DE69718665T2 - Positionsbestimmung mittels satelliten auf niedriger umlaufbahn - Google Patents

Positionsbestimmung mittels satelliten auf niedriger umlaufbahn

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Description

    Hintergrund der Erfindung I. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Objekt- Positionsbestimmung unter Benutzung von Satelliten. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Bestimmung der Position eines Benutzer-Endgerätes in einem Satelliten- Kommunikationssystem, unter Benutzung der Charakteristika der Kommunikationssignale.
    • IL. Verwandte Technik
  • Ein typisches Satellitenbasiertes Nachrichten- bzw. Kommunikationssystem umfaßt wenigstens eine terresterische Basisstation (ab jetzt hierin als Gateway bezeichnet), wenigsten ein Benutzerendgerät (zum Beispiel ein Mobiltelefon), und wenigstens einen Satelliten zur Weiterleitung der Kommunikationssignale zwischen dem Gateway und dem Benutzerendgerät. Das Gateway sieht Verbindungen von einem Benutzerendgerät zu einem anderen Benutzerendgerät oder Kommunikationssystemen so wie zum Beispiel einem terresterischen Telefonsystem vor.
  • Eine Vielzahl von Vielfach-Zugangs-Kommunikationssystemen (multiple access communication systems) wurden zur Übertragung von Information zwischen einer großen Zahl von Systembenutzern entwickelt. Diese Techniken umfassen "time division multiple access" (TDMA), "frequency division multiple access" (FDMA) und "code division muliple access" (CDMA) "Spreiz-Spektrum" bzw. spreadspectrum Techniken, deren Grundlagen wohl bekannt sind. Die Benutzung von CDMA Techniken in einem Vielfach-Zugangs- Kommunikationssystem ist im U.S. Patent Nummer 4,901,307 offenbart, welches am 13. Februar 1990 erteilt wurde, mit dem Titel "Spread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite Or Terrestrial Repeaters" und U.S. Patent Nummer 5,691,974, welches am 04. Januar 1995 eingereicht wurde, mit dem Titel "Method And Apparatus For Using Full Spectrum Transmitted Power In A Spread Spectrum Communication System For Tracking Individual Recipient Phase Time And Energy".
  • Die oben erwähnten Patente offenbaren Vielfach-Zugangs-Kommunikationssysteme, in denen eine große Zahl von generell mobilen oder entfernten Systembenutzern Benutzerendgeräte verwenden, um mit anderen Systembenutzern oder Benutzern anderer Systeme, sowie einem öffentlichen Telefon-Schaltungsnetzwerk, zu kommunizieren. Die Benutzerendgeräte stehen durch Gateways und Satelliten, unter Benutzung von Kommunikationssignalen des CDMA Spread-Spectrum Typs, in Verbindung.
  • Nachrichten- bzw. Kommunikationssatelliten formen Strahlen, welche einen "Fleck" ausleuchten, der erzeugt wird, in dem Satelliten-Kommunikationssignale auf die Oberfläche der Erde projiziert werden. Ein typisches Satelliten-Strahlmuster umfaßt eine Anzahl von Strahlen, die in einem vorbestimmten Überdeckungsmuster angeordnet sind. Typischerweise umfaßt jeder Strahl eine Anzahl von sogenannten Substrahlen (auch als CDMA-Kanäle bezeichnet) welche ein gemeinsames geographisches Gebiet überdecken, wobei jeder ein anders Frequenzband belegt.
  • In einem typischen Spread-Spectrum Kommunikationssystem wird ein Satz von vorgewählten Pseudorandom Noise (PN) bzw. Pseudozufallsrauschen Codesequenzen
  • (d. h. "zu Spreizen") und zwar vor der Modulation auf ein Trägersignal zur Übertragung als Kommunikationssignale. Die PN-Spreizung, eine Methode der Spreiz-Spektrum Übertragung, welche wohl bekannt ist, produziert ein Signal zur Übertragung, das eine Bandbreite hat, die viel größer ist als die des Datensignals. In einer Vorwärts-Kommunikationsverbindung (d. h. in einer Kommunikationsverbindung, die an einem Gateway beginnt und bei einem Benutzerendgerät endet) werden PN-Spreizungs-Codes oder binäre Sequenzen benutzt, um zwischen Signalen zu unterscheiden, die von einem Gateway über unterschiedliche Strahlen übertragen werden, und um zwischen Mehrfach-Pfad-Signalen zu unterscheiden. Diese PN- Codes werden typischerweise von allen Kommunikationssignalen innerhalb eines gegebenen Substrahls geteilt.
  • In einem typischen CDMA-Spread-Spectrum-System werden Kanalisierungscodes benutzt, um zwischen Signalen zu unterscheiden die für bestimmte Benutzerendgeräte bestimmt sind die innerhalb eines Satellitenstrahls auf der Vorwärtsverbindung übertragen werden. Das heißt, ein eindeutiger orthogonaler Kanal ist für jedes Benutzerendgerät auf der Vorwärtsverbindung vorgesehen, durch Benutzung eines eindeutigen "kanalisierenden" orthogonalen Codes. Walsh-Funktionen werden generell benutzt um die Kanalisierungscodes zu implementieren, wobei eine typische Länge in der Größenordnung von 64 Codechips für terrestrische Systeme und 128 Codechips für Satellitensysteme ist.
  • Typische CDMA-Spread-Spectrum-Kommunikationssysteme, so wie sie im U.S. Patent Nummer 4,901,307 offenbart sind, befassen sich mit der Benutzung von kohärenter Modulation und Demodulation für Vorwärtsverbindungs-Kommunikation mit Benutzerendgeräten. In Kommunikationssystemen, die diese Herangehensweise verwenden, wird ein "Pilot" Trägersignal (von nun an hierin als "Pilotsignal" bezeichnet) benutzt, als kohärente Phasenreferenz für Vorwärtsverbindungen. Das heißt ein Pilotsignal, welches typischerweise keine Datenmodulation enthält, wird von einem Gateway über eine Abdeckungsregion übertragen. Ein einzelnes Pilotsignal wird typischerweise von jedem Gateway für jeden benutzten Strahl, für jede benutzte Frequenz übertragen. Diese Pilotsignale werden von allen Benutzerendgeräten geteilt, welche vom Gateway Signale empfangen.
  • Pilotsignale werden von Benutzerendgeräten benutzt, um anfängliche Systemsynchronisation und Zeit-, Frequenz- und Phasenverfolgung von anderen Signalen zu erreichen, die vom Gateway übertragen werden. Phaseninformation, die durch die Verfolgung (Tracking) eines Pilot-Signalträgers erhalten wird, wird als Träger-Phasen-Referenz zur kohärenten Demodulation von anderen Systemsignalen oder Verkehrssignalen benutzt. Diese Technik erlaubt es vielen Verkehrssignalen ein gemeinsames Pilotsignal als Phasenreferenz zu teilen, und sieht dabei einen weniger kostspieligen und effizienteren Verfolgungsmechanismus vor.
  • Wenn ein Benutzerendgerät nicht an einer Kommunikationssitzung beteiligt ist (d. h. das Benutzerendgerät empfängt oder sendet keine Verkehrssignale), kann das Gateway Information an dieses spezielle Benutzerendgerät übermitteln unter Benutzung eines Signals, welches als Paging-Signal bekannt ist. Zum Beispiel wenn ein Anruf an ein bestimmtes Mobiltelefon gerichtet worden ist, alarmiert das Gateway das Mobiltelefon mittels des Paging-Signals. Paging-Signale werden auch benutzt, um Verkehrskanal-Zuweisungen (Assignments), Zugangskanal-Zuweisungen und System Overhead- bzw. Zusatzinformationen zu verteilen.
  • Ein Benutzerendgerät kann auf ein Paging-Signal antworten, indem es ein Zugangssignal oder eine Zugangsprüfung über die Rückwärtsverbindung (d. h. die Kommunikationsverbindung, welche am Benutzerendgerät beginnt und am Gateway endet) sendet. Das Zugangssignal wird auch benutzt, wenn ein Benutzerendgerät einen Anruf beginnt.
  • Wenn Kommunikation mit einem Benutzerendgerät benötigt wird, kann das Kommunikationssystem die Position des Benutzerendgerätes bestimmen müssen. Die Notwendigkeit für Information über die Position des Benutzerendgerätes stammt von verschiedenen Überlegungen. Eine Überlegung ist, daß das System ein geeignetes Gateway zur Vorsehung der Kommunikationsverbindung auswählen sollte. Ein Aspekt dieser Überlegung ist die Bereitstellung einer Kommunikationsverbindung für den richtigen Dienstanbieter (zum Beispiel eine Telefongesellschaft). Ein Dienstanbieter (Service Provider) bekommt typischerweise ein bestimmtes geographisches Territorium zugewiesen, und er wickelt alle Anrufe mit Benutzern in diesem Territorium ab. Wenn Kommunikation mit einem bestimmten Benutzerendgerät benötigt wird, kann das Kommunikationssystem den Anruf einem bestimmten Dienstanbieter zuweisen, basierend auf dem Territorium innerhalb dessen sich das Benutzerendgerät befindet. Um das passende Territorium zu bestimmen benötigt das Kommunikationssystem die Position des Benutzerendgerätes. Eine ähnliche Überlegung ergibt sich, wenn Anrufe an Dienstanbieter zugewiesen werden müssen, basierend auf politischen Grenzen oder vertraglichen Diensten.
  • Eine unbedingte Anforderung an Positionsbestimmung für ein satellitenbasiertes Kommunikationssystem ist Schnelligkeit. Wenn Kommunikation mit einem bestimmten Benutzerendgerät erforderlich ist, sollte das Gateway, daß das Benutzerendgerät bedienen wird, schnell ausgewählt werden. Zum Beispiel wird ein Mobiltelefonbenutzer kaum mehr als eine Verzögerung von wenigen Sekunden tolerieren, wenn er einen Anruf macht. Die Forderung der Genauigkeit der Positionsbestimmung in dieser Situation ist weniger wichtig, als die Forderung der Schnelligkeit. Ein Fehler von weniger als 10 Kilometern (km) wird als adäquat betrachtet. Im Gegensatz dazu betonen die meisten konventionellen Herangehensweisen an satellitenbasierte Positionsbestimmung Genauigkeit mehr als Schnelligkeit.
  • Eine konventionelle Herangehensweise ist die des TRANSIT Systems der U. S. Navy. In diesem System führt das Benutzerendgerät kontinuierliche Dopplermessungen eines Signals durch, welches von einem low-Earth-Orbit (LEO) Satelliten- bzw. einem Satelliten im erdnahen Orbit ausgesendet wird. Die Messungen werden für mehrere Minuten fortgesetzt. Das System benötigt für gewöhnlich zwei Passagen des Satelliten, was ein Abwarten von mehr als 100 Minuten notwendig macht. Darüber hinaus muß der Satellit, da die Positionsberechnungen vom Benutzerendgerät durchgeführt werden, Information bezüglich seiner Position (auch bekannt als "Ephemeride") aussenden. Obwohl das Transitsystem eine hohe Genauigkeit (in der Größenordnung von einem Meter) erreichen kann, ist die auftretende Verzögerung für die Benutzung in einem kommerziellen Satellitenkommunikationssystem unakzeptabel.
  • Eine andere konventionelle Herangehensweise, ist die von den ARGOS und SARSAT (Search and Rescue Satellite) Systemen benutzte. In dieser Herangehensweise sendet das Benutzerendgerät ein unterbrochenes Ortungssignal nn einen Empfänger auf den Satelliten, welcher Frequenzmessungen des Signals durchführt. Wenn der Satellit mehr als vier Ortungssignale vom Benutzerendgerät empfängt, kann er für gewöhnlich die Position des Benutzerendgerätes auflösen. Da das Ortungssignal unterbrochen ist, ist eine ausgedehnte Dopplermessung, so wie die welche vom TRANSIT System durchgeführt wird, nicht verfügbar.
  • Eine andere konventionelle Herangehensweise ist die vom Global-Positioning-System (GPS) verwendete. In dieser Herangehensweise versendet jeder Satellit ein zeitmarkiertes Signal, daß die Ephemeride Des Satelliten einschließt. Wenn das Benutzerendgerät ein GPS-Signal empfängt, mißt das Benutzerendgerät die Übertragungsverzögerung relativ zu seiner eigenen Uhr und bestimmt eine Pseudoreichweite zu der Position des sendenden Satelliten. Das GPS- System benötigt drei Satelliten für die zweidimensionale Positionierung und einen vierten Satelliten für dreidimensionale Positionierung.
  • Ein Nachteil der GPS Herangehensweise ist, daß wenigstens drei Satelliten zur Positionsbestimmung benötigt werden. Ein anderen Nachteil der GPS Herangehensweise ist, daß, da die Berechnungen vom Benutzerendgerät durchgeführt werden, die GPS Satelliten ihre Ephemerie Information versenden müssen, und das Benutzerendgerät die Computerressourcen besitzen muß, um die notwendigen Berechnungen durchzuführen.
  • Ein Nachteil von allen, oben beschriebenen Herangehensweisen ist, daß das Benutzerendgerät einen separaten Sender oder Empfänger haben muß, zusätzlich zu dem, der benötigt wird, um Kommunikationssignale zu verarbeiten, um diese Herangehensweisen zu benutzen.
  • Eine andere konventionelle Herangehensweise ist diejenige, welche offenbart wird im U. S. Patent Nummer 5 126 748, welches sich im Gemeinschaftsbesitz befindet, welches ausgestellt wurde am 30. Juni 1992, mit dem Titel "Dual Satellite Navigation System and Method". Diese Herangeherisweise benutzt zwei Satelliten, um aktiv die Position des Benutzerendgeräts durch Trilateration zu bestimmen. Obwohl sie nützlich ist, erfordert diese Herangehensweise zwei Satelliten.
  • U.S.-A-5 412 388 beschreibt ein Radiotelekommunikationssystem, welches eine Anzahl von Ortsbestimmungssatelliten in niedrigen Erdorbits umfaßt. Lokalisierbare Anmeldeeinheiten kommunizieren mit den Satelliten. Eine einzelne Anmeldeeinheit kommuniziert mit einem einzelnen Satelliten unter Benutzung elektromagnetischer Signale, so daß ein Meßprozessor die Doppler-Komponente, die Laufzeitdauer und die Echtzeitmessung der Signale erhalten kann. Ein Ortsbestimmungsprozessor wandelt diese Messungen in eine Zwei-Positionen Ortsbestimmungs-Lösung um. Die Zwei-Positionen Lösung schließt eine tatsächliche Position und eine Bildposition ein. Die tatsächliche Position kann in einigen Situationen detektiert werden, indem eine Zelle innerhalb der Kommunikation stattfindet, identifiziert wird. In anderen Situationen kann die tatsächliche Position von der Bildposition unterschieden werden, indem die Ostwärtsdrehung der Erde detektiert wird. Ein Service-Prozessor bestimmt, welche Qualifizierungen auf Kommunikationsdienste, die vom System angeboten werden, anzuwenden sind. Diese Qualifizierungen basieren auf dem Ort der Anmeldeeinheit. Was benötigt und daher wünschenswert ist, ist ein satellitenbasiertes Positionsbestimmungssystem, daß fähig ist, zu schneller Positionsbestimmung unter Benutzung nur eines Satelliten.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung, ist ein Positionsbestimmungssystem für ein Satellitenkommunikationssystem vorgesehen, wobei das Positionsbestimmungssystem folgendes umfaßt: ein Benutzerendgerät; einen Satelliten mit einer bekannten Position und einer bekannten Geschwindigkeit; ein Gateway zur Kommunikation mit dem erwähnten Benutzerendgerät durch den erwähnten Satelliten; Bereichs-Parameter-Bestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs-Raten-Parameters, welcher Frequenzmessungen eines ersten und eines zweiten Signals repräsentiert; erste Mittel zur Frequenzmessung im erwähnten Benutzerendgerät zur Messung einer Frequenz des erwähnten ersten Signals, wobei das erwähnte erste Signal vom erwähnten Gateway durch den erwähnten Satelliten empfangen wird; Sendemittel in dem erwähnten Benutzerendgerät, um die erwähnte Frequenzmessung des erwähnten ersten Signals an das erwähnte Gateway zu senden; zweite Frequenzmessungsmittel in dem erwähnten Gateway, zur Messung einer Frequenz des erwähnten zweiten Signals, wobei das erwähnte zweite Signal vom erwähnten Benutzerendgerät durch den erwähnten Satelliten empfangen wird; und Positionsbestimmungsmittel in dem erwähnten Gateway, zur Bestimmung einer Position des erwähnten Benutzerendgeräts auf der Oberfläche der Erde, basiert auf der erwähnten bekannten Position und Geschwindigkeit des erwähnten Satelliten, dem Reichweitenparameter und dem erwähnten Bereichs-Parameter und dem erwähnten Bereichs- Raten-Parameter.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Benutzerendgerätes in einem Kommunikationssystem vorgesehen, welches das Benutzerendgerät, einen Satelliten mit einer bekannten Position und einer bekannten Geschwindigkeit und ein Gateway zur Kommunikation mit dem Benutzerendgerät durch den Satelliten umfaßt, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Bestimmung eines Bereichs- Parameters, Bestimmung eines Bereichs-Raten-Parameters, welcher Frequenzmessungen eines ersten Signals und eines zweiten Signals repräsentiert; Messen einer Frequenz des erwähnten ersten Signals in dem erwähnten Benutzerendgerät, wobei das erwähnte erste Signal empfangen wird von dem erwähnten Gateway, durch den erwähnten Satelliten; Senden der erwähnten Frequenzmessung des erwähnten ersten Signals vom erwähnten Benutzerendgerät zum erwähnten Gateway; Messen einer Frequenz des erwähnten zweiten Signals in dem erwähnten Gateway, wobei das erwähnte zweite Signal vom erwähnten Benutzerendgerät durch den erwähnten Satelliten empfangen wird; und Bestimmung einer Position des erwähnten Benutzerendgerätes auf der Oberfläche der Erde in dem erwähnten Gateway, basiert auf der erwähnten, bekannten Position und Geschwindigkeit des erwähnten Satelliten, dem erwähnten Bereichs-Parameter und dem erwähnten Bereichs-Raten-Parameter.
  • Daher kann die vorliegende Erfindung in einem System und einem Verfahren zur schnellen Bestimmung der Position eines Benutzerendgerätes (zum Beispiel eines Mobiltelefons) ausgeführt werden, wobei nur ein Satellit in einem Satelliten-Kommunikationssystem, wie zum Beispiel einem niedrigen Erd-Orbit-Satelliten-Kommunikationssystem benutzt wird. Das System kann ein Benutzerendgerät einschließen, wenigstens einen Satelliten mit einer bekannten Position und einer bekannten Geschwindigkeit und ein Gateway (daß heißt eine terrestrische Basisstation) zur Kommunikation mit dem Benutzerendgerät, durch den Satelliten. Das Verfahren kann die Bestimmung von Parametern einschließen, welche die zeitlichen und örtlichen Beziehungen zwischen dem Benutzerendgerät und dem Satelliten beschreiben und die Auflösung der Position des Benutzerendgeräts unter Benutzung der Parameter und der bekannten Position und der bekannten Geschwindigkeit des Satelliten.
  • In der Praxis werden zwei Parameter benutzt: Bereich und Bereichsrate. Der Bereichs- Parameter repräsentiert die Entfernung zwischen einem Satelliten und einem Benutzerendgerät. Der Bereichs-Raten-Parameter repräsentiert die relative, radiale Geschwindigkeit zwischen einem Benutzerendgerät und einem Satelliten.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein iteratives gewichtetes Gauß-Newton-Verfahren der kleinsten Quadrate benutzt, um die Position des Benutzerendgeräts basiert auf den benutzten Parametern und der bekannten Position und bekannten Geschwindigkeit des Satelliten aufzulösen.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sie schnelle Positionsbestimmung unter Benutzung eines einzelnen Satelliten gestattet, so wie zum Beispiel eines LEO (Low-Earth- Orbit) Satelliten.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, werden aus der detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen deutlicher werden, welche unten ausgeführt werden, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden, in welchen gleiche Referenznummern identische oder funktional ähnliche Elemente anzeigen. Darüber hinaus identifizieren die am weitesten Links stehenden Ziffern einer Referenznummer die Zeichnung, in welcher die Referenznummer zuerst auftaucht.
  • In den Zeichnungen gilt folgendes:
  • Fig. 1 zeigt ein typisches Satellitenkommunikations- bzw. Satellitennachrichtensystem;
  • Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines exemplarischen Transceivers, zur Benutzung in einem Benutzerendgerät;
  • Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer exemplarischen Sende- und Empfangsvorrichtung, zur Benutzung in einem Gateway;
  • Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines exemplarischen Zeit-Verfolgungs-Kreises (bzw. Schleifen- bzw. Regelkreises) zur Benutzung in einem Benutzerendgerät;
  • Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines exemplarischen Frequenz-Verfolgungs-Regelkreises, zur Benutzung in einem Benutzerendgerät;
  • Fig. 6 zeigt den Punkt unterhalb eines Satelliten und eine Projektion auf die Oberfläche der Erde, von iso-Konturen für Bereich- und Bereichs-Raten-Parameter, die sich auf den Satelliten beziehen;
  • Fig. 7a ist eine graphische Darstellung der Komponenten der Frequenz eines Signals, welches am Benutzerendgerät gemessen wird;
  • Fig. 7b ist eine graphische Darstellung der Komponenten der Frequenz eines Signals, welches am Gateway gemessen wird;
  • Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, welches eine exemplarische Umgebung darstellt, in welcher die vorliegende Erfindung betrieben werden kann.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele I. Einführung
  • Die vorliegende Erfindung ist in einem System und einem Verfahren zur schnellen Ortsbestimmung eines Benutzerendgerätes in einem Satellitenkommunikationssystem unter Benutzung nur eines Low-Earth-Orbit (LEO) Satelliten ausgeführt. Wie es jedem Fachmann für das relevante Gebiet offensichtlich wäre, kann das Konzept der vorliegenden Erfindung auf Satellitensysteme angewandt werden, in welchen die Satelliten sich in Nicht-LEO-Orbits bewegen, wenn die relative Bewegung zwischen den Satelliten und dem Benutzerendgerät ausreicht, um die Bereichs-Raten-Messungen, welche unten beschrieben werden, zu ermöglichen.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist unten im Detail diskutiert. Während spezifische Schritte, Konfigurationen und Anordnungen diskutiert werden, sollte es sich verstehen, daß dies nur für illustrative Zwecke getan wird. Ein Fachmann im relevanten Gebiet wird erkennen, daß andere Schritte, Konfigurationen und Anordnungen benutzt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er von den Ansprüchen definiert wird, abzuweichen.
  • Das Ausführungsbeispiel wird in vier Teilen beschrieben werden. Zuerst wird eine typisches Satellitenkommunikationssystem beschrieben. Zum Zweiten werden die Parameter, die von dem Ortsbestimmungsverfahren des Systems benutzt werden, beschrieben. Zum Dritten wird das Ortsbestimmungsverfahren in den Begriffen seiner physikalischen Repräsentation beschrieben. Schließlich wird die Ausführung des Ortsbestimmungsverfahrens beschrieben.
    • II. Ein typisches Satellitenkommunikationssystem
  • Fig. 1 zeigt ein typischen Satellitenkommunikationssystem 100. Das Satellitenkommunikationssystem 100 umfasst das Gateway 102, den Satelliten 104 und das Benutzerendgerät 106. Benutzerendgeräte 106 sind generell von drei Typen: feste Benutzerendgeräte 106a, welche typischerweise in permanenten Strukturen montiert sind; mobile Benutzerendgeräte 106b, welche typischerweise in Fahrzeugen montiert sind; und tragbare Benutzerendgeräte 106c, welche typischerweise in der Hand gehalten werden. Das Gateway 102 kommuniziert mit dem Benutzerendgeräten 106 durch den Satelliten 104.
  • Ein exemplarischer Transceiver (bzw. ein exemplarischer Sende-Empfänger) 200 Zur Benutzung in einem Benutzerendgerät 106, ist in Fig. 2 illustriert. Der Transceiver 200 benutzt wenigstens eine Antenne 210 zum Empfang von Kommunikationssignalen, welche an einem Analogempfänger 214 transferiert werden, wo sie herabgewandelt, bzw. herunterkonvertiert, verstärkt und digitalisiert werden. Ein Duplexer-Element 212 wird gewöhnlich benutzt, um derselben Antenne zu erlauben, sowohl für Sende- als auch für Empfangs-Funktionen zu dienen. Nichts desto weniger verwenden einige Systeme separate Antennen zum Betrieb bei verschiedenen Frequenzen.
  • Digitale Kommunikationssignale, welche vom Analogempfänger 214 ausgegeben werden, werden zu wenigstens einem digitalen Datenempfänger 21 6A, und zu wenigsten einem digitalen Sucherempfänger 218 transferiert. Zusätzliche digitale Datenempfänger 216B - 216 N können in einer "rake"- bzw. Rechenkonfiguration benutzt werden, um die erwünschten Stufen von Signalvielfalt bzw. Pegel von Signal Diversity zu erhalten, abhängig von der akzeptablen Stufe bzw. dem Pegel der Komplexität der Einheit, wie es dem Fachmann im relevanten Gebiet offensichtlich wäre. Ein Empfänger, der auf so eine Weise konfiguriert ist, wird "rake-Empfänger" genannt, und jeder digitale Datenempfänger 216 wird "Finger" genannt. Die Finger des rake-Empfängers werden nicht nur für Signal-Vielfalt benutzt, sondern auch um Signale von mehreren Satelliten zu empfangen. Darüber hinaus können zusätzliche Sucherempfänger 218 benutzt werden, um Hochgeschwindigkeits- Signalaufnahme vorzusehen.
  • Wenigstens ein Benutzer-Endgerät-Steuerprozessor 220 ist elektrisch an die digitalen Datenempfänger 216A-216N und Sucherempfänger 218 gekoppelt. Der Steuerprozessor 220 sieht neben anderen Funktionen Basic Signal Processing oder grundlegende Signalverarbeitung, Timing (Zeitsteuerung), Leistungs- und "Handoft" bzw. Weitergabesteuerung oder Koordination und Auswahl der Frequenz, welche für Signalträger benutzt wird, vor. Eine andere wesentliche Steuerftmnktion, die oft vom Steuerprozessor 220 durchgeführt wird, ist die Auswahl oder Manipulation von PN Codesequenzen oder orthogonalen Funktionen, welche für die Verarbeitung der Kommunikationssignal- Wellenformen benutzt werden sollen. Die Signalverarbeitung im Steuerprozessor 220 kann die Bestimmung der Parameter, die von der vorliegenden Erfindung benutzt werden, einschließen. Solche Berechnungen von Signal-Parametern, wie zum Beispiel relatives Timing und Frequenz, kann die Benutzung von zusätzlichen oder separaten dedizierten Schaltkreisen einschließen, um erhöhte Effizienz oder Geschwindigkeit bei den Messungen oder verbesserte Zuweisung von Steuer-Verarbeitungs-Ressourcen vorzusehen.
  • Ausgaben für die digitalen Datenempfänger 216A-216 N sind elektrisch an den digitalen Benutzer-Basisbandschaltkreis 222 innerhalb des Benutzerendgeräts gekoppelt. Der digitale Benutzer-Basisbandschaltkreis 222 umfaßt Verarbeitungs- und Präsentationselemente, die benutzt werden, um Information zu einem und von einem Benutzer eines Benutzerendgerätes zu transferieren. Das bedeutet, Signal- oder Datenspeicherelemente, sowie zum Beispiel einen transienten oder langzeit-digital Speicher; Eingabe- und Ausgabevorrichtungen, sowie zum Beispiel Displaymonitore, Lautsprecher, Tastaturendgeräte und Handsets; AID Elemente; Vocoder und andere Sprach- und Analogsignal-Verarbeitungselemente; etc., sind alles Teile des Benutzer-Basisbandschaltkreises, unter Verwendung von Elementen, welche im Gebiet wohl bekannt sind. Wenn Diversity- bzw. Vielfalts-Signalverarbeitung verwendet wird, kann der digitale Benutzer-Basisbandschaltkreis 222 einen Vielfalts- bzw. Diversity-Kombinierer und Decodierer umfassen. Einige von diesen Elementen können auch unter der Steuerung durch oder in Kommunikation mit dem Steuerprozessor 220 operieren.
  • Wenn Sprach- oder andere Daten als Ausgabenachricht oder Kommunikationssignal, welches vom Benutzerendgerät ausgeht, vorbereitet werden, wird der digitale Benutzer- Basisbandschaltkreis 222 benutzt um die erwünschten Daten zur Versendung zu empfangen, zu speichern, zu verarbeiten und auf andere Weise vorzubereiten. Der digitale Benutzer- Basisbandschaltkreis 222 gibt diese Daten an eine Sende-Modulator 226, der unter der Steuerung des Steuerprozessors 220 betrieben wird. Die Ausgabe des Sende-Modulators 226 wird an einen Leistungssteuerer 228 transferiert, welcher Ausgangsleistungs-Steuerung vorsieht für einen Sendeleistungsverstärker 230, für die endgültige Versendung des Ausgangssignals von der Antenne 210 zu einem Gateway.
  • Der Transceiver 200 kann auch ein oder mehrere Vorkorrekturelemente oder Vorkorrektoren 232 und 234 verwenden. Der Betrieb dieser Vorkorrektoren ist in einer miteingereichten, in gemeinsamen Eigentum befindlichen, Anmeldung mit dem Titel "Time And Frequency Precorrection For Non-Geostationary Satellite Systems" offenbart, welche die Anmeldungsseriennummer 08/723,490 hat.
  • Vorzugsweise findet Vorkorrektur am Ausgang des digitalen Leistungssteüerers 228 bei der Basisbandfrequenz statt. Die spektrale Basisbandinformation, einschließlich der Frequenzeinstellung, wird während der Heraufwandlung, bzw. up-conversion, im Sendeleistungsverstärker 230 in die passende Mittenfrequenz übersetzt. Die Vorkorrektur oder Frequenzeinstellung wird unter Verwendung von Techniken, die im Gebiet bekannt sind, erreicht. Zum Beispiel kann die Vorkorrektur erreicht werden, durch eine komplexe Signaldrehung oder -rotation, welche äquivalent ist zur Multiplikation des Signals mit einem Faktor von ejax, wobei ω berechnet wird auf der Basis bekannter Satelliten-Ephemeriden, und der erwünschten Kanalfrequenz. Dies ist sehr nützlich, wenn Kommunikationssignale als in-phase (I) und quadrature phase (Q) Kanäle verarbeitet werden. Eine Vorrichtung zur direkten digitalen Synthese kann benutzt werden, um einige der Drehprodukte zu erzeugen. Alternativ kann ein Element zur digitalen Berechnung der Koordinatendrehung benutzt werden, welches binäre Verschiebungen, Additionen und Subtraktionen benutzt, um eine Serie von diskreten Drehungen durchzuführen, welche in der erwünschten Gesamtdrehung resultieren. Solche Techniken und die zugehörige Hardware sind im Gebiet wohl verstanden.
  • Als eine Alternative kann das Vorkorrekturelement 234 im Sendepfad angebracht sein, am Ausgang des Sendeleistungsverstärkers 230, um die Frequenz des ausgehenden Signals anzupassen. Dies kann erreicht werden, indem wohl bekannte Techniken, wie zum Beispiel Hoch- und Herunterwandlung bzw. up- und down-conversion der Sende-Wellenform benutzt werden. Nichts desto weniger kann es schwieriger sein, die Frequenz am Ausgang des Analogsenders zu ändern, weil es oft eine Serie von Filtern gibt, die benutzt werden, um die Wellenform zu verformen und Änderungen in dieser Verbindungsstelle sich auf den Filterprozeß auswirken können. Alternativ kann das Vorkorrekturelement 234 einen Teil eines Frequenzauswahl- oder Steuermechanismus für die analoge up-conversion und Modulationsstufe (230) des Benutzerendgerätes formen, so daß eine passend eingestellte Frequenz benutzt wird, um das digitale Signal in einem Schritt in eine erwünschte Sendefrequenz zu konvertieren.
  • Informationen oder Daten, welche zu einem oder mehreren gemessenen Signalparametern für empfangene Kommunikationssignale korrespondieren, oder ein oder mehrere geteilte Ressourcen-Signale, können unter Benutzung einer Vielzahl von im Gebiet bekannten Techniken an das Gateway gesendet werden. Zum Beispiel kann die Information als separates Informationssignal transferiert werden, oder kann an andere Nachrichten, welche vom digitalen Benutzer-Basisbandschaltkreis 222 vorbereitet wurden, angehängt werden.
  • Alternativ kann die Information als vorbestimmte Steuerbits vom Sendemodulator 226 oder Sendeleistungs-Steuerer 228 unter der Steuerung des Steuerprozessors 220 eingefügt werden. Die digitalen Empfänger 216A-N und Sucherempfänger 218 sind mit Signalkorrelationselementen konfiguriert, um spezifische Signale zu demodulieren und zu verfolgen. Der Sucherempfänger 218 wird benutzt, um Pilotsignale zu suchen oder andere starke Signale mit relativfestem Muster, während die Datenempfänger 216A-N benutzt werden, um Pilotsignale zu verfolgen oder Signale, die zu detektierten Pilotsignalen gehören zu demodulieren. Daher können die Ausgaben dieser Einheiten überwacht werden, um Information vorzusehen, welche benutzt werden um die Parameter der vorliegenden Erfindung zu berechnen. Informationen über die Messungen, welche vom Benutzerendgerät 106 an empfangenen Signalen oder geteilten Ressourcen-Signalen gemacht wurden, können unter Benutzung einer Vielzahl von Techniken, die im Gebiet bekannt sind, an das Gateway gesendet werden. Zum Beispiel kann die Information als ein separates Datensignal transferiert oder an andere Nachrichten, welche vom digitalen Benutzer-Basisbandschaltkreis 222 vorbereitet wurden, angehängt werden. Die Datenempfänger 216 (A-N) benutzen auch Frequenzverfolgungselemente, die überwacht werden können, um aktuelle Frequenz- und Timing-Information für den Steuerprozessor 222, für Signale die demoduliert werden, vorzusehen. Dies wird unten weiter mit Referenz auf Fig. 4 und 5 diskutiert.
  • Der Steuerprozessor 220 benutzt solche Informationen, um zu bestimmen, in welchem Ausmaß die empfangenden Signale gegen eine erwartete Frequenz verschoben sind, basierend auf einer lokalen Oszillatorfrequenz, wenn sie, wie es angebracht ist, auf das selbe Frequenzband skaliert ist. Diese und andere Informationen, welche sich auf Frequenzverschiebungen bzw. Offsets, Fehler und Dopplerverschiebungen beziehen, können in einem oder mehreren Fehler/Doppler-Speichern oder Speicherelementen 236 gespeichert werden, wie es gewünscht ist. Diese Informationen können vom Steuerprozessor 220 benutzt werden, um seine Betriebsfrequenz einzustellen, oder können unter Benutzung verschiedener Kommunikationssignale an Gateways transferiert werden.
  • Wenigstens ein Zeit-Referenz-Element 238 wird benützt, um chronologische Information zu erzeugen und zu speichern, sowie Datum und Tageszeit, um bei der Bestimmung von Satellitenpositionen zu assistieren. Die Zeit kann periodisch gespeichert und aktualisiert werden. Die Zeit kann auch periodisch von einem Gateway geliefert werden. Zusätzlich wird die aktuelle Zeit jedesmal gespeichert, wenn ein Benutzerendgerät in einen inaktiven Modus geht, wenn es zum Beispiel "abgeschalten wird". Dieser Zeitwert wird gemeinsam mit der "Anschalt" Zeit benutzt, um verschiedene zeitabhängige Signalparameter und Änderungen in der Position des Benutzerendgerätes zu bestimmen.
  • Zusätzlich können Speicher oder Speicherelemente 240 und 242 benutzt werden, um spezifische Informationen über Parameter zu speichern, welche in größerem Detail unten diskutiert werden. Zum Beispiel kann ein Speicherelement 240 Benutzerendgerät-Messungen speichern, welche relativ zu einem Bereichsraten-Parameter gemacht wurden, so wie zum Beispiel Unterschiede in relativen Frequenzverschiebungen bzw. Offsets zwischen zwei ankommenden Signalen. Ein Speicherelement 242 könnte benutzt werden, um Benutzerendgerät-Messungen relativ zu einem Bereichsdifferenzparameter zu speichern, so wie zum Beispiel Unterschiede in der Ankunftszeit für zwei Signale. Diese Speicherelemente benutzen Struktur und Schaltkreise, die im Gebiet wohl bekannt sind und können entweder als unterschiedene oder separate Elemente geformt sein, oder als eine größere vereinheitlichte Struktur, in welcher diese Informationen auf eine gesteuerte Weise zur späteren Wiederbeschaffung gespeichert werden.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein lokaler oder Referenzoszillator 250 als Referenz für den Analogempfänger 214 benutzt, um das eingehende Signal in das Basisband bei der erwünschten Frequenz herunterzuwandeln. Er kann auch in mehreren Zwischenwandlungsschritten wie gewünscht benutzt werden, bis das Signal die gewünschte Basisbandfrequenz erreicht. Wie gezeigt, wird der Oszillator 250 auch als Referenz für den Analogsender 230 zur Heraufwandlung vom Basisband in die erwünschte Trägerfrequenz, zur Versendung über die Rückwärtsverbindung benutzt und als ein Frequenzstandard oder Referenz für einen Timingschaltkreis 252. Der Timingschaltkreis 252 erzeugt Timingsignale für andere Stufen oder Verarbeitungselemente innerhalb des Benutzerendgerätes 200, so wie zum Beispiel Zeitverfolgungsschaltkreise, die Korrelatoren in den Digitalempfängern 216A-N und 218, den Sendemodulator 226, das Zeitreferenzelement 238, und den Steuerprozessor 220. Der Timingschaltkreis 252 kann auch so konfiguriert werden, daß er Verzögerungen zur Vorwärts- oder Rückwärtsverschiebung im relativen Timing von Timing- oder Clocksignalen unter Prozessorsteuerung produziert. Das heißt, die Zeitverfolgung kann durch vorbestimmte Größen eingestellt werden. Dies erlaubt es auch, daß die Anwendung von Codes gegenüber dem "normalen" Timing vorwärts- oder rückwärtsverschoben wird, typischerweise um eine oder mehrere Chipperioden, so daß PN-Codes oder Chips, welche die Codes ausmachen, mit unterschiedlichem Timing wie gewünscht angewendet werden können.
  • Ein exemplarisches Sende- und Empfangsgerät 300 zur Benutzung in einem Gateway 102 ist in Fig. 3 illustriert. Der Teil von Gateway 102, der in Fig. 3 illustriert ist, hat einen oder mehrere Analogempfänger 314, welche mit einer Antenne 310 verbunden sind, zum Empfang von Kommunikationssignalen, welche dann heruntergewandelt, verstärkt und digitalisiert werden, unter Verwendung verschiedener Schemas, welche im Gebiet wohl bekannt sind. Mehrere bzw. mehrfache Antennen 310 werden in einigen Kommunikationssystemen benutzt. Digitalisierte Signale, welche vom Analogempfänger 314 ausgegeben werden, sind als Eingaben für wenigstens ein digitales Empfängermodul vorgesehen, welches generell bei 324 durch gestrichelte Linien angezeigt wird.
  • Jedes digitale Empfängermodul 324 gehört zu Signalverarbeitungselementen, welche benutzt werden, um die Kommunikation zwischen einem Gateway 102 und einem Benutzerendgerät 106 zu managen, obwohl gewisse Abwandlungen im Gebiet bekannt sind. Ein Analogempfänger kann Eingaben für viele Digitalempfängermodule 324 vorsehen, und eine Anzahl von solchen Modulen wird typischerweise in Gateways 102 benutzt, um alle Satellitenstrahlen und (alle) möglichen Vielfalt-Modussignale, welche zu einem gegebenen Zeitpunkt gehandhabt werden, unterzubringen. Jedes Digitalempfängermodul 324 hat einen oder mehrere digitale Datenempfänger 316 und Sucherempfänger 318. Der Sucherempfänger 318 sucht generell nach geeigneten Diversity- bzw. Vielfaltmodi von anderen Signalen als den Pilotsignalen, und mehrere Sucher können parallel benutzt werden, um die Suchgeschwindigkeit zu erhöhen. Wo sie im Kommunikationssystem implementiert sind, werden mehrere digitale Datenempfänger 316A - 316 N zum Empfang des Diversity-Signals benutzt.
  • Die Ausgaben der digitalen Datenempfänger 316, werden an nachfolgende Basisband- Verarbeitungselemente 322 weitergegeben, welches ein Gerät enthält, welches im Gebiet wohl bekannt und hier nicht in weiterem Detail illustriert ist. Das exemplarische Basisbandgerät schließt Vielfaltkombinierer und Decodierer ein, um Mulitpfadsignale in eine Ausgabe für jeden Benutzer zu kombinieren. Das exemplarische Basisbandgerät schließt auch Interface-Schaltkreise ein, um Ausgabedaten vorzusehen, typischerweise für einen digitalen Umschalter bzw. Switch oder ein Netzwerk. Eine Vielzahl von anderen bekannten Elementen, so wie zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Vocoder, Datenmodems und digitale Datenschalt- und Speicherkomponenten, können einen Teil des Basisband- Verarbeitungselements formen. Diese Elemente werden betrieben, um den Transfer von Datensignalen zu einem oder mehreren Sendemodulen 334 zu steuern oder zu leiten.
  • Signale die an Benutzerendgeräte 106 versendet werden müssen, sind jedes elektrisch an ein oder mehrere passende Sendemodule 334 gekoppelt. Ein typisches Gateway benutzt eine Anzahl von solchen Sendemodulen 334, um Service für viele Benutzerendgeräte 106 gleichzeitig und für mehrere Satelliten und Strahlen gleichzeitig vorzusehen. Die Zahl von Sendemodulen 334, die vom Gateway 102 benutzt werden, wird von Faktoren bestimmt, die im Gebiet wohl bekannt sind, einschließlich der Systemkomplexität, der Zahl der Satelliten, welche gewöhnlich sichtbar sind, Benutzerkapazität, gewähltem Grad von Vielfalt und ähnlichem.
  • Jedes Sendemodul 334 umfasst einen Sendemodulator 336, der Daten zur Versendung spreadspectrum-modullert und eine Ausgabe hat, welche elektrisch an einen digitalen Sende- Leistungs-Steuerer 328 gekoppelt ist, welcher die Sendeleistung steuert, die für das ausgehende digitale Signal benutzt wird. Der digitale Sende-Leistungs-Steuerer 328 wendet generell eine minimale Stufe der Leistung zum Zwecke der Interferenzreduzierung und Ressourcenzuweisung an, wendet jedoch geeignete Pegel oder Stufen der Leistung an, falls sie benötigt werden, um Dämpfung im Sendepfad oder andere Pfad-Transfer-Charakteristiken zu kompensieren. Ein PN-Generator 332 wird vom Sendemodulator 326 beim Verteilen bzw. Spreizen der Signale benutzt. Diese Code-Erzeugung kann auch einen funktionellen Teil von einem oder mehreren Steuerprozessoren oder Speicherelementen formen, welche im Gateway 102 benutzt werden.
  • Die Ausgabe vom Sende-Leistungs-Steuerer 328 wird an einem Summierer 336 transferiert, wo sie mit den Ausgaben von anderen Sende-Leistungs-Steuerschaltkreisen summiert wird. Diese Ausgaben sind Signale zur Versendung zu anderen Benutzerendgeräten 106, bei der selben Frequenz und innerhalb des selben Strahls wie die Ausgabe des Sende-Leistungs- Steuerers 328. Die Ausgabe des Summierers 336 wird an einen Analogsender 338 weitergegeben zur Digital-Analog-Wandlung, Wandlung in die passende RF bzw. HF Trägerfrequenz zur weiteren Verstärkung, zur Filterung und wird an eine oder mehrere Antennen 340 zur Abstrahlung an Benutzerendgeräte 106 ausgegeben. Die Antennen 310 und 340 können dieselben Antennen sein, abhängig von der Komplexität und der Konfiguration des Kommunikationssystems.
  • Wenigstens ein Gateway Steuerprozessor 320 ist elektrisch an die Empfängermodule 324, die Sendemodule 334 und an den Basisbandschaltkreis 322 gekoppelt. Diese Einheiten können physikalisch bzw. körperlich von einander separiert sein. Der Steuerprozessor 320 sieht Befehls- und Steuersignale vor, um Funktionen sowie, jedoch nicht begrenzt auf, Signalverarbeitung, Erzeugung des Timingsignals, Leistungssteuerung, Weitergabesteuerung, Diversity-Kombinierung und Systemverknüpfung auszuführen. Zusätzlich weist der Steuerprozessor 320 PN Spreizcodes, orthogonale Codesequenzen und spezifische Sender- und Empfänger oder Module, zur Benutzung in der Benutzerkommunikation zu. Darüber hinaus kann der Steuerprozessor 320 benutzt werden, um Parameter zu berechnen, und das Positionierungsverfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen.
  • Der Steuerprozessor 320 steuert auch die Erzeugung und die Leistung von Pilot-, Synchronisations- und Paging-Kanal Signalen und ihre Kopplung an den Sendeleistungssteuerer 328. Der Pilotkanal ist einfach ein Signal, das nicht durch Daten moduliert wird, und kann ein wiederholtes, unveränderliches Muster, oder eine nicht variierende frame- bzw. Rahmenstruktur verwenden. Das heißt die orthogonale Funktion, welche benutzt wird um den Pilotsignal-Kanal zu formen, hat im allgemeinen einen konstanten Wert, so wie nur 1en oder 0en oder ein wohl bekanntes wiederholtes Muster von ineinander gestreuten 1en und 0en.
  • Während der Steuerprozessor 320 elektrisch direkt an die Elemente eines Moduls, so wie zum Beispiel des Sendemoduls 334 oder des Empfangsmoduls 324 gekoppelt sein kann, umfaßt jedes Modul generell einen modulspezifischen Prozessor, so wie zum Beispiel den Sendeprozessor 330 oder den Empfangsprozessor 321, welcher die Elemente diese Moduls steuert. Daher ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Steuerprozessor 320 elektrisch an den Sendeprozessor 330 und den Empfangsprozessor 321 gekoppelt, wie in Fig. 3 gezeigt. Auf diese Weise kann ein einziger Steuerprozessor 320 den Betrieb einer großen Zahl von Modulen und Ressourcen effizienter steuern. Der Sendeprozessor 330 steuert die Erzeugung und die Signalleistung für Pilot-, Synchronisations-, und Paging-Signale und Verkehrskanalsignale und ihre entsprechende Kopplung an den Leistungssteuerer 328. Der Empfangsprozessor 321 steuert die Suche PN Spreizcodes zur Demodulation und die Überwachung der empfangenen Leistung. Der Prozessor 321 kann auch benutzt werden, bei der Bestimmung von Signalparametern, welche im Verfahren der vorliegenden Erfindung benutzt werden oder kann Informationen, welche vom Benutzerendgerät bezüglich solcher Parameter empfangen werden, detektieren oder transferieren, wobei er die Last auf dem Steuerprozessor 320 reduziert.
  • Um Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu implementieren, können einer oder mehrere Vorkorrektoren oder Frequenz-Vorkorrektur-Elemente 342 und 344 benutzt werden. Vorzugsweise wird ein Vorkorrektur-Element 342 benutzt, um die Frequenz des digitalen Ausgangs des digitalen Leistungssteuerers 328 bei der Basisbandfrequenz anzupassen. So wie im Benutzerendgerät wird spektrale Basisbandinformation, einschließlich der Frequenzeinstellung, während der up-conversion, welche im Analogsender 338 durchgeführt wird, in die passende Mittenfrequenz übersetzt. Die Frequenz-Vorkorrektur wird erreicht unter Verwendungen von im Gebiet bekannten Techniken, so wie zum Beispiel der oben diskutierten komplexen Signaldrehung, wobei der Drehwinkel auf der Basis von bekannten Satelliten-Ephemeriden und der erwünschten Kanalfrequenz errechnet wird. So wie im Benutzerendgerät können andere Signaldrehtechniken und zugehörige Hardware verwendet werden.
  • Zusätzlich zur Frequenzvorkorrektur kann das Bestreben existieren, Zeitvorkorrektur zu haben, um das relative Timing der Signale oder PN-Codes zu ändern. Dies wird im allgemeinen bewerkstelligt, durch Anpassung bzw. Einstellung, entweder der Codeerzeugung und des Timings, oder des Timings anderer Signalparameter, wenn ein Signal im Basisband erzeugt wird und vor der Ausgabe durch den Leistungssteuerer 328. Zum Beispiel kann der Steuerer 320 bestimmen, wann Codes erzeugt werden und ihr relatives Timing und die Anwendung auf Signale, ebenso wann auf Signale durch den Sendemodulator 326 eingewirkt wird und wann sie zu verschiedenen Satelliten durch den Leistungssteuerer 328 versandt werden. Nichts desto weniger können bekannte Zeitvorkorrektur-Elemente oder Schaltkreise, welche entweder einen Teil bilden von oder als separate Einheiten (nicht gezeigt) ähnlich sind zu, Vorkorrekturelementen 342 und 344 ohne oder zusätzlich zu Frequenzvorkorrektur- Elementen benutzt werden, wie erwünscht.
  • In Fig. 3 ist der Vorkorrektor 342 im Sendepfad vor dem Summierer 336 angebracht gezeigt. Dies erlaubt individuelle Kontrolle über jedes Benutzerendgerätsignal, wie erwünscht. Nichts desto weniger kann ein einzelnes Frequenzvorkorrektur-Element benutzt werden, wenn Vorkorrektur nach dem Summierer 336 durchgeführt wird, weil Benutzerendgeräte denselben Sendepfad vom Gateway zum Satelliten teilen.
  • Als eine Alternative kann ein Vorkorrektur 334 im Sendepfad angebracht sein, am Ausgang des Analogsenders 338, um die Frequenz des ausgehenden Signals unter Verwendung wohlbekannter Techniken anzupassen. Nichts desto weniger kann die Veränderung der Frequenz am Ausgang des Analogsenders schwieriger sein und kann sich auf das Signalfilterverfahren auswirken. Alternativ kann die Ausgangsfrequenz des Analogsenders 338 direkt durch den Steuerprozessor 320 angepasst bzw. eingestellt werden, um eine verschobene Ausgangsfrequenz, welche von der normalen Mittenfrequenz verschoben (off-set) ist, vorzusehen.
  • Die Größe der Frequenzkorrektur, welche auf das ausgehende Signal angewandt wird, ist auf dem bekannten Doppler zwischen dem Gateway und jedem Satelliten, durch welchen die Kommunikation hergestellt wird, basiert. Die Größe der Verschiebung, welche benötigt wird um einem Satelliten-Doppler gerecht zu werden, kann vom Steuerprozessor 320 unter Benutzung bekannter Satelliten-Orbitalpositionsdaten berechnet werden. Diese Daten können gespeichert werden in, und wiedererlangt werden von einem oder mehreren Speicherelementen 346, sowie Lookup-Tabellen oder Speicherelementen. Diese Daten können auch von anderen Datenquellen wie gewünscht vorgesehen werden. Eine Vielzahl von wohlbekannten Geräten, sowie RAM und ROM Schaltkreisen oder magnetische Speichergeräte können benutzt werden, um Speicherelemente 346 zu konstruieren. Diese Information wird benutzt, um die Doppleranpassung bzw. -einstellung zu erzeugen, für jeden Satelliten, welcher vom Gateway zu einer gegeben Zeit benutzt wird.
  • Wie in Fig. 3 gezeigt, sieht eine Zeit- und Frequenzeinheit bzw. time and frequency unit (TFU) 348 Referenzfrequenzsignale für den Analogempfänger 314 vor. Ein universelles Zeitsignal bzw. Universal Time (UT) Signal von einem GPS-Empfänger, kann in einigen Anwendungen als Teil dieses Verfahrens benutzt werden. Es kann auch in vielfachen Zwischen-Umwandlungs-Schritten wie gewünscht benutzt werden. TFU 348 dient auch als Referenz für den Analogsender 338. TFU 348 sieht auch Timing-Signale für andere Stufen oder Verarbeitungselemente innerhalb des Gateway Sende- und Empfangsapparats 300 vor, so wie zum Beispiel die Korrelatoren in den Digitalempfängern 316 A-N und 318, für den Sendemodulator 326 und den Steuerprozessor 320. TFU 348 ist auch so konfiguriert, daß sie das relative Timing von (Clock) Signalen unter Prozessorsteuerung um vorbestimmte Größen wie erwünscht rückwärts oder vorwärts verschiebt.
  • Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung von Timing Messungen ist in Fig. 4 illustriert, welche einen Zeitverfolgungskreis bzw. Regelkreis 400 für ein Benutzerendgerät präsentiert. Dieser Typ von Zeitverfolgungsregelkreis wird als Tau Dither Typ bezeichnet, wie auf diesem Gebiet bekannt ist. In Fig. 4 werden eingehende Kommunikationssignale vom Analogempfänger typischerweise übersampelt und dann in einen Dezimator 402 gegeben. Der Dezimator 402 operiert bei einer vorgewählten Rate und Timing, um nur bestimmte Samples an nachfolgende Stufen im Empfänger zu transferieren.
  • Dezimierte Samples werden an ein Kombinationselement 404, typischerweise ein Multiplizierer, zur Kombination mit geeigneten System-PN-Spreizcodes transferiert, welche von einem PN-Generator oder eine Quelle 406 vorgesehen werden, um daß Signal zu entspreizen. Das entspreizte Signal wird an ein Kombinationselement 408 transferiert, wo es mit geeigneten orthogonalen Codefunktionen W1 kombiniert wird, welche von einem Codegenerator oder einer Quelle 410 - wofern solche benutzt werden - vorgesehen werden, um die Daten zu erhalten. Die orthogonalen Codefunktionen sind diejenigen die benutzt wurden, um Kommunikationssignal-Kanäle zu erzeugen. Generell werden Pilot und Paging Signale für dieses Verfahren benutzt, obwohl andere starke Signale benutzt werden könnten. Daher ist der orthogonale Code generell einer der benutzt wird, um ein Pilot oder Paging Signal zu erzeugen, wie es in diesem Gebiet bekannt wäre. Alternativ können PN-Spreiz- und orthogonale Codes zusammen kombiniert werden, und dann mit den Samples in einem einzelnen Schritt kombiniert werden, wie es in diesem Gebiet bekannt ist.
  • Der Zeitverfolgungsschaltkreis kann ein "zu früh/zu spät" (early/late) benutzen, wie es im oben diskutierten U. S. Patent Nummer 4,901,307 offenbart ist. In dieser Herangehensweise wird der Grad, in welchem das Timing von eingehenden Signalen und Digitalempfängern 216, das Gleiche oder zueinander ausgerichtet sind, durch sampling eines eingehenden Datenstroms bei einer Verschiebung von einer nominalen Chipzeit gemessen. Diese Verschiebung ist entweder Plus oder Minus eine halbe PN Codechipperiode und wird entsprechend entweder als zu spät ("late") oder als zu früh ("early") bezeichnet.
  • Wenn das Timing der Plus oder Minus verschobenen bzw. off-set Daten symmetrisch von dem der nominal entspreizten einkommenden Signalpeaks abweicht, ist die Differenz, welche zwischen "zu späten" und "zu frühen" Samplingwerten geformt wird, Null. Das heißt ein Wert, der erzeugt wird durch Bildung einer Differenz zwischen den "zu frühen" und den "zu späten" Signalen, geht nach Null, wenn die ein Halb-Chipverschiebung (off-set) um das "on-Time" Timing des empfangenen Signals zentriert ist. Wenn das relative Timing, welches von den Empfängern 216 benutzt wird, daß empfangene Signaltiming nicht genau verfolgt, und relativ zu den eingehenden Signaldaten schnell ist, dann produziert die zu-spät-Minus-zu- früh Differenz ein Korrektursignal mit einem positiven Wert. Andererseits produziert die Differenz, wenn das Signaltiming zu langsam ist, ein Korrektursignal mit einem negativen Wert. Es ist eindeutig offensichtlich, daß eine inverse oder eine andere Beziehung wie gewünscht ebenfalls benutzt werden kann.
  • Um diese Technik zu implementieren, wird die Ausgabe des Dezimators so gesteuert, daß sie einen halben Chip früher auftritt, als sie normalerweise benutzt wird, um Signale zu demodulieren. Die Dezimatorausgabe wird dann entspreizt und decodiert, und die resultierenden Daten werden über eine vorgewählte Periode (typischerweise eine Symbolperiode) in einem Akkumulator 414 angesammelt. Die angesammelten Symboldaten sehen Symbolenergien vor, welche in einem Quadrierelement 41b quadriert werden, um nicht-negative Größenwerte für ein "zu früh" Signal vorzusehen.
  • Ein anderer Satz von Samples wird akkumuliert und summiert oder integriert über eine nachfolgende, vorgewählte Periode, unter Benutzung des Akkumulators 414. Nichts desto weniger wird während dieser Periode ein Satz von Verzögerungselementen 412 benutzt, um die Anwendung der PN- und orthogonalen Codes um eine Chip-Periode zu verzögern. Dies hat den selben Effekt wie die Änderung des Timings der Samples, oder die Dezimierung, wobei eine "zu späte" Version der entspreizten und decodierten Daten produziert wird. Diese entspreizten und decodierten Daten, werden über eine vorgewählte Periode im Akkumulator 414 akkumuliert. Zusätzliche Elemente und Speichergeräte können wie gewünscht benutzt werden. Die akkumulierten zu späten Symboldaten werden im Quadrierelement 416 quadriert. Die resultierenden zu frühen oder zu späten quadrierten Werte, werden entweder voneinander abgezogen, oder miteinander verglichen, um eine erwünschte zu früh/zu spät Timing Differenz im Element 418 zu produzieren. Diese Differenz wird unter Benutzung eines Timing Filters 420 gefiltert, um ein "vorwärtsverschieben (advance)/zurückverschieben (relard)" Signal 422 vorzusehen. Der Zeitverfolgungs-Regelkreis fährt damit fort, zwischen der Benutzung unverzögerter und verzögerter Codes hin- und herzuwechseln, um zu frühe und zu späte Symbole zu produzieren, welche benutzt werden, um Werte für das "vorwärtsverschieben/rückwärtsverschieben" Signal 422 zu aktualisieren oder zu erzeugen. Dies geht weiter, bis das Empfängertiming zurückgesetzt ist, so wie zum Beispiel wenn der Empfänger inaktiviert oder verschoben wird, zur Verfolgung eines neuen Signals, wie es dem Fachmann im entsprechenden Gebiet offensichtlich wäre.
  • Anfängliche und weitergehende Timingsteuerung für das Dezimierungsverfahren und die Verzögerung von Codes, wird von Schaltkreisen so wie zum Beispiel einem Timingsteuerschaltkreis 424 vorgesehen. Das heißt, der Timingsteuerschaltkreis 424 bestimmt das Timing der Sampleauswahl von Dezimator 402. Zur selben Zeit werden PN- Spreiz- und orthogonale Codeerzeugung ebenfalls von Signalen von Timingsteuerschaltkreis 424 gesteuert. Dieses spätere Timing wird manchmal als PN-Einschalt bzw. PN-enable bezeichnet, da es die Anwendung von Codes einschaltet. Es kann auch ein Initialisierungs- oder EPOCH Timing Signal geben. Das Timing, welches vom Timingsteuerschaltkreis 424 ausgewählt wird, wird vom vorwärtsverschieben/rückwärtsverschieben Signal 422 eingestellt, ansprechend auf die Timingregelkreisausgabe. Generell wird das Timing um eine Zeitlänge vorwärtsverschoben, welche ein Bruchteil einer Chipperiode ist, zum Beispiel ein Achtel eines Chips, wobei achtfaches übersampling benutzt wird, um das Eingabesignal vor der Dezimierung zu sammeln. Die Benutzung eines solchen Timings und von Vorwärtsverschiebungs- und Rückwärtsverschiebungsmechanismen, sind auf diesem Gebiet wohl verstanden.
  • Die Größe, um welche jeder Finger oder Digitalempfänger sein Timing einstellt, um sich mit einem Eingabesignal zu synchronisieren, oder darauf auszurichten, wird benutzt, um relative Verzögerungen in der Signalankunftszeit zu bestimmen. Dies wird einfach bewerkstelligt, durch Verfolgung der Gesamtgröße von Zeitveränderung (vorwärtsverschieben/rückwärtsverschieben), welche vom Timingregelkreis 400 benutzt wird. Ein Akkumulator 426 kann benutzt werden, um einfach jedes der vorwärtsverschieben/rückwärtsverschieben Signale oder Befehle, über eine vorgewählte Periode zu akkumulieren und zu summieren. Dies sieht eine Gesamt- oder Nettogröße von Veränderung vor, welche benötigt wird, um das einkommende Signal- und das Empfängertiming aneinander auszurichten. Dies repräsentiert eine Verschiebung des Signals gegenüber des lokalen Benutzerendgerät- oder Empfängertimings. Wo das Timing des Benutzerendgerätes relativ nahe am, oder synchronisiert mit dem Gateway ist, könnte dies ein Maß für die Verzögerung, welche von einem Signal erfahren wird, wenn es zwischen einem Gateway und einem Benutzerendgerät läuft, vorsehen, was die Berechnung des Bereichs erlaubt. Unglücklicherweise verhindern viele Faktoren, so wie zum Beispiel Ungenauigkeit des lokalen Oszillators oder Drift generelle solche direkten Berechnungen.
  • Wie vorher erwähnt wurde, können diese Daten als Teil von anderen Nachrichten oder als dedizierte Zeitinformationssignale ans Gateway gesendet werden. Die Daten können in transienten Speicherelementen zur späteren Transferierung und Benutzung gespeichert werden. Die Information kann auch mit irgendeiner Form von "Zeitmarke" (time stamp) vorgesehen oder gespeichert werden, welche die Zeit der Aufnahme reflektiert, so daß das Gateway eine genaue Zeitbeziehung für die Daten hat, und die Position des Benutzerendgerätes genauer bestimmen kann. Nichts desto weniger ist die Genauigkeit, die in Kommunikationssystemen erwünscht ist, wie oben erwähnt wurde, nicht eine sehr strikte Anforderung. Wenn die Information innerhalb einer sehr kurzen Zeit nach der Aufnahme versendet wird, ist Zeitmarkierung nicht sehr nützlich. Generell werden die Daten innerhalb weniger Daten-Rahmen bzw. Daten-Frames nach ihrer Messung gesendet, und wenn es ein Transferproblem gibt, werden die Daten vor dem Transfer wieder erzeugt, so daß sie nicht mehr als ein paar Frames alt sind. Nichts desto weniger erlaubt Zeitmarkierung mehr Flexibilität bei der Datentransmission und wiederholten Transfer von Signalen, oder Setzen von Signalen, unbeachtet der tatsächlichen Zeit. Andernfalls wird das System sehr wahrscheinlich feste Timing Slots und Meldeanforderungen verwenden, wenn Zeitmarkierung nicht benutzt wird, um ein erwünschtes Niveau von Genauigkeit aufrecht zu erhalten.
  • Das Verfahren ist ähnlich für Signale, die von einem Gateway empfangen werden, mit der Ausnahme, daß ein Pilotsignal nicht detektiert wird, und das die orthogonalen Codes generell mit Zugangs-Prüfungs-Signalen assoziiert sind. Ein Vorteil für ein Gateway ist, daß man sich das Timing als absolute Zeitreferenz denken kann. Das heißt, das Gateway hat ein genaues Systemtiming, wie oben diskutiert, und kann Zeitdifferenzen zur Anwendung von PN- oder orthogonalen Codes relativ zu seiner eigenen Zeit genau bestimmen. Dies erlaubt es einem Gateway, Übergangszeiten oder Entfernungen vom Zustand der PN-Codes, welche für jeden Empfänger oder Finger benutzt werden, genau zu bestimmen. Diese Übergangszeiten oder Entfernungen können bei der Benutzung des Bereichsparameters der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Daher kann, obwohl es in einigen Anwendungen nützlich ist, die Information für jeden Finger unabhängig behandelt werden, und muß nicht unter Benutzung eines Elementes 428, wie vorher, kombiniert werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung von Frequenzmessungen ist in Fig. 5 illustriert, welche einen Überblick über einen Frequenzverfolgungs-Regelkreis 500 für ein Benutzerendgerät präsentiert. Diese Frequenzmessungen können bei der Bestimmung des Bereichs-Raten-Parameters der vorliegenden Erfindung benutzt werden. In Fig. 5 werden Kommunikationssignale vom Analogempfänger in einen Rotierer 502 gegeben. Der Rotierer 502 operiert bei einer vorgewählten, jedoch anpaßbaren bzw. einstellbaren Phase, um restliche Frequenzfehler oder Verschiebungen aus digitalen Datensamples zu entfernen, welche von einem Analogempfänger beim Digitalempfänger oder Finger ankommen.
  • Wenn Signale vom CDMA-Typ verwendet werden, können die Samples an ein oder mehrere Kombinationselemente 504, typischerweise einen Multiplizierer transferiert werden, zur Kombination mit geeigneten System-PN-Spreizcodes, welche von einem oder mehreren Code-Generatoren oder Quellen 506 vorgesehen werden, um Daten zu erhalten. Solche PN- Spreiz- oder orthogonalen Codes können entweder getrennt oder zusammen in einem einzelnen Schritt mit dem Signal kombiniert werden. Wo Verkehrskanäle benutzt werden, um die Frequenz anzupassen bzw. einzustellen, kann ein fast Hadamard transform (FHT) Element benutzt werden, anstelle des Kombinierers 504 und des Codegenerators 506. Diese Technik ist offenbart im U.S. Patent Nummer 6,330,291 mit dem Titel "Frequency Tracking For Orthogonal Walsh Modulation".
  • Rotierte und entspreizte und decodierte Signale werden über eine Symbolperiode im Akkumulator 514 akkumuliert um ein Datensymbol vorzusehen, und die Ergebnisse werden an ein Vektor-Kreuzprodukt-Erzeugungselement oder Generator 518 gegeben. Zur selben Zeit wird jedes Symbol an ein Symbolzeit-Verzögerungselement 516 gegeben, welches eine Verzögerung von einer Symbolperiode vor der Transferierung des Symbols an den Kreuzprodukt-Generator 518 vorsieht.
  • Der Kreuzprodukt-Generator 518 formt ein Vektor-Kreuzprodukt zwischen einem gegebenen Symbol und dem vorangehenden Symbol, um eine Veränderung in der Phase zwischen den Symbolen zu bestimmen. Dies sieht ein Fehlermaß in der Phasendrehung, welche an das Eingabesignal weitergegeben wird, vor. Die Ausgabe des Kreuzprodukt- Generators 518 wird als Frequenz-Fehler-Schätzung oder Anpassungs- bzw. Einstellungsfaktor an den Rotierer 501 und den Codeerzeuger 506 weitergegeben.
  • Die Zeitsteuerung für die Entspreizungs- und Decodierungsverfahren wird von Schaltkreisen, so wie zum Beispiel einem Timingsteuerschaltkreis 524, wie oben diskutiert, vorgesehen. Dieses Timing kann als eine Ausgabe des Timing-Regelkreises, der oben diskutiert wurde, vorgesehen sein.
  • Die Größe, um welche jeder Finger oder Digitalempfänger seine Phase anpaßt, um sich mit einem Eingangssignal auszurichten, wird benutzt, um relative Frequenzverschiebungen in ankommenden Signalen zu bestimmen. Das heißt, die Größe, um welche die Rotiererphase angepaßt werden muß um restliche Fehler in der Signalausrichtung zu entfernen, zeigt die Größe an, um welche die ankommende Signalfrequenz gegenüber der erwarteten oder lokalen Referenzfrequenz für das Benutzerendgerät verschoben ist.
  • Da das Kommunikationssystem innerhalb fester Sätze von Frequenzbändern für Kommunikationssignale operiert, kennen die Empfänger die Mitten- oder nominalen Trägerfrequenzen die benutzt werden sollen. Nichts desto weniger wird das ankommende Signal als Ergebnis von Doppler-Verschiebungen und anderen Effekten, welche minimal sein können, nicht bei der erwarteten Mittenfrequenz sein. Die Anpassungen, die oben diskutiert wurden, definieren eine Verschiebung, welche benutzt werden kann um die Dopplerverschiebungen und die tatsächliche Frequenz des ankommenden Signals zu bestimmen.
  • Dies wird leicht erreicht, durch Verfolgung der Gesamtgröße der Verschiebung, die vom Frequenz-Verfolgungs-Regelkreis 500 implementiert wird. Ein Akkumulator 522 kann benutzt werden, um die Phasenveränderungen von den Fehlerschätzungen, Signalen oder Befehlen über eine vorgewählte Periode einfach zu akkumulieren. Dies sieht eine totale oder Nettogröße der Veränderung vor, welche benötigt wird, um das eingehende Signal und die Empfängerfrequenzen auszurichten, und repräsentiert die Frequenzverschiebung des Signals, von der lokalen Benutzerendgerät- oder Empfängerfrequenz, skaliert auf das passende Frequenzband.
  • Wie vorher können diese Daten als Teil von anderen Nachrichten, oder als dedizierte Frequenz-Informations-Signale an das Gateway geschickt werden. Die Daten können in einem transienten Gedächtnis bzw. Speicher gespeichert werden, zum späteren Transfer und können auch mit irgendeiner Form von "Zeitmarke" versehen werden. Nichts desto weniger ist dies generell nicht notwendig, da die Daten innerhalb weniger Datenframes nach ihrer Messung gesendet werden, und regeneriert werden können, wenn es ein Problem gibt. Andernfalls wird das System sehr wahrscheinlich feste Timing Slots verwenden, wenn Zeitmarkierung nicht benutzt wird, um ein gewünschtes Niveau von Genauigkeit aufrecht zu erhalten.
    • III. Verfügbare Parameter
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung benutzt zwei Parameter: Bereich und Bereichsrate. Diese Parameter beschreiben die zeitlichen und räumlichen Beziehungen zwischen Benutzerendgerät 106 und Satellit 104. Diese Parameter und ihre Messung und Anwendung sind unten beschrieben.
  • Fig. 6 zeigt die Projektion auf die Erdoberfläche von iso-Konturen, die diese Parameter repräsentieren. Eine iso-Kontur eines Parameters ist eine Kurve, welche alle Punkte verbindet, die den selben Wert des Parameters haben. Fig. 6 zeigt den Unterpunkt 614 eines Satelliten 104 (das heißt, den Punkt auf der Oberfläche der Erde, der direkt unter dem Satelliten ist) und eine Projektion auf die Oberfläche der Erde, von iso-Konturen für Bereich und Bereichs-Raten-Parameter, die auf den Satelliten 104 bezogen sind. Zwei Achsen, die x- Achse 602A und die y-Achse 602B, in Einheiten von eintausend Kilometern, sind vorgesehen, um eine exemplarische Skale zu illustrieren.
  • Range (Bereich). Der Bereichsparameter repräsentiert die Entfernung zwischen einem Satelliten und einem Benutzerendgerät. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Bereichsparameter die Entfernung R zwischen einem Satelliten 104 und einem Benutzerendgerät 106. Die Projektion einer iso-R Kontur auf die Oberfläche der Erde, beschreibt einen Kreis, der unterhalb des relevanten Satelliten zentriert ist, wie generell bei 604 in Fig. 4 gezeigt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird R durch Messung der round-trip-delay (RTD) bzw. Umlaufverzögerung eines Signals erhalten, welches von einem Satelliten 104 an ein Benutzerendgerät 106 und zurück zum selben Satelliten 104 gesendet wird. R wird dann bestimmt, indem RTD durch zwei geteilt wird, um eine Ein-Weg-Verzögerung zu ergeben, und indem das Ergebnis mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert wird, welche die Geschwindigkeit des Signals repräsentiert. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird RTD als ein Bereichsparameter benutzt.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird RTD durch das folgende Verfahren gemessen. Zuerst wird ein Signal, welches eine bekannte, laufende PN-Sequenz oder Spreizcode enthält, vom Gateway 102 gesendet. Das Signal wird an das Benutzerendgerät 106 von einem Satelliten 104 weitergegeben. Das Benutzerendgerät 106 schickt das Signal entweder sofort oder nach einer bekannten Verzögerung zurück. Das zurückgeschickte Signal wird von demselben Satelliten 104 zurück zum Gateway 102 weitergeleitet. Das Gateway 102 vergleicht dann den Zustand der PN-Sequenz im empfangenen Signal mit dem Zustand der lokalen PN-Sequenz. Die Differenz in den Zuständen wird dann benutzt, um die gesamte Rundlaufverzögerung zu bestimmen, welche bekannte Verzögerung zwischen dem Gateway 102 und dem Satelliten 104 einschließt. Diese Verzögerungen sind bekannt, weil die Entfernung zwischen dem Satelliten 104 und dem Gateway 102 vom Gateway 102 aufrecht erhalten wird, wie es in diesem relevanten Gebiet wohl bekannt ist. Subtraktion dieser bekannten Verzögerungen von der gesamten Umlaufverzögerung ergibt die RTD. Unter Benutzung bekannter Satelliten-Ephemeriden, werden die bekannten Verzögerungen zwischen dem Gateway 102 und dem Satelliten 104, durch verschiedene Methoden die auf diesem Gebiet wohl bekannt sind, berechnet.
  • Wie es einem Fachmann auf diesem relevanten Gebiet offensichtlich wäre, können andere Methoden verwendet werden, um R zu erhalten, ohne vom Geist und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, kann die Umlaufverzögerung entweder während eines Anrufs oder während eines Anrufaufbaus gemessen werden. Wenn die Messung während des Anrufaufbaus stattfindet, wird das gemessene Signal für gewöhnlich vom Gateway 102 an das Benutzerendgerät 106 als Teil des Paging-Signals geschickt, und wird dann vom Benutzerendgerät 106 ans Gateway 102 als Teil des Zugangssignals zurückgeschickt. Wenn die Messung während eines Anrufs stattfindet, wird das gemessene Signal für gewöhnlich vom Gateway 102 an das Benutzerendgerät 106 und zurück als Teil des Verkehrssignals geschickt. Wie es einem Fachmann auf diesem relevanten Gebiet offensichtlich wäre, kann das gemessene Signal ein anderer Typ von Signal sein, oder kann in andere Signale wie erwünscht eingebaut werden, ohne vom Geist und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Bereichs-Rate. Der Bereichsratenparameter repräsentiert die relative radiale Geschwindigkeit zwischen einem Benutzerendgerät 106 und einem Satelliten 104. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist der Bereichsratenparameter die relative radiale Geschwindigkeit R* zwischen einem Benutzerendgerät 106 und einem Satelliten 104. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist der Bereichsratenparameter die Doppler-Verschiebung RTDop in den Signale, die zwischen einem Benutzerendgerät 106 und einem Satelliten 104 gesendet werden. R* kann berechnet werden, indem RTDop mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert wird und durch die Mittenträgerfrequenz geteilt wird. Die Projektion von iso-RTDop Konturen auf die Oberfläche der Erde, beschreibt einen Satz von hyperbolischen Kurven, die bezüglich des Geschwindigkeitsvektors 616 des relevanten Satelliten symmetrisch sind, wie generell bei 606 in Fig. 6 gezeigt. Die RTDop = 0 Kontur, welche durch den Unterpunkt 614 des Satelliten 104 geht, beschreibt eine gerade Linie.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird R bestimmt, indem zwei Frequenzmessungen genommen werden, eine beim Benutzerendgerät 106 und eine beim Gateway 102, mit dem folgenden Verfahren. Das Benutzerendgerät 106 mißt die Frequenz eines Signals, welches vom Gateway 102 durch einen Satelliten 104 empfangen wird, und meldet diese Frequenz an das Gateway 102. Das Gateway 102 mißt die Frequenz eines Signals, welches vom Benutzerendgerät 106 durch denselben Satelliten 104 empfangen wird. Daher stehen am Gateway 102 zwei Frequenzmessungen zur Verfügung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Frequenzen relativ zu lokalen Oszillatorfrequenzen gemessen. Die tatsächliche Frequenz kann dann, wie unten beschrieben, erhalten werden. Diese Technik ist auch im gemeinschaftlichen U.S. Patent Nummer 5,943,606 mit dem Titel "Determination of Frequency Offsets in Communication Systems" offenbart.
  • Diese Messungen können repräsentiert werden, durch zwei Gleichungen, die sich auf zwei Unbekannte beziehen: die relative radiale Geschwindigkeit R* und einen normierten Offset foff/f&sub0; des lokalen Oszillators des Benutzerendgeräts 106. Dieses Paar von Gleichungen kann nach diesen beiden Unbekannten aufgelöst werden, wobei man nicht nur R*, sondern auch foff/f&sub0; erhält, welches eine Messung ist, die nützlich in anderen Aspekten des Betriebs von Satellitenkommunikationssystemen ist, wie es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet offensichtlich wäre.
  • Die Herleitung dieser beiden Gleichungen ist graphisch in den Fig. 7A und 7B dargestellt. Fig. 7A ist eine graphische Darstellung der Komponenten der Frequenz, die am Benutzerendgerät 106 gemessen wird. Fig. 7B ist eine graphische Darstellung der Komponenten der Frequenz, die am Gateway 102 gemessen wird.
  • R* = relative radiale Geschwindigkeit zwischen Satellit 104 und Benutzerendgerät 106
  • c = Fortpflanzungsgeschwindigkeit, bzw. Signalgeschwindigkeit
  • (Lichtgeschwindigkeit)
  • fF = nominale Frequenz der Vorwärtsverbindung
  • fR = nominale Frequenz der Rückwärtsverbindung
  • f&sub0; = nominale Frequenz des lokalen Oszillators des Benutzerendgeräts 106
  • foff = Frequenz offset des lokalen Oszillators des Benutzerendgeräts 106
  • foff/f&sub0; = normierter Frequenz offset des lokalen Oszillators des Benutzerendgeräts 106.
  • Bezugnehmend auf Fig. 7A ist die Frequenz, die am Benutzerendgerät 106 gemessen wird, gegeben durch:
  • bezugnehmend auf Figur B ist die Frequenz, die am Gateway 102 gemessen wird, gegeben durch:
  • Addition und Subtraktion von (1) und (2) ergibt sowohl den Frequenz offset als auch die relative radiale Geschwindigkeit, gemäß den Beziehungen:
  • Wie es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet offensichtlich wäre, können andere Methoden verwendet werden, um R* zu erhalten.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, können die Frequenzmessungen entweder während eines Anrufs oder während des Anrufaufbaus stattfinden. Wenn die Messung während des Anrufaufbaus stattfindet, ist das Signal, das am Benutzerendgerät 106 gemessen wird das Pagingsignal und das Signal, das am Gateway 102 gemessen wird, ist das Zugangssignal. Wenn die Messung während eines Anrufs stattfindet, sind die Signale, die am Benutzerendgerät 106 und am Gateway 102 gemessen werden, Verkehrssignale. Wie es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet offensichtlich wäre, können andere Signale verwendet werden, ohne vom Geist und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
    • IV. Positionierungsverfahren
  • Die zwei Parameter, die oben beschrieben wurden, können benutzt werden, um die Position eines Benutzerendgeräts 106 zu bestimmen. Als Hilfe zum Verständnis der vorliegenden Erfindung werden physikalische Repräsentationen der Parameter als iso-Parameter Konturen projiziert auf die Oberfläche der Erde, präsentiert.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, basiert die Positionsbestimmung auf den Bereichs- und Bereichsratenparametern. In Fig. 6 ist der Bereichsparameter R und der Bereichsratenparameter ist RTDop. Bezugnehmend auf Fig. 6 ist eine iso-R Kontur gezeigt, welche generell bei 604 gezeigt ist, welche einen Kreis formt, der einen Bereich von 2000 Kilometer zwischen dem Benutzerendgerät 106 und dem Satelliten 104 repräsentiert.
  • Fig. 6 zeigt auch eine Familie von iso-RTDop Konturen, wie generell bei 606 gezeigt. Die iso-RTDop Konturen sind hyperbolisch und sind bezüglich des Geschwindigkeitsvektors 616 des Satelliten 104 symmetrisch. Jede RTDop Kontur verbindet diejenigen Punkte auf der Erdoberfläche, welche dieselbe Dopplerverschiebung bezüglich des Satelliten 104 erfahren. Die iso-RTDop Konturen sind in kfH eingeteilt, wobei die RTDop = 0 Kontur durch den Unterpunkt 614 des Satelliten 104 geht.
  • Dieses Positionierungsverfahren leidet unter zwei Problemen. Das erste Problem ist die Positions-Nichteindeutigkeit. Zum Beispiel betrachte man einen Fall, wo R = 2000 km und RTDop = +30 kHz ist. Bezugnehmend auf Fig. 6 schneidet die R = 2000 km Kontur, die RTDop = +30 kHz Kontur, bei zwei Punkten 610A und 610B. Ohne weitere Information kann nicht bestimmt werden, ob das Benutzerendgerät 106 am Punkt 610A oder 61 OB ist. Daher ist diese Lösung uneindeutig.
  • Das zweite Problem ist als Geometrie Dilution of Precision (GDOP) bzw. Geometrische Abschwächung der Präzision bekannt. Eine GDOP "Singularität" tritt auf, wenn ein kleiner Fehler in einer Messung einen großen Fehler in der Positionslösung verursacht. Wenn die Bereichs- und Bereichsraten Konturen tangential oder nahe tangential sind, wie in Fig. 6 bei Punkt 610C gezeigt, wird ein kleiner Fehler in einem der Parameter einen großen Positionsfehler verursachen. Ohne weitere Positionsinformation kann eine Positionierungsmethode, welche nur die Bereichs- und Bereichsratenparameter benutzt, unter einer GDOP Singularität leiden.
  • Diese Probleme können auf wenigstens zwei Arten gelöst werden. Zuerst kann zusätzliche Information, sowohl Positions-Uneindeutigkeiten als auch GDOP Singularitäten auflösen. Diese Information kann von zusätzlichen Messungen, oder durch die Benutzung von anderen Parametern, so wie zum Beispiel welcher Satellitenstrahl benutzt wird, vorgesehen werden. Eine solche Technik ist offenbart im gemeinschaftlichen U. S. Patent Nummer 5,920,284 mit dem Titel "Ambiguity Resolution for Ambiguous Position Solutions using Satellite Beams". Zum zweiten können die Probleme gelöst werden, indem mit einer guten Schätzung der Position des Benutzerendgeräts 106 begonnen wird, so wie zum Beispiel seiner letzten bekannten Position.
  • Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein oder mehrere Bereichsparameter werden bestimmt, wie oben beschrieben, und in einem Schritt 802 gezeigt. Ein oder mehrere Bereichsratenparameter werden bestimmt, wie oben beschrieben, und in einem Schritt 806 gezeigt. Dann wird die Position des Benutzerendgeräts auf der Erdoberfläche, basiert auf den bekannten Positionen und Geschwindigkeiten des Satelliten und den Bereichs- und Bereichsratenparametern bestimmt, wie in einem Schritt 810 gezeigt und unten beschrieben.
    • V. Positionierungsdurchführung
  • Bevor man die Durchführung der Positionierung im Detail beschreibt, ist es nützlich zunächst eine exemplarische Umgebung, in welcher das Positionierungsverfahren der vorliegenden Erfindung operieren kann, zu beschreiben. Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, welches solch eine Beispielumgebung illustriert. Die Umgebung ist ein Computersystem 900, das einen Teil des Steuerprozessors 220 und/oder des Steuerprozessors 320 formen kann. Das Computersystem 900 schließt einen oder mehrere Prozessoren, sowie den Prozessor 904 ein. Der Prozessor 904 ist mit einem Kommunikationsbus 906 verbunden. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden in den Begriffen dieses Beispiel-Computersystems beschrieben. Nach dem Lesen dieser Beschreibung, wird es einem Fachmann im relevanten Gebiet offensichtlich sein, wie die Positionierungsmethode der vorliegenden Erfindung unter Benutzung anderer Computersysteme, Computerarchitekturen, Hardwarezustandsmaschinen (bzw. Hardwarestatemachines), Look up Tabellen und ähnlichem und verschiedenen Kombinationen von diesen zu implementieren ist.
  • Das Computersystem 900 schließt auch ein Hauptgedächtnis, bzw. einen Hauptspeicher 908 ein, vorzugsweise Random Access Memory (RAM) und kann auch einen sekundären Speicher 910 einschließen. Der sekundäre Speicher 910 kann zum Beispiel eine Festplatte 912 und/oder ein abnehmbares Speicherlaufwerk 914, welches ein Diskettenlaufwerk repräsentiert, ein magnetisches Bandlaufwerk, ein optisches Plattenlaufwerk, etc. umfassen. Das abnehmbare Speicherlaufwerk 914 liest von und/oder schreibt auf eine abnehmbare Speichereinheit 918 auf eine wohlbekannte Weise. Die abnehmbare Speichereinheit 918 repräsentiert eine Diskette, ein magnetisches Band, ein optisches Speichermedium, etc. Wie erkannt werden wird, schließt die abnehmbare Speichereinheit 918, ein vom Computer benutzbares Speichermedium ein, welches darin Computer Software und/oder Daten gespeichert hat.
  • In alternativen Ausführungsbeispielen kann der sekundäre Speicher 910 andere, ähnliche Mittel einschließen, um es zu erlauben, daß Computerprogramme oder andere Anweisungen in das Computersystem 900 geladen werden. Solche Mittel können zum Beispiel eine abnehmbare Speichereinheit 922 und ein Interface 920 einschließen. Beispiele können einen Programmeinsatz bzw. Kassette und ein Einsatzinterface bzw. Kassetteninterface (so wie das, welches man in Videospielgeräten findet), einen abnehmbaren Speicherchip (so wie zum Beispiel ein EPROM oder PROM) und einen zugehörigen Sockel, und andere abnehmbare Speichereinheiten 922 und Interfaces 920 einschließen, welche es erlauben, daß Software und Daten von der abnehmbaren Speichereinheit 922 in das Computersystem 900 transferiert werden.
  • Das Computersystem 900 kann auch ein Kommunikationsinterface 924 einschließen. Das Kommunikationsinterface 924 erlaubt es, daß Software und Daten zwischen dem Computersystem 900 und externen Geräten, durch den Kommunikationspfad 926 transferiert werden. Beispiele für das Kommunikationsinterface 924 können ein Modem, ein Netzwerkinterface (so wie eine Ethernetkarte), eine Kommunikationsschnittstelle, etc. einschließen. Software und Daten, welche durch das Kommunikationsinterface 924 transferiert werden, sind in Form von Signalen, welche elektronisch, elektromagnetisch, optisch oder andere Signale sind, welche in der Lage sind, vom Kommunikationsinterface 924 durch den Kommunikationspfad 926 empfangen zu werden.
  • Der Betrieb der Positionierungsmethode der vorliegenden Erfindung, wird in den Begriffen dieser Beispielumgebung beschrieben. Die Beschreibung in diesen Begriffen ist nur zur Bequemlichkeit vorgesehen. Es ist nicht beabsichtigt, daß der Betrieb der Positionierungsmethode der vorliegenden Erfindung, auf die Anwendung in dieser Beispielumgebung begrenzt ist. Tatsächlich wird es einem Fachmann auf dem relevanten Gebiet nach dem Lesen der folgenden Beschreibung offensichtlich werden, wie die Positionierungsmethode der vorliegenden Erfindung in alternativen Umgebungen implementiert werden kann.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Position des Benutzerendgeräts 106 durch Ausführung der Positionierungsmethode am Computersystem 900, die unten beschrieben ist, bestimmt. Wie es dem Fachmann im relevanten Gebiet offensichtlich wäre, kann die Positionierungsmethode von einer Hardware-Statemachine durch look up Tabellen oder ähnliches durchgeführt werden.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wird ein M · 1 Vektor von Parametern, der als z bezeichnet ist, konstruiert, der aus dem M Parametern besteht, die in der Positionsbestimmung benutzt werden sollen. Der Vektor z kann einen oder mehrere von allen der oben beschriebenen Parameter einschließen. Wie im Gebiet wohl bekannt ist, sind die Parameter nicht-lineare Funktionen des zweidimensionalen Positionsvektors x des Benutzerendgeräts,
  • x = [lat long]T (5)
  • wobei ein hochgestelltes "T" das transponierte einer Matrix oder eines Vektors darstellt, gemäß:
  • z = h(x) + ν (6)
  • wobei der M · 1 Vektor v die Meßfehler repräsentiert, und h die nicht-lineare Funktion ist, welche die Beziehung zwischen den gemessenen Parametern und der Position des Benuzerendgeräts 106 beschreibt. h ist auch eine Funktion der Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten 104A und 104B. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Positionsvektor x des Benutzerendgeräts durch drei Cartesische Koordinaten anstatt durch Breite und Länge definiert sein, wie in Gleichung (7) gezeigt.
  • x = [xyz]T (7)
  • Gemäß der Gausschen Methode der Linearisierung, wird eine M x K Matrix H der partiellen Ableitungen konstruiert, um die Position des Benutzerendgeräts 106 aufzulösen, wobei K die Zahl der Positions-Unbekannten ist, und deren (m, k) Element die partielle Ableitung der mten Messung bezüglich des k-ten Positionsparameters, bestimmt an einer gegeben Position x, ist. Wenn zum Beispiel der Positionsvektor Länge und Breite beschreibt, so wie in Gleichung (5), dann ist K gleich 2 und die Elemente in der k = 1 Spalte der Matrix H beschreiben die partiellen Ableitungen bezüglich der Breite des Benutzerendgerätes 106 und die Elemente in der k = 2 Spalte beschreiben die partiellen Ableitungen bezüglich der Länge des Benutzerendgerätes 106. Wenn der Positionsvektor im Cartesischen Koordinaten ist (K = 3) beziehen sich die k(1, 2,3) Spalten von H jeweils auf die (x, y, z) Koordinaten. Wenn Cartesische Koordinaten benutzt werden, wird eine zusätzliche Gleichung benutzt, um anzuzeigen daß die Summe der Quadrate der Koordinaten das Quadrat des Radius der Erde ist. Die Beziehung zwischen x und H ist gegeben durch:
  • H = H(x) = ∂h/∂x (8)
  • Eine iterative, gewichtete Methode der kleinsten Quadrate wird benutzt, um die unbekannten Positionsparameter aufzulösen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist das verwendete Verfahren, das gewichtete Gauß-Newton-Verfahren, welches offenbart wurde von H. W. Sorensen in Parameter Estimation - Principles and Problems, New York, Marcel Dekker, 1980. Die iterative Gleichung ist gegeben durch die Beziehung:
  • Wobei i und i+1 die gegenwärtigen und nächsten Schätzungen der jeweiligen Position sind, und wobei W eine M x M Gewichtsmatrix ist. Das tiefgestellte i repräsentiert die Iterationsnummer, wobei i = 0 die erste Iteration repräsentiert. Matrizen oder Vektoren, die auf einer Positionsschätzung basiert sind, werden mit einem hochgestellten "^" angezeigt. Ein Referenzpunkt, so wie zum Beispiel die letzte bekannte Position des Benutzerendgeräts 106, wird als Anfangspositions-Schätzung ausgewählt. Wenn keine letzte Position bekannt ist, kann jede Position, so wie zum Beispiel die Position des Gateway 102, benutzt werden.
  • = H( i) (10)
  • ist die Matrix der partiellen Ableitungen, bestimmt bei der gegenwärtigen Positionsschätzung und
  • = h( i) (11)
  • sind die erwarteten fehlerfreien Parameter, die bestimmt wurden unter Benutzung der gegenwärtigen Positionsschätzung. Die Iterationen enden, wenn die Differenz zwischen i und i+1 unter eine vorbestimmte Schwelle fällt. Die Schwelle wird bestimmt von dem Systemdesignern und/oder den Betreibern, basierend auf der Systemgenauigkeit wie es einem Fachmann auf dem relevanten Gebiet offensichtlich wäre. Zum Beispiel kann diese Schwelle basiert sein auf der Chipgenauigkeit der Messungen und der Chiprate.
  • Die Elemente der M · M Gewichtsmatrix W sehen Mittel vor, um den Einfluß spezifischer Parameter auf die geschätzte Position zu betonen, wenn es mehr Parameter als Unbekannte gibt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gewichtsmatrix W eine Diagonalmatrix, deren Elemente die relative Genauigkeit reflektieren, mit der jeder Parameter bestimmt werden kann. Daher sind die Werte der Elemente eingestellt und zwar basierend auf den bekannten Meßgenauigkeiten des Systems, wie es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet offensichtlich wäre. Daher wird einem Parameter, der auf einer sehr genauen Messung basiert, mehr Signifikanz gegeben, als einem Parameter der nicht so genau gemessen werden kann. Die Elemente der Gewichtsmatrix werden mit vorbestimmten Werten initialisiert, können jedoch dynamisch angepaßt werden. Die optimale Genauigkeit wird erhalten, wenn die Gewichtsmatrix als die Inverse der Covarianzmatrix des Meßfehlers gewählt wird.
  • Wenn die Meßfehler gegenseitig unabhängig sind, mit einem Mittelwert von Null und mit den Varianzen:
  • σ²m = 1, 2, ..., M (12)
  • dann ist W eine Diagonalmatrix mit σ²m als ihren Diagonalelementen.
  • Mit dieser Wahl für W ist die Varianz des k-ten Elements des geschätzten Positionsvektors x gegeben durch:
  • σ²k = (HT WH) k = 1, 2 (13)
  • Schlußendlich ist der kombinierte, theoretische horizontale Positionsfehler in Einheiten des Abstands gegeben durch:
  • wobei RE der Erdradius ist.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel benutzt das Positionierungsverfahren das Modell eines glatten Ellipsoids für die Erdoberfläche. In einem anderen Ausführungsbeispiel benutzt das Positionierungsverfahren anfangs das Modell eines glatten Ellipsoidmodells für die Erdoberfläche, so wie zum Beispiel das WGS-84 Erdmodell. Wenn die Werte von x konvergieren, so daß die Differenz zwischen i und i+1 kleiner ist als eine vorbestimmte Schwelle, wird ein detailliertes, digitales Geländemodell anstelle des glatten Modells eingesetzt, und die Iterationen fahren fort, bis die Werte von x konvergieren, so daß die Differenz zwischen i und i+1 kleiner ist als eine zweite vorbestimmte Distanzschwelle. Dadurch werden alle Fehler, die durch die Erhebung des Benutzerendgerätes 106 eingeführt werden, gelindert. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das detaillierte digitale Geländemodell nach einer vorbestimmten Anzahl von Iterationen eingesetzt. Die Werte der Abstandsschwellen und die Zahl der Iterationen, die oben beschrieben wurden, werden gemäß verschiedener Faktoren bestimmt, wie es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet offensichtlich wäre.
    • VI. Schlussfolgerungen
  • Während verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, sollte es sich verstehen, daß sie zum Zwecke des Beispiels und nicht der Einschränkung gegeben wurden. Den Fachleuten auf dem relevanten Gebiet wird es offensichtlich sein, daß verschiedene Änderungen in Form und Detail darin gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (18)

1. Ein Positionsbestimmungssystem für ein Satelliten-Kommunikations-System, wobei das Positionsbestimmungssystem folgendes umfaßt:
Ein Benutzer-Endgerät (106A, 106B, 106C);
Einen Satelliten (104) mit einer bekannten Position und einer bekannten Geschwindigkeit;
Ein Gateway (102) zur Kommunikation mit dem erwähnte Benutzerendgerät (106A, 106B, 106C) durch den erwähnten Satelliten (104), dadurch charakterisiert, daß es weiterhin folgendes umfaßt:
Bereichsparameter-Bestimmungs-Mittel (220) zur Bestimmung eines Bereichsparameters;
Bereichs-Raten-Bestimmungs-Mittel (220) zur Bestimmung eines Bereichs- Raten-Parameters, der Frequenzmessungen eines ersten Signals und eines zweiten Signals repräsentiert;
Erste Frequenz-Messungs-Mittel (220) im erwähnten Benutzer-Endgerät zur Messung einer Frequenz des erwähnten ersten Signals, wobei das erwähnte erste Signal vom erwähnten Gateway durch den erwähnten Satelliten empfangen wird;
Sende-Mittel (230,232) im erwähnten Benutzer-Endgerät zum Senden der erwähnten Frequenzmessungen des erwähnten ersten Signals zum erwähnten Gateway;
Zweite Frequenz-Messungs-Mittel (320) im erwähnte Gateway (102) zur Messung einer Frequenz des erwähnten zweiten Signals, wobei das erwähnten zweite Signal vom erwähnten Benutzer-Endgerät durch den erwähnten Satelliten empfangen wird; und
Positions-Bestimmungs-Mittel (320) im erwähnten Gateway zur Bestimmung einer Position des erwähnten Benutzer-Endgeräts auf der Erdoberfläche basiert auf der erwähnten bekannten Position und Geschwindigkeit des erwähnten Satelliten, dem erwähnten Bereichs-Parameter und dem erwähnten Bereichs- Raten-Parameter.
2. Das Positions-Bestimmungs-System nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Bereichsparameter eine Entfernung zwischen dem erwähnten Satelliten und dem erwähnten Benutzer-Endgerät repäsentiert.
3. Das Positions-Bestimmungs-System nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Bereichs-Parameter eine Umlaufverzögerung repräsentiert, wobei das System weiterhin folgendes umfaßt:
Umlauf-Verzögerungs-Messungs-Mittel im erwähnten Gateway zur Messung einer Umlaufverzögerung eines Signals, welches vom erwähnten Gateway an das erwähnte Benutzer-Endgerät durch den erwähnten Satelliten gesendet wird und vom erwähnten Benutzer-Endgerät zum erwähnten Gateway durch den erwähnten Satelliten zurückgesendet wird.
4. Das Positionsbestimmungssystem nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei der erwähnte Bereichs-Raten-Parameter eine relative radiale Geschwindigkeit zwischen dem erwähnten Satelliten und dem erwähnten Benutzerendgerät repräsentiert.
5. Das Positionsbestimmungssystem nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, welches weiterhin folgendes aufweist:
Mittel zur Teilung der erwähnten Frequenz des erwähnten ersten Signals durch eine nominale Frequenz des erwähnten ersten Signals, um ein erstes Verhältnis zu produzieren;
Mittel zur Teilung der erwähnten Frequenz des erwähnten zweiten Signals durch die nominale Frequenz des erwähnten zweiten Signals, um ein zweites Verhältnis zu produzieren; und
Mittel zur Multiplizierung der Summe des erwähnten ersten und zweiten Verhältnisses mit der halben Lichtgeschwindigkeit, um den erwähnten Bereichs-Raten-Parameter zu erhalten.
6. Das Positionsbestimmungssystem nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erwähnten Positionbestimmungsmittel (320) folgendes aufweisen:
Mittel zur Erzeugung eines Mx1 Parametervektors z, der die erwähnten Parameter umfaßt, wobei M die Zahl der bestimmten Parameter ist; Mittel zur Erzeugung eines Positionsvektors x, der einen anfänglichen Referenzpunkt repräsentiert; und
Mittel zur Erzeugung einer partiellen Ableitungsmatrix H, welche Information enthält, bezüglich der erwähnten, bekannten Positionen und Geschwindigkeiten des erwähnten Satelliten und ein Erdmodell, welches die Form der Erde beschreibt, wobei die Beziehung zwischen x und H gegeben ist durch:
Mittel zur Erzeugung einer M · M Gewichtsmatrix W, um den Einfluß spezifischer Parameter zu betonen; und
Mittel zur Ausführung der iterativen Gleichung: wobei xi und xi+1 die gegenwärtigen und nächsten jeweiligen Positionsschätzungen sind, und i die Iterationsnummer repräsentiert, bis die Differenz zwischen xi und xi+1 unter eine erste vorbestimmte Schwelle fällt.
7. Das Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 6, wobei die erwähnte Positionsbestimmungsmittel (320) weiterhin Mittel zur Benutzung eines glatten Modells der Erde aufweisen, bis die Differenz zwischen xi und xi+1 unter eine zweite vorbestimmte Schwelle fällt, und danach ein detailliertes digitales Geländemodell der Erde.
8. Das Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erwähnte Gewichtsmatrix W, die Inverse der Meßfehler-Kovarianzmatrix ist.
9. Das Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die erwähnten Positionsbestimmungsmittel weiterhin Mittel zur Benutzung eines glatten Modells der Erde für die ersten n Iterationen umfassen, und danach ein detailliertes digitales Geländemodell der Erde, wobei n eine vorbestimmte Zahl ist.
10. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Benutzerendgeräts in einem Kommunikationssystem; welches das Benutzerendgerät, einen Satelliten mit einer bekannten Position und einer bekannten Geschwindigkeit und ein Gateway zur Kommunikation mit dem Benutzerendgerät durch den Satelliten umfaßt, wobei die Methode folgendes aufweist:
Bestimmung eines Bereichs-Parameters;
Bestimmung eines Bereichs-Raten-Parameters, der Frequenzmessungen eines ersten Signals und eines zweiten Signals repräsentiert;
Messung einer Frequenz des erwähnten ersten Signals im erwähnten Benutzerendgerät; wobei das erwähnte erste Signal vom erwähnten Gateway durch den erwähnten Satelliten empfangen wird,
Senden der erwähnten Frequenzmessung des erwähnten ersten Signals vom erwähnten Benutzerendgerät zum erwähnten Gateway;
Messung einer Frequenz des erwähnten zweiten Signals, im erwähnten Gateway, wobei das erwähnte zweite Signal vom erwähnten Benutzerendgerät durch den erwähnten Satelliten empfangen wird; und
Bestimmung einer Position des erwähnten Benutzerendgeräts auf der Erdoberfläche im erwähnten Gateway, basiert auf der erwähnten, bekannten Position und Geschwindigkeit des erwähnten Satelliten, dem erwähnten Bereichs-Parameter und dem erwähnten Bereichs-Raten-Parameter.
11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erwähnte Bereichs-Parameter eine Entfernung zwischen dem erwähnten Satelliten und dem erwähnten Benutzerendgerät repräsentiert. ·
12. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erwähnte Bereichs-Parameter eine Umlaufverzögerung repräsentiert, wobei die Methode weiterhin Messung einer Umlaufverzögerung eines Signals im erwähnten Gateway umfaßt, welches vom erwähnten Gateway zum erwähnten Benutzerendgerät durch den erwähnten Satelliten gesendet wird und vom erwähnten Benutzerendgerät an das erwähnte Gateway durch den erwähnten Satelliten zurückgeschickt wird.
13. Das Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei der erwähnte Bereichs-Raten- Parameter eine relative radiale Geschwindigkeit zwischen dem erwähnten Satelliten und dem erwähnten Benutzerendgerät repräsentiert.
14. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 10 bis 13, welches weiterhin folgendes aufweist:
Teilen der erwähnten Frequenz des erwähnten ersten Signals durch die nominale Frequenz des erwähnten ersten Signals, um ein erstes Verhältnis zu produzieren;
Teilen der erwähnten Frequenz des erwähnten zweiten Signals durch die nominale Frequenz des erwähnten zweiten Signals, um ein zweites Verhältnis zur produzieren; und
Multiplizieren der Summe der erwähnten ersten und zweiten Verhältnisse mit der halben Lichtgeschwindigkeit, um den erwähnten Bereichs-Raten-Parameter zu erhalten.
15. Das Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die erwähnte Positionsbestimmung folgendes umfaßt:
Erzeugung eines Mx1 Parametervektors z, der die erwähnten Parameter umfaßt, wobei M die Zahl der bestimmten Parameter ist;
Erzeugung eines Positionsvektors x, der einen anfänglichen Referenzpunkt repräsentiert;
Erzeugung einer partiellen Ableitungsmatrix H, welche Information bezüglich der erwähnten, bekannten Positionen und Geschwindigkeiten des erwähnten Satelliten enthält und ein Erdmodell, welches die Form der Erde beschreibt, wobei die Beziehung zwischen x und H gegeben ist durch:
Erzeugung einer M · M Gewichtsmatrix W, um den Einfluß spezifischer Parameter zu betonen; und
Ausfüllung der iterativen Gleichung: wobei xi und xi+1 die gegenwärtigen und nächsten jeweiligen Positionsschätzungen sind, und i die Iterationsnummer repräsentiert, bis die Differenz zwischen xi und xi+1 unter eine erste vorbestimmte Schwelle fällt.
16. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erwähnte Positionsbestimmung weiterhin die Benutzung eines glatten Modells der Erde umfaßt, bis die Differenz zwischen xi und xi+1 unter eine zweite vorbestimmte Schwelle fällt, und danach ein detailliertes digitales Geländemodell der Erde.
17. Das Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die erwähnte Gewichtsmatrix W die Inverse der Meßfehler-Kovarianzmatrix ist.
18. Das Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei die erwähnte Positionsbestimmung weiterhin die Benutzung eines glatten Modells der Erde für die ersten n Iterationen umfaßt, und danach ein detailliertes digitales Geländemodell der Erde, wobei n eine vorbestimmte Zahl ist.
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