專利名稱：輕于空氣(lta)的平臺的系統(tǒng)和應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工作在同溫層的無人駕駛的輕于空氣的平臺，更具體地， 涉及其終止和回收。
背景技術(shù)：
多年以來， 一直使用無人駕駛的輕于空氣的氣球進行諸如近太空研究 和氣象測量等任務。這樣的氣球甚至可攜帶具有儀器設(shè)備的有效負載 (payload)，所述儀器設(shè)備有時候還具有無線傳輸能力。
直到以來，所有通信衛(wèi)星都位于一個稱為地球同步弧(geosynchronous arc)的軌道上，所述軌道在地球赤道上空22300英里。由于國際條約規(guī)定 衛(wèi)星互相間隔兩度，因此，在地球同步軌道上僅有180個位置。優(yōu)化設(shè)計 的三級化學火箭典型地在發(fā)射時須^使用94%推進物才能到達地球同步軌 道，這樣，在約5.6%的重量用于火箭之后，就只0.4%的初始發(fā)射重量留 給衛(wèi)星。形象一點，具有相同性能的典型的3000磅汽車僅能夠承載一個 200磅的人，其需要8400加侖的燃料箱，并且在一次旅行之后就被廢棄！ 最后，盡管NASA的航天飛機可以以巨大代價為一些極低軌道的衛(wèi)星提供維護，但是，大多數(shù)衛(wèi)星在發(fā)射之后不能得到維護和升級。
目前，由于在地球同步軌道上僅有有限的位置，地球同步衛(wèi)星的尺寸 和性能均正在提高，現(xiàn)在其能夠直接向家庭廣播電視信號。近來，已釆用 了另外的衛(wèi)星網(wǎng)絡，其不需要地球同步軌道。所有這些新網(wǎng)絡將較小的通 信衛(wèi)星發(fā)射到低得多的軌道，在這些軌道上存在沒有數(shù)目限制的位置。由 于網(wǎng)絡所需要的衛(wèi)星數(shù)量更多，并且因為衛(wèi)星較小，每支火箭已可發(fā)射最
多8顆衛(wèi)星。盡管衛(wèi)星變得更小、更多，但是在今天，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)仍然沒有 "個人衛(wèi)星，，和大量的消費產(chǎn)品生產(chǎn)商?？梢宰鞒鲞@樣的估計，部署低地 球軌道的微衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面設(shè)備以進行多顆微衛(wèi)星之間的跟蹤、發(fā)射、接 收、信號傳遞(signal handoff)以及用于語音網(wǎng)絡的必須的系統(tǒng)網(wǎng)絡需要 花費至少30億美元。在部署系統(tǒng)的四年中，期望五百萬個用戶的每一個都 為所述設(shè)備投資3000美元，這導致用戶對新設(shè)備的總聯(lián)合投資約為150 億美元。部署高級的通信衛(wèi)星的低地球軌道的較小系統(tǒng)的費用估計為4億 7千5百萬美元。這樣的系統(tǒng)可以為兩到三百萬用戶提供服務，每個用戶 的i殳備開銷為300-1000美元。因而，用戶對其i殳備的總投資可能至少需 要6億美元。
目前存在一種用于收集天氣信息的目的的工業(yè)相關(guān)的無線電探空儀 (radiosonde)。無線電探空儀是在氣象氣球上發(fā)射以收集氣象數(shù)據(jù)的儀 器包。每天在格林威治標準時間的中午或午夜從世界各處的位置網(wǎng)絡發(fā)射 無線電探空儀。隨著所述氣象服務無線電探空儀在兩小時的飛行中從地球 表面上升到約100000英尺，其收集溫度、濕度、壓力以^X力的數(shù)據(jù)。然 后，此數(shù)據(jù)被輸入到在超級計算機上運行的大氣模型中。從上升的無線電 探空儀的網(wǎng)絡收集到的所述信息在預測天氣時十分關(guān)鍵。世界上的多數(shù)國 家受條約限制，從指定位置發(fā)射無線電探空儀，并與其它國家共享數(shù)據(jù)。 目前，全世界每年約發(fā)射800000個無線電探空儀。這個數(shù)字表示997個全 球氣象站每年365天、每天發(fā)射兩個無線電探空儀(727000)，再加上少 量用于研究目的而發(fā)射的無線電探空儀。約18%的無線電探空儀進4亍被回 收、檢修和再生，使得每年新產(chǎn)生大約650000個氣象收集無線電探空儀。當前用于跟蹤氣象氣球的定位系統(tǒng)或者正在被停用(Omega，在2000 年之前開始，以及Loran-C， 2000年之后不久)，或者太陳舊，其運作和 維護都異常昂貴(雷達和無線電經(jīng)煒儀)。
由于氣象學家通過比較在數(shù)十年收集到的數(shù)據(jù)來研究氣象趨勢，無線 電探空儀系統(tǒng)的改變通常非常緩慢。因而，他們對于收集數(shù)據(jù)時任何可能 在數(shù)據(jù)中？ 1入新偏差的改變非常戒備。這也正是為什么在數(shù)字的助航設(shè)備 探空儀(navaid sonde)已經(jīng)出現(xiàn)了許多年后，而主要用戶，例如美國國家 氣象局(NWS)，仍然使用通過無線電經(jīng)絆儀跟蹤的模擬無線電探空儀。 緊縮政府預算使得一些用戶無力支付新技術(shù)所需要的費用。目前，在探空 儀界有一種希望轉(zhuǎn)換為使用全球定位系統(tǒng)(GPS)來進行無線電探空儀上 的風力跟蹤的推動力量。從1995年到1998年，NWS嘗試說服美國國會資 助用以開發(fā)用于美國觀測網(wǎng)絡的GPS跟蹤系統(tǒng)的項目，但是失敗了。在無 線電探空儀的RF頻譜被迅速重新分配到商業(yè)用途的同時，卻不能獲得必 要的新技術(shù)取代舊的和不被支持無線電高空測候基礎(chǔ)設(shè)施。無線電探空儀 通常對于助航系統(tǒng)探空儀的發(fā)射頻率是400MHz且對于無線電經(jīng)緯4義探空 儀的發(fā)射頻率是1680MHz。所述400MHz頻帶正被美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC)拍賣，以同時用于商業(yè)服務。因而，干擾正在增加，并且探空儀 可能被迫使用具有數(shù)字下行鏈路的較窄的帶寬，而不是仍然普遍使用著的 具有模擬下行鏈路的寬頻帶。
非常大并且昂貴的NASA氣球已經(jīng)被單獨地發(fā)射并且保持在飄浮高度 (floating altitude)以延長的時間。這些氣球攜帶著數(shù)百磅的設(shè)備，每一 個都價值好幾萬美元。單個氣球不具有對整個地理區(qū)域進行視線覆蓋 (light—of-sight coverage)的能力。
個人通信業(yè)務(PCS)是數(shù)字服務的新類別，F(xiàn)CC于1994年開始拍 賣頻語。PCS被分為兩個類別寬帶和窄帶PCS。寬帶類別主要用于語音 服務以及現(xiàn)在與傳統(tǒng)蜂窩電話竟爭的PCS寬帶電話。窄帶類別用于高級通 訊(advanced messaging)，其基本上是雙向?qū)ず?。尋呼產(chǎn)業(yè)將高級通訊 視為某人電子郵件帳戶的移動擴展，正如已將蜂窩電話視為某人臺式電話的移動擴展。全國范圍窄帶PCS (NPCS)是FCC拍賣的第一個頻譜。已 經(jīng)對約30個區(qū)域性的和全國范圍的NPCS許可證進行了拍賣，將其賣給 了私人商業(yè)企業(yè)。拍賣頻鐠的事實的重大意義在于，使用此頻語比使用 FCC許可的傳統(tǒng)頻鐠的限制要少。在拍賣前，F(xiàn)CC逐個批準頻譜，而公 司需要證明他們將波段用于"公共利益"。通常，關(guān)于怎樣使用頻率，有 非常明確的聯(lián)邦規(guī)定。由于公司對于其PCS許可證支付了費用，他們基本 上擁有所述頻鐠。FCC僅施加所需的最低規(guī)定，以防止系統(tǒng)與其它栽波的 和其它國家的系統(tǒng)發(fā)生干擾。另夕卜，F(xiàn)CC與加拿大工業(yè)部達成了被稱為"地 面無線通信協(xié)議和協(xié)定(Terrestrial Radio Communication Agreement and Arrangement)"，其中，加拿大為NPCS分配了相同的頻率，該NPCS 具有與美國的NPCS的拍賣的頻率相同的信道結(jié)構(gòu)。這使得跨邊界NPCS 成為可能，并且，在1996年，至少一個尋呼系統(tǒng)公司獲得了加拿大的NPCS 許可證，其工作頻率與其美國許可證中規(guī)定的相同。墨西哥也規(guī)定了與美 國所使用的相同的頻率間隔。
FCC的目標之一是鼓勵以可承受的價格向農(nóng)村地區(qū)的消費者提供射 頻(RF)通信服務。由于向人口稀少的地區(qū)提供無線通信的投資回報漸減， 大通信公司基本上忽略了這個市場。這些無線服務包括尋呼、高級通訊、 遙測、語音等。盡管利用衛(wèi)星系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)可得到語音和通訊服務，費 用通常是每個單元幾千美元，遠遠超出大多數(shù)消費者的承受能力。另外， 由于缺乏提供建筑物穿透所需的信號強度，衛(wèi)星系統(tǒng)在向農(nóng)村地區(qū)提供服 務方面存在問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種上升速度控制系統(tǒng)，用于控制自由飄浮的輕于空氣的 平臺的上升速度，其包括排氣致動器(vent actuator)、高度傳感器以 及當所述上升速度大于預定上升速度時控制所述排氣致動器的裝置。優(yōu)選 地，所述高度傳感器確定所述自由飄浮的平臺的高度和所迷上升速度，所 述裝置確定所述上升速度，并且所述裝置位于所述自由飄浮的平臺上。所述系統(tǒng)可以進一步包括壓搶物容器、壓艙物以及壓艙物放出致動器，當 所述上升速度低于特定上升速度時，所述壓槍物放出致動器控制從所述壓 輪物容器中放出(discharge)所述壓艙物。
另一個實施例是一種通過上升速度控制系統(tǒng)控制自由飄浮的輕于空氣 的平臺的上升速度的方法，所述上升速度控制系統(tǒng)包括排氣致動器、高 度傳感器以及在所述上升速度大于預定上升速度時控制所述排氣致動器的 裝置，所述方法包括確定所述上升速度以及控制所述上升速度。優(yōu)選地， 控制所述上升速度包括通過所述裝置使得所述排氣致動器排氣。優(yōu)選地， 所述上升速度控制系統(tǒng)進一步包括壓艙物容器、壓艙物以M艙物放出 致動器，當所述上升速度低于特定上升速度時，所述壓艙物放出致動器控 制從所述壓搶物容器中放出所述壓艙物，并且其中，控制所述上升速度包 括從所述壓艙物容器中放出所述壓艙物。
另一個實施例是一種利用多個自由飄浮的輕于空氣的平臺確定發(fā)射無 線信號的裝置的位置的方法，其包括從所述多個自由飄浮的輕于空氣的 平臺進行信號通道延遲測量，并基于所述信號通道延遲測量確定所述發(fā)射 無線信號的裝置的位置，其中所述多個自由飄浮的輕于空氣的平臺具有低 于每小時100英里的相對于地球表面的速度，并飄浮在60000到140000 英尺的高度，其中所述方法不需要進行多普勒頻移校正。優(yōu)選地，通過測 量在所述發(fā)射無線信號的裝置的無線信號到達時間和標準時間之間的差來 進行所述信號通道延遲測量，并且基于來自至少三個獨立的自由飄浮的輕 于空氣的平臺的信號通道延遲測量來確定所述發(fā)射無線信號的裝置的位 置。在一個實施例中，所述發(fā)射無線信號的裝置位于(a)已降落在地球上 的自由飄浮的輕于空氣的平臺上；或者(b )陸基(ground-based )車輛上， 并且，所述裝置^1射機或M機。在一個變型中，基于所述信號通道延 遲測量來確定所迷發(fā)射無線信號的裝置的位置包括確定從所述裝置到所 述多個自由飄浮的輕于空氣的平臺的距離，基于所i^J巨離在地球上描繪出 近似圓，并確定所述圓的交點，所述交點基本上就是所述發(fā)射無線信號的 裝置的位置。在一個變型中，所述進行信號通道延遲測量進行僅兩個信號通道延遲的測量(only two signal path delay measurement)， 而在另一個 變型中，通過扇形或定向天線進行所述信號通道延遲測量。
另一個實施例是一種用于確定包括發(fā)射無線信號的裝置以及GPS單 元的有效負載的位置的方法，所述方法包括通過所述GPS單元測量所述 發(fā)射無線信號的裝置的位置，檢查所述發(fā)射無線信號的裝置的位置移動， 以及將所述有效負載的位置傳送給自由飄浮的輕于空氣的平臺。優(yōu)選地， 所述有效負載降落在地球上，而所述自由飄浮的輕于空氣的平臺飄浮在約 60000-140000英尺的高度，其中，所述方法不需要進行多普勒頻移校正。
另一個實施例是一種用于定位和確定陸基車輛的使用的系統(tǒng)，所述路 基車輛包括與所述陸基車輛的輪轂相連的外殼，所述外殼包括GPS單元、 發(fā)射無線信號的裝置以及電源。所述外殼可進一步包括輪胎換位傳感器。 所述系統(tǒng)可進一步包括自由飄浮的輕于空氣的平臺，所述平臺包括接收 無線信號的裝置，其接收來自所述發(fā)射無線信號的裝置的信號。優(yōu)選地， 所述電源是太陽能電源、電池、發(fā)電機或其組合。
另 一個實施例是一種用于操縱可操縱系統(tǒng)(steerable system)的方法， 其包括使得所述可操縱系統(tǒng)在相對于在所述可操縱系統(tǒng)處的地方性風 (local wind)的圓中飛行，從而使所述可操縱系統(tǒng)的飛行向量(flight vector)為零并且無需利用從指南針或空速指示器得到的數(shù)據(jù)即可確定所 述地方性風關(guān)于地球上的位置的地方性風向量。優(yōu)選地，所述可操縱系統(tǒng) 是自主的GPS引導的可操縱系統(tǒng)，不需要在所述可操縱系統(tǒng)上裝栽指南針 或空速指示器。進一步優(yōu)選地，基于所述可操縱系統(tǒng)的地面軌跡向量確定 所述地方性風向量。此外，可以從位于所述可操縱系統(tǒng)上的GPS單元獲得 所述地面軌跡向量。優(yōu)選地，所述可操縱系統(tǒng)是飄浮在約60000到140000 英尺高度的自由飄浮的輕于空氣的平臺的組成部分。
另 一個實施例是一種用于利用一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺 確定發(fā)射無線信號的裝置的位置的方法，其包括在不同的時間間隔從所 述一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺進行信號通道延遲測量，并基于 所述信號通道延遲測量確定所述發(fā)射無線信號的裝置的位置，其中，所述一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺具有低于每小時100英里的相對于 地球表面的速度，并飄浮在60000到140000英尺的高度，其中所述方法不 需要進行多普勒頻移校正。優(yōu)選地，所述一個或多個自由飄浮的輕于空氣 的平臺具有一個自由飄浮的輕于空氣的平臺。并且，所述一個或多個自由 飄浮的輕于空氣的平臺可以有兩個自由飄浮的輕于空氣的平臺。
另 一個實施例是一種用于定位和確定陸基車輛的使用的系統(tǒng)，所述陸 基車輛包括外殼，所述外殼包括GPS單元、發(fā)射無線信號的裝置以及電源， 所述系統(tǒng)進一步包括 一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺，所述平臺 包括接收無線信號的裝置，其接收來自所述發(fā)射無線信號的裝置的信號。 優(yōu)選地，所述一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺具有低于100每小時 英里的相對于地球表面的速度，并飄浮在60000到140000英尺的高度，其 中所述系統(tǒng)不需要用于多普勒頻移校正的儀器。


參照附圖連同以下的詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明，其中，類似 的數(shù)字表示類似的部件，并且其中
圖1示意性地描述了通過處理器或控制器進行終止決定的組合的方法 的流程圖，其包括終止條件、通過傳感地理位置和速度的條件檢測，以及 才艮據(jù)本發(fā)明某些方面的工作元件；
圖2a和2b示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明某些方面的用于壓艙物的受控 釋放的機構(gòu)；
圖3是利用繩索在氣球和有效負載之間連接的平臺的頸部的示意性的 部分正視圖，并描述了所述構(gòu)造以及從所述有效負載平臺釋放氣球的方法；
與圖3—樣，圖4是在氣球和有效負栽之間連接的平臺的頸部的示意 性的部分正視圖，其進一步描述了從所述有效負栽平臺釋放氣球；
圖5是電池放電和頸部釋放電路的示意圖6、 7和8分別是才艮據(jù)本發(fā)明一些方面的一個實施例的、與平臺底部 相連的",種子"下降機構(gòu)的正、側(cè)和端視圖；圖9是已著陸終止的平臺(具有或不具有氣球)的示意性描述，其向 飄浮平臺的收發(fā)機發(fā)射定位信號，所述收發(fā)機將所述定位信息轉(zhuǎn)發(fā)給地面 站，以促進所述已終止平臺的回收；
圖10是示意圖，其示出了所述切換機制；以及
圖11是利用銷釘在氣球和有效負載之間連接的平臺的頸部的示意性 的部分正視圖，其描述了所迷構(gòu)造以及從所述有效負栽平臺釋放氣球的方 法；
圖12是多個空中平臺(airborne platform)的示意性描述，其表示在 鄰接地理區(qū)域上的平臺的星座、發(fā)射設(shè)施以及通信終端，它們通過地面線 路，或者可選地，通過軌道衛(wèi)星通信信號與網(wǎng)絡操作中心網(wǎng)絡網(wǎng)絡連接在 一起；
圖13是多個空中平臺、單個可移動發(fā)射點以及與多個地面終端和個人 通信裝置的網(wǎng)絡操作中心具有網(wǎng)絡連接的通信終端的放大視圖14是平臺間通信的示意性描述，所述通信隨后向地面終端和網(wǎng)絡操 作中心(NOC )進行發(fā)送；
圖15是平臺到空間衛(wèi)星的通信鏈路的示意性描述，其用于提供與網(wǎng)絡 操作中心(NOC)相互連的網(wǎng)絡；
圖16是"中心輻射"網(wǎng)絡通信鏈路拓樸結(jié)構(gòu)的示意性描述；
圖17是網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信鏈路拓樸結(jié)構(gòu)的示意性描述；
圖18示意性描述了鄰接的地理區(qū)域，具體而言是美國，其中具有空中 SNS平臺發(fā)射點，并示出了初始覆蓋區(qū)域SAS圓，疊加在所述地理區(qū)域的 地圖上，并顯示出了每個SNS平臺的視線覆蓋區(qū)域，從而使得，所述整個 地理區(qū)域基本上處于一個或多個空中平臺的接收范圍的包圍之中；
圖19是在所述空中平臺自由飄浮于規(guī)定高度一段時間之后空中平臺 移動的例子的示意性描述，并且還描述了額外的空隙填補發(fā)射點，其由移 動發(fā)射器提供，以利用額外發(fā)射的空中通信平臺補充和完整覆蓋的連續(xù)性；
圖20是空中平臺的示意性側(cè)視圖，其中，輕于空氣的氣包體，例如氣 球，與盛有電子控制機構(gòu)、通信裝置、傳感器以及氣象數(shù)據(jù)收集包的盒子相連；
圖2l是空中平臺的放大的部分截面圖，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其 包括固定在輕于空氣的氣包體或氣球上的所述控制和通信盒；
圖22是才艮據(jù)本發(fā)明一個實施例的圖17的所述空中控制和通信平臺的 側(cè)面的部分截面視圖23是控制和通信平臺的可選實施例的部分截面?zhèn)纫晥D，其中，可選 的電源包括氬/氧供電燃料電池，其用于代替圖18的實施例的電池；
圖24是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于控制、傳感以及通信的電子電路 的示意性;瞎圖25示出了與陸基M機進行雙向通信的輕于空氣的平臺； 圖26示出了從地面上的輕于空氣的平臺的相等傳播延遲的環(huán)； 圖27示出了從兩個單獨的輕于空氣的平臺的相等傳播延遲的環(huán)； 圖28示出了附加在半拖車的車輪的輪轂上的耐天氣變化的外殼，用于 測量所述半拖車的使用和位置； 圖29示出了地面軌跡向量； 圖30示出了地面軌跡向量和飛行向量； 圖31示出了地面軌跡向量、飛行向量以及計算得到的風向量； 圖32示出了無風時的全圓過程，用于有效地使所述飛行向量為零； 圖33示出了有風時的全圓過程，用于有效地使所述飛行向量為零。
具體實施例方式
本發(fā)明通過使用小的并且相對便宜的微電子器件將現(xiàn)有通信衛(wèi)星所提 供的大多數(shù)功能集成于小的輕于空氣的通信平臺中，可以克服現(xiàn)有通信衛(wèi) 星的缺陷。特別地，將多個輕于空氣的氣珎4殳計為將^L電子通信裝置攜帶 到稱為同溫層的地球大氣層的層次。這些平臺的重量大約比目前發(fā)射到非 地球同步軌道中的微衛(wèi)星輕100到1000倍。為便于參考，有時候?qū)y帶電 子通信及控制裝置的有效負栽的空中通信平臺或氣5求稱為"同溫層納型衛(wèi) 星"或簡稱為"SNS"。在公制系統(tǒng)中，前綴"納，，表示比前綴"」微"小1000倍的單元。所述SNS發(fā)明消除了通過火箭將衛(wèi)星推進到軌道的需要。 在間隔(spaced-apart)的地理位置同步空運發(fā)射多個SNS平臺，可以提 供低成本的衛(wèi)星星座(constellation )。在發(fā)射到得到可控的、可調(diào)整的高 度后，所述SNS平臺上升，其根據(jù)上升大氣和同溫層氣象條件尤其是風， 在所述地理區(qū)域上方移動。為了抓住有利于保持所述SNS平臺均勻地間隔 的盛行風，可通過氣體排放或壓艙物落下來上升或者降低所述SNS平臺的 高度。當不再被需要時，可以使所述平臺快速下降。
為陸地無線通信設(shè)計的已有用戶設(shè)備可以與本發(fā)明的SNS系統(tǒng)一起工 作。由于或者所述通信衛(wèi)星距離用戶非常遠(對于地球同步衛(wèi)星超過22000 英里)使得沒有專門的用戶設(shè)備時信號太弱，或者所述衛(wèi)星相對于地面上 的用戶高速運動(對于低地軌道衛(wèi)星超過約36000mph)導致接收機中的 相位誤差，這與傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的情況不同。取決于高度和覆蓋所述 地理區(qū)域的多個平臺中的特定平臺的半徑覆蓋范圍，所述SNS平臺距離所 述地面用戶最多約175英里(280公里)。此外，所述空中平臺以近似于 汽車速度的速度(約0到60mph之間)在其飄浮高度移動。與已有的無線 通信系統(tǒng)相比，其具有顯著優(yōu)點，這是因為，當采用新通信系統(tǒng)時，所述 用戶設(shè)備投資總是所需要的最大總投資。
與軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的大部署和新設(shè)備成本相比，本發(fā)明提供了低成本的 選擇方案，其不需要新的用戶i殳備。因而，所述SNS系統(tǒng)的優(yōu)點在于高級 通訊SNS網(wǎng)絡，其與已經(jīng)存在并且已經(jīng)用于塔基(tower-based) M機網(wǎng) 絡的標準單向和雙向?qū)ず魴C兼容。即使不考慮部署所述SNS系統(tǒng)，市場分 析師預測到2003年將有3千5百萬用戶攜帶兼容的標準雙向?qū)ず粞b置。例 如，以100美元/單位，這意味著超過35億美元的用戶投資。通過簡單地 選擇支付每月增加的使用費，這些用戶可以接收所述發(fā)明的SNS平臺網(wǎng)絡 的增強覆蓋，作為他們當前服務的延伸。與具有當前衛(wèi)星尋呼機的情況一 樣，沒有新用戶設(shè)備或培訓的先期成本，不需要改變用戶的習慣，不需要 麻煩用戶攜帶多于一個的尋呼機或者其它通信裝置。
此外，當進行先進通訊時，所述發(fā)明的SNS系統(tǒng)使用國際上釆用的通信或?qū)ず魠f(xié)議。所述新系統(tǒng)的國際化機遇至少等于在美國的可能性。所述
SNS系統(tǒng)也可以4吏用其它通行的尋呼協(xié)議。所述系統(tǒng)不僅用于個人尋呼， 其還用于其它通信、遠程、成像、紅外線掃描、裝置跟蹤以及氣象數(shù)據(jù)收 集服務。
考慮利用目前的SNS發(fā)明作為替代系統(tǒng)，在SNS平臺上升時，其能 夠向國家氣象局(NWS)提供所需要的信息，這對于NWS^艮有裨益?？?所述SNS平臺獲得的GPS信息也能夠提供NWS所需要但負擔不起的風信 息。已有的NWS發(fā)射設(shè)施甚至可以被用作為SNS發(fā)射、跟蹤以及通信站 點。在上升并且將氣象數(shù)據(jù)發(fā)送給NWS之后，可以控制所述平臺飄浮在 規(guī)定的高度，并提供其它的商業(yè)通信服務。在完成上升，并且將所需要的 信息發(fā)送給NWS之后，可以移除附帶的NWS探空儀，將其作為壓艙物丟 落。為了保證數(shù)據(jù)與當前的無線電探空儀的數(shù)據(jù)一致，所述附帶的無線電 探空儀可以使用目前的無線電探空儀所使用的相同傳感器。
所發(fā)明的SNS網(wǎng)絡的獨特設(shè)計使其可覆蓋大范圍區(qū)域，并且可l吏用國 家的，并且理想地，在接Jt袞國家之間國際性的專用頻率。由于每個SNS空 中平臺的大覆蓋圓，其有利于向所述SNS系統(tǒng)分配全國性的，或者理想地， 國際性的專用頻率。不對信號進行時間復用，而重疊使用相同的頻率很可 能導致在接收機的干擾。所述系統(tǒng)優(yōu)化地工作在指定為"窄帶個人通信服 務，，或"NPCS"頻謙的頻率范圍內(nèi)。此外，美國的整個NPCS產(chǎn)業(yè)普遍 認同稱為"REFLEX"的標準雙向通信協(xié)議。REFLEX是采用時分復用 (TDMA)的協(xié)議。REFLEX協(xié)議是Motorola設(shè)計的FLEX協(xié)議的延伸， 它是一種同步協(xié)議，在四分鐘的周期內(nèi)有128幀。利用GPS計時技術(shù)對每 幀的開始和結(jié)束進行全國性的協(xié)調(diào)(coordinate)。這將允許，通過在每四 分鐘的周期內(nèi)簡單地為每個網(wǎng)絡分配一定數(shù)目的幀，使得在本發(fā)明的SNS 網(wǎng)絡和已有的地面衛(wèi)星網(wǎng)絡之間共享單個頻率。因而，所公開的SNS系統(tǒng) 既可以工作于其專用頻率也可以和地面系統(tǒng)在相同的信道上一起工作，并 且發(fā)送時不會互相疊加。這是REFLEX的獨特之處，優(yōu)選地，可以將其整 合到新的SNS系統(tǒng)之中。所述SNS也可以使用利用碼分復用(CDMA)的其它協(xié)議進行工作。
相比于在大范圍頻率上使用許多不同協(xié)議的大多數(shù)多數(shù)語音和尋呼網(wǎng)
絡，NPCS包含鄰近的一組全國性的頻率，在其中，全國性的窄帶PCS被 許可人已采用了所述FLEX/REFLEX協(xié)議。
所述當前發(fā)明的SNS系統(tǒng)受益于頻率和協(xié)議的全國一致性，從而如果 需要，其可以相對方便地在任何或所有全國性的電信商(carrier)所擁有 的所有NPCS信道上進行工作。NPCS頻帶的最小政府規(guī)則也允許在起草 NPCS規(guī)則時還未知的新的SNS系統(tǒng)無需違反當前的規(guī)則即可在所述 NPCS頻帶上工作。由于所述NPCS被許可人基本上擁有拍賣時購買的頻 率，并且在得到購買者的允許后，所述發(fā)明的SNS系統(tǒng)可以兼容地使用相 同的頻率，因而并不需要來自FCC的額外許可。這種獨特的特點可以使得 投產(chǎn)期(start-叩time)節(jié)省有時候為獲得單獨的許可所需要的兩到三年時 間。
如上簡要討論，除了最小化所述規(guī)則性的障礙之外，新的SNS網(wǎng)絡的 一個巨大的優(yōu)勢在于其不需要新的專用用戶設(shè)備。預計可能有六百到一千 五百萬個單位的兼容用戶設(shè)備工作在已有的地面衛(wèi)星網(wǎng)絡之外。這些都可
以簡單地利用廉價的系統(tǒng)編程加入到所述新的SNS系統(tǒng)，并從而接收由根 據(jù)本發(fā)明的飄浮通信平臺的星座所提供的擴展的、更完善的鄰近地理區(qū)域 覆蓋。對于NPCS電信商而言，所述新系統(tǒng)可以提供完全的通信覆蓋，尤 其是對偏遠農(nóng)村的覆蓋。
由于通過其已有的電信商，已有的尋呼設(shè)備擁有者和用戶可以獲得本 發(fā)明提供的所述擴展的覆蓋，決定擴展覆蓋就像檢查其每個月帳單上的加 框文字(box)—樣簡單。他們可以保留當前的尋呼系統(tǒng)公司，可簡單地得 到由SNS提供的偏遠地區(qū)覆蓋的好處。不需要新設(shè)備，也不需要在開始時 花費時間學習新電子裝置的特性。無需改變設(shè)備，用戶就可輕易地得到改 進的覆蓋。所述發(fā)明的SNS網(wǎng)絡的非常重要的優(yōu)點在于對整個偏遠地區(qū)地 理覆蓋的顯著改進。目前，無線數(shù)據(jù)覆蓋是已覆蓋的主要在大城市區(qū)域附 近的高人口密度區(qū)域的拼湊(patchwork)。所述SNS網(wǎng)絡與已有的覆蓋區(qū)域協(xié)同工作，并填補所有低人口密度并且因而低通信流量的區(qū)域，其都
使用相同的用戶裝置。調(diào)整NPCS系統(tǒng)的政府規(guī)則要求用于所有被許可人 的最小的系統(tǒng)擴建。例如，到約1999年時，提供NPCS的4皮許可人必須 為至少37.5%的美國人口或者750000平方^^里提供服務，而到2004年， NPCS被許可人必須為至少75%的美國人口或者1500000平方公里提供服 務。由于人口非常集中，現(xiàn)有的系統(tǒng)只需要建設(shè)用于在占整個大陸很小百 分比的面積上進行覆蓋的發(fā)射塔。實際上，所述1999年和所述2004年的 人口服務限制的最小區(qū)域要求分別對應于整個美國大陸面積的約8%和 16%。由于美國城市的高人口密度。例如，覆蓋卯％的人口僅要求電信商 擴建國家整個大陸面積約20%的區(qū)域覆蓋。由于塔發(fā)射機/收發(fā)機的短程 性，使得每個潛在消費者需要更多設(shè)備，因而對于現(xiàn)有系統(tǒng)，為低人口密 度區(qū)域提供服務花費更大。因而，由于回報遞減，現(xiàn)有的電信商很少具有 覆蓋超過卯％人口的系統(tǒng)。許多已經(jīng)建立的無線數(shù)據(jù)電信商僅擴建到約 70%-80%。
本發(fā)明被設(shè)計為提供幾乎100%的覆蓋，并且可與已有的高密度無線 載波系統(tǒng)和網(wǎng)絡兼容地結(jié)合，從而使得由現(xiàn)有的尋呼系統(tǒng)電信商建立的高 密度系統(tǒng)網(wǎng)絡負責高人口密度地理區(qū)域，而所發(fā)明的SNS系統(tǒng)負責選取和 處理可能位于鄰接的地理區(qū)域之中的低人口密度或偏遠區(qū)域。所述SNS系 統(tǒng)是對于高密JLiC射塔尋呼系統(tǒng)的補充。因而，盡管與高人口密M射塔 系統(tǒng)相比，所述SNS系統(tǒng)具有較低的總信號處理能力，但是其能夠提供完 整的地理覆蓋，從而可以為處于偏遠區(qū)域或在偏遠區(qū)域旅行的用戶提供所 述SNS系統(tǒng)的額外覆蓋。用戶通常處于使用單個裝置的尋呼服務或其它可 兼容通信服務的范圍之內(nèi)。通過發(fā)射更多的SNS平臺或通過在鄰近平臺之 間動態(tài)地重新分配頻率使用，所述SNS系統(tǒng)也可以基于區(qū)域重新分配容量。
所述SNS系統(tǒng)不止用于個人尋呼，其還用于其它通信、語音、遠程成 像、紅外線掃描、裝置跟蹤以及氣象數(shù)據(jù)收集服務。去年已進入市場的寬 帶PCS (BPCS )電話都提供了稱為短消息服務(SMS )的高級通訊服務。 當電話超出所述BPCS電話服務區(qū)域時，所述SNS系統(tǒng)可以尋呼用戶的電話。也可以利用SNS系統(tǒng)實現(xiàn)BPCS語音服務。SNS技術(shù)的另一種潛在應 用是遠程成像市場。政府、城市規(guī)劃部門、農(nóng)民、環(huán)境保護主義者、地圖 制作者以及房地產(chǎn)開發(fā)商都依靠航攝或衛(wèi)星照片。世界范圍地，這個市場 超過14億美元。由于SNS距離目標比衛(wèi)星近超過二十倍，SNS可以僅利 用0.75英寸直徑的鏡頭實現(xiàn)一米的分辨率。在當前的無線電探空儀不具有 保持飄浮高度的能力時，所述SNS平臺可收集和報告來自同溫層中的持續(xù) 的停留的氣象數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的 一 個實施例是一種具有發(fā)射、跟蹤以及通信終端的地面網(wǎng)絡 的小空中通信平臺的星座。盡管主要以尋呼系統(tǒng)的形式在通信方面描述整 個系統(tǒng)，也可以很容易地包括其它通信，例如，語音通信、緊急道路服務、 搜救、緊急醫(yī)療、遠程成像、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)&公用設(shè)施監(jiān)控、遠程資產(chǎn) 管理、照片數(shù)據(jù)、IR掃描、設(shè)備跟蹤、貨車車廂和集裝箱跟蹤、車輛安全、 個人安全、危險物質(zhì)、海關(guān)和國際船運安全、兒童安全、野生生物多艮蹤、 個人通訊、殘疾人士通信、SCADA、貨車運輸通信和船運跟蹤以及i午多其 它適當?shù)耐ㄐ拧Ｈ缭诖怂褂玫?，尋呼包括傳統(tǒng)的單向?qū)ず簦约拜^新的 高級通訊服務(例如，雙向?qū)ず艉驼Z音通訊(voice messaging))。通信 平臺和地面支持系統(tǒng)的空中星座擴展了當前尋呼網(wǎng)絡的有限的覆蓋，以在 整個鄰近地理區(qū)域上提供完全的通信覆蓋。例如，在美國，其確實提供了 全國范圍的覆蓋。所述已經(jīng)在適當位置的陸基發(fā)射塔系統(tǒng)提供了城市區(qū)域 所需要的覆蓋，而所述SNS系統(tǒng)提供了對低人口密度的農(nóng)村區(qū)域的覆蓋。 因而，利用相同的手持尋呼裝置，用戶可以獲得完全的全國范圍的覆蓋。 與傳統(tǒng)的僅覆蓋有限區(qū)域的陸基通信發(fā)射塔系統(tǒng)相反，或者與軌道運行非 常昂貴、高度或高或低的衛(wèi)星通信系統(tǒng)相反，所述發(fā)明的系統(tǒng)通過提供均 勻間隔、高度較高的空中通信平臺，例如，氣球攜帶的尋呼M機進行此 項工作。
為形成所述空中通信平臺的星座，尋呼收發(fā)機#_附加到輕于空氣的載 體上，諸如類似國家氣象局(NWS)所使用的高空氣球，并對其進4亍改進 以利用諸如氣體排放和壓艙物丟落的方法提供規(guī)定的可調(diào)的高度控制。在此申請中，所述輕于空氣的栽體或氣球以及所附加的通信裝置被稱為同溫
層納型衛(wèi)星平臺(SNS平臺)。為覆蓋由美國大陸部分組成的鄰近地理區(qū) 域，可以以有規(guī)律的間隔周期地發(fā)射SNS平臺，或者如果需要，則從全美 國的約50到100個地點發(fā)射SNS平臺。選擇這些發(fā)射地點，以發(fā)射所述 氣球承栽收發(fā)機，使其上升到約60000到140000英尺的規(guī)定飄浮同溫層高 度。使用了計算機調(diào)整的高度控制和計算機化跟蹤。調(diào)整所述SNS平臺， 使得當其隨著已有的風流漂移時，在例如地球上空的同溫層中，在預定高 度范圍內(nèi)維持所希望的高度。當所述平臺以不同速度漂移時，當它們放松 浮力時，或者當它們突然爆裂或出現(xiàn)故障時，可發(fā)射新的SNS平臺以填補 可能發(fā)生在覆蓋中的任何空隙。隨著需求增長，也可以發(fā)射新的SNS平臺 以提供額外的通信容量。在上升到規(guī)定高度期間，新發(fā)射的SNS平臺可收 集、記錄以H送氣象數(shù)據(jù)?？山?jīng)由無線電向地面有利地傳送這些數(shù)據(jù)， 以供國家氣象局(NWS)使用。由于天氣條件經(jīng)常變化，建模以及基于連 續(xù)來預測SNS平臺網(wǎng)絡的覆蓋的過程是一件復雜的任務。通過利用記錄的
相對于地面發(fā)射和跟蹤終端的運動，可以促進此項任務。也可以使用此數(shù) 據(jù)控制單個SNS的高度，從而捕捉有利的盛行風以幫助填補覆蓋空隙。在 同溫層高度的每一個飄浮衛(wèi)星將具有從下掛的天線向所有方向以半徑約 175英里(280公里)的視線的無線電通信覆蓋范圍，并且形成所述通信平 臺的一部分。
形成所述星座的多個SNS平臺的陸基支持包括至少 一個網(wǎng)絡操作中心 (NOC)以及多個發(fā)射和跟蹤終端。所述NOC優(yōu)選地是用于所述SNS系 統(tǒng)的高速、高容量的計算、通信及操作中心。所述NOC可負責每個通信 平臺的飛行和操作的所有可控制方面。這些控制包括平臺發(fā)射、飄浮高度、 跟蹤、所有尋呼通信和控制信號發(fā)送，以及與伙伴尋呼公司的通信。典型 地，所述SNS地面終端包括發(fā)射設(shè)施、跟蹤和通信設(shè)備以及通信天線。所 述共同放置的發(fā)射設(shè)施和地面終端也有利地與約70個NWS氣球發(fā)射設(shè)施 的已有位置相一致，其中所述發(fā)射設(shè)施被設(shè)計以監(jiān)控全國范圍的天氣條件。還存在類似的氣象站，其由基本上世界范圍的條約維持著。這些地面終端 可以是自動化的。當需要填補在飄浮平臺的重疊圓形覆蓋圖之間所產(chǎn)生的 預期的覆蓋空隙時，也可以使用便攜式或移動的發(fā)射及跟蹤地面終端。當 同溫層的風基于季節(jié)改變時，這些便攜式或移動的發(fā)射及跟蹤地面終端也 可以季節(jié)性地移動，以提供額外的發(fā)射地點。最可能地是沿著海岸線或所 述覆蓋區(qū)域的邊緣部署這些終端。這些地面終端可以有利地跟蹤飄浮在其
位置附近的一些SNS平臺，并可以向該終端范圍的每一個平臺提供所有通 信的上行鏈路和下行鏈路，包括尋呼和控制數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^所述NOC將來 自預訂的尋呼公司的尋呼信號發(fā)送到所述SNS系統(tǒng)。所述NOC確定哪個 SNS平臺當前位于呼叫的尋呼機上空，并向跟蹤此SNS平臺的地面終端發(fā) 送所述尋呼消息。所述地面終端接收來自NOC的尋呼消息，并將其轉(zhuǎn)發(fā) 給SNS平臺。然后，所述SNS平臺將所述尋呼消息向下發(fā)送到所述個別 的尋呼機。由雙向?qū)ず魴C發(fā)送的任何消息被最近的SNS平臺接收，并被向 下轉(zhuǎn)發(fā)給地面終端。所述地面終端向NOC發(fā)送所述消息，NOC將所述消 息轉(zhuǎn)發(fā)給適當?shù)念A訂的尋呼電信商。所述NOC還保持跟蹤所有計費信息 和用戶位置信息。所述SNS系統(tǒng)被有利地設(shè)計為無需修改尋呼機，即可與 FLEX(單向?qū)ず魴C)以及REFLEX (雙向?qū)ず魴C)完全兼容。無論與NWS 發(fā)射設(shè)施共同放置還是將其單獨放置在其它選擇的地面地點，所述發(fā)射設(shè) 施可由全自動化的發(fā)射機和地面終端組成。 一個地面終端可以同時控制多 個SNS平臺?？梢允褂脧囊粋€地面位置連接到另一個地面位置的陸線、衛(wèi) 星鏈路或其它高信號容量網(wǎng)絡通信，將所述多個發(fā)射地點和地面終端相互 連接或者與所述NOC相連接。
本發(fā)明的 一個實施例是一種包括自由飄浮的平臺和與所述平臺分離的 通信裝置的系統(tǒng)，所述平臺包括輕于空氣的氣包體(gas enclosure)和有 效負載，所述有效負載包括處理器和收發(fā)機，其中，所述處理器能夠決定 終止平臺的飛行，所述收發(fā)機能夠接收來自通信裝置的信號，并且所述通 信裝置能夠?qū)⑺鲂盘柷袚Q(hand off)到另一個自由飄浮平臺的另一個收 發(fā)機。所述有效負栽可進一步包括高度傳感器、位置傳感器以及電源。典型地，所述有效負栽在所述輕于空氣的氣包體的500英尺以內(nèi)。
所述決定至少部分地基于以下幾點(a)如果確定所述平臺將在指定 的地理邊界之外；(b)如果所述平臺在指定的高度范圍以外；(c)如果 所述平臺具有指定范圍之外的橫向或垂直速度；(d)如果所述處理器出現(xiàn) 故障；(e)如果電源出現(xiàn)故障；(f)如果命令和控制通信鏈路出現(xiàn)故障。
所述決定可以是釋放壓搶物、停止到放電電路的信號以防止電池放電、 從所述有效負栽釋放所述平臺，或者其組合。
本發(fā)明的另一個實施例是一種終止自由飄浮平臺的飛行的方法，其中， 所述平臺包括收發(fā)機，其能夠接收來自與所述平臺分離的通信裝置的信號， 所述方法包括確定地理位置和/或所述平臺的速度，利用所述平臺上的處 理器作出決定以終止所述平臺的飛行，將所述信號切換到另一個自由飄浮 平臺的另一個M機，以及終止所述平臺的飛行。
再一個實施例是一種用于升高或減緩自由飄浮平臺的降落的系統(tǒng)，其 包括輕于空氣的氣包體和壓艙物，所述壓艙物包括反應物，當混合所述反 應物時形成比空氣輕的氣體。所述氣體可以是氬氣，而所述反應物可以包 括水和Ca或Na的氬化物。至少一種所迷反應物比空氣重。例如，至少一 種反應物是碳氫化合物。所述系統(tǒng)可進一步包括用于重整所述反應物中至 少一種的催化劑。
本發(fā)明的另 一個實施例是一種用于升高或減緩自由飄浮平臺的降落的 方法，所述方法包括使存儲在所述平臺上的反應物發(fā)生反應以形成用過 的反應物和輕于空氣的氣體，將所述氣體引入到輕于空氣的氣包體，并丟 落所述用過的反應物。
本發(fā)明的另 一個實施例是一種用于終止自由飄浮平臺的飛行的系統(tǒng)， 其包括輕于空氣的氣包體、有效負栽以及元件，其中所述元件能夠?qū)⑺?述氣包體與所述有效負栽分離。所述元件包括線路和能夠切斷所述線路的 組件。所述系統(tǒng)可進一步包括兩個軸向排列的管子，其將所述有效負載連 接到所述氣包體。在優(yōu)選實施例中，所述元件可以是銷釘(pin)。
本發(fā)明的再一個實施例是一種用于終止自由飄浮平臺的飛行的方法，所述平臺包括輕于空氣的氣包體、有效負栽以及元件，其中所述方法包括 通過所述元件的動作將所述輕于空氣的氣包體從所述有效負栽分離。所述 方法可進一步包括通過所述元件通過電流。
本發(fā)明的另一個實施例是一種供電系統(tǒng)，其包括電池、處理器以;s^文 電電路，其中所述處理器間歇地向所a電電路發(fā)送信號以防止所述電池 放電。優(yōu)選地，當所述供電系統(tǒng)降落在地面或水上時，所述處理器4亭止發(fā) 送所述信號。
本發(fā)明的再一個實施例是一種回收自由飄浮平臺的方法，其包括將
所述平臺降落在地面或水上，并將所述平臺的位置發(fā)送給位于另一個自由
飄浮平臺的收發(fā)機。所述方法可進一步包括從位于另一個自由飄浮平臺 的 _機向位于地面站中的 _機發(fā)送所述位置。
本發(fā)明的另一個實施例是一種用于終止自由飄浮平臺的飛行的系統(tǒng)， 其包括:輕于空氣的氣包體、有效負載以及用于從所述有效負栽釋i文所述 氣包體的裝置。在說明書中公開的那些用于釋放所述氣包體的裝置及其等 同。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)無人駕駛的輕于空氣的氣球在前的最大用途是世界上的各種 氣象服務。出于氣象數(shù)據(jù)獲取的目的，小乳膠氣象氣球攜帶稱為無線電探 空儀的儀器包來收集氣象數(shù)據(jù)。每天在格林威治標準時間的中午或午夜從 世界各處的地點網(wǎng)絡發(fā)射這些氣象氣球。在這些氣象服務無線電探空儀經(jīng) 過兩小時的升空從地球表面上升到約100000英尺期間，其收集溫度、濕度、 壓力以及風的數(shù)據(jù)。在約100000英尺處，所述氣象氣球爆裂，而所述無線 電探空儀有效負載則隨著降落傘降落到地面。在所述上升期間獲取的數(shù)據(jù) 被輸入到在超級計算機上運行的大氣模型中，以加速氣象預測。由于其僅 表示每l2個小時所述氣球上升期間所獲得的氣象數(shù)據(jù)的快照(snapshot), 所述輸入數(shù)據(jù)是有限的。所述上升和下降;f艮快，幾乎都降落在初始國家的 邊界以內(nèi)，從而使得短時期無線電發(fā)送和物理地跨越邊界不是主要問題。 并且，受到條約限制，世界上大多數(shù)國家都從指定地點發(fā)射攜帶無線電探 空儀的氣球，并且與其它國家共享所述數(shù)據(jù)。目前全世界每年發(fā)射約800000個無線電探空儀。也發(fā)射了少量的用于 研究目的研究氣球。所述研究氣球可能非常大，并且典型地，其利用特殊 頻率并且在國際的或單個國家的邊境跨越許可下進行飛行。每年飛4亍的氣 球總數(shù)主要包括每年365天、每天發(fā)射兩個無線電探空儀的997個全球氣 象站(727000)。這些無線電探空儀中僅有18%是可回收、可修復和可再 生的，導致每年新產(chǎn)生約650000個氣象收集無線電探空儀。
聯(lián)邦通信委員會(FCC)禁止不受控制的發(fā)射機，因為它們可能干擾 同一頻率或其它臨近頻率的用戶。FCC頻i普許可通常禁止美國許可的發(fā)射 機在離開美國邊界時進行發(fā)射。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了在提升用氣體溢出氣球膜而損失時以及當夜晚來臨太 陽的熱效應失去時保持高度，大多數(shù)保持高度的輕于空氣的平臺必須丟棄 壓艙物。聯(lián)邦航空局(FAA)規(guī)則101.7規(guī)定禁止無人駕駛的氣球飛行器 (ballooncraft)進行可能發(fā)生危險的丟棄物體或^^作。
101.7危險操作。
(a) 不許以對他人或者他人財產(chǎn)產(chǎn)生危險的方式操作任何系泊的 氣球、風箏、無人駕駛的火箭，或者無人駕駛的自由氣球。
(b) 不許在操作任何系泊的氣球、風箏、無人駕駛的火箭、或者 無人駕駛的自由氣球時使得物體從其上丟落下來，如果這樣的動作可能對 他人或者他人財產(chǎn)產(chǎn)生危險。
(6 (c)，交通部法規(guī)(49 U.S.C.1655 (c))) [DocNo,12800， Amdt. 101-4， 39 FR 22252， June 21， 1974
影響輕于空氣的平臺的尺寸和成本的主要因素是有效負載的重量。對 于諸如氣象氣球的小氣球飛行器而言，如果總的有效負載重量保持在6磅 以下，并且最小側(cè)的密度小于每平方英寸3盎司或更少時，它們可能免于 某些FAA報告、點火以^L1射要求。 101.1 (4)適用性
此部分規(guī)定了用于規(guī)制在美國進行的操作的規(guī)則，如下(4)除了 101.7中所規(guī)定的，任何無人駕駛的自由氣球
(i) 攜帶了重量超過四磅的有效負栽包，并且在所述包的任何表面上 的重量/尺寸比超過三盎司每平方英寸，其中通過將所述有效負栽包的總重 量的盎司數(shù)除以其最小表面的面積的平方英寸數(shù)進行確定；
(ii) 攜帶重量超過六磅的有效負載包； * pi /180
Longitude—change一( 弧度) = [Start—longitude—( 小數(shù) )— End—longitude—(小數(shù))* pi /180
將在一次完整旋轉(zhuǎn)內(nèi)的綿度和經(jīng)度變化轉(zhuǎn)換為所述地方性風的以米/ 秒計量的北向和東向分量需要所述非球形地球模型將綿度和經(jīng)度變化轉(zhuǎn)換 為實際距離和速度。公式總結(jié)如下
地球在某煒度的半徑(Rn) = Ravg / (1 — Eccent * (sin(latitude一change一(弧度))A2》
其中，Ravg是地球的平均半徑=6378137米
且Eccent是地球的偏心率=0.00669437999014138
Local—Winds一North一(m/s) = Rn * Latitude—change—(弧度)/ (End_Time — Start—Time)
Local—Winds—East—(m/s) = Rn * cos((Start一Latitude一(小數(shù))+ End—Latitude—(小數(shù))/ 2 ) * pi / 180) * (Longitude—change—(弧度)/ (End—Time — Start_Time)
將所述地方性風分量轉(zhuǎn)換為向量(地方性風向量)。Local一Winds—direction(度)=ArcTAN(Local_winds_North—(m/s) / Local—Winds—East—(m/s))
如果所述地方性風方向為負，加上360度。
Local_winds_speed—(m/s) = SQRT(Local Winds—North—(m/s)A2 + (Local—Winds—East—(m/s))A2)
從來自GPS的所述地面軌跡向量和所述地方性風向量，可以確定所述 飛行向量。當首先將兩個向量轉(zhuǎn)換為北向和東向分量時，可以容易地從所 述地面軌跡向量中減去所述地方性風向量
將所述地面軌跡向量轉(zhuǎn)換為其北向和東向分量。 Ground—Track_North—(m/s) = cos(Start—GroundVector—Direction—(度)
* Pi /180) * Start—Ground—Vector—Speed_(m/s)
Ground—Track—East—(m/s) = sin(Start—Ground Vector—Direction—(度)
* Pi /180) * Start—Ground一Vector一Speed—(m/s)
從所述地面跟蹤分量中減去所述地方性風分量，以得到飛行分量。
Flight—North_(m/s) = Ground—Track—North—(m/s) — Local—Winds—North—(m/s)
Flight—East—(m/s) = Ground—Track—East—(m/s) —
Local—Winds—East (m/s)
將所述飛行分量轉(zhuǎn)換為向量(飛行向量)
飛行向量方向(度) =ArcTAN(Flight—North—(m/s) / Flight_East—(m/s))
如果飛行方向為負，加上360度。
飛行向量速度(m/s ) = SQRT((Flight_North_(m/s))A2 -(Flight—East—(m/s)A2)
現(xiàn)在已經(jīng)從所述地面軌跡向量中分離出了所述飛行向量和所述地方性 風向量，所述操縱控制算法可以使用它們的分量。
可以在諸如自主的、GPS導航的可操縱降落傘或滑翔機的自主回收系 統(tǒng)的控制系統(tǒng)中實現(xiàn)以上的軟件功能。典型的系統(tǒng)包括至少可操縱的降落傘或滑翔機， 一個或多個操縱致動器，用于位置數(shù)據(jù)、地面跟蹤以及時
間的GPS單元，執(zhí)行上述算法的處理器以及用于所述處理器和致動器的電 源。不需要空速傳感器或指南針。
可操縱的降落傘包括可拉緊或放松以影響所述回收系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)的操縱 控制繩(steering controlline)。諸如絞盤的操縱致動器可以向一個方向轉(zhuǎn) 動以拽拉右轉(zhuǎn)操縱控制繩，而向另一個方向轉(zhuǎn)動以拽拉左轉(zhuǎn)操縱控制繩。 所述處理器控制所述致動器以在任何方向上進行操縱。所述處理器接收來 自所述GPS單元的地面軌跡向量、位置數(shù)據(jù)以及時間。所述處理器如上所 述開始整個圓，接收來自GPS的信息，并應用上述算法確定當前的飛行和 地方性風向量。然后，所述處理器適當?shù)乜刂扑鲋聞悠饕曰谄洳倏v算 法結(jié)束或者繼續(xù)所述旋轉(zhuǎn)，從而到達目標降落位置。
也可以使用單獨的控制繩來操縱所述降落傘。這使得降落傘主要在一 個方向(方向A)旋轉(zhuǎn)。所述降落傘以方向A旋轉(zhuǎn)，或者在處理器控制下 由所述致動器調(diào)節(jié)為直線飛行(通過保持恒定的地面跟蹤方向)。所述可 操縱的降落傘可被設(shè)計為在操縱繩完全松弛時具有向方向A的相反方向 (方向B)的輕微旋轉(zhuǎn)的自然傾向。輕微調(diào)節(jié)(拉)所述控制繩將^f吏得所 述降落傘按照所述處理器的指示以恒定的地面跟蹤方向直線飛行。進一步 拉所述控制繩將使得所述降落傘轉(zhuǎn)向為方向A。在校正降落傘中的個別錯 誤時，很需要這種可將所述降落傘調(diào)整為直線飛行的能力。
因為所述地方性風隨著所述回收系統(tǒng)的降落可能變?yōu)椴煌娘L，偶爾 需要重新計算所述飛行和地方性風向量，以處理新的地方性風以及由于空 氣密度變化或其它因素而引起的飛行向量的變化。由于在開始測量和結(jié)束 測量之間的風的不同，可能引起其它的誤差。為了使所述飛行向量達到期 望的準確度，需要經(jīng)常進行上述的完整圓周過程。更頻繁進行所述完整圓 周過程的主要缺點在于在所述完整圓周過程中不能使用所述回收系統(tǒng)的有 效前向運動。
表l示出了本發(fā)明的方法的例子，其無需使用指南針或空速指示器即 可確定地方性風和飛行向量。讀完本^>開后，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，本發(fā)明的其它變化和修改 將變得很明顯，并且在此公開的發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求的最廣義的 解釋進行限制，發(fā)明人對所附權(quán)利要求的有法律上的權(quán)利。
表l
可操縱回收系統(tǒng)例子
圖例白底黑字的值由GPS單元提供
灰底黑字的值由處理器通過公式計算得到
開始地面向量方向(度)61
開始地面向量速度(m/s)12
開始緯度(小數(shù))33.11
開始經(jīng)度(小數(shù))111.858
開始時間(GPS秒)908311
結(jié)束綿度(小數(shù))33.09
結(jié)束經(jīng)度(小數(shù))111.87
結(jié)束時間(GPS秒)908406
期望的旋轉(zhuǎn)的額外度數(shù)21
地方性風所引起的綿度和經(jīng)度的每秒改變
Latitude—change—(弧度) -0.0003491 Longitude—change—(弧度)-0.0002094
將煒度方向和經(jīng)度方向的風轉(zhuǎn)換為以米/秒計量的北向分量及以米/秒計量 的東向分量需要非球形地球才莫型。公式總結(jié)如下'
Ravg 6378137米
Eccent 0.00669438
地球在某綽度的半徑(Rn ) 6378137米Local North _winds —(m/s) -23.44 Local— East winds— (m/s) -4.23 從所述北向和東向風分量計算所述地方性風向量的方向和速度。 Local一Winds一direction—(度) 1亂24 Local—winds—speed (m/s) 23.82
從所述地方性風向量和來自GPS的所述地面軌跡向量，可以如下確定飛4亍 向量
將所述地面軌跡向量轉(zhuǎn)換為北向和東向分量。 Ground track North (m/s) 5.82 Ground track East (m/s) 10.50
從所述地面軌跡向量的北向分量和東向分量中減去所述地方性風向量 的北向分量和東向分量，以得到飛行分量。之所以這樣做是因為所述地面 軌跡向量是所述地方性風向量和所述飛4于向量之和。
Flight North (m/s) 29.25
Flight East (m/s) 14.73
將所述飛行北向和東向分量轉(zhuǎn)換為向量
飛行向量方向(度) 26.73
飛行向量速度(m/s ) 32.75
計算相對于初始方向的改變
為繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到新的飛行向量方向，在轉(zhuǎn)出所述旋轉(zhuǎn)之前，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)以 下計算得到的秒數(shù)
以相同的傾斜角繼續(xù)方走轉(zhuǎn)5.5秒
權(quán)利要求
1. 一種上升速度控制系統(tǒng)，其控制自由飄浮的輕于空氣的平臺的上升速度，所述系統(tǒng)包括排氣致動器、高度傳感器以及在所述上升速度大于預定上升速度時控制所述排氣致動器的裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，所述高度傳感器確定所述自 由飄浮的平臺的高度和所述上升速度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述裝置確定所述上升速度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，所述裝置位于所述自由飄浮 的平臺上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，進一步包括壓搶物容器、壓艙物 以及壓艙物放出致動器，當所述上升速度低于特定上升速度時，所述壓艙 物放出致動器控制從所述壓艙物容器中放出所述壓艙物。
6. —種通過上升速度控制系統(tǒng)控制自由飄浮的輕于空氣的平臺的 上升速度的方法，所述上升速度控制系統(tǒng)包括排氣致動器、高度傳感器 以及在所述上升速度大于預定上升速度時控制所迷排氣致動器的裝置，所 述方法包括確定所述上升速度以及控制所述上升速度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所迷的方法，其中，控制所述上升速度包括通 過所述裝置使得所述排氣致動器排氣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述高度傳感器或所述裝置 確定所述上升速度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述裝置位于所述自由飄浮 的平臺上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述上升速度控制系統(tǒng)進一 步包括壓艙物容器、壓艙物以及壓艙物放出致動器，當所述上升速度低 于特定上升速度時，所述壓艙物放出致動器控制從所述壓艙物容器中放出 所述壓艙物，并且其中，控制所述上升速度包括從所述壓艙物容器中放出 所迷壓艙物。
11. 一種利用多個自由飄浮的輕于空氣的平臺確定發(fā)射無線信號的裝置的位置的方法，其包括從所述多個自由飄浮的輕于空氣的平臺進行 信號通道延遲測量，并基于所述信號通道延遲測量確定所述發(fā)射無線信號 的裝置的位置，其中所述多個自由飄浮的輕于空氣的平臺具有低于每小時 100英里的相對于地球表面的速度，其飄浮在60000到140000英尺的高度， 其中所述方法不需要進行多普勒頻移校正。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過測量在所述發(fā)射無線 信號的裝置的無線信號到達時間和標準時間之間的差來進行所述信號通道 延遲測量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，基于來自至少三個獨立的 自由飄浮的輕于空氣的平臺的信號通道延遲測量來確定所述發(fā)射無線信號 的裝置的位置。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述發(fā)射無線信號的裝置 位于(a)已降落在地球上的自由飄浮的輕于空氣的平臺上；或者(b)陸 基車輛上，并且，所述裝置是發(fā)射機或收發(fā)機。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，基于所述信號通道延遲測 量來確定所述發(fā)射無線信號的裝置的位置包括確定從所述裝置到所述多 個自由飄浮的輕于空氣的平臺的距離，基于所iil巨離在地球上描繪出近似 圓，并確定所迷圓的交點，所述交點基本上就是所述發(fā)射無線信號的裝置 的位置。
16. —種用于確定包括發(fā)射無線信號的裝置以及GPS單元的有效負 栽的位置的方法，所述方法包括通過所述GPS單元測量所述發(fā)射無線信 號的裝置的位置，檢查所述發(fā)射無線信號的裝置的位置移動，以及將所述 有效負載的位置傳送給自由飄浮的輕于空氣的平臺。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述有效負栽降落在地球 上，而所述自由飄浮的輕于空氣的平臺飄浮在約60000-140000英尺的高 度，其中，所述方法不需要進行多普勒頻移校正。
18. —種用于定位和確定陸基車輛的使用的系統(tǒng)，所述陸基車輛包括與所述陸基車輛的輪轂相連的外殼，所述外殼包括GPS單元、發(fā)射無線信 號的裝置以及電源。
19. 才艮據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，進一步包括自由飄浮的輕于空氣 的平臺，所述平臺包括接收無線信號的裝置，其接收來自所述發(fā)射無線 信號的裝置的信號。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述電源是太陽能電源、 電池、發(fā)電機或其組合。
21. —種用于操縱可操縱系統(tǒng)的方法，其包括使得所述可操縱系統(tǒng) 在相對于在所述可操縱系統(tǒng)處的地方性風的圓中飛行，從而使所述可操縱 系統(tǒng)的飛行向量為零，并且無需利用從指南針或空速指示器得到的數(shù)據(jù)即 可確定所述地方性風關(guān)于地球上的位置的地方性風向量。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述可操縱系統(tǒng)是自主的 GPS引導的可操縱系統(tǒng)，不需要在所述可操縱系統(tǒng)上裝載所述指南針或所 述空速指示器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，基于所述可操縱系統(tǒng)的地 面軌跡向量確定所述地方性風向量。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，從位于所述可操縱系統(tǒng)上 的GPS單元獲得所述地面軌跡向量。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述可操縱系統(tǒng)是飄浮在 約60000到140000英尺高度的自由飄浮的輕于空氣的平臺的組成部分。
26. —種用于利用一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺確定發(fā)射 無線信號的裝置的位置的方法，其包括在不同的時間間隔從所述一個或 多個自由飄浮的輕于空氣的平臺進行信號通道延遲測量，并基于所述信號 通道延遲測量確定所述發(fā)射無線信號的裝置的位置，其中，所述一個或多 個自由飄浮的輕于空氣的平臺具有低于每小時100英里的相對于地球表面 的速度，并且飄浮在60000到140000英尺的高度，其中所述方法不需要進 行多普勒頻移校正。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺具有一個自由飄浮的輕于空氣的平臺。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述一個或多個自由飄浮 的輕于空氣的平臺具有兩個自由飄浮的輕于空氣的平臺。
29. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述進行信號通道延遲測 量進行僅兩個信號通道延遲的測量。
30. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，通過扇形或定向天線進行 所述信號通道延遲測量。
31. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述外殼進一步包括輪胎 轉(zhuǎn)動傳感器。
32. —種用于定位和確定陸基車輛的使用的系統(tǒng)，所述陸基車輛包括 外殼，所述外殼包括GPS單元、發(fā)射無線信號的裝置以及電源，所述系統(tǒng) 進一步包括 一個或多個自由飄浮的輕于空氣的平臺，所述平臺包括接收 無線信號的裝置，其接收來自所述發(fā)射無線信號的裝置的信號。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個自由飄浮 的輕于空氣的平臺具有低于100每小時英里的相對于地球表面的速度，并 飄浮在60000到140000英尺的高度，其中所述系統(tǒng)不需要用于多普勒頻移 校正的儀器。
全文摘要
提供了一種具有創(chuàng)新性的新方法，其相關(guān)于促進合法發(fā)射操作的輕于空氣的(LTA)自由飄浮的平臺、在適當時候的平臺飛行終止、環(huán)境可接受的著陸以及這些裝置的回收。所述新系統(tǒng)和方法涉及上升速度控制、從包括已著陸的有效負載的LTA平臺和陸基車輛的位置進行地理定位，以及可操縱的回收系統(tǒng)。
文檔編號H04B7/185GK101415602SQ200480035444
公開日2009年4月22日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者B·A·巴克利, E·A·弗里舍, G·M·科諾布拉赫 申請人:空間數(shù)據(jù)公司