совокупность воздушных платформ связи и способ их использования

Формула изобретения

1. Система связи на множестве свободно дрейфующих воздушных платформ, содержащая

множество платформ легче воздуха, включающих в себя по меньшей мере первую платформу и вторую платформу, причем каждая из упомянутых первой и второй платформ содержит приемопередатчик сигналов связи и является свободно дрейфующей без какого-либо управления местоположением по долготе и широте, и

множество устройств связи в пределах непрерывной географической области, причем по меньшей мере одно из упомянутых устройств связи имеет средства связи с упомянутыми приемопередатчиками сигналов связи,

при этом упомянутое по меньшей мере одно из устройств связи выполнено с возможностью передачи обслуживания с первой платформы на вторую платформу, когда упомянутая первая платформа выходит из зоны обслуживания упомянутого по меньшей мере одного из устройств связи,

причем система связи на множестве свободно дрейфующих платформ обеспечивает покрытие на прямой видимости для беспроводной передачи данных для населения на соответствующей наземной территории и упомянутое множество платформ легче воздуха запускаются таким образом, что при нахождении их в рабочем диапазоне от 60000 до 140000 футов обеспечивается относительное расстояние между упомянутым множеством платформ легче воздуха.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство регулирования высоты,

множество географически пространственно разнесенных станций запуска платформ, с которых может запускаться упомянутое множество платформ,

множество наземных терминалов и

сеть каналов связи, соединяющих по меньшей мере некоторые из упомянутых наземных терминалов друг с другом.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое устройство регулирования оперативно подсоединяется для обеспечения возможности регулирования высоты свободного дрейфа платформы в стратосфере Земли.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что предварительно определенный диапазон высот, в котором осуществляется регулирование высоты свободного дрейфа платформ, включает диапазон от примерно 70000 до примерно 100000 футов.

5. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое устройство регулирования, предназначенное для регулирования высоты свободного дрейфа платформы в предварительно определенном диапазоне высот, содержит заданное количество газа в контейнере, имеющего плотность меньше плотности воздуха в упомянутом предварительно определенном диапазоне высот, и управляемый выпускной клапан, посредством которого часть упомянутого количества газа в контейнере может быть выпущена для уменьшения плавучести платформы.

6. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое устройство регулирования содержит некоторое количество материала высокой плотности, находящееся на борту платформы, и устройство выпуска, посредством которого часть упомянутого материала высокой плотности может быть сброшена для увеличения плавучести упомянутой платформы.

7. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое устройство регулирования содержит

управляемый выпускной клапан для выпуска газа,

управляемое устройство для сброса балласта,

механизм определения высоты и

процессор для обработки сигнала управления, соединенный с приемопередатчиком, механизмом определения высоты, управляемым выпускным клапаном и управляемым устройством сброса балласта, для обеспечения регулирования высоты.

8. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутая система связи из упомянутого множества пространственно разнесенных наземных терминалов содержит приемопередатчик.

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из пространственно разнесенных наземных терминалов содержит центр сетевых операций.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что центр сетевых операций содержит схемы для управления предварительно определенной операцией платформы.

11. Система по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит центр сетевых операций (ЦСО), соединенный с сетью каналов связи.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что ЦСО соединен по меньшей мере с некоторыми из упомянутого множества наземных терминалов с использованием конфигурации каналов связи типа сотовой структуры.

13. Система по п.11, отличающаяся тем, что ЦСО соединен по меньшей мере с некоторыми из упомянутого множества наземных терминалов с использованием конфигурации каналов связи типа сетевой структуры.

14. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутая сеть каналов связи, соединяющая между собой наземные терминалы, содержит соединения с наземными каналами связи.

15. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутая сеть каналов связи, соединяющая между собой наземные терминалы, содержит спутниковые каналы связи.

16. Система по п.2, отличающаяся тем, что упомянутая сеть каналов связи, соединяющая между собой наземные терминалы, содержит каналы связи между платформами.

17. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство слежения, причем упомянутое устройство слежения содержит

направленную антенну и

механизм наведения направленной антенны, реагирующий на координатные данные Глобальной системы позиционирования (GPS), для селективного наведения направленной антенны на одну или более из множества платформ.

18. Система по п.17, отличающаяся тем, что упомянутое устройство слежения содержит

направленную антенну и

механизм наведения направленной антенны и отслеживания усиления сигнала, предназначенный для наведения направленной антенны на выбранную платформу в соответствии с уровнем сигнала связи, передаваемого между выбранной платформой и направленной антенной.

19. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое множество платформ включает в себя устройство легче воздуха, выбранное из группы, состоящей из баллона, аэростата, цеппелина, воздушного летательного аппарата, дирижабля, метеорологического шара, сферы, шара с горячим воздухом, шара-зонда и их комбинаций.

20. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое множество платформ включает в себя резиновые баллоны.

21. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое множество платформ включает в себя баллоны нулевого давления.

22. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое множество платформ включает в себя баллоны с внутренней пневматической камерой.

23. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое множество платформ включает в себя баллоны регулируемого объема.

24. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое множество платформ включает в себя баллоны, заполненные водородом.

25. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые устройства связи включают в себя пейджеры.

26. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые устройства связи включают в себя усовершенствованные устройства передачи сообщений.

27. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые устройства связи включают в себя беспроводные телефоны.

28. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые устройства связи включают в себя телеметрические устройства.

29. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые устройства связи включают в себя блоки слежения за оборудованием.

30. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые устройства связи включают в себя персональные блоки слежения.

31. Система по п.1, отличающаяся тем, что платформа содержит механизм быстрого спуска, причем платформа является платформой одноразового использования.

32. Система по п.1, отличающаяся тем, что платформа содержит баллон, платформа содержит механизм быстрого спуска, причем баллон является сменным для утилизации и повторного использования приемопередатчика.

33. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый приемопередатчик сигналов связи содержит схемы для осуществления связи с использованием протокола множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA).

34. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый приемопередатчик сигналов связи содержит схемы для осуществления связи с использованием протокола множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA).

35. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый приемопередатчик сигналов связи содержит схемы для осуществления связи с использованием протокола множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA).

36. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый приемопередатчик сигналов связи содержит схемы для осуществления связи с использованием протокола двунаправленной передачи сообщений ReFLEX.

37. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый приемопередатчик сигналов связи содержит схемы для осуществления связи с использованием протокола однонаправленной передачи сообщений FLEX.

38. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый приемопередатчик сигналов связи содержит схемы для осуществления связи с использованием протокола однонаправленной пейджинговой связи POCSAG.

39. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый приемопередатчик сигналов связи содержит схемы для осуществления связи с использованием европейского протокола однонаправленной пейджинговой связи ERMES.

40. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит

механизм определения высоты,

источник метеорологических данных и

средства управления для регулирования высоты платформы согласованно со скоростью и направлением ветра, определенными в соответствии с упомянутыми метеорологическими данными.

41. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик ориентации на борту по меньшей мере одной из множества платформ и управляемую антенну, связанную по меньшей мере с одним из упомянутых приемопередатчиков сигналов связи и прикрепленную по меньшей мере к одной из упомянутого множества платформ, причем управляемая антенна имеет средство управления стабилизацией для стабилизации управляемой антенны в направлении вниз относительно платформы для обеспечения надлежащего покрытия земной поверхности в пределах упомянутой географической области.

42. Система по п.41, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство управления наведением, оперативно связанное с управляемой антенной и датчиком ориентации, для селективного изменения положения области покрытия упомянутой антенны для обеспечения заполнения промежутков в покрытии упомянутой географической области.

43. Система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из упомянутых платформ содержит беспилотный аэростат и корпус полезной нагрузки, имеющий полный вес менее шести фунтов и внешние поверхности с предварительно определенными площадями и имеющий отношение веса к размеру, определяемое делением полного веса в унциях корпуса полезной нагрузки на площадь в квадратных дюймах его наименьшей внешней поверхности, равное не более трем унциям на квадратный дюйм на любой поверхности контейнера.

44. Система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из упомянутого множества платформ дополнительно содержит регулятор высоты, оперативно подсоединенный с возможностью регулирования платформы для обеспечения дрейфа в предварительно определенном диапазоне высот после первоначального подъема, при этом регулятор высоты содержит некоторое количество материала высокой плотности, устройство для определения высоты платформы, причем устройство для определения высоты платформы содержит приемник сигналов Глобальной системы позиционирования (GPS) и механизм выпуска материала для сброса части упомянутого количества материала высокой плотности.

45. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит

оболочку для газообразного водорода, предназначенную для заполнения некоторым количеством водорода,

бортовой источник электропитания по меньшей мере на одной из упомянутых платформ, причем упомянутый бортовой источник электропитания содержит топливный элемент, взаимосвязанный с упомянутой оболочкой для газообразного водорода, для приема водорода в качестве компонента топлива для упомянутого топливного элемента, и

регулятор высоты, присоединенный к платформе, для регулирования высоты платформы в пределах предварительно определенного диапазона высот, причем упомянутый регулятор высоты содержит

механизм определения высоты,

управляемый выпускной клапан для выпуска газа из оболочки и средство управления выпускным клапаном, оперативно связанное с механизмом определения высоты, для выпуска газообразного водорода для регулирования высоты платформы,

управляемое средство сброса балласта, прикрепленное к платформе, для сброса балласта для регулирования высоты платформы.

46. Система по п.45, отличающаяся тем, что управляемый выпускной клапан и средство управления выпускным клапаном, оперативно связанное с ним, содержат по меньшей мере один никель-титановый (NiTi) элемент, механически связанный с управляемым выпускным клапаном и оперативно связанный с источником электропитания для селективной подачи или не подачи на него электрической мощности, чтобы селективно изменять длину NiTi-элемента для открытия и закрытия управляемого выпускного клапана.

47. Система по п.45, отличающаяся тем, что дополнительно содержит контейнер метеооборудования, связанный через оптиковолоконный канал связи с приемопередатчиком, для предотвращения электрической дуги между контейнером метеооборудования и приемопередатчиком в процессе движения платформы в облаках, имеющих электрический заряд.

48. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему слежения, обеспечивающую возможность слежения за одной или более из упомянутого множества платформ.

49. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему быстрого свертывания для удаления платформы из воздушного пространства, если произошел сбой в функционировании платформы или если она оказалась в ненадлежащем местоположении.

50. Система связи на множестве свободно дрейфующих воздушных платформ, содержащая

множество платформ легче воздуха, включающих в себя по меньшей мере первую платформу и вторую платформу, причем каждая из упомянутых первой и второй платформ содержит приемопередатчик сигналов связи и является свободно дрейфующей без какого-либо управления местоположением по долготе и широте, и

множество устройств связи в пределах непрерывной географической области, причем по меньшей мере одно из упомянутых устройств связи имеет средства связи с упомянутым приемопередатчиком сигналов связи,

при этом упомянутое по меньшей мере одно из устройств связи выполнено с возможностью приема передач от упомянутого приемопередатчика сигналов связи упомянутой первой платформы и упомянутого приемопередатчика сигналов связи упомянутой второй платформы, но прослушивания передач только от одного приемопередатчика сигналов связи, при этом упомянутое множество платформ легче воздуха запускаются таким образом, что при нахождении их в рабочем диапазоне от 60000 до 140000 футов обеспечивается относительное расстояние между упомянутым множеством платформ легче воздуха.

51. Система связи на множестве свободно дрейфующих воздушных платформ, содержащая

множество платформ легче воздуха, включающих в себя по меньшей мере первую платформу и вторую платформу, каждая из упомянутых первой и второй платформ содержит приемопередатчик сигналов связи и является свободно дрейфующей без какого-либо управления местоположением по долготе и широте, и

множество устройств связи в пределах непрерывной географической области, причем по меньшей мере одно из упомянутых устройств связи имеет средства связи с упомянутыми приемопередатчиками сигналов связи,

при этом упомянутые первая и вторая платформы динамически назначают новые кадры для передачи сигнала связи от упомянутого приемопередатчика сигналов связи, когда платформы дрейфуют таким образом, что устройство связи принимает сигналы связи только от одного приемопередатчика сигналов связи в конкретном кадре, причем упомянутое множество платформ легче воздуха запускаются таким образом, что при нахождении их в рабочем диапазоне от 60000 до 140000 футов обеспечивается относительное расстояние между упомянутым множеством платформ легче воздуха.

52. Способ связи с использованием системы связи на множестве свободно дрейфующих воздушных платформ, включающий

обеспечение устройства связи для осуществления связи с платформами легче воздуха,

осуществление связи с первой платформой легче воздуха, когда устройство связи находится в зоне обслуживания первой платформы легче воздуха,

осуществление связи с второй платформой легче воздуха, когда устройство связи выходит из зоны действия первой платформы легче воздуха, причем первая и вторая платформы легче воздуха содержат устройство регулирования высоты и приемопередатчик сигналов связи, и при этом первая и вторая платформы легче воздуха являются свободно дрейфующими без какого-либо управления местоположением по долготе и широте, и упомянутое множество платформ легче воздуха запускаются таким образом, что при нахождении их в рабочем диапазоне от 60000 до 140000 футов обеспечивается относительное расстояние между упомянутым множеством платформ легче воздуха.

53. Способ по п.52, отличающийся тем, что устройство связи содержит пейджер.

54. Способ по п.52, отличающийся тем, что устройство связи содержит усовершенствованное устройство передачи сообщений.

55. Способ по п.52, отличающийся тем, что устройство связи содержит беспроводный телефон.

56. Способ по п.52, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования регулирует высоту платформы для нахождения в предварительно определенном диапазоне высот примерно от 60000 до 140000 футов.

57. Способ по п.52, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования оперативно подсоединяется для обеспечения возможности регулирования высоты свободного дрейфа платформы в стратосфере Земли.

58. Способ по п.52, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования регулирует высоту свободного дрейфа платформы в предварительно определенном диапазоне высот и содержит определенное количество газа в контейнере, имеющего плотность меньше плотности воздуха в упомянутом предварительно определенном диапазоне высот, и управляемый выпускной клапан, посредством которого часть упомянутого количества газа в контейнере может быть выпущена для уменьшения плавучести платформы.

59. Способ по п.52, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования содержит некоторое количество материала высокой плотности, находящееся на борту платформы, и устройство выпуска, посредством которого часть упомянутого материала высокой плотности может быть сброшена для увеличения плавучести упомянутой платформы.

60. Способ связи с использованием системы связи на множестве свободно дрейфующих воздушных платформ, включающий

обеспечение множества платформ легче воздуха, включающих в себя по меньшей мере первую платформу и вторую платформу, причем каждая из упомянутых первой и второй платформ содержит приемопередатчик сигналов связи и является свободно дрейфующей без какого-либо управления местоположением по долготе и широте,

осуществление связи с устройством связи, имеющим средства связи с упомянутым приемопередатчиком сигналов связи, причем упомянутые первая и вторая платформы динамически назначают новые кадры для передачи сигналов связи от упомянутого приемопередатчика сигналов связи, когда платформы дрейфуют таким образом, что устройство связи принимает сигналы связи только от одного приемопередатчика сигналов связи в конкретном кадре, и упомянутое множество платформ легче воздуха запускаются таким образом, что при нахождении их в рабочем диапазоне от 60000 до 140000 футов обеспечивается относительное расстояние между упомянутым множеством платформ легче воздуха.

61. Способ по п.60, отличающийся тем, что устройство связи содержит пейджер.

62. Способ по п.60, отличающийся тем, что устройство связи содержит усовершенствованное устройство передачи сообщений.

63. Способ по п.60, отличающийся тем, что устройство связи содержит беспроводный телефон.

64. Способ по п.60, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования оперативно подсоединяется для регулирования высоты свободного дрейфа платформы в стратосфере Земли.

65. Способ по п.60, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования регулирует высоту свободного дрейфа платформы в предварительно определенном диапазоне высот и содержит некоторое количество газа в контейнере, имеющего плотность меньше плотности воздуха в упомянутом предварительно определенном диапазоне высот, и управляемый выпускной клапан, посредством которого часть упомянутого количества газа в контейнере может быть выпущена для уменьшения плавучести платформы.

66. Способ по п.60, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования содержит некоторое количество материала высокой плотности, находящееся на борту платформы, и устройство выпуска, посредством которого часть упомянутого материала высокой плотности может быть сброшена для увеличения плавучести упомянутой платформы.

67. Способ обеспечения услуги связи, включающий

обеспечение первой платформы легче воздуха,

обеспечение второй платформы легче воздуха, причем первая и вторая платформы легче воздуха содержат устройство регулирования высоты и приемопередатчик сигналов связи и при этом первая и вторая платформы легче воздуха являются свободно дрейфующими без какого-либо управления местоположением по долготе и широте,

обеспечение множества устройств связи в пределах непрерывной географической области, причем по меньшей мере одно из упомянутых устройств связи имеет средства связи с упомянутым приемопередатчиком сигналов связи, при этом упомянутое по меньшей мере одно из устройств связи выполнено с возможностью передачи обслуживания с первой платформы на вторую платформу, когда упомянутая первая платформа выходит из зоны обслуживания упомянутого по меньшей мере одного из устройств связи и при этом система связи на свободно дрейфующих платформах обеспечивает покрытие на прямой видимости для беспроводной передачи данных для населения на соответствующей наземной территории, при этом запускают множество упомянутых платформ легче воздуха таким образом, что при нахождении их в рабочем диапазоне от 60000 до 140000 футов обеспечивается относительное расстояние между упомянутым множеством платформ легче воздуха.

68. Способ по п.б7, отличающийся тем, что устройство связи содержит пейджер.

69. Способ по п.67, отличающийся тем, что устройство связи содержит усовершенствованное устройство передачи сообщений.

70. Способ по п.67, отличающийся тем, что устройство связи содержит беспроводный телефон.

71. Способ по п.67, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования оперативно подсоединяется для регулирования высоты полета платформы в стратосфере Земли.

72. Способ по п.67, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования регулирует высоту полета платформы в предварительно определенном диапазоне высот и содержит некоторое количество газа в контейнере, имеющего плотность меньше плотности воздуха в упомянутом предварительно определенном диапазоне высот, и управляемый выпускной клапан, посредством которого часть упомянутого количества газа в контейнере может быть выпущена для уменьшения плавучести платформы.

73. Способ по п.67, отличающийся тем, что упомянутое устройство регулирования содержит некоторое количество материала высокой плотности, находящееся на борту платформы, и устройство выпуска, посредством которого часть упомянутого материала высокой плотности может быть сброшена для увеличения плавучести упомянутой платформы.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к совокупности малогабаритных воздушных платформ связи, более конкретно к множеству платформ связи легче воздуха, разнесенных одна относительно другой и перемещающихся в стратосферном слое атмосферы Земли над определенной географической территорией. Приоритет заявляется на основе патентной заявки США № 09/3426440 от 29.06.1999.

Предшествующий уровень техники

До последнего времени все спутники связи располагались на орбите, называемой геосинхронной орбитой, расположенной на высоте 22300 миль над земным экватором. Поскольку международными договорами предусматривается, чтобы спутники были разнесены на два градуса, то на геосинхронной орбите могут находиться только 180 спутников. Оптимальным образом спроектированная трехступенчатая ракета на химическом топливе в типовом случае должна иметь 94% топлива по весу при старте для выхода на геосинхронную орбиту, что, с учетом 5,6% по весу, приходящимися на ракету, оставляет для спутника всего 0,4% от первоначального стартового веса. Это можно сравнить с ситуацией, когда типовой автомобиль весом 3000 фунтов, имеющий возможность перевозить одного пассажира весом 200 фунтов, требовал бы топливного бака емкостью 8400 галлонов и был бы сдан в утиль после одной поездки. И, наконец, хотя многоразовые космические аппараты NASA типа “шаттла” могут обслуживать некоторое количество низкоорбитальных спутников при значительных затратах, большинство спутников не могут быть обслужены или модернизированы после их запуска.

В настоящее время, поскольку имеется ограниченное число позиций для расположения спутников на геосинхронной орбите, геосинхронные спутники увеличиваются в размерах и используют все более сложное оборудование, имея возможность осуществлять передачу телевизионных сигналов непосредственно в телевизионные приемники оконечных потребителей. В последнее время разработаны дополнительные спутниковые сети, которые не требуют использования геосинхронной орбиты. Все эти новые сети предусматривают необходимость запуска малогабаритных спутников связи на орбиты существенно меньшей высоты, где имеется неограниченное количество позиций для их расположения. Поскольку для сети требуется множество спутников и ввиду малых габаритов таких спутников, одной ракетой может быть запущено до 8 спутников. Хотя спутники стали меньшими по размерам и используются в большом количестве, однако в настоящее время по-прежнему нет “персональных спутников” и нет крупномасштабных производителей потребительской продукции в спутниковой индустрии.

По оценкам, развертывание сети микроспутников на низкой околоземной орбите и наземного оборудования, требуемого для отслеживания, передачи, приема, переключения обслуживания между множеством микроспутников, и необходимой сети для системы передачи речевых сигналов потребовало бы затрат порядка 3 миллиардов долларов США. За четыре года, требуемых на развертывание такой системы, от каждого из пяти миллионов абонентов потребовалось бы инвестировать примерно 3000 долларов в оборудование, в результате чего можно было бы получить суммарные инвестиции пользователей в новое оборудование порядка 15 миллиардов долларов. Стоимость развертывания меньшей системы низкоорбитальных усовершенствованных спутников системы вещания составила бы, по оценкам, около 475 миллионов долларов. Такая система могла бы обслуживать от двух до трех миллионов абонентов при стоимости абонентского оборудования порядка 300-1000 долларов. Таким образом, суммарные инвестиции пользователей в оборудование составили бы 600 миллионов долларов.

В настоящее время развивается область техники, связанная с запуском радиозондов для сбора метеорологической информации. Радиозонды представляют собой приборные модули, запускаемые на метеорологических шарах-зондах, для сбора метеоинформации. Радиозонды запускаются из сети станций на земле в полдень и в полночь по всемирному (Гринвичскому среднему) времени каждый день. Метеорологические радиозонды собирают данные о температуре, влажности, давлении и ветре по мере того, как они поднимаются от поверхности Земли до высоты примерно 100 000 футов в течение двухчасового полета. Эти данные затем вводятся в модели атмосферы, которые выполняются на суперкомпьютерах. Информация, полученная из сети восходящих радиозондов, принципиально важна в прогнозировании погоды. Многие страны в мире связаны договорными обязательствами по запуску радиозондов с указанных позиций и совместному использованию данных с другими странами. В настоящее время почти 800000 радиозондов запускаются ежегодно в мире. Это количество соответствует 997 глобальным метеостанциям, запускающим два радиозонда ежедневно, в течение 365 дней в году (727000), плюс небольшое количество радиозондов, запускаемых в военных и в научных целях. Примерно 18% радиозондов являются возвращаемыми, могут быть восстановлены и повторно использованы, что приводит в результате к необходимости выпуска около 650000 новых метеорологических радиозондов ежегодно.

Локационные системы, используемые в настоящее время для слежения за метеорологическими шарами-зондами, либо выведены из строя (система Omega - незадолго до 2000 года, система Loran-C - сразу после наступления 2000 года), либо настолько устарели, что эксплуатация и техническое обслуживание становятся недопустимо дорогостоящими (радиолокационные станции и радиотеодолиты). Изменения в системах радиозондов обычно являются весьма медленнодействующими, так как метеорологи исследуют тенденции изменения климата путем сравнения данных, собранных в течение десятилетий. Поэтому они весьма недоверчиво относятся к любым изменениям, которые могут внести новые сдвиги в данные, которые они собирают. Это с очевидностью следует из того факта, что большинство пользователей, подобных Национальному Агентству по Метеорологии (NWS) США, все еще используют аналоговые радиозонды, отслеживаемые радиотеодолитами, хотя цифровые аэронавигационные зонды широко используются уже много лет. Недостаточное бюджетное финансирование также приводит к тому, что многие пользователи не могут заплатить за новую требующуюся технологию. В настоящее время на рынке зондов наблюдаются тенденции к использованию Глобальной системы позиционирования (GPS) для отслеживания параметров ветра на радиозондах. С 1995 по 1998 годы NWS безуспешно пыталось получить поддержку Конгресса США относительно финансирования программ разработок системы слежения на основе GPS для американской Сети Метеонаблюдений. Эта безуспешная попытка получения необходимой новой технологии для замены старой неподдерживаемой инфраструктуры радиозондов имела место одновременно с перераспределением радиочастотного спектра систем радиозондов для коммерческих пользователей. Радиозонды традиционно вели передачу на частоте 400 МГц в случае аэронавигационных зондов и на частоте 1680 МГц в случае радиотеодолитных зондов. Полоса на частоте 400 МГц может выставляться на продажу Федеральной Комиссией по Связи (FCC) в США для одновременного использования коммерческими службами. Таким образом, взаимные помехи все возрастают, и для зондов может быть предъявлено требование использования более узкой полосы частот, соответствующей цифровым нисходящим линиям связи, вместо широких полос частот, соответствующих аналоговым нисходящим линиям связи, которые все еще продолжают использоваться.

Крупномасштабные и дорогостоящие шары-зонды NASA запускаются в индивидуальном порядке и поддерживаются на высоте свободного полета в течение продолжительного периода времени. Эти шары-зонды несут сотни килограммов оборудования и имеют стоимость порядка тысяч долларов каждый. Одиночные шары-зонды, ввиду их дрейфа, не имеют возможности непрерывного покрытия по линии прямой видимости протяженных географических районов.

Услуги персональной связи (PCS) представляют собой новую категорию цифровых услуг, начало которой было положено Федеральной Комиссией по Связи (FCC) в 1994 году предложениями на продажу спектра частот. PCS разделяются на две категории: широкополосные и узкополосные услуги персональной связи. Категория широкополосных услуг персональной связи включает в себя главным образом речевые услуги и широкополосные телефоны PCS, которые в настоящее время конкурируют с традиционными сотовыми телефонами. Категория узкополосных услуг персональной связи включает в себя усовершенствованные услуги передачи сообщений, которые по существу представляют системы двусторонней пейджинговой связи. Пейджинговая индустрия рассматривает усовершенствованные системы передачи сообщений как мобильное расширение персонального счета за электронную почту, подобно тому, как сотовый телефон явился расширением персонального стационарного телефона. С общенациональной узкополосной системой PCS (NPCS) связано первое предложение к продаже спектра, последовавшее со стороны FCC. Примерно 30 лицензий на региональные и общенациональные NPCS были предложены к продаже и проданы частным коммерческим предприятиям. Важность того факта, что спектр предлагался к продаже, состоит в том, что становится все меньше ограничений на использование данного спектра по сравнению с использованием традиционного спектра, лицензируемого FCC. До того, как спектр стал предлагаться к продаже, FCC предоставляла спектр для использования по частям, и компании должны были доказывать, что они будут использовать эфир для “общественного блага”. Обычно имелось весьма специфическое федеральное регулирование того, каким образом можно было использовать предоставляемую частоту. Поскольку компании оплачивали свои лицензии на PCS, они по существу являлись владельцами данного спектра. FCC осуществляла лишь минимальное регулирование в целях предотвращения взаимных помех другим каналам-носителям и системам других стран. Кроме того, FCC и Industry Canada заключили между собой Соглашение о наземной радиосвязи, согласно которому Канада распределяла те же самые частоты для NPCS с той же структурой канала, что и предоставляемый на продажу спектр для NPCS в США. Это позволило реализовать межгосударственный режим NPCS, и в 1986 году по меньшей мере одна компания пейджинговых систем получила в Канаде лицензию NPCS для работы на тех же частотах, что и ее лицензиат в США. Мексика также установила то же самое распределение каналов, что и используемое в США.

Одной из целей FCC является стимулирование предоставления услуг радиочастотной связи потребителям в сельских местностях за приемлемую цену. Этот рынок в значительной степени игнорировался крупными компаниями по связи, ввиду снижения дохода от инвестиций в обеспечение беспроводной связи в малонаселенных регионах. Такие услуги беспроводной связи включают в себя пейджинговую связь, усовершенствованную передачу сообщений, телеметрию, речевую связь и т.д. Хотя услуги речевой связи и передачи сообщений предоставляются в сельских районах с использованием спутниковых систем, стоимость в общем случае составляет тысячи долларов на единицу оборудования, что находится за пределами возможностей большинства потребителей. Кроме того, спутниковые системы имеют проблемы в обеспечении услуг в городских местностях из-за недостатка в уровнях сигналов, требуемых для проникновения в здания.

Задачи и преимущества изобретения

Настоящее изобретение преодолевает недостатки спутников связи, известных из предшествующего уровня техники, за счет использования миниатюрных относительно недорогих микроэлектронных средств для реализации большинства функций, обеспечиваемых существующими спутниками связи, на малогабаритных платформах связи легче воздуха. В частности, множество шаров-зондов легче воздуха, формирующих совокупность (созвездие), предназначаются для доставки микроэлектронного оборудования связи в слой атмосферы Земли, называемый стратосферой. Вес этих платформ примерно в 100-1000 раз меньше, чем вес соответствующих микроспутников, запускаемых в настоящее время на не геосинхронные орбиты. Для удобства ссылок воздушные платформы для размещения оборудования связи или шары-зонды, несущие полезную нагрузку электронной системы связи и аппаратуру управления, будут называться ниже “стратосферными наноспутниками” или сокращенно СНС. В метрической системе префикс “нано” обозначает единицы в 1000 раз меньшие по сравнению с префиксом “микро”. Создание СНС исключает необходимость в ракетах для доставки спутников на орбиту. Синхронизированный воздушный запуск множества платформ СНС в пространственно разнесенных географических местоположениях обеспечивает формирование экономичного созвездия спутников. Платформы СНС после запуска поднимаются на контролируемую регулируемую величину, где они мигрируют в пределах географической области в соответствии с атмосферными и стратосферными погодными условиями и, в особенности, в зависимости от ветра. Платформы СНС могут быть подняты или опущены по высоте за счет подачи газа или сброса балласта для обеспечения распределения согласно превалирующим ветровым потокам, предпочтительным для поддержания равномерного распределения СНС по пространству. Платформы могут быть быстро спущены, если они больше не требуются. Дополнительные запуски дополнительных платформ позволят заполнить избыточные промежутки, возникшие в созвездии спутников.

Существующее пользовательское оборудование, предназначенное для наземных беспроводных систем связи, может работать с системой СНС, соответствующей настоящему изобретению. Однако это не имеет места для традиционной индустрии спутников связи, поскольку либо спутники связи очень удалены от пользователя (на расстояние более 22000 миль для спутников на геосинхронной орбите), что приводит к очень слабому сигналу, который невозможно использовать без специализированного пользовательского оборудования, либо спутники перемещаются с очень высокими скоростями относительно пользователей на земле (более 36000 миль/час для низкоорбитальных спутников), что приводит к частотным ошибкам в приемнике. Платформа СНС находится, чаще всего, на высоте около 175 миль (280 км) относительно пользователя на земле, в зависимости от высоты и диапазона радиального покрытия от конкретной платформы из множества платформ, обеспечивающих покрытие конкретного географического района. Более того, воздушные платформы перемещаются со скоростями, близкими к скоростям движения автомобиля (от 0 до 80 миль/час на высоте их дрейфа в атмосфере). Совместимость с существующими беспроводными системами связи является важным преимуществом, поскольку при развертывании новой системы связи инвестиции в пользовательское оборудование являются максимальными суммарными инвестициями, которые необходимы.

В противоположность большим затратам на развертывание и новую аппаратуру для систем орбитальных спутников, настоящее изобретение обеспечивает экономичную альтернативу, которая не требует создания нового абонентского оборудования. Таким образом, преимуществом системы СНС является усовершенствованная сеть СНС для передачи сообщений, которая совместима со стандартными однонаправленными и двунаправленными пейджерами, уже существующими и уже используемыми сетями приемопередатчиков, расположенных на радиомачтах. Даже без учета развертывания системы СНС, по прогнозам аналитиков рынка, к 2003 году будет иметься 35 миллионов пользователей, имеющих совместимый стандартный двунаправленный пейджер. При стоимости, например, 100 долларов на блок, это соответствует инвестициям пользователей более 3,5 миллиардов долларов. Этим пользователям может быть обеспечено улучшенное перекрытие соответствующей изобретению сетью платформ СНС в качестве расширения их существующих услуг, просто путем выбора оплаты помесячного тарифа и тарифа за использование. При этом отсутствуют затраты на новое пользовательское оборудование или на обучение; нет необходимости для пользователей менять свои привычки и вынуждать их использовать более одного пейджера или другого устройства связи, как это имеет место в случае современных спутниковых пейджеров.

Кроме того, система СНС, соответствующая изобретению, при выполнении усовершенствованной передачи сообщений использует протокол связи или протокол пейджинговой связи, который принят в международном масштабе. Возможности международной связи для новой системы по меньшей мере равны потенциалу для США. Система СНС может использовать и другие популярные протоколы пейджинговой связи. Применения системы также предусматривают, помимо пейджинговой связи, и другие коммуникационные процедуры, такие как дистанционное получение изображений, инфракрасное сканирование, слежение за аппаратурой и сбор метеорологических данных.

Для Национального Агентства по метеорологии (NWS) будет также выгодным рассмотреть использование системы СНС, соответствующей настоящему изобретению, в качестве замены нынешней системы, способной обеспечивать для NWS требуемую информацию в процессе подъема платформ СНС. Информация Глобальной системы позиционирования (GPS), доступная с платформы СНС, может обеспечивать желательную информацию о параметрах ветра, которая необходима для NWS и которую NWS не может предоставить. Существующее оборудование для запуска, используемое NWS, может даже быть использовано в качестве станций запуска СНС, слежения и осуществления связи. После подъема и передачи метеоданных на NWS платформа будет затем управляться в процессе своего дрейфа на регулируемой высоте для предоставления других коммерческих услуг связи. Зонды NWS могут быть прикреплены съемным образом и сбрасываться в качестве балласта после завершения подъема и передачи полезной информации к NWS. Прикрепляемые радиозонды могут использовать точно те же датчики, что и используемые в современных радиозондах, чтобы сохранить совместимость этих данных с данными современных радиозондов.

Соответствующая изобретению сеть СНС уникальным образом обеспечивает покрытие больших районов и использование выделенных частот на национальной, и в идеальном случае, на международной основе. Выгодно распределить частоты, выделяемые для системы СНС в национальном или в международном масштабе, ввиду больших круговых областей покрытия каждой из воздушных платформ СНС. Перекрывающееся использование одной и той же частоты без временного мультиплексирования сигналов наиболее вероятно может вызвать взаимные помехи в приемнике. Система будет работать оптимально в диапазоне частот, определяемом как спектр “услуги узкополосной персональной связи” или спектр NPCS. Более того, индустрия NPCS в США уже согласовала стандартный протокол двунаправленной передачи сообщений "ReFLEX" (торговая марка компании Motorola, Inc.). ReFLEX представляет собой протокол, который использует систему множественного доступа с временным разделением каналов (МДВР). Протокол ReFLEX является расширением протокола FLEX, созданного компанией Motorola, и представляет собой синхронный протокол, предусматривающий 128 кадров в 4-минутном цикле. Начало каждого кадра координируется в масштабе страны с использованием технологии Глобальной системы позиционирования (GPS) для синхронизации. Это позволяет совместно использовать одну частоту в сети СНС, соответствующей настоящему изобретению, и в существующих наземных сетях с использованием спутников путем простого распределения определенного количества кадров для каждой сети в течение каждого 4-минутного цикла. Таким образом, заявленная система СНС может работать как на своих выделенных частотах, так и во взаимодействии с наземными системами на том же самом канале без наложения друг на друга передаваемых ими сигналов. Это является свойством режима МДВР и предпочтительно будет реализовано в новой системе СНС.

Хотя система МДВР предпочтительно использует протоколы FLEX и ReFLEX, соответствующая изобретению система СНС может также работать с использованием других систем, таких как системы множественного доступа с кодовым разделением каналом (МДКР) и системы множественного доступа с частотным разделением каналом (МДЧР). Система множественного доступа с кодовым разделением каналом (МДКР) распределяет преобразованные в цифровую форму данные по всей располагаемой полосе частот. Множество потоков данных перекрываются друг с другом в канале (данный метод иногда называют методов расширения спектра), причем каждому потоку данных присвоена уникальная (однозначно определенная) кодовая последовательность. Хотя однозначно определенная кодовая последовательность может обеспечить очень эффективное использование доступной ширины полосы частот, тем не менее данный метод является сложным и дорогостоящим в реализации. Система МДЧР присваивает каждому потоку данных свою собственную частоту. Хотя это обеспечивает систему, которую довольно легко реализовать и которая относительно экономична с точки зрения стоимости оборудования, тем не менее она приводит к весьма неэффективному использованию доступной ширины полосы частот.

В протоколе ReFLEX используются 128 дискретных временных интервалов или кадров в 4-минутном цикле. Система СНС может использовать свои собственные частоты или может совместно использовать временные интервалы с несущей пейджингового канала-партнера. Система МДВР, используемая согласно протоколу ReFLEX, обеспечивает эффективное использование полосы частот. Она характеризуется некоторой сложностью и связана с определенными затратами на оборудование. Однако проблему сложности можно решить за счет использования быстродействующих микропроцессоров, а затраты на оборудование еще предстоит сократить.

Одна частота, на которой протокол ReFLEX разбивает каждый 4-минутный цикл на 128 временных интервалов или кадров, может быть совместно использована системой СНС с другими антеннами пейджинговой связи и наземными радиомачтами, которые могут иметь перекрывающееся территориальное покрытие. Один пейджер может иметь возможность приема широковещательных передач с множества платформ и наземных радиомачт, но так как каждой платформе или радиомачте с примыкающими зонами покрытия выделяется конкретный кадр или конкретные кадры, то пейджер “слышит” только один передатчик в каждом временном интервале. Задачей настоящего изобретения является создание конструкции или коммуникационных платформ, которым могут динамически назначаться новые кадры для передачи, так как платформы дрейфуют, чтобы обеспечить прием пейджером передач только от одного передатчика в том же самом кадре.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение динамического переназначения временных интервалов так, чтобы в любой заданный момент времени или при любом местоположении одна платформа могла иметь большее число доступных временных интервалов, чем другая, чтобы обеспечить большую пропускную способность платформам, которые могут потребовать такую более высокую пропускную способность. Динамическое распределение кадров (или динамическое распределение пропускной способности) является сложной задачей. В любой момент времени, когда больше кадров назначено одной платформе, все другие платформы, которые имеют перекрывающееся покрытие с указанной одной платформой, теряют доступ к кадрам, которые относятся к ним и, следовательно, теряют пропускную способность. Тем не менее возможность иметь динамическое распределение кадров облегчит максимизацию пропускной способности системы в целом за счет эффективного использования всех доступных временных интервалов до их максимальной информационной емкости при минимизации распределения временных интервалов или кадров в географических районах с низкими требованиями к пропускной способности связи.

Кроме того, хотя протокол двунаправленной связи ReFLEX, использующий МДВР, как описано выше, является предпочтительным, однако задачей настоящего изобретения является также обеспечение того, чтобы система СНС могла быть совместимой и с другими протоколами пейджинговой связи. Например, три других основных протокола пейджинговой связи включают FLEX, POCSAG и ERMES. Протокол FLEX, представляющий собой протокол однонаправленной пейджинговой системы, является предшественником протокола ReFLEX. Протокол POCSAG является более ранним стандартом пейджинговой связи для однонаправленной связи и поэтому менее эффективен. Тем не менее большинство пейджеров в США все еще является совместимым с протоколом POCSAG, несмотря на то, что протокол FLEX обеспечивает более высокую помехоустойчивость по

отношению к шумам, более высокую пропускную способность и становится стандартом в США и за рубежом (за исключением Европы) для однонаправленной пейджинговой связи. Протокол пейджинговой связи ERMES представляет собой европейский стандарт для однонаправленной пейджинговой связи (в настоящее время поддерживается на правительственном уровне). Система СНС могла бы также конфигурироваться соответствующим образом, что касается ее электронных схем, чтобы обеспечивать обработку процедур связи согласно протоколу ERMES, и поэтому допускает адаптацию к использованию в европейских условиях.

В противоположность большинству сетей речевой и пейджинговой связи, где множество различных протоколов используются в широком диапазоне частот, система NPCS содержит почти непрерывное множество частот, которые используются в масштабе государства и на которых лицензиаты общенациональной узкополосной системы PCS приняли протокол FLEX/ReFLEX.

Соответствующая настоящему изобретению система СНС получает выгоду от общенациональной совместимости частот и протоколов, так что она сможет относительно просто функционировать на всех каналах NPCS, являющихся собственностью каких-либо или всех общенациональных компаний, предоставляющих услуги связи, если в этом возникнет необходимость. Минимальное регулирование на правительственном уровне полос системы NPCS позволит системе СНС, которая была неизвестной к моменту создания норм регулирования системы NPCS, функционировать в полосах NPCS, не нарушая нынешние нормы регулирования. Поскольку лицензиаты системы NPCS по существу приобрели в собственность частоты при их продаже с аукциона, а соответствующая изобретению система СНС может совместимым образом использовать те же самые частоты с разрешения покупателя, дополнительные лицензии от FCC могут и не потребоваться. Это уникальное свойство также позволяет сэкономить два или три года на начальные действия, которые иногда могут требоваться для получения отдельных лицензий.

Как кратко описано выше, в дополнение к минимизации затрат на преодоление барьеров в области государственного регулирования новая сеть СНС имеет огромное преимущество, состоящее в том, что она не требует нового специализированного пользовательского оборудования. Ожидается, что будет иметься порядка 6-15 миллионов единиц совместимой пользовательской аппаратуры, работающей вне существующих наземных сетей. Они могут быть без труда добавлены к новой системе СНС с использованием недорогого системного программирования и при этом получат более расширенное и более полное покрытие территориальных районов, обеспечиваемое созвездием дрейфующих воздушных платформ связи в соответствии с настоящим изобретением. Что касается канала-носителя системы NPCS, новая система может обеспечивать полное покрытие связью, в частности, покрытие в удаленных от центра малонаселенных регионах.

Поскольку владельцы и пользователи существующего оборудования связи могут получать расширенное покрытие, обеспечиваемое настоящим изобретением, с помощью их существующего канала-носителя, решение о расширении покрытия может быть таким простым, как отметка соответствующего поля в их ежемесячном счете. Они могут сохранять свою нынешнюю пейджинговую компанию и просто добавить услугу покрытия удаленных регионов, обеспечиваемую системой СНС. Никакого нового оборудования не требуется, а также не требуется начального времени освоения характеристик нового электронного устройства. Это просто улучшенное покрытие для пользователя, без изменения пользовательского оборудования.

Важным преимуществом соответствующей изобретению сети СНС является существенное усовершенствование, состоящее в полном покрытии удаленных территориальных регионов. В настоящее время беспроводное покрытие услугой передачи данных реализуется отдельными участками, соответствующими густонаселенным районам, в первую очередь вокруг метрополий. Система СНС действует во взаимосвязи с существующими областями покрытия и заполняет все малонаселенные районы с низкой интенсивностью трафика связи, причем все это с помощью одного и того же абонентского устройства. Правительственное регулирование систем NPCS требует минимальных доработок системы для всех лиценциатов. Например, к 1999 году система NPCS, обеспечивающая услуги для лиценциатов в общенациональном масштабе, должна обслуживать по меньшей мере 37,5% населения США или 750000 квадратных километров территории, а к 2004 году лицензиат NPCS должен обслуживать по меньшей мере 75% населения США или 1500000 квадратных километров территории. Поскольку население характеризуется высокой степенью концентрации, прежние системы требовали строительства радиомачт для покрытия весьма малой доли общей территории. В действительности, минимальное требование по покрытию территории в соответствии с требованиями обслуживания населения к 1999 и 2004 году соответствует примерно 8% и 16% всей территории США соответственно, ввиду очень высокой плотности населения в городах США. Например, обеспечение обслуживания для 90% населения требует от компании, предоставляющей обслуживание, расширения примерно на 20% от общей площади территории страны. Обслуживание районов с низкой плотностью населения является более дорогостоящим для прежних систем, поскольку приемопередатчики на радиомачтах имеют малую дальность действия, что приводит к требованию большего объема оборудования в расчете на потенциального потребителя. Таким образом, немногие компании, предоставляющие обслуживание, располагают системами, которые могут обеспечить обслуживание более 90% населения, ввиду снижения дохода. Многие действующие компании, предоставляющие услуги беспроводной связи, обеспечивают обслуживание только примерно для 70-80% населения.

Настоящее изобретение предназначено для обеспечения по существу 100% охвата обслуживанием и может быть совместимым с существующими системами и сетями беспроводной связи, так что географические районы с высокой плотностью населения охватываются обслуживанием существующими пейджинговыми компаниями, а удаленные районы или районы с низкой плотностью населения, где бы они ни находились в пределах непрерывной географической области, охватываются системой СНС, соответствующей изобретению. Система СНС является дополнительной для пейджинговых систем для районов с высокой плотностью, использующих радиомачты. Таким образом, хотя система СНС имеет более низкую полную пропускную способность обработки сигналов, по сравнению с системами для районов с высокой плотностью населения, использующими радиомачты, она обеспечивает полный территориальный охват, так что абоненты, находящиеся или путешествующие в удаленных районах, обеспечиваются дополнительным охватом обслуживанием, предоставляемым системой СНС. Абоненты всегда находятся в зоне обслуживания пейджинговой системы или иной совместимой услуги связи с использованием одного устройства связи. Система СНС может также перераспределять пропускную способность на региональной основе путем запуска большего количества платформ СНС или перераспределения используемых частот динамически среди соседних платформ.

Система СНС также имеет, помимо персональной пейджинговой связи, другие применения, включая передачу речи, дистанционное формирование изображений, инфракрасное сканирование, слежение за аппаратурой и сбор метеоданных. Телефоны широкополосной системы PCS (BPCS), которые появились на рынке в последний год, предоставляют усовершенствованную услугу передачи коротких сообщений (SMS). Заявленная система СНС может осуществлять поисковый вызов телефона абонента, когда этот телефон оказывается вне дальности действия BPCS. Услуга передачи речи системы BPCS может также быть совместима с системой СНС. Еще одним потенциальным применением технологии СНС является рынок с дистанционным формированием изображений. Правительства, специалисты по планированию городов, фермеры, специалисты по охране окружающей среды, по землепользованию, картографы - все в своей деятельности опираются на аэро- или спутниковую фотосъемку. В мировом масштабе этот рынок превышает 1,4 млрд. долларов. Поскольку система СНС более чем в 20 раз ближе к объекту съемки, чем спутник, то система СНС может обеспечить разрешение порядка 1 метра при использовании линзы диаметром 0,75 дюйма. Метеоданные, полученные в результате более продолжительного пребывания в стратосфере, могут быть собраны и переданы платформой СНС, в то время как современные радиозонды не имеют возможности продолжительного нахождения на высоте свободного полета (дрейфа).

Сущность изобретения

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает совокупность (созвездие) малогабаритных воздушных платформ связи с наземной сетью терминалов запуска, слежения и связи. Хотя вся система описана главным образом в терминах связи, реализуемой в форме пейджинговой системы, другие типы связи, такие как речевая связь, служба безопасности движения на магистралях, служба поиска и спасения, неотложная медицинская помощь, дистанционное формирование изображений, контроль окружающей среды, контроль промышленных и коммунальных служб, дистанционное управление активами, передача данных фотосъемки, ИК сканирование, слежение за аппаратурой, слежение за вагонами и контейнерами, службы безопасности транспортных средств, службы персональной безопасности, контроль опасных материалов, обеспечение безопасности международных перевозок, обеспечение безопасности детей, слежение за живой природой, передача персональных сообщений, обеспечение связи для людей с физическими недостатками, SCADA (Административный контроль и сбор данных), связь при перевозках на грузовиках и слежение за перевозками грузов и многие другие адаптированные для применения виды связи. В том виде, как используется в настоящем описании, пейджинговая связь включает в себя традиционную однонаправленную пейджинговую связь, а также более новые, усовершенствованные услуги передачи сообщений (такие как двунаправленная пейджинговая связь и передача речевых сообщений). Совокупность воздушных платформ связи и наземная система поддержки расширяют ограниченный охват современных пейджинговых сетей для обеспечения полного охвата связью всего географически непрерывного района. Например, в США обеспечивается действительное общенациональное покрытие связью. Наземные системы, использующие радиомачты, применяемые в настоящее время, обеспечивают покрытие в пределах зданий, требуемое в городских районах, в то время как система СНС обеспечивает охват связью сельских районов с низкой плотностью населения. Таким образом, абонент может пользоваться полным общенациональным охватом связью с использованием того же самого устройства пейджинговой связи. Система, соответствующая изобретению, обеспечивает это с помощью совокупности равномерно распределенных высотных воздушных платформ связи, например, пейджинговых приемопередатчиков на шарах-зондах, в противоположность традиционным системам наземных радиомачт связи, покрывающих лишь ограниченную область, или в противоположность весьма дорогостоящим орбитальным, с низкими или высокими орбитами, спутниковым системам связи.

Для формирования совокупности воздушных платформ связи, пейджинговые приемопередатчики прикрепляются к носителям легче воздуха, таким как высотные шары-зонды, подобные используемым службой NWS, но модифицированные для обеспечения регулируемого управления высотой с использованием таких методов, как наддув газа и сброс балласта. Носитель легче воздуха или шар-зонд и прикрепленные устройства связи в настоящей заявке названы термином “платформы стратосферных наноспутников” (платформы СНС). Для покрытия непрерывной географической области, включающей в себя континентальную территорию США, платформы СНС могут запускаться периодически с регулярными интервалами, или по мере необходимости примерно с 50-100 пусковых установок, распределенных по территории США. Эти пусковые установки (станции запуска) могут быть выбраны для запуска приемопередатчиков на шарах-зондах, предназначенных для подъема на регулируемую высоту дрейфа в стратосфере в интервале от 60000 до 140000 футов. Используется управляемое компьютером регулирование высоты и компьютеризованное слежение. Платформы СНС регулируются для поддержания желательной высоты в пределах предварительно определенного диапазона высот, например, в стратосфере над Землей, по мере того, как они дрейфуют вместе с существующими воздушными течениями. Новые платформы СНС могут быть запущены для компенсации промежутков, которые могут возникнуть в покрытии территории, когда платформы дрейфуют с различными скоростями, по мере того как они теряют плавучесть или случайным образом выходят из строя. Новые платформы СНС могут также запускаться для обеспечения дополнительных услуг связи, по мере возникновения таких потребностей. Вновь запущенные платформы СНС могут собирать, записывать и передавать метеоданные в процессе подъема до регулируемой высоты. Эти данные могут быть переданы по радиолинии на землю для использования службой NWS. Процесс моделирования и прогнозирования покрытия сети платформ СНС на непрерывной основе является сложной задачей ввиду непрерывно меняющихся погодных условий. Эта задача облегчается за счет использования метеоданных, записанных и/или переданных на землю для прогнозирования движения индивидуальных платформ относительно друг друга и относительно наземного терминала запуска и слежения. Эти данные также могут быть использованы для управления высотой индивидуальных платформ СНС для настройки в соответствии с предпочтительными преобладающими воздушными потоками, чтобы обеспечить заполнение промежутков в покрытии. Каждый дрейфующий спутник на стратосферной высоте будет иметь охват радиосвязью по линии прямой видимости с радиусом, примерно равным 175 миль (280 км) во всех направлениях от антенны, подвешенной под ним и образующей часть платформы связи.

Наземная система поддержки множества платформ СНС, образующих совокупность, состоит по меньшей мере из одного центра сетевых операций (ЦСО) и множества терминалов запуска и слежения. ЦСО предпочтительно представляет собой центр высокоскоростных, крупномасштабных, вычислительных операций и коммуникаций для системы СНС. ЦСО может выполнять все функции, связанные с аспектами управления полетом и функционированием каждой платформы СНС связи. Эти функции управления включают запуск платформ, определение высот свободного полета (дрейфа), слежение, передачи пейджинговых сообщений и сигналов управления, осуществление связи с партнерскими пейджинговыми компаниями. В типовом случае наземные терминалы СНС включают оборудование запуска, оборудование слежения и связи и антенны связи. Расположенные рядом станции запуска и наземные терминалы могут предпочтительно соответствовать существующим позициям для расположения оборудования запуска примерно 70 шаров-зондов службы NWS, которые предназначены для общенационального мониторинга метеорологических условий. Подобные метеостанции существуют и поддерживаются согласно действующим договорам по существу в глобальном масштабе. Эти наземные терминалы могут быть автоматизированы. Портативные или мобильные наземные терминалы запуска и слежения могут при необходимости использоваться для заполнения ожидаемых промежутков в покрытии, которые могут образоваться между перекрывающимися круговыми зонами охвата дрейфующих платформ. Эти портативные или мобильные наземные терминалы запуска и слежения могут перемещаться в зависимости от сезонов, чтобы обеспечить дополнительные станции запуска по мере того, как стратосферные воздушные течения изменяются на сезонной основе. Они должны располагаться наиболее вероятно вдоль береговой линии или на краях области покрытия. Наземные терминалы могут предпочтительным образом отслеживать ряд платформ СНС, дрейфующих вблизи их местоположения, и могут обеспечивать восходящую и нисходящую линии связи для всех передач данных, включая пейджинговую связь и данные управления, для каждой платформы в пределах дальности действия терминала. Пейджинговые сигналы от абонирующей пейджинговой компании могут передаваться к системе СНС через ЦСО. ЦСО определяет, какая платформа СНС находится в данный момент над адресуемым пейджером, и передает пейджинговое сообщение к наземному терминалу, который отслеживает данную платформу СНС. Наземный терминал принимает пейджинговое сообщение от ЦСО и ретранслирует его на платформу СНС. Платформа СНС затем передает пейджинговое сообщение по нисходящей линии связи к индивидуальному пейджеру. Любое сообщение, переданное двунаправленным пейджером, принимается ближайшей платформой СНС и ретранслируется по нисходящей линии связи к наземному терминалу. Наземный терминал передает сообщение к ЦСО, который ретранслирует сообщение к соответствующей компании, предоставляющей услуги абонентам пейджинговой связи. ЦСО также поддерживает ведение всей информации составления счетов и информации местоположения абонентов. Система СНС предпочтительно спроектирована полностью совместимой с протоколом FLEX (однонаправленных пейджеров), а также с протоколом ReFLEX (двунаправленных пейджеров), не требуя внесения изменений в пейджеры. Оборудование запуска, как совмещенное по местоположению с оборудованием запуска службы NWS, так и расположенное отдельно на других выбранных наземных позициях, может состоять из полностью автоматизированной пусковой установки и наземного терминала. Один наземный терминал может управлять множеством платформ СНС в каждый данный момент времени. Наземные линии связи, спутниковые линии связи, линии связи между платформами, между шарами-зондами или другие сетевые каналы связи, связывающие одно наземное местоположение с другим, могут использоваться для соединения станций запуска и наземных терминалов друг с другом или с ЦСО.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные и иные задачи и преимущества изобретения поясняются в нижеследующем описании, формуле изобретения и чертежах, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы и на которых представлено следующее:

Фиг. 1 - схематичное изображение множества воздушных платформ, представляющих совокупность платформ над непрерывной географической областью, оборудование запуска и терминалы связи, объединенные в сеть вместе с центром сетевых операций с помощью наземных линий связи или, как вариант, с помощью сигналов спутников связи;

Фиг. 2 - увеличенное изображение множества воздушных платформ, одной подвижной станции запуска и наземного терминала с сетевыми каналами связи с центром сетевых операций для множества наземных терминалов и персональных устройств связи;

Фиг. 3 - схематичное изображение каналов связи от платформы к наземному терминалу, переключаемых от одного наземного терминала к следующему наземному терминалу;

Фиг. 4 - схематичное изображение каналов связи между платформами с последующей передачей к наземным терминалам и к центру сетевых операций (ЦСО);

Фиг. 5 - схематичное изображение каналов связи от платформы к космическому спутнику для обеспечения сетевых межсоединений с центром сетевых операций (ЦСО);

Фиг. 6 - схематичное изображение топографии каналов связи сети типа “звезда” (с центральной станцией);

Фиг. 7 - схематичное изображение топографии каналов связи сети ячеистой (сотовой)структуры;

Фиг. 8 - схематичное изображение непрерывной географической области, в частности территории США, со станциями запуска воздушных платформ СНС, иллюстрирующее круги зон первоначального покрытия, наложенное на карту географического района и демонстрирующее зоны покрытия по линии прямой видимости для каждой платформы СНС, так что по существу вся географическая территория охватывается диапазоном приема одной или нескольких воздушных платформ;

Фиг. 9 - схематичное изображение примера миграции воздушной платформы спустя некоторый период регулируемого по высоте свободного полета воздушных платформ, показывающего также станции запуска для заполнения промежутков в покрытии, что может обеспечиваться мобильными пусковыми установками, чтобы дополнить и завершить непрерывность покрытия с использованием дополнительно запущенных воздушных платформ связи;

Фиг. 10 - схематичный вид сбоку воздушной платформы, в которой заполненная газом оболочка легче воздуха, такая как шар-зонд, прикреплена к корпусу для размещения электронных схем управления, устройств связи, сенсоров и контейнера для сбора метеоданных;

Фиг. 11 - увеличенное частичное поперечное сечение воздушной платформы, включающей в себя блок управления и связи, прикрепленный к заполненной газом оболочке легче воздуха или шару-зонду, согласно возможному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 12 - вид сбоку частичного поперечного сечения воздушной платформы управления и связи по фиг. 11, согласно возможному варианту осуществления изобретения;

Фиг. 13 - вид сбоку частичного поперечного сечения альтернативного варианта воздушной платформы управления и связи, в которой источник переменной мощности, включающий водородно-кислородный топливный элемент, используется вместо батарей варианта по фиг. 12;

Фиг. 14 (фиг. 14А и фиг. 14В, взятые вместе как один целый чертеж, занимающий две страницы) - блок-схема электронной схемы управления, измерения и связи, согласно возможному варианту осуществления изобретения.

Детальное описание изобретения

На фиг. 1 представлен схематичный вид части совокупности (созвездия) и системы 10 сети связи согласно настоящему изобретению, показывающий воздушные платформы 12(a)-(g), которые достигли требуемой высоты в диапазоне высот, в частности, в стратосфере. Также показана воздушная платформа 12(b)в процессе подъема на требуемую высоту. Каждая воздушная платформа содержит заполненную газом оболочку 14(a)-(h) легче воздуха, устройство 16(а)-(b) управления платформой и связи и антенны 18(а)-(b). Сигналы связи, передаваемые между платформами и наземными терминалами, схематично представлены как 20(а)-(u) для связи соответственно с множеством наземных устройств связи, таких как приемники радиосигналов, приемопередатчики, передатчики, пейджеры 22(а)-(и). Имеется множество терминалов 24(a)-(d) запуска и слежения, каждый из которых имеет множество антенн слежения 26(a)-(g). Наземные терминалы транслируют сообщения и данные управления между платформами СНС и ЦСО. Предпочтительно наземные терминалы могут работать автоматически, требуя лишь мощности питания и сигналов связи. Наземные терминалы состоят из набора передатчиков и приемников и их контроллеров, следящих антенн и контроллеров слежения, резервных линий связи с ЦСО и резервного источника питания. Для учета потенциальной возможности нахождения нескольких платформ в пределах дальности действия в любой заданный момент времени предусмотрено от 4 до 6 отдельных передатчиков, приемников и следящих антенн. Соответствующие коммерчески доступные передатчики, контроллеры передатчиков и приемники для наземных терминалов СНС поставляются компанией Glenayre, хотя могут потребоваться некоторые модификации. Следящие антенны 26 схематично показаны во взаимосвязи с различными платформами, что реализуется сигналами 28(а)-(g). Наземная сеть связи 30 имеет взаимосвязанные сегменты 30(a)-(d), показанные взаимодействующими со станциями 24(a)-(d) запуска и слежения и с центром 40 сетевых операций. Центр 40 сетевых операций может также осуществлять связь с множеством терминалов 24 запуска и слежения через орбитальные спутники 32 и спутниковые антенны 38(а)-(b) станций запуска и спутниковую антенну 42 центра сетевых операций. В целях иллюстрации, терминал 24(с) запуска и слежения расположен совместно с пусковой установкой 44 воздушных платформ, подобной или той же самой, что и пусковая установка шаров-зондов службы NWS. В одном из аспектов настоящего изобретения предусматривается использование мобильного терминала 46 запуска и слежения, например, автономного блока, смонтированного на грузовом трейлере. Мобильная пусковая установка может транспортироваться в требуемое место запуска, припарковываться там и обеспечивать запуск дополнительных платформ СНС. Терминалы 24 слежения и связи могут соединяться с сетью через наземные линии связи 30(с) и 30(d), а также с другими станциями запуска и с центром 40 сетевых операций. Мобильный терминал запуска и слежения может перемещаться периодически из одного местоположения в другое местоположение для запуска и/или слежения за дополнительными платформами 12 СНС связи по мере необходимости для заполнения промежутков в покрытии, которые могут возникнуть ввиду погодных условий.

На фиг. 2 представлено в увеличенном виде схематичное изображение мобильного терминала 46 запуска СНС по фиг. 1, показанного схематично по отношению к платформам 12(f), 12(g) и 12(е), которые образуют часть совокупности платформ. Мобильный терминал запуска СНС осуществляет связь с центром 40 сетевых операций. Кроме того, на фиг. 2 показан диапазон требуемых высот 50, определяемый минимальной требуемой высотой 48 и максимальной требуемой высотой 52, причем каждая высота измеряется относительно уровня моря 54. В предпочтительном варианте осуществления предварительно определенный диапазон высот определен минимальной требуемой высотой порядка 60000 футов и максимальной требуемой высотой около 140000 футов. Эти высоты в принципе соответствуют земной стратосфере или диапазону стратосферных высот 50. Кроме того, на фиг. 2 показан промежуток в покрытии 56 между разнесенными платформами 12(g) и 12(е), схематично представленный как расстояние 56 пространственного разнесения, которое значительно больше, чем желательное расстояние 58 пространственного разнесения между платформами 12(f) и 12(g). В еще одном предпочтительном варианте осуществления предполагается, что платформы будут регулироваться для обеспечения их дрейфа в пределах предварительно определенного диапазона высот между около 70000 футов и 100000 футов, будут иметь радиус покрытия около 175 миль (280 км), будут находиться выше регулируемого коммерческими нормами воздушного пространства и ниже высот, на которых живучесть платформ менее вероятна. Если расстояние между двумя соседними платформами в любом направлении больше, чем около 1-1,5 от радиуса покрытия, то начинает возникать промежуток в покрытии. В таких обстоятельствах либо запускается дополнительная платформа СНС со стационарной станции запуска, либо мобильный блок 46 запуска может быть перемещен по земле в местоположение, по существу, между двумя пространственно разнесенными платформами 12(f) и 12(g), так что дополнительная платформа 12(h) может быть запущена для быстрого подъема в требуемый диапазон высот 50. Компьютерное моделирование, основанное на слежении за всеми платформами 12 в совокупности 10 воздушных платформ, может быть использовано для прогнозирования динамики формирования значительных промежутков 56 в покрытии и быстрого развертывания мобильных блоков запуска для заполнения этих промежутков. В случае, когда стационарный терминал запуска и слежения находится в местоположении для запуска дополнительной платформы СНС, мобильный блок не требуется.

На фиг. 3 схематично представлена платформа 12(i), мигрирующая под воздействием воздушных потоков в положение переключения связи 12(ii), как показано пунктирными линиями. В положении переключения связи следующий наземный терминал 24(е) принимает на себя функции слежения и связи и поддерживает управление по мере того, как платформа движется, проходя положение 12(ii) и над терминалом 24(е).

На фиг. 4 приведено схематичное изображение связи между платформами с последующей передачей к наземным терминалам и в центр сетевых операций (ЦСО).

На Фиг. 5 представлено схематичное изображение каналов связи между платформами и космическими спутниками для обеспечения сетевых межсоединений с центром сетевых операций. Это является предпочтительным вследствие возможности уменьшения количества наземных терминалов или исключения ряда из них, поскольку платформы могут непосредственно осуществлять связь с ЦСО через спутниковые каналы связи.

На Фиг. 6 схематично представлена топология сетевых каналов связи типа “звезда” (т.е. с использованием центральной станции). Это является предпочтительным, так как требует меньшего количества физических каналов связи и в общем случае требует менее дорогостоящего оборудования по сравнению с альтернативными топологиями сетей.

На фиг. 7 представлено схематичное изображение топографии каналов связи сети ячеистой (сотовой) структуры. Ее преимущество состоит в том, что топология ячеистой структуры обеспечивает множество избыточных каналов связи с другими частями сети, дополнительно повышая ее надежность.

На фиг. 8 представлено схематичное изображение непрерывной географической области 100, в частности, соответствующей территории США. На карту географической области 100 наложены 70 выбранных стандартных станций запуска, представленных символами “+” 101-105 (лишь некоторые из них пронумерованы). Также схематично представлены области 201-205 покрытия (также пронумерованы только некоторые из них), представляющие положение и покрытие каждой из платформ 101-105, когда они достигают требуемой высоты, предпочтительно в стратосфере. Каждая платформа является весьма малой по сравнению с существующими спутниками на геосинхронной орбите, так что они предназначаются для свободного полета на регулируемой высоте в стратосфере и называются “стратосферными наноспутниками” (СНС). Области 201-205 покрытия изображены на фиг. 4 в предположении относительно вертикального подъема со станций запуска 101-105. Области 201-205 покрытия будут перемещаться с течением времени под действием ветра и погодных условий в конкретном районе. Однако подъем на требуемую стратосферную высоту обычно занимает от одного до двух часов, так что дрейф при нормальных воздушных скоростях составляет менее 10-20 миль/час, и даже прохождение через реактивный поток, при его наличии, вызовет относительно малые дрейфы порядка 10-80 миль в любом направлении в процессе подъема. Таким образом, по отношению к расстоянию 175 миль (280 км), представляющему собой радиус покрытия в случае круговой области покрытия с диаметром около 350 миль (560 км), величина перемещения в течение короткого интервала времени при стандартных ветровых условиях, составляющая 10-40 миль, показывает, что станция запуска является приемлемой аппроксимацией для начального местоположения на максимальной высоте в конце подъема.

Платформы или баллоны (аэростаты) 12 снабжены механизмами управления высотой, включающими в себя наддув газом низкой плотности и сброс балласта высокой плотности, что позволяет аэростату управляемым образом поддерживаться на требуемой высоте в желательном диапазоне высот. Высоты могут поддерживаться в течение 12-24 часов, что соответствует современному графику NWS по запуску шаров-зондов - два запуска в сутки. Если не используется график запуска NWS, то высоты для аэростатов могут поддерживаться в течение 100 часов в зависимости от газа, используемого для подъема, мощности и балласта, остающегося на аэростате 12. В случае шаров-зондов NWS, используемые в настоящее время шары-зонды саморазрушаются во избежание чрезмерного расширения, когда они достигают высот свыше 100000 футов и превышают эти высоты, после того как метеоданные собраны и переданы на землю в процессе подъема. В случае аэростатов, действующих в качестве носителей для платформ связи, платформы могут поддерживаться на заданной высоте, предпочтительно менее 140000 футов и более предпочтительно менее 100000 футов, и будут продолжать мигрировать под воздействием воздушных течений в верхних слоях стратосферы. Центр сетевых операций (ЦСО) может передать команду на платформы СНС на быстрое сворачивание или подрыв, в случае аэростата 12, когда платформа больше не нужна, если она спустилась на высоту ниже 60000 футов и больше не осталось балласта, если она дрейфует над нежелательной территорией или произошел отказ в работе. Платформа может инициировать это при любом из указанных условий, и если потеряна связь с наземными терминалами. Предпочтительно условия ветра должны определяться в процессе подъема и они должны продолжать контролироваться в процессе слежения наземными станциями. Это облегчит прогнозирование появления любых промежутков в покрытии, которые могут ожидаться, и, в частности, местоположение таких промежутков и количество наземных устройств связи или пейджеров, которые необходимо обслуживать в районе появления промежутка в покрытии.

На фиг. 9 приведено схематичное изображение географической области 100 спустя определенный интервал времени миграции, в течение которого могут начинать возникать существенные промежутки. Мобильные блоки могут быть размещены на временных станциях запуска 171 и 172 для заполнения образующихся промежутков 56(b) и 56(с). Таким образом, где прогнозируется появление промежутков в непосредственной близости от стандартных станций запуска, как, например, в позиции 105, дополнительная платформа может быть запущена со станции запуска 105 раньше обычного регулярного периода времени запуска. Таким образом, промежуток 56(с) может быть заполнен за счет дополнительного запуска. Аналогичным образом, регионально расположенные мобильные станции запуска могут быть использованы для заполнения промежутков по мере их возникновения. В случае, когда обнаружена конфигурация развития такого промежутка, дополнительные временные станции запуска 173 и 174 могут быть добавлены для обеспечения компенсации повторного образования, например, промежутков 56(d) и 56(е). Временные станции запуска могут выдвигаться на сезонной основе, чтобы заполнять промежутки, вдоль береговой линии по направлению ветра, соответствующего определенному сезону, например на западном побережье на время зимнего сезона.

На фиг. 10 представлен схематичный вид сбоку платформы 12 в варианте, в котором заполненная газом низкой плотности оболочка предпочтительно представляет собой баллон 70 из латекса. Аэростат Totex 1000, заполненный водородом, гелием, природным газом или иным подходящим газом или смесью газов низкой плотности и имеющий внутреннее покрытие для снижения диффузии газа, обеспечивает адекватный подъем платформы связи СНС. Аэростат Totex выпускается с диаметром пять и одна четверть фута и раздувается до диаметра 24 фута на высоте 140000 футов. Следует заметить, что другие оболочки легче воздуха, такие как аэростаты, цеппелины, воздушные летательные аппараты, дирижабли, метеорологические шары-зонды, сферы, шары с горячим воздухом и т.д. могут использоваться вместо латексного метеорологического шара-зонда 70, показанного на фиг. 10. Также диаметр баллона 70 на фиг. 10 представлен не в масштабе, и полный вес платформы будет включать в себя контейнер 300 полезной нагрузки, механизм 72 наддува для управления высотой, контейнер 82 метеооборудования, антенны 76 и кабельное соединение 84 с контейнером метеооборудования. Предпочтительно кабель 84 представляет собой волоконно-оптический кабель, имеющий длину примерно 25 метров, так что контейнер 82, предназначенный для сбора метеоданных, в достаточной степени удален от баллона 70, чтобы свести до минимума влияние турбулентности, обусловленной баллоном, на данные метеорологических измерений, осуществляемых приборами контейнера 82 метеооборудования. Волоконно-оптический кабель 84 используется для передачи метеоданных от контейнера 82 метеооборудования в блок 74 связи. Волоконно-оптический кабель используется ввиду того, что применение провода могло бы привести к возникновению дуги вследствие высокого потенциала электрического поля при прохождении через грозовые тучи.

Имеется множество типов оболочек, заполняемых газом легче воздуха, в частности шаров, которые могут быть использованы в настоящем изобретении. В число потенциально предпочтительных типов шаров входят резиновые баллоны под давлением, баллоны нулевого давления, баллоны с внутренней пневматической камерой, баллоны с регулируемым объемом и баллоны со сверхвысоким давлением. Каждый из этих типов баллонов имеет различные преимущества и недостатки, причем, в целях настоящего изобретения, обнаружено, что резиновый баллон под давлением является наиболее предпочтительным и, таким образом, рассматривается в качестве предпочтительной альтернативы. Предпочтительно такие баллоны 14 могут иметь покрытие на поверхности, предпочтительно на внутренней стороне, как схематично обозначено позицией 15 на фиг. 10, с использованием материала с низкой проницаемостью, например, путем нанесения в жидкой фазе герметизатора, который сохраняет упругость после нанесения.

Резиновые баллоны под давлением имеют растягиваемую резиновую мембрану, содержащую транспортирующий газ, который обеспечивает увеличение в объеме баллона по мере того, как давление внешнего воздуха снижается при поднятии баллона. Это наиболее общий тип метеорологического шара-зонда, совместимый также с рассматриваемым назначением. Главным преимуществом обычного типа метеорологических шаров-зондов является общедоступность, так что высококачественные баллоны этого типа, такие как метеорологические шары-зонды, доступны с низкими затратами. Эти баллоны в некоторой степени хрупки и к ним предъявляются требования осторожного обращения, а также недолговечны. Кроме того, использование таких баллонов требует выпуска транспортировочного газа, чтобы предотвратить разрыв по достижении максимального объема.

Баллоны нулевого давления содержат первоначально пустой чехол, обычно из пластика, такого как полиэтилен или майлар. По мере снижения давления внешнего воздуха чехол увеличивается в объеме. После того как чехол достиг своего полного объема, газ должен быть выпущен, в противном случае баллон лопнет, так как материал чехла не растягивается. Хотя этот тип баллона может быть более надежным, чем резиновые баллоны, и обеспечивает меньшую диффузию транспортировочного газа, ему соответствуют умеренные затраты, превышающие затраты на резиновые баллоны примерно в 4-10 раз. Таким образом, хотя резиновый баллон может быть более предпочтительным для платформ низкой стоимости, баллон нулевого давления также обеспечивает эффективное средство для подъема платформы на требуемую высоту и имеет определенные преимущества по сравнению с резиновыми баллонами под давлением.

Баллоны с внутренней пневматической камерой содержат упругий баллон, содержащий воздух, замкнутый в баллоне фиксированного объема, содержащем транспортировочный газ. Воздух накачивается во внутренний упругий баллон, который сжимает транспортировочный газ, замкнутый в баллоне фиксированного объема, тем самым снижая подъем в целом. Воздух выпускается из внутреннего гибкого баллона, чтобы увеличить высоту подъема. Аэростаты регулируют высоту подъема с использованием этого принципа. Этот тип баллона имеет определенные преимущества, поскольку в данном случае нет потерь транспортировочного газа, и конструкция потенциально более надежна, чем в случае резиновых баллонов, однако она является более дорогостоящей, ввиду наличия дополнительного баллона, насоса и дополнительной требуемой мощности для приведения в действие механизма увеличения и снижения высоты подъема.

Баллоны с регулируемым объемом имеют фиксированный объем, заполненный транспортировочным газом, и механическое средство уменьшения объема баллона. Путем уменьшения объема транспортировочный газ сжимается, и высота подъема снижается. Объем может уменьшаться за счет использования различных средств, включая регулируемую линию внутри баллона от горловины баллона к верху баллона. Когда линия укорачивается, объем уменьшается. Транспортировочный газ не выпускается для снижения высоты подъема, и поэтому данный баллон может быть более надежным, чем резиновые баллоны. Однако он имеет существенно более высокую стоимость ввиду наличия механического средства уменьшения объема и, кроме того, требует дополнительной мощности для приведения в действие этого механического средства уменьшения объема.

Баллоны сверхвысокого давления имеют фиксированный объем. Они называются баллонами сверхвысокого давления из-за того, что они не расширяются для уравновешивания снижающегося внешнего давления. Они изготавливаются достаточно прочными, чтобы выдерживать увеличенное давление. Эти баллоны могут достигать чрезвычайно длительного времени дрейфа, так как они не требуют выпуска газа во избежание разрыва оболочки, и в типовом случае они имеют очень низкую диффузию газа через мембрану. Этот тип баллона соответствует наиболее высоким затратам, хотя и является одним из наиболее надежных, при малых потерях транспортировочного газа. Чрезвычайно высокая стоимость и трудность изготовления, а также недостаток развитой технологии изготовления таких баллонов свидетельствуют о том, что другие альтернативы являются в настоящее время более привлекательными.

Антенна 76 для передачи сигналов протянута от устройства 74 связи предпочтительно вниз по вертикали и предпочтительно представляет собой коллинеарную решетку примерно с 6 степенями наклона вниз для обеспечения равномерного охвата при передаче и приеме по всей круговой области покрытия. Антенны 77 могут быть предпочтительно снабжены опорной петлей 86 для облегчения стабилизации антенн и соединительного кабеля 84 контейнера метеообрудования. Также на фиг. 10 показан механизм 78 разрушения баллона и парашют 80 для спасения устройства 74 связи, когда баллон разрушается с помощью управляемого механизма 78 разрушения или вследствие естественных причин.

На фиг. 11 показан частичный вид спереди в сечении возможного варианта осуществления устройства 74 связи согласно настоящему изобретению. Имеется корпус 300 полезной нагрузки, включающий в себя внутренний контейнер 302 и внешнюю изоляцию 304 из пенополистирола, окружающую внутренний контейнер 302. Внутри контейнера 302 находится схемная плата 306, на которой закреплены различные электронные компоненты, взаимно соединенные для обеспечения передачи сигналов и дистанционного управления платформой по мере необходимости. Электронная секция состоит из радиочастотного (РЧ) блока, антенн, приемника сигналов GPS, процессора и регуляторов мощности. РЧ блок выполнен в виде дешевого передающего и приемного блока современных двунаправленных пейджеров. Мощность передатчика увеличивается до 7 Вт. Одна коллинеарная дипольная антенная решетка на частоту 900 МГц служит для выполнения функций как передачи, так и приема. Дополнительные антенны могут быть добавлены для шлюзовых РЧ каналов к наземным терминалам, если доступными становятся дополнительные частоты. Возможные частоты включают полосу на частоте 400 МГц или на частоте 1680 МГц, выделенную для метеорологического оборудования. Если система СНС также осуществляет сбор метеоданных для службы NWS и эти данные передаются в полосе метеорологических систем, то возможна передача дополнительного шлюзового графика с метеоданными. 12-канальный приемник сигналов GPS во взаимосвязи с процессором обеспечивает информацию позиционирования как для NWS в процессе подъема, так и для ЦСО СНС в течение всего полета. ЦСО использует эту информацию для определения местоположения платформ СНС, для определения провалов или промежутков в покрытии и для осуществления регулировок местоположения путем изменения высоты для использования предпочтительных скоростей и направлений движения воздушных течений.

Вариант, представленный на фиг. 11, и его частичный вид сбоку в сечении, как изображено на фиг. 12, показывает источник питания устройства 74 связи в виде множества малогабаритных высокомощных батарей 308(а), (b), (с) и (d). Платформа может потребовать мощности питания от 3 до 8 Вт в зависимости от трафика сообщений и конфигурации платформы. Батареи на LiSO₂ являются эффективными с точки зрения стоимости и веса и имеют хорошие рабочие характеристики при низкой температуре окружающей среды, как это имеет место на больших высотах. Батареи размещены в разнесенных с чередованием положениях, чтобы максимальная плотность компоновки на единицу объема поддерживалась ниже установленных требований к максимальной плотности на единицу объема, как установлено федеральными стандартами безопасности в авиации. Низкая плотность на единицу объема и низкий общий вес полезной нагрузки обеспечивают то, что запуск шаров-зондов не ограничивается нормами регулирования FAA (Федерального управления гражданской авиации). Например, для облегчения сохранения безопасности платформы по мере ее подъема система связи использует совокупность свободно дрейфующих в воздушном пространстве платформ, как представлено в пункте 1 формулы изобретения, причем каждая такая платформа предпочтительно представляет собой свободно летящий беспилотный аэростат, а корпус полезной нагрузки и его содержимое предпочтительно имеют общий вес порядка 6 фунтов или менее. Внешние поверхности будут иметь предварительно определенные площади, и отношение веса к размеру предпочтительно будет удерживаться в пределах не более чем три унции на квадратный дюйм на любой поверхности корпуса полезной нагрузки и на контейнере метеоприборов, если он прикреплен к платформе. Отношение веса к размеру определяется путем деления общего веса в унциях полезной нагрузки или контейнера, прикрепленного к свободному аэростату, на площадь в квадратных дюймах наименьшей внешней поверхности такой полезной нагрузки или контейнера.

В корпусе 300 полезной нагрузки платформы имеется нижнее отверстие 310, через которое соединительный кабель 84 метеооборудования соединяется в разъемном кабельном соединителе 312 с платой 306 внутри контейнера 302. Антенны 76 прикреплены к антенному соединению 314, размещенному в нижнем отверстии 310, так что сигналы, принимаемые или передаваемые через антенны 76, могут передаваться к плате 306 или от платы 306. Метеоданные из волоконно-оптического кабеля 84 могут приниматься и обрабатываться в компонентах платы 306 и передаваться к наземному терминалу 24 через антенны 76. Для упрощения отсоединения контейнера метеооборудования при неумышленном ударе, волоконно-оптический кабель желательно отделять от баллона после ударной нагрузки порядка 50 фунтов или меньше. Активные стабилизаторы 316 антенн предусмотрены для торможения и демпфирования движения антенн 76 так, чтобы осуществлялся нормальный прием и передача сигналов. Для облегчения регулирования высоты воздушной платформы 12 и присоединенного блока 74 связи корпус 300 полезной нагрузки содержит камеру 320 хранения балласта, в которой помещается балласт 318. Балласт 318 предпочтительно представляет собой легко перемещаемый груз - свинцовую дробь, металлические шарики или сферические стеклянные шарики, которые могут контролируемым образом высвобождаться, например, с помощью заслонки для сброса балласта, например, шиберного механизма, который перемещается поочередно между открытым положением в камеру 320 балласта и затем к отверстию 324 для выброса балласта, так что балласт может выбрасываться из нижнего отверстия 310, как схематично изображено позицией 326. Для удобства и во избежание расхода ресурса батареи питания в процессе хранения и транспортировки предусмотрен ручной переключатель 328 активизации цепи.

Сверху корпуса 300 полезной нагрузки находится хвостовик 330 для подсоединения баллона, имеющий удаленную верхнюю часть 332 горловины, поверх которой подсоединяется упругая соединительная горловина 334 баллона.

Соединительная горловина баллона выполнена с размерами, обеспечивающими плотную подгонку к хвостовику, растягивается и перемещается вниз к упорному буртику 336 для закрепления в положении с помощью одной или нескольких плотных резиновых лент 338. Для удобства канал 340 хранения резиновых лент предусмотрен ниже упорного буртика. Резиновая лента хранится в положении для закрепления “свежей” (исходной) оболочки легче воздуха баллона 70. Предпочтительно баллон 70 будет заполнен гелием (Не), водородом (H₂) или природным газом через клапан 344 заполнения легким газом, который предпочтительно расположен выше защитного колпака 342, который экранирует корпус полезной нагрузки и некоторые его компоненты от дождя и других осадков. Клапан 344 заполнения легким воздухом обеспечивается для удобства соединения с резервуаром для подачи легкого газа, такого как гелиевый или водородный баллон, так что надуваемый баллон прикрепляется у его горловины 344 к хвостовику 330, и заполняющий газ может затем подаваться в требуемом количестве в прикрепленную оболочку или баллон. Трубка 346 датчика давления газа сообщается между внутренностью хвостовика для передачи внутреннего давления газа в баллоне к датчику 348, соединенному с электронными схемами на плате. Датчик 350 температуры газа прикреплен и требуемым образом позиционирован около или выше верхнего края горловины 332. Проводник 352 датчика температуры передает сигнал, представляющий температуру, к соответствующей схеме на плате 306. Также предусмотрены датчик 354 температуры внешнего воздуха и датчик 356 давления внешнего воздуха, подсоединенные для передачи измеренной температуры внешнего воздуха и измеренного давления внешнего воздуха на плату. Датчик 358 температуры батареи, датчик 360 температуры полезной нагрузки и датчик 362 ориентации могут быть соединены с платой 306, чтобы обеспечить информацию и входные данные для дистанционного управления и для поддержания функций воздушной платформы 12 с использованием схемы 306. Данные, собранные с датчика 350 температуры газа, датчика 354 температуры внешнего воздуха, входной трубки 346 датчика 348 давления газа и датчика 356 давления внешнего воздуха, используются частично для определения того, когда баллон близок в состоянию разрыва. Устройство 364 нагрева и охлаждения подсоединено для управления внутренней температурой корпуса полезной нагрузки. По мере того, как воздушная платформа поднимается на большие высоты, внешняя температура падает весьма значительно, и внутреннее пространство контейнера желательно нагреть с помощью тепла, генерируемого батареями или нагревателем 364. Если тепла от батарей достаточно и к нему добавляется, например, яркий солнечный свет, то внутренняя температура может повыситься до значения, превышающего желательные рабочие температуры, тогда охладительная часть устройства 364 нагрева и охлаждения может быть активизирована для поддержания требуемого диапазона рабочих температур. Устройство нагрева и охлаждения может представлять собой термоэлектрический элемент.

В целях регулирования высоты баллона и, в частности, для предотвращения непрерывного подъема выше некоторого желательного значения высоты подъема, предусмотрен перепускной клапан 366 для легкого газа. Пружина 368 поддерживает перепускной клапан 366 в нормально замкнутом состоянии. Приводная штанга 369 прикреплена к клапану 366 и к проводу 370 привода клапана, чтобы открыть клапан, преодолевая нагрузку пружины. Никель-титановый (NiTi) провод может быть использован в качестве провода 370 привода. Перепускной клапан 366 для легкого газа открывается, преодолевая нагрузку пружины, когда малая величина тока проходит через NiTi-провод, вызывая его сжатие или укорочение на предварительно определенную величину, так что перепускной клапан открывается, обеспечивая выпуск газа легче воздуха. Приводная штанга может проходить через верхнюю часть контейнера 302, предпочтительно через уплотнение 371, так чтобы внутренность контейнера не была непосредственно открытой для других элементов. Заслонка 322 камеры балласта может приводиться в действие аналогичным образом с помощью NiTi-провода 372 привода сброса балласта. Активные стабилизаторы 316 антенны могут также быть снабжены NiTi-проводом.

Провод 374 цепи управления сбросом метеорологического зонда также может быть выполнен из NiTi и может использоваться для отсоединения метеорологического зонда после завершения получения метеорологических данных. В типовом случае метеорологические шары-зонды разрушаются после прохождения ими расстояния, примерно равного 10000 футов. В данном случае будет производиться выпуск некоторого количества легкого газа для удержания на высоте стратосферы в течение требуемого периода времени. Механизм 78 разрушения может приводиться в действие дистанционно с помощью заостренного конца 378 поворотного разрушающего рычага, чтобы обеспечить падение платформы. Разрушающий рычаг 376 подпружинен для обеспечения быстрого поворота для приведения в контакт с внешней поверхностью шара, когда штырь 386 удержания/отсоединения выводится из паза 384 удержания/отсоединения. Штырь 386 может предпочтительным образом управляться с помощью провода 388 цепи управления, активизируемого соответствующим образом с помощью электронных схем платы после приема сигналов дистанционного управления через антенны 76 или от процессора. Также внутри платформы предусмотрена антенна 390 сигналов GPS, соединенная с платой, для приема информации местоположения от спутниковой системы GPS, чтобы обеспечивать отслеживание платформы в процессе ее движения и дрейфа над непрерывной географической областью покрытия.

На фиг. 13 представлен схематичный вид фрагмента поперечного сечения альтернативного варианта осуществления платформы, соответствующей настоящему изобретению, в котором источник электропитания для схем связи и управления представляет собой топливный элемент 400. Топливный элемент 400 может представлять собой в предпочтительном варианте топливный элемент с мембранной протонного обмена, обеспечивающий выработку электрической мощности с использованием водорода и кислорода. Система этого типа требует использования трубки 402 для соединения с источником водорода, например, соединяющей баллон 70 с газом легче воздуха с топливным элементом 400. Впускное отверстие 404 для водорода снабжено водородным циркулятором 406, который может представлять собой просто вентилятор 406. Таким образом, с использованием водородной трубки водород может извлекаться из баллона и вводиться в топливный элемент 400. Также имеется выпускное отверстие 408 для водорода, который рециклируется, возвращаясь обратно в баллон. Датчик 410 давления в водородной трубке предназначен для соответствующего контроля парциального давления водорода в топливном элементе. Топливный элемент этого типа также требует подачи кислорода, которая может быть обеспечена присоединением кислородного баллона 414 к кислородной трубке 412 таким образом, чтобы кислородный баллон находился внутри оболочки водородного баллона. Кислородный баллон сконструирован таким образом, чтобы поддерживать кислород под значительным внутренним давлением. Кислородный баллон 414 может быть прикреплен к трубке 412 резиновой лентой 416, и кислородный насос 418 перемещает и обеспечивает дополнительный кислородный наддув из кислородного баллона 414 в топливный элемент через впускное отверстие 420 для кислорода. И вновь, для регулирования процесса предусмотрен датчик 422 кислородного давления. Реакция в топливном элементе приводит к образованию воды в качестве побочного продукта. Вода поддерживается в жидком состоянии с помощью тепла, генерируемого топливным элементом, и предпочтительно сливается, прежде чем она сможет замерзнуть на больших высотах, на которых работает платформа.

На фиг. 14 представлена блок-схема аппаратных средств платформы СНС, содержащихся в корпусе 300 полезной нагрузки, размещенных на плате 306 или соединенных с ней. Процессор 430 принимает входной электрический сигнал и выдает выходной электрический сигнал, взаимодействуя с множеством компонентов как для регулирования высоты полета, контроля температуры, управления разрушением баллона, сбросом балласта и т.д. платформы, так и для приема, обработки и передачи сигналов связи, принимаемых и передаваемых от наземных станций, персональных устройств связи и другой информации. Блок 432 представляет батареи 308 или топливный элемент 400. Блок 434 представляет переключатель 328 включения/выключения, предназначенный для подачи мощности на схему 436 регулирования электропитания с имеющейся выходной мощностью 438. Для наглядности чертежа, отдельные соединения питания к различным операционным и управляющим устройствам для всех случаев не показаны. Мощность подается на блок 440 датчика напряжения питания и блок 442 датчика тока питания, которые выдают информацию в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 444. Аналого-цифровой преобразователь также получает информацию от блока 446 измерителя температуры батареи и топливного элемента, блока 448, формирующего отсчеты температуры газа и внешнего воздуха, и блока 450 измерения давления газа. Дополнительные аналоговые информационные сигналы в общем представлены блоком 452. Преобразованная в цифровую форму информация подается и принимается от блока 454 “флэш” - памяти и блока 456 оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). С помощью информации от АЦП 44, а также с блока 454 “флэш”-памяти и блока 456 ОЗУ процессор имеет доступ ко всем входным данным управления. В процессе подъема платформы СНС контейнер метеооборудования, представленный блоком 458, получает соответствующую метеорологическую информацию, включая температуру внешнего воздуха (460), внешнее давление (462) и внешнюю влажность (464). Стабилизация антенны (316), представленная блоком 496, может осуществляться на основе информации датчика ориентации, который является частью системы управления платформой СНС (466), для осуществления стабилизации антенны 76. Информация, измеряемая или собираемая в контейнере 458 метеооборудования, передается, например, с помощью ИК приемопередатчика 468 через оптиковолоконный кабель 470, соответствующий физическому волоконно-оптическому кабелю 84, и ИК приемопередатчика 472 процессора, посредством которого последовательные метеоданные передаются к процессору 430 для соответствующей передачи к наземным терминалам в процессе подъема платформы СНС с присоединенным контейнером 458 метеооборудования. Блок 474 антенны GPS, соответствующий физической антенне 390 GPS, осуществляет связь посредством приемника 476 сигналов GPS, показанного как последовательный порт и дополнительно синхронизированного с тактовым сигналом GPS или секундными метками в блоке 478. Таким образом, информация местоположения в конкретные моменты времени подается в процессор. Эта информация местоположения координируется с другими входными метеоданными для определения скоростей ветра на любом участке подъема, тем самым устанавливая соответствие между этими скоростями ветра с конкретными значениями высоты и географическим местоположением в процессе подъема.

Передача информации управляется процессором 430, предпочтительно с использованием сигналов как приемопередатчика на частоте 900 МГц и модема 480, так и шлюзового приемопередатчика и модема 482, коллинеарных антенных решеток 484, взаимосвязанных через диплексор 486. Управляющая информация, принимаемая коллинеарными антенными решетками 484, передается через диплексор и один из приемопередатчиков на соответствующей частоте к процессору 430 вместе с входной информацией, получаемой из сигналов наземных станций, и вместе с входной информацией от бортовых датчиков обеспечиваемой АЦП 444 информацией местоположения, полученной из сигналов GPS, временной информацией 478 GPS и информацией 466 датчиков ориентации, и используется для управления различными функциями платформы СНС. Также сброс балласта управляется в блоке 490, соответствующем физическому приводу 372 сброса балласта. Сброс контейнера метеооборудования управляется схематично показанным блоком 492, соответствующим приводу 374 сброса контейнера. Управление разрушением баллона показано блоком 494, соответствующим приводу 376 разрушения. Стабилизация антенны может быть осуществлена в соответствии с управлением, представленным блоком 496, соответствующим механизму 316 стабилизации антенн. Управление температурой полезной нагрузки, как нагревом, так и охлаждением, может управляться схематично представленным блоком 498, соответствующим нагревателям и охладителям 364. Дополнительные функции, которые могут быть дополнительно включены, обеспечиваются средствами управления, представленными блоком 500.

Другие варианты и модификации изобретения, вероятно, могут быть очевидны для специалистов в данной области техники, исходя из раскрытия изобретения в представленном описании, в связи с этим следует иметь в виду, что объем раскрытого изобретения должен определяться только самой широкой интерпретацией пунктов формулы изобретения.