DE60024459T2

DE60024459T2 - Luftgetragene konstellation von kommunikationsplattformen und verfahren

Info

Publication number: DE60024459T2
Application number: DE60024459T
Authority: DE
Inventors: M. Gerald KNOBLACH; A. Eric FRISCHE
Original assignee: Space Data Corp
Current assignee: Space Data Corp
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: EP1197099A4; US20020072361A1; EP1197099B1; EP1638220A2; ATE311729T1; SI1197099T1; TR200200422T2; IS2413B; EP1638220A3; AU763009B2; US6628941B2; MA27344A1; DE60043201D1; WO2001001710A1; AU5597700A; KR20020060077A; RU2257016C2; BR0011972A; CA2377958C; UA72528C2

Description

TECHNISCHES ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konstellation kleiner, in der Luft schwebender Kommunikationsplattformen und insbesondere eine Mehrzahl von kleinen Kommunikationsplattformen leichter als Luft, die beabstandet sind und in der Stratosphärenschicht der Erdatmosphäre über einem zusammenhängenden geographischen Gebiet schweben. Priorität wird auf Grundlage der am 29.6.99 eingereichten US-Gebrauchsmuster-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/342,440 beansprucht.
STAND DER TECHNIK
Bis vor kurzem befanden sich alle Kommunikationssatelliten in einer als erdsynchroner Bogen bezeichneten Umlaufbahn, die 22.300 Meilen (35,887 km) über dem Äquator der Erde liegt. Da internationale Verträge erforderten, daß Satelliten um 2 Grad beabstandet sein sollen, gab es nur 180 Standorte auf der erdsynchronen Umlaufbahn. Eine optimal konstruierte dreistufige chemische Rakete muß typischerweise beim Start aus 94% Treibstoff bestehen, um die erdsynchrone Umlaufbahn zu erreichen, was nach Zuteilung von rund 5,6% des Gewichts für die Rakete nur rund 0,4% des anfänglichen Startgewichts für den Satelliten beläßt. Um dies ins richtige Verhältnis zu bringen, würde ein typisches Kraftfahrzeug von 3.000 Pfund (1.360 kg) mit der gleichen Leistung nur eine Person von 200 Pfund (90 kg) tragen können, würde einen Treibstofftank von 8.400 Gallonen (31.797 Litern) benötigen und nach einer Fahrt verschrottet werden! Abschließend können, obwohl die NASA-Raumfähre einige Satelliten auf sehr niedriger Laufbahn zu großen Kosten warten kann, die meisten Satelliten nach ihrem Start nicht gewartet oder aufgerüstet werden.
Da es nur eine begrenzte Anzahl von Standorten auf der erdsynchronen Laufbahn gibt, wachsen erdsynchrone Satelliten gegenwärtig in Größe und Leistung und sind heute in der Lage, Fernsehsignale direkt in das Heim zu senden. Vor kurzem sind zusätzliche Satellitennetze eingesetzt worden, die keine erdsynchrone Laufbahn erfordern. Alle dieser neuen Netze haben kleinere Kommunikationssatelliten in viel niedrigere Laufbahnen gestartet, wo es eine unbegrenzte Anzahl von Standorten gibt. Da die für ein Netz erforderlichen Satelliten viel zahlreicher sind und da die Satelliten kleiner sind, sind bis zu 8 Satelliten pro Rakete gestartet worden. Obwohl Satelliten kleiner und zahlreicher geworden sind, gilt es immer noch keine „persönlichen Satelliten" und keine Massenhersteller von Verbraucherprodukten in der Satellitenindustrie heute.
Man könnte schätzen, daß der Einsatz eines Netzes von Mikrosatelliten auf niedriger Erdumlaufbahn und Bodeneinrichtungen zur Unterbringung der Bahnverfolgung, Übertragung, des Empfangs, der Signalweiterschaltung zwischen der Mehrzahl von Mikrosatelliten und des notwendigen Systemnetzes für ein Sprachsystem mindestens 3 Billionen Dollar kosten würde. Innerhalb von vier Jahren des Einsatzes eines Systems könnte erwartet werden, daß jeder von 5 Millionen Teilnehmern bis 3.000 Dollar in die Einrichtungen investiert, was eine gesamte kombinierte Investition von den Benutzern in die neuen Einrichtungen von rund 15 Billionen Dollar ergibt. Die Kosten zum Einsetzen eines kleineren Systems fortgeschrittener Nachrichtenübermittlungssatelliten auf niedriger Erdumlaufbahn könnten auf rund 475 Millionen Dollar geschätzt werden. Es wäre zu erwarten, daß ein solches System zwei bis drei Millionen Teilnehmer bedient, jeweils mit Benutzereinrichtungen, die 300–1.000 Dollar kosten. So könnten die Gesamtinvestitionen von den Benutzern für ihre Einrichtungen mindestens 600 Millionen Dollar betragen.
Es gibt gegenwärtig eine Industrie für Funksonden zum Einsammeln von Wetterinformationen. Funksonden sind die auf Wetterballons gestarteten Instrumentenpakete zum Einsammeln von Wetterinformationen. Funksonden werden von einem Netz von Standorten um die Welt herum aus täglich mittags und um Mitternacht mittlerer Zeit Greenwich gestartet. Die Wetterdienst-Funksonden sammeln bei ihrem Aufstieg von der Erdoberfläche bis zu annähernd 100.000 Fuß (30.000 m) während eines zweistündigen Fluges Temperatur-, Feuchtigkeits-, Druck- und Winddaten. Diese Daten werden dann in Atmosphärenmodelle eingegeben, die auf Supercomputern ablaufen. Die aus dem Netz aufsteigender Funksonden angesammelten Informationen sind für die Vorhersage des Wetters von kritischer Bedeutung. Die meisten Länder der Welt sind vertragsmäßig gebunden, Funksonden von festgelegten Standorten aus zu starten und die Daten mit anderen Ländern zu teilen. Gegenwärtig werden jährlich in der gesamten Welt rund 800.000 Funksonden gestartet. Diese Anzahl repräsentiert die 997 globalen Wetterstationen, die zwei Funksonden pro Tag starten, 365 Tage im Jahr (727.000) zuzüglich einer geringen Anzahl von Funksonden, die für militärische und Forschungszwecke gestartet werden. Rund 18% der Funksonden werden gerettet, wiederhergerichtet und wieder in Dienst genommen, was eine neue Produktion von rund 650.000 Wetterinformationen sammelnden Funksonden pro Jahr ergibt.
Die gegenwärtig zum Verfolgen von Wetterballons benutzten Ortungssysteme werden entweder deaktiviert (Omega, beginnend vor dem Jahr 2000, und Loran-C, kurz nach dem Jahr 2000) oder sind so alt, daß der Betrieb und die Wartung untragbar teuer werden (Radargeräte und Radiotheodoliten). Änderungen bei Funksondensystemen finden gewöhnlich sehr langsam statt, da Meteorologen Klimatendenzen durch Vergleichen von über Jahrzehnte hinweg gesammelten Daten untersuchen. Sie sind daher sehr wachsam bezüglich irgendwelcher Änderungen, die neue systemabhängige Fehler in die Daten bei ihrer Einsammlung einführen könnten. Dies ist daraus ersichtlich, daß bedeutende Benutzer wie beispielsweise der NWS (National Weather Service) in den Vereinigten Staaten immer noch analoge, von Radiotheodoliten verfolgte Funksonden benutzen, wenn es digitale Sonden zur Navigationshilfe bereits jahrelang gegeben hat. Durch Verkürzen von Regierungsbudgets sind einige Benutzer unfähig geworden, für neue erforderliche Technologie zu bezahlen. Auf dem Marktplatz für Sonden besteht gegenwärtig ein Drang zur Umrüstung auf die Verwendung von GPS (Global Positioning System) zur Windverfolgung von Funksonden. Der NWS hat von 1995 bis 1998 versucht, die finanzielle Unterstützung des US-Kongresses für ein Programm zur Entwicklung eines GPS-Verfolgungssystems für das US-Beobachtungsnetz (US Observa tion Network) zu erhalten, und es ist ihm nicht gelungen. Diese Unfähigkeit, die notwendige neuere Technologie zu erhalten, um alte und untragbare Funksonden-Infrastruktur zu ersetzen, findet gleichzeitig mit der Umzuteilung des HF-Spektrums der Funksonde für kommerzielle Verwendungszwecke statt. Funksonden haben herkömmlicherweise auf 400 MHz für Navigationssonden und 1.680 MHz für Radiotheodoliten-Sonden gesendet. Das 400-MHz-Band wird möglicherweise von der FCC (Federal Communications Commission) in den Vereinigten Staaten für gleichzeitige Verwendung durch kommerzielle Dienste versteigert werden. So steigt die Interferenz und Sonden müssen möglicherweise schmalere Bandbreiten mit digitalen Abwärtsstrecken anstatt der breiten Bänder mit analogen Abwärtsstrecken benutzen, die noch gebräuchlich sind.
Es sind sehr große und teure NASA-Ballons einzeln gestartet und für längere Zeit auf einer schwebenden Höhe unterhalten worden. Diese Ballons tragen Hunderte von Kilogramm von Geräten und kosten jeweils Zehntausende Dollar. Aufgrund von Abwanderung besitzen die einzelnen Ballons nicht die Fähigkeit von fortlaufender Sichtlinienversorgung ausgebreiteter geographischer Gebiete.
Eine neue Kategorie digitaler Dienste ist PCS (Personal Communications Services – persönliche Kommunikationsdienste), für die die FCC 1994 mit der Versteigerung von Spektrum begonnen hat. PCS ist in zwei Kategorien aufgeteilt: Breitband- und Schmalband-PCS. Die Breitbandkategorie besteht hauptsächlich für Sprachdienste und PCS-Breitbandtelefone stehen heute im Wettbewerb mit herkömmlichen Zellulartelefonen. Die Schmalbandkategorie besteht für fortgeschrittene Nachrichtenübermittlung, was im wesentlichen Zweiwege-Funkruf ist. Die Funkrufindustrie sieht fort geschrittene Nachrichtenübermittlung als mobile Erweiterung des E-Mail-Kontos einer Person an, genau wie ein Zellulartelefon die mobile Erweiterung des Tischtelefons einer. Person gewesen ist. Landesweiter Schmalband-PCS (NPCS – narrow band PCS) war das erste Spektrum, das jemals von der FCC versteigert wurde. Es sind rund 30 regionale und landesweite NPCS-Lizenzen versteigert und an private kommerzielle Unternehmen verkauft worden. Die Tatsache, daß das Spektrum versteigert wurde, ist deshalb bedeutend, da es weniger Beschränkungen der Verwendung dieses Spektrums als der Verwendung von herkömmlichem, von der FCC unter Lizenz erhaltenem versteigertem Spektrum gibt. Vor den Versteigerungen gewährte die FCC Spektrum stückweise und die Gesellschaften mußten beweisen, daß sie die Luftwellen für das „öffentliche Wohl" benutzten. Gewöhnlich gab es sehr spezifische Bundesregelungen darüber, wie die Frequenz benutzt werden konnte. Da Gesellschaften ihre PCS-Lizenzen bezahlten, besitzen sie im wesentlichen das Spektrum. Von der FCC wurden nur minimale Regelungen auferlegt, um zu verhindern, daß Systeme die Systeme anderer Betreiber und anderer Länder störten. Zusätzlich kamen die FCC und Industry Canada zu einer Vereinbarung, die als Terrestrial Radio Communication Agreement and Arrangement bekannt ist (Terrestrische Funkkommunikationsvereinbarung und -anordnung), in der Kanada die gleichen Frequenzen für NPCS mit der gleichen Kanalstruktur wie das versteigerte Spektrum für den NPCS in den Vereinigten Staaten zuteilte. Dadurch wurde grenzüberquerender NPCS möglich und 1996 wurde mindestens einer Funkrufsystemgesellschaft eine NPCS-Lizenz in Kanada gewährt, um auf den gleichen Frequenzen wie ihr US-Lizenznehmer zu fungieren. Mexiko hat ebenfalls das gleiche Kanalraster wie das in den Vereinigten Staaten benutzte spezifiziert.
Eines der Ziele der FCC ist, die Bereitstellung von Hochfrequenz-(HF)-Kommunikationsdiensten für Verbraucher in ländlichen Gebieten zu einem Preis zu fördern, den sie sich leisten können. Dieser Markt ist von den größeren Kommunikationsgesellschaften größtenteils außer Acht gelassen worden, aufgrund des abnehmenden Ertrages für Investitionen zur Bereitstellung von drahtlosen Kommunikationen für dünn besiedelte Gebiete. Diese drahtlosen Dienste umfassen Funkruf, fortgeschrittene Nachrichtenübermittlung, Telemetrie, Sprache usw. Obwohl sowohl Sprach- als auch Nachrichtenübermittlungsdienste für ländliche Gebiete unter Verwendung von Satellitensystemen zur Verfügung stehen, betragen die Kosten im allgemeinen Tausende von Dollar pro Einheit und liegen weit außer Reichweite der meisten Verbraucher. Zusätzlich besitzen Satellitensysteme Probleme bei der Bereitstellung von Diensten in Stadtgebieten, da sie die notwendige Signalstärke zur Bereitstellung von Durchdringung von Gebäuden mangeln.
AUFGABEN UND VORTEILE DER ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung werden Nachteile der vorherigen Kommunikationssatelliten durch Verwendung kleiner und relativ kostengünstiger Mikroelektronik zur Aufnahme der meisten der durch bestehende Kommunikationssatelliten bereitgestellten Funktionen in kleinen Kommunikationsplattformen leichter als Luft überwunden. Insbesondere ist eine Mehrzahl von Ballons leichter als Luft, die eine Konstellation bilden, dafür ausgelegt, mikroelektronische Kommunikationsgeräte in eine als Stratosphäre bezeichnete Schicht der Erdatmosphäre zu tragen. Das Gewicht dieser Plattformen beträgt annähernd 100 bis 1.000 mal weniger als die gegenwärtig in nicht erdsynchrone Laufbahnen gestarteten Mikro satelliten. Zur zweckdienlichen Bezugnahme sind die luftgetragenen Kommunikationsplattformen oder Ballons, die eine Nutzlast von elektronischen Kommunikations- und Steuergeräten tragen, manchmal hier als „stratosphärische Nanosatelliten" bezeichnet worden, oder kurz „SNS". Im metrischen System bedeutet der Präfix „Nano" Einheiten, die 1.000 mal kleiner als der Präfix „Mikro" sind. Durch die SNS-Erfindung wird die Notwendigkeit einer Rakete zum Antreiben des Satelliten in die Laufbahn eliminiert. Durch synchronisiertes luftgetragenes Starten einer Mehrzahl von SNS-Plattformen in beabstandeten geographischen Orten wird eine kostengünstige Konstellation von Satelliten bereitgestellt. Nach dem Start steigen die SNS-Plattformen auf eine gesteuerte einstellbare Höhe, wo sie gemäß den atmosphärischen und stratosphärischen Wetterbedingungen und insbesondere den Winden über das geographische Gebiet wandern. Die SNS-Plattformen können in ihrer Höhe durch Gasentlüftung oder Ballastabwurf angehoben oder herabgelassen werden, um vorherrschende Winde zu nutzen, die dafür günstig sind, die SNS-Plattformen im gleichen Abstand zu halten. Wenn sie nicht länger benötigt werden, wird veranlaßt, daß die Plattformen schnell absteigen. Durch zusätzliche Starts von zusätzlichen Plattformen können übermäßige Lücken angefüllt werden, die in der Konstellation auftreten.
Bestehende Benutzergeräte, die für terrestrische drahtlose Kommunikation konstruiert sind, können mit dem SNS-System der vorliegenden Erfindung fungieren. Dies ist in der herkömmlichen Kommunikationssatellitenindustrie nicht der Fall, da entweder die Kommunikationssatelliten sehr weit vom Benutzer entfernt sind (mehr als 22.000 Meilen (35.000 km) für geosynchrone Satelliten), wodurch das Signal ohne spezialisierte Benutzereinrichtungen zu schwach wird, oder die Satelliten fliegen mit hohen Geschwindigkeiten bezüglich den Benutzern am Boden (mehr als rund 36.000 mph (58.000 kph) für Satelliten auf niedriger Erdumlaufbahn), was Frequenzfehler im Empfänger bewirkt. Die SNS-Plattform befindet sich höchstens rund 175 Meilen (280 km) vom Bodenbenutzer entfernt, je nach Höhe und radialem Versorgungsbereich von der bestimmten Plattform unter der Mehrzahl von Plattformen, die das geographische Gebiet versorgen. Weiterhin bewegen sich die luftgetragenen Plattformen mit Geschwindigkeiten, die sich der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges nähern (zwischen rund Null und 80 mph (128 kph) in ihrer Schwebehöhe). Kompatibilität mit bestehenden drahtlosen Kommunikationssystemen ist ein bedeutender Vorteil, da bei Einsatz eines neuen Kommunikationssystems die Benutzergeräteinvestition stets die höchste erforderliche Gesamtinvestition ist.
Im Gegensatz zu den hohen Einsatz- und Neueinrichtungskosten für umlaufende Satellitensysteme bietet die vorliegende Erfindung eine kostengünstige Alternative, die keine neuen Teilnehmereinrichtungen erfordert. So besteht ein Nutzen des SNS-Systems in einem fortgeschrittenen Nachrichtenübermittlungs-SNS-Netz, das zu standardmäßigen Einweg- und Zweiweg-Funkrufgeräten kompatibel ist, die bereits existieren und bereits bei funkturmbasierenden Sender/Empfänger-Netzen benutzt werden. Selbst ohne Inbetrachtziehung des Einsatzes des SNS-Systems wird von Markanalysten vorhergesagt, daß bis zum Jahr 2003 35 Millionen Benutzer kompatible standardmäßige Zweiweg-Funkrufgeräte tragen werden. Mit beispielsweise 100 Dollar/Einheit stellt dies eine Investition von über 3,5 Billionen Dollar durch Benutzer dar. Diese Benutzer können die verbesserte Versorgung des erfindungsgemäßen SNS-Plattformnetzes als Erweiterung ihres ge genwärtigen Dienstes empfangen, indem sie sich einfach entscheiden, die monatlichen und schrittweisen Nutzungsgebühren zu zahlen. Es bestehen keine Vorauskosten für neue Benutzergeräte oder Training und keine Notwendigkeit, die Gewohnheiten eines Benutzers zu ändern und sie damit zu belasten, mehr als ein Funkrufgerät oder sonstige Kommunikationsvorrichtung zu tragen, wie es bei gegenwärtigen Satelliten-Funkrufgeräten der Fall ist.
Weiterhin benutzt das erfindungsgemäße SNS-System bei der Durchführung fortgeschrittener Nachrichtenübermittlung ein Kommunikationsprotokoll oder Funkrufprotokoll, das international angenommen wird. Internationale Gelegenheiten für das neue System sind mindestens dem US-Potential ebenbürtig. Das SNS-System kann auch andere beliebte Funkrufprotokolle benutzen. Auch weist das System Verwendungen Nutzen jenseits des persönlichen Funkrufs für andere Kommunikations-, Fernabbildungs-, Infrarotabtastungs-, Geräteverfolgungs- und Wetterdatensammlungsdienste auf.
Auch wäre es für den NWS (National Weather Service – nationaler Wetterdienst) nützlich, die Nutzung der gegenwärtigen SNS-Erfindung als Ersatzsystem in Betracht zu ziehen, das in der Lage ist, dem NWS die erforderlichen Informationen während des Aufstiegs von SNS-Plattformen bereitzustellen. Von der SNS-Plattform zur Verfügung stehende GPS-Informationen könnten die gewünschten Windinformationen bereitstellen, die der NWS benötigt, sich aber nicht leisten kann. Bestehende NWS-Starteinrichtungen könnten sogar als SNS-Start-, Bahnverfolgungs- und Kommunikationsstandorte benutzt werden. Nach dem Aufstieg und der Übertragung von Wetterdaten zum NWS würde die Plattform dann so gesteuert werden, daß sie in einer geregelten Höhe schwebt und andere kommerzielle Kommunikationsdienste bereitstellt. Die NWS-Sonden könnten lösbar angebracht und als Ballast abgeworfen werden, nachdem der Aufstieg vollendet ist und die gewünschten Informationen von ihnen zum NWS übertragen worden sind. Die befestigten Funksonden könnten genau die gleichen Sensoren benutzen, die bei den aktuellen Funksonden benutzt werden, damit die Daten zu gegenwärtigen Funksondendaten in Übereinstimmung bleiben.
Das erfinderische SNS-Netz ist einmalig zur Versorgung großer Gebiete und zur Verwendung fest zugeordneter Frequenzen auf landesweiter und im Idealfall auf internationaler Basis zwischen Nachbarländern ausgelegt. Es ist nützlich, dem SNS-System aufgrund der großen Versorgungskreise jeder der SNS-Luftplattformen landesweite oder im Idealfall internationale fest zugeordnete Frequenzen zuzuteilen. Überlappende Verwendung der gleichen Frequenz ohne Zeitmultiplexen der Signale würde wahrscheinlich Interferenz am Empfänger verursachen. Das System arbeitet am besten in einem Bereichvon Frequenzen, der als NPCS-Spektrum (Narrowband Personal communications Services – Schmalband-PCS) bezeichnet wird. Weiterhin hat die NPCS-Industrie in den US allgemein ein standardmäßiges Zweiweg-Nachrichtenübermittlungsprotokoll mit der Bezeichnung „ReFLEX" vereinbart (ReFLEX ist eine Handelsmarke von Motorola, Inc.). ReFLEX ist ein Protokoll, das ein TDMA-System (Time Division Multiple Access) benutzt. Das ReFLEX-Protokoll ist eine Erweiterung des von Motorola entworfenen FLEX-Protokolls und ist ein synchrones Protokoll, wo es 128 Rahmen in einem Vierminutenzyklus gibt. Der Beginn jedes Rahmens wird landesweit unter Verwendung von GPS-Technologie zur Taktung koordiniert. Dadurch kann eine einzige Frequenz zwischen dem SNS-Netz der vorliegenden Erfindung und bestehenden terrestrischen Sa tellitennetzen geteilt werden, indem jedem Netz einfach eine gewisse Anzahl von Rahmen während jedes Vierminutenzyklus zugeteilt wird. So kann das offenbarte SNS-System entweder auf seinen eigenen fest zugeordneten Frequenzen arbeiten oder mit terrestrischen Systemen auf dem gleichen Kanal zusammenwirken und niemals übereinander senden. Das ist für TDMA einmalig und wird vorzugsweise in das neue SNS-System eingebaut.
Während durch die bevorzugten FLEX- und ReFLEX-Protokolle das TDMA-System benutzt wird, kann die SNS-Erfindung auch unter Verwendung anderer Systeme arbeiten, wie beispielsweise CDMA (Code Division Multiple Access) oder sogar FDMA (Frequency Division Multiple Access). Bei CDMA werden die digitalisierten Daten über eine gesamte verfügbare Bandbreite ausgebreitet. Mehrere Datenströme werden einander auf dem Kanal überlagert (manchmal als Spreizspektrumverfahren bezeichnet), wobei jedem Datenstrom ein einmaliger Folgencode zugewiesen wird. Obgleich der einmalige Folgencode eine sehr wirkungsvolle Verwendung von Bandbreite bieten kann, ist er trotzdem hoch kompliziert und teuer. Das FDMA-System weist jedem Datenstrom seine eigene Frequenz zu. Obwohl dies ein System bereitstellt, das ziemlich leicht zu implementieren ist und vom Ausrüstungsstandpunkt geringe Kosten aufweist, ergibt es trotzdem eine hoch ineffiziente Verwendung von Bandbreite.
ReFLEX weist 128 diskrete Zeitschlitze oder Rahmen in einer Vierminutenperiode auf. Das SNS-System kann seine eigene Frequenzen benutzen oder die Zeitschlitze mit einem Partner-Funkrufträger teilen. Das von ReFLEX benutzte TDMA-System bietet wirkungsvolle Bandbreitennutzung. Es ist etwas komplex und weist einige damit verbundene Ausrüstungs kosten auf. Mit hochratigen Mikroprozessoren läßt sich jedoch die Komplexität leichter handhaben und die Ausrüstungskosten verringern sich weiter.
Auf einer Frequenz können die 128 Zeitschlitze oder Rahmen, in die das ReFLEX-Protokoll jeden Vierminutenzyklus einbricht, vom SNS-System mit anderen Funkrufantennen und terrestrischen Türmen geteilt werden, die möglicherweise überlappende geographische Versorgung aufweisen können. Ein einziges Funkrufgerät könnte in der Lage sein, die Rundsendung von mehreren Plattformen und terrestrischen Türmen zu empfangen, da aber jeder Plattform oder jedem Turm mit angrenzender Abdeckung ein bestimmter Rahmen oder bestimmte Rahmen zugeteilt werden, „hört" das Funkrufgerät nur einen Sender in jedem Zeitschlitz. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aufbau von Kommunikationsplattformen bereitzustellen, denen dynamisch neue Rahmen zugewiesen werden können, in denen gesendet werden kann, wenn die Plattformen abwandern, um sicherzugehen, daß ein Funkrufgerät Übertragungen von nur einem Sender im selben Rahmen empfängt.
Auch ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß die Zeitschlitze dynamisch neu zugewiesen werden können, so daß zu jeder gegebenen Zeit oder an jedem gegebenen Standort eine Plattform eine größere Anzahl verfügbarer Zeitschlitze als eine andere aufweisen kann, um mehr Kapazität für Plattformen bereitzustellen, die höhere Kapazität benötigen könnten. Dynamische Rahmenzuteilung (bzw. dynamische Kapazitätszuteilung) ist eine komplizierte Aufgabe. Zu jeder Zeit, in der mehr Rahmen einer Plattform zugeteilt werden, verlieren alle andere Plattformen, die überlappende Versorgung mit dieser einen Plattform aufweisen, Zugang zu den Rahmen, die zugewiesen werden, und verlieren daher Kapazität. Trotzdem wird die Fähigkeit, dynamische Rahmenzuteilung aufzuweisen, die Maximierung von Kapazität des gesamten Systems erleichtern, indem alle verfügbaren Zeitschlitze wirkungsvoll auf ihre größte Kapazität benutzt und dabei die Zuteilung von Zeitschlitzen oder Rahmen in geographischen Gebieten mit geringen Kommunikationskapazitätserfordernissen minimiert werden.
Obwohl das TDMA benutzende Zweiweg-Funkrufprotokoll ReFLEX wie oben beschrieben bevorzugt wird, ist es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß das SNS auch zu anderen Funkrufprotokollen kompatibel sein soll. Beispielsweise umfassen drei andere primäre Funkrufprotokolle FLEX, POCSAG und ERMES. Das FLEX-Protokoll ist das Einwegfunkrufsystem, das der Vorläufer von ReFLEX ist. POCSAG ist ein älterer Funkrufstandard für Einwegkommunikationen und ist weniger wirkungsvoll. Trotzdem sind die meisten Funkrufgeräte in den US immer noch POCSAG-kompatibel, obwohl FLEX höhere Rauschfestigkeit und höheren Durchsatz aufweist und in den US und im Ausland (außer Europa) zum Standard für Einwegfunkruf wird. Das Funkrufprotokoll ERMES ist der (gegenwärtig regierungsseitig durchgesetzte) europäische Einweg-Funkrufstandard. Das SNS-System könnte auch in seinen Schaltungen entsprechend konfiguriert werden, um Kommunikationen gemäß dem ERMES-Protokoll handzuhaben und ist daher ebenfalls auf europäische Nutzung anpaßbar.
Im Gegensatz zu den meisten Sprach- und Funkrufnetzen, wo viele unterschiedlichen Protokolle über einen weiten Bereich von Frequenzen benutzt werden, enthält NPCS eine beinahe zusammenhängende Menge von landesweiten Frequenzen, in denen landesweite Schmalband-PCS-Lizenznehmer das FLEX/ReFLEX-Protokoll angenommen haben.
Im gegenwärtigen erfindungsgemäßen SNS-System kommt eine landesweite Beständigkeit von Frequenzen und Protokollen zum Nutzen, so daß es wenn nötig relativ leicht über alle NPCS-Kanäle arbeiten kann, die im Besitz von irgendeinem oder allen der landesweiten Träger sind. Auch erlaubt minimale Regierungsregelung der NPCS-Bänder dem neuen SNS-System, das unbekannt war, als die NPCS-Regelungen entworfen wurden, in den NPCS-Bändern zu arbeiten, ohne gegenwärtige Regelungen zu verletzen. Da die NPCS-Lizenznehmer im wesentlichen die auf der Versteigerung erworbenen Frequenzen besitzen und das erfindungsgemäße SNS-System die gleichen Frequenzen mit Erlaubnis vom Käufer kompatibel benutzen kann, sind möglicherweise zusätzliche Lizenzen von der FCC nicht erforderlich. Durch dieses einmalige Merkmal werden auch zwei oder drei Jahre Anlaufzeit gespart, die es manchmal dauern kann, um getrennte Lizenzen zu verfolgen.
Wie kurz oben besprochen besitzt das neue SNS-Netz zusätzlich zur Minimierung der regulatorischen Hürden einen enormen Vorteil darin, daß es keine neuen spezialisierten Benutzereinrichtungen erfordert. Es wird erwartet, daß es so viele wie zwischen 6–15 Millionen Einheiten kompatibler Benutzereinrichtungen gibt, die an bestehenden terrestrischen Netzen betrieben werden. Diese können dem neuen SNS-System einfach unter Verwendung kostengünstiger Systemprogrammierung zugefügt werden und empfangen dadurch die erweiterte vollständigere Versorgung des zusammenhängenden geographischen Gebiets, die durch die Konstellation schwebender Kommunikationsplattformen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird. Für den NPCS-Träger kann das neue System vollständige Kommunikationsversorgung, besonders Versorgung in entfernt gelegenen nichtstädtischen Gebieten bereitstellen.
Da sich bestehende Funkrufgeräteeigentümer und -benutzer die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte erweiterte Versorgung durch ihren bestehenden Träger beschaffen können, kann die Entscheidung für erweiterte Versorgung so einfach wie Anticken eines Kastens auf ihrer monatlichen Rechnung sein. Sie können ihre gegenwärtige Funkrufgesellschaft behalten und den Nutzen der durch das SNS bereitgestellten Versorgung des entfernten Bereichs einfach hinzufügen. Es werden keine neuen Geräte benötigt und es wird keine Anlaufzeit zum Lernen der Merkmale einer neuen elektronischen Vorrichtung benötigt. Es gibt einfach verbesserte Versorgung für den Benutzer ohne Änderung der Ausrüstung.
Ein sehr wichtiger Nutzen des erfindungsgemäßen SNS-Netzes ist die bedeutende Verbesserung in vollständiger geographischer Versorgung eines entfernten Gebiets. Gegenwärtig ist drahtlose Datenversorgung ein Flickwerk versorgter Bevölkerungsgebiete hoher Dichte, hauptsächlich um Stadtgebiete herum. Das SNS-Netz arbeitet in Zusammenwirkung mit den bestehenden Versorgungsbereichen und füllt alle Gebiete mit niedriger Bevölkerungsdichte und daher geringem Kommunikationsverkehr an, die alle dieselbe Teilnehmervorrichtung benutzen. Die Regierungsregelungen betreffs NPCS-Systemen erfordern minimalen Systemausbau für alle Lizenznehmer. Beispielsweise muß bis 1999 ein landesweiter Lizenznehmer, der NPCS anbietet, mindestens 37,5 der US-Bevölkerung bzw. 750.000 km² versorgen und bis 2004 muß ein NPCS-Lizenznehmer mindestens 75% der US-Bevölkerung bzw. 1.500.000 km² versorgen. Da die Bevölkerung hoch konzent riert ist, mußten frühere Systeme Türme bauen, um einen sehr kleinen Prozentsatz der gesamten Landmasse abzudecken. In der Tat entspricht das Mindest-Bereichserfordernis für die Diensterfordernisse der Bevölkerung von 1999 und von 2004 annähernd 8% bzw. 16% der gesamten US-Landmasse aufgrund der hohen Bevölkerungsdichte in US-Städten. Beispielsweise erfordert die Versorgung von 90% der Bevölkerung, daß ein Träger nur rund 20% der gesamten Landmasse des Landes ausbaut. Versorgen von Gebieten niedriger Bevölkerungsdichte ist für frühere Systeme teurer, da Turmsender/Sender-/Empfänger eine kurze Reichweite aufweisen, die viel mehr Geräte pro möglichen Kunden erfordert. So weisen wegen der abnehmenden Erträge wenige frühere Träger Systeme auf, die mehr als 90% der Bevölkerung abdecken. Viele bestehende drahtlose Datenträger sind nur bis rund 70% bis 80% ausgebaut.
Die vorliegende Erfindung soll im wesentlichen 100 Versorgung bereitstellen und kann kompatibel mit bestehenden drahtlosen Trägersystemen und Netzen kombiniert werden, so daß der Ausbau für hohe Dichte durch frühere Funkrufsystemträger die geographischen Gebiete mit hoher Bevölkerungsdichte handhabt und die Gebiete niedriger Bevölkerungsdichte oder abgelegenen Gebiete, wo sie sich auch in dem zusammenhängenden geographischen Gebiet befinden mögen, durch das erfindungsgemäße SNS-System gehandhabt werden. Das SNS-System wirkt ergänzend zu den Turm-Funkrufsystemen für hohe Dichte. Obwohl daher das SNS-System im Vergleich zu Turmsystemen für hohe Bevölkerungsdichte eine niedrigere Gesamt-Signalbearbeitungskapazität aufweist, bietet es vollständige geographische Versorgung, so daß für Teilnehmer in abgelegenen Gebieten oder diese durchfahrende Teilnehmer die zusätzliche Versorgung des SNS-Systems bereitgestellt wird. Teilnehmer befinden sich stets in der Reichweite von Funkrufdiensten oder sonstigen kompatiblen Kommunikationsdiensten unter Verwendung einer einzigen Vorrichtung. Auch kann das SNS-System Kapazität auf regionaler Grundlage neu zuteilen, indem es mehr SNS-Plattformen startet oder die Frequenzbenutzung dynamisch unter den Nachbarplattformen neu zuteilt.
Auch weist das SNS-System Verwendungen über den persönlichen Funkruf hinaus für andere Kommunikationen einschließlich Sprach-, Fernabbildungs-, Infrarotabtast-, Geräteverfolgungs- und Wetterdatensammlungsdiensten auf. Breitband-PCS-(BPCS)-Telefone, die im vergangenen Jahr auf den Markt gekommen sind, bieten alle einen fortgeschrittenen Nachrichtenübermittlungsdienst an, und Kurznachrichtendienst (SMS – Short Messaging Service) genannt. Das SNS-System könnte das Telefon eines Teilnehmers rufen, wenn sich das Telefon außerhalb des BPCS-Telefonversorgungsbereichs befand. BPCS-Sprachdienst könnte ebenfalls mit einem SNS-System möglich sein. Eine weitere mögliche Anwendung für SNS-Technologie ist der Fernabbildungsmarkt. Regierungen, Städteplaner, Farmer, Umweltschützer, Kartenhersteller und Grundstücksentwickler verlassen sich alle auf Luft- oder Satellitenfotos. Dieser Markt beträgt weltweit über 1,4 Billionen Dollar. Da ein SNS dem Subjekt über zwanzigmal näher als ein Satellit ist, kann SNS Ein-Meter-Auflösung mit einer Linse mit einem Durchmesser von nur 0,75 Zoll (2 cm) erreichen. Wetterdaten von dem verlängerten Aufenthalt in der Stratosphäre können von der SNS-Plattform gesammelt und berichtet werden, da die gegenwärtigen Funksonden nicht die Fähigkeit aufweisen, eine Schwebehöhe aufrechtzuerhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Konstellation kleiner luftgetragener Kommunikationsplattformen mit einem Bodennetz von Start-, Bahnverfolgungs- und Kommunikationsstationen. Obwohl das gesamte System hauptsächlich in bezug auf Kommunikationen beschrieben wird, die in der Form eines Funkrufsystems bestehen, könnten leicht andere Kommunikationen wie beispielsweise Sprachkommunikationen, Straßennotdienste, Suche und Rettung, medizinischer Notdienst, Fernabbildung, Umweltüberwachung, industrielle und EVU-Überwachung, Fern-Management von Vermögenswerten, Fotodaten, IR-Abtastung, Geräteverfolgung, Güterwagen- und Container-Verfolgung, Fahrzeugsicherheit, persönliche Sicherheit, gefährliche Stoffe, Zoll und internationale Schiffahrtssicherheit, Kindersicherheit, Tierverfolgung, persönliche Nachrichtenübermittlung, Kommunikationen für Behinderte, SCADA, Transportkommunikationen und Versandverfolgung und viele andere angepaßte Kommunikationen eingeschlossen sein. So wie er hier benutzt wird umfaßt Funkruf den herkömmlichen Einweg-Funkruf wie auch neuere fortgeschrittene Nachrichtenübermittlungsdienste (wie beispielsweise Zweiweg-Funkruf und Sprachnachrichtenübermittlung). Die luftgetragene Konstellation von Kommunikationsplattformen und Bodenunterstützungssystem erweitert die begrenzte Versorgung gegenwärtiger Funkrufnetze, um vollständige Kommunikationsversorgung über ein gesamtes zusammenhängendes geographisches Gebiet bereitzustellen. Beispielsweise bietet sie in den US echte landesweite Versorgung. Die bereits bestehenden bodenbasierenden Turmsysteme bieten die gebäudeinterne Versorgung, die in Stadtgebieten benötigt wird, während das SNS-System Versorgung der ländlichen Gebiete niedriger Bevölkerungs dichte bietet. So kann ein Teilnehmer vollständige landesweite Versorgung mit der gleichen in der Hand gehaltenen Funkrufvorrichtung besitzen. Das erfindungsgemäße System erreicht dies durch Bereitstellung einer Konstellation gleichmäßig beabstandeter luftgetragener Konstellationsplattformen auf hoher Höhe, beispielsweise mit ballongetragenen Funkruf-Sender-/Empfängern, gegenüber den herkömmlichen Systemen bodenbasierender Kommunikationstürme, die nur ein begrenztes Gebiet abdecken oder im Gegensatz zu sehr kostspieligen umlaufenden Satellitenkommunikationssystemen hoher oder niedriger Höhe.
Um die Konstellation luftgetragener Kommunikationsplattformen zu bilden, sind Funkruf-Sender-/Empfänger an Trägern leichter als Luft angebracht, wie beispielsweise Ballons hoher Höhe ähnlich den vom NWS (National Weather Service – nationaler Wetterdienst) benutzten, aber abgeändert, um regulierte einstellbare Höhensteuerung unter Verwendung von Verfahren wie beispielsweise Gasentlüftung und Ballastabwurf bereitzustellen. Der Träger leichter als Luft bzw. Ballon und die angebrachten Kommunikationsvorrichtungen sind in der vorliegenden Anmeldung als SNS-(stratospheric nanosatellite – stratosphärische Nanosatelliten)-Plattformen bezeichnet worden. Zur Versorgung eines zusammenhängenden geographischen Gebiets, das aus den kontinentalen Vereinigten Staaten besteht, können SNS-Plattformen periodisch in regelmäßigen Zeitabständen oder nach Bedarf von annähernd 50 bis 100 Standorten überall in den Vereinigten Staaten gestartet werden. Diese Startorte können zum Starten der ballongetragenen Sender-/Empfänger ausgewählt werden, so daß sie auf eine regulierte stratosphärische Schwebehöhe von annähernd 18.000 bis 43.000 m ansteigen. Es werden computergeregelte Höhensteuerung und computergesteu erte Bahnverfolgung benutzt. Die SNS-Plattformen werden so geregelt, daß sie eine gewünschte Höhe innerhalb eines vorbestimmten Höhenbereichs bewahren wie beispielsweise in der Stratosphäre über der Erde, während sie mit bestehenden Windströmen entlang wandern. Neue SNS-Plattformen können gestartet werden, um irgendwelche Lücken anzufüllen, die in der Versorgung auftreten können, so wie die Plattformen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wandern, Auftrieb verlieren oder gelegentlich bersten oder ausfallen. Auch neue SNS-Plattformen können gestartet werden, um zusätzliche Kommunikationskapazität bereitzustellen, so wie das Erfordernis entsteht. Neu gestartete SNS-Plattformen können während ihres Aufstiegs auf die geregelte Höhe meteorologische Daten einsammeln, aufzeichnen und übertragen. Solche Daten können nützlicherweise über Funk zum Boden übermittelt werden, zur Verwendung durch den NWS (National Weather Service). Das Verfahren des Modellierens und damit Vorhersagens der Abdeckung des Netzes von SNS-Plattformen auf fortlaufender Grundlage ist eine komplizierte Aufgabe aufgrund der sich ständig verändernden Wetterbedingungen. Diese Aufgabe wird dadurch erleichtert, daß die aufgezeichneten und/oder zum Boden übertragenen Wetterdaten auch zur Vorhersage der Bewegung einzelner Plattformen im Verhältnis zueinander und zu Boden-Start- und Bahnverfolgungsstationen benutzt werden. Diese Daten können auch zur Steuerung der Höhe einzelner SNS-Plattformen benutzt werden, um günstige vorherrschende Winde zu erfassen, um das Anfüllen von Lücken in der Abdeckung zu unterstützen. Jeder schwebende Satellit auf einer stratosphärischen Höhe wird Sichtlinien-Funkkommunikationsversorgung mit einem Radius von annähernd 175 Meilen (280 km) in allen Richtungen von Antennen aufweisen, die unten hängen und einen Teil der Kommunikationsplattform bilden.
Bodenbasierende Unterstützung für die Mehrzahl von SNS-Plattformen, die die Konstellation bilden, besteht aus mindestens einer Netzbetriebszentrale (NOC – network operation center) und einer Mehrzahl von Start- und Bahnverfolgungsstationen. Die NOC ist vorzugsweise eine Rechen-, Kommunikations- und Betriebszentrale hoher Geschwindigkeit und mit hohem Volumen für das SNS-System. Die NOC kann die Kontrolle über alle steuerbaren Aspekte des Flugs und des Betriebs jeder Kommunikations-SNS-Plattform haben. Zu diesen Steuerungen gehören Plattformstarts, Schwebehöhen, Bahnverfolgung, alle Funkrufkommunikationen und Steuersignalübertragungen und Kommunikationen mit Partner-Funkrufgesellschaften. Typischerweise enthalten die SNS-Bodenstationen Starteinrichtungen, Bahnverfolgungs- und Kommunikationsgeräte und Kommunikationsantennen. Die ortsgleichen Starteinrichtungen und Bodenstationen können auch vorteilhafterweise bestehenden Orten der annähernd 70 NWS-Ballonstarteinrichtungen entsprechen, die zur landesweiten Überwachung von Wetterbedingungen ausgelegt sind. Ähnliche Wetterstationen können auch existieren und werden durch Verträge im wesentlichen weltweit unterhalten. Diese Bodenstationen können automatisiert sein. Auch können wo nötig tragbare oder mobile Start- und Bahnverfolgungs-Bodenstationen benutzt werden, um erwartete Versorgungslücken zu füllen, die sich zwischen den überlappenden kreisförmigen Versorgungsmustern der schwebenden Plattformen entwickeln können. Diese tragbaren oder mobilen Start- und Bahnverfolgungs-Bodenstationen können mit der Jahreszeit verlegt werden, um zusätzliche Startorte bereitzustellen, so wie sich die Stratosphärenwinde mit der Jahreszeit ändern. Diese würden höchstwahrscheinlich entlang der Küstenlinie oder den Rändern des Versorgungsbereichs positioniert sein. Die Bodenstationen können vorteilhafterweise eine Anzahl von SNS-Plattformen verfolgen, die in der Nähe ihres Standorts schweben, und können die Aufwärts- und Abwärtsstrecke für alle Kommunikationen einschließlich Funkruf und Steuerdaten für jede Plattform in Reichweite der Station bereitstellen. Funkrufsignale von einer teilnehmenden Funkrufgesellschaft können zum SNS-System durch die NOC gesendet werden. Die NOC bestimmt, welche SNS-Plattform sich gegenwärtig über dem adressierten Funkrufgerät befindet und sendet die Funkrufnachricht zu der Bodenstation, die diese SNS-Plattform verfolgt. Die Bodenstation empfängt die Funkrufnachricht von der NOC und leitet sie zur SNS-Plattform weiter. Die SNS-Plattform überträgt dann die Funkrufnachricht herab zum einzelnen Funkrufgerät. Jede von einem Zweiweg-Funkrufgerät gesendete Nachricht wird von der nächsten SNS-Plattform empfangen und zur Bodenstation herab weitergeleitet. Die Bodenstation sendet die Nachricht der NOC, die die Nachricht zum zutreffenden teilnehmenden Funkrufträger weiterleitet. Auch behält die NOC alle Gebühreninformationen und Teilnehmerstandortinformationen im Auge. Das SNS-System ist vorteilhafterweise so ausgelegt, daß es ohne Abänderung an den Funkrufgeräten voll zu FLEX (Einweg-Funkrufgeräte) und auch ReFLEX (Zweiweg-Funkrufgeräte) kompatibel ist. Die Starteinrichtungen, ob sie sich am gleichen Ort wie NWS-Starteinrichtungen oder getrennt an anderen ausgewählten Bodenstandorten befinden, können aus einer vollautomatisierten Starteinrichtung und Bodenstation bestehen. Eine Bodenstation kann zu einer Zeit mehrere SNS-Plattformen steuern. Zum Verbinden der Mehrzahl von Startorten und Bodenstationen miteinander oder der NOC können Landleitungen, Satellitenstrecken, Plattform-Plattform-Ballon-Ballon-, oder sonstige Netzkommunikationen, die von einem Bodenstandort an einen anderen ankoppeln, benutzt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden vollständiger und mit Bezugnahme auf die nachfolgenden Spezifikationen, Ansprüche und Figuren verständlich werden, in denen gleiche Ziffern gleiche Elemente darstellen und in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von luftgetragenen Plattformen ist, die eine Konstellation von Plattformen über einem zusammenhängenden geographischen Gebiet, Starteinrichtungen und Kommunikationsstationen darstellen, die über Bodenleitungen und als Alternative über Kommunikationssignale umlaufender Satelliten mit einer Netzbetriebszentrale zusammen vernetzt sind;
2 eine vergrößerte Darstellung einer luftgetragenen Plattform, eines einzigen beweglichen Startorts und einer einzigen Bodenstation mit Netzverknüpfung mit einer Netzbetriebszentrale für eine Mehrzahl von Bodenstationen und persönlichen Kommunikationsvorrichtungen ist;
3 eine schematische Darstellung von Plattform-Bodenstationskommunikationen ist, die von einer Bodenstation zu einer nächsten Bodenstation weitergeschaltet werden;
4 eine schematische Darstellung von Kommunikationen zwischen Plattformen mit nachfolgender Übertragung an Bodenstationen und an eine Netzbetriebszentrale (NOC) ist;
5 eine schematische Darstellung von Plattform-Raumsatelliten-Kommunikationsstrecken zur Bereitstellung der Netzzusammenschaltung mit einer Netzbetriebszentrale (NOC) ist;
6 eine schematische Darstellung einer „Nabe- und Speichen"-Netzkommunikationsstreckentopographie;
7 eine schematische Darstellung einer Maschennetzkommunikationsstreckentopographie ist;
8 eine schematische Darstellung eines zusammenhängenden geographischen Gebiets, besonders der Vereinigten Staaten ist, mit luftgetragenen SNS-Plattformstartorten und SNS-Kreisen des anfänglichen Versorgungsbereichs, einer Karte des geographischen Gebiets überlagert, die die Sichtlinien-Versorgungsbereiche für jede SNS-Plattform zeigen, so daß im wesentlichen das gesamte geographische Gebiet im Empfangsbereich einer oder mehrerer luftgetragenen Plattformen enthalten ist;
9 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Abwanderung der luftgetragenen Plattform nach einer Zeit Freischwebens mit regulierter Höhe der luftgetragenen Plattformen ist und auch zusätzliche lückenfüllende Startorte zeigt, die durch mobile Starteinrichtungen bereitgestellt werden können, um den Fortlauf von Versorgung mit zusätzlich gestarteten luftgetragenen Kommunikationsplattformen zu ergänzen und zu vervollständigen;
10 eine schematische Seitenansicht einer luftgetragenen Plattform ist, bei der eine Umhüllung von Gas leichter als Luft, wie beispielsweise ein Ballon, an einem Kasten angebracht ist, der die elektronischen Steuerungen, Kommunikationsvorrichtungen, Sensoren und ein meteorologisches Datensammelpaket hält;
11 ein vergrößerter Teilquerschnitt einer luftgetragenen Plattform mit dem an einer Umhüllung für Gas leichter als Luft, bzw. einem Ballon, befestigten Steuerungs- und Kommunikationskasten gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
12 eine seitliche Teilquerschnittsansicht der luftgetragenen Steuerungs- und Kommunikationsplattform der 11 nach einer Ausführungsform der Erfindung ist;
13 eine Teilquerschnitts-Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Steuerungs- und Kommunikationsplattform ist, bei der anstatt der Batterien der Ausführungsform der 12 eine alternative Stromquelle mit einer Wasserstoff-/Sauerstoff-betriebenen Kraftstoffzelle benutzt wird; und
14 (14A und 14B zusammengenommen als eine zwei Seiten überspannende vollständige Zeichnung) ein schematisches Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung zur Steuerung, Messung und Kommunikation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils eines Konstellations- und Kommunikationsnetzsystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem luftgetragene Plattformen 12(a)–(g) eine gewünschte Höhe in einem Bereich von Höhen wie beispielsweise in der Stratosphäre erreicht haben. Ebenfalls dargestellt ist eine luftgetragene Plattform 12(h), die dabei ist, zu einer gewünschten Höhe anzusteigen. Jede luftgetragene Plattform umfaßt eine Umhüllung für Gas leichter als Luft 14(a)–(h), eine Plattformsteuerungs- und Kommunikationssteuerungsvorrichtung 16(a)–(b) und eine Antenne 18(a)–(b). Kommunikationssignale zwischen Plattformen und Bodenstationen sind schematisch bei 20(a)–(u) dargestellt, die entsprechend mit einer Mehrzahl von Bodenkommunikationsvorrichtungen wie beispielsweise Funksignalempfängern, Sender-/Empfängern, Sendern oder Funkrufgeräten 22(a)–(u) kommunizieren. Es gibt eine Mehrzahl von Start- und Bahnverfolgungsstationen 24(a)–(d), jeweils mit einer Mehrzahl von Bahnverfolgungsantennen 26(a)–(g). Bodenstationen leiten Nachrichten- und Steuerungsdaten zwischen den SNS-Plattformen und der NOC weiter. Die Bodenstationen können vorzugsweise unbemannt arbeiten und erfordern nur elektrischen Strom und Kommunikationssignale. Die Bodenstationen bestehen aus einem Satz von Sendern und Empfängern und ihrer Steuerung, Bahnverfolgungsantennen und einer Bahnverfolgungssteuerung, redundanten Kommunikationsstrecken zur NOC und Reserve-Stromversorgung. Um das ganze Potential für mehrere Plattformen in Reichweite zu jeder gegebenen Zeit zu berücksichtigen, werden gegenwärtig vier bis sechs getrennte Sender, Empfänger und Bahnverfolgungsantennen in Betracht gezogen. Von Glenayre werden entsprechende im Handel erhältliche Sender, Sendersteuerungen und Empfänger für die SNS-Bodenstationen angeboten, obwohl einige Abänderungen erforderlich sein werden. Die Bahnverfolgungsantennen 26 sind schematisch in Kommunikation mit verschiedenen Plattformen über Signale 28(a)–(g) dargestellt. Ein Bodenkommunikationsnetz 30 mit miteinander verbundenen Segmenten 30(a)–(d) sind als zwischen den Start- und Bahnverfolgungsstationen 24(a)–(d) und einer Netzbetriebszentrale 40 kommunizierend dargestellt. Die Netzbetriebszentrale 40 kann auch über einen umlaufenden Satelliten 32 und Startort-Satellitenantennen 38(a)–(b) und Netzbetriebszentralen-Satellitenantennen 42 mit einer Mehrzahl von Start- und Bahnverfolgungsstationen 24 kommunizieren. Für Darstellungszwecke ist die Start- und Bahnverfolgungsstation 24(c) ortsgleich mit einer Starteinrichtung 44 für luftgetragene Plattformen ähnlich oder gleich wie die Ballonstarteinrichtung des nationalen Wetterdienstes. Bei einem Aspekt der Erfindung wird auch eine mobile Start- und Bahnverfolgungsstation 46 in Betracht gezogen, wie beispielsweise eine auf einem Lastwagenanhänger angebrachte selbständige Einheit. Die mobile Starteinrichtung kann zu einem gewünschten Startort transportiert werden, dort geparkt werden und es können zusätzlich SNS-Plattformen gestartet werden. Die Bahnverfolgungs- und Kommunikationsstationen 24 können über Bodenstrecken 30(c) und 30(d) mit dem Netz wie auch mit anderen Startstationen und mit der Netzbetriebszentrale 40 verbunden sein. Die mobile Starteinrichtung und -Station können periodisch von einem Standort zu einem anderen Standort verlegt werden, um zusätzliche SNS-Kommunikationsplattformen 12 wie benötigt zu starten und/oder zu verfolgen, um Versorgungslücken zu füllen, so wie sie aufgrund von Wetterbedingungen entstehen können.
2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung der mobilen SNS-Starteinrichtung 46 der 1, schematisch im Verhältnis zu Plattformen 12(f), 12(g) und 12(e) dargestellt, die einen Teil der Konstellation der Plattformen bilden. Die mobile SNS-Starteinrichtung befindet sich in Kommunikation mit der Netzbetriebszentrale 40. Weiter dar gestellt in der 2 ist ein Bereich gewünschter Höhen 50, definiert durch eine minimale gewünschte Höhe 48 und eine maximale gewünschte Höhe 52, wobei jede Höhe bezüglich des Meeresspiegels 54 gemessen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein vorbestimmter Höhenbereich durch eine minimale gewünschte Höhe von rund 18.000 m und eine maximale gewünschte Höhe von rund 42.000 m definiert. Diese Höhen entsprechen allgemein der Stratosphäre der Erde oder einem Bereich von Stratosphärenhöhen 50. Weiterhin dargestellt in der 2 ist eine Versorgungslücke 56 zwischen beabstandeten Plattformen 12(g) und 12(e), die schematisch als beabstandete Entfernung 56 dargestellt ist, die bedeutend größer als die gewünschte beabstandete Entfernung 58 zwischen Plattformen 12(f) und 12(g) ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird erwartet, daß Plattformen so geregelt sind, daß sie innerhalb eines vorbestimmten Höhenbereichs von zwischen rund 70.000 Fuß (21.000 m) und 100.000 Fuß (30.000 m) schweben, einen Versorgungsradius aufweisen, der rund 175 Meilen (280 km) mißt, sich über kommerziell geregeltem Luftraum befinden und unter Höhen sein werden, in denen das Überleben der Plattform weniger gewiß ist. Wenn die Entfernung zwischen zwei benachbarten Plattformen in irgendeiner Richtung größer als ca. eineinhalbmal der Versorgungsradius ist, kann eine Versorgungslücke beginnen, aufzutreten. In solchen Fällen kann entweder eine zusätzliche SNS-Plattform von einem festen Startort aus gestartet werden oder eine mobile Starteinheit 46 kann auf dem Boden zu einem Standort verlegt werden, der sich im wesentlichen zwischen den zwei beabstandeten Plattformen 12(g) und 12(e) befindet, so daß eine zusätzliche Ergänzungsplattform 12(h) für einen schnellen Aufstieg in den gewünschten Höhenbereich 50 gestartet werden kann. Auf der Bahnverfolgung aller Plattformen 12 in einer Konstellation 10 von luftgetragenen Plattformen basierende Computermodellierung kann zur Vorhersage der Entwicklung bedeutender Lücken 56 in der Versorgung und zum schnellen Einsatz von mobilen Starteinheiten zum Füllen der Lücken benutzt werden. Sollte sich eine stationäre Start- und Bahnverfolgungsstation bereits an einem Standort zum Starten einer Ergänzungs-SNS-Plattform befinden, wäre keine mobile Einheit erforderlich.
Die 3 zeigt schematisch eine Plattform 12(i), die aufgrund von Windströmen zu einer in gestrichelten Linien dargestellten Weiterschaltungsposition 12(ii) wandert. An der Weiterschaltungsposition übernimmt die nächste Bodenstation 24(e) in Windrichtung Bahnverfolgung und Kommunikation und unterhält Steuerung, so wie sich die Plattform durch Position 12(iii) und über die Station 24(e) bewegt.
4 ist eine schematische Darstellung von Kommunikationen zwischen Plattformen mit nachfolgender Übertragung zu Bodenstationen und zu einer Netzbetriebszentrale (NOC).
5 ist eine schematische Darstellung von Plattform-Raumsatelliten-Kommunikationsstrecken zur Bereitstellung der Netzverbindung mit einer Netzbetriebszentrale (NOC). Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Anzahl von Bodenstationen verringert oder eliminiert werden kann, da die Plattformen direkt mit der NOC über Satellitenstrecken kommunizieren würden.
6 ist eine schematische Darstellung einer „Naben- und Speichen"-Netzkommunikationsstreckentopologie. Dies ist deshalb vorteilhaft, da es weniger physikalische Kommunikationsleitungen erfordert und im allgemeinen weniger kostenspielige Einrichtungen als Alternative Netztopologien erfordert.
7 ist eine schematische Darstellung einer Maschennetzkommunikationsstreckentopologie. Dies ist deshalb vorteilhaft, da eine „Maschen"-Topologie mehrere redundante Kommunikationsstrecken zu anderen Teilen des Netzes bereitstellt, wodurch erhöhte Zuverlässigkeit hinzugefügt wird.
8 zeigt schematisch ein zusammenhängendes geographisches Gebiet 100 und insbesondere als Beispiel ein geographisches Gebiet, das den Vereinigten Staaten von Amerika entspricht. Dem geographischen Gebiet 100 überlagert sind 70 ausgewählte Standard-Startorte, die durch „Xs" 101–105 dargestellt werden (es sind nur wenige Beispiele numeriert). Weiterhin sind schematisch Versorgungsbereiche 201–205 dargestellt (wiederum sind nur Beispiele numeriert), die die Position und Abdeckung jeder der Plattformen 101–105 darstellen, wenn sie eine gewünschte regulierte Höhe, vorzugsweise in der Stratosphäre erreichen. Jede Plattform ist im Vergleich mit bestehenden Satelliten in erdsynchroner Umlaufbahn sehr klein, so daß sie so bezeichnet und ausgelegt sind, daß sie auf einer geregelten Höhe in der Stratosphäre schweben, so daß sie als „stratosphärische Nanosatelliten" (SNS) bezeichnet worden sind. Die Versorgungsbereiche 201–205 sind in der 4 dargestellt, wobei ein relativ senkrechter Aufstieg von den Startorten 101–105 angenommen wird. Die Versorgungsbereiche 201–205 werden über eine Zeitperiode hinweg aufgrund von Wind- und Wetterbedingungen an einem bestimmten Ort wandern. Der Aufstieg zu den gewünschten stratosphärischen Höhen nimmt jedoch normalerweise rund ein bis zwei Stunden in Anspruch, so daß die Abdrift für normale Luftgeschwindigkeiten von weniger als rund 10–20 mph (16–32 kmh) und sogar durch den Jetstream, sofern vorhanden, fliegend relativ geringe Abdriften von 10–80 Meilen (16–128 km) in jeder Richtung während des Aufstiegs bewirken wird. So zeigt die Abwanderung während einer kurzen Zeitperiode mit standardmäßigen Windbedingungen von 10–40 Meilen (16–64 km) relativ zu dem Versorgungsbereich von annähernd 175 Meilen (280 km) für einen kreisförmigen Versorgungsbereich mit einem Durchmesser von rund 350 Meilen (560 km) an, daß der Startort eine plausible Annäherung für den anfänglichen Standort auf hoher Höhe am Ende des Aufstiegs ist.
Die Plattformen oder Ballons 12 sind mit Höhensteuerungsmechanismen ausgestattet, einschließlich von sowohl Entlüftung für Gas niedriger Dichte als auch Abwurfmechanismen für Ballast hoher Dichte, wodurch der Ballon gesteuert werden kann, um eine gewünschte Höhe in einem Bereich von gewünschten Höhen aufrechtzuerhalten. Die Höhen können zwischen 12–24 Stunden lang aufrechterhalten werden, entsprechend dem gegenwärtigen NWS-Ballonstartplan von zwei Starts pro Tag. Wenn der NWS-Startplan nicht benutzt wird, können die Ballonhöhen in Abhängigkeit von dem Auftriebsgas, der Leistung und dem auf dem Ballon 12 verbleibenden Ballast über 100 Stunden lang aufrechterhalten werden. Im Fall von NWS-Ballons zerstören sich die Ballons gegenwärtig selbst aufgrund von übermäßiger Ausdehnung, wenn sie Höhen von über 100.000 ft (30.000 m) erreichen und überschreiten und während des Aufstiegs Wetterdaten gesammelt und zum Boden übertragen werden. Im Fall von Ballons, die als Träger für die Kommunikationsplattformen wirken, werden die Plattformen in einer Höhe von vorzugsweise weniger als 140.000 ft (42.000 m) und besonders bevorzugt weniger als rund 100.000 ft (30.000 m) aufrechterhalten und werden auf grund der Windbedingungen in der oberen Stratosphäre weiter wandern. Die NOC kann SNS-Plattformen befehlen, sich schnell zu entleeren oder zu bersten im Fall eines Ballons 12, wenn die Plattform nicht länger benötigt wird, unter die 60.000 ft (18.000 m) fällt und kein Ballast übrig bleibt, über ein ungewünschtes Gebiet abwandert oder versagt. Von der Plattform kann dies eingeleitet werden, wenn irgendwelche dieser Bedingungen auftreten und die Plattform Kommunikation mit den Bodenstationen verloren hat. Vorteilhafterweise werden die Windbedingungen während des Aufstiegs erfaßt worden sein und weiterhin durch die Bahnverfolgung durch die Bodenstationen überwacht werden. Dadurch wird die Vorhersage der Entwicklung irgendwelcher Lücken in der Versorgung erleichtert, die möglicherweise zu erwarten sind, und insbesondere der Ort solcher Lücken und die Anzahl von Bodenkommunikationsvorrichtungen oder Funkrufgeräten, die möglicherweise im Bereich der Lücke versorgt werden müssen.
9 ist eine schematische Darstellung des geographischen Gebiets 100 nach einer gegebenen Wanderungszeit, während der bedeutende Lücken beginnen können aufzutreten. Mobile Einheiten können an zeitweiligen Standorten 171 und 172 positioniert werden, um sich entwickelnde Lücken 56(b) und 56(c) zu füllen. Auch kann, wo vorhergesagt wird, daß sich eine Lücke in enger Nachbarschaft eines Standard-Startortes entwickeln wird, wie beispielsweise bei 105, eine zusätzliche Plattform vom Startort 105 vor der normalen regelmäßigen Startzeitperiode gestartet werden. So kann die Lücke 56(c) durch einen zusätzlichen Start gefüllt werden. Auf ähnliche Weise können regional angeordnete mobile Startorte eingesetzt werden, um Lücken bei ihrem Entstehen zu füllen. Sollte ein Muster von Lückenent-wicklung erkannt werden, dann können zusätzliche permanente Startorte 173 und 174 zugefügt werden, um dazu beizutragen, beispielsweise wiederholte Entwicklungen von Lücken 56(d) und 56(e) zu kompensieren. Zeitweilige Startorte können saisonmäßig verlegt werden, um die Lücken entlang der Küstenlinie entlang der Richtung zu füllen, in der der Wind für die Jahreszeit bläst, beispielsweise die Westküste während der Winterjahreszeit.
10 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Plattform 12 in einer Ausführungsform, bei der die Umhüllung für Gas niedriger Dichte 70 vorzugsweise ein Latexballon 70 ist. Ein mit Wasserstoff, Helium, Naturgas oder sonstigem geeigneten Gas geringer Dichte oder einer Mischung angefüllter und zur Verringerung von Gasdiffusion intern beschichteter Totex-1000-Ballon bietet ausreichenden Auftrieb für die SNS-Kommunikationsplattform. Der Totex-Ballon wird mit einem Durchmesser von rund fünfeinviertel Fuß (1,6 m) freigegeben und dehnt sich in einer Höhe von 140.000 ft (42.000 m) auf rund 24 ft (7 m) aus. Es ist zu bemerken, daß anstelle des schematisch in 10 gezeigten vorgeschlagenen Latex-Wetterballons 70 auch andere Hüllen leichter als Luft wie beispielsweise Kleinluftschiffe, Luftballons, Zeppeline, Luftschiffe, lenkbare Luftschiffe, Wetterballons, Jimsphär-Ballons, Heißluftballons, Sondenballons und meteorologische Ballons benutzt werden könnten. Auch ist der Durchmesser des Ballons 70 in 10 nicht maßstabgerecht und es wird erwartet, daß ein Plattform-Gesamtgewicht einschließlicht des Nutzlastkastens 300, des Höhesteuerungs-Entlüftungsmechanismus 72, meteorologischen Pakets 82, der Antennen 76 und meteorologischen Kabelverbindung 84 weniger als 6 Pfund (2,7 kg) beträgt. Das Kabel 84 ist vorzugsweise ein faseroptisches Kabel mit einer Länge von ca 25 m, so daß das meteorologische Datensammlungspaket 82 genügend vom Ballon 70 beabstandet ist, um die vom Ballon verursachte Auswirkung von Turbulenz auf die durch das meteorologische Paket 82 gemessenen meteorologischen Daten auf ein Minimum zu reduzieren. Das faseroptische Kabel 84 wird zur Übertragung der meteorologischen Daten vom meteorologischen Paket 82 zur Kommunikationseinheit 74 benutzt. Faseroptisches Kabel wird benutzt, da Draht aufgrund des hohen elektrischen Feldpotentials bei Durchfliegen von Gewitterwolken Funken bilden könnte.
Es gibt zahlreiche Arten von Hüllenvorrichtungen für Gas geringer Dichte, und insbesondere Ballons, die für die vorliegende Erfindung als nützlich erachtet werden könnten. Unter den möglicherweise bevorzugten Arten von Ballons gibt es Gummidruckballons, Nulldruckballons, Ballons mit interner Luftblase, Ballons mit einstellbarem Volumen und Überdruckballons. Jede Art dieser Ballons besitzt unterschiedliche Vorteile und Nachteile und für die Zwecke der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, daß der Gummidruckballon am bevorzugtesten ist und der Nulldruckballon ebenfalls als bevorzugte Alternative angesehen wird. Vorteilhafterweise können solche Ballons 14 auf einer Oberfläche, vorzugsweise auf deren Innenseite wie schematisch bei 15 in 10 dargestellt mit einem Material verringerter Durchlässigkeit wie beispielsweise durch Flüssigkeitsablagerung eines Abdichtmaterials, das bei Anwendung flexibel bleibt, beschichtet sein.
Die Gummidruckballons besitzen eine dehnbare Gummimembran, die das Auftriebgas enthält, das dem Ballon erlaubt, sich zu vergrößern, sowie der externe Luftdruck mit ansteigendem Ballon abnimmt. Dies ist die gewöhnlichste Art von Wetter ballon und entspricht auch Partyballons. Der Hauptvorteil ist die geringen Kosten und die allgemeine Erhältlichkeit, so daß hochwertige Ballons dieser Art wie beispielsweise Wetterballons zu geringen Kosten zu Verfügung stehen. Diese Ballons sind etwas spröde und empfindlich in ihren Behandlungserfordernissen und weisen auch geringe erweiterte Zuverlässigkeit auf. Weiterhin erfordert die Verwendung solcher Ballons die Entlüftung des Auftriebsgases, um ein Bersten zu verhindern, wenn sie maximale Volumen erreichen.
Die Nulldruckballons bestehen aus einem anfangs losen Sack, der gewöhnlich aus einem Kunststoff wie beispielsweise Polyethylen oder Mylar hergestellt ist. Bei abnehmendem externen Luftdruck vergrößert sich das Volumen des Sacks. Sobald der Sack sein gesamtes Volumen erreicht, muß Gas entlüftet werden oder der Ballon wird bersten, da das Sackmaterial sich nicht dehnt. Obwohl diese Art Ballon zuverlässiger sein könnte als die Gummiballons und weniger Diffusion des Auftriebsgases bietet, sind seine Kosten mittelmäßig, kostspieliger als die Gummiballons und gegenwärtig zwischen rund vier- bis zehnmal teurer. Obwohl daher die Gummiballons für Zwecke kostengünstiger Plattformen mehr bevorzugt sein könnten, bietet der Nulldruckballon auch eine nützliche Hülle zum Hochbringen der Plattform und besitzt gegenüber den Gummidruckballons gewisse Vorteile.
Ballons mit interner Luftblase bestehen aus einem flexiblen Ballon, der Luft enthält, die in einem Ballon mit festem Volumen mit einem Auftriebsgas eingeschlossen ist. Luft wird in den inneren flexiblen Ballon eingepumpt, die das im Ballon mit festem Volumen eingefangene Auftriebsgas komprimiert und damit den Gesamtauftrieb verringert. Um Auftrieb zu steigern wird Luft aus dem inneren flexiblem Ballon aus gelassen. Kleine Luftschiffe stellen ihren Auftrieb unter Verwendung dieses Prinzips ein. Diese Art von Ballon besitzt gewisse Vorteile, da bei Verringern des Auftriebs kein Auftriebsgas verloren geht und er möglicherweise zuverlässiger als Gummiballons ist, er ist jedoch aufgrund des zusätzlichen Ballons, der Pumpe und der zusätzlichen erforderlichen Leistung zum Betreiben des Auftriebssteigerungs- und Minderungsmechanismus kostspieliger.
Ballons mit einstellbarem Volumen bestehen aus einem festen Volumen mit dem Auftriebsgas und einer Mechanik zum Verringern des Volumens des Ballons. Durch Verringern des Volumens wird das Auftriebsgas komprimiert und der Auftrieb nimmt ab. Das Volumen kann auf beliebige Weisen reduziert werden, einschließlich einer einstellbaren Leine innerhalb des Ballons vom Hals des Ballons zur Oberseite des Ballons. Wenn die Leine verkürzt wird, verringert sich das Volumen. Zum Verringern des Auftriebs wird nicht das Auftriebsgas entlüftet und es kann zuverlässiger als Gummiballons sein. Es ist jedoch bedeutend kostspieliger aufgrund des mechanischen Volumenverringerungmechanismus und erfordert weiterhin zusätzliche Leistung zum Betrieb eines solchen mechanischen volumenverringernden Mechanismus.
Überdruckballons besitzen ein festes Volumen. Sie werden Überdruckballons genannt, da sie sich nicht ausdehnen, um sich an den abnehmenden Außendruck anzupassen. Sie sind stark genug gebaut, den verstärkten Druck auszuhalten. Die Ballons können äußerst lange Schwebezeiten erreichen, da sie kein Gas entlüften müssen, um Bersten zu verhindern, und weisen typischerweise sehr niedrige Membranengasdiffusion auf. Diese Art Ballon weist die höchsten Kosten auf, obwohl sie eine der zuverlässigsten ist, mit wenig Verlust von Auftriebsgas. Die äußerst hohen Kosten und Herstellungsschwierigkeiten und der Mangel an entwickelter Technologie hinsichtlich dieser Ballons weist darauf hin, daß andere Alternativen gegenwärtig attraktiver sind.
Von der Kommunikationsvorrichtung 74 erstreckt sich eine Signalübertragungsantenne 76 vorzugsweise senkrecht nach unten von der Kommunikationsvorrichtung 74 und vorzugsweise als Dipolreihe mit einer Abwärtsneigung von annähernd 6 Grad, die zur Bereitstellung ebenmäßiger Übertragungs- und Empfangsabdeckung über den gesamten kreisförmigen Versorgungsbereich konfiguriert ist. Die Antennen 77 können vorzugsweise mit einer Unterstützungsschleife 86 ausgestattet sein, um Stabilisierung zwischen den Antennen und dem meteorologischen Verbindungskabel 84 zu erleichtern. Ebenfalls in 10 gezeigt ist ein Ballonzerstörungsmechanismus 78 und ein Fallschirm 80 zur Bergung der Kommunikationsvorrichtung 74, wenn der Ballon durch den gesteuerten Zerstörungsmechanismus 78 oder sonstwie durch natürliche Ursachen zerstört wird.
11 zeigt eine teilweise Querschnitts-Vorderansicht einer Ausführungsform einer Kommunikationsvorrichtung 74 gemäß der vorliegenden Erfindung. Es gibt einen Nutzlastkasten 300 mit einem Innenbehälter 302 und eine Styropor-Außenisolierung 304, die den Innenbehälter 302 umgibt. Innerhalb des Behälters 302 befindet sich eine Leiterplatte 306, an der verschiedene elektronische Bauteile angebracht und zusammengeschaltet sind, um Signalkommunikation und Fernsteuerung der Plattform nach Wunsch bereitzustellen. Der Elektronikteil besteht aus dem HF-Teil, Antennen, GPS-Empfänger, Prozessor und Leistungsreglern. Der HF-Teil basiert auf dem kostengünstigen Sender- und Empfängerteil ge genwärtiger Zweiweg-Funkrufgeräte. Die Senderleistung ist auf annähernd 7 Watt erhöht. Eine einzige 900-MHz-Dipolreihenantenne dient sowohl für Sende- als auch Empfangsfunktionen. Zusätzliche Antennen können für Gateway-HF-Strecken zu den Bodenstationen zugefügt werden, wenn die zusätzlichen Frequenzen verfügbar werden. Mögliche Frequenzen umfassen das meteorologischen Instrumenten zugewiesene 400-MHz- oder 1680-MHz-Band. Wenn das SNS-System auch Wetterdaten für den NWS einsammelt und diese Daten auf dem meteorologischen Hilfsband übertragen werden, könnte es möglich sein, zusätzlichen Gatewayverkehr mit den meteorologischen Daten zu senden. Durch einen Zwölf kanal-GPS-Empfänger in Verbindung mit dem Prozessor werden Positionsinformationen sowohl für den NWS während des Aufstiegs als auch die SNS-NOC für den gesamten Flug bereitgestellt. Von der NOC werden die Informationen zum Orten der SNS-Plattformen, zum Bestimmen von Versorgungslöchern oder -lücken und zur Durchführung von elementaren Positionseinstellungen durch Verändern der Höhe in günstige Windgeschwindigkeiten und -richtungen benutzt.
Die in 11 dargestellte Ausführungsform und deren seitlicher Teilquerschnitt nach der Darstellung in 12 zeigt, daß der Strom für die Kommunikationsvorrichtung 74 durch eine Mehrzahl von leichten Hochleistungsbatterien 30B(a), (b), (c) und (d) bereitgestellt wird. Die Plattform kann zwischen rund 3 und 18 Watt Strom erfordern je nach dem Nachrichtenverkehr und dem Plattformaufbau. Lithium-Schwefeldioxid-Batterien (LiSO₂) sind kosten- und gewichtsgünstig und weisen vernünftige Betriebseigenschaften in einer Umgebung niedriger Temperatur auf, so wie sie in hohen Höhen vorkommt. Die Batterien sind an beabstandeten abwechselnden Positionen angebracht, so daß maximale Einheitsvo lumendichte unter den festgelegten maximalen Einheitsvolumendichteerfordernissen für Bundes-Flugsicherheitsstandards unterhalten wird. Durch die niedrige Einheitsvolumendichte und das niedrige Gesamtnutzlastgewicht wird vermieden, daß der Start der Ballons durch FAA-Regelungen beschränkt wird. Um beispielsweise zu erleichtern, die Plattform bei ihrem Aufstieg sicherzuhalten. Ein Kommunikationssystem einer schwebenden Konstellation nach Anspruch 1, wobei jede der Plattformen vorzugsweise ein unbemannter freier Ballon ist und der Nutzlastkasten und sein Inhalt vorzugsweise ein Gesamtgewicht von 6 Pfund (2,7 kg) oder weniger aufweist. Die Außenflächen weisen vorbestimmte Bereiche auf und das Verhältnis von Gewicht zu Größe wird wünschenswerterweise auf nicht mehr als drei Unzen pro Quadratzoll (5 g/cm²) auf jeder Oberfläche des Nutzlastkastens und auf dem meteorologischen Paket, wo eines an der Plattform angebracht ist, unterhalten werden. Das Verhältnis Gewicht zu Größe wird durch Teilen des Gesamtgewichts in Unzen (Gramm) jeder Nutzlast oder jedes am freien Ballon angebrachten Pakets durch den Bereich in Quadratzoll (cm²) seiner kleinsten Außenfläche einer solchen Nutzlast oder eines solchen Pakets bestimmt.
Im Plattform-Nutzlastkasten 300 befindet sich eine Bodenöffnung 310, durch die das meteorologische Verbindungskabel 84 an einem lösbaren Kabelverbinder 312 mit der Leiterplatte 306 im Behälter 302 verbunden ist. Auch ist die Antenne 76 an einer an der Bodenöffnung 310 befindlichen Antennenverbindung 314 angebracht, so daß Signale zu und von der Leiterplatte 306 durch die Antenne 76 empfangen oder übertragen werden können. Meteorologische Daten vom faseroptischen Kabel 84 können in Bauteilen der Leiterplatte 308 empfangen und verarbeitet werden und über die Antenne 76 zur Bodenstation 24 übertragen werden. Um die Freigabe des meteorologischen Pakets bei unbeabsichtigtem Aufprall zu erleichtern, trennt sich das faseroptische Kabel wünschenswerterweise bei einem Aufprall von 50 Pfund (22,6 kg) oder weniger vom Ballon. Es sind aktive Antennenstabilisatoren 316 vorgesehen, um Bewegung der Antenne 76 zu verringern und zu dämpfen, so daß beständiger Signalempfang und beständige Signalübertragung erreicht wird. Um Regelung in der Höhe der luftgetragenen Plattform 12 und der beigefügten Kommunikationseinheit 74 zu erleichtern, enthält der Nutzlastkasten 300 eine Ballast-Speicherkammer 320, in der Ballast 318 getragen wird. Der Ballast 318 ist vorzugsweise leicht beweglicher Bleischrot, Metall-Kugellager oder kugelförmige Glasperlen, die steuerbar beispielsweise durch ein Ballast-Falltor wie beispielsweise ein Wechselventil freigegeben werden können, das sich abwechselnd zwischen einer Öffnung in die Ballastkammer 320 und dann in die Ballastauslaßöffnung 324 bewegt, so daß der Ballast wie schematisch bei 326 dargestellt aus der Bodenöffnung 310 herausfallen kann. Zweckdienlicherweise, und um Stromerschöpfung während Speicherung oder Transport zu vermeiden, ist ein Schaltungsbetätigungs-Handschalter 32B vorgesehen.
Auf der Oberseite des Nutzlastkastens 300 befindet sich eine Ballonverbindungsspindel 330 mit einem entfernten oberen Halsende 332, über dem der flexible Ballonverbindungshals 334 angebracht ist. Der Ballonverbindungshals ist so bemessen, daß er über die Spindel paßt und wird ausgedehnt und zu einer Stopplippe 336 herabbewegt, so daß er mit einem oder mehreren dicken Gummibändern 338 befestigt wird. Zweckdienlicherweise ist unterhalb der Stopplippe ein Gummiband-Speicherkanal 340 vorgesehen. Ein Gummiband ist auf bewahrt und bereit zum Sichern einer „frischen" Umhüllung leichter als Luft bzw. eines frischen Ballons 70. Vorzugsweise wird der Ballon 70 mit Helium (He), Wasserstoff (H₂) oder Naturgas durch ein Füllventil für leichtes Gas 344 angefüllt, das sich vorzugsweise über einer Regenhaube 342 befindet, die den Nutzlastkasten und gewisse Bauteile desselben gegen Regen und anderen Niederschlag abschirmt. Das Leichtgas-Füllventil 344 bietet eine zweckdienliche Verbindung zu einem Leichtgas-Versorgungstank wie beispielsweise einem Helium- oder Wasserstoff-Versorgungstank, so daß ein ausdehnbarer Ballon an seinem Hals 334 an der Spindel 330 angebracht wird und Füllgas dann in einer gewünschten Menge in die angebrachte Umhüllung bzw, den angebrachten Ballon geliefert werden kann. Eine Gasdruck-Sensorröhre 346 kommuniziert zwischen dem Inneren der Spindel zur Weiterleitung zum internen Ballongasdrucksensor 348, der mit der Elektronik der Leiterplatte verbunden ist. Ein Gastemperatursensor 350 ist angebracht und wünschenswerterweise an oder oberhalb des oberen Halsendes 332 positioniert. Ein Temperatursensordraht 352 übermittelt ein die Temperatur darstellendes Signal zu der entsprechenden Schaltung auf der Leiterplatte 306. Auch ist ein Umgebungslufttemperatursensor 354 wünschenswerterweise vorgesehen, wie auch ein Umgebungsluftdrucksensor 356, von denen beide zum Übermitteln der gemessenen Umgebungslufttemperatur und des gemessenen Umgebungsluftdrucks zur Leiterplatte verbunden sind. Ein Batterietemperatursensor 358, ein Nutzlasttemperatursensor 360 und ein Lagesensor 362 können alle mit der Leiterplatte 306 verbunden sein, um wünschenswerterweise Informationen und Eingabe für Fernsteuerung und zur Aufrechterhaltung der Funktionen der luftgetragenen Plattform 12 unter Verwendung der Schaltung 306 bereitzustellen. Die vom Gastemperatursensor 350, dem Umgebungslufttemperatursensor 354, dem Gas drucksensorrohreingang 348 und dem Umgebungsluftdrucksensor 356 eingesammelten Daten werden teilweise dazu benutzt, zu bestimmen, ob der Ballon bald einen Berstzustand erreicht. Es ist eine Heiz- und Kühlungsvorrichtung 364 angebracht, um die Innentemperatur des Nutzlastkastens zu regeln. Bei dem Aufstieg der luftgetragenen Plattform in hohe Höhen fällt die Umgebungstemperatur drastisch ab und das Innere des Kastens wird wünschenswerterweise durch durch die Batterien erzeugte Wärme oder als Alternative durch die Heizung 364 angewärmt. Wenn die Wärme von den Batterien bedeutsam ist und beispielsweise mit hellem Sonnenlicht kombiniert wird, könnte die Innentemperatur über die gewünschten Betriebstemperaturen ansteigen und dann könnte der Kühlungsteil der Heiz- und Kühlvorrichtung 364 aktiviert werden, um einen gewünschten Betriebstemperaturbereich aufrechtzuerhalten. Die Heiz- und Kühlvorrichtung kann eine thermoelektrische Zelle sein.
Zum Regeln der Höhe des Ballons und insbesondere um einen fortlaufenden Aufstieg über die gewünschte maximale Höhe zu vermeiden, ist ein Leichtgas-Sicherheitsventil 366 vorgesehen. Durch eine Feder 368 wird das Sicherheitsventil 366 normalerweise geschlossen gehalten. Ein Betätigungsstab 369 ist an dem Ventil 366 und an einem Ventilbetätigungsdraht 370 angebracht, um das Ventil gegen die Federbelastung zu öffnen. Als Betätigungsdraht 370 kann ein Nickel-Titan-Draht (NiTi) benutzt werden. Das Leichtgas-Sicherheitsventil 366 öffnet sich gegen den Federdruck, wenn durch den NiTi-Draht ein geringer Strom durchgeführt wird, wodurch er um einen vorbestimmten Betrag schrumpft oder sich verkürzt, so daß das Sicherheitsventil aufgezogen wird, wodurch Gase leichter als Luft entweichen können. Der Betätigungsstab kann die Oberseite des Behälters 302 durch laufen, vorzugsweise durch eine Dichtung 371, so daß das Innere des Behälters nicht direkt den Elementen ausgesetzt ist. Das Ballast-Wechseltor 322 kann auf ähnliche Weise durch einen Ballastabwurfbetätigungsdraht 372, der ebenfalls aus Nickel-Titan (NiTi) besteht, betätigt werden. Die aktiven Antennenstabilisatoren 316 können auf ähnliche Weise aus NiTi-Draht bestehen.
Ein meteorologischer Abwurfsteuerungsdraht 374 kann ebenfalls aus NiTi bestehen und kann zum Abtrennen der Wettersonde benutzt werden, nachdem meteorologische Daten nicht länger erhalten werden. Typischerweise bersten Wetterballons, nachdem sie eine Höhe von annähernd 100.000 ft (30.000 m) überschreiten. Im vorliegenden Fall wird der Ballon einen Teil des Leichtgases ablassen, um sich für die gewünschte Zeitdauer auf einer stratosphärischen Höhe zu halten. Der Zerstörungsmechanismus 78 kann mit dem scharfen Ende 378 eines drehbaren Zerstörungsarms aus der Ferne betätigt werden, um den Fall der Plattform zu veranlassen. Der Zerstörungsarm 376 ist federbelastet, für schnelle Drehung in Kontakt mit dem Äußeren des Ballons, wenn ein Halte-/Freigabestift 386 aus dem Eingriff in einer Halte-/Freigabenute 384 gezogen wird. Der Freigabestift 386 kann vorteilhafterweise durch einen Steuerdraht 388 gesteuert werden, der ebenfalls zutreffenderweise bei. Empfang von Fernsignalen durch die Antenne 76 oder vom Prozessor durch die Leiterplatte aktiviert wird. Ebenfalls innerhalb der Plattform bereitgestellt ist eine GPS-Antenne 390, die für den Empfang von Positionsinformationen vom GPS-Satellitensystem mit der Leiterplatte verbunden ist, um die Bahnverfolgung der Plattform bei. ihrer Wanderung und ihrem Schweben über dem zusammenhängenden geographischen Versorgungsgebiet zu erleichtern.
13 ist ein schematischer teilweiser Seitenquerschnitt einer alternativen Ausführungsform der Plattform gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die elektrische Stromquelle für die Kommunikationsschaltung und Steuerungen eine Brennstoffzelle 400 ist. Die Brennstoffzelle 400 kann vorteilhafterweise eine PEM-Brennstoffzelle (proton exchange membrane -Protonenaustauschmembran) der Art sein, die Wasserstoff und Sauerstoff dazu benutzt, um elektrischen Strom zu liefern. Diese Art System erfordert eine Wasserstoffröhre 402, die von der Wasserstoffquelle, d.h. dem Ballon 70 leichter als Luft mit der Brennstoffzelle 400 verbunden ist. Ein Wasserstoffeinlaß 404 ist mit einem Wasserstoffzirkulator 406 versehen, der einfach ein Ventilator 406 sein kann. So kann unter Verwendung des Wasserstoffrohrs Wasserstoff aus dem Ballon entnommen und in die Brennstoffzelle 400 eingelassen werden. Auch gibt es einen Wasserstoffauslaß 408, der zum Ballon zurückgeführt wird. Es ist ein Wasserstoffrohrdrucksensor 410 vorgesehen, um den Wasserstoff-Teildruck an der Brennstoffzelle entsprechend zu überwachen. Eine derartige Brennstoffzelle erfordert auch eine Sauerstoffversorgung, die durch Anbringen eines Sauerstoffballons 414 an einem Sauerstoffrohr 412 bereitgestellt werden kann, so daß der Sauerstoffballon sich innerhalb der Wasserstoffballonumhüllung befindet. Der Sauerstoffballon ist so konstruiert, daß er den Sauerstoff auf einem bedeutenden internen Druck hält. Dieser Sauerstoffballon 414 kann mit einem Gummiband 416 am Rohr 412 angebracht sein und eine Sauerstoffpumpe 418 bewegt den Sauerstoff unter zusätzlichem Druck aus dem Sauerstoffballon 414 in die Brennstoffzelle durch einen Sauerstoffeinlaß 420. Um das Verfahren zu regeln ist wiederum ein Sauerstoffdrucksensor 422 vorgesehen. Die Brennstoffzellenreaktion ergibt Wasser als Nebenprodukt. Das Wasser wird durch die durch die Brennstoffzelle erzeugte Wärme flüssig gehalten und wird wünschenswerterweise abgelassen, ehe es auf den hohen Höhen einfrieren kann, in denen die Plattform fungiert.
14 ist ein schematisches Blockschaltbild der im Nutzlastkasten 300 enthaltenen und auf die Leiterplatte 306 plazierten oder damit verbundenen SNS-Plattformhardware. Ein Prozessor 430 empfängt eine elektrische Signaleingabe und stellt eine elektrische Signalausgabe bereit, wobei er mit einer Mehrzahl von Bauteilen zusammenwirkt, um sowohl Schwebehöhe, Temperatur, Ballonzerstörung, Ballastabwurf usw. der Plattform zu steuern und auch um Kommunikationssignale zu empfangen, zu verarbeiten und zu übertragen, die von Bodenstationen, persönlichen Kommunikationsvorrichtungen oder sonstigen Informationskommunikationen empfangen und zu diesen übertragen werden. Zu Beginn stellt der Block 432 entweder die Batterien 308 oder die Brennstoffzelle 400 dar. Der Block 434 stellt den Ein-/Ausschalter 328 zum Aktivieren der Bereitstellung von Strom für eine Stromversorgungsregelschaltung 436 mit Ausgabe verfügbaren Stroms 438 dar. Der Deutlichkeit halber sind einzelne Stromverbindungen zu verschiedenen Betriebs- und Steuerungsvorrichtungen nicht in allen Fällen dargestellt. Strom wird für den Versorgungsspannungssensor im Block 440 und Stromversorgungssensor im Block 442 bereitgestellt, die Informationen für einen Analog-Digital-Wandler 444 bereitstellen. Auch empfängt der Analog-Digital-Wandler verschiedenseitig Informationen von dem Nutzlast- und Batterie-/Brennstoffzellen-Temperaturmesser im Block 446, sowohl Gas- also auch Umgebungslufttemperaturmessungen im Block 448 und Gasdruck im Block 450. Zusätzliche analoge Informationssignale sind allgemein durch den Block 452 darge stellt. Digital gewandelte Informationen werden verschiedenseitig für den Flash-Speicher in Block 454 und Direktzugriffsspeicher (RAM – random access memory) im Block 456 bereitgestellt und von diesen empfangen. Vom A/D-Wandler 444 und auch vom Flash-Speicher 454 und vom RAM-Speicher 456 besitzt der Prozessor Zugang zu all den verschiedenen Eingangssteuerdaten. Während des Aufstiegs der SNS-Plattform empfängt das durch Block 458 dargestellte meteorologische Paket entsprechende Wetterinformationen einschließlich Umgebungstemperatur 460, Umgebungsdruck bei 462 und Umgebungsfeuchtigkeit bei 464. Die durch Block 496 dargestellte Antennenstabilisierung 316 ist möglicherweise von den Lagesensorinformationen abhängig, die Teil des SNS-Plattformsteuerungssystems bei 466 sind, um die Antenne 76 zu stabilisieren. Durch das meteorologische Paket 458 gemessene oder eingesammelte Informationen werden übertragen. Beispielsweise durch den Infrarot-Sender-/Empfänger 468 durch ein faseroptisches Kabel am Block 470 entsprechend dem physikalischen faseroptischen Kabel 84 und einem Prozessor-Infrarot-Sender-/Empfänger 472, mit dem serielle meteorologische Daten zum Prozessor 430 zur entsprechenden Übertragung zu Bodenstationen während des Aufstiegs der SNS-Plattform mit daran befestigtem meteorologischen Paket 458 übertragen werden. Ein der physikalischen GPS-Antenne 390 entsprechender GPS-Antennenblock 474 kommuniziert durch einen GPS-Empfänger 476, angezeigt als serieller Anschluß und weiterhin synchronisiert mit einem GPS-Takt oder Sekundentick am Block 478. So wird die Position zu bestimmten Zeiten für den Prozessor bereitgestellt. Diese Positionierungsinformationen werden mit der sonstigen meteorologischen Eingabe koordiniert, zur Bestimmung von Windgeschwindigkeiten zum Steuern eines jeglichen Teils des Aufstiegs, wodurch die Windgeschwindigkeiten mit bestimmten Höhen und geographischen Orten während des Aufstiegs in Entsprechung gebracht werden.
Kommunikationen werden durch den Prozessor 430 gesteuert, vorzugsweise durch Verwendung sowohl eines 900-MHz-Sender/Empfängers und Modems 480 als auch eines Gateway-Sender/Empfängers und Modems 482. Signale zu und von der Dipolreihenantenne 484 sind über einen Diplexer 486 angeschlossen und steuern an der Dipolreihenantenne 484 empfangene Informationen, die daher durch den Diplexer und einen der Sender/Empfänger mit entsprechender Frequenz zum Prozessor 430 übermittelt werden, mit Eingangsinformationen von Bodensignalen und auch von Eingangsinformationen von Bordsensoren, so wie die durch A/D-Wandler 444 bereitgestellt werden, den GPS-Positionsinformationen von 476, den GPS-Zeitinformationen 478 und den Lagesensorinformationen 466, womit verschiedene Funktionen der SNS-Plattform gesteuert werden können, einschließlich der Gasentlüftung bei Block 488 entsprechend dem Gasentlüftungsbetätigungsglied 370. Auch wird der Ballastabwurf am Block 490 entsprechend dem physikalischen Ballastabwurfbetätigungsglied 472 gesteuert. Der Abwurf des meteorologischen Pakets wird schematisch bei Block 492 entsprechend dem Paketabwurfbetätigungsglied 374 gesteuert. Die Ballonzerstörungssteuerung ist am Block 494 entsprechend dem Zerstörungsbetätigungsglied 376 dargestellt. Antennenstabilisierung kann gemäß Steuerungen im Block 496 entsprechend dem Antennenstabilisierungsmechanismus 316 bewirkt werden. Nutzlasttemperaturregler, sowohl Heizung als auch Kühlung, können am Block 498 entsprechend Heizungen und Kühlungen 364 gesteuert werden. Zusätzliche Funktionen, die zusätzlich enthalten sein können, werden mit Steuerungen im Block 500 vorgesehen.
Weitere Änderungen und Abänderungen der Erfindung werden dem gewöhnlichen Fachmann gleichfalls beim Lesen der vorliegenden Offenbarung ersichtlich werden und der Umfang der hier offenbarten Erfindung soll nur durch den Umfang der beiliegenden Ansprüche begrenzt sein, zu denen die Erfinder gesetzlich berechtigt sind.

Claims

Kommunikationssystem mit folgendem: a. eine Mehrzahl von Plattformen leichter als Luft (12a–g) mit mindestens einer ersten Plattform und einer zweiten Plattform, jeweils mit einer Höhenreglervorrichtung zum Steuern des Schwebens dieser Plattformen (12a–g) innerhalb eines vorbestimmten Höhenbereichs, wobei jede Plattform (12a–g) mindestens einen Kommunikationssignal-Sender/Empfänger (16) trägt; b. einem Plattformstartort (24a), von dem aus die Mehrzahl von Plattformen (12a–g) gestartet werden kann; c. einer Mehrzahl von Bodenstationen (24a–d), die zum Übertragen von Kommunikationssignalen zu und zum Empfangen von Kommunikationssignalen von mindestens einem der Mehrzahl von durch die Mehrzahl von Plattformen (12a–g) getragenen Kommunikationssignal-Sendern/Empfängern (16) fähig sind; dadurch gekennzeichnet, daß d. die Mehrzahl von Plattformen (12a–g) freischwebend ohne irgendeine Längen- und Breitenpositionssteuerung sind und die Mehrzahl von Bodenstationen (24a–d) eine oder mehrere der Mehrzahl von Plattformen (12a–g) verfolgen können; wobei das System weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß es zusätzliche mehrfache Startorte (24b–d) umfaßt, die geographisch auf einem zusammenhängenden geographischen Gebiet beabstandet sind, und e. eine Mehrzahl von Kommunikationsvorrichtungen (22a–u) innerhalb des zusammenhängenden geographischen Gebiets, wobei diese Kommunikationsvorrichtungen (22a–u) eine Kommunikationsfähigkeit aufweisen, die zu den Fähigkeiten der durch die Plattformen (12a–g) getragenen Signal-Sender/Empfänger (16) kompatibel ist; wobei mindestens eine der Kommunikationsvorrichtungen (22a–u) Kommunikation mit der ersten Plattform (12a) zu der zweiten Plattform (12b) weiterschalten kann, wenn sich die erste Plattform aus einem Kommunikationsbereich des mindestens einen der Kommunikationsvorrichtungen (22a) herausbewegt.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1, weiterhin mit mindestens einer Netzbetriebszentrale, die mit dem Netz von Kommunikationsstrecken verbunden ist, so daß die Bodenstationen dadurch miteinander und der mindestens einen Netzbetriebszentrale mit Schaltungen zum Steuern vorbestimmter Operationen der Plattformen leichter als Luft zusammengeschaltet sind.
Kommunikationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regler die Schwebehöhe der Plattform auf innerhalb eines vorbestimmten Höhenbereichs von zwischen rund 60000 Fuß (18000 Meter) und rund 140000 Fuß (42000 Meter) regelt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Regler funktionsmäßig zum Regeln der Plattform geschaltet ist, so daß sie in der Stratosphäre der Erde schwebt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der vorbestimmte Höhenbereich, in dem die Mehrzahl von Plattformen zum Schweben geregelt werden, einen Bereich von rund 70000 Fuß (21000 Meter) bis rund 100000 Fuß (30000 Meter) umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Regler zum Regeln des Schwebens der Plattform innerhalb des vorbestimmten Höhenbereichs eine Menge von umschlossenem Gas mit einer geringeren Dichte als der Luftdichte innerhalb des vorbestimmten Höhenbereichs und eine steuerbare Entlüftungsöffnung umfaßt, mit der ein Teil der Menge umschlossenen Gases freigegeben werden kann, um das Tragvermögen der Plattform zu verringern.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Regler eine Menge an Bord der Plattform getragenen Materials hoher Dichte und eine Freigabevorrichtung umfaßt, mit der ein Teil des Stoffes hoher Dichte freigegeben werden kann, um das Tragvermögen der Plattform zu erhöhen.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Regler eine steuerbare Gasentlüftungsöffnung; eine steuerbare Ballastfreigabevorrichtung; einen Höhebestimmungsmechanismus und eine Steuersignalprozessorvorrichtung, die mit dem Sender/Empfänger, dem Höhebestimmungsmechanismus, der Gasentlüftungsöffnung und der Ballastfreigabe verbunden ist, umfaßt, so daß die Höhe eingestellt werden kann.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Mehrzahl von Bodenstationen beabstandet sind und jeweils einen Sender/Empfänger umfassen, mit dem die Bodenstation zum Übertragen und Empfangen von Kommunikationssignalen zu und von mindestens einer der Mehrzahl von Plattformen fähig ist.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin mit einer Verfolgungsvorrichtung, die folgendes umfaßt: a. eine Richtantenne; und b. einen Richtantennenzielmechanismus, der auf GPS Koordinatendaten reagiert, um die Richtantenne auswählbar auf ausgewählte der Mehrzahl von Plattformen zu richten.
Kommunikationssystem nach Anspruch 10, wobei die Verfolgungsvorrichtung folgendes umfaßt: a. eine Richtantenne; und b. einen Richtantennenziel- und Gewinnverfolgungs mechanismus zum Richten der Richtantenne auf eine ausgewählte Plattform entsprechend der Kommunikationssignalstärke zwischen der ausgewählten Plattform und der Richtantenne.
Kommunikationssystem nach Anspruch 9, wobei mindestens eine der beabstandeten Bodenstationen eine Netzbetriebszentrale umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin mit einer mit dem Netz von Kommunikationsstrecken verbundenen Netzbetriebszentrale (NOC – Network Operation Center).
Kommunikationssystem nach Anspruch 13, wobei die NOC mit mindestens einigen der Mehrzahl von Bodenstationen mit einer „Narben- und Speichen-" Anordnung von Kommunikationsstrecken verbunden ist.
Kommunikationssystem nach Anspruch 13, wobei die NOC mit mindestens einigen der Mehrzahl von Bodenstationen mit einer „Maschen"-Anordnung von Kommunikationsstrecken verbunden ist.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das die Bodenstationen zusammenschaltende Netz von Kommunikationsstrecken Verbindungen mit Erdleitungen umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Netz von die Bodenstationen zusammen schaltenden Kommunikationsstrecken Raumsatelliten-Kommunikationsstrecken umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Netz von Kommunikationsstrecken Plattform-Plattform-Kommunikationsstrecken umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Mehrzahl von Plattformen Vorrichtungen leichter als Luft umfaßt, die unter Ballons, Kleinluftschiffen, Luftballons, Zeppelinen, Luftschiffen, lenkbaren Luftschiffen, Wetterballons, Jimsphär-Ballons, Heißluftballons, Sondenballons und meteorologischen Ballons ausgewählt sind.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Mehrzahl von Plattformen Gummi- oder Nulldruck-Ballons umfaßt.
Kommunikationssystem (CCS) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Plattformen wasserstoffgefüllte Ballons umfassen.
Freischwebendes CCS nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger Schaltungen für Kommunikationen unter Verwendung des FDMR-Protokolls (Frequency Division Multiple Access) umfaßt.
Freischwebendes CCS nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger Schaltungen für Kommunikationen unter Verwendung des TDMA-Protokolls (Time Division Multiple Access) umfaßt.
Freischwebendes CCS nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger Schaltungen für Kommunikationen unter Verwendung des CDMA-Protokolls (Code Division Multiple Access) umfaßt.
Freischwebendes CCS nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger Schaltungen für Kommunikationen unter Verwendung des Re-FLEX-Protokolls umfaßt.
Freischwebendes CCS nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger Schaltungen für Kommunikationen unter Verwendung des Flex-Protokolls umfaßt.
Freischwebendes CCS nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger Schaltungen für Kommunikationen unter Verwendung des POCSAG-Funkrufprotokolls umfaßt.
Freischwebendes CCS nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger Schaltungen für Kommunikationen unter Verwendung des ERMES-Funkrufprotokolls umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 28, weiterhin mit folgendem: a. einem Höhenbestimmungsmechanismus; b. einer Quelle meteorologischer Daten; und c. Steuerungen zum Einstellen der Höhe der einen oder mehreren Plattformen in eine nach den meteorologischen Daten bestimmten Windgeschwindigkeit und -richtung.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 29, weiterhin mit folgendem: a. einem Lagesensor an Bord mindestens einer der Mehrzahl von Plattformen; und b. einer an mindestens einen der Kommunikationssignal-Sender/Empfänger angekoppelten und an mindestens einer der Mehrzahl von Plattformen befestigten steuerbaren Antenne mit Stabilisierungsreglern zum Stabilisieren der steuerbaren Antenne in einer Richtung von der Plattform zum Erleichtern einer beständigen Bodenversorgung über dem geographischen Gebiet.
Kommunikationssystem nach Anspruch 30, weiterhin mit einer funktionsmäßig der steuerbaren Antenne und dem Lagesensor zugeordneten Zielsteuerung zum auswählbaren Ändern der Position des Versorgungsbereichs dieser Antenne zum Erleichtern des Auffüllens von Versorgungslücken über dem geographischen Gebiet.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei mindestens eine der Plattformen folgendes umfaßt: a. einen unbemannten freien Ballon; und b. einen Nutzlastkasten mit einem Gesamtgewicht von weniger als sechs Pfund (2,7 kg) und Außenflächen mit vorbestimmten Bereichen um mit einem Gewicht-Größen-Verhältnis von nicht mehr als 3 Unzen pro Quadratzoll (85 g/6,45 cm²) auf jeder Oberfläche des Pakets, bestimmt durch Teilen des Gesamtgewichts in Unzen (Gramm) des Nutzlastkastens durch den Bereich in Quadratzoll (Quadratzentimeter) seiner kleinsten Außenfläche.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei mindestens eine der Mehrzahl von Plattformen weiterhin einen Höhenregler umfaßt, der funktionsmäßig zum Regeln der Plattform zum Schweben innerhalb eines vorbestimmten Höhenbereichs nach Anfangsaufstieg geschaltet ist, wobei der Höhenregler weiterhin folgendes umfaßt: eine Menge von Material hoher Dichte; eine Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe der Plattform, wobei die Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe der Plattform einen GPS-Empfänger (Global Positioning System) und einen Materialfreigabemechanismus zur Freigabe eines Teils der Menge Materials hoher Dichte umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 33, weiterhin mit folgendem: a. einer Wasserstoffgaszelle zur Aufnahme einer Menge von Wasserstoff; b. einer Bordstromquelle auf mindestens einer der Plattformen, wobei die Bordstromquelle eine mit der Wasserstoffgaszelle zusammengeschaltete Brennstoffzelle zur Aufnahme von Wasserstoff als ein Bestandteil für den Brennstoff für die Brennstoffzelle umfaßt; und c. einen an der Plattform angebrachten Höhenregler zum Regeln der Höhe der Plattform innerhalb eines vorbestimmten Höhenbereichs, mit folgendem: i) einem Höhenbestimmungsmechanismus; ii) einer steuerbaren Entlüftungsöffnung von der Gaszelle und funktionsmäßig an den Höhenbestimmungsmechanismus angekoppelten Entlüftungsöffnungssteuerungen zum Ablassen des Wasserstoffgases zum Regeln der Höhe der Plattform; und iii) einer an der Plattform angebrachten steuerbaren Ballastfreigabe zum Freigeben von Ballast zum Regeln der Höhe der Plattform.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei die steuerbare Entlüftungsöffnung und funktionsmäßig daran angekoppelten Entlüftungssteuerungen weiterhin mindestens ein Nickel-Titan-(NiTi-)Element umfassen, das mechanisch an die Steuerungsentlüftungsöffnung angekoppelt und funktionsmäßig mit der Stromquelle zum selektiven Empfangen und Nichtempfangen von elektrischem Strom verbunden ist, um dadurch selektiv die Länge des NiTi-Elements zum Öffnen und Schließen der steuerbaren Entlüftungsöffnung zu ändern.
Kommunikationssystem nach Anspruch 34, weiterhin mit einem meteorologischen Paket, das mit der Plattform über eine faseroptische Strecke mit dem Sender/Empfänger verbunden ist, wodurch die Möglichkeiten elektrischer Bogenbildung zwischen dem meteorologischen Paket und dem Sender/Empfänger verringert wird, wenn sich die Plattform durch elektrisch geladene Wolken bewegt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 36, weiterhin mit einem Verfolgungssystem zum Verfolgen einer oder mehrerer der Mehrzahl von Plattformen.
Kommunikationssystem nach Anspruch 12, wobei die Netzbetriebszentrale Schaltungen zum Steuern einer vorbestimmten Operation der Plattform umfaßt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 38, weiterhin mit einem Schnellentleerungssystem zum Entfernen einer Plattform aus der Luft bei Fehlfunktion oder unzulässigem Standpunkt der Plattform.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 39, wobei das Kommunikationssystem eine Sichtlinienversorgung drahtloser Daten für eine Bevölkerung auf einer Landmasse bereitstellt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 40, wobei die Kommunikationsvorrichtungen Funkrufgeräte, fortgeschrittene Nachrichtenübermittlungsvorrichtungen oder drahtlose Telefone umfassen.