CN109644044A - 使用节点的无线电系统 - Google Patents

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Abstract

一种无线电通信通路，该无线电通信通路使得能够经由多个绕轨道随机运行的不具有主动姿态控制的旋转卫星中的一个从源地面站传送至目标地面站。地面站和卫星包括用于在多个方向上接收无线电信号并且发射无线电信号的指向性天线。卫星储存发射初始信息信号的目标地面站的地址以及识别接收初始信息信号的卫星天线的天线信息。多个卫星天线将识别卫星的链接信息发射至源地面站。在源地面站处被接收的指定特定目标的数据传输由源地面站使用接收链接信息所在的天线而被发射，并且卫星使用由储存的天线信息识别的卫星天线将该数据传输再发射。

Description

使用节点的无线电系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月25日提交的美国临时申请no.62/379,601以及于2016年9月18日提交的美国临时申请no.62/396,181的权益，其两者的整体内容通过引用结合在本文中。
发明背景
技术领域
本发明涉及使用在随机轨道中的与地面站通信的卫星的无线电网格系统，该地面站包括用于蜂窝电话通信和英特网连接的陆基接收器和发射器，并且本发明更特别地涉及使用被随机或拟随机地部署在近地轨道中的一个或多个非制导式或基本上非制导式卫星在地面站之间自动建立无线电通路(路由)的系统和方法。
背景技术
与本公开内容相关的蜂窝电话的某些方面的简要历史在美国专利No.5,793,842中提出，该专利署名为发明人Jerry R.Schloemer，其也是本发明人。一个在今天仍然使用的早期系统架构涉及有限数量的塔安装式收发器(“落点(drop)”)以及多个移动无线电设备(“蜂窝电话”)。在这些早期系统中以及仍然在今天的一些情况下，中央计算机控制连接至塔的陆地线与移动无线电设备之间的通信。实现该系统架构需要基础设施和计算功率中的显著的投资，尤其是随着增加的人口和蜂窝电话必需的技术能力增加了系统容量和精细度。可替代的系统架构涉及使用安装在现有结构诸如建筑物和电话线杆上的无线电收发器(“节点”)。这些架构使用下述节点：该节点能够沿着节点之间的无线电通路将信号往来于移动电话进行接收和发射至位于被选择的节点处的落点。这被称为网格网络，一个早期的实施例是在Cox,Donald C.,“Wireless Network Access for Personal Communications(用于个人通信的无线网络访问),”IEEE Communications Magazine(1992年12月),pp 96-115中所公开的系统。
在实现网格系统中的特定挑战是如何确定用于相互连接节点的最可用的无线电通路。一般地，早期网格系统仍然需要中央计算机以做出通路确定，其添加了系统复杂性和成本。其他方法，诸如在Weddle等人的美国专利No.4,937,822中所描述的方法，涉及其中自动建立通路的网格系统，即在没有中央计算机的情况下。然而，Weddle公开了仅在网格中的这种系统，在该网格中，节点被安排在规则的矩形栅格中，并且无线电通路链接仅可以处在彼此正交相邻的节点之间(即，不允许节点之间的对角线式链接)。这种系统的缺点对于本领域技术人员将是立即明显的，如果不是因为在现实世界设置中的其他原因，如果不是不可能的，那么跨越足够宽的区域将节点分布在严格正交的非均匀间隔的矩形栅格中以使得该系统可行也将是非常困难的。此外，Weddle没有详细公开节点通过其将实际创建优选无线电通路的任何算法。
不同于该背景，本发明人的美国专利No.5,793,842公开了通过节点网格创建无线电通路的系统和方法，该节点不限制在其放置位置中并且不需要中央计算机。下文中与本发明有关被进一步详细描述的系统和方法利用了在美国专利No.5,793,842中所描述的技术，其与无线电通路通过多个随机置位的节点的创建以及使用这些通路的通信发射有关。为了避免在此提出这些类型的系统和方法的细节的必要性，美国专利No.5,793,842中与通路创建、以及使用通路并因此被创建的数字和模拟信号发射有关的公开内容通过如被全部提出地引用结合在本文中。
本发明人在其之后的美国专利No.6,459,899中改进了该技术，该专利除其他之外描述了一种使用具有指向性天线的节点以改进之前的系统的通路创建和通信传输能力的系统。该改进解决了所呈现的复杂性问，题通过使用在专利’842中描述的系统和方法中具有指向性天线节点，并且因此利用了使用指向性天线可以实现的较高质量的无线电链接。本发明还使用了专利’899中公开的技术，并且其对通路创建的描述通过引用结合在本文中。
在本发明人的通过具有随机分布的节点并且没有中央计算机的无线电网格网络创建通路的方法之前，其他人提出了使用用于基于地球的源和目标落点之间的呼叫传输的卫星来提供全世界蜂窝覆盖范围的方式。被实际上商业化的卫星系统的示例公开在各种专利中，诸如Schwendeman的美国专利No.5,274,840和Bertiger等人的美国专利No.5,410,728，该两个专利都属于摩托罗拉公司。该系统将在预确定数量的极轨道中均匀分布的卫星作为用于卫星之间以及卫星与地面收发器之间的信号的收发器。使用足够数量的卫星以提供整个地球的覆盖范围。然而，在实践中，通过铱被商业化的该系统具有许多缺点。一个缺点在于每一个卫星需要机载推进器、火箭燃料和导航硬件以保持其期望的轨道。这增加了卫星大小和重量，其增加了发射成本并且增加了卫星本身的成本。而且，为了考虑不可避免的卫星故障，额外的卫星将必须被调遣到故障卫星轨道中，这样，需要额外的卫星及其伴随而来的高的制造和发射成本而增加了整个系统的成本。例如，参见“Iridium SatelliteConstellation(铱卫星星群),”Wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/Iridium(最近访问2017年5月9日)。使用复杂计算机技术的陆基轨道和姿态控制还增加了系统成本。最后，尽管相信已经发现在特殊领域诸如军事应用以及由记者从遥远区域进行报道中的使用，但是其缺点使得该系统对于大众市场应用在商业上不可行。
除了保持每一个铱卫星处在相对于地球和其他卫星的特定轨道位置，每一个卫星的姿态还必须被保持在一定的公差内，使得其天线将被定向用于有效的卫星-卫星和卫星-地面无线电通信。提供姿态控制的一种方式是使用机载推进器，其呈现了已经被讨论的缺点。各种基于机械的惯性姿态控制系统已经被提出，诸如在美国专利No.3,017,777和No.8,164,294以及在Chabot,J.A.,“A Spherical Magnetic Dipole Actuator for SpacecraftAttitude Control(用于航天器姿态控制的球形磁偶极致动器)”Thesis for M.S.inAerospace Engrg.Sciences,Univ.of Colorado,2015中所描述的那些。然而，相信，这些类型的系统不会比基于火箭的姿态控制表现得更好，尽管它们的机械复杂性和机载控制系统将排除与基于火箭的姿态控制相比显著的重量节省。
本发明人在其美国专利No.5,566,354中公开了在摩托罗拉铱方法上改进的一种卫星蜂窝电话系统。本发明人的改进方法允许卫星占据随机轨道。这消除了依赖于每一个处在相对于其他卫星的已知位置的卫星的卫星系统的轨道控制部件，诸如摩托罗拉铱系统或在美国专利No.5,303,286中所公开的无线电话/卫星系统。然而，在专利’354中描述的随机轨道系统具有某些缺点，其中之一是卫星仍然需要姿态控制以确保卫星天线指向正确的方向。或者，如下文进一步详细讨论的，其具有真实网格系统的优势，如在本说明书中所使用的该术语那样。
除了蜂窝电话使用近年在世界的迅速传播，通过计算机和智能手机访问英特网已经成为了商务和个体等的必需。在无法访问基于英特网的资源诸如邮件、电子银行、投资/搜索服务以及其他许多的情况下难以有效地从事商务或管理个人事务。此外，社交媒体供应商如Facebook和Twitter可以仅存在于提供英特网访问的世界区域中。基于卫星的系统呈现了使得英特网和蜂窝电话服务在没有利用塔覆盖的国家或没有安装跨越广大区域的陆基无线电网格节点的情况下在遥远区域可用的理想方式。然而，已知的卫星系统经受了各种缺点，其中一些在下文中讨论，并且至今没有卫星系统被成功地商业化。事实上，低成本卫星系统将具有完全取代塔基系统和陆基网格系统的潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括多个卫星的无线电通信系统，该多个卫星能够在绕轨道运行的卫星之间以及在卫星与陆基站之间建立无线电链接，而不需要卫星被保持在预确定的轨道中或在相对于彼此或地球的预确定的姿态中。在优选的实施方式中，存在足够数量的卫星以提供卫星网格，该卫星网格确保了地球表面上的任意地点几乎一定将始终处在至少一个卫星的视野内。一个具体的实施方式运用了至少200个卫星。
本发明的一个方面部分地在于在每一个这种卫星中合并了能够在所有方向上发射和接收的多个天线。当从一个卫星中的天线被发射的无线电波束被另一个卫星中的天线接收时，可以创建无线电链接。这在本文中有时被称为“波束匹配”。本发明人认识到，使用独特的天线布置和来自卫星和地面站的独特编码的无线电发射，以及将两者视为网格中的节点，将使得能够通过经由一个或多个卫星来组装无线电链接而在地面站之间建立无线电通路。引导至本发明的该方面的一种洞悉在于，卫星的姿态和相对位置的改变与每一个卫星中的机载计算机计算无线电通路所花费的时间相比足够缓慢。因此，一旦无线电通路被创建，则地面站之间经由一个或多个卫星的通信(“呼叫”)在正常情况下不被扰乱，或者在现有通路随着卫星移动或滚转而被扰乱的事件中，新的无线电通路可以在呼叫正在进行中的同时利用相同或不同的卫星“在飞行中”建立。如在随后的描述中所使用的，除非另有明确指示或通过上下文的指示，“呼叫”是通过卫星之间或卫星与地面站之间的无线电通路的内容的通信(数字或其他)。尽管不这样限制，但是本文中描述的系统特别良好地适合于包中的数据的传输，在此在一般被接受的意义上被定义为数字数据的集合，具有代表传输内容的部分(有时被称为“有效载荷”)、以及控制部分(有时被称为“头部”或“尾部”)，该控制部分包含有使得有效载荷能够被成功递送的信息，诸如源和目标地址、错误检测码以及序列信息。
在其更一般的方面之一，本发明使用了具有机载计算机的独特的卫星构造，该机载计算机可以实行计算并选择天线，以实际上实时地随着卫星在没有姿态控制的情况下在不受控的轨道中移动而经由一个或多个卫星在地面站之间创建无线电通路。无线电通路通过由卫星中的计算机执行的算法被确定，使得不需要中央计算机来指定哪一个卫星或哪些卫星将包括地面站之间最佳的无线电通路。
本发明的一个实施方式使用了所公开的卫星网格以创建最佳的无线电通路，该最佳的无线电通路包括提供两个陆基收发器之间的无线电通路的单个卫星。本文中描述的独特的卫星设计使得能够保持单卫星通路，即使在没有姿态控制的情况下或者如果条件改变的情况下卫星滚转，使得在陆基收发器视野内的另一个卫星将提供更好的无线电通路，因为第一个卫星出于某种原因而漂移出范围或者变得不起作用。
本文中公开的系统的特别优势在于，在优选的实施方式中，其通过利用轻质、电池供电的卫星覆盖地球而提供了以上特征和下文更详细描述的那些特征，该卫星减少了发射成本并且消除了用于将卫星保持在特定轨道中以及特定姿态中的复杂且昂贵的控制系统的必要性。本发明的另一个方面使用了具有不同于卫星中所使用的天线布置的地面站，因为卫星重量、大小和功率的限制不适用于地面站。这意味着地面站可以具有更大的天线密度(给定球形区域上的更多的天线波束)并且可以使用具有更大功率(增益)的天线，这样，实际上确保了在任意两个地面站之间进行数据通信将是可能的。
本发明的另一个实施方式提高了卫星通过使用围绕轴线回旋或旋转的卫星在卫星之间以及在卫星与地面站之间建立无线电链接的能力。这增加了在两个卫星之间创建波束匹配的几率，因为每一个卫星很可能在给定的时间段内“看见”在其他卫星上的更多天线。这使得能够使用具有对应的较窄波束宽度的较高增益的天线，这样增加了无线电链接的强度和呼叫传输的可靠性。通常，卫星被部署成具有预确定的角速度，该角速度对于不同的卫星可以是不同的。在本实施方式的一个变型中，系统包括在相反方向上旋转的卫星。用于实现该实施方式的另外的考量在之后的详细描述中讨论。
随着本描述进行，本发明的这些和其他的方面和特征及其实施方式将被详细覆盖。
提供该总结仅以简化形式引入下文中进一步详细描述的概念的选择。其不一定意在识别本文中要求保护的对象的关键或本质的特征，其也不意在用于帮助确定要求保护的主题的范围。
附图说明
从下文跟随的本发明优选实施方式的详细描述，连同所附附图，更好地理解本发明的目的，在附图中，相同的数字和字母始终指代相同特征。以下是在所附详细描述中使用的附图的简要识别。
图1，包括图1A和图1B，示意性地描绘了公开在本发明人的美国专利No.5,793,842和No.6,459,899中的无线电网格概念。
图2，包括图2A和图2B，例示了本文中公开和要求保护的空基无线电系统潜在的某些几何原理。
图3示意性地描绘了适合于在本文中公开和要求保护的空基无线电系统中使用的卫星的实施方式。
图4是图3中描绘的卫星的各种操作部件的代表。
图5例示了使用单个卫星用于在两个地面站之间创建无线电通路的过程的实施方式。
图6例示了如本文中所描述的使用单个卫星的卫星无线电网格系统如何可以用于在指定地理区域诸如国家埃及内提供无线电通路。
图7例示了地球表面两个点分开的距离与以相应的点为中心的两个交叉圆的重叠区域之间的关系。
图8，包括图8A、图8B和图8C，示意性地描绘了根据使用随机轨道中的卫星的系统的可替代实施方式的旋转卫星。
本领域技术人员将容易地理解，附图不严格地按比例，然而将发现，当与随后的优选实施方式的详细描述一起提出时，附图足以做出和使用本发明。
具体实施方式
随后的详细描述旨在提供例示实现要求保护的主题的各种方式的特别实施方式的具体实施例。其考虑要求保护的主题从属的领域的普通技术人员的知识水平而被写出。因此，可以省略某些细节，因为对于使得这种人员能够明白本文中所描述的实施方式来说是不必要的。也将理解，指示方向或定向的术语可以被使用以便于描述。这种术语的使用不暗示要求保护的主题限制于所描述的结构的特定定向。
I.无线电网格概念和原理
本文中描述的系统建立在多个收发器(“节点”)的使用的某些根本原理上，其可以使用一个或多个收发器用于形成用于无线电通路中的链接的端点。贯穿本文的描述，术语“无线电”、“无线电信号”等不限制于提及通常被称为无线电波的频率中的电磁辐射。其意味着涵盖能够发射信息的任何频率的电磁辐射，包括光、微波、VHF(“甚高频”)、UHF(“超高频”)等。该部分中的讨论描述了有时被称为网格系统的现有技术布置的某些相关特征，以及代表由本文中描述的独特装置、系统和方法实现的已知网格技术上的重大进展的一些基本概念。
A.现有技术网格和卫星无线电通信系统
现有陆基无线电网格系统，诸如在本发明人的美国专利No.5,793,842和No.6,459,899中描述的那些系统，已经被证明在通过多个节点建立用于数字和模拟通信信号的无线电通路中是非常有效的。它们能够在允许节点被放置在方便的位置而不是以预确定的模式被放置的网格系统中建立高质量无线电链接。图1A和图1B例示了这种陆基无线电网格。在该简化的实施例中，通信信号CS可以在源节点A与附近的移动无线电设备(未示出)之间发射，该移动无线电设备诸如苹果公司的或三星电子有限公司的所谓的智能手机。那些信号又必须被通信至“落点”诸如节点B，其可以是例如连接至陆上线路的英特网路由器或电话网络。如果节点A和B因为它们之间的障碍物诸如大山LH(图1A)的存在而没有处于视线接触，那么如果真的可能建立链接的话，则直接无线电链接L可能经受信号强度中的剧烈减少。
如上所述，在美国专利No.5,793,842和No.6,459,899中描述的那些网格系统之前提出的许多网格系统使用中央计算机以控制源节点与落点之间的通路。然而，这些专利公开了运用算法的系统，使得节点自身能够在需要多少就有多少的中间节点之间建立优选的通路，以优化源节点与目标节点之间的通信。例如，图1A示出了一系统，在该系统中，节点自身中的软件和固件建立围绕山LH的优选通路，该优选通路包括节点A与在第一座高山H1顶部上的节点X之间的无线电链接L1。即使节点A与X之间的链接L1实际上在远离目标节点B的方向上引导，节点也使用该链接。驻留在单独节点中的算法然后建立与在第二座山H2顶部上的另一个节点Y的无线电链接L2，并且从那里至目标节点B。在该优选通路中，网格中可以是另外两个节点(未示出)之间的无线电通路的一部分的节点Z被绕开，因为节点X、Y和Z自主确定优选通路通过节点X和Y。
该系统的重要特征之一是，节点自身也可以创建不同的优选通路，比如说，如果在放置节点之后条件改变，则在节点X和Y之间通过节点Z使用链接L4和L5。图1B示出了如果在节点A与B之间不存在清晰的视线，则节点自身如何可以在它们之间创建不同的通路。在该实施例中，视线被直接建造在节点X与Y之间的建筑物BL中断。另一个实施例是树木，该树木在冬季期间因为其没有树叶而允许无线电信号在节点X与Y之间穿过，但是该树木在夏季当树叶长出时干扰无线电链接。在这种情况下，在美国专利No.5,793,842和No.6,459,899中描述的系统使得节点A、B、X、Y和Z能够使用新的无线电链接L4和L5在节点X、Y和Z之间自动地创建新的优选无线电通路。
这样，这些专利描述了使用能够本质上随机分布的节点网格的系统，其中，节点自身使用节点中的机载计算能力来分析通过节点被交换的无线电信号以在目标与落点之间建立优选的无线电通路。这消除了需要中央计算机以与节点通信，并使用由节点从网格中的多个其他节点收集到的数据确定最佳通路或优选通路。通常来说，放置节点的唯一限制在于，具有三个或更多个节点的通路中的中间节点应当处于至少两个其他节点的视野内。这允许系统覆盖宽阔的区域，并且尽管该系统可能需要大量的节点来做到此事，但是只要节点可以“看见”彼此，该系统就将能够自主建立优选的无线电通路。
然而，包括位置固定的陆基接收与发射节点的无线电网格系统背后的一般概念如何可以适应其中节点是绕地球运行的卫星的系统是不明显的。在美国专利No.5,274,840和No.5,410,728中所公开的摩托罗拉铱系统或多或少是其中节点在特别位置处的陆基系统的模拟。即，该系统需要卫星保持预确定的轨道并具有机载姿态控制以保持卫星天线指向正确方向，并且该系统依赖于当它们从一个地面站接收多个传输并将其再发射至另一个地面站时知晓卫星的位置。虽然该方法在技术上可行，但是相信已经从商业的立场证明是不切实际的，因为实现该方法太昂贵，尽管如上面所看到的，其在某些专门应用中仍然具有实用性。此外，该方法使用了中央计算机以在卫星之间建立无线电通路。
本发明人的美国专利No.5,566,354公开了一种使用随机轨道卫星的系统，但是如上面所看到的，其实际上不是如本文中所使用的该术语那样的网格系统。例如，专利’354中的系统在陆基移动单元之间建立通信信道——这是通过使源单元将页面发送至目标单元来确定卫星是否可用于该目的——并且然后简单地通过该卫星在两个单元之间发射通信信号。该系统没有本文中所描述的网格系统的许多突出特征，诸如使用通过多个节点发射和接收的信号的质量来创建优选的无线电通路。此外，卫星仍然需要昂贵的机载姿态控制硬件，诸如用于它们的定位推进器和火箭燃料，该定位推进器和该火箭燃料添加了额外的重量并且因此增加了将卫星送入轨道的成本。在另一方面，本系统使用了持续更新节点(卫星和地面站)中的天线的卫星，以使得能够做出关于节点处的天线将在节点之间提供最高质量无线电链接的选择，无论该节点是卫星还是地面站。此外，专利’354没有公开如何在绕轨道随机运行的卫星之间提供卫星对卫星通信。并且尽管摩托罗拉铱系统支持卫星对卫星通信，但是其卫星必须同时保持预布置的轨道和固定的姿态。
B.本文中描述的独特卫星无线电网格系统的原理
在本系统中所使用的卫星无线电网格支持下述无线电通路：其中，在两个地面站之间的优选通路包括多于一个的卫星并且具有一个或多个卫星对卫星无线电链接。本系统还支持包括与两个地面站通信的单个卫星的无线电通路。在两个实施方式中，下文进一步描述的大量独特的卫星被发射到轨道中。选择卫星的数量以提供下述高几率：在任意给定时刻，地球表面上的点将处于一定数量的卫星的视线内。例如，美国专利No.5,566,354估计，如果200个卫星被随机放置在500英里的轨道高度处，那么地球上的一给定点随着时间的推移平均将“看见”大约12个卫星，或者以另一种方式来说，地球上的一给定地点不处于至少一个卫星的视线中的可能性为仅1,000,000分之四。
图2A和图2B图示地例示了该原理。从位于500英里的高度AL处的卫星S到地平线EH的近似距离DH可以根据公式DH＝[(R+500)2-R2]1/2进行计算，其中，R是地球E的半径。取决于对R所选择的值，DH为大约2000英里。这样，卫星的覆盖面积AR为π×DH2≈12,500,000平方英里。将地球表面积取为197百万平方英里，这样，每一个卫星“覆盖”地球表面的大约6％，这意味着平均来讲表面上的任意一个点将“看见”大约12个卫星(200×0.06)。相反地，单个卫星从地球上任意特定点将不可见的可能性为94％。如果存在200个被发射到随机轨道中的卫星，那么地球上任意给定点将看不见至少一个卫星的几率为仅0.94200≈0.0004％(即，百万分之四)。专利’354包括通过引用结合在本文的表格，该表格示出了对于不同数量的卫星来说表面上的点一段时间内的恒定覆盖范围的估计几率。
应当注意，在本说明书上下文中的术语“随机轨道”必须结合系统中所使用的卫星的数量而被考虑。该术语一般地意味着足够数量的卫星被放置到轨道中，其起初被间隔开，以使球状物的覆盖范围最大化为目标。不意味着需要在纯数学的意义上进行随机分布。而是，用于指示不需要卫星在特定位置处进行精确定位，并且将它们放置到轨道中的方式将考虑卫星的数量，包括系统和期望确定度，根据适合的统计算法计算，地球表面的任意给定点将始终处于至少一个卫星的视野内。(将理解，系统允许不同的卫星满足给定点对于卫星的轨道随时间变化的需求。)例如，用于产生所谓的伪随机数量的已知技术可以被用作用于计算初始卫星数量和放置的基础。实现“随机”卫星分布的其他方式在美国专利No.5,566,354中的“卫星发射”部分中描述，其通过引用结合在本文中。被发射到轨道中的卫星的数量将优选地超过计算出的数量，以使得能够实现持续的全地球覆盖范围，考虑到在一段时间内一定数量的卫星故障、或者因为轨道衰减再进入地球大气而被破坏或被太空碎片损坏的卫星。
本文中描述和要求保护的系统的另一个重要特征在于，卫星不需要主动的机载姿态控制。这样，它们不需要任何移动零件、机构或推进系统，这减少了卫星重量和成本，并且它们可以被释放到轨道中而无需顾及它们的角定向。期望的是，卫星可以从发射载具诸如空间站等被部署。在本文中描述的系统的一些实施方式中将是优选的是，试图将它们部署成具有尽可能小的角速度，但在该方面不需要特别的努力。即使卫星“滚转”——意味着每一个卫星随着其绕轨道运行时可以以不同于其他卫星的速率改变其角定向(或各不相同)——根据这种实施方式的系统也将创建无线电通路。以另一方式来说，卫星既不在前述轨道中也不在受控定向中。在一些实施方案中可能的是，将包括铁磁性材料的大多数卫星和/或部件进行分布，以随着它们绕地球运行时保持一定量的滚转并且与其引力场和磁场相互作用。此外，可以明智地选择用于产生电力的太阳能面板的大小和定向(参见图3和图4)以采用撞击面板的光子的动能来提供影响卫星滚转运动的力。如果期望，那么每一个卫星可以包括跟踪遥测以检测何时该卫星的轨道衰减以及其需要被更换，并且以遵从适用于绕轨道运行体的任何国家协议或国际协议。然而，期望的是，提供这种遥测将是相对简单和低廉的。
在另一实施方式中，卫星被部署在随机轨道中，具有赋予给它们的角速度。在下文进一步描述的方式中，这使得较高增益天线的使用能够创建波束匹配，即使无线电波束可以更窄。这提高了系统的能力以使用多于一个的卫星更容易地创建无线电通路，其在一些设置中具有下述潜力：增加地面站之间的通路的质量并且由此便于数据传输。其还增加了在远距离地面站之间创建无线电通路可的可能性，其可能难以经由使用滚转卫星的系统进行连接。该实施方式的细节在下文中进一步详细描述。
II.卫星设计：天线配置和机载控制电路
根据一个实施方式的卫星包括运用独特的多天线阵列和软件实现算法的系统节点，以通过使得节点能够几乎同时地识别发射信息信号的天线和在另一个节点中接收来自该发射天线的信息信号的天线来创建无线电通路。因为卫星和地面站作为系统中的节点关于它们的功能一般是相等的，所以术语节点可以指代卫星和地面站两者，除非另有说明或者上下文另有指示。此外，驻留在每一个节点中的软件使用信息信号中的内容以评估这些天线对作为两个节点之间的无线电链接的适合性。驻留在节点中的软件使用该评估以创建优选的无线电通路用于将数据通信从源地面站发送至目标地面站。出于解释使用本文中描述的卫星系统来创建无线电通路中所涉及的基本概念的目的，该讨论有时分开地探讨通路创建的某些方面。例如，识别用于潜在无线电链接的天线对的概念可以与识别选择某些链接用于无线电通路的优选无线电通路分开地被描述。然而，随着讨论进行将明显的是，通路创建涉及步骤组合，该步骤组合在地面节点发送初始信息信号时开始并且以优选无线电通路的创建告终，该优选无线电通路用于从源地面节点通过一个或多个卫星节点至目标地面节点通信信号。
公开的系统和通路创建过程使得能够使用在没有姿态控制的情况下在随机轨道中漂移的卫星。即使所选择的节点上的天线对随时间改变，或者如果卫星包括随时间改变的通路，数据通信也可以被发射和接收。即，卫星机载的和地面站处的计算机能够在给定通信期间或者从一个通信到下一个通信改变无线电通路。此外，无线电通路可以在单个通信期间运用不同的卫星。或者地面站之间第一次的第一个通信可以使用某个或某些卫星，而同样两个地面站之间之后的通信可以使用在第一个通信中未被使用的一个或多个卫星。
图3是可以被使用在本文中描述的空基无线电网格系统中的卫星10的实施方式的示意性绘图。为了便于理解本文中描述的系统和方法中的卫星10的操作的某些根本原理，其被示出为具有以CT为中心的球体形状的外壳12。本领域技术人员将认识到，如果通过其他设计考量如此规定的话，那么卫星可以具有不同的形状。卫星的某些特征将参考具有相互正交的x、y和z轴的坐标系被描述。随着该说明进行，将理解，本文中描述和要求保护的空基无线电系统的一个特征是，如已经被讨论的，卫星随着其绕地球运行可以呈现任意角定向。到目前为止，本领域技术人员从本说明书将领会，图3所示的坐标系在描述卫星的特征中被严格地用于例示的目的。以另一方式，坐标系可以被考虑为束缚于卫星并且随着卫星缓慢地滚转而关于地球改变其角定向。
示例性卫星10包括多个天线模块12，其中一个天线模块被示意性地描绘在图3中用于例示的目的。该实施例中的每一个天线模块包括指向性天线，该指向性天线在预确定的方向上以较大的功率发射和接收无线电信号。本实施方式使用了圆盘抛物面天线，其每一个占据在球形卫星中心CT处具有顶点的立体角Ω。合并到卫星中的离散天线模块的数量将取决于系统和天线设计的特别应用。在一个实施方式中，选择球面度中的Ω，使得围绕卫星分布的特定数量的天线模块将能够将无线电信号发射至足够大的球面积以及从该足够大的球面积接收无线电信号，以使得无线电信号能够从地面站收发器和其他卫星中的天线被接收以及被发射至该地面站收发器和该其他卫星中的天线，使得能够以下文描述的方式使系统操作生效。可以使用已知的天线设计原理确定天线模块12的实际配置以实现该目标。
然而，天线操作的根本原理论证了为诸如图3所描绘的卫星配备足够数量天线以使本文中描述的系统和方法生效的技术可行性。一个设计方法可以指定用于每一个模块的天线的波束宽度必须提供一定的下述几率：从特定卫星中的所有天线被发射的信号将在另一个卫星或陆基收发器处被接收。表达用于圆盘抛物面天线的波束宽度的典型方式是角度α，在该角度下，波束功率减少3dB。这被称为半功率波束宽度(HPBW)并且由下述关系给出：
其中，α以度表示，k是取决于天线的一定设计参数的因数并且通常被赋值70°，γ是以厘米表示的波长，以及d是天线反射器的圆形“嘴部”的直径。IPv6环境中的卫星系统工 程,Minoli,Daniel,CRC出版社,Boca Raton,FL(2009),78-80页。对于5GHz信号，其是在卫星通信中使用的常见无线电频率(微波C带)，γ＝6cm(γ＝c/f，其中，c＝光速3×1010cm/秒)，所以对于具有直径d＝3cm的天线来说，α＝140°。在互易原理下，同样的抛物面天线将接收以70°偏轴线以-3dB其轴向增益到来的信号。将领会，天线的设计细节不形成本公开内容的一部分。如本文中描述的系统的操作原理将使得本领域技术人员能够选择或设计增强下述几率的天线：随机轨道卫星上的天线将能够建立与其他卫星和地面站的无线电链接。
如下文结合图4详细讨论的，本系统中使用的卫星必须足够大，以容纳卫星操作所需要的各种电子或机械部件，以及在构造上足够坚固，以经受发射压力和经受长期暴露于其将在轨道中遭遇的不利环境。期望的是，具有20cm直径(约8英寸，大约是足球的大小)的卫星将是足够的，在该情况下，球形卫星10的表面积是400π(4π×(10cm)2)。卫星表面上用于每一个天线的开口具有允许来自表面下的反射器的波束畅通传播的大小。如果卫星中的开口是直径6cm的圆形，那么其面积为9πcm2(π×(3cm)2)。这样，每一个卫星的开口将占据卫星表面积的2.25％(9π/400π)。如果使用25个天线，那么它们将占据超过卫星表面的60％。
将领会，适合于在本网格系统中使用的卫星和天线可以采用不同的形式，取决于对工程复杂系统中的技术人员来说熟悉的权衡。如下文进一步更详细地描述的，使用本文中描述的卫星网格的实施方式创建无线电通路的步骤中的一个是从一个或多个卫星和陆基收发器中的所有天线传输识别消息，其在本文中在某些上下文中可交换地称为“节点”。将看到，增加节点中天线的数量将增加从其他节点发射以及被该其他节点接收的无线电信号的总体球形覆盖范围，其又将增加来自一个节点的信号将在另一个节点处被接收到的几率。将进一步领会，每个卫星更多个天线可能使得可以减少被放置在轨道中的卫星的数量。这种卫星可能更昂贵以及更重，这样增加了发射成本，但是其他因素可能抵消了增加的成本，因为可能需要发射较少的卫星。本领域技术人员将认识到，本文中描述的系统可以利用具有下述天线阵列的卫星实现：以小于全360°球形覆盖范围发射。
出于同样的原因，地面站由于添加天线而造成的重量增加不是因素。这样，系统可能包括比地面站较少的天线的卫星。也可能更可行的是，将卫星设计成具有给定数量的天线并且使用统计估计值来计算需要这种卫星的数量，以确保预确定的数量从地球表面任意给定点是可见的。在卫星被发射到轨道中后，系统可以被测试以确认计算值并且如果期望的话则可以添加更多的卫星。此外，本实施例使用抛物面天线以解释在节点设计中所涉及的某些原理，但是该系统不依赖于使用特别类型的天线。即，天线的类型和具体的天线设计也将是确定波束宽度和下述卫星数量的因素：该卫星数量是确保节点将在有用的增益下接收从其他节点发射的信号的适合几率所必要的。本领域技术人员将很好地理解确定对于本文中所描述和要求保护的网格系统的任意给定的实施方案来说成功设计的因素。
卫星10还包括多个太阳能面板，其中三个14a、14b和14c，在图3中示出。在例示的实施方式中，太阳能面板被定向在相互垂直的平面中并且围绕卫星10等距地间隔。在该实施方式中出于描述太阳能面板的位置和定向的目的，卫星赤道16被定义为大圆，在该大圆处，卫星表面被平行于x-y平面且穿过球体中心CT的平面交叉。零子午线18被定义为大圆，在该大圆处，卫星表面被平行于x-z平面且穿过球体中心CT的平面交叉。并且正常子午线20被定义为大圆，在该大圆处，卫星表面被平行于y-z平面且穿过球体中心CT的平面交叉。太阳能面板14a通过在赤道16与零子午线18的交叉处的适合的安装结构22a被附接至卫星。太阳能面板14b通过在赤道16与正常子午线18的交叉处的适合的安装结构22b被附接至卫星。并且太阳能面板14c通过在零子午线18与正常子午线20的交叉处的适合的安装结构22c被附接至卫星。
太阳能面板是大致平坦的，具有遍及一个或两个面分布的太阳能电池，用于当太阳能电池暴露于阳光时发电。为了最大效能，平坦的太阳能面板被安装在相互正交的平面上，以确保充足数量的太阳能电池暴露于阳光而不管卫星的角定向。在描绘的实施方式中，太阳能面板14a位于x-z平面中，太阳能面板14b位于x-y平面中，并且太阳能面板14c位于y-z平面中。还将领会，卫星包括在赤道、零子午线和正常子午线在卫星另一侧上的交叉处的另外三个同伴太阳能面板。同伴太阳能面板(在图4中被描绘为具有首部(’))优选地被定向在与在图3中所示的它们的配对者14a、14b和14c中的每一个相同的平面上。每一个太阳能面板优选地垂直于卫星表面，使得其不妨碍通过邻近太阳能面板的天线传输和接收无线电信号。
将领会，图3仅旨在例示卫星10的特征，其对于理解本文中描述的卫星网格系统的本实施方式是必要的。本领域技术人员将理解，用于实现本系统的实际的卫星可以具有未示出在图3的示意性绘图中的设计特征。例如，良好的设计实践可以规定天线的嘴部凹陷低于卫星的周围表面以减小被太空碎片冲击损坏的可能性。或者可以通过利用对在卫星处发射和接收的信号透明的材料片材来覆盖每一个天线嘴部(凹陷或不凹陷)以提供附加保护。图3所示的太阳能面板14的设计和放置也是高度示意性的，并且本文中所公开和要求保护的本发明不限制于任何特定太阳能面板配置、放置或部署方法。
图4示意性地例示了被卫星10(节点)容置的各种部件，其用于创建能够发射和接收往来于其他节点的无线电信号的无线电通路。如本领域技术人员将容易地认识到的，在包括本文中所公开和要求保护的主题的无线电系统的本实施方式和其他实施方式的描述中，在各种附图中所描述和描绘的控制电路和部件意在是任何电子计算机系统的示例，其能够实行归属于其的功能。这种计算机系统通常将包括必要的输入/输出接口设备以及具有适合的操作系统和应用软件的中央处理单元(CPU)以用于执行程序指令。此外，指代本文中描述的用户接口的、系统的元件的术语为了便于参考而在本文中使用。例如，术语“部件”、“模块”、“系统”、“装置”、“接口”等一般意在指代计算机相关的实体，要么是硬件、硬件与软件的组合(固件)、软件或是执行中的软件，除非上下文另有清楚的指示。例如，这种部件可以是但不限于是在处理器上运行的过程、处理器、对象、可执行文件、执行线程、程序和/或计算机。通过例示的方式，在电子计算机设备上运行的应用程序以及设备本身可以是部件。一个或多个部件可以驻留在过程和/或执行线程内，并且部件可以被本地化在一个计算机上和/或被分布在两个或更多个计算机之间。
更详细地参考图4，描绘在图3中的x-z平面的视图中的卫星10。将领会，像本文中使用的描述主题无线电系统及其部件的其他绘图那样，图4不按比例。该图描绘了如图3所示的太阳能面板14a和14c，以及在直径上相反的上述同伴太阳能面板14a’和14c’。该图还示意性地描绘了多个天线模块12a、12b、12c、12d、12e和12f，其代表卫星10所有的机载天线模块，用于如上文与图3有关所讨论的发射和接收无线电信号。该示意性绘图意在传达本实施方式的操作原理，从而组合的多个天线模块将能够在基本上所有的径向方向上发射和接收往来于节点的无线电信号。(然而，如已经提到的，本文中所描述的系统也可以使用具有以小于全360°球形覆盖范围进行发射的天线阵列的卫星实施。)
卫星10包括电源模块30，该电源模块能够为操作卫星部件提供可靠的电源。电源模块30包括通过由太阳能面板产生的电被充电的电池。即使太阳能面板将在太阳视野之外的情况下度过每一个卫星轨道的一半，适合的电源调节装备为由卫星承载的各种电子部件提供稳态功率。除了电源模块之外，卫星包括具有操作系统模块42的中央处理单元40，其储存有用于控制卫星的各种功能的可操作软件。如图4所示，CPU 40经由电源和数据链接40a、40b、40c、40d、40e、40f等操作性地连接至所有的天线模块12。
图4还例示了在操作系统模块控制下的四个主可操作模块。这些部件同样地被包括在地面站节点中。无线电通路中的每一个卫星节点有必要使用两个天线模块。因为卫星没有优选的定向，所以对于每一个卫星(节点)来说有必要选择天线模块12以与另一个节点通信，该另一个节点是卫星或地面站。在操作系统控制下的天线成对模块44使用从其他节点(地面站或其他卫星)接收到的信息消息，以将用于发射/接收信号的一个节点中的天线模块与用于接收/发射信号的另一个节点中的天线模块进行配对。在节点之间被交换的无线电信号由使用下文进一步讨论的算法的通路创建模块46进行分析以在两个地面站之间创建无线电通路。(地面站节点具有对应的中央处理单元。)一旦无线电通路被建立，则每一个节点内的数据移动模块48控制沿着通信信号CS的无线电通路的传输(参见图1)。如上文建议的，用于天线成对和通路创建的分开的模块在图4中的例示，不一定暗示用于在节点之间发射/接收信号以及将潜在的无线电链接选择为无线电通路的识别天线对不是或多或少统一的下述过程的部分：创建用于将数据通信从一个地面站发射至另一个地面站的优选的无线电通路。
III.创建用于数据通信的无线电通路
如上文所讨论的，将足够数量的卫星10发射到随机或伪随机轨道中，使得能够实现各种通路创建策略。该部分将讨论使用这种卫星系统创建的无线电通路的两个实施方式及其变型。一个实施方式创建了包括在单个卫星与两个地面站之间的无线电链接的无线电通路。允许跨越较长距离的通信的另一个实施方式创建了一系列的：包括第一地面站、第一卫星和第二地面站的一个或多个子通路；和包括第二地面站、第二卫星和第三地面站的另一个子通路；如有必要的话以及包括第三地面站、第三卫星和第四地面站的第三子通路，等等。该无线电通路将使得能够使用n-1个卫星在第一地面站与第n地面站之间通信。这些实施方式的变型也在下文中被讨论。例如，本领域技术人员将理解，如果驻留在节点中的计算机基于下文讨论的原理装配了无线电通路结构，那么这种通路结构也可以包括卫星对卫星链接。
根据本系统的该实施方式，使用无线电通路在地面站之间发射数据的能力，本质上由已知的摩托罗拉铱系统的可操作能力确认，其使用具有姿态控制的固定卫星。该类型的系统能够直接在卫星与地面上的手持式单元之间建立通信链接，而不管在这种单元中可用的有限的天线功率(或增益)。这样，本系统的实施方式实际上确保了能够在两个地面站之间建立无线电通路，其使用卫星中的具有有限功率的天线，连同具有更大功率、不同类型和/或更多数量天线的地面站。
A.两个地面站/一个卫星无线电通路
根据本发明的卫星网格系统的基本实施方式使用了根据上文描述的一个卫星以创建用于两个地面站之间的通信的无线电通路。该通路包括两个无线电链接，一个是在第一地面节点与卫星节点之间，并且另一个是在该卫星节点与第二地面节点之间。尽管地面站的配置可以不同于卫星的配置，但是在概念上，无线电信号的发射和接收以每个本质上相同的方式被处理。无线电通路的创建可以通过地面站节点提高，其使用多个天线和/或更大功率天线以及与由卫星承载的那些天线类型相比不同的天线类型，因为地面上的节点不具有与卫星相同的对重量、功率和空间限制的约束。此外，地面站天线可以被安装在高的建筑物、塔、高山等上，以使与绕轨道运行的卫星的视线可视性最大化。此外，地面节点仅遍及半球、而不是在像卫星节点的所有的球形方向上发射，这样减少了添加天线用于提高的链接创建的成本。
1.无线电通路创建与维护
在本文中描述的卫星网格系统中创建无线电链接的根本原理将首先通过使用范例被描述，在该范例中，所有的收发器——卫星和地面站两者——被考虑为是网格中的节点。这将使得能够理解如何利用多于一个的节点对节点链接(即，具有至少三个节点)创建无线电通路。在卫星之间的无线电链接或在卫星与地面站之间的无线电链接的创建在最相关的方面是相同的。节点对之间的识别和最佳无线电链接和通路在一些方面类同于本发明人的美国专利No.5,793,842和No.6,459,899中所描述的陆基系统中创建通路的方式。在这些专利中对链接选择和通路创建的描述通过引用结合在本文中，以用于关于通过无线电网格中的节点创建最佳或优选通路的背景信息。
然而，重要的区别在于，不像本领域已知的那些系统那样，本系统使用下述节点创建通路：该节点中的一些节点(卫星)的定位和定向随时间改变。因此，尽管先前的固定节点式系统可能偶尔出于上文关于图1所讨论的原因而必须改变无线电通路，但是它们不涉及具有移动和滚转节点的动态环境，该动态环境需要系统能够在节点相对于彼此移动和改变姿态时自动且动态地更新选择节点中的发射/接收天线对。例如，摩托罗拉铱系统使用具有固定姿态和已知的相对定位的卫星，这样使得可以以用于陆基系统的已知方式使通路创建最佳(尽管未知摩托罗拉铱系统使用节点本身创建无线电通路)。
如刚刚所指示的，用于在节点之间创建具有坚固的无线电链接的无线电通路的本系统和方法涉及选择天线对以及估计每一个链接的“质量”，通过下文讨论的标准。结合图5描述解释性实施例，该图示出了具有地址nos.140、no.250、no.280、no.300和no.165的多个卫星，其可以与具有地址nos.1000、no.1052、no.1630和no.2001的地面站形成无线电链接。以下解释了仅系统中的节点如何通过在两个潜在通路——一个经由卫星no.250并且另一个是在卫星no.300之间——之间进行选择来确定用于从地面节点no.2001至地面节点no.1000的数据通信(呼叫)的优选无线电通路。在典型的系统中将存在大约200个卫星。地面站的数量当然可以变化，但是图5例示了跨越比如说大约直径700英里的宽阔区域的少量的这种地面站。
链接选择过程通过从每一个地面节点发射通路信号而开始，该通路信号是包括具有初始信息的识别包的初始信息信号的形式。卫星节点和地面节点两者的每一个节点中的天线模块各自被给予识别码。此外，每一个节点被识别为有时被称为类型A的地面节点或者被识别为有时被称为类型B的卫星节点。该节点识别数据通常将被包含在包头部中，并且识别包将包括有效载荷，该有效载荷包括初始样本数据流。以下的表1是从第一发送地面节点(即被指定地址“1000”的节点)中的两个天线模块发射的数字第一信息信号的示例。
表1
相似的包将从所有地面节点中的所有天线被持续地发射。这些信号将被地面站和卫星两者的许多其他节点接收，但是节点中的天线成对模块将拒绝从相同的节点类型被发送的信息信号。卫星还储存返回到发送地面节点的链接的数量。在该情况下，链接计数为一。
初始样本数据流通常将是用于以下文描述的方式评估两个节点之间的潜在无线电链接的质量的已知位序列。期望的是，每一个节点中的天线可以以随机的时间间隔发射信息信号而不遭到从其他节点发射的信息信号的干扰。这是因为节点的数量以及给定节点中的将从其他节点接收信号的天线的数量将很可能是很小的。可替代地，节点中的天线模块可以在预分派的时隙中发射信息信号，以甚至进一步使下述可能性最小化：从一个节点发射的信息信号将精确地与另一个节点中的给定天线发射其信息信号同时地到达该给定天线处。
继续该实施例，过程中的第二步涉及通过从地面节点接收初始信息信号的所有卫星节点进行评估。该过程涉及在卫星天线对和通路创建模块中实施的多个操作。接收卫星中的天线成对模块储存其接收初始信息信号所在的天线。在图5的实施例中，卫星no.250储存与地面节点地址no.1000关联的卫星天线SA6，并且卫星no.300储存与地面节点地址no.1000关联的卫星天线no.SA3。通路创建电路确定被接收的初始信息信号的品质因数，该品质因数反映了通过相应的地面站和卫星的该对天线发射的信号的质量。品质因数起因于根据节点中的算法对某些参数的分析，其目的是分派量化值，用于对两个节点中特定天线作为无线电通路中的无线电链接的适合性进行排名，该无线电通路有待在初始地面站与目标地面站之间被创建。即，过程中的该步骤涉及对发送初始信息信号的地面站与接收该信息信号的卫星之间的潜在无线电链接的质量进行排名。被接收信号的可以用于获得品质因数(信号质量)的性能的示例是信号强度、数据流中的出错率、以及信噪比中的一个或多个。在该实施例中，品质因数在从一(最差质量)至10(最优质量)的范围内。
下一步是所有卫星中的通路创建电路从该卫星的所有的天线发送链接信息信号的形式的通路信号。为了例示，假设具有地址no.250的卫星从发射地面节点no.1000接收初始信息信号。表2示出了从节点no.250中的每一个天线以包形式被发送的链接信息(相对于发送地面节点为no.1000的潜在链接)：
表2
表3示出了从节点no.300中的每一个天线以包形式被发送的链接信息(相对于发送地面节点为no.1000的潜在链接)：
表3
链接信号将不会在另外的卫星处被接收，该另外的卫星是与发送链接消息的卫星no.250和no.300相同的类型(类型B)。此外，地面节点将被同样地编程以拒绝具有与接收地面站相同的链接节点地址的链接信号。还注意到，来自表1的链接计数通过卫星增加一，反映了至发送地面节点no.1000的链接数量(二)。
接收地面站中的接收链接信号的天线对电路至少储存卫星节点地址以及天线，链接信号从该卫星节点地址被发射，在该接收地面节点处链接信号在该天线上被接收。在图5中，地面站no.2001储存与天线no.GA5关联的卫星地址no.250、以及与天线no.GA21关联的卫星地址no.300。接收地面节点还确定在其自身与卫星no.250之间、以及在其自身与卫星no.300之间的潜在链接的相应品质因数。在该实施例中，对于在地面站No.2001与卫星no.250之间的潜在链接来说FOM＝6，对于在地面站No.2001与卫星no.300之间的潜在链接来说FOM＝8。
从接收地面站至发送地面站之间的优选无线电通路然后基于可用的潜在链接的品质因数而被确定。在图5所示的实施例中，经由卫星no.250的无线电通路的总品质因数是12(6+6)并且经由卫星no.300的无线电通路的总品质因数是11(3+8)。因此，优选的无线电通路是经由卫星no.250。注意到，是整体通路的质量确定了该选择，而不是单独链接的质量。如在下文更详细地描述的，去往发送地面站no.1000的数据传输包括目标地址(节点no.1000)。接收地面站no.2001知晓通路中至目标节点no.1000的第一个无线电链接是卫星no.250，并且地面站no.2001的天线no.GA5上的发射将在卫星no.250处被接收。(可选地，如果该发射在卫星天线no.SA1上被接收，则卫星no.250可以确认该发射是来自地面节点no.2001。)卫星no.250已经将天线no.SA6储存为用于至地面站no.1000的数据传输的天线。(可选地，如果该发射在地面站天线no.GA1上被接收，则地面站no.1000可以确认该发射是来自卫星no.250。)这样，卫星(节点)和地面站处被选择的天线指引发射信号从源节点至卫星并且然后至目标节点，而不需要整个通路被储存在任何一个节点或中央位置处，也不需要中央计算机确定优选通路。本领域技术人员从该实施例将理解，无线电通路如何被建造用于从多个接收(目标)地面站中的任何一个至多个发送(源)地面站中的任何一个的数据通信。
还将理解，卫星no.140、no.280、no.165等还可以从地面站no.1000接收初始信息信号并且发送被地面站no.1052、no.1052、no.1630和no.2001接收的链接信号。同样地，图5所示的所有卫星和无线电范围内(参见图2)的任意其他卫星可以从所有的地面站no.1052、no.1630和no.2001以及无线电范围内的任意其他地面站接收初始信息信号。然而，任意两个地面站之间的优选通路的确定根据上文讨论进行，其中，地面站之间的无线电通路中的两个潜在链接的组合品质因数由潜在无线电通路的接收地面节点评估。
以上步骤以预确定的时间间隔被持续地重复，包括在通信信号的包通过无线电通路的发射期间。这样，随着卫星移动和改变定向，节点中的模块可以持续地更新节点之间的无线电链接的评估，并且可以改变源节点与目标节点之间的优选无线电通路。这由下述事实提供便利：每一个节点实际上仅与有限数量的其他节点通信，并且因此仅是有限数量的链接必须利用链接创建过程的每一个迭代而被更新。链接刷新过程的频率将取决于各种因素，但是相信，0.5至20Hz之间的频率在典型的系统中将是充足的。如已经提到的，链接选择和维护程序通过仅使用本文中描述的节点的机载计算能力的计算而被实行。
还应当注意，取决于天线模块的性能诸如其HPBW，一个节点可能在多于一个的天线上从另一个节点接收信号。然而，通路创建过程在该实例中与上文所描述的相同。还将领会，许多不同的标准可以被用于评估节点之间的潜在链接的质量。典型的标准将是链接质量的直接指示，诸如被接收的信号的强度以及出错率估计。然而，也可以使用其他标准。例如，潜在链接中的每一个节点中的剩余电池寿命的数量可以被确定并且质量等级(品质因数)可以被调整以说明卫星已经暴露于太阳多长时间，作为电池余量可能仅保持足够强劲以支持短时间的链接的指示。另一个标准可以是链接负载，其指的是被储存在特定节点处的与另外的节点的潜在无线电链接的数量。系统中的每一个节点(地面站和卫星)可以消除具有低于预确定阈值(比如说FOM＝2)的质量的潜在链接。这将防止使用一个非常高质量的链接和一个非常低质量的链接来形成通路，即使通路的整体质量表现为是令人满意的，该非常低质量的链接也可以扰乱数据通信。通过消除节点之间的通信数量也可以减少确定优选的无线电通路所需要的时间。
2.通过无线电通路发射数据通信
如刚刚所解释的，一旦多个链接组装成无线电通路，则其可以被用于将通信信号从源节点发射至目标节点。然而，当通过无线电通路通信数据传输时必须被解决的一个问题是，节点中的单个天线不能同时既发射又接收信号。该问题在专利’842和’899中以各种方式被解决。特别适应于本系统的一个方式是节点的目标作为两种类型中的一种，该两种类型在本说明书中被称为“A”和“B”(或者在专利’842和’899中是“奇数”和“偶数”)。在这种布置中，从一种类型的节点发射的信号以某种方式与从另一种类型的节点发射的信号分开，使得节点可以在其用于发射信号的相同的天线上接收信号。
做到这一点的一种方式是一种类型的节点以某些频带发射并且另一种类型的节点以不同的频带发射。在该布置中，节点中的天线可以同时发射和接收信号。一个缺点是下述必要性：提供相应频带之间的足够间隔以确保当天线同时发射和接收时不存在干涉。使信号发射与接收分开的另一种方式是在特定时隙中从一种类型的节点发射并且在与第一个时隙交错的不同时隙中从另一种类型的节点发射。
根据本说明书的数据/通信信号发射通过卫星10中的数据移动模块48控制。例如，包括数据的具有头部和有效载荷的包的数据通信将在源地面站处被接收。头部通常将包括地址信息，该地址信息包括目标地面站的识别。数据传输模块取出地址信息并且指示目标节点的系统地址(节点码)。包然后将通过以上述方式建立的无线电通路被发送至目标地面站。本系统的一重要方面在于，优选无线电通路甚至在进行中的数据传输期间经受改变。然而，即使包因为经由不同的通路行进或者在不同的通路被创建时被延迟而混乱地到达，到达目标地面站的数据包也可以根据已知的原理被拆开、经过错误纠正并且以适当的次序被再组装。
3.总结
对于本领域技术人员将明显的是，本系统不简单地是专利’842和’899中所描述的通路创建技术在三维网格上的叠加，在该三维网格中，节点包括取代在本质上二维空间中的固定设备的卫星。存在进入链接选择和通路创建的许多因素，其中的一些因素在上文中被描述，其在本文中描述的空基三维网格的类型中必须被说明。例如，因为卫星具有不同的轨道——其中的一些轨道将穿越无人居住的海洋的大的广阔区域，而其他轨道将穿越会产生更多数据传输的陆块——所以电池寿命可以因卫星而异大为不同。因此，剩余的电池电量在将卫星选择为无线电通路中的节点时可以是重要的参数。
使用单个卫星以建立最佳或优选无线电通路具有若干优势。一个优势在于，其几乎瞬间地识别优选通路，因为在卫星与地面站之间穿过的无线电信号包括被储存在地面站处和卫星中的算法所使用的信息，以在一秒的小部分中计算优选的无线电通路。这样，一旦地面站向另一个地面站发射指示需要通路的信号，该通路就可以被立即建立并且用于发射通信信号。该类型的三节点通路可以足够迅速地“刷新”以使数据传输的扰乱最小化，使得如果不同的卫星或相同卫星上的不同天线稍后将提供更好质量的通路，那么可以几乎瞬间地调整通路配置以提供更好质量的链接并且使数据传输中的延迟最小化。还允许出于其他原因而改变在通路中所使用的卫星，该其他原因的一个示例是逐渐减少的电池寿命。
本领域技术人员将理解，设计根据上文描述的系统将需要在该系统的不同方面之间进行权衡。这样，实际的系统将很可能涉及优化特别设计的许多竞争的考量。仅举几例，这些考量中的一些是：卫星的数量、卫星高度、天线的数量特别是卫星中的天线数量、天线的波束宽度、卫星的大小、用于更新通路创建的循环时间。
B.使用本系统被创建的无线电通路的实施例
本实施方式的一方面在于，根据上文描述，存在至少一个卫星以建立地面对卫星对地面的无线电通路的几率可以通过简单地在轨道中放置更多卫星而被容易地增加。因为卫星非常轻且低廉，所以增加它们的数量是增加系统可靠性的在经济上可行的方式。尽管可能存在没有立即可用于在两个地面站之间建立无线电通路的卫星的周期，但是系统可以快速刷新其自身增加了至少一个卫星将很快(很可能在几秒之内)变得可用的几率。在大多数应用中，具有该数量级的持续时间的时滞将是可接受的。出于这些原因，本实施方式的特别有用的应用是提供跨越特定地理区域的可靠的无线电通路。
1.在特定地理区域中建立单卫星通路
图6例示了本发明该方面的应用，其中，多个绕轨道随机运行的卫星被用于创建地面对单卫星无线电通路，通过该通路，信号可以仅跨越预确定的地理区域被发射和接收。呈现在此的实施例是用于贯穿国家埃及发射和接收通信信号的系统。图6是示出覆盖区域CA的埃及地图，其中，单个卫星被用于使开罗与该国西南角SW之间的通信生效。如上文，该系统包括200个卫星。被标记为CO的圆形段指示卫星在其中将看见开罗的区域。被标记为SW的圆形段指示卫星在其中将看见该国西南角SW的区域。区域CA代表这些圆形的重叠部，该重叠部意味着是开罗和西南角SW在其处都将看见相同卫星的区域。
重叠圆形CO和SW的区域CA由以下关系给出：
其中，m＝700英里，其是开罗与SW之间的距离，并且DH是从卫星到地平线的距离(参见图2)。因此，单个卫星在其中将使得能够在开罗与西南角SW的地面站之间进行通信的区域CA为大约9,800,000平方英里。通过上文关于图2的计算，覆盖区域CA为地球表面的大约5.0％。如果按照本说明书在随机轨道中存在200个卫星，那么将存在平均至少10个从在该覆盖区域内的任意点可见的卫星。以另一方式陈述，至少一个卫星对于开罗与SW之间的通信将不可用的几率为仅0.95200≈0.0035％(或大约百万分之35)。在实际的实施方案中，该区域将稍微更小，因为卫星越靠近一特别位置的地平线，则由于大气效应或来自附近建筑物或地形特征诸如山的干涉等，越不可能能够从该位置处的地面站接收无线电信号。地面站看见靠近地平线的卫星的能力可以通过在高塔或山或高建筑物上放置地面节点而被改进。因为地面站通常将使用共用电源，所以在正常情况下对于在地面站处可用的电源存在极少的约束或不存在约束。此外，尽管在卫星中目标一般是减少重量以使发射成本最小化，但是地面站可以运用增加重量的天线设计。换言之，设计系统的工程师在配置地面站以增加它们的有效范围时将具有更大的灵活性，并且因此使比如果地面站具有与卫星相同数量的相同的天线模块可能在其他方面可用的卫星更多的卫星可用于单卫星通路创建。
图6使用虚线圆形段来指示用于与其他地面站诸如该国的西北角NW和东南角SE进行通信的覆盖区域。例如，卫星将必须占据被标记为NW和SE的两个圆形之间的重叠部以用于在这些位置处的地面站之间进行通信。以另一方式陈述，该区域内的任意单个卫星将支持这些地面站之间的无线电通路。作为另一个实施例，以开罗和SE为中心的半径2000英里的两个圆形的重叠区域内的任何卫星都将支持在该两个位置处的地面站之间的无线电通路。同一原理适用于位于开罗和NW处的两个地面站之间的通信，等等。
无线电通路以上述用于建立节点之间的无线电链接的方式在两个地面站(比如说在开罗和靠近SW)之间建立。尽管在本实施例中，因为所有卫星都是一种类型的节点并且所有地面站是不同类型的节点，给定的无线电通路将仅包括单个卫星，但是通路不一定需要包括仅单个卫星。然而，期望的是，在节点中的通路创建模块将固有地偏好单卫星无线电通路，因为在这种通路中的链接的集体品质因数方面，它们将很可能提供优选的通路。此外，无线电通路是两个地面站之间的保持系统，即使起初被用于创建通路的卫星在地平线上消失以及从两个地面站中的一个的视野消失(参见图2A和图2B)。在该情况下，两个地面站的视野中的不同的卫星上的计算机可以用于创建新的无线电通路。在理论上可以发生无通路可用时的短暂时间期间发射数据被储存在缓冲存储器中直到通路可用。如上文提到的，通信数据包头部包括允许它们在目标节点处被顺序再组装的序列信息，用于发射至目标节点的用户，经由陆地线或WiFi连接。
2.具有宽面积覆盖范围的单卫星通路
图7绘制了分开两个地面站的距离与一区域之间的一般关系，以相应站为中心的两个圆形在该区域中彼此重叠。如果两个点相隔大约700英里(如在使用埃及的上文实施例中)，那么具有2000英里直径DH的两个圆形的重叠区域CA为区域AR(图2)的大约78％。随着距离增加，重叠区域对应地增加。图7示出了以纽约和洛杉矶为中心的两个圆形的重叠区域LA。该区域为大约3,400,000平方英里，其是被单个卫星覆盖的区域AR的仅27％。这代表197,000,000平方英里的地球表面的仅1.7％。对于包括200个卫星的系统，将仅存在大约3个或4个从这两个城市可见的卫星。考虑到落基山脉将在对地球表面的浅角处截断朝向洛杉矶的向西的信号，实际上可能不存在能够与这两个城市进行长时间通信的卫星。俄罗斯呈现出甚至更极端的情况。海参崴与圣彼得堡之间的距离为大约4000英里，意味着单个卫星将绝不能在它们之间提供无线电通路。即便是更靠近俄罗斯的城市，如果它们是在乌拉尔山脉的相反侧上，那么也不可能呈现出在它们之间建立单卫星无线电通路的足够大的几率。
本发明的单个卫星的实施方式容易地适应于下述设置：其中地面节点相隔太远，或者其中地形特征将严重地限制对于两个地面站可见的卫星的数量。在该情况下，在远距离的位置之间提供一个或多个中间地面节点。中间地面站对于系统将看起来就像是卫星节点。为了例示这一点，考虑一系统，其中，地面节点被置位在纽约、堪萨斯城和洛杉矶。对于纽约/堪萨斯城地面节点可见的卫星中的通路创建算法将确定第一个优选的无线电通路段，并且对于堪萨斯城/洛杉矶地面节点可见的卫星中的那些通路创建算法将确定与第一个优选的无线电通路段相连的第二个优选的无线电通路段。尽管通路将不一定被约束于包括两个单卫星通路段(纽约/堪萨斯城和堪萨斯城/洛杉矶)，但是相信其通常将是最终结果。上文讨论的链接计数可以被用作选择两个远距离地面站之间的优选无线电通路的因素，其在一些环境中可以引起单卫星无线电通路。
然而，如所讨论的，如果节点中的通路创建计算机这样规定的话，那么系统将使用单个卫星或中间卫星/卫星链接自由地创建例如纽约与洛杉矶之间的通路。如果与地面站相同“类型”的足够数量的卫星被放置到轨道中，那么卫星对卫星链接可以被建立。这些卫星将起到一种盲节点的作用，其仅可以用于其他类型的卫星之间的通信而不与地面站通信。期望的是，有限数量的这种盲节点卫星将被需要，因为在大距离轨道上运行的卫星将能够看见彼此。
3.单卫星无线电通路的附加性能
本文中描述的网格系统的一个性能是限定至特定地面站的数据通信的能力。例如，如果安全考量需要来自地面站的某些通信仅能够发射至一个或多个其他地面站，那么包头部可以包括加密信息，该加密信息仅可以由具有适合的解密密钥的地面站进行解码。通过在用于创建无线电链接的信息信号中以及数据通信自身中包括加密密钥而双加密通信。一般来说相同的原理可以用于防止通信至某些地面站。例如，在上文关于部署成用于在埃及的地面站之间通信的系统的实施例中，从地面站发送的数据包可以包括允许仅与在埃及的其他地面站创建无线电通路的地址字段。该类型的单或双加密还可以出于政治或宗教的原因而被国家采用。
IV.旋转卫星
如已经讨论的，设计根据上文描述的基于卫星的无线电网格系统涉及在很多种参数之间进行极大量的权衡。致力于交叉目的并且因此需要明智选择的两个特定参数是由节点中天线发射的呼叫和通路信号的波束宽度以及天线的功率(增益)。在一方面，较大的波束宽度将增加波束匹配可以被创建的几率，但是较大的波束宽度减少了天线的增益。相反地，较窄的波束将增加天线增益，但减少了创建节点之间的波束匹配的几率。该权衡在卫星节点中是特别重大的，因为卫星天线配置必须考虑对卫星重量和大小的约束——其限制了卫星可以承载的天线的数量——以及对来自机载电池的可用电源的约束。还期望的是，增加节点之间可能的波束匹配的数量，因为一些无线电波束可能通过掠过地球表面而被减弱，其可能在信号到达接收节点之前部分地阻挡该信号。
在波束宽度与天线增益之间实现适当的权衡对于随机轨道卫星系统的高效运行是重要的。这种系统依赖于使用绕轨道随机运行的卫星创建通路而可以创建和选择通路的统计几率。实现简单且低廉并且在创建单卫星无线电通路中尤其有效的基本系统使用了如上文所讨论的滚转卫星。如已被描述的，卫星的天线向外指向太空——朝向彼此和地球——以使得能够在节点之间建立链接。系统的根本性能是其对到达其他节点(地面站和卫星)的强度足够的通路信号和数据传输的依赖性。系统依赖于具有足够的轨道卫星和做出包括波束宽度对增益的适当的设计权衡，以提高可以经由一个或多个卫星在两个地面站之间创建适合的通路的几率。然而，可以存在下述系统设施：其中，如果在卫星之间创建高质量(品质因数)链接的几率增加，那么可以通过多卫星通路实现较好的数据传输。
本实施方式运用了围绕轴线旋转的卫星，如本文中所解释的，其增加了使用一个或多个卫星可以创建具有高质量链接的通路和子通路的可能性。如下文所解释的，采用旋转卫星使得波束宽度减小，对应地增加增益，从而引起节点之间的较高质量的无线电链接。
A.本实施方式的根本原理
在上文所讨论的滚转卫星实施方式中，示例性卫星配置使用了覆盖球形卫星表面大约60％的25个天线。这样，由这种卫星发射的无线电波束被另一个类似卫星接收到的几率的粗略估计将是大约36％(0.6×0.6)。本领域技术人员将领会，这只是估计，因为无线电波束将具有旁瓣，该旁瓣将会增加链接将以一定程度被创建的几率。如果卫星的直径翻倍，那么上述实施例中使用的抛物面碟形天线的直径d也可以翻倍。通过以上方程式(1)，α＝(k×γ)/d，HPBW将从上文给出的天线实施例的值减半至70°。波束面积将是仅1/4大，而天线增益将增加四倍，或者说大约6dB。在另一方面，从一个滚转卫星发射的无线电波束被另一个卫星接收到的几率减小至大约2％(36％×(1/4)2)。
如上文在滚转卫星实施方式中所讨论的，由系统中的节点发送的重复的无线电信号包括仅需要包括最终地面目标的地址和至该目标的品质因数的链接和子通路上的信息。旋转卫星实施方式将滚转卫星实施方式作为朝向用于尤其是在具有高增益、窄波束天线的卫星之间增加创建无线电链接的可能性的技术的出发点。特别地根据随后的讨论，将领会的是，回旋卫星系统中的特定无线电通路可能不持续如在滚转卫星系统中那样长。因此，促进通路创建过程的一种方式将是使用具有较小量的样本数字数据(参见上文表1至表3)的通路创建信号，以使得它们能够在较短的时间段内被发射以使更迅速的通路创建生效。
如上文还已经讨论的，数据传输(“呼叫”)通常将是具有头部和有效载荷的包的形式，该头部包括指示包目标的地址数据，该有效载荷包括发射内容。多个包中的头部信息可以用于以它们被发射的相同次序布置包。尽管旋转卫星系统中的特定无线电通路可能不持续如滚转卫星系统中那样长，但是数据传输包头部将包括用于由目标地面站使用以再组装发射的包的适当次序的信息。这样，尽管在完成特定数据传输时在发射间创建新的无线电通路时可能存在延迟，但是该潜在缺点将被下述事实抵消：通过使用旋转卫星使得可行的越高增益的无线电波束将越有可能建立这样的无线电通路，通过该无线电通路，某些地面站之间的数据传输可以被首先做出。
B.将卫星链接至卫星
上文滚转卫星实施方式的进一步讨论指出，地面站与卫星之间无线电链接的建立可以通过增加地面站天线的数量和增益而被促进。这在大多数设施中是可行的，因为地面站通常不具有对卫星存在的重量、可用空间和电源的约束。在本实施方式中，通过卫星之间的波束匹配的无线电链接的建立通过使用被部署到轨道中有意围绕旋转轴线回旋的卫星而被促进。在一个实施方式中，卫星自身具有与图3和图4中描绘的以及在上文文本中与它们关联描述的卫星相同的部件。
卫星的角速度将是相对高的。出于例示使用旋转卫星的典型系统的操作的目的，将假设卫星被部署为具有ω＝2π弧度/秒(60rpm)的角速度。本领域技术人员将理解，该实施例不意味着是限制性的，并且在本公开内容的范围内，如本文中描述和要求保护的采用对于建立无线电通路有效的任何角速度。旋转轴线的定向将不受控制，但是物理原理规定，每一个卫星将承担穿过其质心的旋转轴线，并且旋转轴线将围绕角速度ω进动。然而，如从随后的讨论将是明显的，旋转轴线在任意给定时间处的定向不影响无线电链接的创建。
旋转卫星增加了被发射的无线电波束被另一个卫星接收到的几率，因为当卫星旋转时卫星天线“扫过”一区域。这可以通过考虑图8A所示的卫星S1而被理解，该图是穿过卫星“赤道”的示意性截面，其对应于图3中卫星10的赤道16。在该实施例中，卫星S1包括五个天线121、122、123、124和125，每一个具有70°的HPBW，该五个天线被布置成均等地围绕其赤道16并且围绕z轴以角速度ω旋转。随着卫星旋转通过一个完整的回转，远离卫星且位于赤道平面中的位置RL将“看见”五个天线。将理解，该数量对于不在赤道平面中的位置将是不同的，但是该原理仍然适用。还将领会，该数量可以由于围绕旋转轴线的进动而增加或减少，但是随着卫星旋转，远离卫星的大多数位置(包括地面站)仍将看见多个天线。这样，第二个卫星，其赤道平面在第一个卫星S1的赤道平面中，能够创建具有超出滚转卫星实施例之上的6dB增益增加的无线电链接的几率为大约10％(5个天线×每一个天线2％)。创建与地面站天线的波束匹配的几率同样增加。
将理解，这是高度理想化的代表，其忽略了诸如卫星围绕其旋转轴线进动的因素，然而其例示了下述概念：旋转卫星呈现用于在两个卫星之间创建波束匹配的增加的几率。然而，考虑可用于通路创建的大量绕轨道随机运行的卫星，使用旋转卫星的波束匹配的增加的几率在许多情况下——如果不是在大多数情况下——将足以使得能够经由多个卫星在两个地面站之间组装具有较高质量链接的无线电通路。这在到达被大距离分开的地面站中将具有特定适用性的同时，其还可以在其他设置中增加地面站之间的无线电通路的可靠性。
1.反向旋转卫星
卫星被优选地部署成它们中的大约一半在第一方向上围绕其旋转轴线旋转并且另一半在相反的方向上旋转。图8B，其对于与图8A中相同的零件使用相同的标记，通过示出在第一方向上以角速度ω旋转的卫星S1和(在相反的旋转方向上)以相同的角速度-ω旋转的第二个卫星S2例示了该原理。这例示了维持卫星S1中的天线125与卫星S2中的天线124之间的波束匹配比如果两个卫星在相同方向上旋转更长久。即，如果卫星在相反方向上旋转，那么卫星上的面向天线以本质上相同的线速度相对于彼此行进。在另一方面，如果卫星在相同方向上旋转，那么它们的相对线速度是每一个的线速度的两倍。在足够数量的轨道卫星的情况下(在先前的实施方式中是200个)，相信存在跨越无线电通路正在被建立的任意给定地理区域具有多个反向旋转卫星的显著的几率，该地理区域诸如图6中的区域CA。这样，快速建立相对持久的无线电通路的可能性通过部署在与其他卫星相反的方向上旋转的卫星的至少一些并且优选为大约一半而增加。此外，不仅是在对准的相应卫星上的两个天线更长久，而且一旦它们旋转出彼此的视野，则卫星的其他两个天线可以对准，这样使得迅速刷新卫星之间的无线电链接。在图8B例示的实施例中，卫星S1中的天线121接着将与卫星S2中的天线125对准。
就像用于例示使用上文刚刚讨论的旋转卫星的增加的效力的实施例，这也是对反向旋转卫星如何可以在它们之间创建更持久的无线电链接的理想化描述。此外，对于上面描述的根本的假设，可能在任意给定时间在期望在两个地面站之间的无线电通路的区域上不存在两个反向旋转的卫星。然而，这些实施例放到一起例示了这一点，即旋转卫星并且特别是反向旋转卫星将提供在随机轨道卫星之间建立相对高增益的无线电链接的足够的几率，以使得能够经由一个或多个卫星在两个地面站之间进行可靠的数据通信。并且因为天线指向多个方向(优选地跨越围绕卫星的整个球形空间)，在两个回旋卫星之间建立无线电链接的机会在大多数实例中将通过使用旋转卫星而被提高。
2.具有不同角速度的卫星
上文刚刚描述的实施方式的变型采用了以不同的角速度旋转的卫星。该变型被示意性地描绘在图8C中，其中，卫星S1以角速度ω1旋转并且S2以不同的角速度ω2旋转。如图8C所描绘的，该系统的优势在于，反向旋转卫星上的天线在下述意义上可以异相：一个卫星上的天线可以直接指向第二个卫星上的天线之间的空间。如果卫星以相同的角速度旋转，那么该情况可以持续延长的时间段，这样减弱了卫星之间的无线电链接，或者可能完全防止链接建立。使卫星以不同的角速度旋转将增加两个卫星上的天线在一些角位置处将彼此面对(同相)的可能性，这样使得能够在它们之间建立有用的无线电链接。例如，在图8C例示的情况下，卫星上的天线精确地180°异相，其在于，卫星S1上的天线122直接指向卫星S2的天线124与125之间的空间。如果ω1＝1.33×ω2，那么随着卫星旋转，卫星S2上的天线125与卫星S2上的天线125将排成直线。
期望的是，系统的某些设施将运用许多卫星对卫星链接，而同时能够容许地面站之间的一些延迟发射呼叫。该类型的设施可以从使用以稍微不同的角速度旋转的卫星中受益。换言之，系统将被设计成增加发射无线电信号的卫星将以不同于接收该信号的卫星的角速度旋转的几率。在无线电通路随着两个卫星上的不同天线不对准和再对准而被间歇性扰乱和刷新的同时，数据通信可能被延迟。然而，当无线电链接存在时，这可以通过缓冲数据通信并在每一个时间间隔中发送它们而被补偿。
在示例性方法中，卫星群可以根据下表被划分为具有不同角速度的五个组。
表4
上文刚才的讨论解释了这如何可以趋向于增加在相应卫星上的天线之间建立波束匹配的几率。即，上文的讨论论证了下述的一个实例：以1.33倍于另一个卫星的角速度的角速度旋转的卫星如何可以便于波束匹配。相同的原理适用于其他多个角速度。
出于同样的原因，该系统实施方案还将使得更多的波束匹配在给定的时间段内是可能的，因为如果卫星以不同的角速度反向旋转，那么一个卫星上的天线将具有更多的机会与另一个卫星上的天线足够地排成直线以形成波束匹配。在给定的时间处或者对于一定的时间间隔，随着两个卫星旋转，在它们之间可能不存在波束匹配。然而，随着它们继续以不同的角速度旋转，卫星上的天线将很可能形成波束匹配，因为相应卫星上的天线将很可能在某个点处排成直线。这可能花费卫星的多个回转，但是随着卫星持续旋转，在不同角速度下的旋转大大地增加了更多匹配将被创建的几率。这样，将从不同卫星上的天线的复杂的相互关系领会到，随着卫星在它们的轨道中移动并且围绕它们的轴线旋转，提供多个以相应的不同角速度旋转的卫星群将增加在任意给定的时间间隔期间在卫星对之间创建更多波束匹配的几率。如果可替代方案是不能发送和接收数据传输的特定地面站完全，那么在创建波束匹配的同时的任何结果的延迟可以是可容许的。
3.其他考量
已知在地球轨道尤其是较低高度处的地球轨道中旋转的本体的角速度从许多因素经受衰减。例如，即使地球大气在低和中地球轨道高度处是极薄的(本系统中使用的卫星优选地占据的区域)，然而绕轨道运行的物体仍然经历空气动力阻力。物体中的铁磁性材料通过穿过地球磁场的通道产生的力也可以影响旋转体诸如卫星的角速度。旋转卫星随时间经历角速度减小的趋势可以以各种方式被补偿。一种方式是使用本领域已知的制动火箭或主动机械设备。然而，因为本发明的一个目标是使建造、部署和保持在本文中描述的无线电系统中使用的卫星的成本最小化，所以优选的是，使用被动方法用于补偿卫星上的外力或用于创建控制卫星移动的力。
一个这种方法使用了仅在一侧上具有太阳能电池的太阳能面板，以运用撞击面板的光子的动量来创建关于卫星旋转轴线的扭矩。例如，参考图3和图4，对于被部署成围绕z轴逆时针旋转的卫星(如在负z方向上所观察到的)，每一个太阳能面板14a将仅在一侧上具有太阳能电池，该侧即图4右侧的太阳能面板14a面向观察者的一侧以及图4左侧的太阳能面板14a背离观察者的一侧。剩余的太阳能面板将仍然在两侧上具有太阳能电池。尽管更大的太阳能面板将增加卫星上的空气动力阻力，但是相信，通过明智的设计将可以提供将在卫星上产生净扭矩的大小、配置和定向的太阳能面板，该净扭矩克服了角速度衰减的趋势。
同样地相信，可以选择性地分布卫星部件的质量以使其围绕特定轴线旋转。因为期望电池将形成卫星质量的大部分，所以电池优选地将被置位在卫星的质心处并且具有关于旋转轴线对称的质量分布。此外，卫星上的地球磁场的效应可以通过在任何可能的地方使用非铁磁性材料诸如铝而被最小化。除了使用太阳能面板以提供关于旋转轴线的力矩之外，这些特征将满足至少减小卫星角速度的衰减率。
如上文提到的，以上用于控制卫星移动的被动方法中的一些或全部可以被采用在滚转卫星实施方式中。即，在一个变型中，一个或多个太阳能面板可以在仅一侧上具有太阳能电池，以在卫星上赋予不平衡的力矩以使其持续滚转。另一个变型可以将铁磁性材料置位在卫星上被选择的位置，随着卫星横越地球磁场，其将产生在量级和方向上变化的力。
因为起初被部署成旋转的卫星将很可能保持在轨道中，即使其初始角速度随时间衰减，它们作为地面站之间的无线电通路中的节点将仍然是可用的。因为根据本系统的卫星建造、发射和部署低廉，所以附加的旋转卫星可以被发射以取代其角速度已经衰减的任何卫星。这不仅将增加可用于通路创建的卫星数量，而且在任何老旧的卫星保持回旋的程度上，该效应将自动地利用通过使用以不同的角速度旋转的卫星而使得能用的被改进的性能。
V.其他修改和变型
将领会到，到目前为止所描述的结构和方法的许多变型和修改在本发明的范围内是可能的。上文的示例性实施方式使用了添加两个潜在无线电链接的品质因数以选择优选的无线电通路。然而，本发明涵盖了确定优选通路的其他方式，因为使用两个不同的潜在无线电通路的品质因数的总和将偏好多卫星通路而不是单卫星通路。这样，当在潜在的单和多卫星通路之间或者在两个潜在的多卫星通路之间进行选择时，尽管在单卫星通路中添加品质因数通常将引起最佳或优选的通路，但是更复杂和精细的算法可以是必要的，以实现本发明的该方面。当其他潜在通路出于一个或多个原因将包括被判断为劣等的链接时——其中的一些实施例在上文被讨论(在潜在的多卫星通路中的各种节点之间的不充足的信号强度和/或过多的出错率，低剩余卫星电池寿命，过多的链接负载，或消除具有低于预确定阈值的品质因数的潜在链接)——在这些情况下一个可能的方法将是选择特定通路。
本领域技术人员将认识到，如本文中所讨论的“品质因数”仅是表达选择被视为最佳用于两个地面站之间的数据通信的无线电通路的重要概念的一种方式。在确定特定潜在链接的品质因数中所使用的参数不限制于在本说明书中具体指出的那些参数。一个实施例将考虑卫星相对于彼此移动，使得卫星之间或卫星与地面站之间的潜在链接的质量将随时间改变。这样，在选择链接中的因素中的一个可以是链接质量(品质因数)关于时间的导数，因为正值将指示链接质量将增加并且因此更稳固，而负值将指示相反。
本领域技术人员将领会到，本文中所描述的无线电系统不限制于将卫星作为系统节点使用的实施方案。例如，在构造上与上文描述的卫星相似的节点可以从被允许在平流层中(或在较低高度处)自由漂移的气球而被悬浮。气球安装式节点将包括与上文描述的被布置在用于在多个方向上发射和接收信号的节点中的卫星天线对应的天线。另一个变型可以将这种节点安装在特定区域上随机部署的无人飞行器(“无人机”)上。相信，这种系统将使得直接来自手持式设备的通信能够比基于卫星的系统更容易，因为无人机将比在卫星节点系统中更靠近地面站(手持式设备)。
VI.总结与结论
本领域技术人员将容易地认识到，仅描绘和描述了本发明的被选择的优选实施方式，并且将理解，在不背离本发明的仅由所附权利要求定义的精神和范围的情况下，除了上文具体提到的那些之外，可以做出各种改变和修改。

Claims (34)

1.一种无线电通信系统，所述无线电通信系统包括多个卫星，所述卫星在随机轨道中绕地球运行而没有姿态控制，以提供用于在两个地面站位置处的收发器之间的数据通信的无线电通路，每一个卫星和地面站包括所述系统中的节点，其中，多个所述卫星中的每一个包括：
多个卫星天线，所述多个卫星天线用于从多个其他节点接收无线电信号并且用于发射无线电信号；
天线成对电路，所述天线成对电路用于储存地址信息，所述地址信息识别另一个节点，所述卫星从所述另一个节点接收通路信号，和识别所述卫星接收所述通路信号所在的卫星天线；以及
通路创建电路，所述通路创建电路用于从多个所述卫星天线发射通路信号，其中，所述通路信号包括：(i)识别所述卫星的链接信息，以及(ii)指示所述卫星和其他节点作为在所述两个地面站位置之间的无线电通路中的无线电链接的适合性的被接收的通路信号的质量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述卫星天线是指向性天线。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述卫星天线布置成基本上在围绕所述卫星中的每一个的整个的球形空间上发射和接收无线电信号。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述卫星天线布置成在小于围绕所述卫星中的每一个的整个的球形空间上发射和接收无线电信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述卫星节点被指定为第一类型并且所述地面站节点被指定为第二类型，并且该两种类型的节点不与彼此通信。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通路信号包括从节点发射的数字数据的包，每一个包包括：
头部，所述头部包含所述链接信息和被接收的通路信号的质量；以及
有效载荷，所述有效载荷包括样本数据流，所述样本数据流被接收通路信号的另一个节点使用以确定从所述卫星接收的通路信号的质量。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，被接收的通路信号的质量被表达为至少部分地基于所述样本数据流的出错率的量化的品质因数。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，多个所述卫星中的每一个还包括多个太阳能面板，其中，至少一个太阳能面板被定向成当所述卫星在其轨道运行期间暴露于太阳辐射时发电而与卫星定向无关。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，多个所述卫星中的每一个还包括用于向所述卫星天线、天线成对电路以及通路创建电路提供电力的电池模块，所述电池模块在所述卫星在其轨道运行期间暴露于太阳辐射时由所述至少一个太阳能面板充电。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述太阳能面板建造成引起所述卫星在轨道中滚转。
11.一种用于创建用于从接收地面站至发送地面站的数据通信的无线电通信通路的方法，其中，所述地面站包括用于发射和接收无线电信号的多个地面站指向性天线，所述方法包括：
(a)提供在随机轨道中绕地球运行而没有姿态控制的多个卫星，其中，多个所述卫星中的每一个包括用于发射和接收无线电信号的多个卫星指向性天线；
(b)在至少一个卫星的卫星天线处接收从发送地面站处的天线发射的初始信息信号；
(c)在接收所述初始信息信号的任意卫星处储存至少：(i)识别所述地面站的地址信息，从所述地面站接收所述初始信息信号，以及(ii)接收所述初始信息信号所在的卫星天线；
(d)从接收所述初始信息信号的至少一个卫星的多个天线发射链接信息信号，其中，所述链接信息信号包括：(i)识别所述卫星的链接信息，以及(ii)指示所述卫星和所述发送地面站作为所述地面站之间的无线电通路中的无线电链接的适合性的被接收的所述初始信息信号的质量；以及
(e)在接收至少一个链接信息信号的接收地面站处储存：(i)识别发射所述链接信息信号的所述卫星的地址信息，(ii)接收所述链接信息信号所在的所述接收地面站天线，以及(iii)在发射所述链接信息信号的所述卫星处接收的所述初始信息信号的质量；以及
(f)基于：(i)指示所述接收地面站和特定卫星作为所述地面站之间的无线电通路中的无线电链接的适合性的被接收的所述链接信息信号的质量，以及(ii)所述初始信息信号的质量，确定用于经由所述特定卫星从所述接收地面站到所述发送地面站的数据通信的无线电通路的质量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述卫星被指定为第一类型的节点并且所述地面站被指定为第二类型的节点，并且该两种类型的节点不与彼此通信。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括将数据传输从源地面站发送至目标地面站，其中，所述第一类型的节点仅发射第一模式的无线电信号并且仅接收基本上消除了对所述第一模式的发射的干涉的第二模式的无线电信号，并且所述第二类型的节点仅接收所述第一模式的无线电信号并且仅发射所述第二模式的无线电信号。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述初始信息信号包括数字数据的包，所述数字数据的包包括头部和有效载荷，所述头部包含至少所述发送地面站地址信息，所述有效载荷包括样本数据流，所述样本数据流由所述卫星使用以确定所接收的所述初始信息信号的质量；以及
所述链接信息信号包括数字数据的包，所述链接信息信号的数字数据的包包括：包含至少所述链接信息和所接收的所述初始信息信号的质量的头部，和包括由所述接收地面站使用以确定被接收的所述链接信息信号的质量的样本数据流的有效载荷。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，被所述卫星接收的所述初始信息信号的质量以及被所述接收地面站接收的所述链接信息信号的质量表达为至少部分地基于相应样本数据流的出错率的量化的品质因数。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括将包括数字数据的包的数据传输从包括接收地面站的源传送至包括发送地面站的目标，每一个数据传输包包括：包括所述目标的地址信息的头部和包括代表所述传输的内容的数据流的有效载荷，其中：
所述源使用接收所述链接信息信号所在的接收地面站天线将所述数字数据的包发射至所述特定卫星；以及
所述特定卫星使用接收所述初始信息信号所在的所述特定卫星的天线将所述数字数据传输的包发射至所述目标。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述数据传输包括多个包并且所述头部包括序列信息，所述序列信息指示包含所述传输的内容的所述包的原始次序，在所述数据传输期间从所述源至所述目标的无线电通路使用不同的卫星，以及所述目标使用所述序列信息来以所述原始次序放置所述包。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述卫星天线布置成基本上在围绕所述卫星的整个球形空间上发射和接收无线电信号，并且所述地面站天线布置成在基本上在地球的表面之上围绕所述地面站的整个球形空间上发射和接收无线电信号。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述卫星天线布置成在小于围绕所述卫星中的每一个的整个球形空间上发射和接收无线电信号。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，确定步骤由所述接收地面站实行，没有与所述卫星或其他地面站通信的中央计算机。
21.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述卫星部署成具有围绕旋转轴线的旋转速度。
22.一种用于从源地面站至目标地面站的数据通信的无线电通信通路，所述通路包括与所述地面站通信的在随机轨道中绕地球运行而没有姿态控制的多个卫星中的至少一个，每一个包括多个指向性天线，以用于从多个方向接收无线电信号并且在多个方向上发射无线电信号，其中，所述卫星包括：
多个指向性天线，所述多个指向性天线用于从多个方向接收无线电信号并且在多个方向上发射无线电信号；
天线成对电路，所述天线成对电路用于储存地址信息和天线信息，所述地址信息识别目标地面站，初始信息信号从所述目标地面站发射，所述天线信息识别接收所述初始信息信号所在的卫星天线；以及
通路创建电路，所述通路创建电路用于从多个所述卫星天线发射链接信息信号，所述链接信息信号包括识别至源地面站的卫星的链接信息，所述源地面站在所述地面站天线中的一个上接收所述链接信息信号，由此在所述源地面站处被接收并且指定特定目标地面站的数据传输由所述源地面站使用接收所述链接信息所在的所述地面站天线而被发射，并且所述卫星使用被储存的天线信息识别的所述卫星天线来发射所述数据传输。
23.根据权利要求22所述的无线电通信通路，包括多个卫星，其中：
第一卫星中的所述天线成对电路储存：识别目标地面站的地址信息，所述卫星从所述目标地面站接收初始信息信号；以及识别接收所述初始信息信号所在的所述第一卫星的天线的第一卫星天线信息；
所述第一卫星中的所述通路创建电路从所述第一卫星的多个天线发射中间链接信息信号，第一链接信息信号包括识别所述第一卫星至接收所述第一链接信息信号的第n卫星的第一链接信息；
所述第n卫星中的所述天线成对电路储存：(i)识别所述第一卫星的地址信息，以及(ii)识别接收所述第一链接信息信号所在的所述第n卫星的天线的第n卫星天线信息；
所述第n卫星中的所述通路创建电路从所述第n卫星的多个天线发射第n链接信息信号，所述第n链接信息信号包括识别所述第n卫星的第n链接信息，由此在所述源地面站处被接收并且指定特定目标地面站的数据传输由所述源地面站使用接收所述链接信息所在的天线而被发射，所述第n卫星使用由储存的天线信息识别的天线发射所述数据传输数据，并且所述第一卫星使用由储存的第一卫星天线信息识别的天线发射所述数据传输数据。
24.根据权利要求22所述的无线电通信通路，其中：
第一预确定数量的卫星被指定为第一类型的节点并且所述地面站被指定为第二类型的节点，并且该两种类型的节点不与彼此通信；以及
至少一个卫星被指定为所述第二类型的节点。
25.一种使用根据权利要求22所述的无线电通路来将数据通信从源地面站发射至目标地面站的方法，所述方法包括：
为所述源地面节点提供数据传输，以加密形式指定所述目标站的地址，以及包括代表所述传输的内容的数据流的有效载荷；以及
仅地理区域中的目标地面站包括使得能够访问所述数据流的解密密钥。
26.根据权利要求22所述的无线电通信通路，包括在所述目标地面站与中间地面站之间经由第一卫星的第一中间无线电通路以及在所述中间地面站与所述源地面站之间经由第二卫星的第二中间无线电通路。
27.根据权利要求22所述的无线电通信通路，其中：
所述卫星围绕旋转轴线旋转；以及
所述多个卫星中的每一个还包括被建造成在围绕所述旋转轴线的所述卫星上赋予力矩的多个太阳能面板。
28.一种使用根据权利要求27所述的无线电通路来从源地面站将通信发射至目标地面站的方法，所述方法包括：
将包括数字数据的包的数据传输提供给所述源地面节点，每一个数据传输包包括以加密形式指定所述目标站的地址的头部以及包括代表所述传输的内容的数据流的有效载荷；以及
仅地理区域中的目标地面站包括使得能够访问所述数据流的解密密钥。
29.根据权利要求22所述的无线电通信通路，其中，所述卫星天线布置成在基本上围绕每一个卫星的整个球形空间上发射和接收无线电信号。
30.根据权利要求22所述的无线电通信通路，其中，所述卫星天线布置成在小于围绕每一个卫星的整个球形空间上发射和接收无线电信号。
31.一种经由包括在随机轨道中绕地球运行的一个或多个旋转卫星的无线电通路将数据从源地面站发射至目标地面站的方法，所述方法包括通过所述源地面站转发用于传输的数据通信，其中，所述数据通信包括识别所述目标地面站的地址信息。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述无线电通路包括仅一个卫星。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，预确定的多个卫星在第一方向上围绕旋转轴线旋转并且第二预确定的多个在第二方向上围绕旋转轴线旋转。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，预确定的多个卫星以不同的角速度旋转。
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