亚轨道、高高度通信系统 |
|||||||
| 申请号 | CN94193542.6 | 申请日 | 1994-07-22 | 公开(公告)号 | CN1073311C | 公开(公告)日 | 2001-10-17 |
| 申请人 | 国际多媒体有限公司; | 发明人 | S·I塞力索恩; S·塞力索恩; | ||||
| 摘要 | 一个包括至少两个地面站(12)和至少一个高高度中继站(28、130)的亚轨道、高高度通信系统。每个地面站(12)包括发送和接收电信 信号 (20、22、36)的装置。中继站(28、130)包括从地面站(12)或其它中继站接收电信信号(48)以及向地面站(12)或其它中继站发送电信信号(48)的装置。提供控制中继站 水 平及垂直移动的装置，以便实现并维持每个中继站预定的高度和 位置 。提供接收中继站的装置，用于重新使用这些中继站。 | ||||||
| 权利要求 | 1．一个通信系统包括： |
||||||
| 说明书全文 | 发明涉及的领域：本发明涉及一种长工作时间、高高度的通信系统，并且特别 是关于一种处于亚轨道平面的通信系统，它远高于任何一种与地 面存在物理连结的系统，其部件可以长时间地处于高空并保持在 其位置上。 发明的背景： 无线电信系统目前使用陆地(地面)基础设施或空间(卫星) 基础设施。基于陆地的系统包括位于高建筑物、山峰以及类似地 理位置上的无线塔和天线。而且，亦可使用系于地面的气球。基于 空间的系统依靠带有电信设备的卫星。 基于陆地的无线电信系统早在几乎一百年以前，无线电波的 早期时代就已为人知了。它们的配置从简单的单路及双路无线联 播电台一到无线电和电视广播网络一再到今天的复杂的蜂窝网 络和构想中的个人通信网络(PCN)。 “中继站”用于发送和接收去、自其它地方的无线传输。因为 它们位于或接近地面，所以其无线信号一般是趋于接近水平而不 是垂直的。因此，每个中继站只能从有限的距离发送和接收信号。 无线信号传输的距离受限是因为地球曲率引起的水平问题；不平 坦的地势、树木、以及建筑物引起的视线问题；其它信号或传输信 号本身的反射带来的干扰问题；以及所不期望的对传输信号的吸 收而引起的衰减问题。为了增加覆盖的范围，要么必须使用功率 更强的设备，以及/或者必须增加中继站的高度。增加功率有助于 解决衰减的问题以及其它信号的干扰问题；但是不能解决水平、 视线、及反射信号的干扰问题。所以，最好还是把中继站放在塔 上、高建筑物及山顶上以增加它们的高度。中继站因此增加了可 以覆盖的区域，从而解决了水平和视线问题，并且在一定程度上 降低了衰减问题和反射信号的干扰问题。但是，由于地理的或政 治的因素、或者仅是因为得不到地主或政府的许可，将中继站放 在最佳位置上并不总是可行的。 在某种程度上这些问题可以通过使用系留气球携带无线电 信设备而得到减轻。但是，系留气球也有它自身的问题。如果气球 系在较低的高度，它们的覆盖范围就不会比塔上或高建筑物上的 中继站更大，因此就很难使它的价格很合理。而且，由于它们易受 存在于这种高度上的天气及风的条件影响，很可能容易损坏，需 要经常更换。 另一方面，如果将它们系在这样的高度上，使之可以在足够 大的区域上中继电信信号，实现经济上的可行性并避免了天气影 响，因而延长了它们的寿命，但是气球和系留绳都成了飞行器的 威胁，而且系留绳仍然要受到天气条件的影响。 更进一步，出了故障的气球的系留绳很可能沿着上百英尺一 如果不是上千或上万英尺的话一的地域撒落，引起损失和伤害财 产及人员的危险。另外，如果系留绳落在电线上，那么会有起火及 漏电的危险。 综上所述，这些缺点使得系留气球不适于作伴为其部件将长 期运转的电信系统的一部分而使用。 为了克服基于地面的无线电信系统的很多局限性，就构造了 使用卫星技术的基于轨道空间的电信系统，它是从早期的 Sputnik(1957)发展起来的。同步轨道(大约22,000英里)卫星系 统以其高度的可靠性已使用了很多年。它们的主要优点是高度 高，一个卫星可以从包括成百上千平方英里的地面区域发送和接 收信号。但是，卫星不论是开始时或者更换时，其制造、发射及定 位都是很昂贵的。特别是，因为与它们的制造、发射以及维修的困 难程度有关的成本问题，使得必须采取更多的措施以确保其可靠 性。 另外，因为卫星的高高度，在每个方向上都存在大约1/8秒 的无线传输时延。这就大大限制了卫星承载和执行熟悉的两路 (双工)话音通信的能力。而且，由于它的高高度，无线传输设备比 同等的陆地系统需要更大的功率。这就提高了成本并影响了卫星 和地面上设备的体积和重量。 当卫星出故障时，肯定它们都会出现这种情况的，或者是电 气的故障，或者由于轨道的退化，要回收或修理它们都是特别昂 贵的。进一步的，这些修复的尝试无论是否成功，有关的人员及设 备都要冒损坏或失掉的危险。另一方面，一个出了故障的卫星仍 然留在轨道上。它会成为“空间垃圾”中的又一部分，直到它的轨 道退化到它被拉回大气层到达地球。如果在抛回地球的过程中它 未完全消耗掉，在撞向地球的时候会引起对人员或财产的伤害。 为解决在现有的高高度卫星系统中存在的问题，设计了使卫 星在大约500英里或大约5000英里的高度上做轨道运动。尽管这 种办法降低了对功率的需求和传输延迟时间，但也产生了其它问 题。这是因为在这样较低的轨道上卫星不是对地同步的。所以在 一次具体的通信过程中，电信信号需要在几个卫星之间传输。这 是因为每个卫星相对地球的圆周位置是连续变化的。因此，通信 过程开始时在一个地面站上方的某个卫星在通信过程中由于轨 道运动可能转到了完全丢失地面信号的程度。为了保持连接，从 地面来的信号必须转移到与地面站最近的另一颗卫星上。而且， 卫星必须通过程序设定为允许发生这样的转移。所以，需要实施 非常复杂的路由选择特性。另外，各工业成员之间在最佳高度、信 号传播角度，以及如何处理多普勒频移上存在分歧。更进一步，因 为高度较低，卫星的轨道会比较高高度的卫星退化得更快，使得 卫星本身及携带的设备需要更经常地更换，又会带来不小的开 销。 所述的问题可以通过一种电信基础设施得到基本解决，该基 础设施使用长工作时间、高高度、可恢复的电信站，可保持位置不 变、处于亚轨道平面，具有从一个地面站接收电信信号并中继到 另一个相类似站或更远的地面站的能力。 由于去、自中继站的无线信号的传播是接近垂直的；视线、反 射干扰及衰减问题将会变得很小。这是因为很少有类似高建筑 物、树木或地势的阻碍、反射及吸收无线信号。这就意味着会比水 平或接近地面传输需要较少的功率来发送一个信号到一个给定 的距离。更进一步，因为系统运行在比最低设计的卫星系统的百 分之十还要低的高度上，电信信号的几乎没有可觉察的延迟的传 输需要较少的功率。 这样就产生了一种装置，它提供相对低的成本、有效的无线 通信，而不产生与基于陆地的网络基础设施、系留气球系统或基 于轨道空间的网络基础设施有关的经济上和物理上的限制。 发明的总结： 综上所述，可回忆前述指出：本发明一般是关于至少包括两 个地面站的电信系统。每个地面站包括发送电信信号的装置及接 收电信信号的装置。至少提供一个中继站。该中继站包括接收和 发送来、去地面站和其它中继站的电信信号的装置。 中继站处于大约12到35英里的高度上。提供了控制中继站 的水平移动的装置，使得一旦到达了一个预定高度，就可以实现 和保持每个中继站的预定位置。 在另一方面，本发明涉及一种包括提供至少两个地面站和至 少一个中继站的步骤的通信方法。一个中继站位于预定的位置， 在大约12到35英里的高度上。电信信号从一个地面站传输到一 个中继站。中继站继而将电信信号传输到第二个地面站或至少是 另外一个中继站，再到第二个地面站。每一个中继站都保持在一 个预定的高度和位置上。 在又一个方面，本发明涉及一种高高度、亚轨道电信系统的 中继站。它包括接收和发送来、去地面站和/或来、去其它中继站 的电信信号的装置。它也包括控制所述的中继站的水平和垂直运 动的装置，以便实现并保持中继站预定的高度和位置。 附图的描述 参考本发明优选形式的附图可以进一步地理解本发明，这 里： 图1示意性地表示了按照本发明的优选形式而构成的通信 系统。 图2是包括本发明的一个中继站的正视图。 图3是图2中一部分的视图，表示一个推进系统。 图4是图2中一部分的视图，表示另一种形式的推进系统。 图5A和5B分别是示于图2的本发明的一部分的另一种形 式的顶视图和正视图。 图6A、6B和6C是示于图2的本发明的又一种形式的视图。 图7示意性地表示在图1中示意的通信系统的另一种结构。 图8一个中继站的一部分的视图。 图9是在图5中表示的中继站的一部分的第二个实施例的 视图。 图10是正在收回的中继站的一个视图。 优选的实施例的描述： 现在参考图1，系统10包括一个基于地面的部分12和一个 基于空间的部分14。 基于地面部分12可包括常规的电话网络16，带有连至地面 站18的分支，地面站具有适于长距离发送和接收的装置，例如天 线20。基于地面部分12也可包括诸如蜂窝电话这样熟悉类型的 移动电话，由个人22或车辆24来携带。微波天线20可用于发送 和接收去、亚轨道、高高度中继站28的电信信号，该中继站位于大 约12到35英里之间的高度上。 最好是有多个中继站28，每一个处于地球上空固定位置上。 目前所优选的是，将中继站设计成位于高空并在其位置上停留至 少20到30天。 每一个中继站28包括从地面站20、个人22或车辆24接收 电信信号、然后将它们发射到另一个地面站118、个人122或车辆 124的装置，可直接发射或通过另一个中继站130转发。一旦信号 回到系统10的基于地面部分12，电信呼叫就以常规方式完成。 中继站28可包括一个提升装置32。 尽管普通的零压力气球可考虑做为高高度飞行的合适的提 升装置，但是它们不适于那些必须运作超过大约一周或十天时间 的系统。这是因为当零压力气球中的气体每天晚上冷却时，它的 密度要增加。结果，它会一直降落到密度等于它自身密度的高度。 因此，为了保持悬浮，零压力气球每晚必须减轻其重量的大约 8-9％，以便补偿它增加的密度，否则它就会撞向地球。 合适的提升装置可以是一种可膨胀的、比空气轻的装置，例 如德克萨斯州圣安东尼奥的Winzen国际公司开发的那种高高度 超压力气球。超压力气球32被配置成能浮在预定密度的高度上。 通过使气球中的膨胀压力和有效负载的重量与所需密度的高度 上预计的空气压力和环境温度相平衡，来完成这种配置。已经注 意到这种特点的装置在每天中保持高程度的垂直稳定性，尽管它 们易受高程度的温度波动的影向。 另一种提升装置32是一种改进的零压力气球，具有控制气 球里的气体白天受热及夜晚冷却程度的装置。所以，控制气体的 热量就减少了每天晚上需要扔掉的镇重物的数量。 一种过压力的零压力气球是提升装置32的又一种类型。这 是将普通的零压力气球关掉通风孔而进行修改。在飞行中通过控 制经过阀门的气体释放而允许在设定的范围内加压。普通的零压 力气球在晚上气体冷却时会增加密度，因而降低高度，必须抛掉 一定的镇重物才能保持高度，这种方法减少了必须抛掉的镇重物 的数量。 尽管过压力的零压力气球仍然会每天改变高度，但是它比带 热量控制的零压力气球需要相当少的镇重物和气体的损失。因 此，飞行时间和有效负载就比零压力气球实际上要大得多。但是， 二十四小时内气球气体的膨胀和收缩伴随着高度的变化会给它 带来相当大负担，使它携带的有效负载减少。 由此可见，需要控制气球的高度以及其中气体的膨胀和收 缩，以便减轻它的负担。这可以用一种装置来实现，这种装置控制 气球中的气体在白天受热和夜晚冷却时的多少。因此，就可以相 当程度地控制气球上的压力，使它携带多达三到四吨的有效负 载，维持相当长的时间。 可用一种合适的适明的、电彩色或光彩材料来做成气球的壁 或壁的一部分来控制气球内的热量。这样，气球的壁在低光度及 晚上实际上就是透明的了。允许辐射热能量进入气球并用一种类 似温室的方法加热气球的内部。在白昼，日光或从地面发来的信 号使壁变成反射性的或不透明的。这样就减少了辐射能量进入气 球，保持气球内部相对较冷。 控制高度的另一种方法是使用这样一种气球，它带有一个中 心可膨胀的气室、填充了比空气轻的气体，这个气室周围包上一 层外围的实际上不膨胀的被空气填充的气室。将压缩空气挤入外 围气室就可以降低高度；外围气室中的空气排出就可以增加高 度。这种系统的典型例子是新墨西哥州Albuquerque的Odyssey 气球工程，1994年六月七日的《纽约时报》第1页C节中有报导。 提供了多个追踪站36。它们包括熟知的装置，可以识别特定 的中继站28，不管它是否在组中，并可以检测它的位置和高度。 正如将要解释的那样，当追踪站36检测到中继站28漂移之 后，提供了一种推进系统可使中继站28返回它预定的位置，推进 系统可以自动操作，使用基于模糊逻辑的控制系统使中继站保持 在原位置上。 参考图2，可以看到每个中继站28包括一个设备模块38。在 本发明优选的形式中，设备模块包括一个平台。仅管如此，设备模 块38可以是任何便于使用的形状和大小，只要能够支持必要的 设备，完成中继站的任务。 如图2和3中所示，设备模块38包括一个由设备32支持的 外壳40。外壳40包含一个电信信号发射器和接收器44以及一个 地面链路天线48。天线48用于在地面站20和中继站28之间接 收和发送电信信号。中继站28也包括多个天线52，适于接收来自 其它中继站和发送去往其它中继站的电信信号。外壳40也包含 一个导引模块56，将中继站的标识和位置发往追踪站36。它从追 踪站接收指令以激励推进系统。导引天线58用来在追踪站36和 导引模块56之间实现通信。 一个合适的、可重激励的供电电源60置于外壳40上，供电 电源60包括多个太阳能电池板64。太阳能电池板可用熟知的方 式捕捉太阳光并将其转化成电能，供电信设备使用，并用于导引 和推进。 另外，供电电源也包括多个风扇68。这些风扇安排成面向不 同方向，使得总有一些风扇朝向顶风的方向。风扇68用来以熟知 的方式产生电能，供电信设备使用，并用于导引和推进。 如图4中所示，用类似于马里兰州Rockville的Endosat公 司开发的微波能量系统的形式可提供另一种电源66。微波能量系 统包括基于地面的微波发生器(未表示)，产生大约35GHz的微 波能量波束。该波束指向中继站28上的接收器80并在那里转化 成直流电。进一步地，微波能量可来自轨道上的源或来自自由空 间。 用类似太阳能系统的方式，微波能量系统可以提供足够的能 量操作中继站上的电信系统，并为导引和推进提供能量。 进一步地，中继站28可至少有一个微波发射机和合适的将 微波发射机对准另一中继站28上的一个微波接收装置的装置， 以便不用基于地面的微波发生器而用一个源来提供微波能量给 中继站。 如图3和4中所示，中继站28的推进系统可包括多个火箭 或喷气发动机90或推进器94。喷气发动机90及推进器94可沿 着相互垂直的轴置于一个水平面上，这些轴由外壳40上的吊舱 100支撑。通过选择激励不同的喷气发动机或推进器，中继站28 可推向并保持在地球上方预定的位置上。 如果需要，垂直轴上可安放附加的喷气发动机或火箭发动机 108或推进器112，以协助在发射时将中继站带到预定高度，或当 中继站漂移的高度超过了容许的限度时将它恢复到原来的高度。 中继站28漂移开预定的位置可由追踪站36检测出来。追踪 站36随即以指定的间隔激励中继站28上的推进部件，将其返回 预定的位置。 作为另一种方案，如图5A和5B所示，每个中继站28包括两 或四个部件34的一组。每个部件34包括一个设备模块38，它由 自己的提升设备32独立携带。 一些设备模块38可携带电信设备，而其它设备模块38可携 带能量产生和发送设备。因此，通过将微波能量发射到通信模块 的天线上，就能将能量产生模块产生的能量发射出去。由于存在 多个包括中继站的部件34，每个部件34就比只有一个包括中继 站28的设备模块要小、且轻。另外，提供一组部件34，产生一定的 冗余，当某个部件34上的设备出故障时保持中继站仍能提供服 务。 作为另一种方案，如图6A、6B和6C所示，可以使用一种重 量轻的无人驾驶的飞机114代替气球。飞机114可用熟知的方法 从地面进行控制。但是，它们不如气球那样令人满意。因此为了保 持高度它们必须连续地改变位置，而且因为要保持高的高度需要 轻重量骨架，因而限制了它们的有限负载。 在图6A中可以看到，可以用太阳能来实现为维持飞机114 长时间浮在高空而需要的能量。在这种情况下，飞机实质上可以 是一个包含高效太阳能电池板116的飞行机翼。机翼中的太阳能 电池板可以驱动电动马达和一个能量存贮系统。 另外，从图6B中可见，氢-氧再生燃料胞118可用来实现长 时间的飞行。 另外，在图6C中可见，轻重量飞机114可以从微波能量中得 到动力，微波能量从上述的地面发射抛物面天线128投射到飞机 上的天线126上，或者从自由空间的微波能量收集。 当系统10操作时，顾客不会意识到它的存在。因此，当发出 一次通话呼叫时，电信信号会通过传统的网络从呼叫者的话机传 递到与该位置相关联的地面站18处。微波天线20然后将与该电 话呼叫对应的电信信号投射到最近的中继站28。一种熟悉类型的 交换电路会把信号导向与接收方最近的另一个地面站28。如果接 收方较远，信号将会送至较远的中继站130，从那里它会被导向一 个个人122或车辆124携带的移动电话，或导向接近接收方的地 面站140。地面站120或140接收的信号会通过常规的电话网络 发送到接收方的话机。一旦通过地面站和中继站在两个电话之间 建立起通信链路，双方就可以通信了。 由于中继站处于大约12-35英里的高度上，它们可以在不 利的气候之上。尽管如此，在这种高度上，电信能量的需求仍然很 低，足够允许使用与陆地传输相同的频率。这就意味着可以使用 目前分配的电信频率。由于在那些电信频率上已经进行了很多工 程上的工作，实施这种系统的成本就减少了。进一步而言，通过目 前已知的数字多址技术，例如频分多址(FDMA)、时分多址 (TDMA)、码分多址(CDMA)或它们的结合，可以实现现有频率 的最大利用。 所以，与卫星来的电信信号相比较，本发明的通信系统产生 的信号由于传播的距离较短可以相对较弱。由于可使用较弱的信 号，使得发射机和接收机较小、较轻且需要较少的能量来操作，就 带来了特别的优势。 通过下述方法可以增强电信系统的这一方面，在人口较密集 的区域132上方，中继站28可处于较低的高度且/或带有聚焦角 度更窄的接收和传播装置142，而在人口不太密集的区域134上 方的其它中继站28将在较高的高度上操作，且/或带有聚焦角度 更宽的接收和传播装置144，如图7A和7B中所示。这样做，包括 电信系统的不同中继站处理的业务量大小的实际上的不平衡就 可以降低了。进一步而言，如前面解释的，指派给人口更密集区域 132的中继站28可以用较少的能量操作。这样操作的成本就较 低。这是与基于卫星的系统相比的另一个优势，因为在这样的系 统中某个卫星轨道高度的降低会增加它的退化率并缩短其寿命。 更好地可见图2、8、9和10，提供了一个中继站28的回收系 统150。正如将要更全面解释的那样，回收系统包括一个排气装置 152和一个远程控制的回收降落伞154。 参考图2和8，排气装置152的一个实施例包括一个外壳 160，与一个适当的比空气轻的设备32形成一个整体。外壳160 包括一个向外伸展的径向分布的边缘164，它通过焊接或粘合整 体地与设备32相连。边缘164支撑一个向下分布的、且一般为柱 状的壁168，它支撑一个底壁172。如图8中所见，底壁172由一个 多孔的架子限定，使得外壳160可与设备32的内部相连接并保持 相同压力。 接近上端，柱状壁168支撑一个向内分布的边缘176。一个易 碎的盖子184密封连接到边缘。要做到这一点，可以用粘合将盖 连接到边缘，或在它们之间用一个适当的垫圈，或者将这个盖制 成外壳160的一个组成部分。 柱状壁168、底壁172和盖184形成一个腔，容纳远程控制回 收降落伞154。 一个小腔190由一个壁192在盖184下侧构成。包含在腔 190中的小的炸药包194响应天线196接收的信号。 降落伞154有一些控制线198连到无线控制的驱动部件200 上，200包含在外壳160内。驱动部件200包括电动马达，响应来 自地面的信号而受到驱动，用熟知的方式改变控制线的长度，从 而提供对降落伞的方向控制。 为了回收中继站，发送一个编码信号到该设备，信号由天线 196接收。这就使爆炸性的炸药194引爆，易碎的盖子184就被炸 开了。 由于盖子184设计成可破裂的，炸药可以相当轻，不会损坏 降落伞154。 在这方面，壁192有助于将爆炸力向上引导顶开盖子，而不 是向着设备32。 在盖子移开之后，气体开始通过底壁172和外壳顶部的开口 处从设备32的内部泄出。从设备32中释放出的空气的力量在盖 子先移开时会很大，足够打开降落伞。 从图10中可见，降落伞154将通过它的控制线198支持着 设备32。如上面所解释的，中继站28可以被导向地面上预定的位 置。 在图9中所示的实施例中，边缘164用一种环形的密封垫片 放在中间支撑着盖子204。盖子204由多个环绕周围的隔开的夹 紧支架210顶住边缘164。夹紧支架由马达212电动驱动，可收缩 地顶住盖子204。马达是由地面来的信号进行激励，去收缩支架 210的。 当支架210收缩时，从设备32逸出的气体压力会移开盖子 并允许降落伞张开。 在继站使用之后，可更换回收系统150且设备32可以重新 充气，置回相应的位置。 如果中继站包含远端控制的飞机114，它们可用熟知的方式 回收使用并回到相应的位置。 在参照具体的实施例描述完本发明之后，参照前面的描述专 业人士可以显然地看到其它的实施例。因此，本发明的范围应不 为这个描述所限制，但是要受到附带的权利要求范围的限制。 |
||||||
