專利名稱：通信平臺的空中構像和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及小型空中通信平臺的構像，具體地說涉及多個在相鄰的地理區(qū)域上分開的漂浮在地球大氣層的同溫層中的小型、比空氣還輕的通信平臺。要求基于1999年6月29日提交的美國實用新型專利申請09/342,440的優(yōu)先權。
背景技術：
目前，所有通信衛(wèi)星都位于一個稱作為地球同步弧的軌道上，該地球同步弧位于地球赤道之上22,300英里。由于國際條約要求衛(wèi)星之間要間隔2°，于是在地球同步軌道上只能有180個站點。一個優(yōu)化設計的三級化學火箭通常在發(fā)射時要推進94％以到達地球同步軌道，在將大約5.6％的重量分配給火箭之后，只將初始發(fā)射重量的大約0.4％留給衛(wèi)星。換個角度表達這種情況，一個具有相同性能的、通常重量為3,000英磅的汽車將只能載一個重量為200英磅的人，需要8,400加侖的油箱，并且在一次旅行之后將成為廢品。最后，盡管NASA的航天飛機能夠以巨大的開支為幾個較低軌道衛(wèi)星服務，大多數(shù)衛(wèi)星在發(fā)射之后是得不到服務或升級的。
目前，由于在地球同步軌道上只有有限數(shù)目的站點，所以同步衛(wèi)星的尺寸和性能都在增大，并且現(xiàn)在能夠直接向各個家庭廣播電視信號。最近，已經(jīng)研制出其他不需要地球同步軌道的衛(wèi)星網(wǎng)絡。所有這些新的網(wǎng)絡都已經(jīng)將較小的通信衛(wèi)星發(fā)射到非常低的對站點數(shù)無限制的軌道上。由于對于一個網(wǎng)絡來說，衛(wèi)星數(shù)目可以是更多并且衛(wèi)星較小，所以每個火箭已經(jīng)能夠最多發(fā)射8顆衛(wèi)星。盡管衛(wèi)星越來越小并且數(shù)目越來越多，但仍沒有“個人衛(wèi)星”，并且在衛(wèi)星工業(yè)中至今沒有消費者產(chǎn)品的批量生產(chǎn)商。
據(jù)估計，在低地球軌道中的微衛(wèi)星網(wǎng)絡和用于進行跟蹤、發(fā)射、接收、在多個微衛(wèi)星之間進行信號切換所需的地面設備以及用于語音系統(tǒng)的必要系統(tǒng)網(wǎng)絡至少需要30億美元。在配置一個系統(tǒng)的4年中，預計25萬用戶中的每一個用戶在設備上投資3,000美元，這樣用戶在新設備上的總的組合投資大約為150億美元。據(jù)估計一個小型的低地球軌道先進消息發(fā)送衛(wèi)星系統(tǒng)的開發(fā)成本大約為475百萬美元。預計這樣一個系統(tǒng)可以服務于2-3百萬用戶，每個用戶的用戶設備要花費300-1,000美元。于是，用戶對設備的總投資至少為600百萬美元。
當前已有生產(chǎn)用于收集氣象信息的無線電高空探測器的工業(yè)。無線電高空控測器是在氣象氣球上發(fā)射的用于收集氣象數(shù)據(jù)的儀器組。每天在格林尼治時間中午和午夜從世界上各站點網(wǎng)絡發(fā)射無線電高空探測器。氣象服務無線電高空探測器在從地球表面上升到大約100,000英尺時，在2小時飛行中收集溫度、濕度、壓力和風數(shù)據(jù)。然后將該數(shù)據(jù)輸入到運行在超大型計算機上的大氣模型中。從上升的無線電高空探測器網(wǎng)絡中收集的信息對于氣象預測是重要的。大多數(shù)國家受條約約束，從指定的站點發(fā)射無線電高空探測器，并且和其他國家共享數(shù)據(jù)。目前，世界上每年大約發(fā)射800,000個無線電高空探測器。該數(shù)據(jù)表明997個全球氣象站每年365天，每天發(fā)射2個無線電高空探測器(727,000)，加上少量的為了軍事和科研目的發(fā)射的無線電高空探測器。大約18％的無線電高空探測器被回收，這樣每年需要新生產(chǎn)大約650,000個氣象收集無線電高空探測器。
當前用于跟蹤氣象氣球的本地系統(tǒng)或者不活動(Omega，2000年之前開始不活動，并且Loran-C在2000年之后不久開始不活動)或者如此老化以至操作和維護正在變得非常昂貴(雷達和無線電經(jīng)緯儀)。無線電高空探測器系統(tǒng)中的變化通常比較慢，由于氣象學家是通過比較幾十年來收集的數(shù)據(jù)來研究氣象趨勢。于是，他們對任何能在數(shù)據(jù)收集時引起數(shù)據(jù)產(chǎn)生新的偏移的變化都非常敏感。從大多數(shù)用戶(例如美國國家氣象服務(NWS))在數(shù)字助航探空儀已廣泛使用許多年仍然使用由無線電經(jīng)緯儀跟蹤的模擬無線電高空探測器這樣的事實中，更能證明這點。緊縮政府預算已使一些用戶不能支付新的所需技術。當前在探空儀市場上有一種趨勢，轉為使用全球定位系統(tǒng)(GPS)用于進行無線電高空探測器上的風向跟蹤。從1995到1998，NWS嘗試過從美國國會得到開發(fā)用于美國觀察網(wǎng)絡的GPS跟蹤系統(tǒng)項目的基金，但失敗了。在不能獲得必要的新技術來代替陳舊的無法得到支持的無線電高空探測器基礎設施的同時，也不能將無線電高空探測器的頻譜再分配給商業(yè)使用。無線電高空探測器傳統(tǒng)上以400MHZ發(fā)射，用于助航探空儀，在1680MHZ發(fā)射，用于無線電經(jīng)緯儀探空儀。在美國可以由聯(lián)邦通信委員會(FCC)拍賣400MHZ頻帶，由商業(yè)服務來同時使用。于是，增加了干擾，可以強迫探空儀使用帶有數(shù)字下行鏈路的窄帶寬，而不是至今普遍使用的具有模擬下行鏈路的寬帶。
非常大和昂貴的NASA氣球是單獨發(fā)射的，并且在很長的時間里維持在一漂浮的高度上。這些氣球攜帶了幾百磅的設備，并且每個耗資上萬美元。由于漂動，單個氣球不能從視線上連續(xù)覆蓋很廣的地理區(qū)域。
個人通信服務(PCS)是一種新的數(shù)字服務，F(xiàn)CC在1994年開始拍賣該頻帶。PCS被分成兩類寬帶和窄帶PCS。寬帶PCS主要用于語音服務和與傳統(tǒng)蜂窩電話競爭的PCS寬帶電話。窄帶PCS用于先進的消息傳送，主要是雙向尋呼。尋呼工業(yè)將先進的消息傳送看作是一個人的電子郵件帳戶的移動分機，就象一個蜂窩電話已是臺式電話的移動分機一樣。全國性窄帶PCS(NPCS)是FCC曾拍賣的第一頻譜。大約30個區(qū)域和全國NPCS許可證已被拍賣并售給私人商業(yè)投資者。對頻譜進行拍賣是非常有意義的，拍賣的頻譜在使用上的限制要比FCC許可的傳統(tǒng)頻譜少，在拍賣之前，F(xiàn)CC逐段地對頻譜進行授權，并且公司不得不證實它們?yōu)榱恕肮怖妗笔褂脽o線電波。通常對如何使用頻率有非常具體的聯(lián)幫規(guī)定。由于公司為它們的PCS許可支付了費用，所以它們實質上擁有頻譜。FCC僅施加很小的規(guī)定來防止系統(tǒng)受其他載波系統(tǒng)和其他國家系統(tǒng)的干擾。此外，F(xiàn)CC和工業(yè)加拿大達成了已知的陸地無線電通信協(xié)議和方案，與在美國拍賣的NPCS頻譜一樣，按照相同的信道結構，加拿大分配相同的NPCS頻率。這樣就使過境NPCS成為可能，并且在1996，在加拿大至少一個尋呼系統(tǒng)公司被授與NPCS許可證，在與其美國受許可人的頻率相同的頻率上運行。墨西哥也與美國一樣規(guī)定了相同的信道間隔。
FCC的目標之一是鼓勵為郊區(qū)消費者以合理的價格提供無線電頻率(RF)通信服務。大部分大型的通信公司忽略了該市場，因為把無通信提供給人口稀少地區(qū)只能得到較少的投資回報。這些無線服務包括尋呼、先進的消息傳遞、遙感勘測、語音等。盡管使用衛(wèi)星系統(tǒng)可以在郊區(qū)得到語音和消息傳遞服務，但每個單元通常的成本為上千美元，超出了大多數(shù)消費者能接受的水平。此外，衛(wèi)星系統(tǒng)在市區(qū)提供服務也有問題，因為它們缺少穿透建筑物所必須的信號強度。
發(fā)明的目的本發(fā)明通過使用小型、相對便宜的微電子技術將現(xiàn)有的通信衛(wèi)星提供的多數(shù)功能合并到小型的、比空氣還輕的通信平臺中，來克服現(xiàn)有通信衛(wèi)星中存在的缺點。具體地說，對形成一個構像的多個比空氣還輕的氣球進行設計，以把微電子通信設備攜帶到稱為同溫層的地球大氣層中。這些平臺的重量要比目前發(fā)射到非地球同步軌道的微型衛(wèi)星輕100-1000倍。為了方便，在此有時將空中通信平臺或攜帶電子通信和控制設備負載的氣球稱為“同溫毫微衛(wèi)星”或簡稱為“SNS”。在米制系統(tǒng)中，前綴“毫微”表示比前綴“微”小1,000倍。SNS發(fā)明不再需要使用火箭將衛(wèi)星推進軌道。在相隔的地理位置上同步地進行多個SNS平臺的空中發(fā)射提供了一個低成本衛(wèi)星構像。發(fā)射之后，SNS平臺上升到一個受控、可調節(jié)的高度，在該高度上它們可以根據(jù)大氣、同溫層氣象條件以及特別是風而在地理區(qū)域上遷移。SNS平臺可以通過排氣或扔下壓艙物來升高或下降以趕上喜歡的當前風，從而使SNS平臺均勻地分開。當不再需要時，可以使平臺快速下降。輔助平臺的額外發(fā)射用于填補構像中出現(xiàn)的過多的間隙。
目前為陸地無線通信設計的用戶設備可以與本發(fā)明的SNS系統(tǒng)一起工作。在傳統(tǒng)通信衛(wèi)星工業(yè)中這是不可能的，因為或者通信衛(wèi)星離用戶太遠(對于地球同步衛(wèi)星來說超過了22,000英里)，沒有專用的用戶設備會使信號很弱，或者衛(wèi)星相對于地面上的用戶來說運行的速度太快(對于低地球軌道衛(wèi)星來說大約超過36,000mph)，使接收機中出現(xiàn)頻率錯誤。SNS平臺至多離地面用戶約175英里(280公里)，這取決于覆蓋地理區(qū)域的多個平臺中特定平臺的高度和徑向覆蓋范圍。此外，空中平臺以接近汽車的速度(在漂浮高度上以0-80mph)移動。與現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)兼容是非常有好處的，因為配置一個新的通信系統(tǒng)，用戶設備投資總是所需總投資中最大的部分。
與軌道衛(wèi)星系統(tǒng)的大的配置成本和新設備成本相比，本發(fā)明提供一個低成本的替代方案，不需要新的用戶設備。于是SNS系統(tǒng)的優(yōu)點是提供了一個與現(xiàn)有的標準單向和雙向尋呼機兼容的，可以與現(xiàn)有的塔基收發(fā)信機網(wǎng)絡一起使用的先進的消息傳遞SNS網(wǎng)絡。即使不考慮配置SNS系統(tǒng)，市場分析預計到2003年將有3500萬用戶攜帶兼容的標準雙向尋呼設備。例如，以每單元100美元計算，則用戶投資將超過35億。這些用戶可以通過簡單地選擇按月付費并遞增使用費，來接收本發(fā)明的SNS平臺網(wǎng)絡的加強覆蓋作為他們當前服務的擴展。無需對新用戶設備或培訓進行預先投資并且也不需要改變用戶的習慣，也不必象當前衛(wèi)星尋呼機中那樣，用戶攜帶一個以上的尋呼機或其他通信設備。
此外，在進行先進的消息傳遞時，本發(fā)明的SNS系統(tǒng)使用國際上采納的通信協(xié)議或尋呼協(xié)議。對于新系統(tǒng)來說，國際機會至少等于在美國的潛力。SNS系統(tǒng)也可以利用其他的流行的尋呼協(xié)議。除了個人尋呼之外，該系統(tǒng)還可以用于其他通信、遠程圖象、紅外掃描、設備跟蹤以及氣象數(shù)據(jù)收集服務。
對于國家氣象服務(NWS)來說也是有好處的，可以考慮利用當前的SNS發(fā)明在SNS平臺上升期間作為一個為NWS提供所需信息的替代系統(tǒng)。來自SNS平臺的GPS信息能夠提供NWS所需的但無法獲得的所希望的有關風的信息?，F(xiàn)有的NWS發(fā)射設施甚至可以用作SNS發(fā)射、跟蹤和通信站點。在升高并向NWS發(fā)送了氣象數(shù)據(jù)之后，將平臺控制在調節(jié)的高度上漂浮并且提供其他的商業(yè)通信服務。NWS探空儀可以被可拆卸地連接并且在升高過程結束并且已經(jīng)向NWS發(fā)送了所希望的信息之后可以作為壓艙物扔下。所連接的無線電探空器可以與當前無線電探空器使用完全相同的傳感器，以使數(shù)據(jù)和當前的無線電探空器數(shù)據(jù)完全一致。
本發(fā)明的SNS網(wǎng)絡獨特地設計成覆蓋較大的區(qū)域并且在邊界國家之間按國家標準(理想情況下以國際標準)使用專用頻率。由于每個SNS空中平臺具有較大的覆蓋環(huán)，本發(fā)明還具有將國家范圍(或理想情況下國際)專用頻率分配給SNS系統(tǒng)的優(yōu)點。在不進行時間多路復用而重疊使用相同頻率的情況下，信號很容易在接收機上引起干擾。系統(tǒng)將優(yōu)化地工作在“窄帶個人通信服務”頻率范圍或“NPCS”頻譜上。此外，在美國NPCS工業(yè)一般同意稱作為“ReFLEX”(是摩托羅拉公司的商標)的標準雙向消息傳遞協(xié)議。ReFLEX是使用時分多址(TDMA)系統(tǒng)的協(xié)議。ReFLEX協(xié)議是摩托羅拉設計的FLEX協(xié)議的擴展并且是一個在4分鐘周期中有128個幀的同步協(xié)議。使用GPS技術對每幀的開始進行全國范圍的對準以便進行定時。這樣就可以通過簡單地在每個4分鐘周期上將一定數(shù)目的幀分配給每個網(wǎng)絡在本發(fā)明的SNS網(wǎng)絡和目前的陸地衛(wèi)星網(wǎng)絡之間共事單個頻率。于是，在此公開的SNS系統(tǒng)或者運行在其自己專用的頻率上，或者在相同的信道上和陸地系統(tǒng)合作，并且從不在彼此的上端發(fā)射。這對于TDMA來說是獨特的，并且優(yōu)選地可以加入到新的SNS系統(tǒng)中去。
盡管優(yōu)選地FLEX和ReFLEX協(xié)議使用TDMA系統(tǒng)，SNS發(fā)明也可以使用其他的諸如碼分多址(CDMA)以及甚至是頻分多址(FDMA)系統(tǒng)來工作。碼分多址(CDMA)在整個可用帶寬上擴展數(shù)字數(shù)據(jù)。多數(shù)據(jù)流彼此之間重疊地放置在信道上(有時稱為擴展頻譜技術)，為每個數(shù)據(jù)流分配一個唯一的序列代碼。盡管唯一的序列代碼可以使帶寬得到非常有效地使用，然而它太復雜并且太昂貴。FDMA系統(tǒng)為每個數(shù)據(jù)流指定其自己的頻率。盡管這樣提供了一個非常容易實施并且設備成本較低的系統(tǒng)，但是會使帶寬得不到有效利用。
ReFLEX在一個4分鐘周期里具有128個分立的時隙。SNS系統(tǒng)可以使用其自己的頻率或者可以和同伴尋呼載波共享時隙。ReFLEX使用的TDMA系統(tǒng)有效地利用帶寬。它較復雜并且有一些相關的設備成本。然而，使用高速微處理器可以很容易地繼續(xù)解決這種復雜性，并且能夠繼續(xù)降低設備成本。
ReFLEX協(xié)議將每個4分鐘周期劃分成128個時隙或幀，SNS系統(tǒng)可以在一個頻率上和其他可能具有重疊的地理覆蓋的尋呼天線和陸地塔共享這128個時隙。一個尋呼機能夠接收來自多平臺和陸地塔的廣播，但由于具有相鄰覆蓋的每個平臺或塔被分配了一個具體的幀或多個具體的幀，尋呼機在每個時隙只“聽”到一個發(fā)射機。本發(fā)明的目的是構建一個可以被動態(tài)分配新幀的通信平臺，隨著平臺漂移進行發(fā)射，以確保尋呼機在相同的幀中只從一個發(fā)射機接收發(fā)送。
本發(fā)明的再一目的是動態(tài)再分配時隙，以便在任何給定時刻或位置，一個平臺與其他平臺相比具有較大數(shù)目的可用時隙，以便為需要更高容量的平臺提供更高的容量。動態(tài)幀分配(或動態(tài)容量分配)是一項復雜的任務。在將較多的幀分配給一個平臺的任何時刻，所有與該平臺具有重疊覆蓋區(qū)的其他平臺不能訪問分配的幀于是丟失容量。然而，動態(tài)幀分配有利于通過有效利用所有可用時隙，使整個系統(tǒng)的容量最大，同時具有低通信容量需求的地理區(qū)域分配最少的時隙或幀。
盡管優(yōu)選的是如上所述的使用TDMA的ReFLEX雙向尋呼協(xié)議，本發(fā)明的再一目的是SNS可以與其他尋呼協(xié)議相兼容。例如，三個其他基本尋呼協(xié)議包括FLEX、POCSAG和ERMES。FLEX協(xié)議是單向尋呼系統(tǒng)，它是ReFLEX的前任。POCSAG是一個較老的用于單向通信的尋呼標準并且效率低。然而，在美國大多數(shù)尋呼機仍是POCSAG兼容的，盡管FLEX具有較高抗噪聲性能，較高的吞吐并且逐漸在美國和國外(除歐洲之外)成為單向尋呼的標準。ERMES尋呼協(xié)議是單向尋呼歐洲標準(當前政府強迫使用)。SNS系統(tǒng)也可以適當配置其電路以便根據(jù)ERMES協(xié)議處理通信，于是也適于歐洲使用。
與大多數(shù)在寬的頻率范圍上使用多個不同協(xié)議的語音和尋呼網(wǎng)絡不同，NPCS包含國家頻率范圍的近端相鄰集，其中國家窄帶PCS許可已采納FLEX/ReFLEX協(xié)議。
本發(fā)明的SNS系統(tǒng)受益于頻率和協(xié)議的國家一致性，從而如果需要可以很容易地在任何或所有國家載運者擁有的NPCS信道上運行。政府對NPCS頻帶所進行的小的調節(jié)可以使新的SNS系統(tǒng)(當擬定NPCS規(guī)定還不知道SNS系統(tǒng))在不破壞現(xiàn)有規(guī)定的情況下在NPCS頻帶中運行。由于NPCS被許可人必須擁有在拍賣時購買的頻率，并且本發(fā)明的SNS系統(tǒng)可以通過購買者的許可兼容地利用相同的頻率，所以不需來自FCC的額外許可。這種獨特的特點還可以節(jié)省2或3年的啟動時間，在需要購置單獨的許可時會需要這種時間。
正如前面簡要討論的，除了使調整障礙最小之外，新的SNS網(wǎng)絡還有一個巨大的優(yōu)點它不需要新的專用用戶設備。預計可能會有多達60-150億個兼容的用戶設備單元以現(xiàn)有的陸地網(wǎng)絡來運行?？梢允褂貌话嘿F的系統(tǒng)編程，將它們簡單地加到新的SNS系統(tǒng)上，于是可得到通過根據(jù)本發(fā)明的漂浮通信平臺構像提供的擴展的、更完整的、相鄰地理區(qū)域的覆蓋。對于NPCS載運者，該新系統(tǒng)可以提供完整的通信覆蓋，特別是遙遠的非城市區(qū)域中的覆蓋。
由于現(xiàn)有的尋呼設備擁有者和用戶可以通過他們現(xiàn)有的載運者獲得本發(fā)明提供的更寬的覆蓋，有關擴展覆蓋的決定可以僅是簡單地在他們每月的帳單上檢驗一個方框，他們可以保持當前的尋呼公司，僅簡單地加上SNS提供的遙遠地區(qū)覆蓋收益。不需新的設備和不需啟動時間來學習新的電子設備的特點，在不改變設備的情況下，僅簡單地改進用戶的覆蓋。
本發(fā)明的SNS網(wǎng)絡的一個非常重要的優(yōu)點是對完整的遠地地理覆蓋提供較大的改進。當前，無線數(shù)據(jù)覆蓋是一項對主要繞市區(qū)這樣高密度人口區(qū)的補充工作。SNS網(wǎng)絡和現(xiàn)有的覆蓋區(qū)配合并且使用相同用戶設備滿足低密度人口區(qū)，從而是低通信業(yè)務量區(qū)。政府對NPCS的調控規(guī)則對于所有被許可人來說只需很少的系統(tǒng)建設。例如，大約到1999年，提供NPCS的國家被許可人必需為至少37.5％美國人口或750,000平方公里提供服務，而到了2004年，NPCS被許少人必須為75％的美國人口或1,500,000平方公里提供服務。由于人口非常集中，已要求現(xiàn)有系統(tǒng)為了覆蓋占陸地非常小的百分比而建塔。事實上，對于1999年和2004年人口服務需求來說，最低區(qū)域要求分別是美國總陸地的大約8％和16％，因為在美國的城市人口密度高。例如，覆蓋90％的人口需要載運者只對大約國家總陸地的20％進行建設。對于現(xiàn)有系統(tǒng)來說，由于塔發(fā)射機/收發(fā)信機對于每個潛在用戶都有一個需要很多設備的薄弱范圍，所以服務于低人口密度區(qū)更昂貴。于是，由于低的回報很少現(xiàn)有載運者具有能夠覆蓋人口90％以上的系統(tǒng)。許多已有的無線數(shù)據(jù)載運者只建設到70％-80％。
本發(fā)明被設計成提供基本上是100％的覆蓋，并且可兼容地與現(xiàn)有的無線載運者系統(tǒng)和網(wǎng)絡組合，從而現(xiàn)有尋呼系統(tǒng)載運者的高密度建成可以處理高人口密度地理區(qū)域以及低人口密度或遙遠地區(qū)，無論它們在相鄰的地理區(qū)域中位置如何，都可以由本發(fā)明的SNS系統(tǒng)進行處理。SNS系統(tǒng)與高密度塔尋呼系統(tǒng)是互補的。于是，盡管與高人口密度塔系統(tǒng)相對，SNS系統(tǒng)具有較低的總信號處理能力，但它提供完整的地理覆蓋，可以為在遠地的或通過遠地的用戶提供輔助的SNS系統(tǒng)覆蓋。用戶總是在尋呼服務范圍或其他使用單個設備的兼容通信服務范圍中，SNS系統(tǒng)還可以通過發(fā)射更多的SNS平臺或動態(tài)地在相鄰平臺中重新分配使用的頻率按區(qū)域分配容量。
除了個人尋呼之外，SNS系統(tǒng)還可以用于其他通信，包括語音、遠程圖象、紅外掃描、設備跟蹤以及氣象數(shù)據(jù)收集服務。在過去幾年已進入市場的寬帶PCS(BPCS)電話都提供先進的消息傳遞服務，稱作短消息服務(SMS)。SNS系統(tǒng)在電話在BPCS電話服務區(qū)之外時尋呼用戶的電話。通過SNS系統(tǒng)還可以提供BPCS語音服務。另一個SNS技術的潛在應用是遠程圖象市場。政府、城市規(guī)劃者、農(nóng)場主、環(huán)境學家、地圖繪制者以及房地產(chǎn)開發(fā)商都依賴于空中或衛(wèi)星圖片。全世界該市場超過14億美元。由于SNS與衛(wèi)星相比能更靠近物體，大約要近20倍，SNS用直徑僅為0.75英寸的透鏡可以達到1米的分辨率。當目前無線電高空探測器不具有維持漂浮高度的能力時由SNS平臺收集和報告來自同溫中擴展拉線的氣象數(shù)據(jù)。
發(fā)明的內容本發(fā)明的優(yōu)選實施例是一個帶有發(fā)射、跟蹤和通信終端的地面網(wǎng)絡的小型空中通信平臺的構像。盡管主要是根據(jù)尋呼系統(tǒng)中的通信來描述整個系統(tǒng)，也可以很容易地包括其他通信，如語音通信、應急道路服務、搜索和營救、緊急醫(yī)療、遠程圖象、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)和公共設施監(jiān)測、遠程資產(chǎn)管理、圖片數(shù)據(jù)、IR掃描、設備跟蹤、貨車和集裝箱跟蹤、車輛安全、個人安全、危險情況資料、海關和國際海運安全、兒童安全、野生動植物跟蹤、個人消息傳遞、用于殘疾人的通信、SCADA、車載通信和航船跟蹤以及其他合適的通信。正如在此所使用的，尋呼包括傳統(tǒng)的單向尋呼以及新的先進的消息傳遞服務(如雙向尋呼和語音消息傳遞)。通信平臺的空中構像和地面支持系統(tǒng)對現(xiàn)有尋呼網(wǎng)絡的有限覆蓋進行擴展以對整個連續(xù)地理區(qū)域提供完整的通信覆蓋。例如，在美國，它提供真正的全國范圍的覆蓋?；诘氐乃到y(tǒng)已經(jīng)適當?shù)靥峁┝耸袇^(qū)所需的建筑物中的覆蓋，而SNS系統(tǒng)提供了郊區(qū)低人口密度的覆蓋。于是，使用相同的手持尋呼設備，用戶就可以具有完整的全國范圍內的覆蓋。本發(fā)明的系統(tǒng)通過提供一個均勻隔開、高的海拔高度的空中通信平臺的構像(例如氣球攜帶的尋呼收發(fā)信機)來完成這樣的覆蓋，而與傳統(tǒng)的僅覆蓋有限的區(qū)域的基于地面的塔通信系統(tǒng)不同，與昂貴的軌道、高或低海拔高度衛(wèi)星通信系統(tǒng)也不同。
為了形成空中通信平臺的構像，將尋呼收發(fā)信機裝在比空氣還輕的載體上，如類似于國家氣象服務(NWS)使用的已修改為可以使用排氣和投下壓艙物等方法進行規(guī)定的可調節(jié)高度控制的高海拔高度氣球。在此申請中將比空氣還輕的載體或氣球以及附著的通信設備稱為同溫層毫微衛(wèi)星平臺(SNS平臺)。為了覆蓋美國的連續(xù)地理區(qū)域，可能按固定相隔周期地或按需要在整個美國從大約50到100個站點發(fā)射SNS平臺。對這些發(fā)射站點進行選擇以把氣球攜帶的收發(fā)信機發(fā)射到大約60,000到140,000英尺這樣一個調控的漂浮同溫層高度。可以實現(xiàn)計算機調節(jié)的高度控制和計算機化的跟蹤。當例如在地球的同溫層中，沿著現(xiàn)有風流漂浮時，調整SNS平臺以將希望的高度維持在一個預定的高度范圍?？梢园l(fā)射新的SNS平臺，以填補由于平臺以不同速度漂浮、失去浮性或偶然爆烈出現(xiàn)故障而在覆蓋中引起的任何間隙。也可以在需要增加時發(fā)射新的SNS平臺以提供額外的通信能力。在向調控的高度上升期間，新發(fā)射的SNS平臺可以收集、記錄和發(fā)射氣象數(shù)據(jù)。有益地通過無線電波將這種數(shù)據(jù)傳送給地面以便由國家氣象服務(NWS)使用。由于氣象條件持續(xù)地變化，連續(xù)地對SNS平臺的網(wǎng)絡覆蓋進行建模從而進行預測的過程是一項復雜的任務。也可以通過使用記錄并/或發(fā)射給地面的氣象數(shù)據(jù)來便于完成預測各個平臺相對于其他平臺以及相對于地面發(fā)射和跟蹤終端的移動的任務。該數(shù)據(jù)也可以用于控制各個SNS平臺的高度以捕獲到合適的盛行風，以有助于填補覆蓋中的間隙。在同溫層高度上的每個漂浮衛(wèi)星將在懸浮在下面并形成一部分通信平臺的天線的各個方向上形成半徑大約為175英里(280公里)的視線上的無線通信覆蓋。
基于地的對形成構像的多個SNS平臺的支持由至少一個網(wǎng)絡操作中心(NOC)和多個發(fā)射與跟蹤終端組成，NOC最好是SNS系統(tǒng)的高速度、高容量、計算、通信和操作中心。NOC可以負責各種通信SNS平臺飛行和操作的所有可控制方面。這些控制包括平臺發(fā)射、漂浮高度、跟蹤、所有尋呼通信和控制信號發(fā)送以及和相對的能信公司的通信。通常，SNS地面終端包括發(fā)射設施、跟蹤和通信設備以及通信天線。協(xié)同定位的發(fā)射設施和地面終端也可以優(yōu)選地面和現(xiàn)有的大約70個用于監(jiān)視全國的天氣狀態(tài)的NWS氣球發(fā)射設施的位置相對應。也存在類似的氣象站并且由必要的世界范圍內的協(xié)議維護。這些地面終端可以是自動的。在必須填補漂浮平臺的重疊環(huán)形覆蓋模式之間出現(xiàn)的預期覆蓋間隙時，也可以使用便攜或移動發(fā)射和跟蹤地面終端?？梢愿鶕?jù)季節(jié)按同溫層中風的變化，適當?shù)匾苿舆@些便攜或移動發(fā)射和跟蹤地面終端以提供輔助的發(fā)射站點。這些最有可能沿海岸線或覆蓋區(qū)的邊緣來定位。地面終端能夠優(yōu)選地跟蹤一些在靠近它們的位置上漂浮的SNS平臺，并且能夠向在終端范圍內的每個平臺提供所有通信(包括尋呼和控制數(shù)據(jù))的上行和下行鏈路?？梢酝ㄟ^NOC從用戶尋呼公司向SNS系統(tǒng)發(fā)送尋呼信號。NOC判斷哪個SNS平臺當前正在編址的尋呼機上，并且向正在跟蹤那個SNS平臺的地面終端發(fā)送尋呼消息。地面終端從NOC中接收尋呼消息并將其轉送給SNS平臺。SNS平臺然后將尋呼消息向下發(fā)送給各個尋呼機。任何由雙向尋呼機發(fā)送的消息由最近的SNS平臺接收并向下轉送給地面終端。地面終端向NOC發(fā)送消息，NOC將該消息轉發(fā)給合適的用戶尋呼載運者。NOC還保持跟蹤所有計帳信息和用戶位置信息。SNS系統(tǒng)有利地被設計成在無需對尋呼機進行修改的情況下就可以與FLEX(單向尋呼機)以及ReFLEX(雙向尋呼機)完全兼容。無論是否與NWS發(fā)射設施協(xié)同定位還是單獨地定位在其他選擇的地面位置，發(fā)射設施都可以由完全自動的發(fā)射臺和地面終端組成。一個地面終端可以在一時刻控制多個SNS平臺?？梢允褂藐懢€、衛(wèi)星鏈路、平臺—平臺、氣球—氣球或其他從一地面位置到其他地面位置的網(wǎng)絡通信耦合將多個發(fā)射站點和地面終端彼此連接或連接到NOC。
附圖簡述本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點通過以下結合說明書、 和附圖的說明可以得到更充分的理解，其中相似標號表示相同的部件

圖1示意性地描述在相鄰的地理區(qū)域上代表一個平臺構像的多個空中平臺、發(fā)射設施和通信終端，它們通過地面線路或軌道衛(wèi)星通信信號與網(wǎng)絡操作中心網(wǎng)聯(lián)在一起；圖2以放大的形式描述了多個空中平臺、單個可移動發(fā)射站點和地面終端，以及通向用于多個地面終端和個人通信設備的網(wǎng)絡操作中心的網(wǎng)絡鏈路；圖3示意性地描述了從一地面終端越區(qū)切換到下一個地面終端的平臺—地面終端通信；圖4示意性地描述了平臺內的通信，以及后續(xù)向地面終端和網(wǎng)絡操作中心(NOC)的發(fā)送；圖5示意性地描述了用于通過網(wǎng)絡操作中心(NOC)提供網(wǎng)絡互聯(lián)的平臺—空間衛(wèi)星通信鏈路；圖6示意性地描述了“中心—輻射”網(wǎng)絡通信鏈路的拓撲結構；圖7示意性地描述了網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信鏈路的拓撲結構；圖8示意性地描述了相鄰的地理區(qū)域，具體地說是美國，以及空中SNS平臺發(fā)射站點，并且示出了疊置在地理區(qū)域圖上的初始覆蓋區(qū)域SAS環(huán)并且示出了用于每個SNS平臺的站點線覆蓋區(qū)域，從而基本上整個地理區(qū)都包容在一個或多個空中平臺的接收范圍內；圖9示意性地描述了空中平臺在調控的高度上自由漂浮一段時間之后空中平臺遷移的例子，還描述了可能由移動發(fā)射臺提供的輔助間隙填補發(fā)射站點，用于通過輔助發(fā)射的空中通信平臺補充和完善覆蓋的連續(xù)性；圖10是空中平臺的側面圖，其中將比空氣還輕的氣體附件(如氣球)附著在裝有電子控制、通信設備、監(jiān)測器和氣象數(shù)據(jù)收集包的箱子上；圖11是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的空中平臺的局部放大截面圖，包括系在比空氣還輕的氣體附件或氣球上的控制和通信箱；圖12是圖11中根據(jù)本發(fā)明一個實施例的空中控制和通信平臺的側面局部截面圖；圖13是控制和通信平臺的另一實施例的局部截面?zhèn)纫晥D，其中使用一個替代電源(包括氫/氧供電燃料電池)代替圖12實施例中的電池；以及圖14(圖14A和圖14B構成一幅完整的圖)是根據(jù)本發(fā)明一個實施例用于進行控制、監(jiān)測和通信的電子電路的示意性方框圖。
優(yōu)選實施方式圖1是根據(jù)本發(fā)明的構像和通信網(wǎng)絡系統(tǒng)10的一部分的示意圖，其中空中平臺12(a)-(g)已到達某一高度范圍(如同溫層)內的一希望的高度。圖中還描述了空中平臺12(h)處于上升至一希望的高度的過程中。每個空中平臺包括一個比空氣還輕的氣體附件14(a)-(h)，平臺控制和通信設備16(a)-(b)以及天線18(a)-(b)。以20(a)-(u)表示的平臺和地面終端之間的通信信號，它們正在與多個地面通信設備(如無線電信號接收機、收發(fā)信機、發(fā)射機或尋呼機22(a)-(u))進行相應的通信。有多個發(fā)射和跟蹤終端24(a)-(d)，每個終端具有多個跟蹤天線26(a)-(g)。地面終端在SNS平臺和NOC之間轉送消息和控制數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，地面終端可以進行僅需電能和通信信號的無人操作。地面終端由一組發(fā)射機、接收機和它們的控制器，跟蹤天線和跟蹤控制器，與NOC連接的冗余通信鏈路，以及后備電源組成。為了在任何給定時刻滿足一定范圍內若干個平臺的潛在需求，當前可以預計有4到6個獨立的發(fā)射機、接收機和跟蹤天線。盡管需要某些修改，Glenayre可以提供合適的商業(yè)上可獲得的用于SNS地面終端的發(fā)射機、發(fā)射機控制器和接收機。示意性地，跟蹤天線26通過信號28(a)-(g)與各種平臺通信。描述的地面通信網(wǎng)絡30和具有互聯(lián)的分段30(a)-(d)，在發(fā)射和跟蹤站24(a)-(d)與網(wǎng)絡操作中心40之間進行通信。網(wǎng)絡操作中心40還可以通過軌道衛(wèi)星32、發(fā)射站衛(wèi)星天線38(a)-(b)以及網(wǎng)絡操作中心衛(wèi)星天線42與多個發(fā)射和跟蹤終端24通信。為了便于描述，發(fā)射和跟蹤終端24(c)與空中平臺發(fā)射臺44協(xié)同定位，空中平臺發(fā)射臺44與國家氣象服務氣球發(fā)射臺相類似或相同?？梢灶A計的本發(fā)明的一個方面是使用移動發(fā)射臺和跟蹤終端46，例如作為安裝在貨運汽車的拖車上的自包含單元?？梢詫⒁苿影l(fā)射臺運送到希望的發(fā)射站點，停靠在那用于發(fā)射輔助的SNS平臺?？梢酝ㄟ^地面鏈路30(c)和30(d)將跟蹤和通信終端24聯(lián)接到網(wǎng)絡，以及其他發(fā)射站和網(wǎng)絡操作中心40上。可以將移動式發(fā)射臺和終端周期性地從一個地方移到另一地方以便按需要發(fā)射和/或跟蹤輔助的SNS通信平臺12，以填補由于氣象條件等可能出現(xiàn)的覆蓋間隙。
圖2以放大的形式描述了圖1中的移動SNS發(fā)射臺46，以及平臺12(f)、12(g)和12(e)，它們形成平臺構像的一部分。移動SNS發(fā)射臺正在與網(wǎng)絡操作中心40進行通信。圖2中還描述了由最小希望高度48和最大希望高度52定義的高度50的范圍，每一高度是相對于海平面54計算的。在優(yōu)選實施例中，由最小希望高度大約60,000英尺和最大希望高度140,000英尺確定一個預定的高度范圍。這些高度通常對應于地球的同溫層或同溫層高度50的范圍。圖2中還描述了分隔開的平臺12(g)和12(e)之間的覆蓋56的間隙，分隔距離56明顯大于平臺12(f)和12(g)之間的所希望的相隔距離58。在進一步的優(yōu)選實施例中，可以預計平臺被調控在大約70,000英尺和100,000英尺之間的一個預定高度范圍中漂浮，覆蓋半徑為175英里(280公里)，將在商業(yè)調控空間之上并且在平臺生存不確定的高度之下。當在任何方向上兩相鄰平臺之間的距離大于覆蓋半徑1.5倍時，可能出現(xiàn)覆蓋間隙。在這種情況下，可以或者從一個固定發(fā)射站點發(fā)射輔助的SNS平臺，或者根據(jù)基本上在兩個分隔開的平臺12(g)和12(e)之間的位置來移動移動式發(fā)射單元46，從而可以發(fā)射一個輔助的補充平臺12(h)，以快速地上升到希望的高度范圍50?？梢允褂没诳罩衅脚_構像10中的所有平臺12的跟蹤的計算機模型來預測覆蓋范圍中最大間隔56的發(fā)展情況并且快速配置移動發(fā)射單元以填補間隙。當固定發(fā)射和跟蹤終端已在發(fā)射輔助SNS平臺的位置上時，不需要移動單元。
圖3示意性地描述由于氣流平臺12(i)遷移到以虛線表示的切換位置12(ii)的情況。在越區(qū)切換位置上，當平臺移動通過位置12(iii)并且在終端24(e)上時，下一個順風地面終端24(e)負責跟蹤和通信，并且維護控制。
圖4示意性地描述了平臺內的通信和后續(xù)向地面終端以及網(wǎng)絡操作中心(NOC)的發(fā)送。
圖5示意性地描述了用于提供和網(wǎng)絡操作中心(NOC)的網(wǎng)絡互聯(lián)的平臺—空間衛(wèi)星通信鏈路。這是有益的，因為可以降低地面終端數(shù)目，因為平臺將通過衛(wèi)星鏈路直接與NOC通信。
圖6示意性地描述了“中心—輻射”網(wǎng)絡通信拓撲結構，這是有益的，因為它需要較少的物理通信線路并且通常與其他網(wǎng)絡拓撲結構相比所需的設備比較便宜。
圖7示意性地描述了網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信鏈路拓撲結構。這是有益的，因為“網(wǎng)狀”拓撲對網(wǎng)絡的其他部分提供了多個冗余通信鏈路，從而增加了可靠性。
圖8示意性地描述了連續(xù)地理區(qū)域100，具體地以相應于美國的地理區(qū)域為例。疊置在地理區(qū)域100區(qū)上的是70所選的標準發(fā)射站點，表示為“Xs”101-105(只對幾個例子進行編號)。還示意性地描述了覆蓋區(qū)201-205(也只對幾個進行編號)，代表到達一希望的高速高度(優(yōu)選的是在同溫層中)時平臺101-105中每個平臺的位置和覆蓋。每一平臺與現(xiàn)有的地球同步軌道衛(wèi)星相比是如此地小，所以稱它們是在同溫層中的一個可調控溫度上漂浮并被稱作為“同溫層毫微衛(wèi)星”(SNS)。圖4描述了覆蓋區(qū)域201-205，假定它們從發(fā)射站101-105中相對垂直地上升。由于特定區(qū)域上的風和氣象條件，覆蓋區(qū)域201-205將在一段時間上進行遷移。然而，上升到同溫層中希望的高度通常需1到2小時，所以對于低于大約10-20mph的正常空氣速度的漂流以及甚至通過噴氣流(如果有的話)都會在上升期間在任何方向上產(chǎn)生相對小的10-80英里的漂流。于是，相對于大約175英里(280公里)，直徑約為350英里(560公里)的環(huán)型覆蓋區(qū)的覆蓋半徑，在標準風條件10-40英里條件下，在一小段時間里的遷移，表明發(fā)射站點是對上升結束時初始高的海拔高度位置的合理近似。
平臺或氣球12具有高度控制機制，包括低密度氣體排除和高密度壓艙物投下機制，以便對氣球進行控制，使其維持在希望高度范圍之中的一個希望高度上。與每天兩次發(fā)射的當前NWS氣球發(fā)射時間表相對應，可以將高度維持12-24小時。如果不使用NWS發(fā)射時間表，可以根據(jù)升高氣體，能量和氣球12上剩余的壓艙物，將氣球高度維持100小時以上。對于NWS氣球，當?shù)竭_并超過100,000英尺高度以上，并且在上升期間收集了氣象數(shù)據(jù)并發(fā)射給地面，目前的情況是氣球由于過度膨脹而自毀。在氣球作為通信平臺的載體的情況下，平臺最好維持在低于140,000英尺的高度上。更好的是維持在低于約100,000英尺的高度，并且由于上邊的同溫層風條件而繼續(xù)地遷移。當不再需要平臺時，當落到60,000英尺之下并且無壓艙物時，當漂移到一個不希望的區(qū)域或出現(xiàn)故障時，NOC可以命令SNS平臺對于氣球12快速地放氣或爆裂。如果滿足這些條件任何一項并且平臺已失去和地面終端的通信，平臺就可以啟動這樣的工作。有益的是應在上升期間已經(jīng)檢測了風條件，并且通過地面站的跟蹤繼續(xù)進行監(jiān)視。這將有助于預測期望的覆蓋中任何間隙的發(fā)展情況，特別是這些間隙的位置，并且可以預測在間隙區(qū)域中需要服務的地面通信設備或尋呼機的數(shù)目。
圖9示意性地描述了在一給定遷移時間之后的地理區(qū)域100，在該給定遷移時間里會開始出現(xiàn)大的間隙?？梢詫⒁苿訂卧ㄎ辉谂R時發(fā)射站171和172以填補出現(xiàn)的間隙56(b)和56(c)。而且，當預計在靠近一標準發(fā)射站點(例如在105)中出現(xiàn)間隙，則可以在正常規(guī)定的發(fā)射時間之前從發(fā)射站點105發(fā)射輔助平臺。于是可以通過輔助發(fā)射來填補間隙56(c)。以類似方式，在出現(xiàn)間隙時，可以使用局部定位的移動式發(fā)射站點來填補它們。在檢測出間隙發(fā)展模式的情況下，可以增加輔助的永久發(fā)射站點173和174以補償重復出現(xiàn)的間隙，例如間隙56(d)和56(e)?？梢匝刂０毒€，沿著季風刮的方向(例如在冬天是西海岸)來合理移動臨時發(fā)射站以填補間隙。
圖10是在低密度氣體附件70優(yōu)選的是一橡膠氣球70的實施例中，平臺12的側面圖。一個Totex11000氣球充滿氫氣、氦氣、天然氣或其他合適的低密度氣體或混合氣體并且內部進行的涂敷以減小氣體擴散，該氣球可以適當升高SNS通信平臺。Totex氣球在直徑約為5.25英尺時釋放并且在140,000英尺高度時膨脹到大約24英尺。應注意，也可以使用其他比空氣還輕的附件，例如軟式小型飛船、航空器、齊柏林飛艇、飛船、飛艇、氣象預報氣球、吉姆球(jimsphere)、熱氣球、探空氣球或氣象研究氣球來代替圖10中描述的橡膠氣象氣球70。圖10中的氣球70的直徑也不是按比例的，可以預計承載整個平臺的重量，包括有效負載箱300、高度控制氣孔機制72、氣象研究包82、天線76和氣象電纜連接84。最好電纜84是長度大約為25米的光纖電纜這樣氣象研究數(shù)據(jù)收集包82可以距離氣球70足夠遠以把氣球對氣象研究包82檢測到的氣象研究數(shù)據(jù)的干擾降到最低。使用光纖電纜84從氣象研究包82向通信單元74發(fā)送氣象研究數(shù)據(jù)。由于通過雷云區(qū)時存在高電場勢能，線路會產(chǎn)生電弧，所以使用光纖電纜。
有多種類型的低密度氣體附件設備，具體地說是氣球，它們對本發(fā)明來說很有用。潛在的優(yōu)選氣球類型是橡膠壓力氣球，零壓力氣球，內部空氣球膽氣球，可調整體積氣球和超壓力氣球。這些氣球的每一種都有不同的優(yōu)點和缺點，并且對于本發(fā)明的目的，已發(fā)現(xiàn)橡膠壓力氣球是最佳的，并且零壓力氣球也被認為是一優(yōu)選的替代方案。有益的是，可以在表面上，最好在其內側使用低滲透性材料，例如通過流體沉積一種在使用時仍具有柔韌性的保護膜涂敷這種氣球14，如在圖10中15描述的。
橡膠壓力氣球具有一個裝有升高氣體的可延伸橡膠膜，以便在氣球上升時增加氣球的尺寸，減小外部氣體的壓力。這是最常用類型的氣象氣球并且與社交會上的氣球相同。主要優(yōu)點是成本低并且通常易得到，所以可以獲得低成本高質量的這種類型氣球，如氣象氣球。這種氣球有些脆弱并且具有精細的處理要求，此外伸展可靠性低。此外，使用這樣的氣球要排放上升氣體以防止達到最大體積時爆裂。
零壓力氣球由初始是自由的通常由聚乙烯或聚脂薄膜制成的袋子構成。隨著外部壓力減小，袋子體積增大。一旦袋子達到其全部體積，則必須排放氣體，否則當袋子材料無法延伸時氣球就會爆裂。盡管這種類型的氣球可能比橡膠氣球更可靠的且很少擴散上升氣體，其成本為中等水平，比橡膠氣球成本高，目前大約要貴4到10倍。于是，盡管對于低成本平臺來說，橡膠氣球是更優(yōu)的，零壓力氣球也為升高平臺提供一種非常有用的附件，并且相對于橡膠氣球來說具有某些優(yōu)點。
內部空氣球膽氣球由裝有空氣的包含在裝中上升氣體的固定體積氣球中的柔韌氣球組成。將空氣泵入到內部柔韌氣球中，它擠壓固定體積氣球中的上升氣體，從而減少不必要的升高。從內部柔韌氣球中釋放空氣以便進一步升高。軟式小型飛船使用該原理調整上升。這種類型的氣球的優(yōu)點是在降低上升高度時不丟失上升氣體，并且潛在地它比橡膠氣球更可靠，然而由于額外的氣球、泵壓以及在操作增加和減小上升高度機制時所需的額外能量等，都使它成本較高。
可調整體積氣球由一個裝有上升氣體的固定體積氣球以及減小氣球的體積的機制組成。通過減小體積，壓縮上升氣體并且降低上升?？梢园慈魏畏绞綔p小體積，包括將氣球里面的可調整線從氣球頸部調整到氣球的頂部。當縮短該線時，體積減小。不排出升高氣體來降低升高，并且有可能比橡膠氣球更可靠。然而，由于機械體積減小機制，它的成本非常高，并且此外還需操作這種機械體積減小機制的額外能量。
超壓力氣球具有固定的體積。因為它們并不膨脹以匹配減小的外部壓力，所以把它們稱作超壓力氣球。把它們建造得足夠堅固以支持增加的壓力。氣球可以獲得非常長的漂浮壽命，因為它們不需排放氣體來防止爆裂并且它們通常有非常低的膜氣體擴散。這種類型的氣球的成本最高，盡管是最可靠，很少丟失升高氣體。非常高的成本和難于制造，并且缺少開發(fā)這種氣球的技術，都表明其它各種方案目前更有吸引力。
信號發(fā)送天線76從通信設備74中伸出，最好從通信設備74中向下垂直伸出，并且最好有一個帶有大約6°向下傾斜的同線陣列，用于在整個環(huán)型覆蓋區(qū)域上提供均勻的發(fā)射和接收覆蓋。有利地可以為天線77配備一個支持環(huán)86以便于在天線和氣象連接線纜84之間保持穩(wěn)定。圖10中還描述了氣球摧毀機制78和降落傘80，后者用于在受控摧毀機制78或天然原因摧毀氣球時，回收通信設備74。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的通信設備74的一個實施例的局部截面前視圖。有一負載箱300，包括內部容器302和環(huán)繞內部容器302的外部聚苯乙烯泡沫塑料絕緣層304。容器302中有一電路板306，各種電子部件連接到電路板306上，并且它們之間彼此相連以便按需要提供信號通信和平臺的遠程控制。電子部分由RF部分、天線、GPS接收機、處理器以及電源調節(jié)器組成。RF部分以目前雙向尋呼機的低成本發(fā)射機和接收機部分為基礎。將發(fā)射機功率增加到大約7瓦。一個900MHz同線偶極陣列天線用作發(fā)射和接收。如果可能有額外頻率，則可以增加輔助天線以把網(wǎng)關RF鏈接到地面終端?？赡艿念l率包括分配給氣象儀器的400MHz或1680MHz頻帶。如果SNS系統(tǒng)還為NWS收集氣象數(shù)據(jù)，并且在氣象輔助頻帶上發(fā)送該數(shù)據(jù)，則可能發(fā)送帶有氣象數(shù)據(jù)的輔助的網(wǎng)關業(yè)務。12信道GPS接收機以及處理器在上升期間向NWS和在整個飛行中向SNSNOC提供位置信息。NOC使用該信息定位SNS平臺，以確定覆蓋中的孔和間隙，并且通過將高度變化成喜歡的風速及方向來進行根本位置調整。
圖11中描述的實施例和圖12中描述的側面局部截面示出了用于通信設備74的電源，多個重量輕、功率高的電池308(a)、(b)、(c)和(d)。根據(jù)消息通信量和平臺的配置，平臺可能需要大約3-8瓦的能量。二氧化硫鋰(LiSO2)電池是成本和重量方面有效的并且在高海拔高度上這樣低溫環(huán)境里具有相當好的特性。將電池定位在相隔開來的交替位置上，從而可以將最大單元容量密度維持在聯(lián)邦航空安全標準已建立的最大單元容量密度要求之下。低單元容量密度和低總負載重量使氣球的發(fā)射不受FAA規(guī)則限制。例如，為了在上升時保證平臺的安全，如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)中，每個所述平臺最好是無人的自由氣球，并且負載箱及其內容物最好總重量不多于6磅。外表面將有預定的面積并且重量/尺寸的比率最好在負載箱的任何表面上和氣象包上保持在每平方英寸不超過3盎司，其中負載箱和氣象包之一裝在平臺上。通過使裝在自由氣球上的任何負載或包的以盎司計算的重量被這種負載或包的最小外部表面的以平方英寸計算的面積來除，確定重量/尺寸的比率。
在平臺負載箱300中，有一底部開口310，通過該底部開口310，氣象連接電纜84將可釋放電纜連接器312連接到容器302內部的電路板306上。天線76也裝在位于底部開口310中的天線連接314上，這樣可以通過天線76向和從電路板306發(fā)射和接收信號。可以在電路板306的部件中接收和處理來自光纖電纜84的氣象數(shù)據(jù)，并將其通過天線76發(fā)送給地面終端24。為了便于減輕拆卸氣象包造成的非故意影響，應在有50磅或少于50磅的壓力時，將光纖電纜與氣球分開。提供天線穩(wěn)定器316以減小和減弱天線76的移動，從而實現(xiàn)一致的信號接收和發(fā)送。為了便于調整空中平臺12和所裝的通信單元74的高度，負載箱300包括一個壓艙物儲存室320，其中裝載有壓艙物318。壓艙物318最好是便于移動的鉛彈、金屬BBs或球形玻璃珠，它們通過壓艙物投擲門(如往返機制)可控地釋放，壓艙物投擲門在開向壓艙物室320和然后開向壓艙物出口324之間交替移動，從而壓艙物可以從底部開口310落下，如在326處描述的。為了方便和避免在儲存和運輸期間能量損耗，提供人工電路激活開關328。
在負載箱300的頂部是氣球連接桿330，有一遠端頸頂部332，柔韌氣球連接頸334裝在其上。氣球連接頸的尺寸適合于安裝在桿上并且可以延伸和向下移動到止擋唇336，從而通過一個或多個重橡膠帶338固定在位置上。為了方便，在止擋唇下邊提供一個橡膠帶儲存槽340。橡膠帶放在其中并且處于可以固定“新”的比空氣還輕的附件或氣球70的位置中。最好，通過輕的氣體填充閥344對氣球70填充氦、氫(H2)或天然氣，閥344最好位于雨蓬342之上，雨蓬342遮蓋負載箱和某些部件以防止雨和其它緊急情況。輕的氣體填充閥344提供對輕的氣體提供箱(如氦或氫氣提供箱)的方便連接，從而可膨脹氣球在其頸部334上連到桿330并且然后可以對所連接的附件或氣球提供希望數(shù)量的填充氣體。氣體壓力傳感器管346在桿內部進行通信以中繼連接到電路板電子器件上的內部氣球氣體壓力傳感器348。連接一個氣體溫度傳感器350并且希望將其放在頸頂部332或頸頂部332之上。溫度傳感線352將表示溫度的信號送到電路板306的合適電路中。還希望提供一個周圍氣體溫度傳感器354，以及周圍氣體壓力傳感器356，連接這兩者用于把檢測到的周圍空氣溫度和檢測到的周圍空氣壓力傳送到電路板?？梢园央姵販囟葌鞲衅?58、負載溫度傳感器360和高度傳感器362全部連接到電路板306，以希望提供用于遠程控制的信息和輸入，并且使用電路306維護空中平臺12的功能。使用從氣體溫度傳感器350、周圍氣體溫度傳感器354、氣體壓力傳感器管輸入端348和周圍氣體壓力傳感器356中收集的數(shù)據(jù)以便部分地確定氣球是否接近爆裂狀態(tài)。連接一個加熱和冷卻設備364的控制負載箱的內部溫度。當空中平臺上升到高的海拔高度時，周圍溫度急劇地下降并且希望通過由電池或替代地由加熱器364產(chǎn)生的熱量來加熱箱的內部。如果來自電池的熱量非常大并且同時還有例如來自陽光的熱量，則內部溫度有可能上升到希望的操作溫度之上，則可以啟動加熱和冷卻設備364的冷卻部分以保持在希望的操作溫度范圍。加熱和冷卻設備可以是熱電電池。
為了調整氣球的高度，并且具體地說為了避免連續(xù)上升到希望的最大高度之上，提供一個輕的氣體安全閥366。彈簧368在正常情況保持安全閥是關閉的。將一個致動器桿369連接到閥366和閥致動線圈370上，以便相對于彈簧加載而把閥打開。可以使用鎳-鈦(NiTi)線作為致動器線圈370。當少量電流通過鎳-鈦線使其縮短預定量從而拉開安全閥時，輕的氣體安全閥366相對于彈簧加載而打開，從而使比空氣還輕的氣體釋放出。致動器桿可以通過容器302的頂部，最好通過密封部分371，從而使容器的內部不會直接暴露于部件。類似地也可以使用壓艙物投擲致動器線372(也由鎳-鈦制成)來致動壓艙物穿梭門322。有源天線穩(wěn)定器316也可以類似地由NiTi線組成。
氣象投擲控制線374也可以是NiTi，并且在不再獲取氣象數(shù)據(jù)之后斷開氣象探空儀。通常，在通過大約100,000英尺后，氣象氣球會爆裂。在此，氣球將排放出一些輕的氣體以在同溫層高度上保持一段希望的時間?？梢杂蓸休S摧毀臂的鋒利端遠程地致動摧毀設備78以使平臺下落。摧毀臂376裝有彈簧以便在保持/釋放銷386從保持/釋放凹槽384的配合上拉出時快速轉動和氣球外部接觸。最好用控制線388來控制釋放銷386，并且最好在通過天線76或從處理器中接收到遠程信號時通過電路板來致動釋放銷386。在平臺內部還提供一個與電路板相連的GPS天線390用于接收來自GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的位置信息，以便在平臺在覆蓋的連續(xù)地理區(qū)域上遷移和漂浮時跟蹤平臺。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的平臺的另一實施例的局部側面剖視圖，其中用于通信電路和控制的電源是燃料電池400。優(yōu)選地，燃料電池400是使用氫和氧提供電能的質子交換膜(PEM)燃料電池。這類系統(tǒng)需要從氫源(即比空氣還輕的氣球70)連接到燃料電池400的氫管402。氫入口404具有一個氫循環(huán)器406，可以簡單地是一風扇406。于是，使用氫管，可以從氣球中抽出氫氣排放到燃料電池400中。此外，還有一個氫出口408，用于再循環(huán)回到氣球。提供一個氫管壓力傳感器410以適當?shù)乇O(jiān)視燃料電池中氫部分壓力。這種類型的燃料電池還需要氧源，可以通過將一個氧氣球414連接到氧管412從而氧氣球在氫氣球附件的內部，來提供氧源。該氧氣球構造得可以在大的內部壓力下保持氧。也可以通膠帶416將氧氣球414連在管412上，并且氧泵418將氧氣球414中的氧移動和加壓，通過氧入口420送到燃料電池。此外，為控制該過程，還提供一個氧壓力傳感器422。燃料電池反應產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品。由燃料電池產(chǎn)生的熱量將水保持在液態(tài)，并且最好在平臺所在高度使其結冰之前排放掉。
圖14是負載箱300中包括的并且被放置在電路板306之上或與電路板306相互連接的SNS平臺硬件的示意性方框圖。處理器430接收電子信號輸入并且提供電子信號輸出，與多個部件交互用于控制平臺的漂浮高度、溫度、氣球的摧毀、壓艙物的投擲等，并且還用于接收、處理和發(fā)射從地面站、個人通信設備或其他信息通信設備發(fā)射的通信信號。首先，框432表示電池308或燃料電池400。框434表示通/斷開關328，用于啟動通過輸出可用電438向電源調節(jié)電路436供電。為了清楚，在所有情況下都未示出各個電源與各種操作和控制設備的連接。將電供給框440中的電源電壓檢測器和框442中的電流檢測器，它們把信息提供給模-數(shù)轉換器444。模-數(shù)轉換器還接收來自框446中負載和電池燃料電池溫度測量儀的信息，以及接收在框448中的氣體和周圍氣體讀數(shù)和框450中的氣體壓力。一般由塊452來代表其他模擬信息信號。向框454中的閃速存儲器和框456中的隨機訪問存儲器提供數(shù)字轉換信息以及從它們中接收數(shù)字轉換信息。從A/D轉換器444以及閃速存儲器454和RAM存儲器456中，處理器訪問各種輸入控制數(shù)據(jù)。在SNS平臺上升期間，由框458表示的氣象包接收合適的氣象信息，包括周圍溫度460、周圍壓力462以及周圍濕度464。由框496表示的天線穩(wěn)定器316可以依賴是SNS平臺控制系統(tǒng)466的一部分的高度檢測信息以穩(wěn)定天線76。發(fā)送由氣象包458檢測或收集的信息。例如，通過對應于物理光纖電纜84的光纖電纜470的紅外收發(fā)信機468和處理器紅外收發(fā)信機472，在SNS平臺上升期間通過連接的氣象包458，將串行氣象數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器430，以便在適當時候發(fā)送給地面終端。與物理GPS天線390對應的框474中的GPS天線通過GPS接收機476通信，表示成串行端口并且進一步和框478中的GPS時鐘或秒針同步。于是把在各個時刻的位置提供給處理器。該位置信息與其它氣象輸入?yún)f(xié)同確定風速，對任何上升部分定向，從而把這些風速對應于上升期間的特定高度和地理位置。
由處理器430控制通信，最好使用900MHz收發(fā)信機和調制解調器480以及網(wǎng)關收發(fā)信機和調制解調器482，來自和至通過天線共用器486接口的共線陣列天線484的信號，在共線陣列天線484接收的從而通過天線共用器和一個合適的頻率收發(fā)信機發(fā)送給處理器430的控制信息，以及來自地面信號的輸入信息，來自裝載的各種傳感器的輸入信息，如通過A/D轉換器444提供的，GPS位置信息476、GPS時間信息478和高度傳感器信息466，控制SNS平臺的各種功能。包括框488中對應于氣象致動器370的氣孔。在框490中對應于物理壓艙物投下致動器372控制壓艙物投下。在框492中對應于包投下致動器374控制氣象包投下。在框494中對應于摧毀致動器376控制氣球摧毀。在框496中對應于天線穩(wěn)定機制316控制天線穩(wěn)定。在框498中對應于加熱和冷卻設備364控制負載溫度和加熱、冷卻。通過框500中的控制，提供的各種附加功能。
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權利要求
1.一種漂浮構像通信系統(tǒng)，包括a)多個比空氣輕的平臺，每個平臺包括一個高度調整器設備用來在一預定高度范圍內控制所述平臺的漂浮，每個平臺攜帶至少一個通信信號收發(fā)信機；b)多個地理空間分離的平臺發(fā)射站，可以從該發(fā)射站發(fā)射所述多個平臺；c)多個地面終端，該終端能夠跟蹤所述多個平臺的一個或多個，所述地面終端能夠發(fā)射通信信號給和接收通信信號自所述多個平臺攜帶的所述多個通信信號收發(fā)信機的至少一個；d)將所述地面終端彼此互連的通信連接的網(wǎng)絡；以及e)在一鄰近地理區(qū)域中的多個編碼通信設備，所述編碼通信設備具有與所述平臺攜帶的所述信號收發(fā)信機的能力兼容的通信能力。
2.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，進一步包括與所述通信連接網(wǎng)絡相連的至少一個網(wǎng)絡操作中心，使得所述地面終端之間互連，并且所述至少一個網(wǎng)絡操作中心包括用于控制所述比空氣輕的平臺的預定操作的電路。
3.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述調整器將所述平臺的漂浮高度調整在約60,000英尺和約140,000英尺之間的一個預定高度范圍內。
4.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述調整器被有效連接來調整所述平臺漂浮在地球的同溫層內。
5.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述多個平臺被調整漂浮在其中的所述預定高度范圍包括約70,000英尺至約100,000英尺的一個范圍。
6.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中用于將所述平臺調整在所述預定高度范圍內漂浮的所述調整器包括具有比所述預定高度范圍內的空氣的密度小的密度的一定量的被容裝的氣體，以及一個可控制的氣孔，通過該氣孔可以釋放所述一定量的氣體的一部分來降低所述平臺的浮力。
7.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述調整器包括搭載在所述平臺上的一定量的高密度物質以及一個釋放設備，通過該釋放設備可以釋放所述高密度物質的一部分來增加所述平臺的浮力。
8.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述調整器包括a)一個可控制的氣孔；b)一個可控制的壓艙物釋放設備；c)一個高度判定機制；以及d)一個控制信號處理器設備，與所述收發(fā)信機，所述高度判定機制，所述氣孔和壓艙物釋放設備相連接，使得高度可以調節(jié)。
9.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述多個地面終端是空間分離的，每個終端包括一個能夠跟蹤所述多個平臺的一個或多個的跟蹤設備，并且進一步包括一個收發(fā)信機，所述地面終端通過該收發(fā)信機能夠將通信信號發(fā)送至和接收自所述多個平臺的至少一個。
10.如權利要求9所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述跟蹤設備包括a)方向天線；以及b)方向天線對準機制，響應GPS坐標數(shù)據(jù)來將所述方向天線可選擇地對準所述多個平臺中所選中的平臺。
11.如權利要求9所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述跟蹤設備包括a)方向天線；以及b)方向天線對準及增益跟蹤機制，用于根據(jù)一個被選中平臺和所述方向天線之間的通信信號強度來將所述方向天線對準所述被選中平臺。
12.如權利要求9所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述空間分離的地面終端的至少一個包括一個網(wǎng)絡操作中心，所述多個地面終端通過所述通信連接網(wǎng)絡從該網(wǎng)絡操作中心接收通信信號。
13.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，進一步包括一個連接到所述通信連接網(wǎng)絡的網(wǎng)絡操作中心(NOC)，所述NOC具有通信和控制電路用于處理和選擇性地將通信信號和平臺控制信號引導到所述地面終端的一個或多個來與所述多個平臺的一個或多個通信。
14.如權利要求13所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述NOC通過通信連接的“集中-輻射”方案被連接到所述多個地面終端的每一個。
15.如權利要求13所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述NOC通過通信連接的“網(wǎng)狀”方案被連接到所述多個地面終端。
16.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中將所述地面終端互連的所述通信連接網(wǎng)絡包括到地面線路的連接。
17.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中將所述地面終端互連的所述通信連接網(wǎng)絡包括空間衛(wèi)星通信連接。
18.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述通信連接網(wǎng)絡包括平臺到平臺的通信連接。
19.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述多個平臺包括從氣球，軟式飛艇，航空器、齊柏林飛艇、飛船、飛艇、天氣氣球、吉姆球(jimsphere)，熱空氣氣球，探空氣球和氣象氣球中選出的比空氣輕的設備。
20.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述多個平臺包括橡膠壓力氣球。
21.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述平臺包括零壓力氣球。
22.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述平臺包括內空氣球膽氣球。
23.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述平臺包括可調體積氣球。
24.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述平臺包括氫氣填充氣球。
25.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述編碼通信設備包括尋呼機。
26.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述編碼通信設備包括先進消息傳遞設備。
27.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述編碼通信設備包括無線電話。
28.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述編碼通信設備包括遙感勘測設備。
29.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述編碼通信設備包括設備跟蹤單元。
30.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述編碼通信設備包括個人跟蹤單元。
31.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中a)所述平臺包括一個快速下降機制；以及b)所述平臺是一次性的。
32.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中a)所述平臺包括一個氣球；b)所述平臺包括一個快速下降機制；以及c)所述氣球是可替換的用于所述收發(fā)信機的回收和再使用。
33.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述收發(fā)信機包括能夠使用頻分多址協(xié)議通信的電路。
34.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述收發(fā)信機包括能夠使用時分多址協(xié)議通信的電路。
35.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述收發(fā)信機包括能夠使用碼分多址協(xié)議通信的電路。
36.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述收發(fā)信機包括能夠使用ReFLEX協(xié)議通信的電路。
37.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述收發(fā)信機包括能夠使用Flex協(xié)議通信的電路。
38.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述收發(fā)信機包括能夠使用POCSAG尋呼協(xié)議通信的電路。
39.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述收發(fā)信機包括能夠使用ERMES尋呼協(xié)議通信的電路。
40.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)進一步包括a)一個高度判定機制；b)最近氣象數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)包括在給定高度的最近的風速和風向；以及c)用于將所述一個或多個平臺的高度調整到根據(jù)所述最近氣象數(shù)據(jù)確定的選擇風速和風向的控制器，從而使得所述一個或多個平臺可以根據(jù)所述一個或多個平臺被調整到的不同高度的風速和風向被相對移動，使得所述多個平臺的一個或多個之間的空間分離距離可以被調整，來實現(xiàn)在所述相鄰地理區(qū)域上的連續(xù)的充分的完全覆蓋。
41.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)進一步包括a)搭載在所述多個平臺的每一個上的高度傳感器；以及b)連接于每個所述收發(fā)信機且被裝載到所述多個平臺的每一個上的可操縱天線，所述可操縱天線具有與所述高度傳感器通信的穩(wěn)定性控制器，用于將所述可操縱天線穩(wěn)定在從所述平臺一致向下的方向，來實現(xiàn)在所述相鄰地理區(qū)域上的一致的地面覆蓋。
42.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)進一步包括操作上與所述可操縱天線和所述高度傳感器相關聯(lián)的對準控制器，用于可選擇地改變所述天線的覆蓋區(qū)域的位置，從而填補所述相鄰地理區(qū)域上的覆蓋間隙。
43.如權利要求1所述的漂浮構像通信系統(tǒng)，其中所述每個所述平臺包括a)無人的自由氣球；以及b)一個負載箱，該箱具有小于6磅的總重量以及預定面積的外表面，并且在該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，該比率由該有效載荷箱的盎司總重量除以其最小外表面的平方英寸面積確定。
44.漂浮構像通信系統(tǒng)，包括a)被調整漂浮在一個預定高度范圍的多個比空氣輕的平臺，每個平臺攜帶至少一個通信信號收發(fā)信機；b)多個地理地空間分離的平臺發(fā)射站，可以從該發(fā)射站發(fā)射所述多個平臺；c)一個空間衛(wèi)星和在多個地面終端之間的衛(wèi)星通信連接網(wǎng)絡，該地面終端能夠與所述空間衛(wèi)星和所述多個平臺通信，并能夠將通信信號發(fā)送至和接收自所述多個平臺攜帶的所述多個通信信號收發(fā)信機；d)一個網(wǎng)絡操作中心和在所述網(wǎng)絡操作中心和所述空間衛(wèi)星之間的衛(wèi)星通信連接，從而將所述網(wǎng)絡操作中心和所述多個平臺互連；以及e)在相鄰地理區(qū)域中的多個編碼通信設備，該編碼通信設備具有與所述多個平臺攜帶的所述通信信號收發(fā)信機能力相兼容的通信能力。
45.通信平臺的漂浮構像，包括a)多個分離地可發(fā)射的比空氣輕的平臺，該平臺能夠在被發(fā)射后最初上升到地球的大氣層中；b)所述多個平臺的每一個進一步包括一個操作地相連的高度調整器，以在最初的上升之后調整所述每一個平臺漂浮在一個預定的高度范圍中；以及c)有所述多個平臺的每一個攜帶的通信信號收發(fā)信機。
46.如權利要求45所述的通信平臺的漂浮構像，其中所述預定高度范圍包括在政府規(guī)定的商業(yè)空域之上的高度。
47.如權利要求45所述的通信平臺的漂浮構像，其中所述預定高度范圍包括在大約60,000英尺之上和大約140,000英尺之下的高度。
48.如權利要求45所述的通信平臺的漂浮構像，其中所述預定高度范圍包括在大約70,000英尺之上和大約100,000英尺之下的高度。
49.如權利要求45所述的通信平臺的漂浮構像，其中所述高度調整器進一步包括a)第一量的低密度氣體；b)用于確定所述平臺的高度的設備；以及c)用于當所述確定的高度在所述預定范圍內時釋放所述低密度物質的一部分的氣孔。
50.如權利要求45所述的漂浮構像，其中所述高度調整器進一步包括a)第一量的高密度物質；b)用于確定所述平臺的高度的設備；以及c)用于當所述確定的平臺的高度在所述預定高度范圍內時釋放所述高密度物質的一部分的物質釋放機制。
51.如權利要求50所述的漂浮構像，其中所述用于確定所述平臺的高度的設備包括全球定位系統(tǒng)GPS接收機。
52.如權利要求51所述的漂浮構像，其中所述用于確定所述平臺的高度的設備包括全球定位系統(tǒng)GPS接收機。
53.通信平臺的漂浮構像，包括a)可以調整的上升并在一段時間內漂浮在一個預定高度范圍的空氣中的多個第一空中平臺，所述多個第一空中平臺在第一時間從地理上空間分離的位置上升；b)可以調整的上升并在一段時間內漂浮在一個預定高度范圍空氣中的多個第二空中平臺，所述多個第二空中平臺在第二時間從地理上空間分離的位置上升；c)快速放氣系統(tǒng)，用于當所述空中平臺故障或位置錯誤時，將所述空中平臺從空中去掉；d)加裝在每個所述空中平臺上的至少一個平臺通信信號收發(fā)信機；e)能夠與所述空中平臺通信的多個地理上空間分離的地面收發(fā)信機；f)將所述多個地面收發(fā)信機互連的通信連接網(wǎng)絡；以及g)多個編碼設備，具有與所述平臺的能力對應的通信能力并且可選擇地由來自所述平臺的通信信號設定地址。
54.通信平臺的漂浮構像，包括a)多個空中平臺，可以調整漂浮在一個可調節(jié)的高度范圍內并且空間分離，從而提供在一相鄰地理區(qū)域上的充分全面的視線覆蓋；b)所述多個空中平臺包括多個通信收發(fā)信機，所述多個空中平臺的每一個至少攜帶所述多個通信收發(fā)信機的一個；c)在所述相鄰地理區(qū)域上空間分離的多個地面終端，用于維護所述多個空中平臺的所述通信設備與所述地面終端之間的充分全面的視線信號通信；d)將所述多個地面終端互連的通信連接網(wǎng)絡；以及e)多個編碼設備，能夠與所述多個通信收發(fā)信機通信并且能夠從所述多個平臺攜帶的通信收發(fā)信機的一個或多個設定地址。
55.如權利要求54所述的通信平臺構像，進一步包括操作上與所述地面終端相連的多個跟蹤器，用于跟蹤在所述地理區(qū)域上所述空中平臺的運動并且指引所述地面終端中被連接的一個和所述通信平臺的一個之間的信號。
56.空中構像，包括a)在一個相鄰地理區(qū)域上空間分離的多個獨立的比空氣輕的平臺，從而提供對所述地理區(qū)域的充分全面的視線覆蓋；b)所述多個平臺的每一個包括一個裝有受控量的低密度氣體的附件，使得所述平臺的總密度低于在一個預定高度范圍上的大氣空氣的密度；以及c)所述多個平臺的每一個進一步包括附加在所述附件上的一個信號發(fā)射設備，通過該設備可以將信號從所述平臺發(fā)送到所述相鄰地理區(qū)域。
57.如權利要求56所述的空中構像，其中當所述平臺上升到高于所述預定高度范圍，受控量的低密度氣體被調整放出氣體。
58.如權利要求56所述的空中構像，進一步包括一個壓艙物釋放機制，通過該機制壓艙物可以被可選擇地釋放來減緩下降或升起該平臺。
59.如權利要求56所述的空中構像，其中所述預定高度范圍是在大約70,000至100,000英尺。
60.如權利要求59所述的空中構像，其中所述附件裝有足夠大量的氫氣，使所述平臺上升到至少70,000英尺以上，并且進一步包括在所述附件中的一個氣孔和附加到所述氣孔上的一個調整器，用于釋放所述氫氣的一部分來維持所述平臺在所述預定高度范圍內。
61.一種高度可調整的比空氣輕的通信平臺，包括a)用于保存一定量的低密度氣體的一個低密度氣體附件；b)附加在所述附件上的一個收發(fā)信機，包括電子電路和一個搭載的電源；以及c)附加在所述平臺上的一個高度調整器，用于在一預定高度范圍內調整所述平臺的高度，所述高度調整器包括i. 一個高度判定機制；ii.一個所述氣體附件上可控制的氣孔和操作上與所述高度判定機制相連的氣孔控制器，用于排除氣體來調整所述平臺的高度；以及iii.附加在所述平臺上的可控制的壓艙物釋放機制和與所述高度判定機制相連的壓艙物控制器，用于釋放壓艙物來調整所述平臺的高度。
62.如權利要求61所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，其中所述低密度氣體附件包括用于保存一定量的氫氣作為所述低密度氣體的附件，并且其中所述搭載的電源包括與所述氫氣附件相連的燃料電池，用于接收氫氣作為所述燃料電池的燃料的組分。
63.如權利要求61所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，其中所述收發(fā)信機進一步包括一個附加在所述收發(fā)信機上的可操縱天線并且進一步包括a)高度傳感器；以及b)操作上相連的穩(wěn)定控制器，用于控制所述可操縱天線在一個從所述通信平臺始終向下的方向上。
64.如權利要求61所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，其中所述收發(fā)信機進一步包括一個附加在所述收發(fā)信機上的可操縱天線并且進一步包括a)高度傳感器；以及b)操作上與所述可操縱天線和所述高度傳感器相關聯(lián)的對準控制器，用于可選擇的改變和維持所述可操縱天線的地面覆蓋區(qū)域的位置。
65.如權利要求61所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，其中操作上相連的所述可控制氣孔和氣孔控制器進一步包括至少一個鎳-鈦元件，該元件機械地與所述可控制氣孔相連并且操作上與所述電源相連，用于選擇性地接受和不接受電力從而可選擇地改變所述鎳-鈦元件的長度來打開和關閉所述可控制氣孔。
66.如權利要求61所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，其中相連的所述可控制壓艙物釋放機制和壓艙物控制器進一步包括一個鎳-鈦元件，該元件操作上與所述電源相連，用于選擇性地接受和不接受電力從而縮短和加長所述鎳-鈦元件來可選擇地釋放壓艙物。
67.如權利要求61所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，進一步包括通過一個連接到所述收發(fā)信機的光纖連接與所述平臺相連的氣象包，從而減少當所述平臺移動經(jīng)過沖了電的云時在所述收發(fā)信機和所述氣象包之間產(chǎn)生電弧的可能性。
68.如權利要求67所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，其中所述可控制壓艙物釋放機制進一步包括用于將所述氣象包作為壓艙物釋放的裝置。
69.如權利要求61所述的高度可調整的比空氣輕的通信平臺，其中所述的低密度氣體附件進一步包括一個帶內涂層的橡膠氣球，來減少氣體從所述橡膠氣球的擴散。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空中構像(10),以及多個比空氣輕的在相鄰的地理區(qū)域上分離的、在預定的高度范圍中的平臺(12),它們能夠提供地理區(qū)域的視線上的完全覆蓋。每個所述平臺(12)包括一個裝有容量可調控的低密度氣體的附件,用于調控平臺的浮力。每個所述平臺還包括裝在附件上的信號發(fā)射設備,通過該設備可以將來自平臺的信號發(fā)送到相鄰的地理區(qū)域。
文檔編號H04B7/185GK1367988SQ00809719
公開日2002年9月4日 申請日期2000年6月7日 優(yōu)先權日1999年6月29日
發(fā)明者杰拉爾德·M·科納布雷斯, 埃里克·A·弗來斯切 申請人:空間數(shù)據(jù)公司