JP2008032709A - 低高度地球軌道衛星２機を用いた受動的位置決定 - Google Patents

Abstract

【課題】低高度地球軌道衛星２機を用いた受動的位置決定法を提供する。
【解決手段】ユーザー端末と、既知の位置と既知の速度とを有する少なくとも二つの衛星と、衛星を介してユーザー端末と通信するためのゲートウェイ（すなわち地上基地局）とを含む。方法は、範囲差パラメタと範囲レート差パラメタとを決定する工程を含む。範囲差パラメタは（１）衛星のうち最初のものとユーザー端末との間の距離と（２）衛星のうち２番目のものとユーザー端末との間の距離との差を表す。範囲レート差パラメタは、（ａ）衛星のうち最初のものとユーザー端末との間の相対半径方向速度と（ｂ）衛星のうち２番目のものとユーザー端末との間の相対半径方向速度との差を表す。地球表面上でのユーザー端末の位置を衛星の既知位置と既知速度と、範囲差パラメタと、範囲レート差パラメタに基づいて決定する。
【選択図】図８

Description

この発明は、一般的には衛星を用いた物体位置決定に関する。特に、この発明は、通信信号の特性を利用した衛星通信システムにおけるユーザー端末の位置を決定する方法に関する。

典型的な衛星に基く通信システムは、少なくとも一つの地上基地局(以下、ゲートウェイと言う)と、少なくとも一つのユーザー端末(例えば、移動電話)と、ゲートウェイとユーザー端末との間で通信信号を中継するための少なくとも一つの衛星とを具備する。ゲートウェイはユーザー端末から或いは他のユーザー端末へのリンクを果たす。

様々な多元接続通信システムが、多数のシステム・ユーザー間で情報を転送するために開発されている。これらの技術は、時間分割多元接続(ＴＤＭＡ)、周波数分割多元接続(ＦＤＭＡ)，および符号分割多元接続(ＣＤＭＡ)スペクトル拡散技術を含む。これらの基本内容は当該分野においてよく知られている。多元接続通信システムにおけるＣＤＭＡ技術の使用は、１９９０年２月１３日発行の、「衛星または地上中継器を使用するスペクトル拡散多元接続システム」と題する米国特許第４、９０１、３０７、および１９９５年１月４日提出の、「個別受信位・相時間とエネルギーをトラッキングするためのスペクトル拡張通信システムにおいて全スペクトル送信電力を用いる方法と装置」と題する米国特出願第０８/３６８、５７０に開示されている。これら特許、特許出願は共に本発明の譲受人に譲渡され、ここに参照として組み込まれている。

上述の特許書類は、多数の一般の移動型あるいは遠隔のシステムの利用者が、公共電話交換網のような他の接続システムのシステムユーザー或いは他のシステムユーザーと通信を図るためにユーザー端末を用いる多元接続通信システムを開示している。ユーザー端末はＣＤＭＡスペクトル拡張型通信信号を使ったゲートウェイと衛星を介して通信を交わす。

通信衛星はビームを生成し、該ビームは、衛星通信信号を地表上に投射して得られる「スポット」を照射する。スポット用の典型的な衛星ビームパターンは、所定カバレージパターン中に配置された多数のビームを備える。典型的には、各ビームは、共通の地理区域を網羅する、いわゆるサブ・ビーム(ＣＤＭＡチャンネルとも呼ばれる)を多数備える。サブ・ビームは各々，異なる周波数帯域を占める。

典型的なスペクトル拡散通信システムにおいては、予め選択した擬似ランダムノイズ(ＰＮ)符号列の組を用いて、通信信号として送信するための搬送信号上で変調する前に、所定のスペクトル帯域に渡り情報信号を変調(すなわち、拡散)する。ＰＮ拡散は、当該分野でよく知られているスペクトル拡散、データ信号の帯域よりもはるかに大きな帯域を持つ送信信号を生成する。順方向通信リンク(すなわち、ゲートウェイで始まり、ユーザー端末で終わる通信リンク)では、ＰＮ拡散符号または２進符号列を用いて、ゲートウェイにより異なるビームに渡って送信された信号を判別し、多重通路信号を判別する。これらのＰＮ符号は、典型的には所定サブ・ビーム内の全ての通信信号により共用される。

典型的なＣＤＭＡスペクトル拡散システムにおいては、チャネライジング(ｃｈａｎｎｅｌｉｚｉｎｇ)符号を用いて、順方向リンク上の衛星ビーム内で送信された特定のユーザー端末用の信号を判別する。つまり、特異な「チャンネライジング」直交符号を用いることにより、順方向リンク上の各ユーザー端末用に特異な直交チャンネルを設ける。一般的にウォルシュ関数を使って、チャンネライジング符号を提供しており、この符号の典型的な長さは、地上システム用には６４符号チップのオーダーであり、衛星システム用には１２８符号チップのオーダーである。

米国特許第４、９０１、３０７号に開示のような典型的ＣＤＭＡスペクトル拡散通信システムは、順方向リンクのユーザー端末通信用のコヒーレントな(ｃｏｈｅｒｅｎｔ)変調と復調の使用を意図している。このやり方を用いる通信システムでは、「パイロット搬送信号(以下、パイロット信号と言う)」を、順方向リンク用のコヒーレントな位相(ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｐｈａｓｅ)基準として使用する。つまり、典型的にはデータ変調を何も含まないパイロット信号をゲートウェイによりカバレージ中を送信する。単一のパイロット信号は、典型的には使用される周波数毎に用いる各ビーム用に各ゲートウェイにより送信される。これらのパイロット信号は、ゲートウェイから信号を受信する全てのユーザー端末に共用される。

パイロット信号はユーザー端末で使用され、初期のシステム同期を果たし、ゲートウェイにより送信された他の信号のタイミングと、周波数と、位相のトラッキングを行なう。パイロット信号搬送波をトラッキングして得た位相情報を、他のシステム信号やトラフィック信号のコヒーレントな復調用の搬送波位相基準として使用する。この技術は、多くのトラフィック信号が位相基準として共通のパイロット信号を共用することを可能にし、より低コストで、より効率の高いトラッキング機構を提供する。

ユーザー端末が通信セッション(ｓｅｓｓｉｏｎ)に関わってない時(すなわち、ユーザー端末はトラフィック信号を受信も送信もしていない時)は、ゲートウェイは、ペイジング(ｐａｇｉｎｇ)信号として知られている信号を使っている特定ユーザー端末へ情報を送ることができる。例えば、ある移動電話が呼び出しを受けた時、ゲートウェイはこの移動電話にペイジング信号により警告を与える。ペイジング信号を更に用いて、トラフィックチャンネルを割り付け、接続チャンネルを割り付け、システム・オーバーヘッド(overhead)情報を分配する。

ユーザー端末は、接続信号または接続プローブ(probe)を逆方向リンク(すなわち、ユーザー端末に始まりゲートウェイで終わる通信リンク)を介して送ることにより、ペイジング信号に応答する。この接続は、ユーザー端末が呼び出しをかける時にも用いられる。

ユーザー端末で通信が必要になると、通信システムがユーザー端末の位置を決定せねばならぬ場合がある。ユーザー端末位置情報の必要性は、いくつかの考慮事項から発する。ひとつの考慮事項は、通信リンクを提供するためにシステムが適切なゲートウェイを選択すべきである点である。この考慮事項の一面は、適切なサービス・プロバイダー(例えば、電話会社)への通信リンクの割り当てである。サービス・プロバイダーは、典型的には特定の地理学的地域を割り当てられており、その地域のユーザーとの呼び出しを全て取り扱っている。ある特定のユーザー端末との通信を要する時、通信システムは、そのユーザー端末がある地域に存在するサービス・プロバイダーに該呼び出しを振り付けることができる。適切な地域を決定するために、通信システムは、このユーザー端末の位置を必要とする。同様な考慮事項が、行政上の区画境界や契約上のサービス種類に従ってサービス・プロバイダーに呼び出しを振り分ける必要がある場合に成り立つ。

衛星通信システム側で、ある特定のユーザー端末の位置を知ろうとすると、調査範囲がそのユーザー端末の最終的に既知位置から始まるため制限される。ユーザー端末の最終的に既知位置に関する情報の正確さを向上させることにより調査をより効率よく達成できる。一つの方法としては、通信信号をユーザー端末と双方向交換することを通して、またはユーザー端末に「ビーコン(beacon)」信号を発信させてユーザー端末位置を定期的に決定することである。ユーザー端末は信号を発信する必要があるので、この方法は「能動的(active)」位置決定として知られている。また、位置決定システムがいくつか知られている。

従来からあるアプローチの一つに、アメリカ合衆国の海軍のトランジット(TRANSIT)システムに用いられているものがある。このシステムにおいては、ユーザー端末は地球低軌道(LEO)衛星によって放送された信号を継続的にドップラー測定する。この測定は数分間続く。システムは、通常、衛星の２つの位相を必要とし、100分以上の待ち時間を要する。

別の従来のアプローチに、ARGOSとSARSAT（探索および救済衛星(Search and Rescue Satellite)システムにより用いられているものがある。このアプローチにおいては、ユーザー端末は間欠的なビーコン信号(beacon signal)を衛星の受信機に向けて送信し、この受信機が信号の周波数測定を行う。ユーザー端末からビーコン信号を４以上受信した場合は、衛星は、通常、ユーザー端末の位置を知ることができる。ビーコン信号は間欠的であるので、トランジット(TRANSIT)システムで行われているような拡張されたドップラー測定を利用することはできない。このアプローチにおける第一の欠点はユーザー端末がビーコン信号を発しなければならない点である。

更に別の従来のアプローチに、グローバル・ポジショニング・システム(GPS)で用いられているものがある。このアプローチにおいては、衛星の天文歴を含んだタイムスタンプ(time stamp)された信号を個々の衛星が送信する。ユーザー端末は、GPS信号を受信した際に、自身のクロックに対する送信遅延を測定し、送信側衛星位置に対する疑似(pseudo)範囲を決定する。GPSシステムは２次元的な位置決めをするのに３つの衛星を必要とし、３次元的な位置決めをするためにはさらにもう一つの衛星が必要とする。このGPSアプローチにおける第一の欠点は、位置決定のために少なくとも３つの衛星を必要とする点である。

上述したすべてのアプローチにあてはまる欠点の一つは、これらのアプローチを利用するために、ユーザー端末において通信信号を処理するのに必要な送信機もしくは受信機に加え、それとは別体の送信機もしくは受信機を必要とする点である。

別の従来のアプローチに、共有されている米国特許第5,126,748号（特許発行日：1992年6月30日；タイトル：「デュアル衛星ナビゲーション・システムとその方法」）に開示されているものがある。このアプローチは、三辺測量法を利用してユーザー端末の位置を能動的に決定するのに２つの衛星を用いる。この方法で得られた解決法は有用とはいえ、曖昧な点があり、可能性のある位置として２つの位置を提示する。この曖昧な点を解決するには更に情報を必要とする。

能動的位置の決定方法は、歳入(revenue)を発生しない態様で通信帯域幅を消費する。更に、ユーザー端末は規則的に送信することが要求される。この事は、モバイル端末もしくはハンドヘルド(hand-held)ユーザー端末において、（電池のような）電源を著しく消費することになる。

従って、ユーザー端末において自身の位置を受動的に決定できる、衛星を利用した位置決定システムが必要とされ望まれている。

［発明の概要］
本発明は低軌道衛星通信システムのような衛星通信システムにおけるユーザー端末（例えば移動電話）の位置を受動的かつ明確に決定するためのシステム及び方法である。本発明の位置決定はユーザー端末からは送信する必要がないので“受動的”と呼ばれている。このシステムはユーザー端末と、既知の位置と既知の速度を持つ少なくとも二つの衛星と、これらの衛星を通してユーザー端末と通信するためのゲートウェイ（すなわち地上基地局）とを含む。各々の衛星は（天体位置表(ephemeris)または天体暦(ephemerides)として知られている）その位置に関する情報を提供する。この方法はユーザー端末と衛星との間の空間及び時間の関係を示すパラメータを決定するステップと、このパラメータと衛星の既知の位置と速度とを用いてユーザー端末の位置を解明するステップとを含む。

二つのパラメータすなわちレンジの差とレンジーレート(range-rate)の差が使用される。レンジの差のパラメータは（１）ユーザー端末と第一の衛星との間の距離と、（２）ユーザー端末と第二の衛星との間の距離と、の差を表す。レンジーレートの差のパラメータは（１）ユーザー端末と第一の衛星との間の相対的な半径方向速度と、（２）ユーザー端末と第二の衛星との間の相対的な半径方向速度と、の差を表す。

本発明の好適な実施例においては、使用パラメータと衛星の既知の位置と既知の速度とに基づいてユーザー端末の位置を解明するために反復重みづけガウス・ニュートン最小二乗方法(iterative weight Gauss-Newton least-squares method)が用いられる。

本発明の特徴は“距離に基づく登録(distance-based registration)”と呼ばれる方法の一部として使用されることである。この方法によれば、上記のようにユーザー端末はその位置を一定間隔で受動的に決定する。ユーザー端末が、その位置が能動的に決定された前回の位置から実質的に変化していると判断した時、それはゲートウェイに「登録する」。これに対して、ゲートウェイは能動的にユーザー端末の新しい位置を決定する。この様にして、衛星通信システムはユーザー端末に不要な送信を要求することなくユーザー端末のタイムリーかつ正確な位置情報を維持する。

本発明の一つの効果は、ユーザー端末が、ＬＥＯ衛星のような衛星を二つだけ用いてその位置を受動的に決定することができることである。

本発明の他の効果は、ユーザー端末がその位置の変化を衛星通信システムにいつ知らせるかを決定することができることである。

［発明の詳細な説明］
本発明の特徴と効果は図面を参照して以下に述べられた詳細な説明からより明らかになるであろう。図面における同一の参照符号は同一の要素もしくは機能的に類似の要素を示す。さらに、参照符号の一番左の数字はその参照符号が一番最初に表れた図面を示す。

Ｉ 導入
本発明は少なくとも二つの低軌道衛星（ＬＥＯ）を使用した衛星通信システムにおいてユーザー端末の位置を受動的に決定するためのシステム及び方法である。当業者には明らかなように、衛星とユーザー端末との間の相対的な動きが下記のレンジーレート測定を容易にするのに十分であるなら、本発明の概念を衛星が非ＬＥＯ軌道で移動する衛星システムに適用してもよい。

本発明の好適な実施例は下に詳細に述べられている。具体的なステップや構成や配置が述べられているが、これは例示的な目的だけでなされていることを理解すべきである。当業者なら、他のステップや構成や配置が本発明の範囲と考えから逸脱しない範囲で使用されるうることを認めるであろう。

本発明は５つのパートに分けて説明される。１番目は典型的な衛星通信システムが説明される。 ２番目はこのシステムの位置決め方法に使用されるパラメータが説明される。３番目は位置決め方法が物理的表現で説明される。４番目は位置決め方法の実行が説明される。最後に、“距離に基づく登録”の特徴が説明される。

II. 代表的な衛星通信システム
図1は、典型的衛星通信システム100を示す。衛星通信システム１００は、ゲートウエイ102、衛星104Aと104B、およびユーザー端末106具備する。ユーザー端末106は、通常3つの型：固定されたユーザー端末106A、これは典型的には永久構造中に載置されている；移動ユーザー端末106B、これは典型的にはビークル(vehicles)中に載置されている；ポータブル・ユーザー端末106C、これは典型的には手持ちである、からなる。ゲートウエイ102は、衛星104Aと104Bを通じてユーザー端末１０６と通信する。

ユーザー端末106に使用される例示的トランシーバー200が、図2に示される。トランシーバー200は、アナログ受信機214に転送される通信信号を受信するために少なくとも一つのアンテナ210を使用し、該アナログ受信機中で、該通信信号は、ダウンコンバートされ、増幅され、そしてデジタル化される。デュプレクサ要素212が通常使用され、同じアンテナで送信受信作用の両方を行なわせる。しかしながら、幾つかのシステムでは、異なる周波数で操作を行なうために別々のアンテナを採用している。

アナログ受信機214によるデジタル通信信号の出力は、少なくとも一つのデジタルデータ受信機216Aおよび少なくとも一つのデジタル・サーチ・受信機218に転送される。追加のデジタル・データ・受信機216B−216Nは、当該関連技術の熟練者にとって自明のように、許容レベルのユニットの複雑性に応じた所望レベルの信号のダイバーシテーが得られるように「熊手」（rake）形状で使用され得る。このような方法で形作られた受信機は、「レーク受信機」と呼ばれ、各デジタル・データ・受信機216は、「フィンガー(finger)」と呼ばれる。

該レーク・受信機のフィンガーは、信号のダイバーシテーに使用されるばかりでなく、マルチ(multiple)衛星からの信号を受信するためにも使用される。それゆえ、本願の二つの衛星位置決定技術を履行するユーザー端末については、少なくとも二つのデジタル・データ・受信機216A-216Nが使用され二つの衛星からの信号を受信する。加えて、高速信号獲得のために、一つまたはもう一つのサーチ・レシーバー218が使用してもよいし、または一つ以上を本作業のために時間的に共用して使用することができる。

少なくとも一つのユーザー端末・コントロール・プロセッサー220は、デジタル・データ・受信機216A−216Nおよびサーチ・受信機218と電気的に導通している。コントロール・プロセッサー220は、他の機能中でも、基本的信号プロセッシング、タイミング、電力、およびハンドオフコントロール、または信号搬送波に使用される周波数の調整(coordination)および選択(selection)を提供する。コントロールプロセッサー220でしばしば行われるもう一つの基本的コントロール機能は、通信信号波形をプロセッシングするために使用される直交関数またはＰＮ符号配列を選択または操作することである。プロセッシングするコントロールプロセッサー220信号は、本願で採用されたパラメターの決定を含み得る。関連タイミングおよび周波数といった信号パラメターのこのような計算には、測定における有効性またはスピードの増加、または、コントロールプロセッシング資源の改良された配分を提供するために追加のまたは別の専用回路を使用することも含めることができる。

デジタル・データ・受信機216A−216Nの出力は、ユーザー端末内でユーザー・デジタル・ベースバンド回路構成222と電気的に導通している。ユーザー・デジタル・ベースバンド回路構成222は、情報をユーザー端末の使用者に転送および使用者から転送するために使用されるプロセッシングおよびプレゼンテーション・要素を具備する。即ち、一時的または長期のデジタルメモリーといった、信号またはデータ記憶要素；表示スクリーン、スピーカー、キーパッド端末、およびハンドセットといった入出力装置；Ａ／Ｄ要素、ボコーダおよび他の音声およびアナログ信号プロセッシング要素等、当該分野によく知られた要素を使用しているユーザーのベースバンド回路構成のすべての形成部分である。もしダイバーシテー信号プロセッシングを採用したならば、ユーザー・デジタル・バンド回路構成222は、ダイバージテイ・コンバイナーおよびデコーダーを具備してもよい。これらの要素の幾つかは、コントロールプロセッサー220の制御下または通信して作動してもよい。

音声または他のデータが、ユーザー端末を起原とする通信信号または出力メッセージとして準備されると、ユーザー・デジタル・ベースバンド回路構成222が受信、記憶、プロセッシング、およびその他、送信に所望されるデータを準備するために使用される。ユーザー・デジタル・ベースバンド回路構成222は、このデータをコントロールプロセッサー220の制御下で作動する送信モデュレータ226に提供する。送信モデュレータ226の出力は、電力コントローラー228に転送され、該電力コントローラー228は、アンテナ210からゲートウエイへの出力信号を最終的に送信するために、送信電力増幅器230に対する出力電力制御を行う。

トランシーバ200は、また一つ以上の事前修正(pre-correction)要素または事前修正器232および234を採用することもできる。これら事前修正器の作動は、「非静止衛星システムのための時間および周波数の事前修正」という名称の、引用によってここに取り入れられている（譲渡される）出願番号（弁理士事件番号PA338）を持つ同時係属共通所有出願に開示されている。好ましくは、事前修正は、デジタル・パワー・コントローラ228の出力の際、ベーズバンド周波数で起こる。周波数調整を含めた該ベースバンド・スペクトラル情報は、送信パワー増幅器230で行われるアップコンバージョン中に適切な中央周波数に変換される。事前修正または周波数調整は当該技術に既知の技法を用いてなされる。例えば、事前修正は、複素信号回転(complex signal rotation)によって実行され得、該複素信号回転は、信号をファクターｅ^ｊωｔを掛け算することと同等である。ここで、ωは、既知の衛星天体暦および所望のチャンネル周波数をもとに計算される。これは、通信信号が同相（Ｉ）および直交相(Q)チャンネルとしてプロセスされる場合に大変有効である。ダイレクトデジタル合成(direct digital synthesis)装置が幾つかの回転乗積を生成するために使用され得る。一方、2進シフト(shifts)、加算および引き算を採用する座標回転デジタル計算(coordinate rotation digital computation)要素を使用して、一連の不連続回転を行い、その結果所望の全体回転を得てもよい。このような技法および関連のハードウエアは、当該技術でよく知られている。

一方、事前修正要素234は、送信パワー増幅器230の出力上の送信通路に配置され得、出力する信号の周波数を調整する。これは、送信波形のアップまたはダウンコンバージョンといった既知の技法を使用して達成され得る。しかしながら、アナログ送信機の出力についての周波数を変えることはもっと困難である可能性がある。というのは、波形を形作るために使用される一連のフィルターがしばしばあるからであり、この連結部での変化は、フィルタープロセスを妨害するかもしれない。一方、事前修正要素234は、適切に調整された周波数を使用してデジタル信号を所望の送信周波数に一段階で変換するように、ユーザー端末のアナログ・アップコンバージョンおよび変調ステージ(230)に対する周波数選択または制御メカイズムの一部を形成し得る。

一つ又はそれ以上の共有されたリソース信号、あるいは受信した通信信号の一つまたはそれ以上の測定された信号パラメータに対応する情報またはデータは、当該分野で既知の多様な方法でゲートウエイへと送られる。例えば、情報は分離された情報信号として転送されるか、ユーザー・デジタル・ベースバンド回路構成222により用意された他のメッセージに添付されることができる。あるいは、このような情報は、制御プロセッサ220の制御を受けて、送信変調器226や送信パワーコントローラ228により所定の制御ビットとして挿入することもできる。

デジタルデータ受信機216A-Nおよびサーチャー受信機218は、復調のための信号相関要素とトラック固有信号(track specific signals)とで構成されている。サーチャー受信機218は、パイロット信号や他の比較的固定されたパターン強度信号のサーチに用いられ、データ受信機216A-Nは、パイロット信号のトラッキングや、検出されたパイロット信号に関係する他の信号の復調に用いられる。したがって、これらのユニットからの出力は本願発明のパラメータを算出するのに用いられる情報を提供するために監視される。受信された通信信号あるいは共有のリソース信号についてユーザー端末106が行う測定に関する情報は、従来技術による多様な方法を用いてゲートウエイに送られることができる。例えば、該情報は分離したデータ信号として転送したり、ユーザー・デジタル・ベースバンド回路構成222によって用意された他のメッセージに添付したりすることができる。データ受信機216（A-N）も、監視されて、信号が復調されるプロセッサ220を制御するための現在の周波数およびタイミング情報を与えるために周波数トラッキング要素を用いる。これについては以下に図４および５を参照して述べる。

制御プロセッサ220は、このような情報を用いてローカル発振器の周波数に基づき、同一周波数バンドで測った場合に、受信信号が適当であると予想される周波数からどれくらいオフセットされているかを決定する。これおよび周波数オフセット、誤差、ドップラーシフトに関する他の情報は、必要であれば一つまたは複数の誤差・ドップラー保存またはメモリ要素236に保存しておいてもよい。この情報は、その動作周波数を調整するために制御プロセッサー２２０により使用されることができ、或いは種々の通信信号を使用してゲートウエイに転送されることができる。

少なくとも一つの時間基準要素238は、衛星の位置決定を支援する日付および時間等の時間的(chronological)情報の生成及び保存に用いられる。時間は定期的に保存され更新される。この時間についてはゲートウエイから定期的に供給することもできる。さらに、現在の時間は、ユーザー端末が「オフ」にされるなどの非アクティブ状態に入る毎に保存される。この時間に関する値は「オン」時間と関連して用いられ、時間に依存する各種の信号パラメータおよびユーザー端末の位置変化を決定する。

さらに、保存もしくはメモリ要素240および242を用いて、以下に詳しく述べるパラメータに関する特定の情報を保存してもよい。例えば、メモリ要素240は、２つの到着信号間の相対的な周波数オフセットの差異等、レンジーレート・パラメータに関連してなされたユーザー端末の測定値を保存しておくことができる。メモリ要素242は、２つの信号の到着時間差等、レンジ相違パラメータに関連したユーザー端末の測定値を保存することができる。このようなメモリ要素は、当該分野でよく知られている構成および回路構成を用い、独立した、または個別の要素であってもよいし、あるいはこの情報が後に検出できるよう制御された方法で保存される、より大きな統合された構成であってもよい。

図２に示されるように、ローカルまたは基準発振器250は、アナログ受信機214が入力信号をダウンコンバートして所望の周波数のベースバンドにするための基準として使われる。また、必要であれば、信号が所望のベースバンド周波数に達するまで、複数の中間変換段階において使用することもできる。図にあるように、発振器250は、逆方向リンク送信においてベースバンドから所望の搬送波周波数へのアップコンバートのためにアナログ送信機230の基準としても使われ、さらにはタイミング回路252の周波数標準もしくは基準としても使われる。タイミング回路252は、時間トラッキング回路、デジタル受信機216A-Nおよび218の相関機器、送信変調器226、時間基準要素238、制御プロセッサ220といったユーザー端末200内の他の段あるいは処理要素のためのタイミング信号を生成する。タイミング回路252は、プロセッサの制御の下で、タイミングもしくはクロック信号の相対的タイミングに対して遅れや進みを生じることができるよう構成されることもできる。すなわち、時間トラッキングは所定量調整されるのである。これは、符号の適用を、該符号を発生するＰＮ符号或いはチップが、必要であれば、異なるタイミングで適用されるように、典型的に一つ以上のチップ期間分、「ノーマル」なタイミングから進め或いは遅れせることも可能とする。

ゲートウエイ102において使用される例示的な送受信機300が、図3に示されている。図3のゲートウエイの部分は１つまたは複数のアナログ受信機314を具備しており、これは通信信号を受信するためのアンテナ310に接続されている。この信号はその後、当該分野で良く知られている多様な方法を用いてダウンコンバートされ、増幅され、デジタル化される。ある通信方式では多重(multiple)アンテナ310が使われる。アナログ受信機314から出力されたデジタル信号は、324に点線で示された少なくとも1つのデジタル受信機モジュールに入力される。

各デジタル受信機モジュール324は、ゲートウエイ102と一つのユーザー端末との間の通信を管理するのに用いられる信号処理要素に対応しているが、ある変形に関しては当該分野において知られている。１つのアナログ受信機314が、多数のデジタル受信機モジュール324に対して入力を供給し、多くのそのようなモジュールは典型的にゲートウエイ１０２で使用されて、任意の時間において処理されるすべての衛星ビームおよび生成されうるダイバシティモード信号に適応する。各デジタル受信機モジュール324は１つまたは複数のデジタルデータ受信機316とサーチャ受信機318とを具備している。サーチャ受信機318は、一般にパイロット信号以外の信号の適当なダイバシティモードをサーチし、幾つかのサーチャはサーチ速度を上げるために並列して使われる。通信システムにおいて使われる場合は、多重デジタルデータ受信機316A-316Nがダイバシティ信号の受信に用いられる。

複数のデジタルデータ受信機３１６の出力は、当該技術においてよく知られていて、ここではさらに詳しくは説明されない装置を含んでいる複数の次のベースバンド処理要素３２２に供給される。例示的なベースバンド装置は、複数の多重通路信号をそれぞれのユーザーのための一つの出力に結合するための、ダイバーシティ結合器とデコーダーを含んでいる。また、例示的なベースバンド装置は、出力データを、典型的にはデジタルスイッチまたはネットワークに供給する複数のインターフェース回路を含んでいる。例えば、それらに限られないが、ボコーダ、データモデムやデジタルデータスイッチング及び記憶素子等のさまざまの複数の他の既知の要素が、ベースバンドプロセッシング要素３２２の一部を構成している。これらの要素は、データ信号の転送を、一つ以上の送信モジュール３３４に向けるために或いは制御するために動作する。

ユーザー端末１０６に送られるべき複数の信号は、それぞれ、一つ以上の適切な送信モジュール３３４に電気的につながっている。典型的なゲートウェイは、多くのユーザー端末１０６に対して同時に、かつ、いくつかの衛星やビームのために、同時にサービスを提供するために多くのこのような送信モジュール３３４を使っている。ゲートウエイ１０２により使用される送信モジュール３３４の数は、当該技術でよく知られている要素によって決定される。その要素の中には、システムの複雑性、そして通常視界内の衛星の数、ユーザーの能力、選ばれたダイバーシティの程度(degree)が含まれる。

それぞれの送信モジュール３３４は、送信のためのデータを拡散スペクトラム変調し、かつデジタル送信電力コントローラー３２８に電気的につなげられた出力を持つ送信変調器３２６を含んでいる。デジタル送信電力コントローラー３２８は、発信デジタル信号に対して使われる送信電力を制御する。デジタル送信電力コントローラー３２８は、通常、干渉の抑制と資源の割り当てのために最小レベルの電力を供給するが、送信通路における減衰と他の送信通路転送特性を補うために、必要な時は、適切レベルの電力を供給する。ＰＮジェネレーター３３２は、信号拡散において、送信変調器３２６によって使われる。この符号生成は、ゲートウェイ１０２に使われる一つ以上の制御プロセッサーまたは記憶素子の機能的な部分を形成しうる。

送信電力コントローラー３２８の出力は、サマー３３６に転送される。サマー３３６では、その出力が、別の複数の送信電力制御回路からの出力とともに総計される。これらの出力は、送信電力コントローラ３２８の出力と、同じ周波数で、かつ同じビーム内で、他の複数のユーザー端末１０６の対して送信するための信号である。サーマー３３６の出力は、デジタルーアナログ変換、適切ＲＦ搬送周波数への変換、さらなる増幅、フィルタリング、ユーザー端末１０６に対する放射のための一つ以上のアンテナ３４０に対する出力のための、アナログ送信機３３８に供給される。アンテナ３１０、３４０は、通信システムの複雑性と構造に左右される同じアンテナであってもよい。
少なくとも一つのゲートウェイ制御プロセッサー３２０は、受信モジュール３２４、送信モジュール３３４、ベースバンド回路構成３２２に電気的につながっている。これらのユニットは、物理的に互いに離れていてもよい。制御プロセッサー３２０は、いくつかの機能を果たすためにコマンド信号と制御信号を供給している。これらの機能は、例えば、それらに限られないが、信号処理、タイミング信号生成、電力制御、ハンドオフ制御、ダイバーシティ結合、システムインターフェーシングである。加えて、制御プロセッサー３２０は、ＰＮ拡散符号、直交符号シーケンス、ユーザー通信に使用される特定の送信機、受信機またはモジュールを定める。さらに制御プロセッサー３２０は、パラメーターを計算するために、かつ本発明の位置決め方法を実行するために使われる。

また、制御プロセッサー３２０は、パイロットの生成パワー、同期、ページングチャンネル信号とそれらの送信電力コントローラー３２８への結びつけを制御する。パイロットチャンネルは、データによって変調されない単なる信号であり、繰り返し不変化パターンあるいは不変化フレーム構造を使ってもよい。すなわち、パイロット信号チャンネルを形成するために使われる直交関数は、通常、例えばオール１またはオール０等の一定値、あるいは複数の１または０が挿入されたよく知られた繰り返しパターンを持っている。

制御プロセッサー３２０が、例えば送信モジュール３３４または受信モジュール３２４等のモジュールの素子に直接電気的に接続可能である間、それぞれのモジュールは、通常、例えば送信プロセッサー３３０または受信プロセッサー３２１等の、モジュール素子を制御するモジュール特定プロセッサーを具備している。故に、ある好ましい実施例では、制御プロセッサー３２０は、図３に示されるように、送信プロセッサー３３０と受信プロセッサー３２１に電気的に接続されている。このように、単一の制御プロセッサー３２０は、多くのモジュールの作動と資源をより効果的に制御する事ができる。送信プロセッサー３３０は、パイロットの生成、パイロットのための信号電力、同期、ページング信号、トラフィックチャンネル信号、それらそれぞれの電力コントローラー３２８への結合を制御している。受信プロセッサー３２１は、サーチング、復調のためのＰＮ拡張符号、受信されたパワーのモニターを制御している。また、プロセッサー３２１は、本発明の方法に使われる信号パラメーターを決めるために使われ得るし、あるいは、このようなパラメーターに関するユーザー端末から受信された情報を検出し、転送する事ができ、それによって制御プロセッサー３２０に対する負荷を軽減する。

本発明の実施例を実行するために、一つ以上の事前修正器または、周波数事前修正素子３４２、３４４を使ってもよい。好ましくは、事前修正要素３４２は、ベースバンド周波数でのデジタル電力コントローラー３２８のデジタル出力の周波数を調整するために使う。ユーザー端末のように、周波数調整を含むベースバンドスペクトラム情報はアナログ送信機３３８内で行われるアップ変換中に、適切な中央周波数にかえられる。周波数事前修正は当該技術において知られている、例えば、上記された複素信号回転のような技術を使って成し遂げられる。その信号回転では、回転角は既知の衛星天体暦と所望のチャンネル周波数に基づいて計算される。ユーザー端末のように、他の信号回転技術と関連ハードウェアーは、本願の精神と範囲を逸脱しない範囲で使う事ができる。

周波数の事前修正に加えて、ＰＮ符号、または信号の相対タイミングをかえるために、時間事前修正を備えるという要求があってもよい。このことは、通常、信号が、ベースバンドで、かつ電力コントローラ３２８による出力前に生成される時、符号生成とタイミングまたは他の信号パラメータータイミングを調整することによって成し遂げられる。例えば、コントローラー３２０は、いつ信号が送信変調器３２６によって働かされ、電力コントローラー３２８によってさまざまな衛星に転送されると同様、符号が生成される時、及び信号への供給とそれらの相対的タイミング決定することができる。しかし、事前修正素子３４２、３４４に類似の（図示されない）別のユニットとして、またはその一部として構成している既知の時間事前修正素子または回路は、所望のように、周波数事前修正素子なしに、またはその素子に加えて使うことができる。

図３では、事前修正器３４２が、サマー３３６前の送信通路内に配置されて示されている。これは、所望のようにそれぞれのユーザー端末信号に対する個々の制御を可能にしている。しかし、ユーザー端末は、ゲートウェイから衛星への同じ送信通路を共有しているので、単一の周波数事前修正素子は、事前修正がサマー３３６後に行われる時に使う事ができる。

上記のものの代わりとして、事前修正器３４４は、周知の技術をもって、発信信号の周波数を調整するために、アナログ送信機３３８の出力の送信通路に配置してもよい。しかしながら、アナログ送信機の出力上で周波数を変える事は更にむづかしいかもしれないし、信号フィルター処理を妨害するかもしれない。そこで、アナログ送信機３３８の出力周波数を、通常の中央周波数からずらされたシフト出力周波数を与えるために、コントロールプロッセッサ３２０を用いて直接調整してもよい。

発信信号になされる周波数補正の量は通信が確立したそれぞれの衛星とゲートウエイの間の既知のドップラーをもとに決められる。衛星のドップラーを説明するために必要なシフトの量は既知の衛星周期位置データを用いてコントロールプロッセッサ３２０で計算される。このデータは一つ以上のたとえば照合テーブルやメモリー要素などの保存要素３４６に保存でき、またそこから検索できる。このデータはまた必要に応じて、その他のデータソースから得られる。保存要素３４６は、ＲＡＭやＲＯＭ回路、または磁気性保存機器など様々な周知の機器により構成できる。この情報は、任意の時間にゲートウェイにより使用されているそれぞれの衛星のドップラー調整を行うために使用される。

図３に示されるように、時間及び周波数ユニット（ＴＦＵ）３４８はアナログ受信機３１４のための基準周波数信号を発生する。ＧＰＳ受信機からの世界時（ＵＴ）信号は用途によってはこの処置の一部として使用される。また必要に応じて、マルチ中間変換ステップにおいて使用することもできる。ＴＦＵ３４８はアナログ送信機３３８に基準を与えるものとしても作用する。またＴＦＵ３４８は、コントロールプロセッサー３２０、及び送信変調器３２６、デジタル受信機３１６Ａ−Ｎと３１８内の相関機器のような、ゲートウエイ送信及び受信装置３００内の処理要素或いはその他の過程にタイミング信号を与える。ＴＦＵ３４８はまた必要に応じて、所定の量だけ、プロセッサーコントロールのもとに（クロック）信号の相対的タイミングをおくらせたり進ませたりするように構成される。

タイミング計測を行う為の一具体例が図４に示されている。この例はユーザーの端末用のタイムトラッキングループ４００を示している。この種のタイムトラッキングループは、この分野でタウデイザー（Ｔａｕ Ｄｉｔｈｅｒ）タイプとして知られている。図４において、アナログ受信機からの入力通信信号は通常オーバーサンプリングされ、そしてデシメーター(decimator)４０２に入力される。デシメーター４０２はあらかじめ選択されたレートとタイミングで作動し、受信機内の次の工程にあるサンプルのみを転送する。

１０分の１にされた(decimated)サンプルは、信号を逆拡散させる為に、ＰＮ発信器や発信源４０６によって与えられる適切なシステムＰＮ拡散符号と統合するためのコンビネーション要素(combination element)４０４、典型的に乗算機に転送される。逆拡散された信号はコンビネーション要素４０８に転送され、そこで符号発生器または発信源４１０から与えられる適切な直交符号関数 Ｗ_iと統合され、データを得る。直交符号関数は通信信号チャンネルを作るために使用される。一般にパイロット信号やページング信号がこのプロセスには使用されるが、他の強い信号を使用してもよい。この分野で知られているように、直交符号は一般にパイロットまたはページング信号を発生させるものである。また、この分野で知られているように、ＰＮ拡散符号と直交符号は統合され、そして一工程でサンプルと統合される。

タイムトラッキング回路は上記に米国特許４、９０１、３０７に示されているように“早い・遅い（Ｅａｒｌｙ／Ｌａｔｅ）”方法を採用できる。この方法では、入力信号とデジタル受信機２１６のタイミングが同じか揃った度合いが、名目上のチップ時間とずれている時点で入力データストリームをサンプリングすることで計測される。このずれはＰＮ符号チップ周期の半分だけプラスかマイナスかであり、それぞれ早い、または遅いと表現される。

プラスとマイナスのオフセットデータのタイミングが、名目上の逆拡散入力信号のピークのそれから対照的に異なる場合、“遅い”と“早い”のサンプリング値の間で形成される差はゼロである。

つまり、半チップオフセットが受信信号のほぼオンタイム（ＯＮ―ＴＩＭＥ）タイミングにセンタリングされたとき、“遅い”信号と“早い”信号間で差を発生することによってつくられた値はゼロになる。受信機２１６で使われる相対的タイミングが正確に受信信号タイミングをトラッキングしておらず、入力信号データに対して進んでいる場合、遅れから進みを引いた差は正の値で補正信号をつくる。一方、信号のタイミングが大きく遅れている場合、負の値として補正信号をつくる。もちろん、必要に応じて、反対の関係やその他の関係を採用することもできる。

この技術を実行するために、デシメーターの出力は、信号を復調するのに名目上用いられるよりも半チップ早く生起するよう、調整する。その後、デシメーターの出力は逆拡散され、復号され、そしてその結果得られたデータはアキュムレーター４１４であらかじめ選択された周期（通常はシンボル周期）にわたって蓄積される。蓄積されたシンボルデータはシンボルエネルギーを提供し、それは“早い”信号に関して負でない大きさの値を提供する為に、二乗素子４１６で二乗される。

他のサンプルセットは、次の予め選択された周期にわたって、アキュムレーターを使って蓄積され、合計され、積分される。しかしながら、この期間中、遅延素子の組４１２は１チップ周期だけＰＮと直交符号の適応を遅らせるために使用される。これはサンプルのタイミングを変えたり、１０分の１(decimation)にしたり、逆拡散された及び復号されたデータの“遅い”バージョンを作成するのと同じ効果をもたらす。この逆拡散され復号されたデータはアキュムレーター４１４においてあらかじめ選択された周期にわたって蓄積される。必要に応じて付加的素子や保存機器を使用してもよい。蓄積された遅いシンボルデータは二乗素子４１６で二乗される。その結果得られた早いまたは遅い二乗値は素子４１８で所望の“早い・遅い”（ＥＡＲＬＹ／ＬＡＴＥ）タイミング差を提供するために互いに引き算され、または比較される。この差はタイミングフィルター４２０をつかってフィルターされ、“進み・遅れ”（ＡＤＶＡＮＣＥ・ＲＥＴＡＲＤ）信号４２２を提供する。タイムトラッキングループは、使用する非遅延と遅延符号の間を行き来し続け、早いと遅いシンボルを提供する。これらは“進み・遅れ”信号４２２の値を更新または発生させるために使われる。これは、関連分野の当業者には明らかなように、受信機が新しい信号をトラッキングするために不活性化されまたはシフトされるときのように、受信機タイミングがリセットされるまで続く。

１０分の１処理用の初期や継続中のタイミングコントロールや、符号の遅延は、タイミングコントロール回路４２４などの回路構成によって提供される。つまり、タイミングコントロール回路４２４はデシメーター４０２からのサンプル選択のタイミングを決定する。同時に、ＰＮ拡散や直交符号発生もタイミングコントロール回路４２４からの信号によって制御される。この遅いタイミングは、それが符号の適用を可能にするのでＰＮ−可能と呼ばれることもある。初期化(initialization)またはＥＰＯＣＨタイミング信号があっても良い。タイミングコントロール回路４２４により選択されたタイミングはタイミングループ出力に応じて進み・遅れ信号４２２によって調整される。一般にタイミングは、チップ周期の分数(fraction)の時間だけ、たとえば８倍オーバーサンプリングが採用された場合は１チップの１／８だけ進められ、１０分の１処置の前に入力信号を補正する。そのようなタイミングや進めたり遅らせたりするメカニズムはこの分野ではよく知られている。

入力信号と同期または揃えるためにそれぞれの指またはデジタル受信機が調整するタイミングの量は信号到着時間における相対遅延を決めるために使われる。これは、タイミングループ４００で使われるタイムチェンジ(time change)（進み・遅れ）の合計量を追従することで簡単になされる。アキュムレーター４２６は予め選択された期間にわたってそれぞれ進み・遅れ信号やコマンドを合計し単に蓄積するために使われる。これにより、入力信号と受信機タイミングを揃える為に必要なネット(net)あるいは合計変化量を得る。これがローカルユーザー端末あるいは受信機タイミングからの信号のオフセットを現している。ユーザー端末のタイミングが比較的ゲートウェイと近いまたは同期してる場合、これによって、ユーザー端末とゲートウェイの間を行き来する信号により経験される遅延の計測ができ、レンジの計算を可能にする。残念ながら、ローカル発振器の不正確さやドリフトなどの数々の要因によりそのような直接的な計算は通常不可能である。

しかしながら、二つのデジタル受信機２１６からのタイミング調整は到着差値の相対時間を得るために使われる。ここで、各デジタル受信機は衛星１０４Ａまたは１０４Ｂのいずれかからの信号を受信しており、その信号をトラッキングするのに必要なタイミング調整を決定している。必要なタイミング調整は直接コントロールプロセッサーにほどこされるか、差が二つの間で発生される専用の計算素子にほどこされる。この差はユーザー端末で二つの信号が到着する時の相対時間差をあらわす、そしてそれはゲートウェイへ返送される。

前記のように、このデータは他のメッセージの一部としてまたは専用時間情報信号としてゲートウェイに送られることができる。このデータは後に転送され使用されるために一時メモリー素子に保存される。その情報は、収集時を示す“タイムスタンプ(time stamp)”形式で保存され与えられ、これにより、ゲートウェイはデータと正確な時間関係をもち、ユーザー端末の位置をより正確に決定できる。しかしながら、通信システムに望まれる正確さは、前述したように、非常に厳格なものではない。該情報が収集から非常に短い時間内に送信された場合、タイムスタンプはそれほど役にたたない。一般に、データはその測定の数フレーム内で送られ、転送問題がある場合は、データは転送の前に再度発生され数フレームより古くならないようにする。しかしながら、タイムスタンピング(stamping)は実時間とは関係なくデータ送信、及び信号や信号セットの繰り返し転送をさらに柔軟にする。でないと、システムは、タイムスタンピングが所望のレベルの正確さを維持するために使われないとき、固定されたタイミングスロットとレポート要件(reporting requirements)を使うようになる。

このプロセスはゲートウェイによって受信される信号にとっては、パイロット信号が検出されないことをのぞいては、同様であり、直交符号は一般に接続プローブ(access probe)信号と関連付けられる。ゲートウェイにとって一ついいことはタイミングが絶対時基準として考えられることである。つまり、ゲートウェイは上記のように正確なシステムタイミングを持っていて、自己のタイミングに相対してＰＮまたは直交符号を適用するため時間差を正確に決められる。これにより、ゲートウェイは、正確な転送時間またはそれぞれの受信機やフィンガー用に使用されているＰＮ符号の状態からの距離をきめることができる。これら転送時間や距離は本発明のレンジ差のパラメータを決定するのに用いられる。そこで、用途によっては役に立つが、各フィンガーの情報は別々に扱われ、前記のようにエレメント４２８によって統合される必要がない。

図５は、周波数測定の一実施形態に関し、ユーザー端末用の周波数トラッキングループ５００の概観を示したものである。それらの周波数測定は本発明のレンジーレート差パラメータを決定する際に使用されることができる。図５では、アナログ受信機からの通信信号がロテータ(rotator)５０２に入力される。ロテータ５０２は、デジタル受信機もしくはフィンガーにおいて、アナログ受信機から到達するディジタルサンプルからの残存周波数誤差あるいはオフセットを取り除くために、予め選択された、しかし調整可能な位相で動作する。

ＣＤＭＡ型信号を用いた場合、サンプルは、一つもしくはそれ以上の組み合わせエレメント５０４（典型的には乗算器）に転送され、一つもしくはそれ以上の符号発生器あるいは源５０６により提供される適当なシステムＰＮ拡散符号と結合し、データが得られる。このようなＰＮ拡散符号と直交符号は、ある一つの段階で一緒にもしくは別々に該信号と結合されることができる。周波数の調整にトラフィックチャネルが使用される場合、結合器５０４および符号発生器５０６の代わりに高速アダマール変換（ＦＨＴ）要素を使用してもよい。この方法は、本発明の譲受人に譲渡されたアメリカ特許出願番号０８/６２５、４８１、「直交ウオルシュ変調用周波数トラッキング」に開示されており、参考としてここに記載する。

回転され、拡散され及び復号された信号は、アキュムレータ５１４に一シンボル期間中蓄積され、データ記号を提供する。その結果はベクトルクロス乗積発生要素、つまり発生器５１８に供給される。同時に、各シンボルはシンボル時間遅延要素５１６に送られる。この結果、シンボルがクロス乗積発生器５１８に転送れる前に一シンボル期間分の遅れが発生する。

クロス乗積発生器５１８は、所定のシンボルと前シンボル間のベクトルクロス乗積を形成し、シンボル間の位相変化を決定する。これにより、入力信号に与えられる位相回転における誤差が測定される。クロス乗積発生器５１８の出力は周波数誤差推定もしくは調整ファクターとしてロテータ５０２および符号発生器５０６に送られる。

逆拡散および復号処理のタイミングは、上述したように、タイミングコントロール回路５２４のような回路で制御される。上述したように、このタイミングはタイミングループからの出力として提供されてもよい。

各フィンガーもしくはデジタル受信機が、入力信号とのアライメントのためにその位相を調整する量は、到達信号における相対的周波数オフセットの測定に使用される。つまりロテータの位相が、信号アライメントにおける残存誤差を取り除くのに要する調整量は、到達信号の周波数がユーザー端末用の予想される、あるいはローカル基準周波数からのオフセットである量を示す。

このような通信システムは、通信信号用の固定された複数組の周波数帯で稼動することから、受信機は使用すべき中心の或いは通常の搬送周波数を知っている。しかし、少量でもドップラーシフトおよび他の影響があると、到達信号が予想された中心周波数ではなくなる。上述した調整はオフセットについてであるが、到達信号の実際の周波数及びドップラーシフトを決定するのにも使用できる。

これは周波数トラッキングループ５００による総変化量をトラッキングすることで容易に実施できる。アキュムレータ５２２は所定期間における誤差推定値、信号、およびコマンドからの位相変化の単なる蓄積にも使用できる。これにより、到達信号と受信周波数の合わせに必要な総変化量、ネット(net)変化量が得られ、ローカルユーザー端末もしくは受信周波数からの信号の周波数オフセットが判明し、適切な周波数帯にスケール(scale)される。

前述したように、このデータは他のメッセージの一部もしくは専用周波数情報信号としてゲートウェイに送ることができる。また、このデータは後の転送に使用するため一時的メモリに保存したり、「タイムスタンプ」といった形で提供されこともできる。ただし、データがその測定のいくつかのデータフレーム内で送られるため、一般にはこれは必要はなく、もし問題があればこれは再生できる。さもなければ、もしタイムスタンプが望まれるレベルの精度を維持するために使用されない場合、このシステムは固定されたタイミングスロットとリポーティング要件が使用される。

III.利用可能なパラメター
好適な実施形態において、本発明では２つのパラメータ、レンジ差とレンジーレート差が使用される。これらのパラメータはユーザー端末１０６と衛星１０４Ａ，１０４Ｂ間の空間的および時間的な関係を示す。以下に、これらのパラメータおよび測定、適用について説明する。

図６、７は、地球の表面上の、これらのパラメータを示す等高線投影図である。一パラメータの等高線は同じパラメータ値をもつ全ての点をつないでできた曲線に相当する。図６、７では、二つの衛星１０４Ａ，１０４Ｂのそれぞれのサブポイント６１４Ａ，６１４Ｂ（つまり、地球上の衛星真下の地点）、および、地球表面についての等高線投影図が示されており、衛星１０４Ａ，１０４Ｂに関連するレンジ差、およびレンジーレート差パラメータが示されている。例示用に、二つの軸、ｘ−軸６０２Ａおよびｙ−軸６０２Ｂには千キロメートルごとに目盛りがつけられている。
レンジ差
レンジ差パラメータはユーザー端末１０６と二つの衛星１０４Ａ、１０４Ｂ間の距離を示している。本発明の実施形態においては、レンジ差パラメータは、（１）特定のユーザー端末１０６と第一衛星１０４Ａ間距離、および、（２）ユーザー端末１０６と第二衛星１０４Ｂ間距離、との差ｄＲで表される。破線で示されるように、地球表面上における等高線ｄＲを示す投影図には双曲線が描かれており、図６では６０４として示されている。この場合、ｄＲ＝０等高線であり、直線で描かれている。

本発明における好適な実施形態においては、ｄＲは以下の方法で求められる。

まず、ゲートウェイ１０２が二つの信号を発する。そして、第一の信号は第一衛星１０４Ａを通してユーザー端末１０６に送信され、第二の信号は第二衛星１０４Ｂを通してユーザー端末１０６に送信される。本発明における好適な実施形態においては、図３について上記で説明したように、第一、第二信号はゲートウェイ１０２において時間を事前に修正され、第一、第二衛星１０４Ａ，１０４Ｂによってそれぞれ実質的に同時に再送信される。

第二に、ユーザー端末１０６によって（１）ユーザー端末１０６が第一衛星からの信号を受信した時間と、（２）ユーザー端末１０６が第２衛星からの信号を受信した時間、との遅延差を決定する。以下、この遅延差はΔｔとして示される。最後に、ユーザー端末１０６はΔｔからｄＲを求める。当業者にはよく知られているように、このｄＲは、本発明の主旨および範囲内で、別の方法で求めることも可能である。

本発明の他の実施形態においては、Δｔはレンジ差パラメータとして使用されている。

本発明における好適な実施形態においては、第一、第二信号はパイロット信号である。当業者にはよく知られているように、本発明の主旨および範囲を逸することなく、いずれの適当な信号も使用することができる。

本発明における好適な実施形態においては、第1及び第2信号は、それらが衛星１０４Ａと１０４Ｂにより送信され、ユーザー端末１０６が二つの受信信号中のＰＮ符号の状態を比較することによりΔｔを決定するときに、上述したように、信号のＰＮ符号が同期化されること（サブビームに関する適当なＰＮ符号オフセットを含む）を確実にするために送信前に、ゲートウエー１０２により事前修正される。別の実施形態においては、第一、第二信号は時間を事前修正されないが、第一、第二信号間の再送信時間間の差の効果は該信号の受信後にゲートウエイ１０２で取り除かれる。当業者にはよく知られているように、他の事前修正方法を使ってゲートウェイ１０２と衛星１０４Ａおよび衛星１０４Ｂ間の通路長の差を補償することもできる。

レンジーレート差
レンジーレート差（ドップラー差としても知られる）パラメータは、（１）特定のユーザー端末１０６と第一の衛星１０４Ａ間のレンジーレートと、（２）ユーザー端末１０６と第二の衛星１０４Ｂ間のレンジーレートとの差をいう。本発明の好ましい実施例において、レンジーレート差パラメータは、（１）特定のユーザー端末１０６と第一の衛星１０４Ａ間の相対半径方向速度と（２）ユーザー端末１０６と第二の衛星１０４Ｂ間の相対半径方向速度との差ΔＲである。

本発明の他の実施例において、レンジーレート差パラメータは、ユーザー端末１０６において測定された、第一の衛星１０４Ａを介してゲートウェイ１０２からの受信された信号の周波数と第二の衛星１０４Ｂを介してゲートウェイ１０２からの受信された信号の周波数の間の周波数差Δｆである。ΔＲとΔｆとの関係は次の通りである。ΔＲは、Δｆを光速とを乗算し、中心搬送周波数により除算することにより求めることができる。等Δｆ線の地球上への投影は、第6図に実線で示され一般に６０６で表されるように一組の曲線を描く。

本発明の好ましい実施例において、ΔＲは以下のように決定される。まず、ゲートウェイが二つの信号を送信する。第一の信号は、第一の衛星１０４Ａを介してユーザー端末１０６に送信され、第二の信号は、第二の衛星１０４Ｂを介してそのユーザー端末１０６に送信される。本発明の好ましい実施例において、第一および第二の信号の周波数はゲートウェイ１０２において、前述のように事前修正され、第一および第二の衛星１０４Ａおよび１０４Ｂにより再度送信される信号は同じ周波数を持つ。

第二に、ユーザー端末１０６は、（１）第一の衛星から受信した信号の周波数と（２）第二の衛星から受信した信号の周波数との差を判定する。この周波数差がΔｆである。最後に、ユーザー端末１０６は、Δｆに光速を乗じ、その積を第一および第二の信号の中心搬送周波数により除算することによりΔＲを求める。当業者には明らかなように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の方法を用いてΔＲを求めることができる。

本発明の好ましい実施例において、第一の信号は、送信に先立ち、第一の衛星１０４Ａとゲートウェイ１０２間の既知の相対運動により引き起こされるドップラーシフトを補償するように信号周波数を調整することによりあらかじめ修正される。第二の信号も同様に事前修正される。他の実施例においては、いずれの信号も周波数が事前修正されない。当業者には明らかなように、衛星１０４Ａおよび１０４Ｂの運動を補償するために他の事前修正方法を用いてもよい。

本発明の好ましい実施例において、第一および第二の信号はパイロット信号である。当業者には明らかなように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜どのような信号を用いてもよい。

ＩＶ．位置合わせ方法
上記のようなパラメータは、ユーザー端末１０６の位置を決定するのに用いることができる。本発明の理解を助ける補助として、パラメータの物理的表示を地球表面上に投影された等パラメータ線として表す。

本発明の好ましい実施例において、位置決定はレンジ差とレンジーレート差のパラメータに基づいて行われる。第６図において、レンジ差パラメータはｄＲでありレンジーレート差パラメータはΔｆである。第６図は、二つの衛星１０４Ａおよび１０４Ｂのサブポイント６１６Ａおよび１６１Ｂ、そして衛星１０４に関わるｄＲおよびΔｆの等高線の地球表面上への投影を示している。パラメータの等高線とは、そのパラメータの値が等しい点をつなぐ曲線である。二つの軸、すなわち、千キロメートルごとに目盛りをつけたｘ軸６０２Ａおよびｙ軸６０２Ｂは、目盛りの例を表すものである。

第６図は、一般に６０４で示されるような、等ｄＲ線のファミリーをダッシュで表す。各等ｄＲ線は、等しいｄＲの値を持つ点をすべてつないだ双曲線であり、ベースライン６１２（すなわち、衛星１０４のサブポイント６１４を結ぶ線）と９０度で交わる。第６図において、ｄＲ線は、千キロメートルごとに目盛りがつけられている。ｄＲ＝０の線は、ベースライン６１２の垂直二等分線である。ｄＲ＝０の線のすぐ右側のｄＲ＝＋０．５の線は、衛星１０４Ａのレンジが衛星１０４Ｂのレンジを５００ｋｍ超える点をすべて結ぶものである。

また、第6図は、ｋＨｚごとに目盛りをつけた一般に６０６で示されるような実線で、Δｆパラメータを曲線のファミリーとして示す。Δｆ曲線の形状は、衛星１０４Ａと１０４Ｂとの相対速度の関数である。衛星１０４Ａおよび１０４Ｂの典型的速度ベクトルは、一般に６１６Ａおよび６１６Ｂに進行線に沿って伸びる矢印として表される。最大Δｆの領域は、衛星１０４Ａと１０４Ｂのサブトラック（すなわち、サブポイントを結ぶ線）が交差する第6図の上辺付近に見られる。

第6図に示すような典型的な場合、衛星１０４は平行な経路を進行していないので、ｄＲ線とΔｆ線は、ユーザー端末１０６の近傍で一個所のみでほぼ垂直に交差する。このため、正確で明瞭に位置の解が得られる。たとえば、ｄＲ＝＋５００ｋｍでΔｆ＝＋２０ｋｍの場合、端末１０６は第6図の位置６０８Ａにある。

しかし、そうでない場合、ｄＲ線がΔｆ線と二個所で交わるか、あるいはｄＲ線がユーザー端末１０６の近傍でΔｆ線に対して正接またはほぼ正接となる。この幾何的配置は、衛星１０４の速度ベクトルが平行またはほぼ平行で、第7図に示すように、ユーザー端末１０６の近傍におけるΔｆ線が閉じているとき生じるものである。たとえば、第7図について、測定したパラメータが、ｄＲ＝＋５００ｋｍでΔｆ＝＋６５ｋＨｚの時、解は不明瞭である。なぜならば、これらの線は７０２Ａおよび７０２Ｂの二点で交わるからである。この問題を「位置不明瞭」という。

さらに別の例として、測定したパラメータが、ｄＲ＝−１０００ｋｍでΔｆ＝＋７３ｋＨｚの時、解は非常に誤りやすい。なぜならば、これらの線は点７０２Ｃに示されるようにほぼ正接だからである。したがって、どちらかのパラメータの小さな誤差も大きな位置誤差を生じることになる。この問題を幾何学的精度希釈(Geometric Dilution of Precision )（ＧＤＯＰ）特異性という。これらの問題はいずれも、以下に述べる「距離に基づく登録」として知られる技術により軽減することができる。

第8図は、本発明の好ましい実施例の動作を表すフローチャートである。一つまたはそれ以上のレンジ差パラメータは、先に述べたように、ステップ８０４に示すように決定される。一つまたはそれ以上のレンジーレート差パラメータは、先に述べたように、ステップ８０８に示すように決定される。そして、地球表面上のユーザー位置は、衛星の既知の位置および速度、およびレンジ差およびレンジーレート差パラメータに基づき、ステップ８１０に示すように、以下に述べるようにして決定される。

V. 位置決め処理
位置決め処理を詳細に説明する前に、本発明の位置決め方法が動作可能な典型的な環境をまず最初に説明する。図９はそのような例となる環境を示すブロック図である。この環境は制御プロセッサ２２０及び（または）制御プロセッサ３２０の一部を形成可能なコンピュータシステム９００である。コンピュータシステム９００はプロセッサ９０４のようなプロセッサを一つ以上含んでいる。プロセッサ９０４は通信バス９０６に接続されている。本例のコンピュータシステムに関連して多様な実施例を記載する。本記載を読んだ後、当業者にとって、他のコンピュータシステム、コンピュータ・アーキテクチャ、ハードウェア・ステートマシーン(state machines)、ルックアップ・テーブルなど、そしてこれらの多様な組み合わせを用いる本発明の位置決め方法をいかにして実現するのかが明らかとなる。

コンピュータシステム９００はまたメインメモリ９０８、好ましくはランダム・接続・メモリ（ＲＡＭ）を含み、また２次メモリ９１０をも含むことが可能である。２次メモリ９１０は例えば、ハード・ディスク・ドライブ９１２及び（または）フロッピー（登録商標）・ディスク・ドライブ、磁気テープ・ドライブ、光学ディスク・ドライブなどに代表されるリムーバブル(removable)・記憶ドライブ９１４を含むことが可能である。リムーバブル・記憶ドライブ９１４は周知の方法でリムーバブル記憶装置９１８から読み取りかつ（または）書き込む。リムーバブル記憶装置９１８としては、フロッピーディスク、磁気テープ、光学ディスクなどが用いられる。理解される通り、リムーバブル記憶装置９１８はコンピュータ・ソフトウェア及び（または）データを記憶したコンピュータ・使用可能な(usable)・記憶媒体を含んでいる。

他の実施例において、２次メモリ９１０はコンピュータ・プログラムや他の指示をコンピュータ・システム９００にロードさせる他の類似手段を含んでもよい。そのような手段は例えば、リムーバブル・記憶装置９２２とインターフェイス９２０を含むことが可能である。例として、ソフトウェアやデータをリムーバブル記憶装置９２２からコンピュータシステム９００へ転送させることが可能な（ビデオゲーム機に見うけられるような）プログラムカートリッジ及びカートリッジ・インターフェイス、（ＥＰＲＯＭまたはＰＲＯＭのような）リムーバブル・記憶チップ及び関連のソケット、他のリムーバブル記憶装置９２２及びインターフェイス９２０があげられる。

コンピュータ・システム９００は通信インターフェイス９２４をまた含むことが可能である。通信インターフェイス９２４はソフトウェアやデータをコンピュータ・システム９００と外部装置の間で通信通路９２６を介して転送させることができる。通信インターフェイス９２４の例として、モデム、（イーサーネット・カードのような）ネットワーク・インターフェイス、通信ポートなどがあげられる。通信インターフェイス９２４を介して転送されるソフトウェアやデータは信号の形態にあり、その信号は通信通路９２６を介して通信インターフェイス９２４によって受信可能な電気的、電磁的、光学的、または他の信号であり得る。

本実施例の環境において本発明の位置決め方法の動作を説明する。これらの関連した記載は便宜上なされている。本発明の位置決め方法の動作を本実施例の環境への適用に限定すべきことを意図していない。実際、以下の記載を読んで後、関連技術の当業者にとって別の環境において本発明の位置決め方法をいかにして実現するかが明らかになるだろう。

本発明の一実施例において、ユーザー端末１０６の位置はコンピュータ・システム９００の以下に記載される位置決め方法を実行することによって決定される。関連技術の当業者にとって明らかな通り、位置決め方法は、本発明の要旨から外れることなくハードウェア・ステート・マシーン、ルックアップ・テーブルなどによって実行することが可能である。

ｚによって示されるパラメータのＭ×１ベクトルは位置決定において使用されるＭパラメータを含むように構築される。ベクトルｚは上記のパラメータの１つ以上を含むことが可能である。本件技術において周知の通り、パラメータは２次元ユーザー端末・位置ベクトルｘの非線形関数である。

ｘ＝［lat long］^Ｔ （１）
ここにおいて上付きの「Ｔ」は以下の等式に応じてマトリックスまたはベクトルの転置行列(transpose)を示す。

ｚ＝ｈ（ｘ）＋ｖ （２）
ここにおいてＭ×１ベクトルｖは計測エラーを示し、ｈはユーザー端末１０６の位置と計測されたパラメータとの関係を表わす非線形関数である。ｈはまた、衛星１０４Ａ及び１０４Ｂの位置及び速度の関数でもある。他の実施例において、ユーザー端末・位置ベクトルｘは、等式（３）に示すように、経度や緯度よりもむしろ３つのデカルト(Cartesian)座標によって定義することが可能である。

ｘ＝［ｘｙｚ］^Ｔ （３）

ガウスの線形化方法によれば、Ｍ×Ｋの偏導関数(partial derivative)マトリックスＨはユーザー端末１０６の位置を解析するために構築される。ここでＫは未知の位置の数を示し、（ｍ、ｋ）要素は与えられた位置ｘで決定された、ｋ番目の位置パラメータに関するｍ番目の計測の偏導関数を示す。例えば、もし等式（１）に示されるように位置ベクトルが経度と緯度を表わすならば、Ｋは２に等しく、マトリックスＨのｋ＝１行(column)中の要素はユーザー端末１０６の緯度に関する偏導関数を表わし、ｋ＝２行中の要素はユーザー端末１０６の経度に関する偏導関数を表わす。もし位置ベクトルがデカルト座標（Ｋ＝３）にあるならば、Ｈのｋ＝（１、２、３）行はそれぞれ（ｘ、ｙ、ｚ）座標を示す。デカルト座標を利用する時、座標の２乗数の総和が地球の半径の２乗数であることを示すためにもう一つの等式が利用される。ｘとＨとの関係は

によって与えられる。

反復重みずけ最小二乗法がその未知の位置パラメータを解くために使用される。本発明の好ましい実施例では、使用される方法は、ニューヨークMarcel Dekker が１９８０年に発行したH.W.Sorenson 著の”パラメータ推定法、原理と諸問題”で開示された重み付きガウス・ニュートン法である。反復方程式は次の関係式からあたえられる。

式中

はそれぞれ現在位置と次の位置の推定値であり、Ｗは（Ｍ×Ｍ）の重み付けマトリックスである。下げ文字iは反復回数をあらわし、i=0が最初の反復である。位置推定にもとずくマトリックスとベクトルは上げ記号"＾"で示される。ユーザー端末１０６の最後に知られる位置等の基準点が最初の位置推定として選択される。最後の位置がわからない場合は、ゲートウエイ１０２等のどんな位置でも利用できる。

上記は現在の位置推定で求められる偏導関数マトリックスであり、

上記は現在の位置推定を使用して求められる予期される誤差なしパラメータである。反復は

の差が所定のしきい値以下のとき終結する。しきい値は当業者には明らかなシステムの精度にもとずいてシステム設計者及びまたはオペレータによって決定される。例えば、しきい値は測定のチップ精度及びチップレートにもとずく。

（Ｍ×Ｍ）重み付けマトリックスＷの諸要素は未知の要素よりも多いパラメータのとき、推定される位置

に対する具体的なパラメータの影響を強調する手段を提供する。好ましい実施例では、重み付けマトリックスＷは、その要素が各パラメータを決定する相対精度を反映する対角線マトリックスである。かくして、諸要素の値は、当業者には明らかなシステムの既知の測定精度にもとずいて設定される。従って、高精度な測定にもとずくパラメータは、高精度に測定されないパラメータよりも重要性があたえられる。重み付けマトリックスの諸要素は所定値に初期化されるが、ダイナミックに調整されうる。最適精度は、重み付けマトリックスが測定エラー共分散マトリックスの逆として選択されたとき得られる。

もし複数の測定エラーが互いに独立でゼロ平均及び分散：
σ² _m 、 ｍ＝１，２，‥，Ｍ （８）
このとき、Ｗはその対角線要素としてのσ² _mを有する対角線マトリックスである。

このようなＷを選択すると、推定される位置ベクトルxのk番目の要素の分散は次の式であらわされる。

σ² _k ＝ （Ｈ^ＴＷＨ）^-1 _ｋ，ｋ ，ｋ＝１，２ （９）
最後に、結合された理論上の水平位置エラーは、距離単位で、次の式であらわされる。

ここでＲ_Ｅは地球の半径である。

好ましい実施例では、この位置決定方法は地球の表面のために滑らかな楕円面モデルを採用している。他の実施例では、この位置決定方法は最初ＷＧＳ-84地球モデルのような地球の表面のために滑らかな楕円面を採用している。

の差が所定のしきい値以下であるように、ｘの値を収束させる(converge)とき、詳細なデジタル地形(terrain)モデルは、前記滑らかなモデルに代替され、反復は

の差が第二の所定の距離のしきい値以下であるようにXの値が収束するまで行われる。かくして、ユーザー端末１０６の移動(elevation)により導入されたいかなるエラーも軽減される。他の実施例では、詳細なデジタル地形モデルは所定回数の反復後に代替される。上記した反復回数及び距離のしきい値は、当業者には明らかな様々な要因により決定される。

VI 距離ベースの登録
好ましい実施例において、本発明は、移動式あるいは携帯用のユーザー端末１０６の位置をトラッキングする“距離ベースの登録(distance-based registration)”として知られる方法の一部として使用される。この方法にしたがって、上記のように、ユーザー端末１０６は該端末の位置を一定の間隔で受動的に決定する。ユーザー端末１０６が、該端末の位置が直前の能動的に決定された位置から実質的に変化したことを決定すると、該端末はゲートウェイ１０２で“登録”を行う。その登録に反応して、ゲートウェイ１０２は能動位置の決定を開始する。これらの間隔の継続期間、およびリポートを始動させる位置変化の大きさは、例えばユーザー端末の速度、重要な境界（国家的境界や上記で論じられたサービスエリアの境界など）への近接度など、様々な要素にしたがって選択され、これらは関連技術に精通した者には明らかであると思われる。

好ましい実施例においては、これらの要素はゲートウェイ１０２によってユーザー端末１０６にダウンロードされ、ユーザー端末が境界に接近したりあるいは境界から退くと、位置決めの正確さにおける増加、減少をもたらすために修正することができる。このように、衛星通信システム１００は、ユーザー端末１０６に不要な送信を行わせる必要なく、ユーザー端末１０６に関する適時かつ正確な位置情報を保つ。

ユーザー端末１０６が受動的にその位置を決定するとき、上述したように、該端末は現在位置の推定値としてその直前に決定された位置を使用して開始する。これは一般に重要な位置の曖昧さを解決するが、ＧＤＯＰの特異点を解決するとは限らない。位置情報はすぐには要求されていないので、ユーザー端末１０６は、測定を繰り返し、改善するために衛星１０４の幾何学的配置(geometry)を急速に変化させるための短い時間待っていればよい。

図１０は本発明の好ましい実施例に基づいた、距離ベースの登録の操作を示す流れ図である。ステップ１００２に示されるように、ユーザー端末１０６の位置が能動的に決定されたとき、処理が開始される。本発明の好ましい実施例においては、衛星１０４が２つ以上利用可能なときに、“２つの低地球軌道衛星を利用した明確な位置特定”というタイトルの、出願番号（番号未付与、代理人参照番号PA２７８）の共有の共同出願中の出願に開示されているように、能動位置特定がなされる。該出願は参照によりここに組み入れられる。衛星１０４が一つしか利用できない場合には、能動的な位置決定は、“１つの低地球軌道衛星を利用した位置特定”というタイトルの、出願番号（番号未付与、代理人参照番号ＰＡ２８６）の共有の共同出願中の出願に開示されているようになされる。該出願は参照によりここに組み入れられる。当業者には明らかであるように、他の能動的な位置決定の方法も本発明の距離ベースの登録と一緒に使用できる。ステップ１００４において、ユーザー端末１０６は能動的に決定された位置を記録する。

ステップ１００６に示されるように、所定の時間が経過すると、ユーザー端末１０６は、上で論じたようにまたステップ１００８に示されるように、受動的にその位置を決定する。それからユーザー端末１０６は、方程式（１０）を参照して上述したように、またステップ１０１０に示されるように、予想される位置エラーδ_posを決定する。もし予想される位置エラーが大きい場合には、ステップ１０１２からの“Y”ブランチにより示されるように、ユーザー端末１０６は、ステップ１００６に示されるように、再び受動的に位置を決定する前に、もう１インターバルを待つ。

本発明の好ましい実施例においては、予想される位置エラーが大きいかどうかは、そのエラーを所定のしきい値と比較して決定される。好ましい実施例では、しきい値は様々な偏り(bias)のエラーを補償するために調節できる。たとえば、しきい値はユーザー端末１０６の速度によってもたらされる偏りのエラーを補償するために調節することができる。

しかし、ステップ１０１２からの“N”ブランチで示されるように、もし予想される位置エラーが大きくない場合には、受動的に決定された該位置はステップ１０１４に示されるように直前の能動的に決定された位置と比較される。もしステップ１０１６からの“Y”ブランチで示されるように、比較された位置間の差が大きい場合には、ユーザー端末１０６はステップ１０１８に示されるようにゲートウェイ１０２に知らせる。この処理は“登録(registration)”として知られている。それに反応して、ゲートウェイ１０２はステップ１００２に示されるように能動的な位置決定を開始する。

しかし、もしステップ１０１６からの“N”ブランチで示されるように比較した位置間の差が大きくない場合には、ユーザー端末１０６はステップ１００６に示されるように、再び受動的に位置決定を行う前に、もう１インターバル待つ。

VII 結論 本発明の様々な実施例が上述されたが、それらは限定としてではなく例として提示されたものであることを理解されたい。本発明において、発明の趣旨や範囲から外れることなく形状や細部における様々な変化を行いうることは当業者には明きらかであろう。したがって本発明は上述した例示的な実施例のいずれによっても限定されるものではなく、以下の請求の範囲およびその等価物(equivalents)にしたがってのみ定義されるものである。

典型的な衛星通信システムを示す概略図。 ユーザー端末に使用される例示的なトランシーバーのブロック図。 ゲートウェイに使用される例示的な送受信装置のブロック図。 ユーザー端末に使用される例示的なタイムトラッキングループのブロック図。 ユーザー端末に使用される例示的な周波数トラッキングループのブロック図。 二つの衛星に関するレンジの差とレンジーレートの差とのパラメータの等高線(iso-contours)の地表上における投射と該複数の衛星の副地点とを示す概略図。 二つの衛星に関するレンジの差とレンジーレートの差とのパラメータの等高線(iso-contours)の地表上における投射と該複数の衛星の副地点とを示す概略図。 本発明の好適な実施例の動作を示すフローチャート。 本発明が動作可能な例示的な環境を示すブロック図。 本発明の好適な実施例にかかる距離に基づく登録の動作を説明するフローチャート。

Claims (23)

1. ユーザー端末と、
   位置および速度が既知の少なくとも２台の衛星と、
   これらの衛星を介してユーザー端末と通信をするためのゲートウェイと、
   レンジ差パラメータを決定するレンジ差パラメータ決定手段と、
   レンジーレート差パラメータを決定するレンジーレート差パラメータ決定手段と、
   衛星の既知の位置および速度、レンジ差パラメータ、レンジーレート差パラメータに基づいて、地球表面のユーザー端末の位置を決定する位置決定手段とを具備した衛星通信システム用位置決定システム。
2. 前記レンジ差パラメータが(1)前記衛星の内の第1の衛星と前記ユーザー端末との間の距離および(2)前記衛星の内の第2の衛星とユーザー端末との間の距離との間の差を表す、請求項１の位置決定システム。
3. 前記レンジ差パラメータが遅延差を表し、
   前記衛星の内の第1の衛星を介してゲートウェイから受信した第一信号と前記衛星の内の第2の衛星を介してゲートウェイから受信した第二信号との間の遅延差を測定するための、ユーザー端末における遅延差測定手段を更に具備した請求項１の位置決定システム。
4. 第一および第二の信号の内の少なくとも一方が、(a)ゲートウェイと前記衛星の内の第1の衛星との間の距離と、(b)ゲートウェイと前記衛星の内の第2の衛星との間の距離、との間の差に関連した遅延を補償するために、時間を事前修正される、請求項３の位置決定システム。
5. レンジーレート差パラメータが、(1)前記衛星の内の第1の衛星とユーザー端末との間の相対的な半径方向速度と、(2)前記衛星の内の第2の衛星とユーザー端末との間の相対的な半径方向速度、との差を表す、請求項１の位置決定システム。
6. レンジーレート差パラメータが周波数差を表し、
   前記衛星の内の第1の衛星を介してゲートウェイから受信した第一信号の周波数と、前記衛星の内の第2の衛星を介してゲートウェイから受信した第二信号の周波数との間の周波数差を測定する、ユーザー端末における周波数差測定手段を更に具備した請求項１の位置決定システム。
7. 第一および第二の両信号の内の少なくとも一方について周波数を事前修正して、(a)前記ゲートウェイと前記衛星の内の第1の衛星との間の相対的な半径方向速度と(b)ゲートウェイと前記衛星の内の第2の衛星との間の相対的な半径方向速度との間の差により生じるドップラーシフトを補償する請求項６の位置決定システム。
8. Ｍを決定されたパラメータの数とするとき、前記のパラメータを具備するＭ×１パラメータ ベクトルｚを生成する手段と、
   初期基準点を表す位置ベクトルｘを生成する手段と、
   前記衛星の前記既知の位置および速度に関する情報と、地球の形状を表す地球モデルとを有する偏導関数マトリックスＨを生成する手段、ここにおいてｘとＨとは下記の関係を有する、
   

   

   特定のパラメータの影響を強調するために、Ｍ×Ｍの重みマトリックスＷを生成する手段と、
   次の反復等式を実行する手段、
   

   

   ここにおいて、
   

   

   は各々現在と次の位置推定、ｉは
   

   

   との差が第一の所定閾値以下になるまでの反復数を表す、
   を更に具備した請求項１の位置決定手段。
9. 重みマトリックスＷが測定誤差分散マトリックスの逆である請求項８の位置決定手段。
10. ユーザー端末、既知の位置および既知の速度を持つ少なくとも２台の衛星、これらの衛星を介してユーザー端末と通信をするためのゲートウェイ、を具備した通信システムにおいて、
    (a) レンジ差パラメータを決定すること、
    (b) レンジーレート差パラメータを決定すること、
    (c) 衛星の既知の位置および既知の速度、レンジ差及び前記レンジーレート差に基づいて、地表におけるユーザー端末の位置を決定することを具備する、ユーザー端末の位置を決定する方法。
11. レンジ差パラメータが、(1)複数の衛星の内の第1の衛星とユーザー端末との間の距離および(2)該複数の衛星の内の第2の衛星とユーザー端末との間の距離との間の差を表す請求項１０の方法。
12. レンジ差パラメータが遅延差を表し、
    工程(b)が、(i)複数の衛星の内の第1の衛星を介してゲートウェイから受信した第一信号と、該複数の衛星の内の第2の衛星を介してゲートウェイから受信した第二信号との間の遅延差を、ユーザー端末で測定すること、を更に具備した請求項１０の方法。
13. 第一および第二の信号の内の少なくとも一方が、時間を事前修正されて、(a)ゲートウェイと該複数の衛星の内の前記第1の衛星との間の距離と、(b)ゲートウェイと該複数の衛星の内の前記第2の衛星との間の距離との間の差に関連した遅延を補償する、請求項１２の方法。
14. レンジーレート差パラメータが、(1)該複数の衛星の内の第1の衛星とユーザー端末との間の相対的な半径方向速度と(2)該複数の衛星の内の第2の衛星とユーザー端末との間の相対的な半径方向速度との間の差を表す、請求項１０の方法。
15. 工程(c)が、
    (i) 該複数の衛星の内の第1の衛星を介してゲートウェイからユーザー端末に第一信号を送信し、該複数の衛星の内の第2の衛星を介してゲートウェイからユーザー端末に第二信号を送信すること、
    (ii) 第一信号の周波数と第二信号の周波数との間の周波数差を、ユーザー端末で測定することを更に具備し、
    レンジーレート差パラメータが周波数差を表す請求項１０の方法。
16. 第一および第二の両信号の内の少なくとも一方が、周波数を事前修正されて、(a)ゲートウェイと該複数の衛星の内の前記第1の衛星との間の相対的な半径方向速度と、(b)ゲートウェイと該複数の内の前記第2の衛星との間の相対的な半径方向速度、との間の差により生じるドップラーシフトを補償する、請求項１５の方法。
17. 既知の位置および既知の速度を持つ少なくとも２台の衛星、およびこれらの衛星を介してユーザー端末と通信をするためのゲートウェイ、を具備した通信システムにおける、
    レンジ差パラメータ決定手段と、
    レンジーレート差パラメータ決定手段とを具備し、
    ここにおいて複数の衛星の既知の位置および既知の速度、レンジ差パラメータ、レンジーレート差パラメータに基づいて、地表上のユーザー端末の位置を決定可能である、
    ユーザー端末。
18. ユーザー端末、少なくとも２台の衛星、これらの衛星を介してユーザー端末と通信をするためのゲートウェイを具備した通信システムにおいて、
    (a) ユーザー端末の位置を能動的に決定すること、
    (b) 能動的に決定された位置をユーザー端末に格納すること、
    (c) 所定間隔後に、ユーザー端末の側でユーザー端末の位置を受動的に決定すること
    (d) 受動的に決定された位置の予想誤差を決定すること、
    (e) 予想誤差が第一の所定閾値を超えていない場合に、能動的に決定された位置と受動的に決定された位置との間の差を決定すること、
    (f) 前記の差が第二の所定閾値を超えた場合に、ゲートウェイに通知すること、の工程を具備する、ユーザー端末の位置をゲートウェイの側で維持する方法。
19. (g) 予想誤差が第一の所定閾値を越えた場合に、工程(c)から工程(e)を実施する工程を更に具備した請求項１８の方法。
20. (h) 前記の差が第二の所定の閾値を越えていない場合に、工程(c)から工程(f)を実施する工程を更に具備した請求項１８の方法。
21. 第一の所定閾値を調整して偏り誤差を補償する請求項１８の方法。
22. ユーザー端末、少なくとも２台の衛星、これらの衛星を介してユーザー端末と通信をするためのゲートウェイを具備した通信システムにおいて、
    ユーザー端末の位置を能動的に決定する手段と、
    能動的に決定された位置をユーザー端末に格納する手段と、
    所定間隔後にユーザー端末の位置を受動的に決定する手段と、
    受動的に決定された位置の予想誤差を決定する手段と、
    予想誤差が第一の所定閾値を超えていない場合に、受動的に決定された位置と能動的に決定された位置との間の差を決定する手段と、
    前記の差が第二の所定閾値を超えた場合に、ゲートウェイに通知する手段とを具備する、
    ユーザー端末の位置をゲートウェイの側で維持するシステム。
23. 第一の所定閾値を調整して、偏り誤差を補償する請求項２２のシステム。

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