在卫星系统中协助束标识

1.一种用于确定低地轨道卫星系统中的定时偏移误差的方法，所述低地 轨道卫星系统(100)包括至少一个用户终端(110，113)，所述用户终端配 置为(i)从始发卫星(102)接收第一卫星束，所述第一卫星束包括第一定时偏移， 以及(ii)便于从所述第一卫星束到第二卫星束的越区切换，所述第二卫星束从目 标卫星(104)辐射，所述方法包括：
(a)根据所述第一定时偏移确定(906)所述第二卫星束的第二定时偏移；
(b)估计(1104)从所述用户终端(110，113)到始发卫星(102)的第一 航程；
(c)估计(1106)从所述用户终端(110，113)到目标卫星(104)的第二 航程；以及
(d)根据所估计的第一和第二航程之差确定(1206)所述第二定时偏移中的 误差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二定时偏移表 示导频信号中所使用的PN码相位偏移。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述PN相位偏移与基于码分 多址的通信系统相关联。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，(b)和(c)的至少其中之一包括： 确定与所述用户终端(110，113)和所述第一及第二卫星(102，104)相关联 的多普勒特性。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多普勒特性包括多普勒 频率和多普勒频率的变化率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一和第二航程可以从 以下表达式近似：
$R^{\prime \prime }=\frac{v^2-{\left[R^{\prime }\right]}^2}{R}-G{M}_E\frac{R_s^2+R^2-R_E^2}{2R{R}_s^3}$
其中，R″是航程加速度，R′是航程速率，R是从用户终端(110，113)到卫星 的航程，RE是地球半径，Rs是卫星轨道半径，v是速度矢量，G是重力常量，ME 是地球质量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，估计所述第一和第二航程的 步骤包括分别确定(i)与所述第一和第二卫星束相关联的多普勒频率以及(ii)所 确定的多普勒频率的变化率。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一和第二定时偏移表 示导频信号中所使用的PN码相位偏移。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述PN相位偏移与基于码分 多址的通信系统相关联。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一和第二航程可由以 下表达式得到：
$R^{\prime \prime }=\frac{v^2-{\left[R^{\prime }\right]}^2}{R}-G{M}_E\frac{R_s^2+R^2-R_E^2}{2R{R}_s^3}$
其中，R″是航程加速度，R′是航程速率，R是从用户终端到卫星的航程，RE是 地球半径，Rs是卫星轨道半径，v是速度矢量，G是重力常量，ME是地球质量。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，(d)包括：
(i)测量与所述第一和第二卫星束相关联的多普勒特性；
(ii)确定与所述第一和第二卫星(102，104)相关联的航程；以及
(iii)根据所确定的航程确定定时差。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所有所述定时偏移和定时 差都是导频信号PN码相位中的差异。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述导频信号PN相位偏移 和所述定时差与基于码分多址的通信系统相关。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在用户终端(110，113)获取第二卫星束；
根据所述第二定时偏移标识所述第二卫星束；
根据所估计的第一航程和所估计的第二航程之差确定定时差；
计算所述第二定时偏移和所述定时差之差；以及
当所述第二定时偏移和所述定时差之间的所述差异大于预定值时，确认所 述第二卫星束的标识。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述预定值是用户可选择 的。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二定时偏移是 信标信号相位偏移。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二定时偏移必 须在预定的时间窗内相匹配。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述预定的时间窗小于所 述第一和第二卫星束之间的束间隔。
19.一种用户终端(110，113)，包括：
接收模块(802，804)，配置为接收并解调分别与第一和第二卫星束相关 联的第一和第二卫星束信号，所述第一和第二卫星束分别从第一和第二卫星 (102，104)接收到；以及
耦合至所述接收模块的处理器(806)，并配置为(i)确定与所述第一卫星 束信号相关联的第一定时偏移，所述第一定时偏移表示所述第一卫星束的第一 束ID，(ii)确定与所述第二卫星束信号相关联的第二定时偏移，所述第二定时 偏移根据所述第一定时偏移来确定，并代表所述第二卫星束的第二束ID，以及 (iii)在用户终端测量与所述第一和第二卫星束信号相关联的相应多普勒特性， 以分别验证所述第一和第二束ID；
其中，所述相应的多普勒特性用来确定分别与所述用户终端(110，113) 和每一所述第一和第二卫星(102，104)相关联的第一和第二航程；以及
其中，所述用户终端(110，113)适用于将所述第一和第二航程转换为第 三定时偏移，并根据所述第二和第三定时偏移的比较结果确定所述第二束ID 中误差的存在。
20.如权利要求19所述的用户终端(110，113)，其特征在于，所述第 一和第二卫星束信号包括根据码分多址模式进行的编码。
21.如权利要求19所述的用户终端(110，113)，其特征在于，所述多 普勒特性至少包括多普勒频率和与其相关联的变化率。
22.如权利要求19所述的用户终端(110，113)，其特征在于，所有所 述定时偏移都包括对于导频信号的PN码相位偏移。
23.如权利要求19所述的用户终端(110，113)，其特征在于，所述第 一和第二定时偏移必须在预定的时间窗内相匹配。
24.如权利要求23所述的用户终端(110，113)，其特征在于，所述预 定的时间窗小于所述第一和第二卫星束之间的位置间隔。
25.如权利要求23所述的用户终端(110，113)，其特征在于，所述预 定的时间窗大于所述第一和第二卫星束之间的已知传播延迟。
26.一种用户终端(110，113)包括：
接收模块(802，804)，配置为接收并解调分别与第一和第二发送器相关 联的第一和第二发送器信号；以及
耦合至所述接收模块的处理器(806)，并配置为(i)确定与第一发送器信 号相关联的第一定时偏移，所述第一定时偏移表示第一发送器ID，(ii)确定与 所述第二发送器ID相关联的第二定时偏移，以及(iii)在所述用户终端测量与所 述第一和第二发送器信号相关联的相应多普勒特性，以分别验证所述第一和第 二发送器ID；
其中，所述相应的多普勒特性用来确定分别与所述用户终端和每一所述第 一和第二发送器相关联的第一和第二航程；以及
其中，所述用户终端(110，113)配置为将所述第一和第二航程转换为定 时差，并根据所述第二定时偏移和所述定时差之间的比较结果确定所述第二发 送器ID中误差的存在。

I.技术领域
本发明通常涉及卫星通信和卫星通信系统，尤其涉及传播延迟的估计与补偿， 所述传播延迟与卫星通信网络中卫星束的标识相关联。
II.背景技术
常规卫星通信系统包括一个或多个地面基站(以下称网关)、用户终端，如移 动电话以及一个或多个用于在用户终端和网关之间传播通信信号的卫星。网关从卫 星接收并向其发送可能进入近地轨道(LEO)的信号、处理通信链路或呼叫并在需要 时将呼叫互连或转移到合适的地面网络。即，网关提供基于地面的链路来允许系统 用户与其它系统用户通信，或向地面服务提供者，如公共交换电话网(PSTN)、数据 网络、无线通信系统或其它卫星网关提供通信链路。
尽管移动电话或无线用户终端向用户提供了增强的移动性和灵活性，这类电 话的迅速增加增加了对相关通信系统的需求。例如，就基于卫星的通信系统来说， 在与电话建立通信链路、确定提供者使用何种服务以及向电话用户提供位置定位服 务中，确定系统用户的位置相对其它来说是极其重要的。然而，移动电话漫游的灵 活性令这一进程复杂化。
大多数通信卫星发射一个“覆盖区”，包括若干个无线电链路或通信信号束， 它们被分组来提供用于在覆盖区覆盖的地理区域中与系统用户通信的覆盖范围。可 能分配一个特定用户终端，尽管是临时的，根据该用户终端的地理位置使用特定卫 星束来传输通信信号。因此，卫星通信系统网关必须知道用户终端位置，来通过合 适的服务卫星束向特定用户提供合适的通信服务。从而，为特定用户或地理区域提 供服务的特定卫星束的知识对网关提供通信服务的能力来说是基本的。
该进程的另一方面是正当地建立到其它通信服务提供者的通信链路，如PSTN 和数据网络。这些服务提供者通常与特定地面地理区域相关联，并仅处理与其相应 区域相关联的通信链路。例如，网络可能具有政府许可或与消费者的各类商业协议 来服务特定的区域。在提供这些地理相关服务之前也需要用户终端位置的知识。卫 星束的标识是确定用户终端位置中一个必须的步骤。
有许多常规方法来确定卫星通信系统用户的位置。例如，某些技术必须测量 用户终端和关联的卫星之间的距离并确定与确定的距离相关的变化率。当这些距离 测量与其它数据组合时，用户终端的位置可能被精确地确定。使用卫星用户终端距 离和距离变化率来确定用户终端位置的技术在美国专利号6,078,284，名为 “Passive Position Determination Using Two Low Earth Orbit Satellites” 中，6,327,534，名为“Unambiguous Position Determination Using Two Low-Earth Orbit Satellites”中，6,107,959，名为“Position Determination Using One Low-Earth Orbit Satellite”中有揭示。此外，美国专利号6,137,441，名为 “Accurate Range And Range Determination In A Satellite Communications System”中揭示了一种用于补偿卫星运动来增强用户终端位置信息的精确度的技 术。
然而，尽管卫星与关联的用户终端之间的运动可以被确定，在这些测量中经 常出现误差，这是由于如天线增益特性的影响，或者，例如因为特定的卫星可能相 对用户终端来说在较低的高度。这些误差经常导致网关误标识服务或通信卫星束并 因此误判断用户终端位置。卫星束的误标识的最终结果是经常拒绝系统服务，或者 甚至是对关联用户的无线电链路获取完全失败。
可能出现另一误差源，成为被通信系统用来容纳多系统用户的特定通信技术 或用户接入方法的实现的一部分。有多种技术来为多系统用户提供对通信系统的接 入。两个知名的多址连接技术包括时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)，其基础在本 领域中是众所周知的。然而，扩展谱调制技术，如码分多址(CDMA)因其在愈加带宽 限制的环境中容纳多用户的能力而明显更合乎需要。
CDMA技术在多址连接通信系统中的使用在美国专利号4,901,307，名为 “Spread Spectrum Multiple Access Communication System Using Satellite Or Terrestrial Repeaters”中，以及5,103,459，名为“System And Methos For Generating Signal Waveforms In A CDMA Cellular Telephone System”中揭示， 以上两专利都转让给本发明的受让人，并通过引用结合于此。用于提供CDMA移动 通信的方法在美国由电信工业协会在TLA/EIA/IS-95-A，名为“Mobile Station- Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System”中被标准化，这里称为IS-95。其它通信系统或技术在IMT- 2000/UM，或国际移动电信系统2000/全球移动电信系统中有描述，所覆盖的标准 称为宽频CDMA(WCDMA)、cdma2000(如cdma2000 1x或3x标准)或TD-SCDMA。
在使用CDMA的卫星通信系统中，大量用户终端通过卫星和网关使用扩展谱通 信信号来通信，每一用户终端都具有一个收发器。通过使用CDMA，相关频谱可能 多次重新使用，由此允许系统用户容量的增加。因此，CDMA比其它用户接入技术 在频谱上更有效。尽管CDMA在是频谱上有效的，CDMA在与上述移动站或终端误定 位误差相关的问题上还是稍微易受攻击的。CDMA系统尤其易受攻击的一个范围是 用户越区切换的范围。
当移动站通信会话或链路，如正在进行的呼叫或对话从一个卫星束传递到另 一各卫星束时，出现越区切换。通常有两种类型的越区切换，硬越区切换和软越区 切换。在硬越区切换中，当移动站从一个束的覆盖区域内移动到另一将要提供服务 的目的地或目标束的覆盖区域时，终端中断其与服务束的通信链路，并与目标束建 立新的通信链路。然而，在软越区切换中，移动站在中断其与当前束的通信之前与 目标束建立链路。这一技术在本领域中被称为先接后断。另外，在软越区切换中， 对目标束的正确标识的确定与服务束的位置有关。因此，在软越区切换中，移动站 同时与服务束和目标束通信。
软越区切换技术在美国专利号5,267,621，名为“Mobile Station-Assisted Soft Handoff in a CDMA Cellular Communications System”中揭示，该专利转 让给本发明的受让人，并通过引用结合于此。在′621专利的系统中，软越区切换 进程根据使用对每一束发送的用于方便特定移动站对卫星的接入的导频信号的强 度的测量来预测。作为背景，移动站对基于CDMA的通信系统或通信信号的接入在 前向链路中提供，即，在从卫星到移动站的方向中。前向链路包括三种类型的辅助 信道：至少一个导频信道、同步信道以及一个或多个寻呼信道。这些辅助信道由系 统使用来建立并管理与移动站的通信会话。
导频信道包括导频信号的发送，作为潜在系统用户或订户的信标，并被用户 终端或移动站所使用，来获取初始系统同步并提供对基站发送的信号的健壮的时 间、频率和相位跟踪。在扩展谱通信系统，如那些基于IS-95的系统中，基站由用 于扩展通信信号的伪随机噪声(PN)码中的相位偏移，也称为导频信号的PN偏移来 定性或辨别。通常，每一陆地基站使用相同的扩展码，但在码相位偏移上不同。作 为选择，对卫星系统更典型的是，在通信系统中使用基于独特的PN多项式的一列 PN码，不同的PN码可能用于不同的网关以及每一轨道平面的卫星。本领域的技术 人员很容易理解，能够根据需要分配多或少PN码来标识通信系统中源或中继器的 特定信号。
在基于卫星的系统中，为从众多候选束中确定正确的目标卫星束，即哪一束 覆盖用户终端的位置，用户终端通过确定导频信号强度和PN码或码相位偏移来搜 索合适的导频信号。这一进程通过对每一电位码和码相位偏移执行相关操作来完 成，其中，所有接收的导频信号与一组特定的PN码偏移值进行相关运算。用于执 行相关操作的方法和装置在美国专利号5,805,648，名为“Method And Apparatus For Performing Search Acquisition In A CDMA Communication System”中有详 细描述，该专利转让给本发明的受让人，并通过引用结合于此。
为最初与通信系统建立通信链路，用户终端必须首先获取与系统关联的导频 信号。用户终端在通过解调同步信道来解调该导频信号和系统定时时，接收该导频 信号的PN码和相位偏移信息。然而，在用户终端越区切换到新卫星束之前，必须 将接收到的导频信号与一组PN码和码偏移值进行相关运算，来确定最可能的目标 卫星束的PN偏移。
通信系统卫星和用户终端之间的传播延迟量经常是重大却不确定的，并且可 能导致要检测的PN偏移值中的未知移位。即，用户终端由于延迟检测到一个更大 的相位移位，而不是原始信号源。这些移位可能导致用户终端误标识新越区切换或 目标卫星束。在引用的参考中，当新目标卫星相对当前服务的卫星在水平面上较低 时，尤其可能出现未知传播延迟。
因此，需要一种技术，通过允许用户终端以估计传播延迟的方式独立地验证 与目标或新目标卫星相关联的PN偏移测量来补偿传播延迟的作用。
发明的简要描述
本发明提供了一种用于独立验证PN偏移测量的系统和方法。通过使用目标卫 星的多普勒(Doppler)和多普勒变化率，可以在用户终端内估计到卫星的航程。通 过过滤这些测量，并使用整型数学，用户终端可以将多普勒测量转换为航程估计， 再转换为PN偏移估计。这一PN偏移估计然后可以与用户终端测得的PN偏移值相 比较。如果PN偏移估计与测得的PN偏移之差大于一个预定值，则指示误差或丢弃 该测量。
与这里包含并概括描述的本发明的原理相一致，本发明包括一种用于确定通 信系统、如卫星系统中的定时偏移误差的方法。该方法包括在终端确定与来自第一 发送器的第一发送器信号(比如来自第一卫星的第一束)相关联的第一定时偏移。该 方法还包括在终端根据第一定时偏移确定与来自第二发送器的第二发送器信号(比 如来自第二卫星的第二束)相关联的第二定时偏移。估计从用户终端到第一发送器 或卫星的第一航程，并估计从用户终端到第二发送器或卫星的第二航程。最后，确 定信号到达时间差和估计的第一和第二航程之差之间的误差。
在进一步的方面中，估计第一和第二航程包括分别确定与第一和第二卫星束 相关联的多普勒频率以及所确定的多普勒频率的变化率。
也提供了一种方法在配置为使用低地轨道卫星系统通信的用户终端中执行束 标识，该用户终端包括一处理器，所述处理器配置为从服务卫星接收包括第一定时 偏移的第一卫星束，并便于从第一卫星束到第二卫星束的越区切换，第二卫星束是 从目标卫星辐射的。该方法包括：在用户终端获取第二卫星束；根据第一定时偏移 确定第二卫星束的第二定时偏移；根据第二定时偏移标识第二卫星束，估计从用户 终端到服务卫星的第一航程；估计从用户终端到目标卫星的第二航程；根据所估计 的第一航程和所估计的第二航程之差确定定时差；计算第二定时偏移和定时差之 差；以及当第二定时偏移和定时差之差大于预定值时确认第二卫星束的标识。
依照本发明构造的示例用户终端包括：接收模块，该模块配置为接收并解调 分别与第一和第二发送器关联第一和第二发送器信号，所述发送器信号比如分别与 第一和第二卫星束关联的第一和第二卫星束信号。第一和第二卫星束从相应的第一 和第二卫星接收到。用户终端还包括耦合至接收模块的处理器。该处理器配置为(i) 确定与第一发送器或卫星束信号相关联的第一定时偏移，该第一定时偏移表示第一 卫星束的第一束ID，(ii)确定与第二发送器或卫星束信号相关联的第二定时偏移， 该第二定时偏移根据第一定时偏移确定，并表示第二卫星束的第二束ID，以及(iii) 在用户终端测量分别与第一和第二卫星束信号相关联的多普勒特性，以分别验证第 一和第二束ID。
相应的多普勒特性用来确定分别与用户终端和每一所述第一及第二卫星相关 联的第一和第二航程。最后，用户终端适用于将第一和第二航程转换为相对定时差， 并根据该定时差和结合束ID的所估计的航程差的比较结果确定第二束ID中存在 的误差。
本发明的特点和优点包括独立验证用户终端的PN偏移或束ID测量的能力。 这一能力增强了标识卫星束的精确性，由此增加了用户终端获得对通信系统的接入 的确定性。起因于低水平面卫星及由此产生的PN偏移误差的未知传播延迟能够被 确定并被补偿。因此，可以提高用户终端确定目标卫星束的卫星束ID的精确性。 相应地，用户可以使用具有增加精确性的卫星通信系统，在该卫星系统中，所需的 系统服务不会被打断或完全被拒绝。
附图的简要描述
结合在本说明书中并成为其一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与描 述一起解释了本发明的目的、优点以及原理。附图中：
图1是说明常规低地轨道卫星通信系统的系统图；
图2是描述在图1的系统中从一个卫星到另一个卫星的用户终端软越区切换 的说明；
图3是描述图1的系统中一个卫星束模式或覆盖区的格式的图；
图4描述了图1的系统中两个卫星覆盖区的覆盖范围内的用户；
图5是描述起因于传播延迟的束标识误差的定时图；
图6是描述典型卫星终端位置确定的图；
图7是描述起因于图5所示传播延迟的用户终端定位误差的图。
图8是依照本发明构造并布置的用户终端的结构图；
图9是描述用于确定与来自相应卫星的第一和第二卫星相关联的定时偏移的 方法的流程图；
图10说明了与卫星和用户终端相关联的几个矢量的关系；
图11是描述用于确定从用户终端到关联的第一和第二卫星的航程的方法的流 程图；以及
图12是描述用于确定与图10的方法所确定的航程关联的定时差的方法流程 图。
本发明的实施例的详细描述
以下本发明的详细描述参考说明与本发明一致的示例实施例的附图。可以 采用其它实施例，并且可以在本发明的精神和范围内对实施例作出修改。因此， 以下详细描述并非局限本发明。当然，本发明的范围由所附权利要求书来定义。
本领域的技术人员可以理解，如下所述，本发明可能以图示的许多不同的 硬件、软件、固件和/或实体的实施例来实现。任何具有专门控制的硬件来实 现实施例的实际软件代码并不是本发明的限制。因此，已知这里提出的细节的 级别，本发明的操作和行为将在理解对实施例的修改和变化是可能的基础上作 出描述。
图1说明了可使用本发明的示例卫星通信系统。尽管考虑该通信系统使用 了CDMA通信协议和信号，但这不是必须的。在图1中，示例LEO卫星通信系 统包括第一和第二卫星，分别为102和104。同时包括的还有网关106和108 以及便携式用户终端110，所述用户终端110包括通过天线109发送和接收信 号的通信单元111。最后，提供了移动用户终端113。网关106和108处理与 便携式用户终端110和移动终端113关联的呼叫，并提供到电话网络114和数 据网络115的通信链路。卫星102和104发送射频信号，即，卫星束，以便提 供网关106和108与用户终端110和113之间的通信链路。特别地，卫星102 发送卫星束B1122、B1142、B1162和B1182，卫星104发送卫星束B1194和B1204。
在该示例中，用户终端110和113的每一个具有或包括装置或无线通信设 备，比如但不限于：蜂窝电话、无线听筒、数据收发器或寻呼机或位置确定接 收器。如需要，每一用户终端还可以是手持式、交通工具(包括如汽车、卡车、 船、火车以及飞机)中安装的()便携式或者固定的。例如，图1说明了用户终 端110是手持式设备，用户终端113是便携式交通工具中安装的设备。无线通 信设备有时候也称为移动无线终端、用户终端、移动无线通信设备、订户单元、 移动单元、移动站、移动无线电或在其它通信系统中简单地为“用户”、“移 动”、“终端”或“订户”，由偏好决定。
通常，卫星提供被指示为覆盖单独的通常非交迭的地理区域的“覆盖区” 内的多个束。这里，卫星束B112、B114、B116和B118-B120以预定的模式为 不同地理范围提供卫星覆盖。通常，不同频率的多束，称为CDMA信道、“子 束”或频分多路复用(FDM)信号、频率槽或信道，它们可能交迭同一地理范围。 示例系统100的一个实施例包括多个卫星，在大约1,400千米的高度的不同轨 道平面上行进，来服务大量用户终端。然而，本发明并不局限于这一构造，可 能适合于各类不同的卫星系统和网关构造，包括其它轨道高度、距离以及星座 等等。在图1的示例系统中，网关106和108也控制向用户终端的特定卫星的 分配。当用户终端从一个地理覆盖范围转移到另一地理覆盖范围时，从一个卫 星束到另一卫星束或从一个卫星到另一卫星出现越区切换以便提供连续的用 户终端覆盖。
图2说明了用户从一个卫星束越区切换的另一卫星束的过程。在图2中， 便携式用户终端110沿时间线200行进。在t1时刻，终端110处于服务卫星束 B114的覆盖范围内。当终端110沿x方向继续前进，在t2时刻，用户终端位于 卫星102的卫星束B1142和卫星104的目标卫星束B1204的共同覆盖范围内。这 里，在服务网关如网关106能够向终端110传送消息和呼叫之前，终端110必 须向网关106传递卫星束B114和B120的精确标识。在一个示例实施例中，个 别卫星在给定覆盖区内在每一频率上可包括多达16个或更多卫星束。由此， 每一卫星可在16个不同的卫星束的任一个上向用户提供通信链路，如图3所 示。
在图3中，表示了一个卫星的示例覆盖范围或覆盖区。即，卫星102和104 的每一个的覆盖区包括个别卫星束B105-B120，每一个在覆盖区内都具有其自 己的位置或模式。在覆盖区中的是图1所示的卫星束B112、B114、B116和 B118-120。同样，如后文更详细描述的，不同卫星可能共享相同或类似的束构 造及束标识号。同一卫星内的个别束可以根据其PN码偏移来相互区别，如上 文所讨论的。来自相邻卫星的束可以根据不同的PN多项式来相互区别，如上 文所讨论的。不同PN偏移也可以在某些系统中用来将束从具有相同束ID号的 相邻卫星中区别出来，所述某些系统比如长度等PN序列参数不相同的系统。
图4提供了位于卫星束B1142和B1204的覆盖范围中的用户终端110的更 详细说明。在图4中，终端110必须能够清楚地标识目标束B1204。尽管束B1142 和B1204使用了类似的导频信号，然而这些束的相关联的PN偏移和/或PN多项 式不同，加上一些未知的传播延迟。参考回图3，每一卫星束B105-B120具有 与被多个束共享的公用定时序列相对应的唯一PN偏移。特别地，在图1的示 例通信系统中，个别卫星束之间的定时(码偏移)差为约15毫秒(ms)。因此， 接近或超过15ms的传播延迟可以阻碍用户终端110对PN偏移的精确测量。结 果，可能出现卫星束B1204的误标识。与一个卫星束关联的PN相位偏移与其束 ID密切相关。另外，其它因素，如仰角和天线增益差，也能够在精确标识关联 卫星束时对误差程度起到作用。
图5说明了卫星间的传播延迟可能对卫星束标识具有的影响。在图5中， 与每一卫星102和104关联的相对定时沿相应时间线502和504说明，作为比 较。如上文讨论的，来自同一卫星的束具有相似的导频信号，尽管在本示例实 施例中每一信号具有不同的PN偏移。然而，来自相邻卫星的卫星束通过在用 户终端测得的并由卫星间的传播延迟引起的到达时间差异来相互区别。
时间线502描述了卫星102的卫星束B1122-B1152之间的定时关系。时间 线504说明了卫星104的卫星束B1204和卫星102的卫星束B1142之间的潜在定 时关系。如图所示，在这一定时关系中，小定时误差506是可以容忍的。小定 时误差506大约等于卫星间的最大期望传播延迟。这一延迟约为正负7.5ms。 然而，大于这一值的传播延迟可以转化为PN码偏移测量误差，并最终导致关 联卫星束的误标识。
为说明的目的，显示来自卫星102的卫星束B1142沿时间线502在t2时刻 到达用户终端110。然而，来自卫星104的卫星束B1204，显示为沿时间线504， 可以在来自卫星102的卫星束B1142到达前后到达用户终端110。即，来自卫星 104的束B1204可以在时间线502的t2之前出现，相差的值等于t2-x，也可 能在之后的某一点出现，由于传播延迟最多可相差t2+x。因此，图5说明的 传播延迟为正负约8.5ms。在示例通信系统100中，相邻卫星束的间隔仅为约 15ms。因此，接近或大于约15ms的延迟将在PN偏移测量中引入误差。图5说 明的正负8.5ms的传播延迟表示可能引入PN偏移测量误差的17ms延迟。因而， 用户终端110将误标识目标卫星104的卫星束B1142。这一误标识的意义在图6 和7中有更清楚的说明。
图6描述了用户终端110、服务卫星102和目标卫星104之间的定时关系。 特别地，图6显示了卫星束B1142的相位偏移PN114和卫星束B1204的相位偏移 PN120之间的关系。如上文所指出的，来自相同卫星的不同卫星束的PN偏移是 基于束ID相关的。来自不同卫星的卫星束的PN偏移同样相关。在图6中，例 如，PN120是偏移PN114加上用户终端110和目标卫星104之间的期望最大传播延 迟PD的函数。然而，如果实际传播延迟与期望最大传播延迟PD不同的值大于 值506，PN120就可能无法精确确定。用户终端通过搜索可用PN偏移值(所有可 能的偏移)的窗口来搜索目标卫星束的PN偏移。这一搜索技术在本领域中是公 知的。然而，这些技术并不是故障保险的，并且可能最终产生位置或标识误差。
图7说明了有误差的PN码偏移测量的影响。在图7中，用户终端110测 量传播延迟PD时的误差可能产生误差702。误差702最终会导致网关106认 为卫星104位于不正确的位置704，而不是其实际定位706。网关106可能也 相信用户终端位于不正确的位置708，而不是其实际位置710，结果，可能分 配不正确的服务或终止用户终端110的接入。因此，通过使用常规技术，用户 终端110无法辨认出PN114和PD的和PN120也包含了误差702。如果误差702超 过了同一卫星的卫星束之间的期望定时，这将尤其重要。
本发明向用户终端110提供了独立验证目标卫星束的PN码相位偏移测量 的能力。这一独立验证可以在示例通信系统110的用户终端和网关间建立更可 靠的通信链路。
如图8所示，通信单元111包括用于通过天线109发送和接收信号的收发 器802以及用于分别对发送和接收的信号执行调制和解调的调制/解调单元 804。处理器806与通信单元111电气连接来处理信号。处理器806可包括公 知的标准元件或广义函数或包括各类可编程电子设备的通用硬件，或在命令、 固件或软件指令下操作来执行期望功能的计算机。示例包括由软件控制的控制 器、微处理器、一个或多个数字信号处理器(DSP)、专用电路模块以及专用集 成电路(ASIC)。当用户终端最初获取服务卫星然后越区切换到目标卫星时，在 处理器806中执行图9所示的方法或过程来独立地验证目标卫星的PN偏移测 量。
在图9中，用户终端110使用示例通信系统100建立通信链路。由此，终 端110最初从卫星102获取卫星束B1142，如步骤900所示。作为信标的导频 信号通知用户终端110卫星束B120的存在。由于用户终端110可能在其它卫 星束的覆盖范围内，因此用户终端110测量所有接收到导频信号的强度，来确 保与最近卫星的最强卫星束的连接。当接收的导频信号具有大于预定值的信号 强度时，导频信号从接收器802被传送到实行解调的解调器804。
一旦用户终端110成功地从卫星102获取导频信号并因此被允许解调同步 信道，用户终端110就确定所获取的导频信号的PN码偏移。PN偏移表示束ID， 如步骤902所示。在当前示例实施例中，用户终端110现在知道它已获取卫星 102的卫星束B1142。只要用户终端110保持活动状态，就不需要再次解调CDMA 同步信道。因此，在给定用户终端的任一特定通信会话中，导频信道和同步信 道的解调仅需出现一次。在这一会话中，向用户终端110通知卫星束ID。
卫星束ID的知识是关键的，因为它是关联的网关向用户终端提供对寻呼 信道的接入的关键。寻呼信道是其它通信关联的消息和寻呼信息被转发到用户 终端的媒介。因此，如果用户终端110要保留其通信链路，则要求到寻呼信道 的接入。
最终，用户终端110的服务或通信链路将在从当前服务卫星束B1142到目 标或新目标卫星束的越区切换过程中被传送，如图2所示，并在图9的步骤904 中描述。当用户终端最初接收与潜在目标卫星束关联的新导频信号时，它最初 没有办法知道关联的束ID。为确定束ID，用户终端110必须首先确定新束的 PN偏移，如步骤906描述的。为确定新导频信号的PN偏移，用户终端110搜 索所有可用PN相位偏移值(所有可能的偏移)的窗，所述PN相位偏移值可以被 储存在处理器806的内存(未示出)中。为执行这一搜索，用户终端110会使用 服务卫星束B1142的PN偏移作为参考点。如图6更清楚地说明的，目标卫星束 PN120的PN偏移值是服务卫星束PN114的PN偏移值和最大期望传播延迟PD的和。 用户终端110根据同一卫星的卫星束之间的标准定时关系来执行这一过程，如 上文所讨论的。
在示例通信系统100中，同一卫星内的相邻卫星束的导频信号的定时或偏 移被近似以15ms间隔。因此，当用户终端110搜索并找到来自不同卫星的目 标卫星束的导频信号时，它使用预定的定时增量，并且根据实际定时间隔建立 试验性的束ID。这一过程在步骤908中描述。在通信系统100中，步骤902中 确定的参考PN定时偏移是图6所示的PN114。
如上所述，该过程容纳小的PN偏移误差，如图5的误差506。这一程度的 误差可以小于或等于最大期望传播延迟，并小于15ms的束间隔。然而，超过 误差值506的传播延迟可能导致用户终端110不正确地测量新获取的导频信号 的PN偏移。然而，在示例通信系统100中，使用独立PN偏移确认技术作为对 步骤906的PN偏移确定过程的验证或有效性检查。
独立确认技术使用当前提供服务的卫星102以及预期要提供未来服务的目 的地或目标卫星104的多普勒和多普勒变化率，以便估计其相应的自用户终端 110的航程。即，用户终端110被配置为周期性测量卫星导频信号的多普勒和 多普勒变化率。多普勒特性的使用提供了测量由卫星和用户终端110之间的航 程差所引起的信号传播延迟的方法。
通过过滤多普勒测量，用户终端110能够将多普勒测量转换为航程估计。 航程估计之间的差然后被转换为估计的PN码偏移值。然后将这一估计的PN偏 移值与步骤906中确定的值相比较。如果在期望传播延迟内(小于或等于门限)， 所估计的PN偏移值与步骤906中确定的值相匹配，则可以确认或验证步骤908 中确定的目标卫星束的束ID。下文参考图10提供了多普勒和多普勒变化率确 定的更详细讨论。一种用于测量卫星中航程和航程速度的技术在美国专利号 6,137,441，名为“Accurate Range And Range Rage Determination In A Satellite CommunicationsSystem”中解释，该专利被转让给本发明的受让 人，并通过引用结合于此。
图10描述了卫星102或104以及用户终端110之间存在的矢量关系。特 别地，用户终端110测量卫星束的多普勒偏移和多普勒变化率。在讨论这一过 程之前，表1示出了若干相关已知量。
表1.常量
    常量     值 描述     F     2.49*109Hz 前向链路频率     C     2.998*108m/s 光速     V     7.152*103m/s 卫星速度     RE     6.378*106m 地球半径     RH     1.414*106m 卫星高度     Rs     7.792*106m 卫星轨道半径，RE+RH
图10的示图的思想是卫星102或104在近圆形轨道上绕地球1002而行。 尽管地球具有不规则形状并因此不是完全圆形，然而为测量多普勒特性可以忽 略这一不规则性。在图10中，矢量v代表卫星的速度，矢量v′代表卫星的加速 度，并且矢量r代表从用户终端110指向卫星102或104的方向矢量。在速度 矢量v和卫星航程矢量r之间形成一个角度θ。
目的是计算方向矢量的长度R＝|r|，也被定义为从卫星102/104到用户终端 110的航程。用户终端110也必须确定航程R变化得有多快，即航程速度R′。 航程速度R′由以下表达式给出：
$R^{\prime }=\frac{v·r}{R}---\left(1\right)$
使用以上R′的定义，并使用公式(1)两边的导数，产生航程加速度值，由 以下表示：
$R^{\prime \prime }=\frac{v^{\prime }·r}{R}+\frac{v·r^{\prime }}{R}-\frac{v·r{R}^{\prime }}{R^2}---\left(2\right)$
其中v′是卫星的加速度，为地球重力的函数，r′等于卫星速度。
下一步，公式(2)的三项的每一项可以写成：
见图10
$=-\frac{v^2}{R_s}\sin \theta$
$\frac{v·r^{\prime }}{R}=\frac{v^2}{R}$
$\frac{v·r{R}^{\prime }}{R^2}=\frac{R^{\prime 2}}{R}$
将以上三项代入公式(2)，得到，
$R^{\prime \prime }=-\frac{v^2}{R_s}\sin \theta +\frac{v^2}{R}-\frac{R^{\prime 2}}{R}---\left(3\right)$
R′可以重写并代入(3)：
$R^{\prime }=\frac{v·r}{R}=\frac{\mathrm{vR}}{R}\cos \theta =v\cos \theta ---\left(4\right)$
由此，航程加速度R″变为
$R^{\prime \prime }=-\frac{v^2}{R_s}\sin \theta +\frac{v^2}{R}(1-{\cos }^2\theta )$(5)
$=-\frac{v^2}{R_s}\sin \theta +\frac{v^2}{R}{\sin }^2\theta$
公式(5)可以对R进行重新排列
$R=\frac{v^2{\sin }^2\theta }{R^{\prime \prime }\frac{v^2}{R_s}}\sin \theta ---\left(6\right)$
为解公式(6)中的R，需要sinθ和R″。sinθ通过使用(1-cos2θ)来解，cosθ与已 知量、即多普勒偏移有关。R″从另一已知量多普勒变化率中得到。由此，可以 重写公式，将多普勒表示为f：
$f=F\frac{v}{c}\cos \theta ---\left(7\right)$
对cosθ求解，并使用sin2θ＝(1-cos2θ)，sin2θ变为：
$\sin 2\theta =1-{\left(\frac{\mathrm{fc}}{\mathrm{Fv}}\right)}^2---\left(8\right)$
下一步，公式(4)可以重新排列为：
$R^{\prime }=v\cos \theta =c\frac{f}{F}---\left(9\right)$
通过使用R′对t的导数，R″变为：
$R^{\prime \prime }=c\frac{f^{\prime }}{F}---\left(10\right)$
公式(10)中的f′是多普勒变化率df/dt，是现在可以使用已知技术来估计的量。 使用公式(8)和(10)，现在可以成功地计算公式(6)中的R。在通信系统100中， 对服务卫星102和目标卫星104都可以计算航程R。
下一步，计算所得的航程R必须转换为估计的PN码偏移值来检查最初在步 骤906中确定的PN偏移。为将航程R转换为PN偏移值，第一和第二卫星102 和104的航程差除以光速：

参考图2、11和12描述该过程的一个示例，该示例描述了用户终端110 下一步的过程来检查最初在步骤906中确定的PN偏移。首先，用户终端110 中的处理电路或元件(如ASIC)必须配置为执行上述公式(1)-(11)中表达的操 作。以这一方式配置，用户终端110能够确定目标卫星束B1204的多普勒偏移 和多普勒变化率，如图11中步骤1100所描述的，并在图2中示出。下一步， 用户终端110测量与卫星束B1142关联的多普勒偏移和多普勒变化率，如步骤 1102所述。当得知与卫星束B1142和B1204关联的多普勒和多普勒变化率后， 用户终端可以确定卫星104自用户终端110的航程R104，如步骤1104所述。同 样，用户终端110确定卫星102自用户终端110的航程R102，如步骤1106所述。
在图12中，如公式(10)所表达的，目标卫星束B1204的PN偏移可以从上 述确定的航程R104和R102得出。因此，如步骤1200所示，用户终端110确定R104 和R102之间的差，并将该差转换为卫星束B1204的导频信号的PN差。由此，用 户终端110现在具有来自步骤1200的估计PN差值，以及来自步骤906的确定 PN差值。用户终端110现在可以将估计的PN差与确定的PN差相比较，如步骤 1202所述。
如步骤1204所述，如果所确定的PN差和估计的PN差之间的差小于预定 值，用户终端110可以确认早先来自步骤908的卫星束B1204的标识。在目前 的示例实施例中，预定值约为10ms。约10ms的值足够容纳卫星102和104之 间的最大期望传播延迟，即约+/-7.5ms，如上所述。
另一方面，如果来自步骤1200的估计的定时(偏移)的PN差大于预定值， 如步骤1206所述，早先的卫星束B1204标识被认为是错误，并被丢弃。尽管本 发明的示例实施例使用了相关计算或约10ms大小的搜索窗来确定确定的PN码 偏移和估计的PN码偏移是否匹配，或是否处于预选的相互相关的时段之内， 本领域的技术人员可以理解，根据需要也可以选择其它值或窗大小。
提供了一种替换技术来确定航程。这里，可以使用二次方程方法来确定航 程，如下所述：
$R^{\prime \prime }=\frac{v^2-{\left[R^{\prime }\right]}^2}{R}-{\mathrm{GM}}_E\frac{R_s^2+R^2-R_E^2}{2R{R}_s^3}---\left(12\right)$
其中，G等于重力常量；并且ME等于地球的质量。
可以重新排列这一表达式，得到：
aR2+bR+d＝0，
其中
a＝GME；
b＝2R3SR″；以及
$d=-\left(2R_s^3(v^2-{\left[R^{\prime }\right]}^2)-{\mathrm{GM}}_E(R_s^2-R_E^2)\right)$
可以使用公式(12)的二次方程表达式来得到航程信息，并且仿真中显示， 一个根总是为正，而另一个根总是为负。
通过使用上述技术，用户终端110通过使用束ID确认技术，补偿卫星之 间的传播延迟，能够增加标识目标卫星束的精确性。当目标卫星束被精确标识， 用户终端110可以更可靠地接入示例通信系统100的系统资源。因此，本发明 对常规卫星束标识技术提供了一种确认和证明。
以上对较佳实施例的描述提供了一种说明和描述，并非穷尽或将本发明局 限在所解释的精确形式上。修改与变化可能与以上教学是一致的，也可以从本 发明的实践中得到。因此，应当注意，本发明的范围由权利要求及其等效权利 要求来定义。
发明背景
相关申请
本申请要求2001年10月25日递交的名为“Method and System for Aiding Beam Identification In A LEO Satellite System”，序列号60/342,925的美国 临时专利申请的优先权，该申请通过整体引用结合于此。