelationsvorgang die Zeit der Aufnahme der aufgenommenen GPS-Signale durch den entfernten GPS-Empfänger. Die Basisstation verwendet dann im Schritt 631 die Zeit der Aufnahme der GPS-Signale durch den entfernten GPS-Empfänger und verwendet die bestimmten Pseudobereiche zur Bestimmung einer Positionsinformation, die eine Breite und eine Länge des entfernten/mobilen GPS-Empfängers sein können. Die Basisstation kann im Schritt 633 dieser Positionsinformationen des entfernten GPS-Empfängers zu einer anderen Einheit übertragen, wie beispielsweise zu einem Computersystem, welches durch ein Netzwerk mit der Basisstation gekoppelt ist, wie beispielsweise durch das Internet oder durch ein Intranet.
  • Hardwareübersicht
  • 1A zeigt ein Beispiel eines kombinierten mobilen GPS-Empfängers und eines Kommunikationssystems, welches mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Dieses kombinierte GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 100 ist im Detail im US-Patent Nr. 6 002 363 beschrieben worden, welches am 23. Mai 1996 eingereicht wurde und betitelt ist "Combined GPS Positioning System and Communication System Utilizing Shared Circuitry" (kombiniertes GPS-Positionsbestimmungssystem und Kommunikationssystem, welches gemeinsame Schaltungen verwendet). 1B veranschaulicht genauer den RF/IF-Wandler 7 und den Frequenzsynthesizer 16 der 1A. Diese Komponenten, die in 1B gezeigt sind, werden auch im US-Patent Nr. 6 002 363 beschrieben.
  • Das mobile GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 100, das in 1A gezeigt ist, kann konfiguriert sein, um eine spezielle Form einer Digitalsignalverarbeitung bei gespeicherten GPS-Signalen derart auszuführen, daß der Empfänger eine sehr hohe Empfindlichkeit hat. Dies wird weiter beschrieben im US-Patent Nr. 5 663 734, welches am 2. September 1997 ausgegeben wurde und betitelt ist "GPS Receiver and Method for Processing GPS Signals" (GPS-Empfänger und Verfahren zur Verarbeitung von GPS-Signalen). Dieser Verarbeitungsvorgang, der in dem US-Patent Nr. 5 663 734 beschrieben wird, berechnet typischerweise eine Vielzahl von Zwischenfaltungen in dem digitalen Speicher und verwendet dann diese Zwischenfaltungen, um mindestens einen Pseudobereich vorzusehen. Das kombinierte GPS- und Kommunikationssystem 100, welches in 1A gezeigt ist, kann auch gewisse Frequenzstabilisierungs- oder Frequenzkalibrierungstechniken aufweisen, um weiter die Empfindlichkeit und die Genauigkeit des GPS-Empfängers zu verbessern. Diese Techniken werden beschrieben im US-Patent Nr. 5 841 396, welches am 4. Dezember 1996 eingereicht wurde und betitelt ist mit "An Improved GPS Receiver Utilizing a Communication Link" (Verbesserter GPS-Empfänger, der eine Kommunikationsverbindung verwendet).
  • Anstatt im Detail den Betrieb des kombinierten mobilen GPS-Empfängerund Kommunikationssystems 100 zu beschreiben, welches in 1A gezeigt ist, wird hier eine kurze Zusammenfassung vorgesehen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel wird das mobile GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 100 einen Befehl von einer Basisstation empfangen, wie beispielsweise von der Basisstation 17, welche irgend eine der Basisstationen sein kann, die entweder in der 7A oder in der 7B gezeigt sind. Dieser Befehl wird auf der Kommunikationsantenne 2 empfangen, und der Befehl wird als eine digitale Nachricht verarbeitet und in dem Speicher 9 durch den Prozessor 10 gespeichert. Der Speicher 9 könnte erweitert werden, um ein Arbeitsspeicher bzw. random access memory bzw. RAM zur Speicherung von Befehlen, Daten und/oder "Schnappschußinformationen" zu sein. Der Prozessor 10 bestimmt, daß die Nachricht ein Befehl ist, eine Positionsinformation an die Basisstation zu liefern, und dies bewirkt, daß der Prozessor 10 den GPS-Teil des Systems aktiviert, der zumindest teilweise gemeinsam mit dem Kommunikationssystem verwendet werden kann. Dies umfaßt beispielsweise die Einstellung des Schalters 6, so daß der RF/IF-Wandler 7 GPS-Signale von der GPS-Antenne 1 empfängt, und nicht Kommunikationssignale von der Kommunikationsantenne 2. Dann werden die GPS-Signale empfangen, digitalisiert und in dem digitalen Speicher 9 gespeichert, und können gemäß der Digitalsignalverarbeitungstechniken verarbeitet werden, die im US-Patent Nr. 5 663 734 beschrieben werden. Das Ergebnis dieser Verarbeitung kann typischerweise eine Vielzahl von Pseudobereichen für einen Satz von Satelliten "im Blickfeld" aufweisen, und diese Pseudobereiche oder Daten basierend darauf können dann zurück zur Basisstation durch die Verarbeitungskomponente 10 übertragen werden, und zwar durch Aktivierung des Übertragungsteils bzw. Senderteils und durch Übertragung der Pseudobereiche zurück zur Basisstation über die Kommunikationsantenne 2.
  • Die Basisstation 17, die in 1A gezeigt ist, kann direkt mit der entfernten Vorrichtung durch eine drahtlose Kommunikationsverbindung gekoppelt sein, oder kann, wie in 8 gezeigt, mit der entfernten Vorrichtung durch eine Funktelefoneinrichtung gekoppelt sein, die eine verdrahtete Kommunikationsverbindung zwischen der Telefoneinrichtung und der Basisstation vorsieht. Die 7A und 7B veranschaulichen Beispiele von diesen zwei möglichen Basisstationen.
  • Die Basisstation 701, die in 7A veranschaulicht ist, kann als autonome Einheit wirken, indem sie eine drahtlose Verbindung zu den mobilen GPS-Empfängern und von diesen vorsieht, und durch Verarbeitung von empfangenen Pseudobereichen. Entsprechend einer oder einer Kombination der oben beschriebenen Anordnungen kann die Basisstation 701 die Pseudobereiche verarbeiten, um die Zeit zu bestimmen, und zwar unter Verwendung der relativen Geschwindigkeit der Satelliten, unter Verwendung einer Fehlerstatistik und/oder unter Verwendung eines Vergleichs der Satellitendatennachrichtenaufzeichnungen. Die Basisstation 701 kann Anwendung dort finden, wo die Basisstation in einem U-Bahnbereich gelegen ist, und alle mobilen GPS-Empfänger, die zu verfolgen sind, in ähnlicher Weise in dem U-Bahnbereich gelegen sind. Beispielsweise kann die Basisstation 701 für Polizeikräfte oder Rettungsdienste eingesetzt werden, um Personen zu verfolgen, die die mobilen GPS-Empfänger tragen oder verwenden. Typischerweise werden die Sender- und Empfängerelemente 709 bzw. 711 zu einer einzigen Sender/Empfänger-Einheit verschmolzen werden und eine einzige Antenne haben. Jedoch sind diese Komponenten getrennt gezeigt worden, da sie auch getrennt existieren können. Der Sender 709 wirkt dahingehend, daß er Befehle und/oder Navigationsinformationen zu den mobilen GPS-Empfängern durch die Senderantenne 710 liefert. Typischerweise ist der Sender 709 unter der Steuerung der Datenverarbeitungseinheit 705, die eine Anforderung von einem Anwender empfangen kann, daß die Verarbeitungseinheit die Stelle eines speziellen mobilen GPS-Empfängers bestimmt. Folglich würde die Datenverarbeitungseinheit 705 bewirken, daß der Befehl durch den Sender 709 zu dem mobilen GPS-Empfänger übertragen wird. Ansprechend darauf würde der mobile GPS-Empfänger zum Empfänger 711 die Pseudobereiche und assoziierten Zeitabschätzungen und/oder Satelli tendatennachrichtenaufzeichnungen (oder Teile davon) in einer Anordnung zurückübertragen, um von der Empfangsantenne 712 empfangen zu werden. Der Empfänger 711 empfängt diese Informationen von dem mobilen GPS-Empfänger und liefert sie zu der Datenverarbeitungseinheit 705, die dann einen oder mehrere der oben beschriebenen Vorgänge ausführt, um die Zeit, die Position und/oder andere Navigationsinformationen zu bestimmen, die mit den Pseudobereichen assoziiert sind, die von dem mobilen GPS-Empfänger empfangen wurden. Wie oben mit Bezug auf das US-Patent Nr. 5 812 087 erwähnt, können solche Betriebsvorgänge die Satellitendatennachrichten mit einschließen, die von dem GPS-Empfänger 703 empfangen wurden, oder eine andere Quelle von qualitativ hochwertigen Referenzsatellitendatennachrichten. Dies wird weiter beschrieben in den oben erwähnten US-Patenten Nr. 6 002 363 und 5 841 396. Der GPS-Empfänger 703 kann die satellitenephemeriden Daten liefern, die mit den Pseudobereichen verwendet werden können, und die bestimmte Zeit, um eine Positionsinformation für den mobilen GPS-Empfänger zu berechnen. Der Massenspeicher 707 kann Satellitengeschwindigkeitsinformationen speichern, eine gespeicherte Version der Referenzaufzeichnung der Satellitendatennachrichten, die verwendet wird, um einen Vergleich mit den Aufzeichnungen aufzustellen, die von dem mobilen GPS-Empfänger empfangen wurden, weiter Fehlerstatistikanalyseroutinen gemäß einer oder mehrere der oben besprochenen Techniken und/oder andere Informationen zur Bestimmung der Zeit basierend auf den Pseudobereichen und irgend welchen anderen Informationen, die von dem mobilen GPS-Empfänger vorgesehen werden. Die Datenverarbeitungseinheit 705 kann mit einer optionalen Anzeige 715 gekoppelt sein und kann auch mit einem Massenspeicher 713 mit GIS-Programmen gekoppelt sein, die optional sind. Es wird klar sein, daß während diese getrennt abgebildet wurde, der Massenspeicher 713 der gleiche sein kann, wie der Massenspeicher 707, und zwar dahingehend, daß sie auf der gleichen Festplatte oder auf einer anderen Datenspeichervorrichtung bzw. einem Datenspeichermedium enthalten sind.
  • 7B veranschaulicht eine alternative Basisstation. Diese Basisstation 725 soll mit entfernten Übertragungs- und Empfangseinrichtungen gekoppelt sein, wie beispielsweise einer Funktelefoneinrichtung 855, wie in 8 gezeigt. Diese Basisstation 725 kann auch mit Client-Systemen bzw. abhängigen Systemen durch ein Netzwerk gekoppelt sein, wie beispielsweise durch das Internet oder durch ein Intranet, oder mit anderen Arten von Computernetzwerksystemen. Die Anwendung der Basisstation in dieser Weise wird weiter beschrieben im US-Patent Nr. 6 131 067, welches am 6 September 1996 eingereicht wurde und betitelt ist "Client-Server Based Remote Locator Device" (Client-Server-basierte entfernte Lagebestimmungsvorrichtung). Die Basis 725 kommuniziert mit einer mobilen GPS-Einheit, wie beispielsweise mit dem kombinierten mobilen GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 853, das in 8 gezeigt ist, und zwar durch die Funktelefoneinrichtung 855 und ihre entsprechende Antenne oder Antennen 857, wie in 8 gezeigt. Es wird klar sein, daß das kombinierte GPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 853 ähnlich dem System 100 sein wird, welches in 1A gezeigt ist.
  • Die Basisstation 725, wie sie in 7B gezeigt ist, weist einen Prozessor 727 auf, der ein herkömmlicher Mikroprozessor sein kann, der durch einen Bus 730 mit dem Hauptspeicher 729 gekoppelt ist, der ein Arbeitsspeicher bzw. RAM (RAM = random access memory) sein kann. Die Basisstation 725 weist weiter andere Eingabe- und Ausgabevorrichtungen auf, wie beispielsweise Tastaturen, Mäuse und Anzeigen 735 und assoziierte I/O- bzw. Eingabe/Ausgabe-Steuervorrichtungen, die über den Bus 730 mit dem Prozessor 727 und mit dem Speicher 729 gekoppelt sind. Eine Massenspeichervorrichtung 733, wie beispielsweise eine Festplatte oder eine CD-Rom, oder andere Massenspeichervorrichtungen, ist mit verschiedenen Komponenten des Systems gekoppelt, wie beispielsweise mit dem Prozessor 727, und zwar durch den Bus 730. Eine Eingabe/Ausgabe-(I/O-)Vorrichtung 731, die dazu dient, eine Eingabe/Ausgabe-Funktion zwischen dem GPS-Empfänger oder einer anderen Quelle von Satellitendatennachrichten vorzusehen, ist ebenfalls mit dem Bus 730 gekoppelt. Diese Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 731 kann Satellitendatennachrichten von einem GPS-Empfänger empfangen (beispielsweise von dem in 7A gezeigten GPS-Empfänger 703) und liefert sie über den Bus 730 zum Prozessor, der, gemäß einer der oben beschriebenen Anordnungen bewirken kann, daß an ihnen ein Zeitstempel aufgebracht wird. Die Aufzeichnungen können dann beispielsweise in der Massenspeichervorrichtung 733 gespeichert werden, und zwar zur späteren Anwendung beim Vergleich mit den Aufzeichnungen, die von den mobilen GPS-Empfängern empfangen wurden. Die Massenspeichervorrichtung 733 kann auch Geschwindigkeitsinformationen speichern, die die Relativgeschwindigkeit eines Satzes von einem oder mehreren Satelliten darstellen. Zusätzlich kann die Massenspeichervorrichtung 733 Routinen entsprechend einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren speichern, um Satellitenpositionsbestimmungsinformationen/Signale zu verarbeiten.
  • Zwei Modems 739 und 737 sind in 7B als Schnittstellen zu anderen Systemen gezeigt, die entfernt relativ zur Basisstation 725 gelegen sind. Im Fall der Modem- oder Netzwerkschnittstelle 739 ist diese Vorrichtung beispielsweise mit einem Client-Computer gekoppelt, und zwar durch das Internet oder durch irgend ein anderes Computernetzwerk. Das Modem oder die andere Schnittstelle 737 sehen eine Schnittstelle zu der Funktelefoneinrichtung vor, wie beispielsweise zu der Einrichtung 855, die in 8 gezeigt ist, die ein System 851 veranschaulicht.
  • Die Basisstation 725 kann mit verschiedenen Computerarchitekturen eingerichtet werden, wie dem Fachmann klar sein wird. Es kann beispielsweise mehrere Busse oder einen Hauptbus und einen Peripheriebus geben, oder es kann mehrere Computersysteme und/oder mehrere Prozessoren geben. Es kann vorteilhaft sein, wenn man beispielsweise einen extra dafür vorgesehenen Prozessor hat, um die Satellitendatennachricht von dem GPS-Empfänger 703 zu empfangen, und diese Nachricht zu verarbeiten, um eine Referenzaufzeichnung in extra dafür vorgesehener Weise bzw. ungestörter Weise vorzusehen, so daß es keine Unterbrechung beim Prozeß der Vorbereitung der Referenzaufzeichnung und deren Speicherung gibt, und wobei man dann die Menge der gespeicherten Daten gemäß einer der oben beschriebenen Anordnungen managt.
  • 8 veranschaulicht ein System, welches einen SPS-Empfänger aufweist, weiter eine Funktelefoneinrichtung, eine Basisstation, das Internet und ein Client-Computersystem. Das in 8 gezeigte System 851 kann in der folgenden Weise arbeiten. Ein Client-Computersystem 863 wird eine Nachricht durch ein Netzwerk zur Basisstation 825 übertragen, wie beispielsweise durch das Internet 861. Es sei bemerkt, daß es eingreifende bzw. dazwischenliegende Routen oder Computersysteme in dem Netzwerk oder im Internet 861 geben kann, die die Anforderung bezüglich einer Position eines speziellen mobilen GPS-Empfängers weiterleiten. Die Basisstation 825 wird dann eine Nachricht durch eine Verbindung (Link) übertragen, welche typischerweise eine verdrahtete Telefonverbindung 859 ist, und zwar zu der Funktelefoneinrichtung 855. Die Funktelefoneinrichtung 855 überträgt dann einen Befehl unter Verwendung ihrer Antenne oder ihrer Antennen 857 an das kombinierte mobile SPS-Empfänger- und Kommunikationssystem 853. Entsprechend überträgt das System 853 die Pseudobereiche, die Aufzeichnungen der Satellitendatennachrichten, Geschwindigkeitsinformationen und/oder andere Informationen zurück. Solche Informationen können von der Funktelefoneinrichtung 855 aufgenommen werden und zurück zur Basisstation durch die Verbindung 859 übermittelt werden. Die Basisstation führt dann einen oder mehrere Betriebsvorgänge aus, wie oben beschrieben, und zwar gemäß den verschiedenen Anordnungen, wie beispielsweise gemäß der Zeitbestimmung unter Verwendung eines Verfahrens der relativen Satellitengeschwindigkeit, der Doppler-Messungen, einer Fehlerstatistik und/oder eines Vergleiches von zwei oder mehr Satellitendatenaufzeichnungen oder unter Verwendung einer Kombination davon. Die Basisstation kann dann Navigationsinformationen bestimmen, wie beispielsweise die Zeit und/oder die Position des SPS-Empfängers, und kann die Navigationsinformationen durch ein Netzwerk zu dem Client-Computersystem 853 übermitteln, wie beispielsweise durch das Internet 861, welches selbst eine Mapping-Software bei dem Client-Computersystem haben kann, die es dem An wendet dieses Systems gestattet, auf einer Karte (Map) die genaue Position des mobilen SPS-Systems 853 zu sehen.
  • Während die Erfindung bezüglich verschiedener Ausführungsbeispiele und veranschaulichender Figuren beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele oder Figuren eingeschränkt ist.
  • Daher sei es bemerkt, daß das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung mit Modifikationen und Veränderungen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims (36)

  1. Maschinenimplementiertes Verfahren zum Bestimmen einer Referenzzeit, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer Position einer Funktionseinheit (100, 853); und Bestimmen einer Relativgeschwindigkeit eines Satzes von Satelliten; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die für die Funktionseinheit geschätzte Position relativ zu dem Satz von Satelliten ist, wobei die Schätzung mit einer ersten Zeitmessung assoziiert ist, wobei die erste Zeitmessung und die Referenzzeit sich durch eine Versetzung unterscheiden; und dass basierend auf der Relativgeschwindigkeit des Satzes von Satelliten und der geschätzten Position der Versatz zwischen der ersten Zeitmessung und der Referenzzeit bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Funktionseinheit (100, 853) ein Empfänger eines mobilen Satellitenpositionsbestimmungssystem (SPS) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner eine entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) zum Empfangen einer Schätznachricht von der Funktionseinheit (100, 853) umfasst, um die geschätzte Position anzuzeigen, wobei die entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) die Versetzung unter Verwendung des Schätzsignals bestimmt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verfahren ferner vorsieht, dass die entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) Navigationsinformation für die Funktionseinheit (100, 853) vorsieht, und zwar basierend auf der Versetzung.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Navigationsinformation die Referenzzeit aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verfahren ferner vorsieht, dass die entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) die relative Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten bestimmt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner Folgendes vorsieht: eine entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825), die die relative Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten bestimmt; und wobei die entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) wenigstens die relative Geschwindigkeit und/oder Daten basierend auf der relativen Geschwindigkeit an die Funktionseinheit (100, 853) vorsieht, welche einen SPS-Empfänger aufweist, und wobei der SPS-Empfänger Navigationsinformation bestimmt basierend auf wenigstens der relativen Geschwindigkeit und/oder Daten basierend auf der relativen Geschwindigkeit.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geschätzte Position einen Pseudobereich zu dem Satz von Satelliten aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner Folgendes aufweist: eine entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825), welche die relative Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten bestimmt; und wobei die entfernte Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) Navigationsinformation zu der Funktionseinheit (100, 853) vorsieht, wobei die Navigationsinformation auf der relativen Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten basiert.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, wobei die Navigationsinformation die Versetzung aufweist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 7 oder 9, wobei die Navigationsinformation einen Ort bzw. eine Anordnung der Funktionseinheit (100, 853) aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Berechnen der Versetzung durch Einschließen der relativen Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten in einem Satz von Pseudobereichsresidualberechnungen aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die relative Geschwindigkeit die relative Geschwindigkeit der Funktionseinheit (100, 853) und des Satzes von Satelliten repräsentiert.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die relative Geschwindigkeit eine relative Geschwindigkeit zwischen der Funktionseinheit (100, 853) und einer entfernten Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) repräsentiert.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren ferner das iterative Wiederholen der Pseudobereichsresidualberechnungen unter Verwendung eines neuen Satzes von Daten aufweist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei jede der wiederholten Pseudobereichresidualberechnungen eine Korrektur für die Position der Funktionseinheit (100, 853) und des Versatzes vorsieht.
  17. Verfahren zum Bestimmen einer Zeit, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Vergleichen einer ersten Aufzeichnung von mindestens einem Teil einer Satellitennachricht, die durch eine erste Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) aufgenommen wurde, mit einer zweiten Aufzeichnung der Satellitennachricht, um einen ersten Zeitwert zu bestimmen, wobei die zweite Aufzeichnung der Satellitennachricht an einer zweiten Funktionseinheit (100, 853) empfangen wurde; und Bestimmen eines zweiten Zeitwertes basierend auf einer relativen Geschwindigkeit eines Satzes von Satelliten gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens der erste und/oder der zweite Zeitwert die Zeit, die mit dem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, anzeigen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Aufzeichnung und die zweite Aufzeichnung sich wenigstens teilweise in zeitlicher Hinsicht überlappen.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verfahren ferner aufweist, dass die zweite Funktionseinheit (100, 853) die zweite Aufzeichnung der Satellitennachricht zu der ersten Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) vorsieht.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die erste Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) eine Basisstation ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zweite Funktionseinheit (100, 853) ein Empfänger eines mobilen Satellitenpositionsbestimmungssystems (SPS) ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bestimmung des zweiten Zeitwerts, die auf der Relativgeschwindigkeit des Satzes von Satelliten basiert, Folgendes aufweist: Bestimmen eines Bereichswertes, der mit einem Bereich bzw. Abstand zu jedem des Satzes von Satelliten assoziiert ist; und Verwenden des Bereichs- bzw. Abstandswertes, der mit dem Bereich bzw. Abstand assoziiert ist und der relativen Geschwindigkeit des Satzes von Satelliten, um den zweiten Zeitwert zu bestimmen.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Bereichswert einem Pseudobereichrest bzw. -residuum entspricht.
  24. Verfahren nach Anspruch 17, wobei wenigstens der erste Zeitwert und/oder der zweite Zeitwert verwendet wird zum Bestimmen der Position der zweiten Funktionseinheit (100, 853).
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Verfahren ferner das Auswählen des ersten und/oder des zweiten Zeitwertes aufweist zum Anzeigen der Zeit, die mit dem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der erste Zeitwert wenigstens teilweise durch die Verwendung des zweiten Zeitwertes bestimmt wird.
  27. Vorrichtung zum Bestimmen einer Bezugszeit, die mit einem Satellitenpositionsbestimmungssystem assoziiert ist, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: eine Speichereinheit (9, 707, 733) zum Speichern eines Satzes von Positionswerten; und eine Verarbeitungs- bzw. Prozessoreinheit (10, 705, 727), die mit der Speichereinheit (9, 707, 733) gekoppelt ist, um die Versetzung zu bestimmen; dadurch gekennzeichnet, dass: die Positionswerte eine relative Position einer Funktionseinheit (100, 853) bezüglich eines Satzes von Satelliten anzeigen und wobei jeder des Satzes von Positionswerten mit einer Messzeit assoziiert ist, die sich von der Bezugszeit um eine Versetzung unterscheidet; und die Versetzung bestimmt wird basierend auf dem Satz von Positionswerten mit einer Schätzung einer Relativgeschwindigkeit von jedem des Satzes von Satelliten.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Positionswerte eine relative Position zwischen dem Satz von Satelliten und einem Empfänger (100, 853) eines Satellitenpositionsbestimmungssystems (SPS) anzeigen.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Speichereinheit (707, 733) und die Prozessoreinheit (705, 727) in einer Basisstation (17, 701, 725, 825) umfasst sind und wobei die Basisstation ferner Folgendes aufweist: eine Kommunikationsverbindung (14a, 710, 731, 859) zum Vorsehen von Navigationsinformation basierend auf der Versetzung und zwar an den Empfänger (100, 853) eines Satellitenpositionsbestimmungssystems (SPS).
  30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Navigationsinformation einen Ort bzw. eine Anordnung des SPS-Empfängers (100, 853) aufweist.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Navigationsinformation die Relativgeschwindigkeit von jedem des Satzes von Satelliten aufweist.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Navigationsinformation einen Bereich bzw. Abstand zwischen dem SPS-Empfänger (100, 853) und jedem des Satzes von Satelliten aufweist.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Vorrichtung ferner einen Transmitter (709) aufweist, der mit dem Prozessor (10, 705, 727) gekoppelt ist, um eine Übertragung von Information zu einer Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) zu erlauben.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Vorrichtung ferner einen Empfänger (100, 853) eines mobilen Satellitenpositionsbestimmungssystems (SPS) aufweist.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei die Funktionseinheit (17, 701, 725, 825) eine Basisstation aufweist zum Empfangen der Information von dem SPS-Empfänger (100, 853).
  36. Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei die Information Werte aufweist, die mit Pseudoabständen von dem SPS-Empfänger (100, 853) zu dem Satz von Satelliten in Beziehung steht.
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