专利名称：卫星的选择的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星的选择。
本发明的领域是无线电通信，更确地说是卫星无线电通信网，在该通信网中一个终端通过无线电波连至一个卫星以便利用这类网所提供的服务。
该网包括通常在多于一个轨道平面内围绕地球运行的众多卫星，以使一个终端始终能使用至少一个所谓邻近卫星。本文中认为可在终端和数个邻近卫星之间建立有效的无线电传送。此外，认为终端已与卫星取得同步。如果终端希望通过称为登录的过程使用该网，它必须在邻近卫星中选择一个卫星。由于卫星不是对地静止的，因此它和终端之间的传送事实上会中断，此时会出现问题，需通过称为切换的过程为终端指定一台新的卫星。
这两类相似的问题也存在于陆地无线电通信系统中，例如GSM泛欧数字蜂窝移动无线电系统。在本例中，一个终端和一个基站利用携带无线电信号的通信通道进行通信。这些系统包括众多通道，供自终端传送至基站或供自基站传送至终端之用。
这些通道包括一个连续传送的控制通道，该控制通道允许终端通过传送此通道的基站使用该系统，以便建立呼唤。该终端因而必须确认此控制通道以便获取信息从而使它在该系统内进行登记。此信息包括同步信息，因而此过程通常称为同步过程。
在由GSM Recommendations4.08和5.08所包括的通常用于这类同步的解决办法中，同步过程分两阶段执行。最初终端测量所有接收通道的功率。接着终端试图与接收最大功率的通道同步；如它未曾成功，则它接收功率的递减顺序尝试其它通道，直至它事实上能达到同步时止。
由于通道功率愈高连接就愈好，所以此解决办法能很好地适用于陆地系统。此外，作为一次近似，功率愈高终端与基站间距离就愈近，其结果是此过程会使系统性能趋于最佳。
由于不同邻近卫星所发送信号在终端处以相近数量衰减，因此该解决办法不适用于卫星系统。此外，终端与卫星间距离对于系统性能并无一次近似作用。
另外，在陆地通信网中，当早已连至基站的终端接收到其传送功率过低的信号时，该终端即通过称为交接的过程转换至新的基站。为此目的提供的选择装置根据数个准则选择新基站。这些准则包括该终端从周围的不同邻近基站所接收信号的功率电平。一个经常考虑的附加准则反映这些邻近站中可用通道的数量，其目的在于忽略早就过载的基站。
由于上面早已提到的理由，接收功率的准则不能用称为切换的过程决定将新的卫星指定给早就联接的终端。
相应地，本发明的一个目的是提供一个装置当终端在卫星无线电通信网上登录时用于选择一个卫星及当该终端与现有卫星的联接无法维持时用于为该终端指定一个新卫星。
为达到此目的所采用的决定性准则不是从卫星接收到信号的功率而是在终端与给定的卫星之间任何传送被中断之前的那段时间。
这提供一个装置，用于在一个包括众多非对地静止卫星的无线电通信系统中为一个终端选择一个卫星。此装置包括测量装置，用于根据终端已取得同步的众多邻近卫星中每一个卫星与终端的相对位置建立位置信息，包括估值装置，用于从位置信息中估算每个卫星的能观察时间，以及包括选择装置，用于选择具有最长所估算能观察时间的那个卫星。
这提供用于具有众多非对地静止卫星的无线电通信系统的终端的定位装置及用于为终端指定一个卫星的指定装置。当终端已经对众多邻近卫星获得同步时，此装置包括测量装置，用于根据终端和每个邻近卫星的相对位置建立位置信息，包括估值装置，用于根据位置信息估算每个邻近卫星的能观察时间以及包括传送装置，用于将至少两个其所估算能观察时间为最长的邻近卫星的能观察时间传送给指定装置。
这也为具有众多非对地静止卫星的无线电通信系统提供一个指定装置，适用于从该终端已取得同步的众多邻近卫星中为该终端指定一个卫星。在指定装置的第一实施例中，该终端包括测量装置，用于根据终端和每个邻近卫星的相对位置建立位置信息，包括估值装置，用于根据位置信息估算出邻近卫星的能观察时间，及包括传送装置，用于将至少两个邻近卫星的所估算能观察时间传送给指定装置，后者根据由终端传送来的所估算能观察时间选择一个卫星。在指定装置的第二实施例中，该终端包括测量装置，用于根据终端和每个邻近卫星的相对位置建立位置信息，及包括传送装置，用于将至少两个邻近卫星的位置信息传送给指定装置，后者包括估值装置，用于根据由终端传送来的位置信息估算出邻近卫星的能观察时间，以便根据所估算能观察时间选择卫星。
当每个卫星传送单个载波时，一个有利的解决办法是由测量装置以第一次载波的多普勒频移的形式产生位置信息。
这为获得位置信息提供了便利的方法。
不论所讨论的装置怎样，第一可选方案是将能观察时间选为第一次多普勒频移值的递增函数。
第二可选方案是由测量装置也产生第二次多普勒频移值，其中第二次与第一次相隔一个测量周期，波形因数定义为第一次与第二次多普勒频移值之差对测量周期之比，而其符号则为第一次多普勒频移的符号，此时估算的能观察时间为波形因数倒数的递增函数。
第三可选方案是由测量装置也产生第二次多普勒频移值，波形因数定义为第一次与第二次多普勒频移值的和对它们的差之比，此时估算的能观察时间为波形因数的递增函数。
第四可选方案是由测量装置也产生第二次多普勒频移值，其中第二次与第一次相隔一个测量周期，代表多普勒频移值尤其是掩始时间的函数由第一次和第二次多普勒频移值所决定，所估算能观察时间等于掩始时间与第二次时间之差。
在定位装置的一个实施例中，当终端已与众多邻近卫星获得同步时，此装置包括测量装置，用于根据终端和每个邻近卫星的相对位置建立位置信息，以及包括传送装置，用于将位置信息传送至指定装置。
还有，当每个卫星传送单个载波时，位置信息是载波的多普勒频移。
参照附图阅读下面的描述后，将会对本发明有更详细的了解，附图有—
图1显示适用于本发明的测量装置所用参考信号的例子，—图2是用于显示为实施这些测量装置所需部件的图，—图3显示测量装置一个实施例中所用调谐滤波器的输入信号和输出信号的波形，—图4显示一个终端和众多邻近卫星的配置，—图5显示作为时间函数的多普勒频移值的变化，—图6显示连至终端和它的邻近卫星的参考三面体，—图7显示在对应于邻近卫星最小仰角的平面内此三面体的视图。
该描述涉及在低地球轨道(LEO)中例如全球星光系统中使用卫星的系统。
这类系统使用其高度大约为1390公里的卫星，例如以每秒7.2公里数量级的速度运行并作为终端与基站间的中继站。
卫星自基站接收无线电信号并在载波上将它重新传送给终端。卫星只是简单地用作“镜子”它将从基站收到的信号不加改变地或最多变换频率后传送出去。
如已提到的，重要的是估算能观察卫星的时间，也即终端能使用卫星的时间。这个使用时间由卫星在水平线上的掩始所限制，例如由卫星到达预定仰角所限制。
用于此目的的一个有用方法涉及在终端中测量由卫星传送的载波的多普勒频移。
现在描述用于测量此频移的方法。
参照图1，载波运送了一个信号包。包定义为在特定时间T内信号的支持。在本例中此信号，即参考信号的频率作为时间的线性函数而变化。取包起点为时间原点t，此信号的瞬时频率f可由下列表达式代表f=(f2-f1T)·t+f1]]>假定信号具有恒定幅度，当然它可以为模拟信号或数字信号。
图2显示接收器实施例的部件。接收器以它自己的方式包括一个用于接收载波的天线A。此天线后跟随一个放大器，通常是一个低噪声放大器LNA。
接收器也包括一个接收放大器LNA的输出信号和本机振荡器的输出信号的混频器M，例如压控振荡器VCO。此振荡器由控制电路CC所控制，其功能将在下面解释。混频器的输出端连至带通滤波器BP，后者在其输出端产生中频信号IF。带通滤波器满足抑制边带和相位失真的通常准则。它的中心频率和带宽将在下面定义。
接收器的设计是运行于特定的称为理论频率fT的中频，后者对应于没有多普勒频移的情况。
现假定载波处于多普勒作用之下在本机振荡器VCD的用于产生等于FT的频率的控制电压下，中频信号的频率在fT－Δf和fT＋Δf之间变化，其中Δf代表多普勒频移的幅度。因此带通滤波器BP的中心频率等于fT，同时其带宽等于信号频率增加2·Δf。
根据本发明，接收器包括三个调谐至参考信号的滤波器—第一个MF1中心频率调谐至理论频率fT，—第二个MF2中心频率调谐至理论频率fT减去多普勒频移幅度，即fT－Δf，—第三个MF3中心频率调谐至理论频率fT增加多普勒频移幅度，即fT＋Δf。
例如，这些调谐滤波器可以是表面声波滤波器。
图3显示同一时标下此类滤波器的输入信号X和输出信号的包络线Y。
滤波器具有传播时间Tp并产生一个输出信号，其波形是精通技术的人们所熟悉的，即阻尼的Sinx/x函数，因此具有一个主瓣，其峰值为Ac，在其幅度等于峰值Ac减去预定值Ad(例如为20dB)处的宽度为Tc。
可确定一个用于表示主瓣形状特征的波形因数W。可选择峰值Ac或此主瓣中所包含能量或此瓣宽度Tc。例如，此处选用峰值Ac对宽度Tc之比W＝Ac/Tc三个调谐滤波器MF1、MF2、MF3中的每一个具有一个带宽，从而使一个对应于参考信号但其频率相对于其调谐频率偏移Δf的输入信号产生在检测阈值Sd之上的波形因数W，以便检测相应的主瓣。
接收器进一步包括一个示于图2的校正电路CORR。此电路接收第一、第二和第三调谐滤波器MF1、MF2和MF3的输出信号并计算相应的第一、第二和第三波形因数W1，W2和W3。其值低于检测阈值Sd的波形因数被置为零。该校正电路CORR产生一个送至控制电路的偏移信号SH，表达如下SH=W2-W3W1+W2+W3·Δf]]>这里由相应的波形因数所加权的调谐滤波器的中心频率的重心的反向。如果有与此重心成比例的数值或其它任何数值能代表理论频率fT与中频信号的频率之差，则可选择该数值。
记住我们的目的是测量和校正用于运送信号包的载波的多普勒频移。
还记住持续时间为T的信号包是以重复周期Tr被周期地传送的。
相应地，如载波不受多普勒频移的影响，则在控制电路CC控制下本机振荡器VCO的中频信号IF的频率为fT。在至少T＋Tr的第一等待期的末尾，控制电路接收其值为D1的偏移信号SH。它接着控制本机振荡器VCO以使后者的频率增大D1。
它接着等待第二等待期以读取偏移信号SH的新值D2并再修正本机振荡器VCO以使它的频率增大D2。这个过程不断重复，直至第n个等待期后偏移信号SH的值为Dn。
如Dn小于在本应用例中被认为是足够的校正阈值Sc，例如100Hz，则将多普勒频移值校正同时它的值D为D=Σi=1nDi]]>至今为止使用了三个调谐滤波器。在很多场合下多普勒频移Δf的幅度允许使用单个调谐滤波器，其中心频率为理论频率fT，同时如输入信号对应于参考信号偏移±Δf，则选择滤波器带宽时应使其波形因数大于检测阈值Sd。
在这种情况下，控制电路CC控制本机振荡器VCO以便在载波不受多普勒作用时其中频信号1F频率为fT。
现在校正电路CORR从单个调谐滤波器产生作为偏移信号SH的波形因数。
在第一等待期末尾波形因数的值为WTO。接着控制电路CC控制本机振荡器VCO，从而将中频减少Δf/2并在第二等待期末尾登记波形因数的值WMO。接着控制电路CC控制本机振荡器VCO，从而将中频增加Δf/2并在第三等待期末尾登记值WMO。
它接着确定三个值WTO、Wmo和WMO中哪一个最大。该最大值标以WT1，同时很明显产生此值的频率F1离调谐频率最近。
然后控制电路CC控制本机振荡器VCO，从而产生中频F1—Δf/4。在第四等待期的末尾它登记偏移信号值Wm1。接着它确定三个值WT1、Wm1和WM1中哪一个最大。该值标以WT2同时很清楚产生此值的频率F2离调谐频率最近。
该过程以相同方式继续，对本机振荡器进行控制以产生中频F2±Δf/8。这个连续近似的搜索继续下去，每次用一半频率迭代，直至获得Fn，从而使Δf/2″小于在本应用例中被认为是足够的校正阈值Sc，例如100Hz。
接着将多普勒频偏D校正，其值为D＝Fn－fT。
已经描述过使用表面声波技术的一个或三个调谐滤波器。选择此例是因为精通技术的人们都熟悉它，特别是中频为10MHz至数十MHz的数量级。
精通技术的人知道这些滤波器可用数字信号处理器以便数字地实施。此实施特别适用于其通道隔开约30kHz的窄带系统。可选用等于零的中频以便直接在基带内处理信号。
进一步明显看出调谐波波器和校正电路的组合可由下面称为分析电路的单个实体所代表。
还有，已经描述的参考信号是一个其频率随时间线性变化的信号。当然这是一个简单例子，可用许多其它变化规律，如果使用数字信号处理的话，这些规律都是一样处理的。
此外，用于估算多普勒频移的分析电路可用一个或更多滤波器实施。还有其它解决办法，包括例如使用快速富里衰变换的频谱分析，由于精通技术的人熟悉这些方法，所以不再更详细地描述它们。
还有，作为重复周期Tr的倒数的信号包重复频率通常与载波频率成正比，但比后者小得多，其结果是它受多普勒作用的影响小得多。如前所解释，可在调谐滤波器输出端测量两个连续主瓣间的时间间隔，从而在开始时获得此重复频率。这就产生基站参考时间的良好近似，同时控制电路CC校正本机振荡器VCO以使它与此参考值适配。
现在可如上描述估算多普勒频移，此估算中事实上所有由基站和终端两者的参考时间之差所引起的误差。
现已描述过终端中的多普勒频移测量装置，再参照图4解释该系统的特定配置。此图中是一个单纯用于解释的例子，所显示地球具有南北轴，并带有一个终端T和两个轨道O1、O2。还显示了三个供使用的邻近卫星，其中第一和第二卫星S1、S2在第一轨道O1上而第三卫星S3在第二轨道O2上。
多普勒频移决定于卫星相对于终端的仰角，也即经过终端与地球相切的平面与连结终端与卫星的直线段之间的夹角。通常使用其仰角大于给定最小仰角的卫星，该最小仰角对应于一个掩始时间。
作为时间函数的多普勒频移形式决定于对地球上固定点的卫星仰角。如该仰角是变化的，则结果将得到精通技术的人所熟悉的一组曲线，在给定最小仰角例如20°时，曲线在两个端点间变化，一个最大频率fM和最小时间Tm，及一个最小频率fm和最大时间TM，该最大时间对应于掩始时间。fm和fM的绝对值相同但符号相反。
这些曲线具有一个其座标为(Tm＋TM)/2和(fm＋fM)/2的单个公共点。作为此特征的直接结果是如果知道相隔已知周期的两次多普勒频移值，则就能知道卫星所在曲线。
图5显示代表作为时间函数的多普勒频移D的数值的两条曲线，第一条曲线C1对应于第一轨道O1并在两点(Tm1，fM1)和(TM1，fm1)之间变化，及第二条曲线C2对应于第二轨道O2并在两点(Tm2，fM2)和(TM2，fm2)之间变化。
可以立即明显地看出第一轨道中的卫星的可用时间(TM1，Tm1)大于第二轨道中的卫星的可用时间(TM2，Tm2)。
左半部分的曲线即偏移的高值部分的能观察时间较长。因此作为一次近似，可以说偏移愈大能观察时间就愈长。估值装置因此可用于将估算能观察时间作为多普勒频移的递增函数，例如相等函数，建立起来。
这些曲线还显示出，对于正偏移值，偏移值愈大它的斜率就愈小。还可以相应地进一步加以近似，如将波形因数定义为其符号与偏移值的符号相同的斜率的反向值，则能观察时间与波形因数的倒数成正比。将相隔已知测量周期的两次所测得多普勒频移值进行外推可算出斜率。
将上面所引用的两种近似方法组合起来，可用第三种方法估算能观察时间，计算出测量周期内偏移平均值对相应的斜率之比。
可以看出在所有情况下都选择卫星S2，这里所希望的，因为它的位置相对地靠近通过终端的垂线的轨道，相对地离终端较远而且在向终端移动。
现描述更准确但更重复的结算方法。
如果轨道内任何点的卫星仰角ε(t)大于最小仰角E0，则仰角值ε(t)可以用如下方式表达(参看图6和7，它们分别显示参考三面体Txyz，其中心在终端T处，其T2轴是垂直的，及其平面垂直于高度H的垂线。
所有卫星运行于高度H。因此所有可能的轨道的集合代表一个球，其中心即地球中心。对终端讲，此集合为一以角度为π/2－E0的锥体与此球体为界的球形穹面，其中E0代表最小仰角。
下列符号用于特定轨道，例如第一轨道O1—γ该轨道最大仰角，—Hi终端至球形穹面上此轨道上两点间弦的距离，所述两点对应于最小仰角E0，—ω通过原点的直线段与通过球形穹面上此轨道上两点的直线段之间夹角，所述两点对应于最小仰角E0，—d由此弦至O2轴的距离，—l此弦的半长度，—R最小仰角E0时的球形穹面半径，也即d的最大值，—Ω卫星角速度，—v卫星线速度，—c无线电波的传播速度—p载波频率，—D多普勒频移。因此我们可写d＝Htan(π/2－γ)＝H/tan(γ)R＝Htan(π/2－E0)＝H/tan(E0)l=R2-d2=H1tan2(E0)-1tan2(γ)]]>cos(π/2－γ)＝H/Hi＝sin(γ)whenceHi＝H/sin(γ)tan(ω/2)=1/Hi=1tan2(E0)-1tan2(γ)1sin(γ)whence:]]>ω=2Arctan[sin(γ)1tan2(E0)-1tan2(γ)]]]>因此仰角ε(t)在[π/2－ω/2，π/2＋ω/2]的范围内随时间变化。多普勒频移D的值由下式给出D=VC·p.sin(γ).cos(ϵ(t,γ))]]>已知ε0＝π/2－ω/2，仰角ε(t，γ)之值为ε(t，γ)＝ε0＋Ω.t因此知道相隔已知测量周期所测量的第一次和第二次的两个特定的多普勒频移值之后，就能求出所讨论轨道上最大仰角γ之值及作为时间函数的偏移D的一般形式。到此地步可以简单地确定掩始时间TM并从它推算出能观察时间，它等于掩始时间与测量第二次偏移的时间之差。
因此估值装置可用这个方法计算能观察时间。
注意到两个连续的偏移值已足够用于获得能观察时间。可以提供一个例如存放于存储器中的表那样的双输入表，其第一输入量对应于第一个偏移测量值而第二输入量对应于第二个偏移测量值，表中任何一个地址代表相应的能观察时间。
可使用以上式子或凭经验制成该表。在不同可能情况下在此域内测量是可行的。
作为结论，很清楚该测量装置应置于终端内。但估值装置不一定必须如此，例如它可包括一个微处理器和一个数字信号处理器。
作为第一可选方案，估值装置也可置于终端内并例如可由控制电路实施。在此情况下传送装置用于将能观察时间送至指定装置，后者可位于系统内任何处。注意到可将终端内早就存在的传送电路用作传送装置。
作为第二可选方案，估值装置可位于其它任何地方，尤其位于指定装置内。在此情况下传送装置用于将位置信息送至指定装置。
权利要求
1.用于为无线电通信系统的终端(T)选择卫星的装置，该无线电通信系统包括众多非对地静止卫星，该装置的特征在于包括测量装置，用于根据所述终端已取得同步的众多邻近卫星(S1、S2、S3)中每一个卫星与终端的相对位置建立位置信息(D)，包括估值装置，用于从所述位置信息中估算每个所述卫星的能观察时间，及包括选择装置，用于选择所述卫星中具有最长所估算能观察时间的卫星。
2.无线电通信系统的终端(T)的定位装置，该无线电通信系统包括众多非对地静止卫星和用于将卫星指定给终端(T)的指定装置，该装置的特征在于终端(T)已与众多邻近卫星(S1、S2，S3)取得同步，它包括测量装置，用于根据所述终端和每个所述邻近卫星的相对位置建立位置信息(D)，包括估值装置，用于根据所述位置信息估算每个所述邻近卫星的能观察时间，及包括传送装置，用于将至少两个具有最长所估算能观察时间的所述邻近卫星的所述时间传送至所述指定装置。
3.供具有众多非对地静止卫星的无线电通信系统使用的、适用于从终端(T)已取得同步的众多邻近卫星(S1、S2、S3)中为所述终端指定一个卫星的指定装置，其特征在于所述终端包括测量装置，用于根据所述终端和每个所述邻近卫星的相对位置建立位置信息(D)，包括估值装置，用于根据所述位置信息估算所述邻近卫星的能观察时间，及包括传送装置，用于将至少两个所述邻近卫星的所估算能观察时间传送至所述指定装置，它根据由所述终端传送的所述所估算能观察时间选择一个卫星。
4.供具有众多非对地静止卫星的无线电通信系统使用的、适用于从终端(T)已取得同步的众多邻近卫星(S1、S2、S3)中为所述终端指定一个卫星的指定装置，其特征在于所述终端包括测量装置，用于根据所述终端和每个所述邻近卫星的相对位置建立位置信息(D)及包括传送装置，用于将至少两个所述邻近卫星的所述位置信息传送至所述指定装置，它包括估值装置，用于根据由所述终端传送的所述位置信息估算所述邻近卫星的能观察时间，以便根据所述所估算能观察时间选择一个卫星。
5.根据权利要求1至4中任何一项的装置，其特征在于每个所述卫星传送单独的载波，所述测量装置产生第一次所述载波的多普勒频移(D)以用作位置信息。
6.根据权利要求5的装置，其特征在于所述估算能观察时间是所述第一次多普勒频移值(D)的递增函数。
7.根据权利要求5的装置，其特征在于所述测量装置也产生第二次多普勒频移值(D)，所述第二次与所述第一次相隔一个测量周期，波形因数定义为所述第一次和所述第二次多普勒频移之差对所述测量周期之比，而其符号与所述第一次多普勒频移的符号相同，所述所估算能观察时间是所述波形因数的倒数的递增函数。
8.根据权利要求5的装置，其特征在于所述测量装置进一步产生第二次多普勒频移值(D)，波形因数定义为所述第一次和所述第二次多普勒频移的和对差之比，所述所估算能观察时间是所述波形因数的递增函数。
9.根据权利要求5的装置，其特征在于所述测量装置进一步产生第二次多普勒频移值(D)，所述第二次与所述第二次相隔一个测量周期，代表多普勒频移的函数包括由所述第一次和第二次的多普勒频移值所决定的掩始时间(TM)，所述所估算能观察时间是所述掩始时间和所述第二次时间之差。
10.无线电通信系统的终端(T)的定位装置，该无线电通信系统包括众多非对地静止卫星和用于将卫星指定给终端(T)的指定装置在内的无线电通信系统的所述终端所用定位装置，其特征在于所述终端已对众多邻近卫星(S1、S2、S3)取得同步，它包括测量装置，用于根据所述终端和每个所述邻近卫星的相对位置建立位置信息(D)，及包括传送装置，用于将所述位置信息传送给所述指定装置。
11.根据权利要求10的装置，其特征在于所述卫星(S1、S2、S3)中的每一个传送单独的载波，所述位置信息是所述载波的多普勒频移(D)。
全文摘要
一种为具有众多运行卫星的无线电通信系统中的终端(T)选择主要卫星的装置包括测量装置，用于根据终端已取得同步的邻近卫星(S1、S2、S3)中每一个卫星与终端的相对位置确定位置信息(D)，包括估值装置，用于根据位置信息估算每个卫星的可见期，及包括选择装置，用于选择具有最长所估算可见期的卫星。
文档编号H04B7/26GK1125022SQ9419236
公开日1996年6月19日 申请日期1994年6月7日 优先权日1993年6月7日
发明者维诺德·库马尔 申请人:阿尔卡塔尔有限公司