專利名稱：通信系統(tǒng)的制作方法
本申請要求2000年4月10日申請的美國臨時(shí)專利申請，序列號No.60/196,058的優(yōu)先權(quán)，為了通用的目的其被合并在此處作為參考。
本發(fā)明涉及無線通信系統(tǒng)，尤其是涉及一種使用飛行器的無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著因特網(wǎng)和多媒體應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，增加了提供高的帶寬、最近的距離連接給終端用戶的挑戰(zhàn)。通信信號可以通過多種不同類型的通信系統(tǒng)被傳送給上述的用戶。有線、陸地系統(tǒng)典型地對于很大的帶寬信號提供高速通信。但是，用于上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是昂貴的，并且修建、維護(hù)和升級是耗費(fèi)時(shí)間的，以及其不能單獨(dú)地支持移動通信。使用傳送塔的無線系統(tǒng)對于每個(gè)地區(qū)可用的大體上更有限的帶寬提供相當(dāng)高速的通信。
對地靜止的地球軌道(GEO)衛(wèi)星(處于大約36,000公里的高度)也可以提供無線通信給終端用戶，但是由于帶寬效率是有限的，因此在下面適合于高度的居民區(qū)。中和低地球軌道(MEO和LEO)衛(wèi)星(分別是10,000公里和700-1500公里)系統(tǒng)實(shí)際上是復(fù)雜的，因?yàn)榻K端用戶需要具有跟蹤衛(wèi)星相對運(yùn)動的設(shè)備。而且，GEO衛(wèi)星必須處于赤道軌道中，這限制了其對于赤道陸地區(qū)域的實(shí)際使用。非同步衛(wèi)星需要復(fù)雜地、連續(xù)地調(diào)整定向天線，既在空中又在地面上，典型地以輔助系統(tǒng)用于從一個(gè)傳送衛(wèi)星切換通信信號到下一個(gè)。當(dāng)然，以上所述的衛(wèi)星沒有一個(gè)是容易收回的，例如，用于檢修。
飛行器在各式各樣的應(yīng)用中使用，包括旅行、運(yùn)輸、救火、對空觀察和戰(zhàn)斗。已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種各樣的飛行器去滿足由這些應(yīng)用限定的功能作用的寬闊的組合。在這些飛行器之中包括傳統(tǒng)的氣球、飛船、固定翼飛行器、空軍聯(lián)隊(duì)飛機(jī)和直升飛機(jī)。
飛行器典型地未曾設(shè)計(jì)成能滿足的一個(gè)功能作用是，用于通信的長持續(xù)時(shí)間、亞軌道的(例如，平流層的)高空平臺。高空平臺是飛行器在高空相對地固定位置的場所。輕航空器，諸如氣球和飛艇，以及直升飛機(jī)兩者都由于高度限制在其作為高空平臺功能方面受到限制，并且在強(qiáng)風(fēng)中不能保持選擇的場所。飛行器典型地以高速運(yùn)動以達(dá)到和保持高度，由于在靜風(fēng)中無能力保持一個(gè)選擇的場所飛行器是受限的。此外，直升飛機(jī)、某些輕航空器以及大多數(shù)的飛行器對于遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一天的時(shí)間是不能保持高度位置，更不用說極大的持續(xù)時(shí)間，諸如超過一周或者一個(gè)月。
許多試驗(yàn)性的飛行器具有持續(xù)連續(xù)不斷的日夜飛行的潛能，作為太陽能的飛行器只要白天有充足的日光是可利用的。三種上述的飛行器設(shè)置眾多的飛行記錄，該飛行器實(shí)際上是公知的開拓者、百夫長以及太陽神飛行器構(gòu)成。以這些飛行器為基礎(chǔ)的基本設(shè)計(jì)詳細(xì)地在美國專利No.5,810,284中論述，其目的在于未掃過的具有很高的長寬比和相對固定的弦長和機(jī)翼的空軍聯(lián)隊(duì)飛機(jī)。
工作在亞軌道高度的長持續(xù)時(shí)間高空平臺，諸如開拓者、百夫長和太陽神飛行器已經(jīng)提出供多種功能使用。作為一個(gè)例子，裝備有微波通信設(shè)備的高空平臺可以提供在邊遠(yuǎn)地區(qū)之間的通信中繼業(yè)務(wù)。其他類型的飛行器不是最佳適合于這種任務(wù)的，因?yàn)樗鼈兪芟抻谒鼈兪褂玫娜剂系牧?，該燃料是重的、昂貴的并且非常迅速地耗盡。典型地，這些其他類型的飛行器對于所有的極大持續(xù)時(shí)間不能保持在其預(yù)定位置之上，由此在執(zhí)行這些任務(wù)中具有有限的應(yīng)用。
希望去開發(fā)一種提供高帶寬信號，既給固定位置又給移動接收機(jī)的通信系統(tǒng)。本發(fā)明的不同的實(shí)施例可以滿足這些需要的某些或者全部，并且進(jìn)一步提供有關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供使用一個(gè)飛行器的通信系統(tǒng)解決如上所述的需要，該飛行器制造是花費(fèi)不多的，并且可以保持在高處很長的持續(xù)時(shí)間。這些系統(tǒng)可以快速配置，對于需要和需要量是可升級的，并且可以以新技術(shù)維修和升級。實(shí)際上，可以開發(fā)可作傳輸和/或移動用戶之用的這些無線系統(tǒng)。
本發(fā)明限定使用亞軌道的平臺，該平臺可用于轉(zhuǎn)換來自地面站的無線電波信號為送往衛(wèi)星或者其他的航天器的光信號，即上述的亞軌道的高度。同樣地，該飛行器可以與很多的地面站連接，去建立寬頻帶和/或無線網(wǎng)絡(luò)。但是，該飛行器比衛(wèi)星或者陸地近距離基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的制造不僅是價(jià)格更進(jìn)一步比較低廉，對于相同的或者不同的任務(wù)其是可取回的，并且可以重復(fù)使用。
本發(fā)明使用堅(jiān)固位置保持平流層的平臺作為通信節(jié)點(diǎn)，實(shí)際上相對于固定位置用戶該通信節(jié)點(diǎn)是對地靜止的。該平臺以太陽能和氫燃料電池的混合物產(chǎn)生的電能實(shí)現(xiàn)空氣動力學(xué)的控位。它們是對環(huán)境無害的，并且不產(chǎn)生污染物進(jìn)入該平流層。該有效負(fù)荷模塊保持姿態(tài)，并且利用萬向支架從平臺滾動俯仰偏轉(zhuǎn)運(yùn)動減震。有效負(fù)荷和用戶終端天線兩者都設(shè)計(jì)成能動態(tài)地容納平臺控位。
數(shù)據(jù)可以經(jīng)由以地面為基地的網(wǎng)關(guān)處理，該網(wǎng)關(guān)配置去轉(zhuǎn)播該數(shù)據(jù)給飛行器，并且從飛行器接收數(shù)據(jù)。該平臺處于20公里標(biāo)稱高度。這大體上接近于在35,000公里軌道中的同步衛(wèi)星，并且其提供等于或者超過陸地網(wǎng)絡(luò)的延遲等待時(shí)間。
該通信系統(tǒng)可以使用多個(gè)隨著頻率和極化分集一起空間分開的飛行器，以使進(jìn)入高度居住的市區(qū)之內(nèi)的帶寬密度效率可高達(dá)222MHZ/KM2以上。這也允許對抗系統(tǒng)同時(shí)存在。
從下面結(jié)合伴隨的附圖對發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明中，例如，舉例說明本發(fā)明的原理，本發(fā)明的其他的特征和和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。作為在下面的陳述允許建立和使用一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例，特定的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明不意欲限制列舉的權(quán)利要求，而是用來起主張本發(fā)明的特定例子的作用。


圖1是一個(gè)在零應(yīng)力位置實(shí)施本發(fā)明的飛行器的優(yōu)選實(shí)施例的正視圖。
圖2是一個(gè)在圖1描述的飛行器的平面圖。
圖3是一個(gè)在圖1描述的飛行器在飛行狀態(tài)之下在典型的負(fù)荷彎曲位置的透視圖。
圖4A是一個(gè)在圖1描述的飛行器的說明性的視圖，該飛行器在通信系統(tǒng)中充當(dāng)高空平臺，去在地面站信號和多個(gè)終端用戶之間傳送信號。
圖4B是一個(gè)類似在圖1描述的多個(gè)飛行器的概念視圖，在通信系統(tǒng)中該飛行器充當(dāng)高空平臺，去在多個(gè)小區(qū)中在多個(gè)地面站和多個(gè)終端用戶之間傳送信號。
圖4C是一個(gè)在圖4B描述的概念之下可以由飛行器保持的堅(jiān)固位置的二維空間分布的概念視圖。
圖4D圖解一個(gè)使用GEO衛(wèi)星Ka相反頻帶飛行器通信有效負(fù)荷設(shè)計(jì)方案。
圖5是一個(gè)在圖1描述的飛行器的說明性的視圖，該飛行器在通信系統(tǒng)中充當(dāng)高空平臺，去在使用無線電波信號的地面站和使用光信號的衛(wèi)星之間傳送信號。圖5進(jìn)一步描述從一個(gè)衛(wèi)星到第二個(gè)衛(wèi)星的切換通信。
圖6是一個(gè)類似于圖5的通信系統(tǒng)的說明性的視圖，這里衛(wèi)星處于與地面站相比較顯著不同的緯度。
圖7是一個(gè)類似于圖5的通信系統(tǒng)的說明性的視圖，這里該飛行器與多個(gè)地面站通信，并且該衛(wèi)星被山脈從一個(gè)或多個(gè)地面站阻擋。
圖8是一個(gè)類似于圖5的通信系統(tǒng)的說明性的視圖，這里該飛行器同時(shí)與三個(gè)不同的衛(wèi)星通信。
圖9是一個(gè)類似于圖5的通信系統(tǒng)的說明性的視圖，這里該飛行器同時(shí)直接與二個(gè)飛行器和一個(gè)地面站通信。
圖10是一個(gè)類似于圖5的通信系統(tǒng)的說明性的視圖，這里一個(gè)衛(wèi)星與多個(gè)飛行器通信，每個(gè)飛行器起一個(gè)基站的作用，用于與多個(gè)地面站通信。
圖11A是一個(gè)在圖1描述的飛行器的說明性的視圖，在寬頻帶、無線本地回路或者其他的具有用戶基站和用戶遠(yuǎn)端站的通信系統(tǒng)中，該飛行器充當(dāng)高空亞軌道的平臺基站。
圖11B是一個(gè)適合于具有在圖11A舉例說明的通信系統(tǒng)使用的用戶基站的視圖。
圖11C是一個(gè)適合于具有在圖11A舉例說明的通信系統(tǒng)使用的用戶遠(yuǎn)端站的視圖。
具體實(shí)施例方式
通過參考下面的詳細(xì)說明，可以更好地理解上述的綜述和通過列舉的權(quán)利要求定義的本發(fā)明，該詳細(xì)說明應(yīng)該結(jié)合伴隨的附圖閱讀。作為在下面的陳述允許建立和使用一個(gè)發(fā)明的實(shí)施例，這個(gè)通信系統(tǒng)特定的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明不意欲限制列舉的權(quán)利要求，而是用來提供其特定的例子。
用于本發(fā)明的優(yōu)選的飛行器本發(fā)明最好包括使用一個(gè)飛行器作為具有堅(jiān)固的控位必要條件的大體上對地靜止的平臺。按照本發(fā)明，該優(yōu)選的飛行器具有類似于開拓者、百夫長和太陽神飛行器的結(jié)構(gòu)，如在本發(fā)明背景所述的。雖然優(yōu)選的飛行器的結(jié)構(gòu)在下面進(jìn)行描述，更多細(xì)節(jié)提供于美國專利No.5,810,284中，它作為參考合并在此處。雖然如此，應(yīng)該明白適合于本發(fā)明的其他的飛行器的結(jié)構(gòu)可以實(shí)質(zhì)上不同于描述的飛行器。
參考圖1-3，優(yōu)選的飛行器實(shí)施例是一個(gè)空軍聯(lián)隊(duì)飛機(jī)10，即，其沒有機(jī)身或者尾翼。而是，其由一個(gè)具有沿著翼展大體上相容的翼型和尺寸的平直機(jī)翼12組成。最好是，六個(gè)、八個(gè)或者十四個(gè)電動機(jī)14沿著翼展位于不同位置上，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動單個(gè)螺旋槳16去產(chǎn)生推進(jìn)。最好是，二個(gè)、四個(gè)或者五個(gè)垂直安定翼或者吊艙18a-18d隨著陸裝置在其低端從機(jī)翼向下延伸。
該優(yōu)選的飛行器10是太陽能的，并且包括燃料箱去儲存能量用于連續(xù)不斷的日夜飛行。因此，理論上適合于連續(xù)不斷的、不載人飛行在一周至十天以上(例如，200個(gè)小時(shí))，進(jìn)一步最好是3000個(gè)小時(shí)或者更長。換句話說，可以設(shè)計(jì)成能從氫燃料(諸如用于或者燃料電池或者常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)的液態(tài)氫)、化石燃料或者其他的儲存的燃料，或者諸如在白天的太陽能以及在夜里存儲非可更換的或者部分可更換的燃料的燃料源的組合取得其某些或者全部能源。
該飛行器10最好是沿著翼展順序地設(shè)置縱向被分成五個(gè)或者六個(gè)模塊化分段。這些分段長度從39到43英尺范圍，并且具有大約八英尺的弦長。因此，該飛行器具有大約八英尺的長度，并且最好是具有大約100、120、200或者250英尺的翼展。該飛行器的機(jī)翼分段每個(gè)在飛行中支撐它們自己的重量，以便將在分段中間的負(fù)荷減到最少，并且從而將要求的載荷結(jié)構(gòu)減到最少。
該安定翼18a-18d從機(jī)翼12在分段之間的連接點(diǎn)向下延伸，每個(gè)安定翼安裝著陸裝置前和后輪34、36。該安定翼被配置作為吊艙去包含飛行器的組成部分，諸如電子設(shè)備，和/或各種各樣的有效負(fù)荷。吊艙的一個(gè)，“控制盒”用于攜帶電子控制設(shè)備，包括一個(gè)主要包含軟件的自動駕駛儀去控制馬達(dá)和升降舵。此外，該吊艙攜帶檢測器，包括全球定位系統(tǒng)設(shè)備，以及如在下面進(jìn)行描述的通信設(shè)備。
作為上述結(jié)構(gòu)的結(jié)果，該飛行器的優(yōu)選實(shí)施例是輕巧的(機(jī)翼面積小于1磅每平方英尺)，以相對緩慢的空中速度(從低空13節(jié)至高空100節(jié))行進(jìn)，并且為了呆在空中需要從太陽能電池系列相對小的電能。其作用位置性能是這樣的，對于該通信系統(tǒng)的其他的部分實(shí)際上是透明的(即，只要該飛行器保持在其位置，該通信系統(tǒng)的其他部分不受飛行器的飛行的影響)。
地面鏈路系統(tǒng)圖4A和4B描述了實(shí)施本發(fā)明通信系統(tǒng)的第一個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)概念。該系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)用作堅(jiān)固控位平流層平臺的飛行器10，該飛行器10被用作通信節(jié)點(diǎn)，并且通信設(shè)備既設(shè)置在該平臺上，又設(shè)置在地面上。
該以地面為基地的通信設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)“網(wǎng)關(guān)”102(即，廣播信號到一個(gè)或多個(gè)飛行器平臺，和/或從一個(gè)或多個(gè)飛行器平臺接收信號的陸地通信節(jié)點(diǎn))。該以地面為基地的通信設(shè)備也包括一個(gè)或多個(gè)終端用戶終端(即，用于一個(gè)或多個(gè)終端用戶的通信設(shè)備)，每個(gè)在一個(gè)或多個(gè)最終用戶場所106具有一個(gè)終端天線104。該終端天線可以每個(gè)廣播信號到飛行器平臺的一個(gè)，和/或從飛行器平臺的一個(gè)接收信號。多個(gè)終端天線可用于從不同的飛行器對單個(gè)終端用戶接入信號，因此增加了帶寬。
在一個(gè)用戶終端要到或者從終端用戶106交換的數(shù)據(jù)，被經(jīng)空中的通信設(shè)備在網(wǎng)關(guān)102和終端用戶的用戶終端之間發(fā)送。尤其是，該終端用戶數(shù)據(jù)最好是在一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)和一個(gè)或多個(gè)飛行器10之間處理和發(fā)送。
該飛行器10相對于不可移動的網(wǎng)關(guān)102和終端用戶所在地106保持大體上對地是靜止的。尤其是，這些飛行器平臺被保持在輸出終端天線104的波束寬度之內(nèi)。每個(gè)平臺最好是在選擇的覆蓋區(qū)或者小區(qū)之上保持在20公里高度的位置上。在所有的環(huán)境條件之上，其最好是呆在600米轉(zhuǎn)彎半徑和+30米垂直高度的范圍之內(nèi)。與GEO衛(wèi)星相比較，這個(gè)通信系統(tǒng)很可能具有等于或者超過地面網(wǎng)的延遲等待時(shí)間。
該機(jī)載通信設(shè)備被攜帶在飛行器10上的一個(gè)或多個(gè)有效負(fù)荷模塊中，并且最好是在吊艙18中(參見圖1-3)。這個(gè)設(shè)備保持其姿態(tài)，并且利用萬向支架從平臺滾動俯仰搖擺運(yùn)動中減震。該機(jī)載通信設(shè)備(有效負(fù)荷)和該終端用戶終端天線兩者都被設(shè)計(jì)成能動態(tài)地容納該飛行器平臺。
該機(jī)載通信設(shè)備被配置去瞄準(zhǔn)用戶終端天線的多個(gè)不同的小區(qū)110。這些最好是六邊形的小區(qū)可以具有改變尺寸的性質(zhì)，其最好是在離飛行器適當(dāng)?shù)木嚯x與該機(jī)載通信設(shè)備的波束寬度相匹配。
具有類似配置的通信設(shè)備的附加的飛行器10提供附加的帶寬給由第一個(gè)飛行器服務(wù)的小區(qū)110，和/或給附加的小區(qū)。每個(gè)飛行器應(yīng)該與其它的隔開，使得它們不會飛越在彼此相關(guān)的地面天線的波束寬度之內(nèi)。這種空間分集也用來保護(hù)飛行器避免相互撞上。
該系統(tǒng)可以使用空間分集(從緊密堆積的二維變化平臺位置，參見圖4C)、頻率分集和極化分集去使得帶寬密度效率可高達(dá)222MHZ/KM2進(jìn)入高人口密度的市區(qū)之內(nèi)。該密集的空間分集與用于GEO衛(wèi)星的一維的軌跡系列相比較提供實(shí)質(zhì)上更高的帶寬。這種空間分集還可以允許對抗系統(tǒng)同時(shí)存在。
該網(wǎng)關(guān)使用92-95 GHz用于到平臺的上行鏈路，以及81-84 GHz用于來自平臺的下行鏈路。該頻帶范圍被極化以便每個(gè)網(wǎng)關(guān)可重復(fù)使用。最好是，具有自動跟蹤天線的高達(dá)4個(gè)空間分開的網(wǎng)關(guān)處理來自每個(gè)平臺的所有的數(shù)據(jù)?？偣?倍的重復(fù)使用得出每個(gè)平臺24GHz的帶寬信息通過量。該網(wǎng)關(guān)處理和路由用戶數(shù)據(jù)，或者外部經(jīng)由陸地和/或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，或者內(nèi)部向上到平臺去指定在覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶。到飛行器的該網(wǎng)關(guān)的通信鏈路最好是使用交叉極化抵消最壞情況下雨去保持該鏈路性能。
在該平臺上的通信有效負(fù)荷是一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)為用于連接用戶到網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)器。該網(wǎng)關(guān)天線共同地自動跟蹤該地面天線。為了在用戶鏈路上得到帶寬密度，該多波束被以在常規(guī)的4個(gè)小區(qū)重復(fù)使用結(jié)構(gòu)配置。該小區(qū)的大小和首尾相連同步CDMA波形結(jié)構(gòu)克服由最壞情況平臺運(yùn)動所引起的干擾。
終端用戶通信鏈路(從飛行器到用戶終端)可以設(shè)計(jì)成使用Ka或者Ku波段。圖4D示出上述的使用GEO衛(wèi)星Ka頻帶的相反的設(shè)計(jì)方案，即來自終端用戶的19.7-20.2GHz上行鏈路，和到終端用戶的29.5-30.0GHz下行鏈路。該500MHZ可用帶寬被在4個(gè)小區(qū)重復(fù)使用方案中分成二個(gè)250MHZ。對于全部24GHz網(wǎng)關(guān)帶寬，該有效負(fù)荷支持96個(gè)用戶波束。如果相應(yīng)的小區(qū)大小是8公里的六邊形，這實(shí)現(xiàn)6MHZ/KM2的帶寬密度。
該用戶的終端天線必須具有足夠的波束寬度，以適應(yīng)平臺的控位操作。同時(shí)，它們必須足夠窄，以允許多個(gè)平臺去在相同的覆蓋區(qū)之上運(yùn)行，如果需要增加，去進(jìn)一步增加該帶寬密度。對應(yīng)于圖4D的有效負(fù)荷，直接在該平臺下面的30cm直徑天線用于小區(qū)，同時(shí)在覆蓋區(qū)的邊緣需要45cm的天線用于小區(qū)，以對于額定E1(2.048MBPS)的數(shù)據(jù)傳輸速率關(guān)閉該鏈路。這些天線在Ka波段的旁瓣電平允許37個(gè)平臺的六邊部分具有最低的相互干擾，如圖6所示。在重疊區(qū)中這增加帶寬密度到222MHZ/KM2。在GEOKa波段終端和這個(gè)系統(tǒng)之間的干擾可以很大程度上被利用空間分離而減輕。
最好是，一個(gè)或多個(gè)操作中心100指揮和控制飛行的飛行器平臺(參見圖4B)。它們也指揮和控制附加的飛行器平臺，該附加的飛行器平臺可用于替換以保證整個(gè)系統(tǒng)具有99.9％可靠性的有效性，并且當(dāng)專用飛行器被供給時(shí)去保持該系統(tǒng)。最好是，該操作中心控制一隊(duì)飛行器平臺，在用于下面的地形適當(dāng)?shù)奈恢盟梢酝瑫r(shí)保持。最好是，在第一個(gè)飛行器已經(jīng)被第二個(gè)代替之后，該第二個(gè)飛行器可以對著遠(yuǎn)距離的起落跑道以避免惡劣的天氣。因?yàn)樵擄w行器的預(yù)制構(gòu)件拼裝結(jié)構(gòu)，并且因?yàn)樵摬糠值某叽?，該飛行器因此能被拆散，并且由普通卡車攜帶至跑道靠近通信單元。。
當(dāng)配置在不同的需要上的時(shí)候，這個(gè)系統(tǒng)是全部可升級的，并且通過許多途徑可以被最佳化。該有效負(fù)荷最好是設(shè)計(jì)為對應(yīng)于單個(gè)網(wǎng)關(guān)增加6GHz的信息通過量。該天線波束將有選擇地填充以覆蓋需要的小區(qū)110。
當(dāng)平臺被收回用于維護(hù)的時(shí)候，有效負(fù)荷(即，機(jī)載通信設(shè)備)可以被升級和重新配置。該平臺可以被優(yōu)化用于具有較小有效負(fù)荷堅(jiān)固的控位。相應(yīng)的小區(qū)尺寸可以被降低用于更高的帶寬密度。隨后該整個(gè)系統(tǒng)容量可以在覆蓋區(qū)之上與多個(gè)平臺保持。
衛(wèi)星下行鏈路系統(tǒng)圖5描述了實(shí)施本發(fā)明的第二個(gè)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)概念。該飛行器10用于從位于軌道高度或者更高的航天器，諸如衛(wèi)星到地面站建立高帶寬地對空通信系統(tǒng)。尤其是，該飛行器尤其非常適合于用作衛(wèi)星下行鏈路系統(tǒng)部分，該衛(wèi)星下行鏈路系統(tǒng)將也包括一個(gè)衛(wèi)星302、一個(gè)地面站300以及支持在它們之間傳播信號的通信設(shè)備。這種類型的系統(tǒng)可以在多種通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中是有效的。
典型地，在地面站和衛(wèi)星之間的通信使用某種類型的無線電波信號，諸如微波信號，該微波信號可以沒有干擾地穿過各種各樣的大氣現(xiàn)象，諸如云霧。這些信號的某些是無方向性的，并且某些以給定的波束寬度直接朝著目標(biāo)的方向。但是，對于接收機(jī)靈敏度和背景噪聲的給定電平，需要傳播特定的帶寬的信號強(qiáng)度大體上隨著在地面站和衛(wèi)星之間的距離而增加，即使廣播天線具有相對窄的波束寬度。接收機(jī)靈敏度可以是隨天線尺寸而增加，但是含有大量的折衷，它對于衛(wèi)星系統(tǒng)是昂貴的。
此外，由于同步衛(wèi)星有限的例外，衛(wèi)星跟隨地面跟蹤在赤道之上反向和四分之一相交，在其來自地面站的距離和方向引起變化，并且在定向天線中需要很大點(diǎn)調(diào)整(諸如周期性地從衛(wèi)星切換到衛(wèi)星)。取決于衛(wèi)星(或者衛(wèi)星組)的地面軌跡，地面站可能需要大規(guī)模功率去保持與遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星的下行鏈路。
因此，信號強(qiáng)度是在可用帶寬上用于下行鏈路的典型的限制因素，對于方向性地面站，該定向天線典型地必須具有跟蹤其目標(biāo)的能力。此外，達(dá)到這樣的程度以至可以增加信號強(qiáng)度，該增加擴(kuò)大了地理區(qū)域，該信號將受到很大干擾，尤其是如果該信號具有寬的波束寬度或者是無方向性的(諸如用于蜂窩式通信)?？傊?，該通信頻帶寬度對于在地面站之上的衛(wèi)星的高度、對于在地面站和衛(wèi)星之間的最大地面距離(即，經(jīng)緯度度數(shù))、接收機(jī)靈敏度(諸如天線尺寸)、波束寬度以及功率電平是受限的。另外，對于至少某些應(yīng)用，該通信頻帶寬度對于背景噪聲電平是受限的，并且限制與其他的位置信號的允許干擾。此外，如果窄波束寬度地面站天線用于降低功率需求，由于跟蹤需求的精確性，可能招致很大成本，并且可能出現(xiàn)附加的失敗風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)它們可以使用高頻信號之時(shí)，例如，激光或者其他的光信號，衛(wèi)星到衛(wèi)星的通信信號，或者衛(wèi)星到非軌道航天器的上行鏈路沒有必要受到這些類型的限制，去以有限的功率實(shí)現(xiàn)在很大距離之上寬闊的帶寬。當(dāng)穿過大氣現(xiàn)象諸如云霧的時(shí)候，這些信號可以迅速地降低。因此，上述的高頻通信信號典型地局限于相互的衛(wèi)星通信，或者局限于在衛(wèi)星和地面位置之間的通信，其沒有力圖經(jīng)歷大氣現(xiàn)象諸如云霧。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例通過提供亞軌道的平臺304去從地面站300轉(zhuǎn)換無線電波信號，諸如微波信號，為一個(gè)光信號直接朝著衛(wèi)星或者其他的航天器的方向，在地對空通信帶寬中可以提供很大的增加。雖然這個(gè)通信鏈路可以是在兩者之一的方向，最好是該通信鏈路是雙向的。
對于這些功能，該優(yōu)選的亞軌道的平臺，本發(fā)明的飛行器10包括一個(gè)微波收發(fā)信機(jī)310和一個(gè)光收發(fā)機(jī)314，該微波收發(fā)信機(jī)310具有一個(gè)向下指向的天線，用于與在地面站上具有一個(gè)向上指向的天線的微波收發(fā)信機(jī)312通信，該光收發(fā)機(jī)314具有一個(gè)向上指向的天線，用于與在衛(wèi)星中具有一個(gè)向下指向的天線的光收發(fā)機(jī)316通信。該飛行器最好是提升到一個(gè)在典型的用于實(shí)際上的大氣光波干擾高度之上的高度，諸如避免云霧318和其他的大氣降雨，并且最好是足夠低去在地面站和飛行器之間最佳化信號帶寬。最好是，該飛行器具有多個(gè)用于地面站的天線，這些定位地面天線的每一個(gè)最好是可瞄準(zhǔn)的。
最好是，大多數(shù)該飛行器工作在50,000英尺和70,000英尺之間的高度，并且這樣做200小時(shí)或者更長(進(jìn)一步最好是300小時(shí)或者更長)。使用這個(gè)飛行器建立的該通信系統(tǒng)最好是在地面和低軌道的高度之間的距離之上，工作在地面站微波功率電平禁止很大的通信(即，很大帶寬的通信)。
最好是，該飛行器放置在相對于地面相對不動的位置上，因此限制或者消除對于地面站去跟蹤該飛行器的需要。尤其是，該飛行器最好是工作在7000英尺直徑的圓周之內(nèi)，并且具有1000英尺高度范圍，以及進(jìn)一步最好是大體上在或者接近于4000英尺直徑圓周之內(nèi)。此外，該飛行器最好是工作在1000英尺垂直幅度之內(nèi)，或者進(jìn)一步最好是在或者接近于100英尺垂直幅度之內(nèi)。
從地面站300經(jīng)由作為亞軌道的平臺去使用光信號308轉(zhuǎn)播無線電波信號306給衛(wèi)星302，該飛行器提供很多優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)施不同的任務(wù)。例如，如果其開發(fā)機(jī)械困難，這樣的一個(gè)飛行器可以迅速地被替換。同樣地，在較高的功率電平(用于寬闊的波束寬度或者無方向性的信號)上使用可能彼此干涉的頻率，上述的飛行器可以工作在彼此相對接近的距離之內(nèi)，因?yàn)榕c需要提供同樣的帶寬給在軌道上的衛(wèi)星相比較用于每個(gè)飛行器的無線電波信號具有大體上低的功率電平。使用需要的電平用于不同的信號，這可以進(jìn)一步以閉環(huán)信號強(qiáng)度控制系統(tǒng)增加去將功率減到最少。
通過使用具有有限波束寬度的向上指向的地面天線和/或向下指向的衛(wèi)星天線，功率使用可以被進(jìn)一步減到最小。這些可瞄準(zhǔn)的天線的每一個(gè)限定一個(gè)該飛行器必須保持在之內(nèi)的大氣空間區(qū)域。如果既使用向上指向的地面天線，又使用向下指向的衛(wèi)星天線，它們必須被瞄準(zhǔn)去共同限定一個(gè)該飛行器可以在之內(nèi)保持控位飛行隊(duì)形的大氣空間區(qū)域。
為了在該限定的大氣空間之內(nèi)保持位置，該飛行器最好是低速飛行飛行器。該飛行隊(duì)形典型地是阿司匹林形狀，通常是圓的，允許具有一定量的垂直變化。但是，應(yīng)該明白在大風(fēng)條件下，優(yōu)選的飛行隊(duì)形可以改變?yōu)橹中螆D象，這里該飛行器在通常的迎風(fēng)方向來回地Z字形地移動以徑直頂風(fēng)飛行。
該飛行器可以起便利在單個(gè)地面站和單個(gè)航天器，諸如對地靜止的(或者其他的地球同步的)衛(wèi)星之間通信的作用，或者其可以與許多在該飛行器的光通信范圍內(nèi)順序地傳送的低的軌道衛(wèi)星通信，如在圖5描述的。最好是，一個(gè)設(shè)計(jì)在衛(wèi)星之間切換的飛行器將包括二個(gè)光通信設(shè)備314、320，以便在中斷其與第一個(gè)衛(wèi)星302的通信鏈路之前，獲得與第二個(gè)衛(wèi)星322的通信鏈路。
如在圖6描述的，在實(shí)施本發(fā)明的另一個(gè)系統(tǒng)中，該飛行器10可以被用于更北或者更南緯度，這里對通信衛(wèi)星的恒量和隨機(jī)存取可能不容易達(dá)到。通過在足夠的、亞軌道的(最好是平流層的)高度放置該飛行器，該飛行器可以建立與衛(wèi)星324的通信，該衛(wèi)星324在遠(yuǎn)處超過80度緯度，該衛(wèi)星有可能靠近于赤道。
在一個(gè)有關(guān)的方面中，該飛行器可以通過使用專用于赤道衛(wèi)星的重復(fù)使用波長的定向信號有利地利用大多數(shù)所有的非赤道的位置。尤其是，通過引導(dǎo)一個(gè)朝著地球同步衛(wèi)星的方向，并且另一個(gè)朝著飛行器的方向，一個(gè)特定的地面站可以使用相同的波長直接轉(zhuǎn)播二個(gè)不同的信號。不同于非赤道衛(wèi)星，該飛行器不需要經(jīng)過赤道，因此該地面站無須周期性地切換到新的轉(zhuǎn)播方向(諸如當(dāng)該地面站必須切換衛(wèi)星的時(shí)候出現(xiàn)的)。當(dāng)然，對于一個(gè)給定的飛行器位置，當(dāng)被轉(zhuǎn)播給衛(wèi)星之時(shí)，某些地面站將不能在相同頻率上轉(zhuǎn)播，因?yàn)樵撾p向的信號將重疊。例如，如果該飛行器稍微位于赤道的北部，并且該地面站進(jìn)一步位于赤道的北部，該信號可能重疊。但是，對于一個(gè)顯著離開赤道的地面站，在赤道上并且大體上在該衛(wèi)星的下面也許可能放置一個(gè)飛行器。應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明的這個(gè)方面與本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例有關(guān)，這里地面站通過傳播給二個(gè)空間分開的飛行器而傳送增加的帶寬。
如在圖7描述的，該通信系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例可用于繞過山脈325及其他障礙物。這個(gè)特點(diǎn)可以用于地面站到衛(wèi)星鏈路運(yùn)行，以及同樣地用于地面站到地面站鏈路運(yùn)行。由于典型地地面站和衛(wèi)星兩者都不無需大的工作和/或費(fèi)用重新設(shè)置，使用該系統(tǒng)尤其是行之有效的。對于上述的系統(tǒng)的一個(gè)潛在的行之有效的使用是克服障礙物對廣泛地傳播信號的影響，諸如電視信號。這些電視信號的信源可以是地面站、衛(wèi)星或者甚至另一個(gè)飛行器。另一個(gè)潛在的行之有效的使用是使用相同的頻率在到多個(gè)從地理上講分離的地面站的傳播中的頻率復(fù)用。這對于遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星要求更窄的波束寬度去使用相同的頻率與二個(gè)地面站進(jìn)行單獨(dú)的通信是有利的。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例使用飛行器作為局部的網(wǎng)絡(luò)中心，在位于點(diǎn)波束中的終端用戶和通信網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)播通信。該通信網(wǎng)絡(luò)可以是或者基于陸地經(jīng)地面天線接入，或者基于空間經(jīng)光學(xué)接入，或者特高頻微波鏈路。
在圖8描述的一個(gè)上述有關(guān)的系統(tǒng)使用一個(gè)飛行器10作為通信網(wǎng)絡(luò)中心，同時(shí)在一個(gè)地面站326和多個(gè)衛(wèi)星328之間通信。在這個(gè)使命中，該飛行器將需要多個(gè)光收發(fā)機(jī)，并且將需要產(chǎn)生附加功率去操作該收發(fā)信機(jī)。另一方面，如在圖9和10描述的，示出二個(gè)覆蓋區(qū)域，在每個(gè)之上利用一個(gè)飛行器提供覆蓋。尤其是，一個(gè)或多個(gè)上述的飛行器10都可以與單個(gè)衛(wèi)星330通信，因此以作為通信網(wǎng)絡(luò)中心的單個(gè)衛(wèi)星連接一個(gè)或多個(gè)地面站。通過每個(gè)飛行器潛在地提供了頻率復(fù)用(即，每個(gè)飛行器可以使用相同的可利用的頻率組)，增加了在衛(wèi)星和地面之間的可用帶寬。
這種情形可以提供適合于在人口稠密地區(qū)和衛(wèi)星之間(參見圖10)，或者在衛(wèi)星和二個(gè)遙遠(yuǎn)的位置之間(參見圖9)增加帶寬。前者的情形提供極其高數(shù)量的數(shù)據(jù)以在衛(wèi)星和都市之間經(jīng)過?？拷孛嫣峁┎煌穆窂饺ブ貜?fù)使用低的頻率，以及光學(xué)或者特高頻微波鏈路去在飛行器和衛(wèi)星之間通信。隨后，那個(gè)衛(wèi)星可以作為網(wǎng)絡(luò)中心，并且與一個(gè)或多個(gè)其他的衛(wèi)星334通信，其他的衛(wèi)星334也可以用于適合于地面通信的亞軌道的平臺。另外，還可以用于控制飛行器到飛行器通信。正如這些例子表明的，該飛行器可以用作許多通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一部分。
雖然以上所述的優(yōu)選實(shí)施例使用微波和光信號，應(yīng)該明白該系統(tǒng)對于各式各樣的信號是可操作的。尤其是，眾所周知大氣濕度顯著地干擾大約一個(gè)毫米或者更小的無線電波長(即，在二十吉赫之上的高頻率信號)，但是不是非常大的波長(即，在二十吉赫下面較低頻率信號)。因此，該系統(tǒng)最好是可以使用地面站到飛行器的無線電信號具有大于1毫米波長運(yùn)行的，并且飛行器到衛(wèi)星的無線電信號具有小于1毫米波長。此外，使用以上所述發(fā)明的飛行器去重新寄送和/或放大信號，即使系統(tǒng)的飛行器到衛(wèi)星部分以穿過大氣干擾的信號運(yùn)行，諸如與在系統(tǒng)的地面站到飛行器部分使用的信號相同，功率可以被節(jié)省。
寬頻帶分配系統(tǒng)參考圖11A，與本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例有關(guān)系的通信系統(tǒng)屬于無線本地回路、寬頻帶和/或其他的通信網(wǎng)絡(luò)。
不同形式的通信，諸如移動的和住宅的音頻電話，移動的和住宅的因特網(wǎng)接入，以及寬頻帶數(shù)據(jù)存取，每個(gè)具有不同的傳輸要求。例如，音頻電話需要相對低電平的帶寬(例如，4至64KBps)用于時(shí)間持續(xù)期(例如2至30分鐘)。因特網(wǎng)接入需要大的帶寬(例如，64至2000KBps)用于非常有限的一段時(shí)間(例如，幾秒)，并且在幾乎連續(xù)不斷的基礎(chǔ)上寬帶接入基于很大帶寬(例如，1兆位或者更高)。
為了提供上述的通信要求，開發(fā)了許多典型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同形式的網(wǎng)絡(luò)。在這些之中包括陸地有線電話網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線本地回路、以及各種各樣的平流層的基于衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)。
典型地，不同的裝備要求支持這些技術(shù)的每一個(gè)。但是，有時(shí)候上述的網(wǎng)絡(luò)可以提供多于一種功能。例如，通過利用ASDL(異步數(shù)字用戶線)技術(shù)經(jīng)陸地有線傳送，寬帶技術(shù)可以被帶給固定位置終端用戶。盡管如此，這些不同類型的網(wǎng)絡(luò)的大部分典型地需要大規(guī)模和便宜的有線的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，去相互連接或者用戶或者蜂窩塔。
如果在該網(wǎng)絡(luò)中使用衛(wèi)星，它們一般地在高密度的區(qū)域提供多址連接給用戶具有困難。開發(fā)供衛(wèi)星里使用的滿足嚴(yán)格的重量和功率要求的裝備是昂貴的。此外，由于有限的頻率復(fù)用支持是困難的，并且要求傳送的剩余功率界限小于移動用戶可以愿意去的理想的位置。而且，由于其不能穿過大氣濕度或者其他的干擾，不能使用很大的頻帶。
蜂窩和PCS系統(tǒng)擅長于穿透進(jìn)入建筑物之內(nèi)，并且難于達(dá)到通過使用剩余功率和很大的頻率復(fù)用的位置。但是，這些系統(tǒng)需要很大的寬帶連接在基站和/或傳送塔之間。
為了諸如上述的那些緣故，對于通信公司去最初配置進(jìn)入缺乏現(xiàn)有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的區(qū)域之內(nèi)，或者具有不可使用的專有的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的區(qū)域是困難的。本發(fā)明提供一種有創(chuàng)造力的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在各種各樣的實(shí)施例中，從事的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)涉及這些的一個(gè)或多個(gè)。
如圖11A所示，本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例包括使用一個(gè)或多個(gè)高空平臺，該高空平臺最好是飛行器(太陽能或者常規(guī)的，有人或者無人操縱的)，去提供在固定的地面位置之間寬帶一點(diǎn)對多點(diǎn)的連接。換句話說，可以使用近地球的軌道(NEO)衛(wèi)星。最好是，這個(gè)高空平臺是一個(gè)如上所述的飛行器10，在或者接近于相對于地面的一個(gè)位置環(huán)繞或者保持位置。
該飛行器用作亞軌道的平臺基站，最好是與和在許多地面站500之間保持寬帶通信信號，地面站500一般地固定在地面位置，可能地包括用戶的商業(yè)建筑502和用戶的居住房屋504的屋頂。至少某些地面站最好是作為基站配置去分配數(shù)據(jù)或者音頻信道給一個(gè)或多個(gè)典型地本地固定的遠(yuǎn)端用戶站或者移動用戶。除了建筑物之外，該地面基站還可以被集成在之內(nèi)或者安裝在路燈506、招牌、獨(dú)立的天線桿508或者其他的建筑物上。該用戶基站(商業(yè)的和住宅的兩者)最好是或者通過有線或者無線連接也聯(lián)網(wǎng)到在其建筑物上的用戶的入口。通過單獨(dú)的地面站510，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)512，或者通過經(jīng)由現(xiàn)有的用戶基站接入可以提供鏈接到其他的網(wǎng)絡(luò)，諸如PSTN(公用交換電話網(wǎng))、PLMN(公共陸地移動網(wǎng))或者鏈接到因特網(wǎng)，這里在用戶基站鏈接到上述的網(wǎng)絡(luò)的接入是可利用的。
如在圖11B描述的，一個(gè)用戶的地面基站500典型地配置有一個(gè)天線520，用于保持與該飛行器的寬帶或者無線回路鏈接。選擇性地，太陽能電池組522可用于將由用戶基站經(jīng)由電源接頭524得出的功率減到最少。不同的形式的地面基站可以被配置去提供或者專用用戶或者許多用戶。為了服務(wù)在地面基站的局部地區(qū)中的不管是移動或者固定的其他的用戶，雖然也可以使用有線網(wǎng)到達(dá)固定位置，最好是使用無線本地回路。為了與另一個(gè)遠(yuǎn)端用戶通信，該用戶基站最好是具有一個(gè)天線526，適合于相關(guān)的遠(yuǎn)端用戶站的選擇的無線標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，該遠(yuǎn)端用戶可以是由用戶擁有的無繩電話，另外該用戶不隸屬于用戶基站、其相關(guān)的用戶，以及其屬于的建筑物。
各式各樣的通信標(biāo)準(zhǔn)，包括無線本地回路可被用于鏈接用戶基站(或者其他的地面基站)到具有遠(yuǎn)端用戶站的用戶。兼容的無線通信標(biāo)準(zhǔn)包括AMPS(高級移動電話業(yè)務(wù))、TACS全通通信系統(tǒng))、NMT(北歐移動電話系統(tǒng))、IS-95(碼分多址美國數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn))、IS-54/IS-136(美國蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，亦稱為D-AMPS)、B-CDMA(寬帶碼分多址)、W-CDMA(寬帶碼分多址)、UMTS(通用移動電信業(yè)務(wù))、或者其他的3G，PHS(個(gè)人手持電話系統(tǒng))、DECT(數(shù)字增加無繩電話)、PACS(個(gè)人高級通信系統(tǒng))、PDC(個(gè)人數(shù)字蜂窩)、CDPD(蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù))、Mobitex(用于無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的愛立信標(biāo)準(zhǔn))以及RD-LAP(摩托羅拉開發(fā)的無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò))。因此各式各樣的業(yè)務(wù)可以被發(fā)送給這些用戶，包括音頻電話、電子郵件、因特網(wǎng)接入、傳真、可視電話以及電視會議。
如在圖11C描述的，用戶遠(yuǎn)端站530最好是包括一個(gè)天線532，適合于由用戶遠(yuǎn)端站的相關(guān)地面基站使用的無線標(biāo)準(zhǔn)。這些用戶遠(yuǎn)端站具有到該用戶的專用設(shè)備的有線或者無線網(wǎng)絡(luò)連接534。
如可以從在上面描述的這個(gè)分配系統(tǒng)看到的，本發(fā)明的這個(gè)方面提供了一種無需安裝大規(guī)模基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的信息分配系統(tǒng)。而是，該系統(tǒng)只需要與該用戶或者其他的地面站定位的專用用戶基站，以及一個(gè)或多個(gè)最好是高空、亞軌道的平臺，提供到和在地面站之間的通信鏈路。
在上面描述的實(shí)施例的進(jìn)一步支持中，某些優(yōu)選的參數(shù)包括下列-該飛行器在60,000-70,000英尺區(qū)域工作，在航空運(yùn)輸和暴風(fēng)雨之上，這里最大強(qiáng)度風(fēng)速比低噴氣流區(qū)域低得多的。
-該飛行器可以由任何合適的方法供以動力，例如太陽能、電池或者使燃料燃燒以經(jīng)由燃料箱、內(nèi)燃機(jī)或者渦輪建立電氣或者機(jī)械動力。
-該飛行器能夠相對緩慢的飛行，為了接近控位既用于長期荷載又用于操作的必要條件。
-在一個(gè)空中的穩(wěn)定平臺上(在方向和高度上是穩(wěn)定的)的多個(gè)天線從支承面的模式發(fā)送和接收信號。該波束是適中的、寬闊的，例如10°-20°。
-眾多的收發(fā)地面天線支持窄波束，例如2°-4°。
-該地面天線波束的方向和仰角被固定，使得所有的指向朝著控位飛行軌跡批量的中心的方向，該控位飛行器呆在該波束內(nèi)。
-附加的波束可以被經(jīng)一個(gè)固定方向的地面天線在飛行器和中央地面控制站之間發(fā)送。
-空中和地面天線系統(tǒng)的方向性允許頻率重復(fù)使用，以提供寬帶業(yè)務(wù)給許多的用戶。
雖然已經(jīng)舉例說明和描述了本發(fā)明的特殊方式，顯而易見不脫離本發(fā)明的精神和范圍可以進(jìn)行各種各樣的修改。例如，可以合并描述的實(shí)施例的不同的方面以產(chǎn)生本發(fā)明的其他的實(shí)施例。因此，雖然僅參考優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明，那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解不脫離本發(fā)明可以進(jìn)行各種各樣的修改。因此，本發(fā)明不意味著被上述的論述限制，而是根據(jù)下面的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種通信系統(tǒng)，包括多個(gè)地面基站，每個(gè)地面基站連接到至少一個(gè)終端用戶通信設(shè)備；和一個(gè)攜帶通信設(shè)備的亞軌道的平臺，其中該多個(gè)地面基站和該通信設(shè)備被配置去支持多個(gè)通信信號，每個(gè)通信信號鏈接該通信設(shè)備到至少多個(gè)地面基站的一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的通信系統(tǒng)，其中多個(gè)地面基站的至少一個(gè)包括一個(gè)無線本地回路，該無線本地回路建立在多個(gè)地面基站的至少一個(gè)和至少一個(gè)用戶遠(yuǎn)端站之間的通信，該多個(gè)地面基站的至少一個(gè)鏈接該無線本地回路，該無線本地回路與在多個(gè)地面基站的至少一個(gè)和通信設(shè)備之間的通信信號通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的通信系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)用戶遠(yuǎn)端站是二個(gè)以上無繩電話，每個(gè)無繩電話是由不附屬于安裝多個(gè)地面基站的至少一個(gè)的建筑物的用戶使用的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的通信系統(tǒng)，其中該通信設(shè)備是由一個(gè)飛行器攜帶的，該飛行器配置無需補(bǔ)給燃料留在空中至少200個(gè)小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的通信系統(tǒng)，其中該通信設(shè)備是由一個(gè)飛行器攜帶的，該飛行器配置無需補(bǔ)給燃料留在空中至少3000個(gè)小時(shí)。
6.一種保持在地面站和亞軌道的平臺之間的通信鏈接的方法，其中該地面站使用一個(gè)提供有限的波束寬度的通信信號的天線通信，包括確定該亞軌道的平臺和天線的位置，使得該亞軌道的平臺在該天線信號的波束寬度范圍之內(nèi)；保持該天線在通常固定的位置；和以保持該亞軌道的平臺在信號的波束寬度范圍之內(nèi)的模式使該亞軌道的平臺飛行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該飛行器大體上保持在由4000英尺直徑圓周和100英尺高度范圍限定的位置之內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該飛行的步驟繼續(xù)至少200個(gè)小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該飛行的步驟繼續(xù)至少3000個(gè)小時(shí)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中該亞軌道的平臺是一個(gè)飛行器。
11.一種用于在衛(wèi)星和地面站之間通信的通信系統(tǒng)，包括一個(gè)在該衛(wèi)星上的指向向下的通信天線，該指向向下的天線具有有限的信號波束寬度；一個(gè)在地面站上的指向向上的通信天線，該向上的天線具有有限的信號波束寬度，其中該指向向下的天線和該指向向上的天線瞄準(zhǔn)，使得它們限定一個(gè)在兩個(gè)信號波束寬度之內(nèi)的大氣空間區(qū)域；和一個(gè)亞軌道的平臺，配置以完全在大氣空間的限定范圍內(nèi)的模式飛行。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的通信系統(tǒng)，其中該亞軌道的平臺大體上保持在由4000英尺直徑圓周和100英尺高度范圍限定的位置之內(nèi)。
13.一種用于在地面站和對地同步軌道中的航天器之間提供通信的通信系統(tǒng)，該地面站和該航天器具有以給定的波束寬度為特征工作的通信系統(tǒng)，包括一個(gè)亞軌道的平臺，保持在非赤道的緯度上，防止該地面站處于由航天器朝著亞軌道的平臺的方向發(fā)送的通信信號的波束寬度的范圍內(nèi)，而且防止該航天器處于由該地面站朝著該亞軌道的平臺的方向發(fā)送的通信信號的波束寬度的范圍之內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的通信系統(tǒng)，其中該亞軌道的平臺被配置去運(yùn)行至少200個(gè)小時(shí)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的通信系統(tǒng)，其中該亞軌道的平臺被配置去運(yùn)行至少3000個(gè)小時(shí)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的通信系統(tǒng)，其中該亞軌道的平臺被配置去保持該飛行器在由4000英尺直徑圓周和100英尺高度范圍限定的位置之內(nèi)。
17.一種用于在陸地網(wǎng)關(guān)和多個(gè)陸地終端之間交換數(shù)據(jù)的通信設(shè)備，包括一個(gè)飛行器；和一個(gè)由該飛行器攜帶的網(wǎng)絡(luò)，并且具有至少三個(gè)指向向下的通信設(shè)備，每個(gè)通信設(shè)備限定用于通信的波束寬度，當(dāng)該飛行器在空中預(yù)先確定的位置的時(shí)候，該通信設(shè)備的波束寬度限定包括該終端的各自的陸地通信用單元；其中該網(wǎng)絡(luò)被配置去與該網(wǎng)關(guān)保持?jǐn)y帶該數(shù)據(jù)的通信信號；和其中該通信設(shè)備被配置去在該網(wǎng)絡(luò)和該多個(gè)終端之間路由由該通信信號攜帶的數(shù)據(jù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的通信系統(tǒng)，其中該網(wǎng)絡(luò)被配置去與附加的網(wǎng)關(guān)保持?jǐn)y帶附加的數(shù)據(jù)的附加的通信信號；和該通信設(shè)備被進(jìn)一步配置去在該網(wǎng)絡(luò)和該多個(gè)終端之間路由由該附加的通信信號攜帶的數(shù)據(jù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的通信系統(tǒng)，其中該通信設(shè)備是由一個(gè)飛行器攜帶的，該飛行器配置無需補(bǔ)給燃料留在空中至少200個(gè)小時(shí)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的通信系統(tǒng)，其中該通信設(shè)備是由一個(gè)飛行器攜帶的，該飛行器配置無需補(bǔ)給燃料留在空中至少3000個(gè)小時(shí)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的通信系統(tǒng)，其中每個(gè)終端具有一個(gè)配置用于攜帶該通信信號的終端天線，該終端天線被配置使得無需該終端天線的目標(biāo)進(jìn)行任何調(diào)整，該飛行器的整個(gè)位置落在該終端天線的波束寬度之內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的通信系統(tǒng)，其中該終端天線包括非主動跟蹤裝置。
23.一種用于在一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源和多個(gè)陸地終端之間交換數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)，包括多個(gè)飛行器；多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)飛行器攜帶一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有至少三個(gè)指向向下的通信設(shè)備，每個(gè)通信設(shè)備限定用于通信的波束寬度，當(dāng)該飛行器在空中預(yù)先確定的位置的時(shí)候，該通信設(shè)備的波束寬度限定包括該終端的各自的陸地通信用單元；和一個(gè)或多個(gè)與一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源通信的網(wǎng)關(guān)，其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)被配置去與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)保持?jǐn)y帶該數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)通信信號；其中每個(gè)通信設(shè)備被配置去在其相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)終端的一個(gè)或多個(gè)之間路由由其相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)或多個(gè)通信信號攜帶的數(shù)據(jù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的通信系統(tǒng)，其中該多個(gè)飛行器包括第一飛行器和第二飛行器，每個(gè)飛行器位于在其他的飛行器中的在終端和通信設(shè)備之間通信信號的波束寬度之外的位置。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的通信系統(tǒng)，其中該第一飛行器和該第二飛行器每個(gè)包括配置去與一個(gè)或多個(gè)相同的通信單元通信的通信設(shè)備。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的通信系統(tǒng)，其中每個(gè)飛行器被配置無需補(bǔ)給燃料呆在空中至少200個(gè)小時(shí)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的通信系統(tǒng)，其中每個(gè)飛行器被配置無需補(bǔ)給燃料呆在空中至少3000個(gè)小時(shí)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的通信系統(tǒng)，其中每個(gè)終端具有一個(gè)終端天線，該終端天線被配置使得無需該終端天線的目標(biāo)進(jìn)行任何調(diào)整，該飛行器的整個(gè)位置落在該終端天線的波束寬度之內(nèi)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的通信系統(tǒng)，其中該終端天線包括非主動跟蹤裝置。
全文摘要
本公開提供了一種通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)使用翼展負(fù)載的飛行機(jī)翼以比較低的速度運(yùn)動，可以在空中保持很長一段時(shí)間。該通信系統(tǒng)使用飛行器作為長期的高空平臺，可以提供多個(gè)潛在功能的至少一個(gè)。一個(gè)功能是使用無線電波信號鏈接地面站，和使用光信號鏈接衛(wèi)星。另一個(gè)功能是作為在地面通信節(jié)點(diǎn)和專用終端用戶之間的中繼站。因?yàn)樵擄w行器可以堅(jiān)固的保持在一個(gè)位置，該終端用戶的天線沒有必要是連續(xù)可調(diào)的。對于上述的系統(tǒng)，可以使用很多的飛行器，以及該終端用戶天線被配置用于窄的波束寬度，以便對于不同的通信鏈路允許頻率復(fù)用。
文檔編號H04B7/185GK1440599SQ01807825
公開日2003年9月3日 申請日期2001年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月10日
發(fā)明者E·考克斯 申請人:威羅門飛行公司