专利名称：在卫星通信系统中迅速捕获信号的方法
背景技术：
I.发明领域本发明涉及卫星通信，尤其涉及对卫星信号的捕获。
II.现有技术描述当在一个蜂窝式或卫星无线电话环境下打开一个无线电话时，一般得搜索和捕获由基台发出的前向线路信号(forward link signal)。在一个CDMA系统中，该前向线路信号被称为领示信号(pilot)，它由基台连续发射。无线电话利用该领示信号使最初的系统同步，并提供稳固的时间、频率和相位跟踪来自基台的信号。
在CDMA无线电话系统中，在捕获领示信号之前，无线电话机不能进行发射。而由于无线电话用户在打开无线电话机后通常不愿意空等电话通话，因此一旦无线电话开机就必须迅速捕获该领示信号。
在以地面为基础的CDMA蜂窝系统中，捕获领示信号一般只需几秒钟。这在很大程度上是因为众所周知的蜂窝区站靠近无线电话机，以及蜂窝区通常是固定不动的这一事实。因此，领示信号只需较短的延迟即可到达无线电话机，且领示信号的多普勒频移很小。
在以卫星为基础的通信系统中，由于存在必须搜寻的更大的频率不定度，捕获领示信号可能花费更长的时间。频率不定度可能起因于因迅速移动近地轨道(LEO)卫星而引起的多普勒频移范围。出现不定度的其它因素，诸如信号经由卫星的较大的循环传播时延可能加剧了捕获问题。由此需要一种能迅速捕获由卫星通信系统发出的信号的方法。
发明概述本发明的方法能使移动无线电机迅速捕获到来自一台卫星或若干台卫星的信号，这些卫星是卫星星座的一部分。该无线电机具有一个实时时钟和存储器，存储器内含有每个卫星的位置推算历(ephemeris)。该方法通过无线电机首先确定其相对地面的空间位置而着手。确定该位置的时间也记载下来。将该位置和时间两者存储起来以供后用。如果无线电机关机并回到开机，或信号因某些其它原因而丢失，则确定来自实时时钟的第二个时间。然后，无线电机根据第一与第二时间之差搜寻该信号。知道用户位置，允许作出假设简化捕获。知道从最后位置固定以来的时间，允许改变对这些假设的信任程度。差别越小，被搜索的频率或时间不定度窗越小，由此减少了捕获时间。
附图简述
图1表示本发明以卫星为基础的一个通信系统。
图2表示本发明一个典型的无线电机的方框图。
图3表示通过本发明方法搜寻频带。
图4表示本发明的流程图。
对较佳实施例的详细描述图1表示一个典型的卫星通信系统，在该较佳实施例中，该通信系统包括48台卫星101，它起到一个中继站的作用，使信号发射到移动无线电机102并从其发出，该移动台位于地面上或位于离地面一定高度的飞机上。卫星将信号反射回连接公共交换电话网络(PSTN)的地面接收站103。PSTN将通话切换到另一个蜂窝网或陆上电话。
在该较佳实施例中，无线电机用CDMA型无线电话机。由Gilhousen等人申请并转让给夸尔柯姆股份有限公司的第4901307号美国专利披露了这种CDMA型无线电话机在陆上CDMA系统中的工作原理。另一个实施例采用时分多址(TDMA)或频分多址(FDMA)型无线电话机。
本发明的卫星通信系统工作时通过无线电机首先找到由卫星发射的领示载波信号。在该较佳实施例中，领示信号为一种未调制的PN序列。然而，另一个实施例采用的领示信号由前序序列(preamble sequence)、混合数据的前序序列、足够强的信息定位信号或其它信号类组成。
在较佳实施例中，由每台卫星利用已知的频率和伪噪声(PN)码，或许用不同扩展频谱码发生器或相位补偿发射领示信号，故允许无线电机区分不同的卫星。由于卫星采用已知的PN码和编码相位，故通过查遍所有代码发生器和相位，无线电话机的内部实时时钟能与系统定时同步。由无线电机找到的最强信号对应于最佳卫星信号。
卫星在空中的迅速移动使来自各台卫星的领示信号的频率因多普勒频移而改变。假如无线电机在领示信号的发射频率上搜索频谱时，若卫星直接位于上空，信号将唯一地被发现。这也就是理想的PN码相位。因此，无线电机必须搜寻用于PN码相位的时间不定度，以及到达卫星的频率不定度。本发明的方法通过利用卫星和无线电定位知识，减少了这种不定度。
图2表示本发明一个典型的无线电机200。无线电机200包括存储每个卫星位置推算历的存储器201。在较佳实施例中，存储器201为非易失随机存取存储器(RAM)。它允许无线电机200当卫星退出服务或改变其轨道时即更新其位置推算历数据。另一个实施例采用可编程只读存储器，其中永久存储每个卫星的位置推算历。再一个实施例则采用电池支援的RAM。
无线电机200还包括实时时钟205(以下将作讨论)、用以控制无线电机的处理器210、对用户声音进行编码和译码的声码器215、调制/解调电路220、以及将已调制的信号转换为高频信号进行发射，将收到的信号转换为低频信号的射频电子电路225。
图4表示本发明的方法，从无线电机使其内部实时时钟与卫星系统时间同步开始(步骤401)，此同步由卫星或地面站的内部时钟保持。在较佳实施例中，卫星简单地反射来自地面站的时钟信号。另一个实施例在每台卫星中采用一个时钟，它能与卫星系统中的其它时钟同步。由于无线电机现在知道了每台卫星的位置推算历和时间，所以无线电机知道卫星相对陆地的位置。
然而，无线电机为了了解其相对卫星的位置，必须确定其相对陆地的位置。根据不同的卫星或一台卫星在一段时间内的不同位置，通过三角测量即可确定无线电话机的位置(步骤405)。由于无线电机了解了卫星的位置，故它可以测量信号到达每台卫星并从每台卫星返回所需的时间，以确定其相对陆地的位置。在另一个实施例中，可以采用另一种定位系统，诸如全球定位系统(GPS)或用户参与定位。
将无线电机的空间位置存储在存储器内，如果无线电机关机则存储此时的时间连同当前的空间位置(步骤410)。在无线电机恢复开机后，根据实时时钟确定该开机时间(步骤415)。根据省电时存储的时间与上电时存储的时间之差，能估计用户离先前已知的位置有多远。
当把估计的无线电话机的新的大致位置与已知的卫星位置结合起来时，可以确定所需考虑的卫星一览表以及每台卫星的大致相对位置。然后，无线电机确定多普勒频移和PN序列，它们将凭经验根据发射通过每台卫星的信号捕获。多普勒频移提供了新的查找频率，无线电机关机的时间长度确定了有关该频率的搜索窗的宽度(步骤420)。
如果无线电机仅仅短时间关机，它不可能漫游得很远。在此情况下，搜索窗的宽度将相对较小。在较佳实施例中，搜索窗按一个小时的倍数从5千赫开始。如果无线电机已经关机较长时间，诸如超过24小时，仍有可能该无线电机未离开其先前的开机位置。用户可能一关掉无线电机就将它留在原地。在此情况下，搜索窗的宽度将相对减小。在较佳实施例中，搜索窗的宽度为5千赫。
随着无线电机关机时间的增加，搜索窗的宽度也增加。实际上如上所述，在较佳实施例中可以达到24小时。在较佳实施例中，搜索窗从无线电机关机时起按每小时5千赫增加。
如果本发明的方法用最早的搜索窗未找到卫星领示信号的频率，搜索窗将展宽，再进行搜索。在较佳实施例中，搜索窗可展宽到10千赫。该展宽和搜索将重复进行，直至找到信号的频率，或判断用户的位置是错误的，或捕获信号的能力方面有些毛病。
图3表示搜索频谱的一个例子，它将领示信号的频率表示为f。期望的多普勒频移表示为Δ。至f右边的频带为f＋Δ，而至f左边的频带为f-Δ。频谱的-Δ边是因为卫星离开无线电机飞行，而频谱的＋Δ边是因为卫星朝着无线电机飞行。
如果无线电机已经确定，因卫星的相对位置领示信号将偏移＋Δ，则搜索＋Δ附近的窗，以找到领示信号的频率。该窗的宽度随着无线电机关机时间的增加而增加。这是因为频率不精确度的增加确定了无线电机关机的时间长度。因此，如果无线电机仅仅关机几分钟，在较佳实施例中要搜索的窗将只需5千赫宽。如果无线电机关机达2个小时，该窗的宽度将增加。另一个实施例搜索不同范围频率的窗。
本发明的方法还减少了因接收信号的多普勒偏移以外的机理所产生的不定度。在另一个实施例中，不同的卫星采用不同的频率、PN码和/或其它不同的性能。无线电机对卫星相对其位置的了解，使其能确定适用和应当搜索何频率和PN码，以捕获信号。
本发明的信号捕获方法还使无线电机能搜索受多普勒偏移影响的PN编码的相位。在上述较佳实施例的同样方法中，该方法按PN编码的相位搜索一个窗，通过估计多普勒对PN编码相位的影响找出特定的PN码。
本发明方法的另一个实施例根据无线电机关机的时间搜索不同宽度的窗。另一个实施例在假定无线电机未留在其先前位置上之前，还继续将搜索窗的宽度增加到另一个最大倍数，诸如48小时，并返回最初宽度较小的搜索窗。
本发明的方法大大减少了无线电机在卫星通信系统中寻找一个信号所需的时间。通过在无线电机关机一段时间以后估计无线电机的位置，可以估计多普勒偏移，因此，实际上减小了必须搜索的频带窗以及其它的不定度。
权利要求
1.一种使无线电机迅速捕获来自卫星星座中至少一个卫星之信号的方法，该信号具有一个频率，该无线电机具有时钟和至少一个卫星的位置推算历，该卫星星座与多个地面站通信，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定在时钟所示第一时间所确定的位置为无线电机的空间位置；存储该空间位置和第一时间；确定来自时钟的第二时间；根据第一时间与第二时间之差，估计第二个空间位置；以及根据第二个空间位置搜索一个预定频率的频带。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星星座的每台卫星均含有时钟，每台卫星时钟均与其它的卫星时钟同步。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于进一步包括使无线电机时钟与卫星时钟同步的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括多个地面站的至少一个地面站，该多个地面站具有时钟脉冲，能发射到卫星星座。
5.一种使无线电话机迅速捕获来自卫星星座中至少一个卫星之信号的方法，该信号具有一个频率，该无线电话机具有时钟和卫星星座中至少一个子卫星星座的位置推算历，该卫星星座与至少一个地面站通信，至少一个地面站具有一个发射到卫星星座的时钟，其特征在于，所述方法包括以下步骤使无线电话机的时钟与地面站的时钟同步；确定在无线电话机的时钟所示的第一时间所确定的空间位置为无线电话机的空间位置；存储该空间位置和第一时间；确定来自无线电话机时钟的第二时间；根据第一时间与第二时间之差，估计第二个空间位置；以及根据第二个空间位置搜索一个预定频率的频带。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，预定频带的带宽与第一和第二时间之差成正比。
7. 一种使分码多路存取无线电话机迅速捕获来自卫星星座中第一卫星之领示信号的方法，该信号具有一个频率，该无线电话机具有存储器、时钟以及存储在存储器内的卫星星座之每台卫星的位置推算历，每台卫星与多个地面站通信，每个地面站具有一个时钟，第一地面站发射一个来自时钟的时钟信号到第一卫星，其特征在于，所述方法包括以下步骤使无线电话机的时钟与该时钟信号同步；确定在无线电话机时钟所示的第一时间所确定的位置为无线电话机的空间位置；将该空间位置和第一时间存储在存储器内；确定来自无线电话机时钟的第二时间；根据第一时间与第二时间之差，估计第二个空间位置；随着第一与第二时间之差增加到一个预定的最大差值，第二空间位置与第一空间位置的距离增加；以及根据第二个空间位置搜索一个预定频率的频带。
8.一种使无线电机迅速捕获来自卫星星座中第一卫星之信号的方法，该信号具有一个预定频率，该无线电机具有时钟和第一卫星的位置推算历，该第一卫星与一个地面站通信，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定在时钟所示的第一时间所确定的第一空间位置为无线电机的第一空间位置；根据该位置推算历确定第一卫星的空间位置；根据无线电机的第一空间位置和卫星的空间位置，搜索预定频率的预定频带。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定频带由以下步骤所确定存储无线电机的第一空间位置和第一时间；确定来自所述时钟的第二时间；根据第一时间与第二时间之差估计第二空间位置；以及根据第二空间位置和第一卫星的空间位置确定预定频带。
10.一种使无线电机迅速捕获来自卫星星座中第一卫星之信号的方法，该信号具有一个预定的伪噪声码，该无线电机具有时钟和第一卫星的位置推算历，该第一卫星与一个地面站通信，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定在时钟所示的第一时间所确定的空间位置为无线电机的空间位置；根据该位置推算历确定第一卫星的空间位置；根据无线电机的空间位置和卫星的空间位置，搜索预定伪噪声码的预定伪噪声码的相位。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，预定伪噪声码的相位由以下步骤确定存储无线电机的空间位置和第一时间；确定来自时钟的第二时间；根据第一时间与第二时间之差估计第二空间位置；以及根据第二空间位置和第一卫星的空间位置确定预定码的相位。
全文摘要
本发明使无线电机在与卫星脱离接触一段时间后能迅速捕获来自卫星的领示信号。无线电机首先捕获领示信号并确定其相对陆地的位置。如果无线电机关机或因某种原因未能跟踪该领示信号，则维持跟踪其与卫星脱离接触的时间长度。该时间长度能使无线电机估计大致变化的程度，由此估计哪一个卫星在视线内以及它相对无线电机的位置。这将允许无线电机对信号的多普勒频移之类的变量作出假设，减小捕获过程中固有的不定度和必须搜索的窗的宽度。
文档编号H04B7/216GK1152380SQ95194052
公开日1997年6月18日 申请日期1995年7月5日 优先权日1994年7月11日
发明者S·S·卡特 申请人:夸尔柯姆股份有限公司