测量卫星通信系统中往返延迟的系统与方法

摘要

一种确定在相互间作相对运动的第一与第二物体(如卫星(104)与移动电话(108))之间发射的信号的往返延迟的系统与方法。第一信号由第一物体(104,108)发射到第二物体(108,104)。经传播延迟D

说明书

                            发明背景

I.发明领域

本发明总的涉及无线通信系统，尤其涉及确定与地球轨道卫星通信的位置的系统与方法。本发明还涉及对汇接局与用户终端之间的访问信道的往返延迟进行测量的系统与方法。

II.相关技术

在无线通信环境中，越来越需要移动电话的位置信息。例如，随着卫星电话通信容量的增大，由于计费和/或地域政治边界等各种原因，确定用户终端(移动电话)的位置就变得越来越重要。例如，要求以位置来选择合适的地面站或服务提供者(如电话公司)来提供通信链路。服务提供者通常具有特定的地域范围，并管理所有链接该地域范围内的通信链路或与位于该地域内的用户进行的呼叫。当必须根据政治边界或多种合同关系把通话分配给服务提供者时，就会出现类似的问题。

具体地说，能理解位置信息重要性的一个行业就是商用货运业。在商用货运业或物流经营业中，要求有一种高效、准确的车辆定位方法。便于访问车辆位置信息，货运公司就具有了某些优势。货运公司能告诉客户运输业务的地点、路线与估计的到达时间，还能将车辆位置信息与路线有效性的经验数据结合起来使用，以确定最经济有效的运输路线与操作步骤。

过去，货车司机自己在到达目的地和中途停留地后，用电话告诉货运公司总部有关车辆的位置信息。这样位置报告最好是断断续续的，因为只有在司机到达目的地或中途停留地时，司机才有时间打电话向货运公司总部报告。这样位置报告对货运公司来说也是相当昂贵的，因为实际上要造成货运很长的停驶时间。这一停驶时间原于这样的事实：要作位置报告，司机必须将其车辆驶离行驶路线，寻找能向总部打电话的电话机器，且要花时间作地点报告。这样地点报告方法还有不准确的问题，比如司机可能不当心或故意报告了错误的信息，或者报告不准确的估计到达与离开时间。

当前，商用货运业正在配置供其货车运输牵引车使用的通用移动通信终端。这类终端能在货运公司总部与货车之间作双向通信，通常，通信是通过卫星在货车与网络通信中心或枢纽之间进行的。

利用各移动终端处的无线电通信能力作车辆定位，对商业货运业有很大的好处。由于货运公司总部能在需要时对车辆进行定位，所以地点报告不再是断断续续的了。因为定位所必须进行的通信可以在货车行驶在中途的时候进行，所以就不再要求货运车再花费停驶时间。而且，由于货运公司总部几乎可以瞬间探明准确的货车地点信息，因而基本上消除了地点报告的不准确性。

然而，当卫星与车辆二者不断改变它们的位置时，就很难利用移动终端处的无线电通信能力来提供车辆或用户位置。即，当采用低地球轨道或中地球轨道(LEO与MEO)卫星传输信号时，以及当用户或车辆迅速或频繁地改变地点时，就会出现这样的情况。由于卫星轨道和车辆运动，它们之间的距离在不断改变，这就难以准确地测量卫星与移动电话间的距离，最终也难以测定电话在地球表面上的位置。该问题在下面涉及两个相互通信的物体的一个例子中将作进一步的讨论。

通常，可以用下述方法来确定相互进行通信的两物体间的距离。第一物体发射第一信号并注明发射的时间。第二物体接收第一信号并立即发射第二信号。第一物体接收第二信号，并记下第一信号发射与第二信号接收之间经过的总时间。然后，第一物体按RTD＝cD/2的关系，确定往返延迟RTD，其中，c是光束，D是第一信号发射与第二信号接收之间经过的总时间。于是，可由RTD来确定两物体的间距。

然而，这一简单的(RTD＝cD/2)关系仅在下述情况时才能得出准确得R值：(a)两物体的位置因定；以及(b)发送单元与接收单元的振荡器是已知且稳定的。换言之，若两物体之一相对于另一物体移动，并且/或者发射机之一的振荡器原来就不稳定，则该简单的关系得不出准确得结果。这样，若第一物体是一运动物体，如轨道通信卫星，而第二物体是另一运动物体，如车载移动电话，则这种关系就得不出准确的结果。由于卫星的轨道以及移动电话的移动，而使得在时段D内二者的间距是变化的。此时，R₁是卫星与移动电话之间在卫星发射第一信号时的间距，而R₂是卫星接收第二信号时的间距。不用说，这样难以确定移动电话与卫星间的实际距离R₁与R₂。这些距离可以确定为汇接局与移动电话之间信号的往返延迟RTD的函数。因而要求用某种机构来准确地确定RTD。

以前，由于无法根据包含求和的测量来准确地确定R₁或R₂(即，卫星与移动电话在两个略微不同的时刻时的距离)，所以难以有效地确定移动电话的位置。若有一种有效地确定R₁或R₂的方法，就能确定移动电话的位置。利用R₁(或R₂)和相当于临近速率的绝对多普勤效应，可以确定移动电话的位置。获取在确定临近速率时可以利用的真实多普勤效应，是相关专利申请09/150,500的主题，该申请的申请日是1998年9月9日，标题为“Accurate Range and RangeRate Determination in a Satellite Communication System”。该技术在本文中仅作简介(见公式18)。因此，确定R₁与R₂的重要原因是可以得出移动电话的位置。

                          发明概述

本发明涉及一种确定在相互间作相对运动的第一物体与第二物体(如卫星与移动电话)之间发射的信号的往返延迟的系统和方法。在本发明一个方面中，由第一物体向第二物体发射第一信号。第二物体在经过传播延迟D₁以后接收到第一信号，延迟D₁是第一信号从第一物体到达第二物体时所用的时间。在第二物体处测量第一信号的频率。然后，第二物体向第一物体发射包含测得的第一频率的报告的第二信号。第一物体在经过传播延迟D₂以后接收到第二信号，这里，D₂是第二信号从第二物体到达第一物体时所用去的时间。第一物体测量第二信号的频率。然后，第一物体根据测得的延迟和第一信号与第二信号的频率来确定往返延迟。

另一个方面，本发明涉及确定相互间作相对运动的第一物体与第二物体之间发射的信号的往返延迟，其中，第一信号是由第一物体发射的。第二物体在传播延迟D₁之后接收到第一信号，然后向第一物体发射第二信号，该信号在传播延迟D₂以后被第一物体接收。在第一物体处测量第二信号的频率。接着，第一物体根据测得的延迟与第一信号频率确定往返延迟，该延迟是第二信号经过的距离的函数。

本发明还涉及确定相互间作相对运动的第一物体与第二物体之间发射的信号的往返延迟，其中，第一信号由第一物体发射并经过传播延迟D₁后被第二物体接收。第二物体测量第一信号的频率，并向第一物体发射包含测得的第一信号频率的报告的第二信号，第二信号在经过传播延迟D₂后被第一物体接收。然后，第一物体根据第一信号频率确定往返延迟，该往返延迟是在第二信号从第二物体传播到第一物体期间所经过的延迟的函数。

下面参照附图详细描述本发明的其它特点与优点以及本发明的实施例的结构与工作原理。

                          附图简述

下面参照附图描述本发明。图中，同样的标号表示相同的、功能相似的和/或结构相似的元件。图中首次出现的元件在标号中用最左侧的数字表示。

图1描述的是卫星通信系统。

图2所示的时序图表示按照本发明确定卫星与移动电话间距离的方法。

图3是按照本发明的方法1与3的流程图。

图4是按照本发明的方法2的流程图。

图5是按照本发明的方法4的流程图。

                     较佳实施例的详细描述

1.发明的概述与讨论

在移动电话通信系统中，尤其是在卫星电话系统中，要求确定移动电话单元(或用户单元)的位置，并且这很重要。要求用户终端位置信息是源于几个方面的考虑。首先，用户终端的位置决定了用户所在的地区，并决定了向该地区中的用户提供通信服务的公司。因此，为了保证有关服务提供者收到向用户提供通信服务的付费，而向用户提供的这些服务或性能是按合同提供的，或者采用最合适的地面站，那么就必须确定用户终端的位置。

有时还必须考虑到基于政治边界的地缘政治问题。考虑下面的情形，即，国家1^#与国家2^#是不友好的邻国。用户终端#1在国家#1，服务提供者在该国提供通信服务。若国家#2内的服务提供者错收了服务付费，就可能难以将错收的钱从国家#2返还国家#1。若在两国之间对用户服务有各种合同关系，那么也可能难以提供服务的合适级别、当前用户位置等等。

一种传统的定位方法是美国海军TRANSIT系统所应用的方法。该系统中，用户终端对低地球轨道(LEO)卫星传送的信号作连续多普勒测量，这些测量持续进行几分钟。系统一般要求卫星两次通过，必须等候100多分钟。另外，由于位置计算是由用户终端进行的，所以卫星必须播发有关其位置的信息(也称为“星历表”)。尽管TRANSIT系统具有高精度(1米量级)，但是对于商用卫星通信系统的应用而言，定位所花费的延迟却是不能接受的。

另一种传统的方法是ARGOS与SARSAT(搜救卫星)系统所应用的方法。在该方法中，用户终端向卫星上的接收机发射一断续的信标信号，并且卫星对该信号作频率测量。若卫星从该用户终端接收到四个以上的信标信号，那么就能求出用户终端的位置。由于信标信号是断续的，因而无法由TRANSIT系统作持续的多普勒测量。

还有一种传统的方法是采用全球定位系统(GPS)。在该方法中，各卫星播发一包括卫星星历表的带有时间标记的信号。当用户终端收到GPS信号时，它就测量相对其自身时钟的传输延迟，并确定与发射卫星位置的伪距。GPS系统作二维定位要用3颗卫星，作三维定位要4颗卫星。

GPS法的一个缺点是要求至少3颗卫星来进行定位；另一个缺点在于，由于计算是由用户终端执行的，GPS卫星必须播发它们的星历表信息，而用户终端必须拥有执行必要计算的运算资源。

上述诸方法的缺点在于，为了应用这些方法，除了通信系统要求建立的发射机或接收机外，用户终端也必须有独立的发射机或接收机。

为此，在卫星通信环境中，许多人正认识到要求有一种能迅速定位的定位系统。同时，还要求有一种廉价的定位系统，使卫星与用户终端以最少的附资源精确地对用户终端进行定位。

至卫星通信系统中，可以确定把移动用户终端的位置作为卫星与该移动用户终端间的距离和该距离变化率的函数。二者均为以下变量的函数：汇接局(固定地面站收发机)经卫星接口发射到移动用户终端再返回汇接局的信号的往返延迟、移动用户终端处测量的频率和汇接局处测量的频率。由于卫星绕地球沿轨道运动，而移动电话在地球表面上作运动，所以二者之间的距离是连续变化的。

用户终端与卫星之间任何关系发生变化的最大因素是卫星的运动。LEO卫星在轨道上的运行速度每小时16000英里或每秒约4.4英里。与之对照，用户终端的地面速度一般小于每小时60英里(约每秒88英尺)。用户终端的位置变化相对于卫星的位置变化如此之小，因而可以忽略掉用户终端的位置变化。然而，由于这种相对运动，很难准确地测量移动电话(或用户终端)与卫星的距离。因而难以确定移动电话的位置。这对要求准确确定移动电话位置的无线通信系统就产生了问题。

本发明解决了这个问题。本发明提供的方法可确定在汇接局与移动电话之间发射的信号的往返延迟。根据这一信息，可以确定移动电话与卫星间的距离或范围。本发明的一个主要结果是，还提出了一种能准确地确定移动电话位置的方法。

必须指出，本发明的用途不限于卫星与移动电话。实际上，从广义上讲，本发明可以用来确定任何两个相互间进行通信的移动物体之间的距离。

2.典型环境

在详述本发明之前，最好先描述一下本发明可实施的典型环境。从广义上讲，本发明可在各种通信系统中实施。图1中示出了这样一种通信系统100。具体而言，图1示出在轨道路径O中运行的卫星104。移动站、电话或用户终端108位于或靠近地球表面E的地方。移动电话108包括无线通信装置，诸如(但不限于)蜂窝电话或数据或定位收发机，根据需要，也可以是手持式或车载式的。然而，还应该理解，本发明的原理还适用于要进行定位的固定单元。卫星向移动电话108发射信号并从其接收信号，通过固定地面站112的称为用户终端(UT)，称为汇接局(GW)。

图1示出在动态环境中与测量卫星104和移动电话108间的距离相关的难题。该动态环境是由卫星104在其轨道O中运行和UT108在地球表面运动而造成的。其中，卫星104与UT108的距离连续变化，这样就难以准确地测量它们之间的距离以及UT108的位置。

在该例和以后的环境中，汇接局112通过卫星104与UT108进行通信。在时刻t_-1，汇接局112向卫星104发射正向上行链路寻呼信号S_fu。下面将讲请把这一时刻定为t_-1的原因。在时刻t₀，卫星104中的电路把信号S_fu转换成正向下行链路信号S_fd并将它发射到UT108。UT108在时刻t₁接收信号S_fd，并立即发射一反向上行链路信号S_ru，该信号在时刻t₂被卫星104接收。卫星104将信号S_ru转换成逆向下行链路信号S_rd，然后把它发射到汇接局112，汇接局112在时刻t₃接收该信号。信号S_fu与S_td是在一条或多条寻呼信道上发射的。信号S_fu与S_td则是在访问信道上发射的，该访问信道由用户终端用来“访问”汇接局。用户终端通过在访问信道上发射包含访问消息的数据而访问某一汇接局，登录该系统，进行呼叫，或确认汇接局发送的寻呼请求。

在时刻t₀与t₂之间的时段(即t₂-t₀)内，卫星104的位置已经发生变化。UT108也可能改变位置。然而，由于上述原因，可以不计UT108的位置变化。因此，UT108与卫星104间的距离由R₁变为R₂。如上所述，该位置变化的最大因素是卫星在轨道中的运行而引起的。

本发明以这一典型环境来描述，只是为了方便。但并非将本发明的应用限于这种典型环境。实际上，在阅读了下述描述后，相关领域的技术人员将明了在其它环境中如何实施本发明。

3.本发明

本发明中，汇接局112定期发射寻呼信号S_fu。对于本发明来说，信号S_fu被看作是在时刻t_-1由汇接局112发射，而在时刻t₀由卫星104接收的。位于汇接局112处的发射机对正向链路信号S_fu的频率作预校，以补偿卫星104与汇接局112之间相对运动造成的多普勒频移。由于卫星104对汇接局112的相对运动是已知的，所以信号的补偿使得当该信号到达卫星104时，它并不呈现出由于相对运动而造成的任何多普勒频移。换言之，发射机对信号S_fu预校，而补偿了多普勒频移。

另外，汇接局112的处的发射机还预校了信号S_fu的时序。在汇接局112传送的时间与卫星104接收时间之间会出现5-15ms数量级的信号延迟，反之亦然。在卫星104与UT108之间发射的信号，会出现类似的延迟。在正向链路中，只预校信号S_fu的时序。信号S_fu的时序是连续调节的，因而信号到达卫星的时序或时间是已知的，称为卫星时间。这样，汇接局发射机调节发射到卫星104的信号S_fu的时序，使该信号以预定时间与卫星同步而与汇接局和卫星间间的距离无关。

预校时序的一个结果是，减少了传播延迟变化造成的用户终端的时序不确定性。由于正向链路信号中上行链路部分的时序是已知的，所以传播延迟造成的唯一不确定性出现在正向链路的下行链路部分。这样，通过预校时序，正向链路信号中的时序不确定性可减小近一半。

对卫星104发射到汇接局112的信号S_rd，作类似的频率与时序后校调节。但由于不知道卫星104与UT108之间的距离，系统无法预校信号S_fd或S_rd。

CDMA系统中对信号的时序进行预校与后校，使得PN扩展码序列中的每个码到达任何特定卫星或汇接局的时间与到达其它卫星或汇接局的时间相同，而与汇接局和卫星间的距离无关。换言之，卫星正向链路信号的上行链路部分和汇接局逆向链路信号的下行链路部分并不呈现任何编码多普勒效应。因此，最好对多普勒与时间预校信号S_fu，从而尽管信号已从汇接局112瞬间发射，但是卫星104仍可看得见由其接收的信号。这样，把卫星104接收信号S_fu的时间定为时刻t₀。

在1996年9月30日S.Kremm提出的题为“Time and Frequency CorrectionFor Non-Geostationary Satellite Communications System”的美国专利申请08/723,490中，详细描述了信号的预校与后校。

如上所述，在时刻t_-1，汇接局112在卫星通信系统的寻呼信道上发射消息，作为载波调制信号S_fu。该消息至少含有汇接局112作预校调节的消息传输时间。卫星104在时刻t₀发送载波调制信号S_fd，UT108在时刻t₁接收该信号S_fd。UT108一收到信号S_fd，就立即发射作为信号S_ru的载波调制应答消息。该应答消息含有汇接局112要用来确定往复延迟的信息。应签消息所含的一段主要信息是UT108所感觉的信号S_fd的接收时间。然而，汇接局112是不能直接应用该时间信息的。按照基于UT108中本机振荡器提供的信号的本地用户终端时间，测量UT108处接收信号S_fd的时间。问题在于UT108中的本机振荡器原来就是不稳定或可变的。即，为了降低成本和使电路简化，UT振荡器趋于较为廉价，但这样就会出现漂移或其它变化，使它们不准确，在输出信号中产生误差，而任何时间测量都要以此类信号为基础。UT108中的晶体振荡器的频率误差可能达10ppm数量级，这样会在时间测量中引入明显的误差。

UT108在信号S_ru上发射的应答消息，在时刻t₂由卫星104接收，在时刻t₃由汇接局112接收，作为信号S_rd。应答消息包含有关UT108接收汇接局112发送的发射消息的时间的信息，而该时间被UT108感觉得到。在时刻t₄测量信号S_rd所包含的信息之前，汇接局112等待一段时间后再开始接收信号S_rd。在消息开始后，只要可能，尽量等候，这样可保证更精确的测量，因为等候时间越长，时间跟踪电路就锁得越可靠。

等待开始测量信号S_rd中消息时序的时间过长也有问题。UT108中以在其感觉到的时间的那一刻开始进行发射。然而，UT108必须构建其消息，并在消息中放入它接收到信号S_fd中的消息的时间与开始发射对信号S_rd的应答消息的时间。放入应答消息里的是UT108在信号S_fd上接收到其消息的时间T_RX，这等于UT108在信号S_ru上发射其消息的时间T_TX。

UT108产生的应答消息信号有一定特征。一个特征是以一定速率对数据进行时钟控制(clock out)。另一特征是将信息信号调制到一载频上。两特征均由UT108中同样证明有固有误差的晶体振荡器造成。如果汇接局112能测出UT108产生的信号频率且能确定该频率应当是多少，而且通过测量汇接局112知道实际的频率，则汇接局112就能根据频率测量差值来确定UT108本机振荡器的特性。现在，知道了有关UT108本机振荡器的信息，而该信息是用来对在信号S_ru与S_rd上发射的数据进行时钟控制的，汇接局112就利用该信息确定UT108所发射的消息的实际长度。于是，汇接局112能根据该信息更好地估计UT108发射的消息的实际开头。

本发明的一个特点是认识到汇接局112可以利用它对接收自UT108的信号所作的频率测量，并将测得的频率与理论上的载频相比较，以确定UT108开始发射其消息的最佳估计实际时间。然而，这种测量本身并不提供对UT108作准确定位所必需的信息。单单测量UT108发射信号的频率还未计及卫星104在其轨道上运行而造成的多普勒效应。该多普勒效应使接收信号的频率不同于发射信号的频率。再者，信号S_fd、S_ru与S_rd都受到多普勒的影响。多普勒效应本身也是变化的。这样产生的二次效应可以计入本发明的算法或方法步骤，或可以略而不计。

本发明的方法与系统执行一组定位所需的测量。本发明补偿了UT108内部时钟的定位时误差，以便确定UT108与卫星104之间在某一瞬间的距离。由此可对UT108进行定位。汇接局112在时刻t₄开始测量接收自UT108的信号。然后由汇接局112测量接收自UT108的消息的长度，再从测量时间里减去该消息长度，以确定接收消息的开始时间。这种测量提供了接收信号准确的开始/接收时间t₃。根据这一信息，可以算出卫星104与UT108之间的距离。

要作的另一种测量是汇接局112接收的信号的载频。对多普勒作校正，可确定UT108的发射频率。

总之，以下信息或是已知的，或是能算出或者估计出来的：

1.可以测量汇接局112接收信号S_rd的频率。

2.知道十分近似的汇接局112与卫星104之间的距离。

3.已知从汇接局112到卫星104的信号S_fd的频率。

4.已知汇接局112与卫星104间的多普勒效应。

5.由上述已知或测得的信息可算出信号S_ru在卫星104处的频率。

6.能合理地估计信号S_td自卫星104至UT108的多普勒效应。

根据上述的已知、可测量或合理估计的信息，可以作回校而估计UT108的发射频率。

卫星104有一转换器，可将正向上行链路频率转换成正向下行链路频率，并把逆向上行链路频率转换成逆向下行链路频率。尽管这些频率在本示例系统中假定是不同的，但是它们在有些通信系统设计中可能相同，以便简化传递过程，但该过程仍受多普勒效应的影响。卫星中，该转换器不仅转换标称频率，还转换多普勒频率。因而转换的实际频率是标称频率加多普勒频率(f_n+f_d)。

本发明主要工作于这样的环境，其中，卫星仅起到配有频率转换器的“弯管”作用。试图应用于本发明的卫星并无内置成完成校正普勒效应等任务的智能。另外，卫星板难以在逆向上行链路频率与正向下行链路频率上校正多普勒效应。这是因为卫星不知道用户终端的位置。再者，卫星与多个用户终端同时收发信号。即使知道了用户终端的地点，卫星也无法对往返于多个用户终端之间的每一同时发送作多普勒频率校正。相关领域的技术人员应当明白，在具有对上下行链路信号之一或二者作多普勒校正的智能卫星系统中，在相关算法中作适当修正是需要应用本发明技术的。

图2是正向下行链路与逆向上行链路信号的时序图。图中，点t_a代表正向下行链路信号的定时点，由UT108选择该正向下行链路信号，作为UT108开始发送要由汇接局112用来确定往返信号延迟的标志。时标t_a由汇接局112产生，且汇接局112知道其在信号S_fu与S_fd内的时间位置。卫星104发射标志t_a作为信号S_fd的一部分，在延迟D₁后被UT108接收。延迟D₁是卫星104与UT108之间距离的函数。UT108收到标志t_a后，立即经历内置的小延迟D_r(不大于约200微秒数量级)，以避免来自不同UT的诸信号间发生的冲突，UT108在其逆向上行链路信道上开始发射应答信号。

尽管可以使用各种访问信号，但是UT108发射的访问信号的最佳结构包括三部分：初前置部分(块A)、主前置部分(块B)和数据块(块C)。因此，每个访问消息被分成前置地址部分(图2中的块A与B)和数据部分(图2中的数据块C)。各消息前置部分的发射比数据部分的发射超前一段预定时间，从而使汇接局能够调节其跟踪电路，并在数据部分到来之前与接收的信号同步。1998年6月16日提交的题为“Rapid Signal Acquisition And Synchronization ForAccess Transmissions”的美国专利申请09/098,631中，更详细讨论了这类信号的应用。

信号S_ru在时刻t_m被卫星104接收。这就是卫星104接收前置部分(块A与B)结束的点。延迟时间段D₂等于在t_m时的卫星路径延迟，即由于UT108与卫星104间的距离产生的传输时间延迟。包括前置块A与B以及数据块C的信号实际上是在汇接局112处接收的。然而，由于汇接局112在任时刻都知道卫星104的准确位置，因而汇接局电路可对逆向下行链路信号S_rd作后校正，以确定卫星104处接收的信号S_ru的前置块A与B何时结束。数据块C包含有关时标t_a的信息。汇接局112还知道块A与B的长度，但不知道间隙D₁或D₂的长度或UT108发射的信号的频率。

此外，汇接局112必须考虑到多普勒频率。可以这样假设，即，在自UT108至卫星104的传送过程中，多普勒频率无明显变化。

根据本发明，汇接局112在寻呼信道上发射信号。该信号经传播延迟D₁后被UT108接收。信号在汇接局112与UT108之间经过的距离称为正向距离。

UT在过了预定保护周期D_r’后发射访问消息的前置部分，以避免访问信号的冲突。汇接局112在传播延迟D₂后接收该前置部分。UT 108和卫星104之间前置部分所经过的距离称为逆向距离。

当UT108收到汇接局发射的信号时，便测量发射的汇接局信号的第一频率，并在访问消息的数据部分里将测量值转发回汇接局112。或者，为了减低复杂程度并简化处理过程，UT测量接收信号与内部振荡器频率的相对偏差，并将测得的偏差作为数据提供给汇接局。汇接局112从数据部分中测量第二频率。

一个目的是求出D_meas，它是在时刻t_b与t_m之间测量延迟，t_b是预计接收到前置部分的结束时间，而t_m是在卫星104处实际收到前置部分的结束时间。

本发明可分成四类独立而相关的方法。方法1精度较高，要求在UT与汇接局处进行频率测量，在对应于汇接局处的访问时隙开始的瞬间得出卫星到UT的距离。方法2是方法1的低精度近似。方法2只要求在汇接局处作频率测量。方法3要求较高的精度，要求在UT与汇接局处作频率测量，在汇接局处接收到前置部分结束的瞬间(t_m)得出卫星到UT的距离。方法4是方法3的低精度型式，要求只在UT处作频率测量。下面参照如下标引详细讨论这些方法。

t_a＝在卫星104处(如汇接局112处，作为预校结果)的寻呼信道上开始访问探测。

t_b＝t_a+D_ba

t_m＝在卫星104处(和汇接局112处，作为后校结果)的测量。

D_ba＝信号S_ru前置部分的预定持续时间(如访问探测的前置块A与B的标称长度)。

D_ba’＝产生时间UT时钟误差而带有误差的信号S_ru前置预定持续时间。

D_r＝UT108收到信号S_fd与信号S_ru发射开始之间的随机延迟(防止冲突)。

D_r’＝UT108因时钟误差实际产生的随机延迟。

D₁＝t_a时卫星-UT路径延迟。

D₂＝t_m时UT-卫星路径延迟(卫星—汇接局延迟为已知且经预校)。

f_F＝卫星发送到UT的标称载频(称为“正向频率”)。

f_R＝UT发送到卫星的标称载频(称为“逆向频率”)。

f_offset＝UT在频率f_F时的频移。

f_D＝频率f_F的多普勒频移。

f_D/f_O＝归一化多普勒频率。

D_meas＝在前置部分期望结束与前置部分实际接收结束之间测得的延迟。

R₁＝R_sat-UT(t_a)，(t_a)是在汇接局112处适当限定的时间瞬间。

R₂＝R_sat-UT(t_m)，(t_m)是汇接局112识别接收的前置部分结束的时间，也是在汇接局112处适当限定的时间瞬间。$$ >>>>R>·>>1>>=>>>R>·>>2>>=>>>R>·>>3>>>$$(假定临近速度不变)。

c＝光速

方法1

现在参照图2，在时刻t_a，卫星104在寻呼信道上发射信号S_td，在延迟周期D₁后，UT108接收信号S_fd。D₁也称为卫星—电话路径延迟，由下式给出：$$ >>>D>1>>=>>>R>1>>c>>>$$

式中，R₁＝卫星104与UT108在发射信号S_fd时的距离或范围。

UT108测量接收信号S_fd的频率，该测量是因两个因素造成的与实际发射频率的偏差：UT内部时钟的本机振荡器误差；以及卫星104与UT108相对运动造成的多普勒效应。UT108感觉到的信号S_fd的测量频率值被编码成信号S_ru的数据部分，并发射回汇接局112。为避免信号冲突，信号S_ru以准确的瞬间发射，即如上所述，在UT108的天线处接收的时标t_a加上短延迟D_r的时刻。

在时刻t_m，汇接局接收信号S_ru，它包括访问消息的前置部分与数据部分。根据包含在信号S_ru里的该信息，汇接局112能确定前置部分预计到达汇接局112结束的时间(时刻t_d)，并且由此汇接局112可确定往返延迟(RTD)。

注意，在t_a与t_b间的时段内，由于卫星104沿轨道运行，而UT108也在运行，所以卫星104与UT108都在改变其位置。结果，卫星104与UT108的距离由R₁变为R₂。

在时刻t_m，卫星104接收前置部分的结束部分。UT-卫星路径延迟为D₂，它由关系式D₂＝R₂/c得出。在时刻t_m，卫星104还从信号S_ru测量(f_D+f_offset)。

如前面所述，本发明提供了一种方法，用于在卫星104与UT108运动所建立的动态环境中确定访问信道信号的往返延迟。卫星104与UT108的这种运动在信号S_fd与S_ru中引入了多普勒频率f_D，它由下式给出：$$ >>>f>D>>=>>R>·>>>>f>F>>c>>>$$或$$ >>>R>·>>=>->>f>D>>>c>>f>F>>>>$$

式中，f_F是卫星104的振荡器频率，c为光速。

为简化分析，假设R₁与R₂的变化率不变，即这意味着多普勒频率f_D也不变。那么，由图2可得出：$$ >>>R>2>>=>>R>1>>+>>R>·>>>(>>t>m>>->>t>a>>)>>->->->->>(>1>)>>>$$

接着，将(t_m-t_a)＝(D_ba’+D_r’+D₁+D₂)代入公式(1)，得到$$ >>>R>2>>=>>R>1>>+>>R>·>>>(>>>D>\prime >>ba>>+>>>D>\prime >>r>>+>>D>1>>+>>D>2>>)>>->->->->>(>2>)>>>$$

再把-cf_D/f_F代入公式(2)，得到$$ >>>R>2>>=>>R>1>>->c>>>f>D>>>f>F>>>>(>>>D>\prime >>ba>>+>>>D>\prime >>r>>+>>D>1>>+>>D>2>>)>>->->->->>(>3>)>>>$$$$ >>>D>meas>>=>>D>1>>+>>>D>\prime >>ba>>+>>>D>\prime >>r>>+>>D>2>>->>D>ba>>->->->->>(>4>)>>>$$

接着将D_ba’＝D_ba(1-f_offset/f_F)与D_r’＝(t-f_offset/f_F)代入公式(4)，得到$$ >>>D>meas>>=>>>R>1>>c>>+>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>+>>>R>1>>c>>->>>f>D>>>f>F>>>[>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>+>>>R>1>>c>>+>>>R>2>>c>>]>->>D>ba>>->->->->>(>5>)>>>$$或$$ >>>D>meas>>=>>>R>1>>c>>+>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>->>D>ba>>+>>>R>1>>c>>->>>f>D>>>f>F>>>>$$$$ >>[>>(>>D>ba>>->>D>r>>)>>>(>1>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>+>>>R>1>>c>>+>>>R>1>>c>>->>>f>D>>>f>F>>>[>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>+>>>R>1>>c>>+>>>R>2>>c>>]>]>->->->->>(>6>)>>>$$$$ >>>D>meas>>=>2>>>R>1>>c>>>(>1>->>>f>D>>>f>F>>>)>>+>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>>(>1>->>>f>D>>>f>F>>>)>>->>D>ba>>->->->->>(>7>)>>>$$$$ >>+>>>(>>>f>D>>>f>F>>>)>>2>>[>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>+>>>R>1>>c>>+>>>R>2>>c>>]>>$$

为进一步简化公式(7)，可作以下近似。由于本机振荡器误差频率f_offset与多普勒频率f_D都很小，可以忽略掉乘上f_offset/f_o²或乘上f_o²/f_o的各项，结果得到$$ >>>D>meas>>=>2>>>R>1>>c>>>(>1>->>>f>D>>>f>F>>>)>>+>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>>f>D>>+>>f>offset>>>>f>F>>>)>>->->->->>(>8>)>>>$$

接着整理公式(8)，得到$$ >>>R>1>>=>>c>>2>>(>1>->>>f>D>>>f>F>>>)>>>>[>>D>meas>>->>D>r>>+>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>>f>D>>+>>f>offset>>>>f>F>>>)>>]>->->->->>(>9>)>>>$$

注意，在代表方法1的公式(9)中，R₁作为f_D、f_offset、f_F、D_meas、D_r与D_ba的函数而给出的。除了在汇接局112和UT108测得的f_D与f_offset以外，其它诸项均为已知。具体而言，方法1要求的是(f_D+f_offset)和f_O。由于(f_D+f_offset)是在汇接局112处测量的，故很容易在汇接局112处得到。然而，f_D本身却不易在汇接局112处得到。为得到f_D，UT108必须测量(f_D-f_offset)并向汇接局112报告测量值。于是，根据(f_D+f_offset)与(f_D-f_offset)可确定f_D。

方法1的主要优点是对R₁提供了精确的结果。然而，由于方法1要求有f_D和(f_D+f_offset)二者，要求在汇接局112与UT108两处作测量。

通过在两物体都具有固定位置时试验公式(9)能否提供正确的公式，便可验证它的耐用性(robustness)。当卫星104和UT108有固定位置时，f_D与f_offset均为零。在此情况下，公式(9)简化成下式；$$ >>>R>1>>=>c>>>>D>meas>>->>D>r>>>2>>->->->->>(>10>)>>>$$

这样，当两个物体均有固定位置时，等式(10)提供了正确的公式。但实际上，公式(10)只用来验证得出公式(9)所作的各种假设，这是因为卫星104与UT108并没有固定的位置。

方法2

由于最大归一化多普勒频移(近20ppm)比归一化偏移频率大得多，所以在方法1中要用(f_D+f_offset)/f_F近似f_D/f_F，而得到：$$ >>>R>1>>=>>c>>2>>(>1>->>>>f>D>>+>>f>offset>>>>f>F>>>)>>>>[>>D>meas>>->>D>r>>+>>(>>D>ba>>+>>D>r>>)>>>(>1>->>>>f>D>>+>>f>offset>>>>f>F>>>)>>]>->->->->>(>11>)>>>$$

注意，由公式(11)给出的方法2只要求在汇接局112处作一次测量，因而方法2无需在UT108另作测量。然而，方法2的精度比方法1低，在最坏情况中，方法2的归一化误差为f_offset/f_F。

方法3

如前面所述，方法3用于解R₂。方法3与方法1的差异在于将R₁表示为R₂的函数。根据公式(1)，有：$$ >>>R>1>>=>>R>2>>->>R>·>>>(>>t>m>>->>t>a>>)>>=>>R>2>>->>R>·>>>(>>>D>\prime >>ba>>+>>D>r>>+>>D>1>>+>>D>2>>)>>->->->->>(>12>)>>>$$

下述分析类似于方法1中进行的分析，得到：$$ >>>R>1>>=>>c>>2>>(>1>+>>>f>D>>>f>F>>>)>>>>[>>D>meas>>->>D>r>>->>(>>D>ba>>->>D>r>>>>>f>D>>->>f>offset>>>>f>F>>>>]>->->->->>(>13>)>>>$$

注意，公式(13)要求(f_D-f_offset)和f_D二者。由于(f_D-f_offset)是在UT处测量的，故容易在UT得到。然而，只有除了在UT处测量以外，还要汇接局作自身的测量才可得到f_D。方法3的主要优点是可对R₂提供准确的结果。然而，方法3要求在汇接局与UT二处作测量。

方法3的耐用性也可通过假设卫星104与UT108都有固定位置来验证。当假设卫星104与UT108有固定位置时，可得到：$$ >>>R>2>>=>c>>>>D>meas>>->>D>r>>>2>>->->->->>(>14>)>>>$$

方法4

由于最大归一化多普勒频移(近20ppm)比归一化偏移频率大得多，我们可在方法3中用(f_D-f_offset)/f_F近似f_D/f_F，得到：$$ >>>R>2>>\approx >>c>>2>>(>1>+>>>>f>D>>->>f>offset>>>>f>F>>>)>>>>[>>D>meas>>->>D>r>>->>(>>D>ba>>->>D>r>>>>>f>D>>+>>f>offset>>>>f>f>>>>]>->->->->>(>15>)>>>$$注意，方法4只要求在UT处作一次测量，因而无需在汇接局处另作测量。在汇接局112处得到的测量频率如下：1〕UT报告的测量值2〕$$ >>>f>>meas>,>UT>>>=>>f>F>>>(>->>>R>·>>c>>->>>f>offset>>>f>f>>>)>>->->->->>(>16>)>>>$$式中，f_F＝正向链路载频(2500MHz)。3〕GW本身处进行的测量4〕$$ >>>f>>meas>.>GW>>>=>>f>R>>>(>->>>R>·>>c>>+>>>f>offset>>>f>F>>>)>>->->->->>(>17>)>>>$$式中，f_R＝反向链路载频(1600MHz)。将公式(16)与(17)相加和相减，得出UT偏差与临近速度：$$ >>>R>·>>=>->>c>2>>>(>>>f>>meas>,>GW>>>>f>R>>>+>>>f>>meas>,>UT>>>>f>F>>>)>>->->->->>(>18>)>>>$$$$ >>>>f>offset>>>f>F>>>=>>1>2>>>(>>>f>>meas>,>GW>>>>f>R>>>->>>f>>meas>,>UT>>>>f>F>>>)>>->->->->>(>19>)>>>$$正向频率下的多普勒频移与偏差频率为：$$ >>>f>D>>@>>f>F>>=>->>R>c>>>f>F>>=>>1>2>>>(>>>f>F>>>f>R>>>>f>>meas>,>GW>>>+>>f>>meas>,>UT>>>)>>->->->->>(>20>)>>>$$$$ >>>f>offset>>@>>f>F>>=>->>R>c>>>f>F>>=>>1>2>>>(>>>f>F>>>f>R>>>>f>>meas>,>GW>>>->>f>>meas>,>UT>>>)>>->->->->>(>21>)>>>$$GW与UT测量的时差计算如下：$$ >>>>R>·>>1>>\ne >>>R>·>>2>>>$$$$ >>>f>>meas>,>UT>>>=>>f>F>>>(>->>>>R>·>>1>>c>>->>>f>offset>>>f>F>>>)>>->->->->>(>22>)>>>$$$$ >>>f>>meas>,>GW>>>=>>f>R>>>(>->>>>R>·>>2>>c>>+>>>f>offset>>>f>F>>>)>>->->->->>(>23>)>>>$$$$ >>>>f>->>D>>@>>f>F>>=>->>>>>R>·>>1>>+>>>R>·>>2>>>>2>c>>>>f>F>>=>>1>2>>>(>>>f>F>>>f>R>>>>f>>meas>,>GW>>>+>>f>>meas>,>UT>>>)>>->->->->>(>24>)>>>$$$$ >>>f>offset>>@>>f>F>>=>>1>2>>>(>>>f>F>>>f>R>>>>f>>meas>,>GW>>>->>f>>meas>,>UT>>>)>>+>>>f>F>>>2>c>>>>(>>R>2>>->>>R>·>>1>>)>>->->->->>(>25>)>>>$$$$ >>\approx >>1>2>>>(>>>f>F>>>f>R>>>>f>>meas>,>GW>>>->>f>>meas>,>UT>>>)>>>$$

图3是方法1与3的流程图。现参照图3，在步骤404中，汇接局112在时刻t_a发射信号S_fd。接着步骤408，UT108在传播延迟D₁后接收信号S_fd。在步骤412，UT108根据信号S_fd测量(f_D，f_offset)，并将测量值报告给汇接局。在步骤416，UT108在延迟D’_r后发射信号S_ru。在步骤420，汇接局112在传播延迟D₂后接收信号S_ru。在步骤424，汇接局112由信号S_ru测量(f_D+f_ottset)。最后在步骤428，汇接局112根据测量值确定R₁与R₂。

图4是方法2有关步骤的流程图，图5是方法4有关步骤的流程图。因方法2与4中的步骤同方法1与3中的步骤极其相似，故不再单独描述了。

本发明还考虑在UT处确定距离R₁与R₂及UT 108的位置。在本发明的另一实施例中，UT108由D_ba测量(f_D-f_offset)。汇接局112从D’_ba测量(f_D-f_offset)并将测量值报告给UT108。利用这两个测量值，UT108确定R₁与R₂。最后，UT108用前述方法确定其自己的位置。

总而言之，本发明提出四种不同的确定R₁或R₂的方法。方法1与2可求出R₁，方法1可高精度地求出R₁，但要作两次频率测量。方法2只要作一次频率测量，但精度低于方法1。方法3与4可求解R₂，方法3可高精度地求出R₂，但也要作两次频率测量。方法4只要作一次频率测量，但精度低于方法3。

本发明还提供了一种确定卫星与UT之间临近速度的方法(公式8)。信息RTD与临近速度是以用来确定UT在地球表面上的位置的。

虽然以上描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，这仅是示例，不作为本发明的限制。因此，本发明的范围不受上述诸示例实施例的限制，仅由下述权利要求书来限定。