專利名稱：對使用衛星射束的模糊位置解進行模糊分辨的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用衛星來進行目標位置確定。尤其是，本發明涉及對衛星通信系統的用戶終端的模糊位置解進行模糊分辨的方法。
背景技術：
典型的基于衛星的通信系統包括至少一個地面基站(以下叫做信關(gateway))、至少一個用戶終端(例如，移動電話)以及用于在信關和用戶終端之間轉發通信信號的至少一個衛星。信關提供從用戶終端到其它用戶終端或諸如地面電話系統等通信系統的鏈路。
已開發出使用時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)的各種多址通信系統和技術，其基礎在本領域內是眾所周知的。在1990年2月13提出的第4,901,307號名為“Spread Spectrum Multiple Access Communication SystemUsing Satellite or Terrestrial Repeaters”的美國專利以及1995年1月4日提交的第08/368,570號名為“Method and Apparatus for Using Full Spectrum TransmittedPower in a Spread Spectrum Communication System for Tracking IndividualRecipient Phase Time and Energy”的美國專利申請中揭示了在多址通信系統中使用CDMA技術，這兩個專利已轉讓給本發明的受讓人，并在這里通過引用而引入。
上述專利文本揭示了多址通信系統，其中許多普通的移動或遠程系統用戶中的每一個利用至少一個用戶終端來與其它系統用戶或諸如公共電話交換網等其它相連系統的用戶進行通信。用戶終端使用CDMA頻譜擴展型通信信號通過信關和衛星進行通信。
通信衛星形成射束(beam)，這些射束照亮通過把衛星通信信號投射到地球表面所產生的“點”或區域。用于點的典型衛星射束圖案包括以預定覆蓋圖案排列的許多射束。一般，每個射束包括覆蓋公共地理區域的許多所謂的子射束(sub-beam)(也叫做CDMA信道)，每個子射束占據不同的頻帶。
在典型的頻譜擴展通信系統中，在對作為通信信號發射的載波信號進行調制前，使用一組預選的偽隨機噪聲(PN)碼序列對預定頻譜帶上的信息信號進行調制(即，“擴展”)。PN碼擴展是本領域內所公知的一種頻譜擴展發射方法，該方法產生用于發射的信號，該信號的帶寬比數據信號的帶寬大得多。在前向通信鏈路中(即，在起始于信關開始并終止于用戶終端的通信鏈路中)，可使用PN擴展碼或二進制序列來區分由不同衛星或信關所發射的信號或者在不同射束(beam)上所發射的信號并分辨多路徑信號。PN擴展碼一般由給定小區或子射束內的通信信號所共享。
在典型的CDMA頻譜擴展系統中，使用信道化代碼來區分經由前向鏈路在衛星射束內發射的將用于各種用戶終端信號。即，提供一系列獨有的正交信道(包括導頻和尋呼尋呼信道)，以使用獨有的“信道化”正交代碼在前向鏈路上把信息傳送到用戶終端。一般使用Walsh函數來實現此信道化代碼。
諸如4,901,307號美國專利中所揭示的典型CDMA頻譜擴展通信系統打算對前向鏈路用戶終端通信使用相干調制和解調。在使用該手段的通信系統中，把“導頻”載波信號(以下叫做“導頻信號”)用作前向鏈路的相干相位基準。即，由信關在整個覆蓋區內發射不包含數據調制的導頻信號。一般單個導頻信號只由用于每個所使用頻率的每個射束(即，每個子射束或CDMA信道)的每個信關來發射。這些導頻信號由接收來自信關的信號的用戶終端所共享。
雖然據說每個射束或子射束可具有獨有的導頻信號(被系統廣泛地再使用)，它們不可能通過使用不同的PN碼多項式而產生，但它們可使用具有不同代碼相移的相同的擴展碼。這使得可容易地相互區分PN碼，繼而區分起始信關或衛星以及射束或子射束。或者，在通信系統內使用一系列PN擴展碼，不同的PN碼用于通過其進行通信的每個信關或衛星平面(plane)，而定時偏移用于每個射束或子射束。對本領域內的技術人員很明顯的是，可根據需要而分配許多或很少的PN碼來識別受到復雜性、可行性和系統容量限制的通信系統中的特定信號源。
用戶終端使用導頻信號來獲得初始系統同步以及對信關所發射的其它信號進行時間、頻率和相位上的跟蹤。把通過跟蹤導頻信號載波獲得的相位信息用作對其它系統信號或通話信號進行相干解調的載波相位基準。該技術使得許多通話信號可共享一作為相位基準的公共導頻信號，從而提供花費更少且更有效的跟蹤機構。
當一用戶終端未處于通信時間時(即，該用戶終端未在接收或發射通話信號)，則信關可使用稱為尋呼信號的信號把信息傳送到該特定用戶終端。例如，當一呼叫已接到一特定移動電話時，信關利用尋呼信號來通知該移動電話。還可使用尋呼信號給系統分配上面的信息。
用戶終端可通過在反向鏈路(即，起始于用戶終端并終止于信關的通信鏈路)上發送接入信號或接入探針(probe)來響應于尋呼信號。還在用戶終端發生一呼叫時使用接入信號。接入探針或信號可使用它們自己的一組PN碼序列在反向鏈路上進行擴展，提供可限制接收和處理這些信號的特定衛星或信關的信號識別形式。
當需要與用戶終端進行通信時，通信系統需要確定用戶終端的位置。對用戶終端位置信息的需要出于幾個考慮。一個考慮是，系統應選擇用于提供通信鏈路的適當信關。例如，與被適當地提高到用戶終端水平線上方的衛星進行通信的信關可提供較高質量的通信鏈路。需要使用與這種衛星進行通信的信關。因此，在需要與特定用戶終端進行通信時，通信系統需要知道用戶終端相對于各種衛星的位置，以便選擇適當的信關。
另一個考慮是，把通信鏈路分配到適當的業務供應商(例如，電話公司)。通常業務供應商將被分配特定的地理范圍，并管理在該范圍內與用戶的所有呼叫。在需要與特定用戶終端進行通信時，通信系統可根據用戶終端所在的范圍把呼叫分配給業務供應商。為了確定適當的范圍，通信系統需要用戶終端的位置。在必須根據行政分界把呼叫分配給業務供應商時存在類似的考慮。
基于衛星的通信系統在進行位置確定時的一個重要要求是速度。在需要與一特定用戶終端進行通信時，應快速地選擇將服務于該用戶終端的信關。例如，移動電話用戶不可能容忍在接通呼叫時有幾秒鐘以上的延遲。對定位準確性的要求沒有對速度的要求那么重要；認為小于10公里(km)的誤差是適當的，以便實現短的延遲。相反，基于衛星的位置確定的大多數常規手段強調準確性而甚于速度。
此外，許多常規的手段導致模糊的位置解。即，一確定的位置解包括一個以上的用戶終端的可能位置。因此，我們需要一種對模糊位置解中的模糊進行分辨的系統和方法。
發明內容
本發明是一種用于對衛星通信系統中用戶終端(例如，移動電話)位置的不同模糊解中的模糊進行分辨的系統和方法。該系統包括一用戶終端、至少一個衛星以及一用于通過衛星與用戶終端進行通信的信關。每個衛星具有多個衛星射束，每個射束對應于衛星軌道路徑以公知的方式照亮地球表面上的區域。
該方法包括確定用戶終端在地球表面上的多個可能位置、識別照亮用戶終端的衛星射束以及射束所處的子軌跡(sub-track)的相應一側、把可能位置與用于被識別的衛星射束的確定子軌跡一側相比較來選擇可能位置中的一個位置這些步驟。
在用戶終端中使用衛星識別裝置和比較裝置可解決模糊解。或者，用戶終端中的第一識別裝置檢測照亮用戶終端的衛星射束的至少一個射束特定參數，諸如用于該射束的PN碼。把與檢測到的參數的值有關的信息報告給信關，在該信關處第二識別裝置接收該信息并識別衛星射束。由于信關保存描述衛星位置和射束方位的信息，所以信關可以給定的時間來確定被識別的射束處在衛星子軌跡的哪一側。把落到照亮用戶終端的被檢測射束的子軌跡的不正確一側的可能用戶終端位置作為該用戶終端的不正確解。因此，可消除或減少多個解之間的模糊。
在本發明的其它方面，被識別的射束可以是前向鏈路或反向鏈路射束或這兩者。即，用于在用戶終端處接收來自信關的信號的射束或用于在信關處接收來自用戶終端的信號的射束。來自衛星的前向和反向鏈路射束圖案最好是不同的(這不是必須的)，在某些情況下可使用這些不同來引起附加的模糊分辨。
本發明的一個優點是它能快速地分辨模糊的用戶終端位置解中的模糊。
附圖概述從以下提出的詳細描述并結合附圖將使本發明的特征和優點變得更加明顯起來，其中相同的標號表示相同或在功能上類似的元件。此外，標號最左邊的數字表示最先出現該標號的附圖。
圖1示出典型的衛星通信系統；圖2是在用戶終端中所使用的示例無線電收發機的方框圖；圖3是在信關中所使用的示例發射和接收設備的方框圖；圖4以輪廓示出投射到地球表面上的衛星范圍及范圍速率(range-rate)參數；
圖5是示出在確定用戶終端的可能位置解時本發明較佳實施例的操作的流程圖；圖6a和6b示出依據本發明較佳實施例的衛星“點”的示例射束圖案；以及圖7是示出依據較佳實施例的本發明操作的流程圖。
本發明的較佳實施方式Ⅰ．介紹本發明是一種用于對衛星通信系統中用戶終端的不同模糊位置解中的模糊進行分辨的系統和方法。以下詳細地討論本發明的較佳實施例。雖然討論特定步驟、結構和配置，但應理解這只是為了示意。相關領域中的技術人員將知道，可使用其它步驟、結構和配置而不背離本發明的精神和范圍。將以三個部分來描述本發明。首先，描述典型的衛星通信系統。其次，描述用于確定模糊位置解的兩個候選手段。最后，描述本發明較佳實施例的操作。
Ⅱ．典型的衛星通信系統圖1示出典型的衛星通信系統100。衛星通信系統100包括信關102、衛星104和用戶終端106。用戶終端106一般有三種固定用戶終端106A，它們通常安裝在固定結構中；移動用戶終端106B，它們通常安裝在汽車中；便攜式用戶終端106C，它們通常是手提式的。信關102通過衛星104與用戶終端106進行通信。
圖2中示出用于用戶終端106中的示例無線電收發機200。無線電收發機200使用至少一個天線210來接收傳送到模擬接收機214的通信信號，這些信號在該接收機214處被下變頻、放大和數字化。通常使用雙工器元件212而允許同一天線服務于發射和接收功能。然而，某些系統利用分開的天線在不同的頻率下操作。
把模擬接收機214輸出的數字通信信號傳送到至少一個數字數據接收機216A和至少一個數字搜索器接收機218。對相關領域中的技術人員很明顯的是，依據可接收的單元復雜程度，還可使用附加的數字數據接收機216B-216N來獲得所需程度的信號分集。以此方式構成的接收機叫做“耙式(rake)接收機”，每個數字數據接收機216叫做“指狀物(finger)”。耙式接收機的指狀物不僅用于信號分集，還可用于接收來自多個衛星的信號。
至少一個用戶終端控制處理器220被電氣耦合到數字數據接收機216A-216N以及搜索器接收機218。除了其它功能以外，控制處理器220還可提供基本的信號處理、定時、功率和交換控制或用于信號載波的頻率協調和選擇。控制處理器220通常進行的另一個基本控制功能是選擇或處理待用于處理通信信號波形的PN碼序列或正交函數。控制處理器220所進行的信號處理可包括確定本發明所使用的參數。對諸如相對定時和頻率等信號參數的計算可包括使用附加或分開的專用電路，從而在測量時提供較高的效率或速度，或者改進控制處理資源的分配。
數字數據接收機216A-216N的輸出被電氣耦合到用戶終端內的用戶數字基帶電路222。用戶數字基帶電路22包括來往于用戶終端用戶而傳送信息的公知處理和顯示元件。即，諸如瞬時或長時間存儲器等信號或數據存儲元件；諸如顯示屏、揚聲器、鍵盤終端和手機等輸入和輸出裝置；A/D元件、聲碼器和其它話音和模擬信號處理元件等；所有的這些元件都形成使用本領域內公知元件的用戶基帶電路的一部分。如果利用分集信號處理，則用戶數字基帶電路222可包括分集組合器和解碼器。這些元件中的某些元件還可在控制處理器220的控制下或在與控制處理器220進行通信時進行操作。
當準備話音或其它數據作為用戶終端所產生的輸出報文或通信信號時，用戶數字基帶電路222用于接收、存儲、處理或者準備待發射的所需數據。用戶數字基帶電路222把該數據提供給在控制處理器220的控制下進行操作的發射調制器226。發射調制器226的輸出被傳送到功率控制器228，該控制器228對發射功率放大器230提供輸出功率控制，以最終把輸出信號從天線210發射到信關。
無線電收發機200也可利用一個或多個預修正元件或預修正器232和234。在具有專利號的名為“Time And Frequency Precorrection For Non-GeostationarySatellite System”未決的共有申請(將被轉讓，代理記錄號PA338)中揭示了這兩個預修正器的操作，在這里通過引用而引入。最好在基帶頻率在數字功率控制器228的輸出處發生預修正。在發生功率放大器230中所進行的上變頻期間，把包括頻率調節的基帶頻譜信息轉換成適當的中心頻率。使用本領域內公知的技術來實現此預修正或頻率調節。例如，可通過復合信號旋轉來進行預修正，這等效于把該信號與因子ejωt相乘，這里ω根據已知的衛星天文歷(ephemerides)和所需的信道頻率而計得的。這在同相(I)和正交相(Q)信道中處理通信信號時非常有用。可使用直接的數字合成裝置來產生一些旋轉積。或者，可使用坐標旋轉數字計算元件，該元件利用二進制偏移、加法和減法來進行一系列離散的旋轉，從而導致所需的全部旋轉。這些技術和相關硬件在本領域內是容易理解的。
再者，可把預修正元件234放置在發射功率放大器230的輸出的發射路徑中，以調節輸出信號的頻率。這可以使用眾所周知的技術來實現，諸如對發射波形進行上或下變頻。然而，改變模擬發射機的輸出的頻率可能較困難，這是因為通常要使用一系列濾波器來使波形成形，此連接上的變化可影響濾波過程。此外，預修正元件234可形成用于用戶終端的模擬上變頻和調制級(230)的頻率選擇或控制機構的一部分，從而可使用經適當調節的頻率在一個步驟內把數字信號轉換成所需的發射頻率。
可使用本領域內公知的各種技術，把相應于對接收到的通信信號或一個或多個共享的資源信號測得的一個或多個信號參數的信息或數據發送到信關。例如，可把這些信息作為分離的信息信號傳送或添加到用戶數字基帶電路222所準備的其它報文中。此外，可在控制處理器220的控制下，由發射調制器226或發射功率控制器228插入這些信息作為預定控制位。
可以信號相關元件來構成數據接收機216A-N和搜索器接收機218，以解調和跟蹤特定信號。使用搜索器接收機218來搜索導頻信號或其它模式相對固定的強信號，而使用數據接收機216A-N來跟蹤導頻信號或解調與檢測到的導頻信號有關的其它信號。因此，可監測這些單元的輸出，以提供用于計算本發明的參數的信息。可使用本領域內公知的各種技術，把用戶終端106對接收到的通信信號或共享資源信號測得的信息發送到信關。例如，可把這些信息作為分離的數據信號傳送或添加到用戶數字基帶電路222所準備的其它報文中。數據接收機216還利用可被監測的頻率跟蹤元件，以向控制處理器220提供用于被解調信號的當前頻率和定時信息。以下將參考圖4和5對此進行進一步討論。
控制處理器220使用這些信息來確定在接收到的信號被定標到同一頻帶時把該信號從期望頻率(基于本機振蕩器頻率)適當地偏移到什么程度。可在必要時這個以及相應于頻率偏移、誤差和Doppler偏移的其它信息存儲在一個或多個誤差/Doppler存儲器或存儲元件236中。控制處理器220可使用該信息來調節其操作頻率，或者可使用各種通信信號把該信息傳送到信關。
使用至少一個時基元件238來產生和存儲諸如日期和時間等時間順序信息，以有助于確定衛星位置。該時間可周期性地存儲和更新，也可由信關周期性地提供。此外，每當用戶終端輸入諸如什么時候“關掉”等停止(inactive)模式時，存儲當前時間。把該時間值與“開啟”時間結合在一起使用來確定各種與時間相關的信號參數和用戶終端位置變化。
此外，可使用存儲器或存儲元件240和242來存儲與以下進一步詳細討論的參數有關的特定信息。例如，存儲元件240可存儲相對于范圍速率參數而進行的用戶終端測量值，諸如兩個到達的信號之間相對頻率偏移之差。存儲裝置240和242使用本領域內公知的結構和電路，并可形成為不同或分離的元件或者形成以受控的方式存儲該信息以備今后檢索的較大的一體化結構。
如圖2所示，把本機或基準振蕩器250用作模擬接收機214的基準，以把輸入信號下變頻到所需的頻率處的基帶。必要時，還可在多個中間變頻步驟中使用該振蕩器，直至該信號達到所需的基帶頻率。如圖所示，還可把振蕩器250用作模擬發射機230的基準，以上變頻到用于反向鏈路發射的所需的載波頻率，該振蕩器還用作定時電路252的標準或基準。定時電路252對用戶終端200內的其它級或處理元件產生定時信號，這些元件諸如時間跟蹤電路、數字接收機216A-N中的相關器、發射調制器226、時間基準元件238和控制處理器220。定時電路252還可在處理器的控制下，產生延緩或推進定時或時鐘信號的相對定時的延遲。即，可以預定的數量來調節時間跟蹤。這通常還使得把代碼的應用從“正常”時間推進或延緩一個或多個子碼周期(chip period)，從而在必要時可以不同的定時來應用PN碼或構成這些代碼的子碼。
在圖3中示出用于信關102的一個示例的發射和接收設備300。在圖3中示出的信關102部分具有連到天線310的用于接收通信信號的一個或多個接收機314，然后使用本領域內所公知的各種方案對這些信號進行下變頻、放大和數字化。在某些通信系統中使用多個天線310。把模擬接收機314輸出的數字化信號作為輸入提供給由324處的虛線所示的至少一個數字接收機模塊。
雖然某些變化在本領域內是公知的，但每個數字接收機模塊324相應于用于信關102與一個用戶終端106之間的通信的信號處理元件。一個模擬接收機314可對許多數字接收機模塊324提供輸入，這些模塊中的許多模塊通常使用在信關102中，以適應所有的衛星射束和在任何給定時間處理的可能的分集模式信號。每個數字接收機模塊314具有一個或多個數字數據接收機316和搜索器接收機318。搜索器接收機318一般搜索不同于導頻信號的適當分集模式的信號。在用于通信系統中時，把多個數據接收機316A-316N用于分集信號接收。
把數字數據接收機316的輸出提供給后續的基帶處理元件322，該元件包括本領域內眾所周知的設備且在這里不再進一步說明。示例的基帶設備包括分集組合器和解碼器，以把多路徑信號組合成用于每個用戶的一個輸出。示例的基帶設備還包括通常把輸出數據提供給數字開關或網絡的接口電路。諸如聲碼器、數據調制解調器和數字數據切換及存儲元件等(但不限于此)各種其它公知的元件可形成基帶處理元件322的一部分。這些元件用于控制或指導把數據信號傳送到一個或多個發射模塊334。
待發送到用戶終端106的每個信號都被電氣耦合到一個或多個適當的發射模塊334。典型的信關使用許多這樣的發射模塊334來同時為許多用戶終端106以及同時為幾個衛星和射束提供服務。由本領域內所公知的因素來確定信關102所使用的發射模塊334的數目，這些因素包括系統復雜性、通常所考慮的衛星的數目、用戶容量、所選擇的分集程度以及類似的因素。
每個發射模塊334包括一發射調制器326，該調制器對用于發射的數據進行頻譜擴展調制，其輸出被電氣耦合到控制用于輸出數字信號的發射功率的數字發射功率控制器328。為了減少干擾和資源分配，數字發射功率控制器328一般用最小的功率電平，但它在需要補償發射路徑的衰減和其它路徑傳送特性時應用適當的功率電平。發射調制器326在對信號進行擴展時使用至少一個PN產生器332。此代碼的產生還可形成信關102中所使用的一個或多個控制處理器或存儲元件的一個功能性部分。
把發射功率控制器328的輸出傳送到求和器336，在這里對該輸出與來自其它發射功率控制電路的輸出求和。這些輸出是作為發射功率控制器328的輸出發射到處于同一頻率并在同一射束內的其它用戶終端106的信號。把求和器336的輸出提供給模擬發射機338，以進行數字-模擬轉換，轉換到適當的RF載波頻率，進一步放大、濾波并輸出到一個或多個天線340，以發射到用戶終端106。依據通信系統的復雜性和結構，天線310和340可以是同一個天線。
至少一個信關控制處理器320被電氣耦合到接收機模塊324、發射模塊334和基帶電路322。這些單元實際上可相互隔離。控制器處理器320提供命令和控制信號，以實行諸如信號處理、定時信號產生、功率控制、傳送控制、分集組合和系統連接等功能，但不限于此。此外，控制處理器320分配PN擴展碼、正交代碼序列和特定發射機和接收機或模塊以用于用戶通信。此外，控制處理器可用于計算參數并執行本發明的定位方法。控制處理器320還控制導頻、同步和尋呼信道信號的產生和功率及其與發射功率控制器328的耦合。導頻信號不經過數據調制，一般不受功率控制，且可使用重復不變的模式或不變的幀結構。即，用于形成導頻信號信道的正交函數一般具有諸如1或0等恒定值，或者散布有1和0的眾所周知的重復模式。
而控制處理器320可被直接電氣耦合到諸如發射模塊334或接收模塊324等模塊的元件，每個模塊一般包括控制該模塊的元件的諸如發射處理器330或接收處理器321等模塊專用處理器。因而，如圖3所示，在較佳實施例中，控制處理器320被電氣耦合到發射處理器330和接收處理器321。這樣，單個控制處理器320可更有效地控制大量模塊和資源的操作。
發射處理器330控制導頻、同步、尋呼信號和通話信道信號的產生和信號功率及其各自與功率控制器328的耦合。接收處理器321對搜索哪些PN擴展碼用于解調和對監測接收到的功率進行控制。處理器321還可用于確定本發明的方法中所使用的信號參數，或可檢測和傳送從用戶終端接收到的與這些參數有關的信息，從而降低控制處理器320的負擔。
為了實現本發明的實施例，可使用一個或多個預修正器或頻率預修正元件342和344。預修正元件342最好用于調節處于基帶頻率的數字功率控制器328的數字輸出的頻率。如同在用戶終端中一樣，在模擬發射器338中所進行的上變頻期間，把包括頻率調節的基帶頻譜信息轉換成適當的中心頻率。使用本領域內公知的技術來實現頻率預修正，此技術諸如以上討論的復合信號旋轉，其中根據已知的衛星天文歷和所需的信道頻率來計算旋轉角。如同在用戶終端中一樣，可使用其它信號旋轉技術和相應的硬件而不背離本發明的精神和范圍。
在圖3中，示出預修正器342被放置在求和器336前的發射路徑中。這使得可在必要時對每個用戶終端進行獨立地控制。然而，也可在求和器336后進行預修正時使用單個頻率預修正元件，這是因為用戶終端共享從信關到衛星的同一發射路徑。
此外，可把預修正器344放置在模擬發射機338的輸出上的發射路徑中，以使用公知的技術來調節輸出信號的頻率。然而，改變模擬發射機的輸出的頻率可能較困難，且可能影響信號濾波過程。此外，可通過控制處理器320來直接調節模擬發射機338的輸出頻率，以提供與正常中心頻率偏移的偏移輸出頻率。
施加在輸出信號上的頻率修正量是根據信關和通過其建立通信的每個衛星之間的已知Doppler。控制處理器320使用已知的衛星軌道位置數據來計算計入衛星Doppler所需的偏移量。可把該數據存儲在諸如查詢表或存儲元件等一個或多個存儲元件346中，并可從中進行檢索。必要時，還可由其它數據源來提供該數據。可使用諸如RAM和ROM電路或磁性存儲裝置等各種眾所周知的裝置來構成存儲元件346。可使用該信息在給定的時間對信關所使用的每個衛星建立Doppler調節。
如同3所示，時間和頻率單元(TFU)348為模擬接收機314提供了基準頻率信號。在某些應用中，可把來自GPS接收機的世界時(UT)信號用作此過程的一部分。在必要時，它還用于多個中間變頻步驟。TFU348還用作模擬發射機348的基準。TFU348還為信關發射和接收設備300中的其它級或處理元件提供定時信號，這些元件諸如數字接收機316A-N和318中的相關器、發射調制器326和控制處理器320。在必要時，TFU348還在處理器的控制下把(時鐘)信號的相對定時延緩或推進預定的量。
Ⅲ．位置確定為了在衛星通信系統中確定用戶終端的位置，系統通常首先計算描述衛星與用戶終端之間的地理關系的各種參數。有幾個這樣的手段。一個這樣的手段是諸如全球定位系統(GPS)所使用的三角測量(triangulation)手段。
在三角測量手段中，每個衛星測量描述衛星與用戶終端之間距離的范圍參數。于是，每個范圍參數表示以測量衛星為中心的球。以球與地球表面的交叉點來描述用戶終端在地球表面上的可能位置。如果有三個衛星(繼而三個范圍參數)，則可無模糊地識別用戶終端的位置。然而，如果范圍參數少于三個的，則不能無模糊地識別用戶終端的位置。例如，如果只可獲得兩個范圍參數，則存在兩個可能的解，一個解是衛星子軌跡相對一側上另一個解的“鏡象”。衛星的子軌跡是在地球表面上直接位于衛星路徑下方的線。如果只獲得一個范圍參數，則以地球表面上以衛星子軌跡為中心的圓圈來描述可能的用戶終端位置。
在具有申請號(已諸如，代理登記號PA286)的同時提交的名為“PositionDetermination Using One Low-Earth Orbit Satellite”的共有申請中揭示了另一個手段，這里通過引用而引入。在該手段的一個實施例中，系統測量描述衛星104和用戶終端106之間地理關系的兩個參數范圍和范圍速率。范圍速率參數描述了衛星104和用戶終端106之間的相對徑向速度。
可把衛星104相對于用戶終端的范圍和范圍速率參數描述為圖4所示投射到地球表面的輪廓。范圍參數輪廓描述了以集中在子軌跡404上并繞衛星104的當前位置405為中心的圓402以用于測量。范圍速率參數描述了相對于衛星子軌跡404對稱的雙曲線狀弧406。使用該手段一般會產生模糊位置解408，它包括兩個可能的位置，即正確解408A和“鏡象”解408B，每個解位于范圍參數輪廓402和范圍速率參數輪廓406的兩個交叉點中的每個交叉點處。
當存在這樣的模糊位置解時，想要對此模糊進行分辨。在本發明的較佳實施例中，如下所述使用衛星104的衛星射束來對模糊進行分辨。
圖5是示出在確定用戶終端106的可能位置解時本發明較佳實施例的操作的流程圖。在步驟502，確定描述衛星102與用戶終端106之間地理關系的某些參數的值。例如，要測量或確定值的參數可包括上述范圍和范圍速率參數。在步驟504，使用這些參數值來確定用戶終端106的兩個或多個可能的位置。例如，用于確定可能位置的方法可包括上述三角測量和范圍/范圍速率手段。對相關領域內的技術人員來說明顯的是，可使用其它參數和位置確定手段而不背離本發明的精神和范圍。
Ⅳ．位置模糊分辨如上所述，通信衛星形成用于照亮通過把衛星通信信號投射到地球表面上而產生的“點”或服務或覆蓋區。把該點600表示成圖6a和6b中的兩種形式。用于點600的典型衛星射束圖案包括以預定覆蓋圖案排列的許多射束。對相關領域內的技術人員很明顯的是，例如，可由相控陣列(pbased-array)射束形成天線來形成衛星射束。在本發明的較佳實施例中，點600的前向鏈路射束圖案包括以基本上如圖6a所示的同心組排列的十六個射束601-616。點600的另一個射束圖案(最好用于反向鏈路)包括以基本上如圖6b所示的拉長扇區排列的十六個射束621-636。
在本發明的較佳實施例中，對前向和反向通信鏈路使用不同的射束圖案。例如，這樣可用于對兩個鏈路之間的特定射束圖案提供不同的增益特性，并且用于改善功率分集成形。此外，可對前向和反向鏈路通話或訪問信道使用不同的PN代碼組。在某些通信系統中，可對前向和反向通信鏈路使用相同的射束圖案，這些射束甚至還可使用相同的PN擴展碼。然而，也可使用其它射束配置而不背離本發明的精神和范圍。
依據本發明，只要在前向和反向鏈路中的至少一個上使用多射束圖案，就可使用不同的配置。例如，可只在前向鏈路或只在反向鏈路上使用多射束圖案。
圖6a和6b中的每個圖還示出對應于衛星104所產生的點600的子軌跡404和速度矢量620。速度矢量620表示衛星沿其相應子軌跡的行進方向。
應注意，點600可相對于子軌跡404旋轉。通信衛星一般由太陽能電池板來供電。太陽能電池板在位于太陽的法向時可進行最有效的操作。因此，一般想要相對于入射的太陽光保持特定的電池板方向，以優化衛星功率的產生。由于一般把通信衛星保持在與太陽同步的方向，所以每個衛星可相對于其速度矢量旋轉，以相對于太陽保持所需的方向。結果，點600可相對于衛星的子軌跡旋轉。依據各種眾所周知的因素，對于每個衛星，這些方位旋轉的角度、方向和變化率在任何給定的時間可能各不相同。然而，這些改變代表了眾所周知的通信系統內的位置變化，它們可被每個信關估計到。
在本發明的較佳實施例中，使用衛星點內的射束來分辨用戶終端位置解的模糊。依據本發明的較佳實施例，通過在所考慮的時間識別用戶終端所在的射束來選擇正確的解。在較佳實施例中，衛星104在每個衛星射束上廣播該射束的標識(identity)。使用一射束或該射束中的信號的每個用戶終端接收衛星射束標識作為這些信號的一部分，檢測或確定該標識，并把它回報給信關。信關對每個用戶終端保持該射束標識。
例如可使用系統尋呼信號來提供射束標識。可使用每個尋呼信號中的預定部分或字段來列出或指定被發射到射束的標識符或ID。在產生尋呼信號時，選擇將被傳送到特定射束的適當的射束標識符，并把它插入尋呼信號報文結構中。射束ID可采取使用各種公知的文字數字模式或索引方案的許多不同形式，并可通過通信系統和衛星設計來建立。在本例中，給每個射束提供獨有的數字指示601-616和621-636。必要時可使用附加的符號來識別特定衛星和子射束。
或者，可從PN擴展碼分配模式中得到射束標識。即，如上所述，射束中的每個衛星子射束依據公知的系統信號源PN碼分配而使用特定的PN碼，包括基本代碼序列和定時偏移。因此，用戶終端可依據由于獲取和接收子射束上的信號的PN碼(和定時)來識別接收到的子射束繼而射束。用戶終端可使用公知的代碼分配信息(諸如可存儲在存儲元件中的)來確定哪個射束相應于檢測到的PN碼。然后，用戶終端把此射束標識符報告給信關。
為了把此標識符報告給信關，用戶終端本質上不需要“識別”射束，而可簡單地報告所使用的PN碼。然后，信關使用公知的系統代碼分配信息(它們可被存儲在一個或多個存儲裝置中)來確定哪個射束相應于該PN碼信息或所使用的任何其它參數。
實現射束識別檢測的設備在本領域內是公知的，這些設備通常形成以上所討論的接收機和控制處理器的一部分。這些接收機檢測使用哪些PN擴展碼(包括可應用的PN碼偏移)來形成接收到的信號，并對還可能包含識別信息的報文進行解碼。然而，在必要時也可使用附加的其它射束識別成分。
在必要時也可利用其它射束識別過程，諸如在同步信道上發射與導頻信號有關的預先分配的“射束ID”，檢測這些ID與獲取導頻定時相結合等。本發明不限于也不依據以上所討論的特殊射束識別技術。同時，本發明不嚴格地限于使用CDMA信號，只要存在可被通信系統所利用的可識別射束，且每個射束具有可被用戶終端和信關檢測的識別信息。
以上過程假定了前向鏈路射束識別技術。此外，可使用反向鏈路識別過程。這里，信關接收諸如用于開始通信的訪問指針或反向鏈路通話信號等用戶終端通信信號。在任一種情況下，信號到達使用對用戶終端信號進行掃描的特定射束。信關知道衛星使用哪個射束來接收反向鏈路信號。信關依據以上列出的方案和各自頻率分配方案完全可識別射束。因此，當使用反向鏈路信號時，信關自動地接收表示用戶終端使用哪個射束的信息。
信關還保持描述每個衛星繼而在衛星通過軌道時被衛星投射的每個射束的特定位置和方位的信息。該信息可用于通信系統設計的一部分，并可存儲在信關內的一個或多個存儲裝置中。系統操作人員還可依據各種衛星軌道位置的測量值而隨時更新此衛星方位信息。
相對于每個衛星射束的衛星子軌跡的方位或位置知識使得可在任何給定的時間確定射束處在軌跡的哪一側。于是，如果用戶終端落在與照亮該用戶終端的被檢測射束不正確的子軌跡一側上，則該用戶終端的任何可能或預知位置對該用戶終端來說都是不正確的解。此外，如果用戶終端的幾個可能的解中的一個落在與照亮用戶終端的被檢測射束相同的軌跡一側內或上，則該可能的位置是正確的位置。
本領域內的技術人員容易理解，不必對“射束解”進行“地理”上的修正。即信關或用戶終端可在任一時間預言覆蓋地球表面上某些預選地理區域的某些射束。然而，即使在當時所進行這些假設是不正確的，使用射束識別信息仍將能準確地確定用戶終端處在子軌跡的哪一側。此確定不依賴射束的任何特定覆蓋區，而只依賴衛星及其投射的射束的方位以及射束識別過程本身。這樣提出分辨位置確定技術中的模糊所需的信息。
作為一個例子，本發明應用分辨圖4中所存在的位置模糊。在圖6中也示出圖4所示的模糊位置解408。模糊位置解408包括兩個可能的位置408A和408B。參考圖6，可能的解408落在沿子軌跡404移動的點600的不同射束內。一個解408A落在射束612內，而另一個解408B落在射束61 5內。依據本發明，信關確定用戶終端位于射束612。由于射束612相對于衛星104和子軌跡404的方位或位置是已知的，所以信關知道用戶終端位于子軌跡404上最靠近解408A而最遠離解408B的一側。因此，網關選擇位置408A作為用戶終端的位置。
當用戶終端在根據信關所提供的信息來確定位置時，還可向用戶終端提供關于信關相信用戶終端處在子軌跡的哪一側的指示作為該信息的一部分。
還應注意，可在某種程度上把諸如圖6中的射束601、602、605和609等某些射束對稱地延伸到衛星子軌跡404的兩側上。初看起來這樣可能存在問題，但這是有限的范圍和持續時間內。一般，位置確定解不會落到靠近于子軌跡，從而這些射束之一就成為問題。然而，如上所述，在較佳實施例中，使用不同的反向和前向鏈路射束圖案。因此，在確定用戶終端的位置時，信關實際上具有諸如622、623、629、630和636等多個可選擇的射束。結果，前向和反向鏈路這兩個圖案之間的差異把不確定的解減到最少。這在選用其它圖案組時也成立。此外，在某些通信系統中，可把基本旋轉速度告知衛星。在此配置中，點或射束圖案快速旋轉，從而快速地改變服務于用戶終端的射束并產生所需的射束分辨配置。
圖7是示出依據本發明較佳實施例的操作中各步的流程圖。如步驟702所示，當通信系統100已確定用戶終端106的位置的模糊解時，本發明的操作就開始了。在較佳實施例中，由信關102內的處理器320和321使用上述定位方法來確定模糊位置解。然而，也可使用本領域內眾所周知的其它計算和存儲元件，從用戶終端所提供的以及信關內可獲得的信息進行此確定。模糊解包括用戶終端106的兩個或多個可能的位置。每個可能的位置落在點600的射束601-616或621-636之一內。
如步驟704所示，由用戶終端106來識別照亮用戶終端、向用戶終端發射信號或檢索來自用戶終端的信號的衛星射束。在本發明的較佳實施例中，檢測作為接收到的尋呼信號的一部分的每個衛星射束的標識。在步驟706，在接收或檢測到此衛星射束標識時，用戶終端106把此信息作為訪問信號的一部分發射到信關102。然而，在必要時，用戶終端106可在步驟706使用其它已知的信號來發射射束識別信息。
或者，用戶終端106不確定實際射束標識符，而在步驟708確定特定射束特定參數或只與每個射束有關的參數的值。例如，在步驟706，用戶終端106可檢測用于獲取和接收子射束上的信號的PN碼(定時偏移)，并把此信息報告給信關。然后，信關在步驟710使用此已知的通信系統代碼分配信息來識別照亮用戶終端的射束。
然而，信關可使用反向鏈路射束標識符作為此過程的一部分，并可檢測用戶終端直接使用哪個反向鏈路射束。圖7中示出此變形體，其中信關在步驟712測量反向鏈路射束特定參數值。例如，信關在獲取反向鏈路訪問請求時確定哪個訪問指針特定PN碼被使用。從反向鏈路通話信道中可獲得類似的信息。在步驟710使用該信息來識別射束。
用戶終端106還可周期性地發射與射束識別相關信息，諸如在使用通話或訪問信號進行通信時。這使得信關102可周期性地確定服務于該用戶終端的當前射束(適當的前向和/或反向鏈路)，且具有備用于可周期性發生的位置確定處理的模糊分辨因素。
信關102接收來自用戶終端前向鏈路射束處理或確定和/或來自反向鏈路射束確定過程的射束識別信息。在步驟714，如上所述，根據與信關所保持的每個衛星的方位有關的信息，從通信系統信息中確定用戶終端位于衛星軌跡的哪一側。在步驟716，把用戶終端106的可能位置與其子軌跡位置或被識別衛星射束的方位相比較，以選擇落在被識別射束內的可能位置。如果只有一個位置落在被識別射束的覆蓋區內，則在解選擇步驟718，刪除不正確的其它可能位置。如此來分辨位置解中的模糊。
在用于某些定位操作時，在步驟720，把選擇為“正確”或最可能解的位置解作為一個或多個已知的前向鏈路報文信號一部分提供給用戶終端。
Ⅴ．結論以上對較佳實施例進行了描述，以使本領域內的技術人員可使用本發明。雖然參考本發明的較佳實施例對本發明進行了表示和描述，但本領域內的技術人員應理解，可在其中進行各種形式和細節上的改變而不背離本發明的精神和范圍。
權利要求
1．一種用于分辨衛星通信系統的位置確定中模糊的設備，其特征在于包括用戶終端；具有多個衛星射束的至少一個衛星，每個射束以相應于衛星子軌跡的已知圖案來照亮地球表面的一個區域；通過所述至少一個衛星與所述用戶終端進行通信的信關，用于確定所述用戶終端在地球表面上的多個可能的位置；識別裝置，用于識別照亮所述用戶終端的衛星射束和所述射束所在的所述子軌跡的相應一側；以及比較裝置，用于把所述多個可能的位置與所述被識別衛星射束的所述確定子軌跡一側相比較，以根據所述比較的結果從所述多個可能的位置中選擇一個位置。
2．如權利要求1所述的模糊分辨設備，其特征在于還包括所述用戶終端中的第一識別裝置，用于檢測照亮所述用戶終端的衛星射束的至少一個射束特定參數；所述用戶終端中的傳送裝置，用于把所述射束特定參數報告給所述信關；以及所述信關中的第二識別裝置，用于接收所述值并根據所述報告的值來識別照亮所述用戶終端的衛星射束。
3．如權利要求2所述的模糊分辨設備，其特征在于所述一個射束特定參數包括PN碼。
4．如權利要求1所述的模糊分辨設備，其特征在于還包括用于確定所述用戶終端在地球表面上的多個可能位置的裝置。
5．如權利要求4所述的模糊分辨設備，其特征在于所述確定裝置包括參數確定裝置，用于確定描述所述用戶終端和所述至少一個衛星之間地理關系的多個參數；以及位置確定裝置，用于根據所述多個參數以及所述至少一個衛星的所述位置和速度來確定所述多個可能的位置。
6．如權利要求5所述的模糊分辨設備，其特征在于所述參數確定裝置包括用于確定范圍參數的范圍參數確定裝置。
7．如權利要求5所述的模糊分辨設備，其特征在于所述參數確定裝置包括用于確定范圍比參數的范圍速率參數確定裝置。
8．一種用于衛星通信系統的位置確定系統，其特征在于包括用戶終端；具有多個衛星射束的至少一個衛星，每個衛星射束以相應于衛星子軌跡的已知圖案來照亮地球表面的一個區域；通過所述至少一個衛星與所述用戶終端進行通信的信關；范圍參數確定裝置，用于確定范圍參數；范圍比參數確定裝置，用于確定范圍速率參數；所述信關中的位置確定裝置，用于根據所述范圍參數、所述范圍速率參數和所述至少一個衛星的所述位置和速度來確定所述用戶終端在地球表面上的多個可能位置；識別裝置，用于識別照亮所述用戶終端的衛星射束；以及比較裝置，用于把所述多個可能的位置與所述被識別衛星射束的所述確定子軌跡一側相比較，以根據所述比較結果從所述多個可能的位置中選擇一個位置。
9．在一種通信系統中，包括用戶終端、至少一個衛星和通過該衛星與所述用戶終端進行通信并確定該用戶終端在地球表面上的多個可能位置的信關，每個衛星具有多個衛星射束，每個射束以相應于衛星子軌跡的已知方式照亮地球表面的一個區域，一種用于分辨用戶終端在地球表面上的位置模糊的方法，其特征在于包括以下步驟識別照亮該用戶終端的衛星射束和所述射束所在的衛星子軌跡的相應一側；以及把多個可能的位置與所述被識別衛星射束的所述確定子軌跡一側相比較，以根據所述比較的結果從多個可能的位置中選擇一個位置。
10．如權利要求9所述的模糊分辨方法，其特征在于還包括以下步驟檢測照亮所述用戶終端的衛星射束的至少一個射束特定參數；把來自所述用戶終端的所述射束特定參數報告給所述信關；以及接收所述信關中的所述值并根據所述報告的值來識別照亮所述用戶終端的衛星射束。
11．如權利要求10所述的模糊分辨方法，其特征在于檢測一個射束特定參數的所述步驟包括檢測PN碼。
12．如權利要求9所述的模糊分辨方法，其特征在于還包括確定用戶終端在地球表面上的多個可能位置的步驟。
13．如權利要求12所述的系統，其特征在于所述確定步驟包括以下步驟確定描述用戶終端和至少一個衛星之間地理關系的多個參數；以及根據所述多個參數以及至少一個衛星的位置和速度來確定多個可能的位置。
14．如權利要求13所述的方法，其特征在于所述多個參數包括范圍參數。
15．如權利要求13所述的方法，其特征在于所述多個參數包括范圍速率參數。
全文摘要
一種對衛星通信系統中的用戶終端的模糊位置解的模糊進行分辨的系統和方法，它包括用戶終端(106)、至少一個衛星(104)和通過該衛星(104)與用戶終端(106)進行通信的信關(102)。每個衛星(104)具有多個衛星射束(601－616)，每個射束以相應于衛星子軌跡(404)的已知圖案來照亮地球的一個區域。識別照亮用戶終端(106)的衛星射束(601－616)及其相對于子軌跡(404)的相對位置。把可能的用戶終端位置(408A，408B)與相對于衛星子軌跡(404)的被識別射束(601－616)的方位相比較.認為落在與照亮用戶終端(106)的被檢測射束(601－616)不正確的子軌跡(404)一側的可能用戶終端位置(408A，408B)對于該用戶終端(106)來說是不正確的解。可使用用戶終端(106)中的衛星識別和比較元件或在信關(102)處確定模糊解。在此情況下，把確定的射束信息報告給信關(102)。在本發明的另一個方面，被識別的射束可以是前向鏈路(601－616)或反向鏈路(621－636)射束或這兩者，每個鏈路具有不同的射束圖案。
文檔編號G01S1/04GK1238837SQ97180030
公開日1999年12月15日 申請日期1997年9月26日 優先權日1996年9月30日
發明者E·B·維克多 申請人:夸爾柯姆股份有限公司