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CN1849523B - 在异步无线网络内的移动站中设定粗略gps时间的系统 - Google Patents

在异步无线网络内的移动站中设定粗略gps时间的系统 Download PDF

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CN1849523B CN2004800258997A CN200480025899A CN1849523B CN 1849523 B CN1849523 B CN 1849523B CN 2004800258997 A CN2004800258997 A CN 2004800258997A CN 200480025899 A CN200480025899 A CN 200480025899A CN 1849523 B CN1849523 B CN 1849523B
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Abstract

一种方法和设备，其用于在一与一基站和一位置确定实体(PDE)通信的移动站(MS)中的一GPS接收机内设定粗略的GPS时间。所述MS要求一来自所述PDE的辅助消息，其包括一预测导航比特序列，所述序列包括一随后被定位并解码的预测时间指示器域。响应所述时间指示器值设定粗略时间。可执行一模式匹配算法以提供更准确的GPS时间。为了更好地设定粗略时间，可通过(例如)使用预期网络延迟来确定周时间中的一预期误差。本文所描述的系统通过改进所述粗略时间设定程序使异步网络中的一MS能够使用IS-801协议。

Description

在异步无线网络内的移动站中设定粗略GPS时间的系统
相关申请案
本申请案主张2003年7月23日申请的美国临时申请案第60/489,652号的优先权。
技术领域
本发明一般涉及通过使用无线信号确定一例如蜂窝电话的移动站位置的定位系统。
背景技术
现有的基于全球定位系统(GPS)人造卫星的定位技术利用一人造卫星(通常称为太空飞行器(SV))网络，所述网络发射准确定相位参考GPS时间的信号。地面上的GPS接收机测量来自每一“视野内”SV(即，每一所述接收机可从其接收信号的SV)的信号到达的相对时间。通过使用一种通常称为三边测量的技术，用所述信号到达的相对时间连同所述SV的精确位置来确定GPS接收机的位置。需要在从每一SV发射信号时对GPS时间有相对准确的估计，以便准确地确定在信号发射时每一SV的位置。例如，SV相对于地球的运动可达到950米每秒。使用一数学等式来计算SV的位置，所述等式能及时预测一SV在特定时间点上在其轨道上的位置。由于SV的速度，一毫秒的时间误差将等同于高达0.95米的SV位置误差。这在GPS接收机位置计算中导致的误差可能不同。然而，一般的经验法则是一毫秒的时间误差将导致所算得的GPS接收机位置有约0.5米的误差。
为了获知信号从SV发射的准确时间，一标准GPS接收机解调来自所接收信号的发射时间或维持一估计本地接收机时钟与GPS时间之间的差异的时钟偏差估计。建立所述GPS接收机的自由运行时钟与GPS时间之间的时间偏差通常被称为“设定时钟”。如果所述GPS接收机在良好状况下接收SV信号，那么GPS接收机就可以基于接收到的信号中所含有的信息来设定时钟。所接受到的信息指示发射时间。然而，即使在最佳的状况下，由于用来接收由SV发射的必要信息所需的时间量的缘故，设定时钟可能会消耗相当长的时间(例如，高达6秒或更多)。此外，在信息受到阻塞或削弱的环境中，所述GPS接收机根本无法将时钟设定成GPS时间，并因此根本无法确定其位置。
另一种设定时钟的方式是将时钟与一参考时钟同步，所述参考时钟与GPS时间具有已知关系。例如，在用于CDMA网络中的CDMA移动站(MS)(例如一蜂窝电话)中与GPS时间的同步是直接的。这是因为CDMA网络与GPS时间同步。与GPS时间同步意味着来自网络内每一基站的发射都参考GPS时间。因此，MS中的所述CDMA接收机知道GPS时间。所述MS内的操作软件可简单地将此GPS时间传递给GPS接收机软件，其通过(例如)将所述GPS时间与一精确硬件信号或脉冲相关联，所述信号或脉冲允许GPS接收机软件将GPS时间与其自身的时钟时间以精确方式相联系。如上所述，GPS接收机内部对精确GPS时间的预先知晓可以显著缩短确定GPS接收机位置(通常称为“获得GPS坐标”)所需的时间。特别是在有干扰的环境中，对精确GPS时间的预先知晓对于获得GPS坐标可能会是重要的乃至是必需的。
为了在CDMA系统中更快且更有效地确定GPS坐标，电子工业协会/电信工业协会(EIA/TIA)采用一种称为“IS-801标准”或简称“IS-801”的标准。IS-801包括一套规则(通常称为“协议”)。所述协议规定可在定位服务器(通常称作PDE)与MS之间交换的数据内容和消息序列。这些IS-801消息帮助所述GPS接收机测量虚拟距离和/或产生位置坐标。例如，IS-801消息包括对“星历表”的请求。星历表为关于SV轨道的信息。IS-801消息还包括其它辅助信息，例如关于预期SV将发送的比特模式的信息。对比特的预测允许GPS接收机在较长时间周期中执行相干积分。这又会增加GPS接收机的灵敏度。
然而，一些例如全球移动通信系统(GSM)网络的蜂窝网络与GPS时间并不同步。此等系统被称为“异步的”。因此，异步网络中的GPS接收机不能直接访问来自通信信号中的GPS时间。在存在干扰时或如果来自SV的信号被削弱时，无法从通信系统获得GPS时间的GPS系统可能需要更长的时间来确定GPS坐标。在极端情况下，如果存在太多的干扰，可能无法确定GPS坐标。在异步系统中确定GPS时间的一种方法被称为“模式匹配”方法。在模式匹配方法中，将在MS处接收到GPS信号的时间与在一与GPS时间同步的参考接收机处接收到GPS信号的时间进行比较。假定所述发射SV与所述参考接收机之间的距离同所述发射SV与所述GPS接收机之间的距离基本上相等，则所述参考接收机接收到信号的时间可以用来设定所述GPS接收机内的时钟。然而，由于由GPS SV发射的信息是重复的，所以所述模式匹配方法的有效运作要求MS“粗略地”与GPS时间同步，例如在几秒之内。否则，不可能判断由GPS接收机接收的信息是否在由参考接收机接收信息的同时发射。
例如，假定一特定GPS SV每两秒钟发射一次相同的信息。进一步假定GPS接收机内的时钟可能被来自参考接收机内的时钟的两秒钟抵消。现在假定参考接收机内的时钟和GPS接收机内的时钟都指示所讨论之信息恰好在下午12:00时接收。由于我们不知道GPS接收机真正接收所述信息的时间，所以事实上所述信息可能是在下午12:00整、下午12:00前两秒钟或者下午12:00后两秒钟接收到的。换言之，由GPS接收机接收的信息可能是SV实际上在参考接收机接收信息的同时、两秒钟前或两秒钟后发出的。因此，无法判断参考接收机内的时钟与MS是完全同步还是偏离同步两秒钟。
粗略时间同步确保MS内的时钟与GPS时间以足够的精确度同步，以确保模式匹配方法可毫无疑问地确定准确的时间。已知几种用来建立粗略时间同步的方法。在一种方法中，使用一发射和确认消息对。例如，MS发射一时间请求且同时开始一本地计时器。BTS从MS接收到所述请求且通过发送当前时间来确认收到所述请求。MS从BTS接收时间估计。MS随后终止所述本地计时器并读取所经过的时间。这种系统可以辅助建立粗略同步，但是其增加了成本，可能变得比较复杂，并且可能引起不希望的时间延迟。因此，需要一种更快且更有效的用来在GPS接收机内设定粗略GPS时间的系统。
发明内容
本文所描述的方法和系统通过改进用来设定粗略时间的程序，使仅打算用于同步网络的IS-801协议可以被异步系统中的移动站(MS)使用。所揭示方法和系统的一个实施允许一种“模式匹配”算法将接收机的时钟更精确地设定成精确的GPS时间。
本文描述一种方法，其用于在一移动站(MS)的GPS接收机内设定粗略的GPS时间，所述移动站通过基站与一位置确定实体(PDE)通信。所述GPS接收机配置成从多个与GPS时间同步的SV周期性地接收所发射的导航比特。所述导航比特包括至少一个时间指示器域。所述MS从PDE请求一灵敏度辅助(SA)消息。所述消息包括一预测导航比特序列。响应来自MS的请求，与GPS时间近似合拍地从基站发送SA消息。在MS中接收所述SA消息并保存接收的时间。预测导航比特内定位有一预测时间指示器域。响应所定位的时间指示器域，确定一预测“周时间”(TOW)。响应所预测的TOW，在GPS接收机内设定粗略的GPS时间以反映在预测TOW所指示的时间上接收到预测导航比特。使用所述粗略时间，GPS接收机可更快且有效地确定GPS接收机的位置。例如，响应粗略GPS时间和预测导航比特，可执行一模式匹配算法来提供精确的GPS时间。
为了更好地设定粗略时间，可通过使用预期网络延迟来确定TOW内的预期误差。然后，在GPS接收机内设定粗略GPS时间的步骤可包括调节时间以考虑到由于网络延迟造成的预期误差。
本文揭示的方法使常规IS-801消息能够用于辅助确定一例如GSM或UMTS(通用移动电话服务)的异步网络中的GPS接收机的位置。在所描述的一个实施例中，所发射的导航比特具有一包括复数个帧的格式。每一帧组织成多个子帧。每一子帧具有一“时间指示器”域，例如“周时间”域。IS-801标准的SA消息包括至少一个预测导航比特的子帧。在这种实施例中，所述方法可进一步包含在所述预测导航比特的子帧内定位一个“预测时间指示器”域，并响应所述预测时间指示器来计算TOW。
在一些实施例中，所述SA消息包括一指定所述预测导航比特的长度的“数据长度”域和一“参考比特号码”。所述参考比特号码相对于包括实际参考比特的帧的第一比特，来在实际导航比特的帧内定位“实际参考比特”。
选作实际参考比特的特定比特是因为其对应一预测参考比特而被选中，所述预测参考比特处于预测导航比特流中的一已知位置。预测参考比特的位置是相对于预测导航比特流的开始处而得知的。通过相对于所述帧的开始处来定位实际参考比特并相对于预测导航比特流的开始处来定位预测参考比特，可以识别并定位整个预测导航比特流内的每一个域。
一旦定位，便解码预测导航比特内的时间指示器域以提供一“预测时间指示器”。响应于所述预测时间指示器，确定一TOW，其中预测导航比特序列中的预测第一比特估计在所述TOW处被接收。因此，在GPS接收机内接收到预测导航比特序列中的预测第一比特时，基于所述TOW设定粗略GPS时间，其中在所述TOW处估计已接收到预测导航比特序列中的预测第一比特。关于一周时间参考来定义所述预测时间指示器。确定所述TOW的步骤可能包含计算一对应于从周时间参考直到预测导航比特序列中的第一比特所经过的比特数目的“周比特”。所述计算周比特的步骤可能包括确定预测导航比特序列的预测第一比特是否与预测时间指示器在相同的子帧内，并对此做出响应来调节所述预测时间指示器。
因此，揭示调节TOW的计算方法，以考虑到例如周滚转(其中放置所述TOW的子帧直接位于一周末尾/开始处的转换之前)的边界状况以及预测导航比特序列的第一比特与TOW域位于不同、相邻帧的情况。
所述方法可在一MS中实施，用来利用从多个与GPS时间同步的SV周期性发射的导航比特来确定位置。所述周期性发射的导航比特包括一时间指示器域。所述MS还与一个或一个以上基站和一位置确定实体(PDE)通信。
附图说明
为了更加全面地理解本发明，现参考以下对附图中所说明的实施例的详细描述，其中：
图1展示多个蜂窝基站、GPS SV和一持有例如蜂窝电话的移动装置的用户；
图2为一个含有通信和定位系统的实施例中的移动装置的方块图；
图3为一包括帧、子帧和字节的GPS信号中的消息结构的图；
图4为一由IS-801协议规定的GPS灵敏度辅助(SA)消息41的结构的图；
图5为一通过使用异步网络中的SA消息来设定粗略时间的步骤的流程图；和
图6为一展示预测导航比特、一GPS消息的帧和TOW域之间的通信的比特映象。
具体实施方式
在下列描述中参考了所述图示，其中相同的数字代表相同或相似的元件。
术语和首字母缩写词表
下列术语和首字母缩写词在具体实施方式中通篇使用：
GPS：全球定位系统。尽管术语GPS常用来指美国全球定位系统，但这一术语的含义包括其它全球定位系统，例如俄罗斯Glonass系统(Russian Glonass System)和计划中的欧洲伽利略系统(European Galileo System)。
CDMA：码分多址。CDMA是一种高容量数字无线技术，其是由QUALCOMMTM公司开创并在商业上开发出来的。CDMA是GSM标准的主要商业对手。
GSM：全球移动通信系统。GSM为一种广泛使用的替代数字无线技术。
UMTS：通用移动电话服务。UMTS为一种下一代高容量数字无线技术。
MS：移动站。MS为任何移动无线通信装置，例如一具有一用于与一个或一个以上基站通信的基带调制解调器的蜂窝电话。本发明中所涉及的MS包括一GPS接收机以提供位置确定能力。
BS：基站。BS为一与移动站通信的实体，例如BS可以包括BTS、移动交换中心(MSC)、移动定位中心(MPC)、PDE和任何对网络连接有用的交互工作功能(IWF)。
BTS：基地收发机站。BTS为用于与移动站通信的固定站。其包括用于发射和接收无线信息的天线。
SV：太空飞行器。一套SV组成全球定位系统的一个主要元件。SV绕着地球运转并播放在其它信息中可独特确认的信号。
虚拟距离测量法：虚拟距离测量法为一种用来确定发射器与接收机之间相对距离的测量法。其为由GPS接收机所采用的一种方法，且其基于信号处理技术来确定接收机与一选定SV之间的估计距离。所述距离是根据从所述SV到所述接收机的信号发射时间来测量的。“虚拟”指的是所述SV的时钟与所述接收机不同步。因此，所述测量法含有一未补偿的时钟误差期。
PDE：位置确定实体。PDE为一种通常位于CDMA网络内的系统资源(例如，一服务器)，其与一个或一个以上GPS参考接收机协同工作，其能够与MS交换GPS相关信息。在一MS-辅助的A-GPS对话中，PDE发送GPS辅助数据到MS以增强信号获得程序。所述MS将虚拟距离测量返回PDE，其随后能够计算所述MS的位置。或者，在一基于MS的A-GPS对话中，所述MS将计算的位置结果发送回所述PDE。
GPS SA消息：全球位置灵敏度辅助消息。所述GPS SA消息在IS-801协议中定义。所述GPS SA消息包括当前可见SV的预测导航比特。所述导航比特由PDE预测，且以OTA(“空中”)格式从PDE发送到MS。
IS-95：IS-95指由电信工业协会/电子工业协会出版的工业标准文件——TIA/EIA-95-B，题为“Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for WidebandSpread Spectrum Systems”(用于宽带扩频系统的移动站-基站兼容标准)。
IS-801：IS-801指由电信工业协会/电子工业协会出版的工业标准文件——TIA/EIA/IS-801，题为“Position Determination Service Standard for Dual-Mode SpreadSpectrum System”(用于双模扩频系统的位置确定服务标准)，其为IS-95和IS-2000-5的附属标准，描述MS与PDE之间的协议。
GPS坐标：GPS坐标为测量和随后计算处理的最终结果，通过其确定GPS用户的位置。
IS-801对话：IS-801对话为MS与PDE之间以IS-801标准规定的方式进行的数据交换序列，其目的是得到位置坐标。所述序列通常含有由PDE发送的各种GPS辅助消息和由MS发送的虚拟距离或位置结果。对话开端由任一端通过请求发起数据交换序列的时间来标记，且所述对话在发起端用对话结束消息终止交换序列时结束。
移动终止(MT)对话：MT对话为由PDE发起的IS-801对话。
移动发起(MO)对话：MO对话为由MS发起的IS-801对话。
OTA(“空中”)格式：OTA格式为其中消息是物理发射的格式。
综述
本文所描述的系统提供一种用来在移动站(MS)内“粗略设定本地时间”的方法。所述系统包括接收一“计时辅助”消息，其包括与一同时从例如GPS人造卫星的另一源发射的导航消息中的一部分相同的信息(和格式化)。所述计时辅助消息内包括参考比特。所述参考比特的到达时间由本地时钟记录在MS内。假定所述计时辅助消息在一适当计算的时间发射，以导致所述计时辅助消息在导航消息从GPS SV发射的同时到达MS，便可根据所述计时辅助消息内含有的信息(例如一预测时间指示器域)计算出所述参考比特被接收的相对时间，下文中将对此作更详细的解释。
本发明所揭示的方法和设备的一个优点在于其将IS-801协议的使用从原先用于同步系统拓展为可用于异步系统，以辅助确定一移动站(MS)的位置。通常，通过首先利用本文所描述的方法来设定粗略时间，可将模式匹配算法用来改进粗略时间并将接收机的时钟设定为精确的GPS时间。本文描述的设定粗略时间的方法是有用的，因为没有本发明描述的方法，同步系统中MS与服务器之间交换的IS-801消息通常无法用于利用异步网络的系统中。特别是，在IS-801标准中，没有为时间转换定义的专用消息。本发明描述一种用于从IS-801消息推算时间估计的方法。
图1说明一种可实施本文所描述的粗略时间设定系统的环境。在所描述的一种环境中，在一移动站(MS)中一同实施了GPS接收机和蜂窝电话。然而，显而易见，本发明可用于与一个或一个以上地面(land-based)站通信的任何其它类型的移动站(除了蜂窝电话)。此外，MS和GPS接收机无需集成在一起，而可能是通过直接连接或无线通信来电耦合。
图1展示多个由参考数字10总体指代的蜂窝基站、由参考数字11总体指代的通常称成为太空飞行器(SV)的GPS人造卫星和一握着MS 14的用户13。如参考图2更详细的描述，MS 14包括一例如GPS系统的位置定位系统27和一例如蜂窝电话的通信系统22，其利用双向通信信号20与蜂窝基站10通信。用户13可能如图中所示一样步行，或可能(例如)在汽车或公共交通工具中行进。为方便描述，本文称位置定位系统27为“GPS”系统，然而，应当了解，本文所描述的系统可以实施为若干其它类型的定位系统中的任何一种。
SV 11包含任何用来定位GPS接收机的SV群。所述SV经过同步化以发出与GPS时间同步的无线信号12。这些信号以预定频率且以本文将在别处更详细描述的预定格式产生。在一当前GPS实施中，每一SV在L频率带(GPS接收机在其上运作)上发射一GPS信号。如在背景技术中讨论的，当MS 14中的GPS接收机29检测到GPS信号12时，GPS系统27试图计算从GPS信号12发射到接收之间时间流逝的量。换言之，GPS系统27计算每一GPS信号12从其相应的SV 11传播到GPS接收机29所需要的时间量的差异。所述相对测量法被称为虚拟距离。所述虚拟距离定义为：c·(Tuser+Tbias-Tsv)，其中c为GPS信号12的速度，Tuser为当接收到来自给定SV11的信号12时的GPS时间，Tbias为根据用户时钟的时间与实际GPS时间之间的差异，且Tsv为当SV 11发射信号12时的GPS时间。在通常情况下，接收机29需要解决四个未知数：X、Y、Z(接收机天线的地心地固直角坐标系坐标)和Tbias(当接收到信号12时，接收机GPS时间估计与真实GPS时间的偏差)。在此一般情况下，解决所述四个未知数通常需要来自四个不同的SV 11的测量。然而，在某些情况下可放宽这一约束。例如，如果可得到一高度估计，那么所需要的SV 11数目可从四个降为三个，因为高度测量可用来定义Z方向上的值，从而仅留下三个未知数有待解决。
蜂窝基站10包含任何用作通信网络的一部分的蜂窝基站集合，其使用无线信号20与MS 14通信。蜂窝基站10连接到一蜂窝基础设施网络15，所述网络提供与多个例如公共电话系统16的其它通信网络、例如因特网的计算机网络17、一位置确定实体(PDE)18(如上文的定义)和其它多种在方块24中一同展示的通信系统的通信服务。一可能在基站10内或附近或者在任何其他合适位置的GPS参考接收机19与PDE 18通信，以提供例如GPS时钟的对确定位置有用的信息。
地面蜂窝基础设施网络15通常提供允许蜂窝电话的用户13与另一使用电话系统16的电话相连接的通信服务；然而，所述蜂窝基站还可用来与其它装置通信且/或用于其它通信目的，例如用手持个人数字助理(PDA)进行因特网连接。在一个实施例中，蜂窝基站10为GSM通信网络的一部分；然而，在其它实施例中可使用其它类型的异步通信网络。
图2为包括通信和位置定位系统的移动装置14的一个实施例的方块图。
在图2中展示一蜂窝通信系统22，其连接到一使用蜂窝信号20通信的天线21。所述蜂窝通信系统22包含合适的装置，例如调制解调器23、硬件和用来与蜂窝基站通信和/或检测来自蜂窝基站的信号20以及处理所发射或接收的信息的软件。
MS中的位置定位系统27(在此实施例中为GPS系统)连接到GPS天线28，以接收以理想GPS频率或近似频率发射的GPS信号12。所述GPS系统27包含一GPS接收机29、一GPS时钟30(其可考虑时钟偏差和不确定因素)和任何用来接收并处理GPS信号且用来执行任何必要计算以使用任何合适的位置定位算法来确定位置的合适硬件和软件。Norman F.Krasner的美国专利第5,841,396号、第6,002,363号和第6,421,002号中揭示了GPS系统的一些实例。所述GPS时钟30意图维持准确的GPS时间，然而由于准确时间常常是未知的，因此通过其值和关于其值的不确定性来在GPS时钟软件中维持时间是通常的做法。应注意在一准确GPS定位坐标之后，将非常准确地知道GPS时间(达到在当前GPS实施中十亿分之几秒内以的不确定性)。
移动装置控制系统25与双向通信系统22和位置定位系统27都相连。所述移动装置控制系统25包括任何合适结构，例如微处理器、存储器、其它硬件、固件和软件，以提供用于与其相连接的系统的合适控制功能。显而易见，本文所描述的处理步骤可使用服从所述微处理器控制的一个或一个以上硬件、软件和/或固件组件以任何合适的方式来实施。
控制系统25还连接到一用户接口26，所述接口包括任何用来与用户接口连接的合适组件，例如键盘、用于声音通信服务的麦克风/扬声器和例如背光LCD显示器的显示器。连接到位置定位系统27的所述移动装置控制系统25和用户接口26提供用于GPS接收机和例如控制用户输入和显示结果的双向通信系统的合适功能。
图3为GPS信号20中的标准消息结构的图。在一个实施中，SV以五十比特每秒钟(50bps)的速率发射帧的序列。所述消息结构包括一1500比特长度的帧31，其由5个子帧32组成。每一子帧含有十个字节34，每一字节34为三十个比特长。在这三十个比特中，指定六个比特为奇偶比特，其余24个比特为源数据比特。这24个源数据比特称为“导航”比特。
在一个当前GPS实施中，在发射之前，每一SV通过模数-2将每一字节中的所述24个导航比特转换为“空中”(OTA)格式，向其每一者添加最近计算的前一个字节的奇偶比特(所谓D30比特35)。因此，如果D30比特35为一逻辑“1”，那么每一源数据比特将被倒转。如果D30比特35为一逻辑“0”，那么源数据比特不受影响。然后，使用汉明码(Hamming Code)计算所述字节的其余六个奇偶比特。当在GPS接收机接受到SV信号时，将消息从其OTA格式解码从而重新得到源数据比特。如下文中更详细讨论的，SV消息的获得可能要消耗一些时间，因为其以50bps的相对较慢的速度进行。在有干扰的环境中，可能难以(或不可能)实现准确的解码。此外，时间信息(本文中称为当前GPS实例中的一“子帧计数”(SUBFRAME COUNT))仅每六秒发生一次，这意味着解码时间序列的机会相当罕见。在有干扰的环境中解码可能会存在问题，且可能会丢失一个或一个以上确定时间序列的机会，这可能导致在可成功解码时间信息前长久的时间延迟。
每一300比特子帧32以一30比特“遥测”(TLM)字节36开头。TLM字节36后面为一30比特移交字节(HOW)37。HOW包括一19比特值中的17个最重要比特。所述19比特值有时被称为“周时间”(TOW)。所述17比特长的域包含TOW的所述17个最重要比特，其在本文中被称为子帧计数。所述子帧计数为一预测时间指示器，其用于当前揭示的方法中用来进行粗略时间设定。特别是，所述子帧计数域中的值指示在下一子帧相对于该周的开端的时间。因为所述子帧计数在每周的开端重新设定为零且每6秒钟递增一次，所以所述子帧计数可用作一子帧计数器。
为此文件之目的，“子帧时间点”为一个子帧周期终止而下一个开始的时间瞬间。所述子帧计数限于0到100,799的范围。应注意，每6秒100,800次等于一周中的秒数。应了解，100,800还是每周发射的子帧的数目。在每周末尾(即，当所述子帧计数达到最大值时)，将所述子帧计数重新设定为零。因此，所述子帧计数的第一个状态(即，为零的子帧计数)在子帧时间点发生，其与当前周的开始相一致。(在当前GPS实施中，这一时间点在午夜星期六夜晚一星期日早晨发生，其中午夜定义为协调世界时(UTC)刻度上的0000时，其名义上称为格林威治子午线。)
此处应注意，所述子帧计数有时被模糊地称作“移交字节”(Handover Word，HOW)或“周时间”(Time of Week，TOW)。然而，在本发明中并非如此。
如果GPS接收机可在良好状况下从GPS SV接收SV信号，那么所述接收机可解调由可见SV发射的导航比特，且因此所述接收机将能够解码子帧计数。所述子帧计数随后可用来将接收机内的时钟设定为GPS时间。然而，接收所述子帧计数可消耗长达6秒的时间，因为所述子帧计数在每一子帧中仅发生一次，即每六秒一次。此外，在信号受阻塞或削弱的环境中，数据比特并非总能解调，或者如果可能也要消耗相当长的时间。因此，为了不管信号状况如何，都能够在异步网络中进行高速粗略时间设定，本文描述了一种利用IS-801协议的特定消息(GPS灵敏度辅助消息)的系统。
所述灵敏度辅助(SensitivityAssistant，SA)消息是从PDE 18通过蜂窝通信信号20提供的。可如本文所描述处理所述SA消息，以提供一预测HOW(而非实际HOW)，其随后可用来设定粗略时间。
现在参考图4，其为由IS-801规定的SA消息41的结构图。提出时所述SA消息41的预期目的是在确定位置时向MS提供灵敏度辅助。所述SA消息41是辅助消息的一种类型，且应了解可使用不同于辅助消息的格式。然而，为方便描述起见，本文中所述的域用其IS-801名称。
在当前实施中，SA消息41可包括高达八个部分42。每一部分42可含有高达十六个数据记录。每一记录唯一地与一个SV相关。每一数据记录可包括预测导航比特域46和人造卫星PRN号码域47(SV_PRN_NUM)。所述预测导航比特域46可含有高达510个预测导航比特。当前可见SV的预测导航比特域46以OTA格式由PDE 18(图1)发送到MS 14。因此，预测导航比特的编码与上文所示由SV使用的OTA编码遵循相同的算法。因为这一OTA编码，接收机必须解码来自PDE 18的SA消息内的预测导航比特中的子帧计数，以便使用所述子帧计数信息来设定粗略GPS时间。
除记录和记录内的相关域之外，SA消息的每一部分42还包括许多附加域。图4中展示了其中一些附加域，后面括号中为其当前IS-801名称。“参考比特号码”域43(REF_BIT_NUM)传递由SV发送的1500比特GPS帧内的“实际参考比特”的位置。所述实际参考比特为从SV发送的实际导航比特中与SA消息中预测导航比特流前半部分的最后的比特相关的比特(下文称为“预测参考比特”)。下文将提供关于参考比特的使用的进一步信息。
“数据记录大小”域44(DR_SIZE)指定每一包括预测导航比特的数据记录的长度。在当前实施中，所述DR_SIZE的值以2比特增量指示。
“数据记录数目”域45(NUM_DR_P)指定所述部分中数据记录的数目。在一个实施中，每一数据记录与一单一SV相关，因此所述数据记录数目域45还指定高达16的SV的数目，所述部分中提供的信息是用于这些SV的。
PDE 18能够基于许多导航比特的域为恒定的事实，预测由SV在不久将来的某一时间发射的导航比特的值。此外，那些不恒定的比特以一种通常可预测的方式从其当前状态转变。参考接收机19将由SV发射的导航比特传达到PDE 18。因此，PDE 18知道最近由GPS SV发射的导航比特的值。PDE 18使用从参考接收机19接收的导航比特的值来预测将在未来发射的导航比特的值。特别是，由PDE 18预测所述预测导航比特，其是根据对导航比特值重复的知晓或对其代表的值将随时间的流逝以已知量按已知速率周期性增加的知晓。
在一个实例中，在一同步CDMA网络中，PDE 18发送一带有针对每一可见SV的496个预测导航比特(等于9.92秒相当的导航比特)的SA消息到MS。在同步网络中，SA消息中的预测导航比特用来增加GPS接收机的灵敏度。然而，如本文所描述，在异步网络中，SA消息是用于完全不同的目的。那就是说，SA消息是用来在异步网络中设定粗略时间。只要PDE 18对至少一个SV发送至少六秒相当的导航比特，在预测消息的某处将一定能发现完整的HOW。此预测HOW可解码。根据经过解码的HOW，可将GPS接收机的时钟设定为粗略GPS时间。
图5为在异步网络中根据IS-801类型的消息设定粗略时间的步骤的流程图。图6展示预测导航比特、一GPS消息的一帧和子帧计数域之间的通信。在下列讨论中，为说明起见将参考IS-801标准。显而易见，所述方法可用于其他位置确定系统。然而，所揭示的方法和设备在一IS-801消息源可用的异步系统中最有用。MS 14(图1)与基站通信，且(例如)从一用户接收请求，以确定MS的位置。
在51，发起一IS-801类型的对话(例如MO或MT IS-801类型的对话)，且在所述IS-801类型的对话期间(最好在对话的开端)，MS从PDE 18(图1)请求一辅助消息(IS-801类型格式的SA数据)。
在52，响应于来自MS的请求，PDE 18利用其GPS参考接收机19预测未来的导航比特，并形成如图4所展示的SA消息。在形成SA消息时，PDE 18设定参考比特号码域，以指示与预测参考比特相应的实际参考比特在1500比特SV消息帧内(从0到1499范围内)的位置。PDE 18还设定一用于数据记录大小域的值，其指定预测导航比特域的长度。PDE 18安排在某一时间从一BTS发射SA消息，其将导致MS在与MS中的接收机从GPS SV接收相应的实际导航比特的时间近似的时间上接收到SA消息的预测导航比特域的第一比特。
在53，一旦来自PDE 18的SA数据到达，接收机软件就会在接收到SA消息的第一比特时标注本地时钟所指示的时间。在替代方法中，可能会标注接收到SA消息的其它某个特定部分(例如预测导航比特的预测参考比特)的时间。PDE 18保存所指示的时间。然后，接收机将SA消息解码，以便确定所述消息的内容。应注意，尽管SA消息中的预测导航比特的第一比特为用于将预测导航比特与实际导航比特同步化的参考点，但也可使用实际导航比特流中的任何其它明确定义的参考物。然而，SA消息中的预测导航比特域的第一比特容易检测，这使其成为一种较为方便的选择。还应注意，MS接收预测导航比特流的速率通常远大于SV发射实际导航比率的速率。然而，只要SA消息的预测导航比特域的第一比特在与SV发射相应比特的几乎同时到达(或在一已知时间偏差内)，本发明描述的方法就会有效。
在54，在解码SA消息后，MS将知道参考比特号码域43(图4)的值和数据记录大小44。使用此信息，预测导航比特中的预测子帧计数域如下文参考图6更加详细描述的一样定位。
现结合图5来参考图6。如上所述，参考比特号码域43的值由SV在1500比特GPS帧内传达实际参考比特61(在图6中展示)的位置。应了解，图6展示的实际参考比特的定位仅为实际参考比特定位的一个实例。在实际操作中，实际参考比特可能位于帧31内的任意位置。SV消息的实际参考比特61对应于解码的预测导航比特(即，预测导航比特62)中间的一比特62。由于参考导航比特号码域43的值指示实际参考比特61到帧31开端的距离(即，如上文所示，从0到1499的值)，可容易地计算出到预测导航比特流内的最近的先前子帧计数域66的距离。
根据一个实施，预测参考比特62总是SA消息中预测导航比特流的前半部分的最后一个比特。那么，使用对预测导航比特域长度的知晓，接收机软件可以确定子帧计数域66位于预测导航比特流内的何处。应注意，包括子帧计数域66的HOW的定位总在从所述帧的开端参考的定位比特30、330、630、930和1230处开始。这是因为SV导航消息的格式是严格的。因此，如果参考比特号码域具有值1201且数据记录大小44具有值398，那么SA预测导航比特的第一比特为1001，其为实际参考比特的定位，1201(由参考比特号码域43提供)减去数据记录的长度的一半(398/2)再加一等于200。
因此，由于在1500比特帧的五个字节中的每一者中有300比特，所以预测导航比特域的第一比特将对应于第四字节的第101比特。显然，将不包括第四字节中的子帧计数，因为第四字节中的子帧计数发生在比特31-60中，但将提供在SA预测导航比特域内发生229比特第五字节的子帧计数。
再次参考图5，在55，MS随后解码定位的子帧计数域66。在当前实施中，解码预测导航比特流内的一字节需要先前字节的D30比特35(见图3)可用。因此，为了解码HOW字节37，先前(TLM)字节36的D30比特35必须在预测导航比特中可用。因此，预测导航比特中的第一可解码HOW字节之前必须有一D30比特。在上文提供的实例中(其中预测导航比特域的第一比特为比特1001)，D30比特将发生198比特到预测导航比特域(1199-1001)中。因此，第五字节中子帧计数之前的D30比特将可用。
在一个实施中，执行下列子步骤来解码子帧计数。
1.在SV导航消息帧的比特64内确定位置，所述帧对应于其子帧内预测导航比特域63的第一比特(即位置0-299)。在上文提供的实例中，所述位置由值1001-900＝101表示。
2.相对于预测导航比特域63的第一比特确定第一可解码HOW字节开端的位置，并保存17比特子帧计数的值。在上文提供的实例中，所述位置由值229表示。应注意，在预测导航比特流内可能有不止一个完整HOW字节。例如，如果有496预测导航比特字节，则可用两个完整HOW字节(且因此两个完整子帧计数域)。为方便描述起见，将假定第一HOW字节将选作用于解码。或者，预测导航比特流内的任何其它HOW字节可被解码。
3.相对于预测导航比特域的第一比特确定直接在HOW之前的字节(在这一实施中为TLM字节)的D30比特的位置，并保存这一D30比特值。在上文提供的实例中，可由值198表示所述位置。在一个实施中，在直接先前字节的D30比特不具备预测导航比特的情况下，就无法解码这一子帧计数域，且在所述情况下将选择下一个子帧计数域进行解码。
4.解码子帧计数：如果D30比特具有一为“1”的二进位值，那么转换子帧计数的比特以从子帧计数的OTA值获得其解码值。如果D30比特具有一为“0”的二进位值，那么子帧计数的比特已经可用。
在56，解码的子帧计数值和预测导航比特内的子帧计数域的位置用来解码子帧计数值。应了解，所述子帧计数值是指紧接着包括解码的从周开端参考的子帧计数域66的子帧的子帧的开端。应注意，在所述IS-801实施中，预测导航比特域46的长度足够长，可以包括至少一个子帧计数值，且可能包括两个。如上所述，子帧计数值具有一在0到100,799(100,800个可能值)的范围内的值，其代表从所述周开始以来发生子帧的数目。此外，如上所述，每六秒发射一个子帧。因此，子帧计数指示从所述周开始(协调世界时刻度上午夜星期六夜晚-星期日早晨，所述刻度名义上被称为格林威治子午线)以来六秒间隔的数目。
现揭示一种用来确定由子帧计数域66指示的时间的过程。应注意，由子帧计数所指示的时间为包括所述子帧计数的子帧之后的子帧的开始时间。注意，每一子帧有300个比特且每一比特持续20毫秒，计算关于所述周开始的时间(例如，时间＝300*子帧计数*20毫秒)。所计算的时间指示从当前GPS周到与SV发射的子帧计数相关的子帧的时间所流逝的毫秒的数目。为了将时钟设定为粗略时间值，发射时间与接收时间之间的差异可忽略。应注意，在上文提供的实例中，所述子帧计数来自第五子帧。因此，根据所述子帧计数计算的时间为下一个帧开始的时间。换而言之，该时间为接收到预测导航比特域的第一比特后1501减去1001比特。
确定SA消息的预测导航比特域内的第一比特的时间。参考54和图6描述这一过程。在上文提供的实例中，预测导航比特域的第一比特的位置为值1001且时间为(300*子帧计数*20毫秒)-((1501-1001)*20毫秒)。或者，可首先减去关于与所述子帧计数相关的子帧的第一比特的预测导航比特域的第一比特的定位。换而言之，预测导航比特域的第一比特的时间可计算为((300*子帧计数)-(1501-1001))*20毫秒。在本方法的又一替代实施例中，可调整所述子帧计数的值以指示载有所述子帧计数的子帧的开端。
在所述调整之后，可从载有子帧计数的子帧的第一比特的位置1201减去预测导航比特域的第一比特的位置1001。预测导航比特域的开端的时间就可计算为(300*(子帧计数-1))-(1201-1001)*20毫秒。
应注意，预测导航比特域的最小长度为330比特以确保需要的D30比特为可用。此外，如果预测导航比特跨越周滚转，那么从子帧计数的减法运算就必须以100,800为模数以避免负值。
在另一使用IS-801标准的实例中，假定预测导航比特域的长度为500比特，且参考比特号码域的值指定GPS帧在比特700处。于是，由于参考比特号码对应于预测导航比特的前半部分的最后一个比特，所以预测导航比特域的第一比特为700-500/2+1＝451。因此，预测导航比特域的第一比特为由SV发射的帧的第451个比特。每一子帧的长度为300比特，每一字节的长度为30比特，且所述HOW字节为每一子帧中的第二个字节。因此，比特#451位于第二子帧中，在HOW字节之后。在其它实例中，预测导航比特域的第一比特可能回到前一个GPS帧，因此根据参考比特号码计算预测导航比特域的第一比特的定位必须用模数1500的减法(即1-2＝1499)来进行。
再次参考图5的流程图，在57，估计粗略时间中的误差(不确定性或“粗略度”)。应了解，在设定GPS时间中“粗略度”(即不确定性的程度)可近似地受到限制。这是因为粗糙度主要取决于PDE 18向MS发射SA消息的网络的发射延迟。而发射延迟又取决于给定网络中采用的发射模式。因此，可测量和/或预先确定所述延迟。因此，当PDE18发射SA消息时，大多数的时间误差可归结于比特从PDE 18发送到接收机所用的时间，其被称为“网络延迟”。在一个实例中，所述网络延迟可能在几秒的范围内，然而，可以进行调整来考虑所述延迟。
因此，这种不确定性通常要考虑到网络延迟，但也可考虑其它因素；或者，可基于预期的网络延迟状况来预先确定这一误差。因此，在步骤52中，当PDE 18与GPS SV发送导航消息的实际计时几乎同步地发送SA消息时，时间误差的大多数可归结于从PDE 18发送比特到接收机所用的时间，其称为“网络延迟”，且可能在几秒的范围内。
在58，在接收SA消息中的预测导航比特域的开端时将GPS接收机的时钟30(图2)设定为粗略时间。所述时钟的偏差设定为零，且时间的不确定性设定为预先确定的误差值。如上所述，所述粗略时间在准确度方面具有不确定性，其主要可归结于网络延迟。换而言之，时钟设定的值仅在所述由网络延迟造成的不确定性的限度内是准确的。由于在确定接收机的定位之前对GPS接收机而言准确时间在绝大多数情况下是未知的，因此在GPS时钟软件中由其值和一与所述值相关的不确定性来保持时间是通常的做法。在这种情况下，粗略时间的不确定性可能在几秒的范围内。
在59，将预测导航比特传递到例如模式匹配算法的一种方法，其随后确定精确的GPS时间。在一个实施例中，所述预测导航比特以不变的OTA格式从SA消息传递到模式匹配算法，其随后执行以计算精确的GPS时间(在一当前实施中，其可精确到几毫秒内)。颁予Norman F.Krasner的美国专利第5,812,087号、第6,052,081号和第6,377,209号中揭示了一种模式匹配算法。
在60，随后将GPS时钟设定为经过计算的、精确的GPS时间。然后，用已知的GPS时间，使用任何合适的程序来确定定位。应注意，在执行定位确定之后，GPS时间已知具有几纳秒的准确度。因此，在定位确定后可用所述高度准确的时间来重新设定GPS时钟。
扩展以允许周数目的确定    
先前的讨论解决的是在一周内建立时间的问题，其需要参考通常由服务器提供的特定的辅助数据。然而，这一方法并没有解决实际周数目的问题。周数目计算从GPS时钟开始时发生的GPS周的数目。(所述GPS时钟在1980年1月6日上午00:00开始)。特定数据类型可能具有延伸过当前周的相当长的寿命，SV年历即为此的一个实例。因此，有时需要建立一个还解决周数目不明确性的时间估计。
在IS-801标准中，周数目由所有SV在子帧1(子帧1中第三个字节的比特1∶10)中发射。这一信息可包含在由IS-801服务器提供的SA预测数据中，且因此，一合适的比特提取码可用来将周数目域从SA预测数据中分离出来，并随后用来确定周数目。
所属领域的技术人员应了解，鉴于这些教示，可在不偏离本发明的精神或范畴的前提下实施替代实施例。本发明仅受随附权利要求书的限制，当结合上文的说明和附图考虑时其包括所有这些实施例和修改。

Claims (17)

1.一种用于在一GPS接收机(29)中设定粗略GPS时间的方法，其包含：
a)从一位置确定实体PDE(18)请求一预测导航比特序列，所述预测导航比特包含一预测时间指示器域；
b)在所述GPS接收机(29)中接收所述预测导航比特；
c)由所述GPS接收机(29)保存所述预测导航比特的一接收时间；
d)在所述预测导航比特内定位所述预测时间指示器域；
e)响应所述预测时间指示器域确定一粗略时间设定；和
f)响应所述粗略时间设定与所述接收时间的差异，在所述GPS接收机内设定粗略GPS时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含执行一模式匹配算法以提供精确的GPS时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
g)在所述粗略时间设定中估计一预期误差；和
h)考虑所述粗略时间设定的所述预期误差，在所述GPS接收机(29)内设定粗略GPS时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测导航比特是以一包括多个帧的格式接收的，每一帧组织成多个子帧，每一子帧具有所述时间指示器域并包括至少一个预测导航比特的子帧；所述方法进一步包含：
在所述预测导航比特的至少一个子帧内定位所述预测时间指示器域；和
根据所述预测时间指示器域计算所述粗略GPS时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预测导航比特与一数据长度和一参考比特号码一起发射，所述数据长度指定所述预测导航比特序列的长度，所述参考比特号码指明实际导航比特的一帧内的一预测导航比特的定位，所述方法进一步包含：
基于所述参考比特号码的值和所述数据长度，在实际导航比特的一帧内确定所述预测导航比特序列内的一第一比特的一定位；
基于所述参考比特号码的所述值在所述预测导航比特内定位所述预测时间指示器域；
解码经过定位的所述预测时间指示器域以提供一预测时间指示器；
相对于所述预测导航比特序列的所述第一比特被接收的时间来确定所述粗略GPS时间；和
与所述预测导航比特序列的所述第一比特相一致，在所述GPS接收机内设定粗略GPS时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中移动站MS与基站使用一GSM系统通信。
7.一种移动站(14)，其用于利用周期性地从多个与GPS时间同步的太空飞行器SV(11)发射的导航比特来确定位置，所述周期性发射的导航比特包括一时间指示器域，所述移动站还与一个或一个以上基站(10)和一位置确定实体PDE(18)通信，所述移动站包含：
一双向通信系统(2)，其用于与所述基站(10)和所述PDE(18)通信；
一位置定位系统(27)，其包括一GPS时钟(30)；
用于从所述PDE(18)请求一辅助消息的构件，所述辅助消息包括一预测导航比特序列，其是从在时间上与GPS时间几乎同步的基站发送的；
用于保存所述辅助消息的一接收时间的构件；
用于在所述预测导航比特内定位一预测时间指示器域的构件；
响应经过定位的所述预测时间指示器域用于确定一预测周时间的构件；和
用于响应所述预测周时间和所述接收时间在所述移动站的一GPS接收机(29)内设定粗略GPS时间的构件。
8.根据权利要求7所述的移动站，其进一步包含响应所述粗略GPS时间和所述预测导航比特，用于执行一模式匹配算法以提供精确GPS时间的构件。
9.根据权利要求7所述的移动站，其进一步包含：
用于在所述预测周时间中确定一预期误差的构件；和
用于在所述GPS接收机内设定粗略GPS时间的构件，其包括用于在所述GPS时钟中设定所述预期误差的构件。
10.根据权利要求7所述的移动站，其中所述发射的导航比特具有一包括多个帧的格式，每一帧组织成多个子帧，每一子帧具有一时间指示器域，且所述辅助消息包括所述预测导航比特的至少一个子帧，且进一步包含：
用于在所述预测导航比特的一子帧内定位一预测时间指示器域的构件；和
用于响应所述预测时间指示器域计算所述预测周时间的构件。
11.根据权利要求10所述的移动站，其中所述辅助消息包括一数据长度域，所述数据长度域指定所述预测导航比特的长度和一指明一实际导航比特的一帧内的一比特的参考比特号码，且进一步包含：
响应所述参考比特号码和所述长度域，用于确定所述预测导航比特序列的一第一比特的构件，所述第一比特对应于所述实际导航比特一帧内的序列的第一比特的位置；
响应所述预测导航比特序列的所述第一比特的位置，用于在所述预测导航比特内定位所述预测时间指示器域的构件；
响应所述预测时间指示器域，用于在所述预测导航比特序列的所述第一比特处确定所述预测周时间的构件；和
用于与所述预测导航比特序列的所述第一比特相一致并响应所述预测周时间，在所述GPS接收机内设定粗略GPS时间的构件。
12.一种用于在一移动站MS(14)中将一GPS接收机(29)与粗略GPS时间同步的方法，所述移动站使用ISO-801标准与一基站(10)和一位置确定实体PDE(18)通信，所述GPS接收机(29)配置成周期性地从多个与GPS时间同步的太空飞行器SV(11)接收所发射的导航比特，所述发射的导航比特具有一包括多个帧(31)的格式，每一帧(31)组织成多个子帧(32)，每一子帧(32)具有一子帧计数消息，所述方法包含：
通过所述MS(14)，从所述PDE(18)请求一灵敏度辅助SA消息，所述SA消息包括
一预测导航比特域，其包括一预测导航比特序列，所述序列包括至少一个子帧，
一数据记录大小域，其指定所述预测导航比特域的长度，和
一参考比特号码域，其指明实际导航比特的一帧内的一比特，借此将预测导航比特与一组实际导航比特相关联；
响应来自所述MS(14)的所述请求，与GPS时间近似合拍地从所述基站(10)发送所述SA消息；
在所述MS(14)中接收所述SA消息，并保存所述SA消息的一接收时间；响应所述参考比特号码域和所述数据记录大小域，确定所述预测导航比特序列的一第一比特，其对应实际导航比特的一帧内的序列的第一比特的位置；
响应所述预测导航比特序列的所述第一比特的位置，在所述预测导航比特内定位子帧计数域；
解码经过定位的所述子帧计数域以提供一预测子帧计数值；
响应所述预测子帧计数值，在所述预测导航比特序列的所述第一比特处确定所述预测周时间；和
与所述预测导航比特序列的所述第一比特相一致，响应所述预测子帧计数值和所述接收时间在所述GPS接收机(29)内设定粗略GPS时间。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含在所述预测周时间中确定一预期误差，且所述设定粗略GPS时间的步骤进一步包括设定所述预期误差。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述预测子帧计数值是相对于一周时间参考定义的，且所述确定所述预测周时间的步骤包含响应所述预测子帧计数值和所述预测导航比特序列的所述第一比特的所述位置，计算一对应于从所述预测周时间参考到所述预测导航比特序列的所述第一比特所经过的比特数目的周比特。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述计算一周比特的步骤包含确定所述预测导航比特序列的所述第一比特是否与所述子帧计数域位于相同的子帧中，且响应这一确定来调整所述预测子帧计数值。
16.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含响应所述粗略GPS时间和所述预测导航比特执行一模式匹配算法以提供精确GPS时间。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述MS与所述基站使用一GSM系统通信。
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