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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Relaiseinheit zur Übertragung
von Daten zwischen zwei oder mehr Kommunikationseinrichtungen.
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Besonders
in der Aufklärung
und der Forschung werden unbemannte Fahrzeuge eingesetzt, die drahtlos
ferngesteuert werden oder die ermittelten Daten drahtlos übertragen.
Die dazu eingesetzten Sendeeinrichtungen verfügen aus Gründen der Energieeffizienz oftmals
nur über
eine geringe Sendeleistung. Außerdem
bestehen häufig
Hindernisse zwischen dem Fahrzeug und dem Empfänger. Zur Verbesserung der
Funkverbindung ist es bekannt, sogenannte Relais oder Repeater einzusetzen.
Diese empfangen Daten und senden sie wieder aus, beispielsweise
auf der gleichen oder einer anderen Funkfrequenz. Ein Relais kann
auch Daten beliebiger anderer Kommunikationseinheiten weitersenden.
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Die
Erfindung betrifft eine Relaiseinheit, die als Repeater die Datenübertragung
zwischen zwei oder mehr Kommunikationseinrichtungen verbessert. Bei
einer Kommunikationseinrichtung kann es sich um eine fliegende Drohne,
ein Landfahrzeug, ein Flugzeug, ein Schiff oder eine (stationäre oder
mobile) Bodenstation handeln. Bei den übertragenen Daten kann es sich
um digitale oder analoge Daten handeln. Der Inhalt und das Format
der Daten sind unerheblich. Es kann sich beispielsweise um Sprach- oder
sonstige Audiodaten, Video- oder Bilddaten oder Messdaten handeln.
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Die
erfindungsgemäße Relaiseinheit
ist für den
temporären
Einsatz in der Luft konzipiert und weist ein Gehäuse, eine Relaiseinrichtung,
eine Energiequelle und einen Auftriebskörper auf. Der Auftriebskörper erzeugt
eine dem von der Schwerkraft verursachten freien Fall entgegenwirkende
Kraft auf die Relaiseinheit. Damit wird die Fallgeschwindigkeit der
Relaiseinheit in der Luft vermindert oder auf Null reduziert, sodass
die Relaiseinheit schwebt. Sogar ein Höhengewinn der Relaiseinheit
ist möglich.
Bei dem Auftriebskörper
handelt es sich insbesondere um einen Fallschirm oder einen gasgefüllten Ballon.
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Die
Relaiseinrichtung, die auch als Umsetzer, Transceiver oder Repeater
bezeichnet werden kann, weist einen Empfänger zum Empfang von Daten
und einen Sender zum Weitersenden der empfangenen Daten auf. Das
Weitersenden erfolgt üblicherweise
zeitlich (nahezu) verzögerungsfrei.
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Bevorzugt
wird die Relaiseinheit von einem Fluggerät wie einem UAV (Unmanned Aerial
Vehicle), einem Flugzeug, einem Ballon oder einem Satelliten in
den Luftraum entlassen oder mithilfe einer Startvorrichtung wie
einem Katapult, einem Boostertriebsatz oder einer Trägerrakete
in den Luftraum geschossen. Aufgrund des Auftriebskörpers verlängert sich
die Zeitdauer, bis die Relaiseinheit wieder auf dem Boden auftrifft
oder unter eine den Relaisbetrieb gewährleistende Mindesthöhe abgesunken
ist, gegenüber
dem freien Fall.
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Optional
verfügt
die Relaiseinheit über
eine Mehrzahl von Auftriebskörpern,
wobei die Auftriebskörper
von unterschiedlichem Typ sein können.
So kann ein Auftriebskörper
als zusätzlicher
Auftriebskörper
oder als Ersatz für
einen anderen Auftriebskörper
dienen, beispielsweise bei einem Defekt oder einer Beschädigung.
Alternativ oder zusätzlichen können die
Auftriebskörper
in einer gesteuerten zeitlichen Reihenfolge verwendet werden. In
einem Beispiel wird zunächst
ein Ballon als Auftriebskörper
verwendet, um die Relaiseinheit in der Luft schweben zu lassen.
Verliert der Ballon im Lauf der Zeit seine Füllung, so kann ein Fallschirm
als Auftriebskörper
verwendet werden, um den Fall der Relaiseinheit zu bremsen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Relaiseinheit
einen Auftriebskörperstauraum
zur Aufnahme des Auftriebskörpers und
eine Auftriebskörper-Auslöseeinrichtung
auf. Der Auftriebskörper
ist im Auftriebskörperstauraum
untergebracht, beispielsweise bis die Relaiseinheit ihre Ausgangshöhe erreicht
hat. Dann aktiviert die Auftriebskörper-Auslöseeinrichtung den Auftriebskörper, beispielsweise
indem sie eine Öffnung
im Auftriebskörperstauraum öffnet. Optional
bläst die
Auslöseeinrichtung
einen als Auftriebskörper
wirkenden aufblasbaren Ballon auf. Dazu wird beispielsweise ein
Ventil zwischen einem Gasspeicher, wie einer Kartusche, und dem
Ballon geöffnet.
Bei mehreren Auftriebskörpern
können
mehrere Auftriebskörperstauräume vorgesehen
sein, wobei in jedem Auftriebskörperstauraum
eine oder mehrere Auftriebskörper
untergebracht sind.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung enthält die Auftriebskörper-Auslöseeinrichtung
einen Höhensensor,
beispielsweise einen Drucksensor. Hat die Relaiseinheit eine vorgegebene
Höhe erreicht,
aktiviert die Auslöseeinrichtung
den Auftriebskörper.
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Bei
der Auftriebskörper-Auslöseeinrichtung kann
es sich um eine rein mechanische Einrichtung handeln. Alternativ
kann die Auslöseeinrichtung
eine Steuerelektronik enthalten, die den Auftriebskörper anhand
vorgegebener Regeln auslöst.
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Bei
der Energiequelle handelt es sich beispielsweise um eine Batterie,
einen Akku, eine Brennstoffzelle oder ein photovoltaisches Element wie
eine Solarzelle. Ein Akku kann zur Wiederverwendung der Relaiseinheit
oder in einer anderen Relaiseinheit wieder aufgeladen werden. Das photovoltaische
Element ist beispielsweise in den Auftriebskörper integriert, sodass der
Auftriebskörper
keinen Schatten auf das photovoltaische Element werfen kann.
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Die
Relaiseinheit weist bevorzugt mindestens eine Antenne auf, über die
die Daten empfangen und/oder ausgesendet werden. Bei der Antenne
handelt es sich bevorzugt um einen Kugelstrahler. Eine Antenne kann
beliebig auf oder in dem Gehäuse
der Relaiseinheit angeordnet sein.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Relaiseinheit eine
Zusatzmasse auf. Diese Zusatzmasse sorgt für eine verbesserte Ausrichtung der
Relaiseinheit und kann beispielsweise an die Missionsdauer, die
Systemanforderungen oder die Umweltbedingungen angepasst sein. Die
Zusatzmasse ist bevorzugt an der dem Auftriebskörper entgegengesetzten (inneren)
Seite des Gehäuses
angeordnet. Die Zusatzmasse ist eine Komponente, die außer ihrer
Masse zur Beeinflussung des Gewichts und der Gewichtsverteilung
der Relaiseinheit keine technische Funktion erfüllt.
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Optional
weist die Relaiseinheit eine Datenverarbeitungseinrichtung auf.
Mittels der Datenverarbeitungseinrichtung können die empfangenen Daten vor
der Weitersendung bearbeitet werden, zum Beispiel in ein anderes
Datenformat umgesetzt werden. Optional kann die Datenverarbeitungseinrichtung aus
den empfangenen Daten Parameter für den Betrieb der Relaiseinheit
extrahieren und/oder Zustandsdaten erzeugen, die den Zustand der
Relaiseinheit repräsentieren
und über
den Sender der Relaiseinrichtung ausgesendet werden. Der Zustand umfasst
beispielsweise den Zustand des Auftriebskörpers (aktiviert oder nicht),
den Zustand der Auftriebskörper-Auslöseeinrichtung
(zum Beispiel den Füllstand
des Gasspeichers), oder die Höhe und/oder
die Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit der Relaiseinheit. Weiter optional
kann die Datenverarbeitungseinrichtung als Steuerelektronik der
Auftriebskörper-Auslöseeinrichtung
dienen.
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Weiterhin
optional weist die Relaiseinheit eine Speichereinrichtung auf. In
der Speichereinrichtung können
beispielsweise die empfangenen Daten zwischengespeichert werden,
um zeitversetzt oder wiederholt weitergesendet zu werden. Die Speichereinrichtung
kann auch als Speicher für
die Datenverarbeitungseinrichtung dienen.
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Bevorzugt
sind zumindest einige der Komponenten der Relaiseinheit dämpfend im
Gehäuse
gelagert. Somit werden die Komponenten bei der Landung der Relaiseinheit
auf dem Boden geschützt,
sodass die Relaiseinheit wiederverwendbar ist. Die dämpfende
Lagerung kann durch die Verwendung von Federn oder elastischem Material
wie Gummi bewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich ist das Gehäuse so gestaltet,
dass die Relaiseinheit wiederverwendbar geschützt ist. Bevorzugt besteht
das Gehäuse
aus kugelsicherem Material, sodass ein Schuss auf das Gehäuse die
darin angeordneten Komponenten nicht beschädigt.
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Es
ist möglich,
Merkmale aus der vorgenannten Beschreibung und dem nachfolgenden
Ausführungsbeispiel
beliebig miteinander zu kombinieren oder einzelne Merkmale wegzulassen
beziehungsweise durch andere Merkmale zu ersetzen.
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Die
vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Dabei zeigt
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1 ein
System aus Kommunikationseinrichtungen und einer Relaiseinheit und
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2 den
schematischen Aufbau einer Relaiseinheit.
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Die 1 zeigt
schematisch ein System mit fünf
Kommunikationseinrichtungen und einer Relaiseinheit 1.
Die beiden Kommunikationseinrichtungen B1 und B2 sind Bodenstationen,
die drei Kommunikationseinrichtungen F1, F2 und F2 sind Fluggeräte, beispielsweise
unbemannte Drohnen. Die Relaiseinheit 1 dient als schwebende
Repeaterstation, wobei „schweben” in diesem
Fall das Halten einer konstanten Höhe ebenso einschließt wie eine
steigende oder fallende Höhenänderung,
jedoch mit geringerer Beschleunigung als beim freien Fall. Die Relaiseinheit 1 empfängt Daten
von einer oder mehreren der Kommunikationseinrichtungen und sendet
die Daten wieder aus, sodass die Daten an die anderen Kommunikationseinrichtungen
weitergeleitet werden.
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Die
Funkstrecke zwischen zwei Kommunikationseinrichtungen setzt sich
aus jeweils zwei Teilstrecken zusammen, die über die Relaiseinheit 1 verbunden
sind. Die Teilstrecke a bezeichnet die Funkverbindung zwischen der
Bodenstation B1 und der Relaiseinheit 1. Die Teilstrecke
b bezeichnet die Funkverbindung zwischen der Bodenstation B2 und der
Relaiseinheit 1. Die Teilstrecke c bezeichnet die Funkverbindung
zwischen dem Fluggerät
F1 und der Relaiseinheit 1. Die Teilstrecke d bezeichnet
die Funkverbindung zwischen dem Fluggerät F2 und der Relaiseinheit 1.
Die Teilstrecke e bezeichnet die Funkverbindung zwischen dem Fluggerät F3 und
der Relaiseinheit 1. Eine Funkverbindung zwischen der Bodenstation
B2 und dem Fluggerät
F3 erfolgt somit über
die Teilstrecken b und e, die über
die Relaiseinheit 1 verbunden sind.
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Eine
eventuelle direkte Funkverbindung zwischen zwei Kommunikationseinrichtungen
kann zusätzlich
vorhanden sein. Optional sind weitere Relaiseinheiten vorhanden,
die untereinander kommunizieren können, sodass sich eine Funkstrecke
zwischen zwei Kommunikationseinrichtungen aus mehr als zwei Teilstrecken
zusammensetzen kann, wobei jeweils zwei Teilstrecken durch eine
Relaiseinheit verbunden sind.
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Die 2 zeigt
eine schematisch den Aufbau der Relaiseinheit 1. Der Körper der
Relaiseinheit 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem
ein Fallschirmstauraum 5, eine Fallschirm-Auslöseeinrichtung 6,
eine Batterie 7 als Energiequelle, eine Datenverarbeitungseinrichtung 8,
ein Transceiver 9 und eine Zusatzmasse 10 angeordnet
sind. Ein Fallschirm 3 ist derart mit dem Gehäuse 2 verbunden,
dass der ansonsten freie Fall der Relaiseinheit 1 gebremst
wird.
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Die
Batterie 7 dient der Energieversorgung der Komponenten
der Relaiseinheit 1, insbesondere der Fallschirm-Auslöseeinrichtung 6,
der Datenverarbeitungseinrichtung 8 und des Transceivers 9.
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Der
Transceiver 9 umfasst einen Funksender, einen Funkempfänger und
mindestens eine Antenne. Der Transceiver 9 ist dazu eingerichtet,
mit dem Funkempfänger
Daten zu empfangen und unmittelbar oder verzögert auf der Empfangsfrequenz oder
einer anderen Frequenz über
den Funksender weiterzusenden. Darüber hinaus ist der Transceiver 9 mit
der Datenverarbeitungseinrichtung 8 verbunden, sodass die
Daten vor dem Weitersenden in der Datenverarbeitungseinrichtung 8 verarbeitet
werden können.
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Die
Datenverarbeitungseinrichtung 8 enthält eine Recheneinheit in Form
einer CPU, einen Festspeicher wie ein ROM, in dem Programmbefehle
und Parameter gespeichert sind, einen Speicher wie ein RAM, in dem
Daten zwischengespeichert werden können, sowie mindestens eine
Schnittstelle, über die
die Datenverarbeitungseinrichtung 8 mit dem Transceiver 9 und/oder
nicht dargestellten Sensoren wie einem Geschwindigkeitssensor oder
einem Höhenmesser
verbunden ist.
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Die
Datenverarbeitungseinrichtung 8 ist dazu eingerichtet,
die empfangenen Daten zu verarbeiten, insbesondere zwischenzuspeichern,
in ein anderes Format zu konvertieren oder Teile der Daten zu entfernen, bevor
die Daten zum Weitersenden an den Transceiver 9 übertragen
werden. Außerdem
ist die Datenverarbeitungseinrichtung 8 dazu eingerichtet,
Befehle oder Parameter aus den empfangenen Daten zu extrahieren,
die den Betrieb oder den Zustand der Relaiseinheit 1 beeinflussen
oder steuern. Weiterhin ist die Datenverarbeitungseinrichtung 8 dazu
eingerichtet, Zustandsparameter, die den Zustand der Relaiseinheit 1 repräsentieren,
in Daten umzuwandeln, die über
den Transceiver 9 ausgesendet werden, beispielsweise an
eine der Bodenstationen B1 oder B2.
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Die
Zusatzmasse 10 ist so gewählt, dass der Körper der
Relaiseinheit 1 ein Gewicht aufweist, bei dem sich der
Fallschirm 3 zuverlässig öffnet und
der Fallschirm 3 zuverlässig
gespannt bleibt. Durch die Platzierung im unteren Teil des Gehäuses 2 bewirkt die
Zusatzmasse 10 darüber
hinaus eine stabile Ausrichtung der Relaiseinheit 1. Die
Zusatzmasse 10 ist so gewählt, dass die Relaiseinheit 1 bei
gegebenen Eigenschaften des Fallschirms 3 und vorgegebener Abwurfhöhe für eine vorgegebene
Zeitdauer oberhalb einer Mindesthöhe bleibt, die zur Aufrechterhaltung
der Relaisfunktionalität
erforderlich ist.
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Vor
dem Einsatz der Relaiseinheit 1 ist der Fallschirm 3 im
Fallschirmstauraum 5 innerhalb des Gehäuses 2 untergebracht.
Die Relaiseinheit wird dann in den Luftraum eingebracht, beispielsweise von
einem Flugzeug abgeworfen. Die Fallschirm-Auslöseeinrichtung öffnet eine Öffnung im Gehäuse 3 beziehungsweise
dem Fallschirmstauraum 5, sodass sich der Fallschirm 3 entfalten
kann. Der Zustand nach dem Entfalten ist in der 2 dargestellt.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
sendet die Datenverarbeitungseinrichtung einen Auslösebefehl
an die Fallschirm-Auslöseeinrichtung 6,
die den Fallschirm 3 aktiviert, wenn vorgegebene Bedingungen
erfüllt
sind. Mögliche
Bedingungen sind unter anderem die Höhe der Relaiseinheit 1 oder
eine Zeitdauer nach dem Abwurf aus dem Flugzeug. Dazu ist die Datenverarbeitungseinrichtung 8 mit
einem Höhensensor
in der Relaiseinheit 1 verbunden und/oder weist einen Timer
auf. Alternativ sendet eine der Bodenstationen B1 oder B2 Befehlsdaten
an die Relaiseinheit 1, die einen Befehl zum Aktivieren
des Fallschirms 3 enthalten. Der Transceiver 9 empfängt die Befehlsdaten,
extrahiert den Auslösebefehl
und leitet ihn an die Fallschirm-Auslöseeinrichtung 6 weiter.
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Anstatt
des Fallschirms 3 kann auch ein nicht dargestellter Ballon
als Auftriebskörper
verwendet werden. Dazu weist die Auslöseeinrichtung 6 eine Gaskartusche,
die komprimiertes Gas enthält,
und ein Ventil auf, das von der Datenverarbeitungseinrichtung 8 gesteuert
wird. Über
das Ventil kann der Ballon gezielt mit Gas gefüllt werden, sodass sich die vertikale
Geschwindigkeit der Relaiseinheit 1, also die Steig- oder
Sinkgeschwindigkeit, regulieren lässt. Der Ballon entfaltet sich
aus dem Stauraum 5 heraus, wenn es mit dem Gas befüllt wird.
Auch ist die Verwendung von mehreren Fallschirmen, mehreren Ballons
oder einer Kombination aus einem oder mehreren Fallschirmen und
einem oder mehreren Ballons möglich,
beispielsweise in einer der Situation oder den Umweltbedingungen
angepassten Reihenfolge.
