KR100878646B1

KR100878646B1 - 통신 시스템

Info

Publication number: KR100878646B1
Application number: KR1020087002615A
Authority: KR
Inventors: 얼 콕스; 월터 알. 모건
Original assignee: 에어로바이론먼트 인크
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2009-01-15
Also published as: US6944450B2; US20010039189A1; CA2403280C; WO2001078257A2; MXPA02009652A; KR20080017495A; BR0110291A; KR20030093904A; JP4722367B2; JP2004500786A; WO2001078257A3; RU2002129590A; AU2001249960A1; CN1440599A; EP1352486A2; CA2403280A1; KR100878644B1

Abstract

본 개시는 전장 하중 전익 비행기(span-loaded flying wing)를 사용하고 비교적 저속으로 이동하고 장시간 동안 공중에 있을 수 있는 통신 시스템을 제공한다. 통신 시스템은 다수의 가능한 기능 중 최소한 하나의 역할을 할 수 있는 장시간 높은 고도 플랫폼으로서 비행기를 사용한다. 한가지 기능은 무선파 신호를 사용하는 지상 스테이션과 광학 신호를 사용하는 위성에 링크하는 것이다. 다른 기능은 지상 통신 노드와 개별 말단-사용자 사이의 중계 스테이션으로서 작동하는 하는 것이다. 비행체가 촘촘하게 스테이션을 유지할 수 있으므로, 말단-사용자 안테나를 연속적으로 조정할 필요가 없다. 이러한 시스템의 경우에는, 다수의 비행체를 사용할 수 있고, 좁은 빔폭에 대해 말단-사용자 안테나를 구성하여, 서로 다른 통신 링크가 주파수를 재사용하는 것을 가능하게 할 수 있다.

통신 시스템, 위성, 지상 스테이션, 말단-사용자, 비행기, 서브오비탈 플랫폼, 통신 링크

Description

통신 시스템{COMMUNICATIONS SYSTEM}

본 출원은 모든 목적을 위해 참조로서 본 명세서에 포함된 2000년 4월 10일에 출원된 미국 가특허 출원 제60/196,058호의 우선권을 청구한다.

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 비행기를 이용하는 무선 통신 시스템에 관한 것이다.

인터넷과 멀티미디어 애플리케이션의 폭발적인 증가로 인해 말단-사용자에게 높은 대역폭 라스트 마일 연결성(last-mile connectivity)을 제공하기 위해 점점 노력하고 있다. 통신 신호는 이러한 사용자에게 다수의 서로 다른 유형의 통신 시스템을 통해 전달될 수 있다. 유선 지상 시스템은 통상적으로 큰 대역폭 신호를 위한 고속 통신을 제공한다. 그러나, 이러한 시스템을 위한 기반시설은 설치하고 관리하고 갱신하는데 비용과 시간이 많이 들고, 자체로는 이동 통신을 지원하지 않는다. 전송 탑을 사용하는 무선 시스템은 서비스되는 지상 영역당 대역폭이 사실상 더 제한되기 때문에 상당히 고속 통신을 제공한다.

정지궤도(GEO) 위성(약 36,000 킬로미터인 고도의)은 무선 통신을 말단-사용자에게 제공할 수도 있지만, 대역폭 효율에 의해 한정되므로, 매우 밀집된 지역은 제대로 서비스되지 않는다. 중궤도(MEO) 및 저궤도(LEO) 위성(각각 10,000 킬로미터 및 700-1500 킬로미터) 시스템은 말단-사용자가 위성의 상대 이동을 추적하는 장비를 구비해야 하므로 사실상 매우 복잡하다. 또한, GEO 위성은 적도 궤도 내에 있어야 하므로, 적도 지역으로 그 실제적인 사용이 한정된다. 비정지궤도 위성은 통상적으로 하나의 통과 위성으로부터 다음 위성으로 통신 신호를 스위칭하도록 적응된 보조 시스템을 구비하기 때문에, 공중과 지상 모두에서 복잡하고, 연속적으로 조정하는 지향성 안테나를 요구한다. 물론, 예를 들어, 서비스를 위해 상술한 위성은 모두가 쉽게 검색되지 않는다.

비행체는 여행, 운송, 소방, 감시, 전투를 포함하는 다양한 애플리케이션에서 사용된다. 다양한 비행체는 이러한 애플리케이션에 의해 정의된 광범위한 기능적 역할을 충족하도록 설계되었다. 이러한 비행체에는 종래의 풍선, 비행선, 고정익(fixed wing) 비행기, 전익(flying wing) 비행기 및 헬리콥터가 포함된다.

비행체가 통상적으로 충족시키도록 설계되지 않았던 한 가지 기능적 역할은 통상적으로 통신을 위한 장수명이고, 서브오비탈(suborbital)의(예를 들면, 성층권) 높은 고도의 플랫폼의 역할이다. 높은 고도의 플랫폼은 위치가 비교적 고정된 높은 고도에 정지된 비행체이다. 풍선 및 비행선과 같은 공기보다 가벼운 비행체와 헬리콥터 모두는 고도 제한 때문에, 또한, 강한 바람에서 선택된 스테이션을 관리하지 못하는 것 때문에 높은 고도의 플랫폼으로서 그 기능이 한정된다. 통상적으로 높은 고도에 도달하고 유지하기 위해 고속으로 이동하는 비행기는 조용한 바람에서 선택된 스테이션을 유지하지 못하는 것 때문에 한정된다. 또한, 헬리콥터, 일부 공기보다 가벼운 비행체, 대부분의 비행기는 일주일 또는 한 달과 같은 상당한 기간은 말할 것도 없고, 하루보다 훨씬 긴 시간 동안 높은 고도 스테이션을 유지할 수 없다.

다수의 개발중인 비행기는 충분한 태양광이 하루동안 사용가능한 동안 태양 전력 비행기와 같은 연속적인 밤낮 비행을 유지할 가능성이 있다. 널리 공지된 Pathfinder, Centurion, Helios 비행기인, 실제로 구성된 3개의 이러한 비행기는 다수의 비행 기록을 설정해왔다. 이러한 비행기의 기초가 되는 기본 설계는 매우 높은 종횡비 및 비교적 일정한 익현 및 익형을 갖는 비스윕 전익 비행기에 관한 미국특허 제5,810,284호에 상세히 언급되어 있다.

Pathfinder, Centurion, Helios 비행기와 같은 서브오비탈 고도에서 동작하는 장시간의 높은 고도의 플랫폼은 다양한 기능으로 사용하도록 제안되었다. 일례로서, 마이크로파 통신 장비를 갖춘 높은 고도의 플랫폼은 원격지 사이에 통신 중계 서비스를 제공할 수 있다. 다른 유형의 비행기는 무겁고 비싸고 매우 빨리 소모되는, 사용하는 가연 연료의 양에 의해 제한되기 때문에 이 태스크에 최적으로 맞추어지지 않는다. 통상적으로, 이러한 다른 유형의 비행기는 상당한 시간 동안 원하는 위치에 있을 수 없으므로, 이 태스크를 수행하는 것이 제한된다.

고정 위치 및 이동하는 수신기에 높은 대역폭 신호를 제공하는 통신 시스템을 개발하는 것이 바람직하다. 본 발명은 다양한 실시예는 이러한 요구의 일부 또는 전부를 만족하고 관련 유리함을 더 제공할 수 있다.

본 발명은 만드는 데 비용이 많이 들지 않고 장시간 동안 높이 떠 있을 수 있는 비행기를 사용하는 통신 시스템을 제공하여 상술된 요구를 해결한다. 이러한 시스템은 신속하게 설치되고, 시장 및 시장 크기에 맞추어지고, 새로운 기술을 사용하여 서비스되고 고급화될 수 있다. 사실상 무선인 이러한 시스템은 휴대 및/또는 이동 사용자를 서비스할 수 있도록 개발될 수 있다.

본 발명은 지상 스테이션으로부터의 무선파 신호를 서브오비탈 고도 위에 있는 위성, 또는 다른 비행체로 향하는 광학 신호로 변환하기 위해 사용될 수 있는 서브오비탈 플랫폼을 사용을 포함한다. 마찬가지로, 비행기는 광대역 및/또는 무선망을 생성하기 위해서 다수의 지상 스테이션과 결합될 수 있다. 그러나, 본 발명의 비행기는 위성 또는 지상 라스트 마일 기반시설보다 만들기가 훨씬 덜 비싸고, 회수하여 동일하거나 다른 태스크를 위해 재사용할 수 있다.

본 발명은 고정 위치 사용자에 대하여 사실상 정지궤도인, 통신 노드로서 촘촘하게 스테이션을 유지하는 성층권 플랫폼을 사용한다. 플랫폼은 하이브리드 태양 에너지 및 수소 연료 전지로 생성된 전력으로 스테이션을 공기역학적으로 유지한다. 이는 환경친화적이고 성층권에 오염물질을 내놓지 않는다. 페이로드 모듈은 고도를 유지하고 짐발(gimbals)을 사용한 플랫폼 롤 피치 요(roll-pitch-yaw) 이동으로부터 완화된다. 페이로드와 사용자 단말 안테나는 모두 플랫폼 스테이션 유지 동력학을 수용하도록 설계된다.

데이타는 데이타를 비행기에 방송하고 비행기로부터 데이타를 수신하도록 구성된 지상 기반 게이트웨이를 통해 처리될 수 있다. 플랫폼은 20 KM의 명목 고도에 있다. 이는 35,000 킬로미터 궤도의 정지궤도 위성보다 실질적으로 가깝고, 지상망과 동일하거나 좋은 지연 시간을 제공한다.

통신 시스템은 대역폭 밀도 효율을 밀집된 시내 영역에서는 222 MHZ/KM²이상으로 높게 하기 위해서 주파수 및 편파 다이버시티와 함께 공간적으로 떨어져 있는 복수의 비행체를 사용할 수 있다. 또한 이는 경쟁하는 시스템이 동시에 존재할 수 있게 한다.

본 발명의 다른 특징 및 유리함은 예로서 본 발명의 원리를 도시하는 첨부한 도면과 결합하여 된 양호한 실시예의 이하 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다. 본 발명의 실시예를 생성하고 사용할 수 있도록 이하 기술된 것처럼, 특정한 양호한 실시예의 상세한 설명은 청구의 범위를 한정하는 의도가 아니고, 청구된 본 발명의 특정 예로서 작용하도록 의도된 것이다.

상기에서 요약되고 청구범위에서 정의된 본 발명은 첨부된 도면과 결합하여 이해해야 하는 이하 상세한 설명을 참조하여 보다 잘 이해될 수 있다. 본 발명의 특정할 구현예를 생성하고 사용할 수 있도록 아래에 기술된 통신 시스템의 특정한 양호한 실시예의 이 상세한 설명은 청구범위를 한정하도록 의도된 것은 아니고, 그 특정 예를 제공하도록 의도된 것이다.

본 발명을 위한 양호한 비행기

본 발명은 양호하게는 촘촘하게 스테이션을 유지해야 하는 요구사항을 갖는 실질적으로 정지궤도인 플랫폼으로서 비행기의 사용을 포함한다. 본 발명에 따르면, 양호한 비행기는 배경기술에서 상술한 것과 같은 Pathfinder, Centurion 및 Helios 비행체와 유사한 설계로 된다. 양호한 비행기 설계가 이하 설명되지만, 보다 상세한 설명은 본 명세서에 참조로서 포함된 미국특허 제5,810,284호에 제공되어 있다. 그렇지만, 본 발명을 위해 다른 비행체의 설계는 설명된 비행기와 실질적으로 다를 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 1-3을 참조하여, 양호한 비행체 실시예는 전익 비행기(10), 즉 동체 또는 꼬리가 없다. 대신에, 이는 날개폭을 따라 실질적으로 변동없는 익형의 형상 및 크기를 갖는 비스윕 날개(12)를 포함한다. 양호하게는, 각각이 단일 프로펠러(16)를 구동하여 추력을 생성하는 6, 8 또는 14개의 전기 모터(14)가 날개폭을 따라 다양한 위치에 놓인다. 양호하게는, 착륙 기어를 보다 낮은 단부에 두고, 2, 4 또는 5 개의 수직핀(18a-18d) 또는 포드(pod)가 날개로부터 아래로 연장한다.

양호한 비행기(10)는 태양으로부터 전력을 공급받고, 연속적인 밤낮 비행을 위한 에너지를 저장하기 위한 연료 전지를 포함한다. 그러므로, 이는 일주일 내지 10일(예를 들면, 200시간) 및 보다 양호하게는 3000 시간 또는 그 이상동안 연속적인 무인 임무를 위해 비행하는데 이상적으로 적합하다. 대안적으로, 이는 그 전력의 일부 또는 전부를 (연료 전지 또는 종래의 모터에서 사용될 액체 수소와 같은) 수소 연료, 화석 연료 또는 다른 저장 연료, 또는 낮에는 태양으로 전력을 받고 밤에는 저장된 재생 불가 또는 일부 재생 가능 연료와 같은 연료원의 조합으로부터 끌어오도록 설계될 수 있다.

비행체(10)는 세로로 양호하게는 날개폭을 따라 차례대로 위치한 5 또는 6 모듈라 세그먼트로 분할된다. 이 세그먼트는 길이가 39 내지 43 피트 범위이고, 약 8 피트의 익현 길이(chord length)를 갖는다. 그러므로, 비행체는 약 8 피트의 길이이고, 양호하게는 약 100, 120, 200 또는 250 피트의 날개폭을 갖는다. 비행기의 날개 세그먼트 각각은 비행시 각자의 무게를 지탱하여 세그먼트간 부하를 최소화하여, 필요한 부하 지지 구조를 최소화한다.

핀(18a-18d)은 세그먼트 사이의 연결점에서 날개(12)로부터 아래로 연장하고, 각 핀은 휠(34,36)의 전후에 착륙 기어를 장착한다. 핀은 전자기기와 같은 비행체의 소자 및/또는 다양한 페이로드를 포함하기 위한 포드로서 구성된다. 포드 중의 하나인 "제어 포드"는 모터 및 승강기를 제어하기 위해 소프트웨어로 주로 구현되는 자동조종기를 포함하는 제어 전자기기를 싣는데 사용된다. 또한, 포드는 이하 서술되는 통신 장비는 물론 글로벌 위치 탐지 시스템 장비를 포함하는 센서를 싣는다.

상술한 설계의 결과로서, 비행체의 양호한 실시예는 가볍고(날개 영역의 제곱 피트당 1 파운드보다 작다), 비교적 느린 대기 속도로(낮은 고도의 13 노트에서 높은 고도의 100 노트까지) 비행하고, 공중에 머물기 위해 태양 전지의 어레이로부터 비교적 적은 전력을 필요로 한다. 그 온 스테이션(on-station) 성능은 통신 시스템의 나머지에 사실상 영향을 주지 않게 된다는 것이다(즉, 통신 시스템의 나머지는 비행기가 스테이션에 있는 한 비행기의 비행에 의해 영향을 받지 않는다는 것이다).

지상링크 시스템

도 4a 및 4b는 본 발명의 통신 시스템을 구현하는 제1 시스템의 시스템 개념을 도시한다. 시스템은 통신 노드로서 사용되는 촘촘히 스테이션을 유지하는 성층권 플랫폼으로서 기능하는 하나 이상의 비행기(10) 및 플랫폼과 지상 모두에 위치한 통신 장비를 포함한다.

지상 기반 통신 장비는 하나 이상의 "게이트웨이"(102)(즉, 비행체 플랫폼 중 하나 이상에 신호를 방송하거나/고 신호를 수신하는 지상 통신 노드)를 포함한다. 또한, 지상 기반 통신 장비는 하나 이상의 말단-사용자 위치(106)에서 각각이 단말 안테나(104)를 구비한 하나 이상의 말단-사용자 단말(즉, 하나 이상의 말단-사용자를 위한 통신 장비)을 포함한다. 단말 안테나 각각은 비행체 플랫폼 중의 하나에 신호를 방송하거나/고 신호를 수신할 수 있다. 다중 단말 안테나는 단일 말단-사용자를 위한 다른 비행체로부터의 신호를 액세스하는데 사용될 수 있어, 대 역폭을 증가시킨다.

사용자 단말에서 말단-사용자(106)와 통신될 데이타는 게이트웨이(102)와 말단-사용자의 사용자 단말 사이에서 비행하는 통신 장비를 통해 전송된다. 특히, 말단-사용자 데이타는 양호하게는 게이트웨이 중 하나 이상과 비행기(10) 중 하나 이상 사이에서 처리되고 전송된다.

비행기(10)는 이동성 없는 말단-사용자 위치(106) 및 게이트웨이(102)에 대하여 실질적으로 정지궤도에 유지된다. 보다 구체적으로, 이 비행기 플랫폼은 단말 안테나(104)의 빔폭내에 유지된다. 각 플랫폼은 양호하게는 선택된 서비스 영역, 즉 셀에 걸쳐 20 KM의 고도의 위치에 유지한다. 이는 양호하게는 모든 환경 조건에서 600 미터 회전 반경 및 ±30 미터 수직 고도 내에 머무른다. GEO 위성과 비교하면, 이 통신 시스템은 지상망과 동일하거나 좋은 지연 시간을 갖기 쉬울 것이다.

비행하는 통신 장비는 비행기(10) 상의 하나 이상의 페이로드 모듈 및 양호하게는 포드(18)(도 1-3 참조)에 운반된다. 이 장비는 그 고도를 유지하고, 짐발을 사용하여 플랫폼 롤 피치 요 이동으로부터 완화된다. 비행하는 통신 장비(페이로드) 및 말단-사용자 단말 안테나는 비행기 플랫폼의 스테이션 유지 동력학을 수용하도록 설계된다.

비행하는 통신 장비는 사용자 단말의 안테나의 복수의 서로 다른 셀(110)을 목표하도록 구성된다. 이 양호하게는 육각형 셀은 다양한 크기일 수 있고, 양호하게는 비행기로부터 적절한 거리에서 비행하는 통신 장비의 빔폭과 잘 맞는다.

유사하게 구성된 통신 장비를 갖는 추가적인 비행기(10)는 추가적인 대역폭을 제1 비행기가 서비스하는 셀(100) 및/또는 추가 셀에 제공한다. 각 비행기는 서로의 관련된 지상 안테나의 빔폭 내에서 비행하지 않도록 서로 떨어져 있어야 한다. 이 공간적 다이버시티는 비행기를 서로 충돌하지 않도록 하는 기능도 한다.

시스템은 대역폭 밀도 효율을 매우 밀집된 시내권에서 222 MHZ/KM²정도로 높아지도록 (밀집된 2차원 변동 플랫폼 위치로부터의, 도 4c참조) 공간 다이버시티, 주파수 다이버시티 및 편파 다이버시티를 사용할 수 있다. 이 밀집된 공간 다이버시티는 GEO 위성에 대한 궤도 슬롯의 1차원적 시리즈보다 실질적으로 보다 높은 대역폭을 제공한다. 이 공간 다이버시티는 경쟁하는 시스템을 동시 존재하게 허용할 수도 있다.

게이트웨이는 플랫폼으로의 상향 링크를 위해 92-95 GHz를 사용하고, 플랫폼으로부터의 하향 링크를 위해 81-84 GHz를 사용한다. 주파수대는 게이트웨이 각각에 대해 재사용된 편파이다. 자동 추적 안테나를 구비하고 양호하게는 4개까지 공간적으로 분리된 게이트웨이가 각 플랫폼으로부터의 모든 데이타를 처리한다. 총 재사용 지수 8은 24 GHz의 플랫폼 당 대역폭 쓰루풋을 내놓는다. 게이트웨이는 외부적으로 지상망 및/또는 위성망을 통하거나, 내부적으로 서비스 영역 내의 착신 사용자로의 플랫폼까지 사용자 데이타를 처리하고 라우팅한다. 비행기까지의 게이트웨이의 통신 링크는 양호하게는 최악의 우천에서 링크의 성능을 유지하기 위해 교차편파 소거(crosspolarization cacellation)를 사용한다.

플랫폼 상의 통신 페이로드는 게이트웨이에 사용자를 연결하기 위한 단순한 트랜스폰더 설계이다. 게이트웨이 안테나는 상호간에 지상 안테나를 자동추적한다. 사용자 링크에서 대역폭 밀도를 얻기 위해서, 다중 빔이 종래의 4 셀 재사용 구성으로 배치된다. 셀 크기 및 말단 대 말단 동기 CDMA 파형 설계는 최악의 플랫폼 이동에 의해 야기되는 간섭을 극복한다.

말단-사용자 통신 링크(비행기로부터 사용자 단말까지)는 Ka 또는 Ku 주파수대에 대해 설계될 수 있다. 도 4d는 역방향에서 이러한 GEO 위성 Ka 주파수대, 즉 말단-사용자로부터의 19.7-20.2 GHz 상향링크와 말단-사용자로 29.5-30.0 GHz 하향 링크를 사용하는 설계 개념을 도시한다. 500 MHz 사용가능 대역폭은 4 셀 재사용 계획 시 2개의 250 MHz로 분할된다. 24 GHz 게이트웨이 대역폭 쓰루풋을 갖는 경우, 페이로드는 96개의 사용자 빔을 지원한다. 해당 셀 크기가 8 KM 육각형이면 이는 6 MHZ/KM²의 대역폭 밀도를 달성한다.

사용자의 단말 안테나는 플랫폼 스테이션 유지책을 수용하기에 충분한 대역폭을 가져야 한다. 동시에 이는 요구가 커지면 대역폭 밀도를 더 증가시키기 위해 다중 플랫폼이 동일한 서비스 영역 상에서 동작할 수 있도록 충분히 좁아야 한다. 도 4d의 페이로드에 대응하여, 명목 E1(2.048 MBPS) 데이타 레이트에 대한 링크를 결집하기 위해서, 30 cm 지름 안테나가 플랫폼 바로 아래의 셀을 위해 사용되고, 40 cm 안테나는 서비스 영역의 가장자리의 셀을 위해 필요하다. Ka 주파수대의 이들 안테나의 사이드로브 레벨은 최소 상호 간섭을 갖고 도 6에 도시된 것처럼 37개 플랫폼의 육각형 집합을 허용한다. 이는 222 MHZ/KM²까지 중첩 영역에서 대역폭 밀도를 증가시킨다. GEO Ka 주파수대 단말과 이 시스템 사이의 간섭은 공간적 분리로 크게 감소될 수 있다.

양호하게는, 하나 이상의 동작 중심(100)은 비행하는 비행기 플랫폼에 명령하고 제어한다(도 4b 참조). 또한 이는 개별 비행기가 서비스되는 동안 99.9％ 신뢰도의 전반적인 시스템 가용성을 보장하고, 시스템을 유지하기 위해 대체하는데 사용할 수 있는 추가적인 비행기 플랫폼을 명령하고 제어한다. 양호하게는, 동작 중심은 아래 지형에 대해 적절한 스테이션에 동시에 유지될 수 있는 비행기 플랫폼의 함대를 제어한다. 양호하게는, 제1 비행기가 제2 비행기를 대체한 후, 제2 비행기는 혹심한 기후를 피하기 위해 멀리 떨어진 착륙 가설 활주로를 향할 수 있다. 비행체의 조립식 구성 및 부분의 크기로 인해, 비행체는 해체되고 통상의 트럭에 의해 통신 셀에 가까운 활주로로 운반될 수 있다.

이 시스템은 완전히 규모를 조정할 수 있고 다양한 시장에서 배치되는 경우 여러 방식으로 최적화될 수 있다. 페이로드는 양호하게는 단일 게이트웨이에 해당하는 6 GHz 쓰루풋의 증분으로 설계된다. 안테나 빔은 필요한 셀(110)을 서비스하기 위해서 선택적으로 밀집화될 것이다.

페이로드(즉, 공중 통신 장비)는 유지 보수를 위해 플랫폼을 회수할 때 고급화되고 재구성될 수 있다. 플랫폼은 보다 작은 페이로드를 가지면서 촘촘한 스테이션 유지를 위해 최적화될 수 있다. 따라서 셀 크기는 보다 높은 대역폭 밀도를 위해서 감소될 수 있다. 또한, 전반적인 시스템 용량은 서비스 영역에 걸쳐 다수의 플랫폼으로서 유지될 수 있다.

위성 하향 링크 시스템

도 5는 본 발명을 구현하는 제2 통신 시스템의 시스템 개념을 도시한다. 비행기(10)는 위성과 같은 궤도 고도 이상의 위치된 비행체로부터 지상 스테이션으로의 높은 대역폭의 지대공 통신 시스템을 달성하기 위해서 사용된다. 보다 구체적으로, 비행기는 위성(302), 지상 스테이션(300) 및 이 둘 사이를 전파하는 신호를 지원하는 통신 장비를 포함할 수 있는 위성 하향 링크 시스템의 일부로서 기능을 하는데 특히 적절하다. 이러한 유형의 시스템은 다양한 통신 시스템의 구조에서 유용할 수 있다.

통상적으로, 지상 스테이션과 위성 사이의 통신은 구름과 같은 다양한 대기 현상을 간섭없이 통과할 수 있는 마이크로파 신호와 같은 일부 유형의 무선파 신호를 사용한다. 이 신호 중 일부는 전방향성이고 일부는 주어진 빔폭을 갖고 목표물로 지향된다. 그러나, 주어진 수준의 수신기 감도 및 배경 잡음에 대해, 특정 대역폭을 운송하기 위해 요구되는 신호 강도는 방송 안테나가 비교적 좁은 빔폭을 가져도 지상 스테이션과 위성 사이의 거리에 따라 실질적으로 증가한다. 수신기 감도는 안테나 크기에 따라 증가될 수 있지만, 이는 위성 시스템에 대해 비용이 큰 대량의 희생이 수반된다.

또한, 정지궤도 위성의 제한된 예외을 가지고, 위성은 지상 스테이션으로부터 그 거리 및 방향에서 편차를 일으키고 지향성 안테나에서 상당한 위치 조정(예 를 들어, 위성간에 주기적으로 스위칭하는 것)을 요구하는 적도상에서 앞뒤로 교차하는 지적선을 따른다. 위성(또는 위성 그룹)의 지적선에 따라, 지상 스테이션은 먼 위성에 따른 하향 링크를 유지하기 위해 많은 전력을 요구할 수 있다.

그러므로, 신호 강도는 통상적으로 하향 링크에 대한 사용가능한 대역폭 상의 제한 요인이고, 지향성 지상 스테이션에 대해, 지향성 안테나는 통상적으로 그 목표물을 추적할 능력을 가져야 한다. 또한, 신호 강도가 증가될 수 있을 정도로, 특히 신호가 넓은 빔폭을 가지거나 전방향(예를 들어, 셀룰라 통신을 위해 사용되는 것)이면, 이러한 증가는 신호로부터 상당한 간섭을 겪을 수 있는 지역을 확장한다. 요약하면, 통신 대역폭은 지상 스테이션과 위성 사이의 최대 지상 거리(즉, 각도 위도 및 경도), (예를 들어, 안테나 크기로부터의) 수신기 감도, 빔폭 및 전력 레벨에 의해 지상 스테이션 위의 위성의 고도에 의해 제한된다. 추가적으로, 최소한 일부 애플리케이션에 대해, 통신 대역폭은 배경 잡음 레벨 및 다른 위치의 신호와의 허용가능한 간섭 상의 제한에 의해 제한된다. 또한, 좁은 빔폭 지상 스테이션 안테나가 전력 요구사항을 감소시키기 위해 사용되면, 상당한 비용이 발생될 수 있고 추적 요구사항의 엄격함으로 인해 추가적인 고장 위험이 발생할 수 있다.

위성 대 위성 통신 신호 또는 위성 대 비궤도 비행체 상향 링크는 제한된 전력으로 큰 거리에 걸쳐 광대역폭을 달성하기 위해, 예를 들면 레이저 또는 다른 광학 신호 등의 높은 주파수 신호를 사용할 수 있으므로, 반드시 이러한 유형의 제약을 받는 것은 아니다. 이러한 신호는 구름과 같은 대기 현상을 통과하면서 빠르게 감쇠될 수 있다. 그러므로, 이러한 높은 주파수 통신 신호는 통상적으로 위성간 통신 또는 구름과 같은 대기 현상을 겪지 않을 지상 위치와 위성 간의 통신으로 제한된다.

본 발명의 양호한 실시예는 서브오비탈 플랫폼(304)을 제공하여 마이크로파 신호와 같은 지상 스테이션(300)으로부터의 무선파 신호를 위성 또는 다른 비행체를 향한 광학 신호로 변환함으로써, 지대공 통신 대역폭에서 상당한 증가를 제공할 수 있다. 이 통신 링크가 어느 한 방향으로도 될 수 있지만, 양호하게는 통신 링크는 양방향성이다.

이 기능을 위해, 양호한 서브오비탈 플랫폼, 본 발명의 비행기(10)는 지상 스테이션에서 상향 포인팅 안테나를 갖는 마이크로파 송수신기(312)와 통신하기 위한 하향 포인팅 안테나를 갖는 마이크로파 송수신기(310), 및 위성에서 하향 포인팅 안테나를 갖는 광학 송수신기(316)와 통신하기 위한 상향 포인팅 안테나를 갖는 광학 송수신기(314)를 포함한다. 비행기는, 예를 들어, 구름(318) 및 다른 대기 습기로부터의 양호하게는 실질적인 대기 광학 간섭에 대한 통상의 고도 위이고 양호하게는 지상 스테이션과 비행기 사이의 신호 대역폭을 최대화하기에 충분히 낮은 고도까지 상승한다. 양호하게는 비행기는 지상 스테이션을 위한 복수의 안테나를 구비하는데, 이들 지상 지향 안테나의 각각이 양호하게는 조준가능하다.

보다 양호하게는 비행기는 고도 50,000 피트와 70,000 피트 사이에서 동작하고, 200 시간 이상(보다 양호하게는 300 시간 이상) 동작한다. 이 비행기를 사용하여 생성된 통신 시스템은 양호하게는 지상과 저궤도 고도 사이의 거리에 걸쳐 상 당한 통신(즉, 상당한 대역폭의 통신)을 금지할 지상 스테이션 마이크로파 전력 레벨에서 동작한다.

양호하게는, 비행기는 지상에 대하여 상대적으로 고정된 위치에 고정되어, 지상 스테이션이 비행기를 추적할 필요를 제한하거나 제거한다. 특히, 비행기는 양호하게는 직경 7000 피트의 원내 및 1000 피트 고도 범위에서 동작하고, 보다 양호하게는 실질적으로 직경 4000 피트의 원내 또는 가까이에서 동작한다. 또한, 비행기는 양호하게는 1000 피트 수직 범위 또는 보다 바람직하게는 100 피트 수직 범위 내 또는 가까이에서 동작한다.

지상 스테이션(300)으로부터의 무선파 신호(306)를 광학 신호(308)를 사용하여 위성(302)으로 중계하기 위한 서브오비탈 플랫폼으로서 작용하면서, 비행기는 많은 유리함을 제공하고 다양한 임무를 수행할 수 있다. 예를 들면, 이러한 비행기는 기계적인 어려움을 나타내면 신속하게 대체될 수 있다. 마찬가지로, 비행기 각각으로의 무선파 신호가 궤도 내의 위성에 같은 대역폭을 제공하기 위해 요구될 레벨보다 실질적으로 낮은 전력 레벨이므로, 이러한 비행기는 (넓은 빔폭 또는 전방향 신호를 위해) 높은 전력 레벨에서 서로 간섭할 수 있는 주파수를 사용하여 비교적 서로 가까운 거리 내에서 동작할 수 있다. 이는 다양한 신호에 대하여 필요한 레벨로 전력 사용을 최소화하기 위해 폐루프 신호 강도 제어 시스템을 사용하여 더 증강될 수 있다.

제한된 빔폭을 갖는 상향 포인팅 지상 안테나 및/또는 하향 포인팅 위성 안테나를 사용하여, 전력 사용은 더 최소화될 수 있다. 이 조준가능 안테나 각각은 비행기가 있어야 하는 공중 영역을 획정한다. 상향 포인팅 지상 안테나와 하향 포인팅 위성 안테나 모두를 사용하면, 이는 비행기가 스테이션 유지 비행 패턴을 유지할 수 있는 공중 영역을 상호 정의하도록 조준되어야 한다.

획정된 영공 내에 스테이션을 유지하기 위해서, 비행기는 양호하게는 느리게 비행하는 비행기일 것이다. 비행 패턴은 소정 양의 허용된 수직 편차를 갖는 일반적으로 원형인 통상적으로 아스피린형일 것이다. 그러나, 강한 바람 조건에서 양호한 비행 패턴은 비행기가 일반적으로 바람을 안은 방향에서 앞뒤로 방향을 바꾸는 지그재그 패턴으로부터 직선의 바람을 안은 비행으로 변동될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.

도 5에 도시된 것과 같이, 비행기는 단일 지상 스테이션과 정지궤도(또는 다른 정지궤도) 위성과 같은 단일 비행체 사이의 통신을 용이하게 하도록 기능할 수 있거나, 이는 광학 통신의 비행기의 범위 내를 차례로 통과하는 일련의 낮은 궤도 위성과 통신할 수 있다. 양호하게는, 위성간을 스위칭하기 위해 설계된 비행기는 제1 위성(302)과의 통신 링크를 절단하기 전에 제2 위성(322)과의 통신 링크를 얻기 위해서 2개의 광학 통신 장치(314,320)를 포함할 것이다.

도 6에 도시된 것처럼, 본 발명을 구현하는 다른 시스템에서, 비행기(10)는 보다 북쪽 또는 남쪽 위도에서 사용될 수 있고, 통신 위성으로의 일정하고 직접적인 액세스는 그렇지 않으면 용이하게 사용가능하지 않을 것이다. 비행기를 적절한 서브오비탈(양호하게는 성층권) 고도에 고정하여, 비행기는 80도 위도보다 더 떨어진 위성(324)과의 통신을 수립할 수 있고, 위성은 적도에 더 근접하기 쉽다.

관련된 형태에서, 비행기는 유리하게는 적도 위성 전용의 파장을 재사용하는 지향성 신호를 사용하여 대부분의 임의의 비적도 스테이션을 이용할 수 있다. 특히, 특정 지상 스테이션은 하나를 정지궤도 위성을 향하게 하고 다른 하나는 비행기를 향하게 하여 동일한 파장을 사용하는 2개의 서로 다른 신호를 지향적으로 방송할 수 있다. 비적도 위성과는 달리, 비행기는 적도를 횡단할 것이 요구되지 않으므로, 지상 스테이션은 (지상 스테이션이 위성을 스위칭해야 할 때 발생하는 것과 같은) 새로운 방송 방향으로 주기적으로 스위칭할 필요가 없다. 자연적으로, 주어진 비행기 위치에 대해, 2개의 지향성 신호가 중첩되기 때문에 위성으로 방송할 때 일부 지상 스테이션은 동일한 주파수 상에서 방송할 수 없을 것이다. 예를 들면, 비행기가 적도보다 어느 정도 북쪽이고 지상 스테이션은 적도보다 훨씬 북쪽이면 신호는 중첩될 것이다. 그러나, 적도에서 상당히 떨어진 지상 스테이션에 대해, 비행체를 적도 위 그리고 실질적으로 위성 아래에 배치하는 것이 가능할 수 있다. 본 발명의 이러한 양태는 본 발명의 제1 실시예에 관련된 것으로서, 지상 스테이션은 2개의 공간적으로 분리된 비행기로 방송함으로써 증가된 대역폭을 전달한다는 점을 주의하여야 한다.

도 7에 도시된 것처럼, 통신 시스템의 실시예는 산(325) 및 다른 장애물을 우회하기 위해 이용될 수 있다. 이 특징은 지상 스테이션에서 위성으로의 링크업을 위해 사용되고 마찬가지로 지상 스테이션에서 지상 스테이션으로의 링크업을 위해 이용될 수 있다. 지상 스테이션과 위성 어느 것도 통상적으로 상당한 노력 및/또는 비용없이는 재위치 조정가능하지 않으므로, 이로 인해, 시스템을 특히 효과적 으로 이용할 수 있다. 이러한 시스템에 대한 한가지 가능한 효과적인 용도는 텔레비전 신호와 같은 널리 방송되는 신호 상의 장애물의 영향을 극복하는 것이다. 이러한 텔레비전 신호원은 지상 스테이션, 위성 또는 다른 비행기일 수도 있다. 다른 가능한 효과적인 용도는 동일한 주파수를 이용하는 다수의 지리적으로 분리된 지상 스테이션으로의 방송에서 주파수 재사용이다. 이는 훨씬 먼 위성이 동일한 주파수를 이용하는 2개의 지상 스테이션과의 별개의 통신을 갖는 경우 좁은 빔폭을 요구할 것이라는 점에서 유리하다.

본 발명의 다른 실시예는 스폿 빔에 위치된 말단-사용자와 통신 망 사이의 통신을 중계하는 지역 허브로서 기능을 하는 비행기를 사용한다. 통신 망은 지상 안테나를 통해 액세스되는 지상 기반이거나 광학적 또는 초고주파의 마이크로파 링크를 통해 액세스되는 공간 기반일 수 있다.

도 8에 도시된 하나의 이러한 관련 시스템은 지상 스테이션(326)과 복수의 위성(328) 사이에 동시에 통신하는 통신 허브로서 비행기(10)를 사용한다. 이 임무에서, 비행기는 보다 많은 광학 송수신기를 요구할 수 있고, 송수신기를 동작하기 위해 추가적인 전력을 생성할 필요가 있을 것이다. 대안적으로, 도 9 및 10에 도시된 것처럼, 하나의 비행기가 각각의 서비스 영역에 서비스를 제공하는, 2개의 서비스 영역이 도시되어 있다. 특히, 이러한 비행기(10) 중 하나 이상은 모두 단일 위성(330)과 통신할 수 있으므로, 통신 허브로서 작용하는 단일 위성에 하나 이상의 지상 스테이션을 연결한다. 이로 인해, 각각의 비행기가 주파수를 재사용할 수 있고(즉, 각 비행기는 동일한 일련의 가용 주파수를 사용할 수 있다), 위성과 지상간의 사용가능한 대역폭을 증가시킨다.

이 시나리오는 밀집된 지역과 위성 사이(도 10 참조) 및 위성과 2개의 떨어진 위치 사이(도 9 참조)에 증가된 대역폭을 제공한다. 전자의 시나리오는 아주 많은 데이터가 위성과 도시 간에 통과되도록 한다. 이는 서로 다른 경로를 제공하여, 지상 근처에서는 저주파수를 재사용하고, 비행기와 위성 사이에서는 광학 또는 초고주파의 마이크로파 링크를 재사용하도록 한다. 그 위성은 따라서 허브로서 작용할 수 있고 지상 통신을 위한 서브오비탈 플랫폼을 사용할 수 도 있는 하나 이상의 다른 위성(334)과 통신할 수 있다. 또한, 직접적인 비행기 간 통신을 사용할 수도 있다. 이 예가 도시하는 것처럼, 비행기는 다양한 통신 시스템의 구조의 일부로서 서비스할 수 있다.

상술된 양호한 실시예가 마이크로파 및 광학 신호를 사용하였지만, 시스템은 광범위한 신호에 대해 동작가능하다는 것을 이해하여야 한다. 특히, 대기 습도가 대략 1㎜ 이하의 (즉, 20㎓ 위의 고주파수 신호) 무선 파장과 상당히 간섭하지만, 그 이상의 파장(즉, 20㎓ 아래의 저주파수 신호)와는 그다지 간섭하지 않는다. 그러므로, 시스템은 양호하게는 1㎜보다 큰 파장을 갖는 지상 스테이션 대 비행기 무선 신호 및 1㎜보다 작은 파장을 갖는 비행기 대 위성 무선 신호를 사용하여 동작될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 비행기를 사용하여 신호를 재지향하고/재지향하거나 증폭하면, 시스템의 비행기 대 위성 부분이 시스템의 지상 스테이션 대 비행기 부분에서 사용되는 것과 동일한 신호와 같은 대기 교란을 통과할 신호로 동작하는 경우에도, 전력을 보존할 수 있다.

광대역 분배 시스템

도 11a를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 관련된 통신 시스템은 무선 로컬 루프, 광대역 및/또는 다른 통신 망의 일부이다.

이동형 및 주거형 음성 전화, 이동형 및 주거형 인터넷 액세스, 및 광대역 데이타 액세스와 같은 다양한 형태의 통신 각각은 서로 다른 전송 요구사항을 갖는다. 예를 들면, 음성 전화는 연장된 시간(예를 들면, 2 내지 30분) 동안 비교적 낮은 수준의 대역폭(예를 들면, 4 내지 64 KBps)을 요구하고, 인터넷 액세스는 매우 제한된 시간(예를 들면, 수 초) 동안 보다 큰 대역폭(예를 들면, 64 내지 2000 KBps)을 요구하고, 광대역 액세스는 거의 연속적으로 큰 대역폭(예를 들면, 1MBit 이상)에 기초한다.

이러한 통신 요구사항을 제공하기 위해서, 다양한 망 구조가 통상적으로 개발되어 다양한 형태의 망으로 된다. 여기에는 지상로 전화망, 셀룰라 망, 무선 로컬 루프, 및 다양한 성층권 위성 기반망이 포함된다.

통상적으로, 서로 다른 장비는 이러한 기술 각각을 지원하기 위해 요구된다. 그러나, 일부 경우에는, 이러한 망은 하나 이상의 기능을 서비스할 수 있다. 예를 들면, 광대역 기술은 지상 와이어를 통하여 전달된 ADSL(비대칭 디지탈 가입자 라인) 기술을 사용하여 고정 위치의 말단-사용자에게 전달될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 서로 다른 유형의 망의 대부분은 통상적으로 사용자 또는 셀룰라 탑을 상호연결하기 위해 광범위하고 비싼 유선의 기반시설을 요구한다.

위성이 망에서 사용되면, 이들은 통상적으로 높은 밀도 영역에서 사용자에게 다중 액세스를 제공하는데 어려움이 있다. 위성에서 사용하기 위한 엄격한 하중 및 전력 요구사항을 만족하는 장비의 개발은 비용이 많이 든다. 또한, 지원은 이동 사용자가 가려고 선택할 수 있는 이상적이지 않은 위치로의 전송을 위해 요구되는 제한된 주파수 재사용 및 과도한 전력 마진 때문에, 지원하는 것이 어렵다. 또한, 주파수의 상당한 대역은 대기 습기 또는 다른 교란을 침투하지 못하는 것으로 인해 사용가능하지 않다.

셀룰라 및 PCS 시스템은 빌딩의 침투에서는 탁월하지만 과도한 전력 사용 및 상당한 주파수 재사용 때문에 장소에 도달하기 어렵다. 그러나, 이러한 시스템은 기지 스테이션 및/또는 전송탑 사이의 상당한 광대역 연결성을 요구한다.

상술한 것과 같은 이유로 인해, 통신사가 기존 기반시설이 없는 지역 또는 사용가능하지 않은 전용 기반시설을 갖는 지역에 초기에 배치하기가 어렵다. 본 발명은 다양한 실시예에서 이러한 문제 중 하나 이상을 해결하는 개선된 망 구조를 제공한다.

도 11a에 도시된 것처럼, 본 발명의 본실시예는 고정 지상 위치 사이에서 광대역 점 대 다점 연결성을 제공하기 위해서 양호하게는 비행기(솔라 또는 종래의 유인 또는 무인)인 하나 이상의 높은 고도 플랫폼의 사용을 포함한다. 대안적으로, 지구 근접 궤도(NEO) 위성이 사용될 수 있다. 양호하게는, 상술한 것과 같이, 이 높은 고도 플랫폼은 지상에 대해 하나의 스테이션 또는 이에 근접한 위치를 선회 또는 유지하는 비행기(10)이다.

비행기는 양호하게는, 통상적으로 고정된 지상 스테이션에서, 잠재적으로 가 입자의 상업용 빌딩(502) 및 가입자의 주거 빌딩(504)의 지붕을 포함하는 다양한 지상 스테이션(500)과 그리고 사이에 광대역 통신 신호를 유지하는 서브오비탈 플랫폼 기지 스테이션으로서 서비스한다. 지상 스테이션의 최소한 일부는 양호하게는 데이타 또는 음성 채널을 통상적으로 로컬 고정 또는 이동 사용자인 하나 이상의 원격 가입자 스테이션으로 분배하기 위한 기지 스테이션으로서 구성된다. 빌딩 외에, 지상 기지 스테이션은 가로등(506), 간판, 독립형 탑(508) 또는 다른 구조 내에 집적되거나 또는 그 위에 장착될 수도 있다. 가입자 기지 스테이션(상업용 및 주거용)은 양호하게는 그 구내에서 유선 또는 무선 연결에 의해 가입자의 액세스 포트로 네트워크화될 수도 있다. PSTN(공중 교환 전화망), PLMN(공중 지상 이동망)과 같은 다른 망 또는 인터넷으로의 링크는 별도의 지상 스테이션(510), 위성망(512), 기존 가입자 기지 스테이션을 통한 액세스에 의해 제공될 수 있고, 이러한 망으로의 액세스 링크는 가입자 기지 스테이션에서 사용가능하다.

도 11b에 도시된 것처럼, 가입자의 지상 기지 스테이션(500)은 통상적으로 비행기와의 광대역 또는 무선 루프 링크를 유지하기 위한 안테나(520)로 구성된다. 선택적으로, 솔라 어레이(522)는 가입자 기지 스테이션이 전력 연결(524)을 통해 끌어오는 전력을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 형태의 지상 기지 스테이션은 개별 가입자 또는 다수의 가입자를 서비스하기 위해서 구성될 수 있다. 지상 기지 스테이션의 로컬 영역의 이동 또는 고정 여부에 관계없이 다른 가입자를 서비스하기 위해서, 고정 위치에 도달하기 위해 유선망을 사용할 수 있지만, 무선 로컬 루프가 양호하게 사용된다. 다른 원격 가입자와 통신하기 위해서, 가입자 기 지 스테이션은 양호하게는 관련 원격 가입자 스테이션의 선택된 무선 표준에 적절한 안테나(526)를 구비한다. 예로서, 원격 가입자 스테이션은 그렇지 않으면 가입자 기지 스테이션과 연결되지 않는 가입자가 소유한 무선 전화, 그 관련 가입자 및 그 주거 빌딩일 수 있다.

무선 로컬 루프를 포함하는 다양한 통신 표준은 가입자 기지 스테이션(또는 다른 지상 기지 스테이션)을 원격 가입자 스테이션을 구비한 가입자와 링크하는데 사용될 수 있다. 호환가능한 무선 통신 표준은 AMPS(고급 이동 전화 서비스), TACS(토탈 액세스 통신 시스템), NMT(노르딕 이동 전화 시스템), IS-95(코드 분할 다중 액세스 미국 디지탈 셀룰라 표준), IS-54/IS-136(USA 셀룰라 표준, D-AMPS로 공지되기도 함), B-CDMA(광대역 코드 분할 다중 액세스), W-CDMA(와이드 대역 코드 분할 다중 액세스), UMTS(범용 이동 전자통신 서비스), 또는 다른 3G, PHS(개인 휴대폰 시스템), DECT(디지탈 개선 무선 전화), PACS(개인 진보 통신 시스템), PDC(개인 디지탈 셀룰라), CDPD(셀룰라 디지탈 패킷 데이타), Mobitex(무선 패킷 데이타 망을 위한 에릭슨 표준) 및 RD-LAP(모토롤라 개발 무선 패킷 데이타망)을 포함한다. 그러므로, 음성 전화, 이메일, 인터넷 액세스, 팩스, 비디오 전화 및 비디오 회의를 포함하는 다양한 서비스가 이 가입자에게 전송될 수 있다.

도 11c에 도시된 것처럼, 가입자 원격 스테이션(530)은 양호하게는 가입자 원격 스테이션의 관련 지상 기지 스테이션에 의해 사용되는 무선 표준에 적합한 안테나(532)를 포함할 것이다. 이 가입자 원격 스테이션은 가입자의 개별 장치로의 유선 또는 네트워크화된 연결(534)을 구비할 것이다.

이 분배 시스템의 상술된 설명으로부터 알 수 있는 것처럼, 본 발명의 이러한 양태는 광범위한 기반시설의 설치없이 정보 분배 시스템을 제공한다. 대신에, 본 발명의 시스템은 가입자가 위치한 개별 가입자 기지 스테이션 또는 다른 지상 스테이션, 및 지상 스테이션으로의 및 사이에서 통신 링크를 제공하는 하나 이상의 양호하게는 높은 고도의 서브오비탈 플랫폼만을 요구한다.

상술된 실시예를 더 지지하는데 있어서, 일부 양호한 파라미터는 다음을 포함한다.

- 비행기는 최대 강도 바람이 저속의 제트기류 지역보다 훨씬 느린 속도일 때 60,000-70,000 피트 영역의 정상이 아닌 공중 트래픽 및 폭풍 속에서 동작한다.

- 비행기는, 예를 들면 태양 전력, 전지, 또는 연료 전지, ICE 또는 터빈을 통해 전기력 또는 기계력을 생성하기 위해 연소되는 연료와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 전력을 공급받을 수 있다.

- 비행기는 비교적 느린 비행, 장시간 및 촘촘한 스테이션 유지를 위한 방식 모두에 대한 요구사항이 가능하다.

- 공중의 안정화된(방향 및 고도에서 안정화된) 플랫폼 상의 다수의 안테나는 지상권의 패턴으로부터 신호를 전송 및 수신한다. 빔은, 예를 들면 10°-20°로 적절하게 넓다.

- 보다 많은 송수신 지상 안테나는, 예를 들면 2°-4°로 좁은 빔을 지원한다.

- 지상 안테나 빔은 방향 및 고각에서 고정되어 스테이션 유지 비행 궤도 용 적의 중심을 향하는 모든 점, 스테이션 유지 비행기는 빔 내에 머무른다.

- 추가적인 빔은 고정 지향 지상 안테나를 통해 비행기와 중앙 지상 제어 스테이션 사이에서 전송될 수 있다.

- 공중 및 지상 안테나 시스템의 지향성은 많은 고객에게 광대역 서비스를 제공하기 위해서 주파수의 재사용을 허용한다.

본 발명의 특정 형태가 도시되고 설명되었지만, 다양한 변형예가 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남없이 이루어질 수 있다는 것이 자명할 것이다. 예를 들면, 다른 설명된 실시예의 형태가 본 발명의 다른 실시예를 생성하기 위해서 결합될 수 있다. 그러므로, 본 발명이 양호한 실시예만을 참조하여 상세하게 설명되었지만, 당업자는 다양한 변형예가 본 발명을 벗어남없이 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 상술한 바에 의해 제한되도록 의도되지 않지만, 이하 청구의 범위를 참조하여 정의된다.

도 1은 제로 스트레스 위치에 있는 본 발명을 실시하는 비행체의 양호한 실시예의 정면도.

도 2는 도 1에 도시된 비행체의 평면도.

도 3은 비행 조건하의 탑재를 나타내는 고정 위치에 있는 도 1에 도시된 비행체의 투시도.

도 4a는 지상 스테이션 신호와 복수의 말단-사용자 사이에서 신호를 통하기 위한 통신 시스템에서 높은 고도 플랫폼으로서 작동하는 도 1에 도시된 비행체를 도시하는 도면.

도 4b는 복수의 셀에서 복수의 지상 스테이션과 복수의 말단-사용자 사이에서 신호를 통하기 위한 통신 시스템에서 높은 고도 플랫폼으로서 작동하는 도 1에 도시된 것과 같은 복수의 비행체의 개념도.

도 4c는 도 4b에 도시된 개념하의 비행기에 의해 유지될 수 있는 촘촘한 스테이션의 2차원 공간 분포의 개념도.

도 4d는 역방향에서 GEO 위성 Ka 주파수대를 사용하는 비행기 통신 페이로드 설계 개념을 도시하는 도면.

도 5는 무선파 신호를 사용하는 지상 스테이션과 광학 신호를 사용하는 위성 사이에서 신호를 통하기 위한 통신 시스템에서 높은 고도 플랫폼으로서 작동하는 도 1에 도시된 비행체를 도시하고, 하나의 위성으로부터 다른 위성으로의 통신의 핸드오프를 더 도시하는 도면.

도 6은 위성이 지상 스테이션과 상당히 다른 위도에 있는, 도 5와 유사한 통신 시스템을 도시하는 도면.

도 7은 비행체가 다수의 지상 스테이션과 통신하고 지상 스테이션 중 하나 이상으로부터 산에 의해 위성이 차단되는, 도 5와 유사한 통신 시스템을 도시하는 도면.

도 8은 비행체가 3 개의 다른 위성과 동시에 통신하는, 도 5와 유사한 통신 시스템을 도시하는 도면.

도 9는 위성이 2 개의 비행체와 지상 스테이션과 직접 동시에 통신하는, 도 5와 유사한 통신 시스템을 도시하는 도면.

도 10은 하나의 위성이 각각이 다중 지상 스테이션과 통신하기 위한 기지 스테이션 역할을 하는 다수의 비행체와 통신하는, 도 5와 유사한 통신 시스템을 도시하는 도면.

도 11a는 가입자 기지 스테이션과 가입자 원격 스테이션이 있는 광대역, 무선 로컬 루프 또는 다른 통신 시스템에서 높은 고도의, 서브오비탈 플랫폼 기지 스테이션으로서 작동하는, 도 1에 도시된 비행체를 도시하는 도면.

도 11b는 도 11a에 도시된 통신 시스템과 사용하기 위한 가입자 기지 스테이션을 도시하는 도면.

도 11c는 도 11a에 도시된 통신 시스템과 사용하기 위한 가입자 원격 스테이션을 도시하는 도면.

Claims

통신 시스템으로서,

지상 스테이션과,

정지 오비트(orbit) 내의 비행체 - 상기 지상 스테이션 및 상기 비행체는 제공된 빔폭으로 동작하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템을 구비함 - , 및

서브오비탈 플랫폼 - 상기 서브오비탈 플랫폼은 상기 비행체에 의해 상기 서브오비탈 플랫폼을 향해 전송된 통신 신호의 빔폭 내에 상기 지상 스테이션이 있지 않도록 하고, 상기 지상 스테이션에 의해 상기 서브오비탈 플랫폼을 향해 전송된 통신 신호의 빔폭 내에 상기 비행체가 있지 않도록 하는 비적도 위도(non-equatorial latitude)에서 유지됨 -

을 포함하고,

상기 지상 스테이션은 상기 비행체와의 직접 통신 신호, 및 간접 통신 신호 모두를 유지하고 상기 간접 통신 신호는 상기 비행체로 상기 간접 통신 신호를 중계하는 상기 서브오비탈 플랫폼으로 전달되고

상기 지상 스테이션으로부터의 상기 직접 통신 신호 및 상기 간접 통신 신호는 동일한 파장을 사용하는 통신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 서브오비탈 플랫폼은 최소한 200 시간동안 작동하도록 구성되는 통신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 서브오비탈 플랫폼은 최소한 3000 시간동안 작동하도록 구성되는 통신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 서브오비탈 플랫폼은 직경 4000 피트의 원 및 100 피트 고도 범위에 의해 획정되는 스테이션 내에 상기 비행체를 유지하도록 구성되는 통신 시스템.