CN112585887A - 具有随机分布的轨道卫星的通信系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于将数据发送到地面站的无线电通信系统包括多个随机分布的轨道卫星,其中多个天线遍历地球表面的被划分为多个区域的部分。地面站有唯一的地址来标识它自己和它所在的区域。与地面节点相关联的局域网包括至少一个卫星,该至少一个卫星存储与地面站天线配对的卫星天线的标识,以形成用于将卫星上的星载数据发送到地面站的无线电链路。局域网中的其他卫星存储地面节点地址以及与也已存储地面节点地址的另一卫星中的天线配对的天线的标识。广域网包括至少一个卫星,至少一个卫星中的每个卫星存储与已存储地面节点区域的另一卫星的天线配对的天线的标识,以形成至少一个卫星间无线电链路。如果带有星载数据的卫星不在与目的地地面节点关联的局域网中或广域网中,则该卫星将数据发送到地面节点区域。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年7月12日提交的美国临时申请第62/697250号和2018年9月30日提交的美国临时申请第62/739245号的权益,这些临时申请通过引用并入本公开的一部分,如同完整陈述一样。
技术领域
本发明涉及将数据从一个地面节点传输到另一个地面节点或从一个卫星节点传输到另一个卫星节点,并且更具体地,涉及使用新颖的路由协议和节点设计来建立卫星和地面节点之间的无线电链路的通信系统和方法,以及再更具体地说,涉及采用随机分布在不需要精确姿态控制的不确定的地理位置的多个卫星的这种系统和方法。
背景技术
相关技术描述
申请人的第10,084,536号、第10,085,200号、第10,291,316号美国专利和编号WO2018/039292的国际公布通过引用并入作为本公开的一部分,如同完整陈述一样,描述了许多创新的基于卫星的无线电通信系统和方法。这些系统的某些优选实施方案使用100个或更多个卫星组成的星座,这些卫星位于约500英里海拔高度的低地球轨道上。在这些文件中描述的申请人的做法之前,在基于卫星的通信系统中创建无线电链路问题的典型解决办法是在严格控制的轨道上以精确控制的姿态使用卫星。根据常规观点,这是确保两个卫星上或卫星与地面站上的天线配对以允许在它们之间传输信号的优选方式。
虽然这种常规方法通常支持卫星间通信,但要使卫星以严格控制的姿态保持在固定轨道中,就需要火箭推进器和火箭燃料,这就增加了卫星的尺寸、费用和重量。其他可能的姿态控制方法包括明智地放置卫星的太阳能板,并用机械装置操纵太阳能板,使卫星保持在所需的取向,这也增加了卫星的重量和复杂性。但卫星越大且越重,发射入轨的成本就越高,设计越复杂,每个卫星的成本就越高。申请人的系统通过使用在不受约束轨道中的不需要姿态控制的小型、轻量卫星突破了要求严格控制卫星定位和姿态的范式。消除了对火箭、火箭推进器和其他机械装置的需求,就意味着卫星更轻、更小、更便宜,有可能将实施基于全球卫星的通信系统的总成本降低几个数量级。
申请人先前公开的基于卫星的系统仍然能够通过采用更复杂的卫星部署策略、路由创建协议、卫星构造和天线配置来进一步节省成本并提高可靠性。本公开中讨论的方法包括但不限于:减少卫星或其他类型的空中节点的数量、提供有限程度的卫星姿态稳定、将卫星轨道限制在接近地球赤道或极地轨道的纬度范围、使用卫星之外的空中节点、使用不同海拔高度的空中节点、采用创新的天线设计、使用复杂的算法技术来促进节点到节点的无线电链路,并采用能够使用立方星(CubeSat)运载工具进行发射和部署的卫星配置(见维基百科条目“CubeSat,”https://en.wikipedia.org/wiki/CubeSat)。
发明内容
本发明的一个目的是提供天基的多节点通信系统和方法,其减少了必须在系统节点之间交换的信息量,并最小化了为从起始地面节点到目的地地面节点的数据通信创建优选和/或最佳无线电路由所需的计算。
本文所描述的系统和方法特别适于使用随机分布的卫星的星座来实现天基通信,这依赖于经由卫星之间以及卫星与地面站之间的天线配对来创建无线电链路的概率。下面对各种实施例的详细描述包括各种路由创建策略和卫星配置、天线构造以及卫星部署技术,以促进天线配对和无线电链路的创建。
在一些方面中,本文公开的系统和方法包括至少一个卫星,该至少一个卫星通过参考经由与全球导航卫星系统(GNSS)接口的星载(onboard)电子电路来确定其地理位置来采用路由协议。在其他方面,路由协议涉及自由形式路由,其中星座中的一些或所有随机分布的卫星不知道它们的地理位置或其他卫星的地理位置。
在另一重要方面,本发明涉及可用于支持在多个随机分布的卫星的星座中维护的分布式分类账的路由协议。
本发明的附加方面通过具有姿态稳定的新颖卫星配置来增加星座中不同随机分布卫星中的天线配对的概率。这些卫星配置可以包括独特的天线构造,以进一步增加在不同卫星中用于创建无线电链路进行天线配对的概率。
随着本描述的进行,将理解系统节点的许多不同方面和特征,特别是那些包括本文所描述的卫星实施例和基于卫星的路由协议的方面和特征,可根据特定通信系统的要求和目的以各种组合方式使用。
此概述仅用于以简化的形式介绍一些概念,这些概念将在下面进行详细描述。其不一定旨在识别本文所要求保护的主题的关键或基本特征,也不打算用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
通过以下结合附图对本发明优选实施例的详细描述,可以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表示相同的特征。以下是在随附的详细说明中使用的附图的简要标识。
包括图1A和图1B的图1示出了与本文公开和要求保护的天基通信系统中的低地球轨道中的卫星的使用有关的几何原理。
图2示意性地描绘了本文所公开和要求保护的适用于天基通信系统的卫星的实施例。
图3是图2中描绘的卫星的各种操作组件的表示。
图4是在用于提供长距离电子通信的系统中,如图2和图3所示的卫星的地球和轨道路径的墨卡托投影,其中,第一系统实施例包括低地球赤道轨道中的单卫星,第二系统实施例包括在低地球极地轨道中的单卫星。
图5是地球的墨卡托投影,示出如图2和图3所示的卫星的轨道路径,这些卫星部署在相对于赤道倾斜度不同的低地球轨道中的各种海拔高度处,其示出了用于使用多个随机分布的卫星的星座在长距离上提供数据传输的进一步的系统实施例。
图6是示出了包括无线电链路的局域路由网络的示意图,该无线电链路是在包括如图5所示的多卫星星座的长距离系统实施例中创建的用于将数据发送到地面节点。
图7是示出使用本文所述的路由协议的递归逻辑方法的流程图,包括图6所示的局域路由网络,用于经由长距离、多卫星星座将数据发送到目的地地面节点。
图8是示出卫星和地面节点位置的世界地图,用于描述结合图6和图7描述的路由协议的示例性应用。
图9示出了使用不同海拔高度的卫星的系统可以减少远地面节点之间的无线电链路数量的一种方式。
图10示出了两个地面节点之间的多卫星路由的示例。
图11(包括图11A、图11B和图11C)示意性地描绘了根据图4和图5中描绘的系统的替代实施方式的旋转卫星。
图12是具有圆柱形构造的替代卫星实施例的底部透视图。
图13是图12中的卫星的圆形侧壁的展开图,示出了卫星天线的布置。
图14是图12中的卫星的侧视图。
图15是图12中的卫星的俯视图。
图16是沿图14中的线16-16取的剖视图。
图17是沿图16中的线17-17取的剖视图。
图18是另一替代卫星配置的透视图。
图19描绘了可并入先前图中所描绘的卫星中以改进本文所描述的天基系统中的无线电链路创建和数据传输的替代卫星配置。
图20是具有图19的天线配置的卫星中的控制电路的示意性表示。
图21是能够在本文所述的系统中使用的卫星的CubeSat实现的示意性等距视图。
图22是示出可以使用本文公开的概念来实施的各种类型的基于空中的通信系统中的一些类型的示例的图。
本领域技术人员将容易理解,附图并非严格按比例绘制,但是当结合下面的优选实施例的详细描述时,将发现它们足以制作和使用本发明。
具体实施方式
随后的详细描述旨在提供说明实施所要求保护的主题的各种方式的特定实施例的具体示例。编写本文是考虑到所要求保护的主题所属领域的普通技术人员的知识水平。因此,某些细节可以省略,因为对于使这样的人能够实现本文所描述的实施例是不必要的。
以下对本发明的某些优选实施例的详细描述组织如下:
I.定义
II.基本通信系统原理和卫星设计
A.卫星设计:天线配置和星载控制电路
B.单卫星专用消息系统
1.单卫星消息系统-赤道轨道
2.单卫星消息系统-极地轨道
C.多卫星通信系统
1.多个卫星部署布置
2.路由创建和数据传输协议
D.分布式分类帐系统
1.应用于无线电路由的区块链原理
2.随机系统中的分布式分类帐
III.替代卫星构造和部署策略
A.旋转卫星
1.反向旋转的卫星
2.卫星以不同的角速度旋转
3.其他考虑因素
B.具有姿态稳定的卫星配置
C.替代天线配置
D.CubeSat兼容性
IV.所公开的概念的进一步应用
Ⅴ.总结和结论
I.定义
随后的描述使用了许多具有特定含义的术语。本文所描述和要求保护的系统的某些实施例的一个中心概念是,卫星可以“随机分布”或在“不受约束的轨道”中。这些术语都与申请人先前的美国专利第10,084,536号、第10,085,200号、第10,291,316号和国际公布号WO 2018/039292中使用的术语“任意轨道”有关。这些术语的预期含义是,一旦卫星部署在轨道上,就允许采用任何轨道路径,而无需通过星载推进系统向卫星施加动力。但是,术语既不打算排除以特定的轨道倾角、海拔高度或姿态对卫星的初始部署,也不打算排除相对于系统中另一卫星处于特定地理位置对卫星的初始部署。换句话说,“随机分布”、“不受约束”或“任意”轨道是指卫星被部署成使得其在任何给定时间相对于其他卫星以及相对于地球的位置在插入轨道后都不受控制,尽管卫星最初的部署方式可能是设计为提供地球表面的特定条带(swath)的覆盖范围。这些卫星不需要在数学意义上随机部署,但在这些术语的范围内使用数学方法来确定考虑由使用一个或更多个卫星的无线电路由所要服务的地球地理区域的卫星部署方向、倾角、海拔高度、速度等。此外,可结合上述任何部署技术或其他部署技术,沿不同轨道方向(绕地球向东或向西)发射单个卫星。例如,卫星可以根据运载火箭沿轨道行进的方向(即通常向东或向西)以不同的速度沿不同的方向弹出,因此经过一段时间后,它们将以基本上不受约束的方式将自己分离进入“任意”轨道。这会使地球上的观察者经常看到多个卫星的星座随机分布在任意轨道上。
应用于本文所述系统中的卫星的术语“被动姿态控制”和相关术语“无主动姿态控制”意味着卫星不携带姿态控制机构,姿态控制机构的部件由需要动力的星载装置移动到不同定位以有意地改变卫星相对于外部参照系的姿态。主动姿态控制机制的示例会是:带有推进器的推进系统,该推进器能够对卫星上施加扭矩以使卫星旋转;或带有移动部件的机械致动器,该移动部件用于改变卫星的重心或角动量或卫星太阳能板的定位和/或取向。这些术语不排除在不使用移动部件的情况下使用被动装置来改变或控制卫星姿态的情况,由此,卫星可能仅仅凭借其结构和其制造中使用的材料就有助于随时间变化而采取特定的姿态。此外,这些术语不排除使用各种方法,例如使用电学装置将卫星的姿态稳定在一定限度内。这可能包括诸如选择性切换一个或更多个电磁体的阵列的技术,以影响卫星姿态的方式改变它们与地球磁场的相互作用。术语“被动姿态控制”和“无主动姿态控制”也涵盖了当前已知或将来开发的类似技术。
在以下描述中使用的其他术语是“数据通信”和“路由消息”。除非另有明确说明或通过上下文指示,“数据通信”包括通过卫星之间或卫星与地面站之间的无线电链路发送的内容(数字或其他方式)。尽管不受此限制,但本文所描述的系统特别适合以分组(packet)的数据的形式进行传输,在此以一般接受的意义将其定义为数字数据的集合,其中的一部分代表传输的内容(有时称为“有效载荷”),和控制部分(有时称为“报头”或“报尾”),其中包含使得有效载荷能够成功传递的信息,例如源地址和目的地地址、错误检测代码和排序信息。路由消息是从系统中的节点(地面或空中节点)发送的无线电信号,它包含信息或具有可以用于确定该节点是否适合包含在多链路无线电路由中的属性。给定的无线电信号可以包括路由消息和数据通信。在本文的整个说明书中,术语“无线电”不限于参考通常称为无线电波的频率中的电磁辐射。它意味着包含能够发送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。
“节点”是具有一个或更多个收发器的物理对象,所述收发器用于发送旨在被其他节点接收的无线电信号并用于接收从其他节点发送的无线电信号。节点可以是陆地地面站(“地面节点”)或地球表面上方的收发器(“空中节点”)。空中节点包括但不限于绕地球轨道飞行的卫星、气球和无人机。地面节点可以是固定在地球表面的结构,也可以是安装在低空无人飞行运载工具(“无人机”)上,或者是安装在保持于海拔高度通常不超过500英尺的处于基本固定的定位的气球上("高架的地面节点")的一个或更多个收发器。高架的地面节点将使更多的用户能够在人口密度低的区域连接到通信系统。
如本领域的技术人员将认识到的,在本文公开和要求保护的主题的描述中,在各个附图中描述和描绘的控制电路和组件旨在作为能够执行归因于它们的功能的任何电子计算机系统的示例。这样的计算机系统通常将包括必要的输入/输出接口设备和具有合适的操作系统的中央处理单元(CPU)、用于执行程序指令的应用软件以及瞬态和非瞬态存储器模块。此外,为了便于参考,在本文中使用了涉及系统的元件的术语。例如,除非上下文另有明确指示,否则术语“组件”、“模块”、“系统”、“装置”、“接口”等通常意指计算机相关实体、硬件、硬件和软件(固件)的组合、软件或执行中的软件。另外,术语“模块”或“组件”本身并不意味着自包含结构,而是可以包括各种硬件和固件,这些硬件和固件结合起来执行特定的功能。就此而言,组件或模块可以是但不限于在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行文件、执行线程、程序和/或计算机。举例说明,在电子计算设备上运行的应用程序和该设备本身都可以是组件。一个或更多个组件可以驻留在进程和/或执行线程内,并且组件可以位于一台计算机上和/或分布在两台或更多台计算机之间。
II.基本通信系统原理和卫星设计
在通信系统中,诸如卫星之类的空中节点与地面节点和/或其他卫星交换无线电信号的一个重要参数是从卫星到地球表面地平线(horizon)的距离。图1A和图1B示出了诸如卫星S之类的空中节点的海拔高度与由卫星到地平线EH的距离所定义的其表面上的“覆盖区”之间的关系。超出该距离的地面站无法看到卫星,因此无法与其交换无线电信号。如果卫星S的海拔高度AL为200英里,则根据公式DH=[(R+200)2–R2]1/2,在地球表面上的覆盖区与到地平线EH的距离DH有关,其中R是地球E的半径。如果假定R为4000英里,则DH约为1280英里。这是一个半径,在这个半径内,卫星理论上会在地面上的点的视线范围内。卫星的覆盖区(卫星可见的地球表面面积)为π*DH2≈5,100,000平方英里(本领域技术人员将理解,这些理论值可能并非在所有情况下都是准确的,因为到卫星的视线在地平线处很浅,并且树木,建筑物,丘陵等可以减少实际距离和覆盖区。)同样的原因,在圆轨道中处于相同海拔高度的能够互相看到的两个卫星之间的距离大约是距离DH的两倍。任何基于卫星的通信系统的挑战之一是设计卫星和地面站,以便它们各自的天线可以配对,从而在这些远距离上创建无线电链路。
为了在随后的各种实施例的描述中进行参考,下表为不同海拔高度的卫星列出了它们与地平线的距离(DH)、覆盖区和周期(单个轨道所需的时间长度)
表格1
该表格揭示了设计基于卫星的通信系统时涉及的权衡之一,因为随着轨道海拔高度的增加,到地平线的距离和相应的覆盖区会增加,但是卫星与地面之间的无线电信号强度随着海拔高度的增加而衰减。这点和其他设计考虑因素将在以下的章节中讨论。
A.卫星设计:天线配置和星载控制电路
申请人先前的美国专利第10,084,536号、第10,085,200号、第10,291,316号和国际公布号WO 2018/039292公开了能够在卫星和地面站之间以及卫星之间创建无线电链路的卫星设计。那些卫星设计能够实现本文所讨论的路由协议,并且将用于描述那些协议的某些基本特征。为此目的而改进的卫星设计和部署策略也构成本公开的一部分,并且在下面进一步讨论。
图2是卫星10的实施例的示意性描述,该卫星在本节II的下面进一步描述的通信系统中可以用作空中节点。在上述专利和出版物中充分描述了这种卫星构造和操作的显著特征,并且在为了方便读者而在此重复。卫星10被示出具有以CT为中心的球体形状的壳,但是本领域技术人员将认识到,如果由其他设计考虑所述的,卫星可以具有不同的形状,这将在下面的节III中进一步讨论。卫星的某些特征将参考具有相互正交的x、y和z轴的坐标系来描述,但是在描述卫星特征时,该坐标系严格用于说明的目的。例如,可以认为施加在图2上的坐标系被束缚在卫星上,并且随着卫星改变取向(姿态)而改变其相对于地球的角度取向。
示例性卫星10包括多个天线模块12,出于说明的目的,在图2中以高度示意性的方式描绘了其中的一个天线模块。本示例中的每个天线模块包括在预确定方向上以更大电力发送和接收无线电信号的定向天线。本实施例使用圆碟形抛物面天线,每个圆碟形抛物面天线与在卫星内部的一点处的顶点具有立体角Ω。天线反射器(为清晰起见,从图中省略)可以凹置在卫星表面下方。合并到卫星中的分立天线模块的数量将依赖于系统的特定应用和天线设计。另外,天线模块可以以任何其它配置结构化,使得它们能够执行本文所描述的功能。在一个实施例中,将选择以球面度为单位的Ω,使得分布在卫星周围的特定数量的天线模块将能够向足够大的球形区域发送无线电信号并从足够大的球形区域接收无线电信号,以能够从地面站收发器和其他卫星的天线接收无线电信号并将无线电信号发送至地面站收发器和其他卫星的天线,从而实现下述系统的操作。可以使用已知的天线设计原理来确定天线模块12的实际配置以实现该目标。
本系统中使用的卫星将足够大以容纳卫星操作所需的各种电子和机械组件(以下结合图3进行详细讨论),以及在结构上要足够稳健以承受发射和长期暴露于在轨道上会遇到的敌对环境的压力。
应当理解,适合于在本系统中使用的卫星和天线可以依赖于技术人员在设计复杂系统中所熟悉的权衡而采取不同的形式。本文描述的某些方法的一个方面涉及从一个或更多个卫星中的多个天线发射无线电信号以供其他卫星上的天线接收。卫星节点中天线数量的增加将增加由其他节点发送和接收的无线电信号的覆盖范围,这进而又将增加来自一个节点的信号将在另一个节点被接收的概率。将进一步认识到,每个卫星的更多天线可能使得减少在多卫星系统中放置在轨道上的卫星的数量成为可能。这类卫星可能更贵、更重,从而增加发射成本,但其他因素可能会抵消增加的成本,因为可能需要发射的卫星更少。本领域技术人员还将认识到,本文所描述的系统可以利用具有天线集合的卫星节点来实施,该天线集合以小于完整的360°球形覆盖的方式发射。
卫星10还包括多个太阳能板,在图2中示出了其中的三个太阳能板14a、14b和14c。在所示的实施例中,太阳能板在相互垂直的平面中定向并且围绕卫星10等距离地间隔。为了描述本实施例中太阳能板的位置和取向,将卫星赤道16定义为在卫星表面与平行于x-y平面并通过球体的中心CT的平面相交处的大圆。零子午线18定义为在卫星表面与平行于x-z平面并通过球体的中心CT的平面相交处的大圆。法线子午线20定义为在卫星表面与平行于y-z平面并通过球体的中心CT的平面相交处的大圆。太阳能板14a在赤道16和零子午线18的相交处通过适当的安装结构22a附接到卫星。太阳能板14b在赤道16和法线子午线18的相交处通过适当的安装结构22b附接到卫星。太阳能板14c在零子午线18和法线子午线20的相交处通过适当的安装结构22c附接到卫星。
太阳能板通常是平面的,其中太阳能电池分布在一个或两个面上,以在太阳能电池暴露于阳光下时发电。为了获得最大的效率,将平面太阳能板安装在相互正交的平面中,以确保无论卫星的角度取向如何都有足够数量的太阳能电池暴露在阳光下。在所描绘的实施例中,太阳能板14a位于x-z平面,太阳能板14b位于x-y平面,太阳能板14c位于y-z平面。还应注意的是,该卫星还包括另外三个配套太阳能板,其中赤道、零子午线和法线子午线在卫星的另一侧相交。配套太阳能板(在图3中用撇号(')表示)优选地定向在图2中所示的对应部分14a、14b和14c中的每个对应部分相同的平面中。每个太阳能板均描绘成垂直于卫星表面,从而不妨碍由与太阳能板临近的天线对无线电信号的传输和接收。
应当理解,图2仅旨在说明理解本实施例所必需的卫星10的特征。本领域技术人员将理解,用于实现本系统的实际卫星可以具有图2的示意图中未示出的设计特征。例如,良好的设计实践可能要求将天线口凹置在卫星的周围表面的下方,以减少空间碎片撞击损坏的概率。或者,可以通过用一片对于在卫星处发送和接收的信号而言透明的材料覆盖在(凹置或不凹置的)每个天线口上来提供额外的保护。图2中所示的太阳能板14的设计和放置也是高度示意性的,并且本文公开和要求保护的系统不限于任何特定的太阳能板配置、放置或部署方式。在另一变体中,天线可以布置成使得太阳能板可以安装成在天线口之间的空间中与卫星表面齐平。
图3示意性地示出了由卫星10(链路节点)容纳的用于创建能够向其他节点发送数据传输和从其他节点接收数据传输的无线电路由的各种组件。如本领域技术人员将容易认识到的,在包括本文中公开和要求保护的主题的该通信系统的方面这种实施例和其他实施例以及的描述中,在各个附图中描述和描绘的控制电路和组件旨在作为能够执行归因于它们的功能的任何电子计算机系统的示例。这样的计算机系统通常将包括必要的输入/输出接口设备和具有合适的操作系统的中央处理单元(CPU)以及用于执行程序指令的应用软件。卫星的星载计算机系统还将具有用于存储信息的适当的存储器模块。此外,为了便于参考,在本文中使用了涉及系统的元件的术语,而不是通过限制它们的功能或操作模式的方式来使用。
更详细地参考图3,在图2中x-z平面的视图中描绘了卫星10。应当理解,图3与本文中用于描述主题通信系统及它们的组件的许多其他描述一样,不是按比例的。它描绘了太阳能板14a和14c,如图2所示,以及上述直径上相对的配套太阳能板14a'和14c'。它还描绘了多个天线模块12a、12b、12c、12d、12e和12f,其旨在作为所有在卫星10上的星载天线模块的示意图表示,所述多个天线模块用于发送和接收无线电信号,如上文结合图2所讨论的。该示意性描述旨在传达本实施例的操作原理,由此多个天线模块的组合将能够在多个径向方向上向节点发送无线电信号和从节点接收无线电信号。(然而,如已经注意到的,本文所描述的系统也可以利用具有天线阵列的链路节点来实施,该天线阵列以小于完整的360°球形覆盖的方式进行发送。)
卫星10包括能够为操作卫星组件提供可靠电力源的电力模块30。电力模块30包括由太阳能板产生的电来充电的可充电电池。合适的电力调节设备为卫星携带的各种电子组件提供稳定状态的电力,即使太阳能板将花费每个卫星轨道的一半时间在太阳视线之外。除了电力模块之外,卫星还包括中央处理单元40,中央处理单元40具有操作系统模块42,该操作系统模块42存储用于控制卫星的各种功能的操作软件。如图3所示,CPU 40经由电力和数据链路40a、40b、40c、40d、40e、40f等可操作地连接到所有天线模块12。
图3还示出了在操作系统模块42的控制下的三个主要操作模块。全球导航卫星系统(GNSS)模块44与全球导航卫星系统进行通信,例如基于美国的全球定位卫星(GPS)系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)系统和中国的北斗系统。该模块使卫星能够以已知的全球导航卫星系统所采用的方式确定其相对于地球表面的位置。路由创建模块46使用经由天线模块12在系统节点之间交换的无线电信号,该路由创建模块46包括用于执行下面进一步逻辑讨论的天线配对电路,以创建包括支持两个或更多个节点之间的数据通信的无线电链路的无线电路由。数据移动模块48包括控制节点之间的数据(内容)的传输的数据传输电路,如下面更详细地进一步讨论的。如上面所建议的,图3中用于路由创建和数据移动的单独模块的图示并不一定意味着标识要在无线电路由中使用的无线电链路,并且在链接的节点之间传输数据不是创建用于从一个卫星到另一个卫星或者在卫星和地面节点之间发送数据通信的优选无线电路由的或多或少的统一过程的部分。
本文描述的某些系统和方法的另一个重要特征是卫星可以在没有主动星载姿态控制的情况下运行。然而,如节III.B所述,用于提供被动姿态控制以将卫星姿态稳定在一定限度内的某些结构可以改善系统的运行,而不会实质性增加制造和发射卫星的成本。因此,在一种基本形式中,可以准许卫星在不考虑其角度取向的情况下绕轨道运行。预计可以从诸如空间站之类的运载火箭上部署卫星。在一些实施方式中,可能优选尝试以尽可能小的角速度部署它们,但是在某些实施例中,在这方面不需要特别的努力。本文描述的一些系统实施例可以创建无线电路由,即使卫星在它们的轨道上时翻滚,这意味着它们不需要处于已知的预确定取向(姿态)。卫星可以通过不受约束的轨道随机分布,并且没有主动姿态控制,或者在某些情况下可以在一定限度内稳定姿态,因此无需使用重型和昂贵的星载系统来操作星载机构,例如用于改变或保持卫星位置或姿态的火箭推进器。此外,每个卫星都可以包括跟踪遥测,以检测其轨道何时衰减以及何时需要更换,并遵守适用于轨道体的任何国家或国际协议。但是,预计提供的此类遥测将相对简单且便宜。
B.单卫星专用消息系统
刚刚描述的卫星对于制造和发射而言是足够便宜的,它们可以用在专门用于发送电子邮件通信的专用通信系统中。该系统的基本原理将参照图4来解释,图4基于地球的标准墨卡托投影,示出了赤道(纬度0°),北回归线(北纬23.5°)和南回归线(纬度23.5°S)。还指示了0°、90°E、180°和270°E(90°W)处的经线,以供参考。
1.单卫星消息系统-赤道轨道
据观察,根据格雷格·威勒(Greg Wyler)提出的“O3b”卫星通信系统,位于北回归线和南回归线之间的不发达区域内的人们通常受限地或根本无法访问互联网。参见维基百科条目“O3b”https://en.wikipedia.org/wiki/O3b_(satellite)。(该名称指的是据称有30亿人居住在以赤道为中心的地表带,这些人受限地或根本无法访问互联网。)然而,到目前为止,为部分地实施O3b系统花费了数亿美元,看来它依赖于昂贵的传统通信卫星,这些卫星携带着火箭推进器以将它们保持在受严格限制的轨道和姿态。此处描述的申请人的系统可以向同一人群提供通讯服务,而费用仅为一小部分。
参考图4中双虚线所描绘的轨道路径OPE中的单卫星S100E来描述本实施例。尽管这种类型的单卫星系统具有特定的、有针对性的功能,但随着本说明的进行,明显的是它可以用于实现远距离地面位置之间的通信,否则可能很难经由电子通信进行连接。在本实施例中,卫星S100E可以是如上文结合图2和图3所述的卫星,其从赤道附近的站点发射进入圆形轨道,例如欧洲航天局和法国国家空间研究中心(CNES)使用的圭亚那航天中心GS。该站点位于北纬5°,因此在正东(或西)发射的卫星将沿轨道路径OPE中紧密跟踪赤道,在图中示出为以赤道为中心的非常浅的正弦波,南和北最大距离约340英里(覆盖约680英里宽的条带)。下面的讨论利用了这样一个事实,即,如本文所述构造的卫星在建造和发射到轨道上是如此便宜,以至于该系统可以支持专用消息系统,在该消息系统中个人用户的组或小型企业发射单卫星并将其使用仅限于系统订户。
将使用在约400英里的海拔高度上的轨道运行的卫星作为示例来描述本实施例。从上面的表格1可以看出,S100E卫星在每个轨道上时都应该对地球表面的以北回归线和南回归线为界的3200英里宽的条带内的所有或大致上所有点可见。这由第一示例性覆盖区F1E和第二示例性覆盖区F2E说明,所述第一示例性覆盖区和所述第二示例性覆盖区直径约为3600英里(表格1;400英里高的轨道)在轨道路径OPE中的不同位置以双虚线圆圈示出。此外,在400英里海拔高度的任何非赤道轨道上,轨道路径将在每个连续轨道中相对于地面“偏移”约24°(≈1600英里)(为清楚起见,图4中省略了对其的描绘)。因此,即使是图4所示的稍微非赤道的轨道,地球表面热带以北和以南的某些部分每天都将看到卫星。如果可以通过精确跟踪赤道的轨道路径来部署卫星,则在每个轨道上,在热带地区之间3200英里宽的条带中的所有或几乎所有位置都可以看到卫星。
作为这种系统中一个地面站如何与另一个地面站通信的示例,考虑位于尼日利亚的乌约(Uyo)的订户,他希望向菲律宾的莱特岛(Leyte)的另一个订户发送消息。乌约位于5°N(距赤道约340英里),莱特岛位于11°N(距赤道约750英里)。从圭亚那航天中心(5°N)发射到400英里高轨道的卫星将在乌约(5°N)和莱特岛(11°N)两者的视线范围内通过,如覆盖区F1E和F2E所示。
在典型的路由协议中,乌约中的订户在他或她的配备有适当应用程序的电子设备上编写消息,该消息将发送给莱特岛中的用户。该应用程序可以提供标识莱特岛订户地面站的纬度和经度的地址信息。该消息只有在乌约视线范围内才能被上传到卫星。由于卫星的轨道周期为97分钟(表格1),因此用户可能必须等待几乎那样长的时间才能上传消息。通常,用户的设备将与具有多个定向天线的地面站进行通信,该地面站周期性地(例如每分钟)发送电子邮件,直到卫星向地面站返回其已接收到该传输的确认握手为止。地面站进行的重复传输可以在后台进行。可选地,当卫星已经成功地接收到消息时,卫星可以向用户发送通知。
卫星在其路由创建模块48中存储以莱特岛的经度和纬度形式的目的地信息。卫星还借助于GNSS模块44知道自己的位置。当卫星在莱特岛目的地坐标视线范围内时,其数据移动模块开始借助于其天线12中的所有天线发送消息。乌约位于东经7°,莱特岛位于东经125°,约为轨道的三分之一。因此,在卫星接收到来自乌约起始地面站的信息后,卫星落入莱特岛目的地地面站的范围内将花费不超过约32分钟。当目的地地面站接收到该消息,它向卫星返回确认握手。优选地,卫星以某种方式存储确认握手(例如设置旗标),并在卫星完成其轨道时将确认握手发送给乌约地面站。将理解的是,如果地面站在卫星的视线之内(两跳路由),则该卫星可能能够将消息直接发送到目的地地面站。
在极低海拔高度的赤道(或近赤道)轨道上具有单卫星的系统将受限于该系统可访问的地球表面的面积。将卫星部署在越来越高的海拔高度将增加覆盖范围面积,尽管这因为无线电信号随着其行进距离的增加而衰减而将使与地面站建立无线电链路变得更加困难。替代方法可以使用在低海拔高度的赤道(或接近赤道)轨道上大致上均匀间隔开的多个卫星。由于制造和发射卫星的成本较低,因此这基本上不会增加系统的成本。
上面的示例要求用户(或他或她的设备上的应用程序)知道目的地地面站的完整地址信息。在替代实施例中,与特定地面节点相关联的用户可以向与另一地面站相关联的用户发送常规电子邮件。在该实施例中,发送者以熟悉的电子邮件格式“recipient@internetserviceprovider.xxx”输入目的地信息。用户的设备可以包括应用程序,该应用程序知道可以访问ISP电子邮件网络的ISP服务器在地面上的位置。当用户将电子邮件上传到卫星时,它将包括ISP服务器的经度和纬度,而当卫星在服务器的范围内时,它将如上所述发送电子邮件。然后ISP使用其网络传递电子邮件。
2.单卫星消息系统-极地轨道
图4还以双点划虚线示出了在海拔高度为200英里的大致上圆形的极地轨道上发射的单卫星S100P的地面轨迹。在该海拔高度下,卫星的轨道周期约为91分钟,并且每天将绕地球进行轨道运行16次,因此在每个连续的极地轨道路径OP1P、OP2P、OP3P、OP4P、OP5P、OP6P等中,地面轨迹过程的经度约为经度22°。卫星在这六个轨道上的地面轨迹显示为包括乌约和莱特岛的纵向条带。(为清楚起见,描绘这些轨道路径的线在中央纬度区域上是断开的。)图4还在左侧示出了在地球另一侧的整个极对极轨道路径OP3P、OP4P、OP5P和OP6P(与图中右侧的各自的对应部分相距180°)。对于轨道路径OP3P的“左”支部而言示出赤道处直径1200英里的覆盖区FP0。(见表格1;200英里高轨道。)双点划圆形区域FP0描绘了轨道路径OP4P中卫星S100P在赤道的覆盖区,双点划线界定的阴影伸长段FP45描绘了同一轨道路径在北纬45°处的卫星覆盖区。(卫星覆盖区实际上在地面上是圆形的,但由于墨卡托投影引起的失真,随着卫星行进远离赤道,卫星覆盖区在图中会伸长。)从图4中将认识到,地球表面上的每个点每天至少一次“看见”卫星S100P。
从尼日利亚的乌约向菲律宾的莱特岛发送消息的过程可以与上述有关赤道轨道上的单卫星的发送过程类似。乌约中的用户上传了消息,其中包含地址信息,该地址信息标识了莱特岛订户的地面站的纬度和经度。该消息只有卫星在乌约视线范围内才能上传到卫星,如果卫星刚刚越过到乌约视线范围之外,则可能需要将近12个小时该消息才上传到卫星。从覆盖区FP0的大小可以认识到,它可能需要6个轨道,或者每个轨道91分钟(表格1),大约需要9个小时,才能让携带电子邮件的卫星到达莱特岛目的地坐标的视线范围之内。尽管这比卫星在赤道轨道上所需的时间要长,但将卫星置于极地轨道将使地球表面的任意两点之间能够进行通信,而不仅仅是赤道两侧的条带。此外,覆盖区FP45示出,在远离赤道的纬度上,该卫星只需经过一个或两个轨道,就可用于诸如北美和西欧之类的人口稠密地区的大量地面站。实际上,当卫星接收到消息时,它也可能在目的地地面站的视线之内。
在替代实施例中,极地轨道系统可以如上所述使用ISP的服务器发送电子邮件,而不是等待卫星完成几个轨道后才能将其消息发送到遥远的目的地地面站。这将使单卫星、极地轨道消息系统更具吸引力,因为在许多情况下,它将大大减少电子邮件到达其目的地所需的时间。
本领域技术人员将认识到,与在0°轨道平面(绕赤道)或90°轨道平面(极地轨道)中的系统相比,以相对于赤道倾斜的轨道进行轨道运行的单卫星将具有某些优势。例如,相伴增加的覆盖区域将使直接从卫星发送消息成为可能,如上文所述,该消息直接上传到目的地地面站,但服务范围更广。增加卫星的数量将使得不仅能够在给定的区域建立这些类型的两跳路由(因为更多的卫星可能能够从该区域的地面站接收消息),而且能够在更多的区域建立这些类型的两跳路由(因为在任何给定时间更多地区将看到至少一个卫星)。
节II.B中所述的系统非常便宜,并且如前所注意到的,他们适合于专用消息系统,在该系统中,用户或小型企业可以发射单卫星并仅限于系统订户使用。然而,在单卫星系统中,长的潜在延迟周期(用户发送消息到接收消息之间的时间)对于某些用户来说可能是不可接受的。对于出于其他目的访问和使用互联网来说,这在某种程度上也是不切实际的,但是所描述的系统是完全可扩展的,并且可以通过简单地添加更多卫星而使这些应用的功能更强大。由于卫星的制造和发射成本极低,因此即使是小型企业也可以利用该技术。
C.多卫星通信系统
该节II.C讨论的系统包括在相对于赤道以不同角度倾斜的轨道上多个随机分布的卫星。这些类型的系统可以用于各种应用,而不仅仅是数据通信。例如,根据本节中讨论的原理部署卫星星座并使用数据通信路由协议还可以支持以下节II.D中讨论的天基的分布式分类帐实施方式。
1.多个卫星部署布置
图5将用于讨论使用处于不同海拔高度和轨道倾角的多个卫星以减少延迟并增加上述基本电子邮件系统的功能的示例性系统。该图示出了具有不同倾角的四个轨道轨迹中的卫星。双虚线所示的第一轨道轨迹OT1表示卫星S1X从北纬度5°的圭亚那航天中心(GS)部署进入200英里海拔高度的绕赤道圆形轨道;点划线所示的第二轨道轨迹OT2表示卫星S2X从印度萨提希达万(Satish Dhawan)航天中心(SD)(北纬13°)部署进入200英里海拔高度圆形轨道;长虚线所示的第三轨道轨迹OT3表示卫星S3X从佛罗里达州的卡纳维拉尔角(CC)(北纬28°)部署进入400英里海拔高度圆形轨道;以及短虚线所示的第四轨道轨迹OT4表示卫星S4X从哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场(北纬45°)部署进入800英里海拔高度圆形轨道。为了说明的目的,冰岛的雷克雅未克也显示在北纬64°处。可以理解的是,这些是本系统中卫星可以假设的轨道轨迹示例。轨道可以是正转的,也可以是逆转的,同样可以是圆形或椭圆形的,或者一些卫星可以在一种类型轨道上,而另一些卫星可以在其他类型的轨道上(也就是说,任何正转的、逆转的、圆形的和椭圆形的轨道的组合)。
一个示例性实施例,包括如图2和图3所示结构的25个卫星,位于轨道OT1和OT2的每个轨道轨迹上,被设计主要服务于北回归线和南回归线之间的赤道区域,将用于说明在多卫星系统中传输通信的第一路由协议的一些基本原理。轨道轨迹上的卫星将按照上面结合图4所讨论的进行处理,因此经过一定的时间后,它们对地面的观察者看来将任意地(随机地)分布在天空中。可以通过对卫星在每个轨道轨迹上的部署进行明智地定时,例如通过以大致相等的间隔在特定轨道轨迹上部署卫星,来缩短实现随机分布所需的时间长度。虽然在理论上可以使用足够复杂的算法来预测或至少估计卫星的位置作为时间的函数,从而预先确定部署定时,但是在本系统中不必预测它们相对于彼此的位置。这是因为作为随机系统,它依赖于在不同的空中节点之间以及空中节点和地面节点之间建立无线链路的概率。轨道轨迹OT1和轨道轨迹OT2上的卫星覆盖区为5,000,000平方英里(见表1;200英里高轨道),用双虚线圆FP1表示轨迹OT1上的卫星S1X(类似于图4中的轨道路径OPE),用点划圆FP2表示轨迹OT2上的卫星S2X。
在无约束的随机轨道上使用多个卫星的系统中,一个需要考虑的问题是,在任何给定时间,有多少个卫星可能在地球表面的给定点的视线范围内。在本示例中,北回归线和南回归线之间的地球条带面积约为80,000,000平方英里(地球表面约200,000,000平方英里的40%)。在轨道轨迹OT1和OT2上有50个卫星组成的星座,每个卫星“覆盖”该条带的大约6.25%的面积(5,000,000平方英里÷80,000,000平方英里),因此平均而言,热带之间地面上的任何一点都将“看到”50个卫星中的至少三个卫星(50×0.0625=3)。同时,从地球上热带之间的任何特定点看不到卫星的机会将是93.75%。如果有50个卫星,那么地球上的该地区中的任何给定点连至少一个卫星都将看不到的概率仅为0.937550≈0.040(即约25分之一)。另外,通过将卫星添加到星座,该系统具有完全的可扩展性。例如,如果星座由100个卫星组成(0.9375100≈0.0016),则地球上任何给定点至少一个卫星都将看不到的概率下降到约600分之一;如果星座由200个卫星组成,则所述概率下降到小于400000分之一。
任何给定的卫星都能“看到”的其他卫星的数量也是组合多卫星无线电路由的重要因素。在本实施例中,每个卫星理论上可以“看见”地平线上方约2,600英里(表格1中的2×DH)。由于来自在给定卫星的地平线EH处的地面结构的干扰可能会缩短该距离,因此2400英里是较为保守的估计。半径为2,400英里的圆的面积约为18,000,000平方英里,这是系统中50个卫星所遍历的80,000,000平方英里的面积的22.6%,这意味着平均而言,任何给定的卫星至少会看到该星座中的其他11个卫星(50个中的22.6%)。即使图2所示的天线结构只能覆盖卫星球面的60%(由于结构上的限制,例如需要提供安装太阳能板的位置),天线很可能可以在特定卫星与其他11个潜在可用卫星中的至少一个卫星之间配对。(下面的节III.进一步介描述有助于系统节点(包括卫星到卫星的无线电链路)之间进行天线配对的卫星和天线结构。)而且,增加星座中的卫星数量将相应地增加能够成功地将一个卫星中的天线与另一个卫星中的天线配对的概率。
本系统的重要特征包括但不限于将其扩展到更复杂的系统的能力,该复杂系统合并了更多卫星和不同海拔高度的其他类型的空中节点,该复杂系统具有适应各种部署策略的能力,以及补偿轨道衰减和卫星故障的能力。还可以将额外卫星部署在更高的轨道上,以增加它们的表面覆盖区和它们可以看到其他卫星的距离。此外,由于大气层造成的阻力不可避免地导致轨道衰减,卫星的海拔高度降低时,该系统仍然可以正常工作。替代卫星可以以较低的成本发射,因为它们制造成本低廉,而且相对于已经在轨的卫星而言,不必部署在任何特定位置。因此,当卫星发生故障时,可以在不影响系统运行的情况下廉价地更换卫星,使得在本公开中描述的系统中使用的卫星基本上是一次性的,而即使卫星丢失,系统仍然可以运行。
本领域技术人员将容易认识到,下面结合轨道轨迹OT1和轨道轨迹OT2中的卫星S1X和S2X(x=25)的星座的本示例描述的路由协议和原理适用于卫星在其他海拔高度跟随其他轨道轨迹的系统。图5还示出了具有在第三轨道轨迹OT3中的多个卫星S3X和在第四轨道轨迹OT4中的多个卫星S4X的星座。轨迹OT3中的卫星S3X将具有的覆盖区约为10,000,000平方英里,由长虚线圆圈FP3表示,并且还将看到距离最远约为3500英里的其他卫星(表格1;400英里高的轨道)。轨迹OT4中的卫星S4X将具有的覆盖区约为21,000,000平方英里,由短虚线椭圆段FP4表示,并且还将看到距离最远约为5000英里的其他卫星(表格1;800英里高的轨道)。特别是,与卫星S4X覆盖区相关的阴影区域表明,从足够向北的位置和足够的海拔高度发射的卫星将能够在非常向北(和向南)的地面纬度上与地面站进行传输。从下面的描述中将明显的是,本文所描述的路由协议将支持与包括这些类型的更高度倾斜的轨道中的卫星的星座进行通信,并且因此能够在全球整个人口稠密的地区中的几乎任意两点之间进行可靠的数据传输。
2.路由创建和数据传输协议
如前所述,首先将结合200英里高的圆形轨道OT1和OT2中的50个卫星的星座,来描述多卫星系统的路由创建协议的基本原理。尽管该系统可以包含在较高海拔高度轨道运行的卫星,但较低轨道的卫星将在与地面站建立无线电链路所需的较少电力方面提供优势。例如,将海拔高度从400英里降低到200英里可以提供高达6dB的电力优势。此外,尽管低海拔高度卫星的轨道会因大气阻力而更快地衰减,但本系统中使用的卫星可以变得足够小,以便在进入大气层更远时迅速燃烧。
由于任何地面站平均都可以看到三个卫星(见上文),因此有合理的可能性可以立即将无线电信号从热带地区之间覆盖的条带内的地面站上传到头顶的卫星上,或者最多只有很短的延迟。(如上所述,星座中的卫星越多,至少一个卫星可用于实时接收此传输的概率就越大。)无线电信号传输数据通常将采用分组形式,其中内容在有效载荷部分中,并且目的地信息在报头或报尾部分中。
数据传输的路由协议。本文描述的数据传输路由协议使数据传输通常需要较少的计算能力,从而减少了卫星电池的消耗。使用图2和图3所示的基本卫星设计,数据传输是通过卫星中天线与天线配对之间的无线电链路在卫星之间发送的。通过包括在各自卫星中的路由创建模块46中的天线配对电路来创建无线电链路。下面的节III.C描述了以下实施例,该实施例包括用于在系统节点之间创建无线电链路的新颖卫星和天线配置,该无线电链路有助于实现这里讨论的路由协议。
在本实施例中,由系统服务的地球区域(在此示例中,热带之间的地球条带)被划分为若干区域,区域的数量多少是任意的。这些区域应足够大,以在任何给定时间使每个区域中有至少一个卫星的概率最大化;也就是说,区域的大小至少部分是基于系统中卫星的数量以及它们所遍历的地球表面范围来选择的。本示例将赤道与北回归线和南回归线中的各者之间的条带划分为20个大致矩形的区域。赤道处的地球周长约为25,000英里,从赤道到每个热带地区的距离约为1600英里。因此,每个区域的面积约为2,000,000平方英里(1250英里×1600英里)。所得的总共40个区域中的每个区域都分配有唯一的标识符,例如连续的数字,并且每个地面节点都分配了唯一的地址信息。此外,系统中的每个地面节点都存储标识其所在区域编号的位置信息。在替代布置中,地面节点可以存储区域的纬度和经度边界。卫星会以很短的间隔刷新其地理位置。在这里描述的实施例中,路由协议建立两个路由网络,局域路由网络和广域路由网络。
在本路由协议中,系统中的每个地面节点创建局域路由网络,该局域路由网络将到自身的路由定义为数据传输的目的地。参照图6,创建到特定地面节点GN的局域路由网络始于以预确定的间隔(通常大约每四秒一次)将初始路由消息RMI连续传输到空间中。如果特定的地面节点是具有定向天线阵列的永久陆地地面站,则它将在每个方向(即在地面站周围的整个半球区域)发射高功率波束。通常,这样的地面站实际上将具有无限的电力,这将增加由轨道星座中的至少一个卫星接收到的初始路由消息的可能性。当卫星从初始地面节点GN接收到初始路由消息RMI时,它通过记录(即存储)初始路由消息中包含的某些信息来发起局域路由网络的创建。这包括地面节点地址信息,其包括区域部分以及唯一地址部分,该区域部分标识该地面节点所位于的区域,该唯一地址部分包括与每个单独的地面节点相关联的唯一地址信息。接收初始路由消息的卫星还确定初始路由消息的质量Q,如下面的段落中进一步描述的。为方便起见,将从初始地面站接收初始路由消息的卫星称为“第一阶卫星”。卫星中的天线具有唯一的标识符,并且每个第一阶卫星存储天线的接收有初始路由消息的标识以及与地面节点GN相关联的地面节点地址信息。第一阶卫星和地面节点之间的链路在图6中用粗虚线表示。卫星的天线配对电路仅接受来自卫星所在区域中地面节点的初始路由消息RMI。如上所述,区域大小是根据卫星的数量和系统的覆盖范围面积来选择的,以增加每个区域有至少一个卫星的可能性,从而能够为每个区域都组合局域网。
图6示出了五个第一阶卫星1A、1B、1C、1D和1E的局域路由创建。在附图中,初始路由消息由参考符“RMIX”来指代,其中“X”是接收路由消息的第一阶卫星。将理解的是,在实际系统中,可以有更多的卫星接收初始路由消息,以及在地面节点的区域中的许多卫星不接收初始路由消息。通过接收第一阶卫星确定的每个初始路由消息的质量Q在每个路由消息的括号中给出。质量Q是定量参数,其指示两个节点之间用于支持节点间数据传输的无线电链路的可取性,如下所述。在本系统中,Q是所测得的信号强度。其他实施方式是可能的,例如在路由消息中包括错误编码数据,然后评估路由消息中包含错误数据的程度。但是,所测得的信号强度是一个优选参数,因为它不需要在路由消息中包括额外的数据,这将增加其传输所需的带宽、电力和时间。
在创建局域网路由网络的下一步中,所有第一阶卫星均借助于其所有天线发送第一阶路由消息。第一阶路由消息包括初始路由消息的质量以及地面节点地址信息。接收第一阶路由消息的卫星称为第二阶卫星。图中示出了四个第二阶卫星2A、2B、2C和2E。与上述术语一致,第一阶路由消息由参考符“RM1X”来指代,其中“X”是接收第一阶路由消息的第二阶卫星。第二阶卫星所接收的路由消息由单虚点划线表示。每个第二阶卫星记录其接收第一路由消息的天线的标识。第二阶卫星还确定接收到的第一阶路由消息的质量Q。
图6示出了在诸如第二阶卫星2A之类的卫星接收标识相同地面节点的两个路由消息的情况下路由协议的操作。比如说,卫星2A借助于天线AX接收第一阶路由消息RM1A,借助于天线AY接收第一阶路由消息RM1B。尽管RM1B的质量(Q=8)比RM1A(Q=6)更高,但是通过卫星1B到地面节点GN的路由将包括质量Q=1的链路RMIB。运用“一条链的强度仅取决于其最弱的链路”的原理,卫星2A将存储其接收到第一阶路由消息RM1A(Q=6)的天线AX,因为到地面节点GN的另一潜在路由将包括具有最低质量(Q=1)的链路RM1B,即使链路RMIB(Q=8)和RM1B(Q=1)的质量之和更高。也就是说,卫星2A从初始路由消息和第一阶路由消息中丢弃(不存储)接收到具有最低质量(最低信号强度)的路由消息的天线,并且存储接收另一个第一阶路由消息的天线的标识。该子路由由粗的单虚点划线表示,该粗的单虚点划线表示经由优选的第一阶路由消息RM1A建立的链路。丢弃的潜在链路由非粗体的单虚点划线表示。第二阶卫星存储:所选择的天线AX的标识、在该天线上接收的最低质量路由信号(RMIA)的质量Q(Q=2)以及其路由到的地面节点GN的地面节点地址信息。在某些情况下,任何卫星都不接收第一阶路由消息,例如图6中的卫星1D。在这种情况下,通过该卫星的局域路由网络只有一条链路。
然后,第二阶卫星借助于其所有天线发送第二阶路由信息。第二阶路由消息将包括链接第一阶和第二阶卫星以及链接第一阶卫星和地面节点的相应初始路由消息和第一阶路由消息的质量Q中的较低质量以及地面节点地址信息。在图6中,第二阶路由消息由参考符“RM2X”来指代,其中“X”标识了接收第二阶路由消息的卫星(“第三阶卫星”)。作为第一示例,卫星2A发送的第二阶路由消息中的两个第二阶路由消息由两个相应的第三阶卫星3A和3C接收。卫星3A接收第二阶路由消息RM2A1,卫星3C接收第二阶路由消息RM2A2。由于从卫星3A回到地面节点的仅有的潜在路由是通过卫星2A和1A,因此第三阶卫星3A存储:接收到路由消息RM2A1的天线的标识以及地面节点GN的地面节点地址信息。通过第二阶路由消息建立的潜在链路用双点划虚线表示,所选链路用粗体表示。
卫星3C接收到三个第二阶路由消息:RM2A2、RM2B2(RM2B1由卫星3B接收)和RM2C(来自第二阶卫星2C)。如上所述,路由消息RM2A2包括初始路由消息RMIA的质量(Q=2)。来自卫星2B的路由消息RM2B2包括从卫星1C到卫星2B的初始阶路由消息RMIC的质量(Q=3),因为这是RM1C1(Q=4)和RM1C(Q=3)的质量Q中的较低者。来自卫星2C的路由消息RM2C包括从卫星1C到卫星2B的初始阶路由消息RMIC的质量(Q=3),因为这是RM1C2(Q=5)和RM1C(Q=3)的质量Q中的较低者。卫星3B确定每个接收到的第二阶路由消息的质量以及通过第二阶和第一阶卫星到达地面节点的较弱链路的质量。卫星3C因此通过由RM2C建立的卫星2C来选择子路由,因为与路由消息RM2B2和RMIA两者的Q=2相比,经由该路由回到第一阶卫星的链路中的最低质量是Q=3(RMIC)。卫星3C存储:接收到第二阶路由消息RM2C的天线和地面节点GN的地面节点地址信息。
选择从第三阶卫星返回地面节点的优选无线电子路由的基本原理可以通过理解卫星的路由创建电路用于选择作为子路由基础的优选第三阶路由消息的算法来概括说明。每个第三阶卫星的路由创建电路进行两个确定。一是确定从相应的第二阶卫星接收到的每个第二阶路由消息的质量,并将其与关联的第二阶路由消息中包含的较低链路质量进行匹配:RM2A2(Q=7)与RMIA(Q=2)匹配;RM2B2(Q=2)与RMIC(Q=3)匹配;以及RM2C(Q=5)与RMIC(Q=3)匹配。二是标识一个优选的第二阶路由消息,该优选的第二阶路由消息表示经由第一阶卫星从第三阶卫星到地面节点的第二子路由。该第二子路由包括与优选的第二阶路由消息相关联的第二阶卫星和第三阶卫星之间的第三无线电链路。在这种情况下,优选的第三阶路由消息是RM2C,因为其所有链路的质量都高于与任何其它接收的第二阶路由消息相关联的任何第一无线电链路、第二无线电链路或第三无线电链路;也就是说,子路由中通过RM2C、RM1C2和RMIC的链路的质量都高于其他可能的子路由中的最低质量链路(对于RMIC而言Q=3,对于RMIA和RM2B2而言Q=2)。卫星存储器存储:接收优选第三阶路由消息的天线的标识以及与地面节点相关联的地址信息。
本领域技术人员将理解,图6中描绘的局域路由网络在某种程度上是理想化的,因为它示出了从地面节点在地理上呈扇形分布的网络。虽然这有助于描述如何创建与地面节点相关联的局域网,但是卫星的随机分布和将它们分开的长距离在某些情况下可能导致高阶卫星比与地面节点链接的低阶卫星更接近地面节点。然而,从下面的描述可以清楚地看出,具有该拓扑类型的局域路由网络仍然将用于将数据传输引导到初始地面节点。同样,给定阶的路由消息可能由已经被标识为返回地面节点的路由的一部分的卫星接收。在那种情况下,接收卫星将已经存储起始地面节点的唯一地址,并且会忽略该路由消息。也就是说,通过卫星的全球导航卫星系统(GNSS)模块44访问协作的GNSS系统时钟的主时钟,在设置的各个时隙中连续发送不同阶的路由消息。因此,如果给定的卫星已经接收到如上所述的路由消息,它将忽略随后的路由消息。
局域路由网络不限于三层卫星。它可以扩展到以上述相同方式构建的四层或更多层。然而,相信三层系统会服务于将数据传输引导到地面节点的目的,而不需要过多的时间、计算能力或带宽,这将随着本描述的进行而变得清楚。在可选的变体中,链路低于某个阈值Q的任何子路由都不会被存储。例如,如果阈值为Q=3,则与来自图6所示的卫星1A、2A和3A以及1B的子路由相关的信息(天线标识和Q值)将不会被存储,并且该子路由将不会被建立。
在优选路由协议中,由卫星自主地创建的广域路由网络,负责从起始地面节点上传到卫星的数据传输,并将该数据传输寻址到由不包括该卫星的局域网提供服务的地面节点。广域路由网络是使用上述创建局域路由网络的相同原理构建的,通过使用一系列路由消息、丢弃低质量的潜在链路、以及存储在接收用于标识与另一卫星的优选链路的路由消息的每个卫星上的天线的标识。与局域路由网络的主要区别在于,广域路由网络是基于区域的,因为它们的目的是建立朝向所上传的数据传输所指向的区域的优化路由。此外,它们是由卫星而不是地面站发起的。
每个区域中的每个卫星都会为其自身创建广域路由网络。当初始广域卫星借助于其所有天线发送初始广域卫星路由消息时,该过程开始,该初始广域卫星路由消息使用与地面节点地址信息中的区域部分相同的格式指示其地理位置。接收初始广域卫星路由消息的卫星发送第二广域卫星路由消息,该第二广域卫星路由消息包括初始广域卫星的区域和所接收到的第一广域卫星路由消息的信号强度。广域路由的创建结合图6所描述的相同方式来进行,预确定优选至少三层的层数,但在给定系统中可以建立更多层。广域网中的每个卫星都包括初始广域卫星的区域和用于向通向该区域的网络中的下一个卫星发送数据传输的天线。例如,当作为局域网的一部分的卫星开始创建广域网的过程时,在创建局域路由网络时采用的传输和计算将会有一定量的重复。
使用局域和广域路由网络进行数据传输
该描述将使用来自起始地面节点的数据传输作为示例,该数据传输包括具有包含与目的地地面节点相关联的目的地信息的报头的数据分组。目的地信息的一个组成部分是诸如目的地地面节点的区域号之类的位置信息。目的地信息还包含与该特定目的地地面节点相关联的唯一地址信息。
一般来说,将通过参考图7中的流程图来解释数据传输过程,图7示出系统中的任何卫星如何处理卫星上星载的并且具有用于传输到目的地地面节点的地址信息(区域和唯一地面节点地址)的数据分组。用于数据传输的目的地地面节点对应于上面讨论的局域路由网络路由创建的描述中的初始地面节点。应当理解,卫星通常将星载的大量分组寻址到无数目的地。图7表示卫星数据移动模块中的数据传输电路如何处理单个数据分组。可以以任何顺序处理分组,但是在一个实现方式中,当接收到分组并且按时间顺序处理分组时,该分组将被加时间戳。
在步骤S102中,保持分组的卫星中的数据传输电路确定该卫星的天线之一是否与具有包括在分组中的唯一地址的目的地地面站处的天线配对。换句话说,如果卫星正在处理的分组包括与由卫星存储的唯一地址部分匹配的唯一地址部分,则意味着卫星在与目的地地面节点相关联的局域网中,并且步骤S102中的答案为“是”。如上面结合图6所解释的,通向特定目的地地面节点的局域网的层中的所有卫星将在其存储器中具有成对的天线,这些天线将向目的地地面节点传输数据。在步骤S104中,分组被相应地发送。
在步骤S102的第二部分中,卫星中的数据传输电路确定其是否链接到通向由该分组所寻址的目的地地面节点的局域路由网络中的卫星。作为路由协议的一部分,所有局域网中的所有卫星在刷新局域网和广域网后的短时间内(通常是每隔一秒到四秒)就从它们所有的天线发送公告路由消息。公告路由消息包括通过发送本地卫星所存储的地面节点地址信息。接收到公告路由消息的卫星首先确定其存储器中是否具有公告路由消息中包含的相同唯一地址部分。如果是这样,则意味着接收卫星已经在与目的地地面节点相关联的局域网中,并且它忽略通告路由消息。如果接收卫星尚未存储与目的地地面节点相关联的唯一地址部分,则它存储接收到公告路由消息的天线和唯一地面节点地址信息。接收卫星还确定所接收的公告路由消息的质量Q(例如,信号强度)。如果卫星在多于一个天线上接收到公告路由消息,则它存储接收到最高质量的公告路由消息的天线的标识。如果卫星由此经由公告路由消息连接到与目的地地面节点相关联的局域网卫星,则对步骤S102的第二部分的答案为“是”,并且在步骤S104中相应地发送分组。(在一替代方法中,公告路由消息可以包括由发送公告路由消息的卫星所存储的质量信息,并且接收卫星可以根据用于组合局域网和广域网的原理来选择到地面节点的路由。)
如果步骤S102中的答案为“否”,则过程进入步骤S106,在步骤S106中,保持分组的卫星确定其存储器中是否具有与正在被处理的分组中的区域信息相匹配的区域信息。也就是说,如果对分组进行处理的卫星是包括目的地地面站的区域中的卫星在内的广域网的一部分,则步骤S106中的答案为“是”。这表明保持用于发送的分组的卫星已经标识出以下天线:该天线与具有到目的地地面站的区域的路由的卫星配对;并且在步骤S108中,借助于被标识为广域路由网络的创建的一部分的天线来发送分组。换句话说,步骤S108将分组转移到通向目的地地面节点所在的区域的广域网中的下一卫星。应当理解,步骤S102的第二部分是可选的,因为其用于增加与目的地区域相关联的广域路由网络中的卫星之一将在与该区域中的目的地地面节点相关联的局域网中“找到”卫星的概率。然而,数据传输过程还可以依赖于与特定区域相关联的广域网中的卫星也将是该区域内的目的地地面节点的局域网的一部分的可能性,特别是考虑到网络周期性地自我刷新,并且几乎肯定的是每个刷新周期将包括不同的卫星。
如果步骤S106中的答案为“否”,则保持分组的卫星使用向量路由方法,按照分组报头(或报尾)中的地面节点地址信息,在地面节点的区域的方向上发送分组。在步骤S110中,卫星等待来自另一卫星的确认其已接收到分组的确认信号。(接收卫星将使用接收数据包的天线返回确认信号。)如果在基本小于网络刷新间隔(一到四秒)的短时间内没有接收到确认信号,则步骤S114中的答案是“否”,并且从步骤S102开始将分组放在队列中的后面以进行重新处理。在优选实施例中,分组可以保持在以预确定模式访问的数据库中。如果在步骤S110中没有接收到确认信号,则该分组保留在数据库中,以便根据预确定模式进行后续访问。
控制数据传输协议的递归的、分层的逻辑将使每个卫星基本上执行相同的编程步骤,并大大简化整个系统的数据传输。它还通过检查每个数据分组来解释系统的概率基础,以根据图7的流程图中描述的层次结构来确定将分组路由到其目的地的方式。预计每个保持数据分组的卫星都将能够在几乎瞬间将数据分组转发到其目的地,同时仍解释该系统对随机分布的卫星的星座的依赖的概率性质,在短时间内保持分组,接收到分组的卫星可能没有星载的到达其目的地的路由。虽然会有大量的局域路由网络和广域路由网络,但是系统中的每个卫星只需要知道到目的地地面节点的局域路由,如果没有存储到目的地的局域路由,则只需要知道到远方目的地地面节点的区域的广域路由。这样可以最大程度地减少单个卫星上的计算负荷,并同时降低功耗。下面讨论的备用路由方法进一步促进了路由创建和数据传输。
图8将用于利用图6中的附图和图7中的流程图来解释数据传输的一些示例。在第一示例中,乌约中的用户希望向乍得(Chad)的恩贾梅纳(N'Djamena)中的用户发送消息。如果卫星S210接收到来自乌约用户的地面节点的数据传输并且它是关于恩贾梅纳用户的地面节点的第一阶卫星(图6)(步骤S102),如上所述,卫星S210使用在路由创建期间标识的天线将消息逐个分组地直接发送到恩贾梅纳的地面节点(步骤S104)。请注意,如果卫星S16从恩贾梅纳地面节点接收到初始路由消息,则它将不是与恩贾梅纳相关联的第一阶局域卫星,因为卫星S16不在同一区域中。然而,卫星S16可以是与恩贾梅纳地面站相关联并且包括卫星S210的局域网中的第二阶卫星(图6),即使恩贾梅纳和卫星S16位于不同的区域。在这种情况下,如果卫星S16星载有来自乌约的具有与恩贾梅纳地面节点相关联的唯一地址部分的分组,则卫星S16可以经由卫星S210将该分组发送到恩贾梅纳(步骤S104)。在所有情况下,数据传输中的分组都是单独处理的,然后在所有分组到达它们目的地时按正确的顺序进行组合。由于路由定期刷新,因此给定数据传输中的分组可能会经由不同的路由发送。根据已知的实践,分组包括适当的排序信息和错误编码,以允许在单个数据传输的分组到达它们目的地时适当地重新组合成分组。
在第二示例中,乌约中的用户希望向印度孟买的特定地面站的服务器发送电子邮件或其他通信。如所述,通信将是分组形式,其中每个分组包括地面节点地址信息,该地面节点地址信息包括区域部分以及唯一地址部分,该区域部分标识目的地地面节点的区域,该唯一地址部分包括与目的地地面节点相关联的唯一地址信息。假设数据传输仅上传到卫星S210并且该卫星不是与目的地孟买地面站相关联的局域网的一部分。在这种情况下,卫星S210首先确定其是否有星载的通向孟买地面节点的局域网中的卫星的链路,如其可能已从该局域网中的卫星接收到的任何公告路由消息所指示的那样。换句话说,卫星S210将数据传输分组中的地面节点地址信息与卫星中存储的地面节点地址信息进行比较(步骤S102)。如果答案为“是”,则卫星S210借助于与所接收的公告路由消息相关联的天线来发送分组(步骤S104)。
如果卫星在存储器中没有包括与分组的唯一地面节点地址相关联的唯一地址信息的地面节点地址信息,则卫星S210确定其存储器中是否具有与星载分组中的区域地址信息相同的区域部分的地面节点地址信息(区域Z5)。换句话说,通过注意到分组的目的地区域与包括卫星S210的广域网所连接到的区域相同来确定分组是否在与孟买区域Z5相关联的广域路由网中(步骤S106)。如果是这样,则经由在广域路由网络的创建中所标识的天线发送分组(步骤S108)。请注意,每个接收分组的卫星,无论分组是来自地面节点还是其他卫星,都将根据图7中的流程图进行处理。该系统的概率性质,再加上每个地面站都将有一个与其相关联的广泛的局域网的事实,几乎可以肯定的是确保在广域网中的某一特定区域的卫星将能够连接到与该区域的特定地面站相关联的局域网的卫星。
作为另一示例,考虑来自乌约的数据传输,该数据传输目的地是莱特岛的地面站。假设数据传输仅上传到卫星S210并且该卫星不与任何与莱特岛地面站相关联的局域网或广域网相关联。在这种情况下,卫星S210借助于其通常朝向莱特岛地面站所在的区域Z7的天线来发送数据分组。在一个优选的实施例中,天线的波束宽度为围绕莱特岛区域方向的向量±30°。卫星S210等待来自接收分组的卫星的确认。如果没有接收到确认,则从步骤S102开始,将被处理的分组被放回到要重新处理的队列中,如图7中的箭头“否”所示。同样,系统的概率性质将起到减少或消除卫星将必须保持分组的时间的作用,并且因此在将包括数据传输的分组传送到其目的地时保持最小延迟。
在刚刚描述的系统的一个变体中,可以调整区域边界以利于向人口密度大的区域(例如城市区域)传输数据。例如,如果区域边界将纽约市或孟买这样的大都市区划分为多于一个的区域,则可以调整边界以将该地区中尽可能多的地面节点包含在一个区域中。这将有可能通过增加由单个局域路由网络所服务的这些类型的人口稠密地区中的地面站的数量来减少图7所示的用于定向到这种地区的分组的步骤。
该系统的概率性质还可能导致将数据传输上传到卫星星座的延迟最小化。因此,优选实施例中的地面节点将按顺序地发送数据分组。在一个实施方式中,地面节点可以通过返回确认信号来保持卫星尚未确认接收到的分组,并根据预确定的定时方案再次发送它们。本系统中低200英里海拔高度的卫星也增加了成功将数据分组上传到卫星星座的概率。此外,系统的可扩展性允许在给定系统的延迟时间被视为不可接受的情况下,部署额外的卫星作为系统的一部分。也就是说,由于卫星制造和发射成本低廉,系统运营商可以以最低的费用部署50或100个或更多的额外卫星。
作为数据传输中的最后一步,成功接收上传到起始卫星的特定数据传输的所有分组的目的地地面节点可以可选地向起始地面站发送确认传输。通常,将以与原始数据传输相同的格式自动发送此类确认,即,一个或更多个数据分组带有报头或报尾,其中报头或报尾包括通向返回起始地面站的目的地信息和带有确认的内容部分。将使用与上述原始传输相同的路由协议将确认消息发送回起始地面节点。
上述路由协议显着减少了在需要卫星到卫星通信的天基系统中进行远距离传输时必须在卫星之间转移的数据量。它是通过在卫星之间分配路由计算来实现的,而不是要求每个卫星都知道到系统中到每个地面节点的每个路由。这种新颖方法将数据转移所需的时间和电池电量减少了几个数量级,并且该系统的特点之一是使天基系统的卫星不需要保持在固定的地理位置和精确的姿态来支持全球数据传输成为可能。此外,系统的可扩展性允许以最小的成本增量地提高系统性能。
附加的可选修改
上面讨论的路由协议和数据传输方法可以以多种方式实施。一个是个人用户组,每个用户都有自己的地面站。在另一应用中,该系统可以适合于接收寻址到由单个蜂窝电话塔所服务的订户组的消息,例如可能是在小岛上或其在他孤立位置的情况。在这种情况下,系统将具有地面节点,该地面节点会将消息定向到蜂窝塔。这种类型的系统中的地面节点地址信息将包括有意向的订户的电话号码,以便蜂窝系统可以相应地将它们定向。这种相同类型的系统可以并入更为传统的蜂窝系统中,该蜂窝系统具有用于大面积服务的多个塔。在这种情况下,一个或更多个地面节点可以服务于整个系统,由此接收数据传输的地面节点可以将其引入蜂窝系统,以便像任何其他传输一样进行处理。另一变体可以包括一个或更多个地面站,其包括可供多个用户访问的诸如WiFi路由器之类的集线器。
上面的路由示例要求用户知道目的地地面站的完整地址信息。在替代实施例中,与特定地面节点相关联的用户想要向与另一地面站相关联的用户发送电子邮件,可以以熟悉的电子邮件格式“recipient@internetserviceprovider.xxx”向电子设备输入目的地信息。当用户从其设备发送电子邮件时,该设备将知道ISP服务器的地址信息,并且如果需要,用户的地面站可以将ISP服务器所在的区域添加到电子邮件中。使用本系统将传输定向到ISP服务器,并且ISP通过常规方式将电子邮件发送到电子邮件目的地。
上述路由协议的一个增强功能可以利用其将前往特定目的地途中的数据分组与定向到同一区域的其他星载数据分组进行分组化的能力。例如,假设卫星上有前往特定区域途中的星载数据包。在实际应用中,很可能发生由单个卫星所处理的不同传输中的许多数据分组都发往同一区域的情况。为了使数据传输更加有效,卫星可以按其目的地区域对卫星上星载的分组进行分类,然后按照上述结合图7所述的方法对这些分组进行传输。本领域技术人员将理解,可以以诸如使用关系数据库之类的多种方式来执行该分类过程。将目的地在同一区域的不同数据传输中的分组进行分组化以用于传输的这种增强功能,甚至进一步降低了在本系统中实施数据传输所需的计算能力和功耗。
在另一替代实施例中,卫星星座可以包括处于其他更高海拔高度的多个卫星,以减少最终路由中的卫星到卫星跳跃(hop)的数量。图9示出了寻找更高海拔的卫星以减少最终路由中的卫星到卫星跳跃的数量所涉及的原理。应当记得,该实施例的卫星星座可以处于不同海拔高度轨道中具有的轨道中的卫星。图9所示的系统包括在200英里轨道上的卫星S200和在800英里轨道上的卫星S800。由于在200英里轨道上的两个卫星之间的无线电链路的最大长度通常不超过2500英里,因此伦敦与7000英里之外的莱特岛之间的无线电路由将需要至少五条链路L2001、L2002、L2003、L2004和L2005位于伦敦地面站和莱特岛地面站之间。见表格1。另一方面,在800英里轨道上的卫星可以看到在约2500英里外的地面站和在约5000英里外的其他卫星(参见图5中的覆盖区FP4),因此理论上只需两个卫星经由链路L8001、L8002和L8003就可以建立从伦敦经过卫星S8001和S8002到莱特岛的无线电路由。因此,卫星S8001可以接收从伦敦上传的数据传输,并且在局域网路由网络中到达超过7000英里以外的地面站,其中包括芝加哥(4000英里)和洛杉矶(5400英里)。见图6。然而,至少,在星座中合并更高海拔高度的卫星增加了目的地地面站将位于由具有接收来自起始地面站的数据传输的卫星的广域路由网络所服务的区域中的概率,从而在许多情况下从数据传输过程中消除步骤S108(图7)。
在一个实施例中,可以依赖上述路由协议来自动创建包括不同海拔高度的卫星的链路。然而,在另一个实施例中,卫星之间的路由消息将包括结合图6描述的用于创建局域网和广域网的所有信息,连同所有链路的质量一起返回到初始地面站(对于局域路由网络而言)或初始卫星(对于广域路由网络而言)。路由消息还将包括指示网络中卫星数量的计数器,该计数器将随着每个卫星从该卫星接收到路由消息而递增,从而保持跟踪返回初始点的卫星到卫星的跳跃的数量。此外,接收多个路由消息的卫星不会丢弃质量最差的路由消息。而是,它将仅丢弃质量低于特定阈值的路由消息。然后,返回起始地面站或卫星的卫星到卫星的路由将选择卫星到卫星跳数最少的路由。这将有利于选择更高海拔高度的卫星,因为它们到目的地通常需要较少的跳跃。这还将减少包含更改海拔高度卫星的路由将被丢弃的可能性,因为合并这些路由的无线电链路的质量通常将低于彼此更接近的较低海拔高度卫星之间的链路。
D.分布式分类帐系统
使用如上所述的路由和传输协议在随机星座中具有多个卫星的卫星基础设施也可以应用于分布式分类帐系统。也就是说,来自以上路由创建和数据传输方法的特征可以用于向地面用户提供对天基的分布式分类帐系统的访问,以及在卫星之间传输与分类帐相关的数据。这些系统和方法将能够在用户和卫星之间快速接待、接收和传递与分类账相关的消息,从而可以用来创建标准的区块链系统,用于保存和验证分布在整个区块链中的信息。此外,此处描述的创建区块链系统的原理也可用于数据传输。
1.应用于无线电路由的区块链原理
本文所述的卫星通信系统特别适合于分布式分类账技术基础的原理的应用。区块链是一种分布式分类账,其在多台计算机上进行验证和复制,计算机通常数量为数百或数千。如应用于本文所述的系统和方法,每个卫星可以被认为是区块链中的用于记录和分配信息的节点。在某些应用中,地面节点可以作为节点包含在区块链中。
区块链原理可以以各种方式应用于本系统。例如,每次将数据传输上传到初始卫星节点时,可以根据下面的更详细描述将其记录为分配到系统中的所有节点的交易。如上所述,诸如在完成数据传输之后返回到目的地地面节点的确认信号之类的其它交易也可以在每个节点处被记录。
这些所记录的交易可以用于各种目的。例如,特定用户访问系统的次数和完成的数据传输的次数可以由系统所有者用于计费目的或汇总使用情况或成功传输的统计信息。
2.随机系统中的分布式分类帐
作为背景,互联网采用了许多不同的技术,这些技术利用去中心化式分类账来跟踪、记录和验证各种交易。随着各种现有技术卫星系统扩展其能力,这些卫星可用于转发各种数据传输,这些数据传输是区块链或与区块链相关的分类帐的特定应用的一部分。另一个步骤是在卫星中包含区块链和分布式分类账的逻辑。此类卫星的功能在某种程度上类似于存储、维护和转发各种区块链交易的更常规的地面计算机。由于每个区块链和分布式分类账都是唯一的,因此区块链和分布式分类账中的每者最好包括其自己的卫星星座,或者包括将卫星中的操作模块分配到单个星座中的方式。
但是,即使将卫星包含在给定的分布式分类帐系统中,地面互联网也存在一些弱点。互联网区块链系统的一个突出弱点是隐私问题。今天的互联网由集线器之间的许多连接组成。互联网上的每个集线器都提供转发和路由功能。
路由器制造商表示,他们的路由器将能够存储他们正在路由的某些流量,这些流量将固有地暴露于使用此类路由器的任何分布式分类帐系统的开发利用之下。例如,即使路由器制造商无法读取区块链传输的内容,与不同区块链应用一起使用的唯一格式系统也可以帮助识别正在实施的特定区块链应用。有了这些知识,相当简单的计算机程序就可以创建区块链发起者\区块链认证者的列表,甚至在某些情况下还可以创建以下列表:机密财务信息的发送者、对未经授权的用户(“黑客”)有用的病毒防护系统的信息的发送者,以及发送者希望保密的许多其他类型的基于云的信息。
最近,黑客攻击已经证明是可以损害互联网机密性质的问题。例如,据报道,一些针对不同功能的知名应用实际上是在用户不知情的情况下阅读用户的电子邮件。不管他是否知情,安装在用户设备上的此类应用都可以轻松读取用户键入到证券化系统中以发送然后要被添加到区块链中的机密通信的按键。黑客还可以访问卫星或地面站中的路由器,获取和修改信息,并将虚假信息重新引入回到网络中。老练的黑客有可能在沿着通信路径的不同点访问通信,并读取、修改甚至删除特定的信息块。
同样,除了电子安全问题外,还存在物理安全问题。许多国家依靠海底电缆来提供与其他国家的互联网服务器的连接。这些电缆很容易找到,也很容易切断。若干关键电缆的破坏很可能会损害当前主要区块链应用的运行。此外,跨越国际边界的地面电缆构成了支持互联网的复杂的全球基础设施的关键部分。一些处于战略位置的国家可能会切断电缆,并导致互联网面临严重挑战。
本文描述的系统和方法支持一种新方法,即由卫星对区块链过程负责。以前,由于制造卫星和将其维持在规定轨道以允许它们之间随时通信所涉及的成本,所以基于卫星的区块链系统是不可行的。上述系统使用随机分布在低地球轨道上的便宜卫星,这些卫星可以负责交易和区块链认证问题的所有或几乎所有存储和传输。重要的一点是,此类系统可以完全由私人拥有和经营。这支持更高级别的隐私和电子安全性。此外,合并本文所述原理的卫星系统增加了系统的物理安全性,从而可以廉价地替换例如因与太空中其他物体碰撞而毁坏或因轨道衰减而分解的任何卫星。此外,就其性质而言,即使卫星丢失,系统仍保持运行,而系统能力几乎没有损失。
本区块链方法寻求允许大量或大百分比的诸如本公开中所描述的那些低成本卫星组承担转发交易的责任。为此,此方法创建了天基的网络,该网络可以跟踪区块链交易并在区块链规则允许的情况下验证它们。一般而言,这需要保持记录,所有卫星都将就已证实的事实的共同集合达成共识。卫星还必须批准并记录所有新的交易。基本上,每个卫星都是卫星路由机制的一部分。此外,每个卫星还将是记录和验证每个交易的卫星团队的成员。此外,卫星必须适应将要呈现给它们的各种潜在种类的区块链。该目标引起了对新型卫星通信范式的需求,该范式可以用于提供各种类型的服务,例如云存储、交易的路由和发送电子邮件。
尽管此处介绍的分布式分类帐概念可以使用在各种海拔高度处的卫星进行工作,但用于演示此类系统运行的示例是使用100英里高的圆形轨道上的卫星来解释的。与采用更高海拔高度的卫星的系统相比,此实施方式将具有许多优势。首先,本领域技术人员将认识到,使用较低的卫星表示对较高的卫星在地平线上可以看得更远的情况进行的权衡,从而促进卫星到卫星的链路。然而,在分布式分类账应用中,具有在100英里高轨道中的卫星的系统将更具优势。与200英里高的卫星相比,较低的海拔高度将使地面用户与卫星之间的接收信号强度增加6dB以上。这将在确保卫星和地面用户之间迅速传播交易信息方面提供更可预测的结果。此外,可以将100英里海拔高度处的卫星与如上所述的更高海拔高度处的卫星结合使用,以改进创建在整个系统中分配交易信息所需的卫星到卫星链路的可能性。本示例性实施例假设网络由大约200个卫星组成,但是400个卫星将提供更大程度的冗余,因为如果系统依赖于随机分布的卫星之间建立这样的链路的概率,则将有更多潜在的卫星到卫星无线电链路。该系统还可以与不到200个卫星一起工作,可能少至20个或更少,尽管卫星之间的信息交换可能会出现不希望的延迟。
上面结合图2和图3描述的卫星用于本发明分布式分类账应用。卫星的CPU 40将包括区块链管理模块(未示出),以执行诸如消息转发和先前区块链活动的存储之类的区块链功能。在通过卫星通信系统路对数据传输进行路由的先前讨论中详细讨论的关键问题是在卫星之间建立无线电通信。因此,如果系统要提供区块链通信、交易批准和区块链验证,那么该系统应该几乎即时地从单个卫星向系统中的所有或几乎所有其他卫星提供信息。
服务于在北纬60°与南纬60°之间的地球表面的部分的系统将为世界上几乎所有人口提供服务,如图5所示。地球的该服务部分的面积约为175,000,000平方英里。在100英里高的轨道上的卫星的覆盖区约为2,500,000平方英里,约占卫星所遍历的服务区域的1.4%。因此,平均而言,系统服务区域内的任何给定点都将看到200个卫星中的大约3个。随之而来的是,从该服务区域的任何特定点将看不到卫星的机会为98.6%。地球上任何给定点将不能看到至少一个卫星的概率仅为0.986200≈0.059(即约十七分之一)。如前所述,通过将卫星添加到星座,具有随机分布的卫星的系统完全是可扩展的。例如,如果星座包括300个卫星,则地球上任何给定点将不能看到至少一个卫星的概率下降到七十分之一(0.986300≈0.0145)。
在已经讨论过的数据传输系统中,任何给定卫星可以“看到”的其他卫星的数量也是分布式分类账系统中的重要因素。在本实施例中,每个卫星理论上可以“看见”地平线上约1800英里的其他卫星(表格1中的2×DH)。出于该讨论的目的,忽略在给定卫星的地平线EH处的地面结构的干扰可以缩短该距离,半径为1800英里的圆所覆盖的面积约为10,000,000平方英里,这是系统中200个卫星所遍历的175,000,000平方英里的面积的5.7%,这意味着平均而言,任何给定的卫星至少看到该星座中的11个其他卫星(200的5.7%)。即使图2所示的天线结构只能覆盖卫星球面的60%(由于结构上的限制,例如需要提供安装太阳能板的位置),天线可能能够在特定卫星与11个其他潜在可用卫星中的至少一个卫星之间配对。而且,增加星座中的卫星数量将相应地增加能够成功地将一个卫星中的天线与另一个卫星中的天线配对的概率。
下面描述用于在全球范围的起始卫星处传播来自地面用户的通信内容的潜在方法。假设周期时间为十分之一秒。这200个卫星中的每个卫星都给定有精确的时间以在十分之一秒内发送。例如,第一卫星可以在0.1005秒时发送数据。第二卫星可以在0.1010秒时发送数据。以这种方式,每个卫星都将有时隙。保守地假设,每个卫星都能够建立无线电链路,该链路将支持与在其范围内的11个卫星中的至少四个卫星的数据通信。在第一周期结束时,第一卫星将把它的数据传送给另外四个卫星。在下一个0.1秒的周期内,这四个卫星试图向11个卫星中的其他八个卫星发送相同的数据。到第三个0.1005秒周期结束时,第一个提到的组中的单个卫星被排除在外的机会变得很小。上面结合图2和图3讨论的卫星特别适合于建立这些卫星到卫星的连接,其中路由创建模块46和数据移动模块48适合于支持全球范围内的卫星之间的通信分配。同时,通信正在全球范围内的各个方向传播。由于卫星可以看到地平线上1800英里的距离,因此理论上可以在6至8个周期内将通信传输到12,500英里之外的地球另一侧。然而,考虑到卫星的随机分布,更现实的估计是,在大约一秒钟内(10个周期,每秒0.10个周期),几乎每个卫星都会接收到原始的传输。卫星的GNSS模块与全球导航卫星系统通信,为所有卫星提供共同的时钟。
这种类型的系统可以服务于各种不同类型的区块链。一些系统将依赖于使用标准化的智能手机,而其他系统仍然有可能设计仅在特定卫星系统上运行的特定安全设备。如果操作代码和区块链算法存储在卫星的不可重写的永久存储器中,则在某些应用中也将是有利的,这将使黑客几乎不可能修改代码。此外,所有消息和所有区块链优选地会通过适当的哈希和证券化算法进行证券化。为了与地面上的用户通信,每个卫星存储所有用户的地理位置,并使用GNSS模块确定其何时在用户视线内,以便将星载信息传送给指定的用户。
像刚才描述的那些系统的优点包括它们使用小型的、随机分布的卫星,使系统即使在某些卫星被摧毁的情况下也能继续服务。这与使用较大型卫星的系统形成对比,较大型卫星必须由重型火箭推进器维持在规定的轨道上,重型火箭推进器进而要求卫星上载有重型火箭燃料。由于在这种类型的系统中建立链路依赖于卫星处于精确控制的位置,因此在受控轨道上丢失几个卫星可能会关闭整个系统。但是,如果这里描述的系统中的一些卫星停止服务,通过整个卫星星座以及与地面节点的数据通信仍然得到支持,并且如果需要的话,出于某种或其他原因而停止服务的卫星可以很容易地被廉价地替换。
此外,本系统具有高度的电子安全性。除了使用不可更改的计算机代码外,另一优点是单个成对天线通常在它们自身之间来回发送相对窄的波束。即使不是该系统的一部分的另一个卫星在附近的轨道上,它也不能成为该系统卫星的波束匹配逻辑的一部分,因此,即使不是不可能,也很难监测系统卫星之间的多个信号交换。通过使用适用于卫星到卫星通信的哈希算法,将进一步实现近乎完全的机密性。
图10说明了在天基分布式分类账系统(如本节中所述)和使用节II.C中所述与数据传输有关的路由协议的数据传输系统中,卫星之间的路由创建过程的自由形式性质。图10示出了本文所描述的系统如何能够将理论上足够接近的两个地面站GN1和地面站GN2间接链接在一起,以便在单个卫星的视线范围内。在图10中,地面站GN1和地面站GN2仅相距约200英里。在分布式分类账系统中,在100英里高的轨道上运行的200个卫星的数目,如图所示,使用符号LX,其中“X”是卫星的编号。在100英里的轨道高度上,卫星可以“看到”至少800英里以外的地面站和约1600英里以外的其他卫星。这些是基于表格1中距离的保守估计,考虑到了地形特征或地面上高的结构体可能产生的干扰。理论上讲,卫星L89或L162中的任一者都可以与这两个地面站形成链路,因为两个地面站都在与最远的卫星相距(GN1到L162)约400英里的范围内。
然而,本文所描述的系统所采用的路由技术可以通过链接多个卫星(其中一些卫星超出两个地面站中的任一者的范围)来连接两个紧密靠近的地面站,这将在地面站之间提供比在两者范围内的卫星更强的子路由。例如,卫星L192距离较近的地面站GN2约1000英里,但是使用本文描述的方法,它可以形成地面站之间的路由的一部分。从图10将进一步认识到,图6中描绘的局域网是理想化的表示,因为与同一局域网中的低阶卫星相比,高阶卫星不一定离其初始地面节点更远。例如,卫星L64可以是与350英里外的地面节点GN2相关联的第一阶卫星,卫星L89可以是同一局域网中的第二阶卫星,即使它更接近地面节点GN2(250英里)。
III.替代卫星构造和部署策略
如上所述,可以使用图2和图3中所示的基本卫星结构来实现上述天基的数据传输技术和分布式分类帐系统。但是,本节介绍了几种策略,这些策略用于增加创建卫星到卫星的无线电链路的概率,并使它们更稳健和持续时间更长,从而可以在更短的时间内在卫星之间传送更多的信息。这些策略包括图2和图3中卫星构造的配置变化、卫星姿态控制、旋转卫星、增强的天线设计以及CubeSat兼容性等。
A.旋转卫星
根据上面描述,设计基于卫星的无线电网格系统涉及各种参数之间的无数权衡。两个特定参数是天线所发射的无线电信号的波束宽度和天线的功率(增益),这两个特定参数的作用相互交叉,因此需要明智的选择。一方面,较大的波束宽度将增加能够创建波束匹配的概率,但较大的波束宽度降低天线的增益。相反,较窄的波束将增加天线增益,但降低在节点之间创建波束匹配的概率。这种权衡在卫星节点上尤其重要,因为卫星天线配置必须考虑卫星重量和尺寸的限制,这限制了卫星可以携带的天线数量,以及星载电池的可用电力。增加节点之间可能的波束匹配的数量也是期望的,因为一些无线电波束可能会由于掠过地球表面而减弱,这可以在信号到达接收节点之前部分地将信号区块链化。
在波束宽度和天线增益之间实现适当的权衡对于具有随机分布卫星的基于卫星的系统的有效运行非常重要,这依赖于使用卫星到卫星无线电链路可以创建路由的统计概率。通常,卫星的天线指向彼此以及与地球之间的空间,以便在节点之间建立链路。该系统的基本特性是它依赖于到达其他节点(地面站和卫星)的足够强度的传输。该系统依赖于轨道上有足够的卫星,并进行适当的设计权衡,包括波束宽度与增益之间的权衡,以提高可以在卫星和地面站两者的系统节点之间建立适当的通信的概率。
本实施例利用绕轴旋转的卫星,如本文所解释的,这增加了可以创建高质量链路上的通信的概率。使用旋转卫星能够减小波束宽度,并相应地增加增益。
所涉及的原理将以卫星配置为示例来解释,如图2所示,具有的25个天线覆盖了球形卫星约60%的表面。因此,由这样的卫星发射的无线电波束被另一个类似卫星接收的概率的粗略估计约为36%(0.6×0.6)。本领域技术人员将认识到,这仅仅是估计,因为无线电波束将具有旁瓣,旁瓣将在一定程度上增加将创建链路的概率。如果卫星的直径加倍,抛物面碟形天线的直径d也可以加倍。通过等式α=(k×γ)/d,半功率波束宽度(HPBW)将减半。虽然波束的面积将仅为原来的1/4大,但天线增益将增加到原来的四倍,或者增加大约6dB。另一方面,卫星之间波束匹配的概率降低到约2%(36%×(1/4)2)。
在本实施例中,通过使用绕旋转轴旋转的卫星来增强通过卫星之间的波束匹配进行天线配对来建立无线电链路。在一个实施方式中,卫星本身具有与图2和图3中描绘的以及与之相关联的上文所述的卫星相同的组件。
为了说明使用旋转卫星的典型系统的操作,将假设卫星以角速度ω=2π转/秒(60rpm)部署。本领域技术人员将理解,本示例并不意味着是限制性的,并且如本文所述和所要求保护的那样,采用有效地建立无线电路由和发送数据的任何角速度都在本公开的范围内。本领域技术人员将理解,在特定系统中使用的角速度ω将依赖于诸如由系统实现的应用(发送数据或维护分布式分类账)、星座中的由系统使用的卫星的数量,以及由通过卫星到卫星的链路转移的信息的数量和性质。可以预计的是对于本说明书中描述的许多系统,大约每分钟一转(ω≈1rpm)将是优选的。旋转轴的取向将不受控制,但物理学原理规定,每个卫星将假设通过其质心的旋转轴,并且旋转轴将围绕角速度ω进动。然而,旋转轴在任何给定时间的取向不影响无线电链路的创建,这将从下面的讨论中看出来。
旋转卫星增加了由另一个卫星接收的所发射的无线电波束的概率,因为卫星天线在卫星旋转时“扫过”某区域。这可以通过考虑图11A中所示的卫星Sω来理解,该卫星Sω是通过卫星“赤道”的示意性横截面,对应于图2中的卫星10的赤道16。在该示例中,卫星Sω包括五个天线121、122、123、124、和125,每个天线具有的HPBW为35°,围绕其赤道16均匀布置,并以角速度ω绕z轴旋转。距离卫星遥远且置于赤道面中的位置RL在卫星旋转通过一整圈时将“看到”五个天线。将理解的是,对于不在赤道面中的位置而言,该数字将是不同的,但是原理仍然成立。还将认识到,由于绕旋转轴的进动,该数目可以增加或减小,但是当卫星旋转时,远离卫星的大多数位置(包括地面站)仍将看到多个天线。因此,如果第二卫星的赤道面位于第一卫星Sω的赤道面内,则在没有刻意部署进行旋转的卫星上,能够创建增益增加6dB的无线电链路的概率约为10%(5个天线×每个天线2%)。与地面站天线创建波束匹配的概率同样增加。
可以理解的是,这是高度理想化的表示,它忽略了诸如卫星围绕其旋转轴的进动之类的因素,但是它仍然说明了以下概念:旋转卫星呈现了在两个卫星之间创建波束匹配的概率增加。尽管如此,考虑到有大量随机分布的轨道卫星可用于信息转移,使用旋转卫星进行波束匹配的概率增加,在许多情况下即使不是大多数情况下,也足以使无线电路由或分布式分类账与在系统的多个卫星与地面站之间的较高质量链路能够组合起来。
1.反向旋转卫星
卫星也可以按一定百分比部署,比如说50%,绕着它们的旋转轴沿第一方向旋转,其余的则沿相反的方向旋转。图11B对图11A中的相同部件使用了相同的附图标记,其通过示出卫星Sω1沿第一方向以角速度ω旋转以及第二卫星Sω2以相同角速度ω(沿相反的旋转方向)旋转来说明该原理。这说明了卫星Sω1中的天线125与卫星Sω2中的天线124之间的波束匹配将比两个卫星沿同一方向旋转时持续更长的时间。也就是说,如果卫星沿相反的方向旋转,卫星上的面对的天线以相对彼此基本相同的线速度行进。另一方面,如果卫星沿同一方向旋转,它们的相对线速度则是每个卫星线速度的两倍。在轨道上有足够数量的卫星的情况下,相信在正为其建立无线电路由的任何给定地理区域上具有多个反向旋转卫星的概率很大。因此,通过部署卫星中的至少一些(优选是约一半)沿与其他卫星相反方向旋转的卫星,增加了快速建立相对持久的卫星到卫星链路的可能性。此外,不仅各自卫星上的两个天线对准的时间更长,而且一旦它们彼此旋转出视线,卫星的另外两个天线可以对准,从而能够快速刷新卫星之间的无线电链路。在图11B中所示的示例中,卫星Sω1的天线121和卫星Sω2的天线125接下来将进行对准。
正如上面讨论的用来说明使用旋转卫星的效率提高的示例一样,这也是对反向旋转卫星如何能够在它们之间创建更长的持久无线电链路的理想化描述。此外,对于上面描述所依据的假设,在任何给定时间,在两个地面站之间需要无线电路由的区域上,可能都不存在两个反向旋转卫星。尽管如此,综合起来,这些示例说明了旋转卫星,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路的足够概率,以能够在两个卫星之间进行可靠的数据通信。并且由于天线指向多个方向(优选地在卫星周围的整个球形空间上),因此在大多数情况下,通过使用旋转卫星将增加在卫星之间建立无线电链路的机会。
2.以不同的角速度旋转的卫星
上面刚刚描述的实施例的变体使用以不同角速度旋转的卫星。图11C示意性地描述了这种变体,其中卫星Sω1以角速度ω1旋转,而Sω2以不同的角速度-ω2沿另一方向旋转。该系统的优点是,反向旋转卫星上的天线可能异相,因为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,如图11C所示。如果卫星是以相同的角速度旋转的,这种情况可能会持续一个延长的时间段,从而削弱卫星之间的无线电链路,或者可能完全阻碍链路的建立。以不同的角速度来旋转卫星将增加两个卫星上的天线在某些角位置将彼此面对(同相)的可能性,从而能够在它们之间建立有用的无线电链路。例如,在图11C中所示的情况下,卫星上的天线正好异相是180°,即在卫星Sω1上的天线122正直接指向卫星Sω2上的天线124与125之间的空间。如果ω1=1.33×ω2,在卫星Sω1上的天线125与在卫星Sω2上的天线125将在卫星旋转时对齐。
据信,使用以不同角速度旋转的卫星将进一步减小在卫星之间以及卫星之间建立无线电链路的任何可能的延迟。在一个示例性方法中,可以根据下表将卫星的群组划分成具有不同角速度的五个组。
表格2
上面的讨论解释了这将如何增加在各自卫星上的天线之间建立波束匹配的概率。
在本文讨论的某些系统中使用的卫星中,可以优选近似于ω≈1rpm的低得多的角速度。可以预期的是如果角速度低于卫星自由采取任何姿态时的角速度,诸如节III.B中讨论的那些姿态稳定的卫星将更容易形成链路。此外,还预计节III.C中讨论的改进的天线配置也将提高不同卫星之间形成链路的可能性。
同样,这种系统的实施方式也将使更多的波束在给定的时间段内匹配成为可能,因为如果卫星以不同的角速度反向旋转,一个卫星上的天线将有更多的机会与另一个卫星上的天线充分对齐,以形成波束匹配。随着卫星的旋转,两个卫星之间在给定的时间或一定的间隔内可能没有波束匹配。但是,随着它们继续以不同的角速度旋转,卫星上的天线很可能形成波束匹配,因为各自卫星上的天线很可能会在某个点处对齐。这可能需要卫星进行多个转的旋转,但以不同角速度的旋转大大增加了卫星继续旋转时将创建更多匹配的概率。因此,将从当卫星在其轨道中运动并绕其轴旋转时在不同卫星上的天线的复杂相互关系中认识到,提供以各自不同角速度旋转的卫星的多个群组将增加在任何给定时间间隔内在成对卫星之间创建更多波束匹配的可能。
3.其他考虑因素
控制卫星旋转的技术是通过明智地配置卫星太阳能板以由于光子撞击太阳能板的动量而围绕卫星的旋转轴产生扭矩。在一个这样的实施方式中,太阳能板仅在一侧设置有太阳能电池。例如,参考图2和图3,对于部署为绕z轴逆时针旋转的卫星(沿负z方向观察),每个太阳能板14a将仅在一侧具有太阳能电池,即该侧在图3中面向在右侧的太阳能板14a的观察者并且该侧在图3中背对在左侧的太阳能板14a的观察者。其余的太阳能板仍将在两侧具有太阳能电池。尽管较大的太阳能板将增加卫星的空气动力学阻力,但可以认为,通过明智的设计,将有可能提供太阳能板的尺寸、配置和取向,这将在卫星上产生净扭矩。
同样认为,有选择地分配卫星组件的质量以使其绕某一特定轴旋转是有可能的。由于预期电池将是构成卫星质量的很大部分,所以电池最好位于卫星质量的中心,并且具有关于旋转轴对称的质量分布。此外,只要有可能使用诸如铝等非铁磁材料用于主要结构组件,就可以最小化地球磁场对卫星旋转的意外影响。
本领域技术人员将理解,过快的角速度能够产生大的离心力,有可能损坏卫星。大气阻力将在一定程度上依赖于卫星的海拔高度而限制旋转速度,并且预期上述任何保持旋转的技术的设计都可以定制,以防止产生破坏性离心力(例如,经由区域的选择和太阳能板的设置)。然而,由于卫星的海拔高度不以其他方式受控制,其中一些卫星的旋转速度可能会降低,但它们仍然可以作为通信系统中的节点使用。如果就较老卫星继续以较低的角速度旋转来说,其效果将是自动利用能够通过使用以不同角速度旋转的卫星的改进性能。同样,由于卫星的建造、发射和部署是便宜的,因此可以随时更换因任何原因而无法使用的卫星,例如过大的离心力造成的损坏。
如上所述,可以采用上述的一些或所有被动装置来控制卫星姿态。也就是说,在一种变体中,一个或更多个太阳能板能够仅在一侧上有太阳能电池,以在卫星上作用不平衡扭矩来致使其滚转。另一变化可能是将铁磁材料放置在卫星上的选定位置,在卫星穿过地球磁场时,会产生大小和方向不同的力。
B.具有姿态稳定的卫星配置
另一种可以提高在随机分布的卫星之间建立无线电链路的概率的方法是采用卫星构造,使更多的天线可用于与其他卫星配对。在图12至图15中示意性地描绘了第一替代构造。图12是包括本实施例的圆柱形卫星110的从底部的透视图。图13是卫星的圆形侧壁的展开图,示出了卫星天线的布置。图14是卫星的侧视图,图15是示出卫星天线的波束宽度的俯视图。应当理解的是,术语“顶部”和“底部”是为了方便而使用的,以分别指示当卫星处于其运行方向时朝向地球表面和背离地球表面的方向。同样,术语“侧”或“侧壁”是相对于“顶部”和“底部”而言的。
参考附图,卫星110通常是圆柱形的,具有天线112,例如图3所示的卫星10中的天线12。如图14所示,太阳能板114位于卫星110的顶部表面130上。在本示例性实施例中,卫星包括具有总共24个天线的天线阵列,包括一顶部排的12个天线112T1、112T2、112T3、112T4、112T5、112T6、112T7、112T8、112T9、112T10、112T11和112T12,天线开口从侧壁134径向地向外。第二排的12个天线布置在该顶部排的下方。为了清楚起见,图13仅示出了天线112B1、112B2、112B6、112B7、112B8和112B9,但是从图13可以理解,未描述的天线112B3、112B4和112B5在天线112B1和112B6之间等距地间隔开,并且未描述的天线112B10、112B11,和112B12在天线112B9和112B9之间等距地间隔开。所有天线112都具有轴线以径向的方式设置在水平面中的抛物面反射器,如图12中天线112T4的中心线140所描述的,其中圆形横截面垂直于其抛物面轴线。图12和图14中的实心点也表示未描述的天线,这些天线完全环绕侧壁,如图13和图15所示。在本示例性实施例中,天线112中的所有天线的波束宽度为30°,并且关于中心线140对称。将进一步理解,这里讨论的天线配置和操作特性仅意味着作为示例,并且本领域技术人员将能够设计满足本文讨论的性能参数的天线。
如图12至图14所示,卫星侧壁134包括以双点划周向虚线为边界的天线区域AR。天线区域具有增强卫星操作特性的配置。特别地,卫星的尺寸以及天线的布置和直径提供了超过天线区域的65%的天线覆盖范围,从而增加了与其他卫星中的天线建立无线电链路的概率。在本实施例中,卫星的直径D为500mm,天线区域AR的宽度WD为250mm,天线开口的直径d为110mm,并且天线之间的空间s为15mm。为了下面进一步描述的目的,四个朝向下的天线150a、150b、150c和150d设置在卫星100的底部。天线150中的每一个天线包括具有圆形横截面的抛物面反射器,并且设计成跨越60°的波束宽度发送和接收无线电波束。应当理解,其他天线布置是可能的,并且本实施例的尺寸意味着是作为这样的布置的示例,而不是意味着限制下面权利要求的范围。
如图14所示,卫星的顶部表面130略微向外呈穹顶状,以增加其暴露于太阳辐射的球面角。圆柱形卫星的轴线136通过下面讨论的方法在一定限度内相对于地球表面保持基本竖向的方向。天线的顶部排和底部排依次相对于与卫星轴线垂直的平面138(见图13)对称地设置,使得天线保持基本水平,以便通过与其他卫星中的天线配对来促进无线电链路的形成。这还将朝向下的天线150保持在其可以更容易地与地面节点天线形成无线电链路的取向上。但是,如下所述,应用于卫星的姿态稳定技术将允许卫星从水平方向有一定有限的量的摆动。太阳能板的穹顶状结构将使其部分与太阳保持更直的角度,从而有助于维持卫星电池的充电。
卫星110还包括顶部区域TR和底部区域BR,它们为上面结合图3描述的操作组件和模块在卫星中提供了足够的内部容积。在本示例中,顶部区域的宽度WT为100mm,底部区域的宽度为250mm。底部区域的内部空间还旨在提供足够的内部空间以容纳面向下的天线150,并且顶部区域旨在具有足够的空间以容纳与太阳能板114相关联的结构。在一个优选的构造中,天线112以一定角度向下指向,使得它们考虑了地球的曲率,因此更直接地指向其他卫星。通过考虑图9中的卫星将认识到这种效果,其中,卫星之间的无线电链路与相对于水平方向略微向下指向的卫星形成角度。在给定系统中,也可以使一些天线12稍微向上指向,以利于与更高海拔高度的卫星形成无线电链路。
如所提到的,与没有能够在任何方向上形成无线电链路的天线的卫星形成链路的能力(例如,图2和图3中的卫星10)要求卫星姿态相对于水平方向稳定在一定的限度内。图16是沿着图14中的线16-16截取的剖面,其示意性地描绘了用于使卫星110保持直立的卫星稳定机构的实施例,其中太阳能板背向地球表面。图16显示了三个相互正交的轴x、y和z。x轴和y轴位于图13描绘的平面138中。z轴与卫星的轴136重合,同心圆表示z轴从附图的平面向外指向。目的是使卫星定向,其中轴136远离地球的表面进行指向,并且其中平面138平行于地球表面。
卫星稳定机构包括五个电磁体。两个电磁体160和电磁体162在y方向上对准,并且两个电磁体164和电磁体166在x方向上对准。图16和图17描述了位于赤道附近的卫星,虚线MF代表了地球的磁场。在图中所示的位置,激活电磁体160和电磁体162将使卫星的y轴与磁通量线MF对准,该磁通量线MF与赤道处的地球表面平行地指向北。这将使卫星稳定,使其不会绕x轴旋转。停用电磁体160和电磁体162并启用电磁体164和电磁体166将使卫星绕z轴旋转,从而使卫星的x轴与地球磁场对准。这将使卫星稳定,使其不会绕y轴旋转。
地球磁场强度可能不足以使卫星轴线以所描述的方式完全对准。另外,当卫星行进远离赤道时,平面138可以稍微偏离水平方向。但是,可以预期的是任何未对准或与水平方向的偏离都将是轻微的,可能不超过10°。该偏离在本文中有时被称为卫星“摆动”,并且在优选实施例中,平面138相对于水平方向的摆动量将小于20°,并且更优选地不大于10°。
在另一变体中,可以按顺序地激活和停用电磁体160、162、164和166以作用绕卫星轴线136的旋转扭矩,以便实现旋转卫星所提供的上述优点。当卫星在每个轨道上经过赤道两次时,在卫星上作用旋转扭矩,将有助于减轻任何晃动的影响,因为它有潜力使卫星上与水平方向成不同角度的天线对准。例如,为了作用卫星绕z轴每分钟旋转一圈(ω≈1rpm),首先如上所述将卫星进行水平地稳定。然后,每次卫星在赤道附近时,电磁体160、162、164和168每15秒激活和停用一次。因此,每次激活和停用进而将促使当电磁体被激活时与磁通量线MF对准,从而在卫星上围绕z轴生成扭矩。周期性地按顺序地激活电磁体将导致卫星以由每个磁体的激活周期所确定的角速度旋转。在优选实施例中,卫星包括用于检测其角速度的加速计(未示出)。可以对卫星的计算机系统中包含的控制电路进行编程,以按顺序激活和停用磁体160至磁体166,使卫星绕z轴的角速度保持在所期望的值。
图17示出了第五电磁体168,该第五电磁体相对于卫星的y轴以适当的角度θ设置,如果卫星的z轴未面向上(远离地球表面)定向,则该第五电磁体用于纠正卫星。卫星可以通过多种方式检测到这种情况。例如,卫星的操作系统可以监测(一个或更多个)太阳能板的输出,并确定在超过半个轨道上的电输出是否低于某个阈值,这表明卫星没有直接指向太阳。另一指示将是向下指向的天线150是否在预确定的时间内未接收到无线电信号。
如果卫星确定需要竖向地纠正,则当卫星在赤道上方时会启动纠正序列。如果卫星绕其z轴旋转,则通过按预先编程的序列来激活电磁体160以及停用电磁铁164和电磁体166而使卫星停止。电磁体170瞬间被激活,从而产生绕卫星x轴的扭矩M,因为被激活的磁体170将寻求与地球磁通量线MF对准。磁体170在与磁通量线MF对准之前被停用,使得它将由于缺乏大气阻力而继续旋转。通过使用物理的基本原理,可以由卫星的星载计算机根据磁体170的尺寸、磁体的取向、卫星的海拔高度(以及因此卫星所在位置处的地球磁场强度),以及卫星的已知质量和重心来计算产生使卫星旋转180°的扭矩M所需的力的大小和持续时间。
另一卫星实施例包括更全向的卫星,例如图18中透视图所示的卫星210。该卫星具有图2和图3所示卫星10的一般形式的半球形,但被截断成使得它仅包含球体的一部分。(图14使用“200”系列参考数字来表示在先前描述的卫星实施例中引用的具有相同的最后两个数位的特征。)卫星210具有顶部表面230,该顶部表面上设置有太阳能板214。顶部表面可以像图14中所示的卫星110的顶部表面130那样形呈穹顶状。天线212a、212b、212c、212d等分布在卫星的球面周围,如卫星10中所示,在图14中用实心点表示。卫星210优选地包括如图13所示的卫星稳定机构,以便与卫星110一起使用。
C.替代天线配置
图19描绘了一种天线配置,该配置可以通过使用高增益无线电波束进一步提高在不同卫星中配对天线的概率,这将导致更快地创建具有对于无线电路由而言可接受的质量(Q)的无线电链路。图19表示图13所示的周向延伸的天线区域AR的一部分,其包含顶部排的天线112T3、112T4、112T5、112T6和112T7,以及底部排的天线112B3、112B4、112B5、112B6、112B7和112B8。顶部排和底部排上的其余天线将具有相同的结构。尽管结合卫星110讨论了这些天线配置,但是应该理解,它们可以用于已经讨论的任何卫星配置和部署方案(例如旋转卫星和反向旋转卫星)。
在本实施例中,天线112中的每个天线是具有六个馈源F1到馈源F6的抛物面天线。馈源F1到馈源F6彼此等距离地间隔并且布置在与天线的抛物面反射器的中心轴相距一定距离处。抛物面反射器的中心轴上没有天线馈源。天线反射器的形状和曲率可以根据已知的多馈源天线设计和操作原理来选择。还应当理解,天线反射器可以具有非抛物面的拓扑,例如球形、组合球形/抛物线形以及其他形状,以最大化这里描述的系统实施例的操作特性。应该理解的是,天线的数量和每个天线的馈源数量取决于卫星的设计和系统的期望的操作特性。更多或更少的天线和馈源可与本公开中讨论的卫星一起使用。
图20是用于处理由天线馈源接收的信号和由天线馈源发送的信号的示例性计算机电路的功能性区块链图。如同先前对计算机和处理电路的所有描述一样,图20中的框和框之间的连接仅用作解释本实施例的操作的辅助。根据需要在本领域技术范围内设计和实现适当的计算机组件,包括硬件、固件和/或软件,以执行本文所描述的功能。此外,图20中的电路图并不意味着建议用于执行将要描述的功能的任何特定架构。
为了本描述的目的,图20仅描绘了顶部天线模块112T1和112T12。为清楚起见,图中省略其余顶部天线模块和所有底部天线模块112B。每个天线模块都有与之相关联的微处理器“μproc”,用于处理引入到天线馈源中的信号并接收来自天线馈源的信号。单个天线微处理器在图20中由符号μproc(112TX)来标识,“X”是根据上述图19的描述的相关联的天线模块的编号。因此,在图中,“μproc(112T1)”表示用于对引入到天线模块112T1的馈源F1到馈源F6以及从天线模块112T1的馈源F1到馈源F6接收的信号进行处理的星载电路。同样,“μproc(112T12)”表示用于对引入到天线模块112T12的馈源F1到馈源F6和从天线模块112T12的馈源F1到馈源F6接收的信号进行处理的星载电路。其他天线模块112T2到112T11中的每个天线模块都与其自己的微处理器相关联,如图20中μproc(112T1)和μproc(112T12)之间的多个点所示。每个微处理器μproc包括由R1到R6表示的无线电收发器,表示每个无线电收发器与该天线的相应馈源F1到馈源F6相关联。收发器将由馈源所接收的RF信号转换成数据流,并将数据流转换成由天线广播的RF信号。
天线模块微处理器通过电力和数据线40(112T1)至40(112T12)连接到卫星CPU 40。图20中在线40(112T1)和线40(112T12)之间的点表示类似的电力和数据线也将相应的电力和数据线连接到每个天线模块微处理器μproc(112T2)至μproc(112T11)。如图19所示,对卫星天线馈源进行了编号,并且图20所示的电路使卫星能够识别天线馈源,在该天线馈源上接收到诸如路由消息之类的信号,以允许在相同的天线馈源上发送数据传输,从而实现路由协议和数据传输方法以及上述的分布式分类账实施例。
在24个天线上的每个天线使用六个馈源的功能相当于144根单独的天线。后面的配置在其最广泛的方面将在本公开的范围之内,但是它将避免其许多重要目的,其中之一的目的是提供一种系统,在该系统中卫星是如此的小和轻,以至于发射成本是最小的。尽管具有多馈源天线的卫星通常比单馈源实施例大且稍重,但它们仍将比具有足够单馈源天线以实现相同功能的卫星小且轻几个数量级。此外,将从每个卫星发送的路由消息数量增加数倍,可能会增加与地面站和其他卫星建立无线电链路的概率,这可能会减少与使用具有单馈源天线的卫星获得相同结果所需的卫星数量。
图19所示的卫星设计的两个重要方面是取消了中央天线馈源,并使用托架116将外围馈源F1至馈源F6安装成悬挂于天线边缘。这两个特征都可以使更多的天线反射器暴露于外围馈源。这种设计将使天线不易受到产生旁瓣的影响,并将消除中央馈源对天线外围馈源所发送和接收的信号的干扰。
由于天线馈源的空间密度增加,在上述路由协议中使用的至少一些进入的路由消息可以由特定天线的一个以上的天线馈源F来接收。如果天线模块用于无线电路由,则单个天线微处理器μproc识别将提供最高质量的无线电链路的馈源。这可以使用上面已经讨论过的任何标准来完成。该信息经由与顶部排的天线相关联的适当的电力和数据线40(112T1)到40(112T12)或与图19中的底部排的天线相关联的适当的未示出的电力和数据线40(112B1)到40(112B12)被传递到卫星CPU 40,然后卫星CPU 40对单个天线微处理器所选择的所有无线电信号进行自己的评估。当相邻的天线模块中的馈源接收到进入的无线电信号(路由消息)时,遵循相同的步骤。例如,进入的信号可以由邻接的天线模块中的四个馈源接收,例如天线112B4的馈源F1和F2、天线112T3的馈源F4和天线112T4的馈源F5。在这种情况下,与天线112B4相关联的微处理器μproc(112B4)将确定其馈源F1或F2中的哪个将提供更好(更高质量)的无线电链路,并将支持该判定的决定参数提供给卫星CPU40。来自天线112T3的馈源F4和来自天线112T4的馈源F5的路由质量信息也被发送到卫星CPU 40,卫星CPU40随后使用从天线模块接收的所有数据来识别天线模块及其馈源,以用于如上所述的数据传输。
D.CubeSat兼容性
此时,术语“立方星(CubeSat)”是指用于构建和部署非常小的卫星的两个不同概念。其中一个概念涉及使用标准尺寸的封装,基本上将其作为卫星组件的底盘。另一个基本上提供了用于保持卫星的容器,然后通过将卫星从该容器中射出到轨道中来对卫星进行部署。“CubeSat”是指4英寸×4英寸×4.5英寸(10厘米×10厘米×11.35厘米)的基本单元。CubeSat可以是该基本单元的倍数,该倍数通常是指有多少个包含一个特定CubeSat的基本单元(例如“3U”、“6U”等)。基本原则是,如果用于不同任务的不同卫星的尺寸和形状仍然相同或相似的形状因子,则可以降低发射和部署成本。同样,目前的技术仅用于小型专用卫星。
图21是能够在上述系统中使用的卫星的一种可能的实施方式的示意图,如以包括六个单元U1、U2、U3、U4、U5和U6的CubeSat 310为实施例。这些单元被构造成使得卫星具有顶部排的八个天线312T和底部排的八个天线312B(在图中未看到的单元的相对的面具有与图21中可见的天线相对应的天线)。可以使用上述技术(例如,参见图17的讨论)来稳定卫星310的姿态。在卫星如此定向的情况下,每个单元U的顶部可以包括与卫星110和卫星210的太阳能板114和太阳能板214(见图14和图18)相对应的太阳能板314的阵列。每个单元U的底部可以包括与卫星110的面向下的天线150(参见图12)类似的一个或更多个面向下的天线(未示出)。另外,天线312可以具有以上结合图19和图20讨论的多馈源构造。
图21说明了根据本文描述的各种实施例、特征和操作特性的卫星特别适合于CubeSat技术。它们体积小、重量轻,不携带火箭燃料,因此在发射过程中不需要特殊处理,它们可以在CubeSat型底盘上建造,如图21所示,也可以在CubeSat封装中部署。还将认识到,图21旨在作为可在本文所描述的系统中使用的卫星的CubeSat实施方式的一个示例。可能有更大的CubeSat,即,具有六个以上的单元。另一种构造变体可以使用与多单元CubeSat包络匹配的卫星,但是以其他方式与本文所述的任何特征整体地构造。例如,设计用于本文任何系统的卫星可以具有包络匹配,例如12U CubeSat(3×2×2),但不能以图21所示的方式构造为单独的CubeSat单元。
IV.所公开概念的进一步应用
图22示出了本文公开的概念在实施能够实现系统节点之间的通信的不同类型的通信系统中提供的多功能性。通过图22中使用的符号,地面节点的一般类型由参考符GN100、GN200和GN300标识。这些可以是蜂窝塔、WiFi路由器等。在无线通信领域的工作人员有时把它们称为“下落物(drops)”,它可以指为一个或更多个基于地面的用户或基于地面的网络服务的设备。可以与本文公开的系统一起使用的其他类型的基于地面的节点是单独的手持设备HD、具有形成所谓“物联网”的部分的设备的建筑物IoT,其通常是指网络间的嵌入有能够实现数据的收集和交换的电子设备、软件、传感器、执行器和网络连接的物理设备(也称为“连接设备”和“智能设备”),以及运载工具V,它可以将诸如作为物联网一部分的互联设备和可与手持设备HD类似的高清设备合并在一起。
图22还示出了系统可以合并的不同类型的基于空中的节点的一些示例。参考符SVLO1、SVLO2和SVLO3表示处于非常低地球轨道的卫星,在本示例中,海拔高度不超过100英里。如前所述,较低海拔高度处的卫星将增强与地面位置交换的无线电信号的强度。参考符SLO表示处于低的地球轨道的卫星,在本示例中,海拔高度约为500英里。此外,非轨道空中节点也可以在本文所述的系统中使用。例如,与上述卫星类似构造的节点可以悬挂于允许在平流层中(或在较低海拔高度处)自由漂浮的气球BN1和气球BN2。气球在向地球E的表面上的相对小的区域提供通信服务(互联网访问、电子邮件等)方面可能很有用。基于空中的节点的另一变体包括部署在海拔高度1000英尺至2000英尺的指定区域上的无人飞行运载工具(“无人机”)DR1和DR2,但依赖于系统要服务的特定区域,可能需要其他的海拔高度。预计使用低空飞行的无人机将比基于卫星的系统更容易直接从手持设备或其他个人设备进行通信,因为无人机将比仅包含卫星的系统更接近这些设备。参考符GEO表示地球同步轨道中的卫星,如本文所述的卫星和其他基于空中的节点可以与该卫星通信以实现数据传输。
图22示出了在一些可在采用如图所示的一种或更多种类型的空中节点的系统中创建路由段的示例。例如,手持设备HD到运载工具V之间的路由可以包括图中实线所示的子路由,包括到诸如DR1之类的无人机的链路、可以包括其他无人机(未示出)的子路由,然后到由卫星SVLO1所表示的一个或更多个非常低地球轨道卫星、由气球(如BN2)所表示的一个或更多个气球、以及与运载工具V的链路。图22中以双点划虚线示出了地面节点GN100和地面节点GN200之间的无线电路由的另一示例。该路由包括涉及以下各者的子路由:一个或更多个气球BN(由气球BN1表示)、一个或更多个非常低的地球轨道卫星(由卫星SVLO2表示)、以及一个或更多个无人机(由无人机D2表示)。第三示例以在建筑物IoT之间的单点划虚线示出,该建筑物IoT容纳了合并入物联网中的设备。该路由包括涉及以下各者的子路由:一个或更多个非常低的地球轨道卫星(由卫星SVLO3表示)、已部署在其他系统中的一个或更多个地球同步卫星(由卫星GEO表示)、以及一个或多个低地球轨道卫星(由卫星SLO表示)。根据该描述,应当理解,图中的空中节点类型DR、BN、SVLO、SLO和GEO中的每一者旨在表示子路由中的可能节点,该子路由可以包括不同类型或相似类型节点之间的多个链路。
之前已经建议使用气球作为节点。据信,谷歌正在测试名为潜鸟计划(ProjectLoon)的系统,为农村和偏远地区提供互联网访问。据报道,高空气球被放置在平流层中约18公里(11英里)的海拔高度,以建立空中无线网络。在使用公布的风力数据识别出具有所需速度和方向的风层之后,通过调整在平流层中的海拔高度来调遣气球以使气球漂浮到所述风层中。信号通过气球网络从一个气球行进到另一个气球,然后到达与互联网服务提供商(ISP)连接的地面站,然后传输到全球互联网。比如说,维基百科上的“浅鸟计划(ProjectLoon)”,https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Loon(上次访问于2017年9月20日)。本领域技术人员可以容易地使这种基于气球的系统适应于使用在本公开中讨论的各种卫星实施的节点。
V.总结和结论
上面描述的优选通信系统和方法使用随机分布的轨道卫星以利用这种系统中固有的概率来可靠地组合卫星之间以及卫星与地面站之间足够稳健以支持数据通信的无线电路由。在先设计的基于卫星的通信系统能够使用卫星与位于地球表面的宽广条带上的地面站进行数据通信,这些卫星保持在受限制的轨道上,以便每个卫星都能确切地知道能够与之通信的另一个卫星的位置。这就需要具有火箭推进器或其他重型且复杂的机构的大型重型卫星将每个卫星保持在精确的位置和严格控制的姿态,以确保卫星上的天线可以配对以形成卫星间无线电链路。
本文所描述和要求保护的系统和方法中的方法通过以下操作打破了这种范式:通过使用随机分布且不需要知道任何其他卫星的位置的卫星来与相应卫星上的天线进行配对并形成无线电链路。在一些实施例中,即使卫星完全没有姿态控制,数据也可以经由卫星可靠地发送到世界各地的地面站。
各种卫星构造的改进可用于提高数据传输的可靠性和速度,并减少在轨道上部署卫星的成本。在基本构造中,卫星是球形的或者近乎是球形的,天线分布在球体的周围或球体的全部或一部分上,以便能够在所有或几乎所有球形方向上传输无线电信号。在一个改进中,卫星有处于卫星周围的圆形波段内的天线,如图12至图15所示,该天线当与部分姿态稳定相结合时,如图16和图17所示,将进一步提高系统在卫星之间以及卫星与地面站之间建立无线电链路的可靠性。本文所述的被动稳定装置不需要移动部件,并且可以在水平方向±10°的范围内控制卫星取向,这将足以增强天线的配对。致使卫星旋转能够进一步增加天线与所公开的卫星构造中的各种卫星构造配对的概率。在另一实施例中,天线包括抛物面反射器,该抛物面反射器具有安装到天线边缘的多个馈源,该天线边缘能够发射和接收每个卫星的更多无线电信号,同时通过省略中心馈源来增强天线性能。卫星也可以做得足够紧凑与CubeSat标准兼容。
本文公开的唯一路由协议是针对经由随机分布的轨道卫星系统到地面站的数据传输而定制的。地面站有唯一的地址来标识它自己和它所在的区域。与地面节点相关联的局域网包括至少一个卫星,该至少一个卫星存储与地面站天线配对的卫星天线的标识,以形成用于将卫星上星载的数据发射到地面站的无线电链路。局域网中的其他卫星存储地面节点地址和与另一卫星中的天线配对的天线的标识,该另一卫星也已存储地面节点地址。广域网包括至少一个卫星,该至少一个卫星中的每个卫星存储与已存储初始卫星的区域的另一卫星的天线配对的天线的标识,以形成至少一个卫星间无线电链路。局域网建立一个已知的连接到目的地地面站的子路由,而广域网则将数据传输集中到地面站区域,那里很可能遇到在地面站的局域网中的卫星。如果带有星载数据的卫星不在局域网或广域网中,则该卫星将数据传输到地面节点区域。
可以由多个随机分布的轨道卫星来支持基于卫星的分布式分类帐系统,以分配由至少一个卫星从地面站接收的数据通信。卫星使用GNSS模块为所有卫星提供公共时钟,以及在唯一的时隙内发送借助于所有卫星的几乎所有天线进行的所有所存储的数据通信。与本文所述系统的其他应用一样,整个系统的分布是由概率驱动的,但是足够数量的在轨卫星将确保向所有卫星快速传播数据。
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选定的优选实施例,并且应当理解,除了上述具体提及的改变和修改之外,可以进行各种偏离本发明的精神和范围的改变和修改,本发明的精神和范围仅由随附的权利要求限定。
Claims (33)
1.一种无线电通信系统,所述无线电通信系统用于经由具有至少一个系统节点的无线电路由向地面节点发送数据,所述至少一个系统节点包括多个随机分布的轨道卫星节点中的至少一个卫星节点,多个所述卫星节点中的每个卫星节点包括:
多个天线,所述多个天线用于在不同方向中接收和发送无线电信号;
路由创建电路,所述路由创建电路用于接收从所述地面节点发送的包括标识所述地面节点的地址信息的初始路由消息,以及用于发送包括所述地址信息的另外的路由消息;和
存储器,所述存储器用于存储所述地址信息和接收有所述初始路由消息的天线的标识,
其中,所述路由创建电路确定所接收的初始路由消息的质量,所述质量指示所述卫星是否适合并入无线电链路中以将所述数据发送到所述地面节点,并且所述路由创建电路借助于多个所述天线发送包括所述地址信息和所述初始路由消息的质量的另外的路由消息。
2.根据权利要求1所述的系统,还包括:至少一个第一阶卫星,所述至少一个第一阶卫星用于接收所述初始路由消息以及用于将所述另外的路由消息作为第一阶路由消息进行发送;以及至少一个第二阶卫星,所述至少一个第二阶卫星用于从至少一个第一阶卫星接收一个或更多个第一阶路由消息以及用于借助于多个天线发送优选的第一阶路由消息,其中:
每个第二阶卫星的路由创建电路(i)确定从相应的第一阶卫星接收的每个第一阶路由消息的质量,并将所述每个第一阶路由消息的质量与包括在相关联的第一阶路由消息中的所述初始路由消息的质量进行匹配,以及(ii)对表示从所述第二阶卫星到所述地面节点的第一子路由的所述优选第一阶路由消息进行标识,所述第一子路由包括与所述初始路由消息相关联的第一无线电链路和与所述相应的第一阶路由消息相关联的第二无线电链路,其中与所述优选第一阶路由消息相关联的所述第一无线电链路和所述第二无线电链路两者都具有比与由所述二阶卫星接收的任何其它第一阶路由消息相关联的任何第一无线电链路或第二无线电链路高的质量;并且
所述地址信息、接收有所述优选第一阶路由消息的天线的标识、以及在所述第一无线电链路和所述第二无线电链路之间的较低链路质量被存储在所述第二阶卫星的所述存储器中。
3.根据权利要求2所述的系统,还包括至少一个第三阶卫星,所述至少一个第三阶卫星用于接收借助于至少一个第二阶卫星的多个天线发送的一个或更多个第二路由消息,所述第二阶路由消息包括所述地址信息和所述较低链路质量,其中:
每个第三阶卫星的路由创建电路(i)确定从相应的第二阶卫星接收的每个第二阶路由消息的质量,并将所述每个第二阶路由消息的质量与包括在相关联的第二阶路由消息中的所述较低链路质量进行匹配,以及(ii)对表示经由第一阶卫星从所述第三阶卫星到所述地面节点的第二子路由的优选第二阶路由进行标识,所述第二子路由包括与所述优选第二阶路由消息相关联的所述第二阶卫星和所述第三阶卫星之间的第三无线电链路,其中与所述优选第三阶路由消息相关联的所有无线电链路都具有比与任何其它所接收的第二阶路由消息相关联的任何第一无线电链路、第二无线电链路或第三无线电链路高的质量;并且
接收有所述优选第三阶路由消息的天线的标识和所述地址信息被存储在所述第三阶卫星的所述存储器中。
4.根据权利要求3所述的系统,其中,包括低于预确定质量的任何无线电链路的子路由被消除。
5.根据权利要求3所述的系统,其中,所述第一阶卫星、所述第二阶卫星和所述第三阶卫星借助于多个天线发送通告路由消息,所述通告路由消息包括标识所述地面节点的所述地址信息。
6.根据权利要求2所述的系统,其中,所述卫星中的至少一些卫星进行旋转。
7.根据权利要求6所述的系统,还包括选择性地通电的电磁体,所述选择性地通电的电磁体与地球磁场相互作用以在所述卫星上产生扭矩。
8.根据权利要求2所述的系统,其中,所述卫星中的至少一些卫星包括姿态稳定。
9.根据权利要求8所述的系统,其中,多个所述卫星包括姿态稳定装置,所述姿态稳定装置包括被选择性地通电以使所述卫星与地球磁场对准的电磁体。
10.根据权利要求1所述的系统,其中,所述天线包括抛物面反射器,每个所述抛物面反射器都包括多个馈源,所有所述馈源均安装在所述反射器的外围,并且存储在所述第一阶卫星、所述第二阶卫星和所述第三阶卫星的所述存储器中的所述天线的所述标识包括相应的卫星馈源的标识。
11.根据权利要求1所述的系统,其中,所述系统节点还包括无人飞行运载工具、气球和对地静止卫星中的至少一者。
12.根据权利要求1所述的系统,其中,所述多个卫星节点包括位于不同海拔高度的轨道中的卫星的多个群组。
13.一种包括多个系统节点的无线电通信系统,所述多个系统节点包括随机分布的轨道卫星,用于经由所述卫星中的一个或更多个卫星将数据发送到目的地卫星,多个所述卫星中的每个卫星包括:
多个天线,所述多个天线用于在不同方向中接收和发送无线电信号;
路由创建电路,所述路由创建电路用于接收从初始卫星发送的初始广域路由消息,所述初始广域路由消息包括与所述初始卫星相关联的地理位置地址信息,并且所述路由创建电路用于发送包括所述地址信息的另外的广域路由消息;以及
存储器,所述存储器用于存储所述地理位置地址信息和接收有所述初始广域路由消息的天线的标识,
其中,所述路由创建电路确定所接收的初始广域路由消息的质量,所述质量指示所述卫星是否适合并入无线电链路中以将所述数据发送到所述初始卫星,并借助于多个所述天线发送包括所述地理位置地址信息和所述初始广域路由消息的所述质量的另外的广域路由消息。
14.根据权利要求13所述的系统,还包括:至少一个第一阶广域卫星,所述至少一个第一阶广域卫星用于接收所述初始广域路由消息并用于将所述另外的广域路由消息作为第一阶广域路由消息进行发送;以及至少一个第二阶广域卫星,所述至少一个第二阶广域卫星用于从至少一个第一阶广域卫星接收一个或更多个第一阶路由消息并用于借助于多个天线发送优选第一阶广域路由消息,其中:
每个第二阶广域卫星的路由创建电路(i)确定从相应的第一阶广域卫星接收的每个第一阶广域路由消息的质量,并将所述每个第一阶广域路由消息的质量与包括在相关联的第一阶广域路由消息中的所述初始广域路由消息的质量进行匹配,以及(ii)对表示从所述第二阶广域卫星到所述初始卫星的第一广域子路由的所述优选第一阶广域路由消息进行标识,所述第一广域子路由包括与所述初始广域路由消息相关联的第一广域无线电链路和与所述相应的第一阶广域路由消息相关联的第二广域无线电链路,其中与所述优选第一阶广域路由消息相关联的所述第一广域无线电链路和所述第二广域无线电链路两者都具有比与由所述第二阶广域卫星接收的任何其它第一阶广域路由消息相关联的任何第一无线电链路或第二无线电链路高的质量;并且
所述地理位置地址信息、接收有所述优选第一阶广域路由消息的天线的标识、以及在所述第一广域无线电链路和所述第二广域无线电链路之间的较低链路质量被存储在所述第二阶广域卫星的所述存储器中。
15.根据权利要求14所述的系统,还包括至少一个第三阶广域卫星,所述至少一个第三阶广域卫星用于接收借助于至少一个第二阶广域卫星的多个天线来发送的一个或更多个第二广域路由消息,所述第二阶广域路由消息包括所述地理位置地址信息和所述较低链路质量,其中:
每个第三阶卫星的路由创建电路(i)确定从相应的第二阶广域卫星接收的每个第二阶广域路由消息的质量,并将所述每个第二阶广域路由消息的质量与包括在相关联的第二阶广域路由消息中的所述较低链路质量进行匹配,以及(ii)对表示经由第一阶广域卫星从所述第三阶广域卫星到所述初始卫星节点的第二子路由的优选第二阶广域路由消息进行标识,所述第二子路由包括与所述优选第二阶广域路由消息相关联的所述第二阶广域卫星和所述第三阶广域卫星之间的第三无线电链路,其中与所述优选第三阶广域路由消息相关联的所有无线电链路都具有比与任何其它所接收的第二阶广域路由消息相关联的任何第一无线电链路、第二无线电链路或第三无线电链路高的质量;并且
接收有所述优选第三阶广域路由消息的天线的标识和所述地理位置地址信息被存储在所述第三阶广域卫星的所述存储器中。
16.根据权利要求15所述的系统,其中,包括低于预确定质量的任何无线电链路的子路由被消除。
17.根据权利要求15所述的系统,其中,所述卫星中的至少一些卫星进行旋转。
18.根据权利要求17所述的系统,还包括选择性地通电的电磁体,所述选择性地通电的电磁体与地球磁场相互作用以在所述卫星上产生扭矩。
19.根据权利要求14所述的系统,其中,所述卫星中的至少一些卫星包括姿态稳定。
20.根据权利要求19所述的系统,其中,多个所述卫星包括姿态稳定装置,所述姿态稳定装置包括被选择性地通电以使所述卫星与地球磁场对准的电磁体。
21.根据权利要求13所述的系统,其中,所述天线包括抛物面反射器,每个所述抛物面反射器都包括多个馈源,所有所述馈源均安装在所述反射器的外围,并且存储在所述第一阶广域卫星、所述第二阶广域卫星和所述第三阶广域卫星的所述存储器中的所述天线的所述标识包括相应的卫星馈源的标识。
22.根据权利要求13所述的系统,其中,所述系统节点还包括无人飞行运载工具、气球和对地静止卫星中的至少一者。
23.根据权利要求13所述的系统,其中,所述多个卫星节点包括位于不同海拔高度的轨道中的卫星的多个群组。
24.一种通过多个随机分布的轨道卫星中的至少一个卫星将数据发送到目的地地面节点的方法,所述地面节点具有与所述地面节点的地理位置相关联的唯一地面地址,以及用于接收数据传输的至少一个天线,其中,每个卫星包括:多个天线,所述多个天线用于在不同方向上接收和发送无线电信号,以在所述卫星的各自成对的天线上形成无线电链路;以及数据传输电路,所述数据传输电路用于借助于所述多个天线中的至少一个天线发送数据,所述方法包括:
(a)借助于卫星天线接收带有目的地信息的数据传输,所述目的地信息包括所述目的地地面节点的所述地面地址;
(b)确定所述接收卫星中的存储器是否已经存储唯一与所述接收卫星的与所述目的地地面节点天线配对的天线相关联的标识;
(c)如果步骤(b)的答案为是,则使用标识存储在所述接收卫星的存储器中的所述天线来发送数据;
(d)如果步骤(c)的答案为否,则确定所述接收卫星的存储器是否已存储与存储器已存储所述目的地地面节点的所述地面地址的另一卫星的天线配对的天线的唯一标识;
(e)如果步骤(d)的答案为是,则使用标识存储在所述接收卫星的存储器中的所述天线来发送数据;
(f)从存储器已存储与所述目的地地面节点的所述天线配对的所述天线的标识的所述卫星将所述数据发送到所述目的地地面节点。
25.根据权利要求24所述的方法,其中,标识存储在所述另一卫星的存储器中的所述天线与存储器已存储与所述目的地地面节点的所述天线配对的所述天线的标识的附加卫星中的天线配对。
26.根据权利要求24所述的方法,其中,所述轨道卫星遍历地球表面的预确定条带,其中,所述地球表面的所述条带的至少一部分被划分为多个区域,每个卫星存储指示所述区域的地理边界的区域地址信息,并且所述唯一地面地址包括区域地址信息,所述区域地址信息指示所述目的地节点所在的区域,所述方法还包括:
(g)如果步骤(b)的答案为否,则确定所述接收卫星中的存储器是否已存储与存储器已存储所述区域地址信息的广域卫星的天线配对的所述接收卫星的天线的所述标识;以及
(h)如果步骤(g)的答案为是,则使用标识存储在所述接收卫星中的所述天线来发送数据;
(i)通过在每个所述步骤中将所述广域卫星视为所述接收卫星来重复步骤(a)至步骤(h)。
27.根据权利要求26所述的方法,所述方法还包括:
(j)如果步骤(h)的答案为否,则使用所述接收卫星的指向所述目的地节点的所述区域的方向的至少一个天线来发送所述数据;
(k)确定所述接收卫星是否已经从接收到所述数据传输的另一卫星接收到返回确认消息;以及
(l)如果对步骤(k)的答案为否,则重复步骤(a)至步骤(k)。
28.一种基于卫星的分布式分类帐系统,所述分布式分类帐系统用于将由所述卫星中的至少一个卫星从地面站接收的数据通信传播到至少20个随机分布的轨道卫星中的多个随机分布的轨道卫星上,每个所述卫星包括:
多个天线,所述多个天线用于在不同方向中接收和发送无线电信号;
存储器,所述存储器用于存储在所述天线上接收的数据通信;
GNSS模块,所述GNSS模块用于与全球导航卫星系统合作以为所有所述卫星提供共同的时钟;和
数据移动模块,所述数据移动模块用于在没有其他卫星发送数据通信的唯一时隙期间,借助于多个卫星中的每个卫星的基本上所有天线发送所有所存储的数据通信。
29.根据权利要求28所述的系统,其中:
所述GNSS模块确定所述卫星的所述地理位置;
所述卫星存储器存储多个地面站的所述地理位置;以及
当所述卫星在所述地面站的视线内时,所述数据移动模块将所述数据通信与存储在所述卫星存储器中的地理位置发送到地面站。
30.根据权利要求28所述的系统,所述系统包括至少200个卫星,其中,所述时隙的持续时间约为0.10秒。
31.一种无线电通信系统中的地面站,所述无线电通信系统用于经由多个随机分布的轨道卫星在不同地面位置之间发送数据,所述多个随机分布的轨道卫星遍历地球表面的被划分为具有唯一区域标识符的多个区域的至少一部分,所述地面站包括多个天线,所述多个天线用于在多个方向上同时发送多个路由消息,所述路由消息包括地址信息,所述地址信息包括指示所述地面站所在的区域的所述区域标识符。
32.一种无线电通信系统,所述无线电通信系统用于经由包括多个无线电链路的无线电路由向地面节点发送数据,所述多个无线电链路用于在多个随机分布的轨道卫星的星座中的成对的所述卫星之间发送所述数据,所述多个随机分布的轨道卫星遍历地球表面的被划分为具有唯一区域标识符的多个区域的至少一部分,其中,所述地面节点具有标识所述地面节点自身和所述地面节点所在的区域的唯一地址,并且每个卫星包括用于在不同方向中接收和发送无线电信号的多个天线,所述系统包括:
包括至少一个卫星的至少一个局域网,其中,所述局域网中的第一卫星存储与所述地面节点的天线配对的天线的标识,以形成用于将所述数据发送到所述地面节点的无线电链路;以及所述局域网中的任何其他卫星都存储所述地面节点的所述唯一地址,并存储与已存储所述地面节点的所述唯一地址的另一卫星中的天线配对的天线的标识;以及
包括至少一个卫星的广域网,其中,所述广域网中的每个卫星存储与已存储与所述地面节点相关联的所述区域标识符的另一卫星的天线配对的天线的标识,以形成用于朝向所述地面节点所在的区域发送所述数据的至少一个卫星间无线电链路。
33.根据权利要求32所述的系统,其中,所述星座中的具有寻址到所述地面节点的星载数据并且不在局域网或广域网中的任何卫星借助于所述卫星的一个或更多个天线朝向所述地面节点所在的区域发送所述数据。
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