CN101415602A - 轻于空气(lta)的平台的系统和应用 - Google Patents

轻于空气(lta)的平台的系统和应用 Download PDF

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Abstract

提供了一种具有创新性的新方法，其相关于促进合法发射操作的轻于空气的(LTA)自由飘浮的平台、在适当时候的平台飞行终止、环境可接受的着陆以及这些装置的回收。所述新系统和方法涉及上升速度控制、从包括已着陆的有效负载的LTA平台和陆基车辆的位置进行地理定位，以及可操纵的回收系统。

Description

轻于空气(LTA)的平台的系统和应用
相关申请
本申请对在先提交的美国申请10/673,474主张优先权，美国申请10/673,474是于1999年6月29日提交的美国申请09/342,440以及于2002年5月9日提交的美国申请10/129,666的继续，而美国申请10/129,666又对于2001年4月18日提交的美国临时申请60/284,799主张优先权，在此引用所有这些申请作为参考。
技术领域
本发明涉及工作在同温层的无人驾驶的轻于空气的平台，更具体地，涉及其终止和回收。
背景技术
多年以来，一直使用无人驾驶的轻于空气的气球进行诸如近太空研究和气象测量等任务。这样的气球甚至可携带具有仪器设备的有效负载(payload)，所述仪器设备有时候还具有无线传输能力。
直到以来，所有通信卫星都位于一个称为地球同步弧(geosynchronousarc)的轨道上，所述轨道在地球赤道上空22300英里。由于国际条约规定卫星互相间隔两度，因此，在地球同步轨道上仅有180个位置。优化设计的三级化学火箭典型地在发射时须使用94％推进物才能到达地球同步轨道，这样，在约5.6％的重量用于火箭之后，就只0.4％的初始发射重量留给卫星。形象一点，具有相同性能的典型的3000磅汽车仅能够承载一个200磅的人，其需要8400加仑的燃料箱，并且在一次旅行之后就被废弃！最后，尽管NASA的航天飞机可以以巨大代价为一些极低轨道的卫星提供维护，但是，大多数卫星在发射之后不能得到维护和升级。
目前，由于在地球同步轨道上仅有有限的位置，地球同步卫星的尺寸和性能均正在提高，现在其能够直接向家庭广播电视信号。近来，已采用了另外的卫星网络，其不需要地球同步轨道。所有这些新网络将较小的通信卫星发射到低得多的轨道，在这些轨道上存在没有数目限制的位置。由于网络所需要的卫星数量更多，并且因为卫星较小，每支火箭已可发射最多8颗卫星。尽管卫星变得更小、更多，但是在今天，卫星产业仍然没有“个人卫星”和大量的消费产品生产商。可以作出这样的估计，部署低地球轨道的微卫星网络和地面设备以进行多颗微卫星之间的跟踪、发射、接收、信号传递(signal handoff)以及用于语音网络的必须的系统网络需要花费至少30亿美元。在部署系统的四年中，期望五百万个用户的每一个都为所述设备投资3000美元，这导致用户对新设备的总联合投资约为150亿美元。部署高级的通信卫星的低地球轨道的较小系统的费用估计为4亿7千5百万美元。这样的系统可以为两到三百万用户提供服务，每个用户的设备开销为300-1000美元。因而，用户对其设备的总投资可能至少需要6亿美元。
目前存在一种用于收集天气信息的目的的工业相关的无线电探空仪(radiosonde)。无线电探空仪是在气象气球上发射以收集气象数据的仪器包。每天在格林威治标准时间的中午或午夜从世界各处的位置网络发射无线电探空仪。随着所述气象服务无线电探空仪在两小时的飞行中从地球表面上升到约100000英尺，其收集温度、湿度、压力以及风力的数据。然后，此数据被输入到在超级计算机上运行的大气模型中。从上升的无线电探空仪的网络收集到的所述信息在预测天气时十分关键。世界上的多数国家受条约限制，从指定位置发射无线电探空仪，并与其它国家共享数据。目前，全世界每年约发射800000个无线电探空仪。这个数字表示997个全球气象站每年365天、每天发射两个无线电探空仪(727000)，再加上少量用于研究目的而发射的无线电探空仪。约18％的无线电探空仪进行被回收、检修和再生，使得每年新产生大约650000个气象收集无线电探空仪。
当前用于跟踪气象气球的定位系统或者正在被停用(Omega，在2000年之前开始，以及Loran-C，2000年之后不久)，或者太陈旧，其运作和维护都异常昂贵(雷达和无线电经纬仪)。
由于气象学家通过比较在数十年收集到的数据来研究气象趋势，无线电探空仪系统的改变通常非常缓慢。因而，他们对于收集数据时任何可能在数据中引入新偏差的改变非常戒备。这也正是为什么在数字的助航设备探空仪(navaid sonde)已经出现了许多年后，而主要用户，例如美国国家气象局(NWS)，仍然使用通过无线电经纬仪跟踪的模拟无线电探空仪。紧缩政府预算使得一些用户无力支付新技术所需要的费用。目前，在探空仪界有一种希望转换为使用全球定位系统(GPS)来进行无线电探空仪上的风力跟踪的推动力量。从1995年到1998年，NWS尝试说服美国国会资助用以开发用于美国观测网络的GPS跟踪系统的项目，但是失败了。在无线电探空仪的RF频谱被迅速重新分配到商业用途的同时，却不能获得必要的新技术取代旧的和不被支持无线电高空测候基础设施。无线电探空仪通常对于助航系统探空仪的发射频率是400MHz且对于无线电经纬仪探空仪的发射频率是1680MHz。所述400MHz频带正被美国联邦通信委员会(FCC)拍卖，以同时用于商业服务。因而，干扰正在增加，并且探空仪可能被迫使用具有数字下行链路的较窄的带宽，而不是仍然普遍使用着的具有模拟下行链路的宽频带。
非常大并且昂贵的NASA气球已经被单独地发射并且保持在飘浮高度(floating altitude)以延长的时间。这些气球携带着数百磅的设备，每一个都价值好几万美元。单个气球不具有对整个地理区域进行视线覆盖(light-of-sight coverage)的能力。
个人通信业务(PCS)是数字服务的新类别，FCC于1994年开始拍卖频谱。PCS被分为两个类别：宽带和窄带PCS。宽带类别主要用于语音服务以及现在与传统蜂窝电话竞争的PCS宽带电话。窄带类别用于高级通讯(advanced messaging)，其基本上是双向寻呼。寻呼产业将高级通讯视为某人电子邮件帐户的移动扩展，正如已将蜂窝电话视为某人台式电话的移动扩展。全国范围窄带PCS(NPCS)是FCC拍卖的第一个频谱。已经对约30个区域性的和全国范围的NPCS许可证进行了拍卖，将其卖给了私人商业企业。拍卖频谱的事实的重大意义在于，使用此频谱比使用FCC许可的传统频谱的限制要少。在拍卖前，FCC逐个批准频谱，而公司需要证明他们将波段用于“公共利益”。通常，关于怎样使用频率，有非常明确的联邦规定。由于公司对于其PCS许可证支付了费用，他们基本上拥有所述频谱。FCC仅施加所需的最低规定，以防止系统与其它载波的和其它国家的系统发生干扰。另外，FCC与加拿大工业部达成了被称为“地面无线通信协议和协定(Terrestrial Radio Communication Agreement andArrangement)”，其中，加拿大为NPCS分配了相同的频率，该NPCS具有与美国的NPCS的拍卖的频率相同的信道结构。这使得跨边界NPCS成为可能，并且，在1996年，至少一个寻呼系统公司获得了加拿大的NPCS许可证，其工作频率与其美国许可证中规定的相同。墨西哥也规定了与美国所使用的相同的频率间隔。
FCC的目标之一是鼓励以可承受的价格向农村地区的消费者提供射频(RF)通信服务。由于向人口稀少的地区提供无线通信的投资回报渐减，大通信公司基本上忽略了这个市场。这些无线服务包括寻呼、高级通讯、遥测、语音等。尽管利用卫星系统在农村地区可得到语音和通讯服务，费用通常是每个单元几千美元，远远超出大多数消费者的承受能力。另外，由于缺乏提供建筑物穿透所需的信号强度，卫星系统在向农村地区提供服务方面存在问题。
发明内容
本发明涉及一种上升速度控制系统，用于控制自由飘浮的轻于空气的平台的上升速度，其包括：排气致动器(vent actuator)、高度传感器以及当所述上升速度大于预定上升速度时控制所述排气致动器的装置。优选地，所述高度传感器确定所述自由飘浮的平台的高度和所述上升速度，所述装置确定所述上升速度，并且所述装置位于所述自由飘浮的平台上。所述系统可以进一步包括：压舱物容器、压舱物以及压舱物放出致动器，当所述上升速度低于特定上升速度时，所述压舱物放出致动器控制从所述压舱物容器中放出(discharge)所述压舱物。
另一个实施例是一种通过上升速度控制系统控制自由飘浮的轻于空气的平台的上升速度的方法，所述上升速度控制系统包括：排气致动器、高度传感器以及在所述上升速度大于预定上升速度时控制所述排气致动器的装置，所述方法包括：确定所述上升速度以及控制所述上升速度。优选地，控制所述上升速度包括：通过所述装置使得所述排气致动器排气。优选地，所述上升速度控制系统进一步包括：压舱物容器、压舱物以及压舱物放出致动器，当所述上升速度低于特定上升速度时，所述压舱物放出致动器控制从所述压舱物容器中放出所述压舱物，并且其中，控制所述上升速度包括从所述压舱物容器中放出所述压舱物。
另一个实施例是一种利用多个自由飘浮的轻于空气的平台确定发射无线信号的装置的位置的方法，其包括：从所述多个自由飘浮的轻于空气的平台进行信号通道延迟测量，并基于所述信号通道延迟测量确定所述发射无线信号的装置的位置，其中所述多个自由飘浮的轻于空气的平台具有低于每小时100英里的相对于地球表面的速度，并飘浮在60000到140000英尺的高度，其中所述方法不需要进行多普勒频移校正。优选地，通过测量在所述发射无线信号的装置的无线信号到达时间和标准时间之间的差来进行所述信号通道延迟测量，并且基于来自至少三个独立的自由飘浮的轻于空气的平台的信号通道延迟测量来确定所述发射无线信号的装置的位置。在一个实施例中，所述发射无线信号的装置位于(a)已降落在地球上的自由飘浮的轻于空气的平台上；或者(b)陆基(ground-based)车辆上，并且，所述装置是发射机或收发机。在一个变型中，基于所述信号通道延迟测量来确定所述发射无线信号的装置的位置包括：确定从所述装置到所述多个自由飘浮的轻于空气的平台的距离，基于所述距离在地球上描绘出近似圆，并确定所述圆的交点，所述交点基本上就是所述发射无线信号的装置的位置。在一个变型中，所述进行信号通道延迟测量进行仅两个信号通道延迟的测量(only two signal path delay measurement)，而在另一个变型中，通过扇形或定向天线进行所述信号通道延迟测量。
另一个实施例是一种用于确定包括发射无线信号的装置以及GPS单元的有效负载的位置的方法，所述方法包括：通过所述GPS单元测量所述发射无线信号的装置的位置，检查所述发射无线信号的装置的位置移动，以及将所述有效负载的位置传送给自由飘浮的轻于空气的平台。优选地，所述有效负载降落在地球上，而所述自由飘浮的轻于空气的平台飘浮在约60000-140000英尺的高度，其中，所述方法不需要进行多普勒频移校正。
另一个实施例是一种用于定位和确定陆基车辆的使用的系统，所述路基车辆包括与所述陆基车辆的轮毂相连的外壳，所述外壳包括GPS单元、发射无线信号的装置以及电源。所述外壳可进一步包括轮胎换位传感器。所述系统可进一步包括自由飘浮的轻于空气的平台，所述平台包括：接收无线信号的装置，其接收来自所述发射无线信号的装置的信号。优选地，所述电源是太阳能电源、电池、发电机或其组合。
另一个实施例是一种用于操纵可操纵系统(steerable system)的方法，其包括：使得所述可操纵系统在相对于在所述可操纵系统处的地方性风(local wind)的圆中飞行，从而使所述可操纵系统的飞行向量(flightvector)为零并且无需利用从指南针或空速指示器得到的数据即可确定所述地方性风关于地球上的位置的地方性风向量。优选地，所述可操纵系统是自主的GPS引导的可操纵系统，不需要在所述可操纵系统上装载指南针或空速指示器。进一步优选地，基于所述可操纵系统的地面轨迹向量确定所述地方性风向量。此外，可以从位于所述可操纵系统上的GPS单元获得所述地面轨迹向量。优选地，所述可操纵系统是飘浮在约60000到140000英尺高度的自由飘浮的轻于空气的平台的组成部分。
另一个实施例是一种用于利用一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台确定发射无线信号的装置的位置的方法，其包括：在不同的时间间隔从所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台进行信号通道延迟测量，并基于所述信号通道延迟测量确定所述发射无线信号的装置的位置，其中，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台具有低于每小时100英里的相对于地球表面的速度，并飘浮在60000到140000英尺的高度，其中所述方法不需要进行多普勒频移校正。优选地，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台具有一个自由飘浮的轻于空气的平台。并且，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台可以有两个自由飘浮的轻于空气的平台。
另一个实施例是一种用于定位和确定陆基车辆的使用的系统，所述陆基车辆包括外壳，所述外壳包括GPS单元、发射无线信号的装置以及电源，所述系统进一步包括：一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台，所述平台包括接收无线信号的装置，其接收来自所述发射无线信号的装置的信号。优选地，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台具有低于100每小时英里的相对于地球表面的速度，并飘浮在60000到140000英尺的高度，其中所述系统不需要用于多普勒频移校正的仪器。
附图说明
参照附图连同以下的详细描述，可以更好地理解本发明，其中，类似的数字表示类似的部件，并且其中：
图1示意性地描述了通过处理器或控制器进行终止决定的组合的方法的流程图，其包括终止条件、通过传感地理位置和速度的条件检测，以及根据本发明某些方面的工作元件；
图2a和2b示意性地描述了根据本发明某些方面的用于压舱物的受控释放的机构；
图3是利用绳索在气球和有效负载之间连接的平台的颈部的示意性的部分正视图，并描述了所述构造以及从所述有效负载平台释放气球的方法；
与图3一样，图4是在气球和有效负载之间连接的平台的颈部的示意性的部分正视图，其进一步描述了从所述有效负载平台释放气球；
图5是电池放电和颈部释放电路的示意图；
图6、7和8分别是根据本发明一些方面的一个实施例的、与平台底部相连的“枫树种子”下降机构的正、侧和端视图；
图9是已着陆终止的平台(具有或不具有气球)的示意性描述，其向飘浮平台的收发机发射定位信号，所述收发机将所述定位信息转发给地面站，以促进所述已终止平台的回收；
图10是示意图，其示出了所述切换机制；以及
图11是利用销钉在气球和有效负载之间连接的平台的颈部的示意性的部分正视图，其描述了所述构造以及从所述有效负载平台释放气球的方法；
图12是多个空中平台(airborne platform)的示意性描述，其表示在邻接地理区域上的平台的星座、发射设施以及通信终端，它们通过地面线路，或者可选地，通过轨道卫星通信信号与网络操作中心网络网络连接在一起；
图13是多个空中平台、单个可移动发射点以及与多个地面终端和个人通信装置的网络操作中心具有网络连接的通信终端的放大视图；
图14是平台间通信的示意性描述，所述通信随后向地面终端和网络操作中心(NOC)进行发送；
图15是平台到空间卫星的通信链路的示意性描述，其用于提供与网络操作中心(NOC)相互连的网络；
图16是“中心辐射”网络通信链路拓扑结构的示意性描述；
图17是网状网络通信链路拓扑结构的示意性描述；
图18示意性描述了邻接的地理区域，具体而言是美国，其中具有空中SNS平台发射点，并示出了初始覆盖区域SAS圆，叠加在所述地理区域的地图上，并显示出了每个SNS平台的视线覆盖区域，从而使得，所述整个地理区域基本上处于一个或多个空中平台的接收范围的包围之中；
图19是在所述空中平台自由飘浮于规定高度一段时间之后空中平台移动的例子的示意性描述，并且还描述了额外的空隙填补发射点，其由移动发射器提供，以利用额外发射的空中通信平台补充和完整覆盖的连续性；
图20是空中平台的示意性侧视图，其中，轻于空气的气包体，例如气球，与盛有电子控制机构、通信装置、传感器以及气象数据收集包的盒子相连；
图21是空中平台的放大的部分截面图，根据本发明的一个实施例，其包括固定在轻于空气的气包体或气球上的所述控制和通信盒；
图22是根据本发明一个实施例的图17的所述空中控制和通信平台的侧面的部分截面视图；
图23是控制和通信平台的可选实施例的部分截面侧视图，其中，可选的电源包括氢/氧供电燃料电池，其用于代替图18的实施例的电池；
图24是根据本发明一个实施例的用于控制、传感以及通信的电子电路的示意性框图；
图25示出了与陆基收发机进行双向通信的轻于空气的平台；
图26示出了从地面上的轻于空气的平台的相等传播延迟的环；
图27示出了从两个单独的轻于空气的平台的相等传播延迟的环；
图28示出了附加在半拖车的车轮的轮毂上的耐天气变化的外壳，用于测量所述半拖车的使用和位置；
图29示出了地面轨迹向量；
图30示出了地面轨迹向量和飞行向量；
图31示出了地面轨迹向量、飞行向量以及计算得到的风向量；
图32示出了无风时的全圆过程，用于有效地使所述飞行向量为零；
图33示出了有风时的全圆过程，用于有效地使所述飞行向量为零。
具体实施方式
本发明通过使用小的并且相对便宜的微电子器件将现有通信卫星所提供的大多数功能集成于小的轻于空气的通信平台中，可以克服现有通信卫星的缺陷。特别地，将多个轻于空气的气球设计为将微电子通信装置携带到称为同温层的地球大气层的层次。这些平台的重量大约比目前发射到非地球同步轨道中的微卫星轻100到1000倍。为便于参考，有时候将携带电子通信及控制装置的有效负载的空中通信平台或气球称为“同温层纳型卫星”或简称为“SNS”。在公制系统中，前缀“纳”表示比前缀“微”小1000倍的单元。所述SNS发明消除了通过火箭将卫星推进到轨道的需要。在间隔(spaced-apart)的地理位置同步空运发射多个SNS平台，可以提供低成本的卫星星座(constellation)。在发射到得到可控的、可调整的高度后，所述SNS平台上升，其根据上升大气和同温层气象条件尤其是风，在所述地理区域上方移动。为了抓住有利于保持所述SNS平台均匀地间隔的盛行风，可通过气体排放或压舱物落下来上升或者降低所述SNS平台的高度。当不再被需要时，可以使所述平台快速下降。
为陆地无线通信设计的已有用户设备可以与本发明的SNS系统一起工作。由于或者所述通信卫星距离用户非常远(对于地球同步卫星超过22000英里)使得没有专门的用户设备时信号太弱，或者所述卫星相对于地面上的用户高速运动(对于低地轨道卫星超过约36000mph)导致接收机中的相位误差，这与传统的通信卫星产业的情况不同。取决于高度和覆盖所述地理区域的多个平台中的特定平台的半径覆盖范围，所述SNS平台距离所述地面用户最多约175英里(280公里)。此外，所述空中平台以近似于汽车速度的速度(约0到60mph之间)在其飘浮高度移动。与已有的无线通信系统相比，其具有显著优点，这是因为，当采用新通信系统时，所述用户设备投资总是所需要的最大总投资。
与轨道卫星系统的大部署和新设备成本相比，本发明提供了低成本的选择方案，其不需要新的用户设备。因而，所述SNS系统的优点在于高级通讯SNS网络，其与已经存在并且已经用于塔基(tower-based)收发机网络的标准单向和双向寻呼机兼容。即使不考虑部署所述SNS系统，市场分析师预测到2003年将有3千5百万用户携带兼容的标准双向寻呼装置。例如，以100美元/单位，这意味着超过35亿美元的用户投资。通过简单地选择支付每月增加的使用费，这些用户可以接收所述发明的SNS平台网络的增强覆盖，作为他们当前服务的延伸。与具有当前卫星寻呼机的情况一样，没有新用户设备或培训的先期成本，不需要改变用户的习惯，不需要麻烦用户携带多于一个的寻呼机或者其它通信装置。
此外，当进行先进通讯时，所述发明的SNS系统使用国际上采用的通信或寻呼协议。所述新系统的国际化机遇至少等于在美国的可能性。所述SNS系统也可以使用其它通行的寻呼协议。所述系统不仅用于个人寻呼，其还用于其它通信、远程、成像、红外线扫描、装置跟踪以及气象数据收集服务。
考虑利用目前的SNS发明作为替代系统，在SNS平台上升时，其能够向国家气象局(NWS)提供所需要的信息，这对于NWS很有裨益。可所述SNS平台获得的GPS信息也能够提供NWS所需要但负担不起的风信息。已有的NWS发射设施甚至可以被用作为SNS发射、跟踪以及通信站点。在上升并且将气象数据发送给NWS之后，可以控制所述平台飘浮在规定的高度，并提供其它的商业通信服务。在完成上升，并且将所需要的信息发送给NWS之后，可以移除附带的NWS探空仪，将其作为压舱物丢落。为了保证数据与当前的无线电探空仪的数据一致，所述附带的无线电探空仪可以使用目前的无线电探空仪所使用的相同传感器。
所发明的SNS网络的独特设计使其可覆盖大范围区域，并且可使用国家的，并且理想地，在接壤国家之间国际性的专用频率。由于每个SNS空中平台的大覆盖圆，其有利于向所述SNS系统分配全国性的，或者理想地，国际性的专用频率。不对信号进行时间复用，而重叠使用相同的频率很可能导致在接收机的干扰。所述系统优化地工作在指定为“窄带个人通信服务”或“NPCS”频谱的频率范围内。此外，美国的整个NPCS产业普遍认同称为“REFLEX”的标准双向通信协议。REFLEX是采用时分复用(TDMA)的协议。REFLEX协议是Motorola设计的FLEX协议的延伸，它是一种同步协议，在四分钟的周期内有128帧。利用GPS计时技术对每帧的开始和结束进行全国性的协调(coordinate)。这将允许，通过在每四分钟的周期内简单地为每个网络分配一定数目的帧，使得在本发明的SNS网络和已有的地面卫星网络之间共享单个频率。因而，所公开的SNS系统既可以工作于其专用频率也可以和地面系统在相同的信道上一起工作，并且发送时不会互相叠加。这是REFLEX的独特之处，优选地，可以将其整合到新的SNS系统之中。所述SNS也可以使用利用码分复用(CDMA)的其它协议进行工作。
相比于在大范围频率上使用许多不同协议的大多数多数语音和寻呼网络，NPCS包含邻近的一组全国性的频率，在其中，全国性的窄带PCS被许可人已采用了所述FLEX/REFLEX协议。
所述当前发明的SNS系统受益于频率和协议的全国一致性，从而如果需要，其可以相对方便地在任何或所有全国性的电信商(carrier)所拥有的所有NPCS信道上进行工作。NPCS频带的最小政府规则也允许在起草NPCS规则时还未知的新的SNS系统无需违反当前的规则即可在所述NPCS频带上工作。由于所述NPCS被许可人基本上拥有拍卖时购买的频率，并且在得到购买者的允许后，所述发明的SNS系统可以兼容地使用相同的频率，因而并不需要来自FCC的额外许可。这种独特的特点可以使得投产期(start-up time)节省有时候为获得单独的许可所需要的两到三年时间。
如上简要讨论，除了最小化所述规则性的障碍之外，新的SNS网络的一个巨大的优势在于其不需要新的专用用户设备。预计可能有六百到一千五百万个单位的兼容用户设备工作在已有的地面卫星网络之外。这些都可以简单地利用廉价的系统编程加入到所述新的SNS系统，并从而接收由根据本发明的飘浮通信平台的星座所提供的扩展的、更完善的邻近地理区域覆盖。对于NPCS电信商而言，所述新系统可以提供完全的通信覆盖，尤其是对偏远农村的覆盖。
由于通过其已有的电信商，已有的寻呼设备拥有者和用户可以获得本发明提供的所述扩展的覆盖，决定扩展覆盖就像检查其每个月帐单上的加框文字(box)一样简单。他们可以保留当前的寻呼系统公司，可简单地得到由SNS提供的偏远地区覆盖的好处。不需要新设备，也不需要在开始时花费时间学习新电子装置的特性。无需改变设备，用户就可轻易地得到改进的覆盖。所述发明的SNS网络的非常重要的优点在于对整个偏远地区地理覆盖的显著改进。目前，无线数据覆盖是已覆盖的主要在大城市区域附近的高人口密度区域的拼凑(patchwork)。所述SNS网络与已有的覆盖区域协同工作，并填补所有低人口密度并且因而低通信流量的区域，其都使用相同的用户装置。调整NPCS系统的政府规则要求用于所有被许可人的最小的系统扩建。例如，到约1999年时，提供NPCS的被许可人必须为至少37.5％的美国人口或者750000平方公里提供服务，而到2004年，NPCS被许可人必须为至少75％的美国人口或者1500000平方公里提供服务。由于人口非常集中，现有的系统只需要建设用于在占整个大陆很小百分比的面积上进行覆盖的发射塔。实际上，所述1999年和所述2004年的人口服务限制的最小区域要求分别对应于整个美国大陆面积的约8％和16％。由于美国城市的高人口密度。例如，覆盖90％的人口仅要求电信商扩建国家整个大陆面积约20％的区域覆盖。由于塔发射机/收发机的短程性，使得每个潜在消费者需要更多设备，因而对于现有系统，为低人口密度区域提供服务花费更大。因而，由于回报递减，现有的电信商很少具有覆盖超过90％人口的系统。许多已经建立的无线数据电信商仅扩建到约70％-80％。
本发明被设计为提供几乎100％的覆盖，并且可与已有的高密度无线载波系统和网络兼容地结合，从而使得由现有的寻呼系统电信商建立的高密度系统网络负责高人口密度地理区域，而所发明的SNS系统负责选取和处理可能位于邻接的地理区域之中的低人口密度或偏远区域。所述SNS系统是对于高密度发射塔寻呼系统的补充。因而，尽管与高人口密度发射塔系统相比，所述SNS系统具有较低的总信号处理能力，但是其能够提供完整的地理覆盖，从而可以为处于偏远区域或在偏远区域旅行的用户提供所述SNS系统的额外覆盖。用户通常处于使用单个装置的寻呼服务或其它可兼容通信服务的范围之内。通过发射更多的SNS平台或通过在邻近平台之间动态地重新分配频率使用，所述SNS系统也可以基于区域重新分配容量。
所述SNS系统不止用于个人寻呼，其还用于其它通信、语音、远程成像、红外线扫描、装置跟踪以及气象数据收集服务。去年已进入市场的宽带PCS(BPCS)电话都提供了称为短消息服务(SMS)的高级通讯服务。当电话超出所述BPCS电话服务区域时，所述SNS系统可以寻呼用户的电话。也可以利用SNS系统实现BPCS语音服务。SNS技术的另一种潜在应用是远程成像市场。政府、城市规划部门、农民、环境保护主义者、地图制作者以及房地产开发商都依靠航摄或卫星照片。世界范围地，这个市场超过14亿美元。由于SNS距离目标比卫星近超过二十倍，SNS可以仅利用0.75英寸直径的镜头实现一米的分辨率。在当前的无线电探空仪不具有保持飘浮高度的能力时，所述SNS平台可收集和报告来自同温层中的持续的停留的气象数据。
本发明的一个实施例是一种具有发射、跟踪以及通信终端的地面网络的小空中通信平台的星座。尽管主要以寻呼系统的形式在通信方面描述整个系统，也可以很容易地包括其它通信，例如，语音通信、紧急道路服务、搜救、紧急医疗、远程成像、环境监控、工业&公用设施监控、远程资产管理、照片数据、IR扫描、设备跟踪、货车车厢和集装箱跟踪、车辆安全、个人安全、危险物质、海关和国际船运安全、儿童安全、野生生物跟踪、个人通讯、残疾人士通信、SCADA、货车运输通信和船运跟踪以及许多其它适当的通信。如在此所使用的，寻呼包括传统的单向寻呼，以及较新的高级通讯服务(例如，双向寻呼和语音通讯(voice messaging))。通信平台和地面支持系统的空中星座扩展了当前寻呼网络的有限的覆盖，以在整个邻近地理区域上提供完全的通信覆盖。例如，在美国，其确实提供了全国范围的覆盖。所述已经在适当位置的陆基发射塔系统提供了城市区域所需要的覆盖，而所述SNS系统提供了对低人口密度的农村区域的覆盖。因而，利用相同的手持寻呼装置，用户可以获得完全的全国范围的覆盖。与传统的仅覆盖有限区域的陆基通信发射塔系统相反，或者与轨道运行非常昂贵、高度或高或低的卫星通信系统相反，所述发明的系统通过提供均匀间隔、高度较高的空中通信平台，例如，气球携带的寻呼收发机进行此项工作。
为形成所述空中通信平台的星座，寻呼收发机被附加到轻于空气的载体上，诸如类似国家气象局(NWS)所使用的高空气球，并对其进行改进以利用诸如气体排放和压舱物丢落的方法提供规定的可调的高度控制。在此申请中，所述轻于空气的载体或气球以及所附加的通信装置被称为同温层纳型卫星平台(SNS平台)。为覆盖由美国大陆部分组成的邻近地理区域，可以以有规律的间隔周期地发射SNS平台，或者如果需要，则从全美国的约50到100个地点发射SNS平台。选择这些发射地点，以发射所述气球承载收发机，使其上升到约60000到140000英尺的规定飘浮同温层高度。使用了计算机调整的高度控制和计算机化跟踪。调整所述SNS平台，使得当其随着已有的风流漂移时，在例如地球上空的同温层中，在预定高度范围内维持所希望的高度。当所述平台以不同速度漂移时，当它们放松浮力时，或者当它们突然爆裂或出现故障时，可发射新的SNS平台以填补可能发生在覆盖中的任何空隙。随着需求增长，也可以发射新的SNS平台以提供额外的通信容量。在上升到规定高度期间，新发射的SNS平台可收集、记录以及发送气象数据。可经由无线电向地面有利地传送这些数据，以供国家气象局(NWS)使用。由于天气条件经常变化，建模以及基于连续来预测SNS平台网络的覆盖的过程是一件复杂的任务。通过利用记录的和/或发送到地面的气象数据来预测单个平台相互之间的相对运动以及其相对于地面发射和跟踪终端的运动，可以促进此项任务。也可以使用此数据控制单个SNS的高度，从而捕捉有利的盛行风以帮助填补覆盖空隙。在同温层高度的每一个飘浮卫星将具有从下挂的天线向所有方向以半径约175英里(280公里)的视线的无线电通信覆盖范围，并且形成所述通信平台的一部分。
形成所述星座的多个SNS平台的陆基支持包括至少一个网络操作中心(NOC)以及多个发射和跟踪终端。所述NOC优选地是用于所述SNS系统的高速、高容量的计算、通信及操作中心。所述NOC可负责每个通信平台的飞行和操作的所有可控制方面。这些控制包括平台发射、飘浮高度、跟踪、所有寻呼通信和控制信号发送，以及与伙伴寻呼公司的通信。典型地，所述SNS地面终端包括发射设施、跟踪和通信设备以及通信天线。所述共同放置的发射设施和地面终端也有利地与约70个NWS气球发射设施的已有位置相一致，其中所述发射设施被设计以监控全国范围的天气条件。还存在类似的气象站，其由基本上世界范围的条约维持着。这些地面终端可以是自动化的。当需要填补在飘浮平台的重叠圆形覆盖图之间所产生的预期的覆盖空隙时，也可以使用便携式或移动的发射及跟踪地面终端。当同温层的风基于季节改变时，这些便携式或移动的发射及跟踪地面终端也可以季节性地移动，以提供额外的发射地点。最可能地是沿着海岸线或所述覆盖区域的边缘部署这些终端。这些地面终端可以有利地跟踪飘浮在其位置附近的一些SNS平台，并可以向该终端范围的每一个平台提供所有通信的上行链路和下行链路，包括寻呼和控制数据。可通过所述NOC将来自预订的寻呼公司的寻呼信号发送到所述SNS系统。所述NOC确定哪个SNS平台当前位于呼叫的寻呼机上空，并向跟踪此SNS平台的地面终端发送所述寻呼消息。所述地面终端接收来自NOC的寻呼消息，并将其转发给SNS平台。然后，所述SNS平台将所述寻呼消息向下发送到所述个别的寻呼机。由双向寻呼机发送的任何消息被最近的SNS平台接收，并被向下转发给地面终端。所述地面终端向NOC发送所述消息，NOC将所述消息转发给适当的预订的寻呼电信商。所述NOC还保持跟踪所有计费信息和用户位置信息。所述SNS系统被有利地设计为无需修改寻呼机，即可与FLEX(单向寻呼机)以及REFLEX(双向寻呼机)完全兼容。无论与NWS发射设施共同放置还是将其单独放置在其它选择的地面地点，所述发射设施可由全自动化的发射机和地面终端组成。一个地面终端可以同时控制多个SNS平台。可以使用从一个地面位置连接到另一个地面位置的陆线、卫星链路或其它高信号容量网络通信，将所述多个发射地点和地面终端相互连接或者与所述NOC相连接。
本发明的一个实施例是一种包括自由飘浮的平台和与所述平台分离的通信装置的系统，所述平台包括轻于空气的气包体(gas enclosure)和有效负载，所述有效负载包括处理器和收发机，其中，所述处理器能够决定终止平台的飞行，所述收发机能够接收来自通信装置的信号，并且所述通信装置能够将所述信号切换(hand off)到另一个自由飘浮平台的另一个收发机。所述有效负载可进一步包括高度传感器、位置传感器以及电源。典型地，所述有效负载在所述轻于空气的气包体的500英尺以内。
所述决定至少部分地基于以下几点：(a)如果确定所述平台将在指定的地理边界之外；(b)如果所述平台在指定的高度范围以外；(c)如果所述平台具有指定范围之外的横向或垂直速度；(d)如果所述处理器出现故障；(e)如果电源出现故障；(f)如果命令和控制通信链路出现故障。
所述决定可以是释放压舱物、停止到放电电路的信号以防止电池放电、从所述有效负载释放所述平台，或者其组合。
本发明的另一个实施例是一种终止自由飘浮平台的飞行的方法，其中，所述平台包括收发机，其能够接收来自与所述平台分离的通信装置的信号，所述方法包括：确定地理位置和/或所述平台的速度，利用所述平台上的处理器作出决定以终止所述平台的飞行，将所述信号切换到另一个自由飘浮平台的另一个收发机，以及终止所述平台的飞行。
再一个实施例是一种用于升高或减缓自由飘浮平台的降落的系统，其包括轻于空气的气包体和压舱物，所述压舱物包括反应物，当混合所述反应物时形成比空气轻的气体。所述气体可以是氢气，而所述反应物可以包括水和Ca或Na的氢化物。至少一种所述反应物比空气重。例如，至少一种反应物是碳氢化合物。所述系统可进一步包括用于重整所述反应物中至少一种的催化剂。
本发明的另一个实施例是一种用于升高或减缓自由飘浮平台的降落的方法，所述方法包括：使存储在所述平台上的反应物发生反应以形成用过的反应物和轻于空气的气体，将所述气体引入到轻于空气的气包体，并丢落所述用过的反应物。
本发明的另一个实施例是一种用于终止自由飘浮平台的飞行的系统，其包括：轻于空气的气包体、有效负载以及元件，其中所述元件能够将所述气包体与所述有效负载分离。所述元件包括线路和能够切断所述线路的组件。所述系统可进一步包括两个轴向排列的管子，其将所述有效负载连接到所述气包体。在优选实施例中，所述元件可以是销钉(pin)。
本发明的再一个实施例是一种用于终止自由飘浮平台的飞行的方法，所述平台包括轻于空气的气包体、有效负载以及元件，其中所述方法包括通过所述元件的动作将所述轻于空气的气包体从所述有效负载分离。所述方法可进一步包括通过所述元件通过电流。
本发明的另一个实施例是一种供电系统，其包括电池、处理器以及放电电路，其中所述处理器间歇地向所述放电电路发送信号以防止所述电池放电。优选地，当所述供电系统降落在地面或水上时，所述处理器停止发送所述信号。
本发明的再一个实施例是一种回收自由飘浮平台的方法，其包括：将所述平台降落在地面或水上，并将所述平台的位置发送给位于另一个自由飘浮平台的收发机。所述方法可进一步包括：从位于另一个自由飘浮平台的收发机向位于地面站中的收发机发送所述位置。
本发明的另一个实施例是一种用于终止自由飘浮平台的飞行的系统，其包括：轻于空气的气包体、有效负载以及用于从所述有效负载释放所述气包体的装置。在说明书中公开的那些用于释放所述气包体的装置及其等同。
已经发现无人驾驶的轻于空气的气球在前的最大用途是世界上的各种气象服务。出于气象数据获取的目的，小乳胶气象气球携带称为无线电探空仪的仪器包来收集气象数据。每天在格林威治标准时间的中午或午夜从世界各处的地点网络发射这些气象气球。在这些气象服务无线电探空仪经过两小时的升空从地球表面上升到约100000英尺期间，其收集温度、湿度、压力以及风的数据。在约100000英尺处，所述气象气球爆裂，而所述无线电探空仪有效负载则随着降落伞降落到地面。在所述上升期间获取的数据被输入到在超级计算机上运行的大气模型中，以加速气象预测。由于其仅表示每12个小时所述气球上升期间所获得的气象数据的快照(snapshot)，所述输入数据是有限的。所述上升和下降很快，几乎都降落在初始国家的边界以内，从而使得短时期无线电发送和物理地跨越边界不是主要问题。并且，受到条约限制，世界上大多数国家都从指定地点发射携带无线电探空仪的气球，并且与其它国家共享所述数据。
目前全世界每年发射约800000个无线电探空仪。也发射了少量的用于研究目的研究气球。所述研究气球可能非常大，并且典型地，其利用特殊频率并且在国际的或单个国家的边境跨越许可下进行飞行。每年飞行的气球总数主要包括每年365天、每天发射两个无线电探空仪的997个全球气象站(727000)。这些无线电探空仪中仅有18％是可回收、可修复和可再生的，导致每年新产生约650000个气象收集无线电探空仪。
联邦通信委员会(FCC)禁止不受控制的发射机，因为它们可能干扰同一频率或其它临近频率的用户。FCC频谱许可通常禁止美国许可的发射机在离开美国边界时进行发射。
已经发现，为了在提升用气体溢出气球膜而损失时以及当夜晚来临太阳的热效应失去时保持高度，大多数保持高度的轻于空气的平台必须丢弃压舱物。联邦航空局(FAA)规则101.7规定禁止无人驾驶的气球飞行器(ballooncraft)进行可能发生危险的丢弃物体或操作。
101.7危险操作。
(a)不许以对他人或者他人财产产生危险的方式操作任何系泊的气球、风筝、无人驾驶的火箭，或者无人驾驶的自由气球。
(b)不许在操作任何系泊的气球、风筝、无人驾驶的火箭、或者无人驾驶的自由气球时使得物体从其上丢落下来，如果这样的动作可能对他人或者他人财产产生危险。
(6(c)，交通部法规(49 U.S.C.1655(c)))
[Doc.No.12800，Amdt.101-4，39 FR 22252，June 21，1974]
影响轻于空气的平台的尺寸和成本的主要因素是有效负载的重量。对于诸如气象气球的小气球飞行器而言，如果总的有效负载重量保持在6磅以下，并且最小侧的密度小于每平方英寸3盎司或更少时，它们可能免于某些FAA报告、点火以及发射要求。
101.1(4)适用性
此部分规定了用于规制在美国进行的操作的规则，如下：
......
(4)除了101.7中所规定的，任何无人驾驶的自由气球
(i)携带了重量超过四磅的有效负载包，并且在所述包的任何表面上的重量/尺寸比超过三盎司每平方英寸，其中通过将所述有效负载包的总重量的盎司数除以其最小表面的面积的平方英寸数进行确定；
(ii)携带重量超过六磅的有效负载包；
[Doc.No.1580，28 FR 6721，June 29，1963，由Amdt.101-1，29 FR 46，Jan.3，1964；Amdt.101-3，35 FR 8213，May 26，1970修改]
所述轻重量、低密度有效负载的独特使用也显著减少了与发射相关的成本，并且使得可以在所有天气条件下进行发射。在24小时期间内将平台保持在设定的高度范围内所需要的压舱物数量的典型量级是总系统重量的15％。对于飘浮平台，尤其对于持续多天的气球飞行器任务而言，这在总重量中占了很大的百分比。例如，已经发现，三天的飞行可能需要所述平台的系统重量的38％为压舱物。这导致显著增加气球的尺寸或者减少有效负载的可用重量。
以上两节FAA规则示出了FAA对于增加的有效负载重量和密度的考虑。此考虑看上去集中于减小在碰撞时对飞机(aircraft)的潜在损害。并且还发现，在所述有效负载返回地球时，所述有效负载的密度和总重量也是整体安全的重要因素。通常认为轻重量且低密度的负载可减小导致物理损坏的可能性，并且作为有利的结果，也可以更容易地且较廉价地加以确保。
FAA进一步禁止不受控制的轻于空气的自由漂移气球(free driftingballoon)。这也是由于考虑不受控制的飞行可能给飞机带来危险。例如，在1998年，加拿大空间署失去了对于大科学气球的控制。在所述气球从其在加拿大的发射地点开始漂移直到其最终降落在芬兰的10天中，致使泛大西洋的客运改变航线。该不受控制的气球还导致俄罗斯和挪威在航空方面的忧虑。耗费了很多资源，包括使用战斗机试图将所述不受控制的气球击落。
直到现在，无人驾驶的、自由飘浮的轻于空气的气球或者被限制在短程飞行，就像每年发射的50000个NWS气象气球的情况一样，或者是极少的大且昂贵的长时间科学飞行。所述NWS气象气球具有极为有限的寿命(约2小时)，其发射机和电池也只具有有限的电力。所述长时间科学气球典型地具有长寿命和扩展的任务。这些不常见的气球飞行器的飞行很昂贵，并且通常需要其飞越的每一个国家的频率和安全性合作。它们可以得到授权，以短期使用政府或科学频率，这是商业用户所不能获得的。
如同时待审的申请中所公开的，申请人已经发现并且开发了具有长持续时间能力的小自由飘浮平台的新的商业可行用途。这些小的、长持续时间的气球飞行器或者自由飘浮平台具有与更大的科学气球飞行器相似的长飞行寿命，并具有长距离飞行的能力。本方法和发明的装置还有助于减少大气球飞行器的大量的报告和合作要求。所述自由飘浮平台可以工作在商业频率，每个国家对于这些频率的使用都有明确的法律。所述革新的新方法有助于维持合法的发射机操作，特别地在边界上，其为游荡的、不受控制的或者出现故障的平台提供平台飞行终止，其提供了对于环境可接受的下降，并且提高了回收或者重用这些装置的机会。当它们涉及到地区或国际边界时，所有这些方法特别有用。本发明采用特定的操作标准和元件，或者操作标准和元件的集合作为整体，其形成了这样的安全方法，用于减小或防止非法发射、终止飞行、快速将平台下降到地面、环境可接受的降落以及提高的回收能力。所有方法被设计为提高安全性，并且遵循已有法规。
图1说明性地描述了利用处理器进行终止决定的组合方法的流程图，其包括终止条件、通过感应地理位置和速度进行条件检测，以及根据本发明一些方面的工作元件。结合携载的电源12和GPS14(或者其它地理定位器或跟踪系统)，处理器10被设置以接收位置信息和位置的时间变化(速度)信息14。将所述位置信息与存储或编程在16、18、20、22、24、26、28和30中的条件信息相比较，以确定是否实现无线电发射终止和/或飞行终止。
利用处理器10提供以下基于条件的决定：
所述平台移动或漂移到某地理区域之外了吗？(参见图1中的16)
所述相关的边界可以是由FCC根据地区或全国广播许可的规定而设置的频率许可边界。FCC禁止在这样的地理边界之外的发射机操作。相应地，邻国可能对外国发射机发射到其国内的功率进行限制。已经发现，对于某些频率，墨西哥禁止从美国对墨西哥发射功率级高于99dBm的功率。由于在安装时就可以为发射塔安装和调整定向天线，并且之后不须再对其进行调整，因此，对于地面发射塔而言，遵循这些限制并不困难。而对于包含了发射机的自由漂移高空气球飞行器，情况就很不一样了，因为，位置和高度可能在不断变化，并且可能当所述平台虽然仍在美国境内、但在距美国-墨西哥边界保护性的若干英里以内时，就需要平台停止发射。长持续时间的科学气球不需要为此担忧，因为它们通常工作于特定的频率或者已与其可能飞越的其它国家相协调。
所述平台是否移动到可能严重减小回收平台的可能性的边界之外？(参见图1的18)
由于有效负载成本可能很高，典型的气象服务无线电探空仪价值为50到150美元，收发机平台可到几百美元，科学有效负载可到数万美元，无论出于经济因素还是环境原因，回收都很重要。平台可能遭遇强风，尤其是其从高空下降时的急流。为了使平台下降时不飘出国外，可以使用考虑了下降时的风的人工边界。并且，对于诸如大湖、海以及海洋的大面积水域的边界，飞越它们可能妨碍或阻止所述平台正常下落后的回收，这在终止飞行时也需要纳入考虑。
所述平台是否已降低到或上升到设置的高度范围之外？(参见图1的20)
大多数科学和气象气球达到60000英尺以上的高度，FAA管制60000英尺以下的空域，并且其阻止自由飘浮飞行器或不受控制的飞行器到处游荡，尤其是在商用航空路线中，由于它们会对商用飞机带来危险。当它们开始在60000英尺以下盘旋时，目前的NWS气象气球不具有终止飞行的能力。即使是大型的科学气球也可能偏航，在60000英尺以下漂移。(参见先前列出的飘荡的科学气球的例子)。
所述平台的速度是否足以在发射频率中产生不可接受的较大多普勒频移？(参见图1的22)
在急流中飘行的气球飞行器可能达到每小时180英里以上的速度。这在地面接收的频率中产生多普勒频移。FCC管制发射允许的总频移量。多普勒频移对此总频移产生贡献，并且如果足够大将会导致发射机超出其所允许的频带发射。在过去由于没有自由漂移商用发射平台，都没有考虑或者解决这些要求。因此，出现了一个新的要求，即所述有效负载在其速度使得多普勒频移变得过大时能够立即停止发射。
所述平台的下落速度是否表明气球爆裂？(参见图1的24)
快下落速度表明气球已爆裂，飞行器正在坠落。
所述轻于空气的平台在上升时上升太慢？(参见图1的26)
这指示气球没有充满或者漏气。上升速度慢对于飞机可能产生危险，如果其在一个高度飘荡过久，尤其是在指定的航空路线的高度。
所述处理器、位置发现装置或者主电源出现故障？(参见图1的28)
GPS、星跟踪仪或者系统电源故障将启动在平台上的终止。所述平台必须能在没有处理器控制或动力的情况下终止。
命令和控制通信已失去？(参见图1的30)
没有来自地面的命令和控制，所述有效负载将停止发送，并且飞行应终止。
本发明系统通过利用携载的处理器或控制器将当前位置、速度以及工作条件与已经存储、编程或者计算的条件相比较来检测前述条件。本发明使用GPS单元和处理器以确定当前平台的地理坐标和速度。GPS单元或压力传感器确定平台高度。所述处理器算法将实现以上列出的条件的集合，使得在检测到存储的、编程的或者计算的终止条件之后，在34释放压舱物、在38关闭发射机并且在36终止所述飞行。在动力损失或者处理器故障的情况下，也在38关闭发射机并且在36终止所述飞行。以下将更全面地描述用于终止动作的方法和机构。
单独的终止控制器11，其在单独的电源13之下在32监控主平台电源，并在30监控处理器功能，以确定处理器10是否正常工作。主处理器10和单独的终止控制器11均能够通过在38对主平台电池放电以终止发射，并且能够通过在36释放气球来终止飞行。所述单独的电源13可以有利地包括非常小的环境可接受的电池，例如碱性手表电池。
本发明解决了某些过去的要求。本发明描述了一种用于轻于空气的平台的系统、方法和设计，其克服了常规无人驾驶的轻于空气的气球飞行器的某些安全缺陷。所述处理器通过监控所感知的坐标和平台速度(GPS，星跟踪仪等)以及通过将所感知的信息与已知(存储、编程或者计算的)的基于地理或高度的边界进行比较，来减少或消除所述平台成为自由飘浮、不受控制的发射机的可能性。如果所述处理器确定所述平台超出了其适当的边界，则开始终止操作。如果GPS发生故障，处理器也启动终止操作。如果所述处理器功能出现不可接受的故障或者如果主电源发生故障，利用自身具有很小的且环境可接受的电源的次级终止控制电路也能够自动启动终止和回收。这不需要来自平台主电源的电力。
终止和回收包括如下的几个步骤或动作：
释放所有压舱物以减少有效负载的密度和重量
以下装置使得压舱物受控释放(以及产生提升用气体)以降低上升速度或减缓下降速度。在终止时，根据图2(压舱物系统和释放机制)示意性描述的机制自动释放所有压舱物。
A室(100)中的反应物A和B室(101)中的反应物B均被计量进入反应室(104)，在其中产生氢气。通过所述反应的摩尔比率确定两个室中每一个的相对大小。如果使用水作为反应物之一，并且使用燃料电池在所述平台上产生电力，可以将所述燃料电池的反应的副产物水作为一种反应物用于所述压舱物系统反应。如果所述反应物的摩尔比率不是1比1，对于每种反应物需要不同的计量比率(metering rate)。如果将所述管状直径调整为从每个反应物室中抽出适当的量，这可以利用双蠕动泵(dualperistalsis pump)(102)完成。在反应期间，从反应室通过管(107)向气球排放氢气。通往气球的管中的单向阀(106)防止氢气回流到所述反应室。在反应所述完成之后，从反应室(104)底部通过电力控制阀(105)将所述副产物作为压舱物丢落。然后阀门(105)关闭。飞行终止后，所述反应物将会尽可能快速安全地在所述反应室(104)中发生反应，并且将副产物作为压舱物丢落。
在第二种构造(未示出)中，压舱物系统包括两个空腔，其每一个包含两种反应物中的一种。在顶部空腔中的反应物被计量进入底部空腔，在此产生氢气。当所有原始反应物耗尽时，将反应的副产物作为压舱物释放。
在第三种构造中，重整烃链以产生氢气。这需要催化剂，例如，铂。重整烃以产生氢气的方法在产业中众所周知。将氢气加入提升用容器，并且将反应剩余的反应物作为压舱物丢落。
这种从用作压舱物的物质产生氢气的方法有效地使得所述有效负载更轻，并因此在与飞机或地面上的人员或财产发生碰撞时更加安全。虽然可以释放任何可以接受的压舱物，以上描述的新压舱物系统有效地减少了系统需要的压舱物的实际重量，从而增加了所述有效负载的安全性。在所述新压舱物系统中，显著减少了在可接受的高度进行长时间飞行所携带的压舱物的总量。在大多数情况下，减少压舱物的量可以增加安全性。在一个具体例子中，所述系统使用水和氢化钠或氢化钙作为压舱物。当需要增加高度时，将一定量的水加入一定量的氢化钠或氢化钙。产生大量氢气。将此氢气加入提升用气球中，并且将反应的副产物作为压舱物丢落。由于丢落了副产物Ca(OH)2或Na(OH)2，所述平台变得更轻，并且同时，将氢气加入了气球，增加了提升力。只需要诸如沙子的内置压舱物的当量的73％(对于氢化钠而言，75％)。由于压舱物是初始总重量中的一个很重要部分，减少压舱物的重量显著减小了所述有效负载的总重量。
从平台释放所述气球的颈部以启动快速下降
这确保所述平台快速下降通过大气层，从而减少了有效负载通过商用航空路线的潜在时间。当其上升通过大气层时，诸如NWS气象气球的小气球系统，依赖气球由于膨胀而爆裂。飘浮的气球不会经历这种膨胀，因此必须使得系统爆裂气球或者与该气球在物理上分离。由于部分充气的气球在地面上横向漂移会增加人员或财产损失的可能，通常不允许对气球排气。如果使用氢气作为提升用气体还将出现进一步的问题。这可能导致气球中剩余的氢气在着陆后接触到点火源。通常也不希望气球爆裂，因为，仍然连接在有效负载上的爆裂气球将会缠结(foul)下降机构，导致不受控制的下降。在本发明中，当失去电力或者处理器不能终止这些潜在问题时，释放所述气球的颈部。
图3和4中示意性描述了所述颈部释放机构的一个可能的实施例，其包括两个同中心颈部连接管(43)和(49)。上管(43)通过皮带(strap)(42)或橡皮圈(42)滑入并且与气球(41)相连接，并且适于在与有效负载(51)相连接的下管(49)内。通过一根单丝线(monofilament line)(47)防止上管(43)从下管(49)滑出。当上管(43)和下管(49)互相限制时，弹性密封(44)防止管中的气体从管的连接处泄露。单丝线(47)的每一端穿过凸缘(46)中的小孔并且打结。单丝线(47)缠绕并穿过两个把手(knob)(52)，并且与电阻线圈(48)相接触。
与所述第一实施例一样，所述颈部释放机构的第二实施例使用了与气球的颈部相连接的管。所述管通过一个或多个插销(latch)与有效负载进行可移除的连接。当这些插销脱开时，所述颈部与所述有效负载分离。
在所述颈部释放机构的第三实施例中，与所述第一实施例一样，管与气球的颈部相连接，并且其与连接到有效负载的第二管轴向排列并滑入其中或者在其之上。释放销钉从一侧通过两个管，从而当去除该释放销钉时，所述管可以彼此分离。参见图11。
当要求终止飞行时，优选地首先释放压舱物，然后电流通过电阻线圈(48)。所述线圈(48)升温并且熔断单丝线(47)。负载(51)的重量现在将下管(49)从上管中拉出，并且将有效负载从上管(43)释放，从而从气球(41)释放。此压舱物系统有利地使得直接在有效负载处排放所述提升用气体，不需要布线到远处的阀门。
电池放电和颈部释放电路
图5中示意性描述了电池放电和颈部释放电路。为了防止电池放电，所述处理器必须持续地向所述电池放电电路提高保活信号(keep alivesignal)。此保活信号包括方波。所述电池放电电路感知所述保活信号中的低到高的转变，并且每次检测到转变时重置计时器(HEF 4060)。必须通过所述保活方波的存在来重置计时器，否则，计时器将结束其计时并启动电池放电。高功率FET闭合所述为电池放电的电路。在所述放电电路的一个实施例中，来自放电电路的电力来自主电池本身。由于所述放电电路在降至极低电池电压下也能够工作，所述电池能够被有效地放电，直到所述放电电路不能工作。
代替的实施例使用分离的、无危险的小电池运作所述充电电路。此实施例确保所述主电池完全放电。所述放电电路通过所述电阻丝消耗功率，所述电阻丝在电池放电期间将能量作为热进行耗散。所述电组丝上缠绕着一根单丝(钓鱼)线。当通过所述电阻丝耗散电池电力时，所述单丝线被融断，并且将气球连接到平台的颈部被从所述有效负载释放。为所述放电电路提供分离的电源的另一个优点在于，即使主电池不工作了，所述放电电路电池将为电阻元件提供电力，以切断所述单丝线。作为替代，如果不使用所述颈部释放功能，所述放电电路可以通过高功率电阻器耗散功率。
如果处理器感知到任何必须启动终止的情况，其停止向所述放电电路发送保活信号。如果处理器不工作或者电源发生故障，所述保活信号也停止，从而导致终止。计时器行进到启动所述电池放电的某点。电池电流流经所述电阻丝使电池放电，并且融断所述单丝线以释放所述气球颈部。所述电池继续放电，直到主电池完全耗尽。
所述主平台电池在下降期间完全放电，以确定地防止进一步的无线电发射。一旦放电启动，电池将完全放电。当失去电力或处理器控制时，处理器可如上所述启动所述电池放电或其自动地放电。已经发现，长时间在高空和低温飞行需要特殊的高密度电池。已经发现，锂电池可以满足此要求。另外，也发现环境保护局(EPA)规定将基于锂的电池认为是危险废弃物，除了一种类型的单体电池并且其已经完全放电。特别地，已经发现，锂硫氧化(LiSO2)电池当完全放电时形成锂盐，EPA认为其没有危害。在所述LiSO2电池接触地面之前自动对其放电不仅可以防止发射机发射还可使所述电池没有危害。
“枫树种子”下降装置
图6、7和8描述了使用新的整体的类似“枫树种子”的下降装置来增加安全性。与所述平台底部相连接的单个翼型叶片使得所述有效负载和翼型叶片在快速下降时自转。这样，用高可靠性的减速器代替了传统的降落伞，所述减速器通常不会发生缠结并且不需要部署机构，并且在降落后也不会出现缠绕动物及财产的问题。所述“枫树种子”减速器也可以方便地用来覆盖所述天线。
由于所述翼面的非对称特性，因而产生自转。当其上升中心近似在中间时，所述有效负载/翼面组合的质量中心很好地移动到所述有效负载的末端。这导致整个组件围绕其质心圆周式转动。此转动实际上刻画了围绕下落轴的圆锥。所述圆锥的形状将随着翼面的空气动力性能而变化。具有最小提升性能的翼面将形成陡边(steep-side)圆锥，而具有强提升性能的翼面将形成非常平的圆锥。
平台回收
图9描述了新的平台回收方法。为帮助平台回收，已经着陆的平台向另外的空中平台发射其最后的记录位置。所述平台可以比较连续位置读数并且当所述读数一直指示没有位置变化时确定其已经着陆。所述第二平台将已着陆平台的当前位置转发给地面站，利用所述已着陆平台的位置帮助回收所述已着陆平台。所述已着陆平台上的GPS单元可以确定已着陆平台的位置。几乎可以使用任何市场上可买到的或定制的收发机从所述已着陆平台向另外的空中平台进行发射。
“切换”机制
图10示出了切换的能力，即，通过通信装置在平台之间切换信号。图10示出了星座和通信网络系统的一部分的示意视图，其中，12(i)、12(ii)以及12(iii)是空中平台。每个空中平台包括诸如气球的轻于空气的气包体，以及收发机(处理器)。利用实线和虚线120示出在平台和位于地面或地面上方的通信装置(用户设备)22v-z之间的强信号和弱信号。跟踪天线126可位于地面终端124或平台发射器，即，SNS发射器46上。并且，在SNS发射器46上可以有发射器44。线路28示出了在跟踪天线126和平台之间的命令和控制链路。
具体地，图10示出了与平台12(ii)及12(iii)通信的通信装置22y和22z。来自平台12(iii)的信号(如实线所示)比来自平台12(ii)的信号(如虚线所示)强。如图10所示，当由于风流，平台12(ii)和12(iii)从左边飘移到右边时，随着平台12(iii)移出通信范围而平台12(ii)移到平台12(iii)之前的位置，通信装置22y和22z将与平台12(iii)的通信切换到平台12(ii)。通常，在所述平台上的处理器不切换所述信号；由通信装置启动所述切换。
通信信号收发机包括能够利用FDMA、TDMA、CDMA以及ReFLEX协议进行通信的电路。所有这些有名的协议都使用“切换”。例如，1997年7月15日公告的美国专利5,649,000公开了一种在CDMA蜂窝电话系统中提供不同频率切换的方法和系统。使用这些协议的装置周期性扫描背景中的邻近控制信道，而不会干扰正常操作。就显然更好的信号强度和更高优先级而言，如果所述装置发现了更好的信道，其可以请求转移。这通常通过使用“先接后断(make before break)”来完成，这类似于PCS电话网络中软切换的概念，其中，在断开与旧信道的通信之前完成新信道的注册。通常，这意味着装置总是被向网络注册，并能够接收消息。这允许通信装置在具有不同控制信道的服务区域之间快速有效地进行跨越。
另一个实施例是一种飘浮星座通信系统，其包括多个轻于空气的平台，每个平台包括高度调整装置，以将所述平台的飘浮调整在预定高度范围之内，每个平台携带至少一个通信信号收发机；多个在地理上间隔的平台发射点，从这些发射点发射所述多个平台；能够跟踪所述多个平台中的一个或多个的多个地面终端，所述地面终端能够向由所述多个平台携带的所述多个通信信号收发机中的至少一个发送通信信号，并且能够接收来自其的通信信号；将所述地面终端互相连接的通信链路的网络；以及邻接的地理区域中的多个已编码通信装置，所述已编码通信装置的通信容量与由所述平台携带的所述信号收发机的容量相兼容。
另一个实施例是一种通信平台的飘浮星座，其包括多个可分别发射的轻于空气的平台，在发射之后，所述平台最初能够升入地球大气层；所述多个平台的每一个进一步包括有效连接的高度调整器，以调整所述平台的每一个在初始上升之后在预定高度范围内飘浮；以及由所述多个平台中的每一个携带的通信信号收发机。
另一个实施例是一种飘浮星座通信系统，其包括多个轻于空气的平台，所述平台被调整以飘浮在预定高度范围之内，每个平台携带至少一个通信信号收发机；多个地理上间隔的平台发射点，从这些发射点发射所述多个平台；空间卫星以及在多个地面终端之间的卫星通信链路的网络，所述地面终端能够与所述空间卫星和所述多个平台进行通信，并且能够向所述多个平台携带的所述多个通信信号收发机发射通信信号，并能够接收来自其的通信信号；网络操作中心(NOC)以及在所述NOC和所述空间卫星之间的卫星通信链路，从而互连所述NOC和所述多个平台；以及在邻接的地理区域内的多个已编码通信装置，其具有与所述多个平台携带的所述通信信号收发机的通信容量相兼容的通信容量。
另一个实施例是一种通信平台的飘浮星座，其包括第一组多个空中平台，所述平台被调整为在一段时间内在预定高度范围之内上升和飘浮在空中，所述第一组多个空中平台在第一时间从地理上间隔的位置上升；下一组多个空中平台被调整为在所述预定高度范围之内上升和飘浮在空中，所述下一组多个空中平台在下一时间从所述地理间隔的位置上升；快速放气系统，用于在所述空中平台出现故障或者处于不正确位置时从空中移除所述空中平台；至少一个与所述空中平台的每一个相连接的平台通信信号收发机；多个能够与所述空中平台进行通信的地理上间隔的地面收发机；互连所述多个地面收发机的通信链路的网络；以及多个已编码装置，其具有与所述平台的容量相对应的通信容量，并且，来自所述平台的通信信号可选择性地寻址所述装置。
再一个实施例是一种飘浮星座通信平台，其包括多个空中平台，所述平台被调整以飘浮在可调整的高度范围之内并且相互间隔，以在邻接的地理区域之上提供基本上普遍存在的视线覆盖；所述多个空中平台包括多个通信收发机，由所述多个空中平台的每一个携带所述多个通信收发机中的至少一个；在所述邻接的地理区域之上间隔设置的多个地面终端，其用于在所述多个空中平台的所述通信装置和所述地面终端之间维持基本上普遍存在的视线信号通信；互连所述多个地面终端的通信链路的网络；以及多个已编码装置，其能够与所述多个通信收发机进行通信，并且，所述多个平台携带的通信收发机中的一个或多个可寻址所述装置。
另一个实施例是一种空中星座，其包括多个单独的轻于空气的平台，所述多个平台在邻接地理区域之上间隔设置，从而提供对所述地理区域的基本上普遍存在的视线覆盖；所述多个平台的每一个包括在其中容纳规定体积的低密度气体的气包体，从而使得所述平台的总密度低于预定高度范围内的大气；以及所述多个平台的每一个进一步包括与所述气包体相连接的信号发射装置，来自所述平台的信号可通过所述发射装置发射到所述邻接的地理区域。
另一个实施例是一种高度可控的轻于空气的通信平台，其包括低密度气包体，用于容纳一定量的低密度气体；与所述气包体相连接的收发机，其包括电子电路和携载电源；以及与所述平台相连接的高度调整器，其将所述平台的高度调整在预定高度范围之内，所述高度调整器包括高度确定机构；来自所述气包体的可控排气口以及与所述高度有效联系以确定排气的排气控制机构，用于调整所述平台的高度；以及与所述平台相连接的可控压舱物释放机构和与所述高度相联系以确定释放压舱物的机制的压舱物控制机构，用于控制所述平台的高度。
另一个实施例是一种自由飘浮星座通信系统，其包括多个轻于空气的平台，所述平台包括至少第一平台和第二平台，所述第一和第二平台包括通信信号收发机，并且无需任何经度和纬度位置控制即可自由飘浮；以及在邻接的地理区域内的多个通信装置，所述通信装置中的至少一个具有与所述通信信号收发机进行通信的能力；其中，当所述第一平台移出所述通信装置的所述至少一个的通信范围时，所述通信装置的所述至少一个能够将与所述第一平台的通信切换到所述第二平台，并且其中所述自由飘浮星座通信系统为邻接的大片陆地上的人口提供无线数据的视线覆盖，并且以这样的方式发射所述多个轻于空气的平台，即当在60000到140000英尺的工作范围时，在所述多个轻于空气的平台之间基本上存在相对距离。所述自由飘浮星座通信系统(CCS)可进一步包括高度调整装置；多个在地理上间隔的平台发射点，可从其发射所述多个平台；多个地面终端；以及将所述地面终端中的至少一些相互连接的通信链路的网络。优选地，所述调整器被有效地连接以调整所述平台使其飘浮在地球的同温层中。优选地，所述多个平台被调整为在其内飘浮的预定高度范围包括约70000英尺到约100000英尺的范围。所述调整器调整所述平台在预定高度范围内飘浮，并且包括一定量的被容纳的气体，所述气体密度低于预定高度范围内的空气密度，以及可控排气口，通过此排气口可以释放所容纳气体量的一部分以减小所述平台的浮力。所述调整器包括在所述平台上携带的一定量的高密度物质以及释放装置，可通过所述装置释放所述高密度物质的一部分从而增加所述平台的浮力。优选地，所述调整器包括：可控气体排出口；可控压舱物释放装置；高度确定机构；以及与所述收发机、所述高度确定机构，所述气体排出口和压舱物释放相连接的控制信号处理装置，从而可调节所述高度。
优选地，所述多个间隔的地面终端的通信系统包括收发机。所述CCS可进一步包括跟踪装置，其中所述跟踪装置包括：定向天线；以及定向天线瞄准机构，其响应于GPS坐标数据，选择性地将所述定向天线瞄准所述多个平台中的一个或多个。所述跟踪装置包括：定向天线；以及定向天线瞄准和增益跟踪机构，以根据在选择的平台和所述定向天线之间的通信信号强度将所述定向天线瞄准所述选择的平台。优选地，所述间隔的地面终端中的至少一个包括网络操作中心。
所述CCS可进一步包括与所述通信链路的网络相连接的网络操作中心(NOC)。NOC连接的不同变型如下。所述NOC与具有通信链路的中心辐射(hub and spoke)排列的多个地面终端中的至少一些相连接。所述NOC与具有通信链路的网状(mesh)排列的多个地面终端中的至少一些相连接。
其它变型如下。互连所述地面终端的通信链路的网络包括连接到地面线路(ground line)。互连所述地面终端的通信链路的网络包括空间卫星通信链路。所述通信链路的网络包括平台到平台的通信链路。
其它变型包括如下。所述多个平台包括从气球、软式飞艇、高空气球、齐柏林飞艇、飞艇、飞船、气象气球、棘面气球(jimsphere)、热气球、探空气球以及气象探测气球(meteorological balloon)及其组合所组成的组中选出的轻于空气的装置。所述多个平台包括橡胶气球。所述平台具有零压气球、内气泡气球(internal air bladder balloon)，容积可调气球或者充氢气球。
其它变型包括如下。所述通信装置包括寻呼机、高级通讯装置、无线电话、遥测装置或者装备跟踪单元。
再有其它变型包括如下。所述平台包括快速下降机构；以及所述平台是一次性的。所述平台包括气球；所述平台包括快速下降机构；并且所述气球可更换以回收和再使用所述收发机。
还有其它变型如下：所述通信信号收发机包括能够利用频分复用(FDMA)协议、时分复用(TDMA)协议、码分复用(CDMA)协议，ReFLEX协议、Flex协议、POCSAG寻呼协议，或者ERMES寻呼协议进行通信的电路。
所述CCS可进一步包括高度确定机构；气象数据源；以及用于将平台的高度调节到根据所述气象数据确定的风速和方向的控制。
所述CCS可进一步包括所述多个平台中的至少一个携载的高度传感器；以及与至少一个通信信号收发机相连接并且和所述多个平台中的至少一个相连的方向性可控制的天线，所述方向性可控制的天线具有用于将所述方向性可控制的天线稳定在来自平台的方向的稳定控制，以在所述地理区域上提供一致的地面覆盖，以及与所述方向性可控制的天线有效地联系的瞄准控制，以及高度传感器，其用于选择性改变所述天线的覆盖区域的位置，以帮助填补所述地理区域上的覆盖的空隙。
所述CCS可进一步包括无人驾驶的自由气球；以及有效负载盒(payload box)，所述有效负载盒总重小于六磅，外表面具有预定区域，并且在所述包装的任何表面上，重量和尺寸的比不超过每平方英寸三盎司，其中通过将所述有效负载盒的总重量的盎司数除以其最小外表面的面积的平方英寸数来确定所述比例。
其它变型包括如下。所述多个平台中的至少一个进一步包括高度调整器，其被有效连接以调整所述平台，使其在初始上升之后飘浮在预定高度范围以内；其中所述高度调整器进一步包括：一定量的高密度物质；用于确定所述平台的高度的装置，其中用于确定所述平台的高度的装置包括全球定位系统(GPS)接收机；以及物质释放装置，用于释放所述一定量高密度物质中的一部分。
所述CCS可进一步包括用于容纳一定量的氢气的氢气气包体；在至少一个所述平台上的携载电源，其中所述携载电源包括与所述氢气气包体互连的燃料电池，其用于接收氢气作为所述燃料电池的燃料的组分；以及与所述平台相连的高度调整器，其调整所述平台，所述平台的高度在预定高度范围以内，所述高度调整器包括：高度确定机构；所述气包体的可控排气口以及与所述高度确定机构有效连接的排气控制机构，用于排放所述氢气，以调整所述平台的高度；以及与所述平台相连的可控压舱物释放机构，用于释放压舱物，以调整所述平台的高度。在这些变型中，所述有效连接着的可控排气口和排气控制机构进一步包括至少一个镍钛(NiTi)元件，其与所述控制排气口机械连接，并且有效连接到所述电源，以选择性地接收或不接收电力，从而选择性地改变所述NiTi元件的长度，以开启或关闭所述可控排气口。所述CCS可进一步包括气象包(meteorologicalpackage)，其通过与所述收发机连接的光纤与所述平台相连接，从而当所述平台在带电的云层中移动时，能够基本上防止在所述气象包和所述收发机之间的电弧，以及跟踪系统，其能够跟踪所述多个平台中的一个或多个。
其它变型包括如下。所述网络操作中心包括用于控制所述平台的预定操作的电路。
所述CCS可以进一步包括快速放气系统，用于在平台发生故障或者处于不正确的位置时，从空中移除所述平台。
另一个实施例是一种自由飘浮的星座通信系统，其包括多个轻于空气的平台，其中包括至少第一平台和第二平台，所述第一和第二平台的每一个包括通信信号收发机并且无需任何经度和纬度的位置控制即可自由飘浮；以及邻接的地理区域内的多个通信装置，所述通信装置中的至少一个具有与所述通信信号收发机进行通信的能力；其中，所述通信装置中的所述至少一个能够接收来自所述第一平台的所述通信信号收发机以及所述第二平台的所述通信信号收发机的通信，但是其听取仅来自一个通信信号收发机的通信，并且，以这样的方式发射所述多个轻于空气的平台，即当在60000到140000英尺的工作范围时，在所述多个轻于空气的平台之间基本上存在相对距离。
再一个实施例是一种自由飘浮的星座通信系统，其包括多个轻于空气的平台，其中包括至少第一平台和第二平台，所述第一和第二平台的每一个包括通信信号收发机，并且无需任何经度的纬度的位置控制即可自由飘浮；以及邻接的地理区域内的多个通信装置，所述通信装置中的至少一个具有与所述通信信号收发机进行通信的通信能力；其中，所述第一和第二平台动态地分配新的帧，当所述平台漂移时，从所述通信信号收发机通过所述帧发送通信信号，从而使得通信装置接收在特殊帧中的仅来自一个通信信号收发机的通信信号，并且，以这样的方式发射所述多个轻于空气的平台时，即当在60000到140000英尺的工作范围时，在所述多个轻于空气的平台之间基本上存在相对距离。
再一个实施例是一种利用自由飘浮星座通信系统进行通信的方法，其包括：提供用于与轻于空气的平台进行通信的通信装置；当所述通信装置在第一轻于空气的平台的通信范围之内时，与所述第一轻于空气的平台进行通信，当所述通信装置移出所述第一轻于空气的平台的通信范围时，与第二轻于空气的平台进行通信，其中所述第一和第二轻于空气的平台的每一个包括高度调整装置和通信信号收发机，并且其中所述第一和第二平台无需任何经度的纬度的位置控制即可自由飘浮，并且，以这样的方式发射所述多个轻于空气的平台，即当在60000到140000英尺的工作范围时，在所述多个轻于空气的平台之间基本上存在相对距离。
再一个实施例是一种利用自由飘浮星座通信系统进行通信的方法，其包括：提供多个轻于空气的平台，其中包括至少第一平台和第二平台，所述第一和第二平台的每一个包括通信信号收发机，并且无需任何经度和纬度的位置控制即可自由飘浮；以及与具有和所述通信信号收发机进行通信的能力的通信装置进行通信，其中所述第一和第二平台动态地分配新的帧，当所述平台漂移时，从所述通信信号收发机通过所述帧发送通信信号，从而使得通信装置接收在特殊帧中的仅来自一个通信信号收发机的通信信号，并且，以这样的方式发射所述多个轻于空气的平台，即当在60000到140000英尺的工作范围时，在所述多个轻于空气的平台之间基本上存在相对距离。
另一个实施例是一种提供通信装置的方法，其包括：提供第一轻于空气的平台；提供第二轻于空气的平台，其中所述第一和第二平台的每一个包括高度调整装置和通信信号收发机，并且其中所述第一和第二平台无需任何经度和纬度的位置控制即可自由飘浮；在邻接的地理区域中提供多个通信装置，所述通信装置中的至少一个具有与所述通信信号收发机进行通信的能力，其中，当所述第一平台移出所述通信装置的所述至少一个的通信范围时，所述通信装置大所述至少一个能够将与所述第一平台的通信切换到所述第二平台，并且其中，所述自由飘浮的星座通信系统为邻接的大片陆地上的人口提供视线的无线数据覆盖，并且以这样的方式发射所述多个轻于空气的平台，即当在60000到140000英尺的工作范围时，在所述多个轻于空气的平台之间基本上存在相对距离。
变型包括如下。所述通信装置包括寻呼机、高级通讯装置，或者无线电话。所述高度调整装置将所述平台的高度调整在约60000英尺到约140000英尺之间的预定高度范围以内。所述高度调整装置被有效地连接，以调整所述平台，使其飘浮在地球同温层之内。所述高度调整器调整所述平台使其飘浮在预定高度范围之内，并且包括一定量的容纳气体，所述气体的密度低于在所述预定高度范围内的空气的密度，以及可控排气口，可通过所述排气口释放所述一定量的容纳气体中的一部分，以减小所述平台的浮力。所述高度调整器包括所述平台携载的一定量的高密度物质，以及释放装置，可通过所述释放装置释放所述高密度物质的一部分，以增加所述平台的浮力。所述高度调整装置被有效地连接，以调整所述平台，使其飘浮在地球同温层之内。所述高度调整器调整所述平台使其飘浮在预定高度范围之内，并且包括一定量的容纳气体，所述气体的密度低于在所述预定高度范围内的空气的密度，以及可控排气口，可通过所述排气口释放所述一定量的容纳气体中的一部分，以减小所述平台的浮力。所述高度调整器包括所述平台携载的一定量的高密度物质，以及释放装置，可通过所述释放装置释放所述高密度物质的一部分，以增加所述平台的浮力。所述高度调整器包括所述平台携载的一定量的高密度物质，以及释放装置，可通过所述释放装置释放所述高密度物质的一部分，以增加所述平台的浮力。
图12描述了根据本发明的星座和通信网络系统10的一部分的示意图，其中空中平台12(a)-(g)已到达所述高度范围内的期望高度，例如同温层。还描述了上升到期望高度过程中的空中平台12(h)。每个空中平台包括轻于空气的气包体14(a)-(h)、平台控制机构和通信装置16(a)-(h)，以及天线18(a)-(h)。在20(a)-20(u)示意性地表示了平台到地面的通信信号，相应地，与诸如无线电信号接收机、收发机、发射机或者寻呼机22(a)-22(u)的多个地面通信装置进行通信。有多个发射和跟踪终端24(a)-(d)，每一个具有多个跟踪天线26(a)-(o)。地面终端在所述SNS平台和NOC之间转发消息和控制数据。优选地，所述地面终端仅需要电力和通信信号而不需人员操作。所述地面终端由一组发射机和接收机及其控制器、跟踪天线和跟踪控制器、到所述NOC的冗余通信链路，以及备用电源组成。为了在任何给定时间与范围内几个平台的潜在能力相适应，目前采用四到六个分离的发射机、接收机以及跟踪天线。Genera和Motorola都为所述SNS地面终端提供了合适的市场上可买到的发射机、发射机控制器以及接收机，尽管也需要一些改进。示意性地示出了所述跟踪天线26通过地面到平台信号28(a)-(g)与各种平台进行通信。描述了具有互连段(interconnecting segment)30(a)-(d)的地面通信网络30，其在所述发射和跟踪站24(a)-(d)以及网络操作中心40之间进行通信。所述网络操作中心40也通过轨道卫星32和发射点卫星天线38(a)-(d)以及网络操作中心卫星天线42与多个发射和跟踪终端24进行通信。为了说明的目的，发射和跟踪终端24(c)与类似于或者相同于所述国家气象服务气球发射器的空中平台发射器44共同设置。本发明的一个方面还设想了移动发射器和跟踪终端46，例如，在卡车拖车上的自主式单元。所述移动发射器可以被运送到期望的发射点，停在那里，并且可发射另外的SNS平台。所述跟踪和通信终端24可经由地面链路30(c)和30(d)与所述网络相连接，以及与其它的发射站和网络操作中心40相连接。所述移动发射器和终端可周期性地从一个位置移动到另一个位置，以根据需要发射和/或跟踪另外的SNS通信平台12(a)，从而在由于天气条件使它们上升时填补覆盖空隙。
图13是示意性示出的图12的移动SNS发射机46与形成所述平台星座的一部分的平台12(f)、12(g)和12(e)的关系的放大示意性描述。所述移动SNS发射器与所述网络操作中心40进行通信。图12中进一步描述了由最小期望高度48和最大期望高度52定义的期望高度范围50，其中每一个高度是相对于海平面54测量的。在一个优选实施例中，约60000英尺的最小期望高度以及约140000英尺的最大期望高度定义了高度的预定范围。这些高度一般对应于地球同温层或者对应于同温层高度范围50。图12进一步描述了在间隔的平台12(g)和12(e)之间的覆盖间隙56，将其示意性地表示为间隔的距离56，此距离显著大于在平台12(f)和12(g)之间的期望间隔距离58。在进一步的优选实施例中，期望可将平台调整为飘浮在约70000英尺和100000英尺之间的预定高度范围，这将具有测量为约175英里(280公里)的覆盖半径，其将在商用规定的空域以上，并且在平台难以存在的高度之下。当在任何方向上两个邻近平台之间的距离大于所述覆盖半径的约一倍或一倍半时，会开始出现覆盖空隙。在这样的实例中，移动发射单元46可以在地面上移动到基本上在所述两个间隔的平台12(g)和12(e)之间的位置，从而可发射另外的补充平台12(h)，使其快速上升到所期望的高度范围50。可以使用基于对空中平台的星座10中的所有平台12进行跟踪的计算机建模来预测在覆盖中的大空隙56的发展，并从而迅速采用移动发射单元来填补所述空隙。在静止的发射和跟踪终端已经就位以发射补充SNS平台的情况下，不需要移动单元。
图14是平台间通信的示意性描述，所述通信随后向地面终端和网络操作中心(NOC)进行发送。
图15是平台到空间卫星的通信链路的示意性描述，其用于提供与网络操作中心(NOC)相互连的网络。
图16是“中心辐射”网络通信链路拓扑结构的示意性描述。因为与环形拓扑结构相比，其通常具有更少的总通信线路以及更少的昂贵设备，这是有利的。
图17是网状网络通信链路拓扑结构的示意性描述。环形拓扑结构基本上将所有地面站串联成一个大的通信链路环。通常认为此环缺乏鲁棒性。如果所述环上的一个或两个点出现问题，其将隔离其它正常工作的地面终端。
图18示意性描述了邻接的地理区域100，特别地，通过举例方式描述了对应于美利坚合众国的地理区域。叠加在所述地理区域100上的是用“X”101-170表示的70个选择的标准发射点。进一步示意性描述了覆盖区域201-270，其表示所述平台101-170的每一个到达期望的调整高度(优选地在同温层中)时的位置和覆盖。相比已有的同步轨道卫星，每一个平台非常小，从而使得它们被称为并被设计为在同温层中的规定高度飘浮的“同温层纳型卫星”(SNS)。在图18中描述的覆盖区域201-270假设了从所述发射点101-170的相对垂直上升。由于特定位置的风和天气条件，所述覆盖区域201-270将移动一段时间。然而，通常需要一到两个小时上升到所述同温层的期望高度，从而使得对于小于约10-20mph的正常空速以及甚至当存在急流时通过所述急流的漂移，在上升时将在任何方向上将产生10-80英里的相对小的漂移。因此，相对于所述近似175英里(280公里)，圆形覆盖区域的覆盖半径具有约为350英里(560公里)的直径，在具有标准风条件的短时期的移动为10-40英里，这指示所述发射点是在所述上升结束时的初始较高高度位置的合理近似。
为气球12的平台提供了高度控制机构，包括低密度气体排出机构和高密度压舱物丢落机构，以控制所述气球使其在期望高度范围内维持在期望高度。对应于当前每天两次发射的NWS气球发射时间表，可将所述高度维持12-24小时。如果不使用所述NWS发射时间表，可维持所述气球高度超过100小时，这取决于所述提升用气体、电力以及气球12上剩余的压舱物。在NWS气球的情况下，目前，当所述气球到达并超过100000英尺高度时，其由于过度膨胀而自毁，而在上升时收集气象数据并将其发送到地面。在气球作为所述通信平台的载体的情况下，所述平台将被维持在优选地低于140000英尺的高度。并且更优选地，低于100000英尺，并且由于同温层上层的风条件，将继续移动。当不再需要所述平台、其下落到低于60000英尺并且没有剩余压舱物、其漂移到不希望的区域上空，或者发生故障时，在气球12的情况下NOC可命令SNS平台快速放气或爆裂。如果满足这些条件中的任何一个并且所述平台已失去与地面终端之间的通信，所述平台可启动这些操作。有利地，将在所述上升时检测到所述风条件，并且将继续通过地面站的跟踪对其进行监控。这将有助于预测可能预期的任何覆盖中的空隙的发展，并且尤其是这些空隙的位置和可能需要在所述空隙的区域中服务的地面通信装置或寻呼机的数目。
图19是对在开始出现大的空隙的给定移动时间段之后的地理区域100的示意性描述。可将移动单元设置于临时发射点171和172，以填补发展中的空隙56(b)和56(c)。并且，在空隙被预测到发展到接近标准发射点的地方，例如，在105，可在正常规则的发射时间段之前从发射点105发射另外的平台。因而，空隙56(c)。以类似的方式，可采用多个在典型地区域设置的移动发射点以在它们上升时填补空隙。在检测到空隙发展的模式的情形下，例如，可加上另外的永久发射点173和174来帮助补偿空隙56(d)和56(e)的重复发展。可季节性地移动临时发射点以沿着沿着此季节刮风的方向沿海岸线填补所述空隙，例如，在冬季时的西海岸。
图20示出了一个实施例中的平台12的示意性侧视图，其中，所述低密度气包体70优选为橡胶气球70。Totex 1000气球充满了氢气，并且其内部有涂层，以减少氢气扩散，从而充分地为所述SNS通信平台提供了升力。所述Totex气球被释放时直径约为五又四分之一英尺，并且在140000英尺膨胀到约二十四英尺。可注意到，可以取代图20中示意性描述的所提出的橡胶气象气球70而使用其它轻于空气的包体，诸如软式飞艇、高空气球、齐柏林飞艇、飞艇、飞船、气象气球、棘状气球、热气球、探空气球以及气象探测气球。并且，图20中气球70的直径不会缩放，并且预期总平台重量包括有效负载盒300、高度控制排气装置72、气象包82、天线76以及气象电缆联接84。优选地，电缆84是光缆，其长度约为25米，从而使得所述气象数据收集包82与所述气球70充分地隔开，以将所述气球对气象包82感知的气象数据所引起的波动的影响减到最小。所述光缆84用于将来自气象包82的气象数据发送到通信单元74。由于通过雷雨云时的高电场势能，使用光缆作为电线可能会发生电弧。
有许多类型的低密度气包体装置，具体地，如气球，可能被认为对于本发明是有用的。潜在地优选的类型的气球有橡胶压力气球、零压气球，内气泡气球、容积可调气球以及超压气球。这些气球的每一个类型具有不同的优点和缺点，对于本发明，已经发现所述橡胶压力气球是最优选的，而所述零压气球也被认为是另一种优选。
所述橡胶压力气球具有可拉伸的橡胶膜，其容纳着所述提升用气体，以使得随着气球上升外部气压降低时，所述气球尺寸增大。这是气象气球中最常见的类型，其与聚会气球一致。主要优点在于低成本和易获得性，从而可以以低成本获得此类型的高质量气球，诸如气象气球。然而，这些气球比较易破，需要小心处理，并且延展的可靠性也低。此外，使用这样的气球需要排出所述提升用气体，以防止在到达最大高度后爆裂。
所述零压气球由初始宽松的袋子构成，通常由诸如聚乙烯或聚脂薄膜的塑胶制成。随着外部气压降低，所述袋子的容积增加。一旦袋子达到其全部容积，必须放出气体，否则由于袋子的材料不能延展，气球将会爆裂。尽管这种类型的气球比所述橡胶气球更加可靠，并且较少渗露所述提升用气体，但其成本是中等，比所述橡胶气球贵，目前约贵四到十倍。因而，尽管从低成本平台考虑所述橡胶气球可能更适宜，然而，所述零压气球也为提升所述平台提供了有用的包体，相比所述橡胶压力气球，其具有一定优势。
内气泡气球由弹性气球构成，该弹性气球容纳着包含在固定容积气球中的空气，该固定容积气球容纳着提升用气体。空气被抽入所述内部弹性气球，其压缩包在所述固定容积气球中的提升用气体，从而降低整体升力。空气被放出所述内部弹性气球，以增加升力。软式飞艇利用此原理调整上升。因为当减小升力时不发生提升用气体损失，并且潜在地其比橡胶气球更可靠，这种类型的气球具有一定的优势，然而，由于额外的气球、气泵以及用于操作所述升力增大和减小机构的所额外需要的电力，其成本更高。
可调整容积气球由容纳所述提升用气体的固定容积以及减小所述气球容积的机械方式组成。通过减小容积，压缩所述提升用气体，并减小升力。可以以任何方式降低所述容积，其包括所述气球内部的可调整线，从所述气球容积的顶点减少。理论上，这将较少渗漏提升用气体，当减小升力时不会发生提升用气体的损失，并且其比橡胶气球更可靠。然而，由于所述机械容积减少机构以及操作这样的机械容积减少机构所需要的额外电力，此类气球更加昂贵。
超压气球具有固定容积。因为它们不会膨胀以匹配所述降低的外部压力，所以将它们称为超压气球。它们被建造得足够坚固以抵抗增加的压力。所述气球可实现极长的飘浮，因为它们不需要排放气体来防止爆裂，并且通常它们具有非常低的膜气体渗漏。尽管是最可靠的之一，且提升用气体很少有损失，这种类型的气球成本最高。关于此类气球的极高成本，以及制造困难和开发技术缺乏表明，目前其它可选的气球类型更具有吸引力。
信号发射天线76从通信装置74延伸，优选地，其从所述通信装置74垂直向下，并且优选地，其被配置为在所述整个圆形覆盖区域提供均匀的发送和接收覆盖的具有近6度的下倾角(down tilt)的直排阵列。可有利地为天线77提供支撑环86，以促进所述天线和所述气象连接电缆84之间的稳定。图6中还描述了气球破坏机构78和降落伞80，该降落伞80用于当气球由受控的破坏机构78或者由于自然原因毁坏时回收通信装置74。
图21描述了根据本发明的通信装置74的一个实施例的部分横截面的正视图。其中存在有效负载盒300，其包括内容器302和包围所述内容器302的外部泡沫聚苯乙烯绝缘膜304。容器302中是电路板306，其上相连着各种电子元件，所述电子元件互相连接以根据需要提供所述平台的信号通信和远程控制。所述电子部分由RF部分、天线、GPS接收机、处理器以及功率调节器组成。所述RF部分基于所述低成本的当前双向寻呼机的发射机和接收机部分。发射机功率被增加到近7瓦。单个900MHz直排双极天线阵(collinear dipole array antenna)用于发射和接收功能。如果另外的频率变得可用，可为到地面终端的网关RF链路(gateway RF link)加入另外的天线。可能的频率包括分配给气象仪器的1680MHz频带。如果所述SNS系统也为NWS收集气象数据，并且在所述气象辅助频带上发送此数据，则可以发送具有所述气象数据的另外的网关流量。十二信道GPS接收机和所述处理器一起在上升期间向NWS以及在整个飞行中向所述SNS NOC提供位置信息。所述NOC使用所述信息定位所述SNS平台，以确定覆盖漏洞或空隙，并通过将高度改变到适当的风速和方向来进行基本的位置调整。
图21中描述的实施例和图22中描述的侧面部分截面图示出了用于通信装置74的功率，此功率由多个轻的、大功率的电池308(a)、(b)、(c)和(d)提供。取决于业务量和平台配置，所述平台可能需要约三到十八瓦的功率。锂-二氧化硫(LiSO2)电池的成本和重量都很合适，并且在高空时的低温环境下具有很好的工作特性。所述电池被放置在间隔的交互位置，从而将最大单元容积密度维持在联邦空间安全标准所制定的最大单元容积密度要求以下。所述低单元容积密度和低总有效负载重量确保所述气球的发射在FAA规定的限制以内。有一个底部开口310，通过此开口，气象连接电缆84在可释放的电缆连接器312与容器302内部的电路板306相连接。并且，天线76相连于位于底部开口302中的天线连接314，从而使得可通过天线76从电路板306接收信号以及向电路板306发送信号。可在电路板306的组件中接收和处理来自光缆84的气象数据，或者通过天线76直接向地面终端24发送所述气象数据。有源天线稳定器316被提供以减少和阻尼天线76的运动，从而实现一致的信号接收和发送。为推动所述空中平台12和相连的通信单元74的高度调整，所述有效负载盒300包括压舱物存储室320，其中装载了压舱物318。压舱物318优选地为容易移动的铅弹(lead shot)、金属BB或球形玻璃珠，可利用诸如滑梭(shuttle)的压舱物丢落门，对其进行可控的释放，所述滑梭在开放压舱物室320中的开口和压舱物出孔324之间来回移动，从而使得如326所示意性描述的，压舱物从底部开口310坠落。为了方便以及避免存储或运输时的功率损耗，提供了手动的电路激活开关328。
有效负载盒300的顶部是气球连接轴334，其具有末梢颈顶(distal necktop)332，弹性气球连接颈330与其相连。所述气球连接颈330的尺寸适于套在所述轴上，并且被延展并向下移动到停止缘(stop lip)336，从而利用一个或多个重橡皮圈338确保其位置。为方便起见，在所述停止缘之下提供橡皮圈存储槽340。在适当的位置存储橡皮圈，以确保“新鲜的”、轻于空气的包体或气球70。优选地，通过轻气填充阀344使气球70充满氦气(He)、氢气或天然气，优选地，所述阀门位于防雨罩342之上，所述防雨罩为所述有效负载盒和其中的某些元件遮挡雨和其它降水。轻气填充阀344为轻气供应箱，诸如氦或氢供应箱，提供方便的连接，从而使得可扩大的气球在其颈部330相连到所述轴334，并然后向所连的包体或气球供应所需要量的填充气体。气体压力传感管346在所述轴的内部与连接到所述电路板的电子元件的内部气球气体压力传感器348连通。气体温度传感器350相连并且如所期望地放置在所述颈顶332处或其之上。温度传感线352向电路板306上的适当电路发送表示温度的信号。也如期望地提供了环境空气温度传感器354，以及环境空气压力传感器356，其都被连接，以将所感应的环境空气温度和所感应的环境空气压力发送到所述电路板。电池温度传感器358、有效负载温度传感器360，以及高度传感器362都被连接到电路板306，以如所期望地提供信息和输入，所述信息和输入用于远程控制并且用于通过利用电路306来维持所述空中平台12的功能。使用从气体温度传感器350、环境空气温度传感器354、气体压力传感管输入346，以及环境空气压力传感器356收集到的部分数据，来确定所述气球是否接近爆裂条件。加热和冷却装置364被相连，以控制所述有效负载盒的内部温度。随着所述空中平台上升到很高的高度，环境温度急剧下降，并且所述盒子的内部将如所期望地由所述电池或者，可选地，所述加热器364产生的热量进行加热。如果来自所述电池的热量很大，再加上，例如，强烈的太阳光照，所述内部温度可能增加到期望的工作温度以上，则可以启动所述加热和冷却装置364的冷却部分，以维持在所期望的工作温度范围。所述加热和冷却装置可以是温差电池。
为了调整所述气球的高度，具体地，为避免在所期望的最大高度以上连续上升，提供了轻气释放阀366。弹簧368保持释放阀366正常地关闭。致动杆(actuator rod)369与所述阀门366以及阀门致动线370相连，以抵抗弹簧载荷开启所述阀门。使用镍钛(NiTi)线作为致动线370。当少量电流通过所述NiTi线，导致其收缩或缩短预定量，从而使得所述释放阀门被拉开时，轻气释放阀门366抵抗所述弹簧载荷而打开，从而使得轻于空气的气体漏出。所述致动杆可通过所述容器302的顶部，优选地，通过封口(seal)371，从而使得容器内部不直接暴露于所述元件。类似地，可利用也是由镍钛(NiTi)制成的压舱物丢落致动线372启动所述压舱物滑梭门322。类似的，可由NiTi线构成有源天线稳定器316。
气象下落控制线374也可以是NiTi的，当不再获得气象数据之后，可使用它断开气象探空仪。通常，气象气球在通过同温层后爆裂。在此，所述气球将排放出一些轻气，以在期望的时段内保持在同温层高度。可利用枢轴破坏臂(pivotal destruct arm)的尖端378远程启动破坏机构74，使平台降落。所述破坏臂376上装载了弹簧，当保持释放销钉(hold releasepin)386被从保持/释放槽384中的啮合部位拉出时，其快速旋转进入，与气球外部相接触。有利地，可利用控制线388控制所述释放销钉386，其中在通过天线76或者从所述处理器接收到远程信号之后，适当地通过所述电路板启动所述控制线388。还在所述平台内部提供与所述电路板相连接的GPS天线390，用于接收来自所述GPS卫星系统的位置信息，以当所述平台在覆盖的邻接的地理区域上移动和飘浮时，帮助跟踪所述平台。
图23是根据本发明的所述平台的可选实施例的示意性侧面部分截面图，其中，用于通信电路和控制机构的电源是燃料电池400。燃料电池400可以有利地是质子交换膜(PEM)燃料电池，这种类型的燃料电池使用氢气和氧气提供电力。这种类型的系统要求氢气管402从氢气源，即，轻于空气的气球70连接到燃料电池400。为氢气进口404提供氢气循环器406，其可以很简单地是风扇406。因而，利用所述氢气管，可以从所述气球抽取氢气充入燃料电池400。并且，氢气出口408循环回到所述气球。提供了氢气管压力传感器410，以适当地检测在燃料电池处的氢气分压。这种类型的燃料电池也需要氧气供应，这可通过为氧气管412相连氧气气球414而进行提供，从而使得所述氧气气球在所述氢气气球包体的内部。构造所述氧气气球，以将氧气保持为较大的内部压力。可利用橡皮圈416将此氧气气球414连接到管412，并且氧气泵418移动并进一步通过氧气进口420将氧气从氧气气球414压进所述燃料电池。再者，为调整所述过程，提供了氧气压力传感器422。所述燃料电池反应产生水作为副产物。由于所述燃料电池产生的热量，所述水被保持在液体状态，并且如所期望地其在到达所述平台工作的较高高度而结冰之前就被排干。
图24是包含在所述有效负载盒300中并且放置在电路306上或者与其互连的SNS平台硬件的示意性框图。处理器430接收电子信号输入，并且提供电子信号输出，其与多个组件互连，用于控制所述平台的飘浮高度、温度、气球破坏、压舱物丢落等，并且还用于接收、处理以及发送从地面站、个人通信装置或者其它信息通信接收的或者向它们发送的通信信号。初始地，块432表示电池308或者燃料电池400。块434表示开/关切换328，以利用输出可用电力438启动向电源调整电路436提供电力。为简洁起见，没有在所有实例中示出对于各种操作和控制装置的单个电力连接。电力被提供到在块440的电源电压传感器以及在块442的电流源传感器，它们向模数转换器444提供信息。所述模数转换器也多样地接收来自在块446的所述有效负载和电池/燃料电池温度计的信息，以及在块448的气体和环境空气温度读数，在块450的气体压力。通常用块452表示另外的模拟信息信号。向在块454的闪存和在块456的随机存储器(RAM)提供并且从其接收各种数字化转换的信息。所述处理器可以从A/D转换器444、从闪存454以及从RAM存储器456获取所有各种输入控制数据。在所述SNS平台上升期间，由块458表示的气象包接收适当的气象数据，这包括环境温度460、在462的环境压力以及在464的环境湿度。由块496表示的天线稳定机构316依靠在466的作为所述SNS平台控制系统一部分的高度传感器信息来稳定所述天线76。发送由气象包458感应或收集的信息。例如，红外收发机468通过对应于物理光缆84的在块470的光纤，与处理器红外收发机472连接，串行气象数据通过所述光缆84和红外收发机472被发送到处理器430，以在所述SNS平台上升期间适当地传输到地面终端，其中，气象包458与所述SNS平台相连。对应于物理GPS天线390的GPS天线块474通过GPS接收机476进行通信，用串口指示所述接收机476，并且进一步利用在块478的GPS时钟或秒滴(senconds tick)对其进行同步。因而，将特定时刻的位置提供给所述处理器。此定位信息连同其它气象输入用于确定控制在所述上升的任何部分的风速，从而将所述风速与上升期间的特定高度和地理位置相对应。
由处理器430控制通信，优选地，利用900MHz收发机和调制解调器480，以及网关收发机和调制解调器482，将到和来自直排天线阵484的信号通过双工器486与在直排天线阵484接收的控制信息相连接，因此，利用通过所述双工器和所述适当的频率收发机之一向处理器430发送的来自地面信号的输入信息以及通过A/D转换器444所提供的来自携载传感器的输入信息、来自476的GPS位置信息、GPS时间信息478以及高度传感器信息466，可以控制所述SNS系统的各种功能。包括在块488的气体排出口，所述块488对应于所述气体排出口致动器370。并且，在块490控制所述压舱物丢落，块490对应于物理压舱物丢落致动器372。在块492示意性地控制所述气象包丢落，块492对应于包丢落致动器374。在块494描述了气球破坏控制，所述块494对应于破坏致动器376。根据在块496的控制可能影响天线稳定，所述块496对应于天线稳定机构316。有效负载温度控制机构，无论加热还是冷却，都在块498被控制，所述块498对应于加热器和冷却器364。可另外包括其它功能，并在块500为其提供控制。
本发明的一个实施例涉及LTA上升速度控制系统。典型的国家气象局气球系统，众所周知，由充了提升用气体的橡胶可延展气球、系到所述气球的降落伞、从所述降落伞延伸下来的绳索以及系在所述绳索一端的无线电探空仪组成。随着所述气球系统上升通过同温层，所述无线电探空仪收集并向地面站发送气象相关的数据。
国家气象局要求气象气球以每分钟1000英尺的标准速度上升。由于许多因素，使气球始终保持这样的上升几乎是不可能的，这些因素包括所述提升用气体和环境空气的压力和温度随高度的变化、气球材料的变化、制造过程以及气球上升时气球自身尺寸的物理变化。
此外，大量的NWS气象气球不能到达所期望的100000英尺的高度，因为，在其它因素中，当到达更高的高度时，气球显著膨胀，变得很薄，并且很多时候由于以上列出的相同原因过早爆裂。如果在更高高度可以减少气体量，则可以降低气球爆裂的可能性。
本发明利用上升速度控制系统来根据需要排放所述提升用气体，以将所述气球的上升速度降低到不超过每分钟1000英尺。另外，通过排放所述提升用气体，所述气球尺寸减小，增加了不爆裂而到达所述期望的100000英尺高度的可能性。
所述上升速度控制系统包括：与所述气球的颈部相连的排气机构，其能够从所述气球排放提升用气体，用于开关所述排气机构的排气致动器，用于确定所述气球系统的高度和上升速度的高度传感器，以及比较机构或电路，当所期望的上升速度大于期望值时，其控制所述排气口致动器，使排气口释放一些提升用气体。
在一个实施例中，GPS单元为处理器提供上升速度信息。所述处理器将当前的上升速度与存储在处理器的存储器中的期望的上升速度相比较。对于国家气象局气球系统，所述的期望上升速度是每分钟1000英尺。如果当前上升速度高于所述期望的上升速度，处理器指示所述致动器打开所述排气口，直到达到所期望的上升速度。
另外，可以将包含了压舱物容器、压舱物以及压舱物致动器的压舱物系统加入所述上升速度控制系统。所述处理器将当前的上升速度与存储在处理器的存储器中的最小期望上升速度相比较。如果当前上升速度低于所期望的最小上升速度，所述处理器将启动所述压舱物致动器以丢落压舱物，直到所述上升速度增加到所述期望值。
所述处理器可以首先通过滤波所述上升速度值来处理来自所述GPS单元的上升速度数据。因为GPS数据可能有噪声，可能必须进行此滤波。另外，可能出现错误数据，并需要将其从所述GPS数据中去除。对滤波或去除错误数据的需求将随GPS单元的制造和模型的不同而不同。可选地，也可使用用于确定上升速度的机械装置，而不使用来自GPS单元的上升速度信息。
另一个实施例从LTA平台进行发射机地理定位。具有为特定的无线装置进行定位的能力是极为有价值的。例如，定位丢失的装配有无线定位装置的半拖车能够为卡车公司节省数以千计的美元。定位遭遇险情的无线呼叫者将可以通过适当地引导紧急服务来营救呼叫者的生命。许多无线装置制造商将GPS集成到他们的装置中，但是由于成本、尺寸、电源电力要求、工作环境中GPS的很差的信号穿透，或者其它因素，也有很多装置没有适当地装配GPS。遗留下来的装置将继续在市场中存在，这些装置不具有提供其自身位置的能力。
本发明提供了一种通过使用从一个或多个自由漂移在较高高度的轻于空气的平台获得的信号路径延时测量来对接收的信号进行地理定位的方法。所述方法具有如下优点：本发明不需要其正在跟踪的无线装置包含诸如GPS的位置确定电路，从而减小了所述移动发射机的尺寸、成本、重量以及功率。其与当前可用的无线装置，例如，无线电话、双向寻呼机、高级通讯装置、无线因特网访问装置以及几乎任何无线信息访问装置一起工作，从而无需修改即可加入定位能力。即使使用扇形天线(sectoredantenna)，与单独使用发射塔当前正接收移动发射机信号的认识相比，这具有更高的准确度。其不需要专门的定向天线。可由单个接收机提供极大的覆盖区域。
本发明通过利用高空平台对来自无线装置的接收信号进行的多信号路径延时测量来确定所述无线装置的位置。此方法可以用于对已在由所述高空平台提供的网络中注册的无线装置进行定位，也可为在它们的网络上注册的无线装置的已有的陆基无线网络提供或补充定位能力。在后一情况下，所述高空平台仅需要测量所述无线装置的信号路径延时，而不需要解码所述无线装置的通信量。
本发明与无线发射机一起工作，所述发射机的发射与标准在时间上同步。此标准可以是GPS时间或所述接收到的无线装置所注册的网络的计时。在多数情况下，所述计时从所述平台的前向信道发送到所述无线装置。在这种情况下，在所述平台的网络上的所有无线装置将它们的计时与从所述平台接收的发送进行同步。然后，所述无线装置利用此计时发送回所述平台。因此，在所述平台从无线装置接收的信号的开始，被延时了在所述平台和所述无线装置之间的距离的信号路径延时的两倍(图25)。利用所述平台测量此信号路径延时，并之后转换为距离。从所述平台到所述无线装置之间的距离粗略用米计量＝300000000＊以秒计的测量的信号路径延时/2。
如果所述平台使用非定向天线，并且所述无线装置在地面上，以所述平台作为圆心，可以在地球表面上得到粗略的圆。所述圆的半径是从所述平台到所述无线装置的距离。所述无线装置位于所述圆上(图26)。由于所述轨迹是地球表面和与从所述平台的测量距离(从所述信号路径延时计算的距离)的交点，并且地球的地形不是球形的，所述轨迹并没有形成精确的圆。
在地球之上处于不同位置的平台从所述相同的无线装置接收所述信号，并测试信号路径延时。也将此延时转换为距离，并且如前所述，粗略地描绘出在所述无线装置的可能位置所在的地球表面上画出的圆。同样，由于地球地形，这不能形成精确的圆。这两个粗略的圆的交点给出了所述无线装置的两个潜在位置(图27)。
第三位置的平台接收来自所述相同的无线装置的信号，并测量信号路径延时。也将此延时转换为距离，并且粗略地描绘出在所述无线装置的可能位置所在的地球表面上画出的圆。同样，由于地球形状及变化的地形，这不能形成精确的圆。此圆与现有交叉的一个或两个点的交叉最终确定了所述无线装置的位置。
如上所述，所述无线装置的地理定位需要从平台或多个平台进行三次测量。主要需要每次测量时平台位置不同，从而允许圆在交叉处形成点。随着平台移动，可以使用单个平台在三个不同位置进行测量。如果所述三次测量在时间上尽可能的互相接近或者可实际上减小所述无线装置在测量之间移动的可能性，则最好。与利用其它地理定位方法一样，不需要同时进行所述测量。
尽管由于所述无线装置的移动，进行三次单独的信号路径延时测量的单个平台可能最不准确，但并不占用其它平台的资源来对一个无线装置进行定位。当所述无线装置正使用平台为其提供网络时，这尤其为真。因此，最优选的实施例是所述的单个平台地理定位。
尽管在数学上必须有三个单独的信号路径延时测量来确定无线装置在地球表面上的位置，但是，如果已经知道所述无线装置停放在地球上的某个区域以内，并且此区域相对于由前两个信号路径延时测量的交叉所获得的两个点之间的距离较小，则两次测量就足够了。可假设所述无线装置位置在接近于所述无线装置的惯常或已知最新近位置的点。
利用扇形或定向天线，在所述一个或多个平台上进行所述测量可将所需要的测量次数减小为二。例如，如果从平台或多个平台上利用3扇形天线进行两次单独测量，所述地球表面上描绘出的圆减小为120度弧。在大多数情况下，所述两个弧将仅在一个点交叉，此点即为所述无线装置的位置。
尽管方法不同，卫星和地面系统也采用各种形式的地理定位。卫星系统通常在所述无线装置上装载GPS单元，并且不需要对所述装置进行地理定位，或者，它们利用到达时间差(TDOA)计算来获得所述无线装置位置。到达时间差需要不止一个卫星同时接收所述无线装置的信号。并且，采用地理定位技术的卫星系统可以依靠天文历数据来计算所述卫星的位置。对于自由漂移的平台而言，不适用这种确定位置的数学方法，因此，需要诸如GPS的另外的传感器例如GPS来确定所述平台位置。低地卫星系统以相对于地球而言比较高的速度(通常超过17000mph)行进，因此，在它们的技术中必须考虑多普勒现象。本发明以不须进行多普勒调节的速度移动(低于100mph)。由于固定了所用的发射塔，诸如各种话音网络的地面系统不需要感应所述接收机位置。地面系统也不需要在计算所述无线装置的位置时具有更新地形地图的能力，因为相对于发射塔，地形并没有变化。本发明必须进行这些工作，因为其随风自由漂移。本发明的一个优点在于进行所述地理定位时通常不需要在自由漂移的平台上进行过多的信号滤波，因为，与地面接收机不同，在此没有邻近的大功率发射机。减少所述接收机上的滤波量意味着所需要的硬件的尺寸和重量均显著减小。
所述地理定位系统包括地面网络、一个或多个处于高空的LTA平台，以及位于地面的无线装置。所述地面网络包括由能够无线地从处于高空的LTA平台接收信号路径延时测量信息的接收机，以及至少一个能够接收来自所述接收机的数据的处理器。所述处理器能够从多个信号路径延时测量来计算距离，计算地形地图上的距离向量以确定距离圆，以及确定地形地图上的圆的交叉和点，从而确定无线装置的位置。
所述处于高空的轻于空气的平台包括：能够接收来自无线装置的信号的接收机，能够提供位置和计时信息的GPS单元，以及能够测量在计时标准和来自所述无线装置的接收信号之间的差的处理器，从所述平台到地面网络的无线数据链路，允许所述接收机向地面网络发送与信号路径延时相关的信息以及平台位置。
所述无线装置将其计时与GPS、来自所述平台或来自所述无线装置所注册的地面网络的接收的前向信道进行同步。所述平台上的接收机接收从所述无线装置发送的帧。所述处理器将来自所述接收机的接收的帧的到达时间与适当的网络或GPS的的参考计时进行比较，以得到所述信号路径延时。所述处理器通过无线数据链路向所述地面网络发送计算得到的信号路径延时和当前的平台位置。所述地面网络将所述信号路径延时转换成距离，并将计算的到所述无线装置的距离作为半径且将所述平台的位置作为圆心，计算在地球表面上的粗略圆。由于地球的地形，此圆在形状上很粗略。所述无线装置的位置位于此圆上的某处。在第二位置的平台在所述相同的无线装置上进行相同的操作，以计算在地球上的第二个粗略的圆。这两个圆的交叉形成在地球表面上的两个点。同样，在第三位置的平台在所述相同的无线装置上进行相同的操作，以计算在地球上的第三个粗略的圆，此圆与来自前述交叉的两个点中的一个交叉。此点即为所述无线装置的位置。
当所述平台对注册在地面网络上的无线装置进行定位时，为了测量所述信号路径延时，所述平台的地面网络必须访问由所述地面网络使用的计时标准以及所述无线装置正在进行通信的所述发射塔的位置，这是因为，所述延时包括从所述网络发射塔到所述无线装置的传送的信号路径延时以及从所述无线装置到所述平台的信号路径延时。在这种情况下，定位所述无线装置的粗略圆形轨迹变成椭圆，其以所述平台和所述地面发射塔作为椭圆焦点。由于所述平台处于较高高度，并且其能够接收信号的覆盖区域较大，当需要对注册在地面网络上的无线装置进行定位时，希望所述地面网络命令所述无线装置切换到更少使用的频率或专用频率。这可以减少或消除在进行所述信号路径延时测量时由所述平台观察的接收信号的数量。
取决于由所述无线装置使用的协议和帧结构，进行所述计时测量的帧的最佳特征可能变化。所述特征可以是比特或相位的开始、频率、甚至是幅度变化。
使用信号路径延时测量进行地理定位的主要误差来源在于所述无线装置本身，尤其在于所述无线装置将其发送的计时与所述接收网络计时准确匹配的能力。半双工装置在将其发送关于所述前向信道进行准确计时时存在更多的困难，因为它们必须在接收和发送之间在内部维持系统计时。另一个主要的误差来源在于所述平台的接收机的计时分辨率。例如，如果所述平台的接收机的计时测量分辨率是100ns，转换为距离误差，这将达到300000000＊0.0000001/2米，也即，15米。
优选地，本发明的LTA平台系统是自由飘浮的，以小于每小时100英里的速度移动，更优选地，以小于每小时50英里的速度移动，并且飘浮在地球表面以上60000-140000英尺之间的高度。此外，与低地轨道卫星不同，本发明的地理定位系统并不要求所述LTA平台处理多普勒频移。
大多数科学、商业以及其它气球飞行器有效负载值得花费额外的成本对其进行回收。回收有效负载的最大问题在于得知实际的着陆位置。在大多数情况下，当所述有效负载降落到所述地面站的水平线以下并且失去视线通信时，也就失去了与所述有效负载的联系。仅能够估计所述有效负载的着陆位置。如果在相对较高的高度失去与所述有效负载的通信，所述有效负载在下落时中将会漂移很长的距离，从而找到所述有效负载的着陆位置变得困难。已经将卫星遥测装置放置在所述有效负载上来解决此问题，但这仍然是一个昂贵的选择。目前，世界上的气象服务机构每年发射约800000个无线电探空仪。在这些无线电探空仪中，仅有18％能够被回收、检修和再生。一旦到达地面，国家气象局将不能对其进行定位。一种对这些有效负载进行定位的方法将显著减小丢弃在地面上的未回收有效负载的数目。
本发明使用低成本发射机向第二个在高处的气球飞行器发送已着陆的有效负载的GPS位置，从而转发到地面站，以帮助回收或确认着陆地点。这样的系统的电子元件将比卫星遥感单元要简单和便宜得多，这是因为，所述设计不需要集成对于较大多普勒频移的处理。此外，所述第二气球飞行器甚至比低地轨道卫星更接近所述着陆的有效负载，并且因此所述着陆的有效负载上的地点发射装置需要的发射功率比与与卫星进行通信所需要的要小。
所述有效负载上的位置发射装置包括：能够提供位置数据的GPS单元、能够在诸如NPCS频率的期望的频率上以诸如FLEX或POCSAG的期望的协议发送数据的发射机，能够从所述GPS单元读取数据并且向所述发射机发送数据进行发射的处理器，以及能够向所述GPS单元和所述发射机供电的电源。为了接收位置和计时数据，所述处理器被连接到所述GPS单元。所述处理器被连接到所述发射机，使得所述处理器能够无线地向所述第二个处于高处的气球发送数据。所述电源被连接，以向所述发射机和所述GPS单元供电。
所述处理器接收来自所述GPS单元的位置数据。为了确定所述有效负载是否已着陆或者邻近着陆，所述处理器查找至少两种情况。第一种情况是所述有效负载没有在改变位置(包括高度)。可能需要对所述GPS位置和高度数据进行滤波以进行此确定。所需要的滤波量取决于在一些单元提供滤波的位置数据时所使用的实际GPS单元。所述第二种情况是确定所述已着陆的负载的高度低于诸如15000英尺的存储值。由于多数气球飞行器任务在60000英尺以上进行操作，这防止所述位置发射装置在正常工作时进行发射。可加入其它条件以确保在发射开始前所述有效负载已经着陆。当所述处理器确定所述有效负载已经着陆时，所述处理器读取当前GPS位置，并将其发送到发射机，以发送到所述第二个处于高处的气球飞行器。所述处理器继续以设定的间隔，例如每30分钟一次，向所述发射机发送所述位置数据。所述第二个处于高处的气球飞行器接收所述位置发送，并将此信息中转发其地面站，以帮助回收，或者确认所述着陆地点，如图9所示。
在可选实施例中，所述发射机被替换为能够在期望的频率，诸如NPCS或BPSC频率上以所期望的双向协议，例如，ReFLEX、GSM、CDMA或iDEN进行工作的发射机。当所述地面站希望确定所述已着陆的有效负载的位置，并且第二个处于高处的气球飞行器在所述已着陆的负载的通信范围以内时，所述地面站通过所述第二个处于高处的气球飞行器向所述地点发射装置收发机发送请求。所述处理器接收所述请求，向所述GPS查询位置，并将所述位置数据发送给所述收发机，以发送到所述第二个处于高处的气球飞行器，并转发给其地面站，以帮助回收或者确认所述着陆地点，如图9所示。
可选地，所述发射机可使用低功率未许可的频率。
在诸如SmartSynch公司的CreataLink 2XT的装置中，在其处理器中集成了ReFLEX收发机。此装置可用来代替单独的收发机和处理器。
如果所述第二个处于高处的气球飞行器的任务是为诸如ReFLEX遥感单元或数字电话(使用iDEN、CDMA、GSM或其它用于话音服务的数字协议)的无线装置提供作为无线网络的服务，所述已着陆的有效负载可以在所述气球飞行器无线网络上作为另一个无线装置进行工作。这使得所述已着陆的有效负载可以进行其功能，通过简单地作为所述系统上的另一个无线装置向所述地面站报告其位置。然后，所述已着陆的有效负载可以向所述地面站发送消息或进行呼叫，以作为工作在所述气球飞行器的服务上的另一个无线装置提供其位置。
为减少成本和复杂度，对于已经在所述有效负载上的已有的处理器，其在飞行期间执行其它功能，但是当所述飞行结束时，其空闲，从而可以进行以上描述的处理功能，从而节省成本。也可由所述有效负载的已有电源提供所述位置发射装置的电力需求。
本发明的地理定位系统和方法的另一个优选应用是使用监测以及确定陆基车辆的位置，尤其是半拖车。得知半拖车的位置和移动可以在所述半拖车被偷或简单地错放时显著地减少搜索它们所需要的成本。得知所述拖车什么时候需要进行周期性维护也很重要。卡车产业已经使用安装在拖车的轮毂上的机械式轮胎转动计数器来测量所述拖车的行驶距离，这主要用于维护目的，但是，其需要人工读取。本发明提供了一种低成本的无线装置，用于远程监控半拖车位置及使用信息。
本发明使用了GPS单元、处理器、无线收发机、电源以及装载于连在半拖车车轮的轮毂上的耐天气变化的外壳中的轮胎转动传感器，从而测量所述半拖车的当前速度、行驶距离、位置以及其它使用相关值，并自动地或者在请求时通过无线网络将此信息发送回母局(host office)。
在其优选实施例中，轮胎转动传感器、收发机、电源、处理器以及GPS单元位于耐天气变化的外壳之中，所述外壳可旋转地连在所述车辆车轮的轮毂之上(图28)。由于所述耐天气变化的外壳可旋转地连在所述车轮上，其并不随着所述车轮转动，并且其重量使其总是保持直立位置。
所述处理器被连接到所述轮胎转动传感器的输出，并可与所述GPS单元进行通信，以从所述GPS单元接收位置、速度、方向以及计时信息。所述处理器还被连接到所述收发机，从而通过所述网络与母局无线地交换数据和命令。所述电源为所述GPS、处理器以及轮胎转动传感器供电。此电源可以是电池、装载在所述耐天气变化的外壳上从而外部可见的太阳能电池、利用所述车轮相对于所述外壳的转动进行发电的发电机，或者，最可能的，是这三者的组合。如果使用了所述太阳能电池或者所述发电机，则所述电池必须是可充电的。如果使用了可充电电池，充电电路接收来自所述发电机或太阳能电池的电力，并利用此电力适当地对所述可充电电池进行充电。此发电机装载在所述耐天气变化的外壳中，并被连到轮毂上，从而当所述车辆移动时，发电机轴旋转。所述太阳能电池在有日照时以及所述内部发电机在车辆移动时通过所述充电电路向所述内部的可充电电池提供电力以进行充电。当GPS不在使用中时，所述处理器去除对所述GPS的供电，或者将所述GPS置于低功率模式，以减少耗电。所述处理器还可将其自身置于低功率模式，当所述轮胎转动传感器感应到运动时，或者通过所述收发机收到来自母局的询问时，或者计时间隔经过时，将所述处理器从低功率模式唤醒。
在操作中，所述处理器监测所述轮胎转动传感器以确定车辆速度和行驶距离。如果已出现明显的轮胎转动或者当母局进行询问时，所述处理器询问GPS单元，以确定车辆位置。诸如所述半拖车的最大速度、总行驶距离，以及总行驶时间的值被存储在所述处理器的非易失性存储器中以进行传送。可选地，可以去除所述轮胎转动传感器，通过所述处理器利用诸如方向(heading)、速度以及位置的GPS数据计算速度和距离。
在计划的间隔或者在诸如所述车辆开始移动或所述车辆离开特定地理区域的特定事件从所述母局请求之后，所述处理器向所述无线收发机发送所需要的数值，以传送到所述母局。所述收发机通过ReFLEX、CDPD、GSM、CDMA、TDMA、iDENTM或者其它选择的网络与所述母局进行通信。如果所使用的网络不要求所述装置在所述网络上工作时具有接收机，则可以用发射机来代替所述收发机。
本发明的再一个实施例是一种可操纵的回收系统，其可应用于自主的、GPS导航的降落伞和滑翔机。可操纵的降落伞和滑翔机对于昂贵的有效负载的回收、在下降过程中安全地避过人口密集区域，以及特定目的地递送应用很重要。一般而言，由于所述有效负载本身非常昂贵，且所述控制系统也是所述整体成本的一部分，这些可操纵回收系统的控制系统的设计成本并不低廉。近来，大容积、低成本的气球飞行器应用使得简化的、低成本的控制系统更加重要。本发明通过采用新算法使得无需指南针和空速指示器也能工作，从而降低了自主的可操纵回收系统的整体成本。本发明可应用于科学、气象、商业以及其它领域。
可操纵回收系统需要五个输入：(1)可操纵体的当前位置；(2)可操纵体应着陆的目标位置；(3)地面轨迹向量；(4)地方性风向量；(5)飞行向量。在自主的可操纵回收系统的控制中使用所述三个不同向量，所述地面轨迹向量是所述回收系统相对于地球表面移动的方向和速度，所述地方性风向量是所述回收系统所在处的风相对于地面的方向和速度，而所述飞行向量是所述回收系统相对于所述回收系统所在处的局部区域空气的移动方向和速度。典型的自主的、GPS导航的回收系统利用GPS提供所述地面轨迹向量。携载的指南针提供所述飞行向量方向，且所述飞行向量速度由流速测定管(pitot tube)提供，或者通过从滑翔比或当前降落速度估计所述前向行进来提供。利用这两个向量，可以确定所述地方性风向量，这是因为所述地面轨迹向量是作用在所述回收系统的风(地方性风向量)和所述回收系统的局部区域空气中的速度和方向(飞行向量)的和。
本发明涉及可操纵回收系统，这可以参照图29-33总结如下。GPS提供所述回收系统的当前位置和地面轨迹向量。在开始旋转之前测量所述地面轨迹向量，从而使得其在非旋转飞行中得到测量(图29)。在本系统中，使用指南针确定所述飞行向量的方向，并且从所述回收系统的下降速度和估计的滑翔比或者通过利用空速传感器来计算所述飞行向量的速度(图30)。所述测量的飞行向量是求和形成所述地面轨迹向量的两个分量之一(图31)。通过从所述地面轨迹向量中减去测量的飞行向量来确定所述第二分量，即，所述地方性风向量。在本发明中，通过有效地使所述飞行向量为零并在所述飞行向量为零的时段上计算新的地面轨迹向量来确定所述地方性风向量。为了使所述飞行向量为零，使所述回收系统持续旋转一次全转。如果没有地方性风(地方性风等于零)，所述回收系统相对于地面的路径是圆(图32)。在所述旋转的整个时段中，由于所述回收系统在与其起动的位置纬度和经度都相同的位置处停止，所述有效的地面轨迹向量为零。由于在所述旋转期间测量的所述地面轨迹向量为零，计算得到的风也为零，这是因为，所述地面轨迹向量等于所述地方性风向量和所述飞行向量之和，并且，通过在所述旋转时段内以圆周旋转使得所述飞行向量为零。如果存在地方性风，所述回收系统的路径是被所述地方性风移动的圆。在以下的例子中，所述地方性风向量来自西方(方向为90度)(图33)。所述地方性风向量在完成所述圆的期间将所述回收系统的路径推到东边。所述回收系统的(以上)路径示出了所述地方性风如何移动所述圆的开始和结束位置。通过在所述旋转期间测量所述开始和结束位置，并将其除以完成所述整圆所用的时间，来确定所述地方性风向量。从水平飞行(在所述旋转开始之前)中得到的所述地面轨迹向量中减去所述地方性风向量，以确定所述飞行向量。通过本发明的操纵方法，所述可操纵回收系统的有效负载不需要具有指南针和空速指示器，而常规系统在确定所述飞行向量时需要用到这些。
GPS不能提供所述飞行向量的方向，因为，GPS的位置和地面轨迹向量是关于地球表面的，并没有给出关于所述回收系统在围绕其的空气中飞行的信息。所述回收系统的飞行方向参照所述地方性风。例如，如果所述回收系统以40mph的空速向西，且风速是60mph向东，GPS将提供20mph的向东的地面轨迹向量，尽管所述可操纵系统实际向西。这是需要指南针来提供所述回收系统面向的实际方向而不是所述回收系统相对于地面的方向的原因。与以上给出的原因一样，必须从所述GPS之外的资源来确定所述飞行向量速度，因为，所述飞行向量速度是空速而不是地面跟踪速度。因此，需要在所述回收系统上具有空速传感器，或者从所述回收系统的滑翔比来估计所述飞行向量速度。
由于所述地面轨迹向量是所述地方性风向量和所述飞行向量之和，如果可以去除所述飞行向量或者使其为零，则所述地方性风向量变得等于当前地面轨迹向量。本发明通过使所述回收系统在完整的圆中飞行并且在此间隔测量所述地面向量，可以使得所述回收系统通过所述局部区域空气的方向和速度(飞行向量)均为零。由于在所述回收系统上没有携载指南针，通过监测所述地面轨迹向量方向确定一次完整的旋转。当所述向量匹配旋转开始时记录的向量时，完成了一次完整的旋转。在完成所述整圆所用的时段上，由于将其平均为零，消除了所述飞行向量的所有分量。因此，作用于所述回收系统的仅有的侧向力是风。通过获取在整个转圈时间上的位置变化，可以确定所述地方性风向量。然后，通过从水平飞行中的地面轨迹向量中减去所述地方性风向量，来确定所述飞行向量。以下是确定所述地方性风向量(方向和速度)以及所述飞行方向向量时所涉及到的计算。
在飞行时进行以下测量，以消除所述飞行向量的贡献：
将所述可操纵降落伞或滑翔机置于恒定速度的旋转。尽管应选择所述速度以最小化在所述完整旋转期间的高度变化，然而，旋转速度并不重要。这将所述风向量随高度变化而引起的误差最小化。所述旋转速度尽量恒定很重要。
记录所述地面向量、位置以及时间。
开始地面向量方向(度)
开始地面向量速度(m/s)
开始纬度(小数)
开始经度(小数)
开始时间(GPS秒)
继续旋转，直到所述地面向量方向匹配旋转开始时所记录的方向。
记录当前地面位置，以及时间。
结束纬度(小数)
结束经度(小数)
结束时间(GPS秒)
利用以下的方法和公式计算所述地方性风向量和所述飞行向量。
为回到初始方向，转出(roll out)旋转，并将方向调节为维持所述初始地面轨迹向量方向。
为继续旋转到新的飞行向量方向，在转出所述旋转之前，继续旋转以下计算得到的秒数。
期望的旋转的额外度数＊(结束时间-开始时间)/360
可选地，可以从新计算得到的地方性风和飞行向量计算合适的地面轨迹向量方向。
当经过正好与开始测量的方向相同的方向时进行所述结束测量使得所述测量周期正好为一次完整的旋转。通过使所述回收系统以恒定速度飞行一个完整的圆，在从开始时间到结束时间的时段中，从所述地面轨迹向量中去除所述飞行向量的任何分量。作用于所述回收系统的仅有的侧向力是所述地方性风。通过获取在完成整个旋转的全部时间中的位置变化，可以确定所述地方性风向量。
如下计算由所述地方性风引起的在一次完整旋转中的纬度和经度变化：
Latitude_change_(弧度)＝[Start_latitude_(小数)-End_Iatitude_(小数)]＊pi/180
Longitude_change_(弧度)＝[Start_longitude_(小数)-End_longitude_(小数)]＊pi/180
将在一次完整旋转内的纬度和经度变化转换为所述地方性风的以米/秒计量的北向和东向分量需要所述非球形地球模型将纬度和经度变化转换为实际距离和速度。公式总结如下：
地球在某纬度的半径(Rn)＝Ravg/(1-Eccent＊(sin(latitude_change_(弧度))＾2))
其中，Ravg是地球的平均半径＝6378137米
且Eccent是地球的偏心率＝0.00669437999014138
Local_Winds_North_(m/s)＝Rn＊Latitude_change_(弧度)/(End_Time-Start_Time)
Local_Winds_East_(m/s)＝Rn＊cos((Start_Latitude_(小数)+End_Latitude_(小数)/2)＊pi/180)＊(Longitude_change_(弧度)/(End_Time-Start_Time)
将所述地方性风分量转换为向量(地方性风向量)。
Local_Winds_direction_(度)＝ArcTAN(Local_winds_North_(m/s)/Local_Winds_East_(m/s))
如果所述地方性风方向为负，加上360度。
Local_winds_speed_(m/s)＝SQRT(Local_Winds_North_(m/s)＾2+(Local_Winds_East_(m/s))＾2)
从来自GPS的所述地面轨迹向量和所述地方性风向量，可以确定所述飞行向量。当首先将两个向量转换为北向和东向分量时，可以容易地从所述地面轨迹向量中减去所述地方性风向量：
将所述地面轨迹向量转换为其北向和东向分量。
Ground_Track_North_(m/s)＝cos(Start_Ground_Vector_Direction_(度)＊Pi/180)＊Start_Ground_Vector_Speed_(m/s)
Ground_Track_East_(m/s)＝sin(Start_Ground_Vector_Direction_(度)＊Pi/180)＊Start_Ground_Vector_Speed_(m/s)
从所述地面跟踪分量中减去所述地方性风分量，以得到飞行分量。
Flight_North_(m/s)＝Ground_Track_North_(m/s)-Local_Winds_North_(m/s)
Flight_East_(m/s)＝Ground_Track_East_(m/s)-Local_Winds_East_(m/s)
将所述飞行分量转换为向量(飞行向量)
飞行向量方向(度)＝ArcTAN(Flight_North_(m/s)/Flight_East_(m/s))
如果飞行方向为负，加上360度。
飞行向量速度(m/s)＝SQRT((Flight_North_(m/s))＾2＝(Flight_East_(m/s)＾2)
现在已经从所述地面轨迹向量中分离出了所述飞行向量和所述地方性风向量，所述操纵控制算法可以使用它们的分量。
可以在诸如自主的、GPS导航的可操纵降落伞或滑翔机的自主回收系统的控制系统中实现以上的软件功能。典型的系统包括：至少可操纵的降落伞或滑翔机，一个或多个操纵致动器，用于位置数据、地面跟踪以及时间的GPS单元，执行上述算法的处理器以及用于所述处理器和致动器的电源。不需要空速传感器或指南针。
可操纵的降落伞包括可拉紧或放松以影响所述回收系统的旋转的操纵控制绳(steering controlline)。诸如绞盘的操纵致动器可以向一个方向转动以拽拉右转操纵控制绳，而向另一个方向转动以拽拉左转操纵控制绳。所述处理器控制所述致动器以在任何方向上进行操纵。所述处理器接收来自所述GPS单元的地面轨迹向量、位置数据以及时间。所述处理器如上所述开始整个圆，接收来自GPS的信息，并应用上述算法确定当前的飞行和地方性风向量。然后，所述处理器适当地控制所述致动器以基于其操纵算法结束或者继续所述旋转，从而到达目标降落位置。
也可以使用单独的控制绳来操纵所述降落伞。这使得降落伞主要在一个方向(方向A)旋转。所述降落伞以方向A旋转，或者在处理器控制下由所述致动器调节为直线飞行(通过保持恒定的地面跟踪方向)。所述可操纵的降落伞可被设计为在操纵绳完全松弛时具有向方向A的相反方向(方向B)的轻微旋转的自然倾向。轻微调节(拉)所述控制绳将使得所述降落伞按照所述处理器的指示以恒定的地面跟踪方向直线飞行。进一步拉所述控制绳将使得所述降落伞转向为方向A。在校正降落伞中的个别错误时，很需要这种可将所述降落伞调整为直线飞行的能力。
因为所述地方性风随着所述回收系统的降落可能变为不同的风，偶尔需要重新计算所述飞行和地方性风向量，以处理新的地方性风以及由于空气密度变化或其它因素而引起的飞行向量的变化。由于在开始测量和结束测量之间的风的不同，可能引起其它的误差。为了使所述飞行向量达到期望的准确度，需要经常进行上述的完整圆周过程。更频繁进行所述完整圆周过程的主要缺点在于在所述完整圆周过程中不能使用所述回收系统的有效前向运动。
表1示出了本发明的方法的例子，其无需使用指南针或空速指示器即可确定地方性风和飞行向量。
读完本公开后，对于本领域普通技术人员，本发明的其它变化和修改将变得很明显，并且在此公开的发明的范围仅由所附权利要求的最广义的解释进行限制，发明人对所附权利要求的有法律上的权利。
表1
可操纵回收系统例子
图例 白底黑字的值由GPS单元提供
灰底黑字的值由处理器通过公式计算得到
开始地面向量方向(度)           61
开始地面向量速度(m/s)          12
开始纬度(小数)                 33.11
开始经度(小数)                 111.858
开始时间(GPS秒)                908311
结束纬度(小数)                 33.09
结束经度(小数)                 111.87
结束时间(GPS秒)                908406
期望的旋转的额外度数           21
地方性风所引起的纬度和经度的每秒改变：
Latitude_change_(弧度)         
Figure A200480035444D00701
Longitude_change_(弧度)        
Figure A200480035444D00702
将纬度方向和经度方向的风转换为以米/秒计量的北向分量及以米/秒计量的东向分量需要非球形地球模型。公式总结如下：
Ravg                            
Figure A200480035444D00703
米
Eccent                          
Figure A200480035444D00704
地球在某纬度的半径(Rn)          
Figure A200480035444D00705
米
Local_North_winds_(m/s)              
Local_East_winds_(m/s)               
Figure A200480035444D00712
从所述北向和东向风分量计算所述地方性风向量的方向和速度。
Local_Winds_direction_(度)           
Figure A200480035444D00713
Local_winds_speed_(m/s)              
Figure A200480035444D00714
从所述地方性风向量和来自GPS的所述地面轨迹向量，可以如下确定飞行向量：
将所述地面轨迹向量转换为北向和东向分量。
Ground track North(m/s)              
Figure A200480035444D00715
Ground track East(m/s)
Figure A200480035444D00716
从所述地面轨迹向量的北向分量和东向分量中减去所述地方性风向量的北向分量和东向分量，以得到飞行分量。之所以这样做是因为所述地面轨迹向量是所述地方性风向量和所述飞行向量之和。
Flight North(m/s)                    
Figure A200480035444D00717
Flight East(m/s)                     
Figure A200480035444D00718
将所述飞行北向和东向分量转换为向量
飞行向量方向(度)                     
Figure A200480035444D00719
飞行向量速度(m/s)                    
Figure A200480035444D007110
计算相对于初始方向的改变
为继续旋转到新的飞行向量方向，在转出所述旋转之前，继续旋转以下计算得到的秒数：
以相同的倾斜角继续旋转               
Figure A200480035444D007111
秒

Claims (33)

1.一种上升速度控制系统，其控制自由飘浮的轻于空气的平台的上升速度，所述系统包括：排气致动器、高度传感器以及在所述上升速度大于预定上升速度时控制所述排气致动器的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述高度传感器确定所述自由飘浮的平台的高度和所述上升速度。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述装置确定所述上升速度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述装置位于所述自由飘浮的平台上。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：压舱物容器、压舱物以及压舱物放出致动器，当所述上升速度低于特定上升速度时，所述压舱物放出致动器控制从所述压舱物容器中放出所述压舱物。
6.一种通过上升速度控制系统控制自由飘浮的轻于空气的平台的上升速度的方法，所述上升速度控制系统包括：排气致动器、高度传感器以及在所述上升速度大于预定上升速度时控制所述排气致动器的装置，所述方法包括：确定所述上升速度以及控制所述上升速度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，控制所述上升速度包括：通过所述装置使得所述排气致动器排气。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述高度传感器或所述装置确定所述上升速度。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述装置位于所述自由飘浮的平台上。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述上升速度控制系统进一步包括：压舱物容器、压舱物以及压舱物放出致动器，当所述上升速度低于特定上升速度时，所述压舱物放出致动器控制从所述压舱物容器中放出所述压舱物，并且其中，控制所述上升速度包括从所述压舱物容器中放出所述压舱物。
11.一种利用多个自由飘浮的轻于空气的平台确定发射无线信号的装置的位置的方法，其包括：从所述多个自由飘浮的轻于空气的平台进行信号通道延迟测量，并基于所述信号通道延迟测量确定所述发射无线信号的装置的位置，其中所述多个自由飘浮的轻于空气的平台具有低于每小时100英里的相对于地球表面的速度，其飘浮在60000到140000英尺的高度，其中所述方法不需要进行多普勒频移校正。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过测量在所述发射无线信号的装置的无线信号到达时间和标准时间之间的差来进行所述信号通道延迟测量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，基于来自至少三个独立的自由飘浮的轻于空气的平台的信号通道延迟测量来确定所述发射无线信号的装置的位置。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述发射无线信号的装置位于(a)已降落在地球上的自由飘浮的轻于空气的平台上；或者(b)陆基车辆上，并且，所述装置是发射机或收发机。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，基于所述信号通道延迟测量来确定所述发射无线信号的装置的位置包括：确定从所述装置到所述多个自由飘浮的轻于空气的平台的距离，基于所述距离在地球上描绘出近似圆，并确定所述圆的交点，所述交点基本上就是所述发射无线信号的装置的位置。
16.一种用于确定包括发射无线信号的装置以及GPS单元的有效负载的位置的方法，所述方法包括：通过所述GPS单元测量所述发射无线信号的装置的位置，检查所述发射无线信号的装置的位置移动，以及将所述有效负载的位置传送给自由飘浮的轻于空气的平台。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述有效负载降落在地球上，而所述自由飘浮的轻于空气的平台飘浮在约60000-140000英尺的高度，其中，所述方法不需要进行多普勒频移校正。
18.一种用于定位和确定陆基车辆的使用的系统，所述陆基车辆包括与所述陆基车辆的轮毂相连的外壳，所述外壳包括GPS单元、发射无线信号的装置以及电源。
19.根据权利要求18所述的系统，进一步包括自由飘浮的轻于空气的平台，所述平台包括：接收无线信号的装置，其接收来自所述发射无线信号的装置的信号。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电源是太阳能电源、电池、发电机或其组合。
21.一种用于操纵可操纵系统的方法，其包括：使得所述可操纵系统在相对于在所述可操纵系统处的地方性风的圆中飞行，从而使所述可操纵系统的飞行向量为零，并且无需利用从指南针或空速指示器得到的数据即可确定所述地方性风关于地球上的位置的地方性风向量。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述可操纵系统是自主的GPS引导的可操纵系统，不需要在所述可操纵系统上装载所述指南针或所述空速指示器。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，基于所述可操纵系统的地面轨迹向量确定所述地方性风向量。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，从位于所述可操纵系统上的GPS单元获得所述地面轨迹向量。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述可操纵系统是飘浮在约60000到140000英尺高度的自由飘浮的轻于空气的平台的组成部分。
26.一种用于利用一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台确定发射无线信号的装置的位置的方法，其包括：在不同的时间间隔从所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台进行信号通道延迟测量，并基于所述信号通道延迟测量确定所述发射无线信号的装置的位置，其中，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台具有低于每小时100英里的相对于地球表面的速度，并且飘浮在60000到140000英尺的高度，其中所述方法不需要进行多普勒频移校正。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台具有一个自由飘浮的轻于空气的平台。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台具有两个自由飘浮的轻于空气的平台。
29.根据权利要求15所述的方法，其中，所述进行信号通道延迟测量进行仅两个信号通道延迟的测量。
30.根据权利要求15所述的方法，其中，通过扇形或定向天线进行所述信号通道延迟测量。
31.根据权利要求18所述的方法，其中，所述外壳进一步包括轮胎转动传感器。
32.一种用于定位和确定陆基车辆的使用的系统，所述陆基车辆包括外壳，所述外壳包括GPS单元、发射无线信号的装置以及电源，所述系统进一步包括：一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台，所述平台包括接收无线信号的装置，其接收来自所述发射无线信号的装置的信号。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述一个或多个自由飘浮的轻于空气的平台具有低于100每小时英里的相对于地球表面的速度，并飘浮在60000到140000英尺的高度，其中所述系统不需要用于多普勒频移校正的仪器。
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