专利名称：通信系统的制作方法
本申请要求2000年4月10日申请的美国临时专利申请，序列号No.60/196,058的优先权，为了通用的目的其被合并在此处作为参考。
本发明涉及无线通信系统，尤其是涉及一种使用飞行器的无线通信系统。
背景技术：
随着因特网和多媒体应用的蓬勃发展，增加了提供高的带宽、最近的距离连接给终端用户的挑战。通信信号可以通过多种不同类型的通信系统被传送给上述的用户。有线、陆地系统典型地对于很大的带宽信号提供高速通信。但是，用于上述系统的基础结构是昂贵的，并且修建、维护和升级是耗费时间的，以及其不能单独地支持移动通信。使用传送塔的无线系统对于每个地区可用的大体上更有限的带宽提供相当高速的通信。
对地静止的地球轨道(GEO)卫星(处于大约36,000公里的高度)也可以提供无线通信给终端用户，但是由于带宽效率是有限的，因此在下面适合于高度的居民区。中和低地球轨道(MEO和LEO)卫星(分别是10,000公里和700-1500公里)系统实际上是复杂的，因为终端用户需要具有跟踪卫星相对运动的设备。而且，GEO卫星必须处于赤道轨道中，这限制了其对于赤道陆地区域的实际使用。非同步卫星需要复杂地、连续地调整定向天线，既在空中又在地面上，典型地以辅助系统用于从一个传送卫星切换通信信号到下一个。当然，以上所述的卫星没有一个是容易收回的，例如，用于检修。
飞行器在各式各样的应用中使用，包括旅行、运输、救火、对空观察和战斗。已经设计出各种各样的飞行器去满足由这些应用限定的功能作用的宽阔的组合。在这些飞行器之中包括传统的气球、飞船、固定翼飞行器、空军联队飞机和直升飞机。
飞行器典型地未曾设计成能满足的一个功能作用是，用于通信的长持续时间、亚轨道的(例如，平流层的)高空平台。高空平台是飞行器在高空相对地固定位置的场所。轻航空器，诸如气球和飞艇，以及直升飞机两者都由于高度限制在其作为高空平台功能方面受到限制，并且在强风中不能保持选择的场所。飞行器典型地以高速运动以达到和保持高度，由于在静风中无能力保持一个选择的场所飞行器是受限的。此外，直升飞机、某些轻航空器以及大多数的飞行器对于远远超过一天的时间是不能保持高度位置，更不用说极大的持续时间，诸如超过一周或者一个月。
许多试验性的飞行器具有持续连续不断的日夜飞行的潜能，作为太阳能的飞行器只要白天有充足的日光是可利用的。三种上述的飞行器设置众多的飞行记录，该飞行器实际上是公知的开拓者、百夫长以及太阳神飞行器构成。以这些飞行器为基础的基本设计详细地在美国专利No.5,810,284中论述，其目的在于未扫过的具有很高的长宽比和相对固定的弦长和机翼的空军联队飞机。
工作在亚轨道高度的长持续时间高空平台，诸如开拓者、百夫长和太阳神飞行器已经提出供多种功能使用。作为一个例子，装备有微波通信设备的高空平台可以提供在边远地区之间的通信中继业务。其他类型的飞行器不是最佳适合于这种任务的，因为它们受限于它们使用的燃料的量，该燃料是重的、昂贵的并且非常迅速地耗尽。典型地，这些其他类型的飞行器对于所有的极大持续时间不能保持在其预定位置之上，由此在执行这些任务中具有有限的应用。
希望去开发一种提供高带宽信号，既给固定位置又给移动接收机的通信系统。本发明的不同的实施例可以满足这些需要的某些或者全部，并且进一步提供有关的优点。
发明内容
本发明通过提供使用一个飞行器的通信系统解决如上所述的需要，该飞行器制造是花费不多的，并且可以保持在高处很长的持续时间。这些系统可以快速配置，对于需要和需要量是可升级的，并且可以以新技术维修和升级。实际上，可以开发可作传输和/或移动用户之用的这些无线系统。
本发明限定使用亚轨道的平台，该平台可用于转换来自地面站的无线电波信号为送往卫星或者其他的航天器的光信号，即上述的亚轨道的高度。同样地，该飞行器可以与很多的地面站连接，去建立宽频带和/或无线网络。但是，该飞行器比卫星或者陆地近距离基础结构的制造不仅是价格更进一步比较低廉，对于相同的或者不同的任务其是可取回的，并且可以重复使用。
本发明使用坚固位置保持平流层的平台作为通信节点，实际上相对于固定位置用户该通信节点是对地静止的。该平台以太阳能和氢燃料电池的混合物产生的电能实现空气动力学的控位。它们是对环境无害的，并且不产生污染物进入该平流层。该有效负荷模块保持姿态，并且利用万向支架从平台滚动俯仰偏转运动减震。有效负荷和用户终端天线两者都设计成能动态地容纳平台控位。
数据可以经由以地面为基地的网关处理，该网关配置去转播该数据给飞行器，并且从飞行器接收数据。该平台处于20公里标称高度。这大体上接近于在35,000公里轨道中的同步卫星，并且其提供等于或者超过陆地网络的延迟等待时间。
该通信系统可以使用多个随着频率和极化分集一起空间分开的飞行器，以使进入高度居住的市区之内的带宽密度效率可高达222MHZ/KM2以上。这也允许对抗系统同时存在。
从下面结合伴随的附图对发明的优选实施例的详细说明中，例如，举例说明本发明的原理，本发明的其他的特征和和优点将变得显而易见。作为在下面的陈述允许建立和使用一个本发明的实施例，特定的优选实施例的详细说明不意欲限制列举的权利要求，而是用来起主张本发明的特定例子的作用。
图1是一个在零应力位置实施本发明的飞行器的优选实施例的正视图。
图2是一个在图1描述的飞行器的平面图。
图3是一个在图1描述的飞行器在飞行状态之下在典型的负荷弯曲位置的透视图。
图4A是一个在图1描述的飞行器的说明性的视图，该飞行器在通信系统中充当高空平台，去在地面站信号和多个终端用户之间传送信号。
图4B是一个类似在图1描述的多个飞行器的概念视图，在通信系统中该飞行器充当高空平台，去在多个小区中在多个地面站和多个终端用户之间传送信号。
图4C是一个在图4B描述的概念之下可以由飞行器保持的坚固位置的二维空间分布的概念视图。
图4D图解一个使用GEO卫星Ka相反频带飞行器通信有效负荷设计方案。
图5是一个在图1描述的飞行器的说明性的视图，该飞行器在通信系统中充当高空平台，去在使用无线电波信号的地面站和使用光信号的卫星之间传送信号。图5进一步描述从一个卫星到第二个卫星的切换通信。
图6是一个类似于图5的通信系统的说明性的视图，这里卫星处于与地面站相比较显著不同的纬度。
图7是一个类似于图5的通信系统的说明性的视图，这里该飞行器与多个地面站通信，并且该卫星被山脉从一个或多个地面站阻挡。
图8是一个类似于图5的通信系统的说明性的视图，这里该飞行器同时与三个不同的卫星通信。
图9是一个类似于图5的通信系统的说明性的视图，这里该飞行器同时直接与二个飞行器和一个地面站通信。
图10是一个类似于图5的通信系统的说明性的视图，这里一个卫星与多个飞行器通信，每个飞行器起一个基站的作用，用于与多个地面站通信。
图11A是一个在图1描述的飞行器的说明性的视图，在宽频带、无线本地回路或者其他的具有用户基站和用户远端站的通信系统中，该飞行器充当高空亚轨道的平台基站。
图11B是一个适合于具有在图11A举例说明的通信系统使用的用户基站的视图。
图11C是一个适合于具有在图11A举例说明的通信系统使用的用户远端站的视图。
具体实施例方式
通过参考下面的详细说明，可以更好地理解上述的综述和通过列举的权利要求定义的本发明，该详细说明应该结合伴随的附图阅读。作为在下面的陈述允许建立和使用一个发明的实施例，这个通信系统特定的优选实施例的详细说明不意欲限制列举的权利要求，而是用来提供其特定的例子。
用于本发明的优选的飞行器本发明最好包括使用一个飞行器作为具有坚固的控位必要条件的大体上对地静止的平台。按照本发明，该优选的飞行器具有类似于开拓者、百夫长和太阳神飞行器的结构，如在本发明背景所述的。虽然优选的飞行器的结构在下面进行描述，更多细节提供于美国专利No.5,810,284中，它作为参考合并在此处。虽然如此，应该明白适合于本发明的其他的飞行器的结构可以实质上不同于描述的飞行器。
参考图1-3，优选的飞行器实施例是一个空军联队飞机10，即，其没有机身或者尾翼。而是，其由一个具有沿着翼展大体上相容的翼型和尺寸的平直机翼12组成。最好是，六个、八个或者十四个电动机14沿着翼展位于不同位置上，每个电机驱动单个螺旋桨16去产生推进。最好是，二个、四个或者五个垂直安定翼或者吊舱18a-18d随着陆装置在其低端从机翼向下延伸。
该优选的飞行器10是太阳能的，并且包括燃料箱去储存能量用于连续不断的日夜飞行。因此，理论上适合于连续不断的、不载人飞行在一周至十天以上(例如，200个小时)，进一步最好是3000个小时或者更长。换句话说，可以设计成能从氢燃料(诸如用于或者燃料电池或者常规的内燃机的液态氢)、化石燃料或者其他的储存的燃料，或者诸如在白天的太阳能以及在夜里存储非可更换的或者部分可更换的燃料的燃料源的组合取得其某些或者全部能源。
该飞行器10最好是沿着翼展顺序地设置纵向被分成五个或者六个模块化分段。这些分段长度从39到43英尺范围，并且具有大约八英尺的弦长。因此，该飞行器具有大约八英尺的长度，并且最好是具有大约100、120、200或者250英尺的翼展。该飞行器的机翼分段每个在飞行中支撑它们自己的重量，以便将在分段中间的负荷减到最少，并且从而将要求的载荷结构减到最少。
该安定翼18a-18d从机翼12在分段之间的连接点向下延伸，每个安定翼安装着陆装置前和后轮34、36。该安定翼被配置作为吊舱去包含飞行器的组成部分，诸如电子设备，和/或各种各样的有效负荷。吊舱的一个，“控制盒”用于携带电子控制设备，包括一个主要包含软件的自动驾驶仪去控制马达和升降舵。此外，该吊舱携带检测器，包括全球定位系统设备，以及如在下面进行描述的通信设备。
作为上述结构的结果，该飞行器的优选实施例是轻巧的(机翼面积小于1磅每平方英尺)，以相对缓慢的空中速度(从低空13节至高空100节)行进，并且为了呆在空中需要从太阳能电池系列相对小的电能。其作用位置性能是这样的，对于该通信系统的其他的部分实际上是透明的(即，只要该飞行器保持在其位置，该通信系统的其他部分不受飞行器的飞行的影响)。
地面链路系统图4A和4B描述了实施本发明通信系统的第一个系统的系统概念。该系统包括一个或多个用作坚固控位平流层平台的飞行器10，该飞行器10被用作通信节点，并且通信设备既设置在该平台上，又设置在地面上。
该以地面为基地的通信设备包括一个或多个“网关”102(即，广播信号到一个或多个飞行器平台，和/或从一个或多个飞行器平台接收信号的陆地通信节点)。该以地面为基地的通信设备也包括一个或多个终端用户终端(即，用于一个或多个终端用户的通信设备)，每个在一个或多个最终用户场所106具有一个终端天线104。该终端天线可以每个广播信号到飞行器平台的一个，和/或从飞行器平台的一个接收信号。多个终端天线可用于从不同的飞行器对单个终端用户接入信号，因此增加了带宽。
在一个用户终端要到或者从终端用户106交换的数据，被经空中的通信设备在网关102和终端用户的用户终端之间发送。尤其是，该终端用户数据最好是在一个或多个网关和一个或多个飞行器10之间处理和发送。
该飞行器10相对于不可移动的网关102和终端用户所在地106保持大体上对地是静止的。尤其是，这些飞行器平台被保持在输出终端天线104的波束宽度之内。每个平台最好是在选择的覆盖区或者小区之上保持在20公里高度的位置上。在所有的环境条件之上，其最好是呆在600米转弯半径和+30米垂直高度的范围之内。与GEO卫星相比较，这个通信系统很可能具有等于或者超过地面网的延迟等待时间。
该机载通信设备被携带在飞行器10上的一个或多个有效负荷模块中，并且最好是在吊舱18中(参见图1-3)。这个设备保持其姿态，并且利用万向支架从平台滚动俯仰摇摆运动中减震。该机载通信设备(有效负荷)和该终端用户终端天线两者都被设计成能动态地容纳该飞行器平台。
该机载通信设备被配置去瞄准用户终端天线的多个不同的小区110。这些最好是六边形的小区可以具有改变尺寸的性质，其最好是在离飞行器适当的距离与该机载通信设备的波束宽度相匹配。
具有类似配置的通信设备的附加的飞行器10提供附加的带宽给由第一个飞行器服务的小区110，和/或给附加的小区。每个飞行器应该与其它的隔开，使得它们不会飞越在彼此相关的地面天线的波束宽度之内。这种空间分集也用来保护飞行器避免相互撞上。
该系统可以使用空间分集(从紧密堆积的二维变化平台位置，参见图4C)、频率分集和极化分集去使得带宽密度效率可高达222MHZ/KM2进入高人口密度的市区之内。该密集的空间分集与用于GEO卫星的一维的轨迹系列相比较提供实质上更高的带宽。这种空间分集还可以允许对抗系统同时存在。
该网关使用92-95 GHz用于到平台的上行链路，以及81-84 GHz用于来自平台的下行链路。该频带范围被极化以便每个网关可重复使用。最好是，具有自动跟踪天线的高达4个空间分开的网关处理来自每个平台的所有的数据。总共8倍的重复使用得出每个平台24GHz的带宽信息通过量。该网关处理和路由用户数据，或者外部经由陆地和/或卫星网络，或者内部向上到平台去指定在覆盖区内的用户。到飞行器的该网关的通信链路最好是使用交叉极化抵消最坏情况下雨去保持该链路性能。
在该平台上的通信有效负荷是一个简单的设计为用于连接用户到网关的转发器。该网关天线共同地自动跟踪该地面天线。为了在用户链路上得到带宽密度，该多波束被以在常规的4个小区重复使用结构配置。该小区的大小和首尾相连同步CDMA波形结构克服由最坏情况平台运动所引起的干扰。
终端用户通信链路(从飞行器到用户终端)可以设计成使用Ka或者Ku波段。图4D示出上述的使用GEO卫星Ka频带的相反的设计方案，即来自终端用户的19.7-20.2GHz上行链路，和到终端用户的29.5-30.0GHz下行链路。该500MHZ可用带宽被在4个小区重复使用方案中分成二个250MHZ。对于全部24GHz网关带宽，该有效负荷支持96个用户波束。如果相应的小区大小是8公里的六边形，这实现6MHZ/KM2的带宽密度。
该用户的终端天线必须具有足够的波束宽度，以适应平台的控位操作。同时，它们必须足够窄，以允许多个平台去在相同的覆盖区之上运行，如果需要增加，去进一步增加该带宽密度。对应于图4D的有效负荷，直接在该平台下面的30cm直径天线用于小区，同时在覆盖区的边缘需要45cm的天线用于小区，以对于额定E1(2.048MBPS)的数据传输速率关闭该链路。这些天线在Ka波段的旁瓣电平允许37个平台的六边部分具有最低的相互干扰，如图6所示。在重叠区中这增加带宽密度到222MHZ/KM2。在GEOKa波段终端和这个系统之间的干扰可以很大程度上被利用空间分离而减轻。
最好是，一个或多个操作中心100指挥和控制飞行的飞行器平台(参见图4B)。它们也指挥和控制附加的飞行器平台，该附加的飞行器平台可用于替换以保证整个系统具有99.9％可靠性的有效性，并且当专用飞行器被供给时去保持该系统。最好是，该操作中心控制一队飞行器平台，在用于下面的地形适当的位置它可以同时保持。最好是，在第一个飞行器已经被第二个代替之后，该第二个飞行器可以对着远距离的起落跑道以避免恶劣的天气。因为该飞行器的预制构件拼装结构，并且因为该部分的尺寸，该飞行器因此能被拆散，并且由普通卡车携带至跑道靠近通信单元。。
当配置在不同的需要上的时候，这个系统是全部可升级的，并且通过许多途径可以被最佳化。该有效负荷最好是设计为对应于单个网关增加6GHz的信息通过量。该天线波束将有选择地填充以覆盖需要的小区110。
当平台被收回用于维护的时候，有效负荷(即，机载通信设备)可以被升级和重新配置。该平台可以被优化用于具有较小有效负荷坚固的控位。相应的小区尺寸可以被降低用于更高的带宽密度。随后该整个系统容量可以在覆盖区之上与多个平台保持。
卫星下行链路系统图5描述了实施本发明的第二个通信系统的系统概念。该飞行器10用于从位于轨道高度或者更高的航天器，诸如卫星到地面站建立高带宽地对空通信系统。尤其是，该飞行器尤其非常适合于用作卫星下行链路系统部分，该卫星下行链路系统将也包括一个卫星302、一个地面站300以及支持在它们之间传播信号的通信设备。这种类型的系统可以在多种通信系统的结构中是有效的。
典型地，在地面站和卫星之间的通信使用某种类型的无线电波信号，诸如微波信号，该微波信号可以没有干扰地穿过各种各样的大气现象，诸如云雾。这些信号的某些是无方向性的，并且某些以给定的波束宽度直接朝着目标的方向。但是，对于接收机灵敏度和背景噪声的给定电平，需要传播特定的带宽的信号强度大体上随着在地面站和卫星之间的距离而增加，即使广播天线具有相对窄的波束宽度。接收机灵敏度可以是随天线尺寸而增加，但是含有大量的折衷，它对于卫星系统是昂贵的。
此外，由于同步卫星有限的例外，卫星跟随地面跟踪在赤道之上反向和四分之一相交，在其来自地面站的距离和方向引起变化，并且在定向天线中需要很大点调整(诸如周期性地从卫星切换到卫星)。取决于卫星(或者卫星组)的地面轨迹，地面站可能需要大规模功率去保持与遥远的卫星的下行链路。
因此，信号强度是在可用带宽上用于下行链路的典型的限制因素，对于方向性地面站，该定向天线典型地必须具有跟踪其目标的能力。此外，达到这样的程度以至可以增加信号强度，该增加扩大了地理区域，该信号将受到很大干扰，尤其是如果该信号具有宽的波束宽度或者是无方向性的(诸如用于蜂窝式通信)。总之，该通信频带宽度对于在地面站之上的卫星的高度、对于在地面站和卫星之间的最大地面距离(即，经纬度度数)、接收机灵敏度(诸如天线尺寸)、波束宽度以及功率电平是受限的。另外，对于至少某些应用，该通信频带宽度对于背景噪声电平是受限的，并且限制与其他的位置信号的允许干扰。此外，如果窄波束宽度地面站天线用于降低功率需求，由于跟踪需求的精确性，可能招致很大成本，并且可能出现附加的失败风险。
当它们可以使用高频信号之时，例如，激光或者其他的光信号，卫星到卫星的通信信号，或者卫星到非轨道航天器的上行链路没有必要受到这些类型的限制，去以有限的功率实现在很大距离之上宽阔的带宽。当穿过大气现象诸如云雾的时候，这些信号可以迅速地降低。因此，上述的高频通信信号典型地局限于相互的卫星通信，或者局限于在卫星和地面位置之间的通信，其没有力图经历大气现象诸如云雾。
本发明的优选实施例通过提供亚轨道的平台304去从地面站300转换无线电波信号，诸如微波信号，为一个光信号直接朝着卫星或者其他的航天器的方向，在地对空通信带宽中可以提供很大的增加。虽然这个通信链路可以是在两者之一的方向，最好是该通信链路是双向的。
对于这些功能，该优选的亚轨道的平台，本发明的飞行器10包括一个微波收发信机310和一个光收发机314，该微波收发信机310具有一个向下指向的天线，用于与在地面站上具有一个向上指向的天线的微波收发信机312通信，该光收发机314具有一个向上指向的天线，用于与在卫星中具有一个向下指向的天线的光收发机316通信。该飞行器最好是提升到一个在典型的用于实际上的大气光波干扰高度之上的高度，诸如避免云雾318和其他的大气降雨，并且最好是足够低去在地面站和飞行器之间最佳化信号带宽。最好是，该飞行器具有多个用于地面站的天线，这些定位地面天线的每一个最好是可瞄准的。
最好是，大多数该飞行器工作在50,000英尺和70,000英尺之间的高度，并且这样做200小时或者更长(进一步最好是300小时或者更长)。使用这个飞行器建立的该通信系统最好是在地面和低轨道的高度之间的距离之上，工作在地面站微波功率电平禁止很大的通信(即，很大带宽的通信)。
最好是，该飞行器放置在相对于地面相对不动的位置上，因此限制或者消除对于地面站去跟踪该飞行器的需要。尤其是，该飞行器最好是工作在7000英尺直径的圆周之内，并且具有1000英尺高度范围，以及进一步最好是大体上在或者接近于4000英尺直径圆周之内。此外，该飞行器最好是工作在1000英尺垂直幅度之内，或者进一步最好是在或者接近于100英尺垂直幅度之内。
从地面站300经由作为亚轨道的平台去使用光信号308转播无线电波信号306给卫星302，该飞行器提供很多优点，并且可以实施不同的任务。例如，如果其开发机械困难，这样的一个飞行器可以迅速地被替换。同样地，在较高的功率电平(用于宽阔的波束宽度或者无方向性的信号)上使用可能彼此干涉的频率，上述的飞行器可以工作在彼此相对接近的距离之内，因为与需要提供同样的带宽给在轨道上的卫星相比较用于每个飞行器的无线电波信号具有大体上低的功率电平。使用需要的电平用于不同的信号，这可以进一步以闭环信号强度控制系统增加去将功率减到最少。
通过使用具有有限波束宽度的向上指向的地面天线和/或向下指向的卫星天线，功率使用可以被进一步减到最小。这些可瞄准的天线的每一个限定一个该飞行器必须保持在之内的大气空间区域。如果既使用向上指向的地面天线，又使用向下指向的卫星天线，它们必须被瞄准去共同限定一个该飞行器可以在之内保持控位飞行队形的大气空间区域。
为了在该限定的大气空间之内保持位置，该飞行器最好是低速飞行飞行器。该飞行队形典型地是阿司匹林形状，通常是圆的，允许具有一定量的垂直变化。但是，应该明白在大风条件下，优选的飞行队形可以改变为之字形图象，这里该飞行器在通常的迎风方向来回地Z字形地移动以径直顶风飞行。
该飞行器可以起便利在单个地面站和单个航天器，诸如对地静止的(或者其他的地球同步的)卫星之间通信的作用，或者其可以与许多在该飞行器的光通信范围内顺序地传送的低的轨道卫星通信，如在图5描述的。最好是，一个设计在卫星之间切换的飞行器将包括二个光通信设备314、320，以便在中断其与第一个卫星302的通信链路之前，获得与第二个卫星322的通信链路。
如在图6描述的，在实施本发明的另一个系统中，该飞行器10可以被用于更北或者更南纬度，这里对通信卫星的恒量和随机存取可能不容易达到。通过在足够的、亚轨道的(最好是平流层的)高度放置该飞行器，该飞行器可以建立与卫星324的通信，该卫星324在远处超过80度纬度，该卫星有可能靠近于赤道。
在一个有关的方面中，该飞行器可以通过使用专用于赤道卫星的重复使用波长的定向信号有利地利用大多数所有的非赤道的位置。尤其是，通过引导一个朝着地球同步卫星的方向，并且另一个朝着飞行器的方向，一个特定的地面站可以使用相同的波长直接转播二个不同的信号。不同于非赤道卫星，该飞行器不需要经过赤道，因此该地面站无须周期性地切换到新的转播方向(诸如当该地面站必须切换卫星的时候出现的)。当然，对于一个给定的飞行器位置，当被转播给卫星之时，某些地面站将不能在相同频率上转播，因为该双向的信号将重叠。例如，如果该飞行器稍微位于赤道的北部，并且该地面站进一步位于赤道的北部，该信号可能重叠。但是，对于一个显著离开赤道的地面站，在赤道上并且大体上在该卫星的下面也许可能放置一个飞行器。应当注意到，本发明的这个方面与本发明的第一个实施例有关，这里地面站通过传播给二个空间分开的飞行器而传送增加的带宽。
如在图7描述的，该通信系统的一个实施例可用于绕过山脉325及其他障碍物。这个特点可以用于地面站到卫星链路运行，以及同样地用于地面站到地面站链路运行。由于典型地地面站和卫星两者都不无需大的工作和/或费用重新设置，使用该系统尤其是行之有效的。对于上述的系统的一个潜在的行之有效的使用是克服障碍物对广泛地传播信号的影响，诸如电视信号。这些电视信号的信源可以是地面站、卫星或者甚至另一个飞行器。另一个潜在的行之有效的使用是使用相同的频率在到多个从地理上讲分离的地面站的传播中的频率复用。这对于遥远的卫星要求更窄的波束宽度去使用相同的频率与二个地面站进行单独的通信是有利的。
本发明的另一个实施例使用飞行器作为局部的网络中心，在位于点波束中的终端用户和通信网络之间转播通信。该通信网络可以是或者基于陆地经地面天线接入，或者基于空间经光学接入，或者特高频微波链路。
在图8描述的一个上述有关的系统使用一个飞行器10作为通信网络中心，同时在一个地面站326和多个卫星328之间通信。在这个使命中，该飞行器将需要多个光收发机，并且将需要产生附加功率去操作该收发信机。另一方面，如在图9和10描述的，示出二个覆盖区域，在每个之上利用一个飞行器提供覆盖。尤其是，一个或多个上述的飞行器10都可以与单个卫星330通信，因此以作为通信网络中心的单个卫星连接一个或多个地面站。通过每个飞行器潜在地提供了频率复用(即，每个飞行器可以使用相同的可利用的频率组)，增加了在卫星和地面之间的可用带宽。
这种情形可以提供适合于在人口稠密地区和卫星之间(参见图10)，或者在卫星和二个遥远的位置之间(参见图9)增加带宽。前者的情形提供极其高数量的数据以在卫星和都市之间经过。靠近地面提供不同的路径去重复使用低的频率，以及光学或者特高频微波链路去在飞行器和卫星之间通信。随后，那个卫星可以作为网络中心，并且与一个或多个其他的卫星334通信，其他的卫星334也可以用于适合于地面通信的亚轨道的平台。另外，还可以用于控制飞行器到飞行器通信。正如这些例子表明的，该飞行器可以用作许多通信系统结构的一部分。
虽然以上所述的优选实施例使用微波和光信号，应该明白该系统对于各式各样的信号是可操作的。尤其是，众所周知大气湿度显著地干扰大约一个毫米或者更小的无线电波长(即，在二十吉赫之上的高频率信号)，但是不是非常大的波长(即，在二十吉赫下面较低频率信号)。因此，该系统最好是可以使用地面站到飞行器的无线电信号具有大于1毫米波长运行的，并且飞行器到卫星的无线电信号具有小于1毫米波长。此外，使用以上所述发明的飞行器去重新寄送和/或放大信号，即使系统的飞行器到卫星部分以穿过大气干扰的信号运行，诸如与在系统的地面站到飞行器部分使用的信号相同，功率可以被节省。
宽频带分配系统参考图11A，与本发明的第一个实施例有关系的通信系统属于无线本地回路、宽频带和/或其他的通信网络。
不同形式的通信，诸如移动的和住宅的音频电话，移动的和住宅的因特网接入，以及宽频带数据存取，每个具有不同的传输要求。例如，音频电话需要相对低电平的带宽(例如，4至64KBps)用于时间持续期(例如2至30分钟)。因特网接入需要大的带宽(例如，64至2000KBps)用于非常有限的一段时间(例如，几秒)，并且在几乎连续不断的基础上宽带接入基于很大带宽(例如，1兆位或者更高)。
为了提供上述的通信要求，开发了许多典型的网络体系结构，导致不同形式的网络。在这些之中包括陆地有线电话网络、蜂窝网络、无线本地回路、以及各种各样的平流层的基于卫星的网络。
典型地，不同的装备要求支持这些技术的每一个。但是，有时候上述的网络可以提供多于一种功能。例如，通过利用ASDL(异步数字用户线)技术经陆地有线传送，宽带技术可以被带给固定位置终端用户。尽管如此，这些不同类型的网络的大部分典型地需要大规模和便宜的有线的基础结构，去相互连接或者用户或者蜂窝塔。
如果在该网络中使用卫星，它们一般地在高密度的区域提供多址连接给用户具有困难。开发供卫星里使用的满足严格的重量和功率要求的装备是昂贵的。此外，由于有限的频率复用支持是困难的，并且要求传送的剩余功率界限小于移动用户可以愿意去的理想的位置。而且，由于其不能穿过大气湿度或者其他的干扰，不能使用很大的频带。
蜂窝和PCS系统擅长于穿透进入建筑物之内，并且难于达到通过使用剩余功率和很大的频率复用的位置。但是，这些系统需要很大的宽带连接在基站和/或传送塔之间。
为了诸如上述的那些缘故，对于通信公司去最初配置进入缺乏现有的基础结构的区域之内，或者具有不可使用的专有的基础结构的区域是困难的。本发明提供一种有创造力的网络体系结构，在各种各样的实施例中，从事的网络体系结构涉及这些的一个或多个。
如图11A所示，本发明的这个实施例包括使用一个或多个高空平台，该高空平台最好是飞行器(太阳能或者常规的，有人或者无人操纵的)，去提供在固定的地面位置之间宽带一点对多点的连接。换句话说，可以使用近地球的轨道(NEO)卫星。最好是，这个高空平台是一个如上所述的飞行器10，在或者接近于相对于地面的一个位置环绕或者保持位置。
该飞行器用作亚轨道的平台基站，最好是与和在许多地面站500之间保持宽带通信信号，地面站500一般地固定在地面位置，可能地包括用户的商业建筑502和用户的居住房屋504的屋顶。至少某些地面站最好是作为基站配置去分配数据或者音频信道给一个或多个典型地本地固定的远端用户站或者移动用户。除了建筑物之外，该地面基站还可以被集成在之内或者安装在路灯506、招牌、独立的天线杆508或者其他的建筑物上。该用户基站(商业的和住宅的两者)最好是或者通过有线或者无线连接也联网到在其建筑物上的用户的入口。通过单独的地面站510，通过卫星网络512，或者通过经由现有的用户基站接入可以提供链接到其他的网络，诸如PSTN(公用交换电话网)、PLMN(公共陆地移动网)或者链接到因特网，这里在用户基站链接到上述的网络的接入是可利用的。
如在图11B描述的，一个用户的地面基站500典型地配置有一个天线520，用于保持与该飞行器的宽带或者无线回路链接。选择性地，太阳能电池组522可用于将由用户基站经由电源接头524得出的功率减到最少。不同的形式的地面基站可以被配置去提供或者专用用户或者许多用户。为了服务在地面基站的局部地区中的不管是移动或者固定的其他的用户，虽然也可以使用有线网到达固定位置，最好是使用无线本地回路。为了与另一个远端用户通信，该用户基站最好是具有一个天线526，适合于相关的远端用户站的选择的无线标准。举例来说，该远端用户可以是由用户拥有的无绳电话，另外该用户不隶属于用户基站、其相关的用户，以及其属于的建筑物。
各式各样的通信标准，包括无线本地回路可被用于链接用户基站(或者其他的地面基站)到具有远端用户站的用户。兼容的无线通信标准包括AMPS(高级移动电话业务)、TACS全通通信系统)、NMT(北欧移动电话系统)、IS-95(码分多址美国数字蜂窝标准)、IS-54/IS-136(美国蜂窝标准，亦称为D-AMPS)、B-CDMA(宽带码分多址)、W-CDMA(宽带码分多址)、UMTS(通用移动电信业务)、或者其他的3G，PHS(个人手持电话系统)、DECT(数字增加无绳电话)、PACS(个人高级通信系统)、PDC(个人数字蜂窝)、CDPD(蜂窝数字分组数据)、Mobitex(用于无线分组数据网络的爱立信标准)以及RD-LAP(摩托罗拉开发的无线分组数据网络)。因此各式各样的业务可以被发送给这些用户，包括音频电话、电子邮件、因特网接入、传真、可视电话以及电视会议。
如在图11C描述的，用户远端站530最好是包括一个天线532，适合于由用户远端站的相关地面基站使用的无线标准。这些用户远端站具有到该用户的专用设备的有线或者无线网络连接534。
如可以从在上面描述的这个分配系统看到的，本发明的这个方面提供了一种无需安装大规模基础结构的信息分配系统。而是，该系统只需要与该用户或者其他的地面站定位的专用用户基站，以及一个或多个最好是高空、亚轨道的平台，提供到和在地面站之间的通信链路。
在上面描述的实施例的进一步支持中，某些优选的参数包括下列-该飞行器在60,000-70,000英尺区域工作，在航空运输和暴风雨之上，这里最大强度风速比低喷气流区域低得多的。
-该飞行器可以由任何合适的方法供以动力，例如太阳能、电池或者使燃料燃烧以经由燃料箱、内燃机或者涡轮建立电气或者机械动力。
-该飞行器能够相对缓慢的飞行，为了接近控位既用于长期荷载又用于操作的必要条件。
-在一个空中的稳定平台上(在方向和高度上是稳定的)的多个天线从支承面的模式发送和接收信号。该波束是适中的、宽阔的，例如10°-20°。
-众多的收发地面天线支持窄波束，例如2°-4°。
-该地面天线波束的方向和仰角被固定，使得所有的指向朝着控位飞行轨迹批量的中心的方向，该控位飞行器呆在该波束内。
-附加的波束可以被经一个固定方向的地面天线在飞行器和中央地面控制站之间发送。
-空中和地面天线系统的方向性允许频率重复使用，以提供宽带业务给许多的用户。
虽然已经举例说明和描述了本发明的特殊方式，显而易见不脱离本发明的精神和范围可以进行各种各样的修改。例如，可以合并描述的实施例的不同的方面以产生本发明的其他的实施例。因此，虽然仅参考优选实施例已经详细描述了本发明，那些本领域普通技术人员将理解不脱离本发明可以进行各种各样的修改。因此，本发明不意味着被上述的论述限制，而是根据下面的权利要求限定。
权利要求
1.一种通信系统，包括多个地面基站，每个地面基站连接到至少一个终端用户通信设备；和一个携带通信设备的亚轨道的平台，其中该多个地面基站和该通信设备被配置去支持多个通信信号，每个通信信号链接该通信设备到至少多个地面基站的一个。
2.根据权利要求1的通信系统，其中多个地面基站的至少一个包括一个无线本地回路，该无线本地回路建立在多个地面基站的至少一个和至少一个用户远端站之间的通信，该多个地面基站的至少一个链接该无线本地回路，该无线本地回路与在多个地面基站的至少一个和通信设备之间的通信信号通信。
3.根据权利要求2的通信系统，其中该至少一个用户远端站是二个以上无绳电话，每个无绳电话是由不附属于安装多个地面基站的至少一个的建筑物的用户使用的。
4.根据权利要求1的通信系统，其中该通信设备是由一个飞行器携带的，该飞行器配置无需补给燃料留在空中至少200个小时。
5.根据权利要求1的通信系统，其中该通信设备是由一个飞行器携带的，该飞行器配置无需补给燃料留在空中至少3000个小时。
6.一种保持在地面站和亚轨道的平台之间的通信链接的方法，其中该地面站使用一个提供有限的波束宽度的通信信号的天线通信，包括确定该亚轨道的平台和天线的位置，使得该亚轨道的平台在该天线信号的波束宽度范围之内；保持该天线在通常固定的位置；和以保持该亚轨道的平台在信号的波束宽度范围之内的模式使该亚轨道的平台飞行。
7.根据权利要求6的方法，其中该飞行器大体上保持在由4000英尺直径圆周和100英尺高度范围限定的位置之内。
8.根据权利要求6的方法，其中该飞行的步骤继续至少200个小时。
9.根据权利要求6的方法，其中该飞行的步骤继续至少3000个小时。
10. 根据权利要求6的方法，其中该亚轨道的平台是一个飞行器。
11.一种用于在卫星和地面站之间通信的通信系统，包括一个在该卫星上的指向向下的通信天线，该指向向下的天线具有有限的信号波束宽度；一个在地面站上的指向向上的通信天线，该向上的天线具有有限的信号波束宽度，其中该指向向下的天线和该指向向上的天线瞄准，使得它们限定一个在两个信号波束宽度之内的大气空间区域；和一个亚轨道的平台，配置以完全在大气空间的限定范围内的模式飞行。
12.根据权利要求11的通信系统，其中该亚轨道的平台大体上保持在由4000英尺直径圆周和100英尺高度范围限定的位置之内。
13.一种用于在地面站和对地同步轨道中的航天器之间提供通信的通信系统，该地面站和该航天器具有以给定的波束宽度为特征工作的通信系统，包括一个亚轨道的平台，保持在非赤道的纬度上，防止该地面站处于由航天器朝着亚轨道的平台的方向发送的通信信号的波束宽度的范围内，而且防止该航天器处于由该地面站朝着该亚轨道的平台的方向发送的通信信号的波束宽度的范围之内。
14.根据权利要求13的通信系统，其中该亚轨道的平台被配置去运行至少200个小时。
15.根据权利要求13的通信系统，其中该亚轨道的平台被配置去运行至少3000个小时。
16.根据权利要求13的通信系统，其中该亚轨道的平台被配置去保持该飞行器在由4000英尺直径圆周和100英尺高度范围限定的位置之内。
17.一种用于在陆地网关和多个陆地终端之间交换数据的通信设备，包括一个飞行器；和一个由该飞行器携带的网络，并且具有至少三个指向向下的通信设备，每个通信设备限定用于通信的波束宽度，当该飞行器在空中预先确定的位置的时候，该通信设备的波束宽度限定包括该终端的各自的陆地通信用单元；其中该网络被配置去与该网关保持携带该数据的通信信号；和其中该通信设备被配置去在该网络和该多个终端之间路由由该通信信号携带的数据。
18.根据权利要求17的通信系统，其中该网络被配置去与附加的网关保持携带附加的数据的附加的通信信号；和该通信设备被进一步配置去在该网络和该多个终端之间路由由该附加的通信信号携带的数据。
19.根据权利要求17的通信系统，其中该通信设备是由一个飞行器携带的，该飞行器配置无需补给燃料留在空中至少200个小时。
20.根据权利要求17的通信系统，其中该通信设备是由一个飞行器携带的，该飞行器配置无需补给燃料留在空中至少3000个小时。
21.根据权利要求17的通信系统，其中每个终端具有一个配置用于携带该通信信号的终端天线，该终端天线被配置使得无需该终端天线的目标进行任何调整，该飞行器的整个位置落在该终端天线的波束宽度之内。
22.根据权利要求21的通信系统，其中该终端天线包括非主动跟踪装置。
23.一种用于在一个或多个数据源和多个陆地终端之间交换数据的通信系统，包括多个飞行器；多个网络，每个飞行器携带一个网络，每个网络具有至少三个指向向下的通信设备，每个通信设备限定用于通信的波束宽度，当该飞行器在空中预先确定的位置的时候，该通信设备的波束宽度限定包括该终端的各自的陆地通信用单元；和一个或多个与一个或多个数据源通信的网关，其中每个网络被配置去与一个或多个网关保持携带该数据的一个或多个通信信号；其中每个通信设备被配置去在其相应的网络和多个终端的一个或多个之间路由由其相应的网络的一个或多个通信信号携带的数据。
24.根据权利要求23的通信系统，其中该多个飞行器包括第一飞行器和第二飞行器，每个飞行器位于在其他的飞行器中的在终端和通信设备之间通信信号的波束宽度之外的位置。
25.根据权利要求24的通信系统，其中该第一飞行器和该第二飞行器每个包括配置去与一个或多个相同的通信单元通信的通信设备。
26.根据权利要求23的通信系统，其中每个飞行器被配置无需补给燃料呆在空中至少200个小时。
27.根据权利要求23的通信系统，其中每个飞行器被配置无需补给燃料呆在空中至少3000个小时。
28.根据权利要求23的通信系统，其中每个终端具有一个终端天线，该终端天线被配置使得无需该终端天线的目标进行任何调整，该飞行器的整个位置落在该终端天线的波束宽度之内。
29.根据权利要求28的通信系统，其中该终端天线包括非主动跟踪装置。
全文摘要
本公开提供了一种通信系统，该通信系统使用翼展负载的飞行机翼以比较低的速度运动，可以在空中保持很长一段时间。该通信系统使用飞行器作为长期的高空平台，可以提供多个潜在功能的至少一个。一个功能是使用无线电波信号链接地面站，和使用光信号链接卫星。另一个功能是作为在地面通信节点和专用终端用户之间的中继站。因为该飞行器可以坚固的保持在一个位置，该终端用户的天线没有必要是连续可调的。对于上述的系统，可以使用很多的飞行器，以及该终端用户天线被配置用于窄的波束宽度，以便对于不同的通信链路允许频率复用。
文档编号H04B7/185GK1440599SQ01807825
公开日2003年9月3日 申请日期2001年4月10日 优先权日2000年4月10日
发明者E·考克斯 申请人:威罗门飞行公司