同温层飞行物 【技术领域】
本发明涉及一种使用一个同温层飞行物来构造以包含光波的电磁波为基础的广域大规模通信网络的技术，尤其涉及一种在这种广域大规模通信网中使用的同温层飞行物。
背景技术
如图1中所示，到现今为止都是使用具有人造卫星(例如通信卫星)的通信系统来作为国际通信(特别是洲际通信和广域间的通信)的中介媒体。在图1中，三个通信卫星91放置在地球90的周围用于中继通信。诸如通信卫星之类的人造卫星，是与在广域内陆地和海洋中移动的交通工具和船舶进行通信以及与靠近地面上方的人造飞行器进行通信所必不可少的中介媒体。
由于以因特网为代表的各种网络变得越来越普及，因此就要求通信能够在更高速度和更广阔频带的条件下进行。迄今为止，在微波或亚毫米波段内的电磁波被用于实现在地面上的物体之间的卫星通信，这些物体包括靠近地面飞行的飞行器和通信卫星。然而，这必须使用从毫米波到光波范围内的电磁波来实现在更高速度和更宽频带条件下的通信。然而，毫米波通信和光通信还没有在卫星通信的环境中投入到实际地应用中，因为在现有技术不能补偿由于从地球表面到通信卫星之间超长的距离所引起的电磁波衰减和由于降雨和多云以及在更高电磁波频率下自身出现的电磁波衰减。
近年来，如在日本公开专利No.5-227069(JP，A，5-227069)中公开的内容，提出在距离地球表面大约20千米高的同温层中悬浮飞艇形状的平台，并且利用在同温层平台上的收发信台来中继设置在地球表面上的收发信台与通信卫星上的收发信台之间的通信。根据所述提供的系统，通过同温层平台对信号进行接收和放大，可以补偿由于降雨和多云引起的电磁波衰减，特别是降雨和多云在高速度宽频带通信所需的高频率(例如毫米波频率或更高频率)处引起的电磁波衰减。在同温层平台和通信卫星之间的通信可以使用毫米波或光波来进行，从而经济地构造广域大规模的通信网。
采用上述通信系统，对同温层平台与通信卫星之间的通信而言，不必考虑与降雨有关的衰减，并且可以忽略由大气吸收的毫米波和光波，这就可以建立一个用于同温层平台和通信卫星之间的通信的毫米波高容量通信链路。此外，在地球表面和同温层平台之间，k类衰落和管道型衰落可以被忽略，因此多径传播同样可以被忽略。它也提出不需要通信卫星而采用多个同温层平台进行中继通信的方案。
日本专利公开号为2001-177461和2001-196988(JP，P2001-177461A，和JP，P2001-196988A)的文献中也公开了使用多个同温层平台的通信系统。日本专利公开号为2000-357986和2000-78069(JP，P2000-357986A和JP，P2000-78069A)的文献中揭露了一个能够集中管理多个同温层平台的飞艇控制系统。日本的专利公开号为2000-124726(JP，p2000-124726a)的文献中公开了一种能够集中管理多个同温层平台的飞艇控制系统，并且也公开了一种用来控制在每个同温层平台上的天线支持部件的方位的机构。日本专利公开号为2000-295158(JP，P2000-295158A)的文献公开了一种在使用同温层平台的通信系统中设置在的地面站上的装置的例子。
为了构造一个用于与同温层平台进行中继通信的通信网，就必须将同温层平台保持在空中固定的位置处，并且围绕该固定的位置回转，从而防止平台的特定表面长时间受到日照，并因此防止平台上的不均衡的温度分布。当同温层平台转动时，同温层平台的主体对于与之通讯的一方的相对方向会随时变化，其中所述与之通讯的一方被认为是按照地球上的固定坐标基本上处于不变的位置。因此，同温层平台上用于无线电通信的定向天线的方向或用于光通信的望远镜的方向需要相对于同温层平台的主体进行旋转，以使定向天线或望远镜面依据地球上坐标始终处在恒定的方向。然而，使同温层平台上的多个定向天线或用于光通信的望远镜一起旋转并不是一个经济的处理方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种同温层的飞行物，它不需要控制单个定向天线或望远镜的空间方位角，就能够控制同温层平台上的多个定向天线或用于光通信的望远镜始终面向于相应的方向。
根据本发明，以上所述目的可以通过使用用于同温层中的一个同温层飞行物来实现，该同温层飞行物包括一个飞行物主体、一个设置在飞行物主体上的平台部件、以及用于检测在水平面上平台部件的方位角以及将平台部件调节成始终面向水平面内的一个恒定方向的控制装置。
优选的，该飞行物主体的外形是一种飞艇，它被构造成适于在同温层中飞行的。根据本发明的同温层飞行物最好被设置在特定地点上空的一个恒定的同温层点，并在运转过程中始终转向该恒定的同温层点。
使用上面的同温层飞行物，就可以将安装在平台部件上的多个定向天线和用于光通信的望远镜经济地始终定在相应的方向上。根据本发明的同温层飞行物可用于经济地构造一个广域大规模的通信网。
通过下面的叙述内容并参照叙述本发明实例的相应附图，本发明上述及其它目的、特征和优点将变得很明显。
【附图说明】
图1示出了一个常规的通信系统的视图；
图2是根据本发明实施例的同温层飞行物的示意图；
图3是安装在该同温层飞行物的反旋转平台部件上的各种装置的侧视图；
图4是图2中所示同温层飞行物上的控制机构的结构图；
图5表示一个由多个同温层飞行物构成的广域大规模网络的示意图。
【具体实施方式】
图2示出了根据本发明一个实施例中作为同温层飞行物的同温层平台10。如图2中所示，同温层平台10包括以飞艇外壳为外形、在同温层中使用的飞行物主体11；悬挂在飞行物主体11中心区域处的支架12；和以及用支架12支撑的反旋转平台部件13。假设把一个以天顶方向为定向、贯穿静止于空中的飞行物主体11的轴作为Z轴，将位于包含飞行物的纵向轴的平面中、垂直于Z轴延伸的轴作为X轴，并且把垂直于X轴和Z轴两者延伸的轴作为Y轴。反旋转平台部件13可以不断地绕着Z轴旋转，并且还可以通过调节机构(没有在图2中示出)在X轴与Y轴各自的角度的范围内改变它的空间方位角。
同温层平台10包含收发信台、定向天线和安装在反旋转平台部件上用于光通信的望远镜。具体地说，如图3中所示，用来与地球表面相互发送和接收信号的收发信台31和定向天线32、以及用来与通信卫星相互发送和接收信号的收发信台33和定向天线34都被安装在反旋转平台部件13上，以便实现在地球表面上收发信台与该通信卫星之间的中继通信。根据本实施例，采用激光束的光通信也可以在同温层平台10和通信卫星之间进行。因此，用于光通信的望远镜35也可以安装在反旋转平台部件13上以用于收发光信号。如果多个同温层平台10都在可见光谱区内，那么在这些同温层平台10之间就可以使用电磁波或光波来进行通信。因此收发信台36、定向天线37和用于光通信的望远镜38也被安装在反旋转平台部件13上，以便执行与其它同温层平台间的通信。在反旋转平台部件13上支持用于连接收发信台31、33、36和望远镜35、38的电路转接装置39。
以上描述的收发信台、天线、用于光通信的望远镜和电路转接装置将在下文的叙述中集体称为通信装置。
如图2中的虚线所示，支架12和反旋转平台部件13可被收回并保存在飞行物主体11中。当同温层平台10进行着陆或从地球表面起飞时，支架12和反旋转平台部件13就被保存在飞行物主体11中。虽然没有显示，但飞行物主体11包含螺旋桨和用于飞行的同温层平台10的推进能量源。
图4示出用于控制飞行中的同温层平台10上的反旋转平台部件13的空间方位角的机构。如图4所示，该空间方位角的控制机构包括一个用于检测同温层平台10绕Z轴的角度运动、同温层平台10在纵向方向的倾斜运动的角度(也就是绕Y轴的角运动的角度)、以及同温层平台10在横向方向的倾斜运动的角度(也就是绕X轴的角运动的角度)的旋转角度检测器21；根据旋转角度检测器21的检测结果来计算反旋转平台部件13相对于支架12的绕各个轴的角度位移，以便保持反旋转平台部件13相对于地面始终处于一个恒定的空间方位角的角度位移计算器22；以及根据计算出的角度位移来旋转或改变反旋转平台部件13的空间方位角的调节器23。
检测反旋转平台部件13绕Z轴角度运动的角度就相当于检测反旋转平台部件13在水平面内的方位角。检测反旋转平台部件13在纵向和横向方向上的倾斜运动的角度就相当于检测反旋转平台部件13相对于水平面的倾斜运动的角度。
旋转角度检测器21可以包含一安装在支架12或反旋转平台部件13上的惯性空间方位角检测器，例如陀螺仪以及类似物。由于同温层平台10具有一个非常大的结构，所以可以将多个GPS(全球定位系统)传感器安装在同温层平台10的不同位置上，并且同温层平台10的倾角可根据从这些全球定位系统传感器的测量数据来检测。调节器23可以包含一个已知的空间方位角控制机构，该机构能使反旋转平台部件13相对于支架12绕Z轴进行转动，并且改变反旋转平台部件13在纵向和横向方向上的倾角。
由于同温层平台10的转动，它相对于地球表面各个点的相对角度将随时变化。在同温层平台10正在转动的时候，反旋转平台部件13被控制在水平面内始终面向相同的方向，也可以绕Z轴旋转使得定向天线和用于光通信的望远镜定向在一个恒定的方向或始终朝着地球表面上一个特定的点，而不受同温层平台10的旋转运动或方向变化的不利影响。即使当同温层平台10由于气流等原因在纵向或横向方向上侧斜时，这样的倾角能够通过在水平面内的反旋转平台部件13来补偿。所以，在反旋转平台部件13上的定向天线和望远镜可以被精确地定向在一个恒定的方向或始终朝着地球表面上的一个特定点。
图5示意性的表示了一个由多个上述的同温层平台10构成的广域大规模网络。在图5中，同温层平台10中继在地球表面上的收发信台30之间的无线电通信。由于每一个同温层平台10的转动和倾斜都不会对其反旋转平台部件造成不利的影响，所以该广域大规模的网络可以使通信稳定地在同温层平台10与收发信台30之间、以及在同温层平台10之间进行。
尽管本发明的优选实施例是采用特定的术语来描述，但这些叙述仅仅是起说明性的目的，应当认识到在没有脱离本发明的精神或下述权利要求的范围的情况下可以进行各种变化和变更。