JPH11154897A - ドップラーシフトによって使用者端末の位置を補償する衛星通信システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ドップラー周波数シフト測定を使用する間に
おける使用者端末の移動を補うこと。 【解決手段】 本発明は、地球１４の表面上の使用者端
末４４の位置を判断するための信号の特性を測定する測
定動作を実行するために、地球１４の表面上の使用者端
末４４が衛星１０を介して地球局と信号を交換するよう
に動作する衛星通信システムにおいて、測定動作は衛星
１０と使用者端末４４との間のドップラー周波数シフト
の測定を備え、地球１０の表面上の使用者端末４４の評
価され改善された位置を確定するために、ドップラー周
波数シフトの測定は衛星１０と使用者端末４４との間の
方向を横切る使用者端末速度の成分を評価するために使
用されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衛星通信システム
に関する。本発明は、特に、地球に配置された使用者端
末が衛星と通信する衛星通信システムに関する。この衛
星は、同様に、地球局と通信し、かつ、地球局は、衛星
と通信する。最も詳細には、本発明は、地球の表面上の
使用者端末の位置が地球局に知られることの要求が存在
するそのようなシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】衛星
通信では、地球局によって電話呼を確立するためにまた
は電話呼を受信するために、おそらく無線電話送受器の
形式の（セルラー無線電話送受器に似ていないわけでは
ない）使用者端末が、衛星を介して、地球局と通信する
ことが知られている。この地球局は、地上のワイヤおよ
びケーブルシステムに結合しているか、または、他の無
線電話システムに結合している。

【０００３】地球の表面上の使用者端末の正確な位置を
確定することに関する２つの目的が存在する。第１に、
要求された場合に、特定の衛星から、特定の時刻に、無
線信号を（使用者端末へ、または、使用者端末から）送
信する方法を知るために、使用者端末のおよその位置を
知ることは必要である。それによって、使用者端末が位
置する地球の表面上の位置をカバーするために、適切な
衛星からの適切なビームが選択されることができる。第
２に、衛星通信システムでは、呼遮断または局所的な請
求書作成または（使用者端末が処理されている領域に基
づく）他の制限が監視されることができるために、使用
者端末の位置を、課せられるべき必要な制限に対する十
分な精度で、判断することは必要である。

【０００４】地球の表面上の使用者端末の位置をかなり
大きな精度で判断するために、個々の端末が「衛星によ
る全地球測位」（ＧＰＳ）を使用する使用者端末を提供
することが知られている。そして、使用者端末は、通信
に関係する１または複数の衛星を介して、使用者端末の
正確な位置を、地球局へ送信する。そして、この正確な
位置は、使用者端末との通信動作の会計的および機械的
な特徴を制御するために、続いて起こる（使用者端末と
の）相互作用において、地球局によって使用される。そ
のようなシステムの一例が、１９９３年３月２７日にモ
トローラコーポレーションによって提出された欧州特許
出願第０５６２３７４号明細書に見つけられることがで
きる。

【０００５】送受器が通信およびＧＰＳ測定の両方を可
能であるために、そのようなシステムは、送受器の高め
られた複雑さと共に、送受器からの多重周波数能力を要
求する。

【０００６】故に、送受器または使用者端末が過度に複
雑になることなく、かつ、ＧＰＳに関係する独立した衛
星システムの設備の必要なく、または、ＧＰＳに関係す
る独立した衛星システムへのアクセスの必要なく、通信
目的および会計目的に対する十分な精度で、使用者端末
または送受器の（地球の表面上の）位置が判断されるこ
とができるシステムおよび方法を提供することは都合が
よい。

【０００７】地球の表面上の使用者端末の位置を判断す
る方法は、使用者端末と通信衛星との間で得られるドッ
プラー周波数シフトを測定するステップを具備する。地
球の表面上で静止している使用者端末に対するドップラ
ーシフトの測定は、使用者端末の位置判断において、許
容可能な精度を提供するが、もし、使用者端末が地球の
表面に関して移動しているならば、考慮すべき位置誤差
が発生することも有り得る。本発明は、衛星通信システ
ムと相互作用する場合に、地球の表面上における使用者
端末または送受器の位置を判断することの問題への解決
を提供しようとする。この解決は、ドップラー周波数シ
フト測定を使用する間における使用者端末の移動を補う
ことができる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ある特徴によると、本発
明は、地球の表面上の使用者端末の位置を判断するため
の信号の特性を測定する測定動作を実行するために、地
球の表面上の使用者端末が衛星を介して地球局と信号を
交換するように動作する衛星通信システムにおいて、前
記測定動作は衛星と使用者端末との間のドップラー周波
数シフトの測定を備え、地球の表面上の前記使用者端末
の評価され改善された位置を確定するために、ドップラ
ー周波数シフトの前記測定は前記衛星と前記使用者端末
との間の方向を横切る使用者端末速度の成分を評価する
ために使用されることを特徴とする衛星通信システムに
ある。

【０００９】更に、本発明は、続いて起こる現在の計算
された位置間の差異が予め決定された誤差より小さく離
れるまで、前記現在の計算され評価され改善された位置
は、地球の表面上の前記使用者端末に対する初期評価位
置として、繰り返しかつ置き換えて使用されることを特
徴とするシステムを提供する。

【００１０】更に、本発明は、地球の表面に関する前記
使用者端末の速度もまた現在計算され、かつ、前記使用
者端末の現在の計算された位置は、前記現在の計算され
た速度に起因する位置の変化を具備するために、続いて
起こる測定動作の時刻において推定されることを特徴と
するシステムを提供する。

【００１１】更に、本発明は、前記使用者端末と前記地
球局との間の前記交換されたメッセージは、前記使用者
端末に関する前記衛星の移動によるドップラーシフトを
測定することに適応され、かつ、前記地球局と前記使用
者端末との間の無線伝搬遅延を測定することに適応され
ることを特徴とするシステムを提供する。

【００１２】更に、本発明は、前記衛星は信号を第１生
成周波数上で前記地球局へ送信するように動作し、か
つ、地球局は信号を第１既知周波数で前記衛星へ送信す
るように動作し、かつ、前記衛星は、第１既知周波数の
前記信号を転置（transpose）するために、かつ、転置
された信号を第１転置周波数上で前記地球局へ戻すため
に、内部発振器を使用するように動作し、前記地球局
は、前記第１生成周波数および前記第１転置周波数を測
定するように動作し、かつ、前記第１生成周波数および
前記第１転置周波数から前記地球局と前記衛星との間の
ドップラーシフトと前記衛星内の前記内部発振器におけ
る誤差とを取り出すように動作することを特徴とするシ
ステムを提供する。

【００１３】更に、本発明は、前記地球局は、前記ドッ
プラーシフトと前記衛星内の前記内部発振器における前
記誤差とを取りだした後、前記衛星が信号を第２既知周
波数で前記使用者端末へ送信することを引き起こすよう
に動作し、かつ、前記使用者端末は、第２既知周波数の
前記信号を転置するために、かつ、転置された信号を第
２転置周波数上で前記衛星を通して前記地球局へ戻すた
めに、内部発振器を使用するように動作し、かつ、前記
使用者端末は信号を第２生成周波数上で前記衛星を介し
て前記地球局へ送信するように動作し、前記地球局は、
前記第２転置周波数および前記第２生成周波数を測定す
るように動作し、かつ、前記第２転置周波数および前記
第２生成周波数から前記衛星と前記使用者端末との間の
ドップラーシフトを取り出すように動作し、かつ、前記
使用者端末内の内部発振器における誤差を取り出すよう
に動作することを特徴とするシステムを提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、一例として、添付図面
と結び付けられた以下の記載によって、さらに説明され
る。添付図面は以下の通りである。図１は、地球の周り
に配置された衛星の平面の一団を示す。図２は、直交軌
道平面内に衛星がどのようにして配置されているのかを
図解する。図３は、各衛星によって提供される無線範囲
の円錐体の構造を示す。図４は、多くのタイプの異なる
区域を生成するために、図３に示される無線範囲の円錐
体がどのようにして地球の表面と相互作用しているかを
示す。図５は、地球の表面上空における衛星の（上から
見た）図であり、地球に関する様々な移動を図解する。
図６は、使用者端末と衛星との間における伝搬遅延を判
断するために、地球局が衛星を介して使用者端末と交信
する全般的な状況の概要図である。図７は、衛星に対す
るドップラー周波数シフト測定の形状を示す。図８は、
地球局と衛星との間のテスト信号の交換を概要的に示
す。この交換は、相対的なドップラーシフトと衛星の内
部発振器誤差とを判断するためのものである。図９は、
衛星と使用者端末との間の相対的なドップラーシフトと
使用者端末内の内部発振器誤差とを判断するために、
（図８による）較正された衛星が今度はどのようにして
使用されるのかを概要的に示す。図１０は、地球の表面
上における使用者端末の位置を測定するために、測定さ
れたドップラー周波数シフトと伝搬遅延との交差線がど
のようにして使用されるのかを示す。図１１は、位置の
最良評価のための最適数のサンプルの導出を示すグラフ
である。図１２は、特に好ましい実施形態に対して、ド
ップラー周波数シフト平均化のための導出された最適数
のサンプルを示すチャートである。図１３は、特に好ま
しい実施形態に対して、伝搬遅延平均化のための導出さ
れた最適数のサンプルを示すチャートである。図１４
は、使用者端末が２以上の衛星への直接アクセスを有す
る状況を示す。図１５は、１つの衛星（もし可能なら
ば、２以上の衛星）を使用して地球の表面上の使用者端
末の位置を判断する場合における地球局の動作のフロー
チャートである。図１６は、地球の表面上の使用者端末
の位置を判断する際に、地球局が計時された同報通信を
どのようにして組み込むことができるのかを示すフロー
チャートである。図１７は、地球の表面に関する使用者
端末の全ての移動が（改良された）位置評価を補償する
ことの主題である状況を示す。

【００１５】説明および開示の完全性のために、衛星通
信システムが地球の表面上の使用者端末の位置をどのよ
うにして測定するのかに関する全般的な説明が最初に与
えられる。ここで、使用者端末は地球の表面上で静止し
ていると仮定する。「本発明では測定の同じ技術が使用
され、この技術は本発明の実施形態の一部であり、しか
しながら、導出されたデータは本発明による補償および
訂正を必要とする」ということが理解されるべきであ
る。

【００１６】最初に、図１に注意が引きつけられる。図
１は、地球の周りに配置された衛星の平面の一団を示
す。複数の衛星１０が、地球１４の表面上空の円軌道１
２の周りに均一に配置されている。各々の衛星１０は、
個々の衛星１０が地平線の１０゜より上にある場合に、
地球１４の表面上の装置との無線通信を提供するように
設計されている。故に、各衛星１０は、無線範囲の円錐
体１６を提供する。この無線範囲は、地球１４の表面と
交差する。

【００１７】地球の表面は、３タイプのエリアを有す
る。第１タイプのエリア１８は、１つのみの衛星１０か
らの無線範囲を有するエリアである。第２タイプのエリ
ア２０は、２以上の衛星１０からの無線範囲が存在する
エリアである。最後に、第３タイプのエリア２２は、示
された軌道１２内のどの衛星１０からも無線範囲を受信
しない。

【００１８】図２は、直交軌道平面内に衛星１０がどの
ようにして配置されているのかを図解する。

【００１９】図１の第１軌道１２は、第２軌道１２’に
よって補われる。第２軌道１２’は、図１に示される方
法に類似する方法で第２軌道１２’の周りに配置された
衛星１０を有する。軌道１２，１２’は、互いに直交し
ている。軌道１２，１２’は、赤道２４に対して４５゜
傾いており、かつ、互いに（９０゜で）直交している平
面を有する。

【００２０】示される例では、衛星１０は、１０５００
ｋｍの高度で、地球１４の表面上空の軌道を回る。「各
軌道１２，１２’では、他の軌道高度および衛星１０の
数が使用されてもよい」ということを、当業者は知るで
あろう。この例は、最小数の衛星１０を伴って（北極２
６および南極２８に対してさえも）地球１４の全体的な
無線範囲を提供するので、この構成は好ましい。特に、
軌道の直交は、「第２軌道１２’の衛星１０が、第１軌
道１２内の衛星に対する無線範囲がない第３タイプのエ
リア２２に対して、無線範囲を提供し、かつ、第１軌道
１２内の衛星１０が、第２軌道１２’の衛星１０が無線
範囲を提供しない第３タイプのこれらのエリア２２に対
して、無線範囲を提供する」ということを保証する。

【００２１】「２つの軌道１２，１２’は同じ半径の軌
道であることがここでは示されているが、以上および以
下に説明されるような本発明は、異なる半径の軌道１
２，１２’を伴って機能する」ということは明らかであ
る。同様に、３以上の軌道１２，１２’が存在してもよ
い。本発明に関する限りでは、「地球１４の表面の全て
の部分が、全ての時間において、少なくとも１つの衛星
１０からの無線範囲の受信内に存在する」ということの
みが要求される。

【００２２】図３は、各衛星１０によって提供される無
線範囲の円錐体１６の構造を示す。便宜上、無線範囲円
錐体１６は、地球の地図上において、緯度０゜経度０゜
に中心を置かれて示されている。無線範囲の円錐体１６
は、衛星１０上の（対応する複数の）指向性アンテナに
よって、複数のスポットビーム３０に分割される。衛星
１０は、移動無線電話通信に対して意図されており、か
つ、各々のスポットビーム３０は、セルラー無線電話ネ
ットワークにおけるセルの等価物におおよそ対応する。
図３において、無線範囲の円錐体１６は、提供された地
球の表面の地図の形状のために、歪まされている。図３
は、また、「円錐体１６の端へ下る無線範囲の円錐体１
６の相互作用の範囲は、地球の表面（即ち、円錐体１６
が、地球の表面を伴って、円錐体１６の端における地平
線の範囲を表す地点）への接面である」ということを示
す。それに対して、図１は、地球の表面に対する最小の
１０゜の高度における円錐体１６を示す。

【００２３】「地球の湾曲のために、スポットビーム３
０は、中心では、ほぼ一様のわずかに重なっている円形
であるが、端では、地球１４の表面上へのスポットビー
ム３０の傾いた範囲は、形状の考慮すべき歪を起こす」
ということが観察されるべきである。

【００２４】図４は、無線範囲の円錐体１６が、多くの
タイプの異なる区域を生成するために、どのようにして
地球の表面と相互作用しているかを示す。

【００２５】図１を参照して論じられたように、１つの
みの衛星による無線範囲が存在する第１エリア１８と、
２つの衛星による無線範囲が存在する第２エリア２０と
を生成するために、かつ、範囲が３または４以上の衛星
によって提供される第４エリア３２さえも生成するため
に、無線範囲の多数の円錐体１６は重なっている。「図
４に示される無線範囲の円錐体１６の各々は、図３に示
されるように、スポットビーム３０のそれ自身の独立し
た組に分割される」ということが理解されるべきであ
る。

【００２６】図５は、地球の表面上空における衛星１０
の（上から見た）図である。

【００２７】衛星１０は、電力供給のためのソーラーパ
ネル３４と、複数の地球局３８のうちの１つへ大量の電
話信号量を送信するためのダウンリンクアンテナ３６
と、地球局３８から全般的な信号量を受信するためのア
ップリンクアンテナ４０と、加入者アンテナ４２とを具
備する。加入者アンテナ４２は、使用者端末４４との通
信を提供することを意図された（図３に示される）複数
のスポットビーム３０を提供する。この使用者端末４４
は、ハンドヘルドセルラー無線電話に似ていないわけで
はない形式で提供されてもよい。「使用者端末４４は、
また、陸上車両および船舶および飛行機内での使用のた
めの更に複雑な車両搭載装備を具備してもよい」という
ことが理解されるべきである。

【００２８】この好ましい例で述べられたパラメータを
伴って、衛星は、第１矢印４６によって示されるよう
に、衛星の軌道１２，１２’の周りを、４．９ｋｍ／秒
の速度で移動する。さしあたり地球１４の回転を無視す
ると、スポットビーム３０もまた、第２矢印４８によっ
て示されるような地上軌道に沿って、同様の速度で、地
球１４の表面を横切って移動する。その地点は、衛星の
真下であり、最下点５０として知られている。

【００２９】同時に、地球１４は、その赤道において
０．４７ｋｍ／秒の速度で、第３矢印５２によって示さ
れるように、回転している。地上軌道４８に関して、地
上軌道４８に対する９０゜の方向が、第４矢印５４によ
って示されるような交差軌道と称される。以下、使用者
端末４４の位置は、最下点５０を基準として、地上軌道
４８に沿った距離と交差軌道５４に沿った距離とを参照
して定義される。

【００３０】図６は、地球局３８が衛星１０を介して使
用者端末４４と交信する全般的な状況の概要図である。

【００３１】地球局３８は、さらに、地球局コントロー
ラ５６を具備する。地球局コントローラ５６は、地球局
３８の動作を制御する。地球局３８は、地球１４の表面
上の第１地点に位置する。また、衛星１０が地球局３８
の有効範囲内に存在する場合、使用者端末４４は、衛星
１０の有効範囲内の（地球の表面上の）いかなる他の地
点に存在してもよい。

【００３２】地球局３８は、アップリンク無線リンク５
８と（図５の）アップリンクアンテナ４０とを介して、
帯域５１５０〜５２５０ＭＨｚ内の周波数を使用して、
衛星１０と通信する。地球局３８は、周波数範囲６９７
５〜７０７５ＭＨｚ内の信号を使用して、ダウンリンク
無線リンク６０上を、（図５の）ダウンリンクアンテナ
３６を介して、衛星１０から信号を受信する。

【００３３】使用者端末４４は、範囲２１７０〜２２０
０ＭＨｚ内の周波数を使用して、使用者端末ダウンリン
ク６２を介して、衛星１０から信号を受信する。使用者
端末４４は、周波数帯域１９８０〜２０１０ＭＨｚ内で
動作して、使用者端末アップリンク６４を介して、衛星
１０へメッセージおよび信号を送信する。これらの周波
数は、単なる一例であり、かつ、当業者は、以下の説明
から、「本発明が、アップリンクおよびダウンリンクに
対する多数の他の周波数を使用して実行されることがで
きる」ということを知るであろう。

【００３４】図６における暗黙のことであり、しかし、
明確に示されてはいないことは、「衛星１０は（好都合
には水晶発振器の形式で）それ自身の正確な発振器を含
み、衛星１０は、入力信号および出力信号の周波数を変
換するために、かつ、周波数を合成する場合における周
波数基準として使用するために、この正確な発振器を使
用する」という事実である。同様に、使用者端末４４
は、入力信号の周波数を変換するために、かつ、出力信
号の周波数を合成するために、それ自身の内部合成発振
器を含む。この発振器は、マスタ発振器を基準として作
動しており、好ましくは水晶発振器である。

【００３５】同様に、地球局３８および地球局コントロ
ーラ５６は、地球局３８と地球局コントローラ５６との
間において、極めて正確な周波数基準および時刻基準を
含むか、または、極めて正確な周波数基準および時刻基
準へのアクセスを有する。これらの基準は、地球局３８
および地球局コントローラ５６の中に実際に含まれてい
てもよいし、または、地上線または他のサービスを介し
て他の所から取り出されてもよい。

【００３６】地球１４の表面上の地球局３８の正確な位
置は、高い精度で知られる。同様に、衛星１０の軌道１
２，１２’のパラメータおよびその軌道内における衛星
１０の位置もまた、いかなる瞬間でも、高い精度で知ら
れる。解決すべき本発明の目的である不確実な要素は、
地球１４の表面上の使用者端末４４の位置である。

【００３７】「使用者端末４４は、使用者端末アップリ
ンク６４上で、加入者アンテナ４２へ送信し、かつ、同
様に、使用者端末ダウンリンク６２上で、加入者アンテ
ナ４２から受信する」という事実が、先に述べられてい
ない。衛星１０は、一度に１つの地球局３８のみと通信
中にあるが、非常に多くの使用者端末４４と通信中にあ
ってもよい。各使用者端末は、図３に示される複数のス
ポットビームのうちの１つの特定のスポットビーム３０
内に存在する。

【００３８】衛星１０は、第５矢印６６に示されるよう
に、地球１４の表面に関して移動しており、故に、地球
局３８および使用者端末４４に関して移動している。同
様に、地球１４の表面は、第６矢印６８によって一般的
に示されるように、衛星１０の軌道１２，１２’に関し
て移動している。

【００３９】地球局３８と衛星１０との間で交換される
信号は、使用者端末４４と衛星１０との間の信号交換と
同様に、全てが、伝搬遅延と周波数シフトとの影響を受
ける。この周波数シフトは、地球局３８および使用者端
末４４に関する衛星１０の移動によって、ドップラー効
果によって引き起こされる。本発明は、１つには、地球
１４の表面上の使用者端末の位置を判断するために、衛
星１０の移動による（周波数内の）ドップラーシフトと
伝搬遅延の測定とを使用する手段に関する。

【００４０】本発明では、伝搬遅延は、地球局３８と使
用者端末４４との間で測定される。地球局３８は、アッ
プリンク無線リンク５８上で、衛星１０へ信号を送出す
る。この信号は、同様に、使用者端末ダウンリンク６２
を介して、使用者端末４４へ送られる。地球局３８から
信号を受信すると、使用者端末は、予め決定された期間
の間待機し、そして、それ自身のメッセージを、使用者
端末アップリンク６４とダウンリンク無線リンク６０と
を介して、地球局３８へ返信する。地球局コントローラ
５６は、地球局３８がアップリンク無線リンク５８上で
メッセージを送信することを始めた瞬間からの時間の経
過と、地球局３８が使用者端末４４からの応答メッセー
ジをダウンリンク無線リンク６０から受信することを始
めた瞬間からの時間の経過とに注目する。地球局コント
ローラ５６は、アップリンク無線リンク５８から使用者
端末ダウンリンク６２上への（衛星１０を通した）信号
に対する伝搬遅延時間を知り、かつ、それに対応して、
使用者端末アップリンク６４とダウンリンク無線リンク
６０との間の（衛星１０を通した）伝搬遅延時間を知
る。同様に、地球局コントローラ５６は、使用者端末４
４が地球局３８からの受信されたメッセージに応答する
前に使用者端末４４によって使用される予め決定された
経過時間を、正確に知る。地球局３８からのメッセージ
および地球局３８へのメッセージの応答行程における様
々なリンク５８，６０，６２，６４を介する無線波の実
際の伝搬遅延を判断するために、使用者端末４４のこれ
らの伝搬遅延および予め決定された遅延は、地球局コン
トローラ５６によって、全体の経過時間から減算され
る。無線波は、常に光の速度で伝搬し、この速度は一定
である。地球の表面上の地球局３８の位置は正確に知ら
れるので、かつ、軌道１２，１２’内の衛星１０の位置
もまた正確に知られるので、アップリンク無線リンク５
８およびダウンリンク無線リンク６０上の伝搬遅延の和
は、正確に計算されることができる。地球局コントロー
ラ５６は、常に、無線経路５８，６０，６２，６４に沿
ったメッセージの伝搬に対する総体的な経過時間を知
る。地球局３８と衛星１０との間の無線経路５８，６０
上の計算された遅延を、総体的な伝搬遅延から減算する
ことによって、使用者端末４４と衛星１０との間の伝搬
遅延が、正確に測定される。これは、「伝搬は、完全に
光の速度であるので、衛星１０と使用者端末４４との間
の線形距離が知られる」ということを意味する。伝搬遅
延によって、使用者端末は、衛星１０上に中心を置かれ
た球状表面のいかなる地点上に存在してもよい。球状表
面が地球１４の表面に交差するので、かつ、使用者端末
４４が地球の表面上に存在するので、使用者端末４４の
位置は、地球１４の球状表面と衛星１０上に中心を置か
れた（測定された距離の）領域との交差線上に存在する
として推論される。

【００４１】図７は、衛星１０に対するドップラー周波
数シフト測定の形状を示す。衛星１０が第７矢印７０に
よって示されるように移動すると、衛星１０から送られ
た（無線信号の周波数における）変化と、使用者端末４
４のような固定された発信源から衛星１０によって受信
された無線信号の認識された周波数とは、衛星１０と衛
星からの送信された無線信号の受取人または衛星１０へ
の送信された無線信号の発信源との間の角度のコサイン
に依存する。従って、もし、我々が（予め決定されたド
ップラー周波数変化に対して）これらの区域を空間にプ
ロットするならば、一連の同軸円錐体７２が得られる。
この一連の同軸円錐体７２は、それらの共通の頂点に衛
星１０を有し、かつ、無限方向に広がり、かつ、（それ
らの集められた軸７４として）第７矢印７０によって示
されるような衛星１０の移動の方向を有する。図７は、
有限の距離のみに対して広がる円錐体７２を示す。「円
錐体７２は、無線の広がりを有する」ということが理解
されるべきである。同様に、図７は、衛星１０がアプロ
ーチしている無線周波数受信機または無線周波数発信源
に対して、衛星の「前における」円錐体のみを示してい
る。「衛星の『後ろに』広げられる（対応する組の）同
軸円錐体７２が、同じ頂点および同じ軸を有する」とい
うことが理解されるべきである。衛星１０の「前におけ
る」ドップラーシフトは、周波数における増加によって
示される。衛星１０の「後ろにおける」ドップラーシフ
トは、周波数における（対応する）減少によって提供さ
れる。

【００４２】特定のドップラー周波数シフトに関して、
円錐体７２が地球１４の表面を切る場所は、さらなる線
を定義する。使用者端末４４は、この線に沿って位置す
る。

【００４３】図６を再び参照すると、ドップラー周波数
シフト測定は、地球局３８によって実行される。地球局
３８は、既知周波数の信号を、アップリンク無線リンク
５８上に提供している。衛星１０は、それ自身の内部発
振器を使用して、この信号の周波数を変え、かつ、周波
数を変えた信号を、使用者端末ダウンリンク６２上に提
供する。そして、衛星１０の内部発振器によって周波数
がもう一度変換されるために、使用者端末４４は、使用
者端末アップリンク６４を介して信号を戻し、かつ、ダ
ウンリンク無線リンク６０を介して、地球局３８へ返送
する。地球局コントローラ５６は、ダウンリンク無線リ
ンク６０の信号の周波数を測定し、かつ、第５矢印６６
によって示されるような衛星１０の移動に起因する（使
用者端末４４における）ドップラー周波数シフトを推定
する。

【００４４】図８は、地球局３８と衛星１０との間で得
られた誤差とドップラーシフトとを較正するために、地
球局３８および地球局コントローラ５６が衛星１０と相
互作用する方法の概要図である。

【００４５】地球局３８は、既知周波数ｆ（１）の信号
を、アップリンク無線リンク５８上で、衛星１０へ送信
する。衛星１０は、内部マスタ発振器を有している。こ
の内部マスタ発振器は、衛星１０で使用される全ての合
成された周波数を制御する。もし、マスタ発振器が比例
誤差ｍを有するならば、マスタ発振器を使用して衛星内
で合成された全ての周波数は、比例する誤差を有し、そ
れによって、 ｆ（actual）＝（１＋ｍ）ｆ（intended） ｆ（actual）：実際の周波数 ｆ（intended）：意図される周波数 である。同様に、衛星１０は、地球局３８に関して移動
しており、故に、比例するドップラーシフト（ｄと称す
る）を導入すると、信号が地球局３８から衛星１０へ進
む場合と衛星１０から地球局３８へ進む場合とのいずれ
であっても、 ｆ（received）＝（１＋ｄ）ｆ（sent） ｆ（received）：受信された信号の周波数 ｆ（sent）：送信された信号の周波数 である。故に、もし、地球局がアップリンク無線リンク
５８上で衛星１０へ周波数ｆ（１）を送信するならば、
ドップラーシフトによって、衛星１０は、周波数 ｆ（received at satellite）＝ｆ（１）（１＋ｄ） ｆ（received at satellite）：衛星で受信された信号
の周波数 を受信する。ここで、衛星は、地球局３８から受信され
た信号を加入者アンテナ４２を介する使用に適した周波
数へ変換するために、周波数変更器７６を使用する。そ
うするために、衛星１０は、意図される周波数ｆ（２）
を合成する。この周波数ｆ（２）は、地球局３８から衛
星１０で受信された信号の周波数から減算されるべきで
ある。意図される周波数ｆ（２）は、衛星１０上のマス
タ発振器における比例誤差の影響を受け、それによっ
て、ｆ（２）（１＋ｍ）となる。故に、周波数変更器７
６の出力は、ｆ（１）（１＋ｄ）−ｆ（２）（１＋ｍ）
であり、かつ、この出力は、加入者アンテナ４２を介し
て、地球局３８へ返送される。しかし、衛星１０は移動
しており、ゆえに、さらなるドップラーシフトを与え
る。故に、加入者アンテナ４２から地球局３８によって
受信される周波数ｆ（Ｒ１）は、 ｆ（Ｒ１）＝（１＋ｄ）（ｆ（１）（１＋ｄ）−ｆ
（２）（１＋ｍ）） によって与えられる。地球局コントローラ５６は、かな
りの精度で、ｆ（Ｒ１）を測定する。故に、ｆ（Ｒ１）
とｆ（１）とｆ（２）とは、全て既知の数である。しか
し、ｍとｄとは、知られていない。ｆ（Ｒ１）に対する
式を展開すると、 ｆ（Ｒ１）＝（ｆ（１）−ｆ（２））＋ｄ（２ｆ（１）
＋ｄｆ（１））−ｍｄｆ（２）−ｆ（２）ｍ が得られる。二次の項ｄ²ｆ（１）およびｍｄｆ（２）
は、他の項と比較して重要ではなく、無視されることが
できる。故に、 ｆ（Ｒ１）＝ｆ（１）−ｆ（２）＋ｄ（２ｆ（１）＋ｆ
（２））−ｍｆ（２）） である。衛星１０は、周波数ｆ（３）を伴って、第３信
号を合成する。衛星１０は、この第３信号を、ダウンリ
ンク無線リンク６０を介して、地球局３８へ送信する。
第３信号ｆ（３）は、衛星１０内のマスタ発振器の比例
誤差の影響を受ける。故に、ダウンリンク無線リンク６
０上で送信される実際の周波数は、（１＋ｍ）ｆ（３）
になる。衛星１０は移動しているので、ダウンリンク無
線リンク６０上の信号もまた、ドップラーシフトの影響
を受ける。故に、ダウンリンク無線リンク６０上におい
て地球局３８で受信された周波数ｆ（Ｒ２）は、 ｆ（Ｒ２）＝（１＋ｄ）（１＋ｍ）ｆ（３） によって与えられ、故に、 ｆ（Ｒ２）＝ｆ（３）＋ｄｆ（３）＋ｍｆ（３）＋ｍｄ
ｆ（３） である。二次の項ｍｄｆ（３）は、他の項と比較して非
常に小さく、無視されることができる。このことは、以
下の方程式 ｆ（Ｒ１）＝ｆ（１）−ｆ（２）＋ｄ（２ｆ（１）−ｆ
（２））−ｍｆ（２） および ｆ（Ｒ２）＝ｆ３（１＋ｄ＋ｍ） を残す。ここで、ｆ（１）とｆ（２）とｆ（３）とは、
正確に知られた数であり、かつ、ｆ（Ｒ１）とｆ（Ｒ
２）とは、正確に測定され、故に、知られる。このこと
は、方程式を、２つの未知数（即ち、ｍおよびｄ）にお
ける２つの連立方程式であることに減少する。故に、２
つの式は、その未知数について解かれる。

【００４６】図９は、地球局３８が比例ドップラーシフ
ト誤差と使用者端末４４上のマスタ発振器誤差とをどの
ようにして測定するのかに関する概要図である。

【００４７】地球局３８および地球局コントローラ５６
は、図８を参照して説明されたように、最初に、衛星１
０を「較正する」。衛星１０の行動を予測することがで
きるならば、地球局３８は、その動作の地点を、地球１
４の表面から効果的に移動させ、かつ、その地点を、衛
星１０に配置する。衛星１０は、衛星１０が使用者端末
４４に関して示すドップラーシフトとは異なるドップラ
ーシフトを、地球局３８に関して示す。

【００４８】「地球局３８が衛星１０を介して使用者端
末４４から信号を受信する経路と、地球局３８が衛星１
０を介して使用者端末４４へ信号を送信する経路との２
つの経路が存在する」ということを単に示すために、加
入者アンテナ４２および周波数変更器７６が、衛星１０
において２回示される。

【００４９】第１に、地球局３８は、アップリンク５８
上で信号を送る。この信号は、周波数変更器７６によっ
て転置（transpose）され、かつ、使用者端末ダウンリ
ンク６２上で、使用者端末４４へ送られる。使用者端末
４４は、使用者端末ダウンリンク６２上の信号の測定を
行い、かつ、その周波数を公称固定量によって転置す
る。そして、使用者端末４４は、ミキサー７６を介して
転置されかつダウンリンク無線リンク６０を介して地球
局３８へ送られるために、転置された信号を、使用者端
末アップリンク６４上で、加入者アンテナ４２を介し
て、衛星１０へ再送信する。地球局３８において、地球
局コントローラ５６は、正確な周波数の測定を行う。使
用者端末４４は、また、説明されたように、衛星を介し
て、地球局３８および地球局コントローラ５６に知られ
た公称周波数で、独立した送信を行う。

【００５０】しばらく熟考すると、「使用者端末４４の
誤差を測定するために、正確に同じ方法が、衛星を『較
正する』ために使用される地球局３８として、『較正さ
れた』衛星１０を介して拡張された地球局３８によって
使用される」ということがわかる。１つのループバック
周波数測定（loop-back frequency measurement）と公
称合成周波数における１つの独立した信号とが存在す
る。地球局コントローラ５６は、衛星の「較正」につい
て訂正する。そして、地球局コントローラ５６は、衛星
１０に対して使用者端末４４へのドップラーシフトにつ
いて解くために、かつ、使用者端末４４内のマスタ発振
器における比例誤差を解くために、もう一度、２つの未
知数における２つの方程式を解く。

【００５１】図１０は、地球１４の表面上の使用者端末
４４の位置を突き止めるために、ドップラー周波数シフ
トおよび遅延がどのようにして使用されることができる
のかを示す。

【００５２】図１０において、水平軸７８は、地上軌道
に沿った（図５の）第２矢印４８の方向における測定に
対応している。垂直軸８０は、図５における第４矢印５
４によって示されるような交差軌道に沿った測定に対応
している。

【００５３】１つの象限のみが示されている。「示され
るようなパターンは、４つの全ての象限において、軸に
ついて対称である」ということが理解されるべきであ
る。

【００５４】図６を参照して説明されたように、遅延測
定は、一連の遅延区分線８２を生成する。遅延区分線８
２は、最下点５０上に中心を置かれた円にほぼ同じであ
る。最下点５０は図１０の地点（０，０）に対応する。
遅延区分線８２は、衛星上に中心を置かれた一定遅延の
階層の交差を示すのに対して、ドップラー区分線８４
は、図７に関して説明された複数の同軸円錐体７２の交
差の線を示す。ドップラー区分線について与えられた数
量は、使用者端末４４が置かれている（地球１４の表面
上の）位置に対応するドップラーシフトに関する。この
ドップラーシフトは、ミリセカンドを単位とする。同様
に、遅延区分線８２に隣接する数量は、その特定の遅延
区分線８２に対する特定の遅延を（ミリセカンドを単位
として）示し、かつ、それは、地球１４の表面上の特定
の位置である。様々な数量が度を単位として示されてい
る。この数量は、もし衛星１０がその位置に存在するな
らば、使用者端末４４から衛星１０への高度の角度であ
る。図１０は、１０度の最小高度まで伸びている。この
場合、１０度は、本発明の好ましい実施形態として与え
られた例を維持する衛星通信システムの動作の最小量で
ある。

【００５５】図３および図４を参照して説明されたスポ
ットビーム３０のいくつかが、また、図１０に示され、
重ねて置かれている。「スポットビーム３０は４つの象
限の全体を満たしている」ということが理解されるべき
である。図１０の過度の乱雑さと複雑さとを避けるため
に、少数のスポットビーム３０のみがここでは示されて
いる。

【００５６】基本的に、（図６を参照して説明されたよ
うな）単一の遅延測定と（図８および図９を参照して説
明されたような）単一のドップラー周波数シフト測定と
に基づいて、その特定の遅延区分線８２とドップラー区
分線８４とが交差する地点において、地球１４の表面上
の使用者端末４４の位置を評価することは可能である。

【００５７】４つの象限が存在するので、使用者端末４
４が４つの象限のうちのどの象限に置かれているのかを
判断する際に、ある程度の曖昧が存在する。これは、複
数のスポットビーム３０のうちのどのスポットビームが
使用者端末４４から信号を受信したのかを注目すること
によって、解決される。

【００５８】図１０では、「ドップラー区分線８４は、
実際には、単一の線ではなく、一対の線として描かれ
る」ということが観察されるべきである。これは、測定
における比例誤差を示すことである。最下点５０の近く
では、ドップラー区分線８４内の線は、共に接近してお
り、小さな比例誤差を示している。それに反して、水平
軸７８によって示される地上軌道に沿った大きな距離で
は、ドップラー区分線８４内の対の線は、より広く離れ
ていき、より大きな誤差を示している。それに反して、
遅延区分線８２もまた、対の線であり、測定の精度にお
ける不確かさを示すが、遅延区分線内の対の線は、共に
非常に接近している。

【００５９】７８のような水平によって示される地上軌
道に沿った大きな距離におけるドップラー区分線８４内
のかなり大きな誤差を克服するために、平均化処理が行
われる。

【００６０】図１１は驚くべき結果を示す。もし、衛星
１０の最下点５０に関する地球１４の移動に対して修正
が行われないならば、または、地球に関する衛星１０の
軌道速度の修正が行われないならば、図１１に示される
ように、（衛星１０に関する）使用者端末４４の実際の
位置は、実線８６で示されるように、時間と共に一様に
増加する。ドップラーシフトおよび遅延の各測定は、予
め決定された期間を要する。従って、実線８６によって
示されるような位置誤差は、行われた測定の数と共に一
様に増加する。

【００６１】測定されたような位置誤差は、よく知られ
た統計学の原理によって（即ち、２乗の和の平方根によ
って）低下する。例えば、もし１００個のサンプルが得
られた場合、平均誤差は、１／１０に低下する。もし１
００００個のサンプルが得られた場合、平均誤差は、１
／１００に低下する。もし１００００００個のサンプル
が得られた場合、平均誤差は、１／１０００に低下す
る、……等である。破線８８は、測定された位置誤差の
（サンプルの数に対する）低下比率を示す。

【００６２】点線９０は、破線８８と実線８６との和を
示し、これは、サンプルの数に対する実際の位置誤差を
示している。「最小領域９２が存在し、最小領域９２で
は、測定された位置誤差がその最小となり、かつ、測定
の数が少なくなればなるほど、測定された位置誤差はよ
り大きくなり、かつ、測定の数が多くなればなるほど、
また、測定された位置誤差はより大きくなる」というこ
とが注目されるべきである。「最小領域９２は、完全に
平坦であり、かつ、値Ｎ（１）からＮ（２）までの範囲
が存在し、値Ｎ（１）とＮ（２）との間において、測定
された位置誤差がほぼ最小である」ということが観察さ
れるべきである。故に、数Ｎ（１）とＮ（２）との間に
おいて、測定数の最適な数が選択され、これは、最良の
位置評価を与える。最適な測定の正確な数は、初期測定
誤差にかなり依存している。図１０に簡潔に戻ると、得
られる測定の数による位置誤差の改善を示す破線８８の
傾きは平方根であるので、「（図１１のグラフを解明し
て、）最適な数の測定が生成されるために相対的に小さ
い数の測定が要求されるように、遅延区分線８２は、相
対的に小さい誤差を伴って開始する」ということが観察
されるべきである。反対に、破線８８の傾きが相対的に
浅いように（即ち、位置誤差の最良評価を達成するため
に、相対的に大きな数の測定を要求するように）、水平
軸７８によって示される地上軌道に沿ったドップラー区
分線８４は、相対的に大きい。

【００６３】図１２は、使用者端末４４が発見されたビ
ームに依存する各々のスポットビーム３０に対して得ら
れるべき、かつ、本発明を図解する好ましい実施形態に
よる（ドップラーシフト測定のための）各々のこれらの
スポットビーム３０に対して得られるべき最適な数の測
定の第１象限の表示である。「最適な測定の数は、９０
から４２の範囲で変動する」ということが分かる。もし
他のサンプリングレートおよび衛星軌道高度が選択され
るならば、他の最適な数の測定が適用する。

【００６４】同様に、図１３は、図６を参照して説明さ
れたような遅延測定に対して、各々のスポットビーム３
０に対する最適な数のバースト（burst ：受信信号強度
の突然の増大）またはサンプルを示す。驚くべきこと
に、最適な数のサンプルは、最下点の近くの２０１か
ら、垂直線８０によって示されるような交差軌道に沿っ
て変化し、かつ、スポットビーム３０の周囲において驚
くべき低い値へ低下する。

【００６５】先の説明は、衛星１０からの単一の無線範
囲を有するような（図１および図４に示されるような）
それらのエリア１８に適用される。以下の説明は、衛星
１０からの多数の無線範囲が存在する（図１および図４
に示されるような）それらのエリア２０に適用される。

【００６６】図１４は、地球１４の表面上の使用者端末
４４が２以上の衛星１０，１０’からの無線範囲を有す
る状況を示す。理想的には、２つの衛星１０，１０’
は、使用者端末４４と単一の地球局３８との両方に対し
て認識可能であるべきである。しかしながら、「衛星１
０’が、使用者端末４４に関して認識可能であるが、単
一の地球局３８に関して認識不可能である」ということ
が有り得る。この他にも、他の衛星１０’は、他の地球
局３８’に対して認識可能である。両方の地球局３８，
３８’が地上通信線９４によって結合されているので、
このことは問題ではない。地上通信線９４では、地球１
４の表面上の使用者端末４４の位置を判断する際に、地
球局３８のうちの１つがマスタとして動作するために、
衛星１０，１０’および使用者端末から引き出されたデ
ータが交換される。

【００６７】もし、２以上の衛星１０，１０’が認識可
能ならば、または、近い過去において認識可能であった
ならば、図７〜図１２を参照して説明されたようなドッ
プラー変動処理を実行する代わりに、図６，１０，１
１，１３を参照して説明されたような単純な時間遅延測
定が実行される。地球局３８，３８’は、各々の衛星１
０，１０’へ信号を送り、かつ、先に説明されたよう
に、衛星１０，１０’と使用者端末４４との間の伝搬遅
延を測定する。

【００６８】図６を参照して先に説明されたように、遅
延測定は、以上に説明された曖昧さの解決の影響を受け
る（地球１４の表面上の使用者端末４４に関する唯一
の）位置を与えるために、衛星１０に関する使用者端末
４４の可能な位置として、各々の衛星１０，１０’上に
中心を置かれた球状表面を生成する。この球状表面は、
互いに交差し、かつ、地球１４の表面と交差する。も
し、使用者端末が、地球の表面上に存在すると仮定され
るならば、たった２つ衛星伝搬遅延が、使用者端末の絶
対位置に対して必要である。もし、４以上の衛星１０，
１０’がそのように使用されるならば、使用者端末４４
は、空間内に絶対的に位置してもよく、また、地球１４
の表面上の高度変化を許可する。図１０の説明を参照す
ると、「遅延区分線８２は、７８のような地平によって
示されるような地上軌道に沿った最下点５０からの一番
外の範囲において特に、ドップラー区分線８４よりもか
なり正確である」ということが注目されるべきである。
従って、（図１４を参照して説明された）地球１４の表
面上の使用者端末４４の位置の測定の方法は、より正確
である。

【００６９】従って、本発明は、使用者端末４４の位置
がいかなる方法で地球１４の表面上で判断されるべきで
あるのかということに関する。１つのみの衛星１０が認
識可能である場所では、図１０に示される分類方法が使
用される。２以上の衛星が認識可能である場合、図１４
に関連して説明された位置決定方法が使用される。

【００７０】ここで、注意は図１５に引きつけられる。
図１５は、地球局３８，３８’のうちの１つにおける地
球局コントローラ５６の動作を示す。地球局３８，３
８’は、使用者端末４４に対する位置決定を実行する。

【００７１】第１処理９６において、地球局３８は、あ
る種の使用者端末４４の要求を受信する。もし、第１判
断９８が、使用者端末４４からの呼を検出できないなら
ば、制御は、第１処理９６へ戻される。もし、「地球局
３８が使用者端末４４によってポーリングされている」
ということを、第１判断９８が判断したならば、制御
は、第２処理１００へ進められる。第２処理１００は、
図６，９，１０を参照して説明されたように、衛星１０
を介して、使用者端末４４へ送信を送る。「図８の処理
（ここで、衛星が「較正される」）が既に実行された」
ということが仮定されるべきである。もし、図８を参照
して説明された処理が実行されていないならば、第２処
理１００は、衛星１０の必要な較正を実行する。

【００７２】第２処理１００は、また、地球１４の表面
上の使用者端末４４の位置に関する推論を与えるため
に、地球局３８と使用者端末４４との間の相互送信に基
づいて、ドップラー周波数シフト測定および時間遅延測
定に起因する結果を分析する。

【００７３】そして、（地球の表面上で使用者端末４４
の位置の近似評価を行う）地球局３８は、使用者端末４
４が２以上の衛星１０に対して認識可能であるか否かを
判断するための位置内に存在する。もし、「１つのみの
衛星が認識可能である」ということを第２判断１０２が
判断したならば、制御は、第３処理１０４へ進む。第３
処理１０４は、複数のスポットビーム３０のうちのどの
スポットビームが使用者端末４４によって占められてい
るのかを判断する。この情報は、また、スポットビーム
３０のうちのどのスポットビーム上で使用者端末４４か
らの信号が受信されたのかに基づいて、地球局３８によ
って知られている。

【００７４】制御は、第３処理１０４から第４処理１０
６へ進む。第４処理１０６では、（それに関連する説明
上の図１２を参照して、）どのスポットビーム３０が使
用者端末４４によって占められているのかに依存して、
メッセージ交換による最適な数のサンプルが実行され
る。これは、図１１を参照して説明されたような位置決
定における最も大きな規定を与える。

【００７５】第４処理１０６が、その必要な機能を実行
すると、制御は第５処理１０８へ進む。第５処理１０８
では、図１１および図１４を参照して説明されたような
遅延測定のための最適な数のサンプルについて、図６を
参照して説明されたように、遅延測定が行われる。

【００７６】第４処理１０６および第５処理１０８は、
同時に実施される。サンプリング例の数は、特定のスポ
ットビーム３０に対して、図１２および図１３を参照し
て示されたようなドップラーシフト測定または遅延測定
のためのどちらか大きい方である。結果は、より少ない
数のみについて、必要とされるより小さい数まで分析さ
れる。後の結果は破棄される。

【００７７】第４処理１０６と第５処理１０８との関数
の和は、図１０を参照して説明された位置分析のスタイ
ルに基づいて、最良の評価を与えることが可能である。
図１０では、一定時間遅延の球面と一定ドップラーシフ
トの円錐体とが地球１４の表面に交差している。

【００７８】第５処理１０８の終了において、制御は第
６処理１１０へ進められる。第６処理１１０では、全て
の必要な通信処理が実行される。この通信処理は、電話
の呼び出し、または、位置および状態の更新のための要
求、または、必要とされる他の全てを含む。「第６処理
１１０の必要な処理が終了した」ということを、第３判
断１１２が示すと、制御は第１処理９６へ戻る。第１処
理９６では、地球局３８は、もう一度、衛星１０を通し
て、使用者端末４４に対して受信する。

【００７９】第２判断１０２へ戻り、「単一の衛星だけ
が存在するのではない」ということが検出されたなら
ば、制御は第４判断１１４へ進められる。第４判断１１
４は、２以上の衛星が存在するか否かを判断する。もし
「複数の利用可能な衛星１０が存在する」ということ
を、第４判断１１４が検出したならば、制御は第７処理
１１６へ進む。第７処理１１６では、地球局３８が、各
衛星に対する複数のスポットビーム３０の内のどのスポ
ットビームに対して使用者端末４４がアクセス可能であ
るかを、地球局コントローラ５６を介して判断する。そ
の後、制御は第８処理１１８へ進む。第８処理１１８で
は、地球局３８は、図６とそれに関連する説明に従っ
て、かつ、図１０，図１３とそれらに関連する説明に従
って、最適な数の無線バーストを、各衛星１０と交換す
る。一旦、第８処理１１８によって使用者端末４４の位
置が判断されると、制御は第６処理１１０へ進み、その
後、先に説明されたように、第１処理９６へ戻る。

【００８０】もし、第４判断１１４が利用可能な衛星を
発見しないならば（これは、まれな状況であるが、環境
的な障害による可能性がないわけではない）、制御は第
９処理１２０へ進む。第９処理１２０では、全体的な動
作が中断される。そして、制御は、第１０処理へ進む。
第１０処理では、地球局３８は、第２処理１００におい
て実行された単一バーストドップラーシフト測定および
遅延測定に基づいて、使用者端末４４の大まかな位置を
仮定する。

【００８１】第１０処理１２２の後、制御は、第６処理
１１０へ進む。第６処理１１０は、全ての必要な処理を
実行する。この処理とは、この例では、地球局３８が使
用者端末４４との交信を確立することを試みることでも
よく、または、おそらく、地球局３８が何もしないこと
でさえあってもよい。

【００８２】そして、制御は、第１処理９６へ戻る。

【００８３】図１６は、地球１４の表面における使用者
端末４４を位置を突き止めるためのさらに他の方法にお
いて、地球局３８と協力する場合における使用者端末４
４の動作を示す。

【００８４】個々の衛星１０は、周期的な間隔で、全て
のスポットビーム３０上に、全ての使用者端末４４によ
って受信されることが意図された同報通信メッセージを
送出する。各衛星からの同報通信メッセージは、元々、
地球局３８から生じ、かつ、同報通信メッセージがどの
衛星から生じたのかを識別する情報を含む。図６を参照
して説明されたように、地球局は、地球局自身と衛星１
０との間の正確な距離を知るので、同報通信メッセージ
の送信の時間は、正確に知られる。同様に、図１４に示
されるように、異なる地球局３８’は、同報通信メッセ
ージを提供するよう、異なる衛星１０’に対して指示す
ることができる。各地球局３８’は、全ての時間におい
て、衛星１０の位置を知り、かつ、同報通信メッセージ
が生じた地球局３８，３８’の識別子を知る。他の方法
として、同報通信メッセージもまた、その同報通信メッ
セージがどの地球局から生じたのかに関する表示を具備
することができる。

【００８５】いずれにしても、使用者端末４４上におけ
る衛星１０からの「伝搬遅延」測定の分類分けを効果的
に行うために、使用者端末４４における同報通信メッセ
ージの到達の時間を記録することと、どの衛星１０から
同報通信メッセージが生じるかを知ることとは単に必要
である。もう一度述べるが、固定遅延の階層は、距離的
には、中心の衛星１０に関する使用者端末４４の潜在的
位置を説明し、かつ、使用者端末４４は、衛星１０上に
中心を置かれた階層の（地球１４の表面との）交差の線
上に位置することができる。

【００８６】図１６にもう一度戻ると、第１１処理１２
４において、使用者端末は、「衛星が受信された」とい
うことを第５判断１２６が検出するまで、衛星１０から
同報通信メッセージを受信する。そして、制御は第１２
処理１２８へ進む。第１２処理１２８では、使用者端末
は、内部クロックを使用して、メッセージが生じた特定
の衛星１０の識別子と共に、衛星１０からのメッセージ
の受信の瞬間を記録および記憶する。使用者端末４４
は、受信されるべき最後のいくつかの衛星１０の記録を
保持する。

【００８７】そして、制御は、第６判断１３０へ進む。
第６判断１３０は、衛星１０へ応答することを（使用者
端末４４が）要求されているか否かを調べるために、チ
ェックする。もし、応答が要求されていないならば、制
御は、第１１処理１２４へ戻る。第１１処理１２４で
は、使用者端末は、もう一度、衛星１０から、同報通信
メッセージを受信する。

【００８８】「使用者端末４４が（たぶん通信目的また
は登録目的のために）ある方法で応答することを要求さ
れている」ということを第６判断１３０が判断したなら
ば、制御は、第７判断１３２へ進む。第７判断１３２
は、１つのみの衛星１０が認識可能であるのかまたは２
以上の衛星１０が認識可能であるのかを調べるために、
チェックする。このことは、第１２処理１２８において
編集されたリストから確定されることができる。

【００８９】「１つのみの衛星が認識可能である」とい
うことを、第７判断１３２が検出したならば、制御は、
第１３処理１３４へ進む。第１３処理１３４では、使用
者端末４４は、図６〜図１３を参照して示されたよう
に、遅延測定およびドップラー測定に応答する。使用者
端末４４は、また、地球局３８へ、第１２処理１２８に
よって収集された（時間と受信衛星１０の識別子との）
リストを送る。

【００９０】そして、地球局コントローラ５６は、これ
らの測定の全てを結合し、かつ、地球１４の表面上の使
用者端末４４の位置を知る。次に、制御は、第１４処理
１３６へ進む。第１４処理１３６では、第８判断１３８
が「動作が終了した」ということを検出しかつ制御を第
１１処理１２４へ戻すまで、使用者端末４４は、使用者
端末４４に関して要求されたあらゆる動作を続行する。
第１１処理１２４では、使用者端末４４は、衛星１０か
らのメッセージを受信する。

【００９１】「２以上の衛星が存在する」ということ
を、第７判断１３２が検出したならば、制御は、第１５
処理１４０へ進む。第１５処理１４０では、使用者端末
４４は、図１４および図１５を参照して説明されたよう
に、各々の衛星１０，１０’からの伝搬遅延測定に応答
する。使用者端末４４は、また、衛星同報通信メッセー
ジの受信および識別の時間の間に、第１２処理１２８に
おいて収集されたリストの内容を、地球局３８へ報告す
る。

【００９２】この時点において、使用者端末４４が相互
作用している地球局３８は、地球１４の表面に沿った使
用者端末４４の位置を判断するために十分な情報を有し
ている。

【００９３】第１５動作１４０が完了すると、制御は、
第１４動作１３６へ進む。第１４動作１３６は、使用者
端末が実行することを要求されている全ての動作を続行
し、そして、第８判断１３８を介して、制御を第１１処
理１２４へ戻す。第１１処理１２４では、使用者端末４
４は、衛星１０からの同報通信メッセージを受信するこ
とを続ける。

【００９４】「もし、第１２処理１２８によって列挙さ
れた十分な読み出しが存在するならば、かつ、使用者端
末４４が終始何等重大な距離を移動していないならば、
地球１４の表面上の使用者端末４４の位置は、第１２処
理１２８によって収集された記録に単に基づいて、十分
かつ正確に測定される。故に、第１５動作１４０におい
て認識可能な各衛星からの遅延を測定する必要性、また
は、第１３動作１３４において遅延測定と共にドップラ
ー測定を実行する必要性をなしで済ます」ということが
注目されるべきである。

【００９５】同様に、第１３動作１３４において、も
し、組み合わされた伝搬遅延測定とドップラー周波数シ
フト測定とが、（第１２処理１２８によって集められた
同報通信受信時刻と衛星識別子とのリストから判断され
るような）一定遅延の階層の交差に起因する位置に大ま
かに対応する位置を生じるならば、かつ、この後者の判
断がより正確ならば、地球局３８は、その地球局コント
ローラ５６を通して、後者の判断を使用することを選択
する。

【００９６】第１２処理１２８によるリストの編集の他
の極端に重大な要素、および、それが第１３処理１３４
と第１５動作１４０とによって報告されることは、非常
に単純に「地球の表面上の使用者端末４４の位置は、
（もはや使用者端末４４に対して認識可能でない）衛星
１０を使用して測定されることができる」ということで
ある。このことは、「位置判断のために使用される衛星
１０が使用者端末４４に対して認識可能であるべきであ
る」ということを要求する他の全ての方法とは対照的で
ある。

【００９７】使用者端末４４は、内部クロックを具備す
る。このクロックは、当然のことながら、相対的な誤差
を有する。地球局３８は、地球局コントローラ５６との
組み合わせにおいて、非常に正確なクロックを有する。
第１２処理１２８で集められたリストを地球局３８が適
切に使用するために、使用者端末上のクロックにおける
誤差を訂正することが必要である。これは非常に簡単に
行われる。地球局３８は、第１既知瞬間において、使用
者端末４４のクロック上の時間を地球局３８へ示すこと
を、使用者端末４４に対して要求する。地球局３８は、
地球局３８自身と使用者端末４４との間の伝搬遅延を知
る。故に、使用者端末４４による応答時間は、非常に正
確に知られる。使用者端末のクロックがそうであるべき
と信じる時間を記録した後、地球局３８および地球局コ
ントローラ５６は、予め決定された期間（たぶん１秒）
を待機する。そして、使用者端末がそうであると考える
時間を（使用者端末４４が）地球局３８にもう一度告げ
ることを要求する。故に、地球局３８は、使用者端末４
４上のクロックの特性変化の比率と収集されたタイミン
グ誤差とが判断されることができる２つの読み出しを有
する。故に、地球局３８は（地球局コントローラ５６を
伴って）、既知の特性変化および誤差を使用して、第１
２処理１２８によって生成されたリスト内に記録された
時間を推定することができる。そして、訂正された時間
は、特定の同報通信メッセージの（各衛星１０からの）
送信の既知時間と比較される。そして、地球局コントロ
ーラ５６は、各衛星と使用者端末との間の伝搬遅延を計
算できる。各衛星の位置は正確に知られているので、同
報通信を行っている特定の衛星からの使用者端末４４の
範囲を判断することは可能である。

【００９８】地球１４の表面上の使用者端末４４の位置
を判断するために、先に説明された測定は、単独で、ま
たは、複数で、または、あらゆる組み合わせで、使用さ
れることができる。もし２つの衛星が認識可能ならば、
本発明は、また、使用者端末４４の位置を判断するため
に、各々の衛星からのドップラー周波数シフト測定を使
用する可能性を具備する。

【００９９】このように、使用者端末が地球の表面上で
静止しているという仮定において、使用者端末の位置が
どのようにして判断されるのかを説明してきたが、以下
の説明は、本発明の主題事項に関する。

【０１００】図１０の調査は、ドップラーシフト区分線
８４を、±３０Ｈｚの周波数誤差によって引き起こされ
る位置誤差を示す線の対として示す。最悪の場合におい
て、図１０の基線（水平軸または地上軌道７８）に沿っ
て、地上軌道７８上の最下点５０から約６０００ｋｍで
は、誤差は、±２００ｋｍと同じ大きさに（または、よ
り大きく）なる。これは最悪の場合であり、かつ、他の
全ての位置では、位置誤差はより小さい。それにもかか
わらず、２００ｋｍ／３０Ｈｚの誤差では、ドップラー
移動によって引き起こされる位置読み出し誤差は、約７
ｋｍ／Ｈｚという最悪の場合で考慮すべきである。

【０１０１】低い（非相対性理論の）速度では、移動に
よるドップラーシフトに関する式は、発信源の光速の比
例によって乗算されたオリジナル周波数である。本発明
のいま問題としている実施形態では、ドップラーシフト
を評価する場合に使用者端末４４および衛星１０によっ
て使用されるオリジナル周波数は、２ＧＨｚである。光
の速度は、３億メートル／秒である。これらの数量は、
使用者端末４４が、衛星１０へ向かってまたは衛星１０
から離れて（衛星１０に関して）移動している各メート
ル／秒に対して（およそ）６．７Ｈｚの誤差を与える。
２００ｋｍ／３０Ｈｚの誤差比率では、追加の（使用者
端末４４の）移動による位置誤差が、約５０ｋｍ／ｍ／
秒になる。コサイン法則が普及している。もし、使用者
端末４４が、衛星１０と使用者端末との間の線を渡って
移動しているならば、誤差は存在しない。もし、使用者
端末４４が、衛星１０と使用者端末４４との間の線に沿
って移動しているならば、誤差は最大である。これら２
つの端の間において、衛星１０と使用者端末４４との間
の線に関する使用者端末４４の移動の間における角度の
コサインに従って、寄与が測定される。

【０１０２】この誤差を補償するために、使用者端末４
４の速度の成分を計算または評価すること、および、測
定された位置に適した訂正を適用することが必要であ
る。この成分は、最下点と使用者端末４４との間の線に
平行である。

【０１０３】図１７は、地球１４の表面に関する使用者
端末４４の移動の影響を生成する誤差を排除するために
衛星１０が使用されることができる方法の概要図であ
る。

【０１０４】軌道１２内の第１衛星位置１４２におい
て、衛星１０は、先に説明されたように、第１現実位置
１４４における使用者端末４４上で、ドップラー周波数
シフトレンジングオペレーション（doppler frequency
shift ranging operation ）を実行する。第１現実位置
１４４は、衛星１０の軌道に対して角度Ｂ（１）で下に
延びている。地球１４の表面に関する使用者端末４４の
移動によって引き起こされるドップラーシフトのため
に、かつ、他の全ての周波数オフセットまたは誤差のた
めに、使用者端末４４は、第１外見位置１４６に存在す
るようにみえる。第１外見位置１４６は、衛星１０の軌
道１２に関して角度Ｂ（１）’で下に延びている。

【０１０５】時間Ｔの経過の後、衛星１０は、地球１４
の表面上の使用者端末４４の位置を評価するために、ド
ップラーシフトを再び使用する。時間Ｔにおいて、使用
者端末は、衛星１０の地上軌道４８に沿って、距離Ｄを
移動している。「使用者端末４４の移動が、地球１４の
表面に関して、間隔Ｔの間、一定のままである」と仮定
するならば、元々の誤差は固定されたままである。この
ことは、「第２実際位置１４８において使用者端末４４
の位置を突き止める代わりに、使用者端末４４は、最下
点５０と使用者端末４４との間の線に関する第２外見位
置１５０に存在するようにみえる」ということを意味す
る。第２実際位置１４８は、衛星１０の軌道１２に対し
て角度Ｂ（２）で下に延びている。第２外見位置１５０
は、衛星１０の軌道１２に対して角度Ｂ（２）’で下に
延びている。ここで、もし、使用者端末４４が移動して
いないならば、周波数誤差の不変性は、「第１実際位置
１４４と第１外見位置１４６との間の距離が、第２実際
位置１４８と第２外見位置１５０との間の距離と本質的
に同じである」ということを保証する。しかしながら、
使用者端末は、２つの測定の間の距離Ｄだけ移動してい
る。このことは、最下点５０と使用者端末４４との間の
線に沿った評価された位置における直接変化として検出
される。使用者端末４４の移動に関する訂正を行う際
に、使用者端末４４と最下点５０との間の線に平行な
（使用者端末４４の移動の）部分を発見することが単に
必要である。ドップラー区分線８４に沿って地上軌道へ
戻る２つの発見された位置を（図１０におけるように）
推定することによって、距離Ｄが得られる。このこと
は、結果として、地上軌道４８に沿った固定時間（Ｔ）
における使用者端末４４の位置の変化（Ｄ）の評価にな
り、かつ、簡単な比率 Ｖ（ｕｔ）＝（Ｄ／Ｔ） による（地上軌道４８に沿った）速度成分の測定にな
る。

【０１０６】故に、速度を知ると、 Ｄｅｌｔａ（ｆ）＝Ｆ（Ｖ（ＵＴ）／Ｃ） から、生成された周波数における変化を計算することが
可能である。

【０１０７】そして、この周波数誤差（Ｄｅｌｔａ
（ｆ））は、使用者端末４４の位置が測定から計算され
る場合に行われる計算において取り除かれる。故に、使
用者端末の新たに発見された位置が、第１外見位置１４
６よりも、第１実際位置１４４に近いように、第１測定
は修正される。同様に、第２測定の修正は、第２発見位
置を発見する。第２発見位置は、第２外見位置よりも、
第２実際位置に近い。この方法では、第１実際位置１４
４および第２実際位置１４６に対してより近くに存在す
るために、第１外見位置および第２外見位置における位
置評価（１４６，１５０）からドップラーシフトの成分
を取り除くことが可能である。

【０１０８】先に述べられたように、訂正は、近似であ
るだけであり、かつ、使用者端末４４と最下点５０との
間の線に沿った使用者端末４４の横切る移動を補償する
だけである。訂正された位置は、誤差が含む真の測定と
同じほど正確というわけではない。

【０１０９】この不正確さを克服するために、かつ、技
術を改良するために、上述された処理が複数の回数にわ
たって繰り返される。各繰り返しは、以前の処理の訂正
に起因する（使用者端末４４に対する）位置を仮定す
る。続いて起こる各処理もまた、使用者端末４４の移動
の速度と方向とを評価し、かつ、次の測定時に使用者端
末４４が存在すると予期される場所を計算する。次に続
く位置間の変化が、予め決定された許容可能な低い数量
に達すると、繰り返される処理は停止され、かつ、地球
１４の表面上の使用者端末４４の位置は発見されたとみ
なされる。この位置間の変化は、使用者端末の既知の
（評価された）速度によって修正され、予期される位置
と比較される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 地球の周りに配置された衛星の平面の一団を
示す説明図である。

【図２】 直交軌道平面内に衛星がどのようにして配置
されているのかを図解する説明図である。

【図３】 各衛星によって提供される無線範囲の円錐体
の構造を示す説明図である。

【図４】 無線範囲の円錐体がどのようにして地球の表
面と相互作用しているかを示す説明図である。

【図５】 地球の表面上空における衛星の（上から見
た）図である。

【図６】 地球局が衛星を介して使用者端末と交信する
全般的な状況を示す説明図である。

【図７】 衛星に対するドップラー周波数シフト測定の
形状を示す説明図である。

【図８】 地球局と衛星との間のテスト信号の交換を概
要的に示す説明図である。

【図９】 較正された衛星がどのようにして使用される
のかを概要的に示す説明図である。

【図１０】 ドップラー周波数シフトと伝搬遅延との交
差線がどのようにして使用されるのかを示すグラフであ
る。

【図１１】 位置の最良評価のための最適数のサンプル
の導出を示すグラフである。

【図１２】 ドップラー周波数シフト平均化のための導
出された最適数のサンプルを示すグラフである。

【図１３】 伝搬遅延平均化のための導出された最適数
のサンプルを示すグラフである。

【図１４】 使用者端末が２以上の衛星への直接アクセ
スを有する状況を示す説明図である。

【図１５】 １つの衛星（もし可能ならば、２以上の衛
星）を使用して地球の表面上の使用者端末の位置を判断
する場合における地球局の動作のフローチャートであ
る。

【図１６】 地球の表面上の使用者端末の位置を判断す
る際に、地球局が計時された同報通信を組み込む方法を
示すフローチャートである。

【図１７】 地球の表面に関する使用者端末の全ての移
動が（改良された）位置評価を補償する状況を示す説明
図である。

【符号の説明】

１０，１０’……通信衛星、 １２，１２’……軌道、
１４……地球、１６，７２……円錐体、 ２４……赤
道、 ３０……スポットビーム、３６……ダウンリンク
アンテナ、 ３８，３８’……地球局、４０……アップ
リンクアンテナ、 ４２……加入者アンテナ、４４……
使用者端末

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地球の表面上の使用者端末の位置を判断
   するための信号の特性を測定する測定動作を実行するた
   めに、地球の表面上の使用者端末が衛星を介して地球局
   と信号を交換するように動作する衛星通信システムにお
   いて、 前記測定動作は衛星と使用者端末との間のドップラー周
   波数シフトの測定を備え、 地球の表面上の前記使用者端末の評価され改善された位
   置を確定するために、ドップラー周波数シフトの前記測
   定は前記衛星と前記使用者端末との間の方向を横切る使
   用者端末速度の成分を評価するために使用されることを
   特徴とする衛星通信システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載のシステムにおいて、 続いて起こる現在の計算された位置間の差異が予め決定
   された誤差より小さく離れるまで、前記現在の計算され
   評価され改善された位置は、地球の表面上の前記使用者
   端末に対する初期評価位置として、繰り返しかつ置き換
   えて使用されることを特徴とするシステム。
3. 【請求項３】 請求項２記載のシステムにおいて、 地球の表面に関する前記使用者端末の速度もまた現在計
   算され、かつ、 前記使用者端末の現在の計算された位置は、前記現在の
   計算された速度に起因する位置の変化を具備するため
   に、続いて起こる測定動作の時刻において推定されるこ
   とを特徴とするシステム。
4. 【請求項４】 請求項１記載のシステムにおいて、 前記使用者端末と前記地球局との間の前記交換されたメ
   ッセージは、前記使用者端末に関する前記衛星の移動に
   よるドップラーシフトを測定することに適応され、か
   つ、前記地球局と前記使用者端末との間の無線伝搬遅延
   を測定することに適応されることを特徴とするシステ
   ム。
5. 【請求項５】 請求項１記載のシステムにおいて、 前記衛星は信号を第１生成周波数上で前記地球局へ送信
   するように動作し、かつ、 地球局は信号を第１既知周波数で前記衛星へ送信するよ
   うに動作し、かつ、 前記衛星は、第１既知周波数の前記信号を転置（transp
   ose）するために、かつ、転置された信号を第１転置周
   波数上で前記地球局へ戻すために、内部発振器を使用す
   るように動作し、 前記地球局は、前記第１生成周波数および前記第１転置
   周波数を測定するように動作し、かつ、前記第１生成周
   波数および前記第１転置周波数から前記地球局と前記衛
   星との間のドップラーシフトと前記衛星内の前記内部発
   振器における誤差とを取り出すように動作することを特
   徴とするシステム。
6. 【請求項６】 請求項５記載のシステムにおいて、 前記地球局は、前記ドップラーシフトと前記衛星内の前
   記内部発振器における前記誤差とを取りだした後、前記
   衛星が信号を第２既知周波数で前記使用者端末へ送信す
   ることを引き起こすように動作し、かつ、 前記使用者端末は、第２既知周波数の前記信号を転置す
   るために、かつ、転置された信号を第２転置周波数上で
   前記衛星を通して前記地球局へ戻すために、内部発振器
   を使用するように動作し、かつ、 前記使用者端末は信号を第２生成周波数上で前記衛星を
   介して前記地球局へ送信するように動作し、 前記地球局は、前記第２転置周波数および前記第２生成
   周波数を測定するように動作し、かつ、前記第２転置周
   波数および前記第２生成周波数から前記衛星と前記使用
   者端末との間のドップラーシフトを取り出すように動作
   し、かつ、前記使用者端末内の内部発振器における誤差
   を取り出すように動作することを特徴とするシステム。
7. 【請求項７】 地球の表面上の使用者端末の位置を第１
   精度で判断するための信号の特性を測定する測定動作を
   実行するために、使用者端末は衛星を介して地球局と信
   号を交換するように動作する衛星通信システムの使用者
   端末の位置を判断する方法において、 衛星と使用者端末との間で通信された信号に対するドッ
   プラー周波数シフトを測定し、かつ、 前記使用者端末の位置を第１精度よりも高い第２精度で
   判断するために、ドップラー周波数シフトの測定に基づ
   いて、前記衛星と前記使用者端末との間の方向を横切る
   使用者端末速度の成分を評価することを特徴とする方
   法。