(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記を具備する、衛星通信システムのための位置決定システム：
ユーザー端末；
既知の位置および既知の速度を備えた少なくとも２つの衛星；
前記衛星を介して前記ユーザー端末と通信するためのゲートウエイ；
前記衛星の１つおよび前記ユーザー端末との間の距離を表す距離パラメーターを決定するための距離パラメーター決定手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離および（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の距離との間の差分を表す距離差パラメーターを決定するための距離差パラメーター決定手段；
前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度を表す距離レートパラメーターを決定するための距離レートパラメーター決定手段；
（１）前記衛星と前記ユーザー端末との間の相対視線速度および（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の相対視線速度との間の差分を表す距離レート差を決定する距離レート差決定手段；および
前記衛星の前記既知の位置および速度、前記距離パラメーター、前記距離差パラメーター、及び前記距離レートパラメーターおよび前記距離レート差パラメーターの少なくとも１つに基づいて、前記地球表面上の前記ユーザー端末の位置を決定するための前記ゲートウエイ内の位置決定手段。
【請求項２】
前記距離パラメーターは、往復遅延を表し、さらに、信号の往復遅延を測定するためのゲートウエイ内の往復遅延測定手段をさらに具備し、前記信号は、前記ゲートウエイから前記衛星の１つを介して前記ユーザー端末に送信され、前記衛星の１つを介して前記ユーザー端末から前記ゲートウエイに再送信される、請求項１の位置決定システム。
【請求項３】
前記距離差パラメーターは、遅延さを表し、前記衛星の第１の衛星を介して前記ゲートウエイから受信された第１の信号と、前記衛星の第２の衛星を介して前記ゲートウエイから受信された第２の信号との間の遅延差を測定するための前記ユーザー端末内の遅延差測定手段をさらに具備する、請求項１の位置決定システム。
【請求項４】
前記第１および第２の信号の少なくとも１つが時間的に事前訂正され、（ａ）前記ゲートウエイと前記衛星の第１の衛星との間の距離と、（ｂ）前記ゲートウエイと前記衛星の第２の衛星との間の距離との間の差に関連する遅延を補償する、請求項３の位置決定システム。
【請求項５】
前記ゲートウエイは前記遅延差を調節し、（ａ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第１の衛星との間の前記距離と、（ｂ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第２の衛星との間の前記距離との前記差に関連する遅延を補償する、請求項３の位置決定システム。
【請求項６】
前記距離レートパラメーターは、第１の信号と第２の信号の周波数測定を表し、さらに下記を具備する、請求項１の位置決定システム：
前記第１の信号の周波数を測定するための前記ユーザー端末内の第１の周波数測定手段、前記第１の信号は前記衛星の１つを介して前記ゲートウエイから受信される；
前記第１の信号の前記周波数測定を前記ゲートウエイに送信するための、前記ユーザー端末内の送信手段；および
前記第２の信号の周波数を測定するための前記ゲートウエイ内の第２の周波数測定手段、前記第２の信号は、前記衛星の１つを介して前記ユーザー端末から受信される。
【請求項７】
前記距離差パラメーターは、周波数差を表し、前記衛星の第１の衛星を介して前記ゲートウエイから受信された第１の信号の周波数と、前記衛星の第２の衛星を介して前記ゲートウエイから受信された第２の信号の周波数との間の周波数差を測定するための前記ユーザー端末内の周波数差測定手段をさらに具備する、請求項１の位置決定システム。
【請求項８】
前記第１および第２の信号の少なくとも１つが周波数において事前訂正され、（ａ）前記ゲートウエイと、前記衛星の前記第１の衛星との間の相対視線速度と、（ｂ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第２の衛星との間の相対視線速度との間の差分により生じたドップラーシフトを補償する、請求項７の位置決定システム。
【請求項９】
前記ゲートウエイは前記周波数差を調節し、（ａ）前記ゲートウエイと、前記衛星の前記第１の衛星との間の相対視線速度と、（ｂ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第２の衛星との間の相対視線速度とにより生じたドップラーシフトを補償する、請求項７の位置決定システム。
【請求項１０】
ユーザー端末、既知の位置と既知の速度を有する少なくとも２つの衛星、前記衛星を介して前記ユーザー端末と通信するゲートウエイ、および前記衛星に対する前記ユーザー端末の位置を記載するパラメーターを決定するための手段を含む位置決定システムに使用する、コンピューターを読み取り可能な記録媒体において、
コンピューターを、パラメーターを含むＭ×１パラメーターベクトルｚを発生する第１の手段であって、前記Ｍは、決定されたパラメーターの数である、第１の手段と、
初期基準ポイントを表す位置ベクトルｘを発生する第２の手段と、
ｘとＨとの間の関係が式
0003943138.tif 000031
により与えられる地球の形状を記載する地球モデルと前記衛星の位置に関する情報を含む偏導関数マトリクスを生じる第３の手段と、
Ｍ×Ｍ重みマトリクスＷを発生し、特定のパラメーターの影響を強調する第４の手段と、および
前記反復式
0003943138.tif 000032
を実行する第５の手段であって、
0003943138.tif 000033
は、それぞれ現在と次の位置推定値であり、ｉは、
0003943138.tif 000034
との間の差が第１の所定のしきい値未満になるまでの反復数を表す第５の手段として機能させるためのプログラムを記録したコンピューター読み取り可能な記録媒体。
【請求項１１】
さらに、前記コンピューターを、
0003943138.tif 000035
との間の差が第２の所定のしきい値になるまで前記地球の平滑モデルを使用し、その後、前記地球のデジタル地形モデルを使用するさらなる第６の手段として機能させる、請求項１０のコンピューター読み取り可能な記録媒体。
【請求項１２】
前記重みマトリクスＷは、測定誤差共分散マトリクスの逆である、請求項１０のコンピューター読み取り可能な記録媒体。
【請求項１３】
前記コンピューターを、第１のｎの反復のための第１の重みマトリクスＷ1を使用し、その後第２の重みマトリクスＷ2を使用するさらなる第７の手段であって、前記第２の重みマトリクスＷ2は測定誤差共分散マトリクスの逆であり、前記第１の重みマトリクスＷ1は、前記第２の重みマトリクスＷ2内の重みの差を超えて、前記距離パラメーターおよび前記距離差パラメーターに対するよりも大きな重みを前記距離レートパラメーターおよび前記距離レート差パラメーターに与える第７の手段として機能させる、請求項１０のコンピューター読み取り可能な記録媒体。
【請求項１４】
前記コンピューターを、前記第１のｎの反復のために前記地球の平滑モデルを使用し、その後詳細なデジタル地形モデルを使用するさらなる第８の手段であって、ｎは、所定の数である、第８の手段として機能させる、請求項１０のコンピューター読み取り可能な記録媒体。
【請求項１５】
前記コンピューターを、
0003943138.tif 000036
との間の前記距離が第３の閾値未満になるまで第１の重みマトリクスＷ1を使用し、
0003943138.tif 000037
との間の差が前記第３の閾値距離未満になった後で、前記第２の重みマトリクスＷ2を使用するさらなる第９の手段であって、前記第２の重みマトリクスＷ2は、前記測定誤差共分散マトリクスの逆であり、前記第１の重みマトリクスＷ1は、前記第２の重みマトリクスＷ2内の重みの前記差を超えて、前記距離パラメーターおよび前記距離レート差パラメーターに対するよりも、大きい重みを前記距離レートパラメーターおよび前記距離レート差パラメーターに与える第９の手段として機能させる、請求項１０のコンピューター読み取り可能な記録媒体。
【請求項１６】
ユーザー端末と、既知の位置と既知の速度を有する少なくとも２つの衛星と、前記衛星を介して前記ユーザー端末と通信するためのゲートウエイとを含む、コンピューターシステムにおいて、下記を具備するユーザー端末の位置を決定する方法：
（ａ）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離を表す距離パラメーターを決定する；
（ｂ）（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の前記距離と、（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の距離との間の差分を表す距離差パラメーターを決定する；
（ｃ）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度を表す距離レートパラメーターと、（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度と、（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の視線速度との間の差分を表す距離差パラメーターとの少なくとも１つを決定する；および
（ｄ）前記衛星の前記既知の位置と既知の速度、前記距離パラメーター、前記距離レートパラメーターおよび前記距離差パラメーターおよび前記距離レート差パラメーターの少なくとも１つに基づいて前記地球の表面上の前記ユーザー端末の位置を決定する。
【請求項１７】
前記距離パラメーターは、往復遅延を表し、ステップ（ａ）は、さらに下記を具備する、請求項１６の方法：
（ｉ）前記ゲートウエイにおいて、信号の往復遅延を測定する、前記信号は、前記ゲートウエイから前記衛星の１つを介して前記ユーザー端末に送信され、前記衛星の１つを介して前記ユーザー端末から前記ゲートウエイに再送信される。
【請求項１８】
前記距離差パラメーターは、遅延差を表し、ステップ（ｂ）は、さらに下記を具備する、請求項１６の方法：
（ｉ）前記ユーザー端末において、前記衛星の第１の衛星を介して前記ゲートウエイから受信された第１の信号と、前記衛星の第２の衛星を介して前記ゲートウエイから受信された第２の信号との間の遅延差を測定する。
【請求項１９】
前記第１の信号と第２の信号のうちの少なくとも１つは時間的に事前訂正され、（ａ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第１の衛星との間の差、および（ｂ）前記ゲートウエイと前記衛星の第２の衛星との間の差との間の差に関連する遅延を補償する、請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記ゲートウエイは前記遅延差を調節し、（ａ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第１の衛星との間の距離と、（ｂ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第２の衛星との間の距離との間の差に関連する遅延を補償する、請求項１８の方法。
【請求項２１】
前記距離レートパラメーターを決定するとき、ステップ（ｃ）はさらに下記ステップを具備する、請求項１６の方法：
（ｉ）ユーザー端末において、前記衛星の１つを介して前記ゲートウエイから受信された第１の信号の周波数を測定する；
（ｉｉ）前記第１の信号の前記周波数測定を前記ゲートウエイに送信する；
（ｉｉｉ）前記ユーザー端末から前記衛星の１つを介して前記ゲートウエイに第２の信号を送信する；および
（ｉｖ）前記ゲートウエイにおいて、前記衛星の１つを介して前記ユーザー端末から受信された第２の信号の周波数を測定する、前記距離レートパラメーターは、前記第１および第２の信号の周波数測定値を表す。
【請求項２２】
前記距離レート差パラメーターを決定するとき、さらに下記ステップを具備する請求項１６の方法：
（ｉ）前記衛星の第１の衛星を介して前記ゲートウエイから前記ユーザー端末に第１の信号を送信し、前記衛星の第２の衛星を介して前記ゲートウエイから前記ユーザー端末に第２の信号を送信する；および
（ｉｉ）前記ユーザー端末において、前記第１の信号の周波数と前記第２の信号の周波数との間の周波数差を測定する、前記距離レート差パラメーターは前記周波数差を表す。
【請求項２３】
前記第１の信号および第２の信号のうちの少なくとも１つは、周波数において事前訂正され、（ａ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第１の衛星との間の相対視線速度と、（ｂ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第２の衛星との間の視線速度との間の差により生じたドップラーシフトを補償する、請求項２２の方法。
【請求項２４】
前記ゲートウエイは、前記周波数を調節し、（ａ）前記ゲートウエイと前記衛星の前記第１の衛星との間の相対視線速度と、前記ゲートウエイと前記衛星の前記第２の衛星との間の相対視線速度との間の差により生じたドップラーシフトを補償する、請求項２２の方法。
【請求項２５】
既知の位置および既知の速度を備えた少なくとも２つの衛星と、前記衛星を介してユーザー端末と通信するためのゲートウエイとを具備する通信システムにおいて、下記を具備するユーザー端末：
前記衛星の１つを介して前記ゲートウエイから受信された第１の信号を再送信する手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離と、（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の距離との間の差を表す距離差パラメーターを決定するための距離差パラメーター決定手段；および
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度と、（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の相対視線速度との間の差を表す距離レート差パラメーターを決定するための距離レート差パラメーター決定手段、
および前記衛星のさらなる１つを介して前記ゲートウエイにより送信された第２の信号の周波数を測定し、前記周波数測定値を前記ゲートウエイに送信し、前記衛星の前記さらなる１つを介して前記ゲートウエイに第３の信号を送信する手段の少なくとも１つ、前記地球表面上の前記ユーザー端末の位置は、前記再送信された第１の信号、前記距離差パラメーター、前記衛星の前記既知の位置および既知の速度、および前記距離レート差パラメーター、前記周波数測定値および前記第３の信号の少なくとも１つに基づいて決定することができる。
【請求項２６】
下記を具備する衛星通信システムのための位置決定システム：
ユーザー端末；
既知の位置および既知の速度を備えた少なくとも２つの衛星；
前記衛星を介して前記ユーザー端末と通信するゲートウエイ；
前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離を表す距離パラメーターを決定するための距離パラメーター決定手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離、および（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の距離との間の差を表す距離差パラメーターを決定する距離差パラメーター決定手段；
前記衛星の１つと前記ユーザーとの間の相対視線速度を表す距離レートパラメーターを決定するための距離レートパラメーター決定手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度と、（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の相対視線速度との間の差を表す距離差パラメーターを決定する距離差パラメーター決定手段；および
前記距離パラメーター、前記距離レートパラメーター、前記距離差パラメーター、前記距離レート差パラメーター、および前記衛星の前記既知の位置および既知の速度に基づいて、前記地球の表面の前記ユーザー端末の前記位置を決定する前記ゲートウエイ内の位置決定手段。
【請求項２７】
下記を具備する衛星通信システムのための位置決定システム：
ユーザー端末；
既知の位置および既知の速度を備えた少なくとも２つの衛星；
前記衛星を介して前記ユーザー端末と通信するためのゲートウエイ；
前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離を表す距離パラメーターを決定するための距離パラメーター決定手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の前記距離と、（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の前記距離との間の差を表す距離差パラメーターを決定するための距離差パラメーター決定手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度および（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の相対視線速度との間の差を表す距離レート差パラメーターを決定するための距離レート差パラメーター決定手段；および
前記距離パラメーター、前記距離差パラメーター、前記距離レート差パラメーター、および前記衛星の前記既知の位置と既知の速度に基づいて前記地球の表面上の前記ユーザー端末の前記位置を決定する、前記ゲートウエイ内の位置決定手段。
【請求項２８】
下記を具備する、衛星通信システムのための位置決定システム：
ユーザー端末；
既知の位置および既知の速度を備えた少なくとも２つの衛星；
前記衛星を介して前記ユーザー端末と通信するゲートウエイ；
前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離を表す距離パラメーターを決定する距離パラメーター決定手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の前記距離と、（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の前記距離との間の差を表す距離差パラメーターを決定するための距離差パラメーター決定手段；
前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度を表す距離レートパラメーターを決定する距離レートパラメーター決定手段；および
前記距離パラメーター、前記距離レートパラメーター、前記距離差パラメーター、および前記衛星の前記既知の位置および既知の速度に基づいて前記地球の表面上の前記ユーザー端末の前記位置を決定するための、前記ゲートウエイ内の位置決定手段。
【請求項２９】
下記を具備する、衛星通信システムのための位置決定システム：
ユーザー端末；
既知の位置および既知の速度を備えた少なくとも２つの衛星；
前記衛星を介して前記ユーザー端末と通信するゲートウエイ；
前記衛星の１つおよび前記ユーザー端末との間の距離を表す距離パラメーターを決定するための距離パラメーター決定手段；
（１）前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の距離および（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の距離との間の差分を表す距離差パラメーターを決定する距離差パラメーター決定手段；
前記衛星の１つと前記ユーザー端末との間の相対視線速度を表す距離レートパラメーターを決定するための距離レートパラメーター決定手段；
および
（１）前記衛星と前記ユーザー端末との間の相対視線速度および（２）前記衛星の他の衛星と前記ユーザー端末との間の相対視線速度との間の差分を表す距離レート差パラメーターを決定するための距離レート差パラメーター決定手段のうちの少なくとも１つ；
および
前記衛星の前記既知の位置および速度、前記距離パラメーター、前記距離差パラメーター、および前記距離レートパラメーター、前記距離レート差パラメーターのうちの少なくとも１つに基づいて前記地球の表面上の前記ユーザー端末の位置を決定する、前記ゲートウエイ内の位置決定手段、前記位置決定手段は下記を具備する：
前記パラメーターを具備するＭ×１パラメーターベクトルｚを発生する手段、前記Ｍは決定されたパラメーターの数である；
初期基準ポイントを表す位置ベクトルｘを発生する手段；
前記衛星の前記既知の位置と速度および前記地球の形状を記載する地球モデルに関する情報を含む準導関数マトリクスを発生する手段、ｘとＨとの間の関係は以下によって与えられる：
0003943138.tif 000038
特定のパラメーターの影響を強調するためにＭ×Ｍ重みマトリクスＷを発生する手段；および
下記反復方程式を実行するための手段：
0003943138.tif 000039
但し、
0003943138.tif 000040
はそれぞれ現在と次の位置推定値であり、ｉは、
0003943138.tif 000041
との間の差が第１の所定閾値未満になるまでの反復数を表す。
【請求項３０】
前記位置決定手段は、
0003943138.tif 000042
との間の差が第２の所定閾値未満になるまで前記地球の平滑モデルを使用し、その後前記地球の詳細なデジタル地形モデルを使用する手段をさらに具備する、請求項２９の位置決定システム。
【請求項３１】
前記重みマトリクスは、前記測定誤差共分散マトリクスの逆である、請求項２９の位置決定システム。
【請求項３２】
前記位置決定手段はさらに下記を具備する請求項２９の位置決定システム：
第１のｎの反復のために第１の重みマトリクスＷ1を使用し、その後第２の重みマトリクスＷ2を使用する手段、ｎは所定数であり、前記第２の重みマトリクスＷ2は、前記測定誤差共分散マトリクスの逆であり、前記第１の重みマトリクスＷ1は、前記第２の重みマトリクスＷ2内の重みにおける差を越えて、前記距離パラメーターおよび前記距離差パラメーターに対してより大きい重みを前記距離レートパラメーターおよび前記距離レート差パラメーターに与える。
【請求項３３】
前記位置決定手段は、さらに、前記第１のｎの反復のために前記地球の平滑モデルを使用し、その後前記地球の詳細なデジタル地形モデルを使用する手段を具備し、ｎは所定数である、請求項２９の位置決定システム。
【請求項３４】
前記位置決定手段はさらに下記を具備する請求項２９の位置決定システム：
0003943138.tif 000043
との間の差が第３の所定閾値距離未満になるまで第１の重みマトリクスＷ1を使用し、
0003943138.tif 000044
との間の差が前記第３の所定閾値未満になった後、第２の重みマトリクスＷ2を使用する手段、前記第２の重みマトリクスＷ2は、前記測定誤差共分散マトリクスの逆であり、前記第１の重みマトリクスＷ1は、前記第２の重みマトリクスＷ2内の重みにおける差を越えて、前記距離パラメーターおよび前記距離差パラメーターに対してよりもより大きい重みを前記距離レートパラメーターおよび前記距離レート差パラメーターに与える。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般的には衛星を使用した物体位置決定方法に関する。更に詳細には、本発明は、通信リンクの両端において実施される測定値を使用して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。
２．関連技術
代表的な衛星ベース通信システムには、少なくとも一つの地上基地局（以下ゲートウエイと称する。）、少なくとも一つのユーザー端末（例えば、移動電話）及び前記ゲートウエイとユーザー端末との間で通信信号を中継する少なくとも一つの衛星が含まれる。前記ゲートウエイはユーザー端末から他のユーザー端末または地上電話システムのような通信システムにリンクを提供する。
各種の多元接続通信システムは多数のシステムユーザー間で情報を転送する為に開発された。これらの技術には、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）、周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）′、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）等のスペクトル拡散技術が含まれており、その基礎は周知のものである。多元接続通信におけるＣＤＭＡ技術の使用については、発明の名称が「衛星または地上リピーターを用いた多元接続通信システム」(Speread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite)である、１９９０年２月１３日発行の米国特許第４，９０１，３０７号及び発明の名称が「個々の受信器の位相時間及びエネルギーを追跡する為の拡散スペクトル通信システムにおける全スペクトル送信電力を使用する方法及び装置」(Method and Apparatus For Using Full Spectrum Transmitted Power In A Recipient Phase Time And Energy)である、１９９５年１月４日出願の米国特許出願第０８／３６８，５７０号に開示されており、両特許及び出願は本発明の被譲渡人に譲渡されており、参照としてここに含まれる。
上述の特許書類は、多数の一般的に移動または遠隔システムユーザーが、他のシステムユーザーまたは、公衆交換電話網のような他の接続されたシステムのユーザーと通信するためにユーザー端末を使用する多元接続通信しステムを開示する。前記ユーザー端末はＣＤＭＡスペクトル拡散形式の通信信号を用いる複数のゲートウエー及び衛星を使用して通信する。
通信衛星は地球表面に衛星通信信号を投射することにより形成される、「スポット」又はエリアを照射するビームを形成する。スポットの代表的な衛星ビームパターンは所定範囲のサービスエリアパターン内で配列された沢山のビームを具備する。代表的には、各ビームは共通の地理学的範囲をカバーし且つそれぞれが異なった周波数帯を持つ、多数のいわゆるサブビーム（ＣＤＭＡチャネルとも呼ばれる）を具備する。
代表的なスペクトル拡散通信システムにおいて、予め選択された擬似ランダムノイズ（ＰＮ）コード列が、通信信号として送信の為に搬送信号に変調するに先立って所定のスペクトル帯上で情報信号を変調（即ち拡散）する為に用いられる。本技術分野で周知のＰＮ拡散、即ちスペクトル拡散送信の方法は、データ信号の帯域幅よりもずっと大きい帯域幅を持つ送信の為の信号をつくる。フォワード通信リンク（即ち、ゲートウエイで始まりユーザー端末で終わる通信リンク）では、ＰＮ拡散符号或はバイナリシーケンスを用いて異なるビーム上でゲートウエイにより送信された信号間を区別し、およびマルチパス信号間を区別する。これらのＰＮ符号は代表的には与えられたサブビーム内で全ての通信信号により共有される。
代表的なＣＤＭＡスペクトル拡散通信システムでは、フォワードリンクの衛星ビーム内で送信される特定のユーザー端末に向けられた信号間の区別の為にチャネル化符号が用いられる。即ち、独特なチャネル化直交符号を用いる事に依って独特な直交チャネルがフォワードリンク上の各ユーザー端末の為に提供される。チャネル化符号を実施するために一般的にウオルシュ関数が使用され、地上システムに対しては、６４符号チップのオーダーであり、衛星に対しては、１２８符号チップのオーダーである。
米国特許第４，９０１，３０７号に開示されるように、代表的なＣＤＭＡスペクトル拡散通信システムはフォワードリンクユーザ端末通信の為に、コヒーレントの変調及び復調を考慮する。この方法を用いる通信システムでは、パイロットキャリヤ信号（以下パイロット信号と称する。）がフォワードリンクの為のコヒーレント位相レファレンスとして用いられる。即ち、代表的にはデータ変調を含まない信号はサービスエリアの領域に渡って、ゲートウエイによって、送信される。単一のパイロット信号は代表的には、使用される各周波数のために使用される各ビームのためのゲートウエイによって送信される。これらのパイロット信号はゲートウエイからの信号を受信する全てのユーザー端末によって共有される。
パイロット信号はユーザー端末により使用され、初期システム同期およびゲートウエイにより送信される他の信号の時間、周波数および位相追跡を得る。パイロット信号キャリヤを追跡することから得られた位相情報は、他のシステム信号またトラフィック信号のコヒーレント復調のためのキャリヤ位相レファレンスとして用いられる。この技術は多くのトラフィック信号が位相レファレンスとして共通のパイロット信号を共有可能にし、低コストのそしてより効率的な追跡機構を提供する。
ユーザー端末が通信セッションに含まれなかった場合（即ち該ユーザー端末がトラフィック信号を受信しないし送信もしない場合）ゲートウエイはページング信号として知られる信号を用いて、その特定のユーザー端末に情報を搬送する事が出来る。例えば、特定の携帯電話に発呼された場合、ゲートウエイはページング信号に依って、その移動電話に警告を与える。ページング信号はトラフィックチャネル割り当て、アクセスチャネル割り当て及びシステムオバーヘッド情報を配信するためにも使用される。
ユーザー端末は、リバースリンク上にアクセス信号或はアクセスプローブを送って、ページング信号に応答することができる（即ち、ユーザー端末で始まり、ゲートウエイで終わる通信リンク）。アクセス信号はまたユーザー端末が発呼した場合にも用いられる。
ユーザー端末との通信が必要な場合、通信システムはユーザー端末の位置を決定する必要があるかもしれない。このユーザー端末位置情報の必要性は、各種の考慮から生じる。一つの考慮は、システムは、通信リンクを提供する為の適当なゲートウエイを選択しなければならないということである。この考慮の一つの観点は、適当なサービスプロバイダ（例えば電話会社）に対する通信リンクの割り当てである。サービスプロバイダは特定の地理的領域を割り当てられ、その領域内のユーザーのすべての呼を処理する。特定のユーザー端末との通信が必要な場合、通信システムはユーザー端末が所在する領域に基づいてサービスプロバイダにその呼を割り当てることができる。適当な領域を決定する為に、通信システムはユーザー端末の位置を必要とする。同様な考慮は政治的な境界或は契約されたサービスに基づいて、呼をサービスプロバイダーに割り当てなければならない時に生じる。
衛星に基づいた通信システムの為の位置決めにおける重要な要件は、速度である。特定のユーザー端末との通信が必要なとき、ユーザー端末に役立つであろうゲートウエイを迅速に選択しなければならない。例えば、携帯電話ユーザーは電話をするとき、数秒を越える遅延をそう簡単に我慢しない。この状況において、位置の精度の必要性は、速度の必要性よりも重要度が低い。１０キロメートル（Ｋｍ）未満の誤差は適正であると考えられる。対称的に、衛星にもとづいた位置決めに対するほとんどの従来の手法は、速度よりも精度を強調する。
一つの従来の方法は、米国海軍のＴＲＡＮＳＩＴシステムによって採用されているものである。このシステムでは、低地球軌道（ＬＥＯ）衛星によってブロードキャストされる信号の連続的なドップラー測定をユーザー端末が実行する。この測定は数分継続する。本システムは通常衛星の２回の通過を必要とし、その為１００分を超える待ち時間を要する。さらに、位置計算はユーザー端末により実行されるので、衛星は、（衛星の軌道としても知られる）位置に関する情報をブロードキャストしなければならない。ＴＲＡＮＳＩＴシステムは（１メートルのオーダーで）高精度を可能にするけれども、含まれる遅れは、商業用の衛星通信システムの使用のためには受け入れる事は出来ない。
他の従来の方法は、ＡＲＧＯＳシステムおよびＳＡＲＳＡＴ（探索および救助衛星）システムにより採用されているものである。この方法において、ユーザー端末は断続的なビーコン信号を衛星上の受信機に送信し、信号の周波数測定を行う。衛星が４つを超えるビーコン信号をユーザー端末から受信するなら、衛星は通常、ユーザー端末の位置を解決することができる。ビーコン信号は断続的なのでＴＲＡＮＳＩＴシステムにより実行されるような拡張されたドップラー測定は利用できない。さらにこの解決法はあいまいであり、衛星の各側（すなわち、衛星の軌道のすぐ真下にある地球の表面上の線）上にあり得る位置を提供する。
他の従来の方法は、全地球測位システム（ＧＰＳ）により採用されるものである。この方法において、各衛星は、衛星の軌道を含むタイムスタンプされた信号をブロードキャストする。ユーザー端末がＧＰＳ信号を受信すると、自己のクロックに対する送信遅延を測定し、送信する衛星の位置に対する擬似距離を決定する。ＧＰＳシステムは、二次元の位置決めに対して３つの衛星を必要とし、三次元の位置決めに対して４つの衛星を必要とする。
ＧＰＳ手法の１つの欠点は、位置決めのために少なくとも３つの衛星が必要であるということである。ＧＰＳ手法の他の欠点は、計算がユーザー端末により行われるので、衛星はその軌道情報をブロードキャストしなければならず、ユーザー端末は、要求される計算を実行するために計算リソースを保有しなければならないということである。
上述した方法のすべてにあてはまる１つの欠点は、ユーザー端末はこれらの方法を使用するために、通信信号を処理するために必要とされる送信機または受信機に加えて、別個の送信機または受信機を持たなければならないことである。
他の従来の方法は、参照することにより本明細書に組み込まれる、「デュアル衛星ナビゲーションシステムおよび方法(Dual Satellite Navigation System and Method)と題する、１９９２年６月３０日に発行された共有米国特許第５，１２６，７４８に開示されるものである。この方法は、２つの衛星を使用して三辺測量を介してユーザー端末の位置を積極的に決定する。この方法に関する１つの欠点は、解決方法があいまいであり、２つのあり得る位置を提供する。このあいまいさを解決するためにさらなる情報が必要である。
それゆえ、必要なものは、迅速で明確な位置決定をすることができる、衛星に基づいた位置決めシステムである。
発明の概要
本発明は低地球軌道衛星通信システム等の衛星通信システムにおけるユーザー端末（たとえば、携帯電話）の位置を迅速かつ明確に決定するシステムおよび方法である。本システムはユーザー端末、既知の位置および既知の速度を有する少なくとも２つの衛星および衛星を介したユーザー端末との通信のためのゲートウェイ（すなわち、地上基地局）を含む。この方法はユーザー端末と衛星との間の時間的・空間的関係を記述するパラメーター群を決定するステップと、かかるパラメーターの一部あるいはすべておよび衛星の既知の位置と既知の速度を用いてユーザー端末の位置を求めるステップとを含む。
距離、距離−レート、距離差、距離−レート差の４つのパラメーターを用いることができる。距離パラメーターは衛星とユーザー端末との距離を表す。距離差パラメーターは（１）ユーザー端末と第１の衛星との距離と（２）同ユーザー端末と第２の衛星との距離の差を表す。距離−レートパラメーターはユーザー端末と衛星との相対径方向速度を表す。距離−レート差パラメーターは（１）ユーザー端末と第１の衛星との相対径方向速度と（２）同ユーザー端末と第２の衛星との相対径方向速度との差を表す。
本発明の第１の実施形態においては、距離、距離差、および距離−レート差の各パラメーターが用いられる。本発明の第２の実施形態においては、距離、距離−レート、および距離差の各パラメーターが用いられる。本発明の第３の実施形態においては、４つのパラメーターのすべてが用いられる。本発明の好適な実施形態においては、対話型重み付けガウス−ニュートン最小二乗法を用いて、使用されるパラメーターおよび衛星の既知の位置および速度に基づいてユーザー端末の位置が求められる。
本発明の利点は迅速かつ明確な位置決定が可能であることである。
本発明の他の利点は２つの衛星のみを用いて迅速な位置決定が可能であることである。
本発明の他の利点はユーザー端末に対する位置決定のための衛星軌道情報をブロードキャストすることなく通信システムにおける迅速な位置決定が可能であることである。
本発明の他の利点はユーザー端末がユーザー端末の位置を決定しないでも通信システムにおいて迅速な位置決定を可能にすることである。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴と利点は、同じ参照番号が同一のまた機能的に類似した要素を示す図面と関連して、以下の詳細な説明より明らかになるであろう。また、参照番号の左側の数字は、番号が最初に現れる図面を示す。
図１は、代表的な衛星通信システムを示す。
図２は、ユーザー端末に使用するための例示的なトランシーバーのブロック図である。
図３は、ゲートウエイに使用するための例示的な送信および受信装置のブロック図である。
図４は、ユーザー端末に使用するための例示的な時間追跡ループのブロック図である。
図５は、ユーザー端末に使用するための例示的な周波数追跡ループのブロック図である。
図６は、二つの衛星のサブポイントおよび衛星に関連する距離、距離差および距離レート差の等曲線の、地球表面上うえの投影を示す。
図７は、距離および距離差パラメーターのみを使用する位置決め方法によって呈示されるＧＤＯＰの特異性を解決出来ない場合を示す。
図８は、二つの衛星のサブポイントおよび、衛星に関連する距離、距離差、および距離レートパラメーターのための等曲線の、地球表面への投影を示す。
図９Ａは、ユーザー端末で測定される信号の周波数の成分のグラフ図である。
図９Ｂは、ゲートウエイで測定される信号の周波数の成分のグラフ図である。
図１０乃至図１２は、本発明の好適実施形態のオペレーションを示すフローチャートである。
図１３は、本発明が動作可能である例示的な環境を示すブロック図である。
好ましい実施例の態様
Ｉ  緒言
本発明は、少なくとも２つの低地球軌道（ＬＥＯ）衛星を使用した衛星通信システムにおいてユーザー端末の明確な位置決めのためのシステムと方法である。当業者には明らかなように、衛星とユーザー端末の間の相対的な動作が下記の距離レート測定を容易にするためにに十分である場合は、本発明の概念は衛星が非ＬＥＯ軌道を回る衛星システムに応用できる。
本発明の好適実施形態は以下に詳細に記載される。特定のステップ、構成及び配列が論じられるけれどもこれは説明の目的だけのために行われることが理解されなければならない。当業者は、他のステップ、構成及び配列を本発明の精神と範囲を逸脱することなく使用することができることを認識するであろう。
本発明は４つの部分において記載されるであろう。第１に、代表的な衛星通信システムが記載される。第２にシステムの位置決め方法により採用されるパラメーターが記載される。第３に、その位置決め方法自体が物理的表示の観点から記載される。最後に、これらの位置決め方法の実行が記載される。
II  典型的な衛星通信システム
図１は代表的な衛星通信システム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を含む。ユーザー端末には一般に３つのタイプがある。固定した構造に代表的に取り付けられる固定ユーザー端末１０６Ａ、車両に代表的に取り付けられるモバイルユーザー端末１０６Ｂ、および代表的に手持ち式のポータブルユーザー端末１０６Ｃである。ゲートウエイ１０２は衛星１０４Ａと１０４Ｂを通してユーザー端末１０６と通信する。
ユーザー端末１０６で使用する典型的なトランシーバー２００を図２に示す。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の少なくとも１つのアンテナを使用する。これらの信号が受信機２１４でダウンコンバートされ、増幅され、デジタル化される。送受切換器素子２１２は通常同一アンテナが送信機能と受信機能の両方に役立つことを可能にするために使用される。しかしながら、いくつかのシステムは、異なる周波数で動作するための別個のアンテナを使用する。
アナログ受信機２１４により出力されるデジタル通信信号は少なくとも１つのデジタルデータ受信機２１６Ａとデジタルサーチャー(searcher)受信機２１８に転送される。当業者には明らかなように、さらなるデジタルデータ受信機２１６Ｂ−２１６Ｎを「レーキ」構成に用いて装置の複雑さの許容レベルに応じて、所望のレベルの信号ダイバーシティを取得することができる。このような方法で構成される受信機は「レーキ受信機」と呼ばれ、各デジタル受信機２１６（Ａ−Ｎ）は「フィンガー」と呼ばれる。
レーキ受信機のフィンガーは信号ダイバーシティに使用されるだけでなく複数の衛星からの信号を受信するのにも使用される。それゆえ、本発明の２つの衛星位置決め技術を実施するユーザー端末の場合、２つの衛星から信号を受信するために少なくとも２つのデジタルデータ受信機２１６Ａ−２１６Ｎが使用される。さらに、１つ以上の第２ののサーチャー受信機２１８が、高速信号捕捉を供給するために使用することができる。または、１つ以上のサーチャー受信機は、このタスクのために時分割することができる。
少なくとも１つのユーザー端末制御装置２２０はデジタルデータ受信機２１６Ａから２１６Ｎとサーチャー受信機２１８に電気的に接続される。制御プロセッサー２２０は数ある機能の中で、基本的な信号処理、タイミング、電力とハンドオフ制御または調整および信号キャリアに使用される周波数の選択等の機能を提供する。制御プロセッサー２２０により時々実行される他の基本的な機能は、通信信号の波形を処理するために使用されるＰＮコードシーケンスまたは直交関数の選択または操作である。制御プロセッサー２２０信号処理は、本発明で使用されるパラメーターの決定を含むことができる。相対タイミングまたは周波数のような信号パラメーターのそのような計算は、さらなるまたは別個の専用回路の使用を含むことができ、測定において増大した効率または速度を提供し、または制御処理リソースの改善された割り当てを提供することができる。
デジタルデータ受信機２１６Ａ−２１６Ｎの出力はユーザー端末内のユーザーデジタルベースバンド回路２２２に電気的に接続される。ユーザーデジタルベースバンド回路２２２はユーザー端末ユーザーに情報を転送するまたはユーザー端末ユーザーからの情報を転送するために使用される処理素子と表示素子を具備する。すなわち、一時的なまたは長期のデジタルメモリのような、信号またはデータ記憶素子、表示スクリーン、スピーカー、キーパット端末、およびハンドセットなどの入力および出力装置、Ａ／Ｄ素子、ボコーダーおよび他の音声及びアナログ信号処理素子などは、技術的に良く知られた素子を用いてユーザーベースバンド回路の一部を形成する。ダイバーシティ信号処理が使用される場合は、ユーザーデジタルベースバンド回路２２２はダイバーシティコンバイナー及びデコーダーを具備することができる。また、これらの素子のいくつかは、制御プロセッサー２２０の下で、または制御プロセッサーと通信して動作してもよい。
音声または他のデータがユーザー端末から始まる出力メッセージまたは通信信号として作成されるとき、ユーザーデジタルベースバンド回路２２２を用いて送信のための所望のデータを受信し、記憶し、処理し、およびそうでなければ作成する。ユーザーデジタルベースバンド回路２２２は制御プロセッサー２２０の制御の下で動作している送信変調器２２６にこのデータを供給する。送信変調器２２６の出力は電力コントローラー２２８に転送される。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の最終送信のために出力電力制御を送信電力増幅器２３０に供給する。
またトランシーバー２００は１つ以上の事前修正（Ｐｒｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）素子または事前修正器を使用することができる。これらの事前修正器の動作は、参照することによりここに組み込まれる（代理人整理番号ＰＡ３３８が割り当てられた）出願番号を有する「非静止衛星システムのための時間および周波数事前修正(Time And Frequency Precorrection For Non-Geostationary Satellite)という名称の同時係属共有出願で開示されている。望ましくは、事前修正はベースバンド周波数でデジタル電力コントローラー２２８の出力において生じる。周波数調整を含むベースバンドスペクトル情報が送信電力増幅器２３０で実行されるアップコンバージョン(up-conversion)中に適当な中心周波数に変換される。事前修正または周波数調整は技術的に知られる技術を用いて達成される。たとえば、事前修正は、複素信号回転によって実行することができる。この信号回転はｅjωtの係数とその信号を乗算することに等価である。但しωは周知の衛星動道と所望のチャネル周波数に基づいて計算される。これは通信信号が同相（Ｉ）チャネル及び直交位相(Ｑ)チャネルとして処理される場合に非常に有用である。ダイレクトデジタル合成装置を用いて回転積のいくつかを発生することができる。あるいは、バイナリシフト、加算、減算を使用して一連の離散回転を実行し、所望の全体の回転を生じる座標回転デジタル計算素子を使用することができる。そのような技術および関連するハードウエアは、この分野において良く理解されている。
別の方法として、事前修正エレメント２３４は、送信電力増幅器２３０の出力上の送信経路に配置し、出力信号の周波数を調整することができる。これは、送信波形のアップコンバージョンまたはダウンコンバージョンのようなよく知られた技術を用いて達成することができる。しかしながら、アナログ送信機の出力上の周波数を変更することはより困難な場合がある。なぜならば、波形を成形するために使用される一連のフィルターが大抵の場合あり、この接合における変更はフィルタリング処理と干渉するかもしれないからである。あるいは、事前修正素子２３４は、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段（２３０）の一部を形成することができ、それにより、適切に修正された周波数を用いて、１つのステップで、デジタル信号を所望の送信周波数に変換する。
受信された通信信号の１つ以上の測定された信号パラメーター、または１つ以上の共有されたリソース信号に対応する情報またはデータは、技術的に知られた様々な技術を用いてゲートウエイに送信することができる。たとえば、情報は別個の情報信号として転送することができ、またはユーザーデジタルベースバンド回路２２２で作成された他のメッセージに付加することができる。あるいは、情報は制御プロセッサー２２０の制御下で送信変調器２２６または送信電力コントローラー２２８によって所定の制御ビットとして挿入することができる。
デジタルデータ受信機２１６Ａ−Ｎおよびサーチャー受信機２１８は特定の信号を復調し追跡するために信号相関素子と一緒に構成される。サーチャー受信機２１８を用いてパイロット信号、または他の相対的に固定されたパターンの強い信号をサーチし、一方、データ受信機２１６Ａ−Ｎを用いてパイロット信号を追跡し、または検出されたパイロット信号に関連する信号を復調する。それゆえ、これらの装置の出力を監視して、本発明のパラメーターを計算するために使用される情報を供給することができる。受信された通信信号または共有リソース信号上でユーザー端末１０６により行われた測定に関する情報は、技術的に知られた様々な技術を用いてゲートウエイに送信することができる。たとえば、情報は別個のデータ信号として、またはユーザーデジタルベースバンド回路２２２により作成された他のメッセージに付加することができる。またデジタルデータ受信機２１６（Ａ−Ｎ）は、信号を復調するために現在の周波数とタイミング情報を制御プロセッサー２２０に提供するために監視することができる周波数追跡素子を使用する。これは、図４と５を参照して下記で詳しく説明する。
制御プロセッサー２２０は、そのような情報を用いて、必要に応じて同じ周波数帯にスケールされるとき、局部発振器周波数に基づいて、どの程度受信された信号が期待される周波数からずれているかを決定する。周波数オフセット、誤差およびドップラーシフトに関連するこれらの情報および他の情報は、要望どおり、１つ以上の誤差／ドップラー記憶装置またはメモリー素子２３６に記憶することができる。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によって使用でき、あるいは、種々の通信信号を使ってゲートウエイに転送することができる。
少なくとも１回参照素子２３８を使用して、衛星の位置を決定するのを支援するために日付と時刻のような時間的情報を発生し記憶する。時間は周期的に記憶し更新することができる。また、時間はゲートウエイにより周期的に供給してもよい。さらに、現在時刻は、ユーザー端末が「オフ」にされて、非活動モードに入るたびに、記憶される。この時間値は「オン」時刻とともに使用され種々の時間に依存するパラメーターおよびユーザー端末位置の変更を決定する。
さらに、記憶装置またはメモリー素子２４０および２４２は、下記に詳しく説明するパラメーターに関する特定の情報を記憶するために使用することができる。たとえば、メモリー素子２４０は、２つの到着信号間の相対的な周波数オフセットにおける相違のような、距離レートパラメーターに関連して成されたユーザー端末測定値を記憶することができる。メモリー素子２４２は、２つの信号に対する到着時間の差のような、距離差パラメーターに関連するユーザー端末測定値を記憶するのに使用することができる。これらのメモリ素子は技術的によく知られた構造と回路を使用し、別個の独立した素子としてまたは、この情報が後の検索のために、制御された方法で記憶されるより大きな統合された構造として形成することができる。
図２に示すように、局部または基準発振器２５０は、入力信号を所望の周波数でベースバンドにダウンコンバートするために、アナログ受信機２１４のための参照として使用される。また、この発振器は、信号が所望のベースバンド周波数に到達するまで、要望通り、複数の中間変換ステップで用いられる。図に示すように、発振器２５０はリバースリンク送信のためにベースバンドから所望のキャリア周波数にアップコンバージョンするために、アナログ送信機のための基準として、およびタイミング回路２５２のための周波数基準または参照として使用される。タイミング回路２５２は、時間追跡回路、デジタル受信装置２１６Ａ−Ｎ及び２２１８内の相関器、送信変調器２２６、時間参照素子２３８、および制御プロセッサー２２０などユーザー端末内のその他の段または処理素子のためのタイミング信号を生成する。また、タイミング回路２５２は、プロセッサー制御の下で、タイミング信号またはクロック信号の相対的なタイミングを遅らせたり早めたりするための遅延を生成するように構成することができる。すなわち、時間追跡は所定の量だけ調整することができる。また、これはコードの適用を、典型的には、１以上のチップ期間だけ「通常の」タイミングから早めたり、遅くしたりすることを可能にし、それによりコードを作成するＰＮコードまたはチップが要望通り異なるタイミングで適用することができる。
ゲートウエイ１０２で使用するための例示送信および受信装置３００を図３に示す。図３に示されるゲートウエイ１０２の一部は通信信号を受信するためのアンテナ３１０に接続された１つ以上のアナログ受信機３１４を有する。次に、通信信号は、技術的に良く知られた種々のスキームを用いて、ダウンコンバートされ、増幅され、デジタル化される。複数のアンテナ３１０はいくつかの通信システムで使用される。アナログ受信機３１４により出力されたデジタル信号は、３２４で一般に破線で示されている、少なくとも１つのデジタル受信機モジュールに入力として供給される。
ある変形例が技術的に知られているけれども、各デジタル受信機モジュール３２４はゲートウエイ１０２と１つのユーザー端末１０６との間の通信を管理するために使用される信号処理素子に対応している。１つのアナログ受信機３１４は多くのデジタル受信機モジュール３２４のための入力を供給することができる。そして、多くのそのようなモジュールは、いつでも処理される衛星ビームおよびあり得るダイバーシティモード信号のすべてを提供するために典型的にゲートウエイ１０２において使用される。各デジタル受信機モジュール３２４は１つ以上のデジタルデータ受信機３１６とサーチャー受信機３１８を有する。サーチャー受信機３１８は一般的にパイロット信号以外の信号の適切なダイバーシティモードを探索し、探索速度を増加させるためにいくつかのサーチャーを並列に使用することができる。通信システムに組み込まれる場合、複数のデジタルデータ受信機３１６Ａ−３１６Ｎはダイバーシティ信号の受信のために使用される。
デジタルデータ受信機３１６の出力は、技術的に良く知られており、本明細書にはさらに詳細に図解されない装置から成る次のベースバンド処理素子３２２に供給される。例示ベースバンド装置は、ダイバーシティコンバイナーおよびデコーダーを含みユーザー毎にマルチパス信号を１つの出力に結合する。また、例示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インタフェース回路を含む。これらに限定されないけれども、ボコーダー、データモデム、デジタルデータスイッチングおよび記憶コンポーネントのような、種々の素子が、ベースバンド処理素子の一部を形成してもよい。これらの素子は、データ信号の１つ以上の送信モジュール３３４への転送を制御したり、命令するように動作する。
ユーザー端末１０６に送信される信号は、それぞれ電気的に１つ以上の適当な送信モジュール３３４に接続される。典型的なゲートウエイは、多数のそのような送信モジュール３３４を使用して同時に多くのユーザー端末１０６にサービスを提供したり、およびいくつかの衛星やビームに対して同時にサービスを提供する。ゲートウエイ１０２により使用される送信モジュールの数は、システムの複雑さ、通常視野内にある衛星の数、ユーザー能力、選択されたダイバーシティの程度、等を含む技術的に良く知られた要因により決定される。
各送信モジュール３３４は送信のためにデータをスペクトル拡散変調する送信変調器３２６を含み、デジタル送信電力コントローラー３２８に電気的に接続された出力を有する。デジタル送信電力コントローラーは、出力されるデジタル信号のために使用さ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は一般的に、干渉の低減およびリソースアロケーションの目的のために最小レベルの電力を適用するが、送信経路の減衰および他の経路転送特性を補償するために必要なとき適切なレベルの電力を適用する。ＰＮ発生器３３２は信号を拡散する際に送信変調器３２６により使用される。また、このコード発生はゲートウエイ１０２内で使用される１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形成することができる。
送信電力コントローラー３２８の出力は、加算器３３６に転送される。そこでその出力は他の送信電力制御回路からの出力と加算される。これらの出力は同じ周波数で送信電力制御コントローラー３２８の出力と同じビーム内の他のユーザー端末１０６に送信するための信号である。加算器３３６の出力はデジタル−アナログ変換、適当なＲＦキャリア周波数への変換、さらなる増幅、フィルタリング、およびユーザー端末１０６への放射のために１つ以上のアンテナ３４０への出力のために、アナログ送信機３３８に供給される。アンテナ３１０および３４０は、通信システムの構成と複雑さに応じて同じアンテナであってもよい。
少なくとも１つのゲートウエイコントロールプロセッサー３２０は受信機モジュール３２４、送信モジュール３３４、およびベースバンド回路３２２と電気的に接続されている。これらの装置は物理的にお互いに分離していてもよい。コントロールプロセッサー３２０は、これらに限定されないが、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、およびシステムインタフェースのような機能を働かせるために、コマンドと制御信号を供給する。さらに、コントロールプロセッサー３２０は、ユーザー通信で使用するために、ＰＮ拡散コード、直交符号シーケンス、および特定の送信機および受信機またはモジュールを割り当てる。さらに、コントロールプロセッサー３２０は、パラメーターを計算したり、本発明の位置決め方法を実行するために使用できる。
また、コントロールプロセッサー３２０は、パイロットの生成と電力、同期化、ページングチャネル信号およびそれらの送信電力コントローラー３２８への接続を制御する。パイロットチャネルはデータにより変調されない単なる信号であり、反復する不変のパターンまたは不変のフレーム構造を使用してもよい。すなわち、パイロット信号チャネルを形成するために使用される直交関数はすべて１か０、あるいは点在された１および０の良く知られた繰り返しパターンのような一定値を持っている。
コントロールプロセッサー３２０は、送信モジュール３３４または受信モジュール３２４のように、モジュールの素子に電気的に直接接続することができるが、各モジュールは、一般的には、そのモジュールの素子を制御する送信プロセッサー３３０または受信プロセッサー３２１などのようなモジュール特有のプロセッサーを含む。従って、好適実施形態において、コントロールプロセッサー３２０は、図３に示すように送信プロセッサー３３０および受信プロセッサー３２１に電気的に接続される。このように、単一のコントロールプロセッサー３２０は多数のモジュールおよびリソースをより効率的に制御することができる。送信プロセッサー３３０は、パイロット、同期化、ページング信号、トラヒックチャネル信号の生成とそのための信号電力、および電力コントローラー３２８へのそれらのそれぞれの接続を制御する。受信プロセッサー３２１は、探索、復調のためのＰＮ拡散コード及び受信した電力の監視を制御する。また、プロセッサー３２１は、本発明の方法で使用されるパラメーターを決定するために使用することができ、またはそ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て転送することができ、それによりコントロールプロセッサー３２０の負荷を低減する。
本発明の実施形態を実施するために、１つ以上の事前修正器又は周波数事前修正素子３４２及び３４４を使用してもよい。望ましくは、事前修正素子３４２を用いてベースバンド周波数においてデジタル電力コントローラー３２８のデジタル出力周波数を調整する。ユーザー端末における場合のように、周波数調整を含むベースバンドスペクトル情報はアナログ発信器３３８においいて実行されるアップコンバージョンの期間に適切な中心周波数に変換される。周波数事前修正は、上述した複素信号回転のように、技術的に知られた技術を用いて達成される。この場合回転の角度は、周知衛星軌道および所望のチャネル周波数に基づいて計算される。ユーザー端末に見られるように、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、他の信号回転技術および関連するハードウエアを使用することができる。
周波数事前修正に加えて、時間の相対的なタイミングまたはＰＮコードを変更するために、時間の事前修正を行いたいという要望があるかもしれない。これは、信号がベースバンドで発生され、電力コントローラー３２８による出力の前に信号がベースバンドで発生されるとき、一般的にコード発生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節することにより達成される。例えばコントローラー３２０は、いつコードが発生されるか、およびそれらの相対的タイミングおよび信号への適用、並びに送信変調器３２６によりいつ信号が影響されるか、そして電力コントローラーにより種々の衛星に送信されるか決定することができる。しかしながら、事前修正素子３４２及び３４４の一部を形成する、または事前修正素子３４２および３４４に類似する独立した装置（図示せず）として形成する周知の事前修正素子または回路は、要望通り、周波数事前修正素子無しで、または周波数事前修正素子に加えて使用する事ができる。
図３において、事前修正器３４２は、加算器３３６の前に送信経路に配置されるように示される。これは、要望通り、各ユーザー端末に対して個々の制御を可能にする。しかしながら、事前修正が加算器３３６の後で実行されるとき、単一の周波数事前修正素子を使用刷ることができる。何故なら、ユーザー端末は、ゲートウエイから衛星までの同じ送信経路を共有するからである。
別の方法として、良く知られた技術を用いて、出力信号の周波数を調整するために、アナログ送信機３３８の出力上の送信経路内に事前修正器３４４を配置することができる。しかしながら、アナログ送信機の出力上の周波数を変更することは、より複雑になることがあり、信号フィルタリング処理と干渉するかもしれない。もう一つの方法として、アナログ送信機３３８の出力周波数をコントロールプロセッサー３２０により直接調節し、通常の中心周波数からずれたシフトされた出力周波数を供給することができる。
出力信号に課せられる周波数修正の量は、通信が確立されるゲートウエイと各衛星との間の周知のドップラーに基づいている。衛星ドップラーを処理するために必要なシフトする量は、周知の衛星軌道上の位置データを用いてコントロールプロセッサー３２０により計算することができる。このデータは、ルックアップテーブルまたはメモリ素子のような１つ以上の記憶素子に記憶しおよびそこから検索することができる。また、このデータは、要望通り、他のデータソースから供給することができる。ＲＡＭ回路およびＲＯＭ回路または磁気記憶装置のような種々の良く知られた装置を用いて記憶素子３４６を構成することができる。この情報を用いて一時にゲートウエイにより使用される衛星毎にドップラー調整を確立する。
図３に示すように、時間及び周波数装置（ＴＦＵ）は３４８はアナログ受信器３１４のための基準周波数信号を供給する。ＧＰＳ受信器からの世界時（ＵＴ）信号はいくつかのアプリケーションにおいてこのプロセスの一部として使用することができる。また、世界時（ＵＴ）信号は、要望通り、複数の中間の変換ステップにおいて使用することができる。ＴＦＵ３４８はアナログ送信機３３８のための基準としても役立つ。また、ＴＦＵ３４８は、デジタル受信機３１６Ａ−Ｎおよび３１８内の相関器、送信変調器３２６、およびコントロールプロセッサー３２０のようなゲートウエイ送受信機３００内の他の段または処理素子にタイミング信号を供給する。また、ＴＦＵ３４８は、要望通り、所定量だけ、プロセッサー制御下で、(クロック)信号の相対的なタイミングを遅らせるまたは進めるように構成される。
タイミング測定を実行するための一つの実施形態は、ユーザー端末４００のための時間追跡ループ４００を示す図４に図解される。このタイプの時間追跡ループは、技術的に知られているように、タウディザー(Tau Dither)と呼ばれる。図４において、アナログ受信器からの入力通信信号は通常、オーバーサンプリングされた後、デシメータ(decimator)４０２に入力される。デシメータ４０２はあらかじめ決められた速度とタイミングで作動し、あるサンプルだけを受信器内の次の段に送る。
デシメートされた(decimated)サンプルは、信号を逆拡散するためにＰＮ発生器またはソース４０６により供給される、適切なシステムＰＮ拡散符号と結合するために、典型的には乗算器である結合素子４０４に転送される。逆拡散信号は、結合素子４０８に転送される。そこでは、逆拡散信号は、データを取得するために使用される符号発生器またはソース４１０により供給される適切な直交符号関数Ｗiと結合される。直交符号関数は通信信号チャネルを作成するために使用される関数である。他の強威信号を使用することもあり得るけれども、このプロセスに対して、一般的にパイロットおよびページング信号が使用される。それゆえ、直行符号は、技術的に知られているであろうに、一般的には、パイロットまたはページング信号を発生するために使用されるものである。もう一つの方法として、ＰＮ拡散符号および直交符号は、技術的に知られている様に、一緒に結合することができ、そして単一のステップにおいてサンプルと結合される。
時間追跡回路は前述の米国特許第４，９０１，３０７号に開示される早期／遅れ（Ｅａｒｌｙ／Ｌａｔｅ）スキームを使用することができる。この手法において、入力信号とデジタル受信機２１６のタイミングが同じであるまたは合わされている度合いは、公称チップ時間からのオフセットにおいて入力データストリームをサンプリングすることにより測定される。このオフセットは、ＰＮ符号チップ期間のプラスまたはマイナス１／２であり、それぞれ遅れまたは早期と呼ばれる。
プラス又はマイナスのオフセットデータのタイミングが対称的に公称の逆拡散入力信号ピークのタイミングと異なるなら、「遅れ」サンプリング値と「早期」サンプリング値との間に形成される差分は、ゼロである。すなわち、１／２のチップオフセットが受信された信号の「オンタイム」タイミングの中心にあるとき「遅れ」信号と「早期」信号との間の差分を形成することにより創られる値は、ゼロになる。受信器２１６により使用される相対的タイミングが受信信号のタイミングを正確に追跡しておらず、かつ入力信号データに対して高速であるなら、遅れマイナス早期差分は正の値を有する修正信号を生成する。他方、信号タイミングがあまりにも遅いなら、差分は、負の値を有する修正信号を生成する。逆のものまたは他の関係も要望通りに使用することができる。
この技術を実施するために、デシメータ出力は、信号を復調するために通常使用されるよりも１／２チップ早期に生じるように制御される。次にデシメータ出力は、逆拡散されおよび復号され、その結果生じたデータは、あらかじめ選択された期間（典型的にはシンボル期間）、アキュムレータ４１４において累積される。累積されたシンボルデータはシンボルエネルギーを供給する。シンボルエネルギーは、「早期」信号に対して負でない大きさの値を供給するために二乗素子４１６において二乗される。
サンプルの他のセットは、アキュムレータ４１４を用いて、次のあらかじめ選択された期間において、累積され、加算され、積分される。しかしながら、この期間において、ＰＮ符号および直交符号の適用を１チップ期間だけ遅らせるために遅延素子４１２のセットが使用される。これは、サンプルのタイミングを変更すること、又はデシメーション、逆拡散および復号されたデータの「遅れ」バージョンを生成することと同じ効果を有する。この拡散され、復号されたデータは、あらかじめ選択された期間、アキュムレータ４１４において累積される。さらなる、素子および記憶装置を要望通り使用することができる。累積された遅れシンボルデータは、二乗器４１６において二乗される。結果として生じる早期および遅れの二乗された値は、互いに減算されるかまたは比較され、素子４１８に所望の早期／遅れタイミング差分を生成する。この差分は、タイミングフィルター４２０を用いてフィルタリングされ、「進み／遅れ」信号４２２を供給する。時間追跡ループは遅れ無し符号を用いることと遅れた符号を用いることとの間で交互に起こり続け、早期および遅れシンボルを生成する。この早期遅れシンボルを用いて「進み／遅れ」信号４２２のための値を更新または発生する。これは、当業者には明白であろうように、新しい信号を追跡するために受信機が不活性に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。
デシメーション処理および符号の遅延のための初期のおよび進行中のタイミング制御は、タイミング制御回路４２４のような回路によって提供される。すなわち、タイミング制御回路４２４は、デシメータ４０２からのサンプルを選択するタイミングを決定する。同時にＰＮ拡散および直交符号の発生もタイミング制御回路４２４からの信号により制御される。この後者のタイミングは、符号の適用をイネーブルにするので、ＰＮ−イネーブルとよばれることもある。また初期化信号またはＥＰＯＣＨタイミング信号もあってもよい。タイミング制御回路４２４により選択されるタイミングは、タイミングループ出力に応答して進み／遅れの信号４２２により調整される。一般的に、タイミングは、チップ期間の分数、例えばデシメーションの前に入力信号を収集するために、８回オーバーサンプリングが使用される場合には、１チップの１／８である時間の長さにより進められる。そのようなタイミングおよび進みと遅れの機構は、技術的に十分に理解されている。
各フィンガーまたはディジタル受信機が入力信号と同期させるまたは合わせるためにそのタイミングを調整する量は、信号到着時間の相対的な遅れを決定するために用いられる。これは、タイミングループ４００で使われる時間変化（進み／遅れ）の全量を追跡すれば容易に達成される。アキュムレータ４２６は、各々の進み／遅れの信号またはコマンドをあらかじめ選択された期間にわたり単に蓄積し合計するために使用することができる。これにより、入力信号と受信機タイミングを合わせるために必要とする変更の合計または正味の量を供給する。これは、ローカルユーザー端末または受信機タイミングからの信号のオフセットを示す。ユーザー端末タイミングがゲートウエイに比較的接近しているか同期している場合、信号は、ゲートウエイとユーザー端末との間で遷移するので、これは、信号により経験される遅れの測定値を供給することもあり得、距離の計算を可能にする。残念ながら、局部発振器の精度不良またはドリフトのような多くの要因は、一般的にそのような直接的な計算を妨げる。
しかしながら、２つのデジタル受信機２１６からのタイミング調整を用いて到着差分値の相対的な時間を供給することができる。本明細書では、各デジタル受信機は、衛星１０４Ａまたは１０４Ｂからの信号を受信しており、その信号を追跡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、直接制御プロセッサーに、または専用の計算素子に送ることができ、その場合二つの間で差分が形成される。この差分は、ユーザー端末における二つの信号の到着のための相対的時間差分を示し、これをゲートウエイに報告することができる。
上述のように、このデータは他のメッセージの一部として、または専用の時間情報信号としてゲートウエイに送ることができる。このデータを一時的なメモリに記憶して、後で転送し使用することもできる。またこの情報は、ゲートウエイがそのデータに関する正確な時間関係を有し、ユーザー端末の位置をより正確に決定できるように、収集時間を反映する「タイムスタンプ」のある形式で供給または記憶することができる。しかしながら、通信システムで望まれる精度は、上述のとおり、それほど厳密な要件を要しない。この情報が収集から極めて短時間に伝送されれば、タイムスタンプはそれほど有用ではない。一般的に、データは測定の数データフレーム内に送られ、転送上の問題があれば、転送前にデータが再度生成されるため、数フレーム以上に古くなることはない。しかし、タイムスタンプを使うとより柔軟なデータ送信が可能になり、実際の時間と関係なく信号または信号のセットを繰り返して転送できる。さもなければ、所望のレベルの精度を維持するためにタイムスタンプが使用されないなら、システムは、固定のタイミングスロットおよび報告要件を使用しそうである。
この処理は、パイロット信号が検出されないことを除きゲートウエイにより受信された信号の場合に類似しており、直交符号は一般的にアクセスプローブ信号と関連している。ゲートウエイのための１つの利点は、タイミングが絶対時間基準として考えられることである。すなわち、ゲートウエイは、上述のように正確なシステムタイミングをもち、自己の時間に対してＰＮ符号または直交符号の適用に対する時間差を正確に決定することができる。これによりゲートウエイは、各受信機またはフィンガーに使用されるＰＮ符号の状態からの正確な遷移時間または距離を決定することができる。これらの遷移時間または距離は、本発明の距離および距離差のパラメーターを決定するために使うことができる。従って、ある種のアプリケーションにおいて有用であるが、各フィンガーの情報は、個別に処理されて、前のように素子４２８を用いて結合する必要はない。
周波数測定を実施する実施形態を図５に示す。これはユーザー端末用の周波数追跡ループ５００の概要を示すものである。これらの周波数測定は、本発明の距離レートパラメーターおよび距離レート差パラメーターを決定するために用いることができる。図５において、アナログ受信機からの通信信号は、回転子５０２に入力される。回転子５０２は、あらかじめ選択されるが調整可能な位相で動作し、デジタル受信機またはフィンガーにおけるアナログ受信機から到着するデジタルサンプルからの残余周波数誤差またはオフセットを除去する。
ＣＤＭＡ型の信号が使われるときは、このサンプルは通常マルチプライヤである１つ以上の結合素子５０４に送られて、データを取得するために１つ以上の符号発生器または５０６から供給される適切なシステムＰＮ拡散符号と結合される。そのようなＰＮ拡散符号および直交符号は、独立してまたは単一ステップで一緒に信号と結合することができる。トラフィックチャネルを用いて周波数を調整する場合は、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）素子を使用できる。この技術は、本発明の譲受人に状とされ、参照することにより本明細書に組み込まれる、「直交ウォルシュ変調のための周波数追跡」と題する米国特許出願第０８／６２５，４８１号に開示されている。
回転され、逆拡散されおよび復号された信号は、アキュムレータ５１４においてシンボル期間累積され、データシンボルを供給し、その結果がベクトルクロス乗積発生素子または発生器５１８に供給される。同時に各シンボルは、１つのシンボル時間遅延素子５１６に供給され、シンボル時間遅延素子５１６は、クロス乗積発生器５１８にシンボルを転送する前に１シンボル期間遅延を供給する。
クロス乗積発生器５１８は、与えられたシンボルと先行するシンボルとの間のベクトルクロス乗積を形成し、シンボルの間の位相の変化を決定する。これは、入力信号に与えられた位相回転における誤差の測定値を供給する。クロス乗積発生器５１８からの出力は、周波数誤差推定値または調整係数として回転子５０２および符号発生器５０６に供給される。
逆拡散処理及び復号処理のためのタイミング制御は、上述したように、タイミング制御回路５２４のような回路により供給される。このタイミングは、上に説明したタイミングループからの出力として供給してもよい。
各フィンガまたはディジタル受信機が、入力信号に合わせるためにその位相を調整する量を用いて、到着信号の相対的な周波数オフセットを決定する。すなわち、信号の位置合わせにおける残差を除去するために回転子が調整しなければならない量は、ユーザー端末のための予測されるまたは局部基準周波数から到着信号周波数がずれた量を示す。
通信システムは、通信信号のための周波数帯域の固定されたセット内で動作するので、受信器は使用する中心のまたは公称のキャリア周波数を知っている。しかしながら、僅かかもしれないドップラーシフト及び他の影響の結果として、到着する信号は予測された中心周波数にはないであろう。上に開示した調整は、到着信号のドップラーシフトおよび実際の周波数を決定するために使用することができるオフセットを定義する。
これは、周波数追跡ループ５００により実施された変化の合計量を追跡すれば容易に達成される。アキュムレータ５２２を用いて、事前に選んだ期間内の誤差の推定値、信号、またはコマンドから位相変化を単に累積することができる。これは入力信号と受信機周波数を位置合わせするために必要な合計のまたは正味の変化量を供給し、適切な周波数帯域にスケールされた(scaled)局部ユーザー端末または受信機の周波数からの信号の周波数オフセットを表す。
上述したように、このデータはその他のメッセージの一部として、または専用の周波数情報の信号としてゲートウエイに送ることができる。データを一時的メモリに保管して後で伝送したり、ある形式の「タイムスタンプ」を供給することもできる。しかし、データは測定の数データフレーム内に送られるため、これは一般的には必要とされず、問題がある場合には再度生成される。あるいは、所定の精度のレベルを保持するためにタイムスタンプを使用しないと、システムが固定のタイミングスロットおよび報告の要件を使用する可能性がある。
III  利用可能なパラメーター
好適実施形態において、本発明は４つのパラメーターの組み合わせを採用している。パラメーターは、距離、距離レート、距離差、距離レート差である。これらのパラメーターは、ユーザー端末１０６と衛星１０４Ａ、１０４Ｂの間の、空間（spatial）と時間（temporal）との関係を述べている。これらのパラメーターと、それらの測定及び適用とは以下に述べるようになっている。
図６、７及び８は、上記のパラメーターを等高線として地球表面上に投影した状態を示している。あるパラメーターの等高線は、そのパラメーターの同じ値のポイントを全て接続している曲線である。図６、７は、それぞれ、２つの衛星１０４Ａ、１０４Ｂのサブポイント６１４Ａ、６１４Ｂ（つまり、各衛星直下の地球表面上のポイント）を示し、また、地球表面上に、衛星１０４Ａ、１０４Ｂに関連した距離、距離レート、距離差、距離レート差のパラメーターを投影している。２つの軸、つまりＸ軸６０２Ａ、Ｙ軸６０２Ｂは、千キロメータで目盛りつけされており、例示スケールを図解するように供給される。図８は、衛星１０４Ａ、１０４Ｂのサブポイント６１４Ａ、６１４Ｂを示している。そして、地球表面上に、衛星１０４Ａ、１０４Ｂに関連した距離レート、距離差、距離レート差のパラメーターのための等高線を投影して示している。
距離 距離パラメーターは、衛星とユーザー端末間の距離を表す。本発明の好適実施形態では、距離パラメーターは衛星１０４とユーザー端末１０６との間の距離
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である。地球表面上への同等Ｒ等高線を投影した場合、これは関連する衛星の直下に中心を置く、円形として示される。これは図６に一般的に符号６０４で示されるような破線により示される。本発明の実施形態では、Ｒは、衛星１０４からユーザー端末１０６に伝送されそして衛星１０４に戻ってくる信号のいわゆる往復遅延（round-trip delay：ＲＴＤ）を測定することで得ることができる。そしてＲは、ＲＴＤを２で除算することにより一方向の遅延を生じ、その結果を光束と乗算することにより信号の速度を表す。他の実施形態ではRTDは距離パラメーターとして用いられる。
本発明の好適実施形態において、ＲＴＤは、以下の方法により測定される。まず、ゲートウエイ１０２によって、既知の実行中のＰＮシーケンスまたは拡散符号が送信される。この信号は、衛星１０４によりユーザー端末１０６に中継される。ユーザー端末１０６は、直ちにまたは周知の遅延の後に信号を再送信する。再送信された信号は、同じ衛星１０４によって、ゲートウエイ１０２に中継されて戻される。ゲートウエイ１０２は、次に受信された信号のPNシーケンスの状態を局部PNシーケンスの状態と比較する。次に、状態における差を用いて、ゲートウエイ１０２と衛星１０４との間の周知の遅延を含む合計往復遅延を決定する。これらの遅延量は、周知である、これは衛星１０４とゲートウエイ１０２との間の距離が、関連技術でよく知られているように、ゲートウエイ１０２により維持されているからである。合計往復遅延からこれらの周知の遅延を減算することによりＲＴＤを生ずる。周知の衛星軌道を用いて、ゲートウエイ１０２と衛星１０４との間の周知の遅延は、技術的によく知られた種々の方法により計算される。
別の実施の形態においては、
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は、１つの衛星１０４Ａからユーザー端末１０６に送信され、第２の衛星１０４Ｂに戻ってくる信号の「ハイブリッド」往復遅延量を測定することにより得られる。しかし、この実施の形態では、ハイブリッド往復遅延量を単純に半分にすることによっては、一方向の遅延量を決定することはできない。これは、２つの衛星が、測定に関与し、相対的な位置に関するいくつかの情報が必要になるからである。本発明の好適実施形態において、この情報は、以下に説明する距離差パラメーターによって与えられる。当業者によれば明らかなように、他のパラメーター及び測定は、この情報を提供することができる。衛星１０４の一方向遅延量が一旦分かると、
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は一方向遅延量に光速を掛けることで決定される。
本発明の好適実施形態において、ハイブリッド往復遅延量は、次のような方法で測定される。まず、ゲートウエイ１０２によって、既知の実行中のPNシーケンスを含む信号が送信される。この信号は第１の衛星１０４Ａによりユーザー端末１０６に対して中継される。ユーザー端末１０６は、ただちにあるいは既知の遅延の後のいずれかで、その信号を再送信する。再送信された信号は、第２の衛星１０４Ｂにより中継されてゲートウエイ１０２に戻される。ゲートウエイ１０２は、受信した信号に含まれるPNシーケンスの状態と、ローカルPNシーケンスの状態とを比較する。この比較結果の差が、既知のチップレート（chiprate）に基づいて合計ハイブリッド往復遅延量を決定するために用いられる。ゲートウエイ１０２と第１の衛星１０４Ａ間の既知遅延量と、ゲートウエイ１０２と第２の衛星１０４Ｂ間の既知の遅延量とを、合計ハイブリッド往復遅延量から減算することで、ハイブリッド往復遅延量が算出される。
当業者に明白であるように、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、他の方法をＲを取得するために採用することができる。
本発明の好適実施形態において、ＲＴＤは呼の期間または呼の確立の期間に測定することができる。呼の確立期間中に測定が行われるなら、測定された信号は、ページング信号の一部としてユーザー端末１０６からゲートウエイ１０２に通常送信され、アクセス信号の一部としてユーザー端末１０６からゲートウエイ１９２に再送信される。呼の期間中に測定が行なわれるなら、測定された信号は、トラフィック信号の一部としてゲートウエイ１０２からユーザー端末１０６に通常返送される。関連した技術に熟達した人には明白であるように、測定された信号は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、所望どおり、別のタイプの信号であってもよく、または他の信号に組み込まれていても良い。
距離差  距離差パラメーターは、ユーザー端末１０６と２つの衛星１０４Ａ、１０４Ｂの距離を表している。本発明の好適実施形態において、距離差は、
（１）特定のユーザー端末１０６と第１の衛星１０４Ａ間の距離、（２）当該ユーザー端末１０６と第２の衛星１０４Ｂ間の距離との間の差ｄＲである。地球表面上へのｄＲ等高線の投影は、図６に６０６に一般的に示される、破線で描画されるように、双曲線のセットを記載し、ｄＲ＝０の等高線は、直線を記載する。
この発明の実施例において、ｄＲは以下の方法で決定される。最初に、ゲートウエイ１０２は２つの信号を送信する。第１の信号は第１の衛星１０４Ａを介してユーザー端末１０６に送信され、第２の信号は第２の衛星１０４Ｂを介してユーザー端末１０６に送信される。この好適実施形態において、第１、第２の信号はゲートウエイ１０２において図３において説明したように時間に対して事前修正され、その結果、これらの信号は第１、第２の衛星１０４Ａ、１０４Ｂにより実質的に同時に送信される。
第２にユーザー端末１０６は(１)ユーザー端末１０６が第１の衛星１０４Ａから信号を受け取った時間と、(２)ユーザー端末１０６が第２の衛星１０４Ｂから信号を受け取った時間との間の遅延時間差を決定する。この遅延時間差は以後の説明ではΔｔと呼ぶ。第３に、ユーザー端末１０６はこのΔｔをゲートウエイ１０２に報告する。最後に、ゲートウエイ１０２はこのΔｔからｄＲを決定する。このｄＲを得るためにこの発明の要旨を逸脱せずに他の方法を用いることが出来ることは関連技術に熟達した人には、自明のことである。
この発明の他の実施例ではこのΔｔは距離差パラメーターとしてもちいられる。この発明の好ましい実施例において、第１、第２の信号はパイロット信号である。関連した技術に熟練した人には、この発明の要旨から逸脱せずに任意の適切な信号を使用することができることことは自明である。
この好適実施形態において、第１、第２の信号は図３で説明したようにゲートウエイ１０２によって送信する前に事前修正され、これらの信号が衛星１０４Ａ、１０４Ｂにより再送信されるときにこれらの信号のＰＮコードが同期することが保証される。（但し、サブビームのためのた適当なＰＮコードオフセットを含む）そして、ユーザー端末１０６は、２個の受信信号中のＰＮコードの状態を比較してΔｔを決定する。他の実施形態において、第１、第２の信号は時間において事前修正されず、第１、第２の信号の再送信時間の差の影響が、信号受信後にゲートウエイ１０２において取り除かれる。このゲートウエイ１０２と衛星１０４Ａ、１０４Ｂ間の信号路長の差を補償するために他の事前修正方法を用いることが出来ることは関連技術に熟達した人にとって自明である。
距離レート。この距離レートパラメーターは、ユーザー端末と衛星との間の相対的な視線速度を表す。本発明の好適実施形態において、この距離レートパラメーターはユーザー端末１０６と衛星１０４との間の相対的な視線速度Ｒを表す。他の実施例では、距離レートパラメーターはユーザー端末と衛星との間で送信される信号中のドップラーシフトＲＴＤｏｐである。Ｒは、ＲＴＤｏｐを光速と乗算し、中心キャリア周波数と除算することにより計算できる。地球表面上のＲＴＤｏｐ等高線のの投射は、一組の双曲線のような曲線を描き、図８の数字８０４で示した実線により表示されたように関連する衛星の速度ベクトルに関して対称形となる。衛星１０４Ａのサブポイント６１４Ａを通過する、ＲＴＤｏｐ＝０の輪郭は直線を描く。
本発明の好適実施形態において、Ｒは、ユーザー端末１０６とゲートウエイ１０２とにおける２つの周波数測定を行うことにより以下の方法で決定される。ユーザー端末１０６は衛星１０４を介してユーザー端末１０６から受信した信号の周波数を測定し、この周波数をゲートウエイ１０２に報告する。ゲートウエイ１０２は、同じ衛星１０４を介してユーザー端末１０６から受信した信号の周波数を測定する。従って２つの周波数測定値がゲートウエイ１０２にて利用可能である。好適実施形態において、周波数は、局部発振器周波数に対して測定される。従って、実際の周波数は、以下のようにして求められる。この技術は、参照することにより本明細書に組み込まれる（代理人整理番号ＰＡ３００が割当てられた）出願番号を有する「通信システムにおける周波数オフセットの決定」（Determination of Frequency Offsets In Communication Systems）という題の同時係属共有出願にも開示されている。
これらの測定値は、ユーザー端末１０６の局部発振器の相対的な視線速度Ｒと正規化されたオフセットｆoff/ｆ０の２つの未知数を含む２個の方程式により表すことができる。関連技術に熟達した人には明白であるように、衛星通信システム動作の他の観点において有用である測定値であるＲだけでなく、ｆoff/ｆ０woを生じるこれらの２つの未知数に対して方程式のペアを解くことができる。
これら２つの方程式の導出は、図９Ａおよび図９Ｂにおいて、グラフ的に描画される。図９Ａは
ユーザー端末１０６において測定された周波数の成分のグラフ描写であり、図９Ｂはゲートウエイ１０２で測定された周波数の成分のグラフ描写である。
Ｒ：衛星１０４とユーザー端末１０６との間の相対視線速度
ｃ：伝播速度（光速）
ｆＦ：フォワードリンクの公称周波数
ｆＲ：リバースリンクの公称周波数
ｆ０：ユーザー端末１０６の局部発振器の公称周波数
ｆｏｆｆ：ユーザー端末１０６の局部発振器の周波数オフセット
ｆｏｆｆ／ｆ０：ユーザー端末１０６の局部発振器の正規化周波数オフセット
図９Ａにおいて、ユーザー端末１０６で測定される周波数は以下で与えられる。
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図９Ｂ参照すると、ゲートウエイ１０２で測定される周波数は以下で与えられる。
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この（１）式、（２）式を加算、減算することにより、以下の関係から周波数オフセットと相対視線速度とを生じる。
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関連技術に熟達した人には明白であるように、本発明の精神と範囲と逸脱することなくＲを得るために他の方法を使用することができる。
他の実施形態において、
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は２個の衛星１０４Ａ、１０４Ｂを用いた「ハイブリッド」法により得られる。この実施形態において、ユーザー端末１０６は第１の衛星１０４Ａを介してゲートウエイ１０２から受信した信号の周波数を測定して、この周波数をゲートウエイ１０２に報告する。ゲートウエイ１０２は第２の衛星１０４Ｂを介してユーザー端末１０６から受信した信号の周波数を測定する。従って、２つの周波数測定値がゲートウエイ１０２において入手可能であり、従って、２つの方程式が解のために利用可能である。しかしながら、この実施形態では、３個の未知数、即ち、第１衛星１０４Ａの相対視線速度、第２衛星１０４Ｂの相対視線速度、および局部発振器の正規化オフセットｆｏｆｆ／ｆ０がある。従って
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を得るためにはより多くの情報が必要である。本発明の好適実施形態において、この情報は以下に述べる距離−レート差パラメーターによって供給することができる。しかしながら関連した技術に熟達した人には明白であろうように、他のパラメーターおよび測定がこの情報を供給することができる。従って、この実施形態は、フォワードリンク信号とリバースリンク信号の両方に対して同じ衛星１０４が使用できないときでも本発明の動作を可能にする。この状況は、例えば、装置の突然の遮断や信号の品質の低下等に起因して発生する。
本発明の好適実施形態において、周波数の測定は呼の期間または呼の確立の期間に行うことができる。もし、測定が呼の確立の期間に行われるときは、ユーザー端末１０６で測定される信号はページング信号であり、ゲートウエイ１０２で測定される信号はアクセス信号である。もし、測定が呼の期間に行われるときは、ユーザー端末１０６とゲートウエイ１０２で測定される信号はトラフィック信号である。関連技術に熟達した人に明白であるように、本発明の精神と範囲を逸脱することなく他の信号を採用することができる。
距離レート差 距離レート差（ドップラー差としても知られている）パラメーターは、（１）特定のユーザー端末１０６と第１の衛星１０４Ａとの間の距離レートと、（２）ユーザー端末１０６と第２の衛星１０４Ｂとの間の距離レートとの差を示す。本発明の好適実施形態において、この距離レート差パラメーターは、（１）特定のユーザー端末１０６と第１の衛星１０４Ａとの間の相対視線速度と、（２）ユーザー端末１０６第２の衛星１０４Ｂとの間の相対視線速度との差
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である。
本発明の他の実施形態において、距離レート差パラメーターは周波数差Δｆであって、ユーザー端末１０６で測定され、第１衛星１０４Ａを介してゲートウエイ１０２から受け取った信号の周波数と第２衛星１０４Ｂを介してゲートウエイ１０２から受け取った信号の周波数との差の周波数である。
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は以下のようにΔｆと関連する。即ち、
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はΔｆと光速との積を中心キャリア周波数で割ることで計算できる。同等Δｆの地球表面への投射は、図６で符号608で示された実線により表された曲線で示される。
本発明の好適実施形態において、
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は以下の方法で決定される。第１に、ゲートウエイが２個の信号を送信する。第１の信号は第１の衛星１０４Ａを介してユーザー端末１０６へ送信され、第２の信号は第２の衛星１０４Ｂを介してユーザー端末１０６へ送信される。本発明の好適実施形態において、第１、第２の信号の周波数は、ゲートウエイ１０２において事前修正され、それにより、第１、第２の衛星１０４Ａ、１０４Ｂによって再送信される信号は、同じ周波数を持つ。
第２に、ユーザー端末１０６は、（１）第１衛星から受信した信号の周波数と（２）第２衛星から受信した信号の周波数との差を決定する。この周波数差はΔｆである。最後に、ユーザー端末１０６は、Δｆと光速との積を第１、第２の信号の中心周波数で割ることにより
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を計算する。関連技術に熟達し多人の明白であるように、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、他の方法を用いてΔＲを取得することができる。
本発明の好適実施形態において、第１の信号は、第１の衛星１０４Ａとゲートウエイ１０２との間の周知な相対的な動きにより生じたドップラーシフトを補償するために信号の周波数を調節することにより、送信前に、ゲートウエイ１０２により事前修正され、第２の信号は、同様の方法で事前修正される。他の実施形態において、どちらの信号も周波数事前修正されない。関連技術に熟達した人に明白であるように、他の事前修正方法を用いて衛星１０４Ａ、１０４Ｂの動きを補償することができる。
本発明の好適実施形態において、第１および第２信号はパイロット信号である。関連技術に熟達した人には明白であるように、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、任意の適切な信号を使用することができる。
ＩＶ．位置決め方法
上記のパラメーターはユーザー端末１０６の位置を決定するために少なくとも３つの異なる組み合わせにおいて使用することができる。これらの３つの位置決め方法が以下に記載される。本願発明を理解する上の助けとして、当該パラメーターの物理的表示は、地球表面上に投影された等パラメーター等高線として提示される。
本発明の第１の実施形態において、位置決定は距離（range）、距離差（range difference）、距離レート差（range-rate difference）というパラメーターに基づいている。図６はこれらのパラメーターのための等高線を示す。図６において、距離パラメーターはＲであり、距離差パラメーターはｄＲであり、距離レート差パラメーターはΔｆである。図６を参照すると、１つの等Ｒ等高線は一点鎖線により描画され、一般的に６０４で示される。これはユーザー端末１０６と衛星１０４Ａとの間の２，７５０ｋｍの距離を表す円を形成する。衛星１０４のサブポイント（sub-point）６１４は基線６１２によって接続される。任意の等Ｒ等高線が基線に対して９０度の角度で交差することに留意する必要がある。図６はまた、、一般的に６０６で示されるように、等ｄＲ等高線の群を破線として描画する。各等ｄＲ等高線は同一の値ｄＲを有するすべてのポイントを結ぶ双曲線であって、９０度の角度で基線６１２の交差する。図６において、ｄＲ等高線は、数千キロメーターの単位で目盛り付けされる。ｄＲ＝０の等高線は、基線６１２の通常の２等分線（bisector）である。ｄＲ＝０の等高線のすぐ右側にあるｄＲ＝＋０．５の等高線は、衛星１０４Ａの距離が衛星１０４Ｂへの距離を５００ｋｍだけ越えているすべてのポイントを結ぶ。
距離と距離差のみを用いる位置決め方法には２つの問題がある。第１の問題は位置が曖昧であることである。例えば、Ｒ＝２７５０ｋｍおよびｄＲ＝＋５００ｋｍの場合を考える。図６を参照すると、Ｒ＝２７５０ｋｍの等高線はｄＲ＝＋５００ｋｍの等高線と２点、６１０Ａと６１０Ｂで交差する。さらに情報無くして、ユーザー端末１０６が６１０Ａと６１０Ｂのいずれにあるのか決定することはできない。すなわち、この手法は曖昧さがある。
第２の問題は、「精密度の幾何学的希釈（Geometric Dilution of Precision）（ＧＤＯＰ）として知られるものである。パラメーターの小さな誤差が位置決定に大きな誤差を生じさせるとき、ＧＤＯＰの特異点（singularity）が発生する。ＲおよびｄＲの等高線は、共に基線６１２に９０度で交差するために、それらは接線（tangential）又はほぼ接線であり得る。したがって、いずれかのパラメーターにおける小さな誤差は大きな位置の誤差となる。さらなる位置情報無くしては、距離と距離差のみを用いる位置決め方法はＧＤＯＰの特異点（singularity）の影響を受ける可能性がある。
適切な第３のパラメーターを用いることによって、大部分の場合において両問題点を解決できる。図６を参照すると、距離レート差パラメーターΔｆは、ｋＨｚで目盛り付けされた一般的に６０８で示された、曲線の群として描画される。Δｆ曲線の形状は衛星１０４Ａと１０４Ｂの相対速度の関数である。衛星１０４Ａと１０４Ｂの代表的な速度ベクトルは移動線に沿って延伸する矢印として、一般的に６１６Ａおよび６１６Ｂにおいて描画される。最大Δｆの領域は図６の最上部に近いところにあり、そこでは、衛星１０４Ａと１０４Ｂのサブトラック（sub-track）が交差する。
図６を参照すると、Δｆ等高線はＲ等高線とｄＲ等高線にほぼ垂直である。このため、距離−レート差パラメーターΔｆは、位置決定の曖昧さとＧＤＯＰ問題の両方を解決する。例えば、６１０Ａ地点は、Δｆ＝２０ｋＨｚの等高線上にある。一方、６１０Ｂ地点は、ほぼΔｆ＝８４ｋＨｚの等高線上にある。６１０Ａ地点と６１０Ｂ地点はΔｆの値で明確に区別されるので、距離−レート差パラメーターΔｆは、位置決定の曖昧さの問題を解決することができる。同じ理由で、距離−差パラメーターΔｆは、ＧＤＯＰ問題を解決する。距離レート差パラメーター
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はまた、当業者とって明らかなように、これらの問題を解決することができる。
図７は、距離−レート差パラメーターが距離と距離差パラメーターだけを使用する位置決定方法で表されるＧＤＯＰの特異性を解決しない場合を示している。この場合、ユーザー端末１０６によって見られる１０４Ａと１０４Ｂの２つの衛星の速度ベクトル（及び進路と副軌道）はほぼ平行である。この幾何学手法によって、Δｆ等高線はユーザー端末１０６の付近で終結され、基線６１２上の地点７１２の近くでＲ等高線とｄＲ等高線にほぼ平行に走る。これら３つの等高線はユーザー端末１０６の付近でほぼ平行であるから、ＧＤＯＰの特異性は存在する。ＧＤＯＰの特異性は、以下に述べられるように、距離−レート差パラメーターを距離−レートパラメーターで交換することによって解決されうる。
図１０は、この発明の第１の実施形態の動作を示すフローチャートである。１以上の距離パラメーターが、上述及びステップ１００２において示されるように決定される。１以上の距離差パラメーターが、上述及びステップ１００４において示されるように決定される。１以上の距離−レート差パラメーターが、上述及びステップ１００８において示されるように決定される。そして、地表面上のユーザー端末の位置が、ステップ１０１０で示されまた後述されるように、既知の衛星の位置と速度、及び距離と距離差と距離−レート差パラメーターに基いて決定される。
この発明の第２の実施形態では、位置決定は距離と距離差と距離−レート差パラメーターに基く。図８は図７の場合を示す。図７では、等−Δｆ等高線は、衛星１０４Ａに関して測定され、実線で示され、一般に８０４で示された等−ＲＴＤｏｐ等高線で取り替えられている。等−ＲＴＤｏｐ等高線は双曲線のようであり、衛星１０４Ａの速度ベクトルに関して対称である。各ＲＴＤｏｐ等高線は、衛星１０４Ａに関して同じドップラー遷移を経験している地上の表面上の地点を結んでいる。等−ＲＴＤｏｐ等高線は、衛星１０４Ａのサブポイント６１４Ａを通るＲＴＤｏｐ＝０の等高線と共に、ｋＨｚの目盛りがつけられている。こうして、ＲＴＤｏｐ＝０の等高線上に立っている観測者に対して、衛星１０４Ａは、観測者に向かって動いているようにも、観測者から離れて動いているようにも見えない。
図１１は、この発明の第２の実施形態の動作を示すフローチャートである。１以上の距離パラメーターが、上述及びステップ１１０２で示されるように、決定される。１以上の距離差パラメーターが、上述及びステップ１１０４で示されるように、決定される。１以上の距離−レートパラメーターが、上述及びステップ１１０６で示されるように、決定される。そして、地表面上のユーザー端末の位置が、ステップ１１１０で示されまた後述されるように、既知の衛星の位置と速度、及び距離と距離差と距離−レート差パラメーターに基いて決定される。
図８で見られるように、距離−速度パラメーターＲＴＤｏｐは、距離と距離差パラメーターのみを使用する位置決定方法で表されるＧＤＯＰの特異性を軽減することができる。しかしながら、まれなケースでは、距離−レートパラメーターだけでは、ＧＤＯＰの特異性を解決するには不十分である。この場合では、ＧＤＯＰの特異性は、４つ全てのパラメーターを使用することによって解決され得る。こうして、この発明の第３の実施形態では、位置決定は、距離と距離差と距離−レートと距離−レート差の４つのパラメーターに基く。関連技術に熟達した人に明白であるように、上述のどの実施形態においても、各パラメーターを１以上使用することによってさらに正確性を増大させることができる。
図１２は、この発明の第３の実施形態の動作を示すフローチャートである。上述及びステップ１２０２にて示されるように、１以上の距離パラメーターが決定される。上述及びステップ１２０４にて示されるように、１以上の距離差パラメーターが決定される。上述及びステップ１２０６にて示されるように、１以上の距離−レートパラメーターが決定される。上述及びステップ１２０８にて示されるように、１以上の距離−レート差パラメーターが決定される。そして、地表面上のユーザー端末の位置が、ステップ１２１０で示されまた後述されるように、既知の衛星の位置と速度、及び距離と距離差と距離−レートと距離−レート差パラメーターに基いて決定される。
Ｖ．位置決めの実行
位置決めの実行を詳細に述べる前に、この発明の位置決め方法が動作する模範的な環境を最初に述べることは有用である。図１３は、このような例示的環境を図示するブロック図である。この環境は、コントロールプロセッサー２２０やコントロールプロセッサー３２０の一部を形成しうるコンピューターシステム１３００である。コンピューターシステム１３００は、プロセツサー１３０４のような１以上のプロセツサーを含む。プロセッサー１３０４は、通信バス１３０６に接続されている。さまざまな実施形態がこのコンピューターシステム例に関して記述されている。この記述を読んだ後には、当業者は他のコンピューターシステム、コンピューターアーキテクチャ、ハードウエアステートマシン、ルックアップテーブル等、そしてこれらの組み合わせを用いるこの発明の位置決め方法の実行方法が明らかになる。
コンピューターシステム１３００は、またメインメモリ１３０８、好ましくはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含み、そしてまた２次メモリ１３１０を含みうる。２次メモリ１３１０は、例えば、ハードディスクドライブ１３１２や、フロッピーディスクドライブ、磁気テープドライブ、光ディスクドライブ等で表される取り外し可能なストレージドライブ１３１４を含みうる。取り外し可能なストレージドライブ１３１４は、良く知られた方法で、取り外し可能なストレージユニット１３１８から読み出したり、取り外し可能なストレージユニット１３１８へ書込んだりする。取り外し可能なストレージユニット１３１８は、フロッピーディスク、磁気テープ、光ディスク等を表す。高く評価されているように、取り外し可能なストレージユニット１３１８は、コンピュータソフトやデータを記憶するコンピューターで使用される記憶媒体を含む。
別の実施形態として、２次メモリ１３１０は、コンピュータープログラムや他の指示をコンピューターシステム１３００へロードする他の類似手段を含んでもよい。このような手段は、例えば、取り外し可能なストレージユニット１３２２やインターフェース１３２２を含みうる。例では、プログラムカートリッジとカートリッジインターフェース（ビデオゲーム装置で見られるようなもの）、取り外し可能なメモリチップ（ＥＰＲＯＭやＰＲＯＭのようなもの）と付随したソケット、及びソフトとデータを取り外し可能なストレージユニット１３２２からコンピューターシステム１３００へ送信する他の取り外し可能なストレージユニツト１３２２とインターフェース１３２２が含まれうる。
コンピューターシステム１３００は、また通信インターフェース１３２４を含みうる。通信インターフェース１３２４によって、ソフトとデータがコンピューターシステム１３００と外部装置との間で通信経路１３２６を通して送信されうる。通信インターフェース１３２４の例として、モデム、ネットワークインターフェース（イーサネットカードのようなもの）や通信ポート等が含まれうる。通信インターフェース１３２４を通して送信されるソフトウエアとデータは、電気的、電磁的、光学的な信号、或いは通信経路１３２６を通して通信インターフェース１３２４によって受信されるうる他の信号の形式をとっている。
本発明の位置決め方法は、この例環境の観点から記載される。これらの用語における記載は便宜的な目的のためにのみ提供される。本発明の位置決め方法の動作が、この例示環境におけるアプリケーションに限定されることを意図したものではない。実際には、以下の記述を詠んだ後、本発明の位置決め方法を他の実施形態でどのように実施するかについて、関連する技術に熟達した人には明白になるであろう。
本発明の一実施形態では、ユーザー端末１０６の位置はコンピューターシステム１３００上で後述の位置決め方法を実行することにより決定される。関連技術に熟達した人に明白であるように、位置決め方法は本発明の精神と範囲を逸脱せずにハードウェアステートマシン、参照テーブルで実行可能である。
ｚで示されるパラメーターのＭ×１ベクトルは位置決めで用いられることになるＭ個のパラメーターからなるよう構成される。ベクトルｚは上述した各パラメーターを１以上含む。当該技術で明らかなように、これらパラメーターは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。
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ここで、上付”Ｔ”はマトリクスまたはベクトルの置換を表す。
従って、
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ここで、Ｍ×１ベクトルｖは測定誤差を表し、ｈは測定パラメーターおよびユーザー端末１０６の関係を表す非線形関数である。ｈは衛星１０４Ａおよび１０４Ｂの速度および位置の関数でもある。別の実施形態では、ユーザー端末位置ベクトルｖが式（７）に示すように緯度および経度よりもむしろ３デカルト座標によって定義することができる。
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線形ガウス法によれば、Ｍ×Ｋ部分デリバティブ（derivative）マトリクスＨはユーザー端末１０６の位置を解くために構成される。ここで、Ｋは未知位置の数であり、これの（ｍ，ｋ）要素は与えられた位置で決定されたｋ番目の位置パラメーターに対するｍ番目の測定値の部分導関数である。例えば、位置ベクトルが式（５）にあるように緯度および経度を表すとすれば、Ｋが２であり、マトリクスＨのｋ＝１列における要素がユーザー端末１０６の緯度に対する部分導関数を表し、ｋ＝２列における要素がユーザー端末１０６の経度に対する部分導関数を表す。この位置ベクトルがデカルト座標（Ｋ＝３）によるものであれば、Ｈのｋ＝（１，２，３）列がそれぞれ（ｘ，ｙ，ｚ）座標を参照する。デカルト座標が用いられる場合、座標の２乗が地球半径の２乗であることを示すために式が付加される。ｘおよびＨの、関係は次式で与えられる。
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反復加重最小自乗法が未知位置パラメーターを解くために用いられる。本発明の好ましい実施形態では、”Ｈ．Ｗ  Sorenson in Parameter Estimation-Principles and Problems, New York, Marcel Dekker,1980”に開示される加重ガウス−ニュートン法が採用されている。反復式は次の関係により与えられる。
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ここで、ｘｉおよびｘｉ＋１はそれぞれ現在および次の位置推定値であり、ＷはＭ×Ｍ加重マトリクスである。下付ｉは最初の反復をｉ＝０で表すようにして反復数を表す。位置推定値に基づくマトリクスまたはベクトルは上付”＾”で示される。最後に確認されたユーザー端末１０６の位置のような参照地点は初期概算値として選定される。最終位置がわからなければ、ゲートウエイ１０２の位置のような任意の位置を用いることができる。
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この式は現在地の概算値で決定された部分デリバティブマトリクスである。
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これらは現在位置の推定値を用いて決定された予期の誤差なしパラメーターである。反復は
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の差が所定のしきい値よりも落ちたときに終了する。このしきい値は、関連技術に熟達した人に明白であるように、システム精度に基づいてシステムデザイナーまたはオペレータにより決定される。例えば、このしきい値は測定のチップ精度およびチップレートに基づくことができる。
Ｍ×Ｍ重みマトリクスＷの要素は、未知数より多くのパラメーターがあるとき、推定された位置に
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上の特定のパラメーターの影響を強化するための手段を提供する。好適実施例形態において、重みマトリクスＷは対角線マトリックスであり、その要素は、各パラメーターが決定されることができる相対的な正確度を反映する。従って、関連技術に熟達した人には明白であるように、要素の値は、システムの既知の測定の正確度に基づいて設定される。それ故、非常に正確な測定に基づいたパラメーターは、正確に測定することができないパラメーターよりも、より多くの有意性が与えられる。重みマトリクスの要素は予め定められた値に初期化されるが、ダイナミックに調節されることができる。最適の正確度は、重みマトリクスが測定誤差共分散マトリクスの逆数として選択されるなら、得られる。
もし、測定誤差がゼロ平均および分散と相互に独立しているならば、すなわち、
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である場合には、Ｗはその対角線要素としてσｍを有する対角線マトリクスである。このＷの選択により、推定された位置ベクトルｘのｋ番目の要素の分散は次の式で与えられる。
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最後に、単位距離における、結合された理論的水平位置誤差は次の式で与えられる。
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ここで、ＲＥは地球の半径である。
通常、誤差分散に従って正確な重みマトリクスが選択されたならば、基線６１２の反対側における真の解の鏡像に対応する極小に反復が収束するかもしれない。基線６１２に関してそれを反映することによりこの最初の解を使用して付近の他の解を発見することができる。新しい反復サイクルは正確な第２の解を発見するために必要である。２つの可能な解が得られたならば、依然としてどちらが真であるかを発見することが必要になる。これは、各解に対応して計算された周波数を、測定された周波数と比較することにより成就される。正しい解への反復のより直接的な収束を保証するより良い技術を以下に記載する。この技術は“重みマトリクス適応”と呼ばれている。一例として、周波数測定が時間測定よりも大きい誤差分散を有しているとき、その周波数測定は正確に形成された重みマトリクスにおいて少ない重みが与えられる。しかしながら、前に指摘したように、これは鏡像に収束する結果を生じる可能性がある。したがって、初期重みマトリクス（重みマトリクス操作）はエラー分散に基づいた“正確”であるよりも周波数測定にさらに大きい重みが与えられる（上記の例）ように慎重に選択される。これは、反復が鏡像解ではなく真の解に向かうように操作されることを確実にする。固定された予め定められた数（通常小さい数）の反復後に、あるいは我々が収束の近くに位置しているとき（それは、
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との間の差を測定することによって検出される）、スイッチは上記の“正確な”（最適の）重みマトリクスＷに切換えられる。この後者のステップは我々の解の究極的な誤差が可能な最小のものであることを確実にする。上記の技術は、一回より多く重みマトリクスを変更するように一般化されることができる。
好ましい実施形態では、位置づけ方法は地球の表面に対する平滑な楕円面モデルを使用する。別の一実施形態では、位置づけ方法は最初にＷＧＳ−８４地球モデルのような地球の表面に対する平滑な楕円面モデルを使用する。ｘの値が収束して、そのため
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との間の差が予め定められたしきい値より小さくなるとき、詳細なデジタル地形モデルが平滑なモデルと置換され、反復は、ｘの値が収束して、そのため
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との間の差が第２の予め定められた距離しきい値より小さくなるまで続けられる。別の一実施形態では、ディテールのデジタル地形モデルが予め定められた数の反復の後に置換される。上記の距離しきい値の値と反復数は、当業者に明らかな種々の要因にしたがって決定されることができる。
別の一実施形態では、地球自身の上方の位置の高度が推定されることができる。付加的な仮想の測定、すなわちデカルト座標の使用に関連して述べられた地球の中心までの距離は完全な測定として処理されてはならない。それと関連して、誤差σｈおよび対応する重み1/σ2hは３次元位置決定に２次元位置決定をソフトウエアに移転させ、それにおいて平滑な地球モデルの上方の高度がまた推定される。未知の高さの加算は同様に極座標（lat, long, h）において実行されることができる。その場合には、高度の仮想の測定値が加算される。
仮想の測定に割り当てられた誤差は、推定された高度が仮定された高度の回りで変動することを許容する自由度を制御する。エラーが増加するとき、その測定に割り当てられた加重は減少し、位置決定は３次元位置決定の方向に変化する。未知の高度を加算する欠点は、水平位置の高い感度が実際の測定における誤差に対して未知にされることである。それ故、高度が水平距離の関数として急速に変化し、地形マップが効率的に使用できない区域においてのみ仮想の高度測定に大きい誤差を割当てることが有効である。
Ｖ．結論
以上、本発明の種々の実施形態について記載したが、それらは例示として記載されたものであり、本発明の技術的範囲を限定するために記載されたものではないことを理解すべきである。本発明の技術的範囲を逸脱することなく形態および詳細について種々の変更が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は上記のいずれの例示的な実施形態によっても限定されるものではなく、請求の範囲の記載およびその均等物によってのみ制限されるべきものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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