專利名稱：同溫層飛行物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用一個同溫層飛行物來構造以包含光波的電磁波為基礎的廣域大規(guī)模通信網(wǎng)絡的技術，尤其涉及一種在這種廣域大規(guī)模通信網(wǎng)中使用的同溫層飛行物。
背景技術：
如圖1中所示，到現(xiàn)今為止都是使用具有人造衛(wèi)星(例如通信衛(wèi)星)的通信系統(tǒng)來作為國際通信(特別是洲際通信和廣域間的通信)的中介媒體。在圖1中，三個通信衛(wèi)星91放置在地球90的周圍用于中繼通信。諸如通信衛(wèi)星之類的人造衛(wèi)星，是與在廣域內(nèi)陸地和海洋中移動的交通工具和船舶進行通信以及與靠近地面上方的人造飛行器進行通信所必不可少的中介媒體。
由于以因特網(wǎng)為代表的各種網(wǎng)絡變得越來越普及，因此就要求通信能夠在更高速度和更廣闊頻帶的條件下進行。迄今為止，在微波或亞毫米波段內(nèi)的電磁波被用于實現(xiàn)在地面上的物體之間的衛(wèi)星通信，這些物體包括靠近地面飛行的飛行器和通信衛(wèi)星。然而，這必須使用從毫米波到光波范圍內(nèi)的電磁波來實現(xiàn)在更高速度和更寬頻帶條件下的通信。然而，毫米波通信和光通信還沒有在衛(wèi)星通信的環(huán)境中投入到實際的應用中，因為在現(xiàn)有技術不能補償由于從地球表面到通信衛(wèi)星之間超長的距離所引起的電磁波衰減和由于降雨和多云以及在更高電磁波頻率下自身出現(xiàn)的電磁波衰減。
近年來，如在日本公開專利No.5-227069(JP，A，5-227069)中公開的內(nèi)容，提出在距離地球表面大約20千米高的同溫層中懸浮飛艇形狀的平臺，并且利用在同溫層平臺上的收發(fā)信臺來中繼設置在地球表面上的收發(fā)信臺與通信衛(wèi)星上的收發(fā)信臺之間的通信。根據(jù)所述提供的系統(tǒng)，通過同溫層平臺對信號進行接收和放大，可以補償由于降雨和多云引起的電磁波衰減，特別是降雨和多云在高速度寬頻帶通信所需的高頻率(例如毫米波頻率或更高頻率)處引起的電磁波衰減。在同溫層平臺和通信衛(wèi)星之間的通信可以使用毫米波或光波來進行，從而經(jīng)濟地構造廣域大規(guī)模的通信網(wǎng)。
采用上述通信系統(tǒng)，對同溫層平臺與通信衛(wèi)星之間的通信而言，不必考慮與降雨有關的衰減，并且可以忽略由大氣吸收的毫米波和光波，這就可以建立一個用于同溫層平臺和通信衛(wèi)星之間的通信的毫米波高容量通信鏈路。此外，在地球表面和同溫層平臺之間，k類衰落和管道型衰落可以被忽略，因此多徑傳播同樣可以被忽略。它也提出不需要通信衛(wèi)星而采用多個同溫層平臺進行中繼通信的方案。
日本專利公開號為2001-177461和2001-196988(JP，P2001-177461A，和JP，P2001-196988A)的文獻中也公開了使用多個同溫層平臺的通信系統(tǒng)。日本專利公開號為2000-357986和2000-78069(JP，P2000-357986A和JP，P2000-78069A)的文獻中揭露了一個能夠集中管理多個同溫層平臺的飛艇控制系統(tǒng)。日本的專利公開號為2000-124726(JP，p2000-124726a)的文獻中公開了一種能夠集中管理多個同溫層平臺的飛艇控制系統(tǒng)，并且也公開了一種用來控制在每個同溫層平臺上的天線支持部件的方位的機構。日本專利公開號為2000-295158(JP，P2000-295158A)的文獻公開了一種在使用同溫層平臺的通信系統(tǒng)中設置在的地面站上的裝置的例子。
為了構造一個用于與同溫層平臺進行中繼通信的通信網(wǎng)，就必須將同溫層平臺保持在空中固定的位置處，并且圍繞該固定的位置回轉，從而防止平臺的特定表面長時間受到日照，并因此防止平臺上的不均衡的溫度分布。當同溫層平臺轉動時，同溫層平臺的主體對于與之通訊的一方的相對方向會隨時變化，其中所述與之通訊的一方被認為是按照地球上的固定坐標基本上處于不變的位置。因此，同溫層平臺上用于無線電通信的定向天線的方向或用于光通信的望遠鏡的方向需要相對于同溫層平臺的主體進行旋轉，以使定向天線或望遠鏡面依據(jù)地球上坐標始終處在恒定的方向。然而，使同溫層平臺上的多個定向天線或用于光通信的望遠鏡一起旋轉并不是一個經(jīng)濟的處理方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種同溫層的飛行物，它不需要控制單個定向天線或望遠鏡的空間方位角，就能夠控制同溫層平臺上的多個定向天線或用于光通信的望遠鏡始終面向于相應的方向。
根據(jù)本發(fā)明，以上所述目的可以通過使用用于同溫層中的一個同溫層飛行物來實現(xiàn)，該同溫層飛行物包括一個飛行物主體、一個設置在飛行物主體上的平臺部件、以及用于檢測在水平面上平臺部件的方位角以及將平臺部件調(diào)節(jié)成始終面向水平面內(nèi)的一個恒定方向的控制裝置。
優(yōu)選的，該飛行物主體的外形是一種飛艇，它被構造成適于在同溫層中飛行的。根據(jù)本發(fā)明的同溫層飛行物最好被設置在特定地點上空的一個恒定的同溫層點，并在運轉過程中始終轉向該恒定的同溫層點。
使用上面的同溫層飛行物，就可以將安裝在平臺部件上的多個定向天線和用于光通信的望遠鏡經(jīng)濟地始終定在相應的方向上。根據(jù)本發(fā)明的同溫層飛行物可用于經(jīng)濟地構造一個廣域大規(guī)模的通信網(wǎng)。
通過下面的敘述內(nèi)容并參照敘述本發(fā)明實例的相應附圖，本發(fā)明上述及其它目的、特征和優(yōu)點將變得很明顯。


圖1示出了一個常規(guī)的通信系統(tǒng)的視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的同溫層飛行物的示意圖；圖3是安裝在該同溫層飛行物的反旋轉平臺部件上的各種裝置的側視圖；圖4是圖2中所示同溫層飛行物上的控制機構的結構圖；圖5表示一個由多個同溫層飛行物構成的廣域大規(guī)模網(wǎng)絡的示意圖。
具體實施例方式
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例中作為同溫層飛行物的同溫層平臺10。如圖2中所示，同溫層平臺10包括以飛艇外殼為外形、在同溫層中使用的飛行物主體11；懸掛在飛行物主體11中心區(qū)域處的支架12；和以及用支架12支撐的反旋轉平臺部件13。假設把一個以天頂方向為定向、貫穿靜止于空中的飛行物主體11的軸作為Z軸，將位于包含飛行物的縱向軸的平面中、垂直于Z軸延伸的軸作為X軸，并且把垂直于X軸和Z軸兩者延伸的軸作為Y軸。反旋轉平臺部件13可以不斷地繞著Z軸旋轉，并且還可以通過調(diào)節(jié)機構(沒有在圖2中示出)在X軸與Y軸各自的角度的范圍內(nèi)改變它的空間方位角。
同溫層平臺10包含收發(fā)信臺、定向天線和安裝在反旋轉平臺部件上用于光通信的望遠鏡。具體地說，如圖3中所示，用來與地球表面相互發(fā)送和接收信號的收發(fā)信臺31和定向天線32、以及用來與通信衛(wèi)星相互發(fā)送和接收信號的收發(fā)信臺33和定向天線34都被安裝在反旋轉平臺部件13上，以便實現(xiàn)在地球表面上收發(fā)信臺與該通信衛(wèi)星之間的中繼通信。根據(jù)本實施例，采用激光束的光通信也可以在同溫層平臺10和通信衛(wèi)星之間進行。因此，用于光通信的望遠鏡35也可以安裝在反旋轉平臺部件13上以用于收發(fā)光信號。如果多個同溫層平臺10都在可見光譜區(qū)內(nèi)，那么在這些同溫層平臺10之間就可以使用電磁波或光波來進行通信。因此收發(fā)信臺36、定向天線37和用于光通信的望遠鏡38也被安裝在反旋轉平臺部件13上，以便執(zhí)行與其它同溫層平臺間的通信。在反旋轉平臺部件13上支持用于連接收發(fā)信臺31、33、36和望遠鏡35、38的電路轉接裝置39。
以上描述的收發(fā)信臺、天線、用于光通信的望遠鏡和電路轉接裝置將在下文的敘述中集體稱為通信裝置。
如圖2中的虛線所示，支架12和反旋轉平臺部件13可被收回并保存在飛行物主體11中。當同溫層平臺10進行著陸或從地球表面起飛時，支架12和反旋轉平臺部件13就被保存在飛行物主體11中。雖然沒有顯示，但飛行物主體11包含螺旋槳和用于飛行的同溫層平臺10的推進能量源。
圖4示出用于控制飛行中的同溫層平臺10上的反旋轉平臺部件13的空間方位角的機構。如圖4所示，該空間方位角的控制機構包括一個用于檢測同溫層平臺10繞Z軸的角度運動、同溫層平臺10在縱向方向的傾斜運動的角度(也就是繞Y軸的角運動的角度)、以及同溫層平臺10在橫向方向的傾斜運動的角度(也就是繞X軸的角運動的角度)的旋轉角度檢測器21；根據(jù)旋轉角度檢測器21的檢測結果來計算反旋轉平臺部件13相對于支架12的繞各個軸的角度位移，以便保持反旋轉平臺部件13相對于地面始終處于一個恒定的空間方位角的角度位移計算器22；以及根據(jù)計算出的角度位移來旋轉或改變反旋轉平臺部件13的空間方位角的調(diào)節(jié)器23。
檢測反旋轉平臺部件13繞Z軸角度運動的角度就相當于檢測反旋轉平臺部件13在水平面內(nèi)的方位角。檢測反旋轉平臺部件13在縱向和橫向方向上的傾斜運動的角度就相當于檢測反旋轉平臺部件13相對于水平面的傾斜運動的角度。
旋轉角度檢測器21可以包含一安裝在支架12或反旋轉平臺部件13上的慣性空間方位角檢測器，例如陀螺儀以及類似物。由于同溫層平臺10具有一個非常大的結構，所以可以將多個GPS(全球定位系統(tǒng))傳感器安裝在同溫層平臺10的不同位置上，并且同溫層平臺10的傾角可根據(jù)從這些全球定位系統(tǒng)傳感器的測量數(shù)據(jù)來檢測。調(diào)節(jié)器23可以包含一個已知的空間方位角控制機構，該機構能使反旋轉平臺部件13相對于支架12繞Z軸進行轉動，并且改變反旋轉平臺部件13在縱向和橫向方向上的傾角。
由于同溫層平臺10的轉動，它相對于地球表面各個點的相對角度將隨時變化。在同溫層平臺10正在轉動的時候，反旋轉平臺部件13被控制在水平面內(nèi)始終面向相同的方向，也可以繞Z軸旋轉使得定向天線和用于光通信的望遠鏡定向在一個恒定的方向或始終朝著地球表面上一個特定的點，而不受同溫層平臺10的旋轉運動或方向變化的不利影響。即使當同溫層平臺10由于氣流等原因在縱向或橫向方向上側斜時，這樣的傾角能夠通過在水平面內(nèi)的反旋轉平臺部件13來補償。所以，在反旋轉平臺部件13上的定向天線和望遠鏡可以被精確地定向在一個恒定的方向或始終朝著地球表面上的一個特定點。
圖5示意性的表示了一個由多個上述的同溫層平臺10構成的廣域大規(guī)模網(wǎng)絡。在圖5中，同溫層平臺10中繼在地球表面上的收發(fā)信臺30之間的無線電通信。由于每一個同溫層平臺10的轉動和傾斜都不會對其反旋轉平臺部件造成不利的影響，所以該廣域大規(guī)模的網(wǎng)絡可以使通信穩(wěn)定地在同溫層平臺10與收發(fā)信臺30之間、以及在同溫層平臺10之間進行。
盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例是采用特定的術語來描述，但這些敘述僅僅是起說明性的目的，應當認識到在沒有脫離本發(fā)明的精神或下述權利要求的范圍的情況下可以進行各種變化和變更。
權利要求
1.一個在同溫層中使用的同溫層飛行物，該同溫層飛行物包括一個飛行物主體；一個安裝在上述飛行物主體上的平臺部件；和用于檢測上述平臺部件在水平面內(nèi)的方位角并將上述平臺部件調(diào)節(jié)成始終面向一個上述水平面內(nèi)的恒定方向的控制裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的同溫層飛行物，該同溫層飛行物被設置在一個恒定的位置，并在運轉過程中圍繞該恒定的位置回轉。
3.根據(jù)權利要求1所述的同溫層飛行物，同溫層飛行物還包括一個被懸掛在上述飛行物主體上的支架，上述平臺部件由上述支架來支撐并可相對于上述支架旋轉。
4.根據(jù)權利要求3所述的同溫層飛行物，其中上述支架和上述平臺部件可被保存在上述的飛行物主體中。
5.根據(jù)權利要求1所述的同溫層飛行物，其中上述控制裝置檢測上述平臺部件相對于上述水平面的傾角，并且調(diào)節(jié)上述平臺部件以補償檢測到的傾角。
6.根據(jù)權利要求5述的同溫層飛行物，其中上述的控制裝置包括一個用于檢測上述方位角和上述平臺部件的上述傾角的旋轉角度檢測器；一個用于根據(jù)由上述旋轉角度檢測器的檢測結果來計算上述平臺部件對于其相應軸的角度位移的角度位移計算器；和一個用于根據(jù)所計算的角度位移來旋轉上述的平臺部件以改變其空間方位角的調(diào)節(jié)器。
7.根據(jù)權利要求1所述的同溫層飛行物，該同溫層飛行物還包括一個安裝在上述平臺部件上用于與其它的同溫層飛行物進行通信的通信裝置。
8.根據(jù)權利要求1所述的同溫層飛行物，還包括安裝在上述平臺部件上用于與地球表面上的站進行通信的第一通訊裝置和安裝在上述平臺部件上用于與人造衛(wèi)星進行通信第二通訊裝置中的至少一個。
全文摘要
一個位于地球同溫層中的同溫層飛行物，該同溫層飛行物具有一個外形為飛艇的飛行物主體、一個通過支架安裝在飛行物主體上的反旋轉平臺組件、以及一個用于檢測該反旋轉平臺部件在水平面的方位角并控制該平臺部件在水平面內(nèi)始終面向一個恒定方向的控制器。優(yōu)選地，在該反旋轉平臺部件上安裝有定向天線和用于光通信的望遠鏡。
文檔編號B64C39/00GK1524766SQ03155648
公開日2004年9月1日 申請日期2003年7月21日 優(yōu)先權日2002年7月19日
發(fā)明者堀田敏經(jīng), 秋永和壽, 壽 申請人:日本電氣東芝太空系統(tǒng)株式會社