CN108292950A - 全球通信网络 - Google Patents

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CN108292950A CN201680053687.2A CN201680053687A CN108292950A CN 108292950 A CN108292950 A CN 108292950A CN 201680053687 A CN201680053687 A CN 201680053687A CN 108292950 A CN108292950 A CN 108292950A
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Abstract

一种用于修改通信信号(S1)以从源传输到目的地的方法(700)，包括识别用于与通信装置(110、200)通信的目标平台(300)以及建立目标平台和通信装置之间的通信连接(22)。方法包括识别用于在目标平台和通信装置之间传送数据的可用的通信信道，以及从一个或多个传感器(222)接收控制输入。方法还包括基于接收的控制输入确定伪随机噪声扩频码(S2)，以及通过将通信信号与伪随机噪声扩频码相乘来修改通信信号。此外，方法包括使得修改后的通信信号(S3)从通信装置通过可用的通信信道发送到目标平台，修改后的通信信号以低于可用的通信信道的热噪声被传输。

Description

全球通信网络
技术领域
本公开涉及全球通信网络。
背景技术
通常，通信网络为用于接收信息(信号)并且将信息传输至目的地的大型分布系统。在过去的几十年中，对通信接入的需求显著地增加。虽然传统的电线及光纤陆上通信线、蜂窝网络以及地球同步卫星系统已经被连续地增加以适应需求的增长，但是现有的通信基础设施仍然不够大以适应需求的增加。另外，世界上有些地区没有连接到通信网络，并且因此不能成为全球社区的一部分，在全球社区，所有事物都连接到互联网。
卫星被用于向有线电缆无法到达的区域提供通信服务。卫星可以与地球同步或者与地球不同步。由于卫星绕赤道运行，轨道周期正好为一天，因此从地球上特定位置观看，地球同步卫星永久保持在相同的天空的区域内。非地球同步卫星通常在低地球轨道或者中地球轨道运行，并且不相对于地球上的固定点保持静止；卫星的轨道路径可以部分地通过平面描述，该平面与地球中心相交并包含轨道。另外，通信装置显著地增加了建造、发射和操作每颗卫星的成本；它们也使卫星通信系统和相关天线以及机构的设计和开发极大地复杂化，以允许每颗卫星获取和跟踪相对位置正在改变的其他卫星。每个天线都具有机械或者电子转向机构，这增加了卫星的重量、成本、振动和复杂度，并且提高了失败的风险。对这种跟踪机构的要求对于被设计为与不同平面内的卫星通信的卫星间链路比对于仅仅与同一平面内的附近卫星通信的链路更具有挑战性，因为具有少得多的相对位置上的变化。类似的考虑和增加的成本适用于具有气球间链路的高空通信气球系统。
发明内容
本公开的一个方面提供一种用于修改通信信号以从源向目的地发送的方法。该方法包括由数据处理硬件识别用于与通信装置通信的目标平台以及建立目标平台和通信装置之间的通信连接。该方法还包括由数据处理硬件识别可用的通信信道，该可用的通信信道用于在目标平台和通信装置之间传送数据，以及在数据处理硬件处从一个或多个传感器接收控制输入。该方法进一步包括由数据处理硬件基于接收的控制输入确定伪随机噪声扩频码，以及由数据处理硬件通过将通信信号与伪随机噪声扩频码相乘来修改通信信号。此外，该方法包括由数据处理硬件通过可用的通信信道，使得修改后的通信信号从通信装置发送到目标平台，修改后的通信信号低于可用的通信信道的热噪声被传输。
本公开的实施方式可以包括以下可选特征中的一个或多个。在一些实施方式中，控制输入包括以下至少一项：地理位置、与目标平台相关联的天线增益-噪声温度比、与目标平台相关联的等效全向辐射功率、与通信装置相关联的天线指向角、目标平台的接收信号强度指示符、或目标平台与通信装置之间的通信的信噪比。方法也可以包括当控制输入中的至少一个被更新时，由数据处理硬件调整伪随机噪声扩频码。
在一些示例中，上述方法包括在数据处理硬件处从与数据处理硬件通信的全球定位装置接收通信装置的全球定位信号，以及在数据处理硬件处从目标平台接收目标平台的轨道位置。该方法也可以包括由数据处理硬件基于通信装置的全球定位信号和目标平台的轨道位置，确定相对于目标平台并且与放置在通信装置上的天线相关联的天线指向角。该方法还包括由数据处理硬件基于天线指向角修改伪随机噪声扩频码。在修改通信信号之前，方法可以包括由数据处理硬件生成通信信号。在修改通信信号之前，该方法还可以包括在数据处理硬件处接收通信信号。
在一些示例中，识别目标平台包括：由数据处理硬件跟踪目标平台的全球位置，以及由数据处理硬件确定目标平台的集合和可用的通信信道，该可用的通信信道用于在从通信装置传输修改后的通信信号的通信时间，传输通信信号。识别目标平台还包括由数据处理硬件从目标平台的集合中选择目标平台，以及向存储在与数据处理硬件通信的存储器硬件中的数据源查询用于与通信装置通信的目标平台和可用的通信信道，可用的通信信道用于在从通信装置传输修改后的通信信号的通信时间，传输通信信号。
通信装置可以包括相控阵天线。建立目标平台和通信装置之间的通信连接可以包括操纵相控阵天线的一个或多个阵列单元以移动相应的通信波束。地面站或者源目标平台可以包括数据处理硬件。
本公开的另一个方面提供一种用于修改通信信号以从源向目的地发送的通信系统。该通信系统包括信号扩展装置以及与信号扩展装置通信的相控阵天线系统。信号扩展装置被配置为接收通信信号、从一个或多个传感装置接收一个或多个控制输入、基于一个或多个控制输入确定伪随机噪声扩频码、以及通过将通信信号与伪随机噪声扩频码相乘来修改通信信号。相控阵天线系统包括相控阵天线和被配置为执行操作的数据处理硬件。操作包括识别用于与相控阵天线通信的目标平台、建立目标平台和通信系统之间的通信连接、识别用于在目标平台和通信系统之间传送数据的可用的通信信道、以及将修改后的通信信号通过可用的通信信道从相控阵天线发送到目标平台。修改后的通信信号以低于可用的通信信道的热噪声被传输。
本公开的实施方式可以包括以下可选特征中的一个或多个。控制输入可以包括以下至少一项：地理位置、与目标平台相关联的天线增益-噪声温度比、与目标平台相关联的等效全向辐射功率、与通信装置相关联的天线指向角、目标平台的接收信号强度指示符、或目标平台与通信装置之间的通信的信噪比。
上述操作也可以包括当控制输入中的至少一个被更新时，调整伪随机噪声扩频码。该操作也可以进一步包括从与数据处理硬件通信的全球定位装置接收通信装置的全球定位信号；从目标平台接收目标平台的轨道位置；基于通信装置的全球定位信号和目标平台的轨道位置，确定相对于目标平台并且与放置在通信装置上的天线相关联的天线指向角；以及基于天线指向角来修改伪随机噪声扩频码。在一些示例中，该操作包括在修改通信信号之前，生成通信信号。该操作也可以进一步包括在修改通信信号之前，接收通信信号。
识别目标平台可以包括：跟踪目标平台的全球位置；确定目标平台的集合和可用的通信信道，可用的通信信道用于在从相控阵天线传输修改后的通信信号的通信时间，传输通信信号；以及从目标平台的集合中选择目标平台。识别目标平台可以进一步包括：向存储在与数据处理硬件通信的存储器硬件中的数据源查询用于与相控阵天线通信的目标平台和可用的通信信道，可用的通信信道用于在从相控阵天线传输修改后的通信信号的通信时间，传输通信信号。相控阵天线可以被配置在地面站或者源目标平台上并且包括被配置在微带上的天线以及连接到天线中的至少一个的移相器。建立目标平台和相控阵天线之间的通信连接可以包括：操纵相控阵天线的一个或多个阵列单元以移动相应的通信波束。
在附图和下面的描述中阐述了本公开的一个或多个实施方式的细节。其他方面、特征和优点将从说明书和附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
图1A是示范性的通信系统的示意图。
图1B是具有卫星和高空平台(HAP)的示范性全球规模通信系统的示意图，其中卫星形成极地星座。
图1C是形成沃克(Walker)星座的示范性的一组图1A的卫星的示意图。
图2A和2B是由图1A的通信系统实现的自适应扩频技术的示范性曲线图的示意图。
图3A和3B是示例HAP的透视图。
图4是示例卫星的透视图。
图5A和5B是在全球规模通信系统中用于在第一用户和第二用户之间发送通信的HAP之间示范性路径的示意图。
图6A和6B是在全球规模通信系统中用于在第一用户和第二用户之间发送通信的HAP之间示范性路径的示意图。
图7是用于在源和目的地之间通信的操作的示范性配置的示意图。
图8是执行本文描述的任何系统或方法的示例计算装置的示意图。
各个附图中相似的参考符号表示相似的元件。
具体实施方式
在包括卫星和高空平台(HAP)的通信系统中，地面站可以向卫星传输通信，卫星转而将它传输给HAP。而且，HAP可以将接收的通信发送或者传输至一个或多个用户终端。反过来也可能发生，其中用户终端将通信传输至HAP，HAP将通信传输至卫星，并且卫星将通信中继至地面站。每个卫星可以包括一个或多个转发器，用于从地面站向HAP中继通信，反之亦然。转发器具有可用于传输一个或多个通信的有限数量的带宽或者信道。卫星通信可以包括电视广播、电话、无线电广播、互联网、数据以及军用。因此，为了传输较小的通信，例如与转发器提供的相比具有显著更小的数据速率(例如10kb/秒)的通信，数据处理装置可以在通过相控阵天线传输通信(其中信号的传输低于噪声阈值)之前使用直接序列扩频(DSSS)扩展较小的信号，数据处理装置例如或者包括地面站或者HAP处的调制调解器。此外相控阵天线系统可以选择可用的，即，未被使用的转发器的信道来传输修改的扩展信号。然而，如果转发器没有任何可用信道，发射机可以利用已经传输信号的信道，因为修改的扩展信号不会干扰通过转发器信道传输的任何信号。
通信系统的地面站、HAP以及卫星相对于彼此移动。因此，取决于HAP或者地面站相对于卫星的位置，与HAP和/或地面站关联的数据处理装置(包括调制调解器)能够基于卫星的链路信号电平，调整其扩频技术(例如DSSS)，这使得整个网络节约成本。数据处理装置调整其扩频技术(例如唯一的扩频序列)以适应卫星的链路信号电平。例如，当链路信号电平低时，则数据处理器利用扩频序列，该扩频序列允许原始信号比信号电平高时扩展更多。换句话说，当信号电平低时，数据处理装置比信号电平高时更多地扩展原始信号。另外，当地面站、HAP以及卫星相对于彼此移动时，数据处理装置基于信号电平的变化动态地调整信号的扩展。
除了数据处理装置之外，相控阵天线系统能够基于改变的条件进行动态地调整，改变的条件由数据处理装置接收。数据处理装置与传感器通信并且被配置为基于传感器确定测量值，以确定HAP或者地面站相对于卫星的特定位置处的扩频技术(例如唯一的扩频序列)。测量可以包括但不限于地理位置、通信装置的天线角度、链路状态、雨衰及其他。数据处理装置被配置为调整其扩频技术(例如唯一的扩频序列)而不依赖于任何集中管理系统、控制单元或者HUB。另外，相控阵天线系统自动地适应扩频技术的变化，而不用连接至集中管理系统、控制单元或者HUB。因此，由于相控阵天线系统和数据处理装置，通信系统降低了其电力的使用、运营成本以及总成本。
参考图1A-1C，在一些实施方式中，全球规模通信网络100包括一个或多个地面站110、一个或多个终端120、一个或多个HAP 200以及一个或多个卫星300。每个地面站110可以与一个或多个卫星300通信，每个卫星300可以与一个或多个HAP 200通信，并且每个HAP200可以与一个或多个终端120、120a、120b通信。地面站110可以连接到一个或多个服务提供者(未示出)，并且终端120可以是用户终端(例如，移动装置、住宅WiFi装置、家庭网络等)。地面站110可以是固定平台、空中平台(例如无人机)、地面平台(例如，汽车、卡车、火车等)或水上平台(例如船)。
在一些实施方式中，HAP 200是在高空(例如，17-22公里)处运行的空中通信装置。HAP 200可以例如通过飞机被释放到地球大气中，或者飞行到期望的高度。此外，HAP 200可以作为准静止飞行器运行。在一些示例中，HAP 200是飞行器200a，诸如无人驾驶飞行器(UAV)；而在其他示例中，HAP 200是通信气球200b。卫星300可以处于低地球轨道(LEO)，中地球轨道(MEO)或包括地球同步轨道(GEO)的高地球轨道(HEO)。
HAP 200可以沿着路径、轨迹或轨道202(也称为平面，因为它们的轨道或轨迹可以近似地形成几何平面)围绕地球5移动。此外，若干HAP 200可以在相同或不同的轨道202内运行。例如，一些HAP 200可以大致沿着地球5的纬度(或者在由盛行风部分确定的轨迹内)在第一轨道202a中移动，而其他HAP 200可以沿着不同纬度或轨迹在第二轨道202b中移动。HAP 200可以被分组在围绕地球5的若干不同轨道202中，和/或HAP 200可以沿着其他路径202(例如，单独的路径)移动。类似地，卫星300可以沿着不同的轨道302、302a-n移动。协同工作的多个卫星300形成卫星星座。卫星星座内的卫星300可以以协调的方式运行以在地面覆盖中重叠。在图1B所示的示例中，通过使卫星300绕地球5的极地运行，卫星300以极地星座运行；然而，在图1C所示的示例中，卫星300以沃克星座运行，沃克星座覆盖某些纬度以下的区域，并且同时考虑到地面上的地面站110，提供更多数量的卫星300(导致更高的可用性，更少的连接断开)。在一些示例中，在地球赤道平面内的GEO轨道中的卫星300具有从地球5的中心测量的近似42,164公里或26,199英里的半径。
当构建全球通信系统100时，要考虑的难点之一是创建链路22，尤其当地面站110、HAP 200和卫星300可以相对于彼此移动时,链路22例如允许在美国的地面站110与在日本的用户终端120通信。如果全球通信系统100包括HAP 200，那么在美国的地面站110可能与将通信20传输至在日本的用户终端120的HAP 200不具有直接视线。实现链路22的一种方式是使用处于地面站110和HAP 200的视线内的卫星300,链路22来自与HAP 200不具有直接视线(例如，链路22)的地面站110。因此，地面站110可以使用卫星300将通信20传输到例如日本的目的地终端120。卫星300的使用需要从卫星服务提供者购买或租赁转发器312的带宽。
在一些示例中，卫星的转发器312在一组上行频率上从发射机收集信号20，例如发射机为一个或多个地面站110或者一个或多个用户终端120(经由HAP 200),并且在不同的一组下行频率上将信号20重新传输至接收机，例如接收机为地球5上的一个或多个地面站110或者一个或多个用户终端120(经由HAP 200)，而不改变信号20的内容。在一些示例中，转发器312由一组卫星设备定义，该组卫星设备定义一个单位的卫星容量，通常为24MHz或36MHz。因此，卫星的每个转发器312提供在通信服务提供者(例如，电视广播公司，或虚拟网络运营商(VSAT)或政府组织)之间划分的有限带宽。通信服务提供者可以从卫星服务提供者租用一个或多个卫星300的一个或多个转发器312，以广播其通信20。由于每个卫星300上可用的转发器312的数量有限，因此租用转发器312可能是非常昂贵的。当构建全球通信网络100时，最昂贵的考虑可以是带宽(即，信道)。由于这一点，服务可能非常昂贵，因为可能有有限数量的可被使用的信道或带宽。另外，可用带宽的充分和有效使用，可能是通信网络100的服务的财务有效性和运营成本的因素。因此，允许通信服务提供者使用卫星300发送和接收通信20、同时维持从卫星服务提供者租用的带宽的低成本的通信网络100的构建，可能是合乎需求的。直接序列扩频(DSSS)可以作为全球通信网络100的一部分(例如，调制解调器112)被实现以降低成本、功率密度并且保护通信，同时通过卫星300和/或HAP 200从地面站110向用户终端120全球地或局部地发送信号20。DSSS的使用允许通信服务提供者低于噪声水平传输信号20，而不干扰其它信号传输，即，传输的信号20可以与高于噪声水平传输的其他信号共存。这允许全球通信网络100通过在通常不用于通信的噪声水平内发送信号或通信20来增加带宽，导致全球通信网络100的低运营成本。另外，除了当HAP 200和地面站110相对于相应的通信卫星在位置上变化时优化通信链路的整体带宽效率的DSSS的方法之外，全球通信网络100可以考虑控制输入以调整通信码率和调制(例如，MODCOD)，输入例如但不限于地理位置、相控阵天线系统116指向角、发送和接收装置之间的链路状态。因此，通信网络100评估通信装置的操作条件并且实现自适应编码和调制(ACM)方案(例如，使用处理装置220)，以改善和优化带宽效率或者减轻通信信号20的衰落效应。因此，通信网络100考虑控制输入并且基于控制输入调整其编码和调制(即，DSSS扩频)。
在一些实施方式中，地面站110是被配置为提供与一个或多个卫星300的额外的行星通讯的地面无线电站。在其他实施方式中，地面站110正在穿越陆地、空气或水移动。与卫星300通信的地面站110建立链路22。在一些示例中，如果地面站110试图与正在相对于地面站110移动的卫星300建立链路22，或者地面站110正在相对于卫星300移动，或两者正在相对于彼此移动，那么地面站110包括相控阵天线系统116(例如，跟踪天线)以保持与卫星300的链路22。在其他示例中，当地面站110与相对于地面站110具有固定位置的卫星300通信时，那么地面站110包括总是指向相同方向，即卫星300的方向，的相控阵天线117以保持通信链路22。
地面站110可以是静止的或可移动的(例如，在船上或移动物体上)。在一些示例中，地面站110包括数据处理装置220。数据处理装置220可以包括调制解调器112、112g，其在将接收到的通信20发送到卫星300之前处理接收到的通信20，或者处理从卫星300接收到的通信20。
在一些实施方式中，转发器312包括天线增益-噪声温度比(G/T)测量以及等效(或有效)全向辐射功率(EIRP)测量。在表征卫星天线320(图4)的性能时，G/T是品质因数(即，它是用于表征装置、系统或方法相对于其替代物的性能的量)。G是与卫星天线320相关的增益，并且在接收频率处以分贝测量。T是以开尔文(度K)表示的接收系统的等效噪声温度。噪声温度是表示由组件源引入的可用噪声功率的水平的方式。因此，T是从卫星天线320到接收机输出(例如地面站110或HAP 200)，卫星天线320的噪声温度和RF链噪声温度的总和。EIRP是理论上的全向天线(即，在所有方向上均匀分布功率的天线)会发射的以产生在最大天线增益方向上观察的峰值功率密度的功率值。在一些示例中，EIRP考虑传输线和连接器中的损耗并且包括卫星天线320的增益。EIRP基于具有等效信号强度的全向辐射器发射的参考功率以分贝来表示。此外，EIRP允许不同发射器之间的比较，而不管发射器的类型、尺寸或形式如何。
当数据处理装置220(位于地面站110或HAP 200上)从卫星300的转发器312的波束峰朝卫星300的覆盖边缘(EoC)移动并且远离波束峰时，与转发器312相关联的G/T和EIRP改变。在卫星300的波束峰处运行的地面站110或HAP 200，展现出比更接近于卫星300的覆盖区域的EoC运行的地面站110或HAP 200，显著更高的G/T和EIRP，G/T和EIRP与转发器312相关联。传统上，卫星通信系统使用自适应编码调制(ACM)和功率控制，以确保卫星300与地面站110或HAP 200之间的通信链路22被保持。ACM是一种自动改变链路22的调制和前向纠错或FEC(称为MODCOD)，以补偿在链路22状况上的变化的技术。ACM表示调制、编码以及其他信号和协议参数与通信链路22上的状况(例如，路径损耗、对来自其他发射机的信号的干扰、接收机的灵敏度、可用发射机功率裕度等等)的匹配。根据接收站的接收情况，ACM允许使用不同的MODCOD传输每个帧。但是，ACM的使用受限于最低可用MODCOD和可采用的频谱发射范围。因此，数据处理装置220实现自适应扩频技术(除了自适应编码调制技术之外)以进一步扩展ACM的概念是合乎需求的，因为其允许覆盖范围的进一步增加或孔径尺寸的进一步减小，同时保持在需要较少扩频或不需要扩频的情况下的带宽效率。
在一些示例中，相控阵天线系统116(或卫星天线320)在波束被扫描远离天线视轴(即，天线的最大增益的轴)时，表现出波束偏斜或展宽。波束偏斜是传输偏离天线平面法线的角度。波束偏斜可能由信号频率变化引起，导致信号与相控阵或槽的关系发生变化。当通信20或波束远离相控阵天线系统116在所有方向上扩展时，发生波束展宽。波束展宽导致信号强度下降。波束展宽可能导致违背频谱发射模板(SEM)，特别是对于小孔径天线117(由于HAP 200重量的限制，天线117的孔径在尺寸上不能太大。而且，较大的天线117需要更多功率，其也被HAP 200的尺寸限制)。如3GPP TS 34.122中所定义的，SEM是相对于信道内功率的信道外发射的测量。SEM测量用于测量会干扰其他信道或其他系统的过度发射。安装在HAP 200或地面站110上的相控阵天线系统116在高度和朝向(即方向)变化发生时，对这种影响尤为敏感。结果，相控阵天线系统116的发射功率被减小，以符合有效限制终端的EIRP的模板30(图2A和2B)。除了波束展宽之外，相控阵天线系统116的天线增益表现出θ(theta)的余弦相关性，其导致主瓣增益减小(绝对和相对于旁瓣)。因此，自适应编码和扩频技术(由数据处理装置220实现)作为扫描角的函数被应用于相控阵天线系统116，以保持恒定的EIRP。天线(例如，相控阵列天线系统116)的主波瓣或主波束是包含最大功率并呈现最大场强的波瓣。大多数天线的辐射方向图显示了各个角度、辐射信号强度达到最大值的方向处的“波瓣”图，波瓣由零值、辐射下降到零的角度分隔开。在目标为在一个方向上发射通信20的定向天线(例如相控阵天线系统116)中，在该方向上的波瓣被设计为比其他波瓣更大(即，具有更高的场强度)。较大的波瓣通常被称为主波瓣。其他的波瓣被称为旁波瓣，并且通常代表在不希望的方向上的不想要的通信信号。在与主波瓣相反方向上的旁波瓣称为“后瓣”。为了保持恒定的EIRP并因此保持总体链路质量，必须增加发射功率，这再次受到模板要求的限制。自适应编码和扩频技术(使用数据处理装置220实现)的实现，作为扫描角度的函数被应用于相控阵天线系统116，以保持恒定的EIRP。自适应编码和扩频技术(使用处理装置220实现)的实现允许通信网络100在视轴扫描情形期间以高带宽效率操作，同时扩频被偏离视轴增强以允许更大的总发射功率。
当确定自适应的扩频技术时，可以由数据处理装置220考虑多个控制输入。在一些示例中，数据处理装置220考虑支撑数据处理装置220的HAP 200或地面站110的地理位置，以及相应卫星300的G/T和EIRP。数据处理装置220可以通过与相应的HAP 200或地面站110上的惯性测量单元(IMU)通信，来确定支撑数据处理装置220的HAP 200或地面站110的地理位置。IMU是使用加速度计和陀螺仪的组合，来测量和输出HAP 200或地面站110的比力、角速度，并且有时还有磁场。在一些情况下，当装置丢失其GPS信号时，装置可能依靠IMU。另外，数据处理装置220可以考虑卫星部署数据库(例如，存储在与数据处理装置220通信的硬件存储器上)，该数据库包括与每颗卫星有关的数据，包括但不限于关于每颗卫星的技术信息(质量、功率、发射日期、预期寿命)及其轨道(远地点、近地点、倾角和周期)，以及关于卫星用于什么、和谁拥有、操作和构建卫星的信息。除了与相应的HAP 200或地面站110通信的卫星300的G/T和EIRP之外，数据处理装置220还考虑卫星部署数据库以确定适配方案。如下面将要讨论的，地面站110或HAP 200包括具有相控阵天线117的相控阵天线系统116。数据处理系统220与也包括天线处理器118的相控阵天线系统116通信。相控阵天线系统116向数据处理装置220传输相控阵天线117的指向角。数据处理装置220可以从卫星和/或HAP 200和地面站110的地理位置，确定相控阵天线117的指向角；可以确定卫星300的轨道位置；以及可以确定地面站110或HAP 200的朝向。当通信链路22被地面站110或HAP 200接收时，地面站110或HAP 200接收到接收信号强度指示符(RSSI)，该指示符是存在于接收信号中的功率的测量。另外，地面站110或HAP 200(例如，使用数据处理装置220)测量信噪比(SNR)，该信噪比是将期望信号的水平与背景噪声的水平进行比较的测量。换句话说，SNR是以分贝表示的，信号功率与噪声功率的比值。高于1：1的比率，即大于零分贝，表示信号比噪声更多。因此，当确定如何自适应地扩频和编码通信20时，数据处理装置220考虑链路22的RSSI和/或SNR。因此，数据处理装置220考虑诸如上述测量的闭环信息、或诸如天气的开环测量。基于控制输入，地面站110或HAP 200调整其码率和调制以及其频谱扩展，以优化通信链路22的带宽效率。
直接序列扩频(DSSS)是用于通讯的扩频调制技术。扩频系统被配置为使用超过消息信号S1实际需要的带宽的带宽，来发送包含通信20的被修改的信号S3(图5A-6B)，这导致了作为噪声信号出现的宽带信号，该噪声信号允许对传输的被修改的信号S3的有意和无意的干扰的更大耐受性。因此，在接收到数据信号S1之后，相控阵天线系统116(在地面站110或HAP 200处)低于热噪声发送被修改的信号S3、20，其中被修改的信号S3以低于带宽的热噪声水平被发送。当发送被修改的信号S3时，调制解调器112、112g将数据信号S1与唯一的序列S2(也称为自适应伪随机码)相乘，产生噪声信号，即，被修改的信号S3。当接收到被修改的信号S3时，接收端的调制解调器112、112g通过将被修改的信号S3与相同的唯一系列S2相乘来再生数据信号S1。
DSSS利用被称为码片的连续的伪噪声码符号串，对信号波进行伪随机地移相；每个码片具有比信息比特短得多的持续时间。换句话说，数据信号S1的每个信息比特由更快速的码片的序列S2调制。因此，码片速率远高于信息信号比特速率。此外，DSSS使用信号结构，在该信号结构中发射机(即地面站110或HAP 200)产生的码片序列对于接收端(即地面站110或HAP 200)是已知的。这允许接收端使用相同的伪噪声序列S2，来抵消伪噪声序列S2对接收到的被修改的信号S3的影响，以便重建信息信号S2。
在一些实施方式中，地面站110的调制解调器112、112g是DSSS调制解调器。调制解调器112、112g(调制器-解调器)是调制信号以编码数字信息并且解调信号以解码发送的信息的装置。调制解调器112、112g产生易于传输和解码以再现原始数据的信号。调制解调器112、112g接收来自通信服务提供者的通信信号S1并生成被修改的信号S3或通信20以发送。调制解调器112、112g选择窄带信道并且通过将通信信号S1与伪随机噪声扩频码S2相乘来扩展通信信号S1。例如，DSSS调制解调器112、112g接收通信信号S1，并通过将数据信号S1与独立于数据信号S1的PN序列S2(伪随机噪声扩频码)相乘而将数据信号S1转换为被修改的信号S3；从而产生用于传输的被修改的信号S3。在一些示例中，PN序列将信息信号S1扩展128倍，但对扩频量没有限制。伪随机噪声扩频码S2可以被实施为前向纠错(FEC)编码、重复编码、跳频和/或自适应扩频。其他技术也是可能的。其他扩频方式包括但不限于用于将信噪比(SNR)降低至DVB-S2X(DVB-S2卫星数字广播标准的扩展)和RCS2(用于卫星高层(Higher Layers for Satellite，HLS)通信)的扩频方式。
为了恢复原始数据信号S1，接收机调制解调器(例如，在HAP 200上)对所发送的被修改的信号S3进行解扩，即，将发送的被修改的信号S3与相同的PN序列S2相乘。如果使用不同的PN序列，那么接收端的调制解调器112、112g不能解扩或恢复原始数据信号S1。类似地，当DSSS调制解调器112、112g接收到被修改的信号S3时，DSSS调制解调器112、112g将接收到的被修改的信号S3与在发送端调制解调器处使用的PN序列S2相乘。换句话说，当DSSS调制解调器112、112g接收到信息信号S1时，它扩展信息信号S1，产生被修改的信号S3；并且当DSSS调制解调器112、112g接收到被修改的信号S3时，DSSS调制解调器112、112g对被修改的信号S3进行解扩，产生信息信号S1。当调制解调器112,112g扩展信息信号S1时，其能量被分布在多个频率/信道上，其中每个频率/信道具有该能量的一部分。DSSS调制解调器112、112g将信息信号S1的带宽BWS1扩展到更大的带宽BWSS，其中BWSS>>BWS1。SS信号频谱类似于白噪声。SS信号的幅度和功率与信息信号S1相同。
零均值白高斯噪声(WGN)对于所有频率具有相同的功率谱密度。使用“白”是因为白色光在电磁辐射可见带内包含等量的所有频率。伪随机噪声(PN)码序列像类似噪声但是确定性的载波一样起作用，该载波用于将信号的能量分布在带宽(例如，转发器312的带宽)上。由于代码的长度和类型设置了调制解调器112、112g的能力范围，所以选择好的PN代码S2是重要的。在一些示例中，PN码S2是1和0的伪噪声或伪随机序列。但是，PN码不是真正的随机序列，因为它是周期性的。随机信号不能被预测。因此，所发送的被修改的信号S3是安全的，由于其分布在转发器312的信道上而具有低功率，并且由于通信系统100正在使用现有设备110、200、300，其能够被发送到任何的全球终端。
除了扩展原始数据信号S1之外，数据处理装置220基于控制输入自适应地调整原始信号S1。图2A和2B示出了通信系统如何基于控制输入来调整其扩频。这些图示出了两个曲线图，其包括图2A中视轴(即，天线的最大增益的轴)的情形以及图2B中45度角扫描的情形。尽管两种情形都在20.5dBW的EIRP下操作，但图2A中的图示出了载波在视轴(即，天线的最大增益的轴在θ等于零处)并且占用800kHz，而图2B示出了载波占用超过1.4MHz(即，比图2A的图更多地扩展)以实现相同的有效EIRP。如图所示，来自卫星的链路22的包络功率函数30(也称为模板功率)不能超过联邦通信委员会(FCC，§25.227)所规定的。因此，数据处理硬件220调整其扩频技术(即，扩展序列S2(在图5A-6B中讨论))，以便调整后的发送信号S3保持在包络功率30内。如图2A中的曲线图所示，地面站110或HAP 200(即，相控阵天线117)直视卫星，即它们处于直接视线中，并且角度θ等于零。在这种情况下，信号带宽34a约为0.8MHz。然而，并且如图2B所示，当地面站110或HAP 200移动并到达例如约45度的θ角时，信号带宽34b增加到1.4MHz。当地面站110或HAP 200与卫星天线320成大于零的θ角(例如，θ约为45度)时,由于带宽34b的增加，数据处理硬件220调整扩频码S2，以比θ角更接近于零时更多地扩展信号32。
如前所述，卫星300可以是地球同步卫星，意味着卫星300每天返回到地球5上相同的位置，或可以是对地静止卫星，意味着从地球5上的观察者来看，卫星300好像处于天空中的固定位置。当地面站110与地球同步卫星通信时，地面站110的相控阵天线系统116、116g可以包括跟踪装置114、114g，用于跟踪在地面站的视野内的绕地球5运行的移动卫星300。跟踪装置114、114g可以是地面站110的相控阵天线系统116、116g的一部分或与相控阵天线系统116、116g相分离，其中相控阵天线系统116、116g被设计为与一个或多个卫星300通信。
在一些实施方式中，相控阵天线系统116、116g包括宽带有源相控阵天线117、117g和数据处理硬件118、118g。相控阵天线系统116、116g提供快速波束控制，波束控制是产生同时的波束并动态调整波束方向图的特性的能力。相控阵天线117、117g包括一组发送和/或接收无线电波的单独的天线。单独的天线以这样的方式连接在一起，即每个天线各自的电流具有特定的幅度和相位关系，从而允许单独的天线充当单个天线。供给相控阵天线的天线的各个信号的相对相位以这样的方式被设置，即阵列的有效辐射方向图案在期望的方向上被增强并且在不期望的方向上被抑制。单独的天线之间的相位关系可以是固定的(例如，塔式阵列天线)或可调整的(例如，波束控制天线)。在一些示例中，相控阵列天线117、117g包括设置在微带上的天线和连接到至少一个天线的移相器。此外，宽带有源相控阵天线117、117g允许显著超过信道的相干带宽的消息带宽的发送，即允许全球通信网络100低于热噪声水平进行发送。在一些示例中，有源相控阵天线117、117g在每个天线单元或单元组中将发射放大与相移相结合。
相控阵天线系统116、116g的数据处理硬件118、118g可以包括跟踪装置114、114g或可以与跟踪装置114、114g通信。相控阵天线系统116、116g的数据处理硬件118、118g被配置为识别用于与相控阵天线117、117g通信的目标HAP 200或卫星300(例如，与相控阵天线117、117g具有视线)，并且在目标HAP 200或卫星300与地面站110之间建立通信连接或链路22。此外，相控阵天线系统116、116g的数据处理硬件118、118g被配置为识别对于目标HAP200或卫星300与地面站110之间的通信数据可用的通信信道。此外，相控阵天线系统116、116g的数据处理硬件118、118g被配置为将修改后的通信信号(从调制解调器112、112g接收的)通过可用的通信信道或链路22，从相控阵天线117、117g发送到目标HAP 200或卫星300。修改后的通信信号S3以低于可用的通信信道的热噪声被传输。相控阵天线系统116、116g的数据处理硬件118、118g通过跟踪HAP 200或卫星300的全球位置，并且通过确定用于与相控阵天线117、117g通信的HAP 200或卫星300的集合和可用的通信信道，识别目标HAP 200或卫星300，并且从HAP 200或者卫星300的集合中选择目标HAP 200或者卫星300，可用的通信信道用于在从相控阵天线117、117g传输被修改的信号S3的通信时间，传输被修改的信号S3。可选择地，识别目标HAP 200或卫星300可以包括查询存储在存储器硬件中的数据源(未示出)，该存储器硬件与目标HAP200或者卫星300的数据处理硬件118、118g通信存储器硬件，目标HAP 200或者卫星300的数据处理硬件例如与相控阵天线117、117g具有或不具有视线以及具有或不具有可用的通信信道，该可用的通信信道用于在从相控阵天线S3传输被修改的通信S3的通信时间，传输被修改的信号S3。
参考图3A和图3B，在一些实施方式中，HAP 200、200a、200b包括接收/发送来自用户终端120的通信20的天线21。HAP 200、200a、200b还包括相控阵天线系统116、116a、116b和调制解调器112、112a、112b，类似于对于地面站110讨论的相控阵天线系统116g和调制解调器112g。相控阵天线系统116、116a、116b允许HAP200和卫星300之间的通信。因此，阵列天线系统116a、116b包括：跟踪装置114a、114b，相控阵天线117、117a、117b以及与地面站的数据处理硬件118g相同的数据处理硬件118、118a、118b。在一些示例中，并且如前所述，卫星300和/或HAP 200正在移动；因此，HAP 200的相控阵天线系统116、116a、116b需要跟踪一个或多个卫星300的位置，以保持HAP 200与卫星300之间的通信链路22。卫星300从地面站110或HAP 200的相控阵天线系统116、116a、116b、116g中的一个接收通信，并且将其发送回地面站110或HAP 200的相控阵天线系统116、116a、116b、116g中的另一个。HAP 200可以包括数据处理装置220，该数据处理装置220处理接收到的通信20(即，被修改的信号S3，或者从通信提供者或用户终端接收到的信号)，并确定通信20到达目的地终端120(例如，用户终端)的路径装置。处理装置220可以包括调制解调器112、112a。在一些实施方式中，地面上的用户终端120具有向/从HAP 200发送/接收通信信号的专用天线。从用户终端120接收通信20的HAP 200将通信20发送给一个或多个卫星300。HAP 200还包括用于接收和发送通信20至用户终端120的天线210。
图3A示出了示例飞行器200a，例如无人驾驶飞行器(UAV)。UAV，也称为无人机，是没有驾驶员的飞行器。有两种类型的UAV，自主飞行器和遥控飞行器。顾名思义，自主飞行器被设计为自主地飞行，而遥控飞行器则与引导飞行器的引航员进行通信。在一些示例中，飞行器200a可以同时为被遥控的和自主的。UAV通常包括保持稳定性的机翼、在其自主驾驶期间引导其的GPS系统、以及维持长时间飞行的动力源(例如，内燃机或电池)。在一些示例中，UAV被设计为最大化效率并减少飞行中的阻力。其他UAV设计也可以被使用。
图3B示出了示例通信气球200b，该通信气球200b包括气球204(例如，尺寸约宽49英尺以及高39英尺并且充满氦气或氢气)、设备箱206和太阳能电池板208。设备箱206包括数据处理装置220，该数据处理装置220执行算法以确定高空气球200a需要去哪里，然后每个高空气球200b移动到风层，该风层沿可带高空气球到其应该去的地方的方向吹。设备箱206还包括用于存储电力的电池和与其他装置(例如，其他HAP 200、卫星300、地面站110、用户终端120b、地面上的互联网天线等)通信的收发器(例如，天线210)。太阳能电池板208可以为设备箱206供电。
通信气球200b通常被释放到地球的平流层中以到达11至23英里之间的高度，并且以与地面无线数据服务(例如，3G或4G)相当的速度，为直径25英里的地面区域提供连接。通信气球200b漂浮在平流层中，处于两倍于飞机和气象的高度(例如，地球表面上方20公里)。高空气球200a绕地球5被风运送，并且可以通过上升或下降到具有沿期望方向移动的风的高度来转向。平流层中的风通常是稳定的，并且以大约5和20英里每小时的速度缓慢移动，并且每层风的方向和大小都不相同。
参考图4，卫星300是被置入围绕地球5的轨道302中的物体，并且可以用于不同目的，诸如军用或民用观测卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和科研卫星。卫星300的轨道302部分地取决于卫星300的用途。卫星轨道302可以根据它们离地球表面30的高度分为低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)和高地球轨道(HEO)。LEO是高度范围从0到1,240英里的地心轨道(即绕地球5运行)。MEO也是地心轨道，其高度范围从1,200英里到22,236英里。HEO也是地心轨道，并且具有22,236英里以上的高度。地球同步轨道(GEO)是HEO的特例。对地静止轨道(GSO，虽然有时也称为GEO)是地球同步轨道的特例。被置入GEO轨道中的卫星300可以相对于地球5上的某个位置“静止不动”。因此，地球5上观看GEO轨道中卫星300的人会觉察到卫星300是不移动的。因此，GEO轨道中的卫星300相对于地球5上的地点保持一个位置。因此，当卫星300移动时，与GEO轨道中的卫星300通信的地面站110的天线系统116不需要保持跟踪卫星300，它只需要指向在相对于地面站110静止的位置上的卫星300的方向。
在一些实施方式中，卫星300包括具有装备的卫星主体304，该装备包括例如类似于HAP 200的数据处理装置220的数据处理装置310。数据处理装置310执行算法以确定卫星300正在朝向哪里。卫星300还包括用于接收和发送通信20的天线320。卫星300包括安装在卫星主体304上用于向卫星300提供电力的太阳能电池板308。在一些示例中，卫星300包括当阳光没有到达并充电太阳能电池板308时，使用的可充电电池。
在一些示例中，每个卫星300的装备包括一个或多个转发器312。每个转发器312从地面站110接收通信20，处理、编码、放大信号并遍及地球5表面大区域地转播信号至一个或多个终端120。因此，转发器312是使用信号高功率放大链的信号处理单元。每个转发器312处理以特定频率为中心的特定频率范围(即，带宽或信道)。在一些示例中，每个卫星300包括至少一个转发器312(例如，60个转发器或更多，每个转发器312能够发送多达10个数字电视信号)，每个转发器312能够支持一个或多个通信信道。
转发器312可以用于广播电视信道。在一些示例中，在用户终端120处从转发器312接收的通信20被编码，以便只有用户终端120处的付费用户能够接收通信20。在一些示例中，一个或多个卫星服务提供者拥有转发器312并将转发器312的带宽或信道出租给通信服务提供者。通信服务提供者想要在地面站110向用户终端120发送通信20，或者在地面站110从用户终端120接收通信20。
在一些示例中，转发器312在一组上行频率上收集来自一个或多个地面站110的信号20，并且在不同的一组下行频率上将信号20重新发送到地球5上的接收机，而不改变信号20的内容。在一些示例中，转发器312由一组卫星设备定义，该组卫星设备定义一个单位的卫星容量，通常为24MHz或36MHz。因此，卫星300的每个转发器312提供在通信服务提供者(例如电视广播公司，或者虚拟网络运营商(VSAT)或政府组织)之间划分的有限带宽。通信服务提供者可以从卫星服务提供者租用一个或多个卫星300的一个或多个转发器312，以广播它们的通信20。由于每个卫星300上可用的转发器312的数量有限，因此租用转发器312可能是非常昂贵的。当构建一个全球通信网络时，要作出的最昂贵的考虑是带宽(即信道)。由于那样，服务可能非常昂贵，因为可能有有限数量的可被使用的信道或带宽。因此，允许通信服务提供者使用卫星300发送和接收通信20、同时维持从卫星服务提供者租用的带宽的低成本的通信网络100的构建，可能是合乎需求的。因此，在地面站110和HAP 200处使用直接扩频调制解调器112以降低成本、功率密度并且保护通信，同时通过卫星300和HAP 200从地面站110向用户终端120全球地或局部地发送信号20。
在一些实施方式中，卫星300包括跟踪、遥测、指挥和测距(TT&R)，其提供卫星300和例如地面站110或HAP的地面上的设施之间的连接。TT&R确保卫星300建立通信或链路22，以成功地接收/发送通信20。TT&R执行若干操作，包括但不限于通过以下方式监控卫星300的健康和状态：收集、处理来自一个源(例如，地面站110)的数据，并且将数据通过卫星300发送到目的地(例如，HAP 200)，或者反之亦然。另一操作包括通过通信20的接收、处理以及发送的方式，来确定卫星的精确位置。TT&R的又一个操作包括通过接收、处理和实施从地面站110发送的命令，来适当地控制卫星300。在一些示例中，地面操作员控制卫星300；然而，操作员的这种干预仅仅是最低限度的或者仅是在紧急情况下的，并且卫星300大部分是自主的。
在一些示例中，卫星300包括电池，以在卫星300的太阳能电池板208由于地球5、月球或任何其它物体而被遮挡不见太阳时，用于运行卫星300。在一些示例中，卫星300还包括反应控制系统(RCS)，该反应控制系统使用推进器来调整卫星300的高度和平移，确保卫星300停留在其轨道202中。RCS可以提供扭矩和一个或多个方向上的少量推力，以允许对卫星300的旋转(即，滚动、倾斜和偏转)的控制。
参考回图1A，在一些实施方式中，当使用HAP和卫星300构建全球规模通信网络100时，使用“弯管”架构。在图1A所示的弯管架构中，卫星300从地面站110接收通信20，并且在这种情形下通过HAP 200将其发送到用户终端120。另一示例是卫星300通过HAP 200从终端120接收通信20并将其发送到地面站110。卫星300接收通信20并将其发送到其目的地，类似于弯管起作用。在这种情形下，卫星300充当中继器，并且不发生卫星300到卫星300的通信，即，卫星300在将通信20发送到其目的地之前不将通信20传送给另一个卫星300。
参考回图1B，在一些实施方式中，有时期望通过将HAP 200链接到卫星300和/或将一个HAP 200链接到另一个来经由全球通信网络100在长距离上路由业务。例如，两个卫星300可以经由装置间链路进行通信，并且两个HAP 200可以经由装置间链路进行通信。装置间链路(IDL)消除或减少了HAP 200或卫星300地面站110跳数的数量，这减少了延迟并增加了总体网络能力。装置间链路允许来自覆盖特定区域的一个HAP 200或卫星300的通信业务无缝地切换到覆盖相同区域的另一HAP 200或卫星300，其中第一HAP 200或卫星300正在离开第一区域并且第二个HAP 200或卫星300正在进入该区域。这种装置间链接对于向远离地面站110和终端120的区域提供通信服务是有用的，并且还可以减少延迟并增强安全性(光纤电缆12可以被窃听并且通过电缆的数据可以被恢复)。因此，当使用IDL时，传输链中的第一装置(例如调制通信信号S1，即将其乘以序列S2)和传输链中的最后一个装置(例如，接收被修改的信号S3的HAP 200)在将通信数据S1发送到用户终端120之前，对被修改的信号S3进行解扩。
IDL模型的使用不同于“弯管”模型，在“弯管”模型中所有信号业务从源地面站110到卫星300，然后直接下行到例如用户终端120的目的地，或反之亦然。“弯管”模型不包括任何装置间通信。取而代之的是，卫星300充当中继器。在“弯管”模型的一些示例中，由卫星300接收的信号在其被重新发送之前被放大；然而，不会发生信号处理。在“弯管”模型的其他示例中，部分或所有信号可被处理和解码以允许路由到不同波束、纠错、或服务质量控制中的一个或多个；然而不会发生装置间通信。
在一些实施方式中，大规模通信星座100根据轨道202、302的数量以及每个轨道202、302的HAP 200或卫星300的数量来描述。相同轨道202、302内的HAP200或卫星300相对于它们的轨内HAP 200或卫星300邻居保持相同的位置。然而，HAP 200或卫星300相对于相邻轨道202、302中的邻居的位置可随时间变化。例如，在具有近极轨道的大规模卫星星座中，同一轨道202内的卫星300(其在给定的时间点大致对应于特定的纬度)相对于它们的轨内邻居(即，前向和后向卫星300)保持大致恒定的位置，但是它们相对于邻近轨道302中的邻居的位置随着时间而变化。类似的概念适用于HAP 200；然而，HAP 200沿着纬度平面围绕地球5移动并且对于相邻HAP 200保持大致恒定的位置。
在发送之前使用DSSS调制解调器112来扩展通信信号S1的优点之一是：地面站110或HAP 200不需要大的天线117，这导致了天线117的功耗的降低、天线117的尺寸的减小、地面站110和HAP 200的装备的重量的减小、以及更简化的地面站110和HAP 200机械设计。
如前所述，通信服提供者可以租用信道用于通过转发器发送信号。可用于租赁的带宽可以是36Mhz或24Mhz。然而，通信服务提供者可能仅需要相对较小的带宽来传输他/她的通信20(例如，10kbs)。在这种情况下，租用36Mhz或24Mhz可能非常昂贵，因为只需要10kbs，因此租用提供36Mhz或24Mhz的转发器312却仅使用可用带宽的一小部分是浪费的。在任何给定的时间，在卫星系统300上，并非所有的转发器312都正在被使用。对于每个转发器312，其可用信道的一小部分可能在给定时间被使用。此外，每个转发器312的信道的这种使用可以在任何给定时间改变。为了节省运营成本，系统允许信号在噪声范围内与其他信号一起被传输而不引起信号之间的干扰，该系统利用DSSS调制解调器112并以低于被使用信道的噪声水平传输、并且能够在必要时跳到未使用信道。
在这种情况下，通信服务提供者和卫星服务提供者可以商定通信服务提供者通过卫星上的转发器312发送噪声信号，而不用租用转发器312的整个带宽并且仅租用所需的带宽。这显著地降低了发送比转发器312的可用带宽相对较小的通信20的操作成本，而无需租用转发器312的整个带宽。此外，并且为了增加防止干扰的几率，相控天线系统116可以确定哪些信道是可用的，并且通过将噪声信号的中心移动到任何可用的未被使用信道，来将噪声信号跳频到可用信道，这进一步最小化了干扰。
用于确定通信20的路径的算法(例如，在数据处理装置220处)可以包括评分函数，用于向每个链路(地面站110、HAP 200和/或卫星300之间的通信)分配得分或者权值。这些分数在所使用的算法中被考虑。例如，算法可以尝试最小化路径的累积权重(即，组成路径的所有链路的权重的总和)。在一些实施方式中，系统数据处理器考虑：地面站110、HAP 200和/或卫星300之间的物理距离(以及紧密相关的延迟)，相较于地面站110，HAP 200和/或卫星300之间链路的容量的当前链路负载、地面站110、HAP 200和/或卫星300的健康状况或其操作状态(活跃或不活跃，其中活跃表示装置是运行且健康的，并且不活跃表示装置不运行)；地面站110、HAP200和/或卫星300的电池(例如，装置将有多长时间供电)；以及用户终端处的信号强度(用于用户终端至卫星链路)。
图5A-7示出了用于在源和目的地之间进行通信的操作的配置。图5A和5B示出作为地面站110的源和作为用户终端120的目的地，其中通信20从地面站110到卫星300到HAP200行进，并最终行进到用户终端120。图5A示出了HAP 200在卫星300的视轴内的情况(也参见图2A)，然而在图5B中，HAP 200从其在图5A中的位置移动并且与卫星300的视轴成θ角(也参见图2B)。因此，地面站110的数据处理装置220调整图5A中使用的自适应伪随机码S2a，并应用不同的自适应伪随机码S2b。如先前解释的那样，由于控制输入(如上所述)，自适应编码和扩频技术被应用。
图6A和6B示出了与图5A和5B相同的元素；但是，在图6A和6B中，通信20的源是用户终端120，其在到达目的地地面站110之前行进至HAP 200，然后是卫星300。图6A显示并且例举(类似于图5A)了HAP 200在卫星300的视轴内，然而在图6B中，HAP 200从其在图6A中的位置移动并且与卫星300的视轴成θ角。因此，HAP 200的数据处理装置220调整图6A中使用的自适应伪随机码S2c，并且应用不同的自适应伪随机码S2d。在一些示例中，图5A和6A以及5B和6B的通信20同时发生，因为地面站110和HAP 200都包括应用自适应伪随机码S2的调制解调器112和包括相控阵天线117和数据处理硬件118的天线系统116。在一些示例中，数据处理硬件118也指的是跟踪装置114或调制解调器112。自适应伪随机码S2可以被实施为前向纠错(FEC)编码、重复编码、跳频和/或自适应扩频。其他技术也是可能的。
图7示出了用于基于图1A-6B中描述的系统修改通信信号S1，以便从源或通信装置(例如，地面站110或HAP 200)向目标平台(例如，卫星300)传输的方法700。在方框702处，方法700包括由数据处理硬件220识别目标平台，目标平台用于与通信装置110、200通信。在方框704处，方法700包括在目标平台300和通信装置110、200之间建立通信连接(例如，链路22)。在方框706处，方法700还包括由数据处理硬件220识别可用的通信信道，该可用的通信信道用于在目标平台300和通信装置110、200之间传送数据(例如，通信20)。在块708处，方法700包括在数据处理硬件220处接收来自一个或多个传感器222的控制输入。在方框710处，方法700进一步包括由数据处理硬件220基于接收到的控制输入，确定伪随机噪声扩频码S2。在方框712处，方法700包括由数据处理硬件220通过将通信信号S1与伪随机噪声扩频码S2相乘来修改通信信号S1。在方框714处，方法700包括由数据处理硬件220通过可用的通信信道22，使修改后的通信信号S3从通信装置110、200向目标平台300传输。修改后的通信信号以低于可用的通信信道的热噪声被传输。
在一些实施方式中，控制输入包括以下至少一项：地理位置、与目标平台300相关联的天线增益-噪声温度比、与目标平台300相关联的等效全向辐射功率、与通信装置110、200相关联的天线指向角、目标平台300的接收信号强度指示符、或目标平台300与通信装置110、200之间的通信的信噪比。方法700还可以包括当至少一个控制输入被更新时，由数据处理硬件220调整伪随机噪声扩频码S2。
在一些示例中，方法700包括在数据处理硬件220处从与数据处理硬件220通信的全球定位装置接收通信装置110、200的全球定位信号，并且在数据处理硬件220处从目标平台300接收目标平台300的轨道位置。方法700还可以包括：由数据处理硬件220基于通信装置110、200的全球定位信号和目标平台300的轨道位置，确定相对于目标平台300并且与放置在通信装置上的天线相关联的天线指向角；并且由数据处理硬件220基于天线指向角来修改伪随机噪声扩频码S2。在修改通信信号之前，方法700可以包括由数据处理硬件220生成通信信号。在修改通信信号之前，方法700还可以包括在数据处理硬件220处接收通信信号。
在一些示例中，识别目标平台300包括：由数据处理硬件220跟踪目标平台的全球位置；由数据处理硬件220确定目标平台的集合和可用的通信信道，可用的通信信道用于在从通信装置110、200传输修改后的通信信号的通信时间，传输通信信号；以及由数据处理硬件220从目标平台的集合中选择目标平台300。识别目标平台300还可以包括：向存储在与数据处理硬件220通信的存储硬件中的数据源查询可用的通信信道和用于与通信装置110、200通信的目标平台300，可用的通信信道用于在从通信装置110、200传输修改后的通信信号的通信时间，传输通信信号。
通信装置110、200可以包括相控阵天线116。在目标平台300和通信装置110、200之间建立通信连接22包括操纵相控阵天线116的一个或多个阵列单元以移动相应的通信波束。地面站或源目标平台300可以包括数据处理硬件220。
图8是可用于实现本文中描述的系统和方法的示例计算装置800的示意图。计算装置800旨在表示各种形式的数字计算机，诸如膝上型计算机、台式计算机、工作站、个人数字助理、服务器、刀片服务器、大型机以及其他适当的计算机。这里示出的组件，它们的连接和关系以及它们的功能仅意味着示例性的，并不意味着限制本文中所描述和/或要求保护的发明的实现。
计算装置800包括处理器810、存储器820、存储装置830、连接到存储器820和高速扩展端口850的高速接口/控制器840、以及连接到低速总线870和存储装置830的低速接口/控制器860。组件810、820、830、840、850和860中的每一个使用各种总线互连，并且可以被安装在公共母板上或以其他方式适当地安装。处理器810可以处理用于在计算装置800内执行的指令，包括存储在存储器820中或存储装置830上的指令，以在例如耦合到高速接口840的显示器880的外部输入/输出装置上显示用于图形用户界面(GUI)的图形信息。在其他实施方式中，可适当地使用多个处理器和/或多个总线以及多个存储器和多种类型的存储器。而且，可以连接多个计算装置800，每个装置提供部分必要操作(例如，作为服务器阵列，一组刀片服务器或多处理器系统)。
存储器820非暂时性地在计算装置800内存储信息。存储器820可以是计算机可读介质、易失性存储单元或非易失性存储单元。非暂时性存储器820可以是用于临时或永久地存储程序(例如，指令序列)或数据(例如，程序状态信息)以供计算装置800使用的物理装置。非易失性存储器的示例包括但不限于闪速存储器和只读存储器(ROM)/可编程只读存储器(PROM)/可擦除可编程只读存储器(EPROM)/电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)(例如，通常用于固件，诸如启动程序)。易失性存储器的示例包括但不限于随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、相变存储器(PCM)以及磁盘或磁带。
存储装置830能够为计算装置800提供大容量存储。在一些实施方式中，存储装置830是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储装置830可以是软盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置、闪速存储器或其他类似的固态存储装置、或者装置阵列，包括在存储区域网络或其他配置中的装置。在另外的实施方式中，计算机程序产品被有形地具体在信息载体中。计算机程序产品包含当被执行时执行一种或多种方法的指令，例如上文描述的那些。信息载体是计算机或机器可读介质，诸如存储器820、存储装置830或处理器810上的存储器。
高速控制器840管理计算装置800的带宽密集型操作，而低速控制器860管理较低的带宽密集型操作。这种职责分配只是示范性的。在一些实施方式中，高速控制器840被耦合到存储器820、显示器880(例如，通过图形处理器或加速器)，并且耦合到高速扩展端口850，高速扩展端口850可以接受各种扩展卡(未示出)。在一些实施方式中，低速控制器860被耦合到存储装置830和低速扩展端口870。可以包括各种通信端口(例如，USB、蓝牙、以太网、无线以太网)的低速扩展端口870，可以耦合到诸如键盘、定点装置、扫描仪的一个或多个输入/输出装置，或例如通过网络适配器耦合到诸如交换机或路由器的联网装置。
如图所示，计算装置800可以以多种不同的形式来实现。例如，它可以被实现为标准服务器800a或在一组这样的服务器800a中被实现多次、被实现为膝上型计算机800b或被实现为机架服务器系统800c的一部分。
此处描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路、集成电路、专门设计的ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)、计算机硬件、固件、软件和/或上述的组合中实现。这些各种实施方式可以包括在一个或多个计算机程序中的实现，该计算机程序在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上可执行和/或可解释，该可编程处理器可以是专用或通用的，被耦合以从存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令，并且被耦合以向存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置发送数据和指令。
这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且可以以高级过程和/或面向对象的编程语言被实现，和/或以组装/机器语言被实现。如本文所使用的，术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、器件和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑器件(PLD)，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。
本说明书中描述的主题和功能操作的实施方式可以在数字电子电路中或者在计算机软件、固件或硬件中实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或者它们中一个或多个的组合。此外，本说明书中描述的主题可以被实现为一个或多个计算机程序产品，即计算机程序指令的一个或多个模块，该计算机程序指令在计算机可读介质上被编码，用于由数据处理装置执行或者用于控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基底、存储装置、影响机器可读传播信号的物质组合、或它们中一个或多个的组合。术语“数据处理装置”、“计算装置”和“计算处理器”涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或者它们中一个或多个的组合的代码。传播信号是人工生成的信号，例如，机器生成的电、光或电磁信号，其被生成以编码信息，用于传输至合适的接收器装置。
计算机程序(也称为应用程序、程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言被编写，包括编译或解释语言，并且其可以以任何形式被配置，包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序或适用于计算环境的其他单元。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以存储在：保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、专用于所讨论的程序的单个文件中、或者多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)。计算机程序可以被配置为在一台计算机或多台计算机上执行，该多台计算机位于一个站点或跨多个站点分布并通过通信网络互连。
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通过操作输入数据并生成输出来执行功能。过程和逻辑流程还可以由例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)或专门设计用于承受太空高辐射环境(称为“抗辐射加固”或“抗辐射”)的ASIC的专用逻辑电路执行，并且装置也可以实现为例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)或专门设计用于承受太空高辐射环境(称为“抗辐射加固”或“抗辐射”)的ASIC的专用逻辑电路。
举例来说，适用于计算机程序执行的处理器包括通用和专用微处理器、以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储装置。通常，计算机还将包括一个或多个用于存储数据的例如磁盘、磁光盘或光盘的大容量存储装置，或者计算机被可操作地耦合以从一个或多个用于存储数据的例如磁盘、磁光盘或光盘的大容量存储装置接收数据，或将数据发送到一个或多个用于存储数据的例如磁盘、磁光盘或光盘的大容量存储装置，或既接收数据又发送数据。但是，计算机不是必需具有这种装置。此外，可以将计算机嵌入另一装置中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频播放器、全球定位系统(GPS)接收器等等。适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储装置，例如包括：半导体存储装置，例如EPROM、EEPROM和闪速存储装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。
本公开的一个或多个方面可以在计算系统中实现，该计算系统包括例如作为数据服务器的后端组件，或包括例如应用服务器的中间件组件，或包括前端组件，或包括一个或多个这样的后端、中间件或前端组件的任何组合，该前端组件例如是具有用户可以通过其与本说明书中描述的主题的实现进行交互的图形用户界面或Web浏览器的客户端计算机。系统的组件可以通过数字数据通信的任何形式或介质互连，例如通信网络。通信网络的例子包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)、网间网络(例如因特网)、以及对等网络(例如，点对点对等网络)。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系通过运行在各个计算机上并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序产生。在一些实施方式中，服务器将数据(例如，HTML页面)发送到客户端装置(例如，用于向与客户端装置交互的用户显示数据和从与客户端装置交互的用户接收用户输入的目的)。可以在服务器处从客户端装置接收在客户端装置处生成的数据(例如，用户交互的结果)。
虽然本说明书包含许多细节，但这些细节不应被解释为对本公开的范围或能够要求保护的范围的限制，而是作为对特定于本公开的特定实施方式的特征的描述。在本说明书单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中被组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中分开实现或以任何合适的子组合实现。此外，尽管上文可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初是如此主张的，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变化。
类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示出的特定顺序或按顺序执行这样的操作，或者要执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应当被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应该理解的是所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。
许多实施方式已经被描述。然而，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其他实施方式在以下权利要求的范围内。例如，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。

Claims (20)

1.一种方法(700)，其特征在于，包含：
由数据处理硬件(220)识别目标平台(300)，所述目标平台(300)用于与通信装置(110、200)通信；
建立所述目标平台(300)和所述通信装置(110、200)之间的通信连接(22)；
由所述数据处理硬件(220)识别可用的通信信道(22)，所述可用的通信信道(22)用于在所述目标平台(300)和所述通信装置(110、200)之间传送数据；
在所述数据处理硬件(220)处从一个或多个传感器(222)接收控制输入；
由所述数据处理硬件(220)基于接收的所述控制输入确定伪随机噪声扩频码(S2)；
由所述数据处理硬件(220)通过将通信信号(S1)与所述伪随机噪声扩频码(S2)相乘来修改所述通信信号(S1)；以及
由所述数据处理硬件(220)通过所述可用的通信信道(22)，使得修改后的通信信号(S3)从所述通信装置(110、200)向所述目标平台(300)传输，所述修改后的通信信号(S3)以低于所述可用的通信信道(22)的热噪声被传输。
2.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，所述控制输入包括以下至少一项：地理位置、与所述目标平台(300)相关联的天线增益-噪声温度比、与所述目标平台(300)相关联的等效全向辐射功率、与所述通信装置(110、200)相关联的天线指向角、所述目标平台(300)的接收信号强度指示符、或所述目标平台(300)与所述通信(20)装置(110、200)之间的通信(20)的信噪比。
3.根据权利要求2所述的方法(700)，其特征在于，进一步包含：当所述控制输入中的至少一个被更新时，由所述数据处理硬件(220)调整所述伪随机噪声扩频码(S2)。
4.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，进一步包含：
在所述数据处理硬件(220)处从与所述数据处理硬件(220)通信的全球定位装置接收所述通信装置(110、200)的全球定位信号；
在所述数据处理硬件220处从所述目标平台(300)接收所述目标平台(300)的轨道位置；
由所述数据处理硬件(220)基于所述通信装置(110、200)的所述全球定位信号和所述目标平台(300)的所述轨道位置，确定相对于所述目标平台(300)并且与放置在所述通信装置(110、200)上的天线(117、210、320)相关联的天线指向角；以及
由所述数据处理硬件(220)基于所述天线指向角来修改所述伪随机噪声扩频码(S2)。
5.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，进一步包含：在修改所述通信信号(S1)之前，由所述数据处理硬件(220)生成所述通信信号(S1)。
6.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，进一步包含：在修改所述通信信号(S1)之前，在所述数据处理硬件(220)处接收所述通信信号(S1)。
7.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，识别所述目标平台(300)包含：
由所述数据处理硬件(220)跟踪所述目标平台(300)的全球位置；
由所述数据处理硬件(220)确定所述目标平台(300)的集合和所述可用的通信信道(22)，所述可用的通信信道(22)用于在从所述通信装置(110、200)传输所述修改后的通信信号(S3)的通信时间，传输所述通信信号(S1)；以及
由所述数据处理硬件(220)从所述目标平台(300)的集合中选择所述目标平台(300)。
8.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，识别所述目标平台(300)包含：
向存储在与所述数据处理硬件(220)通信(20)的存储器硬件中的数据源查询用于与所述通信(20)装置(110、200)通信(20)的高空平台和所述可用的通信信道(22)，所述可用的通信信道(22)用于在从所述通信装置(110、200)传输所述修改后的通信信号(S3)的通信时间，传输所述通信信号(S1)。
9.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，所述通信装置(110、200)包含相控阵天线(117)，并且其中建立所述目标平台(300)和所述通信装置(110、200)之间的所述通信连接(22)包含操纵所述相控阵天线(117)的一个或多个阵列单元以移动相应的通信波束。
10.根据权利要求1所述的方法(700)，其特征在于，地面站(110)或者源高空平台包含所述数据处理硬件(220)。
11.一种通信系统(100)，其特征在于，包含：
信号扩展装置，所述信号扩展装置被配置为：
接收通信信号(S1)；
从一个或多个传感装置接收一个或多个控制输入；
基于所述一个或多个控制输入确定伪随机噪声扩频码(S2)；以及
通过将所述通信信号(S1)与所述伪随机噪声扩频码(S2)相乘来修改所述通信信号(S1)；
相控阵天线系统(116、166g)，所述相控阵天线系统(116、166g)与所述信号扩展装置通信(20)，所述相控阵天线系统(116、166g)包含：
相控阵天线(117)；以及
数据处理硬件(220)，所述数据处理硬件(220)被配置为执行包含以下的操作：
识别目标平台(300)，所述目标平台(300)用于与所述相控阵天线(117)通信；
建立所述目标平台(300)和所述通信系统(100)之间的通信连接(22)；
识别可用的通信信道(22)，所述可用的通信信道(22)用于在所述目标平台(300)和所述通信系统(100)之间传送数据；以及
将修改后的通信信号(S1)通过所述可用的通信信道(22)从所述相控阵天线(117)发送到所述目标平台(300)，所述修改后的通信信号(S3)以低于所述可用的通信信道(22)的热噪声被传输。
12.根据权利要求11所述的通信系统(100)，其特征在于，所述控制输入包括以下至少一项：地理位置、与所述目标平台(300)相关联的天线增益-噪声温度比、与所述目标平台(300)相关联的等效全向辐射功率、与所述通信装置(110、200)相关联的天线指向角、所述目标平台(300)的接收信号强度指示符、或所述目标平台(300)与所述通信装置(110、200)之间的通信(20)的信噪比。
13.根据权利要求12所述的通信系统(100)，其特征在于，所述操作进一步包含：当所述控制输入中的至少一个被更新时，调整所述伪随机噪声扩频码(S2)。
14.根据权利要求12所述的通信系统(100)，其特征在于，所述操作进一步包含：
从与所述数据处理硬件(220)通信(20)的全球定位装置接收所述通信装置(110、200)的全球定位信号；
从所述目标平台(300)接收所述目标平台(300)的轨道位置；
基于所述通信装置(110、200)的所述全球定位信号和所述目标平台(300)的所述轨道位置，确定相对于所述目标平台(300)并且与放置在所述通信装置(110、200)上的天线相关联的天线指向角；以及
基于所述天线指向角来修改所述伪随机噪声扩频码(S2)。
15.根据权利要求11所述的通信系统(100)，其特征在于，所述操作进一步包含：在修改所述通信信号(S1)之前，生成所述通信信号(S1)。
16.根据权利要求11所述的通信系统(100)，其特征在于，所述操作进一步包含：在修改所述通信信号(S1)之前，接收所述通信信号(S1)。
17.根据权利要求11所述的通信系统(100)，其特征在于，识别所述目标平台(300)包含：
跟踪所述目标平台(300)的全球位置；
确定所述目标平台(300)的集合和所述可用的通信信道(22)，所述可用的通信信道(22)用于在从所述相控阵天线(117)传输所述修改后的通信信号(S3)的通信时间，传输所述通信信号(S1)；以及
从所述目标平台(300)的集合中选择所述目标平台(300)。
18.根据权利要求11所述的通信系统(100)，其特征在于，识别所述目标平台(300)包含：向存储在与所述数据处理硬件(220)通信(20)的存储器硬件中的数据源查询用于与所述相控阵天线(117)通信(20)的所述目标平台(300)和所述可用的通信信道(22)，所述可用的通信信道(22)用于在从所述相控阵天线(117)传输所述修改后的通信信号(S3)的通信时间，传输所述通信信号(S1)。
19.根据权利要求11所述的通信系统(100)，其特征在于，所述相控阵天线(117)被配置在地面站(110)或者源目标平台(300)上并且包含：
被配置在微带上的天线(117)；以及
连接到所述天线(117)中的至少一个的移相器。
20.根据权利要求11所述的通信系统(100)，其特征在于，建立所述目标平台(300)和所述相控阵天线(117)之间的所述通信连接(22)包含：操纵所述相控阵天线(117)的一个或多个阵列单元以移动相应的通信波束。
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