使用具有高增益天线的节点的无线电系统的制作方法
发明背景
本发明涉及用于自动建立无线电路由的系统中的节点的天线，该无线电路由包括在地面站节点之间的经由一个或更多个非制导或基本非制导的空中节点(诸如以随机或准随机路由行进的卫星)的无线电链路；更具体地，涉及增加在系统节点之间创建无线电链路的概率的天线设计。
背景技术：
与本公开相关的蜂窝电话的某些方面的简要历史在美国专利no.5,793,842中提出，该专利的发明人为jerryr.schloemer，他也是本发明人。如今仍在使用的一种早期系统架构，其涉及数量有限的塔顶安装的收发器(“子站(drops)”)和多个移动无线电设备(“蜂窝电话”)。在这些早期的系统中，且在直到今天的某些情况下，中央计算机仍控制连接至塔的陆上线路与移动无线电设备之间的通信。实施此系统架构需要在基础设施和计算能力上进行大量投资，尤其是随着蜂窝电话的普及和技术能力的提高，必须增加系统容量和复杂性。替代的系统架构涉及使用安装在现有结构(诸如建筑物和电线杆)上的无线电收发器(“节点”)。这些架构使用能够沿着节点到选定节点处的子站之间的无线电路由向蜂窝电话发送信号和从蜂窝电话接收信号的节点。这被称为网格网络，早期的示例是在cox,donaldc，“wirelessnetworkaccessforpersonalcommunications,”ieeecommunicationsmagazine(dec.1992),96-115页中公开的系统。
实施网格系统的一个特殊挑战是如何确定用于互连节点的最佳可用无线电路由。通常，早期的网格系统仍然需要中央计算机来确定路由，这增加了系统的复杂性和成本。其他方法，诸如在授予weddle等人的美国专利no.4,937,822中描述的方法，涉及一种自动建立路由的网格系统，即无需中央计算机。然而，weddle仅在网格中公开了这样的系统，其中，节点以规则的矩形栅格布局，并且无线电路由链路只能位于彼此正交相邻的节点之间(也就是说，节点之间的对角链路不被允许)。这种系统的缺点对于本领域技术人员而言将是显而易见的，如果除了现实世界中的其他原因之外，很难(如果不是不可能的话)将节点以严格正交、均匀间隔的矩形栅格分布在足够宽的区域上以使系统可行。此外，weddle没有详细公开任何算法，节点实际上将通过这些算法来创建优选无线电路由。
在此背景下，本发明人的美国专利no.5,793,842公开了通过位置不受限制并且不需要中央计算机的节点的网格来创建无线电路由的系统和方法。下面结合本发明进一步详细描述的系统和方法利用了在美国专利no.5,793,842中描述的技术，该技术涉及通过多个随机定位的节点创建无线电路由以及使用这些路由来传输通信。为了避免在这里阐述这些类型的系统和方法的细节的必要性，美国专利no.5,793,842中关于路由创建以及使用由此创建的路由的数字和模拟信号传输的公开内容通过引用并入本文，如全文列出。
发明人在其后来的美国专利no.6,459,899中对该技术进行了改进，其中该专利描述了如下系统，所述系统使用具有定向天线的节点来改善早期系统的路由创建和通信传输能力。这项改进解决了在‘842专利中所述的系统和方法中的通过使用具有定向天线的节点所带来的复杂问题，且因此利用了定向天线可获得的更高质量的无线电链路。本发明还使用了‘899专利中公开的技术，并且其对路由创建的描述通过引用并入本文。
在发明人的通过具有随机分布的节点且没有中央计算机的无线电网格网络创建路由的方法出现之前，其他人提出了使用卫星提供全球蜂窝覆盖以在基于地球的始发站与目的地子站之间进行呼叫传输的方式。在各种专利中公开了实际商业化的卫星系统的示例，诸如授予schwendeman的美国专利no.5,274,840和授予bertiger等人的美国专利no.5,410,728，这两个专利均转让给了motorola，inc.。该系统利用均匀分布在预定数量的极轨中的卫星作为收发器，以用于卫星之间以及卫星与地面上的收发器之间的信号。使用足够数量的卫星来提供整个地球的覆盖。然而，实际上，由铱系统商业化的该系统具有许多缺点。一个缺点是每个卫星都需要机载推进器、火箭燃料和导航硬件来维持其所需的轨道。卫星尺寸和重量的这种增加，增加了发射成本，并且增加了卫星自身的成本。而且，为了解决不可避免的卫星故障，必须将额外的卫星操纵到故障卫星的轨道中，从而由于需要额外的卫星及其随之而来的高制造和发射成本而增加了整个系统的成本。参见，例如，“iridiumsatelliteconstellation”，wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/iridium(最后于2017年5月9日访问)。使用复杂计算机技术的基于地面的轨道和姿态控制进一步增加了系统成本。最后，其缺点使该系统在商业上不适合大众市场应用，尽管据信已发现该系统已用于诸如军事应用和来自偏远地区的记者报道等特殊领域。
除了将各个铱卫星保持在相对于地球和其他卫星的特定轨道位置之外，还必须将各个卫星的姿态保持在一定的公差范围内，以使其天线取向为有效的卫星-卫星和卫星-地面无线电通讯。提供姿态控制的一种方法是使用机载推进器，这带来了已讨论的缺点。已经提出了各种基于机械的惯性姿态控制系统，诸如在美国专利no.3,017,777和no.8,164,294以及chabot,j.a.,“asphericalmagneticdipoleactuatorforspacecraftattitudecontrol,”thesisform.s.inaerospaceengrg.sciences,univ.ofcolorado,2015中描述的那些。然而，据信这些类型的系统在性能上不会比基于火箭的姿态控制更好，而与基于火箭的姿态控制相比，它们的机械复杂性和机载控制系统将显著减少重量。
本发明人在其美国专利no.5,566,354中公开了一种卫星蜂窝电话系统，其在摩托罗拉-铱方法上得到了改进。发明人的改进方法允许卫星占据随机轨道。这就消除了依赖于各个卫星相对于其他卫星处于已知位置的卫星系统的轨道控制组件，诸如美国专利no.5,303,286中公开的摩托罗拉-铱系统或无线电话/卫星系统。然而，‘354专利中描述的随机轨道系统具有某些缺点，其中之一是卫星仍然需要姿态控制以确保卫星天线指向正确的方向。如在下面进一步详细讨论的那样，它也不具有真正的网格系统(如在本说明书中所使用的该术语)的优点。
除了近年来蜂窝电话的使用在世界范围内的迅速普及以外，通过计算机和智能手机访问internet已成为企业和个人等的必需品。在不访问如电子邮件、电子银行、调查/搜索服务等基于internet的资源的情况下，很难有效地开展业务或管理个人事务。此外，如facebook和twitter之类的社交媒体提供商只能存在于提供internet访问的世界区域内。基于卫星的系统提出了一种理想的方式，使得可以在偏远地区中使用internet和蜂窝电话服务，而无需通过塔覆盖国家或在广大地区安装基于陆地的无线电网格节点。然而，已知的卫星系统具有许多缺点，上面已经讨论了其中的一些缺点，并且迄今为止还没有卫星系统成功地商业化。实际上，低成本卫星系统将有可能完全取代基于塔的系统和基于地面的网格系统。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种无线电通信系统，其包括多个卫星，该多个卫星能够在轨道卫星之间以及卫星与地面站之间建立无线电链路，而无需将卫星保持在相对于彼此或地球的预定轨道中或预定姿态下。在一优选实施方式中，具有足够数量的卫星来提供卫星网格，该卫星网格几乎肯定地确保地球表面上的任何点都将始终处于至少一个卫星的视野内。一个特定实施方式利用至少200个卫星。
本发明的一方面部分地在于在每个这样的卫星中包含多个能够在所有方向上发射和接收的天线。当从一个卫星中的天线发射的无线电波束被另一卫星中的天线接收时，可以创建无线电链路。在本文中有时将这称为“波束匹配”。发明人认识到，使用独特的天线布置和来自卫星和地面站的独特编码的无线电传输，并将它们都视为网格中的节点，将能够通过经由卫星中的一个或更多个卫星组装无线电链路来在地面站之间建立无线电路由。导致本发明的该方面的一个见解是，与各个卫星中的机载计算机计算无线电路由所花费的时间相比，卫星的姿态和相对位置变化足够缓慢。因此，一旦建立了无线电路由，经由卫星中的一个或更多个的地面站之间的通信(“呼叫”)通常就不会中断，或者，如果在卫星移动或翻滚时现有路由被中断，则在通话进行时，可以使用相同或不同的卫星“即时”建立新的无线电路由。如在下面的描述中所使用的，“呼叫”是在卫星之间或在卫星与地面站之间的无线电路由上的内容(数字或其他方式)的通信，除非另外明确地或通过上下文指示。尽管不受此限制，但本文描述的系统特别适合将数据以数据包的形式进行传输，其在本文中被以一般接受的意义定义为数字数据的集合，其中一部分代表传输的内容(有时称为“有效载荷”)和控制部分(有时称为“标头”或“尾随”)，其包含使载荷能够被成功传递的信息，诸如源地址和目的地地址、错误检测代码和排序信息。
在其更一般的方面之一中，本发明使用构造有机载计算机的独特卫星，该机载计算机可以执行计算并选择天线，从而在卫星在无姿态控制的不受控制的轨道中移动的时，通过一个或更多个卫星实时地在地面站之间创建无线电路由。无线电路由由卫星中的计算机执行的算法确定，因此不需要中央计算机来指定哪个或哪些卫星将包括地面站之间的最佳无线电路由。
本发明的一个实施方式使用所公开的卫星网格来创建包括单个卫星的最优无线电路由，该单个卫星在两个基于地面的收发器之间提供无线电路由。本文所述的独特卫星设计即使在卫星在无需姿态控制或在状态变化的情况下翻滚时也能够保持单个卫星路由，使得在基于地面的收发器的视野内的另一卫星将提供更好的无线电路由，因为第一个卫星漂移出范围或由于某种原因而变得无法使用。
本文公开的系统的一个特殊优点是，在一优选实施方式中，它通过如下方式提供了上述特征以及下文将更详细描述的特征：由重量轻的、电池供电的卫星覆盖地球，从而降低了发射成本并消除了对用于在特定轨道中和特定姿态下维持卫星的复杂而昂贵的控制系统的需要。本发明的另一方面使用具有与卫星中使用的天线布置不同的天线布置的地面站，因为卫星重量、大小和电力的限制不适用于地面站。这意味着地面站可以具有更高的天线密度(在给定的球形区域上的更多的天线波束)，并使用功率更大(增益)的天线，从而实际上确保了任何两个地面站之间的数据通信都将是可能的。
本发明的另一实施方式通过使用围绕轴线转动或旋转的卫星来增强卫星在卫星之间以及卫星与地面站之间建立无线电链路的能力。这增加了在两个卫星之间创建波束匹配的概率，因为各个卫星在给定的时间段内可能会“看到”其他卫星上的更多天线。这使得能够使用波束宽度相对应地更窄的更高增益天线，从而提高了无线电链路的强度和呼叫传输的可靠性。通常，以预定的角速度部署卫星，该角速度对于不同的卫星可能是不同的。在该实施方式的一个变型中，该系统包括沿相反方向旋转的卫星。在下面的详细描述中讨论了用于实现该实施方式的其他考虑。
本发明的又一实施方式通过使用多馈源抛物面形天线在规定的球形区域上从各个天线发射多个无线电波束，进一步增强了系统在系统节点(卫星与地面站)之间建立无线电链路的能力。与其他实施方式中使用的单馈源天线相比，这些天线具有更大的反射器，因此每个无线电波束都具有更大的增益。尽管根据本实施方式的卫星可能比具有相当数量的单馈源天线的卫星更大和更重，但是它们将发射数量大大增加的高增益无线电波束，以用于创建代表系统节点之间的更高质量的无线电链路的波束匹配。
本文所述的系统和方法的附加应用涉及将节点实施方式中的任一个结合到除低地球轨道卫星之外的各种飞行器上。这些飞行器可以包括但不限于非常低的地球轨道卫星(100-200英里)，这些卫星在其自身与地面节点之间提供无线电信号的较小信号衰减，并且可能适用于将以下进行互联的系统：所谓的物联网；高海拔气球(例如11英里)，其可以适用于旨在为偏远地区提供internet服务的系统；以及在1000-2000英尺处飞行的无人机，其可以提高系统直接使用个人手持装备创建无线电链路的能力。另外，对在地面站中使用的上述多馈源天线实施方式的调整，将增加在不涉及任何空中节点的情况下可以直接在不同高度处的地面站之间建立无线电链路的概率。
随着本描述的进行，将更详细地覆盖本发明及其实施方式的这些和其他方面以及特征。
提供本发明内容仅是为了以简化的形式介绍将在下面进一步详细描述的一系列概念。其既不旨在确定本文所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
在结合随附附图对本发明优选实施方式进行详细描述时，可以更好地理解本发明的目的，在附图中，相同的数字和字母始终表示相同的特征。以下是对在随附的详细描述中使用的附图的简要标识。
包括图1a和图1b的图1示意性地描绘了在发明人的美国专利no.5,793,842和no.6,459,899中公开的无线电网格概念。
包括图2a和2b的图2示出了基于本文公开和要求保护的基于空间的无线电系统的某些几何原理。
图3示意性地描绘了本文公开和要求保护的适用于基于空间的无线电系统的卫星的实施方式。
图4是图3中描绘的卫星的各种操作组件的表示。
图5示出了使用单个卫星以在两个地面站之间创建无线电路由的过程的实施方式。
包括图6a、图6b和图6c的图6示意性地描绘了根据在随机轨道中使用卫星的系统的替代实施方式的旋转卫星。
图7是对具有根据本文描述的使用不具有姿态控制的随机轨道卫星的系统的另一实施方式的天线配置的球形卫星的表面的示意性二维描绘。
图8是具有图7中描绘的天线配置的卫星的电子组件的功能图。
图9是对使用各种类型的非低地球轨道飞行器的系统的概念描绘，并示出了结合了图7和图8所描绘的天线配置和控制电路的地面站之间的直接链路。
本领域的技术人员将容易理解，附图并非严格按比例绘制，但是当结合对以下优选实施方式的详细描述进行理解时，它们将足以构成和使用本发明。
具体实施方式
以下的详细描述旨在提供特定实施方式的具体示例，其示出了实现所要求保护的主题的各种方式。撰写时要考虑到所要求保护的主题所属领域的普通技术人员的知识水平。相应地，可以省略某些细节，因为对于使这些人员能够实现本文描述的实施方式而言是不必要的。还应理解，可以使用指示方向或取向的术语来帮助描述。使用这些术语并不意味着要求保护的主题限于所描述的结构的特定取向。
i.无线电网格的概念和原理
本文所述的系统是在基于使用多个收发器(“节点”)的某些原理的基础上建立的，这些收发器可用于形成使用收发器中的一个或更多个的无线电路由中的链路的终止点。贯穿本文的描述，术语“无线电”、“无线电信号”等不限于参考处于通常称为无线电波的频率中的电磁辐射。它旨在包含能够传输信息的任何频率的电磁辐射，包括光、微波、vhf(“非常高频”)、uhf(“超高频”)等。本节中的讨论描述了有时称为网格系统的现有技术布置的某些相关特征，以及如下基本概念中的一些，所述基本概念代表了通过本文所述的独特设备、系统和方法所实现的已知网格技术的重大进步。
a.现有技术的网格和卫星无线电通信系统
现有的基于地面的无线电网格系统，诸如在发明人的美国专利no.5,793,842和no.6,459,899中描述的那些，已经证明在建立用于通过多个节点的数字和模拟通信信号的无线电路由方面非常有效。它们能够在网格系统中建立高质量的无线电链路，该网格系统允许将节点放置在方便的位置，而不是以预定的模式放置。图1a和图1b示出了这种基于地面的无线电网格。在该简化示例中，可以在始发节点a与附近的移动无线电设备无线电设备(未示出)之间传输通信信号cs，该移动无线电设备诸如是appleinc.的
如上所述，在美国专利no.5,793,842号和no.6,459,899号中所描述的那些之前提出的许多网格系统使用中央计算机来控制始发节点与子站之间的路由。然而，这些专利公开了利用算法使节点自身能够在所需数量的中间节点之间建立优选路由的系统，以优化始发节点与目的地节点之间的通信。例如，图1a示出了如下系统，在所述系统中，节点中的软件和固件自身在山lh周围建立优选路由，该路由包括在第一高山h1的顶部上的节点a与节点x之间的无线电链路l1。节点使用了节点a与x之间的链路l1，即使该链路实际上被引导向远离目的地节点b的方向。驻留在各个节点中的算法随后与山h2上的另一个节点y建立无线电链路l2，并因此建立目的地节点b。在该优选路由中，网格中的节点z(可能是两个其他节点(未显示)之间的无线电路由的一部分)被绕过了，这是因为节点x、y和z自行确定优选路由是通过节点x和y的。
该系统的重要特征之一是，如果条件在放置节点后发生变化，则节点自身也可以创建不同的优选路由，例如，在节点x与y之间通过节点z使用链路l4和l5。图1b示出了如果节点a与b之间没有清晰的视线，则节点自身如何在它们之间创建不同的路由。在此示例中，视线已被直接在节点x与y之间构建的建筑物bl中断。另一示例是一棵树，这棵树允许无线电信号于冬季期间在节点x与y之间通过(由于没有树叶)，但是在夏天树叶出来时会干扰无线电链路。在这种情况下，美国专利no.5,793,842和no.6,459,899中所述的系统使节点a、b、x、y和z自动使用节点x、y与z之间的新无线电链路l4和l5创建新的优选无线电路由。
因此，这些专利描述了使用节点的网格的系统，这些节点能够基本随机分布，其中节点自身使用节点中的机载计算功能以分析由节点进行交换的无线电信号，从而在目的地与子站之间建立优选无线电路由。这消除了中央计算机与节点通信并使用节点从网格中的多个其他节点收集的数据来确定最佳或优选路由的需求。一般而言，对节点放置的仅有限制是，三个或更多个节点的路由中的中间节点应在至少两个其他节点的视野内。这允许系统覆盖广阔的区域，尽管这样做可能需要大量的节点，但只要节点可以“看到”彼此，系统就能够自行建立优选无线电路由。
然而，包括固定位置、基于地面的接收和发射节点的无线电网格系统背后的一般概念可以如何适应于节点是绕地球轨道运行的卫星的系统还不是很明显。美国专利no.5,274,840和no.5,410,728中公开的摩托罗拉-铱系统或多或少是对在特定位置具有节点的基于地面的系统的模拟。也就是说，它要求卫星保持预定的轨道并具有机载姿态控制，以使卫星天线保持指向正确的方向，并且当它们接收到来自一个地面站的传输并将其重新传输到另一地面站时，依赖于了解卫星的位置。尽管该方法在技术上可行，但是从商业角度来看，它被认为是行不通的，因为其实施成本太高，然而如上所述，它仍然可以在某些特殊应用中使用。此外，它使用中央计算机以在卫星之间建立无线电路由。
发明人的美国专利no.5,566,354公开了一种使用随机轨道卫星的系统，但是如上所述，它实际上不是如在本文使用的术语的网格系统。例如，‘354专利中的系统通过使始发单元向目的地单元发送页面来确定卫星是否可用于此目的，然后简单地通过该卫星在两个单元之间传输通信，以在基于地面的移动单元之间建立通信信道。该系统不具有本文描述的网格系统的众多突出特征，诸如使用发射到多个节点和由多个节点接收的信号的质量来创建优选无线电路由。此外，卫星仍然需要昂贵的机载姿态控制硬件，诸如供它们使用的定位推进器和火箭燃料，这两者增加了额外的重量，且因此增加了将卫星送入轨道的成本。另一方面，本系统使用不断更新节点(卫星和地面站)中的天线的卫星，以使得能够选择如下节点处的天线：其在节点之间提供最高质量的无线电链路，而无论它们是卫星还是地面站。另外，‘354专利没有公开如何在随机轨道卫星之间提供卫星到卫星的通信。并且尽管摩托罗拉-铱系统支持卫星到卫星的通信，其卫星必须保持预定轨道和固定姿态。
b.本文描述的独特卫星无线电网格系统的原理
本系统中使用的卫星无线电网格支持无线电路由，其中两个地面站之间的优选路由包括一个以上的卫星，并具有一个或更多个卫星到卫星的无线电链路。它还支持包括与两个地面站通信的单个卫星的无线电路由。在两个实施方式中，下面进一步描述的大量独特的卫星被发射到轨道中。选择卫星的数量以提供很高的概率在任何给定的时刻，地球表面上的点将处于一定数量的卫星的视线内。例如，美国专利no.5,566,354估计，如果将200个卫星随机放置在500英里的轨道高度处，则地球上的给定点将平均在一段时间内“看到”大约12个卫星，或者换句话说，地球上的给定的点不在至少一个卫星的视线中的几率仅为1000000中4个。
图2a和2b以图形方式示出了该原理。可以根据公式dh＝[(r+500)2–r2]1/2来计算在500英里的高度al处卫星s到地平线eh的近似距离dh，其中r是地球e的半径。根据为r选择的值，dh约为2000英里。因此，卫星的覆盖区域ar为π×dh2≈12,500,000sq.mi。取地球的表面积为1.97亿平方英里，每个卫星因此“覆盖”地球表面的大约6％，这意味着平均表面上的任何一点都将“看到”大约12个卫星(200×0.06)。相反，从地球上的任何特定点都看不到单个卫星的几率为94％。如果有200个卫星发射到随机轨道中，那么地球上的任何给定点都将看不到至少一个卫星的概率仅为0.94200≈0.0004％(即百万分之四)。‘354专利包括表格(通过引用并入本文)，其示出了针对不同数量的卫星的表面上的点随时间的恒定覆盖的估计概率。
应当注意，在本说明书的上下文中，术语“随机轨道”必须与系统中使用的卫星的数量结合考虑。通常，这意味着有足够数量的卫星被放置在最初间隔开的轨道中，目的是将全球的覆盖最大化。这并不意味着需要纯粹的数学意义上的随机分布。相反，它用于指示不需要将卫星精确定位在特定位置处，并且将其放入轨道的方式将考虑到包含该系统的卫星数量，以及根据适当的统计算法计算的地球表面上的任何给定点将始终在至少一个卫星的视野内的期望的确定程度。(将意识到，随着卫星的轨道随时间变化，该系统允许不同的卫星满足给定点的要求)。例如，用于生成所谓的伪随机数的已知技术可用作计算初始卫星数和放置的基础。在“卫星发射”部分的美国专利no.5,566,354中描述了实现“随机”卫星分布的其他方式，该专利通过引用并入本文。发射进入轨道的卫星数量优选超过计算的数量，以通过考虑一段时间内的一定数量的卫星故障或由于轨道衰变而重新进入地球大气层而被毁坏或被太空碎片损坏的卫星来实现连续的全地球覆盖。
本文描述和要求保护的系统的另一个重要特征是卫星不需要有源的机载姿态控制。因此，它们不需要任何运动部件、机构或推进系统，这减少了卫星的重量和成本，并且它们可以在不考虑其角取向的情况下释放到轨道中。期望可以从诸如空间站等之类的运载火箭部署卫星。在本文描述的系统的一些实施方式中，将优选尝试以尽可能小的角速度部署它们，但是在这方面不需要特别的努力。即使卫星“翻滚”，根据这样的实施方式的系统也将创建无线电路由，这意味着每个卫星都可以随着其绕轨道运行而以不同于其他卫星的速率改变其角取向(或根本不改变)。换句话说，卫星既不在规定的轨道中，也不在受控的取向上。在一些实现方式中，可以分配包含铁磁材料的卫星和/或组件的质量，以在它们绕地球轨道运行并与其重力场和磁场相互作用时保持一定量的翻滚。另外，可以明智地选择用于产生电能的太阳能电池板的大小和取向(参见图3和图4)，以利用撞击电池板的光子的动能来提供影响卫星的翻滚运动的力。如果需要，每个卫星都可以包括跟踪遥测，以检测其轨道何时衰变并且其需要更换，并遵守适用于轨道机构的任何国家或国际协议。然而，期望提供这样的遥测是相对简单且便宜的。
在另一实施方式中，卫星以赋予它们的一定角速度部署在随机轨道中。这通过下面进一步描述的方式，使得能够使用更高增益的天线来创建波束匹配，即使无线电波束可能更窄。这增强了系统使用一个以上的卫星更容易地创建无线电路由的能力，这在某些设置中具有提高地面站之间的路由质量并由此促进数据传输的潜力。在又一实施方式中，卫星将抛物面形天线与多个馈源相结合，以增加潜在地可用作系统节点之间的无线电链路的高增益波束的数量。这些实施方式的细节在下面进一步详细描述。
ii.卫星设计：天线配置和机载控制电路
根据一个实施方式的卫星包括系统节点，该系统节点利用独特的多个天线阵列和软件实现的算法，通过使节点能够几乎瞬时标识发射信息信号的天线和在另一节点中从该发射天线接收到信息信号的天线来创建无线电路由。因为卫星和地面站相对于它们在系统中作为节点的功能通常是等效的，所以术语节点可以表示卫星和地面站二者，除非另有说明或上下文另有指示。另外，驻留在各个节点中的软件使用信息信号中的内容来评估这些天线对作为两个节点之间的无线电链路的适用性。驻留在节点中的软件使用该评估来创建优选无线电路由，以从始发地面站向目的地地面站发送数据通信。为了解释使用本文所述的卫星系统来创建无线电路由中所涉及的基本概念，该讨论有时会分开地处理路由创建的某些方面。例如，标识潜在的无线电链路的天线对的概念，可以与标识为无线电路由选择某些链路的优选无线电路由分开进行描述。然而，随着讨论的进行，将显而易见的是，路由创建涉及多个步骤的组合，这些步骤从地面节点发送初始信息信号开始，并终止于为从始发地面节点通过一个或更多个卫星节点到达目的地地面节点的通信信号创建优选无线电路由。
公开的系统和路由创建过程使得能够使用在无需姿态控制的情况下在随机轨道中漂移的卫星。即使节点上所选择的一对天线随时间变化，或者包括路由的卫星随时间变化，也可以发送和接收数据通信。即，卫星上机载和地面站上的计算机能够在给定通信期间或从一种通信改变为另一种通信的期间改变无线电路由。另外，无线电路由可能在单个通信中利用不同的卫星。或者，第一次在地面站之间的通信可能会使用某个或更多个卫星，而同样的两个地面站之间的随后的通信可能会使用一个或更多个在第一次通信中未使用的卫星。
图3是可以在本文所述的基于空间的无线电网格系统中使用的卫星10的实施方式的示意图。为了便于理解本文所述的系统和方法中的卫星10的操作所基于的某些原理，示出了具有形状为以ct为中心的球形的外壳12。本领域的技术人员将认识到，如果由其他设计考虑决定的话，卫星可以具有不同的形状。将参照具有相互正交的x、y和z轴的坐标系来描述卫星的某些特征。将理解的是，随着本描述的进行，本文公开和要求保护的基于空间的无线电系统的特征之一是：卫星在绕地球轨道运行时可以采取任何角取向，如本文已经讨论的那样。从到目前为止的描述中，本领域技术人员将理解，图3中所示的坐标系严格地用于描述卫星的特征的说明目的。换句话说，可以将坐标系视为与卫星绑定，并在卫星缓慢翻滚时改变其相对于地球的角取向。
示例性卫星10包括多个天线模块12，出于说明的目的，在图3中示意性地描绘了这些天线模块中的一个。在该示例中，各个天线模块包括定向天线，该定向天线在预定方向上以更大的功率发射和接收无线电信号。本实施方式使用圆盘抛物面形天线，这些圆盘抛物面形天线中的每个在球形卫星的中心ct处具有与顶点的立体角ω。包含在卫星中的分立天线模块的数量将取决于系统的特定应用和天线设计。在一个实施方式中，将选择球面度ω，使得围绕卫星分布的特定数量的天线模块将能够向足够大的球形区域发射无线电信号并从足够大的球形区域接收无线电信号，以使得能够从其他卫星中的地面站收发器和天线接收无线电信号以及向其他卫星中的地面站收发器和天线发射信号，从而以下述方式影响系统的运行。可以使用已知的天线设计原理来确定天线模块12的实际配置以实现该目标。
然而，天线操作的基本原理证明了为诸如图3所示的卫星配备足够数量的天线以实现本文描述的系统和方法的技术可行性。一种设计方法可以规定，每个模块的天线波束宽度必须提供从特定卫星中所有天线发射的信号将被在另一卫星或基于地面的收发器处接收的一定概率。表达圆盘抛物面形天线的波束宽度的典型方式是波束功率降低3db的角度α。这称为半功率波束宽度(hpbw)，并且由以下关系式给出：
其中α以度为单位，k是取决于天线的某些设计参数的因数，并且通常被分配为70°的值，γ是以厘米为单位的波长，并且d是天线反射器的圆形“嘴”的直径。satellitesystemsengineeringinanipv6environment(ipv6环境中的卫星系统工程)，minoli，daniel，crc出版社，bocaraton，fl(2009)，第78-80页。对于5ghz信号(这是卫星通信中使用的常见无线电(微波c波段))，γ＝6cm(γ＝c/f，其中c＝光速，3×1010cm/sec)，因此为α≈140°，但不能确定由直径d＝3cm的天线发射的无线电波束，如发明人于2017年7月21日提交的美国专利申请no.15/656,111所述，将具有足够的能量。如果直径是波长的两倍(这更符合常规天线设计)，则天线反射器的直径将为12cm，使其hpbw＝35°。根据互惠原则，同一抛物面形天线将以其轴上增益的-3db接收以离轴17.5°到达的信号。
在本系统中使用的卫星将必须足够大以容纳以下结合图4详细讨论的卫星操作所需的各种电子和机械组件，并且在结构上足够坚固以承受发射的压力以及长期暴露于在轨道中会遇到的敌对环境。发明人的美国专利申请no.15/656,111描述了直径可能只有20cm小的卫星，但至少对于第一代系统来说，更实际的目标是在60-70cm范围内，使用直径12cm的天线，其中天线馈送来自天线反射器的两个波长。每个天线在卫星表面处的开口的尺寸将允许来自反射器的波束在表面下方无阻碍地传播。如果卫星中的开口是直径约18cm的圆，则其面积为约81πcm2(πx(9cm)2)。对于直径约60cm的卫星，25个这种天线将占据卫星表面的约60％。
将理解的是，根据工程复杂系统技术人员所熟悉的权衡，适用于本网格系统的卫星和天线可以采用不同的形式。如下面进一步详细描述的，使用本文所述的卫星网格的实施方式创建无线电路由的步骤之一是从一个或更多个卫星和基于地面的收发器中的所有天线发射标识消息，其在某些上下文中可互换地称为“节点”。可以看到，增加节点中的天线数量将增加从其他节点发射和接收的无线电信号的总球面覆盖范围，这继而会增加来自一个节点的信号将被另一节点接收的概率。将进一步认识到，每个卫星的更多的天线可能使得有可能减少放置在轨道中的卫星的数量。这样的卫星可能更昂贵且更重，从而增加了发射成本，但其他因素可能抵消了成本的增加，因为可能需要发射的卫星更少。本领域技术人员还将认识到，本文所述的系统可以用具有天线阵列的卫星来实现，该天线阵列以小于完整的360°球形覆盖范围进行发射。
同样，由于增加了天线而引起的地面站的重量增加并不是一个因素。因此，系统可能包含比地面站更少的卫星。设计具有给定数量的天线的卫星并使用统计估计值来计算为确保从地球表面上的任何给定点都可见的预定数量所需的此类卫星的数量，也可能是更为可行的。在卫星发射进入轨道后，可以对该系统进行测试以确认该计算，并且如果需要可以添加更多的卫星。此外，本示例使用抛物面形天线来解释节点设计中涉及的某些原理，但是该系统不依赖于使用特定类型的天线。即，天线的类型和具体的天线设计也将是确定波束宽度和卫星数量的因素，以确保节点将以有益的增益接收从其他节点发射的信号的适当的概率。针对本文描述和要求保护的网格系统的任何给定实现确定成功设计的因素将被本领域技术人员很好地理解。下文进一步描述的某些天线配置进行了独特的设计，以增加将在系统中的任何两个节点(卫星/卫星和卫星/地面站)之间创建波束匹配的可能性。
卫星10还包括多个太阳能电池板，在图3中示出了其中的三个太阳能电池板14a、14b和14c。在所示的实施方式中，太阳能电池板被定向在相互垂直的平面中并且围绕卫星10等距地间隔。为了描述该实施方式中的太阳能电池板的位置和取向，卫星赤道16被定义为卫星表面与平行于x-y平面并穿过球体的中心ct的平面相交的大圆。零子午线18被定义为卫星表面与平行于x-z平面并穿过球体中心ct的平面相交的大圆。并且法线子午线20被定义为卫星表面与平行于y-z平面并穿过球体中心ct的平面相交的大圆。太阳能电池板14a通过适当的安装结构22a在赤道16与零子午线18的交点处附接到卫星。太阳能板14b通过适当的安装结构22b在赤道16与法线子午线18的交点处附接到卫星。并且太阳能电池板14c通过适当的安装结构22c在零子午线18与法线子午线20的交点处附接到卫星。
太阳能电池板通常是平面的，其中太阳能电池单元分布在一个或两个面上，以在太阳能电池单元暴露于阳光下时发电。为了获得最大效率，将平面太阳能电池板安装在相互正交的平面中，以确保无论卫星的角取向如何，都有足够数量的太阳能电池单元暴露于阳光下。在所描绘的实施方式中，太阳能电池板14a位于x-z平面中，太阳能电池板14b位于x-y平面中，并且太阳能电池板14c位于y-z平面中。还将理解，卫星包括三个以上的配套太阳能电池板，其中赤道、零子午线和法线子午线在卫星的另一侧相交。配套太阳能电池板(在图4中用撇号(‘)表示)优选地定向在与图3所示的它们的对应部分14a、14b和14c中的各个对应部分相同的平面中。各个太阳能电池板优选正交于卫星表面，以使它不妨碍与太阳能电池板相邻的天线对无线电信号的发射和接收。
将理解，图3仅用于示出卫星10的理解本文所述的卫星网格系统的本实施方式所必需的特征。本领域技术人员将理解，用于实现本系统的实际卫星可以具有图3的示意图中未示出的设计特征。例如，良好的设计实践可能要求将天线的口凹陷到卫星的周围表面的下方，以减少空间碎片造成撞击破坏的可能性。或者，可以通过用一片对卫星发射和接收的信号透明的材料覆盖每个天线口(凹陷或不凹陷)来提供额外的保护。图3所示的太阳能电池板14的设计和放置也是高度示意性的，并且本文公开和要求保护的本发明不限于任何特定的太阳能电池板构造、放置或部署方式。
图4示意性地示出了由卫星10(节点)容纳的用于创建能够向其他节点发射无线电信号和从其他节点接收无线电信号的无线电路由的各种组件。本领域技术人员将容易认识到，在包括本文所公开和要求保护的主题的无线电系统的这种和其他实施方式和方面的描述中，在各个附图中描述和描绘的控制电路和组件旨在作为能够执行归因于它们的功能的任何电子计算机系统的示例。这样的计算机系统通常将包括必要的输入/输出接口装置以及具有适当的操作系统和用于执行程序指令的应用软件的中央处理单元(cpu)。另外，为了引用简单，本文中使用了指代系统的元件以及本文描述的用户接口的术语。例如，术语“组件”、“模块”、“系统”、“设备”、“接口”等通常用于指与计算机相关的实体，可以是硬件、硬件和软件的组合(固件)、软件或正在执行的软件，除非上下文另有明确说明。例如，这样的组件可以是(但不限于)在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行文件、执行的线程、程序和/或计算机。作为说明，在电子计算装置上运行的应用程序和该装置自身都可以是组件。一个或更多个组件可以驻留在执行的进程和/或线程中，并且组件可以位于一台计算机上和/或分布在两个或更多个计算机之间。
更详细地参考图4，在图3的x-z平面的视图中描绘了卫星10。应当理解，图4与本文中用来描述主题无线电系统及其组件的其他描述一样，不是按比例绘制的。它描绘了如图3所示的太阳能电池板14a和14c，以及上述完全相反的配套太阳能电池板14a’和14c’。它还示意性地描绘了多个天线模块12a、12b、12c、12d、12e和12f，它们代表卫星10机载的所有天线模块，如以上结合图3所讨论的那样，用于发射和接收无线电信号。该示意性描述旨在传达本实施方式的操作原理，由此多个天线模块的组合将能够在基本上所有径向方向上向节点发射无线电信号和从节点接收无线电信号。(然而，如已经指出的，本文描述的系统也可以用具有天线阵列的卫星来实现，该天线阵列以小于完整的360°球形覆盖范围进行发射。)
卫星10包括功率模块30，该功率模块能够提供用于操作卫星的组件的可靠的电源。功率模块30包括由太阳能电池板产生的电力进行充电的电池。合适的功率调节装备为卫星携带的各种电子组件提供稳态功率，即使太阳能电池板将使各个卫星轨道中的一半在太阳的视野之外。除了电源模块外，卫星还包括带有操作系统模块42的中央处理单元40，该中央处理单元存储用于控制卫星的各种功能的操作软件。如图4所示，cpu40通过电源和数据链路40a、40b、40c、40d、40e、40f等可操作地连接至所有天线模块12。
图4还示出了在操作系统模块的控制下的四个主要操作模块。这些组件同样包含在地面站节点中。无线电路由中的各个卫星节点必须使用两个天线模块。由于卫星没有优选的定向，因此各个卫星(节点)必须选择天线模块12以与另一节点(卫星或地面站)进行通信。在操作系统的控制下的天线配对模块44使用从其他节点(地面站或其他卫星)接收到的信息消息，将用于发射/接收信号的一个节点中的天线模块与用于接收/发射信号的另一节点中的天线模块进行配对。路由创建模块46分析节点之间交换的无线电信号，该路由创建模块使用下面进一步讨论的算法在两个地面站之间创建无线电路由。(地面站节点具有相对应的中央处理单元。)一旦建立了无线电路由，各个节点内的数据移动模块48就控制沿着通信信号cs的无线电路由的传输(见图1)。如上所述，图4中示出的用于天线配对和路由创建的单独模块并不一定意味着标识用于在节点之间发射/接收信号的天线对、以及标识将潜在的无线电链路选择为无线电路由是不同于创建用于从一个地面站向另一地面站传输数据通信的优选无线电路由的或多或少的单一过程的一部分。
ⅲ.创建用于数据通信的无线电路由
如上所述，在随机或伪随机轨道中发射足够数量的卫星10使得能够实现各种路由创建策略。本节将讨论使用这种卫星系统创建的无线电路由的两个实施方式及其变型。一个实施方式创建一种无线电路由，该无线电路由包括单个卫星与两个地面站之间的无线电链路。允许在更长距离上进行通信的另一实施方式，创建了一系列的一个或更多个子路由，包括第一地面站、第一卫星和第二地面站，以及另一子路由，包括第二地面站、第二卫星和第三地面站，以及如果需要的话，第三子路由，包括第三地面站、第三卫星和第四地面站，依此类推。该无线电路由将使得能够使用n-1个卫星在第一地面站与第n个地面站之间进行通信。这些实施方式的变型也在下面进行讨论。例如，本领域技术人员将理解，如果驻留在节点中的计算机基于以下讨论的原理来组装这样的路由，则无线电路由也可以包括卫星到卫星的链路。
根据本系统的该实施方式，使用无线电路由在地面站之间发送数据的能力基本上由摩托罗拉-铱系统的已知操作能力所确认，该系统使用具有姿态控制的固定卫星。尽管手持单元可用的天线功率(或增益)有限，但这类系统仍能够直接在地面上的卫星与这种单元之间建立通信链路。因此，实际上确保了在卫星中使用具有有限功率的天线并与具有更强大的、不同类型和/或更多数量的天线的地面站相结合的本系统的实施方式能够在两个地面站之间建立无线电路由。
在基本实施方式中，根据本发明的卫星网格系统使用根据以上描述的卫星中的一种卫星来创建用于两个地面站之间的通信的无线电路由。该路由涉及两个无线电链路，一个在第一地面节点与卫星节点之间，而另一个在该卫星节点与第二地面节点之间。尽管地面站的配置可能与卫星的配置不同，但从概念上讲，无线电信号的发射和接收各自以基本上相同的方式进行处理。相比于卫星所携带的天线，因此地面站节点可以使用更多和/或更强大的天线以及不同的天线类型来增强无线电路由的创建，这是因为地面上的节点不具有与卫星一样的对重量、功率和空间限制的约束。此外，地面站天线可以安装在高建筑物、塔楼、高山等上，以最大化轨道卫星的视线可见性。此外，地面节点仅在整个半球进行传输，而不是像卫星节点那样在所有球面方向上进行传输，因此减少了添加天线以增强链路创建的成本。
a.无线电路由的创建和维护
首先将通过使用范例来描述在本文所述的卫星网格系统中创建无线电链路所基于的原理，在该范例中，所有的收发器，卫星和地面站，都被视为网格中的节点。这将使得了解如何通过一个以上的节点到节点链路(即通过至少三个节点)来创建无线电路由。在最相关的方面，在卫星之间建立无线电链路或在卫星与地面站之间建立无线电链路是相同的。在某些方面，标识和优化节点对之间的无线电链路和路由类似于在发明人的美国专利no.5,793,842和no.6,459,899中描述的基于地面的系统中创建路由的方式。这些专利中的链路选择和路由创建的描述通过引用并入本文，以获取关于由无线电网格中的节点进行的最佳或优选路由创建的背景信息。
然而，重要的区别是，与现有技术中已知的系统不同，本系统使用节点创建路由，节点中的某些节点(卫星)的位置和取向随时间变化。因此，尽管先前的固定节点系统出于上面结合图1所讨论的原因偶尔可能不得不改变无线电路由，但是它们并不涉及具有移动和翻滚的节点的动态环境，该动态环境要求系统能够在节点相对于彼此移动并改变姿态时，对在节点中选择发射/接收天线对进行自动且动态的更新。例如，摩托罗拉-铱系统使用的卫星具有固定的姿态和已知的相对位置，因此可以以基于地面的系统已知的方式来创建最佳路由(尽管不知道摩托罗拉-铱系统使用节点自身来创建无线电路由)。
如刚刚指出的，用于创建具有节点之间的坚固无线电链路的无线电路由的本系统和方法涉及选择天线和对以下讨论的标准的每个链路的“质量”进行评估。将结合图5来描述说明性示例，该图示出了具有地址140号、250号、280号、300号和165号的多个卫星，这些卫星可以与具有地址1000号、1052号、1630号、2001号的地面站形成无线电链路。下面说明系统中仅有的节点如何通过在两个潜在的路由(一个是通过250号卫星，而另一个是在300号卫星之间)进行选择，来确定从地面节点2001号到地面节点1000号的数据通信(呼叫)的优选无线电路由。在典型的系统中，将有大约200个卫星。当然，地面站的数量可以变化，但是图5示出了在直径约为700英里的广阔区域中的一些这类地面站。
链路选择过程是通过从各个地面节点以初始信息信号的形式发射路由信号而开始的，该初始信息信号包括具有初始信息的标识数据包。每个节点(卫星节点和地面节点)中的天线模块分别被赋予标识号。另外，各个节点都被标识为地面节点(有时称为类型a)或卫星节点(有时称为类型b)。该节点标识数据通常将包含在数据包标头中，并且标识数据包将包括有效载荷，该有效载荷包括初始样本数据流。下面的表1是从第一发送地面节点中的天线模块中的两个天线模块发射的数字第一信息信号的示例，例如节点分配的地址为1000。
表1
从所有地面节点中的所有天线连续发射相似的数据包。这些信号将被许多其他节点(地面站和卫星)接收，但是这些节点中的天线配对模块将拒绝从相同节点类型发送的信息信号。卫星还存储返回到发送地面节点的链路数量。在这种情况下，链路数为1。
初始样本数据流通常将是已知的比特序列，该比特序列用于以下面描述的方式来评估两个节点之间的潜在无线电链路的质量。可以预期，各个节点中的天线可以以随机间隔发射信息信号，而不会遇到从其他节点发射的信息信号的干扰。这是因为将从其他节点接收信号的节点数量和给定节点中的天线数量将可能很小。可替代地，节点中的天线模块可以在预先分配的时隙中发射信息信号，以进一步最小化如下情况的概率：从一个节点发射的信息信号将精确地在给定天线发射其信息信号的同一时间到达另一节点中的给定天线。
继续该示例，该过程的第二步骤涉及由所有从地面节点接收到初始信息信号的卫星节点进行的评估。该过程涉及在卫星天线配对和路由创建模块中执行的多个操作。接收卫星中的天线配对模块存储接收到初始信息信号的天线。在图5的示例中，卫星250号存储与地面节点地址1000号相关联的卫星天线sa6，并且卫星300号存储与地面节点地址1000号相关联的卫星天线sa3号。路由创建电路确定接收的初始信息信号的品质因数，该品质因数反映通过相应地面站和卫星中的天线对发射的信号的质量。品质因数是根据节点中的算法对某些参数进行分析得出的，其目的是分配定量值以用于对两个节点中的特定天线的适合性进行排名，作为在始发地面站与目的地地面站之间创建的无线电路由中的无线电链路。即，该过程中的该步骤涉及对发送初始信息信号的地面站与接收到初始信息信号的卫星之间的潜在无线电链路的质量进行排名。可以用于得出品质因数(信号质量)的接收的信号的属性的示例为信号强度、数据流中的错误率和信噪比中的一者或更多者。在此示例中，品质因数的范围为从1(最差质量)到10(最佳质量)。
下一步骤是，所有卫星中的路由创建电路以来自所有信号的天线的链路信息信号的形式发送路由信号。为了说明，假设地址为250号的卫星从发送地面节点1000号接收到初始信息信号。表2示出了从节点250号中的每个天线以数据包形式发送的链路信息相对于发送地面节点1000号的潜在链路：
表2
表3示出了从节点300号中的每个天线以数据包形式发送的链路信息相对于发送地面节点1000号的潜在链路：
表3
在与发送链路消息的卫星250号和300号相同类型(b型)的其他卫星处将不接受链路信号。另外，地面节点将同样被编程为拒绝具有与接收地面站相同的链路节点地址的链路信号。还要注意，表1的链路数由卫星增加了1，反映为到发送地面节点1000号的链路数量(2)。
接收地面站中的接收到链路信号的天线配对电路至少存储发射链路信号的卫星节点地址，以及在接收地面节点处接收到链路信号的天线。在图5中，地面站2001号存储与天线ga5号相关联的卫星地址250号，以及与天线ga21号相关联的卫星地址300号。接收地面节点还确定其自身与卫星250号之间以及其自身与卫星300号之间的潜在链路的相应品质因数。在此示例中，地面站2001号与卫星250号之间的潜在链路的fom＝6，并且地面站2001号与卫星300号之间的潜在链路的fom＝8。
然后，根据可用的潜在链路的品质因数，确定从接收地面站到发送地面站之间的优选无线电路由。在图5所示的示例中，通过卫星250号的无线电路由的总品质因数是12(6+6)，并且通过卫星300号的无线电路由的总品质因数是11(3+8)。因此，优选无线电路由通过卫星250号。要注意，决定选择的是整体路由的质量，而不是单个链路的质量。如下面更详细描述的那样，目的地为发送地面站1000号的数据传输包括目的地地址(节点1000号)。接收地面站2001号知道到目的地节点1000号的路由中的第一无线电链路是卫星250号，并且在地面站2001号的天线ga5号上的传输将在卫星250号处被接收。(可选地，如果在卫星天线sa1号上接收到传输，则卫星250号可以确认该传输来自地面节点2001号。)卫星250号已将天线sa6号存储为用于将数据传输到地面站1000号的天线(可选地，如果在地面站天线ga1号上接收到传输，则地面站1000号可以确认该传输来自卫星250号。)。因此，在地面站和卫星(节点)处选择的天线将传输信号从始发节点指向卫星，然后指向目的地节点，而无需将整个路由存储在任何一个节点或中心位置，并且无需中央计算机来确定优选路由。通过该示例，本领域技术人员将理解如何构建无线电路由以用于从多个接收(目的地)地面站中的任何一个到多个发送(始发)地面站中的任何一个的数据通信。
还将理解的是，卫星140号、280号、165号等也可以从地面站1000号接收到初始信息信号并发送由地面站1052号、1052号、1630号和2001号接收的链路信号。同样，图5中所示的所有卫星以及无线电范围内的任何其他卫星(见图2)都可以从地面站1052号、1630号和2001号中的所有地面站以及无线电范围内的其他任何地面站接收到初始信息信号。然而，根据上面的讨论，进行确定任何两个地面站之间的优选路由，其中，地面站之间的无线电路由中的两个潜在链路的组合品质因数由潜在无线电路由的接收地面节点来评估。
以预定间隔不断重复上述步骤，包括在通过无线电路由传输通信信号的数据包的期间。因此，随着卫星的移动和取向的改变，节点中的模块可以不断更对新节点之间无线电链路的评估，并可以改变始发节点与目的地节点之间的优选无线电路由。这一点通过以下事实促进：各个节点实际上仅与有限数量的其他节点进行通信，因此链路创建过程的每次迭代都只需要更新有限数量的链路。链路刷新过程的频率将取决于各种因素，但是可以相信，在通常的系统中，0.5hz至20hz之间的频率将足够。如已经指出的，如本文所述，仅通过使用节点的机载计算能力的计算来执行链路选择和维护程序。
还应注意，一个节点可以在一个以上的天线上从另一节点接收信号，这取决于天线模块的属性，诸如其hpbw。然而，路由创建过程与上述情况相同。还将理解，许多不同的标准可以用于评估节点之间的潜在链路的质量。典型的标准是链路质量的直接指示，诸如接收的信号的强度和错误率估计。然而，也可以使用其他标准。例如，可以确定潜在链路中节点中的每个节点的剩余电池寿命，并调整质量等级(品质因数)以说明卫星暴露于太阳下的时间，作为电池电量可能只能保持在短时间内支持链路的足够强度的指示。另一标准可以是链路载荷，其是指存储在特定节点处的其他节点的潜在无线电链路的数量。该系统中的每个节点(地面站和卫星)都可以消除质量低于预定阈值(例如fom＝2)的潜在链路。这将防止使用一个质量非常高的链路和一个质量非常低的链路来形成路由，其中质量非常低的链路会中断数据通信，即使该路由的总体质量令人满意。通过消除节点之间的一些传输，还可以减少确定优选无线电路由所需的时间。
b.通过无线电路由传输数据通信
如刚刚所解释的，一旦多个链路被组装成无线电路由，它就可以被用来将通信信号从始发节点发射到目的地节点。然而，在通过无线电路由进行数据传输通信时必须解决的一个问题是，节点中的单个天线不能同时发射和接收信号。‘842和‘899专利以多种方式解决了这个问题。特别适合本系统的一种方式是将节点指定为两种类型之一，在本说明中称为“a”和“b”(或在‘842和‘899专利中称为“奇数”和“偶数”)。在这样的布置中，从一种类型的节点发射的信号以某种方式与从其他类型的节点发送的信号分离，使得节点可以在用于发射信号的同一天线上接收信号。
一种方式是，一种类型的节点在某些频带中发射，而另一种类型的节点在不同频带中发射。在这种布置中，节点中的天线可以同时发射和接收信号。一个缺点是必须在各个频带之间提供足够的间隔，以确保在天线同时发射和接收时不存在干扰。分离信号发射和接收的另一种方式是在特定时隙中从一种类型的节点发射信号，并在与第一时隙交错的不同时隙中从另一种类型的节点发射信号。
根据该描述的数据/通信信号传输由卫星10中的数据移动模块48控制。例如，将在始发地面站处接收包括具有标头和有效载荷的数据的数据包的数据通信。标头通常将包括地址信息，该地址信息包括目的地地面站的标识。数据传输模块将地址信息拆包，并指示目的地节点的系统地址(节点号)。然后，将通过以上述方式建立的无线电路由将数据包发送到目的地地面站。本系统的一个重要方面是，即使在正在进行的数据传输过程期间，优选无线电路由也会发生变化。然而，到达目的地地面站的数据包可以按照已知原理被拆包、进行纠错并以正确的顺序重新组合，即使数据包因为经由不同的路由传输而不按顺序到达或者在创建不同的路由时被延迟。
c.总结
对于本领域技术人员显而易见的是，本系统不只是简单地将‘842和‘899专利中描述的路由创建技术叠加在如下三维网格上：在所述三维网格中，节点包括卫星，而不是基本二维空间中的固定装置。链路选择和路由创建涉及许多因素，上面讨论了其中一些因素，这些因素必须在本文描述的基于空间的三维网格类型中对此加以考虑。例如，由于卫星具有不同的轨迹，其中一些轨迹会穿过广阔的无人居住的海洋，而其他轨迹将穿过会产生更多数据传输的大陆块，因此电池寿命从卫星到卫星的变化会很大。相应地，在选择卫星作为无线电路由中的节点时，剩余的电池电量可以是重要的参数。
使用单个卫星来建立最佳或优选无线电路由具有若干优点。一个优点是它几乎可以瞬间标识出优选路由，因为在卫星与地面站之间传递的无线电信号包括信息，该信息由地面站处和卫星中存储的算法使用，以在几分之一秒的时间内计算出优选无线电路由。因此，一旦地面站向另一地面站发射指示需要路由的信号，则该路由可以立即建立并用于发射通信信号。这种类型的三节点路由可以足够快地“刷新”以最小化数据传输的中断，因此，如果稍后有不同的卫星或同一卫星上的不同天线提供更好质量的路由，则路由配置可以是几乎立即进行调整，以提供更佳质量的路由并最小化数据传输的延迟。它还允许出于其他原因而改变路由中使用的卫星，例如电池寿命的减少。
本领域技术人员将理解，根据以上描述对系统进行设计将需要在系统的不同方面之间进行权衡。因此，实际系统在优化特定设计时将可能涉及许多竞争考虑因素。这些考虑因素中有一些是(仅举几例)：卫星数量、卫星高度、天线数量(尤其是卫星中的)、天线的波束宽度、卫星的大小、用于更新路由创建的周期时间。
本实施方式的一个方面是，根据上面的描述，可以通过简单地将更多的卫星放置在轨道中来容易地增加存在至少一个卫星以建立地面到卫星到地面的无线电路由的概率。由于卫星非常轻巧且便宜，因此增加卫星的数量是提高系统可靠性的经济可行的方式。尽管可能有一段时间没有卫星可立即用于在两个地面站之间建立无线电路由，但是系统可以快速刷新自身的极快速率增加了至少一个卫星即将(可能在几秒钟之内)可用的概率。在大多数应用中，持续时间为这个数量级的时滞将是可以接受的。由于这些原因，本实施方式的特别有用的应用是在特定地理区域上提供可靠的无线电路由。
本文所述的系统还使得能够使用随机轨道的卫星来创建地面对单个卫星的无线电路由，仅可以在预定地理区域上通过该无线电路由来发射和接收信号。发明人于2017年7月21日提交的美国申请no.15/656,111描述了用于在整个埃及提供无线电路由的这种系统。该系统还容易适应地面节点相距太远或地形特征将严重限制两个地面节点可见的卫星数量的设置。在这种情况下，在远距离位置之间提供一个或更多个中间地面节点以创建多个单个卫星无线电路由。这种系统用于提供对整个俄罗斯联邦的覆盖。本发明的这些以及另外的实施方式和方面在美国申请no.15/656,111、以及发明人于2016年8月25日提交的美国临时申请no.62/379,601、以及于2016年9月18日提交的美国专利申请no.62/396,181中描述，其中所有三个申请的内容通过引用并入本文，如同全部列出。
iv.旋转卫星
如已经讨论的那样，根据以上描述设计基于卫星的无线电网格系统涉及多种参数之间的大量权衡。在交叉目标下起作用的、且因此是需要明智选择的参数，是节点中的天线发射的路由信号和呼叫的波束宽度以及天线的功率(增益)。一方面，更大的波束宽度将增加可以创建波束匹配的概率，但是更大的波束宽度会降低天线的增益。相反，较窄的波束将增加天线增益，但会降低在节点之间创建波束匹配的概率。这种权衡在卫星节点中尤其重要，因为卫星天线配置必须考虑对卫星的重量和大小的约束，这限制了卫星可以携带的天线数量以及机载电池提供的电力。还希望增加节点之间可能的波束匹配的数量，因为某些无线电波束可能会由于掠过地球表面而减弱，这可能会在信号到达接收节点之前部分阻挡信号。
在波束宽度和天线增益之间实现适当的权衡对于随机轨道卫星系统的有效运行很重要。这样的系统依赖于可以使用随机轨道卫星来创建路由的统计概率来创建和选择路由。如以上所讨论的，实施起来容易且成本低廉、并且在创建单个卫星无线电路由方面特别有效的基本系统使用翻滚卫星。如已经描述的，卫星的天线指向进入空间——朝向彼此和地球——以实现在节点之间建立链路。该系统的基本特性是它依赖到达其他节点(地面站和卫星)的足够强度的数据传输和路由信号。该系统依赖于轨道中有足够的卫星并进行适当的设计权衡，包括波束宽度与增益之间的权衡，以提高可以通过一个或更多个卫星在两个地面站之间建立合适的路由的概率。然而，如果增加了在卫星之间创建高质量(品质因数)链路的概率，则可能存在通过多个卫星路由可以实现更好的数据传输的系统安装。
本实施方式利用围绕轴线旋转的卫星，如本文所述，这增加了使用一个或更多个卫星可以创建具有高质量链路的路由和子路由的可能性。如下所述，采用旋转卫星可使波束宽度减小，并相应增加增益，从而在节点之间产生更高质量的无线电链路。
a.本实施方式所基于的原理
在上面讨论的翻滚卫星实施方式中，示例性卫星配置使用覆盖大约60％的球形卫星的表面的25个天线。因此，由这样的卫星发射的无线电波束被另一类似的卫星接收的概率的粗略估计约为36％(0.6×0.6)。本领域技术人员将意识到，这仅仅是估算，因为无线电波束将具有旁瓣，这将在一定程度上增加将创建链路的概率。如果卫星的直径加倍，则上述示例中使用的抛物面形盘天线的直径d也可以加倍。通过上面的等式(1)，α＝(k×γ)/d，hpbw将从上面给出的天线示例的值减半到约18°。虽然波束的面积将只有1/4大，但是天线增益将增加四倍，或约6db。另一方面，从一个翻滚卫星发射的无线电波束被另一翻滚卫星接收的概率降低到约2％(36％×(1/4)2)。
如上面在翻滚卫星实施方式中所讨论的，由系统中的节点发送的重复无线电信号包括关于链路和子路由的信息，这些信息仅需要包括最终地面目的地的地址和到该目的地的品质因数。旋转卫星实施方式以翻滚卫星实施方式为出发点，转向用于增加创建无线电链路的可能性的技术(尤其是在具有高增益、窄波束天线的卫星之间)。特别是从下面的讨论中将认识到，旋转卫星系统中的特定无线电路由的持续时间可能不如翻滚卫星系统中的持续时间长。因此，增强路由创建过程的一种方式是使用创建具有较少样本数字数据量的信号的路由(见上面的表1-3)，以使其能够在较短的时间段内发射，从而实现更快的路由创建。
如上所述，数据传输(“呼叫”)通常为以下形式：具有标头的数据包，其包括指示数据包目的地的地址数据，以及包括传输的内容的有效载荷。多个数据包中的标头信息可用于按照传输数据包的相同顺序排列数据包。尽管旋转卫星系统中的特定无线电路由的持续时间可能不如翻滚卫星系统中的持续时间长，但数据传输数据包标头将包含有关数据包正确顺序的信息，以供目的地地面站重新组合传输使用。因此，尽管在中间传输中创建新的无线电路由时完成特定数据传输可能会有延迟，但潜在的缺点将被以下事实所抵消：通过使用旋转卫星而可行的高增益无线电波束更可能建立可以首先在某些地面站之间进行数据传输的无线电路由。
b.将卫星链接到卫星
上面关于翻滚卫星实施方式的进一步讨论指出，可以通过增加地面站天线的数量和增益来增强地面站与卫星之间的无线电链路的建立。这在大多数安装中都是可行的，因为地面站通常不受卫星所具有的重量、可用空间和电力的限制。在本实施方式中，通过使用被部署到有意地围绕旋转轴线旋转的轨道中的卫星来增强通过卫星之间的波束匹配建立的无线电链路。在一个实施方式中，卫星自身具有与图3和图4所描绘的卫星以及与之相关联的上述文本中描述的卫星相同的组件。
卫星的角速度将相对较高。为了说明使用旋转卫星的典型系统的操作，将假设以角速度ω＝2πrad/sec(60rpm)来部署卫星。本领域技术人员将理解，该示例并不意味着是限制性的，并且采用有效地建立如本文所述和要求保护的无线电路由的任何角速度都在本公开的范围内。旋转轴的取向将不受控制，但是物理学原理要求每个卫星都将假设通过其质心的旋转轴线，并且该旋转轴线将以约角速度ω进动。然而，在任何给定时间，旋转轴线的取向都不会影响无线电链路的创建，如从下面的讨论中将显而易见的。
旋转卫星增加了另一卫星接收到发射的无线电波束的概率，因为随着卫星旋转，卫星天线会“掠过”一区域。这可以通过考虑图6a所示的卫星s1来理解，该图是通过卫星“赤道”的示意性横截面，对应于图3中的卫星10的赤道16。在该示例中，卫星s1包括五个天线121、122、123、124和125，每个天线都具有35°的hpbw，围绕其赤道16均等地布置并且围绕z轴以角速度ω旋转。当卫星旋转了一整转时，远离卫星并位于赤道平面中的位置rl将“看到”五个天线。将理解的是，该数量对于不在赤道平面中的位置将是不同的，但是原理仍然成立。还将理解，由于围绕旋转轴线的进动，该数量可以增加或减少，但是随着卫星旋转，远离卫星的大多数位置(包括地面站)仍将看到多个天线。因此，第二个卫星的赤道平面在第一卫星s1的赤道平面中，与上面的翻滚卫星示例相比，能够创建增益增加6db的无线电链路的概率约为10％(5个天线×每个天线2％)。同样增加了与地面站天线建立波束匹配的概率。
应当理解，这是高度理想化的表示，其忽略了诸如卫星绕其旋转轴线进动之类的因素，但是它仍说明了旋转的卫星呈现在两个卫星之间创建波束匹配的概率增加的概念。尽管如此，考虑到可用于路由创建的大量随机轨道卫星，使用旋转卫星进行波束匹配的概率将在很多(如果不是大多数)情况下足以使在两个地面站之间具有更高质量链路的无线电路由能够通过多个卫星组装起来。虽然这在到达相隔较远的地面站方面具有特殊的适用性，但是在其他设置中，它也可以提高地面站之间的无线电路由的可靠性。
反向旋转卫星
优选如下地部署卫星：卫星的大约一半围绕其旋转轴线在第一方向上旋转，而另一半沿相反的方向旋转。图6b对于图6a中的相同部件使用了相同的附图标记，通过示出卫星s1在第一方向上以角速度ω旋转以及第二卫星s2以相同的角速度-ω旋转(在相反的旋转方向上)示出了该原理。这说明了如何维持卫星s1的天线125与卫星s2的天线124之间的波束匹配时间比两个卫星沿相同方向旋转的情况更长。也就是说，如果卫星沿相反的方向旋转，则卫星上面对的天线以彼此基本相同的线速度行进。另一方面，如果卫星沿相同方向旋转，则它们的相对线速度是每个线速度的两倍。在轨道中有足够数量的卫星(在先前的实施方式中为200个)的情况下，可以认为在建立无线电路由的任何给定地理区域上具有多个反向旋转卫星的显著概率。因此，通过部署沿与其他卫星相反的方向旋转的卫星中的至少一些卫星(且优选地约一半)，来增加快速建立相对持久的无线电路由的可能性。另外，不仅各个卫星上的两个天线对准的时间更长，而且一旦它们旋转出彼此的视线，卫星的其他两个天线可以对准，从而能够快速刷新卫星之间的无线电链路。在图6b所示的示例中，卫星s1中的天线121和卫星s2中的天线125接下来将对准。
像上面已经讨论过的用于说明使用旋转卫星的增强功效的示例，这也是反向旋转卫星如何在它们之间建立更持久的无线电链路的理想描述。另外，对于以上描述所基于的假设，在任何给定时间，在两个地面站之间需要无线电路由的区域上可能没有两个反向旋转卫星。尽管如此，这些示例加在一起说明的一点是：旋转卫星，且特别是反向旋转卫星，将提供足够在随机轨道卫星之间建立相对高增益的无线电链路的足够概率，以实现在两个地面站之间经由一个或更多个的卫星进行可靠的数据通信。并且由于天线指向多个方向(优选在围绕卫星的整个球形空间上)，因此在大多数情况下，通过使用旋转卫星将增加在两个旋转卫星之间建立无线电链路的机会。
2.具有不同的角速度的卫星
上面描述的实施方式的一种变型采用了以不同的角速度旋转的卫星。在图6c中示意性地描绘了这种变型，其中，卫星s1以角速度ω1旋转，而s2以不同的角速度ω2旋转。该系统的优点是，反向旋转卫星上的天线可能异相，因为一个卫星上的天线可能直接指向第二个卫星上的天线之间的空间，如图6c所描绘。如果卫星以相同的角速度旋转，则这种情况可能会持续延长的一段时间，从而削弱卫星之间的无线电链路，或者可能完全阻止建立链路。以不同的角速度旋转卫星将增加两个卫星上的天线在某些角度位置彼此相对(同相)的可能性，因此实现在它们之间建立有用的无线电链路。例如，在图6c所示的情况下，卫星上的天线的相正好相差180°，因为卫星s1上的天线122直接指向卫星s2上的天线124与125之间的空间。如果ω1＝1.33×ω2，则随着卫星旋转，卫星s2上的天线125和卫星s2上的天线125将对准。
可以预料，该系统的某些安装将利用大量卫星到卫星的链路，而同时能够忍受在地面站之间传输呼叫的一些延迟。这类安装可受益于使用以稍微不同的角速度旋转的卫星。换句话说，该系统将被设计为增加发射无线电信号的卫星以与接收信号的卫星不同的角速度旋转的概率。由于两个卫星上的不同天线未对准和重新对准，因此在无线电路由间歇性中断和刷新时，数据通信可能会延迟。然而，这可以通过缓冲数据通信并在存在无线电链路时在每个间隔发送它们来补偿。
在示例性方法中，根据下表可以将卫星群组分为具有不同的角速度的五个组。
表4
上面的讨论解释了这如何倾向于增加在各个卫星上的天线之间建立波束匹配的概率。即，以上讨论证明了一个卫星以另一卫星的角度速度的1.33倍的角速度旋转如何能够促进波束匹配的一个实例。相同的原理适用于角速度的其他倍数。
同样，该系统实现还将在给定的时间段内进行可能更多的波束匹配，因为如果卫星以不同的角速度反向旋转，则一个卫星上的天线将有更多的机会与另一卫星上的天线充分对准以形成波束匹配。随着卫星旋转，两个卫星之间在给定的时间或一定的间隔内可能没有波束匹配。然而，随着它们继续以不同的角速度旋转，卫星上的天线可能会形成波束匹配，因为各个卫星上的天线可能会在某个点处对准。这可能需要花费卫星的多次旋转，但是以不同的角速度旋转会大大增加随着卫星继续旋转而产生更多匹配的概率。因此，将从不同卫星上的天线的复杂相互关系中了解，因为卫星在其轨道中移动并围绕其轴线旋转，提供了以各自不同的角速度旋转的多个卫星群组，将增加在任何给定时间间隔期间在卫星对之间创建更多波束匹配的概率。如果替代方案是特定地面站根本无法发送和接收数据传输，则在创建波束匹配时产生的任何所导致的延迟都是可以容忍的。
3.其他注意事项
众所周知，在地球轨道中旋转的物体的角速度(特别是在较低的高度处)，会因若干因素而衰减。例如，即使地球大气在低地球轨道高度处非常薄，在本系统中使用的卫星将优选占据的区域，绕轨道运行的物体仍然受到空气动力阻力。物体中的铁磁性材料穿过地球磁场所产生的力也会影响诸如卫星之类的旋转物体的角速度。旋转卫星经受角速度随时间减小的趋势可以通过各种方式进行补偿。一种方式是使用现有技术中已知的制动火箭或有源机械装置。然而，由于本发明的目的之一是使建造、部署和维护本文所述的无线电系统中使用的卫星的成本最小化，因此优选地使用无源装置来补偿卫星上的外力或产生控制卫星运动的力。
一种这样的装置使用仅在一侧具有太阳能电池单元的太阳能电池板来利用撞击电池板的光子动量，以产生围绕卫星的旋转轴线的扭矩。例如，参考图3和图4，对于被部署为围绕z轴逆时针旋转的卫星(沿负z方向观察)，各个太阳能电池板14a将仅在一侧上具有太阳能电池单元，即面向太阳能电池板14a的观看者的一侧在图4的右侧，而面向远离另一太阳能电池板14a的观看者的一侧在图4的左侧。其余的太阳能电池板的两侧仍将具有太阳能电池单元。尽管较大的太阳能电池板会增加卫星的空气动力阻力，但可以相信，可以通过明智的设计来设置太阳能电池板的大小、构造和取向，这将在卫星上产生净扭矩，从而克服角速度衰减的趋势。
同样认为，可以有选择地分配卫星组件的质量以使其围绕特定轴线旋转。由于可以预料到电池将构成卫星质量的很大比例，因此电池优选位于卫星的质心，并且质量分布关于旋转轴线对称。此外，只要有可能，使用诸如铝等非铁磁性材料，就可以将地球磁场对卫星的影响最小化。除了使用太阳能电池板提供围绕旋转轴线的力矩之外，这些特征还将足以至少减小卫星角速度的衰减率。
如上所述，用于控制卫星运动的以上无源装置中的一些或全部无源装置可以在翻滚卫星实施方式中被采用。也就是说，在一个变型中，一个或更多个太阳能电池板可以仅在一侧上具有太阳能电池单元，以在卫星上施加不平衡的力矩，从而使卫星继续翻滚。另一变型可以将铁磁材料置于卫星上的选定位置，这将在卫星穿过地球磁场时产生大小和方向变化的力。
由于最初部署为旋转的卫星即使其初始角速度随时间衰减也可能仍保留在轨道中，因此它们仍可用作地面站之间的无线电路由中的节点。由于根据本系统的卫星的建造、发射和部署成本低廉，因此可以发射附加的旋转卫星来替代角速度已衰减的任何卫星。这不仅会增加可用于路由创建的卫星的数量，而且会在某种程度上使较旧的卫星中的任何卫星保持旋转，效果将是自动利用通过使用以不同角速度旋转的卫星而获得性能提升。
v.用于三维无线电网格系统的高增益定向天线
如上所述，在建立与卫星的波束匹配方面的重要因素是从卫星发射并由另一节点(卫星或地面站)接收的无线电波束的宽度。旋转卫星将使与配备有比第ii节中讨论的波束更窄的波束(更低的hpbw)的天线的卫星的波束匹配的概率在某种程度上增加。然而，在以下两者之间仍然需要权衡：使用具有较窄波束和较高增益的天线来提高节点之间无线电链路的质量；以及使用产生较宽波束(更高的hpbw)和较低增益的天线来增加创建波束匹配的概率。这种情况变得更加复杂，因为在系统节点之间创建波束匹配取决于许多其他因素，诸如前面讨论的那些因素，因此优化系统性能不仅需要在竞争性天线配置之间进行权衡。尽管根据上述实施方式设计和实现可操作的系统在本领域技术人员的能力范围内，但是这种系统可以证明具有某些性能问题，诸如需要花费大量时间来将多个可接受的无线电链路组装成地面站之间的无线电路由，这继而可能会使呼叫传输延迟。尽管在某些设置下任何潜在的缺点都是可以接受的(诸如在不可能在远距离处传输数据的情况下)，但是优选地组装无线电路由以使这种延迟最小化或消除。
为此，本实施方式描述了天线设计和配置，其可以通过使用高增益无线电波束进一步提高创建卫星到卫星和卫星到地面站的波束匹配的概率，这将导致更快地创建具有无线电路由可接受的品质因数的无线电链路。将理解，相同的天线配置也可以使在这样的天线不可能是较低增益、不太高度定向的天线的两个地面站之间建立无线电链路成为可能。另外，本文讨论的天线设计可用于已经讨论的卫星配置和部署方案中的任一个(诸如旋转和反向旋转卫星)。它们还可以用于使用非轨道空中节点的系统中、不同类型的空中节点之间的直接通信中、以及与个人装置(诸如智能手机和配备wi-fi的计算机等)的直接通信中，其将在下面的第vi节中进一步介绍。
图7是例示本实施方式的基本球形的卫星sx的表面的示意图。图7以二维表示了卫星的三维表面，示出了基本上覆盖卫星表面的卫星天线模块sa的阵列。在此实现方式中，有25个天线模块，编号为sa1至sa25。在图7中的卫星表面的一部分中，示出了天线sa2、sa6、sa7和sa12在卫星表面处的整个天线开口。其他天线的开口被部分示出，其中一些在图7中标记，诸如sa3、sa8、sa11、sa13和sa18。应当理解，这是一个理想化的表示，意在表明优选使卫星尽可能小，以符合期望数量的天线，并且在适当位置处于天线开口之间提供足够的空间以安装太阳能电池板14(见图3和图4)。
为了增加天线增益，使本实施方式中的天线反射器尽可能大以符合系统的其他整体要求(诸如，限制卫星重量和大小以使发射成本最小化)。根据抛物面形天线设计的已知原理，反射器的直径应至少为一个波长，优选为更大。使用上面给出的示例，天线在微波c波段以5ghz信号进行发射(和接收)。然而，为了便于与第ii节中讨论的实施方式进行比较，举一示例，其中天线反射器使用24cm的反射器，这是第ii节的实施方式中的反射器大小的1.6倍。这可能会导致增益增加多达250％(其与反射器直径的平方＝1.62成正比)，但是在所有条件相同的情况下，hpbw只会降低约60％(1/1.6，根据等式1)。如果馈源位于距天线反射器四个波长的位置，则可以相信直径为约一米的卫星(如果该卫星是非球形的，则具有相当的尺寸)将能够满足本文的操作规格。然而，将理解，系统的操作不依赖于使用特定的天线设计，并且本领域技术人员将能够使用已知的天线设计原理来向卫星提供本实施方式所需的能力。然而，具有较大反射器的天线可以用于提供甚至更高的增益，并且可以使卫星相应地更大。而且，增加的重量大部分将归因于卫星外壳大小的增加以及附加的馈源和更大的反射器所需的附加的材料(尽管如果反射器具有网格构造，则可以减轻卫星的重量)。因此，出于上面已经讨论的所有原因，与已知的通信卫星相比，在本实施方式中使用的卫星仍然应非常轻，其中主要的一个原因是它们不需要姿态控制。
在图7所示的本实施方式中，天线sa1至sa25中的每个天线都是具有七个馈源f1至f7的抛物面形天线。以下描述使用符号fxsax表示特定天线的特定馈源。例如，f1sa3是指天线sa3的馈源f1，f5sa18是指天线sa18的馈源f5，依此类推。馈源f1至f6彼此等距地间隔开，并且布置在与天线焦点处的馈源f7相距一定距离处，原因在下面更详细地讨论。可以根据已知的多馈源天线设计和操作原理来选择天线反射器的形状和曲率。天线开口的六边形形状在图中用来强调馈源f2至f7是从反射器焦距轴线移位的。还应理解，天线反射器可具有非抛物线形拓扑，诸如球形、球形/抛物线形组合以及其他形状，以使本文描述的系统实施方式的操作特性最大化。本领域技术人员将能够适应在本实施方式中使用的多馈源反射天线设计的示例，其在美国专利no.3,815,140、no.6,208,312、no.6,219,003和no.9,035,839中公开，其全部公开内容通过引用并入本文，如同全文列出一样。应当理解，天线的数量和每个天线的馈源的数量取决于卫星的设计和系统的期望的操作特性。在本发明的范围内，可以使用更多或更少的天线和馈源。
天线控制电路
图8是示例性计算机电路的功能框图，其用于处理由天线馈源接收到的路由信号和呼叫，以及用于组装用于由天线馈源进行传输的链路信号和呼叫。如同先前所述的对计算机和处理电路的所有描述一样，图8中的方框及其之间的连接仅用于帮助说明本实施方式的操作。将在本领域技术范围内设计和实现执行本文所述的功能所需的适当的计算机组件，包括硬件、固件和/或软件。而且，图8中的电路图并不意味着建议用于执行待描述的功能的任何特定架构。
为了说明的目的，图8仅示出了天线模块sa1和sa25；为了清楚起见，图中省略了其余的天线模块。每个天线模块都具有与之关联的微处理器“μproc”，以用于处理引入天线馈源的信号并从天线馈源接收信号。各个天线微处理器在图8中用符号μproc(sax)表示，“x”是根据上面图7描述的所关联的天线模块的编号。因此，在图中，“μproc(sa25)”表示用于处理引入到天线模块sa1的馈源f1到f7并从中接收的信号的机载电路。同样，“μproc(sa25]”表示用于处理引入天线模块sa25的馈源f1至f7并从中接收的信号的机载电路。其他天线模块sa2至sa24中的每个天线模块均与自己的微处理器相关联，如图8中的μproc(sa1)与μproc(sa25)之间的多个点所表示。每个微处理器μproc包括由r1至r7表示的无线电收发器，指示每个收发器与该天线的相对应的馈源f1至f7相关联。收发器将由馈源接收的rf信号转换为数据流，并将数据流转换为rf信号以由天线广播。
天线模块微处理器通过电源线和数据线40sa1至40sa25连接至卫星cpu40’。线40sa1和40sa25之间的图8中的点表明相似的电源线和数据线还将相对应的电源线和数据线连接至每个天线模块微处理器μproc(sa2)至μproc(sa24)。如现在讨论的，这里用于电源线和数据线以及卫星cpu的附图标记与图4所示的那些相同，以表明由相同的附图标记标识的组件用于执行类似于图4中相同附图标记的相应组件的路由创建和数据传输。
b.路由创建和数据传输
通常，如以上在iiia节中所讨论的那样创建无线电路由。然而，对于每个卫星天线使用多个馈源不仅需要标识给定无线电路由的特定卫星天线，而且还需要标识该天线的单个馈源。例如，在利用根据本实施方式的系统创建无线电路由的一种方法中，路由消息将包括关于特定天线的天线馈源的信息，而不仅仅是天线自身。该描述将用作在上面的第iii节中讨论并且在图5中描绘了通过单个卫星在两个地面站之间创建无线电路由的示例。地面站节点可以具有与卫星节点相似的多馈源天线，或者可以与图5相关联的实施方式相同地构造，每个天线只有一个馈源。无论哪种情况，地面站节点都可以使用比卫星节点更大和/或更多的天线，因为地面站没有同样的大小和重量的约束。然而，地面站节点仅需要布置成用于围绕180°球体发射和接收信号的天线(也就是说，其天线只需要指向“上”和“出”来覆盖地面站上方的天空)。
参考表1随附的讨论，地面节点发出带有表1中标识的初始信息的路由信号。一个或更多个卫星在其天线上接收这些信号，但是在本实施方式中，用于接收信号的每个天线模块的天线模块微处理器μproc(sa)既标识从地面站接收信号的特定天线(一个或更多个)，也标识接收信号的天线馈源。路由过程中的后续步骤类似于上面表2和表3相关讨论的步骤，其中已从地面站接收到初始信息信号的所有卫星的所有天线都广播路由信号。然而，在本实施方式中，所有天线中的所有馈源都广播路由信号。
如图7所示，对卫星天线馈源进行编号以指示相似编号的馈源在相似时隙中发送路由信号。同样，在所有天线中，相似编号的馈源相对于天线反射器设置在相同的位置，以使相邻天线的相同编号的馈源之间的角度间隔最大。换句话说，卫星天线的相对应的馈源相对于天线反射器以基本相同的角取向设置，以便相对于天线的轴线以基本相同的角度进行发射。因此，来自相似编号的馈源的窄无线电波束可以同时广播，它们几乎没有机会相互干扰或在同一节点处被接收。结果，节点中的所有天线馈源都可以在同一时隙中发送。例如，所有天线sa1到sa25将同时从它们的f1馈源进行发射，然后所有天线将同时从其f2馈源进行发射，等等。对于每个路由创建周期，这将导致七个不同的时隙。另外，所有的馈源都设置在一个虚想表面上，该虚想表面具有与天线反射表面基本相同的拓扑。(例如，如果天线具有抛物面形反射器，则虚想表面也是抛物面形。)因此，本实施方式仅需要七个时隙来广播来自所有天线馈源的路由信号，与使用25个单馈源天线的上述实施方式中的25个时隙相反。这进一步增加了在两个地面站之间快速创建无线电路由的概率。
由于天线馈源的空间密度增加，因此一个以上馈源可以接收传入的路由信号中的至少一些路由信号。如果在无线电路由中使用了该天线模块，则各个天线微处理器μproc会标识将提供最高质量无线电链路的馈源。这可以使用上面已经讨论的标准中的任何一种来完成。此信息通过电源线和数据线40sai至40sa25传递到卫星cpu40’，然后，它们对各个天线微处理器选择的所有无线电信号执行其自己的评估。当相邻天线模块中的馈源接收到来自另一节点(在此示例中为地面站1000号)的传入的无线电信号时，遵循相同的过程。例如，传入的初始信息信号可能会被相邻天线模块中的四个馈源(例如f3sa2、f4sa2、f1sa7和f6sa7)接收到。在这种情况下，微处理器μproc(sa2)将确定其馈源f3或f4中的哪个提供更好的无线电链路，并向卫星cpu40’提供支持该决定的确定性参数。同样地，微处理器μproc(sa7)将确定其馈源f1或f6中的哪一者将提供更好的无线电链路，并将支持该决定的确定性参数提供至卫星cpu40’。然后，卫星cpu使用从天线模块接收到的所有数据来标识天线模块及其馈源，以将从所有175个天线馈源发送的路由信号包括在内。然后根据图5所附的讨论在地面站之间标识无线电路由。
数据传输按第iiib节所述进行。在不重复该节的整个数据传输过程的情况下，基本概念是在始发地面站接收包括具有标头和有效载荷的数据的数据包的数据通信。标头通常将包括地址信息，该地址信息包括目的地地面站的标识。数据传输模块将该地址信息拆包，并指示目的地节点的系统地址(节点号)。然后，将通过上述方式建立的无线电路由将数据包发送到目的地地面站。
在该过程的变型中，在节点之间发送的路由消息不包括天线馈源信息。即，它们基本上与以上表2和3相关联描述的路由创建过程中的相同。在这种适配中，卫星存储与特定接收天线相关联的天线馈源。例如，在表2中，如果卫星节点250号接收到接收天线sa6的馈源f7上的路由信号，卫星将机载存储该信息。然后，如果用于到地面节点1000的数据传输的路由包括在卫星250号中的天线sa6，则卫星将使用该天线的馈源f7进行广播。
以下是根据本实施方式的一个示例性应用的创建用于数据传输的节点间无线电路由所涉及的步骤的总结：
1.第一节点n1从其多个天线发送第一路由消息。
2.来自节点n1的第一路由消息可以被至少两个不同的节点n2和n3接收。
3.节点n2可以在第一天线的一个以上的馈源和/或第二天线的一个以上的馈源上听到第一路由消息。
4.如果是这样，则节点n2确定在第一天线中具有最高质量信号的馈源和在第二天线中具有最高质量信号的馈源。
5.然后，节点n2将第一天线与第二天线之间的信号质量进行比较，并选择具有更好信号质量的天线。
6.然后，节点n2发送第二路由消息，该第二路由消息包括其标识(“n2”)、节点n1的标识、以及节点n1与节点n2之间的信号质量。
7.节点n3还可在第一天线的一个以上的馈源和/或第二天线的一个以上的馈源上接收第一路由消息；如果是这样，则节点n3将第一天线与第二天线之间的信号质量进行比较，并选择具有更好信号质量的天线。
8.然后，节点n3发送第三路由消息，该第三路由消息包括其标识(“n3”)、节点n1的标识、以及节点n1与节点n3之间的信号质量。
9.因此，接收第一和第二路由消息的节点n4知道(通过节点n2或n3)到节点n1的更高质量的无线电路由。
10.由节点n4接收的用于传输到节点n1的呼叫(数据传输)相应地指向节点n2或节点n3，这些节点又使用步骤5中标识的天线馈源(节点n2)或步骤7中标识的天线馈源(节点n3)将呼叫发送到节点n1。
将理解的是，在该示例中，节点n1可以表示与另一卫星节点链接的目的地地面站或中间节点。同样，节点n4可以表示与另一卫星链接的始发地面站或中间节点。还应理解，上述步骤被呈现为在根据该实施方式的系统中的节点之间创建无线电路由的一种方式。其并非在所有情况下都适用。例如，给定的卫星天线馈源可能接收到质量不足以通过阈值测试的路由消息，因此被卫星中适合用于无线电链路的处理电路拒绝。
c.总结
通过使用较大的卫星天线，本实施方式将从卫星发射的路由信号的增益增加与增加的天线直径的平方成正比的倍数，但是仅使天线hpbw减小与直径自身成正比的量。同时，该天线中的每个天线都具有多个馈源，这实际上将可用于路由创建的卫星天线的数量乘以每个天线中的馈源的数量。在图7所描绘的示例性卫星中，天线的有效数量为125。将理解的是，向卫星提供接近该实施方式所实现的路由创建能力的卫星将需要相同数量的具有相同大小的单馈源天线。由于不同天线的相对应设置的馈源可以在同一时隙中广播路由消息，因此每个路由创建周期只需要七个时隙，而不是如在具有25个单馈源天线的实施方式中的25个时隙。这将减少建立路由所花费的时间。
卫星具有125个单馈源天线的、能够以相当的增益和波束宽度广播和接收无线电信号，则将需要100个附加的单馈源天线。这样的系统的最广泛的方面都在本发明的范围内，但是它将排除了本发明的许多重要目的。这些目的之一是提供一种系统，在该系统中，卫星非常小且轻，从而最小化发射成本。可以最小化发射成本的一种方式是在单个载具上发射多个卫星。较大和较重的卫星比较小、较轻的卫星需要更多的发射。尽管使用多馈源天线的本实施方式通常将使用比上面进一步讨论的单馈源实施方式更大且稍重的卫星，但它们仍将比具有足够单馈源天线以实现相同的功能的卫星小和轻几个数量级。此外，将从每个卫星发送的路由信号数量增加几倍，可能会增加与地面站和其他卫星建立无线电链路的概率，这可能会减少与使用具有单馈源天线的卫星获得相同结果所需的卫星数量，因此降低了根据本实施方式的系统的部署成本。
此外，具有多馈源天线的地面节点也将增强它们之间的直接通信。例如，取决于根据本实施方式的系统所服务的地形，系统节点(卫星和地面站)中的合适算法可以在两个特定地面站之间组装无线电路由，而无需涉及卫星中的任一卫星。而且，这样的节点可以用于增强纯粹基于地面的无线电网格系统的可操作性，诸如在发明人的美国专利no.5,793,842和no.6,459,899中公开的那些。能够在一定球形范围内产生高增益波束的节点将在具有高建筑物的城市中找到实用性，其可能包含能够将无线电波束引向地面的节点。另一示例是包括高山和山谷的城市，诸如洛杉矶地区。
在地面节点到节点通信系统中，可以通过使用由多馈源天线(诸如表征本实施方式的天线)创建的非常窄的波束来节省全市的带宽。这些更高增益的天线还将提供更好的接收的信号强度。尽管多馈源天线系统将需要附加的无线电收发器，但考虑到成本，可以使用半球形设计，在山谷中四面朝上，而在更高的海拔四面朝下，以减少在给定的节点中需要的天线数量。
vi.用于三维无线电网格系统的其他空中节点实施方式
如已经指出的，本文描述的三维无线电系统的实现不限于使用大约500英里左右的低地球轨道中的卫星。在一种变型中，可以利用在100-200英里范围内的非常低的地球轨道中的卫星来增加到达地面的无线电信号的强度。另外，在本文所述的系统中也可以使用非轨道空中节点。例如，在构造上类似于上述卫星的节点可以从气球悬浮，该气球可以在平流层中(或更低的高度)自由漂移。安装在气球上的节点将包括与布置在节点中的上述卫星天线相对应的天线，以用于在多个方向上发射和接收信号。另一变型可以将这样的节点安装在随机部署在特定区域上的无人飞行器(“无人机”)上。相信这样的系统比基于卫星的系统更容易直接从手持装置或其他个人装置进行通信，因为无人机比在卫星节点系统中更靠近地面站(手持装置)。
低地球轨道卫星中的上述变型中的任何一者都可以单独使用，或者可以组合两个或更多个这样的变型来使用。图9示出了这些变型中一些变型。在图中，低地球轨道卫星slo1和slo2代表了很多这种无需姿态控制的卫星，诸如上面详细讨论的卫星。在图9中还示出了非常低的地球轨道卫星svlo1、svlo2、svlo3等，它们代表了很多这种无需姿态控制的卫星。这些卫星可用于支持所谓的“物联网”(iot)，物联网通常是指网络互连的物理装置、载具(也称为“连接装置”和“智能装置”)、建筑物以及嵌入电子器件、软件、传感器、致动器的其他物体，以及使这些对象能够收集和交换数据的网络连接。这种iot装置必须直接相互连接，并且来自低空飞行的卫星的更强的信号强度可以使地球表面处可用的信号强度比更高海拔处的卫星增加多达6db。如前一实施方式所述，通过使用带有多馈源天线的卫星可以实现进一步提高这种系统的可操作性。
另一可替代的节点类型将安装在气球bni、bns等上，这些气球被允许漂浮在高海拔大气中。气球在向地球表面e上相对较小的区域提供通信服务(internet访问、电子邮件等)方面可能证实很有用。google正在测试一个称为projectloon的系统，以向乡村和偏远地区提供internet访问。据报道，高海拔气球被放置在平流层中的约18公里(11英里)的海拔处，以创建空中无线网络。在使用已发布的风数据以期望的速度和方向标识风层之后，通过调整其在平流层中的海拔来操纵气球以漂浮到风层。信号通过气球网络从气球传送到气球，然后到达连接至internet服务提供商(isp)的地面站，然后到达全球internet。例如，参见“projectloon”wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/project_loon(最后于2017年9月20日访问)。像googleprojectloon系统一样，本领域的技术人员可以轻松地调整诸如本文所述的节点，包括那些具有多馈源天线的节点。
另一种类型的非轨道空中节点可以安装在无人机dr1、dr2等上。无人机可能会飞过在海拔1000-2000英尺的指定区域，然而根据系统待服务的特定区域，可能需要其他海拔高度。这些节点将优选地使用上述多馈源天线实施方式来提供足够强的信号，以使得能够与各个手持装置hd直接通信，如地面站gs3与手持装置hd之间的经由气球bn2和无人机dr1的实线所指示的。也可能存在从地面站gs2经由无人机dr1至手持装置的路由。图9还以单点划线和双点划线示出了根据本文的描述的使用空中节点创建的其他示例性路由。根据上面进一步的讨论，在两个地面站之间的直接的路由由图中的虚线表示。
ⅶ.其他修改和变型
应当理解，在本发明的范围内，至此所描述的结构和方法的多种变型和修改是可能的。以上示例性实施方式使用两个潜在无线电链路的添加的品质因数来选择优选无线电路由。然而，本发明包括确定优选路由的其他方式，因为使用两个不同潜在无线电路由的品质因数之和，将相比于单个卫星路由更倾向于多个卫星路由。因此，尽管在单个卫星路由中添加的品质因数通常会导致最佳或优选路由，但是在潜在的单个卫星路由与多个卫星路由之间或在两个潜在的多个卫星路由之间进行选择时，可能需要更复杂和繁杂的算法来实现本发明的这一方面。在这些情况下，一种可能的方法是，当其他潜在路由将包含由于一个或更多个原因而被判断为劣等的链路时，选择特定的路由，上面讨论了这些示例中的一些示例(不足的信号强度和/或在潜在的多个卫星路由中的各种节点之间的过高错误率、低的剩余卫星电池寿命、过量的链路载荷、或消除品质因数低于预定阈值的潜在链路)。
本领域技术人员将认识到，如本文所讨论的“品质因数”仅是表达选择被认为是对于两个地面站之间的数据通信而言最佳的无线电路由的重要概念的一种方式。用于确定特定潜在链路的品质因数的参数不限于本说明书中具体指出的参数。一个示例将考虑到卫星相对于彼此移动，使得卫星之间或卫星与地面站之间的潜在链路的质量将随时间改变。因此，选择链路的因素之一可能是链路质量(品质因数)相对于时间的导数，因为正值表示链路质量会提高，且因此更加稳定，而负值表示相反。
ⅶ.总结与结论
本领域技术人员将容易认识到，仅描绘和描述了本发明所选的优选实施方式，并且将理解，在不脱离本发明的仅由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以进行除了上面具体提到的那些以外的各种改变和修改。
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