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技術 衛星のコンステレーションを用いる固定端末の位置決定方法

出願人 アルカテル-ルーセント
発明者 フランソワ・デユルネジヤツク・ブスケ
出願日 1998年8月24日 (22年4ヶ月経過) 出願番号 1998-236964
公開日 1999年5月21日 (21年7ヶ月経過) 公開番号 1999-133132
状態 未査定
技術分野 無線による位置決定
主要キーワード 円形表面 各固定端末 時間修正 事前補償 ゲートウェイ局 球モデル 位置決定ステップ 関連要素
関連する未来課題
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この項目の情報は公開日時点(1999年5月21日)のものです。
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図面 (12)

課題

解決手段

「中間」位置決定段階の間、端末は端末の「粗い」推定位置既知であると仮定して少なくとも三つの双曲面およびその交点を計算する。それぞれの双曲面は次のように記述される。

Hi,j=dj−di=(tj’−tj)・c−(ti’−ti)・c

上式で、diは時刻tiにおける端末とi番目アクティブな衛星の位置piとの距離であり、djは時刻tjにおける端末とj番目のアクティブな衛星の位置pjとの距離であり、tiおよびtjは、それぞれi番目とj番目の情報の衛星によるi番目およびj番目の送信時刻であり、ti’およびtj’は端末によるi番目およびj番目の情報のi番目およびj番目の受信時刻であり、cは光速である。

概要

背景

従来の衛星通信システムは、非静止衛星(例えば、低軌道にある64個の衛星)のコンステレーション(constellation)、複数のゲートウェイ局および複数の固定端末を含む。それぞれのゲートウェイ局は個別の地理的なセル(geographical cell)(「スポット」)に関連付けられ、地上遠隔通信ネットワークに接続されている。各端末は衛星経由でその端末があるセルのゲートウェイ局(および結果的に地上遠隔通信ネットワーク)と通信する。各衛星はゲートウェイ局に関してアクティブな場合、そのカバレージエリアの一つまたは複数の固定端末へ送信する情報をゲートウェイ局から受信する。各衛星はゲートウェイ局に関してアクティブな場合、そのカバレージエリアの各固定端末から受信する情報をゲートウェイ局へ送信する。衛星はゲートウェイ局から観測できる場合に限ってゲートウェイ局に関してアクティブであることができる。

より詳細に言えば、本発明は上記の種類の衛星通信システムの固定端末の位置決定方法に関する。

さまざまな理由から、本システムの各固定端末の位置を知ることが必要である。例えば、この方法によって固定端末の同期化が可能になり、衛星が異なる固定端末が送信する信号を受信する場合の信号の相互干渉を防止または緩和することができる。またこの方法によって各固定端末が属する課金エリア(charging area)を決定することができる。

ここで言う端末とは固定端末であることに注意されたい。したがって、この端末は最初に設置された際、または端末が移動されて設置される(例えばある家から別の家へ)たびに位置決定される。

固定端末の位置決定をするという問題の従来技術の第一の解決策は、衛星測位システム(Global Positioning System,GPS)またはグローバルナビゲーション衛星システム(Global Navigation Satellite System, GLONASS)などの既存の一つの位置決定システム受信機を固定端末の中に提供することにある。

この従来技術の第一の解決策には、きわめて高価であるという主要な不利益がある。GPSまたはGLONASS受信機は「消費者向け」固定端末と比較してあまりに高価である。また、固定端末は設置される際にのみ位置決定されるため、固定端末に専用の位置決定受信機を追加することはその使用につり合わない投資を意味する。

従来技術の第二の解決策は、既存のインフラストラクチャ(特に位置決定する固定端末およびコンステレーションのある種の衛星)と本来周知の到来角(Angle Of Arrival, AOA)または到来時刻差(Time Difference Of Arrival,TDOA)位置決定技法とを採用することである。

AOA技法を使用した場合、端末の位置は異なる衛星からの信号の到来角を結合することで決定される。TDOA技法を使用した場合、端末の位置は異なる衛星からの信号の到着時刻差を結合することで決定される。

上記の第一の解決策とは異なり、この従来技術の第二の解決策は専用の位置決定受信機(GPSまたはGLONASSタイプの)を必要としない。

にもかかわらず、いずれの位置決定技法(AOAまたはTDOA)を使用しても、この従来技術の第二の解決策は実施が困難である。AOA技法では方位角および仰角でのアンテナの正確な参照が必要で、TDOA技法では各衛星の送信機を同期化させる必要がある。これらのさまざまな条件はシステムのコストを大幅に引き上げない限り不可能とは言わないまでも困難である。再び、固定端末の位置決定は設置時にのみ行われるため、過剰な投資を引き出すことはできない点に注意すべきである。

概要

遠隔通信システムの固定端末の位置決定方法を提供する。

「中間」位置決定段階の間、端末は端末の「粗い」推定位置既知であると仮定して少なくとも三つの双曲面およびその交点を計算する。それぞれの双曲面は次のように記述される。

Hi,j=dj−di=(tj’−tj)・c−(ti’−ti)・c

上式で、diは時刻tiにおける端末とi番目のアクティブな衛星の位置piとの距離であり、djは時刻tjにおける端末とj番目のアクティブな衛星の位置pjとの距離であり、tiおよびtjは、それぞれi番目とj番目の情報の衛星によるi番目およびj番目の送信時刻であり、ti’およびtj’は端末によるi番目およびj番目の情報のi番目およびj番目の受信時刻であり、cは光速である。

目的

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服することである。

より詳細に言えば、本発明の目的は実施が簡単でコストが安い衛星通信システムの固定端末の位置決定方法を提供することである。

本発明の別の目的は、固定端末に専用のGPSまたはGLONASS位置決定受信機を必要としない上記の種類の方法を提供することである。

本発明の別の目的は、固定端末に厳格な条件を課すことなく(正確な方位角参照が不要で)または衛星(同期化させる必要がない)に厳格な条件を課すことなく、システムの既存のインフラストラクチャを採用する上記の種類の方法を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

衛星のコンステレーションと、それぞれが個別の地理的なセルに関連付けられ、地上遠隔通信ネットワークに接続された複数のゲートウェイ局と、複数の固定端末とを備えた衛星通信システムの固定端末の位置決定を行う方法であって、該衛星通信システムは、一つまたは複数の衛星が、所与のゲートウェイ局から観測できる場合にのみそのゲートウェイ局に関してアクティブであり、各衛星が、それに関してアクティブであるゲートウェイ局から情報を受信し、その情報をそのカバレージエリア内の一つあるいは複数の固定端末へ送信し、各衛星がそのカバレージエリア内の固定端末から情報を受信して、それに関してアクティブであるゲートウェイ局へその情報を送信するシステムであり、該方法は、i 第一の時刻t1’に、前記固定端末が、第一のアクティブな衛星から、前記第一のアクティブな衛星による第一の情報の送信時刻t1と前記時刻t1における前記第一のアクティブな衛星の位置p1とに関する第一の情報を受信するステップと、ii 前記第一の時刻t1’と同じまたは近接した第二の時刻t2’に、前記固定端末が、第二のアクティブな衛星から、前記第二のアクティブな衛星による第二の情報の送信時刻t2と前記時刻t2における前記第二のアクティブな衛星の位置p2とに関する第二の情報を受信するステップと、iii 前記固定端末が前記固定端末が位置している第一の双曲面H1,2を次式によって計算するステップであって、H1,2=d2−d1=(t2’−t2)・c−(t1’−t1)・c上式で、d1は時刻t1における固定端末と前記第一のアクティブな衛星の位置p1との距離であり、d2は時刻t2における固定端末と前記第二のアクティブな衛星の位置p2との距離であり、t1およびt2はそれぞれ前記第一および第二の衛星による第一および第二の送信時刻であり、t1’およびt2’は固定端末による第一および第二の受信時刻であり、cは光速であるステップと、iv 前記固定端末が、ステップiからiiiを少なくとも二回繰り返して、前記固定端末が位置する少なくとも第二および第三の双曲面を計算するステップと、v 前記固定端末が、前記固定端末の「粗い」推定位置既知であると仮定して、前記第一の双曲面と少なくとも第二および第三の双曲面との交点を計算して「中間」推定位置を決定するステップとを含む「中間」位置決定段階を含む方法。

請求項2

前記ステップivで、前記第一および第二の衛星とは別個の一対の衛星と、一方が前記第一および第二の衛星の一つであり、他方が前記第一および第二のとは別個である一対の衛星とを含む群に属する一対の衛星を使ってステップiからiiiをそれぞれ新たに繰り返す請求項1に記載の方法。

請求項3

前記「中間」位置決定段階がさらに、vi 前記固定端末が、前記「粗い」推定位置ではなく先行の「中間」予測位置を使って、ステップiからvを少なくとも一回繰り返して新しい「中間」推定位置を得るステップを含む請求項1に記載の方法。

請求項4

前記第一および第二の衛星がそれに関してアクティブなゲートウェイ局が、前記第一および第二の衛星による送信後に、前記第一および第二の情報が前記ゲートウェイ局によってほぼ同時に受信されるように時間的事前補償をかけて第一および第二の情報を送信する請求項1に記載の方法。

請求項5

第一および第二のアクティブな衛星からなる一対の衛星が、二つの衛星が常に同時にアクティブである複数対の衛星と、それぞれ出てゆく衛星と進入してくる衛星との二つの衛星が、衛星間のハンドオフの間に除外的に同時にアクティブとなって、ゲートウェイ局が観測できなくなりつつある出てゆく前記アクティブな衛星を次第に観測できるようになる進入してくる前記アクティブな衛星に切り替えることができる、複数対の衛星と、を含む群に属する請求項1に記載の方法。

請求項6

それぞれの固定端末が、少なくとも二つの異なる衛星から送信される情報を同時に受信する手段を備える請求項1に記載の方法。

請求項7

少なくとも二つの異なる衛星から送信される情報を同時に受信する前記手段が、別個の衛星を指向する少なくとも二本の指向性アンテナを備える請求項6に記載の方法。

請求項8

前記「中間」位置決定段階の前に、a 前記固定端末が、その方位角θを変更して所定の仰角αの衛星を探索して捕捉するステップと、b 前記固定端末が、捕捉した前記衛星から捕捉した前記衛星の位置に関する情報を受信するステップと、c 前記固定端末が、捕捉した衛星の位置に関する前記情報から、所定の地球モデル投影され前記固定端末が位置する等仰角表面を計算するステップと、d 前記固定端末が、前記固定端末が位置する少なくとも二つの他の等仰角表面を計算するためにステップaからcを少なくとも二回繰り返すステップと、e 前記固定端末が、少なくとも三つの等仰角表面の交点を計算して「粗い」推定位置を決定するステップとを含む、「粗い」位置決定段階を含む請求項1に記載の方法。

請求項9

ステップaからcの連続する繰り返しの間に捕捉された少なくとも三つの前記衛星のうちで少なくとも一つが、前記固定端末から見て他の二つの衛星の方位角から少なくとも10°離れた方位角θを備える請求項8に記載の方法。

請求項10

前記ステップaで、前記二つの指向性アンテナが同じ仰角で回転し、方位角θを中心に約180°をそれぞれカバーする請求項8に記載の方法。

請求項11

前記「中間」位置決定段階に続いて、1 前記固定端末が位置する地理的なセルに関連付けられたゲートウェイ局が、前記ゲートウェイ局に関してアクティブな衛星を経由して所定のメッセージを前記固定端末へ送信するステップと、2 前記固定端末が所定のメッセージを受信し、前記コンステレーションの衛星のその「中間」推定位置およびリアルタイムの位置を知って、前記アクティブな衛星経由で前記ゲートウェイ局へ、特に前記所定のメッセージの受信と前記応答メッセージの送信の時間間隔を示す応答メッセージを生成し送信するステップと、3 前記ゲートウェイ局が、前記応答メッセージから前記固定端末のタイミン繰り上げに関する情報を計算するステップと、4 前記ゲートウェイ局が、前記アクティブな衛星を経由して前記固定端末へタイミング繰り上げに関する前記情報を送信するステップと、5 前記固定端末が、タイミング繰り上げに関する前記情報と前記「中間」推定位置とから、その「精細」推定位置を計算するステップとを含む「精細」位置決定段階を含む請求項1に記載の方法。

請求項12

前記「精細」位置決定ステップがさらに、0 前記固定端末が、前記アクティブな衛星経由で「中間」推定位置に関する情報を前記ゲートウェイ局へ送信するステップと、6 前記ゲートウェイ局が、前記アクティブな衛星経由で固定端末の前記「精細」推定位置を前記固定端末へ送信するステップとの予備および最終ステップを含み、さらにステップ5が、5 タイミング繰り上げおよび「中間」推定位置に関する前記情報から、前記ゲートウェイ局が固定端末の「精細」推定位置を計算するステップと差し替えられる請求項11に記載の方法。

請求項13

前記の「精細」位置決定段階がさらに、7 前記「中間」推定位置の代わりに先行の「精細」推定位置を使って、前記固定端末がステップ1から5または0から6を少なくとも一回繰り返して、新しい「精細」推定位置を得るステップを含む請求項11に記載の方法。

請求項14

ステップ7で、前記固定端末から見て少なくとも10°離れた方位角θおよび/または仰角αの位置にある同じ衛星を使ってステップ1から5または0から6を毎回新たに繰り返す請求項13に記載の方法。

請求項15

ステップ7におけるステップ1から5または0から6を、異なる衛星を使って毎回新たに繰り返す請求項13に記載の方法。

技術分野

0001

本発明の分野は衛星通信システムである。

背景技術

0002

従来の衛星通信システムは、非静止衛星(例えば、低軌道にある64個の衛星)のコンステレーション(constellation)、複数のゲートウェイ局および複数の固定端末を含む。それぞれのゲートウェイ局は個別の地理的なセル(geographical cell)(「スポット」)に関連付けられ、地上遠隔通信ネットワークに接続されている。各端末は衛星経由でその端末があるセルのゲートウェイ局(および結果的に地上遠隔通信ネットワーク)と通信する。各衛星はゲートウェイ局に関してアクティブな場合、そのカバレージエリアの一つまたは複数の固定端末へ送信する情報をゲートウェイ局から受信する。各衛星はゲートウェイ局に関してアクティブな場合、そのカバレージエリアの各固定端末から受信する情報をゲートウェイ局へ送信する。衛星はゲートウェイ局から観測できる場合に限ってゲートウェイ局に関してアクティブであることができる。

0003

より詳細に言えば、本発明は上記の種類の衛星通信システムの固定端末の位置決定方法に関する。

0004

さまざまな理由から、本システムの各固定端末の位置を知ることが必要である。例えば、この方法によって固定端末の同期化が可能になり、衛星が異なる固定端末が送信する信号を受信する場合の信号の相互干渉を防止または緩和することができる。またこの方法によって各固定端末が属する課金エリア(charging area)を決定することができる。

0005

ここで言う端末とは固定端末であることに注意されたい。したがって、この端末は最初に設置された際、または端末が移動されて設置される(例えばある家から別の家へ)たびに位置決定される。

0006

固定端末の位置決定をするという問題の従来技術の第一の解決策は、衛星測位システム(Global Positioning System,GPS)またはグローバルナビゲーション衛星システム(Global Navigation Satellite System, GLONASS)などの既存の一つの位置決定システム受信機を固定端末の中に提供することにある。

0007

この従来技術の第一の解決策には、きわめて高価であるという主要な不利益がある。GPSまたはGLONASS受信機は「消費者向け」固定端末と比較してあまりに高価である。また、固定端末は設置される際にのみ位置決定されるため、固定端末に専用の位置決定受信機を追加することはその使用につり合わない投資を意味する。

0008

従来技術の第二の解決策は、既存のインフラストラクチャ(特に位置決定する固定端末およびコンステレーションのある種の衛星)と本来周知の到来角(Angle Of Arrival, AOA)または到来時刻差(Time Difference Of Arrival,TDOA)位置決定技法とを採用することである。

0009

AOA技法を使用した場合、端末の位置は異なる衛星からの信号の到来角を結合することで決定される。TDOA技法を使用した場合、端末の位置は異なる衛星からの信号の到着時刻差を結合することで決定される。

0010

上記の第一の解決策とは異なり、この従来技術の第二の解決策は専用の位置決定受信機(GPSまたはGLONASSタイプの)を必要としない。

0011

にもかかわらず、いずれの位置決定技法(AOAまたはTDOA)を使用しても、この従来技術の第二の解決策は実施が困難である。AOA技法では方位角および仰角でのアンテナの正確な参照が必要で、TDOA技法では各衛星の送信機を同期化させる必要がある。これらのさまざまな条件はシステムのコストを大幅に引き上げない限り不可能とは言わないまでも困難である。再び、固定端末の位置決定は設置時にのみ行われるため、過剰な投資を引き出すことはできない点に注意すべきである。

発明が解決しようとする課題

0012

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服することである。

0013

より詳細に言えば、本発明の目的は実施が簡単でコストが安い衛星通信システムの固定端末の位置決定方法を提供することである。

0014

本発明の別の目的は、固定端末に専用のGPSまたはGLONASS位置決定受信機を必要としない上記の種類の方法を提供することである。

0015

本発明の別の目的は、固定端末に厳格な条件を課すことなく(正確な方位角参照が不要で)または衛星(同期化させる必要がない)に厳格な条件を課すことなく、システムの既存のインフラストラクチャを採用する上記の種類の方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0016

これ以後明らかになるであろう上記の目的およびその他の目的は、衛星のコンステレーションと、それぞれが個別の地理的なセルに関連付けられ、地上遠隔通信ネットワークに接続された複数のゲートウェイ局と、複数の固定端末とを備えた衛星通信システムの固定端末の位置決定を行う方法であって、該衛星通信システムは、一つまたは複数の衛星が、所与のゲートウェイ局から観測できる場合にのみそのゲートウェイ局に関してアクティブであり、各衛星が、それに関してアクティブであるゲートウェイ局から情報を受信し、その情報をそのカバレージエリア内の一つまたは複数の固定端末へ送信し、各衛星がそのカバレージエリア内の固定端末から情報を受信して、それに関してアクティブであるゲートウェイ局へその情報を送信するシステムであり、以下のステップを含む「中間」位置決定段階を備える衛星通信システムの固定端末の位置決定を行う方法によって本発明に従って達成される。

0017

i 第一の時刻t1’に、端末が、第一のアクティブな衛星から第一のアクティブな衛星による第一の情報の送信の時刻t1と時刻t1における第一のアクティブな衛星の位置p1とに関する第一の情報を受信するステップ;
ii 第一の時刻t1’と同じまたは近接した第二の時刻t2’に、端末が、第二のアクティブな衛星から第二のアクティブな衛星による第二の情報の送信の時刻t2と時刻t2における第二のアクティブな衛星の位置p2とに関する第二の情報を受信するステップ;
iii 端末が、端末が位置している第一の双曲面H1,2を次式によって計算するステップ:
H1,2=d2−d1=(t2’−t2)・c−(t1’−t1)・c
上式で、
− d1は時刻t1における端末と第一のアクティブな衛星の位置p1との距離であり、
− d2は時刻t2における端末と第二のアクティブな衛星の位置p2との距離であり、
− t1およびt2はそれぞれ第一および第二の衛星による第一および第二の送信時刻であり、
− t1’およびt2’は端末による第一および第二の受信時刻であり、
− cは光速である。

0018

iv端末が、少なくとも二回、ステップiからiiiを繰り返して端末が位置する少なくとも第二および第三の双曲面を計算するステップ;
v 端末が、端末の「粗い」推定位置既知であると仮定して第一の双曲面と少なくとも第二および第三の双曲面との交点を計算して「中間」推定位置を決定するステップ。

0019

したがって、本発明の位置決定方法は、精度が、例えば、±300mの「中間」位置決定段階を含む。この「中間」位置決定段階の一般原理は、その位置の「粗い」予測値がすでに既知である(例えば±100kmの精度で)と仮定して、端末が位置する少なくとも三つの双曲面の交点を端末に計算させることにある。

0020

明らかにこの交点の決定に伴う不確実性は、双曲面の数が増えるにつれて減少する(例えば、最大100の双曲面を使用できる)。

0021

本発明の場合、端末は必ずしも同期化されていない二つの衛星から受信した情報を使ってそれぞれの双曲面を計算するため、本発明の方法は明らかに従来のTDOA技法とは区別されることに注意することが重要である。第一および第二の衛星による送信の時刻t1およびt2は、それぞれ必ずしも同じではない。

0022

このきわだった特徴は以下の表現で表すこともできる。本発明の各双曲面は、第一および第二の衛星の所与の単一の時刻における位置決定に従って計算されないため、本システムの実際のイメージに対応しない。本発明の各双曲面は、第一の所与の時刻t1における第一の衛星の位置p1および第二の所与の時刻t2における第二の衛星の位置p2に基づく本システムの「仮想」イメージに対応する。

0023

本発明が課す唯一の条件は、端末のクロックはそれぞれの衛星のクロックと比較してあまり正確でなくても、(t2’−t1’)の予測値が正確になるように、端末による受信時刻t1’およびt2’が同じか近接した間隔にある(例えば、数ミリ秒しか離れていない)ということである。

0024

ステップivで、
− 第一および第二の衛星とは別個の一対の衛星と、
− 一方が第一および第二の衛星の一つであり、他方が第一および第二の衛星とは別個である一対の衛星とを含む群に属する一対の衛星を使ってステップiからiiiをそれぞれ新たに繰り返すと有利である。

0025

言い換えると、必要な衛星の数は、端末が同時に受信可能な衛星の数にしたがって異なる。例えば、端末が同時に三つの衛星から受信可能な場合、その端末は同一または近接した時刻t1’、t2’、t3’に三つの衛星から情報を受信して、H1,2、H1,3、およびH2,3の三つの双曲面を計算できる。ただし、双曲面Hi,jはi番目とj番目の衛星を使って計算される。他方、端末が二つの衛星からしか同時に受信できない場合、H1,2、H3,4、およびH5,6の三つの双曲面の計算には六つの異なる衛星が必要になる。

0026

「中間」位置決定段階2はさらに次のステップを含むと有利である。

0027

vi端末が、「粗い」推定位置ではなく先行の「中間」推定位置を使ってステップiからvを少なくとも一回繰り返して新しい「中間」推定位置を得るステップ。

0028

これによって「中間」位置決定予測値がさらに改善される。

0029

第一および第二の衛星がそれに関してアクティブなゲートウェイ局が、第一および第二の衛星による送信後に、第一および第二の情報がゲートウェイ局によってほぼ同時に受信されるように、時間的事前補償をかけて第一および第二の情報を送信すると有利である。

0030

第一および第二のアクティブな衛星を含む一対の衛星は、
− 二つの衛星が常に同時にアクティブである複数の対の衛星と、
− それぞれ出てゆく衛星と進入してくる衛星との二つの衛星が衛星間のハンドオフの間に除外的に同時にアクティブなため、ゲートウェイ局は観測できなくなりつつある出てゆくアクティブな衛星と次第に観測できるようになる進入してくるアクティブな衛星とを切り替えることができるような、複数の対の衛星とを含む群に属することが好ましい。

0031

球表面の約90%の地域から常時少なくとも二つのアクティブな衛星を観測できることに注意されたい。地理的なセル(スポット)の約90%は、同時に少なくとも二つの衛星のカバレージエリアにある。したがって、90%のケースでは常時二つの同時にアクティブな衛星を発見することが容易である。

0032

地球表面の残りの10%の地域では、事前に「粗い」推定位置が既知であるとみなされているため、端末はスポットに進入してくるすべての衛星をおよその位置(ただし適切な位置)に向けることができる。この衛星を追跡して端末に衛星間のすべてのハンドオフを指示できる。したがって、一般に数秒かかる衛星間のハンドオフの間、端末は同時に二つのアクティブな衛星(一つは進入してくる衛星、一つは出てゆく衛星)にアクセスする。

0033

それぞれの端末は少なくとも二つの異なる衛星によって送信された情報を、同時に受信する手段を備えると有利である。

0034

少なくとも二つの個別の衛星によって送信された情報を同時に受信する手段は、別個の衛星を指向する少なくとも二本の指向性アンテナを備えると有利である。

0035

本発明の好ましい実施形態では、「中間」位置段階の前に次のステップを含む「粗い」位置決定段階を含む。

0036

a端末が、その方位角θを変更して所定の仰角αの衛星を探索して捕捉するステップ;
b 端末が、捕捉した衛星から捕捉した衛星の位置に関する情報を受信するステップ;
c 端末が、捕捉した衛星の位置に関する情報から、所定の地球モデル投影され端末が位置する等仰角表面を計算するステップ;
d 端末が、端末が位置する少なくとも二つの他の等仰角表面を計算するためにステップaからcを少なくとも二回繰り返すステップ;
e 端末が、少なくとも三つの等仰角表面の交点を計算して「粗い」推定位置を決定するステップ。

0037

本発明の位置決定方法はまた、例えば±100kmの精度の「概略」位置決定段階を含む。端末に関して、この「粗い」位置決定段階の一般的な原理は、端末が位置する少なくとも三つの等仰角表面の交点を計算することである。

0038

ステップbはコンステレーションの各衛星の天体暦(ephemeris)が、システムにとって既知であることを前提とすることに注意されたい。また、ステップcは端末が地面に関してそのアンテナの仰角αを知っていることを前提とする。これは端末を水平に配置することで達成される。

0039

ステップaからcの連続する繰り返しの間に捕捉された少なくとも三つの衛星のうちで少なくとも一つが、端末から見て他の二つの衛星の方位角から少なくとも10°離れた方位角θを備えると有利である。

0040

これによって等仰角表面の交点のエリア縮小される。

0041

ステップaで、二つの指向性アンテナが同じ仰角で回転し、方位角θを中心に約180°をそれぞれカバーすると有利である。

0042

このようにして、各アンテナは他のアンテナを補足する方法で半回転をカバーし、これで完全な一回転(すなわち、方位角θの0から2πの変化)を走査するのに必要な時間が最小化される。

0043

本発明の有利な実施形態では、「中間」位置決定段階に続いて次のステップを含む「精細」位置決定段階を含むと有利である。

0044

1端末が位置するセルに関連付けられたゲートウェイ局が、ゲートウェイ局に関してアクティブな衛星経由で、所定メッセージを端末へ送信するステップ;
2 端末が所定のメッセージを受信し、コンステレーションの衛星のその「中間」推定位置およびリアルタイムの位置を知って、アクティブな衛星経由でゲートウェイ局へ、特に所定メッセージの受信と応答メッセージの送信の時間間隔を示す応答メッセージを生成し送信するステップ;
3 ゲートウェイ局が、応答メッセージから端末のタイミン繰り上げ(timing advance)に関する情報を計算するステップ;
4 ゲートウェイ局が、アクティブな衛星経由で端末へタイミング繰り上げに関する情報を送信するステップ;
5 端末が、タイミング繰り上げに関する情報と「中間」推定位置からその「精細」推定位置を計算するステップ。

0045

したがって、本発明の位置決定方法は、例えば精度が±60mの「精細」位置決定段階を含む。この「精細」位置決定段階の一般原理は、ゲートウェイ局に関する端末のタイミング繰り上げを計算すること、またはより正確に言えば、端末からの(アクティブな衛星経由で)信号がゲートウェイ局によって受信される際の信号のタイミング繰り上げを計算することである。

0046

したがって、「粗い」または「中間」位置決定段階とは異なり、「精細」位置決定段階はパッシブでなくアクティブである。換言すると、端末はアクティブな衛星経由で端末が位置するセルのゲートウェイ局と通信を行う。この通信は、例えば、トラフィックが少なくシフトされた信号の受信が可能な期間に予約された特定の時刻に行われる。

0047

有利な変形形態では、「精細」位置決定ステップはさらに次の予備および最終ステップを含む。

0048

0端末が、アクティブな衛星経由で端末の「中間」推定位置に関する情報をゲートウェイ局へ送信するステップ;
6 ゲートウェイ局がアクティブな衛星経由で端末の「精細」推定位置を端末へ送信するステップ。

0049

さらにステップ5が次のステップと差し替えられる。

0050

5 タイミング繰り上げおよび「中間」推定位置に関する情報から、ゲートウェイ局が端末の「精細」推定位置を計算するステップ。

0051

この変形形態では、「精細」推定位置を計算するのはゲートウェイ局(端末ではなく)である。

0052

「精細」位置決定段階はさらに次のステップを含むことが好ましい。

0053

7 「中間」推定位置の代わりに先行の「精細」推定位置を使って、端末がステップ1から5または0から6を少なくとも一回繰り返して新しい「精細」推定位置を得るステップ。

0054

ステップ1から5(または0から6)が同じ先行の「精細」推定位置を使って数回繰り返される場合、所定の一組の可能な位置の最適な新しい「精細」推定位置を決定する追加のステップを提供する必要がある。この所定の組は例えば先行の「精細」推定位置を中心とする、先行の「精細」推定位置の推定値の不確実性に等しい半径を有する円形表面内のすべての点を含む。

0055

ステップ7で、ステップ1から5または0から6を、少なくとも10°離れた端末から見て方位角θおよび/または仰角αの位置にある同じ衛星を使って毎回新たに繰り返すと有利である。

0056

これによって衛星の位置の偏りが減少する。例えば、低軌道(LEO)の衛星の場合、前述の条件を満足することは同じ衛星を使って五分間間隔をあけて測定を行うという結論になる。

0057

有利な変形形態では、ステップ7のステップ1から5または0から6を、異なる衛星を使って毎回新たに繰り返す。

0058

本発明のその他の特徴および有利な点は、例示的かつ非制限的な例による以下の本発明の好ましい実施形態の説明と添付の図面から明らかになろう。

発明を実施するための最良の形態

0059

本発明は衛星通信システムの固定端末の位置決定方法に関する。

0060

従来の方法では、すでに詳述したように、衛星通信システムは衛星のコンステレーション、複数のゲートウェイ局および複数の固定端末を含む。

0061

図1の具体的な実施形態では、本発明の位置決定方法は次の段階を含む。

0062

− 例えば±100kmの精度の「粗い」位置決定段階1
− 例えば±350mの精度の「中間」位置決定段階2
− 例えば±60mの精度の「精細」位置決定段階3
例を使って各端末が二つの異なる衛星から送信される情報を同時に受信できる二本の指向性アンテナを備えていると仮定する。それにもかかわらず、各端末は三つ以上の衛星から同時に受信する手段を含むことができるのは明らかである。

0063

「粗い」位置決定段階1の特定の実施形態について図2から図6を参照しながら以下に説明する。

0064

図2の簡略化した流れ図に示すように、この特定の実施形態では、「粗い」位置決定段階1は次のステップを含む。

0065

−端末が、その方位角θを変更して所定の仰角αの衛星を探索して捕捉するステップ(20);
− 端末が、捕捉した衛星から捕捉した衛星の位置に関する情報を受信するステップ(21);
− 端末が、捕捉した衛星の位置に関する情報から所定の地球モデルに投影され、端末が位置する等仰角表面を計算するステップ(22);
− 端末が、上記のステップ20から22を繰り返して総計N≧3の繰り返しを実行するステップ。したがって端末は、端末が位置するN個の等仰角表面を計算する。上記のステップ20から22のN回の繰り返しの間に捕捉されたN個の衛星は、端末から見て例えば少なくとも30°離れた方位角θを備える。連続した繰り返しの間に捕捉されたN個の衛星のうち、少なくとも一つが端末から見て他の二つの衛星の方位角から少なくとも10°離れている方位角θを備える。

0066

−端末が、N個の等仰角表面の交点を計算して「粗い」推定位置を決定する(23)ステップ。

0067

ステップ20の間に端末は、衛星が地球から所定の距離(例えば1500km)にあるという情報に基づいて、衛星が見つかる可能性があるリング内で衛星を探索する。図3および図4は、端末Tが所与の仰角αを備えた衛星Sを探索する際に用いるこの種のリング30の透視図と平面図である。この探索および捕捉段階20の間、端末の二本の指向性アンテナは同じ仰角で回転し、方位角θを中心に約180°をそれぞれカバーする。

0068

図5および6は、それぞれのステップ22の間に端末Tが計算した等仰角表面の側面図および上面図(衛星Sから見た)である。完璧な球形の地球モデル上への投影を考慮し、仰角αに関する不確実性δαのため、等仰角表面はリング50である。明らかに別のより複雑な地球モデルも本発明の範囲を逸脱することなく同様に考慮することができる。

0069

この「粗い」位置決定段階1の最後に、端末は例えば精度が200km以内の(すなわち±100km以内の)「粗い」推定位置24を得る。また端末は、以降の「中間」および「精細」位置決定段階を通して、1秒未満の時間基準を保持できる数ミリ秒の時間修正と共に連続的に捕捉されたN個の衛星の位置と端末の「粗い」位置とを使って、方位角の偏りを例えば±2°以内に修正することができる。

0070

「中間」位置決定段階2の特定の実施形態について、図7および8を参照しながら以下に説明する。

0071

図7の簡略化した流れ図に示すように、この特定の実施形態では、「中間」位置決定段階1は次のステップを含む。

0072

− 第一の時刻t1’に、端末が、第一のアクティブな衛星(「衛星1」)から第一のアクティブな衛星による第一の情報の送信時刻t1と時刻t1における第一のアクティブな衛星の位置p1とに関する第一の情報を受信する(70)ステップ;
− 前記第一の時刻t1’と同じまたは近接した第二の時刻t2’に、前記固定端末が、第二のアクティブな衛星(衛星2)から前記第二のアクティブな衛星による第二の情報の送信時刻t2と前記時刻t2における前記第二のアクティブな衛星の位置p2とに関する第二の情報を受信するステップ(71);
− 端末が、その端末が位置している第一の双曲面H1,2を計算する(72)ステップ(詳細は以下を参照);
− 端末はステップ70から72を繰り返してN≧3の範囲で総計N回繰り返すステップ。したがって端末は端末が位置するN個の双曲面を計算する。

0073

− さらに端末が「粗い」推定位置24の情報に基づいてN個の双曲面の交点を計算して「中間」推定位置74を決定するステップ(73)。

0074

「粗い」推定位置24ではなく(先行の)「中間」推定位置74を使って、端末は上記ステップ70から72および上記のステップ73のN回の繰り返しを再度M回繰り返して、新しい「中間」推定位置74’をM回得ることができる。

0075

これらのM個の新しい「中間」推定位置は、先行の繰り返しの中間推定位置または同じ(先行の「粗い」または「中間」)推定位置からすべて連続して計算できる。

0076

第二のケースでは、「中間」推定位置74を決定するステップ73を最適化することができる。これはエラーがM個の「中間」推定位置にわたって累積するか、同じ先行の「粗い」または「中間」推定位置から計算される場合に端末の「中間」推定位置のエラーを最小化する所定の一組の点から点Pを探索することで実行される。この所定一組の点は、例えば「粗い」推定位置(「中間」推定位置の第一の計算の場合)または先行の「中間」推定位置(新しい「中間」推定位置の各計算の場合)を中心とし、円の中心である(先行の「粗い」または「中間」)推定位置の不確実性である半径を備えた円形表面である。

0077

ステップ72で端末によって計算される各双曲面Hi,jは次式による。

0078

Hi,j=dj−di=(tj’−tj)・c−(ti’−ti)・c
上式で
− diは時刻tiにおける端末とi番目のアクティブな衛星の位置piとの距離であり、
− djは時刻tjにおける端末とj番目のアクティブな衛星の位置pjとの距離であり、
− tiおよびtjはそれぞれi番目およびj番目の衛星によるi番目およびj番目の送信時刻であり、
− ti’およびtj’は端末によるi番目およびj番目の受信時刻であり、
− cは光速である。

0079

各双曲面Hi,jを定義する方程式は次のように記述することもできる。

0080

Hi,j=dj−di=(tj’−ti’)・c−(tj−ti)・c=Δt’・c−Δt・c
端末はtiおよびtjを受信するため、Δt’およびΔtを計算できる。端末はti’およびtj’自体を測定する。したがって、それぞれ時刻tiおよびtjにおけるi番目およびj番目の衛星の位置piおよびpjを知ることで端末は双曲面Hi,jを計算できる。

0081

双曲面Hi,jは、所与の時刻における同時にアクティブな二つのアクティブな衛星のいずれか、または衛星間のハンドオフの間にのみ同時にアクティブな二つのアクティブな衛星(それぞれ出てゆく衛星と進入してくる衛星)を使って計算される。

0082

端末の二本の指向性アンテナはそれぞれ別個の衛星を指している。前述したように、端末は三つ以上のアクティブな衛星から同時に受信が可能であることは明らかで、その場合、複数の双曲面が受信した情報から計算できる。それぞれの一対の衛星は一つの双曲面を計算するのに使用される。

0083

図8にそれぞれの関連要素を備えた(すなわち、t1は第一の衛星、t2は第二の衛星、t1’およびt2’は端末)時刻t1、t2、t1’、およびt2’を時間間隔ΔtおよびΔt’と共に示す。また図8にゲートウェイ局が時刻tS1およびtS2に、第一および第二の衛星が時刻t1およびt2に送信する第一および第二の情報を送信する様子を示す。図示の例では、ゲートウェイ局は第一および第二の衛星によって送信された第一および第二の情報(時刻tS1およびtS2に)がほぼ同時に(時刻tGW0に)ゲートウェイ局によって受信されるよう時間的事前補償をかけて送信する(時刻tS1およびtS2に)ことに注意されたい。

0084

この「中間」位置決定段階1の最後に、端末は例えば精度が±350m以内の「中間」推定位置74または74’を備える。

0085

「精細」位置決定段階3の第一および第二の実施形態について図9、10および11を参照しながら以下に説明する。

0086

第一の特定の実施形態では、「精細」位置決定段階3は次のステップを含む。

0087

−ゲートウェイ局(端末が位置するセルに関連付けられた)が、アクティブな衛星経由で端末へ所定メッセージを送信する(90)ステップ。図10に示すように、ゲートウェイ局は時刻tGW0に、衛星は時刻tS0に送信する。

0088

−端末が、所定メッセージを時刻tT0に受信し、その「中間」推定位置およびアクティブな衛星のリアルタイムの位置情報に基づいて、所定メッセージの受信時刻tT0と応答メッセージの送信時刻tTの時間間隔ΔtTを特に示す応答メッセージを生成してアクティブな衛星経由でゲートウェイ局へ送信する(91)ステップ。図10に示すように、衛星は時刻tSに端末が時刻tTに送信された応答メッセージを送信する。

0089

−時刻「実測tGW」に、ゲートウェイ局が応答メッセージを受信して、それから端末からの応答メッセージのタイミング繰り上げΔtTAに関する情報を計算する(92)ステップ。ゲートウェイ局は「実測tGW」受信時刻と「予測tGW」受信時刻の差ΔtTAを計算する。使用する推定位置が端末の実際の位置と正確に同じである場合に限って、タイミング繰り上げはである、すなわち、ΔtTA=0である。

0090

−ゲートウェイ局がアクティブな衛星経由でタイミング繰り上げΔtTAに関する情報を端末へ送信する(93)ステップ。

0091

− タイミング繰り上げΔtTAおよび「中間」推定位置に関する情報から、端末がその「精細」推定位置95を計算する(94)ステップ。

0092

− 「中間」推定位置74または74’ではなく先行の「精細」推定位置95を使って、端末が再度ステップ90から92をM回繰り返し、新しい「精細」推定位置95’を得るステップ。これらのM回の繰り返しは、例えば、別個の衛星を使って行われる。この繰り返しが同じ衛星を使って行われる場合、衛星は二つの連続した繰り返しで少なくとも10°離れた端末から見て方位角θおよび/または仰角αを備えることが好ましい。

0093

M個の新しい「精細」推定位置は、先行する繰り返しの「精細」推定位置または同じ(先行の「中間」または「精細」)推定位置のいずれかを用いて連続的に計算できる。

0094

第二のケースでは「精細」推定位置95を決定するステップ94が最適化される。これはエラーがM個の「精細」推定位置にわたって累積するか、同じ先行の「中間」または「精細」推定位置から計算される場合に、端末の「精細」推定位置のエラーを最小化する所定の一組の点から点Pを探索することで実行される。この所定の一組の点は、例えば「中間」推定位置(「精細」推定位置の第一の計算の場合)または先行の「精細」推定位置(新しい「精細」推定位置の各計算の場合)を中心とする、円の中心と同じ(先行の「中間」または「精細」)推定位置の不確実性である半径を有する円形表面である。

0095

図11の流れ図に示す「精細」位置決定段階3の第二の実施形態は、端末の「精細」推定位置の決定を完了するのが端末ではなくゲートウェイ局である点で第一の実施形態と異なる。

0096

「精細」位置決定段階の第二の実施形態は、図9に示す上記のステップ90から93に加えて、次の先行および最終ステップを含む。

0097

−端末がアクティブな衛星経由でその「精細」推定位置に関する情報をゲートウェイ局へ送信する(110)ステップ;
− ゲートウェイ局がアクティブな衛星経由で端末の「中間」推定位置を端末へ送信する(112)ステップ。

0098

また、図9のステップ94は次のステップ111と差し替えられる。

0099

− タイミングおよび「中間」推定位置に関する情報から、ゲートウェイ局は端末の「精細」推定位置を計算する(111)ステップ。

0100

本発明の他の多くの実施形態が考慮できることは明らかである。特に上記の「中間」位置決定段階と対応するその他の「粗い」および「精細」位置決定段階を提供することができる。

図面の簡単な説明

0101

図1本発明の位置決定方法の特定の実施形態の簡略化した流れ図である。
図2図1の流れ図に示す「粗い」位置決定段階の特定の実施形態の簡略化した流れ図である。
図3図2の流れ図の各ステップを説明するのに使用する所与の仰角にある衛星探索リングの透視図である。
図4図2の流れ図の各ステップを説明するのに使用する所与の仰角にある衛星探索リングの平面図である。
図5図2の流れ図の各ステップを説明するのに使用する等仰角表面の衛星から見た側面図である。
図6図2の流れ図の各ステップを説明するのに使用する等仰角表面の衛星から見た上面図である。
図7図1の流れ図に示す「中間」位置決定段階の一つの特定の実施形態の簡略化された流れ図である。
図8図7の流れ図のいくつかのステップを示すタイミング図である。
図9図1の流れ図に示す「精細」位置決定段階の第一の特定の実施形態の簡略化した流れ図である。
図10図9の流れ図のいくつかのステップを示すタイミング図である。
図11図1の流れ図に示す「精細」位置決定段階の第二の特定の実施形態の簡略化された流れ図である。

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0102

30リング
50 リング

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