ES2214505T3 - Metodo de adquisicion rapida de una señal en un sistema de comunicaciones via satelite. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION PERMITE A UNA RADIO ADQUIRIR RAPIDAMENTE UNA SEÑAL DE REFERENCIA DESDE UN SATELITE DESPUES DE QUE LA RADIO HA ESTADO FUERA DE CONTACTO CON EL SATELITE DURANTE UN PERIODO DE TIEMPO. LA RADIO PRIMERO ADQUIERE UNA SEÑAL DE REFERENCIA DEL SATELITE Y DETERMINA SU POSICION EN RELACION CON LA TIERRA. SI LA RADIO ESTA AHORA DESCONECTADA O PIERDE LA TRAYECTORIA DE LA SEÑAL DE REFERENCIA POR ALGUNA RAZON, LA RADIO LLEVA UN CONTROL DEL PERIODO DEL TIEMPO QUE HA ESTADO FUERA DE CONTACTO CON EL SATELITE. ESTE PERIODO DE TIEMPO PERMITE A LA RADIO ESTIMAR LA AMPLITUD DE LOS POSIBLES CAMBIOS Y , POR LO TANTO, QUE SATELITES PODRIAN ESTAR A LA VISTA Y SUS POSICIONES RELATIVAS A LA RADIO. ESTO PERMITE QUE LA RADIO PUEDA REALIZAR SUPUESTOS SOBRE VARIABLES DE MANERA QUE EL DESPLAZAMEINTO DOPPLER DE LA SEÑAL QUE REDUCE LA INHERENTE INCERTIDUMBRE EN EL PROCESO DE ADQUISICION Y EL TAMAÑO DE LA VENTANA QUE DEBE SER EXPLORADA.

Description

Método de adquisición rápida de una señal en un sistema de comunicaciones vía satélite.

Fondo de la invención I.) Campo de la invención

La presente invención se refiere a comunicaciones vía satélite. Más en particular, la presente invención se refiere a la adquisición de señales de satélites.

II.) Descripción del estado de la técnica

Cuando se enciende un radioteléfono en un entorno celular de radiotelefonía por satélite, este habitualmente tiene que buscar y adquirir la señal de conexión de avance transmitida por una estación base. La señal piloto es usada por el radioteléfono para obtener una sincronización inicial del sistema y proveer un seguimiento sólido en cuanto a tiempo, frecuencia y fase de las señales que provienen de la estación de base. En un sistema de radioteléfono CDMA, el radioteléfono no puede transmitir hasta que se adquiere la señal piloto. Esta señal por tanto debe adquirirse a la mayor rapidez una vez encendido el teléfono ya que un usuario por regla general no quiere tener que esperar para hacer una llamada tras haber encendido el radioteléfono.

En un sistema celular CDMA basado en tierra, la adquisición de la señal piloto típicamente dura solamente unos cuantos segundos. Esto es mayormente debido a la conocida proximidad de los sitios celulares al radioteléfono y el hecho de que la célula es estacionaria. La señal piloto por tanto tiene un retardo relativamente corto para alcanzar el radioteléfono y el desfase Doppler de la frecuencia de la señal piloto es ligero.

La adquisición de una señal piloto en un sistema de comunicaciones basado en satélites puede no obstante llevar un tiempo mucho mas significante ya que existe una incertidumbre de frecuencia mucho mas amplia a la hora de buscar. La incertidumbre de frecuencia puede ser debida al rango del desfase Doppler posible causado por el rápido desplazamiento de los satélites en baja órbita (LEO). Otras fuentes de incertidumbre, como el posible retardo mayor del viaje de ida y vuelta de la señal a través del satélite pueden magnificar el problema de adquisición. Como resultado de esto, existe por tanto una necesidad de un método para adquirir rápidamente una señal transmitida desde un sistema de comunicaciones vía satélite.

La EP-A-0 447 978 describe un receptor GPS que comprende un detector de estado de un alimentador de energía para detectar el estado de alimentación de energía de un receptor GPS, un reloj para medir el tiempo, un controlador de memoria para controlar una memoria no volátil tras recibir una señal de apagado para almacenar un tiempo medido por el reloj cuando se apaga el aparato o un tiempo cuando se obtiene el último dato de efeméride y el último dato de efeméride y una circuiteria de cálculo de posición para calcular la posición de la estación del usuario tras recibir la señal de encendido. Se calcula una duración de tiempo a partir del tiempo medido por el reloj y el tiempo almacenado en la memoria no volátil. Si se determina que la duración del tiempo medido es menor que un periodo de tiempo predeterminado, el posicionamiento se lleva a cabo basándose en los respectivos datos de efeméride almacenados en la memoria no volátil, en donde si se determina que la duración del tiempo medido es igual o mayor que el período predeterminado de tiempo, la posición se realiza basada en datos de efeméride recién recogidos del satélite GPS respectivo.

EP-A- 0 429 783 describe un método para captar de nuevo un satélite en su ángulo de elevación más elevado lo mas rápidamente posible con un receptor GPS que posee varios canales receptores cuando el estado de una señal de recepción del satélite vuelve a su estado normal tras haber sido interrumpida por obstáculos como por ejemplo un túnel, en donde un rango de búsqueda de la frecuencia de recepción de la señal del satélite es dividida en una serie de bandas de frecuencia, cada una de las cuales es asignada a una serie de canales de recepción en una relación de uno a uno. Una frecuencia de búsqueda de cada canal de recepción es cambiada paso a paso para buscar una señal de satélite simultáneamente en los canales receptores, y además, proveyendo una diferencia de tiempo para un progresión escalonada de inversión de la frecuencia de búsqueda entre canales receptores.

La EP-A- 0 429 769 describe un método de localización de señal de satélite GPS para receptores GPS. Cuando se pierde la recepción de señales de satélite, se buscan las señales en primer lugar de acuerdo con un modo de búsqueda de banda estrecha, y en segundo lugar, conmutando el modo de búsqueda desde búsqueda en banda estrecha a búsqueda en banda ancha si se falla en la re-captación de las señales de satélite mediante búsqueda de banda estrecha dentro de una duración predeterminada.

Memoria de la invención

El procedimiento de las realizaciones en la presente invención permite que una radio móvil adquiera rápidamente una señal de uno o varios satélites que forman parte de una constelación de satélites. La radio posee un reloj de tiempo real y una memoria que contiene las efemérides de cada uno de los satélites. El procedimiento comienza determinando primero la radio su posición espacial respecto a la tierra. También se anota el instante en el que se determinó esta posición. Ambas, tanto la posición como el tiempo son almacenadas para su futuro uso. Si la radio se apaga y se vuelve a encender o se pierde la señal por cualquier otra razón, se determina un segundo instante por el reloj de tiempo real. La radio entonces busca la señal en respuesta a la diferencia entre el primero y el segundo de los instantes. El saber la posición del usuario permite hacer cálculos que simplifiquen la adquisición. Saber el tiempo transcurrido desde la última fijación de posición permite variar los grados de confianza en estos cálculos. Cuanto menor sea la diferencia, menor será la frecuencia o ventana de incertidumbre de tiempo a buscar, reduciendo con ello el tiempo de adquisición.

Por ello, de acuerdo con la presente invención, se provee un método para que una radio adquiera una señal de comunicación tal como explicado en la reivindicación 1.

Breve descripción de los dibujos

Fig. 1 muestra un sistema de comunicaciones vía satélite

Fig. 2 muestra un diagrama de bloques de una radio típica

Fig. 3 muestra la banda de frecuencias que busca el procedimiento

Fig. 4 muestra un diagrama de flujo del procedimiento

Descripción detallada de una realización preferente

Se ilustra en fig. 1 un sistema típico de comunicaciones vía satélite. En la realización preferente, este sistema de comunicaciones se constituye de 48 satélites (101) que actúan como repetidores de señales transmitidas hacia y desde radios móviles (102) localizadas en tierra o en un avión a cierta altitud sobre el suelo. El satélite devuelve la señal hacia una estación receptora en tierra (103) conectadas a una red de telefonía en modo público (PSTN). La PSTN conmuta la llamada a otra red celular o de línea por tierra.

En la realización preferente, las radios son radioteléfonos del tipo CDMA. La patente U.S.A. nº 4,901,307 a nombre de Gilhousen et al. y asignada a Qualcomm Inc. explica la operación de semejante radioteléfono de tipo CDMA. Algunas realizaciones preferentes usan radioteléfonos de acceso múltiple de división de tiempo (TDMA) o de acceso múltiple de división de frecuencia (FDMA).

El sistema de comunicaciones vía satélite de algunas realizaciones de este invento opera localizando la radio en primer lugar una señal piloto portadora transmitida por los satélites. En la realización preferente, esta señal piloto es una secuencia PN no modulada. No obstante las realizaciones preferentes tienen una señal piloto que comprende una secuencia de preámbulo, una secuencia de preámbulo mezclada con datos, una señal portadora de información suficientemente fuerte, u otros tipos de señales.

En la realización preferente la señal piloto es transmitida por cada satélite utilizando un código de seudo-ruido conocido (PN) posiblemente con distintos generadores de código de espectro ensanchado o de fase, permitiendo así que la radio pueda distinguir entre los distintos satélites. Ya que los satélites usan un código PN conocido y una fase conocida de código, el reloj de tiempo real interno se sincroniza con el tiempo del sistema realizando periódicamente una búsqueda por todos los generadores y por todas las fases del sistema. La señal mas fuerte encontrada por la radio se corresponde con la mejor señal de satélite.

El movimiento rápido del satélite por el cielo causa que la frecuencia de las señales piloto provenientes de varios satélites varíe debido al desfase Doppler. Si la radio busca el espectro de frecuencia en la señal piloto transmitida, la señal solamente se encontrará si el satélite esta directamente en la vertical encima. La radio, por tanto, debe de buscar una incertidumbre de tiempo para la fase de código PN y la incertidumbre de frecuencia para adquirir el satélite. El proceso de la realizaciones del presente invento reduce esta incertidumbre usando el conocimiento de la posición del satélite y la radio.

Una radio (200) típica se muestra en la fig. 2. La radio incorpora una memoria (201) que almacena las efemérides de cada satélite. En la realización preferente, esta memoria (201) es una memoria de acceso aleatorio no volátil (RAM). Esto permite que la radio (200) pueda actualizar los datos de efemérides cuando un satélite está fuera de servicio o cambia la órbita. Algunas realizaciones alternas utilizan una memoria programable de solo lectura en la cuál cada efemérides de satélite está almacenada permanentemente. Otras realizaciones utilizan RAM soportada por baterías.

La radio (200) también consiste en un reloj de tiempo real (205) que se discute mas adelante, un procesador (210) para controlar la radio, un vocoder (215) para codificar y/o descodificar la voz del usuario, un circuito de modulación / desmodulación (220), y la electrónica de radiofrecuencia que convierte las señales moduladas en frecuencias más altas para transmisión y las señales recibidas a frecuencias más bajas.

El procedimiento ilustrado en la fig. 4 comienza con la radio sincronizando su reloj de tiempo real con la hora de sistema del satélite (401), mantenido por los relojes internos de las estaciones en tierra. En la realización preferente, los satélites sencillamente reflejan las señales del reloj de la estación en tierra. Algunas realizaciones alternas usan un reloj en cada satélite que se sincroniza con los otros relojes en el sistema de satélites. Ya que la radio ahora sabe la hora y la efemérides de cada satélite, sabe la ubicación de cada satélite respecto a la tierra.

La radio debe de determinar no obstante su posición en relación con la tierra de cara saber su propia posición respecto a los satélites. La posición del radioteléfono es determinada (405) mediante la triangulación con distintos satélites o con un solo satélite en diferentes posiciones a lo largo del tiempo. Una vez que la radio sabe las posiciones de los satélites, este mide el tiempo requerido por una señal para llegar a y volver de cada satélite para determinar su posición respecto a la tierra. En una realización alternativa, es posible usar un sistema de posicionamiento alterno tal como el sistema de posicionamiento global (GPS) o una posición introducida por un usuario.

La posición espacial de la radio es almacenada en memoria. Si la radio se apaga el tiempo es almacenado en su presente posición espacial (410). Tras haber vuelto a encenderse la radio, se determina por el reloj de tiempo real (415) la hora de encendido. La diferencia entre el tiempo almacenado al apagarse y el momento de encenderse permite una estimación de la distancia recorrida por el usuario desde la posición previamente conocida.

Cuando la estimación de la posible nueva posición del radioteléfono es combinada con las posiciones conocidas del satélite, se puede determinar una lista de satélites posibles y similares a la vista conjuntamente con las posiciones relativas posibles y similares de cada uno. La radio entonces determina el desplazamiento Doppler y la secuencia PN que se experimenta de una señal que es transmitida a través de cada satélite. El desplazamiento Doppler da la nueva secuencia a encontrar y el período de tiempo que la radio ha estado apagada determina la anchura de la ventana de búsqueda (420) sobre esta frecuencia.

Si la radio solamente hubiese estado apagada un corto tiempo, esta no podría haber viajado muy lejos. En este caso, la ventana de búsqueda será relativamente pequeña. En la presente realización la ventana de búsqueda comienza a 5kHz para tiempos de aproximadamente una hora. Si la radio ha estado apagada por período de tiempo mas largo, como por ejemplo mas de 24 horas, aún existe una posibilidad de que la radio no se haya movido de su posición previa de encendido. El usuario puede haber apagado la radio y haberse levantado de su asiento. La ventana de búsqueda, en este caso es también relativamente pequeña. En la realización preferente esta ventana es de 5 kHz.

En tanto que aumenta el tiempo de apagado de la radio, la ventana de búsqueda se incrementa. Esto cierto hasta el punto de las 24 horas de la realización arriba discutida. En la realización preferente la ventana de búsqueda se incrementa en 5 kHz para cada hora cada vez que la radio es apagada.

Si el procedimiento no encuentra la frecuencia de la señal piloto del satélite con la ventana inicial de búsqueda, se ensancha la ventana y se realiza la búsqueda de nuevo. En la realización preferente la ventana es ensanchada en 10 kHZ. Este incremento y búsqueda se repite hasta que se encuentra la frecuencia de la señal o se toma la decisión de que la posición del usuario es un error o cualquier otro fallo esta ocurriendo con la capacidad de adquisición de la señal.

Se ilustra en fig. 3 un ejemplo de una búsqueda del espectro de frecuencias, mostrando en ella la frecuencia de la señal piloto como f . El desfase Doppler esperado se denomina con \Delta. La banda de frecuencias hacia la derecha de f es f + \Delta, mientras que la banda de frecuencias hacia la izquierda de f es f - \Delta. El lado -\Delta del espectro es debido a que es satélite se mueve alejándose de la radio, mientras que el lado +\Delta es debido a que el satélite se está acercando a esta.

Si la radio ha determinado que la frecuencia piloto se va a desfasar por +\Delta_{1} debido a la posición relativa del satélite, se busca en una ventana (301) alrededor de +\Delta_{1} para dar con la frecuencia de la señal piloto. Esta ventana aumenta a medida que aumenta el tiempo que la radio está apagada. Esto es debido a la inexactitud creciente de la determinación de frecuencia cuanto mas tiempo esté apagada la radio. Por ello si la radio ha estado apagada solamente por espacio de unos minutos, la ventana en la cual realizar la búsqueda solamente tendrá una anchura de 5 kHz en la realización preferente. Si la radio está apagada por un espacio de horas, la ventana aumenta. Algunas realizaciones alternas buscan en ventanas de frecuencia de diferentes tamaños.

El procedimiento también reduce incertidumbres producidas por mecanismos distintos al desplazamiento Doppler de la señal recibida. En otras realizaciones alternas, diferentes satélites usan diferentes frecuencias, códigos PN, y/o otras características que hacen diferencia. El conocimiento de la radio de la posición de los satélites respecto a la radio hace posible determinar que frecuencias y códigos PN están disponibles y deberían ser buscados para adquirir la señal.

El procedimiento de adquisición de la señal también permite que una radio busque una fase de código PN que ha sido afectada por un desplazamiento Doppler. De la misma manera que con la realización preferente arriba descrita, el proceso busca una ventana en la fase de código PN estimando los efectos Doppler sobre la fase de código PN para localizar un código PN particular.

Algunas realizaciones alternas del procedimiento buscan en ventanas de distintos tamaños dependiendo del tiempo del que la radio esté apagada. Algunas realizaciones alternas también continúan incrementando el tamaño de la ventana de búsqueda a otros tiempos máximos, así como 48 horas, antes de asumir que la radio no ha abandonado su posición previa y vuelven de nuevo a la ventana inicial pequeña.

Las realizaciones del procedimiento de la presente invención reducen enormemente el tiempo requerido por una radio para encontrar una señal en un sistema de comunicaciones basado en satélites. Estimando la posición de la radio antes de que la radio haya sido desconectada por un período de tiempo, puede estimarse el desplazamiento Doppler y por ello, la ventana de la banda de frecuencias y otras incertidumbres que tienen que ser buscadas son reducidas sustancialmente.

Claims (15)

1. Procedimiento de adquisición para una radio (200), de una señal de comunicación que tiene una frecuencia de señal portadora predeterminada que se transmite por al menos un satélite de telecomunicación (101) de una constelación de satélites, poseyendo la radio un reloj (205) y un efeméride de dicho al menos un satélite (101), comprendiendo en ello el procedimiento las etapas que consisten en

-

determinar una primera posición espacial para la radio (200) en un primer instante indicado por el reloj (205);

-

salvaguardar la primera posición espacial con un primer tiempo asociado;

-

determinar en un instante presente el intervalo de tiempo transcurrido tras el primer tiempo; y

-

buscar una banda de frecuencias para señal de comunicación;

caracterizado porque incluye la estimación de una segunda posición espacial en la cual dicha radio (200) podría desplazarse tras dicha primera posición espacial durante dicho intervalo de tiempo que ha transcurrido después de haberse determinado la primera posición espacial;

y porque dicha banda de frecuencias está determinada por la segunda posición espacial estimada, el instante presente y las coordenadas de efemérides, dentro de una longitud de banda de frecuencias basada en dicho intervalo de tiempo que ha transcurrido.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque en él cada satélite (101) de la constelación de satélites tiene un reloj de tiempo real, estando cada uno de estos relojes sincronizados con los relojes de otros satélites, comprendiendo dicho procedimiento además el hecho de hacer sincronizar el reloj de radio (205) con los relojes de los satélites.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque comprende además el hecho de utilizar un conjunto de señales predeterminado que provienen de uno o de varios satélites (101) para determinar la primera posición espacial.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en el dicha banda de frecuencias es elegida en función de un desplazamiento de frecuencia por efecto Doppler estimado por dicha frecuencia portadora predeterminada debido a la relación entre la segunda posición espacial estimada de la radio (200) y una posición espacial del satélite (101) en dicho instante presente.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en él dicha radio (200) comprende un teléfono utilizado en un sistema de comunicaciones inalámbrico.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque en él dicho sistema de comunicaciones comprende un sistema de comunicaciones CDMA.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en el dicha señal de comunicaciones es una señal de comunicaciones de espectro estalé al cual se ha aplicado un código de etalement PN predeterminado en el cual dicha búsqueda comprende el hecho de

buscar un espacio de fase de código PN predeterminado, estando dicho espacio determinado por la segunda posición espacial estimada, el instante presente y las coordenadas de efemérides, dentro de una longitud de banda de fase basada en dicho intervalo de tiempo que ha transcurrido.

8. Procedimiento según la reivindicación 1 o 7, caracterizado porque en él dicha longitud de banda aumenta de un valor mínimo predeterminado a un valor máximo a medida que dicho intervalo de tiempo transcurrido aumenta.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque en él dicha longitud de banda disminuye hasta dicho valor mínimo predeterminado una vez que ha transcurrido un intervalo de tiempo previamente elegido.

10. Procedimiento según la reivindicación 1 o 7, caracterizado porque en él dicha longitud de banda es proporcional a dicho intervalo de tiempo que ha transcurrido.

11. Procedimiento según la reivindicación 3 o 8, caracterizado porque en él dicha primera posición espacial es determinada utilizando una triangulación basada en el minutaje de las señales de satélite.

12. Procedimiento según la reivindicación 3 o 8, caracterizado porque en él dicha primera posición espacial se determina utilizando coordenadas de satélite de tipo GPS.

13. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque en él dicho espacio de fase de código a buscar se basa en un desfase por efecto Doppler estimado comunicado a dicho código de distribución PN predeterminado y debido a la relación entre la segunda posición espacial estimada de la radio (200) y una posición espacial para el satélite (101) en dicho presente instante.

14. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque en él dicho sistema de comunicaciones comprende un sistema de comunicaciones CDMA sin hilos.

15. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en él

dicha radio (200) es un radioteléfono de acceso múltiple de división de código;

dicha señal de comunicaciones es una señal piloto que posee una frecuencia, transmitiéndose dicha señal piloto por un primer satélite (101) de la constelación de satélites

comprendiendo en ello el radioteléfono una memoria (201) en la cuál se memoriza una efeméride de cada satélite (101) de la constelación de satélites, comunicándose cada satélite (101) con una cantidad de estaciones de base terrestres (103), teniendo cada estación de base terrestre (103) un reloj, transmitiendo una primera estación de base terrestre (103) una señal de reloj del reloj al primer satélite (101);

la segunda posición espacial está a una distancia creciente de la primera posición espacial a medida que ducho intervalo de tiempo que ha transcurrido aumenta hasta alcanzar una diferencia máxima predeterminada; y

se busca en dicha banda de frecuencias la señal piloto;

comprendiendo dicho procedimiento además el hecho de;

sincronizar el reloj del radioteléfono (205) con la señal de reloj.