JP2023520467A - 高高度プラットフォームの運動を補償するためのアンテナビーム生成の制御 - Google Patents

高高度プラットフォームの運動を補償するためのアンテナビーム生成の制御 Download PDF

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Abstract

成層圏においてあるパターン（６０４）で移動して、目的領域にカバレッジを提供し、目的領域に対して相対的な高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）（１０２、２００、４００、６０３）の移動を補償するように構成された、ＨＡＰ用の方法およびアンテナシステムが提供される。ＨＡＰの移動は監視されている（９０５）。ＨＡＰが目的領域に対して相対的に移動した（９１０）、かつ、相対的な移動に基づいて、ＨＡＰにおける複数のアンテナのうちの第１のアンテナが目的領域のうちの選択された部分をカバーできなくなった（９１５）と判断されると、ＨＡＰの移動に起因して目的領域に提供される通信サービスが中断されないように、目的領域のうちの選択された部分をカバーするために複数のアンテナのうちの第２アンテナに切り替えることによって、アンテナによって送信されたビームを調整するためにＨＡＰにおけるアンテナアレイ切替回路が使用される（９２０）。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０２０年４月２日に出願された米国特許出願第１６／８３８，０７７号の利益を主張し、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。
インターネット、セルラデータネットワーク、および他のシステムを介したテレコミュニケーションコネクティビティは、世界の多くの地域で利用可能である。しかしながら、そのようなコネクティビティが利用可能でない、信頼性がない、または自然災害により停電を受ける場所が多く存在する。いくつかのシステムは、成層圏に位置する衛星または他の高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）を介して、遠隔地またはネットワークインフラストラクチャが限られた場所にネットワークアクセスを提供することができる。ＨＡＰは、互いに、ならびに地上ネットワーク機器およびモバイルデバイスと通信して、例えばロングタームエボリューション（ＬＴＥ）規格によるテレコミュニケーションコネクティビティを提供し得る。
ＨＡＰは、それぞれのビームを介して地上の異なる領域にインターネットサービスを提供する複数のセクタを有する通信プラットフォームを含む。生成されるビームが狭いほど、アンテナの利得がより良好になり、リンクバジェットがより良好になる。所望のカバレッジエリアはいくつかのビームを含み得、各ビームは、クライアントデバイスの視点から異なるセクタに対応する。
所与のＨＡＰが選択された位置にサービスを提供する場合、「軌道維持（ｏｎ ｓｔａｔｉｏｎ）」に留まるための操作または他の是正処置を行う必要があり得る。ＨＡＰおよびその是正処置のタイプに応じて、それが発射するビームは、急速な速度で地上に対して相対的に移動（例えば、回転）し得る。この移動は、繰り返されるハンドオーバまたは通信プラットフォームのセクタのための他の調整を要求し得、それにより、処理要求が増加し、通信遅延が生まれ、ＨＡＰおよびクライアントデバイスのバッテリを消耗させ得る。いくつかのハンドオーバの問題は、デジタルビーム形成（ＤＢＦ）を介して対処され得る。しかしながら、ＤＢＦは、より高い周波数でより多くの阻止が必要となり得る多数のアンテナ素子が要求され得ることから電力および機器の重量の観点で高価であり得る。さらに、パラボラリフレクタアンテナを使用する場合、走査角度は数度に限られ、それゆえ、ＨＡＰの移動を追跡することは困難または不可能である。
位置保持の間、例えば、ＨＡＰが円形または他のパターンで空中を移動する場合に、通信プラットフォームのセクタは地上に対して相対的に急速な速度で回転し得る。一例において、ユーザ機器（ＵＥ）または他のクライアントデバイスは、１０～２０秒ごとに新しいビームに遭遇し得る。これにより、ＵＥは、アイドルモードの間に繰り返しの再選択、または接続モードの間に複数のハンドオーバを実行させられ得る。これは、ＵＥの電池寿命を著しく低下させ、テレコミュニケーションシステムのスループットに対して不利な影響を及ぼし得る。
このことを考慮して、本技術の態様によれば、目的領域の上に位置を保持する、専用のアンテナ構造がＨＡＰに対して採用される。これらの構造により、デジタルビーム形成の制約が回避され、成層圏において動作するものなどのモバイルＨＡＰに強固なアーキテクチャが提供される。
一態様において、高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）用のアンテナシステムは、成層圏においてあるパターンで移動して、目的領域に通信サービスを提供するために提供され、アンテナシステムは、前記目的領域に対して相対的な、成層圏における前記ＨＡＰの移動を補償するように構成されている。前記アンテナシステムは、コントローラと、複数のビームに関連付けられた通信信号を前記コントローラから受信するように構成されたアンテナアレイ切替回路と、前記アンテナアレイ切替回路に動作可能に結合された複数のアンテナであって、前記複数のアンテナの各々が、前記目的領域のうちの選択された部分に通信サービスを提供するビームを送信するように構成されている、複数のアンテナとを含む。
前記コントローラは、前記ＨＡＰが前記成層圏において前記目的領域に対して相対的に移動したと判断することと、前記相対的な移動に基づいて、前記複数のアンテナのうちの第１のアンテナが前記目的領域のうちの前記選択された部分をカバーすることができなくなったと判断することと、前記目的領域に提供される前記通信サービスが前記ＨＡＰの前記移動に起因して中断されないように、前記目的領域のうちの前記選択された部分をカバーするために前記複数のアンテナのうちの第２のアンテナに切り替えることによって、前記アンテナアレイ切替回路に、前記複数のアンテナにより送信される前記ビームを調整させることとを行うように構成されている。
前記複数のアンテナは、フェーズドアンテナアレイまたはノンフェーズドアレイのいずれかを形成してよい。前記複数のアンテナは円筒アンテナであってよい。前記円筒アンテナの各々は、蒲鉾型の反射器の軸に沿って配置された２つの給電部を有する２素子給電反射器を含み、前記給電部の各々が、方位角または仰角で走査するために変数である位相を有する。センタービームおよび前記センタービームを取り囲む任意の外部ビームは、少なくとも４０ｋｍの直径を有する前記目的領域をカバーするように構成されてよい。前記複数のビームは、少なくとも、センタービームの周りに配置された外部ビームのセットを含む。前記外部ビームのセットは少なくとも６つのビームを含んでよい。前記アンテナアレイ切替回路が、フィード信号を前記複数のアンテナにルーティングするように構成されたフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含んでよい。前記複数のアンテナは環状アンテナであってよい。前記複数のアンテナへの給電は、前記ＨＡＰの前記移動を補償するために切り替えられてよい。前記複数のアンテナへの前記給電の各々は、仰角または方位角のうちの少なくとも１つに基づいて選択されてよい。ＨＡＰは、アンテナシステムを備えて、アンテナシステムに動作可能に結合された推進システムを動作させるように構成されてよい。推進システムは、目的領域に対して相対的な、成層圏におけるＨＡＰの位置を調整するように構成されてよい。
別の態様において、成層圏においてあるパターンで移動して目的領域にカバレッジを提供し、前記目的領域に対して相対的な前記ＨＡＰの移動を補償するように、ＨＡＰを制御する方法提供され、前記方法は、コントローラによって、前記成層圏における前記ＨＡＰの移動を監視する段階と、前記コントローラによって、前記ＨＡＰが前記成層圏において前記目的領域に対して相対的に移動したと判断する段階と、前記コントローラによって、前記相対的な移動に基づいて、前記ＨＡＰにおける複数のアンテナのうちの第１のアンテナが前記目的領域のうちの選択された部分をカバーできなくなったと判断する段階と、前記目的領域に提供される前記通信サービスが前記ＨＡＰの前記移動に起因して中断されないように、前記目的領域のうちの前記選択された部分をカバーするために前記複数のアンテナのうちの第２のアンテナに切り替えることによって、前記コントローラによって、前記ＨＡＰにおけるアンテナアレイ切替回路に、前記複数のアンテナにより送信されたビームを調整させる段階とを備える。
本技術の態様による例示的なシステムの機能図である。
本技術の態様による気球構成を示す。
本技術の態様による例示的なペイロード配置である。
本技術の態様による、横推力を有する気球プラットフォームの一例である。
本技術の態様によるカバレッジ例を示す。
本技術の態様による、位置保持およびビーム回転の一例を示す。
本技術の態様によるアンテナ構成を示す。 本技術の態様によるアンテナ構成を示す。 本技術の態様によるアンテナ構成を示す。 本技術の態様によるアンテナ構成を示す。
本技術の態様によるアンテナシステムを示す。
本技術の態様による方法のフローチャートである。
［概要］
図１は、上で説明した気球または他の高高度プラットフォームの一団が使用され得る例示的なシステム１００を示す。この例は、本開示の範囲または本明細書で説明される特徴の有用性を限定するものと見なされるべきではない。システム１００は気球ネットワークと見なされてよい。この例では、気球ネットワーク１００は、気球１０２Ａ～Ｆ、ならびに地上の基地局１０６および１１２などの複数のデバイスを含む。気球ネットワーク１００はまた、以下でより詳細に論述されるようなテレコミュニケーションサービスをサポートする様々なデバイスなどの複数の追加のデバイス（図示せず）、またはネットワークに参加し得る他のシステムを含んでよい。
システム１００内のデバイスは、互いに通信するように構成される。一例として、気球は、気球間通信を促進するために通信リンク１０４および／または１１４を含んでよい。例として、リンク１１４は、無線周波数（ＲＦ）信号（例えば、ミリメートル波送信）を採用し得る一方、リンク１０４は自由空間光伝送を採用する。代替的に、全てのリンクは、ＲＦ、光、またはＲＦおよび光伝送の両方を採用するハイブリッドであり得る。このように、気球１０２Ａ～Ｆは、データ通信のためのメッシュネットワークとして集合的に機能し得る。気球のうちの少なくともいくつかは、ＲＦおよび／または光リンクであり得るそれぞれのリンク１０８および１１０を介して地上局１０６および１１２と通信するように構成され得る。
１つのシナリオでは、所与の気球１０２は、光リンク１０４を介して光信号を送信するように構成され得る。ここで、所与の気球１０２は、１つまたは複数の高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用して光信号を送信してもよい。代替的に、気球１０２のうちのいくつかまたは全ては、光リンク１０４上での自由空間光通信のためのレーザシステムを含んでよい。他のタイプの自由空間通信が可能である。さらに、光リンク１０４を介して別の気球から光信号を受信するために、気球は１つまたは複数の光受信機を含んでよい。
気球はまた、それぞれの通信リンクを介した地上局との通信のために、様々なＲＦ空中インタフェースプロトコルのうちの１つまたは複数を利用してよい。例えば、気球１０２Ａ～Ｆのうちのいくつかまたは全ては、他の可能性の中でも、ＩＥＥＥ ８０２．１１（ＩＥＥＥ ８０２．１１改定のいずれも含む）に記載される様々なプロトコル、セルラプロトコル、例えばＧＳＭ（登録商標）、ＣＤＭＡ、ＵＭＴＳ、ＥＶ－ＤＯ、ＷｉＭＡＸ（登録商標）、および／もしくはＬＴＥ、５Ｇ、ならびに／または長距離通信のために開発された１つもしくは複数の専用プロトコルを使用して、ＲＦリンク１０８を介して地上局１０６および１１２と通信するように構成されてよい。ＬＴＥ通信を使用する一例では、基地局は進化型ＮｏｄｅＢ（ｅＮｏｄｅＢ）基地局であり得る。別の例では、基地局はベーストランシーバステーション（ＢＴＳ）基地局であり得る。これらの例は限定するものではない。
いくつかの例では、リンクは、ＨＡＰ対地上通信のための所望のリンク容量を提供しない場合がある。例えば、地上ゲートウェイからバックホールリンクを提供するために容量増大が望ましい場合がある。したがって、例示的なネットワークはまた、ネットワークの様々な気球と地上の基地局との間で大容量空中対地上リンクを提供し得る気球を含んでよい。例えば、気球ネットワーク１００において、気球１０２Ｆは、局１１２と直接通信するように構成され得る。
ネットワーク１００における他の気球のように、気球１０２Ｆは、リンク１０４を介した１つまたは複数の他の気球との通信（例えば、ＲＦまたは光）のために動作可能であり得る。気球１０２Ｆはまた、光リンク１１０を介した地上局１１２との自由空間光通信のために構成され得る。したがって、光リンク１１０は、気球ネットワーク１００と地上局１１２との間の大容量リンク（ＲＦリンク１０８と比較して）として機能し得る。加えて、気球１０２Ｆは、地上局１０６とのＲＦ通信のために動作可能であり得る。他の場合において、気球１０２Ｆは、気球対地上通信のために光リンクのみを使用し得る。
気球１０２Ｆには、自由空間光通信システムに代えて、またはそれに加えて、気球対地上通信のための専用の高帯域幅ＲＦ通信システムが搭載されてよい。高帯域幅ＲＦ通信システムは、光リンク１０４のうちの１つと実質的に同じ容量を有するＲＦリンクを提供し得る超広帯域システムの形態を取ってよい。
さらなる例では、気球１０２Ａ～Ｆのいくつかまたは全てを、地上ベースの通信リンクに加えて、またはその代替として、宇宙ベースの衛星および／または他のタイプのＨＡＰ（例えば、ドローン、飛行機、飛行船など）との通信リンクを確立するように構成することができる。いくつかの実施形態では、気球は、光またはＲＦリンクを介して衛星または高高度プラットフォームと通信し得る。しかしながら、他のタイプの通信構成が可能である。
上述したように、気球１０２Ａ～Ｆは、メッシュネットワークとして集合的に機能し得る。より具体的には、気球１０２Ａ～Ｆは自由空間光リンクまたはＲＦリンクを使用して互いに通信し得るため、気球は、自由空間光またはＲＦメッシュネットワークとして集合的に機能し得る。メッシュネットワーク構成において、各気球は、それに向けられたデータを受信し、かつデータを他の気球にルーティングするように動作可能であるメッシュネットワークのノードとして機能し得る。そのため、データは、ソース気球とデスティネーション気球との間のリンクの適切なシーケンスを判断することによって、ソース気球からデスティネーション気球へとルーティングされ得る。
気球が互いに対して相対的に、および／または地上に対して相対的に移動するにつれてネットワークトポロジが変更され得る。それに応じて、気球ネットワーク１００は、メッシュプロトコルを適用して、ネットワークのトポロジの変更につれてネットワークの状態を更新し得る。気球ネットワーク１００はまた、所望のネットワークトポロジの提供に役立てるために、風および高度の制御または横推力を使用する位置保持機能を実装し得る。例えば、位置保持は、気球１０２Ａ～Ｆのうちのいくつかまたは全てが、ネットワークにおける１つまたは複数の他の気球に対して相対的な一定の位置（および、場合によっては、地上局またはサービスエリアに対して相対的に一定の位置）を維持する、および／またはその一定の位置へと移動することを伴い得る。このプロセスの一環として、各気球は、その所望のトポロジを判断し、かつ、必要に応じて、どのようにして所望の位置に移動する、および／またはその所望の位置決めを維持するかを判断するために、位置保持機能を実装し得る。例えば、気球は、目的領域の上で位置を保持する間に、気流に乗ったことに応じて移動し得るか、または円形もしくは他のパターンで移動し得る。
所望のトポロジは、特定の実装例、および気球が連続的に移動しているかどうかに応じて異なり得る。いくつかの場合において、気球は、実質的に均一なトポロジを提供するために位置保持を実装し得、気球は、それら自体を気球ネットワーク１００における隣接する気球から実質的に同じ距離（または一定の距離範囲内）に配置するように機能する。代替的には、気球ネットワーク１００は、気球が様々な理由で特定領域内でより密にまたはより密ではなく分配されている不均一なトポロジを有してよい。一例として、より高い帯域幅の需要を満たすのに役立つために、気球は、需要がより大きいエリア（例えば、都市圏）上でより密にクラスタ化されてよく、需要がより少ないエリア（例えば、大きな水域）でより密ではないようにクラスタかされてよい。加えて、例示的な気球ネットワークのトポロジは、ネットワークの所望のトポロジにおける変更に従って気球がそれらそれぞれの位置決めを調整することを可能にするように適合可能であり得る。
気球以外には、ドローンが、自律的な様式でルートを飛行し、空中写真のためにカメラを携行し、商品をある場所から別の場所へと運搬し得る。「無人航空機（ＵＡＶ）」および「飛行ロボット」という用語は、多くの場合、ドローンの類義語として使用される。用途の範囲は広範囲に及び、これには、工業プラントおよび農業地の空中からの監視、ならびに災害時の場合の最初のレスポンダのサポートが含まれる。いくつかの用途では、単一のドローンよりもドローンのチームが採用されることが有益である。複数のドローンは、所与の領域をより速くカバーすることができる、または、異なる視点からの写真を同時に撮ることができる。
図１の気球は、成層圏に配備された高高度気球であり得る。一例として、高高度気球ネットワークにおいて、気球は、一般的に、強風への気球の曝露および商業用飛行機との干渉を制限するために、成層圏の高度、例えば、５０，０００フィート（１５，２４０メートル）～７０，０００フィート（２１，３３６メートル）、またはそれより高いもしくは低い高度で動作するように構成され得る。気球が、風が様々な気球の位置に対して非対称の様式で影響を及ぼし得る成層圏において信頼性のあるメッシュネットワークを提供するために、気球は、風がそれぞれの気球をそれぞれ所望の位置に運ぶように、それらそれぞれの高度を調整することによって互いに対して相対的に横方向および／または長手方向に移動するように構成され得る。横方向の推力はまた、気球の伝搬経路に影響を及ぼすために採用され得る。
例示的な構成において、高高度気球プラットフォームは、様々な他のコンポーネントと共に、外被およびペイロードを含む。図２は、図１の気球のいずれかを表し得る高高度気球２００の一例である。示されるように、例示的な気球２００は、外被２０２と、ペイロード２０４と、その間の連結部材（例えば、ダウンコネクト）２０６とを含む。少なくとも１つのゴアパネルが外被を形成し、これは、内部に加圧浮揚ガスを維持するように構成されている。例えば、気球は過圧気球であり得る。上部プレート２０８は、外被の上段に沿って配置されてよく、一方、基部プレート２１０は、上部の場所の反対にある外被の下部に沿って配置されてよい。この例では、連結部材２０６は、ペイロード２０４を基部プレート２１０に接続している。
外被２０２は様々な形状および形態であり得る。例えば、外被２０２は、ポリエチレン、マイラー、ＦＥＰ、ゴム、ラテックスもしくは他の薄膜材料などの材料、または、内側もしくは外側に繊維補強が埋め込まれたこれらの材料の複合ラミネートで作成されてよい。要求される強度、ガスバリア、ＲＦ、および熱特性を発揮するために、他の材料やそれらの組み合わせ、または積層体を採用してもよい。さらに、外被２０２の形状およびサイズは、特定の実装例に応じて異なり得る。加えて、外被２０２には異なるタイプの気体、例えば空気、ヘリウム、および／または水素が充填され得る。他のタイプの気体、およびそれらの組み合わせもまたは可能である。形状には、球体および「かぼちゃ」などの典型的な気球形状、または、対称であり、形状揚力を提供し、もしくは形状を変更可能である空気力学的形状が含まれ得る。揚力は、揚力ガス（例えば、ヘリウム、水素）、導電性表面の静電帯電、空気力学的な揚力（翼の形状）、空気移動デバイス（プロペラ、フラップ翼、静電気的推進など）、または揚力技法の任意のハイブリッドの組み合わせからもたらされ得る。
図３に示される一例によれば、気球プラットフォームのペイロード３００は、１つまたは複数のプロセッサ３０４と、メモリ３０６の形態のオンボードデータストレージとを有する制御システム３０２を含む。メモリ３０６は、プロセッサにより実行され得る命令を含む、プロセッサ３０４によってアクセス可能な情報を格納する。メモリ３０６はまた、プロセッサによって取得、操作、または格納され得るデータを含む。メモリは、プロセッサによりアクセス可能な情報を格納できる任意の非一時的なタイプのもの、例えば、ハードドライブ、メモリカード（例えば、サムドライブまたはＳＤカード）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および他のタイプの書き込み可能なリードオンリメモリであり得る。命令は、プロセッサによって、機械コードなど直接的に実行される命令、またはスクリプトなど間接的に実行される命令の任意のセットであり得る。その点で、「命令」、「アプリケーション」、「段階」、および「プログラム」という用語は、本明細書において区別なく使用され得る。命令は、１つまたは複数のプロセッサによる直接処理のためにオブジェクトコードフォーマットで、または、スクリプト、もしくは要求に応じて解釈されるかもしくは事前にコンパイルされる独立したソースコードモジュールの集合体を含む他の任意のコンピューティングデバイス言語で格納され得る。データは、命令に従って１つまたは複数のプロセッサ３０４によって取得、格納、または修正され得る。
１つまたは複数のプロセッサ３０４は、市販のＣＰＵなど、任意の従来のプロセッサを含むことができる。代替的には、各プロセッサは、ＡＳＩＣ、コントローラ、または他のハードウェアベースのプロセッサなどの専用コンポーネントであり得る。図３は、プロセッサ３０４、メモリ３０６、および制御システム３０２の他の要素を、同じブロック内にあるものとして機能的に示しているものの、システムは実際には、同じ物理的筐体内に格納されていてもされていなくてもよい複数のプロセッサ、コンピュータ、コンピューティングデバイス、および／またはメモリを含み得る。例えば、メモリは、制御システム３０２のものとは異なる筐体に位置したハードドライブまたは他の記憶媒体であり得る。したがって、プロセッサ、コンピュータ、コンピューティングデバイス、またはメモリへの言及は、並列して動作してもよいししなくてもよい、プロセッサ、コンピュータ、コンピューティングデバイス、またはメモリの集合体への言及を含むことが理解されるであろう。
ペイロード３００はまた、多数の異なる機能を提供するために、様々な他のタイプの機器およびシステムを含んでもよい。例えば、示されるように、ペイロード３００は、上で論述したように、ＲＦおよび／または光リンクを介して信号を送信し得る１つまたは複数の通信システム３０８を含む。例のみとして、通信システム３０８は、ＬＴＥまたは他のテレコミュニケーションサービスを提供し得る。通信システム３０８は、１つまたは複数の送信機および受信機（または送受信機）、１つまたは複数のアンテナ、および１つまたは複数のベースバンドモジュールなどの通信コンポーネントを含む。以下でさらに論述するように、各アンテナは、多数の地上のユーザのためのカバレッジを提供する異なるビームを有する複数のセクタを有し得る。
ペイロード３００は、気球の様々なコンポーネントに電力を供給するための電源３１０も含むものとして示されている。電源３１０は、１つまたは複数の再充電可能なバッテリ、または、キャパシタもしくは再生燃料電池のような他のエネルギー貯蔵システムを含み得る。さらに、気球３００は、電源に加えて、またはその一部として、発電システム３１２を含み得る。発電システム３１２は、ソーラーパネル、貯蔵エネルギー（熱風）、相対風力発電、または不均一大気帯電（図示せず）、またはそれらの任意の組み合わせを含んでよく、電源３１０を充電するおよび／またはそれにより分配される電力を生成するのに使用され得る。
ペイロード３００は、測位システム３１４をさらに含んでよい。測位システム３１４は、例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）、慣性航法システム、および／または星追跡システムを含み得る。測位システム３１４は、加えてまたは代替的に、様々な運動センサ（例えば、加速度計、磁力計、ジャイロスコープ、および／またはコンパス）を含み得る。
ペイロード３００は、制御システム３０２とは別の、または部分的もしくは完全に組み込まれたナビゲーションシステム３１６を含んでよい。ナビゲーションシステム３１６は、所望のトポロジまたは他のサービス要件に従った位置内に位置を維持する、またはそこに移動するために、位置保持機能を実装し得る。特に、ナビゲーションシステム３１６は、風データ（例えば、オンボードおよび／またはリモートセンサから）を使用して、高度および／または横方向の位置調整を判断し得、これにより、風によって気球を所望の方向および／または所望の位置に運ばれる。横方向の位置調整はまた、ペイロードとは別個の横方向測位システムによって直接扱われてもよい。代替的には、高度および／または横方向の調整は、中央制御位置によって計算され、地上ベース、空中ベース、または衛星ベースのシステムによって送信されて高高度気球に通信されてよい。他の実施形態において、特定の気球は、他の気球のために高度および／または横方向の調整を計算し、調整コマンドをそれらの他の気球に送信するように構成されてよい。
横方向の位置または速度を変更するために、プラットフォームは横推力システムを含んでよい。図４は、図１の気球のいずれかを表し得る、プロペラベースの横推力を有する気球プラットフォームの１つの例示的な構成４００を示す。示されるように、例４００は、外被４０２、ペイロード４０４、および、外被４０２とペイロード４０４との間に配置されたダウンコネクト部材４０６を含む。ペイロード４０４と外被４０２との間のケーブルまたは他の配線は、ダウンコネクト部材４０６内を通され得る。１つまたは複数のソーラーパネルアセンブリ４０８が、ペイロード４０４または気球プラットフォームの別の部分に結合され得る。ペイロード４０４およびソーラーパネルアセンブリ４０８は、例えば、ソーラーパネルアセンブリ４０８を太陽と位置合わせして発電を最大化するために、ダウンコネクト部材４０６の周りで回転する（例えば、最大で３６０°の回転）ように構成されてよい。例４００はまた、横推力システム４１０を示す。横推力システム４１０の本例は１つの可能性である一方、その位置はまた、ペイロードセクション４０４の前方および／もしくは後方、または外被セクション４０２の前方および／もしくは後方、または、所望の推力ベクトルを提供する任意の他の位置であってよい。
ナビゲーションシステムは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）および／もしくは差分ＧＰＳなどのオンボードナビゲーションセンサから取得したデータ、受信したデータ（例えば、天候情報）、ならびに／または、健康状態および性能センサ（例えば、力トルクセンサ）などの他のセンサを評価して、気球のシステムの動作を管理することができる。例えば位置保持のために横推力システムを起動する判断がなされると、ナビゲーションシステムは、位置、風の方向、高度、および電力の可用性のために受信したセンサデータを活用して、特定の期間にわたって、または、特定の条件に達する（例えば、システム全体の健康状態、温度、振動、および他の性能パラメータを監視および報告しながら、特定の速度または位置に達する）まで、プロペラを適切な方向に向け、特定の推力状態を提供する。
［例示的な構成］
ＨＡＰは、空中で円形または他の所定のパターンで移動することによって「位置保持」を実行し得る。この一例は、図５のビュー５００に示されている。ここで、ドローンベースのＨＡＰなどのＨＡＰ５０２は、ＵＥまたは他のクライアントデバイス５０４のセットにテレコミュニケーションサービス（例えば、ＬＴＥ通信を介した）を提供する。ＨＡＰ５０２は、破線５０６によって示されるような、サービスエリアなどの選択された地理的領域に対して相対的に移動し得る。例えば、高度制御および／または横推力システムは、ＨＡＰが、サービスエリア上でその所定の円形パターンへと移動し、それを維持することを可能にし得る。
図６は、５ｋｍよりも小さい半径を有する所定の円形パターン（破線６０４によって示される）で高度２０ｋｍを飛行し、かつ地上に７つのビーム６０６１...６０６７を生成しているＨＡＰ６０２の一例６００を示す。これは、一点鎖線６０８によって示されるような４０ｋｍのおおよその直径を有するフットプリントを提供し、各ビーム６０６は、約１３ｋｍのおおよその直径を有する。ビームの数が増加するにつれて、ビーム当たりのサポートされるユーザの数が減少する。１つのシナリオでは、所望のカバレッジエリアは、７～１９のビーム（またはそれより多いもしくはそれより少ない）を含み得る。
サービスエリアのサイズ、ＨＡＰの地上の高さ、ビームサイズ、および他の要素に応じて、ＨＡＰが位置保持ループを完了するのに数分（例えば、２～１５分、またはそれより多いもしくはそれより少ない）かかり得る。この運動により、ＨＡＰの通信システムによって発射されて地上で受信されるビーム６０６は、急速な速度で回転させられ得る。例えば、ほんの数分の間に、ビーム６０６２...６０６７のパターンがセンタービーム６０６１の周りを一回転し得る。同時に、センタービーム６０６１は、ＨＡＰが移動するにつれて地上に対して相対的に回転したり移動したりしない場合があり、または、外部ビーム６０６２...６０６７よりもはるかに少なく移動し得る。結果として、外部ビーム６０６２...６０６７によってカバーされたエリアにおける地上のＵＥは、１０～１５秒ごと、またはそれより多いもしくはそれより少ない間隔で新しいビームを観測し得る。ビームのこの急速な運動により、ＵＥは、反復した際選択（例えば、アイドルモードで）およびハンドオーバ（例えば、接続モードで）を実行させられ得る。これは、電池寿命を低下させ、システムのスループットを低減し得る。
いくつかのシステムではビーム運動に対処するのにデジタルビーム形成が使用され得る一方、これは、他のシステムでは実現可能ではない場合がある。例えば、特によりも高い周波数（例えば、１．９ＧＨＺ以上）において、デジタルビーム形成のために追加の機器が要求され得る。そのような追加の機器は、ＨＡＰに対して重量を追加し、それにより、特に、成層圏で動作する航空機よりも軽量のものについて、サービス寿命およびカバレッジ機能が限定され得る。
そのような問題に対処するために、ＨＡＰ運動は、位相アレイ、または、異なるビームを介した送信のためにアンテナにデータをルーティングするための他の給電メカニズムと共に、円筒または環状型リフレクタアンテナのセットを含むアンテナ構造を使用することによって補償され得る。図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、３つおよび４つの円筒型または環状型アンテナを使用する２つの例を示す。これらのリフレクタアンテナ構成は、最大で、例えば＋／－４５°まで１つの寸法で走査（ステアリング）することができるが、直交方向の走査は、最大で、例えば＋／－１０°に限られる。
方位角でのステアリングは、中心点の周りでのＨＡＰ回転として実装され得る。仰角でのステアリングは、ＨＡＰバンクまたはロールとして実装され得る。円筒および環状型アンテナは、第１の寸法におけるステアリングと、第２の寸法において限られたステアリングを有する。以下でさらに説明するように、アンテナユニットは、仰角面においてビームの到達のいくらかの限界が依然として存在し得るものの、方位角面の３６０度全体が、アンテナユニットによって送信されたビームにより到達され得るように配置され得る。
図７Ａの例７００は、三角形の形状の３アンテナ構成を示し、アンテナユニットＡ（７０２Ａ）、Ｂ（７０２Ｂ）、およびＣ（７０２Ｃ）は各々、３６０度走査のうちの１２０度をカバーする。例えば、これらのアンテナユニットの各々は、円筒型アンテナであってよく、または環状型アンテナであってもよい。ＨＡＰの運動を補償するために、例えば方位角および／または仰角に基づいて各アンテナの給電部が選択されるように、これらのアンテナユニット７０２の各々は、複数の給電部（図示せず）を有する。各アンテナユニット７０２には給電メカニズム７０４が動作可能に結合される。図７Ｂの例７５０は、四角形の形状の４アンテナ構成を示し、アンテナユニットＡ（７５２Ａ）、Ｂ（７５２Ｂ）、Ｃ（７５２Ｃ）、およびＤ（７５２Ｄ）は各々、３６０度走査のうちの９０度をカバーする。各アンテナユニット７５２には給電メカニズム７５４が動作可能に結合される。ＨＡＰの運動を補償するために、例えば方位角および／または仰角に基づいて各アンテナの給電部が選択されるように、これらのアンテナユニット７５２の各々は、複数の給電部（図示せず）を有する。
複数の円筒アンテナユニット７０２、７５２の各々は、６より多いビームなど、複数のビームを生成することが可能であり得る（励起された場合）。複数のビームのうちの１つまたは複数は、図６に示されるビーム６０６のうちの１つを形成し得る。特に、各円筒アンテナユニットは、図６に示される６つの外部ビームのうちの１つまたは複数を形成し得、円筒アンテナユニットのうちの少なくとも１つは中心ビーム６０６１を形成し得る。代替的には、別個のアンテナユニットがセンタービームを生成し得る。
図６のビーム例を参照すると、図７Ａの配置において、アンテナ７０２Ａは外部ビーム６０６７を生成するのに使用されてよく、アンテナ７０２Ｂは外部ビーム６０６３を生成するのに使用されてよく、アンテナ７０２Ｃは外部ビーム６０６５を生成するのに使用されてよい。他の外部ビーム６０６２、６０６４および６０６６は、単一のアンテナまたはアンテナの組み合わせによって生成され得る。例えば、アンテナ７０２Ａおよび７０２Ｂは組み合わせで外部ビーム６０６２を生成してよく、アンテナ７０２Ｂおよび７０２Ｃは組み合わせで外部ビーム６０６４を生成してよく、アンテナ７０２Ａおよび７０２Ｃは組み合わせで外部ビーム６０６６を生成してよい。
さらに、図６のビーム例を参照すると、図７Ｂの配置において、アンテナ７０２Ａは外部ビーム６０６２を生成するのに使用されてよく、アンテナ７０２Ｂは外部ビーム６０６３および６０６４を生成するのに使用されてよく、アンテナ７０２Ｃは外部ビーム６０６５を生成するのに使用されてよく、アンテナ７０２Ｄは外部ビーム６０６６および６０６７を生成するのに使用されてよい。ビームが、例えばアンテナ７０２Ａからアンテナ７０２Ｂへ、そしてアンテナ７０２Ｃなどへとロールオーバするにつれて、これを補償するために信号は異なるようにルーティングされる。
円筒型アンテナは、第１の寸法にわたってより大きい角度でステアリングすることができ、かつ第２の寸法にわたってより小さい角度でステアリングすることができるという性質を有する。例えば、上で説明したアーキテクチャでは、各アンテナユニットは、方位角面に沿って＋／－４５°ステアリングすることができ、仰角面に沿って＋／－１０°ステアリングすることができる。仰角面に沿ったこのステアリング角は、円筒型アンテナに代えて環状型アンテナを使用した場合にはより大きくなり得る。
代替のアーキテクチャでは、１つまたは複数のドーナツ環状アンテナが採用され得る。ドーナツ環状アンテナは、図７Ｂの４アンテナ７５２Ａ～７５２Ｄの代わりとなり得、仰角空間全体をスムーズにカバーし得る。図７Ｃの例示的な構成７７０に示されるように、環状型アンテナ７７２は、放物線状に湾曲した側部を有するドーナツまたは環状型の配置を有する。図７Ｃにおけるチェック状のパターンの陰影は、アンテナ７７２の湾曲を示すために含まれている。
各アンテナ構成について、ビーム直径はアンテナの寸法によって判断される。
円筒型または環状型アンテナは、パラボラリフレクタタイプのアンテナである。１つのシナリオでは、アンテナは、リフレクタと直接放射フェーズドアレイ（ＤＲＡ）との折衷物を提供するフェーズドアレイ給電リフレクタ（ＰＡＦＲ）を使用する。ＰＡＦＲは、ＤＲＡの性能の利点の多くを提供する一方、はるかに小さく、より低いコストの（給電）アレイを利用する。
図７Ａの三角形の配置７００を一例として使用すると、フェーズドアレイ（または給電構造）は、円筒アンテナユニットＡ、Ｂ、およびＣを使用して方位角においてビームを走査する。ＨＡＰが回転するにつれて、地上のビームは、アンテナユニットＡ、Ｂ、およびＣからの異なるビームを使用することによって固定される。図７Ｄに示されるように、円筒アンテナユニットＡ、Ｂ、およびＣの各々は、半径Ｒおよび長さＨを有する蒲鉾型の反射器７８２の軸に沿って配置された給電７８５および７９０を含む２素子給電反射器７８０を含み得る。給電７８５および７９０の位相は、方位角で走査するために変動し得る。いくつかの実装では、アンテナユニットに２つより多い給電が含まれてよく、デジタルビーム形成を実行するためにその位相が変動してよい。いくつかの例では、ビームを特定の方向に向けるため、または複数のビームを複数の方向に向けるために、ホーンアンテナ指向が実装されてよい。給電選択を通じて、複数のアンテナのうちのそれぞれは、異なる時点で複数の給電部を介してビームを生成して、図６に示されるようにセンタービーム６０６１の周りで外部ビーム６０６２～６０６７を移動させるように制御され得る。
円筒／環状アンテナの間でビームを切り替えることは、給電メカニズムのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などによって、デジタル方式で扱われ得る。フェーズドアレイは、単一アレイ、または、４つの別個の位相アレイ（各円筒／環状アンテナについて１つずつ）であり得る。代替的には、ノンフェーズドアレイアーキテクチャを使用してもよい。
いくつかの例では、多入力多出力（ＭＩＭＯ）構成が使用されてよい。例として、２×２ＭＩＭＯシステムが使用されてよく、ここで、図６に示される各ビーム６０６２～６０６７は２つの入力信号を有し、これらは異なる偏光で送信される。偏波は直交であってよく、例えば、垂直および水平の偏波であってよい。代替的には、シングルパッチアンテナは２箇所で給電されて、２つの偏波を生成し得る。
ＨＡＰが地上に対して相対的に移動するにつれて、給電メカニズムは、アンテナ選択を採用して、地上のＵＥの位置ならびにＨＡＰの位置および配向（すなわち、ポーズ）を仮定したときの適切な仰角または方位角のステアリングを有するビームをビーム６０６１～６０６７の中から選んでよい。上で言及したように、アンテナの各々は、複数の給電部（図示せず）を有してよい。したがって、アンテナ選択は、ビームを送信するためのアンテナの１つまたは複数の特定の給電部を選択することを含み得る。１つまたは複数の特定の給電部は、例えば、どの給電部がＨＡＰの位置および配向を仮定したときに地上のＵＥの位置に対応する方位角および／または仰角で指向することが可能であるかに基づいて選択され得る。この選択により、ＨＡＰの移動を補償するビームを生成するのに正しい信号が使用されることが保証される。図８は、例えば、図７Ａのアンテナ構成７００または図７Ｂの構成７５０に関して、複数のビームを生成するために採用され得る例示的なアンテナシステム８００を示す。示されるように、給電メカニズム７０４または７５４は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロコントローラ、および／または他の処理デバイスであり得るコントローラ８０２と、アンテナアレイ切替回路８０６とを含んでよい。コントローラ８０２は、アンテナアレイ切替回路８０６を介して複数の円筒アンテナユニット７０２Ａ、７０２Ｂおよび７０２Ｃに信号８０４をルーティングし得る。
破線矢印８１０は、所望のビーム配置および方向に従って、スイッチが信号８０４をそれぞれのアンテナユニット７０２に渡すことを示す。
アンテナアレイ切替回路８０６は、地上のＵＥに到達するために適切な仰角または方位角ステアリングを有するビームに関連付けられた円筒アンテナユニット７０２のうちの１つまたは複数を選択するようにコントローラ８０２によって制御され得る。ビームは、地上のビームの位置およびＨＡＰの位置に基づいて選択され得る。
例えば、ＵＥが、アンテナユニット７０２Ａによって生成されたビーム６０６２によってカバーされたエリアに位置しているため、コントローラ８０２は、第１の時点において、アンテナユニット７０２Ａを介して送信されるように、アンテナアレイ切替回路８０６を介して信号８０４を向けてよい。第２の時点において、ＨＡＰ６０２の移動に基づいて、アンテナシステムは回転し得、それによりＵＥが位置している同じエリアは、ビーム６０６２によりカバーされなくなり、むしろ、アンテナユニット７０２Ｃによって生成されたビーム６０６７によってカバーされ得る。したがって、当該エリアに対して相対的なＨＡＰ６０２の検出された動きにより、コントローラ８０２は、第２の時点において、アンテナアレイ切替回路８０６を介してアンテナユニット７０２Ｃに信号８０４を向けてよい。
図９は、本技術の態様に係る、成層圏においてあるパターンで移動して、目的領域にカバレッジを提供し、目的領域に対して相対的なＨＡＰの移動を補償するように構成されたＨＡＰの方法９００のフローチャートである。段階９０５において、コントローラがＨＡＰの移動を監視する。段階９１０において、コントローラは、ＨＡＰが成層圏において目的領域に対して相対的に移動したと判断する。段階９１５において、コントローラは、相対的な移動に基づいて、ＨＡＰにおける複数のアンテナのうちの第１のアンテナが、目的領域のうちの選択された部分をカバーできなくなったと判断する。段階９２０において、コントローラは、目的領域に提供される通信サービスがＨＡＰの移動に起因して中断されないように、目的領域のうちの選択された部分をカバーするために複数のアンテナのうちの第２のアンテナに切り替えることによって、ＨＡＰにおけるアンテナアレイ切替回路に、複数のアンテナにより送信されたビームを調整させる。
いくつかの実装では、方法９００は、ＧＰＳ位置を使用してＨＡＰの既知の将来の経路に基づいて実行され得る。例えば、コントローラは、既知の将来の経路および現在のＧＰＳ位置を使用してＨＡＰの移動を予測し、予測された移動を使用して目的領域へのＨＡＰの相対的な移動を予測し得る。その後、将来の時点または将来の位置において、ＨＡＰにおける複数のアンテナのうちの第１のアンテナが、目的領域のうちの選択された部分をカバーできなくなったと判断され得る。その後、複数のアンテナのうちの第１のアンテナから複数のアンテナのうちの第２のアンテナへの切り替えは、将来の時点または将来の位置においてスケジューリングおよび実行され得る。
別段の指定がない限り、前述の代替例は、相互排他的ではなく、独自の利点を達成するために様々な組み合わせにおいて実装されてよい。特許請求の範囲によって定義された主題から逸脱することなく、上で論述された特徴のこれらのおよび他の変形および組み合わせを利用することができるため、実施形態の前述の説明は、特許請求の範囲によって定義された主題の限定としてではなく例示として解釈されるべきである。加えて、本明細書において説明される例の提供、および「等／例えば（ｓｕｃｈ ａｓ）」、「備える／有する／含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」等で表現された句は、特許請求の範囲の主題を特定の例に限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、例は、多くの考えられ得る実施形態のうちの１つのみを例示するものとして意図されている。さらに、異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を識別することができる。

Claims (20)

  1. 成層圏においてあるパターンで移動して目的領域に通信サービスを提供するように構成された、高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）用のアンテナシステムであって、前記アンテナシステムが、前記目的領域に対して相対的な、前記成層圏における前記ＨＡＰの移動を補償するように構成され、前記アンテナシステムが、
    コントローラと、
    複数のビームに関連付けられた通信信号を前記コントローラから受信するように構成されたアンテナアレイ切替回路と、
    前記アンテナアレイ切替回路に動作可能に結合された複数のアンテナであって、前記複数のアンテナの各々が、前記目的領域のうちの選択された部分に通信サービスを提供するビームを送信するように構成されている、複数のアンテナと
    を備え、
    前記コントローラが、
    前記ＨＡＰが前記成層圏において前記目的領域に対して相対的に移動したと判断することと、
    前記相対的な移動に基づいて、前記複数のアンテナのうちの第１のアンテナが前記目的領域のうちの前記選択された部分をカバーすることができなくなったと判断することと、
    前記目的領域に提供される前記通信サービスが前記ＨＡＰの前記移動に起因して中断されないように、前記目的領域のうちの前記選択された部分をカバーするために前記複数のアンテナのうちの第２のアンテナに切り替えることによって、前記アンテナアレイ切替回路に、前記複数のアンテナにより送信される前記ビームを調整させることとを行うように構成されている、
    アンテナシステム。
  2. 前記複数のアンテナが、フェーズドアンテナアレイまたはノンフェーズドアレイのいずれかを形成する、請求項１に記載のアンテナシステム。
  3. 前記複数のアンテナが円筒アンテナである、請求項１に記載のアンテナシステム。
  4. 前記円筒アンテナの各々が、蒲鉾型の反射器の軸に沿って配置された２つの給電部を有する２素子給電反射器を含み、前記給電部の各々が、方位角または仰角で走査するために変数である位相を有する、請求項３に記載のアンテナシステム。
  5. センタービームおよび前記センタービームを取り囲む任意の外部ビームが、少なくとも４０ｋｍの直径を有する前記目的領域をカバーするように構成されている、請求項４に記載のアンテナシステム。
  6. 前記複数のビームが、少なくとも、センタービームの周りに配置された外部ビームのセットを含む、請求項３から５のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
  7. 前記外部ビームのセットが、少なくとも６つのビームを含む、請求項６に記載のアンテナシステム。
  8. 前記アンテナアレイ切替回路が、フィード信号を前記複数のアンテナにルーティングするように構成されたフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
  9. 前記複数のアンテナが環状アンテナである、請求項１に記載のアンテナシステム。
  10. 前記ＨＡＰの前記移動を補償するために前記複数のアンテナへの給電が切り替えられる、請求項１から９のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
  11. 前記複数のアンテナへの前記給電の各々が、仰角または方位角のうちの少なくとも１つに基づいて選択される、請求項１０に記載のアンテナシステム。
  12. 成層圏において動作するように構成された高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）であって、前記ＨＡＰが、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナシステムと、
    前記アンテナシステムに動作可能に結合された推進システムであって、前記推進システムが、前記目的領域に対して相対的な、前記成層圏における前記ＨＡＰの位置を調整するように構成されている、推進システムと
    を備える、高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）。
  13. 成層圏においてあるパターンで移動して目的領域にカバレッジを提供し、前記目的領域に対して相対的な高高度プラットフォーム（ＨＡＰ）の移動を補償するように、前記ＨＡＰを制御する方法であって、前記方法が、
    コントローラによって、前記成層圏における前記ＨＡＰの移動を監視する段階と、
    前記コントローラによって、前記ＨＡＰが前記成層圏において前記目的領域に対して相対的に移動したと判断する段階と、
    前記コントローラによって、前記相対的な移動に基づいて、前記ＨＡＰにおける複数のアンテナのうちの第１のアンテナが前記目的領域のうちの選択された部分をカバーできなくなったと判断する段階と、
    前記目的領域に提供される通信サービスが前記ＨＡＰの前記移動に起因して中断されないように、前記目的領域のうちの前記選択された部分をカバーするために前記複数のアンテナのうちの第２のアンテナに切り替えることによって、前記コントローラによって、前記ＨＡＰにおけるアンテナアレイ切替回路に、前記複数のアンテナにより送信されたビームの調整を実行させる段階と
    を備える、方法。
  14. 前記複数のアンテナによって送信される前記ビームが、少なくとも、センタービームの周りに配置された外部ビームのセットを含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記外部ビームのセットが少なくとも６つのビームを含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記センタービームの周りに配置された前記外部ビームのセットの送信が、前記複数のアンテナのうちの円筒アンテナによって実行される、請求項１４または１５に記載の方法。
  17. 前記センタービームの周りに配置された前記外部ビームのセットの送信が、前記複数のアンテナのうちの環状アンテナによって実行される、請求項１４または１５に記載の方法。
  18. 前記複数のアンテナのうちの１つまたは複数への給電の位相を変えて、方位角または仰角のうちの少なくとも１つで走査する段階をさらに備える、請求項１３から１７のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記複数のアンテナのうちの１つまたは複数の前記給電を切り替えて、前記ＨＡＰの前記移動を補償する段階をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
  20. 仰角または方位角のうちの少なくとも１つに基づいて、前記複数のアンテナの各々の前記給電の内の特定のものを選択する段階をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
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