DE69719045T2

DE69719045T2 - Unzweideutiges positionsbestimmungsverfahren und -system mittels zweier satelliten niedriger umlaufbahn

Info

Publication number: DE69719045T2
Application number: DE69719045T
Authority: DE
Inventors: Nadav Levanon; Sridhar Vembu; B. Victor
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2017-09-27
Also published as: AU719702B2; CA2267390A1; HK1021568A1; EP0929822A1; KR100360525B1; AU4654297A; EP0929822B1; KR20000049032A; DE69719045D1; JP2001501313A; CN1188708C; CA2267390C; CN1239550A; US6327534B1; WO1998014797A1; ATE232608T1; JP3943138B2; RU2256935C2; TW367417B

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Positionsbestimmung bzw. Ortung von Objekten unter Verwendung von Satelliten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Terminals bzw. Endgerätes eines Nutzers in einem Satellitenkommunikationssystem bzw. Satellitennachrichtensystem mittels Messungen, die an beiden Enden einer Kommunikationsverbindung ausgeführt werden.

11. Stand der Technik

Ein typisches satellitenbasiertes Kommunikationssystem umfaßt zumindest eine terrestrische Basisstation (im folgenden als ein Gateway bezeichnet), zumindest ein Terminal bzw. Endgerät eines Nutzers (beispielsweise ein mobiles Telefon) und zumindest einen Satelliten zur Weiterleitung von Kommunikationssignalen zwischen dem Gateway und dem Terminal des Nutzers. Der Gateway bietet Verbindungen von einem Terminal eines Nutzers zu Terminals anderer Nutzer oder zu anderen Kommunikationssystemen, etwa zu einem terrestrischen Telefonsystem.
Eine Vielzahl von Vielfachzugriff-Kommunikationssystemen wurde für den Transfer von Informationen zwischen einer großen Anzahl von Systemnutzern entwickelt. Diese Verfahren umfassen Zeitvielfachzugriff (TDMA = Time Division Multiple Access), Frequenzvielfachzugriff (FDMA = Frequency Division Multiple Access) und Codevielfachzugriff-Spreizspektrumverfahren (CDMA = Code Division Multiple Access), deren Grundlagen in der Technik wohlbekannt sind. Der Einsatz von CDMA Verfahren in einem Vielfachzugriff- Kommunikationssystem ist offenbart in U. S. Patent Nr. 4,901,307, erteilt am 13. Februar 1990, mit dem Titel "Spread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite Or Terrestrial Repeaters", sowie in U. S. Patent Nr. 5,691,974, eingereicht am 4. Januar 1995, 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 beide dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung zugewiesen sind.
Die oben genannten Patendokumente offenbaren Vielfachzugriff-Kommunikationssysteme, in denen eine große Anzahl von allgemein mobilen oder entfernten Systemnutzern Nutzerterminals verwenden, um mit anderen Systemnutzern oder mit Nutzern anderer angeschlossener Systeme, etwa mit Nutzern eines öffentlichen leitungsvermittelnden Telefonnetzwerks, zu kommunizieren. Die Terminals der Nutzer kommunizieren durch Gateways und Satelliten unter Verwendung von Kommunikationssignalen vom CDMA Spreizspektrum-Typ.
Kommunikationssatelliten formen Strahlen, welche einen "Punkt" oder ein Gebiet ausleuchten, der/das durch Projektion der Kommunikationssignale des Satelliten auf die Erdoberfläche erzeugt wird. Ein typisches Strahlmuster eines Satelliten für einen Punkt umfaßt eine Anzahl von Strahlen, die in einem bestimmten Abdeckungsmuster angeordnet sind. Typischerweise umfaßt jeder Stahl eine Anzahl sogenannter Substrahlen (auch als CDMA Kanäle bezeichnet), die ein gemeinsames geographisches Gebiet abdecken und jeweils ein verschiedenes Frequenzband besetzen.
In einem typischen Spreizspektrum-Kommunikationssystem wird ein Satz vorausgewählter Pseudo-Zufallsrauschen (PN) Codesequenzen zum Modulieren (d. h. "Spreizen") von Informationssignalen über ein bestimmtes spektrales Band verwendet, bevor eine Modulation auf ein Trägersignal zur Übertragung als Kommunikationssignale erfolgt. PN Spreizung, ein Verfahren der Spreizspektrum-Übertragung, das in der Technik wohlbekannt ist, erzeugt ein Signal zur Übertragung, das eine Bandbreite aufweist, die viel größer ist als die des Datensignals. In einer Vorwärts-Kommunikationsverbindung (das heißt, in einer Kommunikationsverbindung, die von einem Gateway ausgeht und bei einem Terminal eines Nutzers terminiert wird) werden PN Spreizcodes oder binäre Sequenzen verwendet, um zwischen Signalen zu unterscheiden, die durch einen Gateway über verschiedene Strahlen übertragen werden, und um zwischen Multipfadsignalen zu unterscheiden. Diese PN Codes werden typischerweise von allen Kommunikationssignalen innerhalb eines gegebenen Substrahls gemeinsam verwendet.
In einem typischen CDMA Spreizspektrum-System werden kanalbildende ("channelizing") Codes verwendet, um die für bestimmte Nutzerterminals bestimmten Signale zu unterscheiden, die innerhalb eines Satellitenstrahls auf der Vorwärtsverbindung übertragen werden. Das heißt, ein eindeutiger orthogonaler Kanal wird für jedes Nutzerterminal in der Vorwärtsverbindung vorgesehen, indem ein eindeutiger kanalbildender orthogonaler Code verwendet wird. Üblicherweise werden Walsh Funktionen verwendet, um die kanalbildenden Codes zu implementieren, wobei eine typische Länge in der Größenordnung von 64 Code Chips für terrestrische Systeme und 128 Code Chips für Satellitensysteme angewendet wird.
Typische CDMA Spreizspektrum-Kommunikationssysteme, wie beispielsweise im U. S. Patent Nr. 4,901,307 offenbart, betrachten die Verwendung kohärenter Modulation und Demodulation für die Kommunikation mit Nutzerterminals in der Vorwärtsverbindung. In Kommunikationssystemen, die diesen Ansatz verwenden, wird ein "Pilot" Trägersignal (im folgenden als "Pilotsignal" bezeichnet) als eine kohärente Phasenreferenz für Vorwärtsverbindungen verwendet. Das heißt, ein Pilotsignal, welches typischerweise keine Datenmodulation enthält, wird durch einen Gateway über ein Abdeckungsgebiet übertragen. Ein einzelnes Pilotsignal wird typischerweise durch jeden Gateway für jeden für jede verwendete Frequenz verwendeten Strahl übertragen. Diese Pilotsignale werden typischerweise durch alle Nutzerterminals, die Signale von dem Gateway empfangen, gemeinsam verwendet.
Pilotsignale werden durch die Nutzerterminals verwendet, um anfängliche Systemsynchronisation und Systemzeit, Frequenz und Phasentracking für andere durch den Gateway übertragene Signale zu erhalten. Phaseninformation, die durch das Tracking bzw. Verfolgen des Pilotsignalträgers ermittelt wird, wird als eine Phasenreferenz des Trägers für die kohärente Demodulation von anderen Systemsignalen oder von Verkehrssignalen verwendet. Diese Methode erlaubt die gemeinsame Verwendung eines gemeinsamen Pilotsignals als eine Phasenreferenz für viele Verkehrssignale, was einen weniger kostenaufwendigen und effizienteren Trackingmechanismus bietet.
Wenn ein Terminal eines Nutzers nicht in einer Kommunikationssitzung ist (das heißt, das Terminal des Nutzers empfängt oder überträgt keine Verkehrssignale), kann der Gatway Informationen an dieses Nutzerterminal mittels eines Signals übertragen, welches als Pagingsignal bzw. Funkrufsignal bekannt ist. Wenn beispielsweise ein Anruf zu einem bestimmten mobilen Telefon getätigt wird, informiert (ALERT) der Gateway das mobile Telefon mittels eines Pagingsignals. Pagingsignale werden auch verwendet, um Zuweisungen der Verkehrskanäle zu verteilen, Kanalzuweisungen abzufragen, sowie für Overhead-Informationen des Systems.
Ein Terminal eines Nutzers kann auf ein Pagingsignal reagieren, indem es ein Zugriffssignal oder eine Zugriffsprobe über die Rückwärtsverbindung sendet (das heißt, über die Kommunikationsverbindung, die vom Terminal des Nutzers ausgeht und bei dem Gateway terminiert wird). Das Zugriffssignal wird auch verwendet, wenn ein Anruf ausgehend von einem Nutzerterminal getätigt wird.
Wenn Kommunikation mit einem Nutzerterminal erforderlich ist, kann es erfordetlich sein, daß das Kommunikationssystem die Position des Nutzerterminals bestimmt. Die Erfordernis hinsichtlich der Positionsinformation eines Nutzerterminals entstammt verschiedenen Betrachtungen. Eine Betrachtung ist, daß das System einen geeigneten Gateway auswählen sollte, um die Kommunikationsverbindung vorzusehen. Ein Aspekt dieser Betrachtung ist die Zuordnung einer Kommunikationsverbindung zu dem passenden Diensterbringer bzw. Serviceprovider (zum Beispiel einer Telefongesellschaft). Ein Serviceprovider ist typischerweise einem bestimmten geographischen Gebiet zugeordnet und übernimmt alle Verbindungen mit Nutzern in diesem Gebiet. Wenn Kommunikation mit einem bestimmten Nutzerterminal erforderlich ist, kann das Kommunikationssystem die Verbindung einem Serviceprovider basierend auf dem Gebiet, in welchem sich das Nutzerterminal befindet, zuordnen. Um das zutreffende Gebiet zu bestimmen, wird die Position des Nutzerterminals durch das Kommunikationssystem benötigt. Eine ähnliche Betrachtung ergibt sich, wenn Verbindungen Serviceprovidern basierend auf politischen Grenzen oder abonnierten Diensten zugeordnet werden müssen.
Eine Kernerfordernis bei der Positionsbestimmung bzw. Ortung für ein satellitenbasiertes Kommunikationssystem ist Geschwindigkeit. Wenn Kommunikation mit einem bestimmten Nutzerterminal erforderlich ist, sollte der Gateway, der das Nutzerterminal bedient, rasch ausgewählt werden. Beispielsweise ist es unwahrscheinlich, daß ein Nutzer eines mobilen Telefons mehr als einige wenige Sekunden Verzögerung toleriert, wenn er einen Anruf tätigt. Die Forderung hinsichtlich Positionierungsgenauigkeit ist in dieser Situation weniger bedeutsam als die Forderung hinsichtlich Geschwindigkeit. Ein Fehler von weniger als 10 Kilometern (km) wird als adäquat angesehen. Demgegenüber legen die meisten herkömmlichen Ansätze zur satellitenbasierten Positionsbestimmung Wert auf die Genauigkeit gegenüber der Geschwindigkeit.
Ein herkömmlicher Ansatz ist der durch das TRANSIT System der U.S. Navy verwendete. In diesem System führt das Nutzerterminal kontinuierliche Doppler-Messungen eines Signals durch, welches durch einen Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn (LEO = Low Earth Orbit) ausgesendet wird. Die Messungen werden über mehrere Minuten fortgesetzt. Das System erfordert üblicherweise zwei Überflüge des Satelliten, was eine Wartezeit von mehr als 100 Minuten Prforderlich macht. Zusätzlich muß der Satellit Informationen bezüglich seiner Position (auch bekannt als die "Ephemeride") übertragen, da die Positionsberechnungen durch das Nutzerterminal ausgeführt werden. Obgleich das TRANSIT System in der Lage ist, eine hohe Genauigkeit (in der Größenordnung von etwa einem Meter) zu liefern, ist die damit verbundene Verzögerung bei Anwendung in einem kommerziellen Satellitenkommunikationssystem inakzeptabel.
Ein weiterer herkömmlicher Ansatz ist der durch die Systeme ARGOS und SARSAT (Search and Rescue Satellite, Such- und Rettungssatellit) verwendete. Bei diesem Ansatz überträgt das Nutzerterminal ein intermittierendes Ortungssignal zu einem Empfänger am Satelliten, welcher Frequenzmessungen des Signals vornimmt. Falls der Satellit mehr als vier Ortungssignale vom Nutzerterminal empfängt, kann er gewöhnlich die Position des Nutzerterminals auflösen. Da das Ortungssignal intermittierend ist, steht eine verlängerte Doppler-Messung, wie sie im TRANSIT System durchgeführt wird, hier nicht zur Verfügung. Ferner ist die Lösung mehrdeutig, da sie eine mögliche Position für jede Seite des Satelliten-Subtracks liefert (das heißt, für jede Seite jener Linie auf der Erdoberfläche, die sich direkt unter dem Pfad des Satelliten befindet).
Ein werterer herkömmlicher Ansatz wird durch das Globale Positionierungssystem (GPS) angewendet. Bei diesem Ansatz überträgt jeder Satellit ein Signal mit Zeitstempel, das die Ephemeride des Satelliten aufweist. Wenn das Nutzerterminal ein GPS Signal empfängt, mißt das Nutzerterminal die Übertragungsverzögerung relativ zu seiner eigenen Uhr und bestimmt eine Pseudo- Entfernung zu der Position des übertragenden Satelliten. Das GPS System erfordert drei Satelliten für eine zweidimensionale Ortung und einen vierten Satelliten für eine dreidimensionale Positionsbestimmung.
Ein Nachteil des GPS Ansatzes liegt darin, daß für jede Positionsbestimmung zumindest drei Satelliten erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil des GPS Ansatzes ist, daß aufgrund des Umstandes, daß die Berechnungen durch das Nutzerterminal ausgeführt werden, die GPS Satelliten ihre Ephemerideninformation übertragen müssen und das Nutzerterminal die Rechenressourcen zum Ausführen der erforderlichen Berechnungen besitzen muß.
Ein Nachteil aller vorstehend beschriebenen Ansätze ist darin zu sehen, daß das Nutzerterminal einen separaten Übertrager oder Empfänger zusätzlich zu den für das Verarbeiten von Kommunikationssignalen erforderlichen aufweisen muß, um diese Ansätze nutzen zu können.
Ein weiterer herkömmlicher Ansatz ist durch das der gleichen Anmelderin zugewiesene U.S. Patent Nr. 5,126,748 offenbart, welches am 30. Juni 1992 mit dem Titel "Dual Satellite Navigation System And Method" erteilt wurde. Dieser Ansatz verwendet zwei Satelliten, um aktiv die Position des Nutzerterminals durch Trilateration zu bestimmen. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Lösung mehrdeutig ist, indem zwei mögliche Positionen geliefert werden. Weitere Informationen sind erforderlich, um die Mehrdeutigkeit zu beseitigen.
Daher wird ein satellitenbasiertes System zur Positionsbestimmung benötigt, welches in der Lage ist, eine rasche, eindeutige Positionsbestimmung durchzuführen.
EP-A3-0582073 beschreibt eine Konstellation von Satelliten, welche rund um die Erde verteilt ist und welche als eine Kommunikationsinfrastruktur dient, welche die autonome Positionsbestimmung und das Melden dieser Position an einen entfernten Ort unterstützt. Satelliten übertragen kontinuierlich Erfassungssignale bzw. Akquisitionssignale. Einheiten zur Positionsbestimmung (PDU = Position Determining Unit) werden entfernt programmiert, um sich ansprechend auf das Auftreten eines Aktivierungsereignisses zu aktivieren. Falls PDUs ein Akquisitionssignal auffangen, können sie Aktivitäten starten, die zur Bestimmung ihrer Position führen, und sie koordinieren ihre Kommunikation mit den Erfordernissen der Kommunikationsinfrastruktur. Zur Positionsbestimmung kann ein Peilpuls auf Basis eines regelmäßigen Zeitplans übertragen werden. Der Peilpuls wird zwischen einem sich schnell bewegenden Satelliten und einer PDU transportiert. Die Bewegung des Satelliten führt dazu, daß verschiedene Peilpulse verschiedene Ausbreitungsverzögerungen und Doppler-Charakteristika aufweisen. Durch Analyse der Änderungen der Ausbreitungsverzögerungen und Doppler-Charakteristika bestimmt eine Prozedur eine Position für eine PDU.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Positionsbestimmung für ein Satellitenkommunikationssystem vorgesehen, das folgendes aufweist: ein Terminal eines Nutzers bzw. einen Teilnehmeranschluß; mindestens zwei Satelliten mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten; einen Gateway bzw. eine Basisstation zur Kommunikation bzw. Nachrichtenverbindung mit dem Nutzerterminal durch die genannten Satelliten; Bereichs- bzw. Entfernungsparameterbestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs- oder Entfernungsparameters, der einen Abstand zwischen einem der genannten Satelliten und dem genannten Nutzerterminal repräsentiert; dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Positionsbestimmung ferner folgendes aufweist: Bereichs- bzw. Entfernungsdifferenzparameter-Bestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs- oder. Entfernungsdifferenzparameters, der eine Differenz (1) zwischen einem Abstand zwischen einem ersten der Satelliten und dem Nutzerterminal und (2) einem Abstand zwischen dem zweiten der Satelliten und dem Nutzerterminal repräsentiert; mindestens eines von Folgendem: Entfernungs- bzw. Bereichsratenparameter-Bestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs- oder Entfernungsratenparameters, der eine relative Radialgeschwindigkeit zwischen einem der Satelliten und dem Nutzerterminal repräsentiert; Bereichs- bzw. Entfernungsratendifferenzparameter-Bestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs- bzw. Entfernungsratendifferenzparameters, der die Differenz zwischen (1) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem ersten der Satelliten und dem Nutzerterminal und (2) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem zweiten der Satelliten und dem Nutzerterminal repräsentiert; und Positionsbestimmungsmittel in dem Gateway zur Bestimmung einer Position des Nutzerterminals auf der Erdoberfläche basierend auf den genannten bekannten Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten, dem genannten Bereichs- oder Entfernungsparameter, dem genannten Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameter und mindestens einem der folgenden Parameter: Entfernungs- bzw. Bereichsratenparameter und Bereichs- oder Entfernungsratendifferenzparameter.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur Verwendung in einem System zur Positionsbestimmung umfassend ein Nutzerterminal bzw. einen Teilnehmeranschluß, mindestens zwei Satelliten mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten, einem Gateway bzw. einer Basisstation zur Kommunikation bzw. Nachrichtenübertragung mit dem Nutzerterminal durch die Satelliten und Mitteln zru Bestimmung von Parametern, welche die Position des Nutzerterminals relativ zu den Satelliten beschreibt, vorgesehen, wobei das Computerprogrammprodukt folgendes aufweise: ein computerverwendbares Medium mit computerlesbaren Programmcodemitteln verkörpert in dem genannten Medium, um zu bewirken, daß ein Anwendungsprogramm auf dem Computersystem ausgeführt wird, wobei die computerlesbaren Programmcodemittel folgendes aufweisen: computerlesbare erste Programmcodemittel, die bewirken, daß das Computersystem einen M · 1 Programmvektor z erzeugt, der die erwähnten Parameter aufweist, wobei M eine Anzahl von bestimmten Parametern ist; computerlesbare zweite Programmcodemittel, die bewirken, daß das Computersystem einen Positionsvektor x erzeugt, der einen anfänglichen Referenz- oder Bezugspunkt repräsentiert; computerlesbare dritte Programmcodemittel, die bewirken, daß das Computersystem eine partielle Ableitungsmatrix H erzeugt, welche Informationen betreffend die Position der Satelliten und ein Erdmodell, welches die Form der Erde beschreibt, enthält, wobei die Beziehung zwischen x und H gegeben ist durch:
H = H(x) = ∂h/∂x(x)
computerlesbare vierte Programmcodemittel, die bewirken, daß das Computersystem eine M · M Gewichtsmatrix W erzeugt, um den Einfluß spezifischer Parameter zu betonen; und computerlesbare fünfte Programmcodemittel, welche Bewirken, daß das Computersystem die iterative Gleichung:
ausführt, worin i, und i+1 jeweils die aktuelle und die nächste Positionsschätzung sind und worin i die Iterationszahl repräsentiert, bis die Differenz zwischen i und i+1 unter eine erste vorbestimmte Schwelle fällt. Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Nutzerterminals bzw. Teilnehmeranschlusses in einem Kommunikationssystem bzw. Nachrichtensystem, das mindestens zwei Satelliten mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten und einen Gateway bzw. eine Basisstation zur Kommunikation bzw. Verbindung mit dem Nutzerterminal durch die Satelliten aufweist, vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Bestimmen eines Bereichs- oder Entfernungsparameters, der einen Abstand oder eine Entfernung zwischen einem der genannten Satelliten und dem genannten Nutzerterminal repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner folgendes aufweist: (b) Bestimmen eines Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameters, der eine Differenz zwischen (1) einem Abstand zwischen einem ersten der Satelliten und dem Nutzerterminal und (2) einem Abstand zwischen einem zweiten der Satelliten und dem Nutzerterminal (106) repräsentiert; (c) Bestimmen von mindestens einem Bereichs- oder Entfernungsratenparameter, der eine relative Radialgeschwindigkeit zwischen einem der genannten Satelliten und dem Nutzerterminal repräsentiert, und bestimmen eines Bereichs- oder Entfernungsratendifferenzparameters, der die Differenz zwischen (1) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem ersten der Satelliten und dem Nutzerterminal und (2) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem zweiten der Satelliten und dem Nutzerterminal repräsentiert; und (d) Bestimmen der Position des Nutzerterminals auf der Erdoberfläche basieerend auf den bekannten Positionen und den bekannten Geschwindigkeiten der Satelliten, dem genannten Bereichs- oder Entfernungsparameter, dem genannten Bereichs- oder Entfernungsratenparameter und zumindest einem der folgenden Parameter: dem genannten Bereichsdifferenzparameter und dem genannten Bereichsratendifferenzparameter.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Nutzerterminal bzw. ein Teilnehmeranschluß für ein Kommunikationssystem vorgesehen, wobei das Kommunikationssystem mindestens zwei Satelliten mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten und einen Gateway bzw. eine Basisstation zuf Kommunikation bzw. Nachrichtenübertragung mit einem Nutzerterminal durch die Satelliten aufweist, wobei das Nutzerterminal gekennzeichnet ist durch: Mittel zur Rückübertragung oder erneuten Übertragung eines ersten Signals, welches vom Gateway durch einen der Satelliten empfangen wurde; Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameterbestimmungsmittel, wobei der Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameter eine Differenz zwischen (1) einem Abstand zwischen einem ersten der genannten Satelliten und dem Nutzerterminal und (2) einem Abstand zwischen einem zweiten der Satelliten und dem Nutzerterminal repräsentiert; und mindestens eines von Folgendem: Entfernungs- oder Bereichsdifferenzratenparameterbestimmungsmittel, wobei der Entfernungsratendifferenzparameter eine Differenz zwischen (1) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem ersten der Satelliten und dem Nutzerterminal und (2) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem zweiten der Satelliten und dem Nutzerterminal repräsentiert; und Mittel zum Messen der Frequenz eines zweiten Signals, welches von dem Gateway über einen weiteren der Satelliten übertragen wird, zum Senden der Frequenzmessung an den Gateway und zum Übertragen eines dritten Signals an genannten Gateway durch den genannten weiteren der Satelliten; wobei die Position des Nutzerterminals auf der Erdoberfläche basierend auf dem zurückübertragenen bzw. erneut übertragenen ersten Signal, dem Entfernungs- oder Bereichsdifferenzparameter, den bekannten Positionen und den bekannten Geschwindigkeiten der Satelliten und mindestens einem von folgendem: dem Bereichs- oder Entfernungsratendifferenzparameter, der genannten Frequenzmessung und dem genannten dritten Signal bestimmt werden kann.
Entsprechend wird ein System und ein Verfahren zur raschen und eindeutigen Bestimmung der Position eines Nutzerterminals (beispielsweise eines mobilen Telefons) in einem Satellitenkommunikationssystem, etwa einem Kommunikationssystem mit Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn, vorgesehen. Das System umfaßt ein Nutzerterminal, mindestens zwei Satelliten mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten und einen Gateway (das heißt, eine terrestrische Basisstation) zur Kommunikation mit dem Nutzerterminal durch die Satelliten. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Bestimmen eines Satzes von Parametern, die die zeitlichen und räumlichen Verhältnisse zwischen dem Nutzerterminal und den Satelliten beschreiben und Auflösen nach der Position des Nutzerterminals unter Verwendung einiger oder aller Parameter und der bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten der Satelliten.
Vier Parameter können verwendet werden: Entfernung, Entfernungsrate, Entfernungsdifferenz und Entfernungsratendifferenz. Die Entfernungsparameter repräsentieren den Abstand zwischen einem Satelliten und einem Nutzerterminal. Die Entfernungsdifferenzparameter repräsentieren die Differenz zwischen (1) dem Abstand zwischen dem Nutzerterminal und einem ersten Satelliten und (2) den Abstand zwischen diesem Nutzerterminal und einem zweiten Satelliten. Der Entfernungsratenparameter repräsentiert die relative Radialgeschwindigkeit zwischen dem Nutzerterminal und einem Satelliten. Der Entfernungsratendifferenzparameter repräsentiert die Differenz zwischen (1) der relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem Nutzerterminal und einem ersten Satelliten und (2) der relativen Radialgeschwindigkeit zwischen diesem Nutzerterminal und einem zweiten Satelliten.
In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Parameter Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsratendifferenz verwendet. In einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Parameter Entfernung, Entfernungsrate und Entfernungsdifferenz verwendet. In einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden alle vier Parameter verwendet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein iteratives gewichtetes Gauß-Newton geringste-Quadrate Verfahren angewendet, um nach der Position des Nutzerterminals basierend auf den verwendeten Parametern und den bekannten Positionen und den bekannten Geschwindigkeiten der Satelliten aufzulösen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie eine rasche, eindeutige Positionsbestimmung ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie eine rasche Positionsbestimmung unter Verwendung von nur zwei Satelliten ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie eine rasche Positionsbestimmung in einem Kommunikationssystem ermöglicht, ohne daß es erforderlich ist, daß die Satelliten Ephemeriden-Informationen zu Ortungszwecken an die Nutzerterminals aussenden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie eine rasche Positionsbestimmung in einem Kommunikationssystem ermöglicht, ohne daß es erforderlich ist, daß das Nutzerterminal seine Position bestimmt.

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden, wenn im Zusammenhang mit den Zeichnungen betrachtet, in welchen gleiche Referenznummern identische oder funktional gleiche Elemente anzeigen. Ferner zeigen die äußerst linken Ziffern einer Referenznummer die Zeichnung an, in welcher die Referenznummer erstmalig erscheint.
Fig. 1 zeigt ein typisches Satellitenkommunikationssystem;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Transceivers zur Verwendung in einem Nutzerterminal;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Sende- und Empfangseinrichtung zur Verwendung in einem Gateway;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Zeittrackingschleife zur Verwendung in einem Nutzerterminal;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Frequenztrackingschleife zur Verwendung in einem Nutzerterminal;
Fig. 6 stellt die Subpunkte zweier Satelliten und eine Projektion auf die Erdoberfläche von Iso-Konturen der Parameter Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsratendifferenz bezüglich der Satelliten dar;
Fig. 7 stellt den Fall dar, in welchem der Parameter Entfernungsratendifferenz nicht die GDOP Singularität beheben kann, die durch ein Positionierungsverfahren entsteht, das nur die Parameter Entfernung und Entfernungsdifferenz verwendet;
Fig. 8 stellt die Subpunkte zweier Satelliten und eine Projektion auf die Erdoberfläche von Iso-Konturen der Parameter Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsrate bezüglich der Satelliten dar;
Fig. 9A ist eine graphische Darstellung der Komponenten der Frequenz eines beim Nutzerterminal gemessenen Signals;
Fig. 9B ist eine graphische Darstellung der Komponenten der Frequenz eines beim Gateway gemessenen Signals;
Fig. 10-12 sind Flußdiagramme, die den Betrieb bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen; und
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm, welches eine beispielhafte Umgebung darstellt, in welcher die vorliegende Erfindung betrieben werden kann.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

I. Einführung

Gemäß der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden System und Verfahren zur eindeutigen Positionsbestimmung eines Nutzerterminals in einem Satellitenkommunikationssystem unter Verwendung von mindestens zwei Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn (LEO = Low Earth Orbit) vorgesehen. Wie dem Fachmann des relevanten Fachgebietes ersichtlich wäre, kann das Konzept der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf Satellitensysteme angewendet werden, in welchen sich die Satelliten auf nicht-LEO Umlaufbahnen bewegen, falls die relative Bewegung zwischen den Satelliten und dem Nutzerterminal ausreicht, um die unten beschriebenen Entfernungsratenmessungen zu unterstützen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist untenstehend detailliert erläutert. Während spezifische Schritte, Konfigurationen und Anordnungen erläutert werden, ist es selbstverständlich, daß dies nur zu Anschauungszwecken erfolgt. Ein Fachmann auf dem relevanten Gebiet wird erkennen, daß andere Schritte, Konfigurationen und Anordnungen benutzt werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der durch die Patentansprüche definiert wird, abzuweichen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in vier Teilen beschrieben. Zunächst wird ein typisches Satellitenkommunikationssystem beschriebe. Als zweites werden die Parameter beschrieben, die durch die Positionierungsverfahren des Systems verwendet werden. Drittens werden die Positionierungsverfahren selbst beschrieben, und zwar mit Bezug zu ihren physikalischen Repräsentationen. Schließlich wird die Ausführung dieser Positionierungsverfahren beschrieben.

II. Ein typisches Satellitenkommunikationssystem

Fig. 1 zeigt ein typisches Satellitenkommunikationssystem 100. Das Satellitenkommunikationssystem 100 umfaßt einen Gateway 102, Satelliten 104A und 1048 und Nutzerterminals 106. Es existieren im allgemeinen drei Typen von Nutzerterminals 106: feste Nutzerterminals 106A, die typischerweise in festen Gebäuden installiert sind; mobile Nutzerterminals 1068, die typischer-Weise in Fahrzeugen installiert sind; und portable Nutzerterminals 106C, welche typischerweise in der Hand gehalten werden. Der Gateway 102 kommuniziert mit den Nutzerterminals 106 durch die Satelliten 104A und 104B. Ein beispielhafter Transceiver bzw. Sendeempfänger 200 zur Verwendung in einem Nutzerterminal 106 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Transceiver 200 verwendet mindestens eine Antenne 210 zum Empfang von Kommunikationssignalen, welche an einen Analogempfänger 214 weitergeleitet werden, wo sie herunterkonvertiert, verstärkt und digitalisiert werden. Ein Duplexerelement 212 wird üblicherweise verwendet, um die Verwendung der Antenne sowohl für Sende- als auch für Empfangsfunktionen zu ermöglichen. Allerdings werden in einigen Systemen zwei separate Antennen zum Betrieb mit verschiedenen Frequenzen eingesetzt.
Durch den Analogempfänger 214 ausgegebene digitale Kommunikationssignale werden zu mindestens einem digitalen Datenempfänger 216A und einem digitalen Sucher-Empfänger 218 transferiert. Zusätzliche digitale Datenempfänger 216B-216N können in einer "Rake" ("Rechen/Harke") Konfiguration verwendet werden, um gewünschte Stufen der Signalvielfalt (Diversity) in Abhängigkeit von einer akzeptablen Stufe der Komplexität der Einheit zu erhalten, wie dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich. Ein in dieser Weise konfigurierter Empfänger wird ein "Rake Receiver" genannt, und jeder digitale Datenempfänger 216 (A-N) wird "Finger" genannt.
Die Finger des Rake Receiver werden nicht nur für die Signalvielfalt verwendet, sondern auch zum Empfangen von Signalen von mehreren Satelliten. Daher werden für Nutzerterminals, die das Verfahren zur Positionsbestimmung mit zwei Satelliten der vorliegenden Erfindung implementieren, mindestens zwei digitale Datenempfänger 216A-216N gleichzeitig verwendet, um Signale von den zwei Satelliten zu empfangen. Zusätzlich kann ein zweiter Sucher-Empfänger 218, oder mehrere, verwendet werden, um eine Signalakquisition mit hoher Geschwindigkeit vorzusehen, oder einer oder mehrere können zeitmultiplex für diese Aufgabe eingesetzt werden.
Mindestens ein Steuerprozessor 220 des Nutzerterminals ist elektrisch mit den digitalen Datenempfängern 216A-216N und dem Sucher-Empfänger 218 gekoppelt. Der Steuerprozessor 220 liefert neben anderen Funktionen eine Basis-Signalverarbeitung, Steuerung oder Koordination von Zeitvorgaben (Timing), Leistung und Übergabe bzw. Handoff sowie Auswahl der für Signalträger verwendeten Frequenz. Eine weitere Basis-Steuerfunktion, die oft durch den Steuerprozessor 220 ausgeführt wird, ist die Auswahl oder die Manipulation von PN Codesequenzen oder orthogonalen Funktionen, die für die Verarbeitung der Wellenformen der Kommunikationssignale verwendet werden. Die Signalverarbeitung des Steuerprozessors 220 kann eine Bestimmung der von der vorliegenden Erfindung verwendeten Parameter umfassen. Solche Berechnungen von Signalparametern, etwa eines relativen Timings und einer Frequenz, können den Einsatz zusätzlicher oder separater, dedizierter Schaltungen umfassen, um eine erhöhte Effizienz oder Geschwindigkeit bei Messungen oder eine verbesserte Zuordnung von Steuerverarbeitungsressourcen vorzusehen.
Ausgaben der digitalen Datenempfänger 216A-216N sind mit einer digitalen Basisbandschaltung 222 des Nutzers innerhalb des Nutzerterminals verbunden. Die digitale Basisbandschaltung 222 des Nutzers umfaßt Verarbeitungselemente und Präsentationselemente, die verwendet werden, um Informationen zu und von einem Nutzer des Nutzerterminals zu transferieren. Das heißt, Signal- oder Datenspeicherelemente, etwa transienter oder Langzeit-Digitalspeicher; Eingabe- und Ausgabevorrichtungen wie zum Beispiel Anzeigeschirme, Lautsprecher, Tastaturen und Handgeräte; A/D Elemente, Vocoder bzw. Sptachkodierer und andere Sprach- und Analogsignalverarbeitungselemente; etc., die alle Teile der digitalen Basisbandschaltung des Nutzers unter Verwendung von in der Technik wohlbekannten Elementen bilden. Falls eine Diversity-Signalverarbeitung verwendet wird, kann die digitale Basisbandschaltung 222 des Nutzers einen Diversity-Kombinierer und -Decoder aufweisen. Einige dieser Elemente können außerdem unter der Steuerung von oder in Kommunikation mit dem Steuerprozessor 220 arbeiten.
Wenn Sprache oder andere Daten als eine Ausgabenachricht oder ein vom Nutzerterminal ausgehendes Kommunikationssignal vorbereitet werden, wird die digitale Basisbandschaltung 222 des Nutzers verwendet, um gewünschte Daten zu empfangen, zu speichern, zu verarbeiten und anderweitig zur Übertragung vorzubereiten. Die digitale Basisbandschaltung 222 des Nutzers liefert diese Daten an einen Übertragungsmodulator 226, der unter der Steuerung des Steuerprozessors 220 arbeitet. Die Ausgabe des Übertragungsmodulators 226 wird an einen Leistungsregler 228 transferiert, welcher eine Steuerung der Ausgabeleistung an einen Übertragungsleistungsverstärker 230 zur letztendlichen Übertragung des Ausgabesignals von der Antenne 210 zu einem Gateway vorsieht.
Der Transceiver 200 kann außerdem ein oder mehrere Elemente zur Vorkorrektur oder Vorkorrektoren 232 und 234 einsetzen.
Vorzugsweise erfolgt eine Vorkorrektur an der Ausgabe des digitalen Leistungsreglers 228 bei der Basisbandfrequenz. Die spektrale Information im Basisband einschließlich der Frequenzanpassung wird während der im Übertragungsleistungsverstärker 230 vorgenommenen Hochkonvertierung in die passende Mittenfrequenz übersetzt. Die Vorkorrektur oder Frequenzanpassung erfolgt mit in der Technik bekannten Verfahren. Beispielsweise kann die Vorkorrektur durch eine komplexe Signalrotation bewirkt werden, welche äquivalent zu einer Multiplikation des Signals mit einem Faktor ejωt, wobei ω basierend auf bekannten Ephemeriden der Satelliten und der gewünschten Kanalfrequenz berechnet wird. Dies ist sehr nützlich, wenn Kommunikationssignale als In-Phase Kanal (I) und Quadratur-Phase Kanal (Q) verarbeitet werden. Ein Gerät zur direkten digitalen Synthese kann verwendet werden, um einige der Rotationsprodukte zu erzeugen. Alternativ kann ein digitales Berechnungselement für Koordinatenrotation verwendet werden, welches binäre Verschiebungen, Additionen und Subtraktionen ausführt, um eine Reihe diskreter Rotationen auszuführen, was die gewünschte Gesamtrotation zum Ergebnis hat. Solche Verfahren und die entsprechende Hardware sind in der Technik wohlverstanden.
Als eine Alternative kann das Vorkorrekturelement 234 im Übertragungspfad von der Ausgabe des Übertragungsleistungsverstärkers 230 angeordnet werden, um die Frequenz des ausgehenden Signals anzupassen. Dies kann mittels wohlbekannter Verfahren erreicht werden, beispielsweise mittels Hoch- oder Runterkonvertierung der Übertragungswellenform. Allerdings kann das Ändern der Frequenz an der Ausgabe des analogen Übertragers schwieriger sein, weil dort oft eine Reihe von Filtern eingesetzt wird, um die Wellenform zu formen, und Änderungen an diesem Verbindungspunkt den Filterprozeß stören können. Alternativ kann das Vorkorrekturelement 234 einen Teil eines Frequenzauswahl- oder Steuermechanismus für die Stufe (230) zur analogen Hochkonvertierung und Modulation des Nutzerterminals bilden, so daß eine passend eingestellte Frequenz verwendet wird, um das digitale Signal in einem Schritt in eine gewünschte Frequenz zu konvertieren.
Informationen oder Daten, die mit einem oder mehreren gemessenen Signalparametern für empfangene Kommunikationssignale oder für ein oder mehrere gemeinsam genutzte Ressourcensignale korrespondieren, können an den Gateway mittels einer Vielzahl von in der Technik bekannten Verfahren gesendet werden. Beispielsweise kann die Information als ein separates Informationssignal transferiert oder an andere durch die digitale Basisbandschaltung 222 des Nutzers vorbereitete Nachrichten angehängt werden. Alternativ kann die Information als festgelegte Steuerbits durch den Übertragungsmodulator 226 oder den Regler 228 der Übertragungsleistung unter der Steuerung des Steuerprozessors 220 eingefügt werden.
Die digitalen Datenempfänger 216A-N und die Sucher-Empfänger 218 sind mit Signalkorrelationselementen zur Demodulation und zum Tracking bestimmter Signale ausgestattet. Die Sucher-Empfänger 218 werden für die Suche nach Pilotsignalen oder anderen starken Signalen mit relativ festem Muster verwendet, während die Datenempfänger 216A-N für das Tracking von Pilotsignalen oder das Demodulieren von Signalen, die mit detektierten Pilotsignalen assoziiert sind, verwendet werden. Daher können die Ausgaben dieser Einheiten überwacht werden, um Informationen zu liefern, die eingesetzt werden kann, um die Parameter der vorliegenden Erfindung zu berechnen. Informationen bezüglich der Messungen, die durch das Nutzerterminal 106 mit empfangenen Kommunikationssignalen oder gemeinsam genutzten Ressourcensignalen vorgenommen werden, können an den Gateway mittels einer Vielzahl von in der Technik bekannten Verfahren gesendet werden. Beispielsweise kann die Information als ein separates Datensignal transferiert oder an andere durch die digitale Basisbandschaltung 222 des Nutzers vorbereitete Nachrichten angehängt werden. Die digitalen Datenempfänger 216 (A- N) verwenden außerdem Elemente zum Frequenztracking, die überwacht werden können, um aktuelle Frequenz- und Timinginformationen an den Steuerprozessor 220 für zu demodulierende Signale vorzusehen. Dies ist weiter unten mit Bezug auf Fig. 4 und 5 erläutert.
Der Steuerprozessor 220 verwendet solche Informationen, um zu bestimmen, in welchem Maße die empfangenen Signale von einer erwarteten Frequenz abweichen, auf Basis einer lokalen Oszillatorfrequenz, wenn auf das gleiche Frequenzband skaliert, wie jeweils zutreffend. Diese und andere Informationen betreffend Frequenzoffsets, Fehler und Doppler-Verschiebungen können in einem oder mehreren Fehler/Doppler Ablage- oder Speicherelementen 236 abgelegt werden, wie jeweils gewünscht. Diese Information kann durch den Steuerprozessor 220 verwendet werden, um seine Betriebsfrequenz anzupassen, oder kann unter Verwendung verschiedener Kommunikationssignale an die Gateways transferiert werden.
Mindestens ein Zeitreferenzelement 238 wird verwendet, um chronologische Informationen, wie zum Beispiel Datum und Uhrzeit, zu erzeugen und zu speichern, die bei der Bestimmung von Satellitenpositionen helfen. Die Zeit kann gespeichert und periodisch aktualisiert werden. Die Zeit kann außerdem periodisch durch einen Gateway vorgegeben werden. Zusätzlich wird die aktuelle Zeit jedesmal dann gespeichert, wenn das Nutzerterminal in einen inaktiven Modus eintritt, beispielsweise wenn es "ausgeschaltet" ist. Dieser Wert für die Zeit wird im Zusammenhang mit der "Einschalt"-Zeit verwendet, um verschiedene zeitabhängige Signalparameter und Positionsänderungen des Nutzerterminals zu bestimmen.
Zusätzliche Ablage- oder Speicherelemente 240 und 242 können verwendet werden, um spezifische Informationen über Parameter zu speichern, die unten mit weiteren Details erläutert werden. Beispielsweise kann ein Speicherelement 240 Messungen bzw. Meßwerte des Nutzerterminals, die bezüglich eines Entfernungsratenparameters, wie zum Beispiel Differenzen der relativen Frequenzoffsets zwischen zwei eingehenden Signalen, aufgenommen wurden. Ein Speicherelement 242 kann verwendet werden, um Messungen bzw. Meßwerte des Nutzerterminals bezüglich eines Entfernungsparameters, wie zum Beispiel Differenzen in der Ankunftszeit für zwei Signale, zu speichern. Diese Speicherelemente verwenden Strukturen und Schaltungen, die in der Technik wohlbekannt sind und können entweder als verschiedene, oder separate Elemente oder als eine größere, einheitliche Struktur, in der diese Information in einer gesteuerten Weise für den späteren Zugriff gespeichert wird, ausgebildet sein.
Wie in Fig. 2 dargestellt wird ein lokaler Oszillator oder Referenzoszillator 250 als eine Referenz für den Analogempfänger 214 verwendet, um das eingehende Signal auf das Basisband mit der gewünschten Frequenz herunterzukonvertieren. Er kann auch, je nach Bedarf, in mehreren Konvertierungs- Zwischenschritten eingesetzt werden, bis das Signal die gewünschte Basisbandfrequenz erreicht. Wie dargestellt wird der Oszillator 250 auch als eine Referenz für den analogen Übertrager 230, für die Hochkonvertierung vom Basisband auf die gewünschte Trägerfrequenz für Übertragungen auf der Rückwärtsverbindung und als ein Frequenzstandard oder als eine Referenzfrequenz für eine Timingschaltung 252 verwendet. Die Timingschaltung 252 erzeugt Timingsignale für andere Stufen oder Verarbeitungselemente innerhalb des Nutzerterminals 200, beispielsweise für Zeittrackingschaltungen, die Korrelatoren in den digitalen Empfängern 216A-N und 218, für den Übertragungsmodulator 226, ein Zeitreferenzelement 238 und den Steuerprozessor 220. Die Timingschaltung 252 kann außerdem für das Erzeugen von Verzögerungen für das Zurückbleiben oder Voranschreiten des relativen Timings von Timingsignalen oder Taktsignalen unter Prozessorsteuerung ausgelegt sein. Das heißt, das Zeittracking kann um festgelegte Beträge justiert werden. Dies erlaubt außerdem die Anwendung von Codes, die gegenüber dem "normalen" Timing zurückgeblieben sind oder diesem voranschreiten, typischerweise um eine oder mehrere Chipperioden, so daß PN Codes oder Chips, welche die Codes bilden, mit verschiedenem Timing angewendet werden können, falls erwünscht.
Eine beispielhafte Vorrichtung 300 zum Übertragen und Empfangen zur Verwendung in einem Gateway 102 ist in Fig. 3 dargestellt. Der in Fig. 3 dargestellte Teil des Gateway 102 weist einen oder mehrere analoge Empfänger 314 auf, die mit einer Antenne 310 zum Empfangen von Kommunikationssignalen verbunden sind, wobei die Kommunikationssignale anschließend unter Verwendung verschiedener wohlbekannter Verfahren herunterkonvertiert, verstärkt und digitalisiert werden. In einigen Kommunikationssystemen werden mehrere Antennen 310 verwendet. Durch den Analogempfänger 314 ausgegebene digitalisierte Signale werden als Eingaben an zumindest ein digitales Empfangsmodul 324, angedeutet durch die gestrichelten Linien, geliefert.
Jedes digitale Empfangsmodul 324 korrespondiert mit Elementen zur Signalverarbeitung, die verwendet werden, um die Kommunikation zwischen einem Gateway 102 und einem Nutzerterminal 106 zu bewerkstelligen, obgleich bestimmte Variationen in der Technik bekannt sind. Ein Analogempfänger 314 kann Eingaben für viele digitale Empfangsmodule 324 liefern, und eine Anzahl solcher Module werden typischerweise in Gateways 102 eingesetzt, um alle Satellitenstrahlen und alle möglichen Diversitymodensignale aufzunehmen, die zu jedem beliebigen Zeitpunkt bearbeitet werden. Jedes digitale Empfangsmodul 324 weist einen oder mehrere digitale Empfänger 316 und Sucher-Empfänger 318 auf. Der Sucher-Empfänger 318 sucht prinzipiell nach geeigneten Diversitymoden von Signalen außer den Pilotsignalen, und mehrere Sucher können parallel verwendet werden, um die Suchgeschwindigkeit zu erhöhen. Wenn in einem Kommunikationssystem implementiert, werden mehrere digitale Datenempfänger 316A-316N für den Empfang der Diversity-Signale benutzt.
Die Ausgaben der digitalen Datenempfänger 316 werden an darauffolgende Elemente 322 zur Basisbandverarbeitung geleitet, die eine Vorrichtung aufweisen, die in der Technik wohlbekannt ist und hier nicht mit weiteren Details betrachtet wird. Eine beispielhafte Basisbandvorrichtung umfaßt Diversity- Kombinierer und Decoder zum Kombinieren von Multipfadsignalen in eine Ausgabe für jeden Nutzer. Eine beispielhafte Basisbandvorrichtung umfaßt außerdem Schnittstellenschaltungen zum Vorsehen von Ausgabedaten, typischerweise an eine digitale Vermittlung oder ein digitales Netzwerk. Eine Vielzahl weiterer bekannter Elemente sei im folgenden nicht abschließend aufgeführt: Vocoder, Datenmodems und digitale Vermittlungs- und Speicherkomponenten können Teile der Elemente 322 zur Basisbandverarbeitung bilden. Diese Elemente dienen der Steuerung oder Lenkung des Transfers von Datensignalen an ein oder mehrere Übertragungsmodule 334.
Signale zur Übertragung an die Nutzerterminals 106 werden jeweils elektrisch an ein oder mehrere geeignete Übertragungsmodule 334 gekoppelt. Ein typischer Gateway verwendet eine Anzahl solcher Übertragungsmodule 334, um viele Nutzerterminals 106 gleichzeitig zu versorgen, und für mehrere Satelliten und Strahlen gleichzeitig. Die Anzahl der Übertragungsmodule 334, die in einem Gateway 102 benutzt werden, wird anhand von in der Technik wohlbekannten Faktoren bestimmt, welche die Komplexität des Systems, die Anzahl der gewöhnlich sichtbaren Satelliten, die Nutzerkapazität, den Grad der gewählten Diversity und ähnliches beinhalten.
Jedes Übertragungsmodul 334 beinhalten einen Übertragungsmodulator 326, welche Daten für die Übertragung spreizspektrummoduliert und eine Ausgabe aufweist, die elektrisch mit einem digitalen Regler 328 für die Übertragungsleistung gekoppelt ist, welcher die Übertragungsleistung des ausgehenden digitalen Signals steuert. Der digitale Regler 328 für die Übertragungsleistung verwendet im allgemeinen einen Mindestleistungspegel zu Zwecken der Interferenzreduktion und Ressourcenzuweisung, verwendet allerdings geeignete Leistungspegel, wenn dies für die Kompensation einer Dämpfung im Signalpfad und anderer Pfadtransfereigenschaften erforderlich ist. Ein PN Generator 332 wird durch den Übertragungsmodulator 326 zum Spreizen der Signale verwendet. Diese Codeerzeugung kann außerdem einen funktionalen Teil eines oder mehrerer Steuerungsprozessoren oder Speicherelemente des Gateway 102 bilden.
Die Ausgabe des digitalen Reglers 328 für die Übertragungsleistung wird an einen Summierer 336 transferiert, wo sie mit den Ausgaben von anderen Reglern für die Übertragungsleistung summiert wird. Diese Ausgaben sind Signale für die Übertragung zu anderen Nutzerterminals 106 mit der gleichen Frequenz und innerhalb desselben Strahls wie die Ausgabe des Reglers 328 für die Übertragungsleistung. Die Ausgabe des Summierers 336 wird an einen Analogübertrager 338 zur digital-zu-analog Wandlung, zur Wandlung in eine geeignete RF Trägerfrequenz, zur weiteren Verstärkung, zur Filterung und zur Ausgabe an eine oder mehrere Antennen 340 zur Ausstrahlung an Nutzerterminals 106 geliefert. Die Antennen 310 und 340 können abhängig von der Komplexität und der Konfiguration des Kommunikationssystems dieselben Antennen sein.
Mindestens ein Steuerprozessor 320 des Gateways ist elektrisch mit den Empfangsmodulen 324, den Übertragungsmodulen 334 und der Basisbandschaltung 322 gekoppelt. Diese Einheiten können physikalisch voneinander separiert sein. Der Steuerprozessor 320 liefert Befehle und Steuersignale zum Bewirken von Funktionen, die im folgenden in nicht abschließender Weise genannt sind: Signalverarbeitung, Timingsignalerzeugurig, Leistungsregelung, Handoff-Steuerung, Diversity-Kombinierung und Systemverkopplung. Zusätzlich weist der Steuerprozessor 320 die PN Spreizcodes, orthogonale Codesequenzen und spezifische Übertrager und Empfänger oder Module zur Verwendung bei der Nutzerkommunikation zu. Ferner kann der Steuerprozessor 320 verwendet werden, um für die vorliegende Erfindung die Parameter zu berechnen und das Positionierungsverfahren auszuführen.
Der Steuerprozessor 320 steuert außerdem die Erzeugung und die Leistung von Pilotkanalsignalen, Synchronisationskanalsignälen und Pagingkanalsignalen und deren Einspeisung in den digitalen Regler 328 für die Übertragungsleistung. Der Pilotkanal ist einfach ein Signal, welches nicht durch Daten moduliert wird, und welches ein sich wiederholendes, sich nicht änderndes Muster oder eine nicht variierende Rahmenstruktur aufweisen kann. Das heißt, die für das Bilden des Pilotsignalkanals verwendete orthogonale Funktion hat üblicherweise einen konstanten Wert, beispielsweise nur Einsen ("1") oder nur Nullen ("0"), oder ein wohlbekanntes, sich wiederholendes Muster von zwischengelagerten Einsen ("1") und Nullen ("0").
Während der Steuerprozessor 320 direkt elektrisch mit den Elementen eines Moduls, beispielsweise denen des Übertragungsmoduls 334 oder des Empfangsmoduls 324, gekoppelt sein kann, umfaßt jedes Modul üblicherweise einen modulspezifischen Prozessor, beispielsweise einen Übertragungsprozessor 330 oder einen Empfangsprozessor 321, der die Elemente dieses Moduls steuert. Somit ist Steuerungsprozessor 320 in einem Ausführungsbeispiel elektrisch mit dem Übertragungsprozessor 330 und dem Empfangsprozessor 321 gekoppelt, wie in Fig. 3 dargestellt. Auf diese Weise kann ein einziger Steuerprozessor 320 den Betrieb einer großen Anzahl von Modulen und Ressourcen viel effizienter steuern. Der Übertragungsprozessor 330 steuert die Erzeugung und die Signalleistung für Pilotsignale, Synchronisationssignale, Pagingsignale und Verkehrskanalsignale sowie deren entsprechende Kopplung an den Leistungsregler 328. Der Empfangsprozessor 321 steuert das Suchen, die PN Spreizcodes für die Demodulation und das Überwachen der empfangenen Leistung. Der Prozessor 321 kann außerdem benutzt werden, um die für das Verfahren der vorliegenden Erfindung genutzten Signalparameter zu bestimmen, oder er kann die von dem Nutzerterminal empfangenen Informationen betreffend solche Parameter detektieren und transferieren und somit die Last des Steuerprozessors 320 verringern.
Um die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu implementieren, können ein oder mehrere Vorkorrektoren oder Frequenz-Vorkorrekturelemente 342 und 344 verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Vorkorrekturelement 342 verwendet, um die Frequenz der digitalen Ausgabe des digitalen Leistungsreglers 328 bei Basisbandfrequenz zu justieren. Wie im Nutzerterminal wird die spektrale Information des Basisbandes einschließlich der Frequenzjustage während des Hochkonvertierens in einem analogen Übertrager 338 in die geeignete Mittenfrequenz übersetzt. Die Frequenz-Vorkorrektur wird mittels in der Technik bekannter Verfahren erreicht, beispielsweise mittels komplexer Signalrotation, wie oben erläutert, wobei der Winkel der Rotation basierend auf bekannten Satelliten-Ephemeriden und der gewünschten Signalfrequenz berechnet wird. Wie bereits beim Nutzerterminal können andere Rotationsverfahren und entsprechende Hardware verwendet werden.
Zusätzlich zur Frequenz-Vorkorrektur kann eine Zeit-Vorkorrektur wünschenswert sein, um das relative Timing von Signalen oder PN Codes zu ändern. Dies wird üblicherweise erreicht, indem entweder Codeerzeugung und Timing oder ein anderes Signalparametertiming eingestellt werden, wenn ein Signal im Basisband erzeugt wird, vor Ausgabe durch den Leistungsregler 328. Beispielsweise kann die Steuerung 320 festlegen, wann Codes erzeugt werden, welches relative Timing sie aufweisen und wie sie auf Signale angewendet werden sowie wann Signale durch den Übertragungsmodulator 326 behandelt und an die verschiedenen Satelliten durch den Leistungsregler 328 übertragen werden. Allerdings können bekannte Zeit-Vorkorrekturelemente oder Zeit- Vorkorrekturschaltungen entweder als Teil der Vorkorrekturelemente 342 und 344, oder als diesen ähnliche, separate Einheiten (nicht dargestellt), ohne oder zusätzlich zu den Frequenz-Vorkorrekturelementen nach Bedarf verwendet werden.
In Fig. 3 ist der Vorkorrektor 342 als in den Übertragungspfad vor dem Summierer 336 eingebracht dargestellt. Dies erlaubt die individuelle Steuerung für jedes Nutzerterminalsignal nach Bedarf. Allerdings kann ein einziges Frequenz-Vorkorrekturelement verwendet werden, wenn die Vorkorrektur nach dem Summierer 336 ausgeführt wird, da die Nutzerterminals den gleichen Übertragungspfad vom Gateway zum Satelliten aufweisen.
Als eine Alternative kann ein Vorkorrektor 344 im Übertragungspfad an der Ausgabe des analogen Übertragers 338 angeordnet sein, um unter Anwendung wohlbekannter Verfahren die Frequenz des ausgehenden Signals anzupassen. Allerdings kann das Ändern der Frequenz an der Ausgabe des analogen Übertragers schwieriger sein und mit dem Prozeß der Signalfilterung interferieren. Alternativ kann die Ausgabefrequenz des analogen Übertragers 338 direkt durch den Steuerprozessor 320 eingestellt werden, um eine verschobene Ausgabefrequenz vorzusehen, die einen Offset von der normalen Mittenfrequenz aufweist.
Der Betrag der dem ausgehenden Signal aufgeprägten Frequenzkorrektur basiert auf bekanntem Doppler zwischen dem Gateway und jedem Satelliten, durch welchen Kommunikation etabliert ist. Der Betrag der Verschiebung zum berücksichtigen des Satelliten-Dopplers kann durch den Steuerprozessor 320 unter Verwendung bekannter Positionsdaten der Satellitenumlaufbahn berechnet werden. Diese Daten können in einem oder mehreren Ablageelementen 346 gespeichert und aus diesen abgerufen werden, beispielsweise in Form von Nachschlagetabellen oder Speicherelementen. Diese Daten könne auch von anderen Datenquellen geliefert werden, je nach Wunsch. Eine Vielzahl bekannter Vorrichtungen, etwa RAM und ROM Schaltungen oder magnetische Speichervorrichtungen, können zum Aufbau der Ablageelemente 346 verwendet werden. Diese Information wird verwendet, um die Doppler-Korrektur für jeden Satelliten, der von dem Gateway zu einer gegebenen Zeit benutzt wird, zu etablieren.
Wie in Fig. 3 gezeigt liefert eine Zeit- und Frequenzeinheit (TFU = Time and Frequency Unit) 348 Referenzfrequenzsignale für den Analogempfänger 314. Ein Universalzeitsignal (UT = Universal Time) von einem GPS Empfänger kann als ein Teil dieses Prozesses in einigen Anwendungen verwendet werden. Es kann bedarfsweise auch in mehreren Zwischenschritten bei der Konvertierung angewendet werden: Die TFU 348 dient außerdem als eine Referenz für den analogen Übertrager 338. Die TFU 348 liefert auch Timingsignale an andere Stufen oder Verarbeitungselemente innerhalb der Übertragungs- und Empfangsvorrichtung 300 des Gateway, beispielsweise an die Korrelatoren in den digitalen Empfängern 316A-N und 318, an den Übertragungsmodulator 326 und an den Steuerprozessor 320. Die TFU 348 ist außerdem für das Zurückbleiben oder Voranschreiten des relativen Timings von (Takt) Signalen um festgelegte Beträge, bei Bedarf und unter Prozessorsteuerung, ausgelegt. Ein Ausführungsbeispiel für das Ausführen von Zeitmessungen ist in Fig. 4 dargestellt, welches eine Zeitfolgeschleife bzw. eine Zeittrackingschleife 400 für ein Nutzerterminal präsentiert. Dieser Typ Zeittrackingschleife wird als ein Tau Dither Typ bezeichnet, wie in der Technik bekannt. In Fig. 4 werden eingehende Kommunikationssignale vom Analogempfänger typischerweise überabgetastet (oversampled) und dann in einen Dezimator 402 eingegeben. Der Dezimator 402 arbeitet mit einer festgelegten Rate und einem festgelegten Timing, um nur bestimmte Abtastwerte an folgende Stufen des Empfängers zu transferieren.
Die dezimierten Abtastwerte werden an ein Kombinationselement 404 transferiert, welches typischerweise ein Multiplizierer ist, um eine Kombination mit einem geeigneten System PN Spreizcode, der von einem PN Generator oder einer Quelle 406 geliefert wird, zu bewirken, um das Signal zu entspreizen. Das entspreizte Signal wird an ein Kombinationselement 408 weitergeleitet, wo es mit geeigneten orthogonalen Codefunktionen Wi, die, falls vorhanden, von einem Codegenerator oder einer Quelle 410 geliefert werden, kombiniert wird, um Daten zu erhalten. Die orthogonalen Codefunktionen sind jene, die verwendet wurden, um die Kommunikationssignalkanäle zu erzeugen. Üblicherweise werden Pilot- und Pagingsignale für diesen Prozeß verwendet, obgleich andere starke Signale verwendet werden könnten. Daher ist der orthogonale Code im allgemeinen einer, der für die Erzeugung von Pilotsignal oder Pagingsignal verwendet wird, wie dies in der Technik bekannt sein dürfte. Alternativ können PN Spreizcodes und orthogonale Codes zunächst miteinander und anschließend in einem einzigen Schritt mit den Abtastwerten kombiniert werden, wie in der Technik bekannt.
Die Zeittrackingschaltung kann ein "Early/Late" bzw. "Früh/Spät" Verfahren anwenden, wie in dem oben erläuterten U. S. Patent Nr. 4,901,307 offenbart. Bei diesem Ansatz wird der Grad, in dem das Timing eingehender Signale und digitaler Empfänger 216 gleich oder aufeinander abgestimmt sind, durch Abtasten eines eingehenden Datenstroms mit einem Offset von einer nominalen Chip-Zeit gemessen. Dieser Offset beträgt entweder plus oder minus eine halbe PN Code Chipperiode und wird entsprechen als spät ("late") oder früh ("early") bezeichnet.
Falls das Timing der plus oder minus Offset-Daten von denen der nominalen entspreizten eingehenden Signalspitzen symmetrisch abweicht, ist die zwischen den "late" und "early" Abtastwerten gebildete Differenz gleich Null. Das heißt, ein Wert, der durch das Bilden der Differenz zwischen den "late" und "early" Signalen erzeugt wird, geht gegen Null, wenn der ein-halber-Chip Offset um das "on-time" bzw. "pünktlich" Timing des empfangenen Signals zentriert ist. Falls das relative Timing, welches durch die Empfänger 216 verwendet wird, das Tracking des empfangenen Signaltimings nicht akkurat ausführt, und schnell relativ zu den eingehenden Signaldaten ist, dann erzeugt die "late" minus "early" Differenz ein Korrektursignal mit einem positiven Wert. Andererseits erzeugt die Differenz ein Korrektursignal mit einem negativen Wert, falls das Signaltiming zu langsam ist. Es ist leicht ersichtlich, daß eine inverse oder eine sonstige Beziehung bedarfsweise ebenfalls angewendet werden kann.
Zum Implementieren dieses Verfahrens wird die Ausgabe des Dezimators so gesteuert, daß sie einen halben Chip früher erscheint, als dies normalerweise für das Demodulieren von Signalen verwendet wird. Die Ausgabe des Dezimators wird anschließend entspreizt und dekodiert, und die resultierenden Daten werden über eine vorgewählte Periode (typischerweise eine Symbolperiode) in einem Akkumulator 414 akkumuliert. Die akkumulierten Symboldaten liefern Symbolenergien, welche in einem Quadrierelement 416 quadriert werden, um nicht-negative Betragswerte für ein "early" Signal zu liefern. Ein weiterer Satz von Abtastwerten wird eine darauffolgende vorgewählte Periode unter Verwendung des Akkumulators 414 akkumuliert und summiert oder integriert. Allerdings wird während dieser Periode ein Satz von Verzögerungselementen 412 benutzt, um die Anwendung des PN Codes und des orthogonalen Codes um eine Chipperiode zu verzögern. Dies hat den gleichen Effekt wie das Ändern des Timings der Abtastwerte oder Dezimierung, wodurch eine "late" Version der entspreizten und dekodierten Daten erzeugt wird. Diese entspreizten und dekodierten Daten werden über eine vorgewählte Periode im Akkumulator 414 akkumuliert. Zusätzliche Elemente und Speicherbausteine können nach Bedarf verwendet werden. Die akkumulierten "late" Symboldaten werden im Quadrierelement 416 quadriert. Die resultierenden quadrierten Werte für "early" und "late" werden iri Element 418 entweder voneinander subtrahiert oder miteinander verglichen, um die gewünschte "Early/Late" Timingdifferenz zu erhalten. Diese Differenz wird in einem Timingfilter 420 gefiltert, um ein "advance/retard" bzw. "Voranschreiten/Zurückbleiben" Signal 422 zu erzeugen. Die Zeittrackingschleife fährt fort, die nichtverzögerten und die verzögerten Codes abzuwechseln, um "early" und "late" Symbole zu erzeugen, welche verwendet werden, um die Werte für das "Voranschreiten/Zurückbleiben" Signal 422 zu aktualisieren oder zu erzeugen. Dies wird fortgesetzt bis das Empfängertiming zurückgesetzt wird, beispiels-, Weise wenn der Empfänger in einen inaktiven Zustand versetzt wird oder zum Tracking eines neuen Signals verschoben wird, wie dies einem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich würde.
Anfängliche und fortschreitende Timingsteuerung für den Dezimierungsprozeß und die Verzögerung von Codes werden durch eine Schaltung, wie beispielsweise die Timingsteuerschaltung 424, vorgesehen. Das heißt, die Timingsteuerschaltung 424 bestimmt das Timing der Abtastwertauswahl des Dezimators 402. Gleichzeitig wird die Erzeugung des PN Spreizcodes und des orthogonalen Codes ebenfalls durch Signale von der Timingsteuerschaltung 424 gesteuert. Das letztere Timing wird mitunter als eine PN Freigabe bezeichnet, da es die Anwendung von Codes freischaltet. Ferner kann ein Initialisierungstimingsignal oder EPOCH Timingsignal existieren. Das durch die Timingsteuerschaltung 424 ausgewählte Timing wird durch das Voranschreiten/Zurückbleiben Signal 422 ansprechend auf die Ausgabe der Timingschleife eingestellt. Üblicherweise wird das Timing um eine Zeitdauer voranschreiten, die einem Bruchteil einer Chipperiode entspricht, beispielsweise 1/8 eines Chip, wenn 8-fach Überabtastung (Oversampling) angewendet wird, um das Eingabesignal vor der Dezimierung zu sammeln. Die Anwendung solcher Timingmechanismen und Voranschreiten/Zurückbleiben Mechanismen ist in der Technik wohlverstanden.
Den Betrag, um welchen jeder Finger oder jeder digitale Empfänger sein Timing anpaßt, um sich mit einem Eingabesignal zu synchronisieren oder an diesem auszurichten, wird verwendet, um relative Verzögerungen in der Signal-Ankunftszeit zu bestimmen. Dies erfolgt einfach durch Tracking des Gesamtbetrags der Zeitänderung (Voranschreiten/Zurückbleiben), die durch die Timingschleife 400 benutzt wird. Ein Akkumulator 426 kann verwendet werden, um einfach jedes der Voranschreiten/Zurückbleiben Signale oder Befehle über eine gewählte Periode zu akkumulieren und zu summieren. Dies liefert den Gesamtbetrag oder Nettobetrag der Änderung, die benötigt wird, um das eingehende Signal und das Timing des Empfängers aufeinander abzustimmen. Dies repräsentiert einen Offset des Signals vom Timing des lokalen Nutzerterminals oder Empfängers. Ist das Timing des Nutzerterminals relativ nah oder synchronisiert mit dem Gateway, könnte dies ein Maß der Verzögerung liefern, die das Signal auf dem Weg zwischen dem Gateway und dem Nutzerterminal erfährt, was wiederum eine Berechnung der Entfernung ermöglicht. Leider werden jedoch solche direkten Berechnungen durch viele Faktoren verhindert, etwa durch Ungenauigkeit oder Drift des lokalen Oszillators.
Allerdings können die Timinganpassungen zweier digitaler Empfänger 216 verwendet werden, um einen Differenzwert vorzusehen, der die relative Ankunftszeit darstellt. Dabei empfängt jeder digitale Empfänger ein Signal entweder von Satellit 104A oder 104B und bestimmt die Timinganpassungen, die für das Tracking des Signals erforderlich sind. Die erforderlichen Timinganpassungen können entweder direkt an den Steuerprozessor oder an ein dediziertes Rechenelement geliefert werden, wo eine Differenz zwischen den beiden gebildet wird. Diese Differenz ist ein Maß für die relative Zeitdifferenz für die Ankunft zweier Signale beim Nutzerterminal, welche an den Gateway zurückübermittelt werden kann.
Wie bereits erwähnt können diese Daten als Teil anderer Nachrichten oder als dedizierte Zeitinformationssignale an den Gateway gesendet werden. Die Daten können in transienten bzw. flüchtigen Speicherelementen für spätere Übertragung und Verwendung gespeichert werden. Die Daten können auch mit irgendeiner Form eines "Zeitstempels", der die Zeit der Erfassung reflektiert, geliefert oder gespeichert werden, so daß ein Gateway eine akkurate Zeitbeziehung für die Daten erhält und die Position des Nutzerterminals genauer bestimmen kann. Wie bereits erwähnt ist allerdings die in Kommunikationssystemen gewünschte Akkuratheit keine sonderlich stringente Erfordernis. Falls die Information in einer sehr kurzen Zeit nach der Erfassung übertragen wird, ist ein Zeitstempel nicht sonderlich nützlich. Üblicherweise werden die Daten innerhalb weniger Datenrahmen nach ihrer Messung gesendet, und falls ein Übertragungsproblem auftritt, sind die erneut generierten Daten vor der Übertragung nicht mehr als einige wenige Rahmen alt. Ein Zeitstempel erlaubt allerdings eine größere Flexibilität bei der Datenübertragung und die wiederholte Übertragung von Signalen oder Sätzen von Signalen unabhängig von der tatsächlichen Zeit. Anderenfalls werden durch das System wahrscheinlich feste Zeitschlitze und Übermittlungsanforderungen benutzt, um einen gewünschten Grad an Akkuratheit aufrecht zu erhalten, wenn Zeitstempel nicht verwendet werden.
Der Prozeß ist für einen Gateway ähnlich, mit der Ausnahme, daß ein Pilotsignal nicht detektiert wird und daß die orthogonalen Codes üblicherweise mit Zugriffsprobensignalen assoziiert sind. Ein Vorteil für den Gateway liegt darin, daß das Timing als eine absolute Zeitreferenz betrachtet werden kann. Das heißt, der Gateway verfügt über ein akkurates Systemtiming, wie weiter oben erläutert, und kann die Zeitdifferenzen für die Anwendung der PN Codes oder der orthogonalen Codes relativ zur seiner eigenen Zeit akkurat bestimmen. Dies ermöglicht es dem Gateway, akkurate Übermittlungszeiten oder Abstände aus dem Zustand der für jeden Empfänger oder Finger verwendeten PN Codes zu bestimmen. Diese Übermittlungszeiten oder Abstände können beim Bestimmen der Parameter Entfernung und Entfernungsdifferenz der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Obgleich dies in einigen Anwendungen nützlich sein kann, muß die Information für jeden Finger nicht wie vorstehend mittels eines Elementes 428 kombiniert werden, sondern kann für jeden Finger gesondert behandelt werden.
Ein Ausführungsbeispiel zum Ausführen von Frequenzmessungen ist in Fig. 5 dargestellt, die eine Übersicht über eine Frequenztrackingschleife eines Nutzerterminals präsentiert. Diese Frequenzmessungen können zur Bestimmung der Parameter Entfernungsrate und Entfernungsratendifferenz der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In Fig. 5 werden Kommunikationssignale vom Analogempfänger in einen Rotator 502 eingegeben. Der Rotator 502 arbeitet mit einer ausgewählten, aber einstellbaren, Phase, um verbleibende Frequenzfehler oder Frequenzoffsets von digitalen Abtastwerten, die von einem Analogempfänger beim digitalen Empfänger oder Finger eintreffen, zu entfernen.
Wenn Signale vom CDMA Typ eingesetzt werden, können die Abtastwerte zu einem oder mehreren Kombinationselementen 504, typischerweise ein Multiplizierer, geleitet werden, wo sie mit geeigneten System PN Spreizcodes, die durch einen oder mehrere Codegeneratoren oder Quellen 506 geliefert werden, kombiniert werden, um Daten zu erhalten. Solche PN Spreizcodes und orthogonale Codes können mit dem Signal entweder separat oder gemeinsam in einem einzigen Schritt kombiniert werden. Werden Verkehrskanäle verwendet, um die Frequenz einzustellen, kann ein Element für die schnelle Hadamard-Transformation (FHT = Fast Hadamard Transform) anstelle des Kombinierers 504 und des Codegenerators 506 verwendet werden. Dieses Verfahren ist offenbart in U. S. Patent Nr. 6,330,291, welches den Titel "Frequency Tracking For Orthogonal Walsh Modulation" trägt und dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung zugewiesen ist.
Rotierte, entspreizte und dekodierte Signale werden in einem Akkumulator 514 über eine Symbolperiode akkumuliert, um ein Datensymbol zu liefern, und die Ergebnisse werden an ein Element oder einen Generator 518 zur Erzeugung eines Vektorkreuzproduktes geliefert. Gleichzeitig wird jedes Symbol an ein Eine-Symbolzeit-Verzögerungselement 516 geleitet, welches eine Verzögerung von einer Symbolperiode vorsieht, bevor das Symbol zum Kreuzproduktgenerator 518 weitergeleitet wird.
Der Kreuzproduktgenerator 518 bildet ein Vektorkreuzprodukt zwischen einem Symbol und einem vorangehenden Symbol, um eine Phasenänderung zwischen den Symbolen zu bestimmen. Dies liefert ein Maß für den Fehler der dem Eingabesignal aufgeprägten Phasenrotation. Die Ausgabe vom Kreuzproduktgenerator 518 wird als eine Schätzung des Frequenzfehlers oder als Anpassungsfaktor an den Rotator 502 und den Codegenerator 506 geliefert. Timingsteuerung für die Prozesse Entspreizung und Dekodierung wird durch eine Schaltung geliefert, beispielsweise eine Timingsteuerungsschaltung 524, wie weiter oben erläutert. Dieses Timing kann als eine Ausgabe der weiter oben erläuterten Timingschleife vorgesehen werden.
Den Betrag, um welchen jeder Finger oder jeder digitale Empfänger seine Phase einstellt, um sich an einem Eingabesignal auszurichten, wird verwendet, um relative Frequenzoffsets ankommender Signale zu bestimmen. Das heißt, der Betrag, um welchen die Phase des Rotators justiert werden muß, um den verbleibenden Fehler bei der Signalausrichtung zu entfernen, repräsentiert den Betrag, um den die Frequenz des ankommenden Signals von der erwarteten oder lokalen Referenzfrequenz für das Nutzerterminal abweicht. Da das Kommunikationssystem innerhalb festgelegter Sätze von Frequenzbändern für Kommunikationssignale arbeitet, kennen die Empfänger die zu verwendenden Träger-Mittenfrequenzen oder Träger-Nennfrequenzen. Allerdings wird das ankommende Signal aufgrund von Dopplerverschiebungen und anderen Effekten, die minimal sein können, nicht bei der erwarteten Mittenfrequenz liegen. Die oben erläuterten Einstellungen bzw. Anpassungen definieren einen Offset, der verwendet werden kann, um die Dopplerverschiebungen und die tatsächliche Frequenz des ankommenden Signals zu bestimmen.
Dies wird einfach erreicht, indem der Gesamtbetrag der durch die Frequenztrackingschleife 500 implementierte Änderung verfolgt wird. Ein Akkumulator 522 kann verwendet werden, um über eine vorgewählte Zeitdauer einfach die Phasenänderungen aus den Fehlerschätzungen, Signalen oder Befehlen zu akkumulieren. Dies liefert einen Gesamtbetrag oder Nettobetrag der Änderung, die benötigt wird, um das eingehende Signal und die Frequenzen des Empfängers aufeinander abzustimmen und repräsentiert den Frequenzoffset des Signals des lokalen Nutzerterminals oder Empfängers, skaliert auf das passende Frequenzband.
Wie zuvor können diese Daten an den Gateway als Teil anderer Nachrichten oder als dedizierte Frequenzinformationssignale gesendet werden. Die Daten können in transientem bzw. flüchtigem Speicher für spätere Übertragung gespeichert und auch mit irgendeiner Form eines "Zeitstempels" versehen werden. Allerdings ist dies im allgemeinen nicht erforderlich, da die Daten innerhalb weniger Datenrahmen nach ihrer Messung übertragen werden und regeneriert werden können, falls ein Problem auftritt. Anderenfalls werden durch das System wahrscheinlich feste Zeitschlitze und Übermittlungsanforderungen benutzt, um einen gewünschten Grad an Akkuratheit aufrecht zu erhalten, wenn Zeitstempel nicht verwendet werden.

III. Verfügbare Parameter

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Kombinationen von vier Parametern verwendet: Entfernung, Entfernungsrate, Entfernungsdifferenz und Entfernungsratendifferenz. Diese Parameter beschreiben die räumlichen und zeitlichen Beziehungen zwischen dem Nutzerterminal 106 und den Satelliten 104A und 104B. Diese Parameter und ihre Messung und Anwendung werden im folgenden beschrieben.
Fig. 6, 7 und 8 stellen die Projektion von Iso-Konturen auf die Erdoberfläche graphisch dar, welche diese Parameter repräsentieren. Eine Iso-Kontur eines Parameters ist eine Kurve, die alle Punkte mit dem gleichen Wert des Parameters verbindet. Fig. 6 und 7 stellen jeweils die Subpunkte 614A und 614B von zwei Satelliten 104A und 104B graphisch dar (das heißt, die Punkte auf der Erdoberfläche, die sich jeweils direkt unter den Satelliten befinden) sowie eine Projektion auf die Erdoberfläche der Iso-Konturen der auf die Satelliten 104A und 1048 bezogenen Parameter Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsratendifferenz. Zwei Achsen, eine x-Achse 602A und eine y-Achse 6028 mit einer Einteilung in Tausend Kilometern bilden eine beispielhafte Skala. Fig. 8 stellt jeweils die Subpunkte 614A und 614B der zwei Satelliten 104A und 104B graphisch dar sowie eine Projektion auf die Erdoberfläche der Iso-Konturen der auf die Satelliten 104A und 104B bezogenen Parameter Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsrate.
Entfernung. Der Entfernungsparameter repräsentiert den Abstand zwischen einem Satelliten und einem Nutzerterminal. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Entfernungsparameter der Abstand R zwischen einem Satelliten 104 und einem Nutzerterminal 106. Die Projektion einer iso-R Kontur auf die Erdoberfläche beschreibt einen Kreis mit Mittelpunkt unter dem relevanten Satelliten, wie durch die Strich-Punkt-Linien 604 in Fig. 6 gezeigt. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird R gewonnen, indem die Rundreiseverzögerung bzw. die Round Trip Verzögerung (RTD = Round Trip Delay) eines vom Satelliten 104 an ein Nutzerterminal 106 und zurück an den gleichen Satelliten 104 gesendeten Signals gemessen wird. R wird dann bestimmt indem RTD durch Zwei dividiert wird, um die Einfachverzögerung bzw. Einwegverzögerung zur liefern, und indem das Ergebnis anschließend mit der Lichtgeschwindigkeit, welche die Geschwindigkeit des Signals repräsentiert, multipliziert wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird RTD als ein Entfernungsparameter verwendet.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird RTD durch folgendes Verfahren gemessen. Zunächst wird ein Signal, welches eine bekannte laufende PN Sequenz oder einen bekannten laufenden Spreizcode aufweist, durch den Gateway 102 übertragen. Das Signal wird durch einen Satelliten 104 an das Nutzerterminal 106 geleitet. Das Nutzerterminal 106 überträgt das Signal entweder unmittelbar oder nach einer bekannten Verzögerung zurück. Das zurückübertragene Signal wird durch den gleichen Satelliten 104 an den Gateway 102 zurückgeleitet. Der Gateway 102 vergleicht anschließend den Zustand der PN Sequenz in dem empfangenen Signal mit dem Zustand der lokalen PN Sequenz. Die Differenz der Zustände wird anschließend verwendet, um die gesamte Round Trip Verzögerung zu bestimmen, welche bekannte Verzögerungen zwischen dem Gateway 102 und dem Satelliten 104 einschließt. Diese Verzögerungen sind bekannt, weil die Entfernung zwischen den Satelliten 104 und dem Gateway 102 durch den Gateway auf Stand gehalten wird, wie dies in der Technik wohlbekannt ist. Subtrahieren dieser bekannten Verzögerungen von der gesamten Round Trip Verzögerung liefert RTD. Unter Verwendung der bekannten Satelliten-Ephemeriden werden die bekannten Verzögerungen zwischen Gateway 102 und Satellit 104 mit in der Technik wohlbekannten Verfahren berechnet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird R gewonnen, indem eine "hybride" Round Trip Verzögerung eines von einem Satelliten 104A an ein Nutzerterminal 106 und zurück zu einem zweiten Satelliten 104B übertragenen Signals gemessen wird. In diesem Ausführungsbeispiel kann allerdings die Einwegverzögerung nicht durch einfaches Dividieren der hybriden Round Trip Verzögerung durch Zwei bestimmt werden. Da zwei Satelliten involviert sind, sind einige Informationen bezüglich deren relativer Position erforderlich. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird diese Information in Form eines Entfernungsdifferenzparameters geliefert, wie weiter unten erläutert. Wie dies einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich wäre, können andere Parameter und Meßgrößen bzw. Messungen diese Information liefern. Wurde die Einwegverzögerung für einen Satelliten 104 gefunden, wird R durch Multiplizieren der Einwegverzögerung mit der Lichtgeschwindigkeit bestimmt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die hybride Round Trip Verzögerung durch folgendes Verfahren gemessen. Zunächst wird ein Signal, welches eine bekannte laufende PN Sequenz aufweist, durch den Gateway 102 übertragen. Das Signal wird durch einen ersten Satelliten 104A an das Nutzerterminal 106 geleitet. Das Nutzerterminal 106 überträgt das Signal entweder unmittelbar oder nach einer bekannten Verzögerung zurück. Das zurückübertragene Signal wird durch einen zweiten Satelliten 104B an den Gateway 102 zurückgeleitet. Der Gateway 102 vergleicht anschließend den Zustand der PN Sequenz in dem empfangenen Signal mit dem Zustand der lokalen PN Sequenz. Die Differenz der Zustände wird anschließend verwendet, um die gesamte hybride Round Trip Verzögerung basierend auf der bekannten Chiprate zu bestimmen. Subtrahieren der bekannten Verzögerungen zwischen dem Gateway 102 und dem ersten Satelliten 104A und zwischen dem Gateway 102 und dem zweiten Satelliten 104B von der gesamten hybriden Round Trip Verzögerung liefert die hybride Round Trip Verzögerung.
Wie einem Fachmann des entsprechenden Gebiets ersichtlich, können andere Verfahren zum Gewinnen von R angewandt werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann RTD entweder während einer Verbindung oder während eines Verbindungsaufbaus gemessen werden. Falls die Messung während eines Verbindungsaufbaus erfolgt, wird das gemessene Signal üblicherweise vom Gateway 102 zum Nutzerterminal 106 als Teil des Pagingsignals übertragen, und wird vom Nutzerterminal 106 an den Gateway 102 als Teil des Zugriffssignals (access signal) zurückübertragen. Falls die Messung während einer Verbindung erfolgt, wird das gemessene Signal üblicherweise vom Gateway 102 zum Nutzerterminal 106 und zurück als Teil der Verkehrssignale übertragen. Wie einem Fachmann des entsprechenden Gebiets ersichtlich, können andere Signaltypen für das gemessene Signal verwendet werden, oder dieses kann in andere Signale eingefaßt werden, je nach Anforderung.
Entfernungsdifferenz. Der Entfernungsdifferenzparameter repräsentiert die Abstände zwischen einem Nutzerterminal 106 und zwei Satelliten 104A und 104B. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Entfernungsdifferenzparameter die Differenz dR zwischen (1) dem Abstand zwischen einem bestimmten Nutzerterminal 106 und einem ersten Satelliten 104A und (2) dem Abstand zwischen diesem Nutzerterminal und einem zweiten Satelliten 104B. Die Projektion von iso-dR Konturen auf die Erdoberfläche beschreibt einen Satz von Hyperbeln, wie durch gestrichelte Linien 606 in Fig. 6 gezeigt, wobei die Kontur für dR = 0 eine gerade Line beschreibt. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dR mittels des folgenden Verfahrens bestimmt. Zunächst überträgt der Gateway 102 zwei Signale. Das erste Signal wird durch einen ersten Satelliten 104A an das Nutzerterminal 106 übertragen, und das zweite Signal wird durch einen zweiten Satelliten 104B an das Nutzerterminal 106 übertragen. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden das erste und das zweite Signal beim Gateway 102 bezüglich der Zeit vorkorrigiert, wie oben mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben, so daß sie durch den ersten und den zweiten Satelliten 104A und 104B jeweils im Grunde genommen gleichzeitig zurückübertragen werden.
Zweitens bestimmt das Nutzerterminal 106 eine Verzögerungsdifferenz zwischen (1) der Zeit, zu welcher das Nutzerterminal 106 das Signal vom ersten Satelliten empfängt und (2) der Zeit, zu welcher das Nutzerterminal 106 das Signal vom zweiten Satelliten empfängt. Diese Verzögerungsdifferenz wird im folgenden als Δt bezeichnet. Drittens meldet das Nutzerterminal 106 Δt an den Gateway 102. Zuletzt bestimmt der Gateway 102 dR aus Δt. Wie einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich, können andere Verfahren zur Gewinnung von dR angewandt werden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Δt als Entfernungsdifferenzparameter verwendet.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind das erste und das zweite Signal Pilotsignale. Wie einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich, kann jedes geeignete Signal verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden das erste und das zweite Signal durch den Gateway 102 vor der Übertragung vorkorrigiert, wie mit Bezug auf Fig. 3 oben erläutert, um sicherzustellen, daß die PN Codes der Signale synchronisiert sind (einschließlich der passenden PN Codeoffsets für Substrahlen), wenn sie durch die Satelliten 104A und 104B zurückübertragen werden, und das Nutzerterminal 106 bestimmt Δt durch Vergleichen der Zustände der PN Codes in den beiden empfangenen Signalen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden das erste und das zweite Signal nicht bezüglich der Zeit vorkorrigiert, sondern die Effekte der Differenzen der Rückübertragungszeiten zwischen dem ersten und dem zweiten Signal werden beim Gateway 102 nach dem Empfang der Signale entfernt. Wie einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich, können andere Vorkorrekturverfahren angewendet werden, um die Differenz der Pfadlängen zwischen dem Gateway 102 und den Satelliten 104A und 104B zu kompensieren.
Entfernungsrate. Der Entfernungsratenparameter repräsentiert die relative radiale Geschwindigkeit zwischen einem Nutzerterminal und einem Satelliten. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Entfernungsratenparameter die relative radiale Geschwindigkeit zwischen einem Nutzerterminal 106 und einem Satelliten 104. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Entfernungsratenparameter die Dopplerverschiebung RTDop von Signalen, die zwischen einem Nutzerterminal 106 und einem Satelliten 104 übertragen werden. kann berechnet werden, indem RTDop mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und durch die Träger-Mittenfrequenz geteilt wird. Die Projektion von iso-RTDop Konturen auf die Erdoberfläche beschreibt hyperbel-ähnliche Kurven, die symmetrisch in Bezug auf den Geschwindigkeitsvektor des entsprechenden Satelliten sind, wie mittels durchgezogener Linien 804 in Fig. 8 dargestellt. Die RTDop = 0 Kontur, welche durch den Subpunkt 614A des Satelliten 104A verläuft, beschreibt eine gerade Linie.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird durch das Ausführen von zwei Frequenzmessungen gemäß des folgenden Verfahrens bestimmt, wobei eine dieser Frequenzmessungen beim Nutzerterminal 106 und eine beim Gateway 102 ausgeführt wird. Das Nutzerterminal 106 mißt die Frequenz eines vom Gateway 102 über einen Satelliten 104 empfangenen Signals und meldet diese Frequenz an den Gateway 102. Der Gateway 102 mißt die Frequenz eines vom Nutzerterminal 106 über den gleichen Satelliten 104 empfangenen Signals. Somit sind zwei Frequenzmeßwerte beim Gateway 102 verfügbar. In einem Ausführungsbeispiel werden die Frequenzen relativ zu lokalen Oszillatorfrequenzen gemessen. Die tatsächliche Frequenz kann dann wie unten erläutert gewonnen werden. Dieses Verfahren ist außerdem in U.S. Patent Nr. 5,943,606 der gleichen Anmelderin offenbart, welches den Titel "Determination of Frequency Offsets in Communication Systems" trägt. Diese Messungen können durch zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten repräsentiert werden: die relative Radialgeschwindigkeit und ein normalisierter Offset foff/f&sub0; des lokalen Oszillators des Nutzerterminals 106. Dieses Gleichungspaar kann nach diesen beiden Unbekannten aufgelöst werden, woraus sich nicht nur , sondern auch foff/f&sub0; ergibt, welches ein für andere Aspekte beim Betrieb eines Satellitenkommunikationssystems nützlicher Wert ist, wie einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich.
Die Herleitung dieser zwei Gleichungen ist in Fig. 9A und 9B graphisch dargestellt. Fig. 9A ist eine graphische Darstellung der Komponenten der beim Nutzerterminal 106 gemessenen Frequenz. Fig. 9B ist eine graphische Darstellung der Komponenten der beim Gateway 102 gemessenen Frequenz.
= Relative Radialgeschwindigkeit zwischen Satellit 104 und Nutzerterminal 106
c = Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit)
fF = Nennfrequenz bzw. Nominalfrequenz der Vorwärtsverbindung
fR = Nennfrequenz bzw. Nominalfrequenz der Rückwärtsverbindung
f&sub0; = Nennfrequenz bzw. Nominalfrequenz des lokalen Oszillators des Nutzerterminals 106
foff = Frequenzoffset des lokalen Oszillators des Nutzerterminals 106
foff/f&sub0; = Normalisierter Frequenzoffset des lokalen Oszillators des Nutzerterminals 106
Es wird Fig. 9A betrachtet. Die beim Nutzerterminal 106 gemessene Frequenz ist gegeben durch:
Es wird Fig. 9B betrachtet. Die beim Gateway 102 gemessene Frequenz ist gegeben durch:
Addieren und Subtrahieren von (1) und (2) ergibt sowohl den Frequenzoffset als auch die relative Radialgeschwindigkeit gemäß folgender Beziehungen:
Wie einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich, können andere Verfahren angewendet werden, um zu gewinnen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird mittels eines "hybriden" Verfahrens unter Einbeziehung von zwei Satelliten 104A und 104B gewonnen. In diesem Ausführungsbeispiel mißt das Nutzerterminal 106 die Frequenz eines vom Gateway 102 über einen ersten Satelliten 104A empfangenen Signals und meldet diese Frequenz an den Gateway 102. Der Gateway 102 mißt die Frequenz eines vom Nutzerterminal 106 über einen zweiten Satelliten 104B empfangenen Signals. Somit sind zwei Frequenzmeßwerte beim Gateway 102 verfügbar, und somit sind auch zwei Gleichungen zum Lösen vorhanden. Allerdings gibt es in diesem Ausführungsbeispiel drei Unbekannte: die relative Radialgeschwindigkeit des ersten Satelliten 104A, die relative Radialgeschwindigkeit des zweiten Satelliten 104B und der normalisierte Offset foff/f&sub0; des lokalen Oszillators. Folglich werden weitere Informationen zum Auflösen nach benötigt. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann diese Information durch einen Entfernungsratendifferenzparameter geliefert werden, wie unten erläutert. Wie einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich, können andere Parameter und Meßgrößen bzw. Messungen diese Information liefern. Somit ermöglicht dieses Ausführungsbeispiel den Betrieb auch dann, wenn der gleiche Satellit 104 nicht sowohl für das Signal der Vorwärtsverbindung als auch für das Signal der Rückwärtsverbindung verwendet werden kann. Diese Situation kann beispielsweise beim plötzlichen Auftreten einer Blockierung oder Signalverschlechterung oder ähnlichem entstehen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Frequenzmessungen entweder während einer Verbindung oder während eines Verbindungsaufbaus gemessen werden. Falls die Messung während eines Verbindungsaufbaus erfolgt, ist das vom Nutzerterminal 106 gemessene Signal das Pagingsignal, und das vom Gateway 102 gemessene Signal ist das Zugriffssignal. Falls die Messung während einer Verbindung erfolgt, sind die vom Nutzerterminal 106 und vom Gateway 102 gemessenen Signale Verkehrssignale. Wie einem Fachmann des entsprechenden Gebiets ersichtlich, können andere Signale verwendet werden.
Entfernungsratendifferenz. Der Entfernungsratendifferenzparameter (auch bekannt als Dopplerdifferenzparameter) beschreibt die Differenz zwischen (1) der Entfernungsrate zwischen einem bestimmten Nutzerterminal 106 und einem ersten Satelliten 104A und (2) der Entfernungsrate zwischen diesem Nutzerterminal 106 und einem zweiten Satelliten 104B. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Entfernungsratendifferenzparameter eine Differenz Δ zwischen (1) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem bestimmten Nutzerterminal 106 und einem ersten Satelliten 104A und (2) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen diesem Nutzerterminal 106 und einem zweiten Satelliten 104B.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Entfernungsratendifferenzparameter die Frequenzdifferenz Δf, die am Nutzerterminal 106 zwischen der Frequenz eines vom Gateway 102 über einen ersten Satelliten empfangenen Signals 104A und der Frequenz eines vom Gateway 102 über einen zweiten Satelliten 104B empfangenen Signals. Δ steht mit Δf wie folgt in Beziehung: Δ kann berechnet werden, indem Δf mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und durch die Träger-Mittenfrequenz dividiert wird. Die Projektion von iso-Δf Konturen auf die Erdoberfläche beschreibt einen Satz von Kurven, die als durchgezogene Linien 608 in Fig. 6 dargestellt sind.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Δ durch das folgende Verfahren gewonnen. Zuerst überträgt der Gateway zwei Signale. Das erste Signal wird über einen ersten Satelliten 104A an das Nutzerterminal 106 übertragen, und das zweite Signal wird über einen zweiten Satelliten 104B an dieses Nutzerterminal 106 übertragen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Frequenzen des ersten und des zweiten Signals beim Gateway 102 vorkorrigiert, so daß die durch den ersten und den zweiten Satelliten 104A und 104B übertragenen Signale die gleiche Frequenz haben.
Zweitens bestimmt das Nutzerterminal die Differenz zwischen (1) der Frequenz des vom ersten Satelliten empfangenen Signals und (2) der Frequenz des vom zweiten Satelliten empfangenen Signals. Diese Frequenzdifferenz ist, Δf. Schließlich berechnet das Nutzerterminal 106 Δ , indem es Δf mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und das Ergebnis durch die Träger- Mittenfrequenzen des ersten und zweiten Signals dividiert. Wie einem Fachmann des entsprechenden Gebiets ersichtlich, können andere Verfahren zu Bestimmung von Δ verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das erste Signal durch den Gateway 102 vor der Übertragung vorkorrigiert, indem die Frequenz des Signals so eingestellt wird, daß die durch die bekannte relative Bewegung zwischen dem ersten Satelliten 104A und dem Gateway 102 verursachte Dopplerverschiebung kompensiert wird, und das zweite Signal wird in gleicher Weise vorkorrigiert. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird keine der Frequenzen vorkorrigiert. Wie einem Fachmann des entsprechenden Gebiets ersichtlich können andere Vorkorrekturmethoden verwendet werden, um die Bewegung der Satelliten 104A und 104B zu kompensieren.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind das erste und das zweite Signal Pilotsignale. Wie einem Fachmann des entsprechenden Gebiets ersichtlich, kann jedes geeignete Signal verwendet werden.

IV. Verfahren zur Positionsbestimmung

Die vorstehend beschriebenen Parameter können in mindestens drei verschiedenen Kombinationen eingesetzt werden, um die Pösition eines Nutzerterminals 106 zu bestimmen. Diese drei Verfahren zur Positionsbestimmung werden im folgenden beschrieben. Als eine Hilfe zum Verständnis der vorliegenden Erfindung werden physikalische Repräsentationen der Parameter als auf die Erdoberfläche projizierte Iso-Parameter Konturen präsentiert. In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Positionsbestimmung basierend auf den Parametern Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsratendifferenz. Fig. 6 zeigt Iso-Konturen für diese Parameter. In Fig. 6 ist der Entfernungsparameter R, der Entfernungsdifferenzparameter ist dR und der Entfernungsratendifferenzparameter ist Δf. Es wird Fig. 6 betrachtet. Eine iso-R Kontur ist als Strich-Punkt-Linie, die allgemein mit 604 bezeichnet ist, dargestellt und bildet einen Kreis, der eine Entfernung von 2750 km zwischen dem Nutzerterminal 106 und dem Satelliten 104A repräsentiert. Die Subpunkte 614 der Satelliten 104 sind mit einer Basisline bzw. Grundlinie 612 verbunden. Man beachte, daß jede iso-R Kontur die Basislinie 612 unter einem Winkel von 90º schneidet. Fig. 6 stellt außerdem eine Familie von iso-dR Konturen mittels gestrichelter Linien dar, die allgemein mit 606 bezeichnet sind. Jede iso-dR Kontur ist eine Hyperbel, die alle Punkte verbindet, die den gleichen Wert dR aufweisen, und die die Basislinie 612 unter einem Winkel von 90º schneiden. In Fig. 6 sind die dR Konturen in Tausend Kilometern abgestuft. Die Kontur dR = 0 ist eine senkrechte Halbierende der Basislinie 612. Die Kontur dR = +0,5, unmittelbar rechts der Kontur dR = 0, verbindet alle Punkte, für welche die Entfernung zum Satelliten 104A die Entfernung zum Satelliten 104B um 500 km übersteigt.
Ein Verfahren zur Positionsbestimmung, welches lediglich die Parameter Entfernung und Entfernungsdifferenz benutzt, leidet unter zwei Problemen. Das erste Problem liegt in der Mehrdeutigkeit der Position. Beispielhaft wird der Fall betrachtet, in welchem gilt: R = 2750 km und dR = +500 km. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, schneidet die Kontur R = 2750 km die Kontur dR = +500 km in zwei Punkten 610A und 610B. Ohne zusätzliche Informationen kann nicht bestimmt werden, ob sich das Nutzerterminal 106 im Punkt 610A oder 610B befindet. Somit ist die Lösung mehrdeutig.
Das zweite Problem ist als geometrische Verschlechterung der Präzision (GDOP = Geometric Dilution of Precision) bekannt. Eine GDOP "Singularität" tritt auf, wenn ein kleiner Fehler in einem Parameter einen großen Fehler bei der Lösung der Position verursacht. Da beide Konturen R und dR die Basislinie unter einem Winkel von 90º schneiden, können sie tangential oder nahe tangential sein. Somit verursacht ein kleiner Fehler in einem der beiden Parameter einen größen Positionsfehler. Ohne zusätzliche Positionsinformationen kann ein lediglich auf den Parametern Entfernung und Entfernungsdifferenz basierendes Verfahren zur Positionsbestimmung unter dem Problem der GDOP Singularität leiden.
Die Verwendung eines geeigneten dritten Parameters kann beide Probleme in den meisten Fällen lösen. Betrachtet wird Fig. 6. Der Entfernungsratendifferenzparameter Δf ist als eine Familie von Kurven dargestellt, die durch durchgezogene Linien 608 dargestellt werden und in kHz abgestuft sind. Die Form der Kurven für Δf ist eine Funktion der relativen Geschwindigkeiten der Satelliten 104A und 104B. Repräsentative Geschwindigkeitsvektoren der Satelliten 104A und 104B sind als Pfeile 616A und 61GB dargestellt, die sich entlang der Fluglinie erstrecken. Das Gebiet des maximalen Δf ist nahe der oberen Begrenzung der Fig. 6 zu finden, wo sich die Subtracks der Satelliten 104A und 104B schneiden.
Es wird Fig. 6 betrachtet. Die Konturen Δf stehen nahezu senkrecht auf den Konturen für R und dR. Aus diesem Grund löst der Entfernungsratendifferenzparameter Δf sowohl das Problem der Mehrdeutigkeit der Positionsbestimmung als auch das GDOP Problem. Beispielsweise liegt der Punkt 610A auf der Kontur Δf = 20 kHz, während der Punkt 61 OB bei ungefähr Δf = 84 kHz liegt. Da die Punkte 610A und 610B durch ihre Werte für Δf klar unterschieden sind, kann der Entfernungsratendifferenzparameter Δf das Problem der Mehrdeutigkeit der Positionsbestimmung lösen. Aus dem gleichen Grund löst der Entfernungsratendifferenzparameter Δf das GDOP Problem. Der Entfernungsratendifferenzparameter Δ kann diese Probleme ebenfalls beheben, wie einem Fachmann des relevanten Gebiets ersichtlich.
Fig. 7 zeigt einen Fall, in welchem der Entfernungsratendifferenzparameter das durch ein Positionierungsverfahren, welches lediglich die Parameter Entfernung und Entfernungsdifferenz nutzt, präsentierte Problem der GDOP Singularität, nicht beheben kann. In diesem Fall sind die vom Nutzerterminal 106 gesehenen Geschwindigkeitsvektoren (und damit die Pfade und die Subtracks) der Satelliten 104A und 104B nahezu parallel. Diese Geometrie bedingt, daß die Konturen für Δf in der Umgebung des Nutzerterminals 106 geschlossen sind und in einem Punkt 712 auf der Basislinie 612 nahezu parallel zu den Konturen für R und dR verlaufen. Da alle drei Konturen in der Umgebung des Nutzerterminals 106 nahezu parallel verlaufen, existiert eine GDOP Singularität. Die GDOP Singularität kann durch das Ersetzen des Entfernungsratendifferenzparameters durch den Entfernungsratenparameter, wie weiter unten erläutert, behoben werden.
Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb dieses ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein oder mehrere Entfernungsparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1002 gezeigt ist. Ein oder mehrere Entfernungsdifferenzparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1004 gezeigt ist. Ein oder mehrere Entfernungsratendifferenzparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1008 gezeigt ist. Anschließend wird die Position des Nutzerterminals auf der Erdoberfläche basierend auf den bekannten Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten sowie den Parametern Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsratendifferenz bestimmt, gezeigt in einem Schritt 1010 und weiter unten beschrieben.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt die Positionsbestimmung auf Basis der Parameter Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsrate. Fig. 8 zeigt den Fall der Fig. 7, wobei die iso-Δf Konturen durch iso-RTDop Konturen, die mit Bezug auf den Satelliten 104A gemessen werden und durch durchgezogene Linien 804 dargestellt sind, ersetzt wurden. Die iso-RTDop Konturen sind hyperbel-ähnlich und symmetrisch bezüglich des Geschwindigkeitsvektors des Satelliten 104A. Jede RTDop Kontur verbindet jene Punkte auf der Erdoberfläche, die der gleichen Dopplerverschiebung bezüglich des Satelliten 104A unterliegen. Die iso-RTDop Konturen sind in kHz abgestuft, wobei die Kontur RTDop = 0 durch den Subpunkt 614A des Satelliten 104A verläuft. Für einen Betrachter, der sich auf der Kontur RTD = 0 befindet, würde es so aussehen, als ob sich der Satellit 104A weder zum Betrachter hin noch von ihm weg bewegt.
Fig. 11 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb dieses zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein oder mehrere Entfernungsparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1102 gezeigt ist. Ein oder mehrere Entfernungsdifferenzparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1104 gezeigt ist. Ein oder mehrere Entfernungsratenparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1106 gezeigt ist. Anschließend wird die Position des Nutzerterminals auf der Erdoberfläche basierend auf den bekannten Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten sowie den Parametern Entfernung, Entfernungsdifferenz und Entfernungsrate bestimmt, gezeigt in einem Schritt 1110 und weiter unten beschrieben. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, kann der Entfernungsratenparameter RTDop das Problem der GDOP Singularität eines Verfahrens, welches lediglich die Parameter Entfernung und Entfernungsdifferenz nutzt, abschwächen. In seltenen Fällen ist allerdings der Entfernungsratenparameter allein unzureichend, um die GDOP Singularität zu beheben. In diesen Fällen kann die GDOP Singularität behoben werden, indem alle vier Parameter verwendet werden. In einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird daher die Positionsbestimmung auf Basis der Parameter Entfernung, Entfernungsdifferenz, Entfernungsrate und Entfernungsratendifferenz durchgeführt. Wie dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich, können weitere Steigerungen der Genauigkeit erreicht werden, indem in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele jeder Parameter mehrfach verwendet wird.
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm, welches den Betrieb dieses dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein oder mehrere Entfernungsparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1202 gezeigt ist. Ein oder mehrere Entfernungsdifferenzparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1204 gezeigt ist. Ein oder mehrere Entfernungsratenparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 1206 gezeigt ist. Ein oder mehrere Entfernungsratendifferenzparameter werden bestimmt, wie dies oben beschrieben wurde und in einem Schritt 12% gezeigt ist. Anschließend wird die Position des Nutzerterminals auf der Erdoberfläche basierend auf den bekannten Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten sowie den Parametern Entfernung, Entfernungsdifferenz, Entfernungsrate und Entfernungsratendifferenz bestimmt, gezeigt in einem Schritt 1210 und weiter unten beschrieben.

V. Ausführung der Positionsbestimmung

Vor der detaillierten Beschreibung der Ausführung der Positionsbestimmung ist es nützlich, zunächst eine beispielhafte Umgebung zu beschreiben, in welcher das Positionierungsverfahren der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann. Fig. 13 ist ein Blockdiagramm, welches eine solche Beispielumgebung darstellt. Die Umgebung ist ein Computersystem 1300, das einen Teil des Steuerprozessors 220 und/oder des Steuerprozessors 320 bilden kann. Das Computersystem 1300 beinhaltet einen oder mehrere Prozessoren, beispielsweise einen Prozessor 1304. Der Prozessor 1304 ist mit einem Kommunikationsbus 1306 verbunden. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf dieses beispielhafte Computersystem beschrieben. Nach dem Lesen dieser Beschreibung wird es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich sein, wie das Verfahren zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Computersystemen, Computerarchitekturen, Hardware-Zustandsmaschinen, Nachschlagetabellen und ähnlichem sowie der verschiedenen Kombinationen dieser Elemente implementiert werden kann.
Das Computersystem 1300 umfaßt außerdem einen Hauptspeicher 1308, vorzugsweise Direktzugriffsspeicher (RAM = Random Access Memory), und kann auch einen sekundären Speicher 1310 aufweisen. Der sekundäre Speicher 1310 kann beispielsweise umfassen: ein Festplattenlaufwerk 1312 und/oder ein austauschbares Speicherlaufwerk 1314, welches ein Diskettenlaufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, ein optisches Laufwerk etc. repräsentiert. Das austauschbare Speicherlaufwerk 1314 liest in wohlbekannter Weise von und/oder schreibt auf eine austauschbare Speichereinheit 1318. Die austauschbare Speichereinheit 1318 repräsentiert eine Diskette, ein Magnetband, ein optisches Speichermedium etc. Es sei darauf hingewiesen, daß die austauschbare Speichereinheit 1318 ein computernutzbares Speichermedium aufweist, auf dem Computersoftware und/oder Daten gespeichert sind.
In alternativen Ausführungsbeispielen kann der sekundäre Speicher 1310 andere, ähnliche Mittel aufweisen, um das Laden von Programmen oder anderen Instruktionen in das Computersystem 1300 zu ermöglichen. Solche Mittel können beispielsweise eine austauschbare Speichereinheit 1322 und eine Schnittstelle 1320 beinhalten. Beispiele können ein Programmodul und Modulschnittstelle (wie beispielsweise bei Videospielgeräten zu finden), ein austauschbarer Speicherschaltkreis (wie beispielsweise ein EPROM oder PROM) und assoziierter Sockel und andere austauschbare Speichereinheiten 1322 und Schnittstellen 1320 beinhalten, welche den Transfer von Software und Daten von der austauschbaren Speichereinheit 1320 zum Computersystem 1300 ermöglichen.
Das Computersystem 1300 kann außerdem eine Kommunikationsschnittstelle 1324 aufweisen. Die Kommunikationsschnittstelle 1324 erlaubt den Transfer von Software und Daten zwischen dem Computersystem 1300 und externen Geräten über einen Kommunikationspfad 1326. Beispiele für die Kommunikationsschnittstelle 1324 können ein Modem, eine Netzwerkschnittstelle (wie beispielsweise eine Ethernet-Karte), einen Kommunikationsport etc. beinhalten. Über die Kommunikationsschnittstelle 1324 transferierte Software und Daten haben die Form von Signalen, welche elektronisch, elektromagnetisch, optisch oder andere Signale sein können, die durch die Kommunikationsschnittstelle 1324 über den Kommunikationspfad 1326 empfangen werden können.
Der Betrieb des Verfahrens zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf diese beispielhafte Umgebung beschrieben. Dabei dient dieser Bezug lediglich der Einfachheit. Es ist nicht beabsichtigt, den Betrieb des Verfahrens zur Positionsbestimmung auf die Anwendung in dieser beispielhaften Umgebung zu beschränken. Vielmehr wird dem Fachmann des relevanten Gebiets nach dem Lesen der folgenden Beschreibung ersichtlich sein, wie das Verfahren zur Positionsbestimmung in alternativen Umgebungen zu implementieren ist.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Position des Nutzerterminals 106 bestimmt, indem das Verfahren zur Positionsbestimmung, wie untenstehend beschrieben, auf einem Computersystem 1300 ausgeführt wird. Wie es dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich ist, kann das Verfahren zur Positionsbestimmung durch eine Hardware- Zustandsmaschine, Nachschlagetabellen oder ähnliches ausgeführt werden.
Ein M · 1 Vektor, bezeichnet mit z, wird so erzeugt, daß er aus den M Parametern besteht, die für die Positionsbestimmung zu verwenden sind. Der Vektor z kann einen oder mehrere von jedem der oben beschriebenen Parameter beinhalten. Wie in der Technik wohlbekannt, sind die Parameter nichtlineare Funktionen des 2-dimensionalen Positionsvektors x des Nutzerterminals,
x = [lat long]T (5)
worin das hochgestellte "T" die Transponierte einer Matrix oder eines Vektors anzeigt, entsprechend:
z = h(x) + v (6)
worin der M · 1 Vektor v die Meßfehler repräsentiert und h eine nichtlineare Funktion ist, welche die Beziehungen zwischen den gemessenen Parametern und der Position des Nutzerterminals 106 beschreibt. h ist außerdem eine Funktion der Positionen und der Geschwindigkeiten der Satelliten 104A und 104B. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Positionsvektor x des Nutzerterminals durch drei kartesische Koordinaten anstelle durch geographische Breite (lat = Latitude) und geographische Länge (long = longitude) beschrieben werden, wie in Gleichung (7) gezeigt.
x = [x y z]T (7)
Gemäß des Gaußschen Verfahrens zur Linearisierung wird eine M · K partielle Ableitungsmatrix H konstruiert, um nach der Position des Nutzerterminals 106 aufzulösen, wobei K die Anzahl der Positionsunbekannten ist, und worin das Element (m, k) die partielle Ableitung des m-ten Meßwertes bezüglich des k-ten Positionsparameters ist, bestimmt bei einer gegebenen Position x. Falls beispielsweise der Positionsvektor geographische Breite und geographische Länge beschreibt, wie in Gleichung (5), dann gilt K gleich 2 und die Elemente in der Spalte k = 1 der Matrix H beschreiben die partiellen Ableitungen nach der geographischen Breite des Nutzerterminals 106, und die Elemente in der 1 Spalte k = 2 der Matrix H beschreiben die partiellen Ableitungen nach der geographischen Länge des Nutzerterminals 106. Falls der Positionsvektor in kartesischen Koordinaten vorliegt (K = 3), beziehen sich die Spalten k = (1, 2, 3) von H entsprechen auf die (x, y, z) Koordinaten. Wenn kartesische Koordinaten verwendet werden, wird eine zusätzliche Gleichung verwendet, um darzustellen, daß die Summe der Quadrate der Koordinaten das Quadrat des Radius der Erde ergibt. Die Beziehung zwischen x und H ist gegeben durch:
H = H(x) = ∂h/∂x(x) (8)
Eine iterative Methode der gewichteten geringsten Quadrate wird verwendet, um nach den unbekannten Positionsparametern aufzulösen. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das verwendete Verfahren das gewichtete Gauß-Newton Verfahren, offenbart von H. W. Sorenson in "Parameter Estimation - Principles and Problems", New York, Marcel Dekker, 1980. Die iterative Gleichung ist gegeben durch die Beziehung:
worin i und i+1 entsprechend die aktuelle und die nächste Positionsschätzungen sind, und W eine M · M Gewichtsmatrix ist. Das tiefgestellte i repräsentiert die Iterationszahl, wobei i = 0 die erste Iteration repräsentiert. Matrizen oder Vektoren, die auf einer Positionsschätzung basieren, werden durch ein hochgestelltes "^" angezeigt. Ein Referenzpunkt, beispielsweise die letzte bekannte Position des Nutzerterminals 106, wird als eine anfängliche Positionsschätzung ausgewählt. Falls keine letzte Position bekannt ist, kann eine beliebige Position, beispielsweise die Position des Gateway 102, verwendet werden.
ist die Matrix der partiellen Ableitungen, die für die aktuelle Positionsschätzung bestimmt wurde, und
sind die erwarteten fehlerfreien Parameter, die unter Verwendung der aktuellen Positionsschätzung bestimmt wurden. Die Iterationen werden beendet, wenn die Differenz zwischen i und i+1, unter eine vorbestimmte Schwelle fällt. Die Schwelle wird durch die Konstrukteure und/oder die Betreiber des Netzwerks basierend auf der Systemgenauigkeit festgelegt, wie dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich. Beispielsweise kann die Genauigkeit auf der Chipgenauigkeit der Messungen und der Chiprate basiert werden.
Die Elemente der M · M Gewichtsmatrix W sehen Mittel zum betonen des Einflusses spezifischer Parameter auf die geschätzte Position i vor, wenn es mehr Parameter als Unbekannte gibt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Gewichtsmatrix W eine Diagonalmatrix, deren Elemente die relative Akkuratheit bzw. Genauigkeit widerspiegelt, mit welcher jeder Parameter bestimmt werden kann. Somit werden die Werte der Elemente basierend auf den bekannten Meßgenauigkeiten festgelegt, wie dies dem Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich ist. Folglich wird einem Parameter mit einer sehr genauen Messung bzw. mit sehr genauen Meßergebnissen eine höhere Bedeutung eingeräumt als einem Parameter, der nicht mit dieser Genauigkeit gemessen werden kann. Die Elemente der Gewichtsmatrix werden mit vorbestimmten Werten initialisiert, können jedoch dynamisch angepaßt werden. Eine optimale Genauigkeit wird erreicht, wenn die Gewichtsmatrix als die inverse Matrix der Meßfehler-Kovarianzmatrix gewählt wird.
Falls die Meßfehler gegenseitig unabhängig sind und einen Mittelwert von Null aufweisen sowie folgende Varianzen:
σ , m = 1, 2, ...,M (12)
dann ist Weine Diagonalmatrix mit σ als den diagonalen Elementen. Mit dieser Auswahl von W ergibt sich die Varianz des k-ten Elements des geschätzten Positionsvektors x wie folgt:
σ = (H T WH) = k = 1,2 (13)
Schließlich wird der kombinierte theoretische horizontale Positionsfehler, in Entfernungseinheiten, gegeben durch:
σpos = RE (14)
worin RE der Erdradius ist.
Falls die korrekte Gewichtsmatrix entsprechend der Fehlervarianzen ausgewählt wurde, können die Iterationen gewöhnlich zu einem lokalen Minimum konvergieren, welches mit einem Spiegelbild der wahren Lösung auf der anderen Seite der Basislinie 612 korrespondiert. Man kann die Nachbarschaft der anderen Lösung auffinden ausgehend von dieser ersten Lösung, indem bezüglich der Basislinie 612 gespiegelt wird. Ein neuer Zyklus von Iterationen ist erforderlich, um die exakte zweite Lösung aufzufinden. Sobald die beiden möglichen Lösungen vorliegen, ist es immer noch erforderlich, herauszufinden, welche davon die wahre Lösung ist. Dies erfolgt durch Vergleich der mit jeder Lösung korrespondierenden berechneten Frequenzen mit den gemessenen Frequenzen.
Ein besseres Verfahren, welches eine direktere Konvergenz der Iterationen zu der korrekten Lösung sicherstellt, ist im folgenden beschrieben. Dieses Verfahren wird als "Gewichtsmatrixanpassung" bezeichnet. Wenn in einem Beispiel die Frequenzmessungen eine größere Fehlervarianz aufweisen als die Zeitmessungen, erhalten die Frequenzmessungen ein geringeres Gewicht in der korrekt gebildeten Gewichtsmatrix. Wie allerdings bereits festgestellt kann dies zu einer Konvergenz zu der Spiegellösung führen. Deshalb wird eine anfängliche Gewichtsmatrix (steuernde Gewichtsmatrix) ausdrücklich so gewählt, daß den Frequenzmessungen ein größeres Gewicht zugeordnet wird (im obigen Beispiel), als dies "Korrekt" hinsichtlich der Fehlervarianzen ist. Dies stellt sicher, daß die Iterationen hin zur wahren Lösung anstatt der Spiegellösung gesteuert werden. Nach einer festen, vorbestimmten Anzahl von Iterationen (gewöhnlich eine kleine Anzahl) oder nachdem wir nahe der Konvergenz sind (was durch das Messen der Differenz zwischen i und i+1 detektiert wird), wird auf die "korrekte" (optimale) oben beschriebene Gewichtsmatrix W umgeschaltet. Dieser letzte Schritt stellt sicher, daß der endgültige Fehler unserer Lösung der kleinstmögliche ist. Das vorstehende Verfahren kann dahingehend verallgemeinert werden, daß die Gewichtsmatrix mehr als einmal geändert wird.
In einem Ausführungsbeispiel verwendet das Positionierungsverfahren ein glattes bzw. ebenes Ellipsenmodell der Erdoberfläche. In einem alternativen Ausführungsbeispiel verwendet das Positionierungsverfahren anfänglich ein glattes bzw. ebenes Ellipsenmodell der Erdoberfläche, wie beispielsweise das WGS-84 Erdmodell. Wenn die Werte für x konvergieren, so daß die Differenz zwischen i und i+1 kleiner ist als eine festgelegte Schwelle, wird das ebene Modell durch ein detailliertes digitales Geländemodell ersetzt, und die Iterationen werden fortgesetzt, bis die Werte von x konvergieren, so daß die Differenz zwischen i und i+1 kleiner ist als eine zweite festgelegte Entfernungsschwelle. Damit werden alle Fehler abgeschwächt bzw. beseitigt, die durch eine Höhe des Nutzerterminals 106 hervorgerufen werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das ebene Modell nach einer festgelegten Anzahl von Iterationen durch das detaillierte digitale Geländemodell ersetzt. Die beschriebenen Werte der Entfernungsschwellen und die Anzahl der Iterationen werden anhand verschiedener Faktoren bestimmt, wie dies für den Fachmann auf dem relevanten Gebiet ersichtlich ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Höhe der Position über der Erde selbst bestimmt werden. Die zusätzliche fiktive Messung - die Entfernung zum Mittelpunkt der Erde -, beschrieben im Zusammenhang mit der Verwendung kartesischer Koordinaten, muß nicht als perfekte Messung angesehen werden. Wird sie mit einem Fehler σh und einem korrespondierenden Gewicht 1/σ assoziiert, ergibt sich ein sanfter Übergang der zweidimensionalen Positionierung in eine dreidimensionale Positionierung, bei der die Höhe über dem glatten bzw. ebenen Erdmodell ebenfalls geschätzt wird. Das Hinzufügen der unbekannten Höhe kann ebenfalls in Polarkoordinaten (lat, long, h) erfolgen. In diesem Fall wird eine fiktive Messung der Höhe hinzugefügt. Der dieser fiktiven Messung zugeordnete Fehler steuert die Freiheit, mit der die geschätzte Höhe um die angenommene Höhe fluktuieren darf. Mit zunehmendem Fehler nimmt das dieser Messung bzw. diesem Meßwert zugeordnete Gewicht ab, und die Ortung bzw. Positionierung geht mehr in eine dreidimensionale Ortung bzw. Positionierung über. Der Nachteil beim Hinzufügen einer unbekannten Höhe liegt darin, daß es eine höhere Empfindlichkeit der horizontalen Positionsunbekannten hinsichtlich Fehlern der tatsächlichen Messungen verursacht. Daher ist es vorteilhaft, der fiktiven Höhenmessung einen großen Fehler (ein kleines Gewicht) nur in Gebieten zuzuordnen, in denen sich die Höhe rasch als Funktion der horizontalen Entfernung ändert und in denen eine topographische Karte nicht effektiv verwendet werden kann.

V. Schlußfolgerung

Während verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, daß diese lediglich als Beispiele und nicht als Einschränkung präsentiert wurden. Es wird Personen mit Fachkenntnissen des relevanten Gebietes ersichtlich werden, daß verschiedene Änderungen hinsichtlich Form und Details darin vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, der durch die Patentansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

1. Positionsbestimmungssystem für Satellitennachrichtensysteme (100), wobei folgendes vorgesehen ist:

ein Teilnehmeranschluß (106);

mindestens zwei Satelliten (104A, 104B) mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten;

eine Basisstation (gateway) (102) zur Nachrichtenverbindung mit dem Teilnehmeranschluß (106) durch die erwähnten Satelliten (104A, 104B);

Bereichs- bzw. Entfernungsparameterbestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs oder Entfernungsparameters, der einen Abstand repräsentiert zwischen einem der beiden Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106);

dadurch gekennzeichnet, daß das Positionsbestimmungssystem folgendes aufweist:

Bereichs- bzw. Entfernungsdifferenzparameter-Bestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs- oder Differenzparameters, der eine Differenz repräsentiert zwischen erstens einem Abstand zwischen einem ersten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106) und zweitens einem Abstand zwischen einem zweiten der erwähnten Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106);

mindestens eines von Folgendem:

Entfernungs- bzw. Bereichsratenparameter-Bestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs oder Entfernungsratenparameters, der eine relative Radialgeschwindigkeit zwischen einem der Satelliten (104A; 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106) darstellt;

Bereichs- bzw. Entfernungsratendifferenzparameter-Bestimmungsmittel zur Bestimmung eines Bereichs- bzw. Entfernungsratendifferenzparameters, der die Differenz repräsentiert zwischen erstens einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem ersten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106); und

zweitens eine relative Radialgeschwindigkeit zwischen einem zweiten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106); und

Positionsbestimmungsmittel in der Basisstation zur Bestimmung einer Position des Teilnehmeranschlusses (106) auf der Erdoberfläche basierend auf den erwähnten bekannten Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten (104A, 104B), dem erwähnten Bereichs- oder Entfernungsparameter, dem erwähnten Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameter und dem erwähnten Entfernungs- bzw. Bereichsratenparameter und mindestens einem der Bereichs- oder Entfernungsratendifferenzparameter.

2. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Entfernungsparameter eine "Round-trip"-Verzögerung repräsentiert und ferner folgendes aufweist:

Round-trip-Verzögerungsmeßmittel, in der Basisstation zur Messung einer Round-trip-Verzögerung eines Signals, wobei das Signal von der Basisstation (102) zu dem Teilnehmeranschluß (106) über einen der Satelliten (104A, 104B) übertragen wird, und zurückübertragen wird von dem Teilnehmeranschluß (106) zu der Basisstation (102) durch einen der Satelliten (104A, 104B).

3. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, wobei der Entfernungsdifferenzparameter eine Verzögerungsdifferenz repräsentiert, und wobei ferner folgendes vorgesehen ist:

Verzögerungsdifferenzmessmittel in dem Teilnehmeranschluß (106) zur Messung einer Verzögerungsdifferenz zwischen einem ersten Signal und einem zweiten Signal, wobei das erste Signal von der Basisstation (102) über einen ersten der Satelliten (104A, 104B) empfangen wurde und wobei das zweite Signal von der Basisstation (102) durch einen zweiten der Satelliten (104A, 104B) empfangen wurde.

4. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 3, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Signale zeitlich vorkorrigiert ist zur Kompensation hinsichtlich Verzögerungen assoziiert mit der Differenz zwischen (a), dem Abstand zwischen der Basisstation (102) und dem ersten der Satelliten (104A, 104B) und (b) dem Abstand zwischen der Basisstation (102) und dem zweiten der Satelliten (104A, 104B).

5. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 3, wobei die Basisstation (102) die Verzögerungsdifferenz einstellt, um Verzögerungen zu kompensieren, die mit der Differenz assoziiert sind, und zwar der Differenz zwischen (a) dem Abstand zwischen der Basisstation (102) und dem ersten der Satelliten (104A, 104B), und (b) dem Abstand zwischen der Basisstation (102) und dem zweiten der Satelliten (104A, 104B).

6. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, wobei der Entfernungsratenparameter Frequenzmessungen eines ersten Signals und eines zweiten Signals repräsentiert und wobei ferner folgendes vorgesehen ist:

erste Frequenzmessmittel in dem Teilnehmeranschluß (106) zur Messung einer Frequenz des ersten Signals, wobei das erste Signal von der Basisstation (102) durch einen der Satelliten (104A, 104B) empfangen wurde;

Sendemittel in dem Teilnehmeranschluß (106), um die erwähnte Frequenzmessung des ersten Signals zu der Basisstation (102) zu senden;

zweite Frequenzmessmittel in der Basisstation (102) zur Messung einer Frequenz des zweiten Signals, wobei das zweite Signal von dem Teilnehmeranschluß (106) durch einen der erwähnten Satelliten (104A, 104B) empfangen wurde.

7. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, wobei der Entfernungsratendifferenzparameter eine Frequenzdifferenz repräsentiert und wobei ferner folgendes vorgesehen ist:

Frequenzdifferenzmessmittel in dem Teilnehmeranschluß (106) zur Messung einer Frequenzdifferenz zwischen einer Frequenz eines ersten Signals empfangen von der Basisstation (102) durch einen ersten der Satelliten (104A, 104B) und einer Frequenz eines zweiten Signals empfangen von der Basisstation (102) durch einen zweiten dar erwähnten Satelliten (104A, 104B).

8. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 7, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Signale in der Frequenz vor- oder prekorrigiert ist, um die Dopplerverschiebung zu kompensieren, die durch die Differenz bewirkt wird zwischen (a) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem erwähnten ersten der Satelliten (104A, 104B) und (b) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem erwähnten zweiten Satelliten (104A, 104B).

9. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 7, wobei die Basisstation die erwähnte Frequenzdifferenz einstellt, um Dopplerverschiebungen zu kompensieren, und zwar verursacht durch (a) eine relative Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem erwähnten ersten der Satelliten (104A, 104B) und (b) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem zweiten der Satelliten (104A, 104B).

10. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1, wobei die Positionsbestimmungsmittel folgendes aufweisen:

Mittel zur Erzeugung eines M · 1-Parametervektors z, der die erwähnten Parameter aufweist, wobei M eine Zahl von bestimmten Parametern ist;

Mittel zur Erzeugung eines Positionsvektors x, der einen anfänglichen Referenzpunkt repräsentiert;

Mittel zur Erzeugung einer partiellen abgeleiteten Matrix H, die Informationen enthält hinsichtlich der erwähnten bekannten Positionen und Geschwindigkeiten der Satelliten (104A, 104B) und einem Erdmodell, welches die Form der Erde beschreibt, wobei die Beziehung zwischen x und H gegeben ist durch

H = H(x) ∂h/∂x(x)

Mittel zur Erzeugung eine M · M Gewichtungsmasse W zur Betonung des Einflusses der spezifischen Parameter; und

Mittel zur Ausführung der iterativen Gleichung:

wobei i und i+1 die laufenden und bzw. nächsten Positionsschätzungen sind, und i die Iterationszahl repräsentiert, bis die Differenz zwischen i und i+1 unter eine erste vorbestimmte Schwelle fällt.

11. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 10, wobei die Positionsbestimmungsmittel ferner folgendes aufweisen:

Mittel zur Verwendung eines glatten Modells der Erde, bis die Differenz zwischen i und i+1 unter eine zweite vorbestimmte Schwelle fällt, und ein detailliertes digitales Terrainmodel der Erde danach.

12. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 10, wobei die Gewichtsmasse W das Inverse der Meßfehlerkovarianzmatrix ist.

13. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 10, wobei die Positionsbestimmungsmittel folgendes aufweisen:

Mittel zur Verwendung einer ersten Gewichtungssmatrix W&sub1; für die ersten n Iterationen und einer zweiten Gewichtungsmatrix W&sub2; danach, wobei n eine vorbestimmte Zahl ist und wobei die zweite Gewichtungsmatrix W&sub2; das Inverse der Meßfehlerkovarianzmatrix ist, und wobei ferner die erste Gewichtungsmatrix W&sub1; den erwähnten Entfernungsratenparametern und der erwähnten Entfernungsratendifferenzparametern ein größeres Gewicht gibt als den Entfernungsparametern und den erwähnten Entfernungsdifferenzparametern, und zwar jenseits der Differenzen bei den Gewichtungen in den erwähnten zweiten Gewichtungsmatrix W&sub2;.

14. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 10, wobei die Positionsbestimmungsmittel ferner folgendes aufweisen:

Mittel zur Verwendung eines Lattenmodells der Erde für die ersten n Iterationen und ein detailliertes digitales Terrainmodell der Erde danach, wobei n eine vorbestimmte Zahl ist.

15. Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 10, wobei die Positionsbestimmungsmittel ferner folgendes aufweisen:

Mittel zur Verwendung der ersten Gewichtungsmatrix W&sub1; bis die Differenz zwischen i und i+1 unter einen dritten vorbestimmten Schwellenabstand fällt, und eine zweite Gewichtungsmatrix W&sub2; nachdem die Differenz zwischen i und i+1 unter die erwähnte dritte vorbestimmte Schwelle fällt, wobei die zweite Gewichtungsmatrix W&sub2; das Inverse der Messfehlerkovarianzmatrix ist, wobei ferner die erste Gewichtungsmatrix W&sub1; den Entfernungsratenparametern und den Entfernungsratendifferenzparametern eine größere Gewichtung gibt als den Bereichsparametern und den Bereichsdifferenzparametern, und zwar über die Unterschiede in den Gewichtungen in der zweiten Gewichtungsmatrix W&sub2; hinaus.

16. Ein Computerprogrammprodukt zur Verwendung in einem Positionsbestimmungssystem einschließlich eines Teilnehmeranschlusses (106), mindestens zwei Satelliten (104A, 104B) mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten, eine Basisstation (gateway) (102) zur Nachrichtenübertragung mit dem Teilnehmeranschluß (106) durch die Satelliten (104A, 104B), und Mittel zur Bestimmung von Parametern, welche die Position des Teilnehmeranschlusses (106) relativ zu den Satelliten (104A, 104B) beschreibt, wobei das Computerprogrammprodukt folgendes aufweist:

ein computerverwendbares Medium mit computerlesbarem Programmcodemitteln verkörpert in dem erwähnten Medium, um zu bewirken, daß ein Anwendungsprogramm an dem Computersystem ausgeführt wird, wobei die computerlesbaren Programmcodemittel folgendes aufweisen:

computerlesbare erste Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem einen M · 1 Parametervektor z erzeugt, der die erwähnten Parameter aufweist, wobei M eine Anzahl von bestimmten Parametern ist;

computerlesbare zweite Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem einen Positionsvektor x erzeugt, und zwar einen anfänglichen Referenz- oder Bezugspunkt repräsentierend;

computerlesbare dritte Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem eine partielle Ableitungsmatrix H erzeugt, welche Information enthält, hinsichtlich der Position des Satelliten und einem Erdmodell, welches die Form der Erde beschreibt, wobei die Beziehung zwischen x und H gegeben ist durch:

H = H(x) = ∂h/∂x(x)

computerlesbare vierte Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem eine M · M Gewichtsmatrix W erzeugt, um den Einfluß der spezifischen Parameter zu betonen; und

computerlesbare fünfte Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem die iterative Gleichung ausführt:

wobei xi und xi+1 die laufende und nächste Positionsschätzungen sind, und i die Iterationszahl repräsentiert, bis die Differenz zwischen i und i+1 unter eine erste vorbestimmte Schwelle fällt.

17. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16, wobei die computerlesbaren Programmcodemittel weiter folgendes aufweisen:

computerlesbare sechste Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem ein glattes Modell der Erde benutzt, bis die Differenz zwischen i und i+1 unter eine zweite vorbestimmte Schwelle fällt, und ein detailliertes digitales Terrainmodell der Erde danach.

18. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16, wobei die Gewichtungsmatrix W das Inverse der Messfehlerkovarianzmatrix ist.

19. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16, wobei die computerlesbaren Programmcodemittel ferner folgendes aufweisen:

weitere computerlesbare Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem eine erste Gewichtungsmatrix W&sub1; verwendet für die ersten n Iterationen und eine zweite Gewichtungsmatrix W&sub2; danach, und wobei n eine, vorbestimmte Zahl ist, und wobei die zweite Gewichtungsmatrix W&sub2; das Inverse der Messfehlerkovarianzmatrix ist, und wobei ferner die erste Gewichtungsmatrix W&sub1; eine größere Gewichtung zu den Entfernungsratenparametern und den Entfernungsratendifferenzparametern gibt, als den Entfernungsparametern und den Entfernungsdifferenzparametern, und zwar über die Differenzen bzw. Unterschiede in Gewichten der zweiten Gewichtsmatrix W&sub2; hinaus.

20. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16, wobei die computerlesbaren Programmcodemittel ferner folgendes aufweisen:

weitere computerlesbare Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem ein glattes Model der Erde für die ersten n Iterationen verwendet und ein detailliertes digitales Terrainmodell der Erde danach, wobei n eine vorbestimmte Zahl ist.

21. Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16, wobei die computerlesbaren Programmcodemittel ferner folgendes aufweisen:

weitere computerlesbare Programmcodemittel zur Bewirkung, daß das Computersystem eine erste Gewichtungsmatrix W&sub1; verwendet, bis die Differenz zwischen i und i+1 unter eine dritte vorbestimmte Schwelle fällt, und eine zweite Gewichtungsmatrix W&sub2; nachdem die Differenz zwischen i und i+1 unter die erwähnte dritte vorbestimmte Schwellendistanz bzw. Abstand fällt, wobei die erwähnte zweite Gewichtungsmatrix W&sub2; das Inverse der Messfehlerkovarianzmatrix ist, und wobei die erste Gewichtungsmatrix W&sub1; den Entfernungsratenparametern und den Entfernungsratendifferenzparametern eine größere Gewichtung gibt als den Entfernungsparametern und den Entfernungsdifferenzparametern, und zwar jenseits der Gewichts- bzw. Gewichtungsdifferenzen in der erwähnten zweiten Gewichtungsmatrix W&sub2;.

22. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Teilnehmeranschlusses (106) in einem Nachrichtensystem, das mindestens zwei Satelliten (104A, 104B) mit bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten und eine Basisstation (gateway) (102) zur Verbindung mit dem Teilnehmeranschluß (106) durch die Satelliten (104A, 104B) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte vorsieht:

(a) Bestimmung eines Bereichs- oder Entfernungsparameters, der einen Abstand oder eine Entfernung zwischen einem der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106) repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner folgendes aufweist:

(b) Bestimmung eines Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameters, der eine Differenz repräsentiert zwischen erstens einem Abstand zwischen einem ersten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106) und zweitens einen Abstand zwischen einem zweiten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilernehmeranschluß (106);

(c) Bestimmung von mindestens einem Bereichs- oder Entfernungsratenparameter, der eine relative Radialgeschwindigkeit repräsentiert, und zwar zwischen einem der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106), und einen Bereichs- oder Entfernungsratendifferenzparameter, der die Differenz repräsentiert zwischen erstens einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem ersten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106) und zweitens einer relativen Radialgeschwindigkeit eines zweiten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106); und

(d) Bestimmung der Position des Teilnehmeranschlusses (106) auf der Erdoberfläche basierend auf den bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten der Satelliten (104A, 104B), dem Bereichs- oder Entfernungsparameter, dem Bereichs- oder Entfernungsratenparameter und mindestens einem der folgenden Parameter: dem Bereichsdifferenzparameter und dem Bereichsratendifferenzparameter.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der erwähnte Bereich für den Entfernungsparameter eine "round-trip" bzw. Hin- und Her-Verzögerung repräsentiert, wobei der Schritt (a) den folgenden Schritt aufweist:

(i) Messen an der Basissation (102), einer "round-trip" oder Hin- und Her- Verzögerung eines Signals, wobei das Signal von der Basisstation (102) zum Teilnehmeranschluß (106) gesendet wird, und zwar durch einen der Satelliten (104A, 1048) und zurückgesendet wird von dem Teilnehmeranschluß (106) zu der Basisstation (102) durch einen der Satelliten (104A, 104B).

24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Bereichsdifferenzparameter eine Verzögerungsdifferenz repräsentiert und wobei der Schritt (b) ferner den folgenden Schritt aufweist:

(i) Messen an dem Teilnehmeranschluß (106) einer Verzögerungsdifferenz zwischen einem ersten Signal empfangen von der Basisstation (gateway) (102) durch einen ersten Satelliten (104A; 104B) und einem zweiten Signal empfangen von der Basisstation (102) durch einen zweiten Erdsatelliten (104A, 104B).

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Signale zeitlich vorkorrigiert ist, um Verzögerungen zu kompensieren, die assoziiert sind mit der Differenz zwischen (a) dem Abstand zwischen der Basisstation (102) und dem ersten der Satelliten (104A, 104B) und (b) dem Abstand oder der Entfernung zwischen der Basisstation (102) und dem zweiten der Satelliten (104A, 1048).

26. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Basisstation (102) die Verzögerungsdifferenz einstellt, um Verzögerungen zu kompensieren, die assoziiert sind mit der Differenz zwischen (a) dem Abstand oder der Distanz bzw. Entfernung zwischen der Basisstation (102) und dem ersten der Satelliten (104A, 104B), und (b) der Abstand zwischen der Basisstation (102) und dem zweiten der Satelliten (104A, 104B).

27. Verfahren nach Anspruch 22, wobei dann, wenn der Abstands- oder Entfernungsratenparameter bestimmt werden muß, der Schritt (c) ferner die folgenden Schritte aufweist:

(i) Messen am Teilnehmeranschluß (106) einer Frequenz eines ersten Signals, und zwar empfangen von der Basisstation (102) durch einen der Satelliten (104A, 104B);

(ii) Senden der Frequenzmessung des ersten Signals zu der Basisstation (102);

(iii) Übertragen eines zweiten Signals von dem Teilnehmeranschluß (106) zu der Basisstation (102) über einen der Satelliten (104A, 104B); und

(iv) Messen, an der Basisstation, einer Frequenz eines zweiten Signals empfangen von dem Teilnehmeranschluß (106) durch einen der Satelliten (104A, 104B), wobei der Entfernungs- oder Bereichsratenparameter die erwähnten Frequenzmessungen der ersten und zweiten Signale repräsentiert.

28. Verfahren nach Anspruch 22, wobei dann, wenn der Bereichs- oder Entfernungsratenparameter bestimmt ist, der Schritt (c) ferner die folgenden Schritte aufweist:

(i) Übertragen eines ersten Signals von der Basisstation (102) zu dem Teilnehmeranschluß (106) durch einen ersten der Satelliten (104A, 104B) und Übertragen oder Senden eines zweiten Signals von der Basisstation (102) zu dem Teilnehmeranschluß (106) durch einen zweiten der Satelliten (104A, 104B); und

(ii) Messen, am Teilnehmeranschluß (106), einer Frequenzdifferenz zwischen einer Frequenz des ersten Signals und einer Frequenz des zweiten Signals, wobei der Entfernungs- oder Bereichsratendifferenzparameter die Frequenzdifferenz repräsentiert.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Signale hinsichtlich der Frequenz vorkorrigiert ist, um die Dopplerverschiebung zu kompensieren, die bewirkt wird durch die Differenz zwischen (a) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem ersten der Satelliten (104A, 104B) und (b) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem erwähnten zweiten der Satelliten (104A, 104B).

30. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Basisstation die erwähnte Frequenzdifferenz einstellt, um die Dopplerverschiebung zu kompensieren, die bewirkt wird durch die Differenz zwischen (a) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem erwähnten ersten der Satelliten (104A, 104B) und (b) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen der Basisstation (102) und dem erwähnten zweiten der Satelliten (104A, 104B).

31. Teilnehmeranschluß (106) für ein Nachrichtensystem, welches mindestens zwei Satelliten (104A, 104B) mit bekannten Positionen, bekannten Geschwindigkeiten und einer Basisstation (102) aufweist zur Verbindung oder Nachrichtenübertragung mit einem Benutzeranschluß (106) durch die Satelliten (104A, 104B), wobei der Benutzer (106) gekennzeichnet ist durch:

Mittel zur Rückübertragung oder Rücksendung eines ersten Signals empfangen von der Basisstation (102) durch einen der Satelliten (104A, 104B);

Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameterbestimmungsmittel, wobei der Bereichs- oder Entfernungsdifferenzparameter eine Differenz repräsentiert zwischen (1) einem Abstand zwischen einem ersten Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106) und (2) einen Abstand zwischen einem zweiten der erwähnten Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106); und mindestens eines von folgendem:

Entfernungs- oder Bereichsdifferenzratenparameterbestimmungsmittel, wobei der Entfernungsdifferenzratenparameter die Differenz repräsentiert zwischen (1) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem ersten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmerlanschluß (106) und (2) einer relativen Radialgeschwindigkeit zwischen einem zweiten der Satelliten (104A, 104B) und dem Teilnehmeranschluß (106); und

Mittel zur Messung einer Frequenz eines zweiten Signals übertragen durch die Basisstation (102) durch einen weiteren der Satelliten (104A, 104B), Senden der Frequenzmessung zu der Basisstation (102) und Übertragen eines dritten Signals zu der Basisstation (102) durch den erwähnten weiteren der Satelliten (104A, 104B);

wobei die Position des Teilnehmeranschlusses auf der Erdoberfläche bestimmt werden kann basierend auf dem zurück übertragenen oder zurückgesandten ersten Signal, dem Entfernungs- oder Bereichsdifferenzparameter, den bekannten Positionen und bekannten Geschwindigkeiten der Satelliten (104A, 104B) und mindestens einem von folgendem:

dem erwähnten Bereichs- oder Entfernungsratendifferenzparameter, der erwähnten Frequenzmessung, und dem erwähnten dritten Signal.