(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するための方法：
前記第１の対象物から前記第２の対象物へ第１の信号を送信する；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信する、前記遅延Ｄ1 は前記第１の信号が前記第１の対象物から前記第２の対象物へ伝搬するために必要とされる時間である；
前記第２の対象物において、前記第１の信号に関連した第１の周波数を測定する；
前記第２の対象物から前記第１の対象物へ、該測定された第１の周波数の報告を含む第２の信号を送信する；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物において受信する、Ｄ2 は前記第２の信号が前記第２の対象物から前記第１の対象物へ伝搬するために必要とされる時間である；
該第１の信号の該送信と該第２の信号の該受信との間の経過時間を測定する；
前記第１の対象物おいて、前記第２の信号に関連した第２の周波数を測定する；及び
前記第１の対象物において前記往復遅延を決定する、前記往復遅延は（ｉ）該測定された第１及び第２の周波数、ならびに（ｉｉ）該測定された経過時間に基づいている。
【請求項２】
前記第１の対象物は無線電話システム軌道周回衛星であり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項１の方法。
【請求項３】
前記第１の対象物は無線電話システムゲートウェイであり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項１の方法。
【請求項４】
前記第１の周波数は（ｆD −ｆoffset）である、ここでｆD は前記第１の対象物と前記第２の対象物との間で送信された該第１の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項１の方法。
【請求項５】
前記第２の周波数は（ｆD ＋ｆoffset）であり、ここでｆD は前記第２の対象物と前記第１の対象物との間で送信された該第２の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項１の方法。
【請求項６】
前記第２の対象物における該送信は、前記第１の信号の所定の受信時間内に発生する、請求項１の方法。
【請求項７】
下記工程を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するための方法：
前記第１の対象物から第１の信号を送信する；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信する；
前記第１の信号の受信時に前記第２の対象物から前記第１の対象物へ第２の信号を送信する；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物で受信する；
前記第１の対象物において、前記第２の信号から周波数を測定する；及び
前記第１の対象物において、前記往復遅延を決定するために、前記周波数に基づき前記第１対象物が前記第１の信号を送信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ１を決定する。
【請求項８】
前記測定された周波数は（ｆD ＋ｆoffset）であり、ここでｆD は該第２の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項７による方法。
【請求項９】
前記第１の対象物は無線電話システム軌道周回衛星であり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項７の方法。
【請求項１０】
前記第１の対象物は無線電話システムゲートウェイであり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項７の方法。
【請求項１１】
下記工程を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するための方法：
前記第１の対象物から第１の信号を送信する；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信する；
前記第２の対象物において、前記第１の信号から周波数を測定する；
前記第２の対象物から前記第１の対象物へ、該測定された第１の信号周波数の報告を含む第２の信号を送信する；
前記第１の対象物において、前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に受信する；及び
前記第１の対象物において、前記往復遅延を決定するために、前記第１の信号周波数から、前記第１対象物が前記第２の信号を受信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ２を決定する。
【請求項１２】
前記周波数は（ｆD −ｆoffset）であり、ここでｆD は該第１の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記第１の対象物は無線電話システム軌道周回衛星であり、そして
前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項１１の方法。
【請求項１４】
前記第１の対象物は無線電話システムゲートウェイであり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項１１の方法。
【請求項１５】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するためのシステム：
前記第１の対象物から第１の信号を送信するための手段；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信するための手段、前記遅延Ｄ1 は前記第１の信号が前記第１の対象物から前記第２の対象物へと伝搬するために必要とされる時間である；
前記第２の対象物において、前記第１の信号に関連した第１の周波数を測定するための手段；
前記第２の対象物から前記第１の対象物へ、該測定された第１の周波数の報告を含む第２の信号を送信するための手段；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物において受信するための手段、Ｄ2 は前記第２の対象物から前記第１の対象物へ前記第２の信号が伝搬するために必要とされる時間である；
該第１の信号の該送信と該第２の信号の該受信との間の経過時間を測定するための手段；
前記第１の対象物において、前記第２の信号から第２の周波数を測定するための手段；及び
前記第１の対象物において前記往復遅延を決定するための手段、前記往復遅延は（ｉ）該測定された第１及び第２の周波数、ならびに（ｉｉ）該測定された経過時間に基づいている。
【請求項１６】
前記第１の周波数は（ｆD −ｆoffset）であり、ここでｆD は該第１の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項１５によるシステム。
【請求項１７】
前記第２の周波数は（ｆD ＋ｆoffset）であり、ここでｆD は該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項１６によるシステム。
【請求項１８】
前記第１の対象物は無線電話システム軌道周回衛星であり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項１５によるシステム。
【請求項１９】
前記第１の対象物は無線電話システムゲートウェイであり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項１５によるシステム。
【請求項２０】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するためのシステム：
前記第１の対象物から第１の信号を送信するための手段；
前記第１の信号を伝播遅延の後に前記第２の対象物において受信するための手段；
前記第２の対象物において、前記第１の信号に関連した第１の周波数を測定するための手段；
前記第２の対象物から前記第１の対象物へ、該測定された第１の周波数の報告を含む第２の信号を送信するための手段；
前記第２の信号をＤ2 の伝播遅延の後に前記第１の対象物において受信するための手段；
該第１の信号の該送信と該第２の信号の該受信との間の経過時間を測定するための手段；
前記第１の対象物で、前記第２の信号に関連した第２の周波数を測定するための手段；及び
前記第１の対象物で前記往復遅延を決定するための手段、前記往復遅延は（ｉ）該測定された第１及び第２の周波数、ならびに（ｉｉ）該測定された経過時間に基づいている。
【請求項２１】
前記第１の周波数は（ｆD −ｆoffset）であり、ここでｆD は前記第１の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項２０によるシステム。
【請求項２２】
前記第２の周波数は（ｆD ＋ｆoffset）であり、ここでｆD は前記第２の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項２１によるシステム。
【請求項２３】
前記第１の対象物は無線電話システム軌道周回衛星であり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項２０によるシステム。
【請求項２４】
前記第１の対象物は無線電話システムゲートウェイであり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項２０によるシステム。
【請求項２５】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するためのシステム：
前記第１の対象物から第１の信号を送信するための手段；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信するための手段；
前記第２の対象物が前記第１の信号を受信すると前記第２の対象物から前記第１の対象物へ第２の信号を送信するための手段；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物において受信するための手段；
前記第１の対象物において、前記第２の信号から周波数を測定するための手段；及び
前記第１の対象物において、前記往復遅延を決定するために、前記周波数から前記第１対象物が前記第１の信号を送信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ１を決定するための手段。
【請求項２６】
前記周波数は（ｆD ＋ｆoffset）であり、ここでｆD は前記第２の信号の該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項２５によるシステム。
【請求項２７】
前記第１の対象物は無線電話システム軌道周回衛星であり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項２５によるシステム。
【請求項２８】
前記第１の対象物は無線電話システムゲートウェイであり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項２５によるシステム。
【請求項２９】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するためのシステム：
前記第１の対象物から第１の信号を送信するための手段；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物で受信するための手段；
前記第２の対象物で、前記第１の信号から周波数を測定するための手段；
前記第２の対象物から前記第１の対象物へ、該測定された第１の信号周波数の報告を含む第２の信号を送信するための手段；
前記第１の対象物で、前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に受信するための手段；及び
前記第１の対象物で、前記往復遅延を決定するために、前記測定された第１の信号周波数から、前記第１対象物が前記第２の信号を受信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ２を決定するための手段。
【請求項３０】
前記周波数は（ｆD −ｆoffset）であり、ここでｆD は該ドップラー周波数であり、そしてｆoffsetは該第２の対象物の局部発振器エラー周波数である、請求項２９によるシステム。
【請求項３１】
前記第１の対象物は無線電話システム軌道周回衛星であり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（第２の対象物）である、請求項２９によるシステム。
【請求項３２】
前記第１の対象物は無線電話システムゲートウェイであり、そして前記第２の対象物は無線電話システムユーザ端末（ＵＴ）である、請求項２９によるシステム。
【請求項３３】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するための方法：
前記第１の対象物から第１の信号を送信する；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信する；
前記第１の信号を受信すると前記第２の対象物から前記第１の対象物へ第２の信号を送信する；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物において受信する；
該第１の信号の該送信と該第２の信号の該受信との間の経過時間を測定する；
前記第１の対象物おいて前記第２の信号に関連した周波数を測定する；及び
前記第１の対象物において前記往復遅延を決定するために、前記第１対象物が前記第１の信号を送信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ１を決定する、前記距離Ｒ１は（ｉ）該測定された周波数、及び（ｉｉ）該測定された経過時間に基づいている。
【請求項３４】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するための方法：
前記第１の対象物から第１の信号を送信する；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信する；
前記第２の対象物において、前記第１の信号に関連した周波数を測定する；
前記第２の対象物から前記第１の対象物へ、該測定された第１の信号周波数の報告を含む第２の信号を送信する；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物において受信する；
該第１の信号の該送信と該第２の信号の該受信との間の経過時間を測定する；及び
前記第１の対象物において前記往復遅延を決定するために、前記第１対象物が前記第２の信号を受信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ２を決定する、前記距離Ｒ２は（ｉ）該測定された第１の信号周波数、及び（ｉｉ）該測定された経過時間に基づいている。
【請求項３５】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するためのシステム：
前記第１の対象物から第１の信号を送信するための手段；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信するための手段；
前記第２の対象物が前記第１の信号を受信すると前記第２の対象物から前記第１の対象物へ第２の信号を送信するための手段；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物において受信するための手段；
前記第１の対象物おいて前記第２の信号に関連した周波数を測定するための手段；
該第１の信号の該送信と該第２の信号の該受信との間の経過時間を測定するための手段；及び
前記第１の対象物において前記往復遅延を決定するために、前記第１対象物が前記第１の信号を送信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ１を決定するための手段、前記距離Ｒ１は（ｉ）該測定された周波数、及び（ｉｉ）該測定された経過時間に基づいている。
【請求項３６】
下記を具備する、相対的に移動する第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するためのシステム：
前記第１の対象物から第１の信号を送信するための手段；
前記第１の信号を伝播遅延Ｄ1 の後に前記第２の対象物において受信するための手段；
前記第２の対象物において、前記第１の信号に関連した周波数を測定するための手段；
前記第２の対象物から前記第１の対象物へ、該測定された第１の信号周波数の報告を含む第２の信号を送信するための手段；
前記第２の信号を伝播遅延Ｄ2 の後に前記第１の対象物において受信するための手段；
該第１の信号の該送信と該第２の信号の該受信との間の経過時間を測定するための手段；及び
前記第１の対象物において前記往復遅延を決定するために、前記第１対象物が前記第２の信号を受信するときの前記第１の対象物と前記第２の対象物との間の距離Ｒ２を決定するための手段、前記距離Ｒ２は（ｉ）該測定された第１の信号周波数、及び（ｉｉ）該測定された経過時間に基づいている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に無線通信システムに関し、そしてさらに明確には、地球軌道衛星と通信するユーザ端末の位置を決定するためのシステム及び方法に関する。なおさらに明確には、この発明はゲートウェイとユーザ端末との間のアクセスチャネル上の往復遅延(round trip delay)を測定するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体電話機位置情報のための無線通信環境においてはますますふえる要求がある。例えば、衛星電話通信の将来性(capabilities)の出現で、順位付け(billing) および／または地理的境界を含む種々の理由に関して、ユーザ端末（移動体電話機）の位置を決定することは重要である。例えば、位置は適切な地上局または通信リンクを提供するためのサービスプロバイダ（例えば、電話会社）を選択するために必要である。サービスプロバイダは典型的に特定の地理的区域を割り当てられ、そしてその区域内に位置しているユーザとのすべての通信リンクまたは呼出し(calls)を扱う。同様の考察は、呼出しが政治的境界または種々の契約関係に基づいてサービスプロバイダに割り当てられねばならないときに発生する。
【０００３】
特に人が位置情報の重要性を見ることができる１つの産業は商業トラック輸送(trucking)業である。商業トラック輸送業または配達事業では、車両位置決定の効率的かつ正確な方法に対する需要がある(in demand) 。車両位置情報への間断のない(steady)アクセスで、トラック輸送会社は幾つかの利益を獲得する。トラック輸送会社は位置、ルート及び有料積載物(payloads)の推定到着時刻を通知された顧客を確保して(keep)おくことができる。トラック輸送会社はまた、最も経済的に効率的な経由路(routing paths) 及び手順を決定する経路決定の有効性についての経験的なデータと共に車両位置情報を使用することができる。  従来(in the past) 、車両位置情報はトラック運転手自身によって、彼等が目的地及び途中下車地に到着したとき、電話により、トラック輸送会社のホームベースに連絡されていた。それらはトラックドライバが目的地または途中下車地に到着し、そしてトラック輸送会社のホームベースに電話する時間がとれる時にのみ生じるので、これらの位置報告はよく見ても間欠的(intermittent at best)である。これらの位置報告はまた、事実上(in effect) それらが貨物運送車両の実質的な中断時間(down time) を引き起こすので、トラック輸送会社にとっては全く損失が大きい(costly)。この中断時間は、位置報告を行うために、トラクタドライバが彼の車両をルートから移動し、彼がホームベースに電話するために使用できる電話機を見付けねばならず、そして位置報告を行うために時間を要するという事実に帰する。位置報告のこの方法はまた本質的な誤り(inaccuracies)の余地(room)を残す。例えば、トラックドライバは誤ってまたは故意のいずれかで不正確な情報を報告するかもしれないし、または到着及び出発の時刻の誤った推定値を報告するかもしれない。
【０００４】
現在、商業トラック輸送業は彼等の貨物牽引トラクタ内での使用のため多方面に(versatile) 移動通信端末を使用している。これらの端末はトラック輸送会社のホームベースとトラックとの間の双方向通信を供給することができる。典型的に、通信はトラックとネットワーク通信センタまたはハブ(hub) との間の衛星経由である。
【０００５】
車両位置決定を行うために各移動端末の無線通信能力を使用することは商業的トラック輸送業に大きな利益を提供する。トラック輸送会社のホームベースは随意に(at will) 車両を配置するので、位置報告書はもはや間欠的ではない。位置を決定するために必要な通信はトラックが途中に(en route)いる間に起こるので、いかなる貨物牽引車両の中断時間も必要がないであろう。また、トラック輸送会社のホームベースはほとんど即時に正確な車両位置情報を確かめるので、位置報告書における誤りは事実上除去されるであろう。
【０００６】
しかしながら、衛星と車両との両方がそれらの位置を連続的に変更するときには、車両またはユーザ位置を供給するために移動体端末で無線通信能力を使用することは困難である。それは、低または中地球軌道周回(orbiting)（ＬＥＯまたはＭＥＯ）衛星が信号転送のために使用されるときであり、そしてユーザまたは車両が急速にまたは頻繁に位置を変更するときである。衛星の軌道及び車両の動きのために、それらの間の広がり(range) は連続的に変化する。これは衛星と移動体電話機、そして結局地表上の電話機の位置との間の広がりを正確に測定することを困難にする。この問題は下記の相互に通信する２つの対象物(objects) を含む１例においてさらに検討される。
【０００７】
一般に、相互に通信する２つの対象物間の広がりは、次の方法で決定することができる。第１の対象物は第１の信号を送信して、送信の時刻を書き留める(notes) 。第２の対象物は第１の信号を受信して、直ちに第２の信号を送信する。第１の対象物は第２の信号を受信して、第１の信号の送信と第２の信号の受信との間の総経過時間を書き留める。その後第１の対象物は往復遅延ＲＴＤを関係式ＲＴＤ＝ｃＤ／２から決定する、ここでｃは光速でありＤは第１の信号の送信と第２の信号の受信との間の総経過時間である。２つの対象物間の広がりはその後ＲＴＤから決定することができる。
【０００８】
不運にも、この単純な関係式（ＲＴＤ＝ｃＤ／２）は、もし（ａ）２つの対象物が固定位置を有しており、そして（ｂ）送信及び受信の両ユニットの発振器が既知で安定である時だけ正確なＲＴＤの値をもたらす。換言すれば、もしも対象物の１つが他の対象物に対して相対的に移動しているか、および／または送信機の１つの発振器が本質的に不安定であれば、単純な関係式は正確な結果をもたらさない。このように、もしも第１の対象物が軌道周回通信衛星のような移動対象物であり、そして第２の対象物が車載の移動体電話機のようなもう１つの移動対象物であれば、この関係式は正確な結果をもたらさない。衛星の軌道及び移動体電話機の移動のために、２つの間の広がりは時間周期Ｄの間に変化する。このシナリオでは、Ｒ1 は衛星が第１の信号を送信する時の衛星と移動体電話機との間の広がりであり、そしてＲ2 は衛星が第２の信号を受信する時の広がりである。言うまでもなく、移動体電話機と衛星との間の現実の広がりＲ1 とＲ2 とを決定することは困難である。広がりはゲートウェイと移動体電話機との間の信号の往復遅延ＲＴＤの関数として決定することができる。したがってメカニズムはＲＴＤを正確に決定する必要がある。  以前は、わずかに異なる２つの時間(time instances)にある衛星から移動体電話機への広がりであるＲ1 またはＲ2 のいずれかを、それらの合計を含む測定結果から正確に決定することができなかったので、移動体電話機の位置を効果的に決定することは困難であった。もしもＲ1 またはＲ2 を効果的に決定する方法が提供されるならば、移動体電話機の位置を決定することはできるであろう。Ｒ1（またはＲ2 ）、及び広がり速度(range-rate)と等しいところの絶対ドップラーを使用して移動体電話機の位置を決定することができる。広がり速度を決定することに使用可能な、真実のドップラーを獲得することは、１９９８年９月９日出願の関連特許出願番号０９／１５０，５００、標題“衛星通信システムにおける正確な広がり及び広がり速度決定（Ａｃｃｕｒａｔｅ  Ｒａｎｇｅ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｅ  Ｒａｔｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）”の主題であり、これは引用されてここに組み込まれる。その開示の技術はこの中に（内部の式１８参照）簡単に記述されているだけである。このように、Ｒ1 及びＲ2 を決定することの重要な結論は、それから移動体電話機の位置を得ることが可能であるだろうということである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対的に移動する、衛星及び移動体電話機のような、第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定するためのシステム及び方法に向けられる。この発明の１局面では、第１の信号は第１の対象物から第２の対象物に送信される。第１の信号は伝播遅延Ｄ1 の後に第２の対象物において受信され、遅延Ｄ1 は第１の信号が第１の対象物から第２の対象物に伝搬する(traverse)のに必要とされる時間である。第１の信号の周波数は第２の対象物で測定される。第２の対象物はその後測定された第１の周波数の報告を含む第２の信号を第１の対象物に送信する。第２の信号は伝播遅延Ｄ2 の後に第１の対象物において受信され、Ｄ2 は第２の信号が第２の対象物から第１の対象物に伝搬するのに必要とされる時間である。第１の対象物は第２の信号の周波数を測定する。第１の対象物はその後測定された遅延と第１及び第２の信号の測定された周波数とから往復遅延を決定する。
【００１０】
もう１つの局面では、この発明は、第１の信号が第１の対象物から送信されるところの相対的に移動する、第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定することに向けられる。第１の信号は伝播遅延Ｄ1 の後に第２の対象物において受信される。第２の対象物はその後第２の信号を第１の対象物に送信し、それは伝播遅延Ｄ2 の後に第１の対象物において受信される。第２の信号の周波数は第１の対象物において測定される。第１の対象物はその後測定された遅延と第１の信号周波数とから往復遅延を決定し、この往復遅延は第２の信号によって伝搬された広がりの関数である。
【００１１】
なお先の局面では、この発明は、第１の信号が第１の対象物から送信されそして伝播遅延Ｄ1 の後に第２の対象物で受信されるところの相対的に移動する、第１及び第２の対象物の間で送信された信号の往復遅延を決定することに向けられる。第２の対象物は第１の信号から周波数を測定しそして測定された第１の信号周波数の報告を含む第２の信号を第１の対象物に送信する。第２の信号は伝播遅延Ｄ2 の後に第１の対象物で受信される。第１の対象物はその後第１の信号周波数から往復遅延を決定し、この往復遅延は第２の対象物から第１の対象物への第２の信号の伝播の間に経験された遅延の関数である。
【００１２】
この発明の種々の実施例の構成(structure) 及び動作はもちろん、本発明のさらなる特徴及び長所は、添付の図面を参照して下に詳細に記述される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は添付の図面を参照して記述されるであろう。図面では、類似の参照番号は通常同一の、機能的に同様な、および／または機構的に同様な要素を示す。１つの要素が最初に現れる図面は参照番号において最も左の数字(leftmost digit(s)) によって示される。
【００１４】
１．概論及び発明の検討
移動体電話通信システムでは、そして特に衛星電話システムでは、移動体電話機ユニット（またはユーザ端末）の位置を決定することが望ましくそして重要である。ユーザ端末位置情報についての要望は幾つかの考察から生ずる(stems) 。まず、ユーザ端末の位置は、そのユーザが位置する地理的領域を決定し、そしてそれはどのサービス会社がその領域内のユーザに通信サービスを供給するかを決定する。このように、ユーザ端末の位置を決定することは、適切なサービスプロバイダがユーザに通信サービスを提供することについての順位付けクレジット(billing credit)を受け取ること、契約したサービスまたは特徴(features)が供給されること、あるいは最も適切な地上局が使用されることを保証するために(to ensuring) 欠くことができない(pre-requisite) 。
【００１５】
政治上の境界に基づく地政学上の問題(issues)も存在する状況では考慮に入れなければならない。国＃１と国＃２とが敵意のある隣人である下記のシナリオを考慮されたい。ユーザ端末はサービスプロバイダが通信サービスを提供する国＃１内で動作する。もしも、国＃２内のサービスプロバイダがサービスについての順位付けクレジットを誤って受け取ると、誤って記入された(credited)金額を国＃２から国＃１に移すことは困難であるかもしれない。もしも２国間を旅行するユーザのためのサービスについて種々の契約関係があれば、適切なサービスレベル、ユーザの現在位置等を提供することもまた困難であるかもしれない。
【００１６】
位置決定への１つの従前のアプローチは米国海軍のトランジット・システム(TRANSIT system)によって使用されたものである。このシステムでは、ユーザ端末は低地球軌道（ＬＥＯ）衛星によって報知された信号の連続ドップラー測定を実行する。測定は数分間続く。システムは通常、１００分以上の待ち合わせを要して、衛星の２度の通過を必要とする。さらに、位置計算がユーザ端末によって実行されるので、衛星はそれの位置（また“天体暦(ephemeris) ”としても知られている）に関する情報を報知しなければならない。トランジット・システムは（１メートルのオーダでの）高精度が可能であるが、位置を確立するのに必要な遅延は商業衛星通信システム内での使用にとっては受け入れられない。
【００１７】
もう１つの従前のアプローチはアルゴス(ARGOS) 及びサルサット(SARSAT)（捜索救助衛星(Search and Rescue Satellite) ）・システムによって使用されたものである。このアプローチでは、ユーザ端末は間欠ビーコン信号を衛星上の受信機に送信し、この受信機は信号の周波数測定を行う。もしも衛星が４ビーコン信号以上をユーザ端末から受信すると、それは通常ユーザ端末の位置について解決する(solve) ことができる。ビーコン信号は間欠的であるので、ＴＲＡＮＳＩＴシステムによって実行されたもののような、拡張ドップラー測定は利用できない。
【００１８】
もう１つの従前のアプローチはグローバル・ポジショニング・システム(Global Positioning System) （ＧＰＳ）によって使用されたものである。このアプローチでは、各衛星は衛星の天体暦を含む時―刻印(time-stamped)信号を報知する。ユーザ端末がＧＰＳ信号を受信すると、ユーザ端末はそれ自身のクロックに関係のある送信遅延を測定しそして送信衛星の位置への疑似の広がり(pseudo-range)を決定する。ＧＰＳシステムは２次元測位(two-dimentional positioning) 用の３つの衛星、及び３次元測位用の第４の衛星を必要とする。
【００１９】
ＧＰＳアプローチの１つの不便なこと(disadvantage)は少なくとも３つの衛星が位置決定のために必要なことである。ＧＰＳアプローチのもう１つの不便なことは、計算がユーザ端末により実行されるので、ＧＰＳ衛星はそれらの天体暦情報を報知しなければならず、そしてユーザ端末は必要な計算を行うために計算資源を所有しなければならないことである。
【００２０】
上述したすべてのアプローチの不便なことは、これらのアプローチを使用するために、通信システムよって要求されるもののほかに、ユーザ端末は別々の送信機または受信機を持たねばならないことである。これらの理由により、衛星通信環境内の多くは急速な位置決定ができる位置決定システムの必要性が認められていた。また、衛星及びユーザ端末で最小の追加資源を有してユーザ端末の位置を正確に決定する低コストの位置決定システムの必要がある。
【００２１】
衛星通信システムでは、移動体ユーザ端末の位置は衛星と移動体ユーザ端末との間の広がり及びその広がりの変化率(rate of change)の関数として決定することができる。両者はゲートウェイ（固定地上局トランシーバ）から衛星インターフェイス経由で移動体ユーザ端末に送信されそしてゲートウェイに返送された信号の往復遅延、移動体ユーザ端末で行われた周波数測定値、及びゲートウェイで行われた周波数測定値の関数である。地球周囲の軌道内の衛星の動き及び地表上の移動体電話機の動きのため、２つの間の距離または広がりは連続的に変化する。
【００２２】
ユーザ端末と衛星との間の幾何学的関係における変化への最大の寄与は衛星の運動のためである。ＬＥＯ衛星は時速１６，０００マイルまたは秒速約４．４マイルのオーダの軌道速度で進行する。これとは対照的に、ユーザ端末は時速６０マイル以下（秒速約８８フィート）の代表的地上速度で進行する。ユーザ端末の位置の変化は衛星位置における変化と対比して非常に小さいのでユーザ端末の位置の変化は実際上無視できる。しかしながら、この相対運動のため、移動体電話機（またはユーザ端末）と衛星との間の距離を正確に測定することは困難である。その結果として、移動体電話機の位置を決定することは困難である。これは移動体電話機の位置を正確に決定する必要性がある無線通信システムに１つの問題を引き起こす。
【００２３】
本発明はこの問題への１つの解を提供する。本発明はゲートウェイと移動体電話機との間で送信された信号の往復遅延を決定するための方法を提供する。この情報から移動体電話機と衛星との間の距離または広がりを決定することができる。本発明の重要な結論は、それが移動体電話機の位置を続けて(subsequently)正確に決定するための方法も提供することである。
【００２４】
本発明の効用が衛星及び移動体電話機に限定されないことは注意されなければならない。実際、広い意味で、本発明は相互に通信するいかなる２つの移動対象物の間の広がりを決定するためにも使用することができる。
【００２５】
２．実例環境
この発明を詳細に記述する前に、この発明が実施できる実例環境を記述することは有用である。広い意味で、この発明は種々様々な通信システムで実施することができる。１つのそのような通信システム１００が図１に示される。特に、図１は軌道パスＯ内を動いている衛星１０４を示す。移動局、電話機、またはユーザ端末１０８は地球Ｅの表面にまたはその近くに実際上位置している。移動体電話機１０８はセルラ電話機、あるいはデータまたは位置決定トランシーバのような、しかしそれに限定されない、そして望まれるように手持ちまたは車載される、無線通信装置を含む。しかしながら、この発明の教えは位置決定が望まれる固定ユニットに適用されてよいこともまた理解される。衛星は、ゲートウェイ（ＧＷ）と呼ばれる固定地上局１１２を通して、ユーザ端末（ＵＴ）と呼ばれる移動体電話機１０８へ信号を送信し、そして移動体電話機から信号を受信する。
【００２６】
図１は動的環境での衛星１０４と移動体電話機１０８との間の距離を測定することに関連する難しさを説明するために示される。この動的環境は衛星１０４のそれの軌道Ｏ内の動きとＵＴ１０８の地表上の動きとによって引き起こされ、そこでは衛星１０４とＵＴ１０８との間の距離は連続的に変化する。これはそれらの間の距離及び結局ＵＴ１０８の位置を正確に測定することを困難にする。
【００２７】
この実例環境及び下文では、ゲートウェイ１１２は衛星１０４経由でＵＴ１０８と通信する。時刻ｔ-1で、ゲートウェイ１１２は順方向アップリンク(uplink)ページング信号Ｓfuを衛星１０４に送信する。この時刻をｔ-1と呼ぶ理由は下で明確になるであろう。時刻ｔ0 で、衛星１０４内の回路は信号Ｓfuを順方向ダウンリンク(downlink)信号Ｓfdに変換し、そしてそれをＵＴ１０８に送信する。ＵＴ１０８は信号Ｓfdを時刻ｔ1 で受信する。ＵＴ１０８は衛星１０４によって時刻ｔ2 で受信されるところの逆方向アップリンク信号Ｓruを直ちに送信する。衛星１０４は信号Ｓruをその後ゲートウェイ１１２に送信し、それがゲートウェイ１１２によって時刻ｔ3 で受信されるところの逆方向ダウンリンク信号Ｓrdに変換する。信号ＳfuとＳfdとは１またはそれ以上のページングチャネル上に送信される。信号ＳruとＳrdはユーザ端末がゲートウェイに“アクセス”するためにり使用されるアクセスチャネル上を送信される。ユーザ端末はゲートウエイにアクセスしシステムに登録し、呼び出しを行い(place a call)、あるいはアクセスメッセージを含むデータをアクセスチャネル上で送信することにより、ゲートウェイによって送られたページング要求を承認する。
【００２８】
時刻ｔ0 とｔ2 との間の経過時間周期の間、すなわちｔ2 −ｔ0 の間、衛星１０４はその位置を変更した。ＵＴ１０８もまたその位置を変更したかもしれない。しかしながら、上述した理由によって、ＵＴ１０８の位置変更は無視されるかもしれない。結果として、ＵＴ１０８と衛星１０４との間の広がりはＲ1 からＲ2 に変化する。上に注意したように、位置の変更に関する最大の寄与は軌道内の衛星の動きに帰される。
【００２９】
本発明はこの実例環境との関係で(in term of)記述される。この関係における記述は便宜上のものである。この発明がこの実例環境における適用に限定されるものではない。実際、次の記述を読んだ後には、関連技術における熟練者には代替環境におけるこの発明の実施の仕方が明確になるであろう。
【００３０】
３．本発明
この発明では、ゲートウェイ１１２はページング信号Ｓfuを周期的な間隔で送信する。この発明の目的上、信号Ｓfuはゲートウェイ１１２によって時刻ｔ-1で送信されそして衛星１０４によって時刻ｔ0 で受信されるものと考える。ゲートウェイ１１２にある(located) 送信機は衛星１０４とゲートウェイ１１２との間の相対運動によるドップラーシフトを補償するために順方向リンク信号Ｓfuの周波数を事前補正する(pre-corrects)。ゲートウェイ１１２に対する衛星１０４の相対運動はよく知られているために、信号が衛星１０４に到達したときその信号が相対運動により何かのドップラーシフトを経験したことを表わしていない(not appear)ように、信号は補償される。言い換えれば、信号Ｓfuはこのドップラーシフトを補償するために送信機によって事前補正される。
【００３１】
さらに、ゲートウェイ１１２で送信機は信号Ｓfuのタイミングを事前補正する。５乃至１５ｍｓのオーダの信号遅延は、ゲートウェイ１１２からの送信時刻と衛星１０４による受信時刻との間間で起こり得る。同様の遅延は衛星１０４とＵＴ１０８との間で送信される信号において発生する。順方向リンクでは、信号Ｓfuのタイミングのみが事前補正される。信号Ｓfuのタイミングは、信号が既知のタイミングを有しまたは衛星時刻(satellite time)と呼ばれる既知の時刻に衛星に到着するように、連続的に調節される。このように、ゲートウェイ送信機は、信号がゲートウェイと衛星との間の距離には無関係な所定の時刻に衛星において同期されるように、衛星１０４に送信される信号Ｓfuのタイミングを調節する。
【００３２】
タイミングを事前補正することの１つの結果は、伝播遅延内の変動によるユーザ端末でのタイミングの不確定性(uncertainty) が減少されることである。順方向リンク信号のアップリンク部のタイミングは既知であるので、伝播遅延による不確定性のみが順方向リンクのダウンリンク部で発生する。このように、タイミングを事前補正することによって、順方向リンク信号内のタイミングの不確定性はおよそ半分まで減少される。
【００３３】
周波数およびタイミングへの類似の事後補正(post-correction) の調節が、衛星１０４からゲートウェイ１１２に送信される信号Ｓrdになされる。しかしながら、衛星１０４とＵＴ１０８との間の広がりが既知ではないので、システムは信号ＳfdまたはＳrdを事前補正できない。
【００３４】
ＣＤＭＡシステムにおいて、信号のタイミングを連続的に事前補正及び事後補正することは、ＰＮ拡散符号シーケンス内の各符号がゲートウェイと衛星との間の距離には無関係に他の衛星またはゲートウェイと同時にいかなる特定の衛星またはゲートウェイにも到着する結果となる。言い換えれば、衛星での順方向リンク信号のアップリンク部及びゲートウェイでの逆方向リンク信号のダウンリンク部はいかなる符号ドップラーも示さない。したがって、望ましくは、衛星１０４で受信される信号は、恰もそれがゲートウェイ１１２から同時に送信されたかのように(as though) 衛星１０４によって実際上見られるように、信号Ｓfuはドップラー及び時刻について事前補正される。このように衛星１０４が信号Ｓfuを受信する時刻は時刻ｔ0 として示される。
【００３５】
信号の事前補正及び事後補正は米国特許出願番号０８／７２３，４９０、標題“非静止衛星通信システムのための時刻及び周波数補正  （Ｔｉｍｅ  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  Ｆｏｒ  Ｎｏｎ−Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）”、１９９６年９月３０日、エス・クレム（Ｓ．Ｋｒｅｍｍ）名で出願、に詳細に記述され、その開示は引用されてそのままここに組み込まれる。
【００３６】
上に注意したように、ゲートウェイ１１２は搬送波変調信号Ｓfuとしてのメッセージを衛星通信システムのページングチャネル上に時刻ｔ-1で送信する。このメッセージは少なくともゲートウェイ１１２によって実行された事前補正について調節されたメッセージの送信時刻を含む。衛星１０４は搬送波変調信号Ｓfdを時刻ｔ0 で送信する。信号ＳfdはＵＴ１０８により時刻ｔ1 で受信される。信号Ｓfdの受信で、ＵＴ１０８は直ちに搬送波変調応答メッセージを信号Ｓruとして送信する。応答メッセージはゲートウェイ１１２によって往復遅延を決定するために使用されるべき情報を含む。応答メッセージに含まれる情報の重要な一部はＵＴ１０８によって認められた(perceived)ような信号Ｓfdの受信時刻である。しかしながら、この時刻情報はゲートウェイ１１２によって直接使用することはできない。ＵＴ１０８での信号Ｓfdの受信時刻はＵＴ１０８内の局部発振器により供給される信号に基づいたローカルユーザ端末時刻に従って測定される。問題はＵＴ１０８内の局部発振器が本質的(inherently)に不安定または変化しやすいことである。すなわち、コストを下げそして回路を簡単にするために、ＵＴ発振器は比較的安く、そして出力信号内に及びそのような信号に基づいていかなる時刻測定にもエラーを生じ、それらを不正確にするドリフト(drift) 及び他の変動を受ける傾向がある。ＵＴ１０８内の水晶発振器は１０ｐｐｍのオーダの周波数エラーを有するかもしれない。これは時刻測定に重要なエラーを持ち込み得る。
【００３７】
ＵＴ１０８によって信号Ｓru上で送信された応答メッセージは衛星１０４で時刻ｔ2 に受信され、そしてゲートウェイ１１２で信号Ｓrdとして時刻ｔ3 に受信される。応答メッセージは、、ＵＴ１０８がゲートウェイ１１２により送られた送信メッセージを受信した時刻についての情報を含む。その時刻はＵＴ１０８により感知される。。ゲートウェイ１１２は、それが信号Ｓrd内に含まれる情報の測定結果を時刻ｔ4 に取る前に、信号Ｓrdを受信し始めた後の１周期の時間の間待機する。ゴールはメッセージの開始後にできるだけ長く待つことである。時刻追跡回路は待ち合わせが長ければ長いほどより堅実に(solidly) ロック(locks) するので、より正確な測定を保証する。
【００３８】
信号Ｓrd内のメッセージのタイミングを測定し始めるのに余りに長く待機することには問題がある。ＵＴ１０８はＵＴ１０８が時刻を感知する時点でその送信を開始できる。しかしながら、ＵＴ１０８はそれのメッセージを組み立て、そしてこのメッセージ内に信号Ｓfd内のメッセージを受信した時刻と信号Ｓrd上の応答メッセージの送信を開始する時刻とを設定しなければならない。応答メッセージに入れられるものはＵＴ１０８が信号Ｓrd上のメッセージを受信した時刻ＴRXである。これはＵＴ１０８が信号Ｓru上にそのメッセージを送信する時刻ＴTXに等しい。
【００３９】
ＵＴ１０８によって発生される応答メッセージはある複数の特性を有する。１つはデータがあるレート(rate)でクロックアウト(clocked out) されることである。もう１つの特性は情報信号が搬送波周波数上で変調されることである。両特性はＵＴ１０８内の同じ本質的にエラーしやすい水晶発振器から導き出される。もしゲートウェイ１１２がＵＴ１０８によって発生された信号の周波数を測定でき、そしてその周波数が何であるべきかを決定でき、そして測定によってその周波数が実際に存在することをゲートウェイ１１２が知るならば、その後ゲートウェイ１１２は周波数測定値の差に基づいてＵＴ１０８の局部発振器の特性を決定することができる。今、信号ＳruとＳrd上に送信されたデータをクロックするためにも使用されているところのＵＴ１０８の局部発振器についての情報を知って、ゲートウェイ１１２はその情報をＵＴ１０８によって送信されたメッセージの真実の長さを決定するために使用することができる。この情報から、ゲートウェイ１１２はその後ＵＴ１０８によって送信されたメッセージの実際の開始のより良い推定(estimate)を決定することができる。
【００４０】
本発明の特徴は、ＵＴ１０８から受信した信号上で作られる周波数測定値をゲートウェイ１１２が使用でき、そしてＵＴ１０８がそのメッセージを送信し始めた実際の時刻の最良の推定を決定するために測定された周波数を理論的搬送波周波数と比較できるという認識である。しかしながら、それだけでは、この測定はＵＴ１０８の位置を正確に決定するために必要な情報を提供しない。ＵＴ１０８によって送信された信号の周波数を単に測定することは、その軌道内の衛星１０４の運動によって引き起こされるドップラー効果を考慮に入れていない。ドップラー効果は送信信号の周波数とは異なる受信信号の周波数を引き起こす。その上、信号Ｓfd，Ｓru及びＳrdのそれぞれはドップラーによる影響を受ける。ドップラー自身は変化する。これはこの発明のアルゴリズムまたは方法工程を満すことができるか、または無視することができるかのいずれかの２次的効果を形成する。本発明の方法及びシステムは、位置決定のために必要な１組の測定値を作成する。本発明はある瞬間時でのＵＴ１０８と衛星１０４との間の距離を決定するためにＵＴ１０８の内部クロックタイミングにおけるエラーを補償する。このことから、ＵＴ１０８の位置をその後決定することができる。ゲートウェイ１１２は時刻ｔ4 にＵＴ１０８から受信された信号を測定し始める。ゲートウェイ１１２はその後ＵＴ１０８から受信されたメッセージの長さを測定する。ゲートウェイ１１２はその後受信メッセージの開始時刻を決定するために測定値の時刻からメッセージの長さを減算する。この測定値は受信信号の正確な開始／受信時刻ｔ3 を供給する。この情報から、衛星１０４とＵＴ１０８との間の距離を計算することができる。
【００４１】
行われるもう１つの測定はゲートウェイ１１２で受信された信号の搬送波周波数である。ドップラーについての補正によって、ＵＴ１０８の送信周波数はその後決定することができる。
【００４２】
要約して、下記の情報は既知であるかあるいは計算または推定可能かのいずれかである：
１．ゲートウェイ１１２で受信された信号Ｓrdの周波数は測定可能  である。
【００４３】
２．ゲートウェイ１１２と衛星１０４との間の距離は良好な近似値  で既知である。
【００４４】
３．ゲートウェイ１１２から衛星１０４への信号Ｓfuの周波数は既  知である。
【００４５】
４．ゲートウェイ１１２と衛星１０４との間のドップラーは既知で  ある。
【００４６】
５．衛星１０４での信号Ｓruの周波数は上の既知または測定された  情報から計算可能である。
【００４７】
６．衛星１０４からＵＴ１０８への信号Ｓfdのドップラーは合理的  に推定可能である。
【００４８】
前述の既知の、測定できるまたは合理的に推定できる情報から、それはＵＴ１０８の送信周波数を推定するために補正し戻す(correct back)ことができる。
【００４９】
衛星１０４は順方向アップリンク周波数を順方向ダウンリンク周波数に翻訳するための、そして逆方向アップリンク周波数を逆方向ダウンリンク周波数に翻訳するためのトランスレータを含む。これらの周波数は本例のシステムでは異なるものであると仮定される一方で、なおドップラーを受けるあろう翻訳処理を簡単化するある通信システムの設計ではそれらは同じであることができる。衛星ではトランスレータは名目上の周波数ばかりでなく、それはドップラー周波数をも翻訳する。このように、翻訳される実際の周波数は名目上プラスドップラーの（ｆn ＋ｆd ）である。
【００５０】
本発明は主として、衛星が周波数トランスレータを有する“ベントパイプ(bent pipe) ”としてのみ働く環境で動作することを意図する。この発明と共に使用を期待される衛星は、ドップラーに対する補正のようなタスクを達成するためにそれらの中に構築された知能を持たない。さらに、逆方向アップリンク及び順方向ダウンリンク周波数上でドップラーを補正することは衛星にとって困難である。これは衛星がユーザ端末の位置を知らないからである。その上、衛星は複数のユーザ端末から信号を受信しそして同時にそれらに信号を送信している。たとえユーザ端末の位置が既知であったとしても、衛星は複数のユーザ端末へ及びそれらからの各同時送信(concurrent transmission) に関してドップラーを補正しない。アップリンク及びダウンリンク信号の１つまたは両方でのドップラーに対して補正するために知能を有する衛星システム内に本発明の技術を使用することが望まれる関連したアルゴリズム内で適切な変更を行うことは、関連技術分野の熟練技術者には明白であるだろう。
【００５１】
図２は順方向ダウンリンク及び逆方向アップリンク信号のタイミング図である。図において、点ｔa は順方向ダウンリンク信号のタイミング点を示し、この信号は、往復信号遅延を決定するためにゲートウェイ１１２によって使用されるべき応答信号のその送信をＵＴ１０８が始めるマーカとして、ＵＴ１０８によって選択される。タイムマーカｔa はゲートウェイ１１２によって発生され、そして信号Ｓfu及びＳfd内のその時間位置(temporal position）はゲートウェイによって既知である。マーカｔa は信号Ｓfdの部分として衛星１０４から送信され、そして遅延Ｄ1 の後ＵＴ１０８で受信される。遅延Ｄ1 は衛星１０４とＵＴ１０８との間の距離の関数である。ＵＴ１０８によるマーカｔa の受信で直ちに、そして異なるＵＴからの信号間の衝突を避けるために約２００ミリ秒以上でないオーダで小ビルトイン(built in)遅延Ｄr を受けさせ(subject) 、ＵＴ１０８は応答信号をその逆方向アップリンクチャネルに送信し始める。
【００５２】
種々のアクセス信号フォーマットが使用可能である一方で、ＵＴ１０８によって送信されたアクセス信号のための望ましい構造は３部分：予備プリアンブル（ブロックＡ）、主プリアンブル（ブロックＢ）、及びデータブロック（ブロックＣ）を含む。従って、各アクセスメッセージはプリアンブルアドレス部（図２内のブロックＡ及びＢ）とデータ部（図２内のデータブロックＣ）に分割される。各メッセージプリアンブル部の送信は、ゲートウェイにそれの追跡回路を調整させ、そしてデータ部の到着前に受信信号と同期させるために所定の時間周期によるデータ部の送信の先に起こる。このタイプの信号の使用は、米国特許出願番号０９／０９８，６３１、標題“アクセス送信のための迅速な信号の獲得及び同期（Ｒａｐｉｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｆｏｒ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）”、１９９８年６月１６日出願、において詳細に検討され、その開示は引用されてそのままここに組み込まれる。
【００５３】
信号Ｓruは衛星１０４で時刻ｔm に受信される。これはプリアンブル（ブロックＡ及びＢ）の末尾が衛星１０４によって受信される点である。遅延周期Ｄ2 は時刻ｔm での衛星パス遅延に等しく、これはＵＴ１０８と衛星１０４との間の距離による送信時間における遅延である。プリアンブルブロックＡ及びＢとデータブロックＣとから成る信号は実際にゲートウェイ１１２で受信される。しかしながら、ゲートウェイ１１２はいつでも(at any one time) 衛星の正確な位置を知っているので、ゲートウェイ回路は信号ＳruのプリアンブルブロックＡ及びＢの末尾が衛星１０４で受信された時を決定するために逆方向ダウンリンク信号Ｓrd上で事後補正を行うことができる。データブロックＣはタイムマーカｔa についての情報を含む。ゲートウェイ１１２もまたブロックＡ及びＢの長さを知っている。ゲートウェイ１１２はギャップＤ1 またはＤ2 の長さあるいはＵＴ１０８によって送信された信号の周波数を知らない。
【００５４】
さらに、ゲートウェイ１１２はドップラー周波数を考慮に入れなければならない。ＵＴ１０８から衛星１０４への送信コースに渡ってドップラーは意味のある変化はしないと仮定してよい。
【００５５】
本発明に従って、ゲートウェイ１１２はページングチャネルに信号を送信する。この信号は伝播遅延Ｄ1 の後にＵＴ１０８によって受信される。ゲートウェイ１１２とＵＴ１０８との間の信号によって伝搬される(traversed) 距離は順方向距離と呼ばれる。
【００５６】
ＵＴはアクセスメッセージのプリアンブル部を、アクセス信号の衝突を避けるために所定のガードインターバルＤ′r の後に送信する。プリアンブル部は伝播遅延Ｄ2 の後にゲートウェイ１１２によって受信される。ＵＴ１０８と衛星１０４との間のプリアンブル部によって伝搬される距離は逆方向距離と呼ばれる。
【００５７】
ＵＴ１０８がゲートウェイによって送信された信号を受信すると、それは送信されたゲートウェイ信号から第１の周波数を測定し、その測定値をアクセスメッセージのデータ部内のゲートウェイ１１２に中継し返す。あるいはまた 、複雑さを減らして処理を簡単化するために、ＵＴは内部発振器周波数から受信信号の相対オフセットを測定し、この測定されたオフセットをデータとしてゲートウェイに供給する。ゲートウェイ１１２はデータ部から第２の周波数を測定する。
【００５８】
１つのゴールはＤmeasについて解決することであり、Ｄmeasはプリアンブル部の末尾が受信されると期待される時刻ｔb とプリアンブル部の末尾が衛星１０４で実際に受信されるときの時刻ｔm との間の測定された遅延である。
【００５９】
本発明は４つの別々ではあるが関連のある方法に分類できる。方法１はＵＴとゲートウェイの両方で周波数測定を要する高精密度の実施であり、ゲートウェイでのアクセススロットの開始に相当する時間値で衛星をＵＴレンジに与える(yields)。方法２は方法１の、より低い精度での近似である。方法２は周波数測定をゲートウェイにのみ要求する。方法３はＵＴとゲートウェイの両方で周波数測定を要する高精密度の実施であり、プリアンブル部（ｔm ）の末尾がゲートウェイで受信される時間値で衛星をＵＴレンジに与える。方法４は方法３の、よ低い精度のバージョンである。方法４は周波数測定をＵＴにのみ要求する。これらの方法は、下記のインデックスを引用して、下で詳細に検討される：
ｔa ＝衛星１０４での（そして事前補正の結果として、ゲートウェイ１１２での）ページングチャネル上のアクセスプローブの開始。
【００６０】
ｔb ＝ｔa ＋Ｄba
ｔm ＝衛星１０４での（そして事後補正の結果として、ゲートウェイ１１２での）測定値。
【００６１】
Ｄba＝信号Ｓruのプリアンブルの所定の期間(duration)（例えば、アクセスプローブのプリアンブルブロックＡ及びＢの名目上の長さ）。
【００６２】
Ｄ′ba＝ＵＴクロックエラーによるエラーと共に発生されたような信号Ｓruのプリアンブルの所定の期間。
【００６３】
Ｄr ＝（衝突回避のための）ＵＴ１０８での信号Ｓfdの受信と信号Ｓruの送信開始との間のランダム遅延。
【００６４】
Ｄ′r ＝クロックエラーのためＵＴ１０８により実際に発生されたようなランダム遅延。
【００６５】
Ｄ1 ＝ｔa での衛星−ＵＴパス(path)遅延
Ｄ2 ＝ｔm でのＵＴ−衛星パス(path)遅延（衛星−ゲートウェイ遅延は既知で事前補正される）。
【００６６】
ｆF ＝衛星からＵＴに送信された名目上の搬送波周波数（“順方向周波数”として知られる）
ｆR ＝ＵＴから衛星に送信された名目上の搬送波周波数（“逆方向周波数”として知られる）
ｆoffset＝周波数ｆF でのＵＴの周波数オフセット
ｆD ＝周波数ｆF のドップラーシフト
ｆD ／ｆ0 ＝正規化されたドップラー周波数
Ｄmeas＝プリアンブル部の予期された末尾とプリアンブル部の実際に受信された末尾との間で測定された遅延。
【００６７】
Ｒ1 ＝Ｒsat-UT（ｔa ）、（ｔa ）はゲートウェイ１１２でよく定義される時間値である。
【００６８】
Ｒ2 ＝Ｒsat-UT（ｔm ）、ゲートウェイ１１２が受信したプリアンブル部の末尾を確認するとき、（ｔm ）もまたゲートウェイ１１２でよく定義される時間値である。
【００６９】
【数１】
0004602562.tif 000002
（レンジレートは一定と推定される）
ｃ＝光速
方法１
今図２を参照して、時刻ｔa で、衛星１０４は信号Ｓfdをページングチャネル上に送信する。ＵＴ１０８は信号Ｓfdを遅延周期Ｄ1 の後に受信する。衛星−電話器パス遅延としても知られる、Ｄ1 は関係
Ｄ1 ＝Ｒ1 ／ｃ
ここでＲ1 ＝信号Ｓfdの送信時刻での衛星１０４とＵＴ１０８との間の距離または広がり。
【００７０】
ＵＴ１０８は受信された信号Ｓfdの周波数を測定する。この測定値は２つのファクタ：ＵＴの内部クロックの局部発振器エラー、及び衛星１０４とＵＴ１０８との間の相対運動によって引き起こされるドップラー効果、による実際の送信周波数からのオフセットである。ＵＴ１０８によって認められたような信号Ｓfdの周波数の測定値は信号Ｓruのデータ部内に符号化され、そしてゲートウェイ１１２に返送される。信号Ｓruはタイムマーカｔa がＵＴ１０８のアンテナで受信される正確な瞬間、プラス、上で注意したように、信号の衝突を避けるために短い遅延Ｄr で送信される。
【００７１】
アクセスメッセージのプリアンブル部及びデータ部から成る信号Ｓruは、時刻ｔm にゲートウェイ１１２で受信される。信号Ｓruに含まれる情報から、ゲートウェイ１１２はプリアンブル部の末尾がゲートウェイ１１２（時刻ｔb ）に到着すると予期された時刻を決定することができ、そしてこれからゲートウェイ１１２は往復遅延（ＲＴＤ）を決定することができる。
【００７２】
ｔa とｔb との間の時間周期の間、軌道内の衛星１０４の運動と、またＵＴ１０８の運動とのため、衛星１０４及びＵＴ１０８は共にそれらの位置を変更することに注意されたい。結局、衛星１０４とＵＴ１０８との間のレンジはＲ1 からＲ2 に変化する。
【００７３】
時刻ｔm で、衛星１０４はプリアンブル部の末尾を受信する。ＵＴ−衛星パス遅延は関係Ｄ2 ＝Ｒ2 ／ｃによって与えられるＤ2 である。また時刻ｔm で、衛星１０４は信号Ｓruから（ｆD ＋ｆoffset）を測定する。
【００７４】
以前に注意したように、本発明は衛星１０４及びＵＴ１０８の運動によって引き起こされる動的環境でアクセスチャネル信号の往復遅延を決定するために１つの方法を提供する。衛星１０４とＵＴ１０８とのこの運動は信号Ｓfdと信号Ｓruとにドップラー周波数ｆD を持ち込む。ドップラー周波数ｆD は下記の関係によって与えられる：
【数２】
0004602562.tif 000003
または、
【数３】
0004602562.tif 000004
ここで
【数４】
0004602562.tif 000005
、ｆF は衛星１０４での発振器周波数そしてｃは光速である。
【００７５】
分析を簡単化するために、Ｒ1 及びＲ2 の変化率は一定、すなわち、
【数５】
0004602562.tif 000006
という仮定がなされる。これはドップラー周波数ｆD も一定であることを意味する。さて、図２からわれわれは
【数６】
0004602562.tif 000007
を得る。
【００７６】
次に、我々は（ｔm −ｔa ）＝（Ｄ′ba＋Ｄ′r ＋Ｄ1 ＋Ｄ2 ）を式（１）に代入しそして
【数７】
0004602562.tif 000008
を得る。
【００７７】
次に、我々は−ｃｆD ／ｆF を式（２）に代入しそして
Ｒ2 ＝Ｒ1 −ｃ（ｆD ／ｆF ）（Ｄ′ba＋Ｄ′r ＋Ｄ1 ＋Ｄ2 ）（３）
Ｄmeas＝Ｄ1 ＋Ｄ′ba＋Ｄ′r ＋Ｄ2 −Ｄba              （４）
を得る。
【００７８】
次に、我々はＤ′ba＝Ｄba（１−ｆoffset／ｆF ）及びＤ′r ＝Ｄr （１−ｆoffset／ｆF ）を式（４）に代入しそして
【数８】
0004602562.tif 000009
または、
【数９】
0004602562.tif 000010
または、
【数１０】
0004602562.tif 000011
を得る。
【００７９】
式（７）をさらに簡単化するために、われわれは下記の近似を行う。局部発振器エラー周波数ｆoffset及びドップラー周波数ｆD は両者とも非常に小さいので、われわれはｆoffset／ｆ0 2 によって、またはｆ0 2 ／ｆ0 によって掛け算された項を省略する。結果として、われわれは
【数１１】
0004602562.tif 000012
を得る。
【００８０】
次に、われわれは式（８）を再調整しそして
【数１２】
0004602562.tif 000013
を得る。
【００８１】
方法１を表す式（９）において、Ｒ1 はｆD 、ｆoffset、Ｄr 及びＤbaの関数として与えられることに注意されたい。ゲートウェイ１１２及びＵＴ１０８で測定されるｆD 及びｆoffsetを除き、他の項は既知である。特に、方法１は（ｆD ＋ｆoffset）及びｆD を必要とする。（ｆD ＋ｆoffset）はゲートウェイ１１２で測定されるので、それはゲートウェイ１１２で容易に(readily) 利用可能である。しかしながら、それ自身によるｆD はゲートウェイ１１２で容易に利用可能ではない。ｆD を得るために、ＵＴ１０８は（ｆD −ｆoffset）を測定しそしてその測定値をゲートウェイ１１２に報告しなければならない。その後、（ｆD ＋ｆoffset）及び（ｆD −ｆoffset）から、ｆD が決定される。
【００８２】
方法１の主な利点はそれがＲ1 について正確な結果を供給するということである。しかしながら、方法１はｆD と（ｆD ＋ｆoffset）との両方を必要とするので、それはゲートウェイ１１２とＵＴ１０８との両方での測定値を要求する。
【００８３】
式（９）の強さ(robustness)は２つの対象物が固定位置を有するときそれが正確な式を供給するかどうかをテストによって容易に確かめることができることである。衛星１０４とＵＴ１０８とが固定位置を有するとき、ｆD とｆoffsetとは両方ともゼロである。このシナリオでは、式（９）は下記の式に縮小される：
Ｒ1 ＝ｃ（Ｄmean−Ｄr ）／２                        （１０）
このように、式（１０）は２つの対象物が固定位置を有するとき正確な式を供給する。しかしながら、実際に、式（１０）は衛星１０４とＵＴ１０８とが固定位置を有さないので、式（９）への到着において行われた種々の仮定を確かめるためにのみ使用される。
【００８４】
方法２
最大正規化ドップラーシフト（ほぼ２０ｐｐｍ）は正規化オフセット周波数よりもかなり大きいので、われわれは
【数１３】
0004602562.tif 000014
を得るために方法１において（ｆD ＋ｆoffset）／ｆF によってｆD ／ｆF を近似することができる。
【００８５】
式（１１）によって与えられる方法２は、ゲートウェイ１１２での１つの測定のみを必要とすることに注意されたい。このように、方法２はＵＴ１０８での追加の測定を削除する。しかしながら、方法２は方法１よりも低い正確さであり、そして最悪の場合方法２における正規化エラーはｆoffset／ｆF である。
【００８６】
方法３
前に注意したように、方法３はＲ2 について解を提供する。方法３はＲ2 の関数としてＲ1 を表現することによって方法１とは異なる。式（１）から、われわれは
【数１４】
0004602562.tif 000015
を得る。
【００８７】
方法１において実行されたものと同様な分析に従って、われわれは：
【数１５】
0004602562.tif 000016
を得る。
【００８８】
式（１３）が（ｆD −ｆoffset）とｆD との両方を必要とすることに注意されたい。（ｆD −ｆoffset）はＵＴで測定されるので、それはＵＴで容易に利用可能である。しかしながら、ｆD はＵＴでの測定のほかに、もしもゲートウェイがそれ自身の測定を実行するだけならば使用可能である。方法３の主な利点はそれがＲ2 について正確な結果を供給することである。しかしながら、方法３はゲートウェイとＵＴとの両方での測定を必要とする。
【００８９】
方法３の強さもまた衛星１０４とＵＴ１０８とが固定位置を有することを仮定することによって確かめることができる。衛星１０４とＵＴ１０８とが固定位置を有すると仮定されるとき、われわれは：
Ｒ2 ＝ｃ（Ｄmeas−Ｄr ）／２                        （１４）
方法４
最大正規化ドップラーシフト（ほぼ２０ｐｐｍ）は正規化オフセット周波数よりも大きいので、われわれは
【数１６】
0004602562.tif 000017
を得るために方法３において（ｆD −ｆoffset）／ｆF によってｆD ／ｆF を近似することができる。
【００９０】
方法４は、ＵＴでの１つの測定のみを必要とすることに注意されたい。このように、方法４はゲートウェイでの追加の測定を削除する。  下記のように、２つの測定された周波数はゲートウェイ１１２で利用できる：
１）ＵＴから報告された測定値：
【数１７】
0004602562.tif 000018
ここでｆF ＝順方向リンク搬送波周波数（２５００ＭＨｚ）。
【００９１】
２）ＧＷ自身で実行された測定値：
【数１８】
0004602562.tif 000019
ここでｆR ＝逆方向リンク搬送波周波数（１６００ＭＨｚ）。
【００９２】
（１６）及び（１７）を加算及び減算してＵＴオフセットとレンジレートの両方を生ずる：
【数１９】
0004602562.tif 000020
順方向周波数でのドップラー及びオフセット周波数は
【数２０】
0004602562.tif 000021
【数２１】
0004602562.tif 000022
である：
ＧＷとＵＴとの時間測定値間の差は次のとおり説明される ：
【数２２】
0004602562.tif 000023
図３は両方法１及び３を示すフロー図である。今図３を参照して、ステップ４０４で、ゲートウェイ１１２は時刻ｔa に信号Ｓfdを送信する。次に、ステップ４０８でＵＴ１０８は伝播遅延Ｄ1 の後に信号Ｓfdを受信する。次に、ステップ４１２でＵＴ１０８は信号Ｓfdから（ｆD −ｆoffset）を測定しそしてその測定値をゲートウェイに報告する。ステップ４１６で、ＵＴ１０８は遅延Ｄ′r の後に信号Ｓruを送信する。ステップ４２０で、ゲートウェイ１１２は伝播遅延Ｄ2 の後に信号Ｓruを受信する。ステップ４２４で、ゲートウェイ１１２は信号Ｓruから（ｆD ＋ｆoffset）を測定する。最後に、ステップ４２８で、ゲートウェイ１１２は測定値からＲ1 及びＲ2 を決定する。
【００９３】
図４は方法２に含まれるステップを示すフロー図であり、そして図５は方法４に含まれるステップを示すフロー図である。方法２及び４に含まれるステップは方法１及び３内のステップと非常に類似しているので、それらはこの中で別々に記述されないであろう。
【００９４】
本発明は広がりＲ1 とＲ2 及びＵＴ１０８の位置もＵＴで決定できることを企図する。本発明の１つの代替実施例では、ＵＴ１０８はＤbaから（ｆD −ｆoffset）を測定する。ゲートウェイ１１２はＤ′baから（ｆD −ｆoffset）を測定し、そしてこの測定値をＵＴ１０８に報告する。これら２つの測定値を使用して、ＵＴ１０８はＲ1 とＲ2 とを決定する。最後に、ＵＴ１０８は前に記述された方法を使用してそれ自身の位置を決定する。
【００９５】
要約して、本発明はＲ1 またはＲ2 を決定するための４つの異なる方法を供給する。方法１及び２はＲ1 のための解を供給する。方法１はＲ1 のための高度に正確な解を供給するが、それは２つの周波数測定値を必要とする。方法２は１つの周波数測定値のみを必要とするが、しかし方法１よりも少ない正確さである。方法３及び４はＲ2 のための解を供給する。方法３はＲ2 のための高度に正確な解を供給するが、それもまた２つの周波数測定値を必要とする。方法４は１つの周波数測定値のみを必要とするが、しかし方法３よりも少ない正確さである。  本発明はまた衛星とＵＴとの間のレンジレートを決定する１方法を供給する（式８）。ＲＴＤ及びレンジレートの情報は地表上のＵＴの位置を決定するのに十分である。
【００９６】
本発明の種々の実施例が前述された一方で、それらが実例の方法によってのみ、そして限定無く示されたことは理解されるべきである。このように、本発明の広さ及び範囲は上述の例示的実施例によって制限されないが、しかし下記のクレーム及びそれらの同等物によってのみ定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  衛星通信システムを示す。
【図２】  本発明に従って衛星と移動体電話機との間の距離を決定するための方法を示す動作図である。
【図３】  本発明に従って方法１及び３を示すフロー図である。
【図４】  本発明に従って方法２を示すフロー図である。
【図５】  本発明に従って方法４を示すフロー図である。
【符号の説明】
１００…通信システム，１０４…衛星，１０８…移動体電話機，１１２…固定電話機。
【図１】
0004602562.tif 000024
【図２】
0004602562.tif 000025
【図３】
0004602562.tif 000026
【図４】
0004602562.tif 000027
【図５】
0004602562.tif 000028