CN1135813A - 卫星移动通信系统中的频率误差校正 - Google Patents

Abstract

称动台利用从移动中继站接收的信号能够校正它们的频率，包括校正由卫星运动所产生的任何多卜勒漂移。移动台包括用于接收由移动中继站广播的寻呼信道信号以及用于对寻呼信道信号中的信息进行译码的解调器和译码器。藉使用译码信息，移动台可确定它在通信系统内的位置的估算值。移动台藉使用译码信息和位置估算值也能确定频率误差和多卜勒漂移。藉助于使用所确定的频率误差和多卜勒漂移来确定频率控制信号。然后，受控基准振荡器使用频率校正信号作为控制输入信号。移动台还包括用于藉使用压控振荡器作为基准源来发送信号的发射机。

Description

卫星移动通信系统中的频率误差校正

发明的领域

本发明涉及通过移动中继站(例如轨道卫星)与移动电话进行双向通信的系统。在卫星移动通信系统中，卫星的运动使得由移动台所察觉到的卫星传输的射频受多卜勒(Doppler)效应而变化。如果移动台把它们内部的频率标准锁定到所收到的卫星信号，那么它们将会出错，因而由移动台发回到卫星的频率也将是不正确的。而且，由移动台发回到卫星的信号也将受多卜勒漂移而偏移，所以在卫星处察觉到的频率就加倍地出错。更具体地，本发明涉及一种方法和装置，利用这一方法和装置，移动台利用从移动中继站接收到的信号就够校正它们的频率，包括校正由卫星运动所造成的任何多卜勒漂移。

背景技术

由于假定对于通信网络来说中继站或卫星的运动是已知的，因此地面网络主站在原则上可以预先补偿用来广播信号的频率，这样移动台可正确地收到信号频率。然而，由于在移动台处察觉到的多卜勒漂移依赖于移动台的位置，对于被发送到每个移动台的每个信号需要不同的预补偿。这样，预补偿技术对于所有移动台接收同样的信号的情形、例如对于基于卫星的移动电话系统的呼叫或寻呼信道并不是可行的解决办法。

现有技术包含从移动卫星广播频率或时间标准的例子。全球定位卫星(GPS)系统是这样的系统的一个实例。全球定位卫星系统，正如它的名称所揭示的，是卫星导航系统，其主要用途是允许地面上的接收机确定它们的位置。在知道了它们的位置和卫星的规则运动的细节之后，多卜勒漂移可在每个移动台被确定，因此卫星信号可被校正，这样就提供了频率基准。为了确定三维坐标和为确定多卜勒漂移所需要的未知时间/频率参量，接收机必须能同时接收来自四个卫星的信号。GPS系统不是通信系统，导航接收机不带有能给卫星发送信号的相关的发射机。另外，GPS接收机通常也不企图根据收听来自单个卫星的信号来确定位置或频率基准。

现有技术包含基于记住在温度查对表存储器中的先前的校正的基准振荡器的例子。随后在先前所遇到的温度上所确定的新的频率误差和在该温度上的先前值进行平均，以便更新查对表的内容。这样的系统已被应用在由在瑞典的Lynchburg，Va.的Ericsson-GE自从1991年生产的，和由在瑞典的LundEricsson-GE自从1987年生产的手持蜂窝移动电话中。这样，即使在对新频率误差的确定被完成之前，有可能使用该现有技术的方法藉测量温度和使用对在同样的温度下所作的先前校正的当前平均来给出对所需要的频率校正的良好的估算值。然而，现有技术的方法并不包括在TCXO存储器更新以前的多卜勒校正。

发明的公开

本发明的一个目的是允许移动台藉收听卫星的寻呼信道来确定它们的粗略位置，以便接着藉助于由卫星以通话信道广播的描述卫星运动的数据来确定所接收的信号的近似的多卜勒漂移。然后，在移动台校正它们的基准振荡器之前，消除了多卜勒漂移。而且，所确定的计算的多卜勒漂移也被用来确定相对于在产生移动台的发射信号时使用的基准振荡器的频率偏差，这样该发射信号就在卫星处以正确的和所希望的频率被接收。

按照本发明的一个实施例，移动台包含多个组合起来通过移动中继站进行通信的单元。首先，移动台包括用于接收由移动中继站广播的寻呼信道信号的接收机装置、以及用于对寻呼信道信号中的信息进行译码的解调和译码装置。移动台利用被译码的信息可以确定其在通信系统内的位置的估算值。移动台也具有用于藉使用译码后的信息和位置估算值来确定频率误差和多卜勒漂移的装置。频率校正装置藉使用所确定的频率误差和多卜勒漂移来确定频率控制信号。被控制的基准振荡器然后使用频率校正信号作为控制输入信号。最后，移动台包含用于藉使用压控振荡器作为基准源来发射信号的发射机装置。

按照本发明的另一个实施例，移动台包含多个组合起来通过移动中继站进行通信的单元。首先，移动台包括用于接收由中继站广播的寻呼信道信号的接收机装置、以及用于对寻呼信道信号中的信息进行译码的解调和译码装置。移动台利用被译码的信息可以确定其在通信系统内的位置的位置估算值。移动台也具有用于藉使用译码后的信息和位置估算值来确定频率误差和多卜勒漂移的装置。移动台也包括用于进行粗略温度测量的温度传感器装置、以及用于存储多个温度中的每一温度的平均频率控制信号值的存储器装置。频率校正装置根据所确定的频率误差和多卜勒漂移或根据所存储的值和粗略温度测量确定频率控制信号。平均装置把所存储的平均值和频率校正信号值相平均，并把平均值存储在存储器的由温度测量所确定的位置中。受控晶体振荡器装置具有对于频率校正信号的控制输入端。最后，移动台包含用于藉使用受控振荡器作为基准源来发射信号的发射机装置。

附图简述

从结合附图所作的以下的描述，普通技术人员将很容易看出本发明的这些和其它的特征和优点，其中：

图1显示了一般的卫星通信系统；

图2显示了按照本发明的一个实施例的移动台；

图3显示了按照本发明的另一个实施例的移动台；

图4显示了本发明的一个实施例的流程图。

发明的详述

图1显示了卫星通信系统的方框图。轨道卫星110和至少一个地面站或中枢站100以及多个移动台120进行通信。卫星包含一个多波束天线。每个移动台都受到由多波束天线产生的天线点波束的照射。中枢站100藉使用例如C波段或Ka波段频率和卫星进行通信，而卫星藉使用例如上行链路方向的L波段频率和下行链路方向的S波段频率和移动台进行通信。在大多数情况下，大多数通话是在移动台与连接到公共交换电话网(PSTN)130的普通电话之间进行的。中枢站100接受来自PSTN 130的呼叫，并通过卫星110把它们中继到移动台120，并相反地接受由卫星110中继的、来自移动台120的呼叫，并把它们连接到PSTN 130。通话中很小的百分比可能是移动台到移动台的通话，此时中枢站100直接把移动台互相连接起来，而不必涉及PSTN。在某些系统中，位于世界不同区域的两个或多个中枢站和同一个卫星通信。在这种情况下，移动台到移动台的通话可涉及中枢站到中枢站的连接，这可通过可能是PSTN系统一部分的国际主干线来完成。或者卫星-中枢站的链路可指派一些容量给通过卫星的中枢站到中枢站的通信，这样可避免地面线路的使用费。

在每个天线波束中，一个中继信号完成呼叫信道(寻呼信道)和广播信道的功能。该信道载送在该波束中的移动台所需要的系统信息(广播信息，例如波束ID、卫星运动信息等)，还载送涉及各个移动台的信息(网络发端呼叫或寻呼)。由于每个呼叫信道只打算被在该波束中的移动台所接收，所以多卜勒漂移在原则上可按由在波束中的所有移动台收到的平均值粗略地被校正。例如，多卜勒漂移可被设置为在波束中心为零。适合于实现本发明的地面站和卫星总体结构的例子可在下述美国专利中找到：美国专利申请号NO.08/179,953，题为：“带改进的频率复用的蜂窝/卫星通信系统”，此处引用以供参考。

在低轨道的卫星中，多卜勒漂移随地球上不同的地点而改变，以及波束边缘处的多卜勒漂移将不同于波束中心处的多卜勒漂移。因此，在蜂窝区边缘处的多卜勒漂移即使当在蜂窝区中心处的多卜勒漂移已被预补偿为零时仍将不是零。最大的蜂窝区边缘多卜勒误差发生在卫星几乎接近过顶时，这时多卜勒漂移随位置的变化率是最大的。因而为了更精确地校正多卜勒漂移，移动台需要关于它在当前的波束或蜂窝区内的位置的某些信息。和GPS相反，此位置信息应当可藉侦听单个卫星而得到。

按照本发明的一个实施例的移动台示于图2。移动台200包含接收机202和发射机216，它们被用来通过移动中继站和中枢站进行通信。如上所述，中继站或卫星在每个天线波束内广播寻呼信道信号。当接收机202接收来自卫星的寻呼信道信号时，被接收的信号在解调器204中以已知方式被解调。然后被解调的信号在译码器204中被译码，以提取出包含在接收信号中的信息。移动台利用已译码的信息可确定它在天线波束或蜂窝区内的位置的粗略估算值。

移动台能用来确定其位置的一个这样的方法就是所谓的TRANSIT卫星导航方法。TRANSIT卫星接收机在卫星过顶通过期间对多卜勒漂移进行几次确定。利用多卜勒漂移随时间的曲线上的几个样本，加上卫星在其轨道路径上广播的信息，移动台可计算其位置达到几百米的精度以内。此过程通常要化费一段时间，这段时间相对于移动台应当在被接通后的几秒钟内在一个位置上打电话或接电话而言是过长了。然而，TRANSIT方法给出了比卫星通信所需要的大得多的精度。典型地，在卫星系统中地面上的点波束直径可以是几百公里，且在这样的蜂窝区内在预补偿以后的多卜勒漂移的相差值可以是+/-2KHz。因而关于蜂窝区内的移动台位置精确到几公里的信息将使得对未补偿的多卜勒漂移能确定到大约+/-20Hz。结果，就有可能使对TRANSIT方法进行修改以适合于本发明，而且本发明并不限制于任何具体的修改。然而，一种优选的方法被揭示于美国专利申请NO.08/179,958(题目为“蜂窝卫星通信系统中的位置登录”)以及美国专利申请NO.08/179,953(题目为“带改进的频率复用的蜂窝/卫星通信系统”)，这两项申请已被共同转让并特别引用于此，以供参考。

其中所揭示的一个系统包括以逐渐交错重迭的多个大量重迭的波束发出的卫星辐射。每个重迭波束被用于一个特定的通信信道。在本发明中，术语“信道”可以指频率(在FDMA(频分多址)系统中)、时隙(在TDMA(时分多址)系统中)、或扩展码(在CDMA(码分多址)系统中)或者是在混合调制系统中的上述这些的任意组合。信道1的波束具有例如和信道2的波束的90％重迭，和信道3的波束的80％重迭，和信道4的波束的70％重迭等等，直到和信道11的波束的零的重迭为止，因而它又可复用与信道1相同的频率、时隙或代码。以上的例子为了便于说明起见被简化为一维的波束方向图，实际上是使用二维的逐渐交错重迭的复用方向图。

在移动台越接近于有关信道的波束的中心时，移动台将越强地接收该信道。这样，藉对于重迭信道的相对信号强度的测量，移动台可得出适合于本发明目的的粗略位置估算值。具体地，当卫星信号是TDMA信号且部分重迭波束被链接到时隙时，移动台接收机可只侦听到TDMA载波的单一频率以及在帧时间间隔内连续时隙的采样信号强度。而且，帧的重复允许测量在几个帧内进行平均以增加精度。

一旦移动台的位置已被确定，频率误差检测器210使用所确定的位置以及由卫星广播的描述卫星规则运动的信息来确定接收信号的频率误差和多卜勒漂移。按照本发明的一个实施例，卫星可预先补偿其发射频率，这样由于多卜勒造成的误差在蜂窝区或波束的中心处被抵消了。然而，在包含视线和轨道速度矢量的平面内沿一个方向偏离中心位置处误差将不再是零。卫星可广播从蜂窝区中心沿东-西线和北-南线的频率变化率的大小。由于移动台确定了它相对于蜂窝区中心的位置，它可以计算在移动台地点处的未被补偿多卜勒漂移的大小，并从由移动台接收机所进行的绝对频率测量值中减去多卜勒漂移的大小。例如，如果在波束1中，卫星广播这样的信息沿东-西线偏离中心时，频率以+7Hz/km改变，以及沿北-南线偏离中心时，频率以-3Hz/km改变，而且移动台确定，它的位置为离蜂窝区中心西100km和南200km处，那么频率误差将是(7×100)-(3×200)＝100KHz。

替换地，如果卫星广播沿北-40°-西线偏离区域中心时，频率误差以10Hz/km改变，而且移动台确定了位置为沿北-30°-东线离区域中心100km处，那么频率误差将被估算为(10Hz)×(cos(70°))。

以上方法只是说明性的。通常，卫星不单能广播对于每个波束的多卜勒估算参量，也能广播使用这些参量的公式。所有这些方法都被认为是在本发明的范围之内。然后，频率校正装置212使用误差信号来计算频率校正信号以便对未补偿的多卜勒漂移校正所察觉到的卫星信号频率。然后，频率校正信号被压控振荡器214用来校正加到发射机216的基准信号，它在移动台发起或应答呼叫时被发送回卫星。

关于移动台是否把进一步的多卜勒漂移预补偿应用到它的发送过程中以便使它在卫星处被正确地接收，这是任选的。至于这是否必须，要取决于不同移动台信号之间的信道间隔。如果频率间隔小以及多卜勒漂移是重要的份额，那么在返回链路(上行链路)上的预补偿将是适当的。在这种情况下，卫星所感受到的任何剩余的多卜勒漂移是由于由卫星所广播的信息中的误差造成的对移动台位置确定的误差。藉助于对许多个独立的移动台信号的剩余误差进行平均，卫星可校正广播信息以去掉系统误差，这样，系统就成为自校准的。为此，移动台藉适当地使用为此目的的沿上行方向的慢相联控制信道(SACCH)，将在通话期间报告关于位置的信息。SACCH信息和业务(例如，话音)信息被从移动台多路传输到卫星。

相反地，如果上行传输比起上行多卜勒漂移来说是宽带信号，那么对于上行多卜勒漂移进行预补偿并不是必要的。在这种情况下，卫星把信号接力传送到地面网络站，地面站在解调移动台的被中继的信号期间为每个移动台确定上行链路多卜勒漂移。上行链路多卜勒漂移的值在与预期的蜂窝区中心的值比较后给出移动台从蜂窝区中心移位的指示，它补充了任何附加的位置线索，诸如信号强度测量。这样的信息可被用来确定最佳信道分配以便为和每个移动台进行通信所使用。

本发明的另一个实施例示于图3，其中图2所示的移动台在接收传呼信号时也有测量温度的能力。移动台300包括接收机302、解调器304、译码器306、位置检测器308和频率误差检测器310，所有这些都以和在图2中所描述的那些单元同样的方式进行工作。在本发明的这个实施例中，频率校正装置312可使用几种方法来确定频率校正信号。在第一种方法中，频率校正装置312可使用由频率误差检测器310产生的误差信号来确定频率校正信号，正如以上参照图2所描述的那样。替换地，频率校正装置312可使用存储在存储器装置322中的频率控制值来确定频率校正信号。当移动台300接收寻呼信号时，温度传感器314测量移动台的基准振荡器附近的温度。然后频率校正装置312根据由温度传感器314所测量的温度选取存储在存储器322中的频率控制信号值。另外，移动台300可包括平均装置，用来把所存储的频率控制信号值和所产生的频率校正信号进行平均。然后可把平均值存储在由所测量的温度确定的存储器322的正确位置。由频率校正装置312输出的频率校正信号被用来调整由被控制的基准振荡器316产生的且被加到发射机318的基准信号的频率。

本发明的另一个实施例提供一种方法，藉此，移动台可藉使用所接收的来自卫星的信号来校正其频率。如图4所示，在步骤400移动台接收在传呼信道中的信号，以后，所接收的信号分别在步骤402和404中被解调和被译码。然后，移动台在步骤406中使用被译码的信息来确定其在波束内的位置的粗略估算值。在移动台确定了它的位置后，频率误差和多卜勒漂移可在步骤408中被计算。移动台利用所确定的频率误差和多卜勒漂移在步骤410计算频率校正信号。最后，移动台可使用频率校正信号来调整由被控制的基准振荡器(例如压控振荡器)所产生的基准信号，在步骤412，然后此信号被加到移动台的发射机。另外，多卜勒漂移和基准频率可任选地在步骤414中被用来产生预校正的发送信号。最后，该方法或者在步骤416在等待期间循环更新，或者在步骤418在业务通行期间循环连续地更新。

以上所揭示的本发明避免了在移动电话中必须包括昂贵的、高精度的基准频率源，允许藉侦听通话/寻呼信道来确定参考频率。寻呼信道信号的多卜勒漂移藉使用粗略位置估算值被校正以便得到所述的频率基准，然后它被用来确定所述移动台的精确发送频率。

本领域的普通技术人员将可看到，本发明可以以其它特定形式体现出来而不背离本发明的精神或基本特征。因此，刚才所揭示的实施例在所有方面被看作为说明性的而不是限制性的。本发明的范围由所附的权利要求来表示而不是用上述的说明来表示，在本发明的等同物的意义和范围内所作的所有改变都应包括在本发明之中。

Claims (13)

1.一种在带有至少一个移动中继站的卫星通信系统中使用的移动台，包括：

用于接收由所述中继站广播的寻呼信道信号的接收机装置；

用于解调所述寻呼信道信号的装置；

用于对所述被解调信号译码的装置；

用于从所述译码信号确定所述移动台的位置估算值的装置；

用于藉使用所述译码信号和所述位置估算值确定频率误差和多卜勒漂移的装置；

用于根据所述被确定的频率误差和多卜勒漂移确定频率校正信号的频率校正装置；

带有用于所述频率校正信号的控制输入端的受控振荡器装置；以及

用于藉使用所述的受控振荡器作为基准源来产生发送信号的发射机装置。

2.按照权利要求1的移动台，其特征在于，其中所述移动中继站是轨道卫星。

3.按照权利要求1的移动台，其特征在于，其中所述位置估算值是在所述移动台的实际位置的几公里以内。

4.按照权利要求1的移动台，其特征在于，其中所述寻呼信号包含有关中继站移动的信息。

5.按照权利要求1的移动台，其特征在于，其中所述发射机装置藉使用所述受控振荡器和所述被确定的多卜勒漂移产生发送信号，从而所述中继站接收多卜勒漂移已被补偿的所述发送信号。

6.一种在带有至少一个移动中继站的卫星通信系统中所使用的移动台，包括：

用于接收由所述中继站广播的寻呼信道信号的接收机装置；

用于解调所述寻呼信道信号的装置；

用于译码所述被解调的信号的装置；

用于确定所述移动台的位置估算值的装置；

用于藉使用所述译码信号和所述位置估算值确定频率误差和多卜勒漂移的装置；

用于进行温度测量的温度传感器装置；

用于存储多个温度中的每个温度的平均频率控制信号值的存储器装置；

用于根据所述被确定的频率误差和多卜勒漂移或根据所述的被存储的值和所述的温度测量确定频率校正信号的频率校正装置；

用于把所述的存储的平均值和所述的频率校正信号值进行平均并把所述的平均值存储在所述存储器的由所述温度测量所确定的位置中的平均装置；

带有用于频率校正信号的控制输入端的受控振荡器装置；以及

用于藉使用所述受控振荡器作为基准源来产生发送信号的发射机装置。

7.按照权利要求6的移动台，其特征在于，其中所述的移动中继站是轨道卫星。

8.按照权利要求6的移动台，其特征在于，其中所述位置估算值是在所述移动台的实际位置的几公里以内。

9.按照权利要求6的移动台，其特征在于，其中所述寻呼信号包含有关中继站移动的信息。

10.一种在带有至少一个移动中继站的卫星通信系统中用于对所使用的移动台的频率进行校正的方法，包括以下步骤：

接收由所述中继站广播的寻呼信道信号；

解调所述寻呼信道信号；

对所述被解调信号进行译码；

从所述译码信号确定所述移动台的位置估算值；

藉使用所述译码信号和所述位置估算值来确定频率误差和多卜勒漂移；

根据所述被确定的频率误差和多卜勒漂移确定频率校正信号；以及

藉使用所述频率校正信号来调整受控振荡器装置。

11.按照权利要求10的方法，其特征在于，其中所述移动中继站是轨道卫星。

12.按照权利要求10的方法，其特征在于，其中所述位置估算值是在所述移动台的实际位置的几公里以内。

13.按照权利要求10的方法，其特征在于，其中所述寻呼信道信号包含有关中继站移动的信息。

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