DE20122743U1 - Vorrichtung zur GPS-Zeitsynchronisation unter Benutzung zellularer Signalfolgen - Google Patents

Vorrichtung zur GPS-Zeitsynchronisation unter Benutzung zellularer Signalfolgen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung umfassend:
a) ein zellulares Modul (11), ansprechend auf ein zellulares Kommunikationssignal, welches einen Zeitstempel anzeigt, um einen Triggerpuls bereitzustellen, der aus der Datenkomponente des zellularen Kommunikationssignals abgeleitet wird, und um Information bereitzustellen, die eine Zeitmarke anzeigt, die den Triggerpuls einer universellen Zeit zuordnet,
b) ein Hauptmodul (12), welches Zugriff auf eine Uhr (18) hat, die ein Signal bereitstellt, das die lokale Zeit anzeigt, wobei das Hauptmodul (12) auf die Information anspricht, die die Zeitmarke anzeigt,
c) ein Zeitregister (19), ansprechend auf das Signal, das die lokale Zeit anzeigt, und weiterhin ansprechend auf den Triggerpuls, um Information zu halten, die in lokaler Zeit anzeigt, wann der Triggerpuls empfangen wird, und
d) einen speziellen Hardwarepfad (23), der angeordnet ist, um den Triggerpuls direkt von dem zellularen Modul (11) zu dem Zeitregister (19) zu leiten,
wobei das Hauptmodul (12) mit dem Zeitregister (19) verbunden ist, um in...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Navigation unter Benutzung eines globalen Positionsbestimmungssystems (GPS), und insbesondere Systeme zur Bereitstellung unterstützter GPS und zum Bereitstellen von GPS-Erholzeiten, insbesondere bei Bedingungen mit schwachem Signal.
  • Der Betrieb eines globalen Positionsbestimmungssystems-(GPS)-Empfängers gründet sich darauf, daß der Empfänger einen präzisen Wert der GPS-Zeit hat; ohne einen solchen präzisen Wert, sind die Entfernungen (von dem Empfänger zu einem oder mehreren der GPS-Satelliten), die durch den Empfänger berechnet werden, ungenau, da diese einfach durch die Differenz zwischen der Zeit des Absendens und der Zeit des Empfangs multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden. Die GPS-Navigation verläßt sich deshalb auf alle Elemente des GPS (einschließlich sowohl Satelliten als auch erdgebundenen GPS-Empfängern) die eine Uhr aufweisen, die mit der GPS-Systemzeit synchronisiert ist, die wiederum annähernd eine Version der sogenannten koordinierten Weltzeit (UTC) ist. GPS (genauer gesagt das GPS-Bodenüberwachungsnetzwerk) verteilt Korrekturen an jeden Satelliten (der eine lokale Hochpräzisionsuhr benutzt), um der Abweichung und Verschiebung der Satellitenuhr verglichen mit der GPS-Systemzeit Rechnung zu tragen, wobei die Satelliten diese Korrekturen in der Navigationsnachricht bereitstellen, die sie jeweils senden; daher sind alle Satelliten synchronisiert. Andererseits bestimmt ein GPS-Empfänger die Verschiebung seiner lokalen Uhr als Teil der Auflösung der GPS-Empfängerposition. Allerdings wird auf diese Weise die Berechnung der GPS-Empfängerposition in dem Maße verlängert, wie die lokale GPS-Uhr signifikant außer Synchronisation ist. Daher ist es im allgemeinen vorteilhaft, ein Mittel zur Synchronisierung einer GPS-Empfängeruhr mit der GPS-Systemzeit bereitzustellen.
  • Unter Bedingungen mit entsprechend schwachem GPS-Signal kann ein GPS-Empfänger die GPS-Zeit nicht ohne Unterstützung bestimmen. Unter solchen Bedingungen muß entweder die exakte GPS-Zeit wiederhergestellt werden, um die Positionsbestimmung auszuführen oder die Positionsbestimmung muß angehalten werden. Um das notwendige Anhalten der Positionsbestimmung zu vermeiden, muß die Zeitwiederherstellung unterstützt werden, wobei es mehrere Arten gibt, den GPS-Empfänger bei dem Ausführen der Zeitwiederherstellung zu unterstützen, wobei eine darin besteht, die exakte GPS-Zeit von einem zellularen Netzwerk, wie beispielsweise einem GSM-Netzwerk, zu liefern.
  • Unglücklicherweise ist ein Standard-GSM-Netzwerk mit keiner universellen Zeitreferenz synchronisiert, da die zellulare Kommunikation per se kein Navigationswerkzeug darstellt und deshalb kein Bedarf für eine mit der Weltzeit synchronisierte Zeit bei der Bereitstellung zellularer Kommunikation vorhanden ist. Die einzige Zeitsynchronisation, die gebraucht wird, ist die Zeitschlitzsynchronisation, bei der ein Mobilfunkendgerät sich selbst mit einem Basisstationschema synchronisiert, um seine eigene Übertragung in seinem zugewiesenen Zeitschlitz zu halten und die Nachrichten von der Basisstation aufzunehmen, die für das Mobilfunkendgerät bestimmt sind. Eine solche Synchronisation ist deshalb (und muß auch nur) relativ (zwischen einem Mobilfunkendgerät und einer Basisstation) im Gegensatz zu einer universellen. Um das Ableiten einer universellen Zeit aus so einem zellularen Netzwerk zu ermöglichen, werden eine neue Ausrüstung und neue Nachrichten benötigt.
  • Es existiert eine Vorrichtung, die eine GPS-/GSM-Zeitbeziehung (mapping) bereitstellt. Sie wird lokale Meßeinheit (LMU = "Location Measurement Unit") genannt; eine LMU kann man sich als einen spezialisierten GPS-Empfänger vorstellen, der in einer zellularen Basisstation angeordnet ist, wobei ein GPS-Empfänger eingerichtet ist GPS-Systemzeit-Kommunikationssignalfolgen zu Mobilfunkendgeräten zeitzustempeln. Eine LMU zeitstempelt die Kommunikationssignalfolgen von den Basisstationen mit der GPS-Zeit. Eine LMU stellt einem GPS-Empfänger (einem GPS-Empfänger, der eingerichtet ist, die bereitgestellte LMU-Information zu benutzen), die Hilfe bereit, die unter Bedingungen mit schwachem Signal benötigt wird, um die GPS-Zeit zu konstruieren (das heißt unter Synchronisation mit der GPS-Systemzeit). Die LMU stellt ein sogenanntes Referenzzeitinformationselement bereit, indem sie anzeigt, welcher GSM-Signalrahmen, Zeitschlitz und welches Bit als Zeitreferenzpunkt benutzt werden sollen, aus denen entsprechend beispielsweise ein Mobilfunkendgerät die GSM-Systemverzögerung entfernen kann und auf diese Weise die exakte GPS-Zeit herstellen kann.
  • Für eine typische GPS-Empfänger-Positionsbestimmungsgenauigkeit muß die GPS-Zeit im Rahmen von ~10 μs in dem Empfänger bekannt sein. Eine solche Genauigkeit ist mit der Benutzung eines LMU-basierten Systems zur Zeitsynchronisation schwer zu erreichen. Wenn ein GPS-Empfänger eingerichtet ist, die Unterstützung der LMU zu benutzen, weist er eine zellulare Komponente auf, die auf die LMU-Nachricht anspricht (einschließlich Aufnehmen des aktuellen Triggers in dem gekennzeichneten Signalrahmen, Zeitschlitz und Bit) und eine GPS-Komponente auf, die die Zeitsynchronisationsinformation benötigt (siehe 1). Die zwei Komponenten kommunizieren über einen Softwareverbindungskanal. Es existieren jedoch signifikante zufällige Verzögerungen bei der Kommunikation von Nachrichten über einen Softwareverbindungskanal, d.h. interne Verzögerungen tauchen auf wegen der Benutzung des Softwareverbindungskanals für verschiedene andere Aufgaben neben der Bereitstellung der LMU-Zeitsynchronisationsinformation. (Zufällige Verzögerungen tauchen innerhalb von Bussen auf, die von dem GPS-Empfänger benutzt werden, Busse, bei denen Nachrichten von einem Softwareserver zu einem anderen übertragen werden unter Benutzung einer geeigneten Softwarenachrichtübertragungsarchitektur. Solche Verzögerungen können eine Zeitdauer von mehreren 10 Millisekunden aufweisen).
  • Die oben beschriebene Technologie ist beispielsweise aus dem Dokument US 6 150 980 bekannt.
  • In WO 00/36431 A1 ist ein weiteres beispielhaftes GPS-System offenbart, das eine Kommunikation zwischen einem zellularen Modul und einem GPS-Modul über einen Softwareverbindungskanal annimmt. Genauer gesagt werden in dem Verfahren und der Vorrichtung, die GPS-Signale in einem GPS-Empfänger erfassen, Information über die Tageszeit, ein ungefähre Empfänger-Aufenthaltsort und Satellitenpositionen benutzt, um die Zeit zu reduzieren, die benötigt wird, um nach Signalen von einem oder mehreren Satelliten zu suchen und sie zu erfassen. Die Vorrichtung umfaßt eine Kommunikationsverbindung zwischen einem Empfänger eines zellularen Telefons und dem GPS-Empfänger. Über eine Softwareschicht der Kommunikationsverbindung stellt der Empfänger des zellularen Telefons eine Zeitinformation und Laufzeitverzögerungen von einer zellularen Basisstation zu dem zellularen Telefon bereit und Signalverarbeitungsverzögerungen innerhalb des Telefonempfängers selbst zu dem GPS-Empfänger. Bei einem Beispiel wird der ungefähre Aufenthaltsort mittels einer zellbasierten Informationsquelle ermittelt, die eine Identifizierung eines beliebigen von verschiedenen drahtlosen Zellorten mit einem ungefähren Aufenthaltsort für Objekte innerhalb einer Zelle eines drahtlosen zellbasierten Kommunikationssystems korreliert, wie bspw. eine zellulares (oder zellbasiertes) Telefonsystem. Bei anderen Beispielen des bekannten Systems kann eine relative genaue Tageszeitinformation mit einer Information, die die Satellitenpositionen angibt, verwendet werde, um einen geschätzten Pseudobereich für einen ersten zu erfassenden GPS-Satelliten anzugeben.
  • Es besteht ein Bedarf LMU-Zeitsynchronisationsinformation (oder Zeitsynchronisationsinformation, die aus einem anderen Aspekt eines zellularen Kommunikationssignals abgeleitet wird) an der Komponente eines GPS-Empfängers bereitzustellen, der die Zeitsynchronisationsinformation benötigt, wobei veränderliche signifikante interne Verzögerungen vermieden werden sollen.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Nach einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Zeitsynchronisation nach dem Gegenstand von Anspruch 1 bereit. Ein weiterer Aspekt ist auf eine System nach Anspruch 6 gerichtet. Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der beigefügten Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
  • Danach stellt die Erfindung ein System und eine Vorrichtung zur Zeitsynchronisation bereit, die zellulare Signalfolgen von beispielsweise einem globalen Positionsbestimmungssystem-(GPS)-Empfänger benutzen, wobei die Vorrichtung umfaßt: (a) ein zellulares Modul, ansprechend auf ein zellulares Kommunikationssignal, das einen Zeitstempel anzeigt, um einen Triggerpuls bereitzustellen, der aus einer Datenkomponente des zellularen Kommunikationssignals abgeleitet wird, und um Information bereitzustellen, die eine Zeitmarke anzeigt, die den Triggerpuls einer universellen Zeit zuordnet; (b) ein Hauptmodul, welches Zugriff auf eine Uhr hat, die ein Signal bereitstellt, welches eine lokale Zeit anzeigt, wobei das Hauptmodul auf die Information anspricht, die die Zeitmarke anzeigt; (c) ein Zeitregister, ansprechend auf das Signal, das die lokale Zeit anzeigt, und weiterhin ansprechend auf den Triggerpuls, um Information zu Halten, die in lokaler Zeit anzeigt, wann der Triggerpuls empfangen wurde; (d) einen speziellen Hardwarepfad, um den Triggerpuls direkt von dem zellularen Modul zu dem Zeitregister zu leiten; wobei das Hauptmodul mit dem Zeitregister verbunden ist, um in der Lage zu sein, auf das Zeitregister zugreifen und auf diese Weise die Zeit erhalten, wann der Trigger ankommt, und bei welcher weiterhin das Hauptmodul ein Mittel zum Bestimmen des Unterschiedes zwischen der Zeit, wann die Information, die die Zeitmarke anzeigt, ankommt und der Zeit, wann der Trigger ankommt, aufweist.
  • Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung zusätzlich einen Rahmenzähler, wobei der Triggerpuls bereitgestellt wird, wenn der Rahmenzähler einen neuen Rahmen erkennt.
  • Bei einem anderen weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt die Vorrichtung zusätzlich einen Zeitschlitzzähler, wobei der Triggerpuls bereitgestellt wird, wenn der Zeitschlitzzähler einen neuen Zeitschlitz erkennt.
  • Bei einem weiteren anderen Aspekt der Erfindung umfaßt die Vorrichtung zusätzlich einen Datenbitzähler, wobei der Triggerpuls bereitgestellt wird, wenn der Datenbitzähler ein neues Datenbit erkennt.
  • Bei einem weiteren anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Hauptmodul ein globales Positionsbestimmungssystem-(GPS)-Modul, das auf ein GPS-Satelliten-Navigationssignal anspricht.
  • Folglich stellt die vorliegende Erfindung einen Hardwaretriggerpuls zur Synchronisierung bereit, basierend auf einem zellularen Kommunikationssignal, von Vorrichtungen mit einer universellen Zeitreferenz. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung benutzt werden, um eine GPS-Empfängeruhr mit der GPS-Systemzeit zu synchronisieren. Bei einer solchen Anwendung verhindert die Erfindung fast alle internen Verzögerungen durch Bereitstellung einer GPS-Empfängeruhrkomponente mit Zeitsynchronisationsinformation, was eine Genauigkeit bei der GPS-Zeitwiederherstellung sogar unter Bedingungen mit einem schwachen GPS-Signal ermöglicht, die besser als ~10 μs ist.
  • Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Berücksichtigung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
  • 1 eine vereinfachte Darstellung eines GPS-Empfängers mit Modulen zum Bereitstellen von Zeitsynchronisation gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 2 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Synchronisation des GPS-Moduls von 1 mit der Zeitreferenz, die durch ein zellulares Kommunikationssystem bereitgestellt wird, ist.
  • Bezugnehmend auf 1 ist ein globaler Positionsbestimmungssystem-(GPS)-Empfänger 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt mit einem zellularen Modul 11 (welches nicht notwendigerweise eine vollständige Fähigkeit zur zellularen Kommunikation bereitstellt) und einem GPS-Modul 12. Das zellulare Modul spricht auf ein zellulares Kommunikationssignal durch eine zellulare Antenne 14 an. Das GPS-Modul umfaßt Standard-GPS-Hardware 21 zum Ansprechen auf GPS-Navigationssignale über eine GPS-Antenne 15. Das zellulare Modul verarbeitet zellulare Kommunikationssignale, um Zeitsynchronisationsinformation zu extrahieren, beispielsweise aus einer Nachricht einer lokalen Meßeinheit (LMU), wie oben beschrieben. Das zellulare Kommunikationssignal weist in Rahmen (engl. Frames) organisierte Daten auf, mit Begrenzern (Kopfbereichen (engl. Headers) und Fußbereichen (engl. Footers)), die das zellulare Modul befähigen, einen Rahmen von dem nächsten zu unterscheiden. Das zellulare Modul weist einen Rahmenzähler 20 zum Zählen von Rahmen auf. Der Rahmenzähler erkennt auch Rahmenkanten, die beispielsweise zur Frequenzrekonstruktion benutzt werden. Der Rahmenzähler wird hier nur als Beispiel erwähnt. Bei der GSM-zellularen Kommunikation kann ebenfalls ein Zeitschlitzzähler und ein Bitzähler und auch ein entsprechender Kantendetektor vorhanden sein.
  • Der Rahmenzähler identifiziert eine Rahmenkante und auf diese Weise identifiziert er den Augenblick, in dem ein neuer Rahmen empfangen wird.
  • Der GPS-Empfänger 10 weist auch eine Softwareverbindungsschicht 16 auf, durch welche das zellulare Modul und das GPS-Modul Nachrichten übermitteln, wobei allerdings Nachrichten, die so übermittelt werden, Gegenstand von zufälligen Verzögerungen bei der Übermittlung sind, da anderer Nachrichtenverkehr über die Softwareverbindungsschicht übermittelt wird (Nachrichtenverkehr beispielsweise zwischen verschiedenen Komponenten des GPS-Moduls).
  • Gemäß der Erfindung wird jedesmal, wenn der Rahmenzähler einen neuen zellularen Kommunikationssignalrahmen anzeigt, ein Triggerpuls erzeugt und dem GPS-Modul über einen speziellen Hardwarepfad 23 übermittelt, der entweder keine wesentliche Verzögerung aufweist oder eine bekannte Verzögerung aufweist, die daher auch berücksichtigt werden kann, d.h. Bereitstellen des Triggerpulses im wesentlichen frei von zufälliger Verzögerung. Der Triggerpuls wird hier benutzt, um ein Register 19 in dem GPS-Modul zu rasten, ein Register, das hier als Zeitregister bezeichnet wird, so daß das Register die interne Zeit (nicht die UTC-Zeit) speichert, d.h. die Zeit, die durch den/die GPS-Empfängeroszillator/lokale Uhr 18 angezeigt wird (die GPS-Empfängerlokaluhr 18 ist typischerweise als ein interner Zähler ausgeführt, als Teil der GPS-Hardware. Das Rasten führt entweder zum Speichern des aktuellen Wertes der lokalen Uhr in dem Register oder zum Neustarten des internen Zählers).
  • Zur selben Zeit, zu der der Triggerpuls erzeugt wird und über den speziellen Hardwarepfad 23 an dem Zeitregister 19 bereitgestellt wird, wird die entsprechende Rahmenzahl (oder alternativ der Zeitschlitz oder die Bitnummer, wie weiter unten beschrieben) an die GPS-Hardware 21 über die Softwareverbindungsschicht 16 übertragen. Wenn die GPS-Hardware bereits auf GPS-Zeit gesetzt wurde (durch ein Verfahren wie weiter unten beschrieben), bleibt sie synchronisiert (das heißt, sie gleicht die Uhrdrift aus), indem sie die lokalen Uhr unter Benutzung des Triggerpulses stabilisiert. Um die GPS-Zeit in dem GPS-Modul anfangs zu setzen, d.h. wenn der GPS-Empfänger eingeschaltet wird, benutzt das Zellularmodell einen Zeitstempel, den es von einer LMU 22 von einer nahegelegen Basisstation empfängt; der Zeitstempel bestimmt, daß eine angezeigte GPS-Zeit mit dem Empfang einer angezeigten Rahmennummer, einem Zeitschlitz und einer Bitnummer verknüpft werden soll. Der Rahmen, auf den in dem Zeitstempel Bezug genommen wird, ist ein Rahmen, der bereits übertragen wurde (entweder gesendet oder übertragen Punkt-zu-Punkt zu dem GPS-Empfänger). Der Zeitstempel weist eine GPS-Zeit auf, die mit dem Rahmen, dem Zeitschlitz und Bit verknüpft ist. (Allerdings weist der Zeitstempel keine Laufzeitverzögerung auf. Es gibt keinen Weg in der LMU zu erkennen, wieweit der GPS-Empfänger von der bereitstellenden Basisstation, wo die LMU angeordnet ist, entfernt ist. Die Laufzeitverzögerung über die Luftschnittstelle wird mittels einer sogenannten Zeitvorlauf-(TA = Timing Advance)-Messung kompensiert, welche durch das Zellularsystem bereitgestellt wird. TA wird durch eine Rundlaufverzögerung zwischen dem Empfänger und der bereitstellenden Basisstation gemessen.)
  • Sobald das zellulare Modul den Zeitstempel hat, kann es eine, hier so bezeichnete, Zeitmarkennachricht erzeugen (im Gegensatz zu einer Zeitstempelnachricht); eine Zeitmarkennachricht zeigt die GPS-Zeit, die mit einem jetzt zu empfangenden Rahmen verknüpft werden soll. Sobald der Rahmen der Zeitmarkennachricht empfangen wird, wird der entsprechende Triggerpuls zu dem GPS-Modul über den speziellen Hardwarepfad 23 gesendet, und die Rahmennummer und die Zeitmarkennachricht werden zu dem GPS-Modul über die Softwareverbindungsschicht übermittelt. Das GPS-Modul registriert die Ankunftszeit der Zeitmarkennachricht entsprechend der Zeit, wie sie die lokale Uhr 18 zeigt, und die Zeit, die die lokale Uhr 18 anzeigt, wenn der Triggerpuls ankommt, wird in das Zeitregister 19 geschrieben. Die Erfindung trägt der Verzögerung in dem GPS-Modul bei Empfang der Zeitmarkennachricht über die Softwareverbindungsschicht 16 Rechnung, indem die Ankunftszeit der Zeitmarkennachricht (entsprechend der lokalen Uhr 18) notiert wird, und die Zeit subtrahiert wird, die in dem Zeitregister 19 gespeichert ist (ebenfalls entsprechend der lokalen Uhr 18) veranlasst durch den Triggerpuls, der dem Rahmen entspricht, der in der Zeitmarkennachricht angezeigt ist.
  • Es sei beispielsweise angenommen, daß die GPS-Zeit 134,566 Sekunden vom Beginn der aktuellen GPS-Woche bei Rahmennummer (FN) 122, Zeitschlitznummer 5 und Bitnummer 43, beträgt, das heißt, angenommen, daß das GPS zu zellulare Zeitmapping (der Zeitstempel) 134566@(122,5,43) ist. In anderen Worten war die exakte GPS-Zeit 134,566 Sekunden vom Beginn der aktuellen GPS-Woche, als die Basisstation Rahmennummer (FN) 122, Zeitschlitznummer 5 und Bitnummer 43 übertragen hat. Nimmt man weiterhin an, daß ein GPS-Empfänger gemäß der Erfindung (das heißt mit einem zellularen Modul, das mit einem GPS-Modul, wie in 1 angedeutet ist, verbunden ist) gerade eingeschaltet worden ist. Dann empfängt das zellulare Modul des GPS-Empfängers früher oder später eine LMU-Übertragung eines Zeitstempels. Das zellulare Modul empfängt ebenfalls eine Folge von zellularen Rahmen. Das zellulare Modul stellt einen Trigger (nur einen Puls, ohne Übermittlung einer Rahmennummer oder anderer Information) jedesmal bereit, wenn ein neuer Rahmen empfangen wird, und stellt ebenfalls (über die Softwareverbindungsschicht) die Nummer eines jeden neuen Rahmens bereit, Nummern, die es von der Basisstation empfängt. Das GPS-Modul nimmt an, daß der erste Trigger, den es über den Hardwarepfad empfängt, begleitet wird von der ersten Rahmennummer, die es über die Softwareverbindungsschicht empfängt, usw. Bei Anwendungen, bei denen das Risiko besteht, daß die Zeitmarkennachricht mit dem falschen Triggerpuls verknüpft werden könnte (da die Verzögerung über den Softwareverbindungskanal manchmal so lang sein könnte, daß die Zeitmarke über den Kanal nach dem nächsten Trigger ankommt, der über den Hardwarepfad ankommt), wird der Triggerpuls nur einmal gesendet.
  • Ein zellulares Modul mißt die Laufzeitverzögerungskorrektur bevor ein Kommunikationskanal geöffnet wird. Die Messung der Laufzeitverzögerung ist ein Teil des Handover-Vorgangs, der mit der Öffnung eines Kommunikationskanals verbunden ist. Daher ist die Laufzeitverzögerung dem zellularen Modul immer bekannt.
  • Der Grund dafür, daß das zellulare Modul den zeitgestempelten Rahmen selbst nicht (der Rahmen, der zur Messung der Beziehung zwischen der GPS-Systemzeit und der Zeit zu der der zeitgestempelte Rahmen gesendet oder auf andere Art und Weise übertragen wurde, benutzt wird) als den Rahmen zum Erzeugen des Triggers benutzt (d.h. für den Zeitstempelrahmen), liegt darin, daß das Zeitstempeln durch ein zellulares Netzwerkelement ausgeführt wird, eines, das die Beziehung zwischen der GPS-Systemzeit und der Übertragung eines gewählten GSM-Rahmens mißt (der hier als zeitgestempelter Rahmen bezeichnet wird, im Gegensatz zu dem Zeitstempelrahmen, der einen Teil oder alle Ergebnisse der Messung trägt). Das Ergebnis der Messung kann demnach natürlich nicht in dem gleichen gewählten (zeitgestempelten) Rahmen gesendet werden, da der gewählte Rahmen (identifiziert durch die Rahmennummer) bereits gesendet worden ist, das heißt, der Nachrichtenrahmen, der die Zeitstempelinformation enthält, Zeitstempelrahmen genannt, kann nicht derselbe Rahmen sein, der zur Messung der GPS/GSM-Beziehung benutzt wurde, wobei dieser Rahmen hier zeitgestempelter Rahmen genannt wird.
  • Eine Verzögerung wird ebenfalls in dem zellularen Modul 11 eingeführt, da das zellulare Modul warten muß, bis der Nachrichtenrahmen (das heißt der Zeitstempelrahmen) an dem zellularen Modul ankommt, bevor das zellulare Modul den Trigger für das GPS-Modul 12 bereitstellt. In der Praxis passen der Zeitstempel und andere unterstützende Daten nicht in einen Datenrahmen, sondern sind stattdessen aufgeteilt in oder versandt durch die Benutzung mehrerer Rahmen (die hier alle als Zeitstempelrahmen bezeichnet werden). Die unterstützenden Daten werden dann nicht analysiert, noch wird der Triggerpuls erzeugt, bis alle (Zeitstempel)-Rahmen, die die unterstützenden Daten tragen, empfangen worden sind. Daher ist immer eine Verzögerung zwischen wann der Rahmen, der benutzt wird, um die Beziehung zwischen einem GSM-Rahmen und der GPS-Systemzeit zu bestimmen, gesendet wird (oder auf andere Art und Weise übertragen wird), und wann der Rahmen, der das Register triggert (der sogenannte Zeitstempelrahmen) gesendet wird (oder auf andere Art und Weise übertragen wird).
  • Nimmt man nun an, daß die GPS-Zeit bei FN 1002 bestimmt werden soll (da der Rahmen, der zeitgestempelt war, bereits übertragen worden ist, aber FN 1002 eben empfangen wurde). Der Zeitstempel (GPS zu Zellularzeitmapping) wird benutzt, um die exakte GPS-Zeit zu bestimmen, wenn FN 1002 durch das zellulare Modul empfangen wird, gemäß: GPS_Zeit@(1002, 1, 1) = GPS_Zeit@l22, 5, 43) + (1002 – 122) × Rahmen_Zeit – 4 × Zeit_Schlitz_Zeit – 42 × Bit Zeit,wobei Rahmen Zeit, Zeit_Schlitz_Zeit und Bit_Zeit die Zeitintervalle für jedes der angezeigten Objekte (Rahmen, Zeit_Schlitze und Bits) bei zellularer Kommunikation sind. Damit weiß das zellulare Modul des GPS-Empfängers dann die exakte GPS-Zeit, sobald FN 1002 empfangen wird, aber nicht das GPS-Modul. Um die lokale Uhr des GPS-Moduls auf GPS-Zeit zu setzen, muß die GPS-Zeit entsprechend zu FN 1002 von dem zellularen Modul dem GPS-Modul übermittelt werden, aber das kann nur über die Softwareverbindungsschicht geschehen, und eine Nachricht, die über die Softwareverbindungsschicht bereitgestellt wird, hat erfahrungsgemäß Verzögerungen, die im Voraus nicht bekannt sind. Daher wird gemäß der Erfindung die Zeit bei FN 1002 (das heißt die Zeitmarkennachricht) über die Softwareverbindungsschicht übermittelt, aber zusätzlich empfängt das GPS-Modul den Trigger von dem zellularen Modul und empfängt ebenfalls über die Softwareverbindungsschicht (eine kleine Zeit später mit einer im Voraus nicht bekannten Verzögerung) die Rahmennummer, die zugehörig zu dem Trigger ist. Das GPS-Modul schreibt in das Zeitregister 19 die Zeit, entsprechend seiner internen/lokalen Uhr 18, wann jeweils der letzte Trigger empfangen wurde, einschließlich des Trigger der dem Rahmen zugehörig ist, der in der Zeitmarkennachricht angezeigt ist. Zusätzlich registriert das GPS-Modul die Zeit, zu der es die Zeitmarkennachricht erhält, d.h. GPS_Zeit@(1002, 1, 1). Nun ist die Zeit, die in das Zeitregister 19 geschrieben ist, entsprechend der lokalen Uhr 18 des GPS-Moduls und die Zeit, die aufgenommen wird, wenn die Zeitmarkennachricht über die Softwareverbindungsschicht empfangen wird, ist ebenfalls entsprechend der lokalen Uhr 18 des GPS-Moduls. Der Unterschied zwischen diesen zwei Zeiten ist die Verzögerung, die durch die Zeitmarkennachricht über die Softwareverbindungsschicht auftritt, und daher, gemäß der Erfindung, wird dieser Unterschied zu dem Wert addiert, der als GPS-Zeit bei FN 1002 empfangen wurde (über die Zeitmarkennachricht), um die Verzögerung zu korrigieren. Daher weist das GPS-Modul im wesentlichen eine präzise GPS-Zeit auf, sobald es die Zeitmarkennachricht über die Softwareverbindungsschicht empfängt. (Die Zeit, um die Verzögerung zu berechnen und die Zeit, um die GPS-Zeit bei FN 1002 zu bestimmen, der den Zeitstempel eines früheren Rahmens/Schlitzes/Bits gibt, wird vernachlässigt).
  • Bezugnehmend auf 2 stellt die Erfindung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel folglich ein Setzen der GPS-Uhr eines GPS-Empfängers entsprechend den folgenden Schritten bereit (die, um der Klarheit willen, nicht umfassen, daß das zellulare Modul einen Trigger für jeweils jeden neu empfangenen Rahmen bereitstellt, sondern statt dessen nur für den Rahmen, für den die Zeitmarke bereitgestellt wird).
    • 1. Das zellulare Modul empfängt einen zeitgestempelten Rahmen von einer LMU. Eine Abschätzung für die Laufzeitverzögerung über die Luftschnittstelle wird aus einer Zeitvorlaufmessung oder einer ähnlichen Messung ermittelt. Das zellulare Modul benutzt die Zeitvorlaufmessung oder eine andere, ähnliche Messung, um den Zeitstempel für die Laufzeitverzögerung über die Luftschnittstelle abzugleichen.
    • 2. Das zellulare Modul bestimmt einen Zeitmarkenwert für einen Rahmen, der jetzt empfangen werden soll; der Zeitmarkenwert basiert auf dem Zeitstempel, aber er enthält eine Korrektur bezüglich der Laufzeitverzögerung des Zeitstempels zwischen der bereitstellenden zellularen Basisstation und dem GPS-Empfänger. (Das zellulare Modul bestimmt die Laufzeitverzögerung durch Aussenden eines Signals zu der bereitstellenden Basisstation, das durch die bereitstellende Basisstation so verstanden wird, dass es dieses zurücksendet, und mißt wie lange es dauert, die Rücksendung zu empfangen. Der Zeitvorlauf wird dann durch den "Rundlauf" des Signals berechnet).
    • 3. Wenn das zellulare Modul den Rahmen empfängt, für den es den Zeitmarkenwert berechnet hat, triggert es das GPS-Modul über den speziellen Hardwarepfad und stellt an dem GPS-Modul, über die Softwareverbindungsschicht, die Rahmennummer (welche es von der Basisstation empfängt) und die Zeitmarke bereit.
    • 4. Das GPS-Modul empfängt den Trigger und speichert in einem Register die Zeit, entsprechend seiner lokalen Uhr, zu der es den Trigger empfängt.
    • 5. Das GPS-Modul empfängt die Zeitmarkennachricht (über die Softwareverbindungsschicht) und speichert die Zeit zu der es die Zeitmarkennachricht empfängt, wiederum entsprechend seiner lokalen Uhr.
    • 6. Das GPS-Modul bestimmt den Unterschied der Zeit zwischen wann es den Trigger empfängt (durch Auslesen des speziellen Registers) und der Zeit, zu der es die Zeitmarkennachricht empfangen hat, addiert diesen Zeitunterschied zu der Zeitmarkennachricht, um die wahre GPS-Zeit zu bestimmen und setzt seine Uhr auf die wahre GPS-Zeit.
  • Ob der GPS-Empfänger die Uhr in seinem GPS-Modul immer und immer wieder setzt (um einer Drift Rechnung zu tragen) oder nur jedesmal, wenn der GPS-Empfänger eingeschaltet wird, hängt von der Anwendung ab. Für eine MS-(MS = Mobile Station, dt. Mobilfunkendgerät)-basierte GPS-Typ-Lösung, wird das obige Verfahren nur ausgeführt, wenn der GPS-Empfänger eingeschaltet wird. Für MS-unterstütztes GPS, wird das obige Verfahren für jede Ortsbestimmung benötigt.
  • Benutzung eines (zellularen Signal-)Rahmenzählers (oder eines Zeitschlitzzählers, Bitzählers, oder in einem CDMA-System, einem Chip-Zähler oder anderen ähnlichen Vorrichtungen), die als zusätzliche Ausstattung in einem GPS bereitgestellt werden müssten, ist nur ein Weg, um die vorliegende Erfindung auszuführen, und es ist für manche Anwendungen das bevorzugte Ausführungsbeispiel, bei Anwendungen, bei denen es nicht notwendig ist, die höchstmögliche Genauigkeit zu haben. Im Falle einer GSM-zellularen Kommunikation, kann ein Rahmenzähler benutzt werden, um einen Triggerpuls bei einer Frequenz von 216.68 Hz zu erzeugen. Es ist auch möglich, einen Triggerpuls bei der Zeitschlitzrate zu erzeugen (wobei es acht Zeitschlitze pro Rahmen gibt) unter Benutzung eines Zeitschlitzzählers; die Benutzung der Zeitschlitzrate würde einen Triggerpuls bei einer Frequenz von 1733.4 Hz ergeben. Es ist möglich, einen Triggerpuls bei sogar einer noch höheren Frequenz zu erzeugen; Benutzung der Bitrate 156.25 Bits pro Zeitschlitz würde einen Triggerpuls bei einer Frequenz von 270844.17 Hz ergeben (das heißt Benutzung eines Datenbitzählers anstelle des Rahmenzählers würde im Falle eines GSM-zellularen Kommunikationssignals einen Triggerpuls bei einer Frequenz von 270844.17 Hz bereitstellen). In anderen zellularen Systemen neben GSM, sind natürlich Datenraten und Datenstrukturen unterschiedlich, und die Erfindung soll nicht auf GSM-zellulare Kommunikation eingeschränkt werden.
  • Um die vorliegende Erfindung auszuführen, muß ein typischer GPS-Empfänger verändert werden, um ein zellulares Modul mit wenigstens der weiter oben angedeuteten Funktionalität zu enthalten, und auch Hardware zum Bereitstellen des Triggerpulses und die zum Zeitregister zugehörige Hardware.
  • Es gibt andere Nutzungsmöglichkeiten für eine absolute Zeitreferenz neben der Unterstützung von GPS-Empfängern bei der Wiederherstellung der GPS-Zeit. Absolute Zeit kann auch benutzt werden, um die Drift einer zellularen Basisstationuhr bezüglich der GPS-Zeit zu messen und den Zeitunterschied zwischen benachbarten Basisstationen zu messen. Solche Messungen werden beispielsweise bei netzwerkbasierten Positionierungsverfahren einschließlich Enhanced Observed Time Difference-(E-OTD)-(erweiterte beobachtete Zeitunterschiede) und Time of Arrival-(Ankunftszeit)-(TOA)-Positionierungsverfahren.
  • Es muß beachtet werden, daß es nicht notwendig ist, daß das zellulare Modul 11 die Zeitmarkennachricht konstruiert. Bei manchen Anwendungen sendet das zellulare Modul nur eine "Register getriggert mit Rahmen Nr. 1022"-Nachricht zu irgendeiner anderen Einheit, welche außerhalb des GPS-Empfängers angeordnet sein kann oder das GPS-Modul sein kann und diese andere Einheit berechnet die Zeitmarke.
  • Ebenfalls sollte beachtet werden, daß, obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben wurde, bei welchem das GPS-Modul 12 eine (lokale) Uhr 18 aufweist, in anderen Anwendungen die Uhr, die durch das GPS-Modul benutzt wird, um (lokale) Zeit bereitzustellen, außerhalb des GPS-Moduls angeordnet sein kann. Zum Beispiel wird die Uhr in manchen Anwendungen mit irgendeiner anderen Einheit, wie beispielsweise das zellulare Modul, geteilt. Die Uhr, die durch das GPS-Modul benutzt wird, kann sogar außerhalb des GPS-Empfängers angeordnet sein.
  • Es sollte ebenfalls beachtet werden, daß die Erfindung durch Bereitstellen einer Basis zum Setzen der Uhr, die durch ein Modul benutzt wird, welches ein anderes als ein GPS-Modul ist, benutzt wird. Die Erfindung sollte so verstanden werden, daß sie durch Setzen der Uhr, die bei irgendeiner Anwendung benutzt wird, die irgendeine Version einer universellen Zeit benötigt, benutzt wird.
  • Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen nur veranschaulichende Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind. Verschiedene andere Abänderungen und alternative Anordnungen können durch den Fachmann erdacht werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (7)

  1. Vorrichtung umfassend: a) ein zellulares Modul (11), ansprechend auf ein zellulares Kommunikationssignal, welches einen Zeitstempel anzeigt, um einen Triggerpuls bereitzustellen, der aus der Datenkomponente des zellularen Kommunikationssignals abgeleitet wird, und um Information bereitzustellen, die eine Zeitmarke anzeigt, die den Triggerpuls einer universellen Zeit zuordnet, b) ein Hauptmodul (12), welches Zugriff auf eine Uhr (18) hat, die ein Signal bereitstellt, das die lokale Zeit anzeigt, wobei das Hauptmodul (12) auf die Information anspricht, die die Zeitmarke anzeigt, c) ein Zeitregister (19), ansprechend auf das Signal, das die lokale Zeit anzeigt, und weiterhin ansprechend auf den Triggerpuls, um Information zu halten, die in lokaler Zeit anzeigt, wann der Triggerpuls empfangen wird, und d) einen speziellen Hardwarepfad (23), der angeordnet ist, um den Triggerpuls direkt von dem zellularen Modul (11) zu dem Zeitregister (19) zu leiten, wobei das Hauptmodul (12) mit dem Zeitregister (19) verbunden ist, um in der Lage zu sein, auf das Zeitregister (19) zuzugreifen und auf diese Weise die Zeit zu erhalten, wann der Trigger ankommt, und bei welcher weiterhin das Hauptmodul (12) ein Mittel zum Bestimmen des Unterschiedes zwischen der Zeit, wann die Information, die die Zeitmarke anzeigt, ankommt und der Zeit, wann der Trigger ankommt, aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend einen Rahmenzähler (20), und bei welcher der Triggerpuls bereitgestellt wird, wenn der Rahmenzähler einen neuen Rahmen erkennt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend einen Zeitschlitzzähler, und bei welcher der Triggerpuls bereitgestellt wird, wenn der Zeitschlitzzähler einen neuen Zeitschlitz erkennt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend einen Datenbitzähler, und bei welcher der Triggerpuls bereitgestellt wird, wenn der Datenbitzähler ein neues Datenbit erkennt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Hauptmodul (12) ein globales Positionsbestimmungssystem-(GPS)-Modul ist, welches die Funktionalität zum Betrieb als ein GPS-Empfänger bereitstellt, wobei das GPS-Modul zusätzlich auf ein GPS-Satellitennavigationssignal anspricht.
  6. System mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. System nach Anspruch 6, zusätzlich umfassend eine zellulare Basisstation (24), um das zellulare Kommunikationssignal bereitzustellen, das einen Zeitstempel anzeigt.
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