通信平台的空中构像和方法

专利名称：通信平台的空中构像和方法
技术领域：
本发明涉及小型空中通信平台的构像，具体地说涉及多个在相邻的地理区域上分开的漂浮在地球大气层的同温层中的小型、比空气还轻的通信平台。要求基于1999年6月29日提交的美国实用新型专利申请09/342,440的优先权。
背景技术：
目前，所有通信卫星都位于一个称作为地球同步弧的轨道上，该地球同步弧位于地球赤道之上22,300英里。由于国际条约要求卫星之间要间隔2°，于是在地球同步轨道上只能有180个站点。一个优化设计的三级化学火箭通常在发射时要推进94％以到达地球同步轨道，在将大约5.6％的重量分配给火箭之后，只将初始发射重量的大约0.4％留给卫星。换个角度表达这种情况，一个具有相同性能的、通常重量为3,000英磅的汽车将只能载一个重量为200英磅的人，需要8,400加仑的油箱，并且在一次旅行之后将成为废品。最后，尽管NASA的航天飞机能够以巨大的开支为几个较低轨道卫星服务，大多数卫星在发射之后是得不到服务或升级的。
目前，由于在地球同步轨道上只有有限数目的站点，所以同步卫星的尺寸和性能都在增大，并且现在能够直接向各个家庭广播电视信号。最近，已经研制出其他不需要地球同步轨道的卫星网络。所有这些新的网络都已经将较小的通信卫星发射到非常低的对站点数无限制的轨道上。由于对于一个网络来说，卫星数目可以是更多并且卫星较小，所以每个火箭已经能够最多发射8颗卫星。尽管卫星越来越小并且数目越来越多，但仍没有“个人卫星”，并且在卫星工业中至今没有消费者产品的批量生产商。
据估计，在低地球轨道中的微卫星网络和用于进行跟踪、发射、接收、在多个微卫星之间进行信号切换所需的地面设备以及用于语音系统的必要系统网络至少需要30亿美元。在配置一个系统的4年中，预计25万用户中的每一个用户在设备上投资3,000美元，这样用户在新设备上的总的组合投资大约为150亿美元。据估计一个小型的低地球轨道先进消息发送卫星系统的开发成本大约为475百万美元。预计这样一个系统可以服务于2-3百万用户，每个用户的用户设备要花费300-1,000美元。于是，用户对设备的总投资至少为600百万美元。
当前已有生产用于收集气象信息的无线电高空探测器的工业。无线电高空控测器是在气象气球上发射的用于收集气象数据的仪器组。每天在格林尼治时间中午和午夜从世界上各站点网络发射无线电高空探测器。气象服务无线电高空探测器在从地球表面上升到大约100,000英尺时，在2小时飞行中收集温度、湿度、压力和风数据。然后将该数据输入到运行在超大型计算机上的大气模型中。从上升的无线电高空探测器网络中收集的信息对于气象预测是重要的。大多数国家受条约约束，从指定的站点发射无线电高空探测器，并且和其他国家共享数据。目前，世界上每年大约发射800,000个无线电高空探测器。该数据表明997个全球气象站每年365天，每天发射2个无线电高空探测器(727,000)，加上少量的为了军事和科研目的发射的无线电高空探测器。大约18％的无线电高空探测器被回收，这样每年需要新生产大约650,000个气象收集无线电高空探测器。
当前用于跟踪气象气球的本地系统或者不活动(Omega，2000年之前开始不活动，并且Loran-C在2000年之后不久开始不活动)或者如此老化以至操作和维护正在变得非常昂贵(雷达和无线电经纬仪)。无线电高空探测器系统中的变化通常比较慢，由于气象学家是通过比较几十年来收集的数据来研究气象趋势。于是，他们对任何能在数据收集时引起数据产生新的偏移的变化都非常敏感。从大多数用户(例如美国国家气象服务(NWS))在数字助航探空仪已广泛使用许多年仍然使用由无线电经纬仪跟踪的模拟无线电高空探测器这样的事实中，更能证明这点。紧缩政府预算已使一些用户不能支付新的所需技术。当前在探空仪市场上有一种趋势，转为使用全球定位系统(GPS)用于进行无线电高空探测器上的风向跟踪。从1995到1998，NWS尝试过从美国国会得到开发用于美国观察网络的GPS跟踪系统项目的基金，但失败了。在不能获得必要的新技术来代替陈旧的无法得到支持的无线电高空探测器基础设施的同时，也不能将无线电高空探测器的频谱再分配给商业使用。无线电高空探测器传统上以400MHZ发射，用于助航探空仪，在1680MHZ发射，用于无线电经纬仪探空仪。在美国可以由联邦通信委员会(FCC)拍卖400MHZ频带，由商业服务来同时使用。于是，增加了干扰，可以强迫探空仪使用带有数字下行链路的窄带宽，而不是至今普遍使用的具有模拟下行链路的宽带。
非常大和昂贵的NASA气球是单独发射的，并且在很长的时间里维持在一漂浮的高度上。这些气球携带了几百磅的设备，并且每个耗资上万美元。由于漂动，单个气球不能从视线上连续覆盖很广的地理区域。
个人通信服务(PCS)是一种新的数字服务，FCC在1994年开始拍卖该频带。PCS被分成两类宽带和窄带PCS。宽带PCS主要用于语音服务和与传统蜂窝电话竞争的PCS宽带电话。窄带PCS用于先进的消息传送，主要是双向寻呼。寻呼工业将先进的消息传送看作是一个人的电子邮件帐户的移动分机，就象一个蜂窝电话已是台式电话的移动分机一样。全国性窄带PCS(NPCS)是FCC曾拍卖的第一频谱。大约30个区域和全国NPCS许可证已被拍卖并售给私人商业投资者。对频谱进行拍卖是非常有意义的，拍卖的频谱在使用上的限制要比FCC许可的传统频谱少，在拍卖之前，FCC逐段地对频谱进行授权，并且公司不得不证实它们为了“公共利益”使用无线电波。通常对如何使用频率有非常具体的联帮规定。由于公司为它们的PCS许可支付了费用，所以它们实质上拥有频谱。FCC仅施加很小的规定来防止系统受其他载波系统和其他国家系统的干扰。此外，FCC和工业加拿大达成了已知的陆地无线电通信协议和方案，与在美国拍卖的NPCS频谱一样，按照相同的信道结构，加拿大分配相同的NPCS频率。这样就使过境NPCS成为可能，并且在1996，在加拿大至少一个寻呼系统公司被授与NPCS许可证，在与其美国受许可人的频率相同的频率上运行。墨西哥也与美国一样规定了相同的信道间隔。
FCC的目标之一是鼓励为郊区消费者以合理的价格提供无线电频率(RF)通信服务。大部分大型的通信公司忽略了该市场，因为把无通信提供给人口稀少地区只能得到较少的投资回报。这些无线服务包括寻呼、先进的消息传递、遥感勘测、语音等。尽管使用卫星系统可以在郊区得到语音和消息传递服务，但每个单元通常的成本为上千美元，超出了大多数消费者能接受的水平。此外，卫星系统在市区提供服务也有问题，因为它们缺少穿透建筑物所必须的信号强度。
发明的目的本发明通过使用小型、相对便宜的微电子技术将现有的通信卫星提供的多数功能合并到小型的、比空气还轻的通信平台中，来克服现有通信卫星中存在的缺点。具体地说，对形成一个构像的多个比空气还轻的气球进行设计，以把微电子通信设备携带到称为同温层的地球大气层中。这些平台的重量要比目前发射到非地球同步轨道的微型卫星轻100-1000倍。为了方便，在此有时将空中通信平台或携带电子通信和控制设备负载的气球称为“同温毫微卫星”或简称为“SNS”。在米制系统中，前缀“毫微”表示比前缀“微”小1,000倍。SNS发明不再需要使用火箭将卫星推进轨道。在相隔的地理位置上同步地进行多个SNS平台的空中发射提供了一个低成本卫星构像。发射之后，SNS平台上升到一个受控、可调节的高度，在该高度上它们可以根据大气、同温层气象条件以及特别是风而在地理区域上迁移。SNS平台可以通过排气或扔下压舱物来升高或下降以赶上喜欢的当前风，从而使SNS平台均匀地分开。当不再需要时，可以使平台快速下降。辅助平台的额外发射用于填补构像中出现的过多的间隙。
目前为陆地无线通信设计的用户设备可以与本发明的SNS系统一起工作。在传统通信卫星工业中这是不可能的，因为或者通信卫星离用户太远(对于地球同步卫星来说超过了22,000英里)，没有专用的用户设备会使信号很弱，或者卫星相对于地面上的用户来说运行的速度太快(对于低地球轨道卫星来说大约超过36,000mph)，使接收机中出现频率错误。SNS平台至多离地面用户约175英里(280公里)，这取决于覆盖地理区域的多个平台中特定平台的高度和径向覆盖范围。此外，空中平台以接近汽车的速度(在漂浮高度上以0-80mph)移动。与现有的无线通信系统兼容是非常有好处的，因为配置一个新的通信系统，用户设备投资总是所需总投资中最大的部分。
与轨道卫星系统的大的配置成本和新设备成本相比，本发明提供一个低成本的替代方案，不需要新的用户设备。于是SNS系统的优点是提供了一个与现有的标准单向和双向寻呼机兼容的，可以与现有的塔基收发信机网络一起使用的先进的消息传递SNS网络。即使不考虑配置SNS系统，市场分析预计到2003年将有3500万用户携带兼容的标准双向寻呼设备。例如，以每单元100美元计算，则用户投资将超过35亿。这些用户可以通过简单地选择按月付费并递增使用费，来接收本发明的SNS平台网络的加强覆盖作为他们当前服务的扩展。无需对新用户设备或培训进行预先投资并且也不需要改变用户的习惯，也不必象当前卫星寻呼机中那样，用户携带一个以上的寻呼机或其他通信设备。
此外，在进行先进的消息传递时，本发明的SNS系统使用国际上采纳的通信协议或寻呼协议。对于新系统来说，国际机会至少等于在美国的潜力。SNS系统也可以利用其他的流行的寻呼协议。除了个人寻呼之外，该系统还可以用于其他通信、远程图象、红外扫描、设备跟踪以及气象数据收集服务。
对于国家气象服务(NWS)来说也是有好处的，可以考虑利用当前的SNS发明在SNS平台上升期间作为一个为NWS提供所需信息的替代系统。来自SNS平台的GPS信息能够提供NWS所需的但无法获得的所希望的有关风的信息。现有的NWS发射设施甚至可以用作SNS发射、跟踪和通信站点。在升高并向NWS发送了气象数据之后，将平台控制在调节的高度上漂浮并且提供其他的商业通信服务。NWS探空仪可以被可拆卸地连接并且在升高过程结束并且已经向NWS发送了所希望的信息之后可以作为压舱物扔下。所连接的无线电探空器可以与当前无线电探空器使用完全相同的传感器，以使数据和当前的无线电探空器数据完全一致。
本发明的SNS网络独特地设计成覆盖较大的区域并且在边界国家之间按国家标准(理想情况下以国际标准)使用专用频率。由于每个SNS空中平台具有较大的覆盖环，本发明还具有将国家范围(或理想情况下国际)专用频率分配给SNS系统的优点。在不进行时间多路复用而重叠使用相同频率的情况下，信号很容易在接收机上引起干扰。系统将优化地工作在“窄带个人通信服务”频率范围或“NPCS”频谱上。此外，在美国NPCS工业一般同意称作为“ReFLEX”(是摩托罗拉公司的商标)的标准双向消息传递协议。ReFLEX是使用时分多址(TDMA)系统的协议。ReFLEX协议是摩托罗拉设计的FLEX协议的扩展并且是一个在4分钟周期中有128个帧的同步协议。使用GPS技术对每帧的开始进行全国范围的对准以便进行定时。这样就可以通过简单地在每个4分钟周期上将一定数目的帧分配给每个网络在本发明的SNS网络和目前的陆地卫星网络之间共事单个频率。于是，在此公开的SNS系统或者运行在其自己专用的频率上，或者在相同的信道上和陆地系统合作，并且从不在彼此的上端发射。这对于TDMA来说是独特的，并且优选地可以加入到新的SNS系统中去。
尽管优选地FLEX和ReFLEX协议使用TDMA系统，SNS发明也可以使用其他的诸如码分多址(CDMA)以及甚至是频分多址(FDMA)系统来工作。码分多址(CDMA)在整个可用带宽上扩展数字数据。多数据流彼此之间重叠地放置在信道上(有时称为扩展频谱技术)，为每个数据流分配一个唯一的序列代码。尽管唯一的序列代码可以使带宽得到非常有效地使用，然而它太复杂并且太昂贵。FDMA系统为每个数据流指定其自己的频率。尽管这样提供了一个非常容易实施并且设备成本较低的系统，但是会使带宽得不到有效利用。
ReFLEX在一个4分钟周期里具有128个分立的时隙。SNS系统可以使用其自己的频率或者可以和同伴寻呼载波共享时隙。ReFLEX使用的TDMA系统有效地利用带宽。它较复杂并且有一些相关的设备成本。然而，使用高速微处理器可以很容易地继续解决这种复杂性，并且能够继续降低设备成本。
ReFLEX协议将每个4分钟周期划分成128个时隙或帧，SNS系统可以在一个频率上和其他可能具有重叠的地理覆盖的寻呼天线和陆地塔共享这128个时隙。一个寻呼机能够接收来自多平台和陆地塔的广播，但由于具有相邻覆盖的每个平台或塔被分配了一个具体的帧或多个具体的帧，寻呼机在每个时隙只“听”到一个发射机。本发明的目的是构建一个可以被动态分配新帧的通信平台，随着平台漂移进行发射，以确保寻呼机在相同的帧中只从一个发射机接收发送。
本发明的再一目的是动态再分配时隙，以便在任何给定时刻或位置，一个平台与其他平台相比具有较大数目的可用时隙，以便为需要更高容量的平台提供更高的容量。动态帧分配(或动态容量分配)是一项复杂的任务。在将较多的帧分配给一个平台的任何时刻，所有与该平台具有重叠覆盖区的其他平台不能访问分配的帧于是丢失容量。然而，动态帧分配有利于通过有效利用所有可用时隙，使整个系统的容量最大，同时具有低通信容量需求的地理区域分配最少的时隙或帧。
尽管优选的是如上所述的使用TDMA的ReFLEX双向寻呼协议，本发明的再一目的是SNS可以与其他寻呼协议相兼容。例如，三个其他基本寻呼协议包括FLEX、POCSAG和ERMES。FLEX协议是单向寻呼系统，它是ReFLEX的前任。POCSAG是一个较老的用于单向通信的寻呼标准并且效率低。然而，在美国大多数寻呼机仍是POCSAG兼容的，尽管FLEX具有较高抗噪声性能，较高的吞吐并且逐渐在美国和国外(除欧洲之外)成为单向寻呼的标准。ERMES寻呼协议是单向寻呼欧洲标准(当前政府强迫使用)。SNS系统也可以适当配置其电路以便根据ERMES协议处理通信，于是也适于欧洲使用。
与大多数在宽的频率范围上使用多个不同协议的语音和寻呼网络不同，NPCS包含国家频率范围的近端相邻集，其中国家窄带PCS许可已采纳FLEX/ReFLEX协议。
本发明的SNS系统受益于频率和协议的国家一致性，从而如果需要可以很容易地在任何或所有国家载运者拥有的NPCS信道上运行。政府对NPCS频带所进行的小的调节可以使新的SNS系统(当拟定NPCS规定还不知道SNS系统)在不破坏现有规定的情况下在NPCS频带中运行。由于NPCS被许可人必须拥有在拍卖时购买的频率，并且本发明的SNS系统可以通过购买者的许可兼容地利用相同的频率，所以不需来自FCC的额外许可。这种独特的特点还可以节省2或3年的启动时间，在需要购置单独的许可时会需要这种时间。
正如前面简要讨论的，除了使调整障碍最小之外，新的SNS网络还有一个巨大的优点它不需要新的专用用户设备。预计可能会有多达60-150亿个兼容的用户设备单元以现有的陆地网络来运行。可以使用不昂贵的系统编程，将它们简单地加到新的SNS系统上，于是可得到通过根据本发明的漂浮通信平台构像提供的扩展的、更完整的、相邻地理区域的覆盖。对于NPCS载运者，该新系统可以提供完整的通信覆盖，特别是遥远的非城市区域中的覆盖。
由于现有的寻呼设备拥有者和用户可以通过他们现有的载运者获得本发明提供的更宽的覆盖，有关扩展覆盖的决定可以仅是简单地在他们每月的帐单上检验一个方框，他们可以保持当前的寻呼公司，仅简单地加上SNS提供的遥远地区覆盖收益。不需新的设备和不需启动时间来学习新的电子设备的特点，在不改变设备的情况下，仅简单地改进用户的覆盖。
本发明的SNS网络的一个非常重要的优点是对完整的远地地理覆盖提供较大的改进。当前，无线数据覆盖是一项对主要绕市区这样高密度人口区的补充工作。SNS网络和现有的覆盖区配合并且使用相同用户设备满足低密度人口区，从而是低通信业务量区。政府对NPCS的调控规则对于所有被许可人来说只需很少的系统建设。例如，大约到1999年，提供NPCS的国家被许可人必需为至少37.5％美国人口或750,000平方公里提供服务，而到了2004年，NPCS被许少人必须为75％的美国人口或1,500,000平方公里提供服务。由于人口非常集中，已要求现有系统为了覆盖占陆地非常小的百分比而建塔。事实上，对于1999年和2004年人口服务需求来说，最低区域要求分别是美国总陆地的大约8％和16％，因为在美国的城市人口密度高。例如，覆盖90％的人口需要载运者只对大约国家总陆地的20％进行建设。对于现有系统来说，由于塔发射机/收发信机对于每个潜在用户都有一个需要很多设备的薄弱范围，所以服务于低人口密度区更昂贵。于是，由于低的回报很少现有载运者具有能够覆盖人口90％以上的系统。许多已有的无线数据载运者只建设到70％-80％。
本发明被设计成提供基本上是100％的覆盖，并且可兼容地与现有的无线载运者系统和网络组合，从而现有寻呼系统载运者的高密度建成可以处理高人口密度地理区域以及低人口密度或遥远地区，无论它们在相邻的地理区域中位置如何，都可以由本发明的SNS系统进行处理。SNS系统与高密度塔寻呼系统是互补的。于是，尽管与高人口密度塔系统相对，SNS系统具有较低的总信号处理能力，但它提供完整的地理覆盖，可以为在远地的或通过远地的用户提供辅助的SNS系统覆盖。用户总是在寻呼服务范围或其他使用单个设备的兼容通信服务范围中，SNS系统还可以通过发射更多的SNS平台或动态地在相邻平台中重新分配使用的频率按区域分配容量。
除了个人寻呼之外，SNS系统还可以用于其他通信，包括语音、远程图象、红外扫描、设备跟踪以及气象数据收集服务。在过去几年已进入市场的宽带PCS(BPCS)电话都提供先进的消息传递服务，称作短消息服务(SMS)。SNS系统在电话在BPCS电话服务区之外时寻呼用户的电话。通过SNS系统还可以提供BPCS语音服务。另一个SNS技术的潜在应用是远程图象市场。政府、城市规划者、农场主、环境学家、地图绘制者以及房地产开发商都依赖于空中或卫星图片。全世界该市场超过14亿美元。由于SNS与卫星相比能更靠近物体，大约要近20倍，SNS用直径仅为0.75英寸的透镜可以达到1米的分辨率。当目前无线电高空探测器不具有维持漂浮高度的能力时由SNS平台收集和报告来自同温中扩展拉线的气象数据。
发明的内容本发明的优选实施例是一个带有发射、跟踪和通信终端的地面网络的小型空中通信平台的构像。尽管主要是根据寻呼系统中的通信来描述整个系统，也可以很容易地包括其他通信，如语音通信、应急道路服务、搜索和营救、紧急医疗、远程图象、环境监测、工业和公共设施监测、远程资产管理、图片数据、IR扫描、设备跟踪、货车和集装箱跟踪、车辆安全、个人安全、危险情况资料、海关和国际海运安全、儿童安全、野生动植物跟踪、个人消息传递、用于残疾人的通信、SCADA、车载通信和航船跟踪以及其他合适的通信。正如在此所使用的，寻呼包括传统的单向寻呼以及新的先进的消息传递服务(如双向寻呼和语音消息传递)。通信平台的空中构像和地面支持系统对现有寻呼网络的有限覆盖进行扩展以对整个连续地理区域提供完整的通信覆盖。例如，在美国，它提供真正的全国范围的覆盖。基于地的塔系统已经适当地提供了市区所需的建筑物中的覆盖，而SNS系统提供了郊区低人口密度的覆盖。于是，使用相同的手持寻呼设备，用户就可以具有完整的全国范围内的覆盖。本发明的系统通过提供一个均匀隔开、高的海拔高度的空中通信平台的构像(例如气球携带的寻呼收发信机)来完成这样的覆盖，而与传统的仅覆盖有限的区域的基于地面的塔通信系统不同，与昂贵的轨道、高或低海拔高度卫星通信系统也不同。
为了形成空中通信平台的构像，将寻呼收发信机装在比空气还轻的载体上，如类似于国家气象服务(NWS)使用的已修改为可以使用排气和投下压舱物等方法进行规定的可调节高度控制的高海拔高度气球。在此申请中将比空气还轻的载体或气球以及附着的通信设备称为同温层毫微卫星平台(SNS平台)。为了覆盖美国的连续地理区域，可能按固定相隔周期地或按需要在整个美国从大约50到100个站点发射SNS平台。对这些发射站点进行选择以把气球携带的收发信机发射到大约60,000到140,000英尺这样一个调控的漂浮同温层高度。可以实现计算机调节的高度控制和计算机化的跟踪。当例如在地球的同温层中，沿着现有风流漂浮时，调整SNS平台以将希望的高度维持在一个预定的高度范围。可以发射新的SNS平台，以填补由于平台以不同速度漂浮、失去浮性或偶然爆烈出现故障而在覆盖中引起的任何间隙。也可以在需要增加时发射新的SNS平台以提供额外的通信能力。在向调控的高度上升期间，新发射的SNS平台可以收集、记录和发射气象数据。有益地通过无线电波将这种数据传送给地面以便由国家气象服务(NWS)使用。由于气象条件持续地变化，连续地对SNS平台的网络覆盖进行建模从而进行预测的过程是一项复杂的任务。也可以通过使用记录并/或发射给地面的气象数据来便于完成预测各个平台相对于其他平台以及相对于地面发射和跟踪终端的移动的任务。该数据也可以用于控制各个SNS平台的高度以捕获到合适的盛行风，以有助于填补覆盖中的间隙。在同温层高度上的每个漂浮卫星将在悬浮在下面并形成一部分通信平台的天线的各个方向上形成半径大约为175英里(280公里)的视线上的无线通信覆盖。
基于地的对形成构像的多个SNS平台的支持由至少一个网络操作中心(NOC)和多个发射与跟踪终端组成，NOC最好是SNS系统的高速度、高容量、计算、通信和操作中心。NOC可以负责各种通信SNS平台飞行和操作的所有可控制方面。这些控制包括平台发射、漂浮高度、跟踪、所有寻呼通信和控制信号发送以及和相对的能信公司的通信。通常，SNS地面终端包括发射设施、跟踪和通信设备以及通信天线。协同定位的发射设施和地面终端也可以优选地面和现有的大约70个用于监视全国的天气状态的NWS气球发射设施的位置相对应。也存在类似的气象站并且由必要的世界范围内的协议维护。这些地面终端可以是自动的。在必须填补漂浮平台的重叠环形覆盖模式之间出现的预期覆盖间隙时，也可以使用便携或移动发射和跟踪地面终端。可以根据季节按同温层中风的变化，适当地移动这些便携或移动发射和跟踪地面终端以提供辅助的发射站点。这些最有可能沿海岸线或覆盖区的边缘来定位。地面终端能够优选地跟踪一些在靠近它们的位置上漂浮的SNS平台，并且能够向在终端范围内的每个平台提供所有通信(包括寻呼和控制数据)的上行和下行链路。可以通过NOC从用户寻呼公司向SNS系统发送寻呼信号。NOC判断哪个SNS平台当前正在编址的寻呼机上，并且向正在跟踪那个SNS平台的地面终端发送寻呼消息。地面终端从NOC中接收寻呼消息并将其转送给SNS平台。SNS平台然后将寻呼消息向下发送给各个寻呼机。任何由双向寻呼机发送的消息由最近的SNS平台接收并向下转送给地面终端。地面终端向NOC发送消息，NOC将该消息转发给合适的用户寻呼载运者。NOC还保持跟踪所有计帐信息和用户位置信息。SNS系统有利地被设计成在无需对寻呼机进行修改的情况下就可以与FLEX(单向寻呼机)以及ReFLEX(双向寻呼机)完全兼容。无论是否与NWS发射设施协同定位还是单独地定位在其他选择的地面位置，发射设施都可以由完全自动的发射台和地面终端组成。一个地面终端可以在一时刻控制多个SNS平台。可以使用陆线、卫星链路、平台—平台、气球—气球或其他从一地面位置到其他地面位置的网络通信耦合将多个发射站点和地面终端彼此连接或连接到NOC。
附图简述本发明的这些和其他目的和优点通过以下结合说明书、 和附图的说明可以得到更充分的理解，其中相似标号表示相同的部件

图1示意性地描述在相邻的地理区域上代表一个平台构像的多个空中平台、发射设施和通信终端，它们通过地面线路或轨道卫星通信信号与网络操作中心网联在一起；图2以放大的形式描述了多个空中平台、单个可移动发射站点和地面终端，以及通向用于多个地面终端和个人通信设备的网络操作中心的网络链路；图3示意性地描述了从一地面终端越区切换到下一个地面终端的平台—地面终端通信；图4示意性地描述了平台内的通信，以及后续向地面终端和网络操作中心(NOC)的发送；图5示意性地描述了用于通过网络操作中心(NOC)提供网络互联的平台—空间卫星通信链路；图6示意性地描述了“中心—辐射”网络通信链路的拓扑结构；图7示意性地描述了网状网络通信链路的拓扑结构；图8示意性地描述了相邻的地理区域，具体地说是美国，以及空中SNS平台发射站点，并且示出了叠置在地理区域图上的初始覆盖区域SAS环并且示出了用于每个SNS平台的站点线覆盖区域，从而基本上整个地理区都包容在一个或多个空中平台的接收范围内；图9示意性地描述了空中平台在调控的高度上自由漂浮一段时间之后空中平台迁移的例子，还描述了可能由移动发射台提供的辅助间隙填补发射站点，用于通过辅助发射的空中通信平台补充和完善覆盖的连续性；图10是空中平台的侧面图，其中将比空气还轻的气体附件(如气球)附着在装有电子控制、通信设备、监测器和气象数据收集包的箱子上；图11是根据本发明一个实施例的空中平台的局部放大截面图，包括系在比空气还轻的气体附件或气球上的控制和通信箱；图12是图11中根据本发明一个实施例的空中控制和通信平台的侧面局部截面图；图13是控制和通信平台的另一实施例的局部截面侧视图，其中使用一个替代电源(包括氢/氧供电燃料电池)代替图12实施例中的电池；以及图14(图14A和图14B构成一幅完整的图)是根据本发明一个实施例用于进行控制、监测和通信的电子电路的示意性方框图。
优选实施方式图1是根据本发明的构像和通信网络系统10的一部分的示意图，其中空中平台12(a)-(g)已到达某一高度范围(如同温层)内的一希望的高度。图中还描述了空中平台12(h)处于上升至一希望的高度的过程中。每个空中平台包括一个比空气还轻的气体附件14(a)-(h)，平台控制和通信设备16(a)-(b)以及天线18(a)-(b)。以20(a)-(u)表示的平台和地面终端之间的通信信号，它们正在与多个地面通信设备(如无线电信号接收机、收发信机、发射机或寻呼机22(a)-(u))进行相应的通信。有多个发射和跟踪终端24(a)-(d)，每个终端具有多个跟踪天线26(a)-(g)。地面终端在SNS平台和NOC之间转送消息和控制数据。优选地，地面终端可以进行仅需电能和通信信号的无人操作。地面终端由一组发射机、接收机和它们的控制器，跟踪天线和跟踪控制器，与NOC连接的冗余通信链路，以及后备电源组成。为了在任何给定时刻满足一定范围内若干个平台的潜在需求，当前可以预计有4到6个独立的发射机、接收机和跟踪天线。尽管需要某些修改，Glenayre可以提供合适的商业上可获得的用于SNS地面终端的发射机、发射机控制器和接收机。示意性地，跟踪天线26通过信号28(a)-(g)与各种平台通信。描述的地面通信网络30和具有互联的分段30(a)-(d)，在发射和跟踪站24(a)-(d)与网络操作中心40之间进行通信。网络操作中心40还可以通过轨道卫星32、发射站卫星天线38(a)-(b)以及网络操作中心卫星天线42与多个发射和跟踪终端24通信。为了便于描述，发射和跟踪终端24(c)与空中平台发射台44协同定位，空中平台发射台44与国家气象服务气球发射台相类似或相同。可以预计的本发明的一个方面是使用移动发射台和跟踪终端46，例如作为安装在货运汽车的拖车上的自包含单元。可以将移动发射台运送到希望的发射站点，停靠在那用于发射辅助的SNS平台。可以通过地面链路30(c)和30(d)将跟踪和通信终端24联接到网络，以及其他发射站和网络操作中心40上。可以将移动式发射台和终端周期性地从一个地方移到另一地方以便按需要发射和/或跟踪辅助的SNS通信平台12，以填补由于气象条件等可能出现的覆盖间隙。
图2以放大的形式描述了图1中的移动SNS发射台46，以及平台12(f)、12(g)和12(e)，它们形成平台构像的一部分。移动SNS发射台正在与网络操作中心40进行通信。图2中还描述了由最小希望高度48和最大希望高度52定义的高度50的范围，每一高度是相对于海平面54计算的。在优选实施例中，由最小希望高度大约60,000英尺和最大希望高度140,000英尺确定一个预定的高度范围。这些高度通常对应于地球的同温层或同温层高度50的范围。图2中还描述了分隔开的平台12(g)和12(e)之间的覆盖56的间隙，分隔距离56明显大于平台12(f)和12(g)之间的所希望的相隔距离58。在进一步的优选实施例中，可以预计平台被调控在大约70,000英尺和100,000英尺之间的一个预定高度范围中漂浮，覆盖半径为175英里(280公里)，将在商业调控空间之上并且在平台生存不确定的高度之下。当在任何方向上两相邻平台之间的距离大于覆盖半径1.5倍时，可能出现覆盖间隙。在这种情况下，可以或者从一个固定发射站点发射辅助的SNS平台，或者根据基本上在两个分隔开的平台12(g)和12(e)之间的位置来移动移动式发射单元46，从而可以发射一个辅助的补充平台12(h)，以快速地上升到希望的高度范围50。可以使用基于空中平台构像10中的所有平台12的跟踪的计算机模型来预测覆盖范围中最大间隔56的发展情况并且快速配置移动发射单元以填补间隙。当固定发射和跟踪终端已在发射辅助SNS平台的位置上时，不需要移动单元。
图3示意性地描述由于气流平台12(i)迁移到以虚线表示的切换位置12(ii)的情况。在越区切换位置上，当平台移动通过位置12(iii)并且在终端24(e)上时，下一个顺风地面终端24(e)负责跟踪和通信，并且维护控制。
图4示意性地描述了平台内的通信和后续向地面终端以及网络操作中心(NOC)的发送。
图5示意性地描述了用于提供和网络操作中心(NOC)的网络互联的平台—空间卫星通信链路。这是有益的，因为可以降低地面终端数目，因为平台将通过卫星链路直接与NOC通信。
图6示意性地描述了“中心—辐射”网络通信拓扑结构，这是有益的，因为它需要较少的物理通信线路并且通常与其他网络拓扑结构相比所需的设备比较便宜。
图7示意性地描述了网状网络通信链路拓扑结构。这是有益的，因为“网状”拓扑对网络的其他部分提供了多个冗余通信链路，从而增加了可靠性。
图8示意性地描述了连续地理区域100，具体地以相应于美国的地理区域为例。叠置在地理区域100区上的是70所选的标准发射站点，表示为“Xs”101-105(只对几个例子进行编号)。还示意性地描述了覆盖区201-205(也只对几个进行编号)，代表到达一希望的高速高度(优选的是在同温层中)时平台101-105中每个平台的位置和覆盖。每一平台与现有的地球同步轨道卫星相比是如此地小，所以称它们是在同温层中的一个可调控温度上漂浮并被称作为“同温层毫微卫星”(SNS)。图4描述了覆盖区域201-205，假定它们从发射站101-105中相对垂直地上升。由于特定区域上的风和气象条件，覆盖区域201-205将在一段时间上进行迁移。然而，上升到同温层中希望的高度通常需1到2小时，所以对于低于大约10-20mph的正常空气速度的漂流以及甚至通过喷气流(如果有的话)都会在上升期间在任何方向上产生相对小的10-80英里的漂流。于是，相对于大约175英里(280公里)，直径约为350英里(560公里)的环型覆盖区的覆盖半径，在标准风条件10-40英里条件下，在一小段时间里的迁移，表明发射站点是对上升结束时初始高的海拔高度位置的合理近似。
平台或气球12具有高度控制机制，包括低密度气体排除和高密度压舱物投下机制，以便对气球进行控制，使其维持在希望高度范围之中的一个希望高度上。与每天两次发射的当前NWS气球发射时间表相对应，可以将高度维持12-24小时。如果不使用NWS发射时间表，可以根据升高气体，能量和气球12上剩余的压舱物，将气球高度维持100小时以上。对于NWS气球，当到达并超过100,000英尺高度以上，并且在上升期间收集了气象数据并发射给地面，目前的情况是气球由于过度膨胀而自毁。在气球作为通信平台的载体的情况下，平台最好维持在低于140,000英尺的高度上。更好的是维持在低于约100,000英尺的高度，并且由于上边的同温层风条件而继续地迁移。当不再需要平台时，当落到60,000英尺之下并且无压舱物时，当漂移到一个不希望的区域或出现故障时，NOC可以命令SNS平台对于气球12快速地放气或爆裂。如果满足这些条件任何一项并且平台已失去和地面终端的通信，平台就可以启动这样的工作。有益的是应在上升期间已经检测了风条件，并且通过地面站的跟踪继续进行监视。这将有助于预测期望的覆盖中任何间隙的发展情况，特别是这些间隙的位置，并且可以预测在间隙区域中需要服务的地面通信设备或寻呼机的数目。
图9示意性地描述了在一给定迁移时间之后的地理区域100，在该给定迁移时间里会开始出现大的间隙。可以将移动单元定位在临时发射站171和172以填补出现的间隙56(b)和56(c)。而且，当预计在靠近一标准发射站点(例如在105)中出现间隙，则可以在正常规定的发射时间之前从发射站点105发射辅助平台。于是可以通过辅助发射来填补间隙56(c)。以类似方式，在出现间隙时，可以使用局部定位的移动式发射站点来填补它们。在检测出间隙发展模式的情况下，可以增加辅助的永久发射站点173和174以补偿重复出现的间隙，例如间隙56(d)和56(e)。可以沿着海岸线，沿着季风刮的方向(例如在冬天是西海岸)来合理移动临时发射站以填补间隙。
图10是在低密度气体附件70优选的是一橡胶气球70的实施例中，平台12的侧面图。一个Totex11000气球充满氢气、氦气、天然气或其他合适的低密度气体或混合气体并且内部进行的涂敷以减小气体扩散，该气球可以适当升高SNS通信平台。Totex气球在直径约为5.25英尺时释放并且在140,000英尺高度时膨胀到大约24英尺。应注意，也可以使用其他比空气还轻的附件，例如软式小型飞船、航空器、齐柏林飞艇、飞船、飞艇、气象预报气球、吉姆球(jimsphere)、热气球、探空气球或气象研究气球来代替图10中描述的橡胶气象气球70。图10中的气球70的直径也不是按比例的，可以预计承载整个平台的重量，包括有效负载箱300、高度控制气孔机制72、气象研究包82、天线76和气象电缆连接84。最好电缆84是长度大约为25米的光纤电缆这样气象研究数据收集包82可以距离气球70足够远以把气球对气象研究包82检测到的气象研究数据的干扰降到最低。使用光纤电缆84从气象研究包82向通信单元74发送气象研究数据。由于通过雷云区时存在高电场势能，线路会产生电弧，所以使用光纤电缆。
有多种类型的低密度气体附件设备，具体地说是气球，它们对本发明来说很有用。潜在的优选气球类型是橡胶压力气球，零压力气球，内部空气球胆气球，可调整体积气球和超压力气球。这些气球的每一种都有不同的优点和缺点，并且对于本发明的目的，已发现橡胶压力气球是最佳的，并且零压力气球也被认为是一优选的替代方案。有益的是，可以在表面上，最好在其内侧使用低渗透性材料，例如通过流体沉积一种在使用时仍具有柔韧性的保护膜涂敷这种气球14，如在图10中15描述的。
橡胶压力气球具有一个装有升高气体的可延伸橡胶膜，以便在气球上升时增加气球的尺寸，减小外部气体的压力。这是最常用类型的气象气球并且与社交会上的气球相同。主要优点是成本低并且通常易得到，所以可以获得低成本高质量的这种类型气球，如气象气球。这种气球有些脆弱并且具有精细的处理要求，此外伸展可靠性低。此外，使用这样的气球要排放上升气体以防止达到最大体积时爆裂。
零压力气球由初始是自由的通常由聚乙烯或聚脂薄膜制成的袋子构成。随着外部压力减小，袋子体积增大。一旦袋子达到其全部体积，则必须排放气体，否则当袋子材料无法延伸时气球就会爆裂。尽管这种类型的气球可能比橡胶气球更可靠的且很少扩散上升气体，其成本为中等水平，比橡胶气球成本高，目前大约要贵4到10倍。于是，尽管对于低成本平台来说，橡胶气球是更优的，零压力气球也为升高平台提供一种非常有用的附件，并且相对于橡胶气球来说具有某些优点。
内部空气球胆气球由装有空气的包含在装中上升气体的固定体积气球中的柔韧气球组成。将空气泵入到内部柔韧气球中，它挤压固定体积气球中的上升气体，从而减少不必要的升高。从内部柔韧气球中释放空气以便进一步升高。软式小型飞船使用该原理调整上升。这种类型的气球的优点是在降低上升高度时不丢失上升气体，并且潜在地它比橡胶气球更可靠，然而由于额外的气球、泵压以及在操作增加和减小上升高度机制时所需的额外能量等，都使它成本较高。
可调整体积气球由一个装有上升气体的固定体积气球以及减小气球的体积的机制组成。通过减小体积，压缩上升气体并且降低上升。可以按任何方式减小体积，包括将气球里面的可调整线从气球颈部调整到气球的顶部。当缩短该线时，体积减小。不排出升高气体来降低升高，并且有可能比橡胶气球更可靠。然而，由于机械体积减小机制，它的成本非常高，并且此外还需操作这种机械体积减小机制的额外能量。
超压力气球具有固定的体积。因为它们并不膨胀以匹配减小的外部压力，所以把它们称作超压力气球。把它们建造得足够坚固以支持增加的压力。气球可以获得非常长的漂浮寿命，因为它们不需排放气体来防止爆裂并且它们通常有非常低的膜气体扩散。这种类型的气球的成本最高，尽管是最可靠，很少丢失升高气体。非常高的成本和难于制造，并且缺少开发这种气球的技术，都表明其它各种方案目前更有吸引力。
信号发送天线76从通信设备74中伸出，最好从通信设备74中向下垂直伸出，并且最好有一个带有大约6°向下倾斜的同线阵列，用于在整个环型覆盖区域上提供均匀的发射和接收覆盖。有利地可以为天线77配备一个支持环86以便于在天线和气象连接线缆84之间保持稳定。图10中还描述了气球摧毁机制78和降落伞80，后者用于在受控摧毁机制78或天然原因摧毁气球时，回收通信设备74。
图11是根据本发明的通信设备74的一个实施例的局部截面前视图。有一负载箱300，包括内部容器302和环绕内部容器302的外部聚苯乙烯泡沫塑料绝缘层304。容器302中有一电路板306，各种电子部件连接到电路板306上，并且它们之间彼此相连以便按需要提供信号通信和平台的远程控制。电子部分由RF部分、天线、GPS接收机、处理器以及电源调节器组成。RF部分以目前双向寻呼机的低成本发射机和接收机部分为基础。将发射机功率增加到大约7瓦。一个900MHz同线偶极阵列天线用作发射和接收。如果可能有额外频率，则可以增加辅助天线以把网关RF链接到地面终端。可能的频率包括分配给气象仪器的400MHz或1680MHz频带。如果SNS系统还为NWS收集气象数据，并且在气象辅助频带上发送该数据，则可能发送带有气象数据的辅助的网关业务。12信道GPS接收机以及处理器在上升期间向NWS和在整个飞行中向SNSNOC提供位置信息。NOC使用该信息定位SNS平台，以确定覆盖中的孔和间隙，并且通过将高度变化成喜欢的风速及方向来进行根本位置调整。
图11中描述的实施例和图12中描述的侧面局部截面示出了用于通信设备74的电源，多个重量轻、功率高的电池308(a)、(b)、(c)和(d)。根据消息通信量和平台的配置，平台可能需要大约3-8瓦的能量。二氧化硫锂(LiSO2)电池是成本和重量方面有效的并且在高海拔高度上这样低温环境里具有相当好的特性。将电池定位在相隔开来的交替位置上，从而可以将最大单元容量密度维持在联邦航空安全标准已建立的最大单元容量密度要求之下。低单元容量密度和低总负载重量使气球的发射不受FAA规则限制。例如，为了在上升时保证平台的安全，如权利要求1所述的漂浮构像通信系统中，每个所述平台最好是无人的自由气球，并且负载箱及其内容物最好总重量不多于6磅。外表面将有预定的面积并且重量/尺寸的比率最好在负载箱的任何表面上和气象包上保持在每平方英寸不超过3盎司，其中负载箱和气象包之一装在平台上。通过使装在自由气球上的任何负载或包的以盎司计算的重量被这种负载或包的最小外部表面的以平方英寸计算的面积来除，确定重量/尺寸的比率。
在平台负载箱300中，有一底部开口310，通过该底部开口310，气象连接电缆84将可释放电缆连接器312连接到容器302内部的电路板306上。天线76也装在位于底部开口310中的天线连接314上，这样可以通过天线76向和从电路板306发射和接收信号。可以在电路板306的部件中接收和处理来自光纤电缆84的气象数据，并将其通过天线76发送给地面终端24。为了便于减轻拆卸气象包造成的非故意影响，应在有50磅或少于50磅的压力时，将光纤电缆与气球分开。提供天线稳定器316以减小和减弱天线76的移动，从而实现一致的信号接收和发送。为了便于调整空中平台12和所装的通信单元74的高度，负载箱300包括一个压舱物储存室320，其中装载有压舱物318。压舱物318最好是便于移动的铅弹、金属BBs或球形玻璃珠，它们通过压舱物投掷门(如往返机制)可控地释放，压舱物投掷门在开向压舱物室320和然后开向压舱物出口324之间交替移动，从而压舱物可以从底部开口310落下，如在326处描述的。为了方便和避免在储存和运输期间能量损耗，提供人工电路激活开关328。
在负载箱300的顶部是气球连接杆330，有一远端颈顶部332，柔韧气球连接颈334装在其上。气球连接颈的尺寸适合于安装在杆上并且可以延伸和向下移动到止挡唇336，从而通过一个或多个重橡胶带338固定在位置上。为了方便，在止挡唇下边提供一个橡胶带储存槽340。橡胶带放在其中并且处于可以固定“新”的比空气还轻的附件或气球70的位置中。最好，通过轻的气体填充阀344对气球70填充氦、氢(H2)或天然气，阀344最好位于雨蓬342之上，雨蓬342遮盖负载箱和某些部件以防止雨和其它紧急情况。轻的气体填充阀344提供对轻的气体提供箱(如氦或氢气提供箱)的方便连接，从而可膨胀气球在其颈部334上连到杆330并且然后可以对所连接的附件或气球提供希望数量的填充气体。气体压力传感器管346在杆内部进行通信以中继连接到电路板电子器件上的内部气球气体压力传感器348。连接一个气体温度传感器350并且希望将其放在颈顶部332或颈顶部332之上。温度传感线352将表示温度的信号送到电路板306的合适电路中。还希望提供一个周围气体温度传感器354，以及周围气体压力传感器356，连接这两者用于把检测到的周围空气温度和检测到的周围空气压力传送到电路板。可以把电池温度传感器358、负载温度传感器360和高度传感器362全部连接到电路板306，以希望提供用于远程控制的信息和输入，并且使用电路306维护空中平台12的功能。使用从气体温度传感器350、周围气体温度传感器354、气体压力传感器管输入端348和周围气体压力传感器356中收集的数据以便部分地确定气球是否接近爆裂状态。连接一个加热和冷却设备364的控制负载箱的内部温度。当空中平台上升到高的海拔高度时，周围温度急剧地下降并且希望通过由电池或替代地由加热器364产生的热量来加热箱的内部。如果来自电池的热量非常大并且同时还有例如来自阳光的热量，则内部温度有可能上升到希望的操作温度之上，则可以启动加热和冷却设备364的冷却部分以保持在希望的操作温度范围。加热和冷却设备可以是热电电池。
为了调整气球的高度，并且具体地说为了避免连续上升到希望的最大高度之上，提供一个轻的气体安全阀366。弹簧368在正常情况保持安全阀是关闭的。将一个致动器杆369连接到阀366和阀致动线圈370上，以便相对于弹簧加载而把阀打开。可以使用镍-钛(NiTi)线作为致动器线圈370。当少量电流通过镍-钛线使其缩短预定量从而拉开安全阀时，轻的气体安全阀366相对于弹簧加载而打开，从而使比空气还轻的气体释放出。致动器杆可以通过容器302的顶部，最好通过密封部分371，从而使容器的内部不会直接暴露于部件。类似地也可以使用压舱物投掷致动器线372(也由镍-钛制成)来致动压舱物穿梭门322。有源天线稳定器316也可以类似地由NiTi线组成。
气象投掷控制线374也可以是NiTi，并且在不再获取气象数据之后断开气象探空仪。通常，在通过大约100,000英尺后，气象气球会爆裂。在此，气球将排放出一些轻的气体以在同温层高度上保持一段希望的时间。可以由枢轴摧毁臂的锋利端远程地致动摧毁设备78以使平台下落。摧毁臂376装有弹簧以便在保持/释放销386从保持/释放凹槽384的配合上拉出时快速转动和气球外部接触。最好用控制线388来控制释放销386，并且最好在通过天线76或从处理器中接收到远程信号时通过电路板来致动释放销386。在平台内部还提供一个与电路板相连的GPS天线390用于接收来自GPS卫星系统的位置信息，以便在平台在覆盖的连续地理区域上迁移和漂浮时跟踪平台。
图13是根据本发明的平台的另一实施例的局部侧面剖视图，其中用于通信电路和控制的电源是燃料电池400。优选地，燃料电池400是使用氢和氧提供电能的质子交换膜(PEM)燃料电池。这类系统需要从氢源(即比空气还轻的气球70)连接到燃料电池400的氢管402。氢入口404具有一个氢循环器406，可以简单地是一风扇406。于是，使用氢管，可以从气球中抽出氢气排放到燃料电池400中。此外，还有一个氢出口408，用于再循环回到气球。提供一个氢管压力传感器410以适当地监视燃料电池中氢部分压力。这种类型的燃料电池还需要氧源，可以通过将一个氧气球414连接到氧管412从而氧气球在氢气球附件的内部，来提供氧源。该氧气球构造得可以在大的内部压力下保持氧。也可以通胶带416将氧气球414连在管412上，并且氧泵418将氧气球414中的氧移动和加压，通过氧入口420送到燃料电池。此外，为控制该过程，还提供一个氧压力传感器422。燃料电池反应产生水作为副产品。由燃料电池产生的热量将水保持在液态，并且最好在平台所在高度使其结冰之前排放掉。
图14是负载箱300中包括的并且被放置在电路板306之上或与电路板306相互连接的SNS平台硬件的示意性方框图。处理器430接收电子信号输入并且提供电子信号输出，与多个部件交互用于控制平台的漂浮高度、温度、气球的摧毁、压舱物的投掷等，并且还用于接收、处理和发射从地面站、个人通信设备或其他信息通信设备发射的通信信号。首先，框432表示电池308或燃料电池400。框434表示通/断开关328，用于启动通过输出可用电438向电源调节电路436供电。为了清楚，在所有情况下都未示出各个电源与各种操作和控制设备的连接。将电供给框440中的电源电压检测器和框442中的电流检测器，它们把信息提供给模-数转换器444。模-数转换器还接收来自框446中负载和电池燃料电池温度测量仪的信息，以及接收在框448中的气体和周围气体读数和框450中的气体压力。一般由块452来代表其他模拟信息信号。向框454中的闪速存储器和框456中的随机访问存储器提供数字转换信息以及从它们中接收数字转换信息。从A/D转换器444以及闪速存储器454和RAM存储器456中，处理器访问各种输入控制数据。在SNS平台上升期间，由框458表示的气象包接收合适的气象信息，包括周围温度460、周围压力462以及周围湿度464。由框496表示的天线稳定器316可以依赖是SNS平台控制系统466的一部分的高度检测信息以稳定天线76。发送由气象包458检测或收集的信息。例如，通过对应于物理光纤电缆84的光纤电缆470的红外收发信机468和处理器红外收发信机472，在SNS平台上升期间通过连接的气象包458，将串行气象数据发送给处理器430，以便在适当时候发送给地面终端。与物理GPS天线390对应的框474中的GPS天线通过GPS接收机476通信，表示成串行端口并且进一步和框478中的GPS时钟或秒针同步。于是把在各个时刻的位置提供给处理器。该位置信息与其它气象输入协同确定风速，对任何上升部分定向，从而把这些风速对应于上升期间的特定高度和地理位置。
由处理器430控制通信，最好使用900MHz收发信机和调制解调器480以及网关收发信机和调制解调器482，来自和至通过天线共用器486接口的共线阵列天线484的信号，在共线阵列天线484接收的从而通过天线共用器和一个合适的频率收发信机发送给处理器430的控制信息，以及来自地面信号的输入信息，来自装载的各种传感器的输入信息，如通过A/D转换器444提供的，GPS位置信息476、GPS时间信息478和高度传感器信息466，控制SNS平台的各种功能。包括框488中对应于气象致动器370的气孔。在框490中对应于物理压舱物投下致动器372控制压舱物投下。在框492中对应于包投下致动器374控制气象包投下。在框494中对应于摧毁致动器376控制气球摧毁。在框496中对应于天线稳定机制316控制天线稳定。在框498中对应于加热和冷却设备364控制负载温度和加热、冷却。通过框500中的控制，提供的各种附加功能。
通过阅读本发明的以上公开内容，本领域技术人员将会很清楚本发明存在各种修改和替换，本发明的保护范围将由所附权利要求的最宽解释范围限定。
权利要求
1.一种漂浮构像通信系统，包括a)多个比空气轻的平台，每个平台包括一个高度调整器设备用来在一预定高度范围内控制所述平台的漂浮，每个平台携带至少一个通信信号收发信机；b)多个地理空间分离的平台发射站，可以从该发射站发射所述多个平台；c)多个地面终端，该终端能够跟踪所述多个平台的一个或多个，所述地面终端能够发射通信信号给和接收通信信号自所述多个平台携带的所述多个通信信号收发信机的至少一个；d)将所述地面终端彼此互连的通信连接的网络；以及e)在一邻近地理区域中的多个编码通信设备，所述编码通信设备具有与所述平台携带的所述信号收发信机的能力兼容的通信能力。
2.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，进一步包括与所述通信连接网络相连的至少一个网络操作中心，使得所述地面终端之间互连，并且所述至少一个网络操作中心包括用于控制所述比空气轻的平台的预定操作的电路。
3.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述调整器将所述平台的漂浮高度调整在约60,000英尺和约140,000英尺之间的一个预定高度范围内。
4.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述调整器被有效连接来调整所述平台漂浮在地球的同温层内。
5.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述多个平台被调整漂浮在其中的所述预定高度范围包括约70,000英尺至约100,000英尺的一个范围。
6.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中用于将所述平台调整在所述预定高度范围内漂浮的所述调整器包括具有比所述预定高度范围内的空气的密度小的密度的一定量的被容装的气体，以及一个可控制的气孔，通过该气孔可以释放所述一定量的气体的一部分来降低所述平台的浮力。
7.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述调整器包括搭载在所述平台上的一定量的高密度物质以及一个释放设备，通过该释放设备可以释放所述高密度物质的一部分来增加所述平台的浮力。
8.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述调整器包括a)一个可控制的气孔；b)一个可控制的压舱物释放设备；c)一个高度判定机制；以及d)一个控制信号处理器设备，与所述收发信机，所述高度判定机制，所述气孔和压舱物释放设备相连接，使得高度可以调节。
9.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述多个地面终端是空间分离的，每个终端包括一个能够跟踪所述多个平台的一个或多个的跟踪设备，并且进一步包括一个收发信机，所述地面终端通过该收发信机能够将通信信号发送至和接收自所述多个平台的至少一个。
10.如权利要求9所述的漂浮构像通信系统，其中所述跟踪设备包括a)方向天线；以及b)方向天线对准机制，响应GPS坐标数据来将所述方向天线可选择地对准所述多个平台中所选中的平台。
11.如权利要求9所述的漂浮构像通信系统，其中所述跟踪设备包括a)方向天线；以及b)方向天线对准及增益跟踪机制，用于根据一个被选中平台和所述方向天线之间的通信信号强度来将所述方向天线对准所述被选中平台。
12.如权利要求9所述的漂浮构像通信系统，其中所述空间分离的地面终端的至少一个包括一个网络操作中心，所述多个地面终端通过所述通信连接网络从该网络操作中心接收通信信号。
13.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，进一步包括一个连接到所述通信连接网络的网络操作中心(NOC)，所述NOC具有通信和控制电路用于处理和选择性地将通信信号和平台控制信号引导到所述地面终端的一个或多个来与所述多个平台的一个或多个通信。
14.如权利要求13所述的漂浮构像通信系统，其中所述NOC通过通信连接的“集中-辐射”方案被连接到所述多个地面终端的每一个。
15.如权利要求13所述的漂浮构像通信系统，其中所述NOC通过通信连接的“网状”方案被连接到所述多个地面终端。
16.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中将所述地面终端互连的所述通信连接网络包括到地面线路的连接。
17.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中将所述地面终端互连的所述通信连接网络包括空间卫星通信连接。
18.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述通信连接网络包括平台到平台的通信连接。
19.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述多个平台包括从气球，软式飞艇，航空器、齐柏林飞艇、飞船、飞艇、天气气球、吉姆球(jimsphere)，热空气气球，探空气球和气象气球中选出的比空气轻的设备。
20.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述多个平台包括橡胶压力气球。
21.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述平台包括零压力气球。
22.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述平台包括内空气球胆气球。
23.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述平台包括可调体积气球。
24.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述平台包括氢气填充气球。
25.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述编码通信设备包括寻呼机。
26.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述编码通信设备包括先进消息传递设备。
27.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述编码通信设备包括无线电话。
28.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述编码通信设备包括遥感勘测设备。
29.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述编码通信设备包括设备跟踪单元。
30.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述编码通信设备包括个人跟踪单元。
31.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中a)所述平台包括一个快速下降机制；以及b)所述平台是一次性的。
32.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中a)所述平台包括一个气球；b)所述平台包括一个快速下降机制；以及c)所述气球是可替换的用于所述收发信机的回收和再使用。
33.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述收发信机包括能够使用频分多址协议通信的电路。
34.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述收发信机包括能够使用时分多址协议通信的电路。
35.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述收发信机包括能够使用码分多址协议通信的电路。
36.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述收发信机包括能够使用ReFLEX协议通信的电路。
37.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述收发信机包括能够使用Flex协议通信的电路。
38.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述收发信机包括能够使用POCSAG寻呼协议通信的电路。
39.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述收发信机包括能够使用ERMES寻呼协议通信的电路。
40.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统进一步包括a)一个高度判定机制；b)最近气象数据源，该数据包括在给定高度的最近的风速和风向；以及c)用于将所述一个或多个平台的高度调整到根据所述最近气象数据确定的选择风速和风向的控制器，从而使得所述一个或多个平台可以根据所述一个或多个平台被调整到的不同高度的风速和风向被相对移动，使得所述多个平台的一个或多个之间的空间分离距离可以被调整，来实现在所述相邻地理区域上的连续的充分的完全覆盖。
41.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统进一步包括a)搭载在所述多个平台的每一个上的高度传感器；以及b)连接于每个所述收发信机且被装载到所述多个平台的每一个上的可操纵天线，所述可操纵天线具有与所述高度传感器通信的稳定性控制器，用于将所述可操纵天线稳定在从所述平台一致向下的方向，来实现在所述相邻地理区域上的一致的地面覆盖。
42.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统进一步包括操作上与所述可操纵天线和所述高度传感器相关联的对准控制器，用于可选择地改变所述天线的覆盖区域的位置，从而填补所述相邻地理区域上的覆盖间隙。
43.如权利要求1所述的漂浮构像通信系统，其中所述每个所述平台包括a)无人的自由气球；以及b)一个负载箱，该箱具有小于6磅的总重量以及预定面积的外表面，并且在该箱的任何表面上都具有不大于每平方英寸3盎司的重量尺寸比率，该比率由该有效载荷箱的盎司总重量除以其最小外表面的平方英寸面积确定。
44.漂浮构像通信系统，包括a)被调整漂浮在一个预定高度范围的多个比空气轻的平台，每个平台携带至少一个通信信号收发信机；b)多个地理地空间分离的平台发射站，可以从该发射站发射所述多个平台；c)一个空间卫星和在多个地面终端之间的卫星通信连接网络，该地面终端能够与所述空间卫星和所述多个平台通信，并能够将通信信号发送至和接收自所述多个平台携带的所述多个通信信号收发信机；d)一个网络操作中心和在所述网络操作中心和所述空间卫星之间的卫星通信连接，从而将所述网络操作中心和所述多个平台互连；以及e)在相邻地理区域中的多个编码通信设备，该编码通信设备具有与所述多个平台携带的所述通信信号收发信机能力相兼容的通信能力。
45.通信平台的漂浮构像，包括a)多个分离地可发射的比空气轻的平台，该平台能够在被发射后最初上升到地球的大气层中；b)所述多个平台的每一个进一步包括一个操作地相连的高度调整器，以在最初的上升之后调整所述每一个平台漂浮在一个预定的高度范围中；以及c)有所述多个平台的每一个携带的通信信号收发信机。
46.如权利要求45所述的通信平台的漂浮构像，其中所述预定高度范围包括在政府规定的商业空域之上的高度。
47.如权利要求45所述的通信平台的漂浮构像，其中所述预定高度范围包括在大约60,000英尺之上和大约140,000英尺之下的高度。
48.如权利要求45所述的通信平台的漂浮构像，其中所述预定高度范围包括在大约70,000英尺之上和大约100,000英尺之下的高度。
49.如权利要求45所述的通信平台的漂浮构像，其中所述高度调整器进一步包括a)第一量的低密度气体；b)用于确定所述平台的高度的设备；以及c)用于当所述确定的高度在所述预定范围内时释放所述低密度物质的一部分的气孔。
50.如权利要求45所述的漂浮构像，其中所述高度调整器进一步包括a)第一量的高密度物质；b)用于确定所述平台的高度的设备；以及c)用于当所述确定的平台的高度在所述预定高度范围内时释放所述高密度物质的一部分的物质释放机制。
51.如权利要求50所述的漂浮构像，其中所述用于确定所述平台的高度的设备包括全球定位系统GPS接收机。
52.如权利要求51所述的漂浮构像，其中所述用于确定所述平台的高度的设备包括全球定位系统GPS接收机。
53.通信平台的漂浮构像，包括a)可以调整的上升并在一段时间内漂浮在一个预定高度范围的空气中的多个第一空中平台，所述多个第一空中平台在第一时间从地理上空间分离的位置上升；b)可以调整的上升并在一段时间内漂浮在一个预定高度范围空气中的多个第二空中平台，所述多个第二空中平台在第二时间从地理上空间分离的位置上升；c)快速放气系统，用于当所述空中平台故障或位置错误时，将所述空中平台从空中去掉；d)加装在每个所述空中平台上的至少一个平台通信信号收发信机；e)能够与所述空中平台通信的多个地理上空间分离的地面收发信机；f)将所述多个地面收发信机互连的通信连接网络；以及g)多个编码设备，具有与所述平台的能力对应的通信能力并且可选择地由来自所述平台的通信信号设定地址。
54.通信平台的漂浮构像，包括a)多个空中平台，可以调整漂浮在一个可调节的高度范围内并且空间分离，从而提供在一相邻地理区域上的充分全面的视线覆盖；b)所述多个空中平台包括多个通信收发信机，所述多个空中平台的每一个至少携带所述多个通信收发信机的一个；c)在所述相邻地理区域上空间分离的多个地面终端，用于维护所述多个空中平台的所述通信设备与所述地面终端之间的充分全面的视线信号通信；d)将所述多个地面终端互连的通信连接网络；以及e)多个编码设备，能够与所述多个通信收发信机通信并且能够从所述多个平台携带的通信收发信机的一个或多个设定地址。
55.如权利要求54所述的通信平台构像，进一步包括操作上与所述地面终端相连的多个跟踪器，用于跟踪在所述地理区域上所述空中平台的运动并且指引所述地面终端中被连接的一个和所述通信平台的一个之间的信号。
56.空中构像，包括a)在一个相邻地理区域上空间分离的多个独立的比空气轻的平台，从而提供对所述地理区域的充分全面的视线覆盖；b)所述多个平台的每一个包括一个装有受控量的低密度气体的附件，使得所述平台的总密度低于在一个预定高度范围上的大气空气的密度；以及c)所述多个平台的每一个进一步包括附加在所述附件上的一个信号发射设备，通过该设备可以将信号从所述平台发送到所述相邻地理区域。
57.如权利要求56所述的空中构像，其中当所述平台上升到高于所述预定高度范围，受控量的低密度气体被调整放出气体。
58.如权利要求56所述的空中构像，进一步包括一个压舱物释放机制，通过该机制压舱物可以被可选择地释放来减缓下降或升起该平台。
59.如权利要求56所述的空中构像，其中所述预定高度范围是在大约70,000至100,000英尺。
60.如权利要求59所述的空中构像，其中所述附件装有足够大量的氢气，使所述平台上升到至少70,000英尺以上，并且进一步包括在所述附件中的一个气孔和附加到所述气孔上的一个调整器，用于释放所述氢气的一部分来维持所述平台在所述预定高度范围内。
61.一种高度可调整的比空气轻的通信平台，包括a)用于保存一定量的低密度气体的一个低密度气体附件；b)附加在所述附件上的一个收发信机，包括电子电路和一个搭载的电源；以及c)附加在所述平台上的一个高度调整器，用于在一预定高度范围内调整所述平台的高度，所述高度调整器包括i. 一个高度判定机制；ii.一个所述气体附件上可控制的气孔和操作上与所述高度判定机制相连的气孔控制器，用于排除气体来调整所述平台的高度；以及iii.附加在所述平台上的可控制的压舱物释放机制和与所述高度判定机制相连的压舱物控制器，用于释放压舱物来调整所述平台的高度。
62.如权利要求61所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，其中所述低密度气体附件包括用于保存一定量的氢气作为所述低密度气体的附件，并且其中所述搭载的电源包括与所述氢气附件相连的燃料电池，用于接收氢气作为所述燃料电池的燃料的组分。
63.如权利要求61所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，其中所述收发信机进一步包括一个附加在所述收发信机上的可操纵天线并且进一步包括a)高度传感器；以及b)操作上相连的稳定控制器，用于控制所述可操纵天线在一个从所述通信平台始终向下的方向上。
64.如权利要求61所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，其中所述收发信机进一步包括一个附加在所述收发信机上的可操纵天线并且进一步包括a)高度传感器；以及b)操作上与所述可操纵天线和所述高度传感器相关联的对准控制器，用于可选择的改变和维持所述可操纵天线的地面覆盖区域的位置。
65.如权利要求61所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，其中操作上相连的所述可控制气孔和气孔控制器进一步包括至少一个镍-钛元件，该元件机械地与所述可控制气孔相连并且操作上与所述电源相连，用于选择性地接受和不接受电力从而可选择地改变所述镍-钛元件的长度来打开和关闭所述可控制气孔。
66.如权利要求61所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，其中相连的所述可控制压舱物释放机制和压舱物控制器进一步包括一个镍-钛元件，该元件操作上与所述电源相连，用于选择性地接受和不接受电力从而缩短和加长所述镍-钛元件来可选择地释放压舱物。
67.如权利要求61所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，进一步包括通过一个连接到所述收发信机的光纤连接与所述平台相连的气象包，从而减少当所述平台移动经过冲了电的云时在所述收发信机和所述气象包之间产生电弧的可能性。
68.如权利要求67所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，其中所述可控制压舱物释放机制进一步包括用于将所述气象包作为压舱物释放的装置。
69.如权利要求61所述的高度可调整的比空气轻的通信平台，其中所述的低密度气体附件进一步包括一个带内涂层的橡胶气球，来减少气体从所述橡胶气球的扩散。
全文摘要
本发明公开了一种空中构像(10),以及多个比空气轻的在相邻的地理区域上分离的、在预定的高度范围中的平台(12),它们能够提供地理区域的视线上的完全覆盖。每个所述平台(12)包括一个装有容量可调控的低密度气体的附件,用于调控平台的浮力。每个所述平台还包括装在附件上的信号发射设备,通过该设备可以将来自平台的信号发送到相邻的地理区域。
文档编号H04B7/185GK1367988SQ00809719
公开日2002年9月4日 申请日期2000年6月7日 优先权日1999年6月29日
发明者杰拉尔德·M·科纳布雷斯, 埃里克·A·弗来斯切 申请人:空间数据公司