Устройство для выбора спутника для установления связи

 

Устройство предназначено для выбора спутника для установления связи с терминалом (Т) в спутниковой системе радиосвязи, содержащий совокупность спутников связи, движущихся по орбитам. Это устройство содержит средство измерения, предназначенное для выработки информации о местоположении (D), представляющей собой функцию положения данного терминала по отношению к каждому из ближайших к нему спутников (S1, S2, S3), от которых терминал принимает сигналы синхронизации, средство оценки, предназначенное для определения продолжительности прогнозируемой радиовидимости каждого из этих спутников на основе упомянутой информации о местоположении, и средство выбора, предназначенное для выбора того из упомянутых спутников (S2), для которого эта оценка продолжительности прогнозируемой радиовидимости является наибольшей, что и является достигаемым техническим результатом. 5 с и 6 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение касается выбора одного из нескольких располагаемых телекоммуникационных искусственных спутников Земли для установления через него радиосвязи.

Данное изобретение относится к области телекоммуникаций, точнее говоря, к системам спутниковой связи, в которых абонентский терминал устанавливает связь со спутником связи с помощью радиоволнового канала для того, чтобы воспользоваться услугами, предоставляемыми такими системами.

Система спутниковой связи построена таким образом, что несколько телекоммуникационных спутников постоянно перемещаются по располагающимся в различных плоскостях орбитам вокруг Земли. При этом каждый абонентский терминал в любой момент времени может получить доступ к по меньшей мере одному спутнику связи, находящемуся поблизости от него или в зоне досягаемости этого терминала в данный момент.

Здесь предполагается, что в каждый момент времени радиосвязь данного абонентского терминала может быть эффективно установлена не с одним, а с несколькими спутниками, располагающимися в зоне досягаемости этого терминала. Кроме того, в данном случае подразумевается, что упомянутый терминал входит в синхронизацию с этими спутниками. Если появляется необходимость при помощи данного абонентского терминала получить доступ к сети спутниковой связи или установить с ней контакт, этот терминал должен осуществить выбор одного из нескольких, находящихся в зоне его досягаемости, спутников для установления радиосвязи именно с ним. Кроме того, поскольку выбранный для установления радиосвязи спутник постоянно движется по своей орбитальной траектории, рано или поздно его связь с данным терминалом прерывается, после чего сразу же возникает проблема задействования другого спутника для продолжения связи с упомянутым терминалом.

Проблемы двух упомянутых выше типов аналогичным образом возникают и в наземных системах радиосвязи, например в общеевропейской системе цифровой сотовой радиосвязи, известной как система GSM. В этом случае радиосообщения передаются между абонентским терминалом и базовой станцией при помощи каналов передачи радиосигналов. Такие системы содержат множество каналов, предназначенных либо для осуществления передачи от абонентского терминала сообщений, предназначенных для базовых станций, либо для осуществления передачи от этих базовых станций сообщений, предназначенных для абонентских терминалов.

Среди упомянутых выше каналов радиосвязи имеется один постоянно работающий контрольный канал, который позволяет любому абонентскому терминалу получить доступ к системе для установления связи при помощи той базовой станции, которая осуществляет передачу упомянутого контрольного канала. Таким образом, данный абонентский терминал должен идентифицировать этот контрольный канал для получения информации, которая дает ему возможность зарегистрироваться в системе связи. В составе упомянутой выше информации имеются, в частности, сигналы синхронизации. Именно поэтому обычно говорят о процедуре синхронизации.

Процедура, принятая обычно для осуществления синхронизации, определена в рекомендациях 4.08 и 5.08 стандарта GSM и осуществляется в два этапа. В первый момент времени данный абонентский терминал измеряет мощность сигналов во всех каналах, по которым осуществляется прием. Затем этот терминал осуществляет попытку синхронизироваться с принимаемым каналом с наиболее высокой мощностью сигнала, и если это ему не удается, осуществляются последовательные аналогичные попытки для других каналов в порядке убывания мощности принятых в этих каналах сигналов, до тех пор, пока данный абонентский терминал не сможет эффективно синхронизироваться.

Такое техническое решение хорошо адаптировано для наземных систем связи, поскольку чем выше мощность сигнала в данном канале, тем лучше будет качество связи. С другой стороны, в первом приближении можно считать, что чем больше величина этой мощности, тем меньше расстояние, которое отделяет конкретный абонентский терминал от конкретной базовой станции, так что, действуя описанным выше образом, можно оптимизировать технические характеристики данной системы сотовой связи.

Однако такое техническое решение оказывается практически неприемлемым для спутниковых систем связи, поскольку сигналы, изучаемые различными спутниками, находящимися в данный момент в зоне прямой видимости данного абонентского терминала, испытывают затухание или ослабление примерно одного порядка на уровне приемной антенны этого терминала. Кроме того, расстояние между терминалом на Земле и спутником на орбите в первом приближении не оказывает влияния на характеристики системы.

В то же время, в наземной сети сотовой связи, когда данный абонентский терминал, установивший связь с некоторой базовой станцией, принимает сигналы, передаваемые этой станцией со слишком малой мощностью, то осуществляется переход этого терминала на новую базовую станцию. (Данная процедура определяется английским термином "handover" - "передача из рук в руки"). Для осуществления этой процедуры в системе связи предусматривается устройство управления, которое обеспечивает выбор новой базовой станции с использованием нескольких критериев. Среди упомянутых критериев фигурирует уровень мощности сигналов, принимаемых данным терминалом от различных ближайших базовых станций в окрестности этого терминала. В ряде случаев в расчет принимается также некоторый дополнительный критерий, отражающий количество свободных каналов в этих ближайших базовых станциях, используемый для исключения возможности адресации данного терминала на уже и без того перегруженную базовую станцию.

Отметим здесь также, что критерий уровня мощности принимаемого сигнала по уже упомянутым выше соображениям тем более не может быть использован для принятия решения о переходе уже установившего связь абонентского терминала на новый спутник для установления связи, т.е. осуществления процедуры, определяемой английским термином "changeover" - "переключение".

Таким образом, задачей изобретения является создание средств, позволяющих осуществить выбор спутника для установления связи в процессе вхождения в контакт данного абонентского терминала с сетью спутниковой радиосвязи и задействовать новый спутник для связи с данным терминалом в том случае, когда связь этого терминала с предыдущим спутником больше не может поддерживаться.

Для решения этой задачи в качестве критерия выбора принимается уже не мощность принятого данным терминалом сигнала от того или иного спутника, а продолжительность видимости этого спутника данным терминалом, т.е. время, которое должно пройти до того момента, когда возможная связь между этим терминалом и рассматриваемым спутником будет прервана из-за его выхода из зоны видимости.

Таким образом, в соответствии с данным изобретением предлагается устройство выбора спутника для установления связи, предназначенное для абонентского терминала системы спутниковой радиосвязи, имеющей в своем составе совокупность движущихся по орбитам спутников. Это устройство содержит средства измерения, предназначенные для установления параметров местоположения, представляющих собой функцию положения данного терминала по отношению к каждому из находящихся в зоне видимости терминала спутников, с которыми он осуществил синхронизацию, средства оценки, предназначенные для осуществления приблизительной оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости каждого из этих спутников на основе упомянутой выше информации о местоположении, и средства селекции, предназначенные для выбора того из упомянутых спутников, который характеризуется наибольшей величиной этой оцененной продолжительности прогнозируемой радиовидимости.

В соответствии с данным изобретением предлагается также устройство позиционирования для терминала спутниковой системы радиосвязи, содержащей совокупность движущихся по различным орбитам спутников, и устройство управления, предназначенное для установления связи данного терминала с тем или иным спутником. Поскольку данный терминал принимает сигналы синхронизации от всех находящихся в зоне его видимости спутников, это устройство содержит средства измерения, предназначенные для определения параметров местоположеня, представляющих собой функцию положения данного терминала по отношению к каждому из ближайших спутников, средства оценки, предназначенные для приблизительной оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости каждого из этих ближайших к данному терминалу спутников на основе упомянутой выше информации о местоположении, и передающие средства, предназначенные для передачи в упомянутое устройство управления информации об оценке продолжительности прогнозируемой радиовидимости по меньшей мере для двух ближайших спутников, для которых значения этой продолжительности являются наибольшими.

Предлагается также устройство управления спутниковой системы радиосвязи, содержащей совокупность движущихся по различным орбитам спутников, предназначенное для задействования для установления связи с данным терминалом одного из ближайших спутников, от которых этот терминал принимает сигналы синхронизации.

В соответствии с первым вариантом осуществления устройства управления терминал содержит средства измерения, предназначенные для определения параметров местоположения, представляющих собой функцию его положения по отношению к каждому из ближайших спутников, средства оценки, предназначенные для оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости ближайших спутников на основе упомянутой информации о местоположении, и передающие средства, предназначенные для передачи в упомянутое устройство управления оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости по меньшей мере для двух ближайших спутников, при этом устройство управления осуществляет выбор конкретного спутника для установления связи с ним, в частности, в зависимости от оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости, переданной данным терминалом.

В соответствии со вторым вариантом осуществления устройства управления, терминал содержит средства измерения, предназначенные для определения параметров местоположения, представляющих собой функцию его положения по отношению к каждому из ближайших спутников, и передающие средства, предназначенные для передачи в упомянутое устройство управления информации о местоположении по меньшей мере двух из ближайших спутников, а устройство управления содержит средства оценки, предназначенные для оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости ближайших спутников на основе информации о их местоположении, переданной данным терминалом, для осуществления выбора конкретного спутника для установления связи с ним, в частности, в зависимости от оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости.

Предпочтительный вариант осуществления в том случае, когда каждый спутник данной системы излучает свою, отличную от других, несущую частоту, состоит в выполнении средств измерения таким образом, чтобы они вырабатывали в качестве информации о местоположении величину допплеровского смещения этой несущей частоты в первый момент времени.

Таким образом, обеспечивается получение удобного средства, обеспечивающего получение информации о местоположении.

Для любого выполнения рассматриваемого устройства первый возможный вариант состоит в выборе продолжительности прогнозируемой радиовидимости, оцененной как возрастающая функция величины упомянутого допплеровского смещения несущей частоты в упомянутый первый момент времени.

Второй возможный вариант состоит в том, что упомянутые средства измерения вырабатывают дополнительно величину допплеровского смещения частоты и во второй момент времени, отделенный от упомянутого первого момента времени определенным периодом измерения, коэффициент формы определяется как отношение разности допплеровского смещения частоты в первый момент времени и во второй момент времени к периоду измерения со знаком допплеровского смещения частоты в первый момент времени, а оцениваемая продолжительность прогнозируемой радиовидимости представляет собой возрастающую функцию величины, обратной упомянутому коэффициенту формы.

Третий возможный вариант состоит в том, что средства измерения вырабатывают дополнительно величину допплеровского смещения частоты во второй момент времени, коэффициент формы определяется как отношение суммы допплеровского смещения частоты в первый момент времени и во второй момент времени к разности этого допплеровского смещения, а оцениваемая продолжительность прогнозируемой радиовидимости представляет собой возрастающую функцию упомянутого коэффициента формы.

Четвертый возможный вариант состоит в том, что упомянутые средства измерения вырабатывают дополнительно величину допплеровского смещения частоты во второй момент времени, отделенный от упомянутого первого момента времени интервалом измерения, функция, представляющая упомянутое допплеровское смещение частоты и, в частности, момент исчезновения, определяется величиной этого допплеровского смещения частоты в первый и второй моменты времени, а продолжительность прогнозируемой радиовидимости оценивается как разность между моментом исчезновения и упомянутым вторым моментом времени.

В то же время, в соответствии с одним вариантом осуществления устройства позиционирования, поскольку данный терминал принимает сигналы синхронизации от ближайших спутников, это устройство содержит средства измерения, предназначенные для выработки информации о местоположении, представляющем собой функцию положения данного терминала по отношению к каждому из ближайших спутников, и передающие средства, предназначенные для передачи в упомянутое устройство управления полученной таким образом информации о местоположении.

Кроме того, при условии, что каждый из спутников данной системы излучает свою, отличную от других, несущую частоту, информация о местоположении представляет собой величину допплеровского смещения этой несущей частоты.

В приведенном ниже описании изобретение будет представлено более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее: Фиг. 1 - графическое представление опорного сигнала, используемого средствами измерения в соответствии с изобретением; Фиг. 2 - схема, изображающая элементы, необходимые для реализации средств измерения; Фиг. 3 - форма входного сигнала и форма выходного сигнала фильтра, предназначенного для использования в одном из возможных вариантов реализации средств измерения; Фиг. 4 - общая схема взаимного расположения терминала и ближайших к нему спутников; Фиг. 5 - кривые изменения допплеровского смещения частоты в функции времени; Фиг. 6 - система координат, связанная с данным терминалом, в которой фигурируют ближайшие к этому терминалу спутники; Фиг. 7 - плоскость в выбранной системе координат, соответствующая минимальному возвышению ближайших спутников.

В приведенном ниже описании в качестве примера будут использоваться ссылки на спутниковые системы связи, в которых используются спутники связи, двигающиеся по низким орбитам (LEO - "околоземные орбиты"). Это соответствует, в частности, спутниковой системе связи "Globalstar".

Принцип функционирования такой системы связи состоит в использовании спутника, вращающегося вокруг Земли на некоторой высоте, например 1390 км, со скоростью порядка 7.2 км/с, в качестве ретранслятора радиосигналов между абонентским терминалом и базовой станцией.

Таким образом, спутник принимает радиосигнал, передаваемый базовой станцией, и снова передает или ретранслирует этот сигнал на некоторой несущей частоте в направлении данного терминала. Таким образом, роль, которую играет этот спутник в системе связи, сводится просто к роли "зеркала": он передает принятый им от базовой станции сигнал, в лучшем случае осуществляя при этом преобразование частоты.

Как уже было сказано выше, весьма существенный момент оптимальной организации связи в такой системе состоит в том, чтобы определенным образом оценить продолжительность прогнозируемой радиовидимости данного спутника, т. е. оценить время, в течение которого данный терминал будет иметь возможность использовать этот спутник. Упомянутое время использования данного спутника ограничено, например, предстоящим моментом его ухода за горизонт или некоторым моментом его возвышения в том случае, когда величина этого возвышения достигает предварительно определенного критического значения.

Предпочтительным способом решения упомянутой выше задачи является измерение средствами данного терминала допплеровского смещения несущей частоты, излучаемой данным спутником.

Ниже будет более подробно описан способ измерения допплеровского смещения несущей частоты, на которой данный спутник передает свои сигналы.

Как показано на фиг. 1, на несущей частоте передается пакет сигналов. Этот пакет определяется как носитель сигнала на протяжении некоторого промежутка времени T. Этот сигнал, т.е. опорный сигнал, имеет частоту, которая линейно изменяется в функции времени. Если взять в качестве начала отсчета момент времени t, соответствующий началу данного пакета, то мгновенное значение частоты f сигнала может быть представлено следующим выражением Здесь предполагается, что данный сигнал имеет постоянную амплитуду и может быть представлен как в аналоговой, так и в цифровой форме.

На фиг. 2 схематически представлены элементы приемника, необходимые, среди прочих его элементов, в соответствии с одним из вариантов осуществления. Приемник обязательно содержит антенну A, предназначенную для приема данной несущей частоты, излучаемой спутником. На выходе этой антенны располагается усилитель LNA, обычно представляющий собой усилитель с малым уровнем собственных шумов.

Этот приемник имеет также в своем составе смеситель M, который, с одной стороны, принимает выходной сигнал упомянутого выше усилителя LNA, а с другой стороны, принимает выходной сигнал гетеродина VCO, причем этот гетеродин может управляться, например, по напряжению. Управление упомянутым гетеродином осуществляется при помощи специальной схемы управления CC, функции которой будут более подробно определены в последующем изложении. Выход смесителя подключен к полосовому фильтру BP, выходной сигнал которого представляет собой сигнал некоторой промежуточной частоты IF. Этот полосовой фильтр в соответствии с обычно используемыми критериями осуществляет режекцию боковой полосы частот и вводит искажение фазы. Центральная частота этого фильтра и его полоса пропускания будут определены в последующем изложении.

Данный приемник предназначен для работы на некоторой точно определенной промежуточной частоте, которая в дальнейшем будет называться теоретической частотой f_T и которая соответствует случаю отсутствия допплеровского смещения частоты.

Если предположить теперь, что данная несущая частота подвергается воздействию эффекта Допплера, то сигнал на упомянутой выше промежуточной частоте соответственно будет менять свою частоту в диапазоне от f_T-Δf до f_T-Δf, где величина Δf представляет собой амплитуду допплеровского смещения частоты, используемую для формирования сигнала управления гетеродином VCO, который в этих условиях должен приводить к частоте f_T. Следовательно, центральная частота упомянутого выше полосового фильтра BP должна быть выбрана равной теоретической частоте f_T, а ширина полосы пропускания этого фильтра должна быть выбрана равной ширине полосы частот данного сигнала, увеличенной на 2. Δf.

В соответствии с изобретением приемник содержит три фильтра, адаптированных к опорному сигналу:
первый фильтр MF1 с центральной частотой, равной упомянутой выше теоретической частоте f_T;
второй фильтр MF2 с центральной частотой, равной теоретической частоте f_T, уменьшенной на величину амплитуды допплеровского смещения частоты, т.е. частоте f_T-Δf ;
третий фильтр MF3 с центральной частотой, равной теоретической частоте f_T, увеличенной на величину амплитуды допплеровского смещения частоты, т.е. частоте f_T+Δf .

Эти фильтры могут представлять собой, например, фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Для этого случая на фиг. 3 представлен входной сигнал X и огибающая Y выходного сигнала такого фильтра при одинаковом масштабе по времени.

Этот фильтр представляет время распространения T_р и вырабатывает выходной сигнал, форма которого, хорошо известная специалистам в данной области техники, соответствует сглаженной функции sin x/x и характеризуется основным лепестком, амплитуда пика которого имеет величину A_c, а его ширина, измеренная на уровне значения амплитуды, определяемого как амплитуда пика A_c, уменьшенная на предварительно определенную величину A_d (например, на 20 Дб), составляет величину T_c.

Далее определяется коэффициент формы W, который определенным образом характеризует форму упомянутого основного лепестка. Для этого может быть выбрана амплитуда пика A_c или величина энергии, заключенной в данном лепестке или, например, ширина T_c этого лепестка. Здесь, в качестве примера, выбрано отношение амплитуды пика A_c к ширине лепестка T_c, т.е. величина
W = A_c/T_c
Каждый из трех упомянутых выше фильтров MF1, MF2, MF3 имеет полосу пропускания, выбранную таким образом, чтобы входной сигнал, соответствующий опорному сигналу, но смещенный по частоте на величину Δf по отношению к своей согласованной частоте, обеспечивал величину коэффициента формы W, превышающую некоторый порог обнаружения Sd таким образом, чтобы соответствующий основной лепесток мог быть обнаружен.

Данный приемник содержит, кроме того, схему коррекции CORR, представленную схематично на фиг. 2. Эта схема принимает выходные сигналы первого MF1, второго MF2 и третьего MF3 фильтров для того, чтобы вычислить соответственно первый W1, второй W2 и третий W3 коэффициенты формы. Коэффициент формы, который имеет величину менее упомянутого выше порога обнаружения S_d, приводится к нулю. Схема коррекции CORR вырабатывает сигнал смещения SH, предназначенный для подачи на схему управления, в следующем виде:

По существу речь идет о том, чтобы противопоставить этот сигнал смещения центру тяжести центральных частот полосовых фильтров, уравновешенных соответствующими коэффициентами формы. Можно также выбрать вариант использования величины, пропорциональной этому центру тяжести, или величины любого другого характера, лишь бы эта величина характеризовала отклонение между упомянутой выше теоретической частотой f_Т и частотой данного сигнала на промежуточной частоте.

Напомним, что здесь речь идет об изменении и коррекции допплеровского смещения несущей частоты, на которой передается упомянутый пакет передачи сигналов.

Напомним также, что этот пакет передачи сигналов, имеющий длительность T, излучается периодически и характеризуется периодом повторения T_r.

Таким образом, схема управления CC осуществляет управление гетеродином CVO так, чтобы упомянутый сигнал на промежуточной частоте IF располагался на теоретической частоте в том случае, когда данная несущая частота не подвергается влиянию эффекта Допплера. В конце первого периода, по меньшей мере равного T + T_r, схема управления получает упомянутый сигнал смещения SH, который в данном случае принимает значение D1, и на основе этого сигнала оказывает управляющее воздействие на гетеродин VCO таким образом, чтобы он вырабатывал частоту, увеличенную на D1.

Далее упомянутый канал управления ожидает окончания второго периода для того, чтобы принять новую величину D2 упомянутого сигнала смещения SH и снова откорректировать работу гетеродина VCO таким образом, чтобы этот гетеродин вырабатывал сигнал частоты, увеличенный на D2. Так происходит до тех пор, пока после завершения n-ного латентного периода сигнал смещения SH не отработает величину D_n.

В том случае, когда величина D_n имеет значение, не превышающее некоторого порога коррекции S_C, который принимается достаточным в данном применении предлагаемого устройства, и составляет, например, 100 Гц, упомянутое допплеровское смещение частоты корректируется и его величина D определяется выражением

В предшествующем изложении предполагалось использование трех фильтров упомянутой выше структуры с упомянутыми выше характеристиками. Однако в целом ряде случаев фактическая величина допплеровского смещения частоты Δf обеспечивает возможность использования единственного фильтра с центральной частотой, равной теоретической частоте f_Т, полоса пропускания которого рассчитывается таким образом, чтобы его коэффициент формы превышал упомянутый выше порог обнаружения или детектирования S_d в том случае, если входной сигнал соответствует опорному сигналу, смещенному по частоте на величину ±Δf .

В этом случае схема управления CC оказывает управляющее воздействие на гетеродин VCO таким образом, чтобы сигнал на промежуточной частоте IF настраивал на теоретическое значение частоты f_Т в том случае, когда данная частота не подвергается воздействию эффекта Допплера.

При этом схема коррекции CORR вырабатывает в качестве упомянутого сигнала смещения SH коэффициент формы, полученный посредством единственного фильтра.

По завершении упомянутого первого периода значение коэффициента формы принимает величину W_TO. При этом схема управления CC осуществляет управляющее воздействие на гетеродин VCO таким образом, чтобы он уменьшил упомянутую промежуточную частоту на величину Δf/2, а затем зарегистрировал в конце второго периода величину W_m0 соответствующего коэффициента формы.

В этом случае схема управления CC осуществляет управляющее воздействие на гетеродин VCO таким образом, чтобы он увеличил упомянутую промежуточную частоту на величину Δf/2, а затем зарегистрировал в конце третьего периода величину W_MO.

Затем производится проверка на предмет выявления наибольшей из упомянутых выше величин W_T0, W_m0 и E_M0. Этой наибольшей величине присваивается наименование W_t1 и оказывается, что частота F₁, которой соответствует упомянутая величина, является наиболее близкой к согласованной частоте.

После этого схема управления CC осуществляет управляющее воздействие на гетеродин VCO таким образом, чтобы он вырабатывал промежуточную частоту, величина которой составляет F₁-Δf/4. После окончания четвертого периода схема управления регистрирует величину W_m1 сигнал смещения частоты. После этого производится проверка на предмет выявления наибольшей из трех величин W_T1, W_m1 и W₁. Этой выявленной наибольшей величине присваивается наименование W_T2 и оказывается, что частота F₂, на основе которой получается эта величина, является наиболее близкой к согласованной частоте.

Далее производятся аналогичные действия, приводящие к оказанию на гетеродин такого управляющего воздействия, которое приводит к получению промежуточных частот F₂±Δf/8. И затем продолжается упомянутый выше поиск при помощи последовательных приближений путем деления пополам данного частотного отклонения для получения значения частоты F_n таким образом, чтобы величина Δf/2n не превышала порога коррекции S_C, который признан приемлемым для конкретного случая использования и составляет, например, 100 Гц.

В этом случае производится коррекция допплеровского смещения частоты D, которое определяется выражением
D = F_n - f_Т
Выше было описано устройство коррекции допплеровского смещения частоты с одним или с тремя фильтрами на поверхностных акустических волнах. Этот пример был выбран потому, что он хорошо известен специалистам в данной области техники, в частности, для промежуточной частоты в диапазоне от одного до нескольких десятков МГц.

Специалисту в данной области техники ясно, что эти фильтры могут быть реализованы по цифровой технологии при помощи цифрового процессора сигнала. Такая цифровая реализация особенно эффективна для узкополосных систем, в которых каналы отстоят друг от друга на величину, составляющую, например, 30 кГц. В этом случае можно выбрать промежуточную частоту, равную нулю, для того, чтобы обрабатывать непосредственно сам сигнал в основной полосе частот.

Кроме того, совокупность фильтров и схемы коррекции может быть представлена как единое целое, которое в дальнейшем будет называться схемой анализа или анализатором.

Опорный сигнал представляется как сигнал, частота которого линейно изменяется во времени. Разумеется, здесь речь идет о простом примере и можно предусмотреть и другие законы изменения этой частоты. Это тем более удобно, поскольку обработка сигнала осуществляется цифровыми методами.

Кроме того, упомянутый выше анализатор, который позволяет оценить допплеровское смещение частоты, был реализован посредством одного или нескольких фильтров. Существуют и другие технические решения этой задачи, в частности спектральный анализ, выполняемый, например, при помощи быстрого преобразования Фурье, хорошо известного специалистам в данной области техники.

В то же время, частота повторения пакетов передачи сигналов, которая является обратной величиной по отношению к периоду их повторения T_r, обычно связана с несущей частотой отношением пропорциональности, но значительно ниже этой частоты по величине так, что эта частота повторения в значительно меньшей степени подвержена влиянию эффекта Допплера. Эту частоту повторения можно получить путем измерения интервала времени, отделяющего друг от друга два последовательно расположенных основных лепестка на выходе фильтра, как это уже было показано. Так можно получить хорошее приближение к эталону времени базовой станции и корректировать гетеродин VCO посредством схемы управления CC с учетом этого эталона.

Теперь можно приступить к определению допплеровского смещения частоты так, как это было описано выше, причем это определение или оценка уже практически не будут содержать ошибки, связанной со смещением временных эталонов базовой станции и данного терминала.

Средства измерения допплеровского смещения частоты, встроенные в данный терминал, уже были описаны выше, поэтому рассмотрим конкретную конфигурацию системы со ссылками на фиг. 4. В этом приведенном в качестве иллюстрации примере схематически изображена Земля с осью своего вращения, проходящей по линии север-юг терминал T и две орбиты искусственных спутников Земли O1 и O2. На схеме обозначены также три ближайших от данного терминала спутника, которые могут быть выбраны для установления связи. При этом первый спутник S1 и второй спутник S2 находятся на первой орбите O1, а третий спутник S3 находится на второй орбите O2.

Допплеровское смещение частоты зависит от возвышения данного спутника по отношению к данному терминалу, т.е. от величины угла между плоскостью, касательной к поверхности Земли и проходящей через данный терминал, и прямой линией, соединяющей этот терминал с данным спутником. Обычно предусматривается использование тех спутников, возвышение которых превышает некоторое минимальное возвышение, соответствующее моменту ухода спутника за горизонт.

Форма допплеровского смещения частоты в функции времени зависит от возвышения данного спутника для некоторой фиксированной точки на поверхность Земли. Если изменять это возвышение, можно получить семейство кривых, хорошо знакомых специалисту в данной области техники. Эти кривые изменяются в диапазоне между двумя предельными значениями или между двумя своими концами для данного минимального возвышения, которое может составлять, например, 20^o, от максимальной частоты f_M и минимального времени T_m, с одной стороны, до минимальной частоты f_m и максимального времени T_M, с другой стороны, причем это максимальное время соответствует моменту исчезновения спутника из поля зрения данного терминала. Известно в то же время, что f_m и f_M имеют одну и ту же абсолютную величину, но противоположные знаки.

Упомянутые выше кривые имеют одну общую точку, координаты которой определяются значениями (T_m + T_M)/2 и (f_m + f_M)/2. Непосредственным следствием этой особенности является то, что если известна величина допплеровского смещения частоты в двух различных моментах времени, разделенных известным интервалом, то известно, на какой из упомянутых выше кривых находится данный спутник.

На фиг. 5 представлены две из упомянутого выше семейства кривых, которые представляют величину допплеровского смещения частоты D в функции времени. Первая из этих кривых C1 соответствует первой упомянутой выше орбите O1 и проходит между точками с координатами соответственно (T_m1, f_M1) и (T_M1, f_m1), и вторая кривая C2 соответствует второй орбите O2 и проходит между точками, которые имеют координаты (T_m2, f_M2) и (T_M2, f_m2).

Непосредственно можно видеть, что спутник, располагающийся на первой орбите, представляет потенциальную длительность использования, выражаемую величиной (T_M1- T_m1), которая превышает потенциальную длительность использования спутника, располагающегося на второй орбите, и характеризуемую величиной (T_M2 - T_m2).

Длительности радиовидимости данного спутника с места расположения данного терминала будет тем более продолжительной, чем левее на данной кривой располагается точка, соответствующая конкретным условиям, т.е. чем она ближе к более высоким значениям допплеровского смещения частоты. Таким образом, в первом приближении можно сказать, что чем больше допплеровское смещение частоты, тем больше длительность прогнозируемой предстоящей видимости данного спутника с точки зрения данного терминала. Можно предусмотреть использование конкретных средств оценки указанной длительности видимости как возрастающей функции величины допплеровского смещения частоты или, например, как функции равенства.

Отметим также для этих кривых, что для положительной величины допплеровского смещения частоты, чем оно больше по величине, тем меньше наклон упомянутой выше кривой. Таким образом, можно сделать и другой вывод, состоящий в том, что если коэффициент формы определять как величину, противоположную упомянутому выше наклону с учетом знака смещения, то длительность предстоящей видимости возрастает по мере возрастания величины, обратной этому коэффициенту формы. Наклон будет рассчитываться путем экстраполяции на основе измерения допплеровского смещения частоты в двух различных моментах времени, разделенных между собой известным периодом измерения.

Комбинируя определенным образом два упомянутых выше приближения, оказывается, что можно приблизительно оценить длительность предстоящей видимости некоторым третьим способом, рассчитывая отношение средней величины частотного смещения на протяжении этого периода измерения к соответствующей величине наклона.

Оказывается, что во всех случаях наиболее предпочтительным для установления связи является спутник S2, поскольку он располагается на орбите, относительно близкой к вертикали, проходящей через точку расположения данного терминала на поверхности Земли, он больше других спутников удален от этого терминала и он приближается к этому терминалу.

Теперь будет представлен более точный, но и более сложный способ приблизительной оценки.

Действительно, величина возвышения Σ(t) спутника в некоторой точке любой возможной орбиты при условии, что это возвышение будет превышать минимально допустимое возвышение E₀, может быть выражена описанным ниже способом с использованием ссылок на фиг. 6 и 7, которые представляют соответственно прямоугольную систему координат T_xyz с центром, расположенным в точке нахождения данного терминала T, и осью TZ, совпадающей с вертикалью места, и плоскость, перпендикулярную этой вертикали и располагающуюся на высоте H над поверхностью Земли.

Все спутники движутся по орбитам на некоторой высоте H. Следовательно, совокупность возможных орбит представляет собой сферу, центр которой совпадает с центром Земли. Тогда для данного терминала эта совокупность оказывается ограниченной сферическим сегментом, образованным взаимным пересечением конуса с углом раскрытия при вершине, равным π/2-E₀, с этой сферой, где E₀ обозначает минимально допустимое возвышение.

Для определения орбиты, например орбиты O1, примем следующие условные обозначения:
γ - максимально возможное возвышение на данной орбите;
H_i - расстояние от данного терминала T до хорды, стягивающей две точки этой орбиты, располагающиеся на упомянутом сферическом сегменте, который соответствует минимальному возвышению E₀;
ω - угол между двумя прямыми линиями, проходящими через начало координат и через две точки этой орбиты на сферическом сегменте, который соответствует минимальному возвышению E₀;
d - расстояние от упомянутой выше хорды до оси OZ;
l - половина длины упомянутой выше хорды;
R - радиус упомянутого сферического сегмента для минимального возвышения E₀ или максимальная величина параметра d;
Ω - угловая скорость спутника на орбите;
v - линейная скорость движения спутника;
c - скорость распространения радиоволн в атмосфере;
p - частота несущей;
D - величина допплеровского смещения частоты.

С использованием этих условных обозначений можно записать следующие выражения:

откуда имеем
H_i= H/sin(γ);

откуда

Таким образом, возвышение ε(t) изменяется в функции времени в интервале [π/2-ω/2,π/2+ω/2].
Величина допплеровского смещения частоты задается выражением

Обозначая ε₀= π/2-ω/2, получаем для возвышения ε(t,γ) выражение
ε(t,γ) = ε₀+Ωt
Таким образом, оказывается, что, зная две различных величины допплеровского смещения частоты, причем второе из этих двух значений измерено после первого, спустя некоторый известный период измерения, можно определить величину максимального возвышения γ на рассматриваемой орбите и, следовательно, общую форму допплеровского смещения частоты в функции времени. В этой точке удобно найти момент исчезновения T_M и вывести на основе этой информации величину длительности предстоящей видимости, которая представляет собой разность между этим моментом исчезновения спутника из поля зрения данного терминала и моментом времени, в котором было выполнено второе измерение допплеровского смещения частоты.

Таким образом, средства оценки могут быть предусмотрены для расчета длительности предстоящей видимости данного спутника описанным выше способом.

В то же время, оказывается, что достаточно знать две последовательных величины допплеровского смещения частоты для того, чтобы получить информацию о длительности предстоящей видимости данного спутника. Таким образом, можно предусмотреть построение таблицы с двумя элементами, например в запоминающем устройстве, причем ее первый элемент соответствует первому измерению допплеровского смещения частоты, а ее второй элемент соответствует второму измерению этого допплеровского смещения частоты, причем любая из клеток этой таблицы представляет соответствующую длительность предстоящей видимости данного спутника.

Эта таблица может быть заполнена путем использования приведенных выше соотношений. Однако она может быть подготовлена и эмпирическим образом. Действительно, можно предусмотреть на данной территории проведение специальных сеансов измерений для различных возможных ситуаций взаимного расположения терминалов и спутников данной системы связи.

В заключение следует отметить, что специалисту в данной области техники должно быть совершенно ясно, что для осуществления предлагаемого способа необходимо, чтобы упомянутые выше средства измерения были реализованы в данном терминале. Однако это не обязательно в случае средств оценки, которые могут представлять собой микропроцессор, например процессор цифровой обработки сигнала.

В соответствии с первым возможным вариантом реализации эти средства оценки также располагаются непосредственно в данном терминале и могут быть реализованы при помощи, например, схемы управления. В этом случае предусматриваются средства передачи для пересылки информации о продолжительности предстоящей видимости в устройство управления, которое располагается в любом месте данной спутниковой системы связи. Отметим здесь, что эти средства передачи могут быть реализованы при помощи передающих средств, предусмотренных в составе данного терминала.

В соответствии со вторым возможным способом реализации упомянутые средства оценки могут быть размещенеы в другом месте, в частности, в устройстве управления. В этом случае предусматриваются средства передачи для посылки информации о местоположении в устройство управления.

Формула изобретения

1. Устройство для выбора спутника для установления связи с терминалом (Т) в системе спутниковой радиосвязи, содержащей совокупность перемещающихся по орбитам спутников, отличающееся тем, что содержит средство измерения для определения информации о местоположении (D), представляющей собой функцию положения данного терминала по отношению к каждому из ближайших спутников (S1, S2, S3), от которых данный терминал принимает сигналы синхронизации, средство оценки, предназначенное для определения продолжительности прогнозируемой радиовидимости каждого из спутников на основе информации о местоположении, средство выбора, предназначенное для выбора того из спутников (S2), который характеризуется наибольшей оценкой продолжительности прогнозируемой радиовидимости.

2. Устройство позиционирования для терминала спутниковой системы радиосвязи, содержащей совокупность спутников связи, перемещающихся по орбитам, и устройство управления, предназначенное для задействования для установления радиосвязи с терминалом, отличающееся тем, что поскольку терминал принимает сигналы синхронизации от ближайших спутников (S1, S2, S3), он содержит средство измерения для получения информации о местоположении (D), представляющей собой функцию положения данного терминала по отношению к каждому из ближайших спутников, средство оценки, предназначенное для определения продолжительности прогнозируемой радиовидимости каждого из ближайших спутников на основе информации о местоположении, и средство передачи, предназначенное для осуществления передачи в упомянутое устройство управления оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости по меньшей мере для двух из ближайших спутников, для которых эта продолжительность является наибольшей по сравнению с другими спутниками.

3. Устройство управления системы спутниковой радиосвязи, содержащей совокупность спутников связи, движущихся по орбитам, предназначенное для задействования определенного спутника для установления связи с терминалом T из ближайших к нему спутников (S1, S2, S3), от которых терминал принимает сигналы синхронизации, отличающееся тем, что терминал содержит средство измерения, предназначенное для определения информации о местоположении (D), представляющей собой функцию его положения по отношению к каждому из ближайших спутников, средство оценки, предназначенное для определения продолжительности прогнозируемой радиовидимости ближайших спутников на основе информации о местоположении, и передающее средство, предназначенное для передачи в устройство управления оценки продолжительности прогнозируемой радиовидимости по меньшей мере для двух из ближайших спутников, при этом устройство управления предназначено для выбора спутника для установления связи, в частности в зависимости от упомянутых оценок продолжительности прогнозируемой радиовидимости, переданных в это устройство упомянутым терминалом.

4. Устройство управления системы спутниковой радиосвязи, содержащей совокупность спутников связи, движущихся по орбитам, предназначенное для задействования для установления радиосвязи с терминалом Т одного из ближайших к нему спутников (S1, S2, S3), от которых терминал принимает сигнал синхронизации, отличающееся тем, что терминал содержит средство измерения, предназначенное для получения информации о местоположении (D), представляющей собой функцию его положения по отношению к каждому из ближайших спутников, и передающее средство, предназначенное для передачи в устройство управления информации о местоположении по меньшей мере для двух из ближайших спутников, при этом устройство управления содержит средство оценки, предназначенное для определения продолжительности прогнозируемой радиовидимости ближайших спутников на основе информации о местоположении, передаваемой терминалом, для обеспечения выбора спутника для установления радиосвязи с данным терминалом, в частности в зависимости от оценок продолжительностей прогнозируемой радиовидимости.

5. Устройство по одному из пп. 1 - 4, отличающееся тем, что каждый из спутников излучает отличную от других несущую частоту, обеспечивая возможность выработки упомянутым средством измерении в качестве информации о местоположении величины допплеровского смещения частоты (D) несущей в первый момент времени.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что оценка продолжительности прогнозируемой радиовидимости представляет собой возрастающую функцию величины допплеровского смещения частоты (D) в упомянутый первый момент времени.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что средство измерения вырабатывает дополнительно величину допплеровского смещения частоты (D) во второй момент времени, отделенный от первого момента времени периодом измерения, и коэффициент формы, определяемый отношением разности допплеровского смещения частоты в первый момент времени и во второй момент времени, отделенный от первого момента времени периодом измерения, с учетом знака допплеровского смещения частоты в первый момент времени, а оценка продолжительности прогнозируемой радиовидимости представляет собой возрастающую функцию величины, обратной по отношению к коэффициенту формы.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что средство измерения вырабатывает дополнительно величину допплеровского смещения частоты (D) во второй момент времени и коэффициент формы определяется как отношение суммы к разности допплеровского смещения частоты в первый момент времени и во второй момент времени, а оценка продолжительности прогнозируемой радиовидимости представляет собой возрастающую функцию коэффициента формы.

9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что средство измерения вырабатывает дополнительно величину допплеровского смещения частоты (D) во второй момент времени, отделенный от первого момента времени периодом измерения, функция, представляющая допплеровское смещение частоты, в частности для момента исчезновения (Т_м), определяется величиной допплеровского смещения частоты в упомянутые первый и второй моменты времени, а оценка продолжительности прогнозируемой радиовидимости определяется разностью момента исчезновения данного спутника из поля зрения данного терминала и второго момента времени.

10. Устройство позиционирования для терминала спутниковой системы радиосвязи, содержащей совокупность спутников, движущихся по орбитам, и устройство управления, предназначенное для задействования спутника для установления радиосвязи с терминалом, отличающееся тем, что терминал принимает сигналы синхронизации от ближайших спутников (S1, S2, S3), а устройство позиционирования содержит средство измерения, предназначенное для выработки информации о местоположении (D), представляющей собой функцию его положения или положения данного терминала по отношению к каждому из ближайших к нему спутников, и передающее средство, предназначенное для передачи в устройство управления информации о местоположении.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что каждый из упомянутых спутников, ближайших к данному терминалу (S1, S2, S3), излучает отличную от других несущую частоту, а информация о местоположении представляет собой допплеровское смещение (D) упомянутой несущей частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7