CN1238837A - 对使用卫星射束的模糊位置解进行模糊分辨 - Google Patents

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Abstract

一种对卫星通信系统中的用户终端的模糊位置解的模糊进行分辨的系统和方法，它包括用户终端(106)、至少一个卫星(104)和通过该卫星(104)与用户终端(106)进行通信的信关(102)。每个卫星(104)具有多个卫星射束(601－616)，每个射束以相应于卫星子轨迹(404)的已知图案来照亮地球的一个区域。识别照亮用户终端(106)的卫星射束(601－616)及其相对于子轨迹(404)的相对位置。把可能的用户终端位置(408A，408B)与相对于卫星子轨迹(404)的被识别射束(601－616)的方位相比较.认为落在与照亮用户终端(106)的被检测射束(601－616)不正确的子轨迹(404)一侧的可能用户终端位置(408A，408B)对于该用户终端(106)来说是不正确的解。可使用用户终端(106)中的卫星识别和比较元件或在信关(102)处确定模糊解。在此情况下，把确定的射束信息报告给信关(102)。在本发明的另一个方面，被识别的射束可以是前向链路(601－616)或反向链路(621－636)射束或这两者，每个链路具有不同的射束图案。

Description

对使用卫星射束的模糊位置解进行模糊分辨
技术领域
本发明涉及使用卫星来进行目标位置确定。尤其是，本发明涉及对卫星通信系统的用户终端的模糊位置解进行模糊分辨的方法。
背景技术
典型的基于卫星的通信系统包括至少一个地面基站(以下叫做信关(gateway))、至少一个用户终端(例如，移动电话)以及用于在信关和用户终端之间转发通信信号的至少一个卫星。信关提供从用户终端到其它用户终端或诸如地面电话系统等通信系统的链路。
已开发出使用时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)的各种多址通信系统和技术，其基础在本领域内是众所周知的。在1990年2月13提出的第4,901,307号名为“Spread Spectrum Multiple Access Communication SystemUsing Satellite or Terrestrial Repeaters”的美国专利以及1995年1月4日提交的第08/368,570号名为“Method and Apparatus for Using Full Spectrum TransmittedPower in a Spread Spectrum Communication System for Tracking IndividualRecipient Phase Time and Energy”的美国专利申请中揭示了在多址通信系统中使用CDMA技术，这两个专利已转让给本发明的受让人，并在这里通过引用而引入。
上述专利文本揭示了多址通信系统，其中许多普通的移动或远程系统用户中的每一个利用至少一个用户终端来与其它系统用户或诸如公共电话交换网等其它相连系统的用户进行通信。用户终端使用CDMA频谱扩展型通信信号通过信关和卫星进行通信。
通信卫星形成射束(beam)，这些射束照亮通过把卫星通信信号投射到地球表面所产生的“点”或区域。用于点的典型卫星射束图案包括以预定覆盖图案排列的许多射束。一般，每个射束包括覆盖公共地理区域的许多所谓的子射束(sub-beam)(也叫做CDMA信道)，每个子射束占据不同的频带。
在典型的频谱扩展通信系统中，在对作为通信信号发射的载波信号进行调制前，使用一组预选的伪随机噪声(PN)码序列对预定频谱带上的信息信号进行调制(即，“扩展”)。PN码扩展是本领域内所公知的一种频谱扩展发射方法，该方法产生用于发射的信号，该信号的带宽比数据信号的带宽大得多。在前向通信链路中(即，在起始于信关开始并终止于用户终端的通信链路中)，可使用PN扩展码或二进制序列来区分由不同卫星或信关所发射的信号或者在不同射束(beam)上所发射的信号并分辨多路径信号。PN扩展码一般由给定小区或子射束内的通信信号所共享。
在典型的CDMA频谱扩展系统中，使用信道化代码来区分经由前向链路在卫星射束内发射的将用于各种用户终端信号。即，提供一系列独有的正交信道(包括导频和寻呼寻呼信道)，以使用独有的“信道化”正交代码在前向链路上把信息传送到用户终端。一般使用Walsh函数来实现此信道化代码。
诸如4,901,307号美国专利中所揭示的典型CDMA频谱扩展通信系统打算对前向链路用户终端通信使用相干调制和解调。在使用该手段的通信系统中，把“导频”载波信号(以下叫做“导频信号”)用作前向链路的相干相位基准。即，由信关在整个覆盖区内发射不包含数据调制的导频信号。一般单个导频信号只由用于每个所使用频率的每个射束(即，每个子射束或CDMA信道)的每个信关来发射。这些导频信号由接收来自信关的信号的用户终端所共享。
虽然据说每个射束或子射束可具有独有的导频信号(被系统广泛地再使用)，它们不可能通过使用不同的PN码多项式而产生，但它们可使用具有不同代码相移的相同的扩展码。这使得可容易地相互区分PN码，继而区分起始信关或卫星以及射束或子射束。或者，在通信系统内使用一系列PN扩展码，不同的PN码用于通过其进行通信的每个信关或卫星平面(plane)，而定时偏移用于每个射束或子射束。对本领域内的技术人员很明显的是，可根据需要而分配许多或很少的PN码来识别受到复杂性、可行性和系统容量限制的通信系统中的特定信号源。
用户终端使用导频信号来获得初始系统同步以及对信关所发射的其它信号进行时间、频率和相位上的跟踪。把通过跟踪导频信号载波获得的相位信息用作对其它系统信号或通话信号进行相干解调的载波相位基准。该技术使得许多通话信号可共享一作为相位基准的公共导频信号，从而提供花费更少且更有效的跟踪机构。
当一用户终端未处于通信时间时(即，该用户终端未在接收或发射通话信号)，则信关可使用称为寻呼信号的信号把信息传送到该特定用户终端。例如，当一呼叫已接到一特定移动电话时，信关利用寻呼信号来通知该移动电话。还可使用寻呼信号给系统分配上面的信息。
用户终端可通过在反向链路(即，起始于用户终端并终止于信关的通信链路)上发送接入信号或接入探针(probe)来响应于寻呼信号。还在用户终端发生一呼叫时使用接入信号。接入探针或信号可使用它们自己的一组PN码序列在反向链路上进行扩展，提供可限制接收和处理这些信号的特定卫星或信关的信号识别形式。
当需要与用户终端进行通信时，通信系统需要确定用户终端的位置。对用户终端位置信息的需要出于几个考虑。一个考虑是，系统应选择用于提供通信链路的适当信关。例如，与被适当地提高到用户终端水平线上方的卫星进行通信的信关可提供较高质量的通信链路。需要使用与这种卫星进行通信的信关。因此，在需要与特定用户终端进行通信时，通信系统需要知道用户终端相对于各种卫星的位置，以便选择适当的信关。
另一个考虑是，把通信链路分配到适当的业务供应商(例如，电话公司)。通常业务供应商将被分配特定的地理范围，并管理在该范围内与用户的所有呼叫。在需要与特定用户终端进行通信时，通信系统可根据用户终端所在的范围把呼叫分配给业务供应商。为了确定适当的范围，通信系统需要用户终端的位置。在必须根据行政分界把呼叫分配给业务供应商时存在类似的考虑。
基于卫星的通信系统在进行位置确定时的一个重要要求是速度。在需要与一特定用户终端进行通信时，应快速地选择将服务于该用户终端的信关。例如，移动电话用户不可能容忍在接通呼叫时有几秒钟以上的延迟。对定位准确性的要求没有对速度的要求那么重要；认为小于10公里(km)的误差是适当的，以便实现短的延迟。相反，基于卫星的位置确定的大多数常规手段强调准确性而甚于速度。
此外，许多常规的手段导致模糊的位置解。即，一确定的位置解包括一个以上的用户终端的可能位置。因此，我们需要一种对模糊位置解中的模糊进行分辨的系统和方法。
发明内容
本发明是一种用于对卫星通信系统中用户终端(例如，移动电话)位置的不同模糊解中的模糊进行分辨的系统和方法。该系统包括一用户终端、至少一个卫星以及一用于通过卫星与用户终端进行通信的信关。每个卫星具有多个卫星射束，每个射束对应于卫星轨道路径以公知的方式照亮地球表面上的区域。
该方法包括确定用户终端在地球表面上的多个可能位置、识别照亮用户终端的卫星射束以及射束所处的子轨迹(sub-track)的相应一侧、把可能位置与用于被识别的卫星射束的确定子轨迹一侧相比较来选择可能位置中的一个位置这些步骤。
在用户终端中使用卫星识别装置和比较装置可解决模糊解。或者，用户终端中的第一识别装置检测照亮用户终端的卫星射束的至少一个射束特定参数，诸如用于该射束的PN码。把与检测到的参数的值有关的信息报告给信关，在该信关处第二识别装置接收该信息并识别卫星射束。由于信关保存描述卫星位置和射束方位的信息，所以信关可以给定的时间来确定被识别的射束处在卫星子轨迹的哪一侧。把落到照亮用户终端的被检测射束的子轨迹的不正确一侧的可能用户终端位置作为该用户终端的不正确解。因此，可消除或减少多个解之间的模糊。
在本发明的其它方面，被识别的射束可以是前向链路或反向链路射束或这两者。即，用于在用户终端处接收来自信关的信号的射束或用于在信关处接收来自用户终端的信号的射束。来自卫星的前向和反向链路射束图案最好是不同的(这不是必须的)，在某些情况下可使用这些不同来引起附加的模糊分辨。
本发明的一个优点是它能快速地分辨模糊的用户终端位置解中的模糊。
附图概述
从以下提出的详细描述并结合附图将使本发明的特征和优点变得更加明显起来，其中相同的标号表示相同或在功能上类似的元件。此外，标号最左边的数字表示最先出现该标号的附图。
图1示出典型的卫星通信系统；
图2是在用户终端中所使用的示例无线电收发机的方框图；
图3是在信关中所使用的示例发射和接收设备的方框图；
图4以轮廓示出投射到地球表面上的卫星范围及范围速率(range-rate)参数；
图5是示出在确定用户终端的可能位置解时本发明较佳实施例的操作的流程图；
图6a和6b示出依据本发明较佳实施例的卫星“点”的示例射束图案；以及
图7是示出依据较佳实施例的本发明操作的流程图。
本发明的较佳实施方式
Ⅰ．介绍
本发明是一种用于对卫星通信系统中用户终端的不同模糊位置解中的模糊进行分辨的系统和方法。以下详细地讨论本发明的较佳实施例。虽然讨论特定步骤、结构和配置，但应理解这只是为了示意。相关领域中的技术人员将知道，可使用其它步骤、结构和配置而不背离本发明的精神和范围。将以三个部分来描述本发明。首先，描述典型的卫星通信系统。其次，描述用于确定模糊位置解的两个候选手段。最后，描述本发明较佳实施例的操作。
Ⅱ．典型的卫星通信系统
图1示出典型的卫星通信系统100。卫星通信系统100包括信关102、卫星104和用户终端106。用户终端106一般有三种：固定用户终端106A，它们通常安装在固定结构中；移动用户终端106B，它们通常安装在汽车中；便携式用户终端106C，它们通常是手提式的。信关102通过卫星104与用户终端106进行通信。
图2中示出用于用户终端106中的示例无线电收发机200。无线电收发机200使用至少一个天线210来接收传送到模拟接收机214的通信信号，这些信号在该接收机214处被下变频、放大和数字化。通常使用双工器元件212而允许同一天线服务于发射和接收功能。然而，某些系统利用分开的天线在不同的频率下操作。
把模拟接收机214输出的数字通信信号传送到至少一个数字数据接收机216A和至少一个数字搜索器接收机218。对相关领域中的技术人员很明显的是，依据可接收的单元复杂程度，还可使用附加的数字数据接收机216B-216N来获得所需程度的信号分集。以此方式构成的接收机叫做“耙式(rake)接收机”，每个数字数据接收机216叫做“指状物(finger)”。耙式接收机的指状物不仅用于信号分集，还可用于接收来自多个卫星的信号。
至少一个用户终端控制处理器220被电气耦合到数字数据接收机216A-216N以及搜索器接收机218。除了其它功能以外，控制处理器220还可提供基本的信号处理、定时、功率和交换控制或用于信号载波的频率协调和选择。控制处理器220通常进行的另一个基本控制功能是选择或处理待用于处理通信信号波形的PN码序列或正交函数。控制处理器220所进行的信号处理可包括确定本发明所使用的参数。对诸如相对定时和频率等信号参数的计算可包括使用附加或分开的专用电路，从而在测量时提供较高的效率或速度，或者改进控制处理资源的分配。
数字数据接收机216A-216N的输出被电气耦合到用户终端内的用户数字基带电路222。用户数字基带电路22包括来往于用户终端用户而传送信息的公知处理和显示元件。即，诸如瞬时或长时间存储器等信号或数据存储元件；诸如显示屏、扬声器、键盘终端和手机等输入和输出装置；A/D元件、声码器和其它话音和模拟信号处理元件等；所有的这些元件都形成使用本领域内公知元件的用户基带电路的一部分。如果利用分集信号处理，则用户数字基带电路222可包括分集组合器和解码器。这些元件中的某些元件还可在控制处理器220的控制下或在与控制处理器220进行通信时进行操作。
当准备话音或其它数据作为用户终端所产生的输出报文或通信信号时，用户数字基带电路222用于接收、存储、处理或者准备待发射的所需数据。用户数字基带电路222把该数据提供给在控制处理器220的控制下进行操作的发射调制器226。发射调制器226的输出被传送到功率控制器228，该控制器228对发射功率放大器230提供输出功率控制，以最终把输出信号从天线210发射到信关。
无线电收发机200也可利用一个或多个预修正元件或预修正器232和234。在具有专利号的名为“Time And Frequency Precorrection For Non-GeostationarySatellite System”未决的共有申请(将被转让，代理记录号PA338)中揭示了这两个预修正器的操作，在这里通过引用而引入。最好在基带频率在数字功率控制器228的输出处发生预修正。在发生功率放大器230中所进行的上变频期间，把包括频率调节的基带频谱信息转换成适当的中心频率。使用本领域内公知的技术来实现此预修正或频率调节。例如，可通过复合信号旋转来进行预修正，这等效于把该信号与因子ejωt相乘，这里ω根据已知的卫星天文历(ephemerides)和所需的信道频率而计得的。这在同相(I)和正交相(Q)信道中处理通信信号时非常有用。可使用直接的数字合成装置来产生一些旋转积。或者，可使用坐标旋转数字计算元件，该元件利用二进制偏移、加法和减法来进行一系列离散的旋转，从而导致所需的全部旋转。这些技术和相关硬件在本领域内是容易理解的。
再者，可把预修正元件234放置在发射功率放大器230的输出的发射路径中，以调节输出信号的频率。这可以使用众所周知的技术来实现，诸如对发射波形进行上或下变频。然而，改变模拟发射机的输出的频率可能较困难，这是因为通常要使用一系列滤波器来使波形成形，此连接上的变化可影响滤波过程。此外，预修正元件234可形成用于用户终端的模拟上变频和调制级(230)的频率选择或控制机构的一部分，从而可使用经适当调节的频率在一个步骤内把数字信号转换成所需的发射频率。
可使用本领域内公知的各种技术，把相应于对接收到的通信信号或一个或多个共享的资源信号测得的一个或多个信号参数的信息或数据发送到信关。例如，可把这些信息作为分离的信息信号传送或添加到用户数字基带电路222所准备的其它报文中。此外，可在控制处理器220的控制下，由发射调制器226或发射功率控制器228插入这些信息作为预定控制位。
可以信号相关元件来构成数据接收机216A-N和搜索器接收机218，以解调和跟踪特定信号。使用搜索器接收机218来搜索导频信号或其它模式相对固定的强信号，而使用数据接收机216A-N来跟踪导频信号或解调与检测到的导频信号有关的其它信号。因此，可监测这些单元的输出，以提供用于计算本发明的参数的信息。可使用本领域内公知的各种技术，把用户终端106对接收到的通信信号或共享资源信号测得的信息发送到信关。例如，可把这些信息作为分离的数据信号传送或添加到用户数字基带电路222所准备的其它报文中。数据接收机216还利用可被监测的频率跟踪元件，以向控制处理器220提供用于被解调信号的当前频率和定时信息。以下将参考图4和5对此进行进一步讨论。
控制处理器220使用这些信息来确定在接收到的信号被定标到同一频带时把该信号从期望频率(基于本机振荡器频率)适当地偏移到什么程度。可在必要时这个以及相应于频率偏移、误差和Doppler偏移的其它信息存储在一个或多个误差/Doppler存储器或存储元件236中。控制处理器220可使用该信息来调节其操作频率，或者可使用各种通信信号把该信息传送到信关。
使用至少一个时基元件238来产生和存储诸如日期和时间等时间顺序信息，以有助于确定卫星位置。该时间可周期性地存储和更新，也可由信关周期性地提供。此外，每当用户终端输入诸如什么时候“关掉”等停止(inactive)模式时，存储当前时间。把该时间值与“开启”时间结合在一起使用来确定各种与时间相关的信号参数和用户终端位置变化。
此外，可使用存储器或存储元件240和242来存储与以下进一步详细讨论的参数有关的特定信息。例如，存储元件240可存储相对于范围速率参数而进行的用户终端测量值，诸如两个到达的信号之间相对频率偏移之差。存储装置240和242使用本领域内公知的结构和电路，并可形成为不同或分离的元件或者形成以受控的方式存储该信息以备今后检索的较大的一体化结构。
如图2所示，把本机或基准振荡器250用作模拟接收机214的基准，以把输入信号下变频到所需的频率处的基带。必要时，还可在多个中间变频步骤中使用该振荡器，直至该信号达到所需的基带频率。如图所示，还可把振荡器250用作模拟发射机230的基准，以上变频到用于反向链路发射的所需的载波频率，该振荡器还用作定时电路252的标准或基准。定时电路252对用户终端200内的其它级或处理元件产生定时信号，这些元件诸如时间跟踪电路、数字接收机216A-N中的相关器、发射调制器226、时间基准元件238和控制处理器220。定时电路252还可在处理器的控制下，产生延缓或推进定时或时钟信号的相对定时的延迟。即，可以预定的数量来调节时间跟踪。这通常还使得把代码的应用从“正常”时间推进或延缓一个或多个子码周期(chip period)，从而在必要时可以不同的定时来应用PN码或构成这些代码的子码。
在图3中示出用于信关102的一个示例的发射和接收设备300。在图3中示出的信关102部分具有连到天线310的用于接收通信信号的一个或多个接收机314，然后使用本领域内所公知的各种方案对这些信号进行下变频、放大和数字化。在某些通信系统中使用多个天线310。把模拟接收机314输出的数字化信号作为输入提供给由324处的虚线所示的至少一个数字接收机模块。
虽然某些变化在本领域内是公知的，但每个数字接收机模块324相应于用于信关102与一个用户终端106之间的通信的信号处理元件。一个模拟接收机314可对许多数字接收机模块324提供输入，这些模块中的许多模块通常使用在信关102中，以适应所有的卫星射束和在任何给定时间处理的可能的分集模式信号。每个数字接收机模块314具有一个或多个数字数据接收机316和搜索器接收机318。搜索器接收机318一般搜索不同于导频信号的适当分集模式的信号。在用于通信系统中时，把多个数据接收机316A-316N用于分集信号接收。
把数字数据接收机316的输出提供给后续的基带处理元件322，该元件包括本领域内众所周知的设备且在这里不再进一步说明。示例的基带设备包括分集组合器和解码器，以把多路径信号组合成用于每个用户的一个输出。示例的基带设备还包括通常把输出数据提供给数字开关或网络的接口电路。诸如声码器、数据调制解调器和数字数据切换及存储元件等(但不限于此)各种其它公知的元件可形成基带处理元件322的一部分。这些元件用于控制或指导把数据信号传送到一个或多个发射模块334。
待发送到用户终端106的每个信号都被电气耦合到一个或多个适当的发射模块334。典型的信关使用许多这样的发射模块334来同时为许多用户终端106以及同时为几个卫星和射束提供服务。由本领域内所公知的因素来确定信关102所使用的发射模块334的数目，这些因素包括系统复杂性、通常所考虑的卫星的数目、用户容量、所选择的分集程度以及类似的因素。
每个发射模块334包括一发射调制器326，该调制器对用于发射的数据进行频谱扩展调制，其输出被电气耦合到控制用于输出数字信号的发射功率的数字发射功率控制器328。为了减少干扰和资源分配，数字发射功率控制器328一般用最小的功率电平，但它在需要补偿发射路径的衰减和其它路径传送特性时应用适当的功率电平。发射调制器326在对信号进行扩展时使用至少一个PN产生器332。此代码的产生还可形成信关102中所使用的一个或多个控制处理器或存储元件的一个功能性部分。
把发射功率控制器328的输出传送到求和器336，在这里对该输出与来自其它发射功率控制电路的输出求和。这些输出是作为发射功率控制器328的输出发射到处于同一频率并在同一射束内的其它用户终端106的信号。把求和器336的输出提供给模拟发射机338，以进行数字-模拟转换，转换到适当的RF载波频率，进一步放大、滤波并输出到一个或多个天线340，以发射到用户终端106。依据通信系统的复杂性和结构，天线310和340可以是同一个天线。
至少一个信关控制处理器320被电气耦合到接收机模块324、发射模块334和基带电路322。这些单元实际上可相互隔离。控制器处理器320提供命令和控制信号，以实行诸如信号处理、定时信号产生、功率控制、传送控制、分集组合和系统连接等功能，但不限于此。此外，控制处理器320分配PN扩展码、正交代码序列和特定发射机和接收机或模块以用于用户通信。此外，控制处理器可用于计算参数并执行本发明的定位方法。控制处理器320还控制导频、同步和寻呼信道信号的产生和功率及其与发射功率控制器328的耦合。导频信号不经过数据调制，一般不受功率控制，且可使用重复不变的模式或不变的帧结构。即，用于形成导频信号信道的正交函数一般具有诸如1或0等恒定值，或者散布有1和0的众所周知的重复模式。
而控制处理器320可被直接电气耦合到诸如发射模块334或接收模块324等模块的元件，每个模块一般包括控制该模块的元件的诸如发射处理器330或接收处理器321等模块专用处理器。因而，如图3所示，在较佳实施例中，控制处理器320被电气耦合到发射处理器330和接收处理器321。这样，单个控制处理器320可更有效地控制大量模块和资源的操作。
发射处理器330控制导频、同步、寻呼信号和通话信道信号的产生和信号功率及其各自与功率控制器328的耦合。接收处理器321对搜索哪些PN扩展码用于解调和对监测接收到的功率进行控制。处理器321还可用于确定本发明的方法中所使用的信号参数，或可检测和传送从用户终端接收到的与这些参数有关的信息，从而降低控制处理器320的负担。
为了实现本发明的实施例，可使用一个或多个预修正器或频率预修正元件342和344。预修正元件342最好用于调节处于基带频率的数字功率控制器328的数字输出的频率。如同在用户终端中一样，在模拟发射器338中所进行的上变频期间，把包括频率调节的基带频谱信息转换成适当的中心频率。使用本领域内公知的技术来实现频率预修正，此技术诸如以上讨论的复合信号旋转，其中根据已知的卫星天文历和所需的信道频率来计算旋转角。如同在用户终端中一样，可使用其它信号旋转技术和相应的硬件而不背离本发明的精神和范围。
在图3中，示出预修正器342被放置在求和器336前的发射路径中。这使得可在必要时对每个用户终端进行独立地控制。然而，也可在求和器336后进行预修正时使用单个频率预修正元件，这是因为用户终端共享从信关到卫星的同一发射路径。
此外，可把预修正器344放置在模拟发射机338的输出上的发射路径中，以使用公知的技术来调节输出信号的频率。然而，改变模拟发射机的输出的频率可能较困难，且可能影响信号滤波过程。此外，可通过控制处理器320来直接调节模拟发射机338的输出频率，以提供与正常中心频率偏移的偏移输出频率。
施加在输出信号上的频率修正量是根据信关和通过其建立通信的每个卫星之间的已知Doppler。控制处理器320使用已知的卫星轨道位置数据来计算计入卫星Doppler所需的偏移量。可把该数据存储在诸如查询表或存储元件等一个或多个存储元件346中，并可从中进行检索。必要时，还可由其它数据源来提供该数据。可使用诸如RAM和ROM电路或磁性存储装置等各种众所周知的装置来构成存储元件346。可使用该信息在给定的时间对信关所使用的每个卫星建立Doppler调节。
如同3所示，时间和频率单元(TFU)348为模拟接收机314提供了基准频率信号。在某些应用中，可把来自GPS接收机的世界时(UT)信号用作此过程的一部分。在必要时，它还用于多个中间变频步骤。TFU348还用作模拟发射机348的基准。TFU348还为信关发射和接收设备300中的其它级或处理元件提供定时信号，这些元件诸如数字接收机316A-N和318中的相关器、发射调制器326和控制处理器320。在必要时，TFU348还在处理器的控制下把(时钟)信号的相对定时延缓或推进预定的量。
Ⅲ．位置确定
为了在卫星通信系统中确定用户终端的位置，系统通常首先计算描述卫星与用户终端之间的地理关系的各种参数。有几个这样的手段。一个这样的手段是诸如全球定位系统(GPS)所使用的三角测量(triangulation)手段。
在三角测量手段中，每个卫星测量描述卫星与用户终端之间距离的范围参数。于是，每个范围参数表示以测量卫星为中心的球。以球与地球表面的交叉点来描述用户终端在地球表面上的可能位置。如果有三个卫星(继而三个范围参数)，则可无模糊地识别用户终端的位置。然而，如果范围参数少于三个的，则不能无模糊地识别用户终端的位置。例如，如果只可获得两个范围参数，则存在两个可能的解，一个解是卫星子轨迹相对一侧上另一个解的“镜象”。卫星的子轨迹是在地球表面上直接位于卫星路径下方的线。如果只获得一个范围参数，则以地球表面上以卫星子轨迹为中心的圆圈来描述可能的用户终端位置。
在具有申请号(已诸如，代理登记号PA286)的同时提交的名为“PositionDetermination Using One Low-Earth Orbit Satellite”的共有申请中揭示了另一个手段，这里通过引用而引入。在该手段的一个实施例中，系统测量描述卫星104和用户终端106之间地理关系的两个参数：范围和范围速率。范围速率参数描述了卫星104和用户终端106之间的相对径向速度。
可把卫星104相对于用户终端的范围和范围速率参数描述为图4所示投射到地球表面的轮廓。范围参数轮廓描述了以集中在子轨迹404上并绕卫星104的当前位置405为中心的圆402以用于测量。范围速率参数描述了相对于卫星子轨迹404对称的双曲线状弧406。使用该手段一般会产生模糊位置解408，它包括两个可能的位置，即正确解408A和“镜象”解408B，每个解位于范围参数轮廓402和范围速率参数轮廓406的两个交叉点中的每个交叉点处。
当存在这样的模糊位置解时，想要对此模糊进行分辨。在本发明的较佳实施例中，如下所述使用卫星104的卫星射束来对模糊进行分辨。
图5是示出在确定用户终端106的可能位置解时本发明较佳实施例的操作的流程图。在步骤502，确定描述卫星102与用户终端106之间地理关系的某些参数的值。例如，要测量或确定值的参数可包括上述范围和范围速率参数。在步骤504，使用这些参数值来确定用户终端106的两个或多个可能的位置。例如，用于确定可能位置的方法可包括上述三角测量和范围/范围速率手段。对相关领域内的技术人员来说明显的是，可使用其它参数和位置确定手段而不背离本发明的精神和范围。
Ⅳ．位置模糊分辨
如上所述，通信卫星形成用于照亮通过把卫星通信信号投射到地球表面上而产生的“点”或服务或覆盖区。把该点600表示成图6a和6b中的两种形式。用于点600的典型卫星射束图案包括以预定覆盖图案排列的许多射束。对相关领域内的技术人员很明显的是，例如，可由相控阵列(pbased-array)射束形成天线来形成卫星射束。在本发明的较佳实施例中，点600的前向链路射束图案包括以基本上如图6a所示的同心组排列的十六个射束601-616。点600的另一个射束图案(最好用于反向链路)包括以基本上如图6b所示的拉长扇区排列的十六个射束621-636。
在本发明的较佳实施例中，对前向和反向通信链路使用不同的射束图案。例如，这样可用于对两个链路之间的特定射束图案提供不同的增益特性，并且用于改善功率分集成形。此外，可对前向和反向链路通话或访问信道使用不同的PN代码组。在某些通信系统中，可对前向和反向通信链路使用相同的射束图案，这些射束甚至还可使用相同的PN扩展码。然而，也可使用其它射束配置而不背离本发明的精神和范围。
依据本发明，只要在前向和反向链路中的至少一个上使用多射束图案，就可使用不同的配置。例如，可只在前向链路或只在反向链路上使用多射束图案。
图6a和6b中的每个图还示出对应于卫星104所产生的点600的子轨迹404和速度矢量620。速度矢量620表示卫星沿其相应子轨迹的行进方向。
应注意，点600可相对于子轨迹404旋转。通信卫星一般由太阳能电池板来供电。太阳能电池板在位于太阳的法向时可进行最有效的操作。因此，一般想要相对于入射的太阳光保持特定的电池板方向，以优化卫星功率的产生。由于一般把通信卫星保持在与太阳同步的方向，所以每个卫星可相对于其速度矢量旋转，以相对于太阳保持所需的方向。结果，点600可相对于卫星的子轨迹旋转。依据各种众所周知的因素，对于每个卫星，这些方位旋转的角度、方向和变化率在任何给定的时间可能各不相同。然而，这些改变代表了众所周知的通信系统内的位置变化，它们可被每个信关估计到。
在本发明的较佳实施例中，使用卫星点内的射束来分辨用户终端位置解的模糊。依据本发明的较佳实施例，通过在所考虑的时间识别用户终端所在的射束来选择正确的解。在较佳实施例中，卫星104在每个卫星射束上广播该射束的标识(identity)。使用一射束或该射束中的信号的每个用户终端接收卫星射束标识作为这些信号的一部分，检测或确定该标识，并把它回报给信关。信关对每个用户终端保持该射束标识。
例如可使用系统寻呼信号来提供射束标识。可使用每个寻呼信号中的预定部分或字段来列出或指定被发射到射束的标识符或ID。在产生寻呼信号时，选择将被传送到特定射束的适当的射束标识符，并把它插入寻呼信号报文结构中。射束ID可采取使用各种公知的文字数字模式或索引方案的许多不同形式，并可通过通信系统和卫星设计来建立。在本例中，给每个射束提供独有的数字指示601-616和621-636。必要时可使用附加的符号来识别特定卫星和子射束。
或者，可从PN扩展码分配模式中得到射束标识。即，如上所述，射束中的每个卫星子射束依据公知的系统信号源PN码分配而使用特定的PN码，包括基本代码序列和定时偏移。因此，用户终端可依据由于获取和接收子射束上的信号的PN码(和定时)来识别接收到的子射束继而射束。用户终端可使用公知的代码分配信息(诸如可存储在存储元件中的)来确定哪个射束相应于检测到的PN码。然后，用户终端把此射束标识符报告给信关。
为了把此标识符报告给信关，用户终端本质上不需要“识别”射束，而可简单地报告所使用的PN码。然后，信关使用公知的系统代码分配信息(它们可被存储在一个或多个存储装置中)来确定哪个射束相应于该PN码信息或所使用的任何其它参数。
实现射束识别检测的设备在本领域内是公知的，这些设备通常形成以上所讨论的接收机和控制处理器的一部分。这些接收机检测使用哪些PN扩展码(包括可应用的PN码偏移)来形成接收到的信号，并对还可能包含识别信息的报文进行解码。然而，在必要时也可使用附加的其它射束识别成分。
在必要时也可利用其它射束识别过程，诸如在同步信道上发射与导频信号有关的预先分配的“射束ID”，检测这些ID与获取导频定时相结合等。本发明不限于也不依据以上所讨论的特殊射束识别技术。同时，本发明不严格地限于使用CDMA信号，只要存在可被通信系统所利用的可识别射束，且每个射束具有可被用户终端和信关检测的识别信息。
以上过程假定了前向链路射束识别技术。此外，可使用反向链路识别过程。这里，信关接收诸如用于开始通信的访问指针或反向链路通话信号等用户终端通信信号。在任一种情况下，信号到达使用对用户终端信号进行扫描的特定射束。信关知道卫星使用哪个射束来接收反向链路信号。信关依据以上列出的方案和各自频率分配方案完全可识别射束。因此，当使用反向链路信号时，信关自动地接收表示用户终端使用哪个射束的信息。
信关还保持描述每个卫星继而在卫星通过轨道时被卫星投射的每个射束的特定位置和方位的信息。该信息可用于通信系统设计的一部分，并可存储在信关内的一个或多个存储装置中。系统操作人员还可依据各种卫星轨道位置的测量值而随时更新此卫星方位信息。
相对于每个卫星射束的卫星子轨迹的方位或位置知识使得可在任何给定的时间确定射束处在轨迹的哪一侧。于是，如果用户终端落在与照亮该用户终端的被检测射束不正确的子轨迹一侧上，则该用户终端的任何可能或预知位置对该用户终端来说都是不正确的解。此外，如果用户终端的几个可能的解中的一个落在与照亮用户终端的被检测射束相同的轨迹一侧内或上，则该可能的位置是正确的位置。
本领域内的技术人员容易理解，不必对“射束解”进行“地理”上的修正。即信关或用户终端可在任一时间预言覆盖地球表面上某些预选地理区域的某些射束。然而，即使在当时所进行这些假设是不正确的，使用射束识别信息仍将能准确地确定用户终端处在子轨迹的哪一侧。此确定不依赖射束的任何特定覆盖区，而只依赖卫星及其投射的射束的方位以及射束识别过程本身。这样提出分辨位置确定技术中的模糊所需的信息。
作为一个例子，本发明应用分辨图4中所存在的位置模糊。在图6中也示出图4所示的模糊位置解408。模糊位置解408包括两个可能的位置408A和408B。参考图6，可能的解408落在沿子轨迹404移动的点600的不同射束内。一个解408A落在射束612内，而另一个解408B落在射束61 5内。依据本发明，信关确定用户终端位于射束612。由于射束612相对于卫星104和子轨迹404的方位或位置是已知的，所以信关知道用户终端位于子轨迹404上最靠近解408A而最远离解408B的一侧。因此，网关选择位置408A作为用户终端的位置。
当用户终端在根据信关所提供的信息来确定位置时，还可向用户终端提供关于信关相信用户终端处在子轨迹的哪一侧的指示作为该信息的一部分。
还应注意，可在某种程度上把诸如图6中的射束601、602、605和609等某些射束对称地延伸到卫星子轨迹404的两侧上。初看起来这样可能存在问题，但这是有限的范围和持续时间内。一般，位置确定解不会落到靠近于子轨迹，从而这些射束之一就成为问题。然而，如上所述，在较佳实施例中，使用不同的反向和前向链路射束图案。因此，在确定用户终端的位置时，信关实际上具有诸如622、623、629、630和636等多个可选择的射束。结果，前向和反向链路这两个图案之间的差异把不确定的解减到最少。这在选用其它图案组时也成立。此外，在某些通信系统中，可把基本旋转速度告知卫星。在此配置中，点或射束图案快速旋转，从而快速地改变服务于用户终端的射束并产生所需的射束分辨配置。
图7是示出依据本发明较佳实施例的操作中各步的流程图。如步骤702所示，当通信系统100已确定用户终端106的位置的模糊解时，本发明的操作就开始了。在较佳实施例中，由信关102内的处理器320和321使用上述定位方法来确定模糊位置解。然而，也可使用本领域内众所周知的其它计算和存储元件，从用户终端所提供的以及信关内可获得的信息进行此确定。模糊解包括用户终端106的两个或多个可能的位置。每个可能的位置落在点600的射束601-616或621-636之一内。
如步骤704所示，由用户终端106来识别照亮用户终端、向用户终端发射信号或检索来自用户终端的信号的卫星射束。在本发明的较佳实施例中，检测作为接收到的寻呼信号的一部分的每个卫星射束的标识。在步骤706，在接收或检测到此卫星射束标识时，用户终端106把此信息作为访问信号的一部分发射到信关102。然而，在必要时，用户终端106可在步骤706使用其它已知的信号来发射射束识别信息。
或者，用户终端106不确定实际射束标识符，而在步骤708确定特定射束特定参数或只与每个射束有关的参数的值。例如，在步骤706，用户终端106可检测用于获取和接收子射束上的信号的PN码(定时偏移)，并把此信息报告给信关。然后，信关在步骤710使用此已知的通信系统代码分配信息来识别照亮用户终端的射束。
然而，信关可使用反向链路射束标识符作为此过程的一部分，并可检测用户终端直接使用哪个反向链路射束。图7中示出此变形体，其中信关在步骤712测量反向链路射束特定参数值。例如，信关在获取反向链路访问请求时确定哪个访问指针特定PN码被使用。从反向链路通话信道中可获得类似的信息。在步骤710使用该信息来识别射束。
用户终端106还可周期性地发射与射束识别相关信息，诸如在使用通话或访问信号进行通信时。这使得信关102可周期性地确定服务于该用户终端的当前射束(适当的前向和/或反向链路)，且具有备用于可周期性发生的位置确定处理的模糊分辨因素。
信关102接收来自用户终端前向链路射束处理或确定和/或来自反向链路射束确定过程的射束识别信息。在步骤714，如上所述，根据与信关所保持的每个卫星的方位有关的信息，从通信系统信息中确定用户终端位于卫星轨迹的哪一侧。在步骤716，把用户终端106的可能位置与其子轨迹位置或被识别卫星射束的方位相比较，以选择落在被识别射束内的可能位置。如果只有一个位置落在被识别射束的覆盖区内，则在解选择步骤718，删除不正确的其它可能位置。如此来分辨位置解中的模糊。
在用于某些定位操作时，在步骤720，把选择为“正确”或最可能解的位置解作为一个或多个已知的前向链路报文信号一部分提供给用户终端。
Ⅴ．结论
以上对较佳实施例进行了描述，以使本领域内的技术人员可使用本发明。虽然参考本发明的较佳实施例对本发明进行了表示和描述，但本领域内的技术人员应理解，可在其中进行各种形式和细节上的改变而不背离本发明的精神和范围。

Claims (15)

1．一种用于分辨卫星通信系统的位置确定中模糊的设备，其特征在于包括：
用户终端；
具有多个卫星射束的至少一个卫星，每个射束以相应于卫星子轨迹的已知图案来照亮地球表面的一个区域；
通过所述至少一个卫星与所述用户终端进行通信的信关，用于确定所述用户终端在地球表面上的多个可能的位置；
识别装置，用于识别照亮所述用户终端的卫星射束和所述射束所在的所述子轨迹的相应一侧；以及
比较装置，用于把所述多个可能的位置与所述被识别卫星射束的所述确定子轨迹一侧相比较，以根据所述比较的结果从所述多个可能的位置中选择一个位置。
2．如权利要求1所述的模糊分辨设备，其特征在于还包括：
所述用户终端中的第一识别装置，用于检测照亮所述用户终端的卫星射束的至少一个射束特定参数；
所述用户终端中的传送装置，用于把所述射束特定参数报告给所述信关；以及
所述信关中的第二识别装置，用于接收所述值并根据所述报告的值来识别照亮所述用户终端的卫星射束。
3．如权利要求2所述的模糊分辨设备，其特征在于所述一个射束特定参数包括PN码。
4．如权利要求1所述的模糊分辨设备，其特征在于还包括用于确定所述用户终端在地球表面上的多个可能位置的装置。
5．如权利要求4所述的模糊分辨设备，其特征在于所述确定装置包括：
参数确定装置，用于确定描述所述用户终端和所述至少一个卫星之间地理关系的多个参数；以及
位置确定装置，用于根据所述多个参数以及所述至少一个卫星的所述位置和速度来确定所述多个可能的位置。
6．如权利要求5所述的模糊分辨设备，其特征在于所述参数确定装置包括用于确定范围参数的范围参数确定装置。
7．如权利要求5所述的模糊分辨设备，其特征在于所述参数确定装置包括用于确定范围比参数的范围速率参数确定装置。
8．一种用于卫星通信系统的位置确定系统，其特征在于包括：
用户终端；
具有多个卫星射束的至少一个卫星，每个卫星射束以相应于卫星子轨迹的已知图案来照亮地球表面的一个区域；
通过所述至少一个卫星与所述用户终端进行通信的信关；
范围参数确定装置，用于确定范围参数；
范围比参数确定装置，用于确定范围速率参数；
所述信关中的位置确定装置，用于根据所述范围参数、所述范围速率参数和所述至少一个卫星的所述位置和速度来确定所述用户终端在地球表面上的多个可能位置；
识别装置，用于识别照亮所述用户终端的卫星射束；以及
比较装置，用于把所述多个可能的位置与所述被识别卫星射束的所述确定子轨迹一侧相比较，以根据所述比较结果从所述多个可能的位置中选择一个位置。
9．在一种通信系统中，包括用户终端、至少一个卫星和通过该卫星与所述用户终端进行通信并确定该用户终端在地球表面上的多个可能位置的信关，每个卫星具有多个卫星射束，每个射束以相应于卫星子轨迹的已知方式照亮地球表面的一个区域，一种用于分辨用户终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骤：
识别照亮该用户终端的卫星射束和所述射束所在的卫星子轨迹的相应一侧；以及
把多个可能的位置与所述被识别卫星射束的所述确定子轨迹一侧相比较，以根据所述比较的结果从多个可能的位置中选择一个位置。
10．如权利要求9所述的模糊分辨方法，其特征在于还包括以下步骤：
检测照亮所述用户终端的卫星射束的至少一个射束特定参数；
把来自所述用户终端的所述射束特定参数报告给所述信关；以及
接收所述信关中的所述值并根据所述报告的值来识别照亮所述用户终端的卫星射束。
11．如权利要求10所述的模糊分辨方法，其特征在于检测一个射束特定参数的所述步骤包括检测PN码。
12．如权利要求9所述的模糊分辨方法，其特征在于还包括确定用户终端在地球表面上的多个可能位置的步骤。
13．如权利要求12所述的系统，其特征在于所述确定步骤包括以下步骤：
确定描述用户终端和至少一个卫星之间地理关系的多个参数；以及
根据所述多个参数以及至少一个卫星的位置和速度来确定多个可能的位置。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于所述多个参数包括范围参数。
15．如权利要求13所述的方法，其特征在于所述多个参数包括范围速率参数。
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