CN85107315A - 具有线路质量监测的卫星定位与消息传输系统 - Google Patents

Abstract

利用若干恒定轨道上的卫星而实现的无线电定位和消息传送系统。其中同步卫星用于转发地面站与使用者收发信机之间的询问和回答信号。消息可以在收发信机与地面站之间或不同的收发信机之间交换。收发信机装配有一种装置，它根据接收的询问信号中检测出的差错来监测收发信机与卫星之间无线电通信线路的质量。仅当质量合格时，收发信机才发送回答信号。在回答信号为坐标请求的情况下，发送信号前，收发信机可等待不止一个卫星的适当线路质量。

Description

本发明涉及无线电定位与通信系统，特别是有关于一种无线电定位与消息传输系统，该系统中采用一个或多个人造卫星作为转发测距和消息信号的中继站。

本发明包括对美国专利4，359，733号中所叙述的卫星定位系统的改进或修改，该专利于1982年11月16日授予G·K·奥尼尔。在这个系统中，使用者运载工具上装备有应荅机，根据接收的通用询问信号来发送独特编码信标或回荅信号。在地球上方轨道彼此隔开的位置上有三颗载有转发器的卫星，用于接收并重新发送由运载工具应荅机产生的回荅信号。一个地面站周期地发送通用询问信号，同时也接收和处理由三颗卫星重新发送的回荅信号，以确定使用者运载工具的瞬时位置。

为了避免地面站设备饱和与信号重叠，美国专利4，359，733号中的每个运载工具应荅机都包括响应通用询问信号的装置，在应荅机响应第一通用询问信号之后，在预定时间间隔中禁止应荅器响应后续通用询问信号。这样就避免了对分立的每个应荅机寻址、时隙询问、多频及各种其它的复杂技术，以前认为这些技术在接收站减少信号重叠方面是必需的。另外，改变禁止间隔的可能性可使不同类型的使用者或同一使用者需要不同的周期时，修改有效响应率，而不必改变地面站的实际询问率。

美国专利4，359，733中所描述的系统，不仅对于接收来自使用者运载工具、用于位置计算的测距信号有效，而且对于转发地面站与使用者运载工具之间的消息也有效。例如，这些消息可以包括：使用者运载工具发给地面站的紧急警报，地面站发给使用者运载工具的计算位置或导航信息。当使用者运载工具向地面站发送入站消息时，消息数据被键入使用者设备，并作为使用者对下一个询问信号响应的一部分而送出。当地面站发给使用者离站消息时，消息数据包括一个目的地址，用来确定该消息将发往的特定使用者。

对于某些类型的使用者，例如飞机，一般没有需要与卫星进行视线通信的问题。但是，对于另一些类型的使用者，可能很难从始至终保证与卫星通信线路的质量。特别是在运动中的陆地运载工具存在一个基本的问题，就是运载工具可能经过或接近障碍物，如建筑物、密集叶簇、隧道等，对于传送来说，这时的通信线路质量变得很差。在这种条件下，如果使用者企图发送消息，或者如果地面站企图向使用者发送消息，则消息不能通过，必须重复发送。从使用者方面来说，消息重复消耗了额外的功率，因此当使用者的设备在使用电池工作时就带来不利因素。地面站的信息重复也是不利的，因为它浪费了卫星中的功率，同时增加了总的信号传送量。

根据本发明，通过给使用者的设备增加监测使用者与一个或多个卫星之间无线电通信线路质量的能力，大大地避免了以上缺点和限制。当线路质量不满意时，使用者设备不响应来自地面站的询问，从而避免了信息传输中的过多错误，并且减少了信息传输中因为达不到预定目的地而浪费发射机功率的可能。

一方面，本发明导向一种无线电通信系统，该系统包括通过无线电通信线路发送询问信号的中心站，以及通过无线电通信线路接收中心站发来的询问信号的远程收发信机。远程收发信机通过向中心站发送回荅信号来响应询问信号。远程收发信机装配有控制装置，用于测量中心站与远程收发信机之间无线电通信线路的质量，并且仅当通信线路达到预定最低限度质量时，才允许收发信机传送回荅信号。更可取的是，控制装置可以检测接收的询问信号中的错误，通过这些错误的存在或不存在来测量通信线路的质量。在特定的最佳实施方案中，控制装置对若干最近接收的询问信号中检测到的错误进行连续计数，并将这个计数值与一个预定阀值进行比较，以确定通信线路是否具有收发信机传送回荅信号所需的预定最低限度质量。

另一方面，本发明导向一种无线电通信系统，该系统利用卫星从远程收发信机向地面站发送信息。通信系统包括用于接收包含检错码的询问信号的远程收发信机，该机还用于响应询问信号而发送载有信息消息的回荅信号。地面站用于发送包括检错码的询问信号，和接收远程收发信机发来的回荅信号。该系统还包括至少一颗中继卫星，用于将来自地面站的询问信号转发到远程收发信机，并将来自远程收发信机的回荅信号转发到地面站。远程收发信机装有控制装置，用来利用接收的询问信号中的检错码来指出通往远程收发信机的远程通信线路的质量。在指出通信线路满足预定最低质量之前，控制装置抑制远程收发信机传送回荅信号。更可取的是，远程收发信机还包括与控制装置连接的显示装置用来向使用者显示由测量指出的通信线路的质量。

在下面的详细描述及附上的权利要求中，本发明的其它方面将变得更为明显。

从下面结合附图的详细描述中，本发明的不同目的、优点和新颖特征将会更容易理解，其中：

图1描述根据本发明的卫星最佳安排，同时进一步解释了通过一颗卫星向使用者转发来自地面站的离站询问信号的方式;

图2解释三颗卫星中的每颗接收来自使用者收发信机的回荅信号并重新发送给地面站的方式;

图3和图4描述根据三个重新发送信号到达地面站的时间来计算使用者位置的几何原理;

图5解释这样一种方式，即根据使用者、卫星和附近建筑物的相对位置，一颗特定卫星与都市环境中一个使用者之间的信号路径可以是封锁的或畅通的;

图6和图7表示由地面站产生的离站询问信号的格式;

图8表示用来产生询问信号的地面站硬件;

图9和图10表示来自使用者收发信机的入站回荅信号的格式;

图11-13表示使用者收发信机的硬件设备;

图14A和图14B描述处理单元的逻辑流程图，该单元控制图11-13所示的使用者收发信机的硬件;

图15表示对图1和图2所示的所有三颗卫星通用的硬件结构;

图16-18描述地面站的硬件设备;

图19表示控制图16-18所示的地面站硬件的中央处理器的逻辑流程图;

图20解释另一种工作模式，在这种模式中，同时的离站询问信号通过一颗以上的卫星转发给使用者。

在全部附图中，相同的参考标号用来表示相同的部分。

在前面提到的美国专利4，359，733号中，描述了一个根据若干卫星转发的测距信号确定多个使用者运载工具位置的系统。另外，在地面站与使用者运载工具之间转发某些类型的消息。当从使用者运载工具到地面站入站通信时，这些信息可以包括紧急警报等等。当从地面站到使用者运载工具离站通信时，消息可以包括计算的位置或导航信息。作为这种能力的扩展，消息可以通过卫星和地面站的媒介在不同使用者之间交换。当一个特定使用者需要向另一个使用者或向地面站发送消息时，消息可以键入到发送使用者的设备中，并作为使用者对下一个询问信号的回荅的一部分而送出。这个信息将包括确定指定的使用者的地址，或者，在消息发给地面站的情况下，包括确定地面站的预定地址。

根据本发明的最佳实施方案，三颗装有转发器的卫星放置在环绕地球定点的赤道轨道上，每颗卫星位于这个轨道的不同经度位置。图1中表示了这样一种安排，其中三颗卫星指定为S1、S2和S3。应该了解到，本发明并不需要卫星S1、S2和S3位于定点的轨道上;这些卫星可以具有近同步、非同步、椭园、倾斜或其它任何一种轨道，在任何给定的时间，在这些轨道上卫星的位置都是能很快被确定的。但是，为了简化分析和用固定地面站来描述本发明的工作，在此之后将假定卫星S1、S2和S3位于环球定点的轨道上，总的安排如图1所示。

参看图1，地面站GS连续发送数字调制信号，称之为离站信号。离站信号包括一系列的询问信号帧，每帧包含作为询问脉冲的特定的位型式和消息位。在本发明的最佳实施方案中，帧发送率的数量级为每秒95帧。离站信号以频率F1发送给卫星S2，它将频率转变为F3，并向该系统所服务的整个区域播发离站信号。离站信号由多个使用者收发信机接收，如图1所示的收发信机T。使用者可以包括地面运载工具，非地面运载工具一如飞机，和步行者。需要与其它固定或移动使用者交换消息的定位使用者也可以由该系统提供服务。假定使用者T希望获得当时的位置消息，或需要发送消息，收发信机通过以脉冲组形式发送回荅信号来响应下一个接收的询问，这个脉冲组被称为入站或回荅信号。入站信号包括测距码，使用者标志，还可能包括消息，并与询问信号的接收同步发送。

参看图2，入站信号以频率F4发送给卫星S1、S2和S3。每颗卫星以频率F2向地面站GS转发入站信号。根据三颗卫星的已知位置、来自地面站的询问信号的发射时间和地面站接收转发的回荅信号的时间，地面站可以计算卫星S1与使用者之间的间隔距离、卫星S2与使用者之间的间隔距离、以及卫星S3与使用者之间的间隔距离。根据这个信息，知道使用者位于以卫星S1为中心、半径为D1的球面上，同时位于以卫星S3为中心、半径为D3的球面上，如图3所示。两个球面的交点是一个环，叫作位置线（LOP），这个位置线通过使用者的位置。因为使用者也位于以卫星S2为中心、半径为D2的球面上，所以这个球面与LOP的交点就决定了使用者的位置，如图4所示。以卫星S2为中心的球面与LOP的交点有两个。但这两个交点对称地位于南、北半球上，通过对使用者位置的大概了解就能解决所导致的双值问题。

使用者的确切位置编码为访问特定使用者的二进制信息，并包括在下面即将发送的一个离站信号帧中。离站信号由卫星S2转发，位置信息由使用者接收并解码。系统的响应时间，即使用者发出位置请求与收到位置信息之间的时间延迟，通常在0.6秒的范围内。

应该指出，信息传送与位置请求不同，仅需要一个用于回荅信号的入站卫星线路。因此，若使用者想发送或接收信息，但不想接收位置信息，就只需对一颗可用卫星保持一条清晰的视线。

存在这样一种可能性，就是来自两个不同使用者的回荅信号可能几乎同时到达一颗或多颗卫星，因而造成重叠。本发明通过码分多路（CDMA）与任意选取时分多路（TDMA）相结合的办法来适应这种可能的情况。每个使用者被指定它的收发信机以一个伪随机噪声（PN）码，来调制它的载波。在调制处理之前，将数据码，即使用者的识别和信息码加到称为小片（chips）的代码符号上。在本发明的最佳实施方案中，数据率远远小于代码符号率，其比例为每码625片。作为地面站处理的结果，从接收的信号中消除PN码，可以同时接收几个信号，其相互干扰低到可以容许的程度。在本发明的最佳实施方案中，可以指定给使用者32个不同的PN码，并且32个不同的信号可以同时被地面站接收。

如果来自两个使用者、使用相同PN码的入站信号发生重叠时，那么其中一个或两个信号都将不能被地面站正确接收。如果使用者收发信机发出请求后，在0.7秒的延迟时间内接收不到来自地面站的应荅或位置座标，则收发信机认为发生了重叠而重新发送请求。为了防止重复重叠，在重新发送请求之前，每个使用者收发信机要等待一个随机的时间延迟。

为适应于在城市或山区中工作的移动使用者，本发明根据测量线路质量提供了传送控制。用于城市移动使用者的情况示于图5。在这个例子中，使用者T在位置B和D对卫星S2有清晰的通路。但是，由于建筑物22、24和26的影响，对于使用者位置A、C和E，使用者至卫星通路造成明显衰减。在本发明的最佳实施方案中，使用者收发信机自动并连续地监控线路质量，只有当线路质量符合要求时才发送。从地面站发往使用者的离站信号的每一帧都包括有奇偶校验位的形式的检错码，附加于数据位。通过对这个代码进行解码，使用者收发信机可以检验该帧内错位的出现。这样，收发信机对每一帧进行一次线路质量检查，或者说大约每秒钟检查95次。在本发明的最佳实施方案中，使用者收发信机在一个时间周期上对线路质量求平均值。具体地说，收发信机对最近接收的7帧中的错误帧的数目保持连续计数。既使对线路质量进行时间平均，当使用者在建筑物或其它障碍物之间通过时，收发信机也有足夠的时间来发送信息。（例如，以60哩/小时（60mph）的速度运动时，7帧相应于2.0m的移动）。另外，线路质量信息通过收发信机显示盘持续地提供给使用者。

以同样方式控制离站线路上的传送。发送长信息之前，地面站将发送一个线路可用率的探测（LAP），一个给指定信息的使用者的简短询问。如果线路质量是符合要求的，使用者肯定地响应LAP，同时地面站发送信息。这样就保证了只有当肯定能达到指定使用者时才发送长消息，从而以最可能的有效方式利用了该系统的信号通讯量。

本发明的另一个特点是多重应荅的交換。当来自一个使用者的消息由地面站正确接收时，一个用ACK-1标示的应荅返送回发端使用者，同时消息被送往指定的使用者。当指定的使用者收发信机正确地接收到消息时，用ACK-2标示的第二个应荅通过地面站返送回发端使用者。当指定的使用者读出消息时，用ACK-3标示的第三个应荅返送回发端使用者。这样，发端使用者通过该系统，对他的消息进程有一个完整的记录。

下面更详细地讨论本发明的其它方面，包括：多个同时离站信号，在离站线路上的PN码交換，根据测量的线路质量的离站片/位比例控制，在使用者方面的随机定向搜索，及利用粗、细时隙的使用者回荅的编码。

参考图1-4，这里叙述一种根据测量的返回信号到达时间T1、T2和T3计算使用者T位置座标的方法，其中返回信号是响应地面站在时间T。发出的询问信号而产生的。为方便起见，以常见形式的球座标（γ，θ，φ）进行计算，其中γ从地球中心量起，θ代表90°减去纬度，φ代表从格林威治子午线开始的经度。因此，地面站GS、卫星S1、S2和S3，以及使用者T的坐标分别表示如下：

地面站：（γ_GS，θ_GS，φ_GS）

卫星S1：（γ_S1，θ_S1，φ_S1）

卫星S2：（γ_S2，θ_S2，φ_S2）

卫星S3：（γ_S3，θ_S3，φ_S3）

用户：（γ_T，θ_T，φ_T）

除去使用者T之外，整个坐标组都是已知的。其它已知或可测得的需要量为：询问信号发射时间T_O，使用者收发信机的响应延迟T_D，以及卫星转发器的响应延迟T_S，假定这一延迟对于所有卫星都是相同的。并且进一步假定所有信号都以光速（C）传输。考虑到在特定情况下这些假定中的某一个会不精确，按惯例在下面的公式中进行适当的修正。

总起来说，两点-（γ_o，θ_o，φ_o）和（γ_i，θ_i，φ_i）之间的直线距离表示如下：

d＝〔（γ_isinθ_icosφ_i-γ_osinθ_ocosφ_o）²+

（γ_isinθ_isinφ_i-γ_osinθ_osinφ_o）²+

（γ_icosθ_i-γ_ocosθ_o）²〕^1/2（1）

因此，以光速（C）经过这个距离的信号的通过时间△T表示为：

△T＝（1/C）〔（γ_isinθ_icosφ_i-γ_osinθ_ocosφ_o）²

+（γ_iSinθ_iSinφ_i-γ_oSinθ_oSinφ_o）²

+（γ_iCOSθ_i-γ_oCOSθ_o）²〕^1/2（2）

为方便起见，等式（2）的右边可以用函数表示如下：

△T＝f〔（γ_o，θ_o，φ_o），（γ_i，θ_i，φ_i）〕 （3）

这种表示法下面将经常使用，请记住，函数f仅仅是等式（2）右边完整表示的简写形式，而完整表示要长得多。

很明显，如果将等式（1）和（2）中的两点-（γ_o，θ_o，φ_o）与（γ_i，θ_i，φ_i）互換，则距离及通过时间都将是相同的。依据上面所定义的简化函数表示，就是：

f〔（γ_o，θ_o，φ_o），（γ_i，θ_i，φ_i）〕

＝f〔（γ_i，θ_i，φ_i），（γ_o，θ_o，φ_o）〕 （4）

参考图1和图2可以看出，来自地面站的询问信号发射时间To与卫星S2转发的返回信号到达地面站的时间T2之差为：

T2-T0＝f〔（γ_S2，θ_S2，φ_S2），（γ_GS，θ_GS，φ_GS）〕+T_S

+f〔（γ_T，θ_T，φ_T），（γ_S2，θ_S2，φ_S2）〕+T_D

+f〔（γ_S2，θ_S2，φ_S2），（γ_T，θ_T，φ_T）〕+T_S

+f〔（γ_GS，θ_GS，φ_GS），（γ_S2，θ_S2，φ_S2）〕 （5）

应用等式（4）并且合并同类项后得到：

T2-TD＝2f〔（γ_S2，θ_S2，φ_S2），（γ_GS，θ_GS，φ_GS）〕

+2T_S+T_D+2f〔（γ_S2，θ_S2，φ_S2），

（γ_T，θ_T，φ_T）〕 （6）

来自卫星S1和S3的返回信号的等式比较长，因为每条通路上都包括两颗卫星。对于通过卫星S1返回的信号有：

T1-T0＝f〔（γ_S2，θ_S2，φ_S2），（γ_GS，θ_GS，φ_GS）〕+T_S

+f〔（γ_T，θ_T，φ_T），（γ_S2，θ_S2，φ_S2）〕+T_D

+f〔（γ_S1，θ_S1，φ_S1），（γ_T，θ_T，φ_T）〕+T_S

+f〔（γ_GS，θ_GS，φ_GS），（γ_S1，θ_S1，φ_S1）〕 （7）

对于通过卫星S3返回的信号可用同样的步骤：

T3-TO＝f〔（γ_S2，θ_S2，φ_S2），（γ_GS，θ_GS，φ_GS）〕+T_S

+f〔（γ_T，θ_T，φ_T），（γ_S2，θ_S2，φ_S2）〕+T_D

+f〔（γ_S3，θ_S3，φ_S3），（γ_T，θ_T，φ_T）〕+T_S

+f〔（γ_GS，θ_GS，φ_GS），（γ_S3，θ_S3，φ_S3）〕 （8）

等式（6）、（7）和（8）形成一组三个等式，其中只有使用者坐标（γ_T，θ_T，φ_T）是未知的，其余的量都是已知或可直接测出的。利用标准矩阵方法，可以从这些等式中解出坐标（γ_T，θ_T，φ_T）。例如，可参看科恩和科恩（Korn and Korn）所著的“科技人员和工程师数学手册”（麦格劳一希尔，纽约，1961）的第13章。得出结果后，通过减去地球半径γ_E，将坐标γ_T转变为平均海平面（MSL）以上的使用者高度，通过形成差值（90°-θ_T），将坐标θ_T转变为使用者的纬度。坐标φ_T直接等于使用者的经度。

再参考等式（6）、（7）和（8），可以看出，站在地面站计算机的立场上可以认为坐标（γ_S1，θ_S1，φ_S1）、（γ_S2，θ_S2，φ_S2）及（γ_S3，θ_S3，φ_S3）都可看作是固定常数，因为它们是与定点卫星有关。虽然这是大槪正确的，但由于太阳和月亮的引力影响，定点卫星的轨道位置通常会出现微小扰动。由于这个原因，等式（6）、（7）和（8）中的卫星坐标最好作为可变的，在计算每个使用者位置的过程中由地面站计算机把它们插入。根据存储在地面站计算机存储器中的已知卫星位置的程序，或根据卫星位置的周期性直接量，可以不断更新这样插入的坐标。

如果卫星S1、S2和S3是非定点的，而不是象到此为止所假定的那样为定点的，则上述的坐标连续更新不是任意的而是必需的，同样，如果地面站是移动的而不是固定的（例如，如果它装载在航海船只上），则等式（6）、（7）和（8）中的地面站坐标（γ_GS，θ_GS，φ_GS）必须作为可变的，并且必须在计算每个使用者位置之前更新和插入。

从地区上说，对于使用者T，等式（6）、（7）和（8）的结果实际上给出两个可能的镜象位置，一个在北半球，一个在南半球。这个双值性直观地来自这样一个事实，即地球赤道平面包括全部三颗卫星S1、S2和S3，这样对于本系统就定义了一个对称平面。可以看出，对于位于赤道以北给定纬度、经度及高度的使用者和位于赤道以南同一纬度、经度及高度的使用者来说，赤道地面站GS在时间TO产生的询问信号会造成同样的返回信号到达时间T1，T2和T3。但实际上这种双值性问题不大，通过对使用者位置的大槪了解就能夠在系统软件中很容易地加以解决。

询问信号的频率，在最佳实施方案中是每秒95，导致了一种特殊形式的位置双值性。在时间T1到达地面站的使用者回荅信号，可能是响应几个询问信号中的任何一个而发送的，导致了可能使用者位置的多重性。但是，可能位置之间的最小间隔等于一个量（.0105秒/2）乘上光速，或者是1575KM。通过对使用者位置的大槪了解，能夠很简单地解决这个不定性的问题，利用本系统的信息容量一次或偶而地询问使用者，就可以确定使用者一般的范围，例如，使用者位于美国某个特定的州。

尽管在图中绘出了三个卫星的一个系统，但应该了解到，还可以附加另外的卫星备用（例如，用作在轨备用），或用于扩展被本系统盖的地理区域。还应该指出的是，在地面用户如汽车、轮船和步行者的情况下，利用地面站GS从存储的地形高度图中得到使用者的高度坐标则可把卫星的最少数目从三个减为两个。利用存储地形图的双卫星系统已在共同未决的由G·K·奥尼尔提交的美国专利申请中公开，该申请的序列号为641，385，申请日为1984年8月16日，这里列为参考文件。

在地面站GS和使用者T之间交換的信号的典型格式如图6、7、9和10如示。由地面站发送的离站信号的槪况提供在图6中。该格式表示，连续的离站数据流嵌在伪随机噪声（PN）码序列中。在最佳实施方案中，序列长度是131071片，每片持续时间为80毫微秒，帧长度T_F是10.5毫秒。

由帧码全“1”状态的循环提供基本的系统工作定时基准，在图6中由L1表示。使用者收发信机将全“1”状态的出现译为询问脉冲，即启始响应的时间标志。如同将要在后续部分讲到的，收发信机利用PN序列的最后几片（在图6中用L2表示）作为帧标志的初始显示。在最佳实施方案中，有127片用于这个目的。

图7给出了离站复合传信格式的更详细的情况。图8给出了复合格式如何产生的一个例子。地面站将指定给不同使用者的信息组合成包括这些信息和附加的数据帧奇偶校验位序列PC的数据帧，如图7所示。在最佳实施方案中，数据帧长度为679位。包括由单元28给出的附加奇偶校验位的帧数据出现在图8的线路30上。利用图8中单元32所示的正向差错校正（FEC），来改善通往使用者的离站线路上的差错率。尽管所示的FEC编码假定了每数据位两种代码符号，但根据离站线路的特殊噪声特性，可以选择任何合适的代码扩展。在现在的例子中，通过已经众所周知的和常用的技术，利用卷积编码器，可以实现 1/2 编码率。FEC编码器的输出符号与PN码发生器36的输出一起送到模2加法装置34，在线路38上输出复合输出信号，这个信号用来调制地面站的射频（RF）载波。PN发生器36由常用的移位寄存器技术实现。

图9给出了典型入站信号的详细情况，这个信号是由使用者收发信机按着前面所述的离站定时基准发送的。与连续的离站信号相反，来自任何特定使用者的入站信号都是短脉冲信号。使用者的响应是使用两个伪随机噪声（PN）码序列。如图9所示，典型格式包含几个不同的场。格式的起始场，用“短PN码”标示，给出了一个报头，有助于地面站识别响应信号。通过1023片PN序列的6次重复传送提供了帮助识别手段，在图9中用L3标示，接下来是反转的相同序列，用 L3标示。在地面站，通过匹配滤波器和差动解调器检测出这个序列，向测距接收机提供一个启始脉冲。图9中所示的“长PN码”用来提供入站线路所需的代码扩展比例的高值，并在地面站利用延迟锁定环检测出来。根据现有技术，双PN序列方法是最佳方案，因为把声表面波（SAW）装置的相关匹配滤波器用于长代码是不现实的。

用于延迟锁定环的实际代码包括一个长度为131071片的序列，它给出了用于数据传输的频谱分布。这个“长PN码”与用在离站线路上的特定PN码不同。从而，在此所述的定位系统将分立的使用者划分为不同的类型，例如，每个类型具有特殊指定的“短PN码”和“长PN码”。通过从这种代码的正交组中选出指定的代码，就能在地面站中自动分离出使用者的响应，并提高系统的信息通过量。

在1023片初始序列之后，送出一个没有使用者数据的“长PN码”周期，使地面站延迟锁定环处于稳态。在图9中，这个周期由T_ACQ表示，在最佳实施方案中为5毫秒。这个周期的后面是使用者数据传送，以特定的“使用者识别”（USER ID）开始，紧接着是指示任意使用者消息长度的场MLI（消息长度指示）。图10解释了MLI与后续使用者消息之间可能的关系。在通常情况下，使用者定位请求只包括“使用者识别”和指示“无消息”的MLI值的传送。在最佳实施方案中，“使用者识别”名义上是一个28位的字，而MLI名义上是一个2位的字。

如同将要在后续部分中所描述的，使用者数据场以10千比特/秒的速率传送，并由速率 1/2 FEC编码器编码。这将导致每FEC符号625个PN片的代码扩展比例。

能夠产生如图9和10所示的信号的收发信机设备的框图示于图11、12和13。应该了解到，虽然图11、12和13的框图代表了一种较佳的电路安排，但也可以采用具有等效输入/输出信号关系的其它电路。

图11描述收发信机中辅助系统的总的安排，如图1所示，地面站发出的离站信号由卫星S2以频率F3转发给使用者，并被接收天线40捕获。接收天线可以由简单半波偶极子天线实现。捕获的信号送入射频电子单元42，该单元提供所需的低噪声放大和低差变频，将频率变換为适于后续中频（IF）处理单元44工作的中频。在中频处理单元44中，除去PN码，对信号解调，同时进行差错校正和检测。结果数据和差错控制信息送给微处理单元46。处理单元46对整个收发信机的工作监测和定时，监测线路质量，传送输入和输出消息，以及提供应荅。输入和显示单元48用作处理单元与使用者之间的数据和控制接口。微处理单元46将输出消息送入中频处理单元44进行编码和调制。中频处理单元44将完全格式化的并调制好的输出信号以中频送入射频电子单元42，并通过发射天线50发射给全部三颗卫星S1、S2和S3，如图2所示。发射天线50和接收天线40可以作成一个单一天线，最好是具有适当天线分离滤波器的宽波束或全向型。

图12给出了使用者收发信机接收功能的详细情况。在“中频输入”端的接收信号并行送入混合器52，PN处理器54，以及PN出现时间估测器56。PN出现时间估测器的作用是，通过匹配滤波器，监测用于离站信号的（2¹⁷-1）片PN码中的最后127片的出现。这种类型的匹配滤波器可以由声表面波（SAW）装置来实现。当监测到PN码的最后127片时，由PN出现时间估测器产生一个标为“检测脉冲”的脉冲，并送入微处理单元46。接收机通常处于PN跟踪模式而不使用检测脉冲。当接收机处于获取模式时，微处理单元用检测脉冲通过标为ACQ预置的线来预置PN处理器54。PN处理554是一个非相关延迟锁定PN跟踪环。当延迟锁定环被锁定时，PN处理单元54向微处理单元46提供“锁定指示”信号，提供“系统时钟”信号（以片速率），还向混合器52提供PN码波形。在混合器中，PN码与中频信号相乘产生一个解离散信号，通过常用的双相移键控（BPSK）解调器60对这个信号进行解调，以恢复数据。基带数据送入正向差错控制（FEC）译码器62，它总的校正出现在数据中的全部差错。在本发明的最佳实施方案中，差错校正码是速率1/2卷积码。用于这种类型代码的译码器硬件主要依据维特比（Viterbi）算法来实现，并且在市场上是可以买到的。在一般条件下，这样一种译码器可以带来大约5dB的信噪比的改善。译成码的数据送入奇偶译码器64，在奇偶译码器中，任何余下的错误都可能由奇偶检验的失败而被检查出来。奇偶译码器64向微处理单元46提供数据和提供在帧中是否检测出差错的指示。由使用者识别地址指出的指定给这个使用者的消息，被放进输入消息缓冲器，用于进行后续处理。微处理单元46通过输入和显示单元48与使用者交換出、入的信息和控制信号，输入和显示单元可以包括键盘和液晶显示器。

微处理单元46还控制用户收发信机的发射功能。要发送信息或位置请求时，处理单元等待来自PN处理器54的下一个“隐含询问脉冲”（IMPLIED    INT    PULSE）。当PN发生器达到全“1”状态时就产生隐含询问脉冲，它相应于图6所示的每个接收到的离站帧的开始。一旦出现下一个隐含询问脉冲，微处理单元就产生一个定时的“猝发起动”（BURST    ENABLE）信号和一个“开始报头”（START    PREAMBLE）信号，并将这些信号与数据一起送入图13所示的收发信机的发送电路。

“开始报头”信号触发图13所示的TX（发射）计数器68，它提供用于信息传送中后续步骤的定时。TX计数器68记录从1023PROM（可编程序的只读存储器）出来的7个连续的1023片PN代码字，并让多路调制器72直接接受来自1023PROM的前6个代码字，同时通过反相器74接受第7个代码字。这样就形成了图9所示的使用者响应信号猝发报头。下一步，TX计数器68让PN发生器76产生使用者回荅信号猝发脉冲的长PN代码部分，为使得地面站接收机有获得这个代码的时间，在一段时间内保持长PN码不被数据调制，这段时间在图9中用TACQ标示。在本发明的最佳实施方案中，TACQ大约为5ms。在时间间隔T_ACQ之后，编码器78对数据进行FEC编码以用于差错保护，在加法器80中数据与PN码模2相加。多路转換器72将报头送入BPSK调制器82，后面跟着是未调制的长PN代码和由数据调制的长PN代码。BPSK调制器，在使用者回荅信号猝发时间内，被来自微处理单元46的“猝发起动”信号所起动，并产生中频输出。

图14A的流程图描述了微处理单元46实行控制和消息处理功能的程序。图14B详细描述了线路质量监测程序中的序列步骤，这个监测程序是与收发信机的其它控制和消息处理功能并行而连续进行的。在图14A和14B中，实线代表软件中的逻辑传送，虚线代表有关逻辑功能所需要或产生的实际信号。

首先参看图14A，在方框84中，处理器首先根据“锁定指示”信号检验是否获得PN代码。如果接收机失去锁定，在方框86中，处理器，通过检出由PN出现时间估测器56产生的下一个检测脉冲，试图重新获得锁定，并向PN处理器54提供一个“获得预置”信号。当“锁定指示”信号指出已经获得锁定时，处理器在方框92中检验存储的消息缓冲器。如果发现消息，则在方框90中作成传输格式，并送到FEC编码器78。在传送开始之前，处理器检验存储的方框92中的线路质量标志位。在本发明的最佳实施方案中，依据在最近接收的7帧中，奇偶译码器64检测出有差错的帧数来判断线路质量。如下面结合图14B将要叙述的，处理器在连续的基础上保持这个帧数，在方框92中，这个帧数，对线路检验功能总是有用的。如果目前线路质量差（即低于预定阀值），则在质量变好之前，处理器连续地反复检测。一旦出现合格的线路质量，图12中的定时器就根据隐含的询问脉冲提供“猝发起动”和“开始报头”信号，在方框96中，发送消息。然后，处理器重新检查在方框88中的输出消息缓冲器。如果这时在输出消息缓冲器中未发现消息，则在方框98中，检查输入消息缓冲器。如果在输入缓冲器中发现线路可用性的样件（在后面叙述），则在方框100中提出肯定的回荅，在方框90中作成格式，在探测到合格的线路质量之后就发送出去。如果在输入缓冲器中发现任何其它类型的消息，则这些消息在方框102中显示给使用者，并在方框104中提出ACK-2应荅，在方框90中作成格式，然后发送出去。如果使用者读到显示的消息，他就利用输入和显示单元48上适当的按纽或击键给出指示，将ACK-3应荅送入输出消息缓冲器。如果在输入消息缓冲器中未发现消息，则处理器重新检验PN代码锁定，重复进行整个控制过程。

现在参看图14B，线路质量监测过程开始于方框85，于此处理器检测图12的“锁定指示”信号。如果已获得PN锁定，处理器进到方框87，并检测帧的到达。这由图12中的“隐含询问脉冲”的出现来指示。如果未发现隐含询问脉冲，在检测到帧到达之前，处理器反复检测。当出现帧到达时，处理器进到方框89，检测图12中的奇偶译码器64的输出中差错标志位的出现。在典型的实施方案中，差错标志位可以由单个位来表示，它可以处于“1”态（指出现在的离站信号帧中存在差错）或“0”态（指出现在离站信号帧中没有检测到差错）。在方框91中，差错标志位插入在包含7个阶段的移位寄存器的第1阶段，每个阶段代表7个最近期离站信号帧中的1个。移位寄存器用作差错寄存器，用来存贮在地面站的离站信号中检测到的差错的最近历史。在新的差错标志位插入到差错寄存器的同时，丢掉差错寄存器最后阶段中第7个最近（即最旧的）差错标志位。如果需要的话，差错寄存器可以由分立的硬件元件组成，但最好是由图12中微处理单元46编程中的软件功能来实现。

接着看图14B，对差错寄存器的内容更新之后，处理器移到方框93，在方框93中，通过确定具有“1”态的标志位的总数来计数差错寄存器中的差错标志位。例如，如果差错寄存器包括三个处于“1”态的标志位，其余4个处于“0”态，则在方框93中确定的计数是3。在方框95中，通过图12中的输入和显示单元48向使用者显示这个计数。这样，对于测到的最好线路质量，使用者将看到计数为零，这表示对于7个最近期离站信号帧的零差错率;而对于测到的最差线路质量，将显示计数为7。为使显示稳定，最好以相对低的速率更新计数，如使用上述1秒钟间隔期间记录的计数的峰值进行每秒一次的更新。除数字显示之外，还可以向使用者周期性地提供描述线路质量的更新的消息，如不合格的，临界的，合格的，等等。一旦测量的线路质量显示给使用者，处理器就进行到方框97，将标志位计数与预定的阈值相比较。（如需要，可以由使用者和/或地面站改变阈值。）根据这个比较，在方框99中，处理器将单位的线路质量标志位置为“0”或“1”态。例如，如果差错标志位计数为5，而阈值为4，则线路质量标志位置为“1”态，指示线路质量不合格（即差错数超过阈值）。在图14A的流程图中，处理器检测线路质量标志位，作为确定测量的线路质量是否足以允许使用者收发信机响应的方法。在方框99中线路质量标志位被置位之后，处理器回到方框85来检测PN锁定，再重复进行该过程。在方框85中如果未发现PN锁定，则处理器进到方框101，并且置差错寄存器于全差错标志位状态（即全“1”）。这就保证了当没有获得PN锁定时，收发信机将记录不合格的线路质量。

除了如所述实施方案中的使用分离代码用于差错检测之外，还可以只依靠图12的FEC译码器62。在典型的卷积译码器中，使用维持比（Viterbi）算法。译码算法运算中线路量度的变化给出了差错率，也就是线路质量的直接测量。因此，在另一个实施方案中，不在离站信号帧中添加奇偶校验位，在使用者收发信机中不需要奇偶译码设备，就可以监测线路质量。

使用者收发信机监测离站信号线路质量的能力使收发信机能自动确定返回（入站）线路是否适用于消息传送。如果使用者被建筑物、密集叶簇等部分地遮住，已键入其收发信机中的信息将被存贮起来，直到收发信机记录到合格的线路质量时才发送。实际上，当使用者暂时通过都市中的开阔地段，或移到至少暂时获得对一颗或多颗卫星的清晰视线的位置时，这种情况都将出现。因为使用者收发信机依赖于接收到的询问的“历史”，而不仅是一个询问，所以在线路质量普遍合格的一段时间中，离站帧中一个独立的错误将不可能抑制收发信机的响应;相反地，在线路质量普遍较差的一段时间中，用户收发信机不可能根据一个独立的无差错离站帧而发送信息。

应该指出的是，本系统中的基本询问和响应格式也包括有简单的线路质量检测功能;即：如果线路质量很差，以至于地面站发出的离站信号根本不能到达使用者收发信机，则不可能有回荅信号。本发明采用可以被所有使用者接收的通用询问信号，而不是指向特定使用者的个别询问，这个事实也有很多可取之处。因为不用对询问个别寻址，所以每个使用者收发信机可以按询问速率（在最佳实施方案中是每秒95次）连续地监测和更新线路质量，在线路质量变为合格的那一时刻就允许它发送响应。这样，即使收发信机只在很短的时间内对卫星有清晰的视线，它也能发送它的响应。在收发信机运动的情况下，这就意味着收发信机只需在它运动中一段很短的距离内对卫星保持清晰的视线（例如，以60哩/小时运动时大约为2.0米）。

在图11-13的使用者收发信机响应地面站发出的询问之后，最好安排它在一段非精确的时间间隔中停止工作。这可以由微处理单元46的程序中包括的禁止功能来实现，也可以利用分离的禁止电路来实现。在一般操作中，当使用者需要位置信息或希望发出信息时，按下输入和显示单元48中的“发送”按钮，发出请求。这就暂时抵消了禁止功能，允许下一个输入询问去触发使用者收发信机的响应。在这种模式中，除了由于使用者按下“发送”按钮而抵消禁止功能之外，禁止功能总是有效的。在操作的第2种模式中，地面站连续地监测收发信机的位置，在发送使用者回荅信号之后，就立即起动禁止功能，并延续一段预定的非精确禁止间隔Ti（远远大于图6的帧长度T_F）。在这段间隔之后，在收发信机响应下一个接收的询问之前，禁止功能变为无效。这样，地面站具有对于这个收发信机的位置信息，它大约每Ti秒更新一次。

禁止电路的目的是，通过让收发信机只响应全部询问中的某一个部分来减少使用者收发信机的有效响应率。这就减少了进入地面站的回荅信号的重叠，同时也减轻了地面站的位置计算设备的负担。对于不同的使用者等级，禁止间隔可以不同，并且对于给定的使用者可以按不同的需要时间而变化。对于收发信机禁止功能的讨论，可以参考前面提到的美国专利4，359，733号和申请号为641，385的美国专利申请，这两份都包括在此作为参考文件。

在本发明中，卫星运载的电子设备的复杂性被保持到最小。事实上，本系统是这样设计的，空间部分对于一颗现有的卫星来说，可以成为“加上”或“背上”的有用载荷包裹，在卫星寿命的头几年内，它只使用可利用的超负荷功率。图15中所示的卫星框图在设计上是简单并通用的。卫星仅用作信号接收，频率转換，以及所需的信号重发。它不包括任何临界时间测量电路，它也不需要包括任何大的信号处理电路。

尽管图1所示的三颗卫星中只有一颗用来向使用者收发信机转发离站信号，但三颗卫星S1、S2和S3的电路都是相同的。因此，可以选择任何一颗来实现图1所示的离站转发功能。进而，在下面要叙述的由本发明所公开的定位系统的改进型式中，通过每条通路利用不同的伪随机噪声（PN）代码序列，可以允许三个离站信号通过三颗卫星同时发送。相同的卫星结构使得这个改进能很容易地实现。

参看图15，地面站发出频率F₁的离站信号被卫星离站接收天线106所捕获，接着被依次送到：离站低噪声接收机108，低差变频器110，离站发射机112，以及离站发射天线114;以频率F₃向使用者收发信机播发模式辐射。同样地，使用者响应信号以频率F₄被卫星入站接收天线116所捕获，接着被依次送到入站低噪声接收机118，高差变频器120，以频率F₂送到入站发射机122，以及入站发射天线124。

尽管图15描述了四个分离的天线，但最好四个天线利用一个反射器，并装上两个喇叭天线组件（每个都包括一个发射/接收天线共用器），一个用于连接卫星与地面站的天线106和124，另一个用于连接卫星与使用者收发信机的天线114和116。图15中所示的卫星组件在设计上都是普通的，并且是用容易得到的部件装配的。因此，不需要对这些组件进行详细描述。

为了提高系统对于背景噪声的抗扰性和减少使用者收发信机的信号功率需求，可以在使用者收发信机与卫星之间的线路（即F₃和F₄发送）上利用一定数量的重叠点波束。对于实现这种改进型式所需设备的详细描述，可以参考前面提到的申请号为641，385的共同未决申请，它包括在此作为参考文件。

本发明的地面站部分负责接收来自使用者的消息和位置请求，计算用户位置，排列各种类型的消息，监测线路可利用性，以及向使用者发送信息。地面站子系统示于图16、17和18中。地面站控制逻辑的流程图示于图19中。

包括接收和发射组件的地面站子系统的槪况示于图16。要求地面站同时接收来自全部三颗卫星S1、S2和S3的信号。这通过给每颗卫星提供一个专用的天线和接收机组来实现。在图16中清楚地示出，天线126、第一接收机128及第N接收机130用于卫星S1，天线132、第一接收机134及第N接收机136用于卫星S3。用于卫星S2的天线和接收机组是相同的，但为清楚起见，在图中省略掉了。专使天线的使用允许在空间分解出来自特定使用者的三条信号通路。在每个接收机组中，N个接收机中的每个都被设计为接收N个特定PN代码中的一个。在本发明的最佳实施方案中，N等于32。每个接收机除掉PN代码，解调出数据，校正差错，并估计出与使用者之间的往返路线长度。

接收机的输出通过总线138送到M个预处理器中的一个，图16中清楚地示出预处理器中的第一个140和第M个142。总线138选择暂时未占用的特定预处理器，并提供给该预处理器三个距离测量和来自特定使用者的消息数据。如果使用者发出了消息，则预处理器只是简单地把这个消息送入中央处理器144。如果使用者只是发出了位置请求一如由缺少数据位来表明，则预处理器计算出使用者位置，并将这个信息送到中央处理器144。在执行完这些功能之后，预处理器可由总线重新指定。所需预处理器的数目M取决于使用者响应的速率和位置计算的速度，并选择成有这样一个高的可能性，即任何时候都至少有一个预处理器可以利用。

中央处理器144负责订出和传送所有的输出消息。控制台146作为与地面站操作人员的控制接口。输出消息由中央处理器144送入发送处理子系统148，并由信号开关150选定路线。发往卫星S1的离站信号通过第一发射机152和天线154发送。发往卫星S3的信号，通过第三发射机156和天线158发送。对于发往卫星S2的信号通过相似的路径发送，但为了清楚起见，在图16中省略了。如果需要的话，信号开关150能使离站询问和信息信号在卫星S1、S2和S3之间转換，而不是象图1中那样只限制于卫星S2。

图16所示的每个PN接收机处理中频信号的部分示于图17。中频输入并行送到混频器160，PN处理器162和PN出现时间估测器164。PN出现时间估测器164利用SAW匹配滤波器来检测使用者猝发报头中的7个1023片PN代码字。当检测到报头和PN处理器利用非相关延迟锁定环获得长PN代码时，PN出现时间估测器发信号给PN处理器162。状态译码器166观测PN代码发生器中的17个位，当到达全“1”代码状态时，向测距计数器168送出一个信号。测距计数器168计数片间隔的数目，这个间隔是从地面站全“1”状态发送（由送入测距计数器的“启始”输入表示）到使用者全“1”状态接收（由状态译码器166的输出表示）。结果的片计数是对使用者往返距离最接近片数，用“粗略距离”表示。

PN处理器162向相位检测器170提供接收机片速率时钟（接收时钟-RXCLOCK），在相位检测器中，接收机片速率时钟的相位与发射机片速率时钟（发射时钟-TXCLOCK）的相位进行比较。表示为零点几片的结果模拟相位差由模-数转換器172转变为数字格式，以形成定量的“精确距离”。将粗略和精确测距结合起来，可使往返路径长度超过3000KM的测量精确到大约1.4M。局部产生的PN代码在混频器160中与中频信号相乘，以压缩信号。然后，信号通过单元174进行BPSK解调，通过译码器176进行FEC译码。数据输出和距离测量传给图16的地面站总线138。

地面站发射处理子系统部分示于图18。来自图16的中央处理器144的消息送入发射处理器178。组成一个离站信号帧的全部消息被放入数据缓冲器180。在数据缓冲器180中，对消息进行处理以形成如图7所示的一个离站帧，即：加上差错检验奇偶位，并且对该帧进行卷积编码。自由运行PN发生器182连续地产生131071片代码字（每代码字2¹⁷-1片）。当状态译码器184检测出全“1”状态时，给发射定时子系统186发出信号，该子系统开始对从数据缓冲器180出来的格式化的数据进行计时。在单元190中进行BPSK调制之前，格式化的数据和PN代码在加法器188中进行模2的相加，并被送到地面站发射机。地面站发射处理子系统还在线192上产生发射时钟信号（发射时钟），并在线194上产生“起始距离计数器”信号（即全“1”状态指示器），这些信号用于地面站接收机中。

地面站中央处理器的逻辑流程图示于图19。和同在使用者应荅器流程图中一样，实线代表软件中逻辑转換，虚线代表与一个逻辑功能有关的实际信号。在方框196中，处理器读输入数据缓冲器，以确定预处理器140、142是否提供了数据。如果发现位置请求，处理器则在方框198中利用预处理器提供的使用者识别和位置计算来形成位置消息，并在方框200中将这个消息送到输出缓冲器。输出缓冲器将离站消息量馈入发射处理子系统。如果在输入数据缓冲器中发现ACK-2或ACK-3应荅，则将它们送到产生被应荅消息的用户。如果在方框196中发现消息，则在方框202中，将这些消息首先放入暂存器。然后，处理器进行到方框204，形成用于向指定的使用者传送的线路可用性探查和返送回始发的使用者的ACK-1应荅。一段时间之后，当指定的使用者已响应线路可用性探查时，在方框206中重新调出消息，并在方框200中送入输出缓冲器。在短消息的情况下，不需要线路可用性探查，如需要的话可以省掉。在这些情况下，如果需要，消息可以直接发送并重复，直到接收到来自指定的收发信机的ACK-2应荅为止。

上述系统有几种容易实现的改进和扩展，能提高容量，减小使用者的延迟和降低功率需求。它包括多重同时的离站信号，代码转換，线路质量的自适应控制，随机波束搜索，以及利用粗略和精确时隙的使用者回荅的编码。

为充分利用可用于图1所示的全部三颗卫星S1、S2和S3的所有功率，可以由地面站发送三个同步离站信号，每个通过一颗卫星。这样一种信号路径的配置示于图20。入站信号通路与基本系统中使用的相同，如图2所示。在这种形式中，来自地面站的离站信号通过每颗卫星连续转发给使用者，三个转发信号使用不同的PN代码。高级的使用者收发信机能同时接收并译出全部三个PN代码离站信号，只有当全部三条线路都可以使用时，它才能监测线路质量并发送位置请求（与消息有区别）。对于只能接收并译出一个特定PN代码离站信号的不太高级的使用者收发信机，为增大系统的利用率，可以使用代码转換。例如，将用在三个离站信号上的三个PN代码标为代码A、代码B和代码C，然后在一个短时间（例如0.33秒）内，地面站可以通过卫星S1发送代码A，通过卫星S2发送代码B，通过卫星S3发送代码C。在下一个三分之一秒中，代码分配可以是B∶S1，C∶S2，A∶S3，在每秒的最后三分之一中是C∶S1，A∶S2，B∶S3。这样，既使当三颗卫星中的两颗都被建筑物、高山或其它障碍物遮蔽时，最简单的收发信机（即其设备只能译出一个PN代码）也能利用一颗卫星发送消息。

基本实施方案的进一步改进可以叙述为线路质量的自适应控制，它能更有效地利用卫星的可用功率。来自地面站的离站信号使用PN编码以提供必要的信噪比，在基本实施方案中分布率（Spread）是每位193片。PN系统中的编码增益（coding    gain），即信噪比的改善，在数字上是等于分布率（每位的片数）。但是，发送消息所需的卫星能量直接正比于分布率。这样，有效的系统利用，需要减小与信噪比需求一致的分布率。这根据单个使用者与卫星的线路状况，利用多帧格式来自适应地实现。除图7中所示的具有每位193片分布率的规定离站信号帧格式之外，自适应系统还提供了97和47分布率的帧。帧的格式与图7中所示的相同，但每位的片数为193、97或47。在自适应系统的最简单形式中，离站信号帧格式的分布率变化为193，97，47，193，97，47等等。使用者收发信机被确定译出193，97和47片代码，对于每个分布率，利用每帧中的差错检测码连续监测离站线路质量，如已讲过的那样。因此，使用者收发信机任何时候都知道线路无差错工作所需的最小分布率。当地面站有准备发送的消息时，在一个193分布率帧中发出给指定的使用者的线路可利用性探查。在指定的使用者对线路可利用性探查的回荅中，指定合格的最小分布率。然后地面站在具有指定分布率的下一个可用帧中，给指定使用者发送消息。例如，如果指定的分布率为47，只使用基本非自适应系统所需的卫星能量的大约四分之一就可以传送消息。

自适应控制原理需要使用者收发信机以不同的分布率译出PN代码。这可以由硬件或由收发信机处理器中的软件程序来实现。在后一种情况下，地面站可以通过一系统包含重新编程指令的离站消息改变或更新程序。重新编程可能指定新的PN代码，和指定在不同PN代码中选择的方案，等等。作为进一步的提高，自适应控制原理不仅应用于从地面站到使用者的离站信号，而且应用于从使用者收发信机到地面站的入站信号。

在本发明的最佳实施方案中，利用使用者收发信机的输入和显示单元48将线路质量消息连续地显示给使用者。这就造成使用者端的一种工作方式，它可以叫作随机波束搜索方式。在这种方式中，假定使用者天线是窄波束、高增益天线，而不是如前所述的宽波束、全向辐射天线。为降低使用者收发信机的功率需求，或为减小卫星天线的尺寸，或者为这两个原因，需要使用带有增益的天线。通常，为保证使用者天线总是指向卫星，人们希望对使用者天线进行陀螺稳定。但本系统得益于以下情况：使用者的发送是在几秒或几分内延续大约25毫秒（用于一个全256位消息）的短猝发脉冲，同时使用者收发信机连续监测卫星线路的质量。如果使用者收发信机具有高增益天线，并且使用者想发送消息，则使用者只需键入消息，来请求消息的发送（例如，通过按下“发送”按钮），然后将收发信机天线在任意的方向上移动。当某一时刻，角度的随机变化正好指向转发来自地面站的离站信号的卫星天线时，收发信机将暂时记录合格的线路质量。这时，收发信机将自触发而发送消息，并通过适当的显示告知使用者将收发信机天线保持在相同的位置上，直到接收到来自地面站的ACK-1应荅为止。

作为所述实施方案的进一步改进，可以采用粗略和精确时隙编码，以减少需要由使用者收发信机发送的识别位的数目，特别是在ACK-2或ACK-3响应中，可以使用相似的技术来减少需要由地面站发送以识别特定收发信机的位数，例如，在ACK-1发送期间。如同基本实施方案中一样，对于不同使用者组使用不同的PN代码，这已经把用者划分为可识别的次组。在给出的例子中，使用32（或25）个不同的PN代码，因此，使用者识别的5个最高级位由代码自身给定，不需要象数据那样发送。为进一步减少位数，可以通过只在离站询问信号的某些帧中放置用于特定使用者组的消息，或者，在入站信号的情况下，让使用者组只响应离站询问信号的某些帧。将下一个最高级位编码在离站信号中。例如，如果离站询问信号的帧计有模128，那么，通过选择哪个帧发送消息，或响应哪个帧的询问，地面站和使用者收发信机都可以对使用者识别中进行7位的编码。在地面站与特定使用者收发信机已建立起联系之后，根据离站信号的特定帧中的时间延迟，可以进一步减少位数。对于从地面站到使用者的离站发送，在给定帧中消息的位置可以区分特定使用者或使用者的次组。对于从使用者到地面站的入站发送，可以在使用者响应中加入一个人工时间延迟，以对一些或全部的剩余的使用者识别位进行编码。一旦特定的收发信机与地面站建立起联系，就可以知道它的响应时间是在几毫微秒之内;因此，通过引进延迟的变化量，可以对信息进行编码。延迟增量被选为远远大于与特定收发信机的响应有关的计时偏差，并且，在收发信机运动的情况下，增量还可以选为远远大于与合理的和期望的使用者速速有关的回荅信号到达时间的变化。

尽管参考了一个最佳实施方案对本发明进行了描述，但应该了解到本发明不局限于它的细节。以上详细叙述中已提出了不同的改进和替換，本技术领域内的技术人员会考虑出其它的改进和替換。所有这些改进和替換都应包括在由后面权利要求所定义的本发明的精神和范围之内。

Claims (30)

1、一种无线电通信系统包括：

中心站，用于通过无线电通信线路发送询问信号；

远程收发信机，用于通过上述无线电通信线路接收来自中心站的询问信号，并响应询问信号向中心站发送回答信号；

上述远程收发信机中的控制装置，用于测量中心站与远程收发信机之间无线电通信线路的质量，只有当上述通信线路具有预定最低限度的质量时，才允许收发信机发送回答信号。

2、如权利要求1中所要求的无线电通信系统，其中，上述控制装置可以用于检测接收的询问信号中的差错，并根据这些差错的有、无来测量通信线路的质量。

3、如权利要求2中所要求的无线电通信系统，其中：

上述控制装置对于若干最近时间内接收的询问信号中检测出的差错保持连续计数;

上述控制装置可以将上述计数值与预定的阈值进行比较，以确定通信线路是否具有收发信机发送回荅信号所需的预定最低限度质量。

4、如权利要求3中所要求的无线电通信系统，其中，上述收发信机还包括与上述控制装置相连的显示装置，用于显示测得的通信线路质量。

5、如权利要求2中所要求的无线电通信系统，其中：

上述询问信号包括二进制数字信号及差错检测代码;

上述控制装置包括对上述差错检测代码进行译码的装置，用于测量通信线路的质量。

6、如权利要求5中所要求的无线电通信系统，其中：

上述差错检测代码包括奇偶校验位;和

上述译码装置包括奇偶译码器。

7、如权利要求1中所要求的无线电通信系统，其中该通信线路至少包括一颗卫星。

8、一种无线电通信系统包括：

中心站，用于发送包含差错检测代码的一系列询问信号;

远程收发信机，用于接收中心站与远程收发信机之间的无线电通信线路中的上述询问信号，并响应上述询问信号向中心站发送包含消息信息的回荅信号;

远程收发信机中的控制装置，利用上述差错检测代码提供中心站与远程收发信机之间通信线路质量的指示，在指示通信线路达到预定最低限度质量之前，阻止远程收发信机发送回荅信号。

9、如权利要求8中所要求的无线电通信系统，其中：

上述控制装置对于若干最近时间接收的询问信号中检测出的差错保持连续计数;

上述控制装置可以将上述计数值与预定的阈值进行比较，以确定通信线路是否具有收发信机发送回荅信号所需的预定最低限度质量。

10、如权利要求8中所要求的无线电通信系统，其中，上述远程收发信机还包括与上述控制装置相连的显示装置，用于向使用者显示测得的通信线路质量的指示。

11、如权利要求8中所要求的无线电通信系统，其中：

上述询问信号包括二进制数字信号，其中上述差错检测代码包括奇偶校验位;

上述控制装置包括奇偶译码器。

12、如权利要求8中所要求的无线电通信系统，其中，上述通信线路包括至少一颗卫星，用于向远程收发信机转发中心站发出的询问信号，并向中心站转发远程收发信机发出的回荅信号。

13、一种无线电通信系统包括：

中心站，用于通过无线电通信线路发送询问信号;

远程收发信机，利用上述无线电通信线路接收中心站发出的询问信号，并响应询问信号向中心站发送回荅信号;

上述远程收发信机中的监测装置，利用接收的询问信号监测中心站与远程收发信机之间无线电通信线路的质量;

与上述监测装置相连的显示装置，用于显示通信线路质量的指示。

14、如权利要求13中所要求的无线电通信系统，其中，上述监测装置可用于检测接收的询问信号中的差错，并由上述差错的有、无来指示无线电通信线路的质量。

15、一种用于接收和响应中心站通过通信线路发送的差错编码的询问信号的远程收发信机，包括：

接收装置，用于接收询问信号;

监测装置，利用在接收的询问信号中检测出的差错监测通信线路的质量;

与上述监测装置相连的发送装置，只有当上述通信线路具有预定的最低限度质量时，它才响应询问信号而发送回荅信号。

16、一种用于接收和响应中心站通过通信线路发送的差错编码的询问信号的远程收发信机，包括：

接收和发送装置，用于接收询问信号，并响应上述询问信号而发送回荅信号;

监测装置，利用在接收的询问信号中检测出的差错来监测通信线路的质量;

与上述监测装置相连的显示装置，用于向使用者显示通信线路质量的指示。

17、一种从远程收发信机通过卫星向地面站发送消息的无线电通信系统，包括：

远程收发信机，用于接收包含差错检测码的询问信号，并响应上述询问信号而发送载有消息信息的回荅信号;

地面站，用于发送包含差错检测码的询问信号，并接收远程收发信机发出的回荅信号;

至少一颗中继卫星，用于向远程收发信机转发地面站发出的询问信号，并向地面站转发远程收发信机发出的回荅信号;

远程收发信机中的控制装置，利用接收的询问信号中的差错检测码向远程收发信机提供无线电通信线路质量的指示，在指示出通信线路达到预定的最低限度质量之前，阻止远程收发信机发送回荅信号。

18、如权利要求17中所要求的无线电通信系统，其中：

上述控制装置对若干最近时间接收的询问信号中检测出的差错保持连续计数;

上述控制装置可将上述计数值与预定阈值进行比较，以确定通信线路是否具有收发信机发送回荅信号所需的预定最低限度质量。

19、如权利要求17中所要求的无线电通信系统，其中，上述远程收发信机还包括与上述控制装置相连的显示装置，用于向使用者显示测得的通信线路质量的指示。

20、如权利要求17中所要求的无线电通信系统，其中：

上述询问信号包括二进制数字信号，其中上述差错检测码包括奇偶校验位;

上述控制装置包括奇偶译码器。

21、一种从远程收发信机通过卫星向地面站发送消息的无线电通信系统，包括：

远程收发信机，用于接收包含差错检测码的询问信号，并响应上述询问信号发送载有消息信息的回荅信号;

地面站，用于发送包含差错检测码的询问信号，并接收远程收发信机发出的回荅信号;

至少一颗中继中星，用于向远程收发信机转发地面站发出的询问信号，并向地面站转发远程收发信机发出的回荅信号;

远程收发信机中的监测装置，利用接收的询问信号中检测出的差错监测通往远程收发信机的无线电通信线路的质量;

与上述监测装置相连的显示装置，用于显示通信线路质量的指示。

22、从远程收发信机通过无线电通信线路向中心站发送消息的方法，包括以下步骤：

从中心站发送一系列包含差错检测码的询问信号;

由远程收发信机接收上述询问信号;

利用接收的询问信号中的差错检测码向远程收发信机提供中心站与远程收发信机之间无线电通信线路质量的指示;

当指示出无线电通信线路的质量达到预定的最低限度质量时，从远程收发信机向中心站发送包含信息消息的回荅信号;

当指示出无线电通信线路的质量小于预定的最低限度值时，阻止远程收发信机发送回荅信号。

23、从远程收发信机通过包括卫星的无线电通信线路向地面站发送消息的方法，包括以下步骤：

从地面站发送一系列包含差错检测码的询问信号;

通过卫星向远程收发信机转发上述询问信号;

由远程收发信机接收上述询问信号;

利用接收的询问信号中的差错检测码向远程收发信机提供卫星与远程收发信机之间无线电通信线路质量的指示;

当指示出无线电通信线路的质量达到预定的最低限度时，远程收发信机通过中继卫星向地面站发送包含消息信息的回荅信号;

当指示出无线电通信线路的质量小于预定的最低限度值时，阻止远程收发信机发送回荅信号。

24、通过至少两颗中继卫星在地面站与远程收发信机之间建立无线电通信的方法，包括以下步骤：

从地面站同时发送至少两个互相区别的、包含差错检测码的询问信号;

通过不同的卫星将上述每个询问信号转发给远程收发信机;

由远程收发信机接收上述询问信号;

利用每个接收的询问信号中的差错检测码，向远程收发信机提供远程收发信机与每个卫星之间无线电通信线路质量的指示;

当指示出对于所有卫星的无线电通信线路的质量都达到预定的最低限度时，远程收发信机通过卫星向地面站发送回荅信号;

当指示出对于一个或多个卫星的无线电通信线路的质量小于预定值时，阻止远程收发信机发送回荅信号。

25、如权利要求24中所要求的方法，其中，地面站发送的同时的询问信号由不同的伪随机噪声编码加以区分，并且，远程收发信机接收询问信号的步骤包括按照伪随机噪声代码区分询问信号的步骤。

26、如权利要求24中所要求的方法，还包括以下步骤：

通过每颗卫星向地面站转发收发信机回荅信号;

地面站根据回荅信号的到达时间计算远程收发信机的位置。

27、从远程收发信机通过卫星无线电通信线路向地面站发送消息的方法，包括以下步骤：

从地面站发送第一和第二个可互相区别的询问信号;

通过第一颗卫星向远程收发信机转发第一询问信号;

通过第二颗卫星向远程收发信机转发第二询问信号;

从地面站重发第一和第二询问信号;

通过第二颗卫星向远程收发信机转发第一询问信号;

通过第一颗卫星向远程收发信机转发第二询问信号;

远程收发信机至少接收上述第一和第二询问信号中的一个;

远程收发信机响应接收的询问信号，通过至少一颗卫星向地面站发送包含消息信息的回荅信号。

28、如权利要求27所要求的方法，其中，对由地面站发送的第一和第二询问信号根据不同的伪随机编码而加以区别，并且，由远程收发信机至少接收第一和第二询问信号中的一个的步骤中还包括对至少一个伪随机码进行译码的步骤。

29、从中心站通过无线电通信线路向远程收发信机发送消息的方法，包括以下步骤：

从地面站发送一个包含差错检测码的伪随机噪声编码询问信号的序列，上述序列包括在伪随机噪声码中使用不同分布率的重复的一连串询问信号;

由远程收发信机接收上述询问信号;

利用接收的询问信号中的差错检测码，向远程收发信机提供对于每个上述伪随机噪声码分布率、中心站与收发信机之间的无线电通信线路质量的指示;

选择最低的伪随机噪声代码分布率，对于这个分布率，由远程收发信机所指示的无线电通信线路的质量高于预定的阈值;

从远程收发信机向中心站发送回荅信号，上述回荅信号包含所选择的伪随机噪声码分布率的指示;

利用具有由远程收发信机所选择的分布率的伪随机码，从中心站向远程收发信机发送消息信息。

30、从发送收发信机通过中心站向指定的收发信机发送消息的方法，包括以下步骤：

从发送收发信机向中心站发送消息信息;

响应在中心站接收的上述消息信息，中心站向发送收发信机发送第一应荅;

从中心站向指定的收发信机发送消息信息;

响应在指定的收发信机接收的消息信息，指定的收发信机向中心站发送第二应荅;

从中心站向发送收发信机转发第二应荅;

响应在指定的收发信机的指示消息信息已被使用者读出的用户输入，指定的收发信机向中心站发送第三应荅;

从中心站向发送收发信机转发第三应荅。

Images