專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量衛(wèi)星通信系統(tǒng)中往返延遲的系統(tǒng)與方法
背景技術(shù)：
I.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總的涉及無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，尤其涉及確定與地球軌道衛(wèi)星通信的位置的系統(tǒng)與方法。本發(fā)明還涉及對(duì)匯接局與用戶(hù)終端之間的訪(fǎng)問(wèn)信道的往返延遲進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)與方法。
II.相關(guān)技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境中，越來(lái)越需要移動(dòng)電話(huà)的位置信息。例如，隨著衛(wèi)星電話(huà)通信容量的增大，由于計(jì)費(fèi)和/或地域政治邊界等各種原因，確定用戶(hù)終端(移動(dòng)電話(huà))的位置就變得越來(lái)越重要。例如，要求以位置來(lái)選擇合適的地面站或服務(wù)提供者(如電話(huà)公司)來(lái)提供通信鏈路。服務(wù)提供者通常具有特定的地域范圍，并管理所有鏈接該地域范圍內(nèi)的通信鏈路或與位于該地域內(nèi)的用戶(hù)進(jìn)行的呼叫。當(dāng)必須根據(jù)政治邊界或多種合同關(guān)系把通話(huà)分配給服務(wù)提供者時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題。
具體地說(shuō)，能理解位置信息重要性的一個(gè)行業(yè)就是商用貨運(yùn)業(yè)。在商用貨運(yùn)業(yè)或物流經(jīng)營(yíng)業(yè)中，要求有一種高效、準(zhǔn)確的車(chē)輛定位方法。便于訪(fǎng)問(wèn)車(chē)輛位置信息，貨運(yùn)公司就具有了某些優(yōu)勢(shì)。貨運(yùn)公司能告訴客戶(hù)運(yùn)輸業(yè)務(wù)的地點(diǎn)、路線(xiàn)與估計(jì)的到達(dá)時(shí)間，還能將車(chē)輛位置信息與路線(xiàn)有效性的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)使用，以確定最經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)輸路線(xiàn)與操作步驟。
過(guò)去，貨車(chē)司機(jī)自己在到達(dá)目的地和中途停留地后，用電話(huà)告訴貨運(yùn)公司總部有關(guān)車(chē)輛的位置信息。這樣位置報(bào)告最好是斷斷續(xù)續(xù)的，因?yàn)橹挥性谒緳C(jī)到達(dá)目的地或中途停留地時(shí)，司機(jī)才有時(shí)間打電話(huà)向貨運(yùn)公司總部報(bào)告。這樣位置報(bào)告對(duì)貨運(yùn)公司來(lái)說(shuō)也是相當(dāng)昂貴的，因?yàn)閷?shí)際上要造成貨運(yùn)很長(zhǎng)的停駛時(shí)間。這一停駛時(shí)間原于這樣的事實(shí)要作位置報(bào)告，司機(jī)必須將其車(chē)輛駛離行駛路線(xiàn)，尋找能向總部打電話(huà)的電話(huà)機(jī)器，且要花時(shí)間作地點(diǎn)報(bào)告。這樣地點(diǎn)報(bào)告方法還有不準(zhǔn)確的問(wèn)題，比如司機(jī)可能不當(dāng)心或故意報(bào)告了錯(cuò)誤的信息，或者報(bào)告不準(zhǔn)確的估計(jì)到達(dá)與離開(kāi)時(shí)間。
當(dāng)前，商用貨運(yùn)業(yè)正在配置供其貨車(chē)運(yùn)輸牽引車(chē)使用的通用移動(dòng)通信終端。這類(lèi)終端能在貨運(yùn)公司總部與貨車(chē)之間作雙向通信，通常，通信是通過(guò)衛(wèi)星在貨車(chē)與網(wǎng)絡(luò)通信中心或樞紐之間進(jìn)行的。
利用各移動(dòng)終端處的無(wú)線(xiàn)電通信能力作車(chē)輛定位，對(duì)商業(yè)貨運(yùn)業(yè)有很大的好處。由于貨運(yùn)公司總部能在需要時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行定位，所以地點(diǎn)報(bào)告不再是斷斷續(xù)續(xù)的了。因?yàn)槎ㄎ凰仨氝M(jìn)行的通信可以在貨車(chē)行駛在中途的時(shí)候進(jìn)行，所以就不再要求貨運(yùn)車(chē)再花費(fèi)停駛時(shí)間。而且，由于貨運(yùn)公司總部幾乎可以瞬間探明準(zhǔn)確的貨車(chē)地點(diǎn)信息，因而基本上消除了地點(diǎn)報(bào)告的不準(zhǔn)確性。
然而，當(dāng)衛(wèi)星與車(chē)輛二者不斷改變它們的位置時(shí)，就很難利用移動(dòng)終端處的無(wú)線(xiàn)電通信能力來(lái)提供車(chē)輛或用戶(hù)位置。即，當(dāng)采用低地球軌道或中地球軌道(LEO與MEO)衛(wèi)星傳輸信號(hào)時(shí)，以及當(dāng)用戶(hù)或車(chē)輛迅速或頻繁地改變地點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。由于衛(wèi)星軌道和車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，它們之間的距離在不斷改變，這就難以準(zhǔn)確地測(cè)量衛(wèi)星與移動(dòng)電話(huà)間的距離，最終也難以測(cè)定電話(huà)在地球表面上的位置。該問(wèn)題在下面涉及兩個(gè)相互通信的物體的一個(gè)例子中將作進(jìn)一步的討論。
通常，可以用下述方法來(lái)確定相互進(jìn)行通信的兩物體間的距離。第一物體發(fā)射第一信號(hào)并注明發(fā)射的時(shí)間。第二物體接收第一信號(hào)并立即發(fā)射第二信號(hào)。第一物體接收第二信號(hào)，并記下第一信號(hào)發(fā)射與第二信號(hào)接收之間經(jīng)過(guò)的總時(shí)間。然后，第一物體按RTD＝cD/2的關(guān)系，確定往返延遲RTD，其中，c是光束，D是第一信號(hào)發(fā)射與第二信號(hào)接收之間經(jīng)過(guò)的總時(shí)間。于是，可由RTD來(lái)確定兩物體的間距。
然而，這一簡(jiǎn)單的(RTD＝cD/2)關(guān)系僅在下述情況時(shí)才能得出準(zhǔn)確得R值(a)兩物體的位置因定；以及(b)發(fā)送單元與接收單元的振蕩器是已知且穩(wěn)定的。換言之，若兩物體之一相對(duì)于另一物體移動(dòng)，并且/或者發(fā)射機(jī)之一的振蕩器原來(lái)就不穩(wěn)定，則該簡(jiǎn)單的關(guān)系得不出準(zhǔn)確得結(jié)果。這樣，若第一物體是一運(yùn)動(dòng)物體，如軌道通信衛(wèi)星，而第二物體是另一運(yùn)動(dòng)物體，如車(chē)載移動(dòng)電話(huà)，則這種關(guān)系就得不出準(zhǔn)確的結(jié)果。由于衛(wèi)星的軌道以及移動(dòng)電話(huà)的移動(dòng)，而使得在時(shí)段D內(nèi)二者的間距是變化的。此時(shí)，R1是衛(wèi)星與移動(dòng)電話(huà)之間在衛(wèi)星發(fā)射第一信號(hào)時(shí)的間距，而R2是衛(wèi)星接收第二信號(hào)時(shí)的間距。不用說(shuō)，這樣難以確定移動(dòng)電話(huà)與衛(wèi)星間的實(shí)際距離R1與R2。這些距離可以確定為匯接局與移動(dòng)電話(huà)之間信號(hào)的往返延遲RTD的函數(shù)。因而要求用某種機(jī)構(gòu)來(lái)準(zhǔn)確地確定RTD。
以前，由于無(wú)法根據(jù)包含求和的測(cè)量來(lái)準(zhǔn)確地確定R1或R2(即，衛(wèi)星與移動(dòng)電話(huà)在兩個(gè)略微不同的時(shí)刻時(shí)的距離)，所以難以有效地確定移動(dòng)電話(huà)的位置。若有一種有效地確定R1或R2的方法，就能確定移動(dòng)電話(huà)的位置。利用R1(或R2)和相當(dāng)于臨近速率的絕對(duì)多普勤效應(yīng)，可以確定移動(dòng)電話(huà)的位置。獲取在確定臨近速率時(shí)可以利用的真實(shí)多普勤效應(yīng)，是相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)09/150,500的主題，該申請(qǐng)的申請(qǐng)日是1998年9月9日，標(biāo)題為“Accurate Range and RangeRate Determination in a Satellite Communication System”。該技術(shù)在本文中僅作簡(jiǎn)介(見(jiàn)公式18)。因此，確定R1與R2的重要原因是可以得出移動(dòng)電話(huà)的位置。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種確定在相互間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體(如衛(wèi)星與移動(dòng)電話(huà))之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明一個(gè)方面中，由第一物體向第二物體發(fā)射第一信號(hào)。第二物體在經(jīng)過(guò)傳播延遲D1以后接收到第一信號(hào)，延遲D1是第一信號(hào)從第一物體到達(dá)第二物體時(shí)所用的時(shí)間。在第二物體處測(cè)量第一信號(hào)的頻率。然后，第二物體向第一物體發(fā)射包含測(cè)得的第一頻率的報(bào)告的第二信號(hào)。第一物體在經(jīng)過(guò)傳播延遲D2以后接收到第二信號(hào)，這里，D2是第二信號(hào)從第二物體到達(dá)第一物體時(shí)所用去的時(shí)間。第一物體測(cè)量第二信號(hào)的頻率。然后，第一物體根據(jù)測(cè)得的延遲和第一信號(hào)與第二信號(hào)的頻率來(lái)確定往返延遲。
另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及確定相互間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲，其中，第一信號(hào)是由第一物體發(fā)射的。第二物體在傳播延遲D1之后接收到第一信號(hào)，然后向第一物體發(fā)射第二信號(hào)，該信號(hào)在傳播延遲D2以后被第一物體接收。在第一物體處測(cè)量第二信號(hào)的頻率。接著，第一物體根據(jù)測(cè)得的延遲與第一信號(hào)頻率確定往返延遲，該延遲是第二信號(hào)經(jīng)過(guò)的距離的函數(shù)。
本發(fā)明還涉及確定相互間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲，其中，第一信號(hào)由第一物體發(fā)射并經(jīng)過(guò)傳播延遲D1后被第二物體接收。第二物體測(cè)量第一信號(hào)的頻率，并向第一物體發(fā)射包含測(cè)得的第一信號(hào)頻率的報(bào)告的第二信號(hào)，第二信號(hào)在經(jīng)過(guò)傳播延遲D2后被第一物體接收。然后，第一物體根據(jù)第一信號(hào)頻率確定往返延遲，該往返延遲是在第二信號(hào)從第二物體傳播到第一物體期間所經(jīng)過(guò)的延遲的函數(shù)。
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的其它特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與工作原理。
附圖簡(jiǎn)述下面參照附圖描述本發(fā)明。圖中，同樣的標(biāo)號(hào)表示相同的、功能相似的和/或結(jié)構(gòu)相似的元件。圖中首次出現(xiàn)的元件在標(biāo)號(hào)中用最左側(cè)的數(shù)字表示。


圖1描述的是衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
圖2所示的時(shí)序圖表示按照本發(fā)明確定衛(wèi)星與移動(dòng)電話(huà)間距離的方法。
圖3是按照本發(fā)明的方法1與3的流程圖。
圖4是按照本發(fā)明的方法2的流程圖。
圖5是按照本發(fā)明的方法4的流程圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述1.發(fā)明的概述與討論在移動(dòng)電話(huà)通信系統(tǒng)中，尤其是在衛(wèi)星電話(huà)系統(tǒng)中，要求確定移動(dòng)電話(huà)單元(或用戶(hù)單元)的位置，并且這很重要。要求用戶(hù)終端位置信息是源于幾個(gè)方面的考慮。首先，用戶(hù)終端的位置決定了用戶(hù)所在的地區(qū)，并決定了向該地區(qū)中的用戶(hù)提供通信服務(wù)的公司。因此，為了保證有關(guān)服務(wù)提供者收到向用戶(hù)提供通信服務(wù)的付費(fèi)，而向用戶(hù)提供的這些服務(wù)或性能是按合同提供的，或者采用最合適的地面站，那么就必須確定用戶(hù)終端的位置。
有時(shí)還必須考慮到基于政治邊界的地緣政治問(wèn)題。考慮下面的情形，即，國(guó)家1#與國(guó)家2#是不友好的鄰國(guó)。用戶(hù)終端#1在國(guó)家#1，服務(wù)提供者在該國(guó)提供通信服務(wù)。若國(guó)家#2內(nèi)的服務(wù)提供者錯(cuò)收了服務(wù)付費(fèi)，就可能難以將錯(cuò)收的錢(qián)從國(guó)家#2返還國(guó)家#1。若在兩國(guó)之間對(duì)用戶(hù)服務(wù)有各種合同關(guān)系，那么也可能難以提供服務(wù)的合適級(jí)別、當(dāng)前用戶(hù)位置等等。
一種傳統(tǒng)的定位方法是美國(guó)海軍TRANSIT系統(tǒng)所應(yīng)用的方法。該系統(tǒng)中，用戶(hù)終端對(duì)低地球軌道(LEO)衛(wèi)星傳送的信號(hào)作連續(xù)多普勒測(cè)量，這些測(cè)量持續(xù)進(jìn)行幾分鐘。系統(tǒng)一般要求衛(wèi)星兩次通過(guò)，必須等候100多分鐘。另外，由于位置計(jì)算是由用戶(hù)終端進(jìn)行的，所以衛(wèi)星必須播發(fā)有關(guān)其位置的信息(也稱(chēng)為“星歷表”)。盡管TRANSIT系統(tǒng)具有高精度(1米量級(jí))，但是對(duì)于商用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用而言，定位所花費(fèi)的延遲卻是不能接受的。
另一種傳統(tǒng)的方法是ARGOS與SARSAT(搜救衛(wèi)星)系統(tǒng)所應(yīng)用的方法。在該方法中，用戶(hù)終端向衛(wèi)星上的接收機(jī)發(fā)射一斷續(xù)的信標(biāo)信號(hào)，并且衛(wèi)星對(duì)該信號(hào)作頻率測(cè)量。若衛(wèi)星從該用戶(hù)終端接收到四個(gè)以上的信標(biāo)信號(hào)，那么就能求出用戶(hù)終端的位置。由于信標(biāo)信號(hào)是斷續(xù)的，因而無(wú)法由TRANSIT系統(tǒng)作持續(xù)的多普勒測(cè)量。
還有一種傳統(tǒng)的方法是采用全球定位系統(tǒng)(GPS)。在該方法中，各衛(wèi)星播發(fā)一包括衛(wèi)星星歷表的帶有時(shí)間標(biāo)記的信號(hào)。當(dāng)用戶(hù)終端收到GPS信號(hào)時(shí)，它就測(cè)量相對(duì)其自身時(shí)鐘的傳輸延遲，并確定與發(fā)射衛(wèi)星位置的偽距。GPS系統(tǒng)作二維定位要用3顆衛(wèi)星，作三維定位要4顆衛(wèi)星。
GPS法的一個(gè)缺點(diǎn)是要求至少3顆衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行定位；另一個(gè)缺點(diǎn)在于，由于計(jì)算是由用戶(hù)終端執(zhí)行的，GPS衛(wèi)星必須播發(fā)它們的星歷表信息，而用戶(hù)終端必須擁有執(zhí)行必要計(jì)算的運(yùn)算資源。
上述諸方法的缺點(diǎn)在于，為了應(yīng)用這些方法，除了通信系統(tǒng)要求建立的發(fā)射機(jī)或接收機(jī)外，用戶(hù)終端也必須有獨(dú)立的發(fā)射機(jī)或接收機(jī)。
為此，在衛(wèi)星通信環(huán)境中，許多人正認(rèn)識(shí)到要求有一種能迅速定位的定位系統(tǒng)。同時(shí)，還要求有一種廉價(jià)的定位系統(tǒng)，使衛(wèi)星與用戶(hù)終端以最少的附資源精確地對(duì)用戶(hù)終端進(jìn)行定位。
至衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，可以確定把移動(dòng)用戶(hù)終端的位置作為衛(wèi)星與該移動(dòng)用戶(hù)終端間的距離和該距離變化率的函數(shù)。二者均為以下變量的函數(shù)匯接局(固定地面站收發(fā)機(jī))經(jīng)衛(wèi)星接口發(fā)射到移動(dòng)用戶(hù)終端再返回匯接局的信號(hào)的往返延遲、移動(dòng)用戶(hù)終端處測(cè)量的頻率和匯接局處測(cè)量的頻率。由于衛(wèi)星繞地球沿軌道運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)電話(huà)在地球表面上作運(yùn)動(dòng)，所以二者之間的距離是連續(xù)變化的。
用戶(hù)終端與衛(wèi)星之間任何關(guān)系發(fā)生變化的最大因素是衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。LEO衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)行速度每小時(shí)16000英里或每秒約4.4英里。與之對(duì)照，用戶(hù)終端的地面速度一般小于每小時(shí)60英里(約每秒88英尺)。用戶(hù)終端的位置變化相對(duì)于衛(wèi)星的位置變化如此之小，因而可以忽略掉用戶(hù)終端的位置變化。然而，由于這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，很難準(zhǔn)確地測(cè)量移動(dòng)電話(huà)(或用戶(hù)終端)與衛(wèi)星的距離。因而難以確定移動(dòng)電話(huà)的位置。這對(duì)要求準(zhǔn)確確定移動(dòng)電話(huà)位置的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)就產(chǎn)生了問(wèn)題。
本發(fā)明解決了這個(gè)問(wèn)題。本發(fā)明提供的方法可確定在匯接局與移動(dòng)電話(huà)之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲。根據(jù)這一信息，可以確定移動(dòng)電話(huà)與衛(wèi)星間的距離或范圍。本發(fā)明的一個(gè)主要結(jié)果是，還提出了一種能準(zhǔn)確地確定移動(dòng)電話(huà)位置的方法。
必須指出，本發(fā)明的用途不限于衛(wèi)星與移動(dòng)電話(huà)。實(shí)際上，從廣義上講，本發(fā)明可以用來(lái)確定任何兩個(gè)相互間進(jìn)行通信的移動(dòng)物體之間的距離。
2.典型環(huán)境在詳述本發(fā)明之前，最好先描述一下本發(fā)明可實(shí)施的典型環(huán)境。從廣義上講，本發(fā)明可在各種通信系統(tǒng)中實(shí)施。圖1中示出了這樣一種通信系統(tǒng)100。具體而言，圖1示出在軌道路徑O中運(yùn)行的衛(wèi)星104。移動(dòng)站、電話(huà)或用戶(hù)終端108位于或靠近地球表面E的地方。移動(dòng)電話(huà)108包括無(wú)線(xiàn)通信裝置，諸如(但不限于)蜂窩電話(huà)或數(shù)據(jù)或定位收發(fā)機(jī)，根據(jù)需要，也可以是手持式或車(chē)載式的。然而，還應(yīng)該理解，本發(fā)明的原理還適用于要進(jìn)行定位的固定單元。衛(wèi)星向移動(dòng)電話(huà)108發(fā)射信號(hào)并從其接收信號(hào)，通過(guò)固定地面站112的稱(chēng)為用戶(hù)終端(UT)，稱(chēng)為匯接局(GW)。
圖1示出在動(dòng)態(tài)環(huán)境中與測(cè)量衛(wèi)星104和移動(dòng)電話(huà)108間的距離相關(guān)的難題。該動(dòng)態(tài)環(huán)境是由衛(wèi)星104在其軌道O中運(yùn)行和UT108在地球表面運(yùn)動(dòng)而造成的。其中，衛(wèi)星104與UT108的距離連續(xù)變化，這樣就難以準(zhǔn)確地測(cè)量它們之間的距離以及UT108的位置。
在該例和以后的環(huán)境中，匯接局112通過(guò)衛(wèi)星104與UT108進(jìn)行通信。在時(shí)刻t-1，匯接局112向衛(wèi)星104發(fā)射正向上行鏈路尋呼信號(hào)Sfu。下面將講請(qǐng)把這一時(shí)刻定為t-1的原因。在時(shí)刻t0，衛(wèi)星104中的電路把信號(hào)Sfu轉(zhuǎn)換成正向下行鏈路信號(hào)Sfd并將它發(fā)射到UT108。UT108在時(shí)刻t1接收信號(hào)Sfd，并立即發(fā)射一反向上行鏈路信號(hào)Sru，該信號(hào)在時(shí)刻t2被衛(wèi)星104接收。衛(wèi)星104將信號(hào)Sru轉(zhuǎn)換成逆向下行鏈路信號(hào)Srd，然后把它發(fā)射到匯接局112，匯接局112在時(shí)刻t3接收該信號(hào)。信號(hào)Sfu與Std是在一條或多條尋呼信道上發(fā)射的。信號(hào)Sfu與Std則是在訪(fǎng)問(wèn)信道上發(fā)射的，該訪(fǎng)問(wèn)信道由用戶(hù)終端用來(lái)“訪(fǎng)問(wèn)”匯接局。用戶(hù)終端通過(guò)在訪(fǎng)問(wèn)信道上發(fā)射包含訪(fǎng)問(wèn)消息的數(shù)據(jù)而訪(fǎng)問(wèn)某一匯接局，登錄該系統(tǒng)，進(jìn)行呼叫，或確認(rèn)匯接局發(fā)送的尋呼請(qǐng)求。
在時(shí)刻t0與t2之間的時(shí)段(即t2-t0)內(nèi)，衛(wèi)星104的位置已經(jīng)發(fā)生變化。UT108也可能改變位置。然而，由于上述原因，可以不計(jì)UT108的位置變化。因此，UT108與衛(wèi)星104間的距離由R1變?yōu)镽2。如上所述，該位置變化的最大因素是衛(wèi)星在軌道中的運(yùn)行而引起的。
本發(fā)明以這一典型環(huán)境來(lái)描述，只是為了方便。但并非將本發(fā)明的應(yīng)用限于這種典型環(huán)境。實(shí)際上，在閱讀了下述描述后，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了在其它環(huán)境中如何實(shí)施本發(fā)明。
3.本發(fā)明本發(fā)明中，匯接局112定期發(fā)射尋呼信號(hào)Sfu。對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)，信號(hào)Sfu被看作是在時(shí)刻t-1由匯接局112發(fā)射，而在時(shí)刻t0由衛(wèi)星104接收的。位于匯接局112處的發(fā)射機(jī)對(duì)正向鏈路信號(hào)Sfu的頻率作預(yù)校，以補(bǔ)償衛(wèi)星104與匯接局112之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移。由于衛(wèi)星104對(duì)匯接局112的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是已知的，所以信號(hào)的補(bǔ)償使得當(dāng)該信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星104時(shí)，它并不呈現(xiàn)出由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而造成的任何多普勒頻移。換言之，發(fā)射機(jī)對(duì)信號(hào)Sfu預(yù)校，而補(bǔ)償了多普勒頻移。
另外，匯接局112的處的發(fā)射機(jī)還預(yù)校了信號(hào)Sfu的時(shí)序。在匯接局112傳送的時(shí)間與衛(wèi)星104接收時(shí)間之間會(huì)出現(xiàn)5-15ms數(shù)量級(jí)的信號(hào)延遲，反之亦然。在衛(wèi)星104與UT108之間發(fā)射的信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的延遲。在正向鏈路中，只預(yù)校信號(hào)Sfu的時(shí)序。信號(hào)Sfu的時(shí)序是連續(xù)調(diào)節(jié)的，因而信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)序或時(shí)間是已知的，稱(chēng)為衛(wèi)星時(shí)間。這樣，匯接局發(fā)射機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)射到衛(wèi)星104的信號(hào)Sfu的時(shí)序，使該信號(hào)以預(yù)定時(shí)間與衛(wèi)星同步而與匯接局和衛(wèi)星間間的距離無(wú)關(guān)。
預(yù)校時(shí)序的一個(gè)結(jié)果是，減少了傳播延遲變化造成的用戶(hù)終端的時(shí)序不確定性。由于正向鏈路信號(hào)中上行鏈路部分的時(shí)序是已知的，所以傳播延遲造成的唯一不確定性出現(xiàn)在正向鏈路的下行鏈路部分。這樣，通過(guò)預(yù)校時(shí)序，正向鏈路信號(hào)中的時(shí)序不確定性可減小近一半。
對(duì)衛(wèi)星104發(fā)射到匯接局112的信號(hào)Srd，作類(lèi)似的頻率與時(shí)序后校調(diào)節(jié)。但由于不知道衛(wèi)星104與UT108之間的距離，系統(tǒng)無(wú)法預(yù)校信號(hào)Sfd或Srd。
CDMA系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)的時(shí)序進(jìn)行預(yù)校與后校，使得PN擴(kuò)展碼序列中的每個(gè)碼到達(dá)任何特定衛(wèi)星或匯接局的時(shí)間與到達(dá)其它衛(wèi)星或匯接局的時(shí)間相同，而與匯接局和衛(wèi)星間的距離無(wú)關(guān)。換言之，衛(wèi)星正向鏈路信號(hào)的上行鏈路部分和匯接局逆向鏈路信號(hào)的下行鏈路部分并不呈現(xiàn)任何編碼多普勒效應(yīng)。因此，最好對(duì)多普勒與時(shí)間預(yù)校信號(hào)Sfu，從而盡管信號(hào)已從匯接局112瞬間發(fā)射，但是衛(wèi)星104仍可看得見(jiàn)由其接收的信號(hào)。這樣，把衛(wèi)星104接收信號(hào)Sfu的時(shí)間定為時(shí)刻t0。
在1996年9月30日S.Kremm提出的題為“Time and Frequency CorrectionFor Non-Geostationary Satellite Communications System”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)08/723,490中，詳細(xì)描述了信號(hào)的預(yù)校與后校。
如上所述，在時(shí)刻t-1，匯接局112在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的尋呼信道上發(fā)射消息，作為載波調(diào)制信號(hào)Sfu。該消息至少含有匯接局112作預(yù)校調(diào)節(jié)的消息傳輸時(shí)間。衛(wèi)星104在時(shí)刻t0發(fā)送載波調(diào)制信號(hào)Sfd，UT108在時(shí)刻t1接收該信號(hào)Sfd。UT108一收到信號(hào)Sfd，就立即發(fā)射作為信號(hào)Sru的載波調(diào)制應(yīng)答消息。該應(yīng)答消息含有匯接局112要用來(lái)確定往復(fù)延遲的信息。應(yīng)簽消息所含的一段主要信息是UT108所感覺(jué)的信號(hào)Sfd的接收時(shí)間。然而，匯接局112是不能直接應(yīng)用該時(shí)間信息的。按照基于UT108中本機(jī)振蕩器提供的信號(hào)的本地用戶(hù)終端時(shí)間，測(cè)量UT108處接收信號(hào)Sfd的時(shí)間。問(wèn)題在于UT108中的本機(jī)振蕩器原來(lái)就是不穩(wěn)定或可變的。即，為了降低成本和使電路簡(jiǎn)化，UT振蕩器趨于較為廉價(jià)，但這樣就會(huì)出現(xiàn)漂移或其它變化，使它們不準(zhǔn)確，在輸出信號(hào)中產(chǎn)生誤差，而任何時(shí)間測(cè)量都要以此類(lèi)信號(hào)為基礎(chǔ)。UT108中的晶體振蕩器的頻率誤差可能達(dá)10ppm數(shù)量級(jí)，這樣會(huì)在時(shí)間測(cè)量中引入明顯的誤差。
UT108在信號(hào)Sru上發(fā)射的應(yīng)答消息，在時(shí)刻t2由衛(wèi)星104接收，在時(shí)刻t3由匯接局112接收，作為信號(hào)Srd。應(yīng)答消息包含有關(guān)UT108接收匯接局112發(fā)送的發(fā)射消息的時(shí)間的信息，而該時(shí)間被UT108感覺(jué)得到。在時(shí)刻t4測(cè)量信號(hào)Srd所包含的信息之前，匯接局112等待一段時(shí)間后再開(kāi)始接收信號(hào)Srd。在消息開(kāi)始后，只要可能，盡量等候，這樣可保證更精確的測(cè)量，因?yàn)榈群驎r(shí)間越長(zhǎng)，時(shí)間跟蹤電路就鎖得越可靠。
等待開(kāi)始測(cè)量信號(hào)Srd中消息時(shí)序的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也有問(wèn)題。UT108中以在其感覺(jué)到的時(shí)間的那一刻開(kāi)始進(jìn)行發(fā)射。然而，UT108必須構(gòu)建其消息，并在消息中放入它接收到信號(hào)Sfd中的消息的時(shí)間與開(kāi)始發(fā)射對(duì)信號(hào)Srd的應(yīng)答消息的時(shí)間。放入應(yīng)答消息里的是UT108在信號(hào)Sfd上接收到其消息的時(shí)間TRX，這等于UT108在信號(hào)Sru上發(fā)射其消息的時(shí)間TTX。
UT108產(chǎn)生的應(yīng)答消息信號(hào)有一定特征。一個(gè)特征是以一定速率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘控制(clock out)。另一特征是將信息信號(hào)調(diào)制到一載頻上。兩特征均由UT108中同樣證明有固有誤差的晶體振蕩器造成。如果匯接局112能測(cè)出UT108產(chǎn)生的信號(hào)頻率且能確定該頻率應(yīng)當(dāng)是多少，而且通過(guò)測(cè)量匯接局112知道實(shí)際的頻率，則匯接局112就能根據(jù)頻率測(cè)量差值來(lái)確定UT108本機(jī)振蕩器的特性?，F(xiàn)在，知道了有關(guān)UT108本機(jī)振蕩器的信息，而該信息是用來(lái)對(duì)在信號(hào)Sru與Srd上發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘控制的，匯接局112就利用該信息確定UT108所發(fā)射的消息的實(shí)際長(zhǎng)度。于是，匯接局112能根據(jù)該信息更好地估計(jì)UT108發(fā)射的消息的實(shí)際開(kāi)頭。
本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是認(rèn)識(shí)到匯接局112可以利用它對(duì)接收自UT108的信號(hào)所作的頻率測(cè)量，并將測(cè)得的頻率與理論上的載頻相比較，以確定UT108開(kāi)始發(fā)射其消息的最佳估計(jì)實(shí)際時(shí)間。然而，這種測(cè)量本身并不提供對(duì)UT108作準(zhǔn)確定位所必需的信息。單單測(cè)量UT108發(fā)射信號(hào)的頻率還未計(jì)及衛(wèi)星104在其軌道上運(yùn)行而造成的多普勒效應(yīng)。該多普勒效應(yīng)使接收信號(hào)的頻率不同于發(fā)射信號(hào)的頻率。再者，信號(hào)Sfd、Sru與Srd都受到多普勒的影響。多普勒效應(yīng)本身也是變化的。這樣產(chǎn)生的二次效應(yīng)可以計(jì)入本發(fā)明的算法或方法步驟，或可以略而不計(jì)。
本發(fā)明的方法與系統(tǒng)執(zhí)行一組定位所需的測(cè)量。本發(fā)明補(bǔ)償了UT108內(nèi)部時(shí)鐘的定位時(shí)誤差，以便確定UT108與衛(wèi)星104之間在某一瞬間的距離。由此可對(duì)UT108進(jìn)行定位。匯接局112在時(shí)刻t4開(kāi)始測(cè)量接收自UT108的信號(hào)。然后由匯接局112測(cè)量接收自UT108的消息的長(zhǎng)度，再?gòu)臏y(cè)量時(shí)間里減去該消息長(zhǎng)度，以確定接收消息的開(kāi)始時(shí)間。這種測(cè)量提供了接收信號(hào)準(zhǔn)確的開(kāi)始/接收時(shí)間t3。根據(jù)這一信息，可以算出衛(wèi)星104與UT108之間的距離。
要作的另一種測(cè)量是匯接局112接收的信號(hào)的載頻。對(duì)多普勒作校正，可確定UT108的發(fā)射頻率。
總之，以下信息或是已知的，或是能算出或者估計(jì)出來(lái)的1.可以測(cè)量匯接局112接收信號(hào)Srd的頻率。
2.知道十分近似的匯接局112與衛(wèi)星104之間的距離。
3.已知從匯接局112到衛(wèi)星104的信號(hào)Sfd的頻率。
4.已知匯接局112與衛(wèi)星104間的多普勒效應(yīng)。
5.由上述已知或測(cè)得的信息可算出信號(hào)Sru在衛(wèi)星104處的頻率。
6.能合理地估計(jì)信號(hào)Std自衛(wèi)星104至UT108的多普勒效應(yīng)。
根據(jù)上述的已知、可測(cè)量或合理估計(jì)的信息，可以作回校而估計(jì)UT108的發(fā)射頻率。
衛(wèi)星104有一轉(zhuǎn)換器，可將正向上行鏈路頻率轉(zhuǎn)換成正向下行鏈路頻率，并把逆向上行鏈路頻率轉(zhuǎn)換成逆向下行鏈路頻率。盡管這些頻率在本示例系統(tǒng)中假定是不同的，但是它們?cè)谟行┩ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計(jì)中可能相同，以便簡(jiǎn)化傳遞過(guò)程，但該過(guò)程仍受多普勒效應(yīng)的影響。衛(wèi)星中，該轉(zhuǎn)換器不僅轉(zhuǎn)換標(biāo)稱(chēng)頻率，還轉(zhuǎn)換多普勒頻率。因而轉(zhuǎn)換的實(shí)際頻率是標(biāo)稱(chēng)頻率加多普勒頻率(fn+fd)。
本發(fā)明主要工作于這樣的環(huán)境，其中，衛(wèi)星僅起到配有頻率轉(zhuǎn)換器的“彎管”作用。試圖應(yīng)用于本發(fā)明的衛(wèi)星并無(wú)內(nèi)置成完成校正普勒效應(yīng)等任務(wù)的智能。另外，衛(wèi)星板難以在逆向上行鏈路頻率與正向下行鏈路頻率上校正多普勒效應(yīng)。這是因?yàn)樾l(wèi)星不知道用戶(hù)終端的位置。再者，衛(wèi)星與多個(gè)用戶(hù)終端同時(shí)收發(fā)信號(hào)。即使知道了用戶(hù)終端的地點(diǎn)，衛(wèi)星也無(wú)法對(duì)往返于多個(gè)用戶(hù)終端之間的每一同時(shí)發(fā)送作多普勒頻率校正。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在具有對(duì)上下行鏈路信號(hào)之一或二者作多普勒校正的智能衛(wèi)星系統(tǒng)中，在相關(guān)算法中作適當(dāng)修正是需要應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)的。
圖2是正向下行鏈路與逆向上行鏈路信號(hào)的時(shí)序圖。圖中，點(diǎn)ta代表正向下行鏈路信號(hào)的定時(shí)點(diǎn)，由UT108選擇該正向下行鏈路信號(hào)，作為UT108開(kāi)始發(fā)送要由匯接局112用來(lái)確定往返信號(hào)延遲的標(biāo)志。時(shí)標(biāo)ta由匯接局112產(chǎn)生，且匯接局112知道其在信號(hào)Sfu與Sfd內(nèi)的時(shí)間位置。衛(wèi)星104發(fā)射標(biāo)志ta作為信號(hào)Sfd的一部分，在延遲D1后被UT108接收。延遲D1是衛(wèi)星104與UT108之間距離的函數(shù)。UT108收到標(biāo)志ta后，立即經(jīng)歷內(nèi)置的小延遲Dr(不大于約200微秒數(shù)量級(jí))，以避免來(lái)自不同UT的諸信號(hào)間發(fā)生的沖突，UT108在其逆向上行鏈路信道上開(kāi)始發(fā)射應(yīng)答信號(hào)。
盡管可以使用各種訪(fǎng)問(wèn)信號(hào)，但是UT108發(fā)射的訪(fǎng)問(wèn)信號(hào)的最佳結(jié)構(gòu)包括三部分初前置部分(塊A)、主前置部分(塊B)和數(shù)據(jù)塊(塊C)。因此，每個(gè)訪(fǎng)問(wèn)消息被分成前置地址部分(圖2中的塊A與B)和數(shù)據(jù)部分(圖2中的數(shù)據(jù)塊C)。各消息前置部分的發(fā)射比數(shù)據(jù)部分的發(fā)射超前一段預(yù)定時(shí)間，從而使匯接局能夠調(diào)節(jié)其跟蹤電路，并在數(shù)據(jù)部分到來(lái)之前與接收的信號(hào)同步。1998年6月16日提交的題為“Rapid Signal Acquisition And Synchronization ForAccess Transmissions”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/098,631中，更詳細(xì)討論了這類(lèi)信號(hào)的應(yīng)用。
信號(hào)Sru在時(shí)刻tm被衛(wèi)星104接收。這就是衛(wèi)星104接收前置部分(塊A與B)結(jié)束的點(diǎn)。延遲時(shí)間段D2等于在tm時(shí)的衛(wèi)星路徑延遲，即由于UT108與衛(wèi)星104間的距離產(chǎn)生的傳輸時(shí)間延遲。包括前置塊A與B以及數(shù)據(jù)塊C的信號(hào)實(shí)際上是在匯接局112處接收的。然而，由于匯接局112在任時(shí)刻都知道衛(wèi)星104的準(zhǔn)確位置，因而匯接局電路可對(duì)逆向下行鏈路信號(hào)Srd作后校正，以確定衛(wèi)星104處接收的信號(hào)Sru的前置塊A與B何時(shí)結(jié)束。數(shù)據(jù)塊C包含有關(guān)時(shí)標(biāo)ta的信息。匯接局112還知道塊A與B的長(zhǎng)度，但不知道間隙D1或D2的長(zhǎng)度或UT108發(fā)射的信號(hào)的頻率。
此外，匯接局112必須考慮到多普勒頻率?？梢赃@樣假設(shè)，即，在自UT108至衛(wèi)星104的傳送過(guò)程中，多普勒頻率無(wú)明顯變化。
根據(jù)本發(fā)明，匯接局112在尋呼信道上發(fā)射信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)傳播延遲D1后被UT108接收。信號(hào)在匯接局112與UT108之間經(jīng)過(guò)的距離稱(chēng)為正向距離。
UT在過(guò)了預(yù)定保護(hù)周期Dr’后發(fā)射訪(fǎng)問(wèn)消息的前置部分，以避免訪(fǎng)問(wèn)信號(hào)的沖突。匯接局112在傳播延遲D2后接收該前置部分。UT 108和衛(wèi)星104之間前置部分所經(jīng)過(guò)的距離稱(chēng)為逆向距離。
當(dāng)UT108收到匯接局發(fā)射的信號(hào)時(shí)，便測(cè)量發(fā)射的匯接局信號(hào)的第一頻率，并在訪(fǎng)問(wèn)消息的數(shù)據(jù)部分里將測(cè)量值轉(zhuǎn)發(fā)回匯接局112。或者，為了減低復(fù)雜程度并簡(jiǎn)化處理過(guò)程，UT測(cè)量接收信號(hào)與內(nèi)部振蕩器頻率的相對(duì)偏差，并將測(cè)得的偏差作為數(shù)據(jù)提供給匯接局。匯接局112從數(shù)據(jù)部分中測(cè)量第二頻率。
一個(gè)目的是求出Dmeas，它是在時(shí)刻tb與tm之間測(cè)量延遲，tb是預(yù)計(jì)接收到前置部分的結(jié)束時(shí)間，而tm是在衛(wèi)星104處實(shí)際收到前置部分的結(jié)束時(shí)間。
本發(fā)明可分成四類(lèi)獨(dú)立而相關(guān)的方法。方法1精度較高，要求在UT與匯接局處進(jìn)行頻率測(cè)量，在對(duì)應(yīng)于匯接局處的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)隙開(kāi)始的瞬間得出衛(wèi)星到UT的距離。方法2是方法1的低精度近似。方法2只要求在匯接局處作頻率測(cè)量。方法3要求較高的精度，要求在UT與匯接局處作頻率測(cè)量，在匯接局處接收到前置部分結(jié)束的瞬間(tm)得出衛(wèi)星到UT的距離。方法4是方法3的低精度型式，要求只在UT處作頻率測(cè)量。下面參照如下標(biāo)引詳細(xì)討論這些方法。
ta＝在衛(wèi)星104處(如匯接局112處，作為預(yù)校結(jié)果)的尋呼信道上開(kāi)始訪(fǎng)問(wèn)探測(cè)。
tb＝ta+Dbatm＝在衛(wèi)星104處(和匯接局112處，作為后校結(jié)果)的測(cè)量。
Dba＝信號(hào)Sru前置部分的預(yù)定持續(xù)時(shí)間(如訪(fǎng)問(wèn)探測(cè)的前置塊A與B的標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度)。
Dba’＝產(chǎn)生時(shí)間UT時(shí)鐘誤差而帶有誤差的信號(hào)Sru前置預(yù)定持續(xù)時(shí)間。
Dr＝UT108收到信號(hào)Sfd與信號(hào)Sru發(fā)射開(kāi)始之間的隨機(jī)延遲(防止沖突)。
Dr’＝UT108因時(shí)鐘誤差實(shí)際產(chǎn)生的隨機(jī)延遲。
D1＝ta時(shí)衛(wèi)星-UT路徑延遲。
D2＝tm時(shí)UT-衛(wèi)星路徑延遲(衛(wèi)星—匯接局延遲為已知且經(jīng)預(yù)校)。
fF＝衛(wèi)星發(fā)送到UT的標(biāo)稱(chēng)載頻(稱(chēng)為“正向頻率”)。
fR＝UT發(fā)送到衛(wèi)星的標(biāo)稱(chēng)載頻(稱(chēng)為“逆向頻率”)。
foffset＝UT在頻率fF時(shí)的頻移。
fD＝頻率fF的多普勒頻移。
fD/fO＝歸一化多普勒頻率。
Dmeas＝在前置部分期望結(jié)束與前置部分實(shí)際接收結(jié)束之間測(cè)得的延遲。
R1＝Rsat-UT(ta)，(ta)是在匯接局112處適當(dāng)限定的時(shí)間瞬間。
R2＝Rsat-UT(tm)，(tm)是匯接局112識(shí)別接收的前置部分結(jié)束的時(shí)間，也是在匯接局112處適當(dāng)限定的時(shí)間瞬間。R·1=R·2=R·3]]>(假定臨近速度不變)。
c＝光速方法1現(xiàn)在參照?qǐng)D2，在時(shí)刻ta，衛(wèi)星104在尋呼信道上發(fā)射信號(hào)Std，在延遲周期D1后，UT108接收信號(hào)Sfd。D1也稱(chēng)為衛(wèi)星—電話(huà)路徑延遲，由下式給出D1=R1c]]>式中，R1＝衛(wèi)星104與UT108在發(fā)射信號(hào)Sfd時(shí)的距離或范圍。
UT108測(cè)量接收信號(hào)Sfd的頻率，該測(cè)量是因兩個(gè)因素造成的與實(shí)際發(fā)射頻率的偏差UT內(nèi)部時(shí)鐘的本機(jī)振蕩器誤差；以及衛(wèi)星104與UT108相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)。UT108感覺(jué)到的信號(hào)Sfd的測(cè)量頻率值被編碼成信號(hào)Sru的數(shù)據(jù)部分，并發(fā)射回匯接局112。為避免信號(hào)沖突，信號(hào)Sru以準(zhǔn)確的瞬間發(fā)射，即如上所述，在UT108的天線(xiàn)處接收的時(shí)標(biāo)ta加上短延遲Dr的時(shí)刻。
在時(shí)刻tm，匯接局接收信號(hào)Sru，它包括訪(fǎng)問(wèn)消息的前置部分與數(shù)據(jù)部分。根據(jù)包含在信號(hào)Sru里的該信息，匯接局112能確定前置部分預(yù)計(jì)到達(dá)匯接局112結(jié)束的時(shí)間(時(shí)刻td)，并且由此匯接局112可確定往返延遲(RTD)。
注意，在ta與tb間的時(shí)段內(nèi)，由于衛(wèi)星104沿軌道運(yùn)行，而UT108也在運(yùn)行，所以衛(wèi)星104與UT108都在改變其位置。結(jié)果，衛(wèi)星104與UT108的距離由R1變?yōu)镽2。
在時(shí)刻tm，衛(wèi)星104接收前置部分的結(jié)束部分。UT-衛(wèi)星路徑延遲為D2，它由關(guān)系式D2＝R2/c得出。在時(shí)刻tm，衛(wèi)星104還從信號(hào)Sru測(cè)量(fD+foffset)。
如前面所述，本發(fā)明提供了一種方法，用于在衛(wèi)星104與UT108運(yùn)動(dòng)所建立的動(dòng)態(tài)環(huán)境中確定訪(fǎng)問(wèn)信道信號(hào)的往返延遲。衛(wèi)星104與UT108的這種運(yùn)動(dòng)在信號(hào)Sfd與Sru中引入了多普勒頻率fD，它由下式給出fD=R·fFc]]>或R·=-fDcfF]]>式中， fF是衛(wèi)星104的振蕩器頻率，c為光速。
為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)R1與R2的變化率不變，即 這意味著多普勒頻率fD也不變。那么，由圖2可得出R2=R1+R·(tm-ta)----(1)]]>接著，將(tm-ta)＝(Dba’+Dr’+D1+D2)代入公式(1)，得到R2=R1+R·(D′ba+D′r+D1+D2)----(2)]]>再把-cfD/fF代入公式(2)，得到R2=R1-cfDfF(D′ba+D′r+D1+D2)----(3)]]>Dmeas=D1+D′ba+D′r+D2-Dba----(4)]]>接著將Dba’＝Dba(1-foffset/fF)與Dr’＝(t-foffset/fF)代入公式(4)，得到Dmeas=R1c+(Dba+Dr)(1-foffsetfF)+R1c-fDfF[(Dba+Dr)(1-foffsetfF)+R1c+R2c]-Dba----(5)]]>或Dmeas=R1c+(Dba+Dr)(1-foffsetfF)-Dba+R1c-fDfF]]>[(Dba-Dr)(1-foffsetfF)+R1c+R1c-fDfF[(Dba+Dr)(1-foffsetfF)+R1c+R2c]]----(6)]]>Dmeas=2R1c(1-fDfF)+(Dba+Dr)(1-foffsetfF)(1-fDfF)-Dba----(7)]]>+(fDfF)2[(Dba+Dr)(1-foffsetfF)+R1c+R2c]]]>為進(jìn)一步簡(jiǎn)化公式(7)，可作以下近似。由于本機(jī)振蕩器誤差頻率foffset與多普勒頻率fD都很小，可以忽略掉乘上foffset/fo2或乘上fo2/fo的各項(xiàng)，結(jié)果得到Dmeas=2R1c(1-fDfF)+(Dba+Dr)(1-fD+foffsetfF)----(8)]]>接著整理公式(8)，得到R1=c2(1-fDfF)[Dmeas-Dr+(Dba+Dr)(1-fD+foffsetfF)]----(9)]]>注意，在代表方法1的公式(9)中，R1作為fD、foffset、fF、Dmeas、Dr與Dba的函數(shù)而給出的。除了在匯接局112和UT108測(cè)得的fD與foffset以外，其它諸項(xiàng)均為已知。具體而言，方法1要求的是(fD+foffset)和fO。由于(fD+foffset)是在匯接局112處測(cè)量的，故很容易在匯接局112處得到。然而，fD本身卻不易在匯接局112處得到。為得到fD，UT108必須測(cè)量(fD-foffset)并向匯接局112報(bào)告測(cè)量值。于是，根據(jù)(fD+foffset)與(fD-foffset)可確定fD。
方法1的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)R1提供了精確的結(jié)果。然而，由于方法1要求有fD和(fD+foffset)二者，要求在匯接局112與UT108兩處作測(cè)量。
通過(guò)在兩物體都具有固定位置時(shí)試驗(yàn)公式(9)能否提供正確的公式，便可驗(yàn)證它的耐用性(robustness)。當(dāng)衛(wèi)星104和UT108有固定位置時(shí)，fD與foffset均為零。在此情況下，公式(9)簡(jiǎn)化成下式；R1=cDmeas-Dr2----(10)]]>這樣，當(dāng)兩個(gè)物體均有固定位置時(shí)，等式(10)提供了正確的公式。但實(shí)際上，公式(10)只用來(lái)驗(yàn)證得出公式(9)所作的各種假設(shè)，這是因?yàn)樾l(wèi)星104與UT108并沒(méi)有固定的位置。
方法2由于最大歸一化多普勒頻移(近20ppm)比歸一化偏移頻率大得多，所以在方法1中要用(fD+foffset)/fF近似fD/fF，而得到R1=c2(1-fD+foffsetfF)[Dmeas-Dr+(Dba+Dr)(1-fD+foffsetfF)]----(11)]]>注意，由公式(11)給出的方法2只要求在匯接局112處作一次測(cè)量，因而方法2無(wú)需在UT108另作測(cè)量。然而，方法2的精度比方法1低，在最壞情況中，方法2的歸一化誤差為foffset/fF。
方法3如前面所述，方法3用于解R2。方法3與方法1的差異在于將R1表示為R2的函數(shù)。根據(jù)公式(1)，有R1=R2-R·(tm-ta)=R2-R·(D′ba+Dr+D1+D2)----(12)]]>下述分析類(lèi)似于方法1中進(jìn)行的分析，得到R1=c2(1+fDfF)[Dmeas-Dr-(Dba-DrfD-foffsetfF]----(13)]]>注意，公式(13)要求(fD-foffset)和fD二者。由于(fD-foffset)是在UT處測(cè)量的，故容易在UT得到。然而，只有除了在UT處測(cè)量以外，還要匯接局作自身的測(cè)量才可得到fD。方法3的主要優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)R2提供準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，方法3要求在匯接局與UT二處作測(cè)量。
方法3的耐用性也可通過(guò)假設(shè)衛(wèi)星104與UT108都有固定位置來(lái)驗(yàn)證。當(dāng)假設(shè)衛(wèi)星104與UT108有固定位置時(shí)，可得到R2=cDmeas-Dr2----(14)]]>方法4由于最大歸一化多普勒頻移(近20ppm)比歸一化偏移頻率大得多，我們可在方法3中用(fD-foffset)/fF近似fD/fF，得到R2≈c2(1+fD-foffsetfF)[Dmeas-Dr-(Dba-DrfD+foffsetff]----(15)]]>注意，方法4只要求在UT處作一次測(cè)量，因而無(wú)需在匯接局處另作測(cè)量。在匯接局112處得到的測(cè)量頻率如下1〕UT報(bào)告的測(cè)量值2〕fmeas,UT=fF(-R·c-foffsetff)----(16)]]>式中，fF＝正向鏈路載頻(2500MHz)。3〕GW本身處進(jìn)行的測(cè)量4〕fmeas.GW=fR(-R·c+foffsetfF)----(17)]]>式中，fR＝反向鏈路載頻(1600MHz)。將公式(16)與(17)相加和相減，得出UT偏差與臨近速度R·=-c2(fmeas,GWfR+fmeas,UTfF)----(18)]]>foffsetfF=12(fmeas,GWfR-fmeas,UTfF)----(19)]]>正向頻率下的多普勒頻移與偏差頻率為fD@fF=-RcfF=12(fFfRfmeas,GW+fmeas,UT)----(20)]]>foffset@fF=-RcfF=12(fFfRfmeas,GW-fmeas,UT)----(21)]]>GW與UT測(cè)量的時(shí)差計(jì)算如下R·1≠R·2]]>fmeas,UT=fF(-R·1c-foffsetfF)----(22)]]>fmeas,GW=fR(-R·2c+foffsetfF)----(23)]]>f-D@fF=-R·1+R·22cfF=12(fFfRfmeas,GW+fmeas,UT)----(24)]]>foffset@fF=12(fFfRfmeas,GW-fmeas,UT)+fF2c(R2-R·1)----(25)]]>≈12(fFfRfmeas,GW-fmeas,UT)]]>圖3是方法1與3的流程圖?，F(xiàn)參照?qǐng)D3，在步驟404中，匯接局112在時(shí)刻ta發(fā)射信號(hào)Sfd。接著步驟408，UT108在傳播延遲D1后接收信號(hào)Sfd。在步驟412，UT108根據(jù)信號(hào)Sfd測(cè)量(fD，foffset)，并將測(cè)量值報(bào)告給匯接局。在步驟416，UT108在延遲D’r后發(fā)射信號(hào)Sru。在步驟420，匯接局112在傳播延遲D2后接收信號(hào)Sru。在步驟424，匯接局112由信號(hào)Sru測(cè)量(fD+fottset)。最后在步驟428，匯接局112根據(jù)測(cè)量值確定R1與R2。
圖4是方法2有關(guān)步驟的流程圖，圖5是方法4有關(guān)步驟的流程圖。因方法2與4中的步驟同方法1與3中的步驟極其相似，故不再單獨(dú)描述了。
本發(fā)明還考慮在UT處確定距離R1與R2及UT 108的位置。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，UT108由Dba測(cè)量(fD-foffset)。匯接局112從D’ba測(cè)量(fD-foffset)并將測(cè)量值報(bào)告給UT108。利用這兩個(gè)測(cè)量值，UT108確定R1與R2。最后，UT108用前述方法確定其自己的位置。
總而言之，本發(fā)明提出四種不同的確定R1或R2的方法。方法1與2可求出R1，方法1可高精度地求出R1，但要作兩次頻率測(cè)量。方法2只要作一次頻率測(cè)量，但精度低于方法1。方法3與4可求解R2，方法3可高精度地求出R2，但也要作兩次頻率測(cè)量。方法4只要作一次頻率測(cè)量，但精度低于方法3。
本發(fā)明還提供了一種確定衛(wèi)星與UT之間臨近速度的方法(公式8)。信息RTD與臨近速度是以用來(lái)確定UT在地球表面上的位置的。
雖然以上描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，這僅是示例，不作為本發(fā)明的限制。因此，本發(fā)明的范圍不受上述諸示例實(shí)施例的限制，僅由下述權(quán)利要求書(shū)來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種確定在相互相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的方法，其特征在于，它包括下述步驟將第一信號(hào)從所述第一物體發(fā)送到所述第二物體；在傳播延遲D1后，在所述第二物體處接收所述第一信號(hào)，所述延遲D1是所述第一信號(hào)從所述第一物體到達(dá)所述第二物體所用的時(shí)間；在所述第二物體處，測(cè)量所述第一信號(hào)的第一頻率；包含測(cè)得第一頻率報(bào)告的第二信號(hào)從所述第二物體發(fā)送到所述第一物體；在傳播延遲D2后，在所述第一物體處接收所述第二信號(hào)，其中，D2是所述第二信號(hào)從所述第二物體到達(dá)所述第一物體所用的時(shí)間；在所述第一物體處，測(cè)量所述第二信號(hào)的第二頻率；以及在所述第一物體，根據(jù)所述第一頻率與第二頻率，確定所述往返延遲。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)軌道衛(wèi)星，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)匯接局，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一頻率是(fDfoffset)，這里，fD是在所述第一物體與第二物體之間發(fā)射的第一信號(hào)的多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二頻率是(fo+foffset)，這里，fD是在所述第二物體與第一物體之間發(fā)射的第二信號(hào)的多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
6.一種確定在相互相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的方法，其特征在于，它包括下述步驟從所述第一物體發(fā)射第一信號(hào)；在傳播延遲D1后，在所述第二物體處接收所述第一信號(hào)；在收到所述第一信號(hào)后，將第二信號(hào)從所述第二物體發(fā)送到所述第一物體；在傳播延遲D2后，在所述第一物體處接收所述第二信號(hào)；在所述第一物體處，測(cè)量所述第二信號(hào)的頻率；以及在所述第一物體處，根據(jù)所述頻率確定所述往返延遲，所述往返延遲是所述第一信號(hào)從所述第一物體傳播到所述第二物體期間所經(jīng)歷的延遲的函數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述測(cè)得的頻率是(fD+foffset)，這里，fD是第二信號(hào)的多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)軌道衛(wèi)星，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)匯接局，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
10.一種確定在相互間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的方法，其特征在于，它包括下述步驟從所述第一物體發(fā)射第一信號(hào)；在傳播延遲D1后，在所述第二物體處接收所述第一信號(hào)；在所述第二物體處，測(cè)量所述第一信號(hào)的頻率；將包含測(cè)得的第一信號(hào)頻率報(bào)告的第二信號(hào)從所述第二物體發(fā)送到所述第一物體；在傳播延遲D2后，在所述第一物體處接收所述第二信號(hào)；以及在所述第一物體處，根據(jù)所述第一信號(hào)頻率確定所述往返延遲，所述往返遲是所述第二信號(hào)從所述第二物體傳播到所述第一物體期間所經(jīng)歷的延遲的函數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述頻率是(fD-foffset)，這里，fD是第一信號(hào)的多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)軌道衛(wèi)星，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)的用戶(hù)終端(UT)。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)匯接局，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
14.一種確定在相互間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的方法，其特征在于，它包含從所述第一物體發(fā)射第一信號(hào)的裝置；在傳播延遲D1后，在所述第二物體處，接收所述第一信號(hào)的裝置，所述延遲D1是所述第一信號(hào)從所述第一物體達(dá)到所述第二物體所用的時(shí)間；在所述第二物體處，測(cè)量所述第一信號(hào)的第一頻率的裝置；從所述第二物體向所述第一物體發(fā)射包含測(cè)得的第一信號(hào)頻率報(bào)告的第二信號(hào)；在傳播延遲D2后，在所述第一物體處接收所述第二信號(hào)的裝置，其中，D2是所述第二信號(hào)從所述第二物體達(dá)到所述第一物體所用的時(shí)間；在所述第一物體處確定所述第二信號(hào)的頻率的裝置；以及在所述第一物體處，根據(jù)所述第一頻率與第二頻率，確定所述往返延遲的裝置，所述往返延遲是所述第一信號(hào)從所述第一物體傳播到所述第二物體期間所經(jīng)歷的延遲的函數(shù)。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一頻率是(fD-foffset)，這里，fD是第一信號(hào)的多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二頻率是(fD-foffset)，這里，fD是多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
17.如權(quán)利要求1所述4的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)軌道衛(wèi)星，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
18.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)匯接局，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
19.一種確定相互間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的方法，其特征在于，它包含從所述第一物體發(fā)射第一信號(hào)的裝置；在傳播延遲D1后，在所述第二物體處接收所述第一信號(hào)的裝置；在所述第二物體處測(cè)量所述第一信號(hào)的第一頻率的裝置；以及從所述第二物體向所述第一物體發(fā)射含有所述測(cè)得的第一頻率的報(bào)告的第二信號(hào)的裝置；在傳播延遲D2后，在所述第一物體處，接收所述第二信號(hào)的裝置；在所述第一物體處測(cè)量所述第二信號(hào)的第二頻率的裝置；以及在所述第一物體處，根據(jù)所述第一頻率與第二頻率，確定所述往返延遲的裝置，這里，所述往返延遲是所述第二信號(hào)從所述第二物體傳播到所述第一物體期間所經(jīng)歷的延遲的函數(shù)。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一頻率是(fD-foffset)，這里，fD是第一信號(hào)的多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二頻率是(fD+foffset)，這里，fD是所述第二信號(hào)的多普勒頻率，foffset是第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
22.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)軌道衛(wèi)星，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
23.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)匯接局，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
24.一種確定相互間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的方法，其特征在于，它包含從所述第一物體發(fā)射第一信號(hào)的裝置；在傳播延遲D1后，在所述第二物體處，接收所述第一信號(hào)的裝置；在所述第二物體收到所述第一信號(hào)后，將第二信號(hào)從所述第二物體發(fā)送到所述第一物體的裝置；經(jīng)傳播延遲D2后，在所述第一物體處接收所述第二信號(hào)的裝置；在所述第一物體處，測(cè)量所述第二信號(hào)的頻率的裝置；在所述第一物體處，根據(jù)所述第一頻率與第二頻率來(lái)確定所述往返延遲的裝置，所述往返延遲是所述第一信號(hào)從所述第一物體傳播到所述第二物體期間所經(jīng)歷的延遲的函數(shù)。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率是(fD+foffset)，這里fD是所述第二信號(hào)的多普勒頻率，foffset是所述第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
26.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)軌道衛(wèi)星，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)的用戶(hù)終端(UT)。
27.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)匯接局，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
28.一種確定在相互間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一物體與第二物體之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的方法，其特征在于，它包含從所述第一物體發(fā)射第一信號(hào)的裝置；在傳播延遲D1后，在所述第二物體處接收所述第一信號(hào)的裝置；將含有測(cè)得的第一信號(hào)頻率的報(bào)告的第二信號(hào)從所述第二物體發(fā)送到所述第一物體的裝置；在傳播延遲D2后，在所述第一物體處接收所述第二信號(hào)的裝置；以及在所述第一物體處，根據(jù)所述測(cè)得的第一信號(hào)頻率確定所述往返延遲的裝置，所述往返遲是所述第二信號(hào)從所述第二物體傳播到所述第一物體期間所經(jīng)歷的延遲的函數(shù)。
29.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率是(fD-foffset)，這里fD是多普勒頻率，foffset是所述第二物體的本機(jī)振蕩器誤差頻率。
30.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)軌道衛(wèi)星，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
31.如權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)匯接局，所述第二物體是無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統(tǒng)用戶(hù)終端(UT)。
全文摘要
一種確定在相互間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一與第二物體(如衛(wèi)星(104)與移動(dòng)電話(huà)(108))之間發(fā)射的信號(hào)的往返延遲的系統(tǒng)與方法。第一信號(hào)由第一物體(104,108)發(fā)射到第二物體(108,104)。經(jīng)傳播延遲D
文檔編號(hào)H04B7/15GK1354923SQ00805898
公開(kāi)日2002年6月19日 申請(qǐng)日期2000年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月31日
發(fā)明者D·S·米勒, N·萊瓦農(nóng), A·阿格拉瓦 申請(qǐng)人:高通股份有限公司