卫星定位系统SPS时间测量的方法和装置

本发明涉及利用从卫星定位系统(SPS)接收的信号来确定其自己的位置或 者确定日一时间(time-of-day)的方法和系统。本发明是由Norman Krasner 申请的美国专利申请09/074,521的部分续展申请，申请日为1998年5月7日； 该专利申请是美国专利申请08/794,649的续展申请，申请日为1997年2月3 日，现在该申请专利号为5,812,087(称为“母案专利”)。因此这儿将母案专 利结合一起作为参考。申请号为08/842,559，申请日为1997年4月15日的专 利申请也结合于此作为参考。

大多数情况下，母案专利的方法工作可靠，允许一个系统(例如服务器系 统)来确定另一个系统(例如移动SPS接收机/客户系统)的SPS信号的捕获时间 (例如全球定位系统(GPS)信号)。

大多数有关的情况下，本发明的时间协调方法(称为“图形匹配”(pattern matching))工作可靠。在某些不正常情况，在移动站(例如母案专利图6中的 移动单元453)和服务器(例如母案专利图6中的基站463)间的发送信号有非常 长的延时。如果链路是使用允许任意长行程延时的打包通信，可能引起该类情 况的发生。偶而会发生该打包会经很长一部分时间后才到达的情况。如此长的 时延将要求服务器将从移动站收到的图形与储存于服务器的一个非常长的记 录进行比较。这可能使计算很复杂或者要求有相当长的时间来执行必需的计 算。另外，长时间的延迟可能引起与数据图形重复相关的模棱两可的情况。例 如，美国GPS数据信号的一重要部分按30秒间隔重复，而小的部分按6秒间 隔重复。在这种情况下，图形匹配过程会产生模棱两可的结果。

发明概述

根据本发明的一个方面，提供一种用于卫星定位系统SPS、用以测量与卫 星数据信息有关的时间的方法，其特征在于，所述方法包含：

在一个实体接收卫星定位系统的至少一部分卫星数据信息的第一条记录；

对所述第一条记录与所述卫星数据信息的包括参考记录的第二条记录作比 较，其中，所述第一条记录与所述第二条记录至少有部分时间的交迭，当接收所述 的第一记录时，在确定一个估计时间后执行所述的比较；

从所述比较中确定一个时间，所述时间指出远程实体何时接收到第一条记录。

根据本发明的另一方面，提供一种利用卫星定位系统来测量与卫星数据信 息有关的时间的方法，其特征在于，所述方法包含：

在一个实体接收一个卫星定位系统的一条卫星数据信息的至少一部分中 的第一条记录；

当接收到所述的第一条记录时，从一个估计时间中确定一个比较范围；

对所述的第一条记录与所述卫星数据信息的包括参考记录的第二条记录作比 较，其中所述第一条记录与所述第二条记录至少有部分时间的交迭，其中所述比较 至少在所述比较范围中的一部分范围内进行；

从所述比较中确定一个时间，所述时间指出远程实体何时接收到所述的第 一条记录。

根据本发明的另一方面，提供一种利用卫星定位系统测量与卫星数据信息 相关的时间的装置，其特征在于，所述装置包含：

一个接收机，用于接收卫星数据信息中的至少一部分中的第一条记录；

一个连接到所述接收机的数据处理器，在比较范围内，数据处理器将所述 第一条记录与所述卫星数据信息的第二条记录进行比较，其中所述第一条记录 和所述第二条记录至少有部分时间的交迭，并从所述的比较中确定一个时间， 所述时间指出远程实体何时接收到第一条记录，其中当所述远程实体接收到第 一条记录时，从一个估计时间中确定所述的比较范围。

根据本发明的另一方面，提供一种利用卫星定位系统SPS测量与卫星数据 信息有关的时间的方法，其特征在于，所述方法包含：

在移动SPS接收机接收卫星数据信息的至少一部分信息；

确定所述卫星数据信息中的至少一部分中的第一条记录；

当所述移动SPS接收机接收到所述第一条记录时，从一个估计时间确定一 个参数，该参数指出一个比较范围，用以对一条参考记录与所述第一条记录进 行比较；

为了确定一个时间，将所述第一记录发送至一个远程基站，该时间指出所 述移动SPS接收机何时接收到所述第一条记录。

根据本发明的另一方面，提供一个卫星定位系统SPS接收机，其特征在于 包括：

一个天线，用于接收SPS信号；

一个解调器，连接至所述天线，所述解调器从所述SPS信号中移去一个PN 码；

一个处理器，连接至所述解调器，所述处理器确定从所述解调器接收的卫 星信息的至少一部分中的第一条记录，以及当所述SPS接收机接收到所述第一 条记录时，从一个估计时间中确定一个参数，该参数指出一个比较范围，用以 对一条参考记录与所述第一条记录进行比较；

一个发射器，连接至所述处理器，所述发射器将所述第一条记录发送给一 个远程基站。

根据本发明的另一方面，提供一个卫星定位系统SPS接收机，其特征在于 包括：

一个SPS天线，用于接收SPS信号；

一个处理器，连接至SPS天线，所述处理器处理所述SPS信号和从所述SPS 信号中确定至少一个伪距离，所述处理器从所述SPS信号中移去PN码，以提 供所述SPS信号的一条卫星数据信息中的至少一部分中的第一条记录，并当所 述SPS接收机接收到所述第一条记录时，从一个估计时间确定至少一个参数， 该参数指出一个比较范围，用以对一条参考记录与所述第一条记录进行比较；

一个发射器，连接至所述数据处理器，所述发射器给所述远程基站发送所述 第一条记录。

根据本发明的另一方面，提供在移动卫星定位系统SPS接收机中、一种用 SPS测量与卫星数据信息有关的时间的方法，其特征在于，所述方法包含：

在所述移动SPS接收机接收卫星数据信息中的至少一部分中的第一条记 录；

在所述移动SPS接收机接收所述卫星数据信息的包括参考记录的第二条记 录，其中所述第一条记录与所述第二条记录至少有部分时间的交迭；

确定一个比较范围；

当所述移动SPS接收机接收到所述第一第记录时，至少在由一个估计时间 确定的比较范围内比较所述第一条记录与所述第二条记录；

从所述比较中确定一个时间，所述时间指出所述移动SPS接收机何时接收 到所述第一记录。

根据本发明的另一方面，提供一种移动卫星定位系统SPS接收机，其特征 在于包括：

一个天线，用于接收SPS信号；

一个解调器，连接至所述天线，所述解调器从所述SPS中移去一个PN码；

一个处理器，连接至所述解调器，所述处理器确定由所述解调器接收的一条 卫星数据信息中的至少一部分中的第一条记录，并且确定一个比较范围；

一个通信天线；

一个通信接收器，连接至所述的通信天线和所述处理器，所述通信接收机 接收所述卫星数据信息的第二条记录，其中所述第一条记录和包括参考记录的 第二条记录至少有部分时间的交迭，当在所述移动SPS接收机接收所述第一条 记录时，所述处理器至少在由一个估计时间确定的所述比较范围内将所述第一 条记录与所述第二条记录进行比较，并且确定一个时间，表明何时接收到所述 第一条记录。

根据本发明的另一方面，提供一种利用卫星定位系统SPS对与卫星数据信 息有关的时间进行辅助测量的装置，其特征在于，所述装置包括：

一个发射器，用于发送卫星数据信息的包括参考记录的第二条记录，该第 二记录用于与卫星数据信息中的至少一部分中的第二条记录进行比较，所述发 射器发送一条用于确定比较第一条记录与第二条记录的比较范围的信息，当远 程移动GPS接收机接收到所述第一条记录时，所述的比较范围由一个估计时间 确定。

根据本发明的另一方面，提供一种用于卫星定位系统SPS、用以测量与卫 星数据信息有关的时间的方法，其特征在于，所述方法包含：

在一个实体接收卫星定位系统的至少一部分卫星数据信息的第一条记录；

对所述第一条记录与所述卫星数据信息的包括参考记录的第二条记录作比 较，当接收所述的第一记录时，在确定一个估计时间后执行所述的比较；

从所述比较中确定一个时间，所述时间指出远程实体何时接收到第一条记录。

根据本发明的另一方面，提供一种利用卫星定位系统测量与卫星数据信息 相关的时间的装置，其特征在于，所述装置包含：

一个接收机，用于接收卫星数据信息中的至少一部分的第一条记录；

一个连接到所述接收机的数据处理器，所述数据处理器在一个比较范围内 进行对所述第一条记录与第二条记录的比较，该第二条记录包括所述卫星数据 信息的一条参考记录，该比较范围当所述远程实体接收所述第一条记录时由一 个估计时间确定，所述处理器由所述比较确定一个时间，所述时间指出一个远 程实体接收到所述第一条记录的时间。

根据本发明的另一方面，提供在移动卫星定位系统SPS接收机中、一种用 SPS测量与卫星数据信息有关的时间的方法，其特征在于，所述方法包含：

在所述移动SPS接收机接收卫星数据信息中的至少一部分中的第一条记 录；

在所述移动SPS接收机接收所述卫星数据信息的包括参考记录的第二条记 录；

确定一个比较范围；

当所述移动SPS接收机接收到所述第一第记录时，至少在由一个估计时间 确定的所述比较范围内比较所述第一条记录与所述第二条记录；

从所述比较中确定一个时间，所述时间指出所述移动SPS接收机何时接收 到所述第一记录。

本发明提供利用卫星定位系统，例如GPS或Glonass，来测量与卫星数据 信息相关的时间的方法和装置。一个实施例的一种方法包括下列步骤：(1)在 一个实体中接收一条卫星数据信息的至少一部分中的第一条记录；(2)将第一 条记录与卫星数据信息的第二条记录进行比较。这儿第一条记录和第二条记录 至少有部分时间的交迭，并在确定在何时接收到第一条记录的一个估计时间后 进行比较；(3)从比较中确定一个时间，该时间指出远程实体在何时接收到第 一条记录(例如第一条记录的源)。在本实施例的一个例子中，远程实体是一个 移动SPS接收机而实体是一个基站。该基站与移动SPS接收机经过无线(或许 也是有线的)链路进行通信。本发明的一种方法可只能在基站执行。在一个替 代实施例中，可执行比较，然后用第一条记录接收到时的估计时间来验证比较 所确定的时间是正确的。

本发明的一个用于建立接收机定时关系的一个实施例，该实施是为接收机 形成一部分卫星数据信息的估计，并将该估计发送给基站。在基站将该估计与 从另一个GPS接收机或GPS信息源接收到的卫星数据信息一条记录进行比较。 该记录假定为没有错误的。接着该比较确定那一部分基站信息与远程单元发送 的数据最相匹配。因为基站已经读入无错误的卫星数据信息，它能将那条信息 的每一位数据比特与纯粹的时间标记联系起来，如通过发送卫星所见的。因此， 该比较导致基站将一合适的时间分配给经远程站发送的估计数据。如需要，该 时间信息可发回给远程站。

上述手段的一种变化是使基站给远程站发送一条清晰的卫星数据信息记 录加上与该信息的开始部分有关的绝对时间。这种情况下，远程实体将该记录 与数据的估计值作比较，该数据估计值通过处理收到GPS信息形成。该比较将 提供两条记录间的时间偏移量，并因此为本地收集的数据建立一绝对时间。

附图简述

图1A是一个组合移动SPS和通讯系统的主要部件的框图。该系统能接收SPS 信号，并与基站建立通讯。

图1B示出的是图1A的射频(RF)至中频(IF)转换器和频率合成器的典型实 施例框图。

图2是一个描述本发明的一种方法的流程图。

图3是一个描述本发明的另一种方法的流程图。

图4A示出一种在本发明的一种特殊方法中由一个移动SPS接收机执行的方 法；图4B示出由一个基站执行的一种相似的方法。

图5A示出本发明一个基站的一个实施例。

图5B示出本发明一个基站的另一个实施例。

图6示出本发明的一个系统，该系统包括一个SPS接收机、一个蜂窝电话站、 一个基站、互联网和客户计算机系统。

图7示出在本发明中通常实施的图形匹配的简化视图，用于确定移动SPS接 收机处卫星数据信息的接收时间。

图8A示出一种在本发明另一个特殊的实施例中的由移动SPS接收机执行的方 法。而图8B示出一种由一个基站执行的相应的方法。

图9示出一种传统GPS接收机的简化结构。

图10A、10B、10C和10D示出一些按照本发明经过各阶段的信息处理后的采 样SPS信号的例子。

图11A、11B和11C示出一些按照本发明经过信号处理各阶段后的采样SPS信 号的进一步的例子。

图12A示出一个按照本发明一个实施例的粗略时间协调方法的例子。

图12B示出另一个按照本发明另一个实施例的粗略时间协调方法的例子。

较佳实施例的详细描述

下面将描述利用卫星定位系统来测量与卫星数据有关的时间的方法和装置。 本发明的讨论将针对美国全球定位卫星(GPS)系统。但是，应当理解，这些方法同 样适用于相似的卫星定位系统，例如：俄罗斯的Glonass系统。另外，还应认识到 本发明的原理同样适用于利用假卫星(pseudolites)或卫星与假卫星组合的定位系 统。另外所提供的有关基站和移动SPS接收机的各种结构是属描述性的，而不能认 为是对本发明的限制。

图2示出本发明的一般方法，该方法可适用于由移动通信接收器和发射器组 合成的移动SPS接收机中，如图1A所示的。图1A所示的移动GPS接收机100 在步骤201，采样卫星数据信息，例如星历表，并建立该信息的一条记录。接着在 方法200，步骤203中，远程站或移动GPS接收机将该记录传送给一个基站，例如 图5A或5B所示的基站。该记录一般代表由移动GPS接收机收到的信息。在步骤 205，基站将从移动SPS接收机传送来的该记录与另一条被称为卫星数据信息的参 考记录作比较。该参考记录含有时间值，其中各段卫星数据信息已经指明与之相关 的“参考”时间。在步骤207，基站通过卫星数据信息的移动GPS接收机确定采样 的时间。该确定取决于与参考记录有关的时间值，且该确定将指出移动GPS接收机 在何时接收到该记录或该记录源。在图12A和12B所示的实施例中，在移动GPS 接收机通过确定SPS信号记录的接收的时间估计值来帮助实行操作205的比较。该 估计值可以用来限制该记录与参考记录比较范围，或可以用来鉴定比较的结果。这 一般将改善比较操作的速度，也保证该结果的精度(在远程站记录该记录和执行比 较操作之间或许有不正常的长的传递响应时间)。

图7以简化的方式描述在图2的步骤205中的比较操作。尤其是图7示出移 动接收机的记录与基站的参考记录间的尝试过的比较，分别如记录491和记录495 所示。两记录的水平轴表示时间，移动接收机的记录的493部分表示为了比较而传 送至基站的部分。通常基站也有相似的497部分，该497部分与从接收机收到的记 录至少有部分时间交迭。在图7中，该交迭部分完整地落在基站的参考记录上，参 考记录提供卫星数据信息遍及整个移动接收机的记录的间隔部分。然而，这仅仅是 一个例子，交迭也可能仅是移动接收机的记录与来自基站的参考记录的重叠一部 分。

图3进一步详细描述本发明的一种方法220，该方法测量用于卫星定位系统的 与卫星数据信息相关的时间。在步骤221，移动的或远程GPS接收机获取GPS信号， 并从那些所获取的GPS信号中确定伪距离。在步骤223，移动GPS接收机移去PN 数据，并从所获取的GPS信息中建立卫星数据信号的一个记录，用于创建或判别伪 距离。通常该记录代表所获取GPS信号中的历星表数据和一个估计数据。在步骤 225，移动GPS接收机将该记录和确定的伪距离传送给一个基站，例如图5A或5B 所示的基站。

在步骤227，基站对从移动GPS接收机来的记录与卫星的星历表的参考记录进 行交叉相关处理。该参考记录通常包括该参考记录中与数据有关的精确时间标志 (例如参考记录中每一比特数据有相关的时间值或“标志”)，而正是用该时间标志 确定最先获取GPS信号的移动GPS接收机的接收时间。在步骤229，基站从相关处 理操作中，确定获取GPS信号的远程GPS接收机的捕获时间。然后在步骤231，基 站利用由获取GPS信号的远程GPS接收机的捕获时间以及利用已确定的伪距离来确 定位置信息，该位置信息可能是远程/移动GPS接收机的纬度和经度。在步骤233， 基站可以将远程GPS接收机的位置信息传送给另一个实体，例如经网络(诸如因特 网)耦合的计算机系统，或者经由内部网传送给基站。这将在以后结合图5B和图6 作进一步描述。

下面将进一步详细解释在遥控SPS接收机中几种估计卫星数据的方法。方法 分成两大类：

一类执行对数据的微分解调和软件判决(在移去PN后)；另一类采样移去PN 后的原始I/Q数据。图4A和4B以图表方式示出第一类方法，而图8A和8B表示第 二类方法。注意，这里的目的是，要确定远程接收机和基站接收信号时，信号到达 的时间差别。因为假定基站具有精确的时间，该时间差别将确定远程站接收数据时 的精确时间。如下解释：两个手段差别在于，必须由远程站(移动SPS接收机)处理 的数量和从远程站到基站经过通讯线路必须传送的信息量是不同的。基本上，在远 程站处理负担与必须经过链路的数据量之间有一权衡。

在详细描述图4A和4B及因8A和8B中的程序之前，回顾传统的GPS操作以 与本发明的方法作对比。在图9示出一个传统GPS接收机601的简化版本。

该传统接收机601从GPS射频(RF)前端(即下变频器和数字化器)接收数字化 I/O输入信号603，并在混频器605将该输入信号603与从数字振荡器607来的振 荡信号进行混频。然后，混频器605的输出在混频器609中与PN发生器611的输 出进行混频。该PN发生器由从微控制器617来的信号619作芯片预置(Chip advance) 控制。为了将信号转换成近基带，微处理器617也控制数字振荡器607。

在传统的GPS接收机操作中，从GPS卫星收到的信号在无噪声时的格式为：

Y(t)＝AP(t)D(t)exp(j2πf0t+Φ)                  公式(1)

这儿P(t)是长度为1023，有±1误差的重复的二进制相移调节的伪随机码 序列(芯片速率为每秒1.023兆碎片(Mchips))。D(t)是50波特数据信号，该信号 按PN帧开始端排列，又假定该值为±1。在将信号转换成近基带后(即通过混频器 605)，用相关器(可认为相关器包括图9中的元件609、611、613、615和617)通 常地将PN码移去。该设备本地重新产生P(t)码(为指定的卫星)，并确定所收到的 PN码与本地产生的PN码之间的相对相位。当相位调整时，相关器将该信号与本地 产生的参考信号相乘，导致的信号格式：

P(t)×Y(t)＝P(t)A P(t)D(t)exp(j2πf0t+φ)＝AD(t)exp(j2πf0t+φ)

                                     公式(2)

在这点，信号经窄带滤波(例如在滤波器613)，滤掉数据信号D(t)带宽外的 噪声。然后经采样器615，可将采样速率减少至数据速率的较小数倍。这样，在公 式2右边的时间变量t可取公式mT/K的值，m＝0、1、2、…，K为一小的整数(例 如2)，T是比特周期。

此点的数据采样被用于执行PN跟踪操作，载波跟踪和数据解调。该操作也通 常在微处控制器617中的软件算法来执行，但也可以用硬件来实行。在图9中，微 控制器617将校正信号621和619分别反馈给数字振荡器和PN发生器，以便本地 产生的载波信号和PN信号与所接收的信号，在相位上保持同步。对于同时接收的 多路GPS信号(通常从四颗或更多颗卫星上收到4路或更多路GPS信号)，该操作通 常是并行执行的。

目前，在某些情况(例如：较低的信噪比(“SNR”))，GPS信号可能太弱，以 至于数据D(t)不能可靠地被分离出来。如前所述，传统的GPS接收机需要读取该 数据来确定世界时以及提供一个位置定位。在低信噪比(SNR)的情况下，由本发明 提供一替代手段是远程站和基站一起工作，后者存取该卫星数据信息。远程站将该 资料送给基站，让基站计算与远程站的原始接收的数据有关的时间。还存在一种可 替代的配置，在该配置中，基站将资料送给远程站以便远程站计算该接收时间。主 要考虑的是第一种情况。

应当注意，在某些情况，基站和远程站间的时间协调可以由下列两种方式中 的任一种方式达到。一种是在通信链路上发送精确的定时信号(例如脉冲或特定的 波形信号)，另一种是通过对链路潜在能力的认识或测量环路延迟(假定是一双向对 称的链路)来统计所经过的时间。可是有许多种情况，该手段是不切合实际的或不 可能的。例如，在包括打包约定的许多链路中，每一个发送间的延迟均不同，并跨 越许多秒钟。

本发明的手段是让远程站形成一部分数据序列D(t)的估计或处理该序列版本 的估计，并将该数据发送给基站。该数据序列与由基站产生的相似的但高保真的信 号进行比较。按照所给的尺度，如最小的均方根差，这两种序列在相对时间上进行 滑动，直到产生最好的匹配为止。该“相关”过程与GPS接收机所用的为与PN 展开序列同步的过程非常相似；可是该操作以较低速率的数据信号工作，此外该信 号的图形是经常改变的，以及不可能预先知道的。

因为基站大概知道与该信息的每一元素有关的精确时间，该基站可以利用该 知识加上前述的比较来查明与远程站接收的信号有关的原始时间。

这样，主要的问题在于数据序列D(t)的远程站的估计或由此派生的情况。

图8A和8B示出为估计数据序列的本发明的一个特殊实施例，该施例是为了 在移去PN码后，简单采样和储存该信号的记录，如公式(2)所示。这儿该信号假定 以数据速率的小倍数速率采样；每秒100的采样率可适合于该目的。注意两个I 和Q支流均应采样。为了便于基站判别，应使该数据图案成为唯一的。因此，一条 记录的长度应采用25个或更多的数据符号(0.5秒)。从公式(2)应注意，还可能依 然存在一个小的剩余载波频率f0和末知的载波相位φ。如已知的载波频率精于正 负一半的数据信号采样速率是很有利的，否则载波会有力地使数据信号的相位倒 相，因此会损坏数据。

图8A描述一种按照该特殊实施例在移动GPS接收机实施的方法。在步骤503， 接收机为该特殊GPS信号获取第一个(如不是第一个，或是下一个)PN码并从该信 号中移去PN码。然后在步骤505，接收机进行精确的载波频率估计。接着在步骤 507，从输入信号中移去载波。在步骤509和511，采样和数字量化该I和Q数据， 该数字量化结果被保存为相关卫星数据信息的一条记录。然后将该记录发送给基站 (或许带有发送特殊GPS信号的GPS卫星的相关的伪距离)。在步骤513，接收机判 断接收机是否已经为所有有关的卫星(例移动GPS接收机视线内所有卫星或视线内 至少4颗卫星)执行了步骤503、505、507、509和511(从此确定一条记录)。如果 已经从每一颗有关的卫星中确定了卫星数据信息的一条记录，接着GPS接收机(在 步骤515)将带有一个消逝的时间标记的记录发送给基站。基站用消逝时间标记来 估计和/或选择基站中的“参考”记录，该参考记录与发送给基站的记录相比较(例 如，经相关处理)。如果接收机还未从每一颗有关卫星中确定的一条记录，于是移 动GPS接收机的处理过程从步骤513返回至步骤503，并且为了确定从下一颗有关 卫星接收的卫星数据信息的一条记录，重新执行步骤503、505、507、509和511。 图1A示出GPS接收机(以及通信接收机/发射机)的一个例子，该例子可执行图8A 的方法。该GPS接收机在下面将作进一步详细描述。

当基站接收到该资料时，基站能改善频率估计和移去载波，然后经交叉相关 处理确定相对定时。该交叉相关处理是将该数据与在清晰视线的天空中，从一个 GPS接收机收到的高保真信号(或从某些其他高保真GPS信号源收到的，例如从因 特网或从GPS地面控制站)提取出来的相似数据进行交叉相关处理。

图8B示出一种根据接收到从远程站发出的卫星数据信息记录，由基站执行的 方法521。在步骤523，基站接收到一相似于卫星数据信息的记录，然后在步骤525 锁相于收到的记录，并在步骤525移去任何剩余的相位误差/相位滚动。与步骤523 和525同时地，步骤527示出以下过程，通常基站跟踪和解调GPS数据信息并将时 间标记加到这些数据信息上，以便提供与已解调的卫星数据信息的各种间隔相联系 的一精确时间值。基站将根据正在进行的基本工作如产生一连续的参考记录并将这 条“参考”记录的运行采样储存于基站，执行对卫星数据信息的跟踪和解调工作。 应当认识到参考记录的运行可维持当时时刻之前的长达约10至30分钟的时间周 期。即在抛弃参考记录的旧的部分并及时有效地用最新的代替它之前，基站可维持 一份该参考记录的拷贝长达30分钟。

在步骤529，基站将基站的参考记录与从远程站的参考记录进行相关处理， 该远程站的参考记录是第一颗卫星(或下一颗)的第一条(如不是第一，则为下 一条)卫星数据信息的一条记录。为了匹配图形，相关是两条记录间的一个有 效的比较，因此，当远程站收到记录时，基站可以精确地确定时间(因为记录 本身是一个源的估计值，当由远程站接收到该记录的源时，该确定的时间通常 是一有效的时间)。应该认识到当用于描述本发明时，远程站记录的有效接收 时间就是在远程站记录源的接收时间。在步骤531，基站搜索和内插峰值位置， 该峰值位置指出远程站在何时接收到当前卫星记录和它的相关的卫星数据信 息。在步骤533，基站将判断是否已经确定所有有关的卫星的所有时间以及相 关的记录。如果没有确定，处理过程将返回至步骤529，并为每一个从远程站 来的记录进行重新处理。如果已经处理完所有的记录，处理过程从步骤533进 行至步骤535，该处理是为了确定所有有关卫星的相关的时间和其他相关的卫 星数据信息。其中对有关的不同卫星的时间进行比较。在步骤537，多数逻辑 用于删去错误的和不明确的数据，然后在步骤539判断是否所有的数据都是不 明确的。如果所有的数据都不明确，基站通过给移动GPS单元中通讯接收机发 出一个命令，命令移动GPS接收机再接收数据。如果所有数据不全是不明确的， 接着在步骤543，基站求时间的权重平均值以确定在移动GPS接收机中卫星数 据信息的平均接收时间。应该认识到，在某些情况例如那些当GPS信号的一个 采样被数字量化及储存于数字存储器中以待进一处理时的情况，一旦该采样是 短期的，就会有一部分有效接收时间。在其他的情况，例如包含连续相关处理： 在某一时间处理一颗卫星的数据，捕获该卫星的信号和将该信号组成一条记 录，然后及时捕获另一颗卫星的信号。在这种情况下，有多次接收，基站可判 断其中的任何一次并按以下所述的方式使用它们。

应该认识到，至少在某些实施例中，在与通常从移动GPS接收机发射出的 伪距离的相关的那条记录的接收时间，将被基站用于确定一条位置信息，例如 移动GPS接收机的纬度，经度和/或海拔高度。

在某些情况下，很难确定剩余载波频率达到足够的精度(在步骤525)，然 后对来自远程站的数据和本地接收的数据的微分解调可以优先于交叉相关处 理。在下面结合图4A和4B进一步描述该种微分解调。

如通讯链接能力(在移动GPS接收机和基站间)低，远程站对去扩展 (despread)信号(移去PN的信号)进行附加处理有利的。如图4A和4B中所描 述，达到此目的的好手段是远程站通过对数据信号执行延时相乘操作来微分检 测该信号，将其中的延时设成一个比特的周期(20毫秒)或一比特周期的数倍。 这样如果公式(2)的基带信号表示为

z(t)＝AD(t)exp(j2πf0t+φ)                           公式(3)

则，合适的运算应是：

z(t)z(t-T)*＝A2D(t)D(t-T)exp(j2πf0T)＝A2D1(t)exp(j2πf0T)公式(4)

这里的星号表示复数共轭(complex conjugate)，T是比特周期(20毫秒) 而D1(t)是一个新的50波特序列，该序列是对原始数据序列进行微分解码形成 的(例如对a-1映射一个跃变，对a+1没有映射跃变)。现在如载波频率误差与 符号周期的倒数相比是少的，那末后面的指数项含有支配虚数部分的实数部 分，并在产生的结果A2D1(t)中仅能保留该实数项。因而，公式(4)的运算产生 一实数的信号串而不是在图8A所示方法的复数信号串。通过它本身，当经过 通信链路传送记录时，只要传送所需信息的长度一半信息。因为信号A2D1(t) 是在基带上，所以它可按该图8A所示方法的数据采样速率更小的速率采样。 也还可能仅保留该数据的符号，因此减少了要传送的数据量。然而，这种手段 将会减少基站解决比一个符号周期(20微秒)更长时间的能力。这儿，应当注意 PN码以1毫秒间隔重复，并因此，PN码本身对进一步解决测量误差是很有用 的。

图4A描述移动GPS接收机中执行的处理步骤，而图4B描述根据本发明这 特殊的实施例在基站执行的处理步骤。在步骤301，移动GPS接收机从基站接 收一个请求发送位置信息的请求。应当认识到在典型的实施例中，由通信接收 机接收该请求，例如图1A中移动GPS接收机100所示的。在步骤303，在响应 发送位置信息的请求时，移动GPS接收机从一条GPS信号中获取第一个(如果 不是第一个，即是下一个)PN码并从所接收的GPS信号中移去PN码。在步骤 305，远程站执行载波频率的精确估计；该估计的精度应当好于GPS数据信息 的采样速率。在50波特GPS数据的情况下，该采样速率通常为100Hz。在GPS 接收机中，通常有传统频率测量系统来执行步骤305的操作；这些频率测量系 统通常使用载波跟踪环，该载波跟踪环常含有提取载波的锁相环和频率测量电 路或作为选择的一种带有锁相环的频率跟踪环。在步骤307，移动GPS接收机 从所剩余信号中移去载波频率，留下50波特数据。然后在步骤309，通过按两 倍于该数据本身速率采样该数据，对该剩余数据进行微分检测。应当认识到， 远程GPS接收机本身可以给基站发送数据和允许基站执行步骤309和311的微 分检测和数字量化，而不是步骤309的微分检测数据。移动GPS接收机继续在 步骤311量化和储存结果，该结果是一条通常具有0.5至1秒的时间周期的卫 星数据信息的记录。然后在步骤313，移动GPS接收机确定是否已经为每一颗 有关卫星建立了一条卫星数据信息的记录，该有关卫星可以是在视区范围内的 所有卫星或视区范围内的至少四颗卫星。如果还未为每一颗有关卫星以及它的 相应的卫星数据信息建立一条记录，那末处理进程从步骤313返回至步骤303， 并继续此循环直到已经为每一颗有关卫星的每一条卫星数据信息建立了一条 记录为止。如所有有关卫星的所有记录都已经确定和建立，接着处理过程从步 骤313进行至步骤315。在该步骤中，移动GPS接收机通过它的通讯发射器， 为所有有关卫星发送带有粗略的(消逝的)时间标记的记录。基站按前述的方式 使用该粗略时间标记。

在图4B所示的步骤327，基站接收来自移动GPS接收机的这些记录。在图 4B所示步骤321中执行如下的操作：在移动GPS接收机工作时，通常基站也同 时地在跟踪和解调GPS数据信息，并将时间标记加到这些数据信息中，以便有 效地将时间标记加到这些数据信息中。接着在步骤323，基站将该数据微分解 码为基本数据，该基本数据可用于步骤325中的相关处理操作。通常为相关处 理操作储存从移动GPS接收机接收到的数据，并将接收的数据与步骤323所储 存的微分解码的数据进行比较。在步骤325，基站为第一颗(如不是第一颗，或 是下一颗)卫星，将基本数据与从移动GPS接收机来的记录作相关处理。在步 骤327，基站搜索并内插峰值位置。该峰值位置指出来自当前正在进行处理的 卫星的卫星数据信息到达移动接收机的时间。在步骤329，基站判断是否已经 对来自移动GPS接收机接收的所有记录进行了相关处理。如果没有，处理过程 返回到步骤325，在步骤325和327处理下一个卫星数据信息的下一条记录。 如果在步骤329，已经判断已经对来自移动GPS接收机的所有记录都进行了相 关处理，接着在步骤331，在不同的有关卫星所确认的时间之间进行比较。在 步骤333，基站利用多数逻辑移去错误的或不明确的数据。接着在步骤335， 基站判断是否所有的数据是错误的或不明确的。如果均是错误或不明确的，在 步骤337基站命令移动接收机获取更多的数据，并且将重新执行从图4A所示 的方法起并继续到图4B所示的方法止的整个过程。如果步骤335中判断的所 有数据不是全部不明确，接着在步骤339，基站运算时间的权重平均值，并至 少在某些实施例中，使用带有从移动GPS接收机发送的伪距离的该权重平均值， 以便确定移动GPS接收机的位置信息。

为了描述处理步骤，刚刚介绍了一真实的GPS信号被采样，被收集进一个 记录，被去扩展并以每个符号周期4倍的采样速率采样。图10A示出已移去部 分载波的一部分真实去扩展波形的1秒钟的记录。符号图案是明显的，但是还 显然地存在一个小的约1Hz剩余载波偏移量。图10B示出微分检测到的信号， 该微分检测通过该信号与一个共轭相乘并延迟约20毫秒进行。该符号图形是 清晰明显的。图10C示出理想的数据信号，而图10D示出该理想信号(例如在 基站产生的)和图10B的信号相关处理的结果。注意图10B中的瞬时脉冲波形 干扰，这些干扰是由采样影响和噪声等因素造成非理想信号引起的。

图11A示出信号中加入噪声时的已解调的数据，因此解调信号的SNR(信噪 比)约为0dB。当接收的GPS信号功率电平比正常功率电平减少15dB以上时， 例如通过阻塞情况，就可模拟出这种情况。图11B示出微分解调的数据。该比 特图形是无法检测的。最后图11C示出这个噪声信号与清晰的参考信号进行交 叉相关处理的结果。很显然，尖峰还很强，该峰值对RMS电平超过5.33(14.5dB)， 允许精确到达时间的估计。事实上，已应用有关此信号峰值的插补程序，指出 一个小于采样间隔的十六分之一精度，即，小于0.3毫秒。

如前所述，基站能够给远程站发送数据序列和与该信息开始有关的时间。 除了在远程站执行那些相关处理的方法外，远程站能经过如上所述相同的交叉 相关方法估计这些数据信息的到达时间。如果远程站计算它自己的定位位置是 非常有用的。在这种情况下，远程站也能从基站发送的数据中获取卫星的星历 表数据。

图1A示出使用本发明的一个组合移动式GPS接收机和通讯系统的一个实 施例。该组合移动式GP接收机和通讯系统100已经在专利申请号为 08/652,833，申请日为1996年5月23日，其标题是“采用共享电路的组合GPS 定位系统和通讯系统”的专利申请中作了详细描述。该申请在此作为参考(现 在为美国专利6,002,363)。图1B进一步详细地描述图1中的射频(RF)至中频 (IF)转换器7和频率合成器16。图1B所示这些部件也在申请号为08/652,833 的专利申请中描述。图1A所示的移动GPS接收机和通讯系统100可配置成对 存储的GPS信号执行特殊格式的数字信号处理。在这种方式下，该接收机具有 很高的灵敏度。在美国专利申请号08/612,669，申请日为1996年3月8日， 其标题是“一种改进的GPS接收机和处理GPS信号的方法”中作了进一步描述， 该申请在此作为参考。在专利申请号08/612,669中描述的处理操作，通常利 用快速傅里叶变换来计算多个中间卷积并将这些中间卷积储存于数字存储器 中，然后用这些中间卷积提供至少一个伪距离。图1A所示的组合GPS和通讯 系统100可能结合有某频率稳定或校正技术以进一步改进GPS接收机的灵敏度 和精确度。这些技术在专利申请号为P003X，申请日为1996年12月4日，其 标题是“一种利用通讯链路的经改进的GPS接收机”的专利申请中作了描述。 该申请在此结合作参考(现在美国专利号5,841,396)。

这儿将作简要介绍，而不是详细描述图1A所示的组合移动式GPS接收机 和通讯系统工程100的工作。在典型的实施例中，移动GPS接收机和通讯系统 100从基站，例如基站17接收一条命令，它可以是如图5A或图5B所示的任一 种基站。在通讯天线2上接收这个命令，在存入存储器9后，经过处理器10 将命令处理成数字信息。该处理器10判断这信息是一条给基站提供位置信息 的命令，这使处理器10激活系统的GPS部分，至少其中的某些部分可与通讯 系统共享。例如包括设置转换6使射频(RF)至中频转换器(IF)7接收GPS天线 1来的GPS信号，而不接收从通讯天线2来的通讯信号。接着接收GPS信号， 经数字量化，储存于数字存储器9，然后依照在前面描述的专利申请号 08/612,669中所介绍的数字信号处理技术对这些数据进处理。这种处理的结果 通常包括视线内多个卫星的多个伪距离，并且接着将这些伪距离返回给基站， 该操作由处理元件10激活发射部分并将返回基站的伪距离传送至通讯天线2 送还给基站来实现。

图1A所示的基站17可以通过无线电通信链路直接连接至远程站，或如图 6所示可以通过蜂窝电话站连接至远程站，该蜂窝电话站在电话站和基站之间 提供有线通信链路。图5A和图5B描述这两种可能的基站。

按照本发明，图5A中所描述的基站401可以起到如自治单元的功能，该 自治单元提供至/自移动GPS接收机的无线电链路以及处理接收的伪距离和相 应的时间记录。基站401可用于位于大城市的基站，并可用于位于大城市中要 进行跟踪的所有移动GPS接收机中。例如，这种基站401可以由警察部门或救 援部门雇用，以跟踪戴有或使用移动GPS接收机的人。通常，可以把发射器单 元409和接收器单元411合并成单一带有天线的收发单元。然而因为这些单元 还可以单独地存在，所以加以分别地示出。发射器409的功能是经过发送天线 410向移动GPS接收机提供命令；该发射器409通常处于数据处理单元405的 控制下。该处理单元405可接收处理单元用户的请求来确定一特殊移动GPS接 收机的位置。因此，数据处理器单元405能产生命令，该命令由发射器409发 送给移动GPS接收机。相应地，在本发明的一个实施例中，移动GPS接收机也 可以给接收器411发送回伪距离和相应记录，它们由接收天线412接收。接收 器411从移动GPS接收机接收这些信息并把它们供给数据处理器405。接着数 据处理器405从来自移动GPS的伪距离和从GPS接收器403收到的卫星数据信 息或者其他参考质量的卫星数据信息源中得到位置信息。这在上述的专利申请 中作了进一步介绍。该GPS接收机403提供卫星的星历表数据，该星历表数据 与伪距离和确定时间一起用于为移动GPS接收机计算位置信息。该大规模存储 器407含有卫星数据信息的参考记录的一个储存版本。这储存版本用于与从移 动GPS接收机收到的记录作比较。数据处理器405可连接到显示器415(选项)， 也可以连接到带有GIS软件(选项)的大规模存储器413。应当认识到，因为大 规模存储413和大规模存储器407可以包含在相同硬盘或其他大规模存储设备 中。

图5B描述本发明的一个替代基站。该基站425可连接至远程发射和接收 站，例如图6所示的蜂窝电话站455。该基站425也可以通过网络，如因特网 或内部网或其他类型的计算机网络系统连接至客户系统。基站的这种试用方式 在专利申请号为08/708,176，申请日为1996年9月6日，其标题是“基于远 程定位设备客户服务器”的专利申请中作了进一步描述。该专利申请结合在此 作参考。经过图6所示的蜂窝式电话站455和它相应的天线或天线457，基站 425可与移动GPS接收单元，例如图6所示的组合移动GPS接收机和通信系统 453进行通信。应当认识到，该组合移动GPS接收机和通信系统453与图1A 所示的系统100也许相似。

如图5B所示的基站425包含处理器427。该处理器427可以是传统的微处 理器，它经过总线430连接至主存储器429，该主存储器429可以是随机存取 存储器(RAM)。该基站425还包含其他输入/输出设备，例如键盘，鼠标，显示 器435和有关的输入/输出控制器，它们经总线430接至处理器427和存储器 429。大规模存储器433，例如硬盘或CD ROM或其他大规模存储设备，经过总 线430被连接到系统的各种部件，例如处理器427。输入/输出控制器431连接 至总线430，它能在GPS接收机之间或卫星数据信息的其他源之间提供输入/ 输出控制服务。该输入/输出控制器431从GPS接收器430接收卫星数据信息， 并将这些数据经过总线430提供给处理器。该处理器产生要加到卫星数据信息 中的时间标记，然后将该标记储存于大规模存储器433中，以便随后用于与从 移动GPS接收机收到的记录进行比较。在图5B中所示的两个调制解调器439 和437用作与远离于基站425的其他系统相连的接口。在调制解调器或网络接 口439的情况下，该设备连接至客户计算机，例如可通过因特网或某些其他计 算机网来连接。该调制解调器或其他接口437给蜂窝式电话站，例如图6所示 的蜂窝式电话站455，提供一个接口。图6描述系统451。

基站425可以由本领域的熟练人员用其他计算机结构来实现。例如可以是 多总线、或一主总线和一外部总线、或者可以是多计算机系统和/或多处理器。 优点是例如有一专用处理器来接收从GPS接收器403来的卫星数据信息以及处 理该信息，以便按指定的方式提供一条参考记录。这样，按本发明制备参考记 录，储存该记录和管理批量储存的数据过程中，就不会有什么阻碍了。

图6所示的系统451，在一个实施例中按以下的方式工作。客户系统463 经过网络，例如到基站425的因特网461，发送一条信息。应当认识到在网络 或因特网461，可能有插入式路由器或计算机系统，它们沿着一特殊移动GPS 接收机的位置请求通过。然后，基站425经过一个链路，该链路通常是有线电 话链路459，发送一条信息给蜂窝式电话站455。接着，该蜂窝式电话站455 用自己的天线或天线457发送一条命令给组合移动GPS接收机和通信系统453。 相似地按照本发明，该系统453将发回伪距离和卫星数据信息记录。然后蜂窝 电话站455接收这些记录和伪距离，并经链路459传输回基站。随后基站按本 发明描述进行工作，利用这些记录来确定卫星数据信息的接收时间、使用从远 程GPS系统453来的伪距离和利用从基站GPS接收机或从其他GPS数据源的卫 星星历表数据。随后该基站确定位置信息并经过网络，例如因特网461，将该 位置信息传送给客户计算机系统453。该客户系统可能有自己的制图软件，允 许该系统的用户在图上看见移动GPS系统453的确切位置。

当移动GPS系统接收到GPS信号时，有几种确定估计时间的方法。当移动 站发送图形给服务器时，该移动站可能启动一定时器，等待从服务器返回的应 答信息。如果收到的应答信息非常长，在成功发送之间，图形和时间偏移量一 起被重发。此过程可能一直进行到在合适的时间周期内(比如说1秒内)接收到 确认信号为止。这种方法可有效地确定发送时延，并且当传输延迟超过预定的 数值(例延迟大于可接受的时间周期)时，重新发送匹配图形。这种传输延迟为 两种图形的比较建立一个比较范围。

作为选择的方法，移动站和服务器可以通过环路(round trip)信号在开始 时就建立一粗略的时间协调，例如为1秒或更精确。服务器可以给移动站发送 日期一时间(time of day)，它记录该时间并给服务器送一条确认信号。如在 规定的时间T周期内收到确认信号，很明显，移动站所记录的时间是在服务器 的T秒内。那末，当移动站为建立要发送给服务器的数据图形处理GPS信息时， 可以把这段处理时间用T秒来标记精度。因此，当估计的GPS数据信息送给服 务器时，服务器只要在移动站收到图形和参考图形(例由本地GPS接收机接收 或其他数据馈送的)之间，在不大于T秒范围内及时检查偏移量。经过移动站 给服务器发送自己的处理时间的本地版本和服务器送回确认信号，也可建立粗 略的时间协调。服务器能把接收的移动站的时间与它自己的时间联系起来，从 而确定一偏移量(有时也称为偏差)。如果环路时间是在T秒内，那未随后的从 移动站给服务器的图形发送允许服务器将它的搜索范围限制在小于T秒的时间 内，该时间标有移动站的本地时间。按此方式，服务器能限制比较的范围。

应当认识到，如果图形匹配操作是在移动站而不是在服务器内进行的，可 在移动站和服务器之间完成粗略时间协调的相同处理。一旦服务器和移动站互 相间建立了相互的粗略时间，到不大于T秒的一个数值，那末随后在移动站要 执行的图形匹配操作就不需要在大于T秒范围内进行。

上述过程中可能有另外的变动。可能在某些情况下，在移动站和服务器或 与服务器可通信的其它实体之间，发送电子脉冲或其他定时信号，而不是将数 据来回发送和测量数据接收到的时间。那末脉冲或信号可以提供在移动站和服 务器之间建立粗略协调时间的方法。通过接收信号或通过与服务器通信中分离 的信号，移动站和服务器可以对时间获得粗略的知识。例如每一个站可以从另 外一种通信信号中接收日期—时间广播信号，例如WWV。移动站和服务器两者 均可检查公共的无线电信号，并在与广播信号相联的某特定出现时刻处达成一 致来建立粗略的公共时间。

图12A示出跟着图形匹配的粗略时间协调方法的整个框图。在这儿，最后 的图形匹配工作是在服务器内执行的。图12B示出一个在移动站执行与图形匹 配相应的框图。

在图12A，服务器和移动站在操作700通过发送环路信息或信号和通过测 量环路延时(称为T秒)执行时间协调。该测量用于在操作701中判断T是否是 太大(例如大于30秒)。如果延时太长，要重新执行操作700(或可用前已讲论 过在移动站和服务器之间的时间协调的替代方法)。如果延迟T不是太大，则 执行操作702；该操作702与母案专利图2的操作203相类似。在操作703， 服务器(例母案专利图6的基站425)经过匹配由移动站发送的图形/记录进行 相关操作来确定精确时间。该粗略时间用于建立一个搜索窗口(窗口＝ CT-delta到CT+delta)，在该窗口中选择服务器的记录，该服务器记录与从移 动单元接收到的图形相比较。

在图12B，除了移动站执行图形匹配操作外(而不是服务器执行该操作)， 执行与操作700-703相类似的一系列操作(800-803)。

已经用各种图表作参考描述了本发明。所提供的图表只用作描述目的，不 能以任何方式企图限制本发明。此外，已经描述了本发明的各种方法和设备的 各种例子，并应当认识到，根据本发明这些例子可进行修改并且仍落在下列的 权利要求的范围内。

本申请是临时专利申请60/125,673的部分续展(CLP)申请，其标题是“卫 星定位系统(SPS)时间测量的方法和装置”，申请日为1999年3月22日。故 本申请要求以临时专利申请的申请日为准。