JPH10303797A

JPH10303797A - 衛星位置確定システムおよび方法

Info

Publication number: JPH10303797A
Application number: JP10087487A
Authority: JP
Inventors: Charles Chambers; チャールズ・チャンバース
Original assignee: ICO Services Ltd
Current assignee: ICO Services Ltd
Priority date: 1997-04-01
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1998-11-13
Also published as: GB2323988A; EP0869373A3; EP0869373A2; GB9706599D0; US6219615B1

Abstract

(57)【要約】【課題】地球の表面上の使用者端末の正確な位置を確
定することである。【解決手段】地球局３８が衛星１０と通信し、衛星１
０が複数の使用者端末４４の内の選択可能なものと通信
する。使用者端末４４の地球１４の表面上の位置が測定
され、衛星１０の位置の測定精度が、さらなる三角測量
点として使用者端末４４の全てを用いることにより改良
される。改良された位置は、さらなる使用者端末４４の
位置決定に組み込まれて、累積的な改良がなされる。三
角測量において大きな誤差を有する使用者端末４４が、
小さな重要性を与え、小さな誤差を有する使用者端末４
４が大きな重要性を与えるように、重み付けが適用され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衛星通信システ
ム、および、そのようなシステムを動作する方法に関す
る。本発明は、特に、地球ベースの使用者端末が衛星と
通信し、衛星は同様に地球局と通信し、かつ、これらの
逆の通信も行う衛星通信システムおよび関連する方法に
関する。さらに詳細には、本発明は、地球の表面上の使
用者端末の位置が地球局に知られる必要があるようなシ
ステムおよびその関連する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】衛星通信システムでは、（たぶん、無線
電話送受器の形態をしており、セルラー無線電話送受器
と似ていないわけではない）使用者端末が、地上のワイ
ヤおよびケーブルシステムへ、または、他の無線電話シ
ステムへリンクされた地球局によって、電話の呼を確立
するために、または、電話の呼を受信するために、衛星
を介して、地上局と通信することが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】地球の表面上の使用者
端末の正確な位置を確定することに関しては、２つの目
的がある。第１には、必要なときに、特定の時間に特定
の衛星から、使用者端末への、または、使用者端末から
の無線信号の送受信方法を知るために、使用者端末が置
かれている地球の表面の部分をカバーするべく、適切な
衛星からの適切なビームが選択され得るように、使用者
端末の大体の位置を知ることが必要である。第２には、
衛星通信システムでは、使用者端末が操作されている地
域によっては、電話をかけることの禁止や、ローカルな
請求書や、他の制限が監視され得るために、課せられる
べき必要な制限に対して、十分正確に、使用者端末の位
置を判断することが必要である。

【０００４】地球の表面上の使用者端末の位置を相当非
常に正確に決定するために、個々の端末が「衛星による
全地球測位」（ＧＰＳ）を使用する使用者端末を設ける
ことが知られている。そして、使用者端末は、地球局
へ、通信に関連する衛星（または複数の衛星）を介し
て、その正確な位置を送信する。上記正確な位置は、使
用者端末との通信動作の会計的なおよび機械的な特徴を
制御するために、その後に続く（使用者端末との）交信
において、地球局によって使用される。そのようなシス
テムの例は、１９９３年３月２７日にモトローラコーポ
レーションによって提出された欧州特許第０５６２３７
４号公報に見ることができる。このＧＰＳシステムは、
アクセスが非常に遅いという傾向があり、高価な高性能
の受信器を必要とする。また、ＧＰＳ衛星は、しばし
ば、使用者端末に全くアクセスすることができず、位置
決定のための十分な同時数が達成されるべきである。加
えて、位置決定の精度も、衛星通信の目的のために現実
に必要とされるものをかなり超えている。

【０００５】そのようなシステムでは、送受器が通信お
よびＧＰＳ測定の両方を行うことを可能とするために、
マルチプル周波数能力が必要であるとともに、送受器を
不必要に複雑にしなければならない。この発明は、衛星
通信システムと交信する場合に、ＧＰＳを含む解決に頼
る必要なく、かつ、衛星通信システムの処理および会計
要求に対して十分正確に、地球の表面上の使用者端末ま
たは送受器の位置を判断するという問題に対する解決を
提供することを目的としている。

【０００６】ＧＰＳシステムは、各衛星の位置が地球上
の端末に知られ得るように、各衛星の軌道の非常に精密
な測定された特性描写を必要とする。端末自体は、その
後、それ自体の位置を計算する。ＧＰＳシステムは、衛
星のみが送信するものであるため、情報の流れは一方向
である。端末の位置が発見される精度に直接関連する衛
星の位置の測定は、専用の設備によって、間欠的に達成
されるのみであり、測定間においてドリフトが生じ得
る。専用の設備は、衛星の位置が測定されるときに、地
球の表面上に最適に配置されている訳ではないので、望
ましくない誤差を誘発する。この発明は、衛星通信シス
テムの二方向の特性を活用することにより、衛星の位置
の連続した更新を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の特徴によれば、こ
の発明は、衛星が、該衛星の推測された瞬時位置を参照
することにより地球の表面上の端末の位置を測定しかつ
記録するために地球局と協動するように作動するシステ
ムにあり、前記地球局は、第１の精度で前記衛星の前記
瞬時位置を推測するように作動し、前記システムが、第
２の精度で前記衛星の前記瞬時位置の再推測するため
に、前記端末の測定された位置を組み込むように作動
し、前記第２の精度が前記第１の精度より高いことを特
徴としている。

【０００８】第２の特徴によれば、この発明は、衛星
が、該衛星の推測された瞬時位置を参照することにより
地球の表面上の端末の位置を測定しかつ記録するために
地球局と協動するように作動するシステムの使用方法に
あり、前記地球局が第１の精度で前記衛星の前記瞬時位
置を推測するように作動し、前記方法は、前記衛星の前
記瞬時位置の再推測において、第２の精度で、前記端末
の測定された位置を組み込むステップを具備し、前記第
２の精度が前記第１の精度より高いことを特徴としてい
る。

【０００９】前記発明は、前記端末の位置の次の測定の
際に前記衛星の新たな推測された瞬時位置として、前記
再推測の結果を用いるシステムおよび方法をも提供して
いる。好ましい実施形態において、これは、衛星の軌道
の改良された推測を提供し、これによって、次の測定の
段階における端末の位置の良好な測定に貢献する。

【００１０】この発明は、さらに、前記端末が、複数の
端末の内の１つであり、複数の端末の内の各々の位置の
測定および記録を含み、かつ、各段階における再推測を
実行するために複数の端末の各々の測定された位置を組
み込むシステムおよび方法を提供する。好ましい実施形
態において、このことは、衛星の位置が、ほんの数個の
地球局からの代わりに、あるいは１０００に達する大量
の点から三次元的に三角測量によって測量されるという
ことを意味する。

【００１１】この発明は、さらに、前記複数の端末が、
１つまたはそれ以上の他の地球局を組み込み得るシステ
ムおよび方法を提供する。地球局は、それらの位置を非
常に正確に知っているので、衛星の推測の全体精度に対
するそれらの貢献は重大である。

【００１２】この発明は、さらに、衛星の位置の再推測
が、端末の位置の測定の精度および幾何学的配列の重要
性に関連する重み関数を組み込んでおり、該重み関数
が、前記衛星の瞬時位置の推測の精度を改良するために
最も貢献する、端末の位置の測定に大きな恩恵を与える
ために用いられるシステムおよび方法を提供する。好ま
しい実施形態では、この特徴は、端末位置の測定におけ
る大きな誤差が存在し、または、前記端末が衛星に対し
て都合の悪い位置に配されているために幾何学的配列に
おいて非常に不利である端末位置測定が、衛星の位置の
計算において小さい重みおよび重要性を与えられるのに
対して、反対の特性を有する端末位置測定が、より大き
な重要性を与えられるということを提供する。悪い結果
を軽く見ることにより、そして、良好な結果を強調する
ことにより、衛星の位置の推測はより改良される。

【００１３】この発明は、さらに、測定の精度および幾
何学的配列の品質を、カルマンフィルタアルゴリズムへ
の状態変数入力として供給することにより、重みを再推
測に組み込むシステムおよび方法を提供する。最後に、
この発明は、地球局が複数の地球局の内の１つであり、
複数の地球局の各々が再推測に関する情報を共有するシ
ステムおよび方法を提供する。このことは、衛星が１つ
の地球局から他の地球局へ移行する場合に、その位置の
推測における改良が、後継の地球局に受け継がれ、か
つ、後継の地球局によって更新されかつ改良され続ける
ということを意味する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、一例として、添付図面
と結び付けられた以下の記載によって、さらに説明され
る。添付図面は以下の通りである。図１は、地球の周り
に配置された衛星の二次元的な位置を示す。図２は、直
交軌道平面内に衛星がどのように配置されているのかを
図解する。図３は、各衛星によって提供される無線範囲
の円錐体の構成を示す。図４は、多くの型の異なる領域
を生成するために、図３に示される無線範囲の円錐体が
どのようにして地球の表面と相互作用しているのかを示
す。図５は、地球の表面上空の衛星の（上からみた）図
であり、地球に関する様々な動作を図解する。図６は、
使用者端末と衛星との間の伝搬遅延を判断するために、
地球局が使用者端末へ衛星を介して信号を伝達する全体
的な状況の概要図である。図７は、衛星に対するドップ
ラー周波数シフト測定の形状を示す。図８は、衛星の相
対的ドップラーシフトおよび内部発振器誤差を判断する
ための（地球局と衛星との間の）試験信号の交換を概要
的に示したものである。図９は、図８による較正された
衛星が、同様に、衛星と使用者端末との間の相対的なド
ップラーシフトと、使用者端末内の内部発振器誤差とを
判断するために、どのようにして使用されるのかを概要
的に示したものである。図１０は、地球の表面上の使用
者端末の位置を測定するために、測定されたドップラー
周波数シフトと伝搬遅延との交差線が、どのようにして
使用されるのかを示す。図１１は、位置の最良評価のた
めに最適な数のサンプルの導出を示すグラフである。図
１２は、特定の好ましい実施形態において、ドップラー
周波数シフトの平均化のために最適な数の（導出され
た）サンプルを示す図表である。図１３は、特定の好ま
しい実施形態において、伝搬遅延の平均化のために最適
な数の（導出された）サンプルを示す図表である。図１
４は、使用者端末が２以上の衛星に直接アクセスする状
況を示す。図１５は、もし利用可能ならば、１つの衛
星、または、２つ以上の衛星を使用して、地球の表面上
の使用者端末の位置を判断する場合における地球局の動
作のフローチャートである。図１６は、地球の表面上の
使用者端末の位置を判断する際に、地球局がどのように
して計時された同報通信を併合することができるのかを
示すフローチャートである。図１７は、この発明におい
て、衛星の位置の測定の精度を改良するために、地球の
表面上の複数の使用者端末が、どのように使用され得る
かを示す図である。

【００１５】好適な実施形態の説明の第１の部分におい
ては、この発明により表される改良を示すために、通信
衛星が、地球の表面上の使用者端末の位置を測定するこ
とができる種々の方法が示されている。

【００１６】まず初めに、図１に注目する。図１は、地
球の周りに配置された衛星の二次元的な位置を示す。複
数の衛星１０は、地球１４の表面上空において、円形軌
道１２の周りに均一に配置されている。各々の衛星１０
は、個々の衛星１０が地平線上の１０度以上の位置にあ
る場合に、地球１４の表面上の装置との無線通信を提供
するように設計されている。したがって、各衛星１０
は、地球１４の表面と交差する無線範囲の円錐体１６を
提供する。地球の表面は、３つの型のエリアを有する。
第１の型のエリア１８は、たった１つの衛星１０からの
無線範囲を有するエリアである。第２型のエリア２０
は、２以上の衛星１０からの無線範囲が存在するエリア
である。最後に、第３型のエリア２２は、示された軌道
１２内の衛星１０から無線範囲を受信しない。

【００１７】図２は、直交軌道平面内に衛星１０がどの
ように配置されているのかを図解する。図１の第１軌道
１２は、図１に示される方法と同じ方法で、第２軌道１
２’の周りに配置された衛星１０を有する第２軌道１
２’によって補われる。軌道１２，１２’は、互いに直
交している。それぞれは、赤道２４に対して４５度傾い
ており、かつ、互いに（９０度で）直交した平面を有す
る。

【００１８】示された例において、衛星１０は、高度１
０５００ｋｍにおいて、地球１４の表面の周りの軌道を
回っている。各軌道１２，１２’において、衛星１０の
軌道の高さおよび数は、他の値であってもよい。上記例
は、最小数の衛星１０を用いて、北極２６および南極２
８に対してさえ、地球１４の全体的な無線範囲を提供す
るので、この構成は好ましい。第１軌道１２内の衛星の
無線範囲が存在しない第３型のエリア２２に対して、第
２軌道１２’の衛星１０が無線範囲を提供するというこ
と、および、第２の軌道１２’の衛星１０が無線範囲を
提供しない第３型のこれらのエリア２２に対して、第１
の軌道１２内の衛星１０が無線範囲を提供するというこ
とが、軌道の直交によって保証される。

【００１９】ここでは２つの軌道１２，１２’が同じ半
径であると示されているが、これ以前およびこれ以降に
記載されているように、本システムは、異なる半径の軌
道１２，１２’でも機能する。同様に、３以上の軌道１
２，１２’が存在してもよい。本システムに関する限
り、地球１４の表面の全ての部分が、全ての時刻におい
て、少なくとも１つの衛星１０からの無線範囲を受信し
ていることのみが必要である。

【００２０】図３は、各衛星１０によって提供される無
線範囲の円錐体１６の構成を示す。便宜上、無線範囲の
円錐体１６は、地球の地図上の緯度０度、経度０度を中
心として示されている。無線範囲の円錐体１６は、衛星
１０上の対応する複数の指向性アンテナによって、複数
のスポットビーム３０に分割されている。衛星１０は、
移動無線電話通信に向けられており、かつ、各々のスポ
ットビーム３０は、セルラー無線電話ネットワーク内の
セルに相当するものに、ほぼ対応している。図３におい
て、無線範囲の円錐体１６は、提供された地球の表面の
地図の形状によって、歪められている。図３は、また、
地球表面への（即ち、円錐体１６がその端における水平
的な影響範囲を示す地点への）接面である円錐体１６の
端へ下がった無線範囲の円錐体１６の地球の表面との交
差の範囲を示す。それに対して、図１は、地球の表面に
対して最小高度１０度の円錐体１６を示している。

【００２１】地球の湾曲によって、スポットビーム３０
は、中央においては、ほぼ均一の、わずかに重なった円
形をしている。ところが、端においては、スポットビー
ム３０の（地球１４の表面における）傾きの影響範囲
は、形の大きな歪を引き起こしている。

【００２２】図４は、多くの型の異なる領域を生成する
ために、無線範囲の円錐体１６がどのようにして地球の
表面と相互作用しているのかを示す。図１を参照して説
明されるように、無線範囲の多数の円錐体１６は、たっ
た１つの衛星による無線範囲が存在する第１エリア１８
と、２つの衛星による無線範囲が存在する第２エリア２
０と、さらに、３またはそれ以上の衛星によって範囲が
提供される第４エリア３２とを生成するために、重なっ
ている。図４に示される各々の（無線範囲の）円錐体１
６は、図３に示されるように、それ自身の独立した組の
スポットビーム３０に分割される。

【００２３】図５は、地球の表面上空の衛星１０の（上
からみた）図である。衛星１０は、電力供給のためのソ
ーラーパネル３４と、複数の地球局３８のうちの１つ
へ、大量の電話の信号量を送るダウンリンクアンテナ３
６と、地球局３８からの全般的な信号量を受信するアッ
プリンクアンテナ４０と、使用者端末４４との通信の提
供を意図する（図３に示される）複数のスポットビーム
３０を提供する加入者アンテナ４２とを具備する。使用
者端末４４は、携帯セルラー無線電話器に似て無くはな
い形態で提供される。使用者端末４４は、また、陸上車
両および船舶および飛行機内で使用される（さらに複雑
な）車両搭載装置を含む。

【００２４】この好ましい例で述べられるパラメータに
関して、衛星は（第１矢印４６によって示されるよう
に）その軌道１２，１２’の周りを４．９ｋｍ／秒の速
度で移動する。地球１４の回転の移動を無視すると、ス
ポットビーム３０も、また、第２矢印４８によって示さ
れるような地上軌道に沿って、同様の速度で、地球１４
の表面を横切って移動する。衛星直下の地点は、最下点
（nadir）５０として知られている。

【００２５】同時に、地球１４は、第３矢印５２によっ
て示されるように、回転している。その速度は、その赤
道において０．４７ｋｍ／秒の速度である。地上軌道４
８に対して９０度の（地上軌道４８に関する）方向は、
第４矢印５４によって示されるような交差軌道として示
される。これ以降、使用者端末４４の位置は、（最下点
５０を基準とした）地上軌道４８に沿った距離と交差軌
道５４に沿った距離とを参照して、定義される。

【００２６】図６は、地球局３８が使用者端末４４へ衛
星１０を介して信号を伝達する大まかな状況の概要図で
ある。地球局３８は、地球局３８の動作を制御する地球
局コントローラ５６を、さらに具備する。地球局３８
は、地球１４の表面上の第１点に配置されており、か
つ、衛星１０が地球局３８の範囲内にある場合、使用者
端末４４は、衛星１０の範囲内における（地球の表面上
の）いかなる他の点に存在していてもよい。

【００２７】地球局３８は、図５のアップリンクアンテ
ナ４０を介して、５１５０〜５２５０メガヘルツの帯域
の周波数を使用したアップリンク無線リンク５８を介し
て、衛星１０と通信する。地球局３８は、図５のダウン
リンクアンテナ３６を介して、周波数範囲６９７５〜７
０７５メガヘルツにおける信号を使用したダウンリンク
無線リンク６０上の信号を（衛星１０から）受信する。

【００２８】使用者端末４４は、範囲２１７０〜２２０
０メガヘルツ内の周波数を使用した使用者端末ダウンリ
ンク６２を介して、（衛星１０から）信号を受信する。
使用者端末４４は、周波数帯域１９８０〜２０１０メガ
ヘルツで動作する使用者端末アップリンク６４を介し
て、メッセージおよび信号を衛星１０に送る。これらの
周波数は単なる一例であり、本システムは、アップリン
クおよびダウンリンクに対する他の多数の周波数を使用
して実行され得る。

【００２９】図６における（明確には示されていない）
暗黙の了解として、衛星１０は、それ自身の正確な発振
器を、好都合なものとしては水晶発振器の形態で具備す
る。衛星１０は、上記発振器を、入力および出力信号の
周波数を変換するために使用し、かつ、周波数を合成す
る場合に周波数参照として使用する。同様に、使用者端
末４４は、入力信号の周波数を変換し、かつ、出力信号
の周波数を合成するために、それ自身の内部合成発振器
を具備する。この内部合成発振器は、マスタ発振器から
生じ、好ましくは水晶発振器である。

【００３０】同様に、地球局３８および地球局コントロ
ーラ５６は、それらの間において、かなり正確な周波数
参照および時間参照を具備するか、また、該周波数参照
および時間参照へのアクセスを有する。これらの参照
は、実際には、地球局３８および地球局コントローラ５
６内に具備されるか、または、地上線や他のサービスを
介して他の場所から引き出される。

【００３１】地球１４の表面上の地球局３８の正確な位
置は、非常に正確に知られている。同様に、衛星１０の
軌道１２，１２’のパラメータ、および、その軌道内に
おける衛星１０の（全ての瞬間における）位置もまた、
非常に正確に知られている。本システムが解決すべき目
的である不確かな要素は、地球１４の表面上の使用者端
末４４の位置である。

【００３２】先に述べられなかったが、使用者端末４４
は、使用者端末アップリンク６４上において加入者アン
テナ４２に送信し、かつ、同様に、使用者端末ダウンリ
ンク６２上において加入者アンテナ４２から受信する。
衛星１０は、一度に、ただ１つの地球局３８と通信状態
にある。しかし、非常に多くの使用者端末４４と通信状
態にあってもよい。各使用者端末は、図３に示される複
数のスポットビームのうちのある特定のスポットビーム
３０内に存在する。

【００３３】衛星１０は、地球１４の表面に関して（し
たがって、地球局３８および使用者端末４４に関し
て）、第５矢印６６に示されるように移動している。同
様に、地球１４の表面は、衛星１０の軌道１２，１２’
に関して、第６矢印６８によって大まかに示されるよう
に移動している。

【００３４】使用者端末４４と衛星１０との間の信号交
換と同様に、地球局３８と衛星１０との間で交換された
信号は、全て、地球局３８と使用者端末４４とに関する
（衛星１０の）移動に基づいて、ドップラー効果によっ
て生じた伝搬遅延および周波数シフトを有している。地
球１４の表面上の使用者端末４４の位置を判断するため
に、本システムは、衛星１０の移動による周波数内のド
ップラー効果を使用する手段と、伝搬遅延の測定とに関
する。

【００３５】本システムにおいて、伝搬遅延は、地球局
３８と使用者端末４４との間で測定される。地球局３８
は、アップリンク無線リンク５８上において、信号を衛
星１０へ送る。この信号は、今度は、使用者端末ダウン
リンク６２を介して、使用者端末４４へ送られる。地球
局３８からの信号を受信すると、使用者端末は、予め決
められた期間待機し、そして、使用者端末６４およびダ
ウンリンク無線リンク６０を介して、それ自身のメッセ
ージを、地球局３８へ返送する。地球局コントローラ５
６は、地球局３８がアップリンク無線リンク５８上でメ
ッセージの送信を開始した時点からの、および、地球局
３８がダウンリンク無線リンク６０上で使用者端末４４
からの応答メッセージの受信を開始した時点からの時間
の経過に注目する。地球局コントローラ５６は、衛星１
０を通したアップリンク無線リンク５８から使用者端末
ダウンリンク６２上への信号に対する伝搬遅延時間と、
それに対応して、衛星１０を通した使用者端末アップリ
ンク６４とダウンリンク無線リンク６０との間の伝搬遅
延とを知っている。同様に、地球局コントローラ５６
は、使用者端末４４が地球局３８からの受信されたメッ
セージに応答する前に、使用者端末４４によって使用さ
れる予め決められた経過時間を正確に知っている。地球
局３８からのおよび地球局３８へのメッセージの往復行
程における（様々なリンク５８，６０，６２，６４を介
した）無線波の実際の伝搬遅延を判断するために、これ
らの伝搬遅延と使用者端末４４の予め決められた遅延と
は、地球局コントローラ５６によって、全体の経過時間
から減算される。無線波は、常に、一定の光速で伝搬す
る。地球の表面上の地球局３８の位置が正確に知られて
おり、かつ、その軌道１２，１２’内における衛星１０
の位置もまた正確に知られているので、アップリンク無
線リンク５８およびダウンリンク無線リンク６０上の伝
搬遅延の合計は正確に計算され得る。地球局コントロー
ラ５６は、無線経路５８，６０，６２，６４に沿ったメ
ッセージの伝搬に対する全体の経過時間を常に知ってい
る。全体の伝搬遅延から地球局３８と衛星１０との間の
無線経路５８，６０上の計算された遅延を減算すること
によって、使用者端末４４と衛星１０との間の伝搬遅延
が正確に測定される。このことは、（伝搬は完全に光速
なので）衛星１０と使用者端末４４との間の直線距離が
知られる、ということを意味している。伝搬遅延に基づ
いて、使用者端末は、衛星１０を中心とした球面のいか
なる地点に存在してもよい。球面は地球１４の表面と交
差しており、かつ、使用者端末４４は地球の表面上に存
在するので、使用者端末４４の位置は、地球１４の球面
と衛星１０を中心とした測定距離の階層との交差線上に
存在すると推測される。

【００３６】図７は、衛星１０に対するドップラー周波
数シフト測定の形状を示す。衛星１０が第７矢印７０に
よって示されるように移動すると、衛星１０から送られ
た無線信号の周波数における変化、および、使用者端末
４４のような固定された発信源から衛星１０によって受
信された無線信号の知覚された周波数における変化は、
衛星１０と受信者との間の角度の余弦に依存する。ここ
で、受信者とは、衛星からの、または、衛星１０へ送信
された無線信号の発信源からの送信無線信号の受信者で
ある。従って、もし、予め決められたドップラー周波数
変化に対して、これらの領域を空間内にプロットする
と、一連の同軸の円錐体７２が得られる。これらの円錐
体７２は、無限に広がりながら、それらの共通の頂点に
衛星１０を有する。また、これらの円錐体７２は、それ
らの共通の軸７４として、第７矢印７０によって示され
るような（衛星１０の移動の）方向を有する。図７は、
有限の距離についてのみ、広がる円錐体７２を示してい
る。しかし、円錐体７２が無限に広がることは明白であ
る。同様に、図７は、衛星１０がアプローチしている無
線周波数受信器または発振器について、衛星の「前方
の」円錐体のみを示す。同軸の円錐体７２の対応する組
は、同じ頂点と同じ軸を有する衛星の「後方へ」広が
る。衛星１０の「前方への」ドップラーシフトは、周波
数の増加によって示される。衛星１０の「後方への」ド
ップラーシフトは、周波数の対応する減少によって示さ
れる。特定のドップラー周波数シフトについて、円錐体
７２が地球１４の表面と交差すると、線がさらに定義さ
れる。使用者端末４４はこの線に沿って配置される。

【００３７】図６を再び参照すると、ドップラー周波数
シフトの測定は（アップリンク無線リンク５８上の既知
周波数の信号を提供する）地球局３８によって実行され
る。衛星１０は、（それ自身の内部発振器を使用して）
信号の周波数を変換し、かつ、変換された信号を、使用
者端末ダウンリンク６２上へ供給する。そして、使用者
端末４４は、使用者端末アップリンク６４を介して、信
号を返信する。この信号は、もう一度、衛星１０の内部
発振器によって周波数が変換され、かつ、ダウンリンク
無線リンク６０を介して、地球局３８へ返送される。地
球局コントローラ５６は、ダウンリンク無線リンク６０
の信号の周波数を測定し、かつ、使用者端末４４におい
て、第５矢印６６によって示されるような衛星１０の移
動に起因するドップラー周波数シフトを推定する。

【００３８】図８は、地球局３８と衛星１０との間で生
じる誤差およびドップラーシフトを較正するために、地
球局３８および地球局コントローラ５６が衛星１０と交
信する方法の概要図である。

【００３９】地球局３８は、アップリンク無線リンク５
８上で、衛星１０へ、既知周波数f(1)の信号を送る。衛
星１０は、内部マスタ発振器を有する。この内部マスタ
発振器は、衛星１０によって使用される全ての合成周波
数を制御する。もし、マスタ発振器が比例誤差ｍを有す
るならば、衛星内においてマスタ発振器を使用して合成
された全ての周波数に、誤差が比例する。それによっ
て、 f(actual)=(1+m)f(intended) f(actual) ：実際の周波数 f(intended)：意図された周波数である。同様に、衛星１０は、地球局３８に関して移動
している。したがって、比例するドップラーシフト（ｄ
と称する）を導入すると、それによって、信号が、地球
局３８から衛星１０へ進んでも、または、衛星１０から
地球局３８へ進んでも、 f(received)=(1+d)f(sent) f(received)：受信された周波数 f(sent) ：送信された周波数である。したがって、もし、地球局が、アップリンク無
線リンク５８上において、衛星１０へ、周波数f(1)を送
るならば、ドップラーシフトによって、衛星は、周波数 f(received at satellite)=f(1)(1+d) f(received at satellite)：衛星で受信された周波数を受信する。ここで、衛星は、地球局３８から受信され
た信号を、加入者アンテナ４２を介した使用に適した周
波数へ変換するために、周波数変更器７６を使用する。
そのように動作するために、衛星１０は、地球局３８か
ら（衛星１０で）受信された信号の周波数から減算され
るべき意図された周波数f(2)を合成する。意図された周
波数f(2)は、衛星１０上のマスタ発振器内の比例誤差の
影響を受けるため、f(2)(1+m)となる。したがって、周
波数変更器７６の出力は、 f(1)(1+d)-f(2)(1+m) であり、かつ、これは、加入者アンテナ４２を介して、
地球局３８へ返送される。しかし、衛星１０は移動して
おり、したがって、さらなるドップラーシフトを与え
る。したがって、加入者アンテナ４２から地球局３８に
よって受信された周波数（f(R1)と称する）は、ｆ（Ｒ１）＝（１＋ｄ）（ｆ（１）（１＋ｄ）−ｆ
（２）（１＋ｍ））によって与えられる。地球局コントローラ５６は、非常
に高い精度でｆ（Ｒ１）を測定する。したがって、f(R
1)，f(1)，f(2)は全て既知の数である。しかし、mおよ
びdは既知でない。式f(R1)を拡張すると、 f(R1)=(f(1)-f(2))+d(2f(1)+d²f(1))-mdf(2)-f(2)m が得られる。２次の項d²f(1)およびmdf(2)は、他の項と
比較して重要でなく、無視することができる。

【００４０】したがって、 f(R1)=f(1)-f(2)+d(2f(1)+(2)-mf(2)) である。衛星１０は、周波数f(3)で、第３信号を合成す
る。第３信号は、ダウンリンク無線リンク６０を介し
て、地球局３８へ送られる。第３信号f(3)は、衛星１０
におけるマスタ発振器の比例誤差の影響を受ける。した
がって、ダウンリンク無線リンク６０上で送られる実際
の周波数は、 (1+m)f(3) となる。衛星１０は移動しているので、ダウンリンク無
線リンク６０上の信号もまた、ドップラーシフトの影響
を受ける。したがって、ダウンリンク無線リンク６０上
において地球局３８で受信される周波数f(R2)は、 f(R2)=(1+d)(1+m)f(3) によって与えられ、したがって、 f(R2)=f(3)+df(3)+mf(3)+mdf(3) である。２次の項mdf(3)は、他の項と比較して非常に小
さく、無視することができる。これにより、次の等式が
残る。 f(R1)=f(1)-f(2)+d(2f(1)-f(2))-mf(2) および、 f(R2)=f3(1+d+m) ここで、f(1)，f(2)，f(3)は正確に知られた数であり、
かつ、f(R1)およびf(R2)は、正確に測定され、したがっ
て、知られている。これにより、方程式が、２つの未知
数（即ち、ｍおよびｄ）における２つの連立方程式に減
らされる。したがって、２つの式は、その未知数につい
て解かれる。

【００４１】図９は、地球局３８が、比例するドップラ
ーシフト誤差、および、使用者端末４４上のマスタ発振
器誤差を、どのようにして測定するのかに関する概要図
である。地球局３８および地球局コントローラ５６は、
図８を参照して説明されたように、最初に、衛星１０を
「較正する」。衛星１０の行動を予測できるならば、地
球局３８は、その動作点を、地球１４の表面から効果的
に移動させ、かつ、その動作点を、衛星１０に配置す
る。衛星１０は、地球局３８に関して、使用者端末４４
に関して示すドップラーシフトとは異なるドップラーシ
フトを示す。

【００４２】地球局３８が衛星１０を介して使用者端末
４４から信号を受信し、かつ、地球局３８が衛星１０を
介して使用者端末４４へ信号を送る２つの経路が存在す
ることを単に示すために、加入者アンテナ４２および周
波数変更器７６は、衛星１０において２回示される。

【００４３】第１に、地球局３８は、アップリンク５８
上で信号を送る。この信号は、周波数変更器７６によっ
て転置(transpose)され、使用者端末ダウンリンク６２
上で、使用者端末４４へ送られる。使用者端末４４は、
使用者端末ダウンリンク６２上の信号の測定を行い、そ
の周波数を公称の指定の量によって転置し、ミキサー７
６を介して転置され、かつ、ダウンリンク無線リンク６
０を介して地球局３８へ送られるように、転置された信
号を、使用者端末アップリンク６４上で、加入者アンテ
ナ４２を介して、衛星１０へ再送信する。地球局３８に
おいて、地球局コントローラ５６は、正確な周波数の測
定を行う。使用者端末４４は、また、既に説明したよう
に、衛星を介して、地球局３８および地球局コントロー
ラ５６に知られた公称周波数で、独立した送信を行う。

【００４４】反射の瞬間は、正確に同じ方法が、使用者
端末４４の誤差を測定するために、衛星を「較正する」
ために使用された地球局３８として、「較正された」衛
星１０を介して拡張された地球局３８によって使用され
るということを示す。１つのループバック周波数測定
と、公称合成周波数における１つの独立した信号とが存
在する。地球局コントローラ５６は、衛星の「較正」た
めに訂正し、そして、衛星１０から使用者端末４４への
ドップラーシフトを解決し、かつ、使用者端末４４内の
マスタ発振器における比例誤差を解決するために、もう
一度、２つの未知数における２つの等式を計算する。

【００４５】図１０は、地球１４の表面上の使用者端末
４４の位置を突き止めるために、ドップラー周波数シフ
トおよび遅延がどのようにして使用され得るのかを示
す。図１０において、水平軸７８は、地上軌道に沿った
図５の第２矢印４８の方法における測定に対応してい
る。垂直軸８０は、図６の第４矢印５４によって示され
るような交差軌道に沿った測定に対応している。１つの
象限のみが示されている。これに示されるように、パタ
ーンは、４つの全ての象限において、軸について対称で
ある。

【００４６】図６を参照して説明されたように、遅延測
定は、一連の遅延区分線８２を生成する。遅延区分線８
２は、最下点５０を中心としてほぼ円を描く。最下点５
０は図１０の点（０，０）に対応する。ところが、遅延
区分線８２は、衛星を中心とした一定遅延の階層の交差
を示し、ドップラー区分線８４は、図７に関して説明さ
れた複数の同軸円錐体７２の交差線を示す。図は、使用
者端末４４が置かれている（地球１４の表面上の）位置
に対応して、ドップラーシフトに関するドップラー区分
線について、ミリセカンドを単位として、与えられてい
る。同様に、遅延区分線８２に隣接する図は、特定の遅
延区分線８２に対する特定の遅延を、地球１４の表面上
の特定の位置に、ミリセカンドを単位として示す。様々
な図が度を単位として示されている。この単位（度）
は、もし、衛星１０がその位置に存在するならば、使用
者端末４４から衛星１０への高度の角度である。図１０
は、１０度の最小高度までを示している。この場合、１
０度は、本発明の好ましい実施形態として与えられた例
を維持する通信衛星通信システムの動作の最小量であ
る。

【００４７】図３および図４を参照して説明されたスポ
ットビーム３０のいくつかが、また、図１０に示され、
重ねて置かれている。スポットビーム３０は４つの象限
の全体を満たしている。図１０の過度の乱雑さと複雑さ
とを避けるために、少数のスポットビームのみが示され
ている。

【００４８】基本的に、図６を参照して説明された単一
の遅延測定と、図８および図９を参照して説明された単
一のドップラー周波数シフト測定とに基づいて、その特
定の遅延区分線８２とドップラー区分線８４とが交差す
る地点における地球１４の表面上の使用者端末４４の位
置を評価することは可能である。

【００４９】４つの象限が存在するので、使用者端末４
４が４つの象限のうちのどの象限に置かれているのかを
判断することにおいて、曖昧の度合いが存在する。これ
は、複数のスポットビーム３０の内のどのスポットビー
ムが使用者端末４４から信号を受信したのかを注目する
ことによって、解決される。

【００５０】図１０において、ドップラー区分線８４
は、実際には、単一の線ではなく、一対の線として描か
れる。これは、測定における比例誤差を示している。最
下点５０の近くでは、ドップラー区分線８４内の線は、
ともに接近しており、小さな比例誤差を示している。そ
れに反して、水平軸７８によって示される地上軌道に沿
った大きな距離では、ドップラー区分線８４内の対の線
は、より広く離れていき、より大きな誤差を示してい
る。それに反して、遅延区分線８２もまた、対の線であ
り、測定の精度における不確かさを示すが、遅延区分線
内の対の線は、ともに非常に接近している。（符号７８
のような水平によって示される）地上軌道に沿った大き
な距離におけるドップラー区分線８４内のかなり大きな
誤差を克服するために、平均化処理が行われている。

【００５１】図１１は驚くべき結果を示す。もし、衛星
１０の最下点５０に関する地球１４の移動に対して修正
が行われるならば、または、地球に関する衛星１０の軌
道速度の修正が行われるならば、図１１に示されるよう
に、（衛星１０に関する）使用者端末４４の実際の位置
は、実線８６で示されるように、時間とともに一様に増
加する。ドップラーシフトおよび遅延の各測定は、予め
決められた周期をとる。従って、実線８６によって示さ
れるような位置誤差は、行われた測定の数とともに、一
様に増加する。

【００５２】測定された位置誤差は、よく知られた統計
学の原理によって、即ち、２乗の和の平方根によって減
少する。例えば、もし、１００個のサンプルが得られた
場合、平均誤差は、１／１０に減少する。もし、１００
００個のサンプルが得られた場合、平均誤差は、１／１
００に減少する。もし、１００００００個のサンプルが
得られた場合、平均誤差は、１／１０００に減少する…
…等である。破線８８は、測定された位置誤差の（サン
プル数に対する）減少率を示している。

【００５３】点線９０は、破線８８と実線８６との和を
示し、サンプル数に対する実際の位置誤差を示してい
る。測定された位置誤差がその最小となり、測定数が少
なくなればなるほど、測定された位置誤差はより大きく
なり、測定数が多くなればなるほど、やはり、測定され
た位置誤差はより大きくなる最小領域９２が存在する。
最小領域９２は、完全に平坦であり、かつ、測定された
位置誤差がほぼ最小である間に値Ｎ（１）からＮ（２）
までの範囲が存在する。したがって、数Ｎ（１）とＮ
（２）との間で、測定数の最適数が選択され、これは、
最良の位置評価を与える。最適測定の正確な数は、初期
測定誤差にかなり依存している。しばらくの間、図１０
に戻ると、得られた測定の数によって位置誤差の改善を
示す破線８８の傾きは、平方根である。図１１のグラフ
を解明するように（即ち、最適数の測定が生成されるた
めに、相対的に少ない数の測定が要求されるように）、
遅延区分線８２は、相対的に小さい誤差を伴って開始す
る。反対に、破線８８の傾きが相対的に浅いように（即
ち、位置の誤差の最良の評価を達成するために、相対的
に大きな数の測定を要求するように）、水平軸７８によ
って示される地上軌道に沿ったドップラー区分線８４
は、相対的に大きい。

【００５４】図１２は、本発明を図解する好ましい実施
形態に従って、ドップラーシフト測定に関する各々のこ
れらのスポットビーム３０に対して、使用者端末４４が
発見されたビームに依存して、各々のスポットビーム３
０のために得られるべき最適数の測定の第１象限表示で
ある。最適な測定の数は、９０から４２の範囲で変動す
る。もし、他のサンプリングレートおよび衛星軌道高度
が選択されたならば、他の最適数の測定が適用する。

【００５５】同様に、図１３は、図６を参照して説明さ
れたような遅延測定について、各々のスポットビーム３
０に対する最適数の１区切りまたはサンプルを示す。驚
くべきことに、最適数のサンプルは、、最下点の近くの
符号２０１から、垂直線８０によって示される交差軌道
に沿って変化し、かつ、スポットビーム３０の周囲にお
いては驚くほど低い値へ低下する。上記の説明は、衛星
１０からの１つの無線範囲を有する（図１および図４に
示されるような）エリア１８に適用される。以下の説明
は、衛星１０からの複数の無線範囲が存在する（図１お
よび図４に示されるような）エリア２０に適用される。

【００５６】図１４は、地球１４の表面上の使用者端末
４４が２以上の衛星１０，１０’からの無線範囲を有す
る状況を示す。理想的には、２つの衛星１０，１０’
は、ともに、使用者端末４４と１つの地球局３８とに対
して認識可能である。しかしながら、衛星１０’が、使
用者端末４４に対して認識可能であるが、１つの地球局
３８に対しては認識不可能である、ということが起こり
得る。この他にも、他の衛星１０’は、他の地球局３
８’に対して認識可能である。両方の地球局３８，３
８’は、地上通信線９４によって結合されているので、
このことは問題ではない。地上通信線９４において、衛
星１０，１０’および使用者端末から生じたデータは、
地球１４の表面上の使用者端末４４の位置を判断する際
に、地球局３８のうちの１つがマスタとして動作するよ
うに地球局とやりとりされる。

【００５７】もし、２以上の衛星１０，１０’が認識可
能ならば、または、近い過去において認識可能であった
ならば、図７〜図１２を参照して説明されるようなドッ
プラー変動動作を実行する代わりに、図６，１０，１
１，１３を参照して説明されるような単純な時間遅延測
定が実行される。地球局３８，３８’は、各々の衛星１
０，１０’へ信号を送り、かつ、先に説明されたよう
に、衛星１０，１０’と使用者端末４４との間の伝搬遅
延を測定する。

【００５８】図６を参照して先に説明されたように、遅
延測定は、（上述されたように、曖昧さの解決を必要と
する）地球１４の表面上の使用者端末４４に対して特有
の位置を与えるために、衛星１０に関する使用者端末４
４の可能な位置として、互いに交差し、かつ、地球１４
の表面と交差する（各々の衛星１０，１０’上に中心を
置かれた）球面を生成する。もし、使用者端末が、地球
の表面上にあると仮定されると、たった２つの衛星伝搬
遅延が、使用者端末の絶対位置のために、必要である。
もし、４以上の衛星１０，１０’がそのように使用され
るならば、使用者端末４４は、空間内に絶対的に位置し
てもよく、また、地球１４の表面上の高度変動を許可す
る。図１０の説明を参照すると、遅延区分線８２は、特
に、符号７８のような水平線によって示される地上軌道
に沿った最下点５０からの極端な範囲において、ドップ
ラー区分線８４よりもかなり正確である。従って、（図
１４を参照して説明された）地球１４の表面上の使用者
端末４４の位置の測定の方法は、より正確である。

【００５９】従って、本発明は、使用者端末４４の位置
がどのようにして地球１４の表面上で判断されるべきで
あるのかということに関する。たった１つの衛星１０が
認識可能である場所では、図１０に示される分類方法が
使用される。２以上の衛星が認識可能である場合、図１
４に関連して説明された位置決定方法が使用される。こ
こで、図１５に注目する。図１５は、地球局３８，３
８’のうちの１つにおける地球局コントローラ５６の動
作を示す。この地球局コントローラ５６は、使用者端末
４４について位置決定を実行する。

【００６０】第１動作９６において、地球局３８は、あ
る種の使用者端末４４の要求を受信する。もし、第１判
断９８が、使用者端末４４からの呼を検出できないなら
ば、制御は、第１動作９６へ戻される。もし、地球局３
８が使用者端末４４によってポーリングされたことを、
第１判断９８が確定したならば、制御は、第２動作１０
０へ進められる。第２動作１００は、図６，９，１０を
参照して説明されたように、衛星１０を介して、使用者
端末４４へ送信を送る。図８の動作（即ち、衛星が「較
正される」動作）が既に実行されていることが好まし
い。もし、図８を参照して説明された動作が実行されて
いないならば、第２動作１００は、衛星１０の必要な較
正を実行する。

【００６１】第２動作１００は、また、地球１４の表面
上の使用者端末４４の位置に関する推論を与えるため
に、地球局３８と使用者端末４４との間の相互送信に基
づいたドップラー周波数シフト測定および時間遅延測定
に起因する結果を分析する。

【００６２】（地球の表面上において使用者端末４４の
位置の近似評価を行う）地球局３８は、使用者端末４４
が２以上の衛星１０に対して認識可能であるか否かを判
断するための位置内に存在する。もし、たった１つの衛
星が認識可能であると、第２判断１０２が判断したなら
ば、制御は、第３動作１０４へ進む。第３動作１０４
は、複数のスポットビーム３０のうちのどのスポットビ
ームが使用者端末４４によって占められているのかを判
断する。この情報は、また、使用者端末４４からの信号
がどのスポットビーム３０上で受信されたのかに基づい
て、地球局３８によって知られている。

【００６３】制御は、第３動作１０４から第４動作１０
６へ進む。第４動作１０６では、それに関連する説明上
の図１２を参照して、使用者端末４４によって占められ
たスポットビーム３０に依存して、メッセージ交換によ
って最適数のサンプルが実行される。これは、図１１を
参照して説明されたように、位置決め時に最大の準備を
与える。

【００６４】第４動作１０６が、その必要な機能を実行
すると、制御は第５動作１０８へ進む。第５動作１０８
では、図１１および図１４を参照して説明されたような
遅延測定のための最適数のサンプルのために、図６を参
照して説明されたような遅延測定が行われる。

【００６５】第４動作１０６および第５動作１０８は、
同時に実施される。サンプリング例の数は、特定のスポ
ットビーム３０に対して、図１２および図１３を参照し
て示されたようなドップラーシフトまたは遅延測定のた
めのどちらか大きい方である。結果は、より少ない数の
みについて、必要とされるより小さい数まで分析され
る。後の結果は破棄される。

【００６６】第４動作１０６と第５動作１０８との関数
の和は、図１０を参照して説明された位置分析のスタイ
ルに基づいて、最良の評価を与えることが可能である。
図１０では、一定時間遅延の球面と一定ドップラーシフ
トの円錐体とが地球１４の表面に交差している。

【００６７】第５動作１０８の終了後、制御は第６動作
１１０へ進められる。第６動作１１０では、全ての必要
な通信動作が実行される。この通信動作は、電話の呼び
出し、または、位置および状態の交信のための要求、ま
たは、必要とされる他の全てを含む。第６動作１１０の
必要な動作が終了したことを、第３判断１１２が示す
と、制御は第１動作９６へ戻る。第１動作９６では、地
球局３８は、もう一度、衛星１０を介して、使用者端末
４４に対し受信する。

【００６８】第２判断１０２へ戻り、１つだけではない
衛星の存在が検出されたならば、制御は第４判断１１４
へ進められる。第４判断１１４は、２以上の衛星が存在
するか否かを判断する。複数の利用可能な衛星１０が存
在することを、第４判断１１４が検出したならば、制御
は第７動作１１６へ進む。第７動作１１６では、地球局
３８は、地球局コントローラ５６によって、使用者端末
４４が各衛星に対する複数のスポットビーム３０の内の
どのスポットビームにアクセス可能であるかを、判断す
る。その後、制御は第８動作１１８へ進む。第８動作１
１８では、地球局３８は、図６とそれに関連する記載に
従って、および、図１０および図１３とそれらに関連す
る記載に従って、最適数の無線区切りを、各衛星１０の
ために交換する。一旦、第８動作１１８によって使用者
端末４４の位置が判断されると、制御は第６動作１１０
へ進む。そして、その後、先に説明したように、第１動
作９６へ戻る。

【００６９】もし、第４判断１１４が利用可能な衛星を
発見しないならば（これは、まれな状況であるが、環境
的な障害によっては可能性がないわけではない）、制御
は第９動作１２０へ進む。第９動作１２０では、全体的
な動作が中断される。そして、制御は、第１０動作へ進
む。第１０動作では、地球局３８は、第２動作１００で
実行された１区切りのドップラーシフトおよび遅延の測
定に基づいて、使用者端末４４の大まかな位置を仮定す
る。

【００７０】第１０動作１２２の後、制御は、第６動作
１１０へ進む。第６動作１１０は、全ての必要な動作を
実行する。この場合、これは、地球局３８が使用者端末
４４との接続を確立することを試みるためのものか、ま
たは、たぶん、何もしないことさえある。そして、制御
は、第１動作９６へ戻る。

【００７１】図１６は、地球１４の表面における使用者
端末を位置決めするためのさらに他の方法において、地
球局３８と協力する使用者端末４４の動作を示す。個々
の衛星１０は、周期的な間隔で、全てのスポットビーム
３０上に、全ての使用者端末４４によって受信されるこ
とを意図された同報通信(broadcast)メッセージを送出
する。各衛星からの同報通信メッセージは、初めに、地
球局３８から生じ、かつ、その同報通信メッセージがど
の衛星から生じたのかを識別する情報を含む。図６を参
照して説明されたように、地球局は、地球局自身と衛星
１０との間の正確な距離を知っているので、同報通信メ
ッセージの送信の時間は、正確に知られる。同様に、図
１４に示されるように、異なる地球局３８’は、異なる
衛星１０’に対して、同報通信メッセージを供給するよ
うに指示することができる。各地球局３８’は、全ての
時間において、衛星１０の位置を知っており、また、同
報通信メッセージが生じた地球局３８，３８’の識別子
を知っている。他の方法として、同報通信メッセージも
また、その同報通信メッセージが生じた地球局を示す表
示を含むことができる。

【００７２】いずれにしても、衛星１０から使用者端末
４４上への「伝搬遅延」測定の分類分けを効果的に行う
ためには、使用者端末４４における同報通信メッセージ
の到達時間を記録することと、どの衛星１０から同報通
信メッセージが生じるかを知ることとは、単に必要であ
る。もう一度述べるが、固定された遅延の階層は、距離
的には、中心となる衛星１０に関する使用者端末４４の
潜在的位置を説明し、かつ、使用者端末４４は、衛星１
０を中心とする階層と地球１４の表面との交差線上に位
置することができる。

【００７３】図１６にもう一度戻ると、第１１動作１２
４において、使用者端末は、衛星が受信されたことを第
５判断１２６が検出するまで、衛星１０から同報通信メ
ッセージを受信する。そして、制御は第１２動作１２８
へ進む。第１２動作１２８では、使用者端末は、内部ク
ロックを使用して、メッセージが生じた特定の衛星１０
の識別子を伴って、衛星１０からのメッセージの受信の
瞬間を記録および記憶する。使用者端末４４は、最も受
信されそうにないいくつかの衛星１０の記録を保持す
る。

【００７４】そして、制御は、第６判断１３０へ進む。
第６判断は、使用者端末４４が衛星１０に対する応答を
要求されているか否かを調べるために、チェックする。
もし、応答が必要ないならば、制御は、第１１動作１２
４へ戻る。第１１動作１２４では、使用者端末は、もう
一度、衛星１０からの同報通信メッセージを受信する。

【００７５】使用者端末４４が（たぶん通信または登録
目的のために）ある方法で応答することを要求されてい
ると、第６判断１３０が判断したならば、制御は、第７
判断１３２へ進む。第７判断１３２は、たった１つの衛
星１０が認識可能であるのか、または、２以上の衛星１
０が認識可能であるかを調べるために、チェックする。
このことは、第１２動作１２８において編集されたリス
トから確定され得る。

【００７６】たった１つの衛星が認識可能であること
を、第７判断１３２が検出したならば、制御は、第１３
動作１３４へ進む。第１３動作１３４では、使用者端末
４４は、図６〜図１３を参照して示されたように、遅延
およびドップラー測定に応答する。使用者端末４４は、
また、地球局３８へ、第１２動作１２８によって計算さ
れた）時間と受信された衛星１０の識別子とのリストを
送る。

【００７７】そして、地球局コントローラ５６は、これ
ら全ての測定を結合し、そして、地球１４の表面上の使
用者端末４４の位置を知る。次に、制御は、第１４動作
１３６へ進む。第１４動作１３６では、動作が終了した
ことを第８判断１３８が検出するまで、使用者端末４４
は、使用者端末４４に要求されているあらゆる動作を続
行する。そして、制御を第１１動作１２４へ戻す。第１
１動作１２４では、使用者端末４４は、衛星１０からの
メッセージを受信する。

【００７８】２以上の衛星が存在することを、第７判断
１３２が検出したならば、制御は、第１５動作１４０へ
進む。第１５動作１４０では、使用者端末４４は、図１
４および図１５を参照して説明されたように、各々の衛
星１０，１０’からの伝搬遅延測定に応答する。使用者
端末４４は、また、衛星同報通信メッセージを受信およ
び識別している間に、第１２動作１２８で計算されたリ
ストの内容を、地球局３８に対して報告する。

【００７９】この時点において、使用者端末４４と交信
している地球局３８は、地球１４の表面に沿った使用者
端末４４の位置を判断するために十分な情報を有してい
る。第１５動作１４０が完了すると、制御は、第１４動
作１３６へ進む。第１４動作１３６は、使用者端末４４
が実行するように要求されているあらゆる動作を続行す
る。そして、第８判断１３８を介して、制御を第１１動
作１２４へ戻す。第１１動作１２４では、使用者端末４
４は、衛星１０からの同報通信メッセージを受信するこ
とを続ける。

【００８０】もし、第１２動作１２８によって十分な量
の情報が列挙されたならば、かつ、使用者端末４４が、
終始、何等重大な距離を移動していないならば、地球１
４の表面上の使用者端末４４の位置は、第１２動作１２
８によって計算された記録に単純に基づいて、十分かつ
正確に測定される。したがって、第１５動作１４０にお
いて、認識可能な各衛星からの遅延を測定する必要性、
または、第１３動作１３４において、遅延測定とともに
ドップラー測定を実行する必要性をなしで済ます。

【００８１】同様に、第１３動作１３４において、も
し、組み合わされた伝搬遅延測定とドップラー周波数シ
フト測定とが、（第１２動作１２８によって集められた
同報通信受信時間および衛星識別子のリストから判断さ
れた）一定遅延の階層の交差に起因する位置に大まかに
対応する位置を生じるならば、かつ、この後者の判断が
より正確ならば、地球局３８は、その地球局コントロー
ラ５６を通して、その後者の判断を使用することを選択
する。

【００８２】第１２動作１２８によるリストの複雑さの
他の極端に重大な要素、および、第１３動作１３４と第
１５動作１４０とによるその報告されたものは、非常に
単純であり、それは、地球の表面上の使用者端末４４の
位置は（もはや使用者端末４４に対して認識可能でな
い）衛星１０を使用して測定され得る、ということであ
る。このことは、位置判断のために使用される衛星１０
が使用者端末４４に対して認識可能であるべきことを要
求する他の全ての方法とは対照的である。

【００８３】使用者端末４４は、内部クロックを具備す
る。このクロックは、当然のことながら、相対的な誤差
を有する。地球局３８は、地球局コントローラ５６と組
み合わせにおいて、非常に正確なクロックを有する。第
１２動作１２８で集められたリストを地球局３８が適切
に使用するためには、使用者端末上のクロックにおける
誤差を訂正することが必要である。これは非常に簡単に
行われる。地球局３８は、第１既知時点において、地球
局３８に対し使用者端末４４のクロック上の時間を示す
ことを、使用者端末４４に対して要求する。地球局３８
は、地球局３８自身と使用者端末４４との間の伝搬遅延
を知っている。したがって、応答時間は、使用者端末４
４によって、非常に正確に知られる。使用者端末のクロ
ックがそうであるべきと信じる時間を記録した後、地球
局３８および地球局コントローラ５６は、予め決められ
た期間（たぶん１秒）だけ待機し、かつ、使用者端末４
４がそうであると考える時間を地球局３８にもう一度告
げることを、要求する。したがって、地球局３８は、使
用者端末４４上のクロックの特性変化の比率と、計算さ
れたタイミング誤差とが判断され得る２つの情報を有す
る。したがって、地球局３８は（地球局コントローラ５
６を伴って）、既知の特性変化および誤差を使用して、
第１２動作１２８によって生成されたリスト内に記録さ
れた時間を推定することができる。そして、訂正された
時間は、特定の同報通信メッセージの（各衛星１０から
の）送信の既知の時間と比較される。そして、地球局コ
ントローラ５６は、各衛星と使用者端末との間の伝搬遅
延を計算できる。各衛星の位置は正確に知られているの
で、同報通信を行っている特定の衛星からの使用者端末
４４の範囲を判断することは可能である。

【００８４】地球１４の表面上の使用者端末４４の位置
を判断するために、先に説明された測定は、単独で、ま
たは、複数で、または、いかなる組み合わせでも、使用
され得る。もし、２つの衛星が認識可能ならば、本シス
テムは、また、使用者端末４４の位置を判断するため
に、各々の衛星からのドップラー周波数シフト測定を使
用する可能性を具備する。

【００８５】この点についての好ましい実施形態の説明
は、それ自体、使用者端末の位置を測定するためのほん
のいくつかの技術を図示することに関連している。この
ことは、発明が機能する環境を示唆することを意図して
いる。端末４４の位置測定のいかなる方法が使用されて
も、精度は衛星１０の位置の認識に依存している。以下
の説明は、それ自体、この発明の要部に関連し、そこで
は、衛星の位置が改良された精度で認識され、それによ
って、使用者端末４４の位置の測定精度を改良してい
る。

【００８６】図１７は、地球局３８および複数の使用者
端末４４と通信している地球１４の上方の衛星１０の配
置を示している。

【００８７】地球局３８が、全ての瞬間において、一定
の精度で、軌道１２内の衛星１０の位置を知っていると
いうことは前に述べた。実際には、衛星１０の位置にお
ける不確かさは常に存在する。衛星１０は、半径方向の
不確かさ１４４と周方向の不確かさ１４６とがある、不
確かさの箱１４２の中に存在する。ＧＰＳシステムにお
いては、コストの高い正確な設備を用いて、これらの不
確かさが、数メートルの範囲まで解決されている。通信
衛星１０によれば、この不確かさは数百メートルあるい
は数千メートルの大きさにさえなり得る。地球１４の表
面上の使用者端末４４の位置を測定したい場合には、最
小の追加コスト、労力および設備で、通信衛星１０の位
置のこれらの不確かさを低減することが非常に望まし
い。

【００８８】使用者端末４４は、全て最下点(天底:nadi
a)５０の周りの地球１４上に配置されている。いくつか
の使用者端末４４は最下点５０の進行方向前方にあり、
いくつかは後方にあり、いくつかは左側に、いくつかは
右側にある。使用に際して、衛星１０は、数百または数
千の使用者端末４４と接触していることができる。

【００８９】全ての使用者端末４４が音声呼び出しまた
はデータ通信のために使用されている必要はないが、通
常の動作では、それらの位置は定期的に更新される。動
作において、ときどき、各使用者端末は、衛星１０を介
して地球局に呼びかけ信号を送るか、地球局３８が衛星
を介して各使用者端末４４に呼びかけ信号を送る。これ
らの呼びかけは、使用者端末４４が通信のために使用さ
れておらず、単に、地球局が、任意の特定の衛星の範囲
内における各使用者端末の存在を知っていることを可能
とするときにさえ生ずる。

【００９０】相互呼びかけの各場合において、それが、
使用者端末４４の地球局へのものであろうと、地球局３
８から使用者端末４４へのものであろうと、使用者端末
４４の位置が、図１〜図１６を参照して説明される技術
のいくつかを用いて測定される。これらの技術の各々
は、衛星１０と呼びかけられている特定の使用者端末と
の間の伝播遅延の少なくとも１回の測定を含んでいる。
どのような方法が使用されても、使用者端末が良好に配
置されている場合には低い誤差を有する特定の使用者端
末４４の位置の推測が、使用者端末４４が不利な位置に
配されている場合には、高い誤差までずっと行われる。

【００９１】最初に、衛星１０の位置が、立体三角測量
を用いて測定される。例えば、一つの方法は、地球１４
の表面上の３つの頂点と、衛星１０における頂点とを用
いて三次元的な四面体を形成するために、少なくとも３
つの地球局３８を使用することができる。他の方法は、
２つの地球局３８と、該２つの地球局の少なくとも一方
からの測定の２以上の例を使用することができる。さら
に、他の方法は、全時間にわたって、一連の測定を実施
するただ１つの地球局を使用することができる。衛星１
０の位置の最初の推測が、正確にはどのようになされる
かはこの発明の問題とするところではない。単に、最初
の推測が、本当に行われたということで十分である。否
定的な側面では、１つまたは複数の地球局３８は、測定
の１つまたは複数の瞬間において理想的に配置されてい
ないかも知れず、困難な幾何学的配列を生成しかつ、不
確かさの箱１４２に至る。

【００９２】この発明は、衛星１０の位置のより改良さ
れた情報を与えるために使用者端末４４を使用すること
を求めるものである。言い換えると、使用者端末４４の
位置の測定は、不確かさの箱１４２の大きさを減ずるた
めに使用される。

【００９３】実際には、衛星１０の位置の測定値を改良
するために、各使用者端末４４の位置の測定値が、他の
使用者端末４４の位置の他の多くの測定値とともに使用
される。

【００９４】３つの地球局３８の間の四面体の代わり
に、または、１つまたは複数の地球局衛星１０を使用し
た衛星１０の位置の確立のための他の方法の代わりに、
事実上、多くの使用者端末４４の位置である数百または
数千点が、各使用者端末４４における頂点と衛星１０に
おける頂点とを有する多面体を形成するために使用され
る。加えて、衛星１０の位置の全体にわたる推測に対す
る各使用者端末４４の貢献度が、測定された使用者端末
４４の位置における誤差の推測を含むそれらの潜在的な
誤差の大きさ、および、特定の使用者端末４４の位置か
ら存在することがある幾何学的配列における困難性に対
する許容量に従って重み付けられる。

【００９５】衛星１０の位置（Ｓａｔ）は、使用者端末
（Ｕｔ）および地球局（Ｅｓ）の位置の関数（Ｆ）であ
る。この発明は、衛星１０の位置の測定値を連続的に更
新している。ｎ番目の使用者端末が推測された位置Ｕｔ
（ｎ）を有しており、かつ、地球局が固定状態に維持さ
れている場合には、この相関関係は以下の式により表さ
れる。Ｓａｔ（ｎ）＝Ｆ（Ｕｔ（ｎ），Ｅｓ）

【００９６】最初には、地球局３８からの衛星１０の位
置の推測のみが、以下のように利用可能である。Ｓａｔ（０）＝Ｆ（Ｅｓ）

【００９７】使用者端末４４からの第１の結果が受信さ
れた時には、その関係は以下のようになる。Ｓａｔ（１）＝Ｆ（Ｕｔ（１），Ｅｓ）以下、同様である。

【００９８】しかしながら、使用者端末Ｕｔ（ｎ）の位
置の推測は、衛星１０の位置Ｓａｔ（ｎ）の推測におけ
る各々の改良によって向上される。実際には、使用者端
末の位置も以下により与えられる関数Ｐの関係を有して
いる。Ｕｔ（ｎ＋１）＝Ｐ（Ｓａｔ（ｎ），Ｅｓ）

【００９９】前記関係は、各推定が衛星１０の位置Ｓａ
ｔ（ｎ）に対して受信されるときに、改良されたＳａｔ
（ｎ）が次の測定に組み込まれるということを示してい
る。

【０１００】前に述べたように、各使用者端末４４の位
置推測に対する結果が使用者端末４４の位置推測におい
て推測された誤差に従って重み付けられる。これは、各
々の測定された使用者端末４４の位置についての各々の
結果を、最新の、改良された衛星位置の推測とともにカ
ルマンフィルタアルゴリズム内に状態変数として通過さ
せることにより、簡易に達成される。

【０１０１】ＧＰＳシステムでは、通信が単にＧＰＳ衛
星から端末への一方向であり、ＧＰＳ端末が完全に受動
的であるために、ＧＰＳ端末の実際の位置に全くアクセ
スしないことから、この発明は、ＧＰＳシステムに対す
る改良を表している。

【０１０２】この発明の好ましい実施形態においては、
衛星１０の位置の計算は、地球局３８、すなわち、衛星
１０を介して複数の使用者端末４４と接触している地球
局３８において実施される。この情報は、現在または将
来において特定の衛星１０にアクセスする必要がある他
の地球局３８と共有される。各衛星１０，１０′の軌道
の特性が、衛星１０，１０′の位置の最初の推測に貢献
するように計算可能であるということを思い出すべきで
ある。衛星１０，１０′の実際の位置の改良された推測
は、次の地球局３８および使用者端末４４が衛星１０の
位置に対する改良された初期値を使用することにより、
他の地球局３８および他の使用者端末４４の組により達
成された測定値の以前の改良から利益を得ることができ
るように、不確かさの箱１４２をさらに狭めかつ最小化
するために使用され得る。

【０１０３】この発明の好ましい実施形態は、計算が地
球局においてなされることを示しているけれども、衛星
１０，１０′自体がこの計算を行いかつ必要な時および
場所においてその結果を利用することを妨げるものでは
ない。

【０１０４】同様に、衛星１０の位置における全ての最
新の更新は、複数の使用者端末４４の位置の推測から始
めるように説明されてきたけれども、他の地球局３８か
らの追加の位置情報が、同様に組み込まれることを妨げ
るものでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】衛星の平面的な配置例を示す説明図である。

【図２】衛星の直交軌道の一例を示す説明図である。

【図３】無線範囲の円錐体の一例を示す説明図であ
る。

【図４】無線範囲の相互作用の一例を示す説明図であ
る。

【図５】衛星の各回転動作の一例を示す説明図であ
る。

【図６】衛星を介した信号伝達の一例を示す説明図で
ある。

【図７】同軸上の円錐体群の一例を示す説明図であ
る。

【図８】衛星を較正する際の試験信号の一例を示す説
明図である。

【図９】較正された衛星の使用方法の一例を示す説明
図である。

【図１０】ドップラー周波数シフトと伝搬遅延との関
係例を示すグラフである。

【図１１】最適数のサンプルの導出方法の一例を示す
グラフである。

【図１２】ドップラー周波数シフトの平均化のために
最適数のサンプルを示すグラフである。

【図１３】伝搬遅延の平均化のために最適数のサンプ
ルを示すグラフである。

【図１４】２以上の衛星にアクセスする状況の一例を
示す説明図である。

【図１５】使用者端末の位置を判断する際の地球局の
動作例を示すフローチャートである。

【図１６】使用者端末の位置を判断する際の地球局の
動作例を示すフローチャートである。

【図１７】この発明において、衛星の位置の測定の精
度を改良するために、地球の表面上の複数の使用者端末
が、どのように使用され得るかを示す図である。

【符号の説明】

１０，１０′ 衛星１４地球３８地球局４４端末

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】衛星が、該衛星の推測された瞬時位置を
参照することにより地球の表面上の端末の位置を測定し
かつ記録するために、地球局と協動するように作動し、前記地球局が、第１の精度で前記衛星の瞬時位置を推測
するように作動するシステムであって、前記衛星の前記瞬時位置の再推測を第２の精度で行うた
めに、前記端末の測定された位置を組み込むように作動
し、前記第２の精度が、前記第１の精度より高いことを特徴
とするシステム。
【請求項２】前記端末の位置を次に測定するように作
動するときに、前記衛星の新たな推測された瞬時位置と
して、前記再推測の結果を使用するように作動すること
を特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】前記端末が、複数の端末の内の１つであ
り、前記システムが、前記複数の端末の各々の位置を測定し
て記録し、かつ、各場合に前記再推測を実施するために
前記複数の端末の各々の測定された位置を組み込むよう
に作動することを特徴とする請求項１または請求項２記
載のシステム。
【請求項４】前記複数の端末が、１つまたはそれ以上
の他の地球局を組み込むことができることを特徴とする
請求項３記載のシステム。
【請求項５】前記再推測において、前記端末の位置の
測定の精度および幾何学的配列の重要性に対する重み付
けを組み込み、かつ、前記衛星の瞬時位置の推測の精度
の改良に最も貢献する前記端末の位置の測定値により大
きな恩恵を与えるために、前記重み付けを使用するよう
に作動する請求項１から請求項４のいずれかに記載のシ
ステム。
【請求項６】前記重み付けが、カルマンフィルタへの
状態変数入力として、前記測定の精度および前記幾何学
的配列を供給することにより、前記再推測に組み込まれ
ることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】前記地球局が、複数の地球局の内の１つ
であり、前記複数の地球局の各々が、前記再推測に関す
る情報を共有していることを特徴とする請求項１から請
求項６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】衛星が、該衛星の推測された瞬時位置を
参照することにより、地球の表面上の端末の位置を測定
して記録するように作動し、前記地球局が第１の精度で前記衛星の前記瞬時位置を推
測するように作動するシステムにおける使用方法であっ
て、前記衛星の前記瞬時位置の第２の精度での再推測におけ
る前記端末の測定された位置を組み込むステップを含
み、前記第２の精度が前記第１の精度より高いことを特徴と
する方法。
【請求項９】前記システムの次のものが、前記端末の
位置を測定するように作動するときに、前記再推測の結
果を、新たな推測された前記衛星の瞬時位置として使用
するステップを含むことを特徴とする請求項８記載の方
法。
【請求項１０】前記端末が複数の端末の内の１つであ
り、前記複数の端末の各々の位置を測定して記録するス
テップと、前記複数の端末の各々の測定された位置を組み込むステ
ップと、各瞬間に、前記再推測を実行するステップとを含むこと
を特徴とする請求項８または請求項９記載の方法。
【請求項１１】前記複数の端末に、１つまたはそれ以
上の他の地球局を含めるステップを含むことを特徴とす
る請求項１０記載の方法。
【請求項１２】前記再推測に、前記端末の位置の測定
の精度および幾何学的配列の重要性に対する重み付けを
含めるステップと、前記衛星の瞬時位置の推測の精度を改良するために最も
貢献する前記端末の位置の測定値に、より大きな恩恵を
与えるべく前記重み付けを用いるステップを含むことを
特徴とする請求項８から請求項１１のいずれかに記載の
方法。
【請求項１３】カルマンフィルタアルゴリズムへの状
態変数入力として前記測定の精度および前記幾何学的配
列を供給することにより、前記再推測に、前記重み付け
を含めるステップを含むことを特徴とする請求項１２記
載の方法。
【請求項１４】前記地球局が、複数の地球局の内の１
つであり、前記複数の地球局の各々が前記再推測に関す
る情報を共有するステップを含むことを特徴とする請求
項８から請求項１３のいずれかに記載の方法。