DE102008020942A1 - Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff - Google Patents

Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff Download PDF

Info

Publication number
DE102008020942A1
DE102008020942A1 DE102008020942A DE102008020942A DE102008020942A1 DE 102008020942 A1 DE102008020942 A1 DE 102008020942A1 DE 102008020942 A DE102008020942 A DE 102008020942A DE 102008020942 A DE102008020942 A DE 102008020942A DE 102008020942 A1 DE102008020942 A1 DE 102008020942A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
energy
airship
rectenna
imaging system
patch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102008020942A
Other languages
English (en)
Inventor
Edward W. Uniontown Quinn
Jeanette Akron Hariharan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lockheed Martin Corp
Original Assignee
Lockheed Corp
Lockheed Martin Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lockheed Corp, Lockheed Martin Corp filed Critical Lockheed Corp
Publication of DE102008020942A1 publication Critical patent/DE102008020942A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • H01Q1/22Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/248Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set provided with an AC/DC converting device, e.g. rectennas
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64BLIGHTER-THAN AIR AIRCRAFT
    • B64B1/00Lighter-than-air aircraft
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/87Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88Lidar systems specially adapted for specific applications
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S2013/0236Special technical features
    • G01S2013/0245Radar with phased array antenna

Abstract

Ein Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff umfasst eine Übertragungsantennengruppe, konfiguriert zum Senden eines Energiestrahls zu einer durch das Luftschiff getragenen Patch-Rectenna. An die Patch-Rectenna ist ein Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz gekoppelt, das die durch den Energiestrahl zugeführte gleichgerichtete Energie in einem richtigen Format für die Zufuhr zu einem Energiespeichersystem und einem Motorsteuerungssystem liefert. Das Energiespeichersystem umfasst eine oder mehrere Batterien zum Speichern der übertragenen Energie, während das Motorsteuerungssystem verschiedene durch das Luftschiff unterhaltene Propeller, Gebläse und Ventile mit Energie versorgt, um das Luftschiff zum Boden absteigen zu lassen. Die Rectenna kann ebenfalls als ein Bildgebungssystem in Echtzeit fungieren. Das Bildverarbeitungssystem verwendet die Patch-Rectenna, um Signale zu senden und zu empfangen, und wiederum die Rücklaufsignale (-bilder) zu speichern und zu verarbeiten.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung ein System, um durch ein Luftschiff Energie von einer Bodenstation zu empfangen. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein System, um unter Verwendung einer phasengesteuerten Antennengruppe durch ein Luftschiff Energie von einer Bodenstation zu empfangen. Im Einzelnen ist die vorliegende Erfindung auf ein System gerichtet, um durch eine durch ein Luftschiff getragene Patch-Rectenna-Gruppe einen Energiestrahl von einer durch die Bodenstation unterhaltenen phasengesteuerten Antennengruppe zu empfangen. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Doppelnutzungssystem gerichtet, das eine Energieübertragungs-/empfangsfunktion und eine Radar-Bildgebungsfunktion in ein Luftschiff oder eine andere Leichter-als-Luft Plattform integriert.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Herkömmliche Luftschiffe, die ebenfalls als Prallluftschiffe, aerostatische Luftfahrzeuge, Lenkluftschiffe oder Fahrzeuge/Plattformen leichter als Luft bezeichnet werden können, umfassen zahlreiche Bestandteile, die notwendig für die Navigations- und Betriebserfordernisse des Luftschiffs sind. Im Einzelnen umfasst, wie in 1 gezeigt, ein typisches Luftschiff 10 des Standes der Technik eine gasundurchlässige Hülle 12, die aus einem flexiblen Laminatmaterial oder Gewebe geformt ist, das dafür hergestellt ist, den Druckveränderungen, auf die das Luftschiff 10 während des Aufstiegs und des Abstiegs trifft, sowie Wärme und Sonneneinstrahlung, die während des Betriebs des Luftschiffs anzutreffen sind, zu widerstehen. Ein beispielhaftes Laminatmaterial, das für das Luftschiff 10 verwendet wird, wird in der US-Patentschrift Nr. 6,979,479 offenbart, die durch Bezugnahme in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen wird. Innerhalb der Hülle 12 gibt es verschiedene diskrete Bereiche, die gesondert Helium und Luft enthalten, was es ermöglicht, dass das Luftschiff 10 während des Aufstiegs und des Abstiegs wirksam gesteuert werden kann.
  • Um zu ermöglichen, dass das Luftschiff 10 auf Höhe aufsteigt, werden die Luft enthaltenden Bereiche durch eine Zahl von Ventilen 16, die um den Umfang des Luftschiffs 10 angeordnet sind, entleert. Das Helium innerhalb der Hülle 12 dehnt sich aus, während das Luftschiff 10 auf die gewünschte Höhe aufsteigt. Es ist zu erkennen, dass die Ausdehnung des Heliums ebenfalls durch die durch das Luftschiff unterhaltenen Gebläse Luft aus den Luft enthaltenden Bereichen drückt. Um das Luftschiff 10 aus der Höhe absteigen zu lassen, wird durch Betätigen eines oder mehrerer Gebläse 18 wieder Luft in jeden Luft enthaltenden Bereich gedrückt. Um das Luftschiff 10 während des Fluges oder während des Aufstiegs und des Abstiegs zu manövrieren oder zu navigieren, wird ein Vortriebssystem benutzt. Das Vortriebssystem umfasst typischerweise mehrere elektrisch angetriebene Propellereinheiten 20, die außerhalb der Hülle 12 angebracht sind.
  • Es ist eine bedeutende Menge an elektrischer Energie erforderlich, um die Ventile 16, die Gebläse 18 und die Propellereinheiten 20 und jegliche andere elektrische Komponenten an Bord des Luftschiffs 10 zu betreiben. In der Tat ist für den Abstieg des Luftschiffs eine bedeutende Menge an elektrischer Energie erforderlich, da der Auftrieb des Helium-Traggases überwunden werden muss.
  • Um folglich dem durch die Ventile 16, die Gebläse 18 und die Propellereinheiten 20 benötigten Energiebedarf zu entsprechen, sind zahlreiche Batterien, Solarpanel und/oder Brennstoffzellen als Energiequellen an Bord des Luftschiffs 10 verwendet worden. Während diese Systeme vom Standpunkt der Energiekapazität aus angemessen sind, sind komplexe und sperrige Energieverwaltungssysteme erforderlich, um die dadurch gelieferte Energie zu verarbeiten. Zum Beispiel können ungefähr 1814 kg (4000 lbs.) an Batterien notwendig sein, um das Luftschiff 10 während seines Abstiegs von der Höhe vollständig mit Energie zu versorgen. Daher beeinflusst das Gewicht, das durch die Batterien und die anderen vorhandenen Energiequellen, die gegenwärtig durch Luftschiffe genutzt werden, die Manövrierbarkeit des Luftschiffs 10, seine Fähigkeit, gewünschte Höhen und Reichweiten zu erreichen, sowie seine Gesamtleistung negativ.
  • Zusätzlich zu dem bedeutenden Gewicht, das dem Luftschiff 10 durch die Batterien hinzugefügt wird, entstehen ebenfalls wesentliche Kosten für das Unterhalten, Laden und regelmäßige Austauschen ausgefallener Batterien, um sicherzustellen, dass das Luftschiff 10 die optimale Energiekapazität hat, um nach einem Start einen Abstieg abzuschließen.
  • Es ist zu erkennen, dass es einer der Hauptvorteile von Höhen-Luftschiffen ist, dass sie Überwachungsausrüstung tragen können, mit der eine beliebige Oberfläche oder Luftaktivität unterhalb des Luftschiffs beobachtet werden kann. Dementsprechend verleiht jegliche Überwachungsvorrichtung, die verhältnismäßig leicht ist und die durch das Luftschiff getragen werden kann, dem Luftschiff einen zusätzlichen Vorteil.
  • Folglich besteht ein Bedarf an einem Energieempfangs- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff, welches das Gesamtgewicht des Luftschiffs verringert. Ferner besteht ein Bedarf an einem Energieempfangs- und Bildgebungssystem, das die Notwendigkeit von Batterien oder anderen Energiespeichervorrichtungen endlicher Kapazität verringert. Fernerhin besteht ein Bedarf an einem Energieempfangssystem und Bildgebungssystem, das kontinuierliche Energie von einer Bodenstation zu dem Luftschiff empfängt, um das Luftschiff während aller Flugphasen, einschließlich des Abstiegs, mit Energie zu versorgen. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an einem Energieempfangs- und Bildgebungssystem, das ein phasengesteuertes Antennengruppensystem bereitstellt, das einen gebündelten Energiestrahl für den Empfang durch das Luftschiff erzeugt. Ferner besteht ein Bedarf an einem Energieempfangs- und Bildgebungssystem, das eine durch das Luftschiff unterhaltene Nanofaser-Patch-Rectenna nutzt, um den übertragenen Energiestrahl zu empfangen. Außerdem besteht ein Bedarf an einem Energieempfangs- und Bildgebungssystem, das einen leichtgewichtigen signalangepassten Filter benutzt, der es ermöglicht, die von der Patch-Rectenna empfangene Energie effizient aus einem übertragenen Energiestrahl zurück zu gewinnen. Fernerhin besteht ein Bedarf an einem Energieübertragungs- und Bildgebungssystem, das Energie bei einer Frequenz empfängt, die dazu in der Lage ist, durch die Hülle des Luftschiffs hindurchzugehen. Zusätzlich besteht ein Bedarf an einem Energieempfangs- und Bildgebungssystem, das eine Bodenstation bereitstellt, die einen gelenkten Energie strahl erzeugt und sendet, der periodisch auf die Patch-Rectenna ausgerichtet wird, um so eine gleichbleibende Ausrichtung des Energiestrahls auf das Luftschiff sicherzustellen. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an einer Bodenstation, die mit einem Energieempfangs- und Bildgebungssystem verwendet wird, das ein LADAR-(laser detection and ranging – Laserortungs-)System oder ein anderes effizientes Schmalstrahl-Hochfrequenz-Übertragungssystem benutzt, um einen Energiestrahl zu der Patch-Rectenna zu senden, um das Luftschiff während aller Flugphasen, einschließlich des Abstiegs, mit Energie zu versorgen. Schließlich besteht ein Bedarf an einem Doppelnutzungssystem, das Energieempfangsfunktionen mit verschiedenen Bildgebungsfunktionen integriert, die durch das Luftschiff unterhalten werden.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Angesichts des Vorstehenden besteht ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, ein Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff bereitzustellen.
  • Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff bereitzustellen, wobei das System ein Luftschiff, ein zum Senden eines Energiestrahls konfiguriertes Energieübertragungssystem, eine durch das Luftschiff getragene Patch-Rectenna, wobei der Energiestrahl zu der Patch-Rectenna gesendet wird, um so dem Luftschiff Energie zuzuführen, und ein Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz umfasst, das derart an die Patch-Rectenna gekoppelt ist, dass, wenn der Energiestrahl zu der Patch-Rectenna gesendet wird, das Regelungsnetz den Energiestrahl in Energie für eine Verwendung durch das Luftschiff umwandelt.
  • Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fernenergieversorgung eines Luftschiffs bereitzustellen, das umfasst, einen Energiestrahl von einem Energieübertragungssystem zu senden, den Energiestrahl an einer durch das Luftschiff getragenen Rectenna zu empfangen, festzustellen, ob die durch die Rectenna ausgegebene Spannung oberhalb oder unterhalb eines vorbestimmten Schwellenniveaus liegt, ein Neuausrichtung-Rückmeldungssignal von dem Luftschiff an das Energieübertragungssystem zu senden, falls die Spannung unterhalb des vorbestimmten Schwellenwerts liegt, das Neuausrichtung-Rückmeldungssignal zu analysieren und den Energiestrahl in Bezug auf die Rectenna neu auszurichten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden besser zu verstehen sein unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die angefügten Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Aufriss eines Luftschiffs des Standes der Technik ist, der die verschiedenen Ventile, Gebläse und Propellereinheiten, die zum Steuern des Luftschiffs während des Fluges, einschließlich des Abstiegs, verwendet werden, nach den Konzepten der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 2 ein Blockdiagramm eines Luftschiffs, das ein Energieempfangssystem unterhält, und eines bodengebundenen Energieübertragungssystems zum Senden eines Energiestrahls zu dem Luftschiff nach den Konzepten der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 3 eine Draufsicht einer Patch-Rectenna-Gruppe und der zugeordneten Schaltungen, verwendet zum Umformen der durch den gesendeten Energiestrahl zugeführten Energie in Energie, die durch das Luftschiff verwendet wird, nach den Konzepten der vorliegenden Erfindung ist,
  • 4 eine schematische Ansicht der Patch-Rectenna und der zugeordneten MOSFETs, verwendet zum Gewinnen der durch den gesendeten Energiestrahl beförderten Energie, nach den Konzepten der vorliegenden Erfindung ist,
  • 5 eine schematische Ansicht der Patch-Rectenna, wenn sie für eine Luftbildgebung verwendet wird, nach den Konzepten der vorliegenden Erfindung ist.
  • BESTER MODUS ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Energie- und Bildgebungssystem wird im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet, wie in 2 der Zeichnungen gezeigt. Das Energie- und Bildgebungssystem 30 umfasst im Allgemeinen ein Energieübertragungssystem 32 und ein Energieempfangssystem 33. Das Energieempfangssystem 33 stellt eine Patch-Rectenna-Gruppe 34 bereit, die dafür eingerichtet ist, durch ein Luftschiff 10, wie beispielsweise das in Bezug auf 1 erörterte, getragen zu werden. Im Allgemeinen ist die Patch-Rectenna 34 dafür konfiguriert, Energie zu empfangen, die in der Form eines Energiestrahls 40 verteilt wird, der von einer durch das Energieübertragungssystem 32 unterhaltenen phasengesteuerten Antennengruppe 50 geliefert wird. Dieser übertragene Energiestrahl 40 wird danach durch Bauteile an Bord des Luftschiffs 10 verarbeitet, um so die Ventile 16, die Gebläse 18, die Propellereinheiten 20 und andere elektrisch angetriebene Bauteile während verschiedener Flugphasen, zum Beispiel einschließlich des Aufstiegs und des Abstiegs, mit Energie zu versorgen. Folglich ermöglicht es das System 30 dem Luftschiff 10, die Energiemenge zu verringern, die es von seinen Bordbatterien verbraucht. Daher kann die Zahl der Batterien, die für das Luftschiff 10 erforderlich sind, verringert werden, was folglich das Gewicht des Luftschiffs 10 verringert. Obwohl sich die folgende Erörterung auf das Zuführen von Energie zu einem Luftschiff während des Abstiegs bezieht, sollte eine solche Erörterung nicht als begrenzend ausgelegt werden, da das System 30 verwendet werden kann, um das Luftschiff während jeder beliebigen Flugphase mit Energie zu versorgen. Ferner sollte vor dem Darlegen der Einzelheiten des Systems 30 zu erkennen sein, dass der Begriff „Luftschiff", wie er hierin verwendet wird, als ein beliebiges Prallluftschiff, aerostatisches Luftfahrzeug, Lenkluftschiff, ein Fahrzeug oder eine Plattform leichter als Luft, ein Höhenluftschiff oder dergleichen definiert ist.
  • Das Energieübertragungssystem 32 schließt eine Bodenstation 60 ein, die in elektrischer Verbindung mit der phasengesteuerten Antennengruppe 50 steht, die eine am Boden angeordnete unbewegliche Einheit umfassen kann oder die als eine bewegliche Einheit konfiguriert sein kann, die, zum Beispiel über einen Lastkraftwagen, bewegt oder leicht umgesetzt werden kann. Die Bodenstation 60 schließt eine rechnergestützte Vorrichtung ein, welche die notwendige Hardware, Software und Speicher unterhält, um die zu erörternden Funktionen auszuführen. Um den Energiestrahl 40 zu erzeugen, werden durch einen durch die Bodenstation 60 unterhaltenen Oszillator (nicht gezeigt) verschiedene Hochfrequenz-(HF-)Anregungssignale erzeugt, die der phasengesteuerten Antennengruppe 50 zugeführt werden. Die Frequenz der HF-Anregungssignale ist im Allgemeinen pro portional zur Frequenz des Energiestrahls 40, der daraus erzeugt wird. Daher wird die Frequenz des Anregungssignals so gewählt, dass die Frequenz des daraus resultierenden Energiestrahls 40 zu der Signal-Empfangsbandbreite der Patch-Rectenna 34 passt. Es sollte zu erkennen sein, dass die Frequenz der durch die Bodenstation 60 erzeugten HF-Anregungssignale im Mikrowellenspektrum liegen kann, obwohl mit dem Energieübertragungs- und Bildgebungssystem 30 Anregungssignale mit einer beliebigen geeigneten HF-Frequenz benutzt werden können.
  • Die phasengesteuerte Antennengruppe 50 umfasst mehrere Übertragungsantennenelemente 100, die einzeln an die von der Bodenstation 60 gesendeten Anregungssignale gekoppelt und durch dieselben gesteuert werden. Zusätzlich sind die Antennenelemente 100 so angeordnet, dass der erzeugte Energiestrahl 40 ein kohärentes und stark gerichtetes Energiemuster hat. Die durch die Bodenstation 60 erzeugten HF-Anregungssignale, die von der phasengesteuerten Antennengruppe 50 zur Erzeugung des Energiestrahls 40 verwendet werden, weisen verschiedene Parameter auf, wie beispielsweise Amplitude, Frequenz und Phase, die an der Bodenstation 60 modifiziert oder eingestellt werden können. Darüber hinaus können, weil jedem der Übertragungsantennenelemente 100 der phasengesteuerten Antennengruppe 50 unabhängig voneinander individuelle Anregungssignale zugeführt werden können, die Parameter jedes der Anregungssignale individuell so eingestellt werden, dass der erzeugte Energiestrahl 40 verschiedene Energiemuster annimmt, während ebenfalls ermöglicht wird, dass die Richtwirkung des Energiestrahls 40 verändert wird. Zum Beispiel können die Übertragungsantennenelemente 100 der phasengesteuerten Antennengruppe 50 jedes durch Anregungssignale bei einer vorbestimmten relativen Phase angesteuert werden, so dass ein gesendeter Energiestrahl 40 mit einer engen Abstrahlungscharakteristik und einer maximierten Energiedichte erhalten wird. Alternativ dazu können geeignete Anregungssignale erzeugt werden, so dass das Energiemuster des Energiestrahls 40 geformt ist, um jegliche äußeren oder unerwünschten Seitenkeulen, die Teil des mit dem gesendeten Energiestrahl 40 verbundenen Energiemusters sind, zu verringern oder zu beseitigen. Obwohl vorgesehen war, eine phasengesteuerte Antennengruppe zu verwenden, um den Energiestrahl 40 zu erzeugen, sollte zu erkennen sein, dass die phasengesteuerte Antennengruppe 50 zum Beispiel eine Mikrowellen-Dipol-Patchantenne umfassen kann. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die phasengesteuerte Antennengruppe 50 dafür konfiguriert ist, einen hohen Flächenwirkungsgrad der Antenne und einen großen Radarquerschnitt bereitzustellen, was folglich ermöglicht, dass der Gewinn und das Produkt aus Energie und Öffnung gesteigert werden. In einem Aspekt kann der Energiestrahl Hochfrequenz (HF) im Mikrowellenspektrum benutzen, obwohl eine beliebige geeignete Frequenz benutzt werden kann, um über den Energiestrahl 40 Energie auszustrahlen.
  • Da der durch die phasengesteuerte Antennengruppe 50 erzeugte Energiestrahl 40 kohärent und stark gerichtet ist, kann er genau positioniert oder gerichtet werden, so dass er auf die durch das Luftschiff 10 unterhaltenen Patch-Rectenna-Gruppe 34 auftrifft. Zusätzlich zu der starken Richtwirkung kann die phasengesteuerte Antennengruppe 50 schnell neu positioniert oder neu gerichtet werden, wobei die Geschwindigkeit des Neurichtens durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der die Phasen der jedem der Antennenelemente 100 der Bodenstation 60 zugeführten Anregungssignale eingestellt werden können. Um eine hohe Geschwindigkeit des Neurichtens zu erreichen, können die Übertragungsantennenelemente 100 der phasengesteuerten Antennengruppe 50 zum Beispiel jedes eine agile planare Wellenantenne umfassen.
  • Zusätzlich zum Modifizieren der Parameter der Anregungssignale, um das Energiemuster des gesendeten Energiestrahls 40 zu verändern, können andere Techniken verwendet werden. Zum Beispiel kann durch Einbeziehen zusätzlicher Übertragungsantennenelemente 100 in die phasengesteuerte Antennengruppe 50 das Energiemuster des gesendeten Energiestrahls 40 verengt werden, während seine Leistung gesteigert wird. Um eine solche Leistung zu erreichen, wird das durch die Bodenstation 60 bereitgestellte Anregungssignal gleichermaßen jedem der Antennenelemente 100 zugeführt. Folglich sind die jedem der Antennenelemente 100 zugeführten Anregungssignale alle von gleicher Stärke und zueinander in Phase. Im Ergebnis dessen kann der gesendete Energiestrahl 40 umso weiter verengt werden, je mehr Übertragungsantennenelemente 100 der Übertragungsantennengruppe 50 hinzugefügt werden, während ebenfalls die Stärke des Energiemusters des Energiestrahl 40 in der Breitenrichtung gesteigert wird. Es sollte zu erkennen sein, dass sich der Begriff „Breitenrichtung" (engl.: „broadside direction"), wie er hierin verwendet wird, auf die Richtung der Hauptkeule des durch den Energiestrahl 40 aufrecht erhaltenen Energiemusters bezieht, die senkrecht zur Ebene der Elemente 100 der phasengesteuerten Antennengruppe ist.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung 30 können die phasengesteuerte Antennengruppe 50 und die zugeordneten Antennenelemente 100 durch ein Feld-LADAR-(Laser Detection and Ranging)System 50' ersetzt werden. Das Feld-LADAR kann einen Kohlendioxid-(CO2-)Laser umfassen, der ermöglicht, dass ein Energiestrahl 40' ein verbessertes Energiemuster hat. Zusätzlich erzeugt der durch das Feld-LADAR-System erzeugte Energiestrahl 40' einen verbesserten Übertragungsbereich und eine verbesserte Sichtlinien-(LOS-)Richtwirkung gegenüber den durch die zuvor weiter oben erörterte phasengesteuerte Antennengruppe 50 auf Hochfrequenz-(HF-)Basis bereitgestellten. Es sollte zu erkennen sein, dass das Feld-LADAR-System einen gesteigerten Energiewirkungsgrad gegenüber dem der phasengesteuerten Antennengruppe 50 auf HF-Basis bereitstellt, während die phasengesteuerte Antennengruppe 50 einen breiteren Bereich von Frequenzen bereitstellt, die in dem Energiemuster des Energiestrahls 40 enthalten sein können. Darüber hinaus stellt das LADAR-System eine verbesserte Modulationsübertragungsfunktion bereit, die dazu führt, dass Bildtreue und -kontrast besser erhalten bleiben. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die phasengesteuerte Antennengruppe 50 anstelle des LADAR-Systems ebenso durch ein beliebiges effizientes, Schmalstrahl-Hochfrequenz-Energieübertragungssystem ersetzt werden kann.
  • Um die durch einen gesendeten Energiestrahl 40 zugeführte Energie aufzufangen, benutzt das Luftschiff 10 das Energieempfangssystem 33. Daher hält, wenn das Luftschiff 10 in Reichweite des gesendeten Energiestrahls 40 ist, das Energieempfangssystem 33 eine konstante Sichtlinie mit dem Energieübertragungssystem 32 aufrecht, um so eine durchgehende, ununterbrochene Energieübertragung des Energiestrahls 40 zum Luftschiff 10 zu ermöglichen. Die übertragende Energie ermöglicht es, dass die Ventile 16, Gebläse 18, Propeller 20 und jegliche anderen gewünschten Bauteile bei einem Abstieg des Luftschiffs 10 auf eine zu erörternde Weise mit Energie versorgt werden.
  • Das Energieempfangssystem 33 ist als Teil der Nutzlast des Luftschiffs 10 konfiguriert und stellt die Patch-Rectenna-Gruppe 34 bereit, die, wie in 2 gezeigt, an der Unterseite der Hülle 12 angebracht ist. Während des Betriebs wandelt die Patch-Rectenna-Gruppe 34 die durch den Energiestrahl 40 beförderte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie um, die für eine Verwendung mit den verschiedenen Bauteilen des Luftschiffs 10, wie beispielsweise die Ventile 16, Gebläse 18 und Propeller 20, kompatibel ist. Es sollte zu erkennen sein, dass die Rectenna-Gruppe 34 konfiguriert ist, um einen optimalen Signalgewinn, mit minimalen Verlusten beim Energieübertragungsvorgang, zu gewährleisten.
  • In Bezug auf ihre Gestaltung, die in 3 und 4 gezeigt wird, umfasst die Patch-Rectenna-Gruppe 34 eine planare Gruppe von Dipol-Antennenelementen 200, die jedes mit einem entsprechenden angepassten Filter 210 verbunden sind, die in eine Membranstruktur 220 integriert sind. Die Membran 220, welche die Rectenna-Gruppe 34 umfasst kann flexibel und darüber hinaus in das Gewebe der Hülle 12 integriert sein. Daher kann die Rectenna-Gruppe 34 durch das Gewebe der Hülle 12 des Luftschiffs 10 vollständig der Sicht verborgen sein. Wenn eine solche Konfiguration verwendet wird, sollte zu erkennen sein, dass der Energiestrahl 40 eine Frequenz benutzen sollte, die das Gewebe der Hülle 12 durchdringen kann, so dass die Energie mit minimaler Schwächung durch die Patch-Rectenna 34 empfangen werden kann. Ferner ist die Patch-Rectenna 34 dafür konfiguriert, einen Antennenöffnungsdurchmesser zu haben, der breitseitig zu dem durch den Energiestrahl 40 zugeführten Energiemuster ausgerichtet ist.
  • Die Dipol-Antenneneinheiten 200 sind dafür bemessen, die Patch-Rectenna 34 so abzustimmen, dass sie die Empfangsbandbreite erreicht, die zum empfangen der spezifischen Frequenz des gesendeten Energiestrahls 40 notwendig ist. Darüber hinaus können die Dipol-Antenneneinheiten 200 aus Titan geformte Nanofasern umfassen, da Titan-Nanofasern auf Grund ihrer Festigkeit, ihrer thermisch beständigen Eigenschaften und elektromagnetischen Leitfähigkeit Vorteile für die vorliegende Erfindung bieten. Es ist jedoch ebenfalls vorgesehen, dass die Nanofasern, welche die Dipol-Einheiten 200 bilden, aus verschiedenen anderen Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoff, Selen oder einem beliebigen anderen geeigneten Material, geformt sein können. Nanofasern verleihen der Patch-Rectenna 34 Flexibilität, was folglich ermöglicht, dass sie sich der Expansions- und Kontraktionsrate der Hülle 12 anpasst, wenn das Luftschiff 10 während des Aufstiegs und des Abstiegs verschiedenen atmosphärischen Druckveränderungen ausgesetzt ist. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von Titan, dass die Dipol-Antennenelemente 200 hochgradig tolerant gegenüber Temperaturschwankungen und Sonnenstrahlung sind. Dies ist vorteilhaft, da das Luftschiff sich verändernden Temperaturniveaus und Strahlungsintensitäten ausgesetzt ist, die sich mit der Höhe stark verändern.
  • An den Ausgang jedes einzelnen Nanofaser-Dipol-Antennenelements 200 ist ein angepasster Filter 210 gekoppelt. Die angepassten Filter 210 sind typischerweise leichtgewichtig und sind dafür konfiguriert, das Verhältnis von Spitzensignal zu mittlerem Rauschen der durch den gesendeten Energiestrahl 40 über jede der Dipol-Antenneneinheiten 200 zugeführten Energie auf ein Maximum zu steigern. Zusätzlich ist die Signalbandbreite des angepassten Filters 210 so konfiguriert, dass sie an diejenige der Frequenz des gesendeten Energiestrahls 40 angepasst ist, was ermöglicht, dass der angepasste Filter 210 die Verluste auf ein Minimum verringert, die sich beim Empfang der empfangenen, durch denselben beförderten Energie ergeben. Eine derartige Konfiguration ermöglicht die Übertragung der höchsten Menge an Energie mit erhöhter Effizienz an das Luftschiff 10. Zusätzlich benutzt der angepasste Filter 210 bekannte Signalverarbeitungstechniken, um die durch die Patch-Rectenna 34 des Luftschiffs 10 empfangene Energie zu maximieren. Während die weiter oben dargebotene Erörterung die Verwendung von einzelnen angepassten Filtern 210 für jedes Dipol-Antennenelement 200 erwähnt, kann der angepasste Filter 210 als ein einziger Filter konfiguriert sein, der einen Teil des empfangenen Energiestrahls von jedem der einzelnen Dipol-Antennenelemente 200 in der Gesamtheit empfängt.
  • Um die Wechselstrom-(WS-)Signalausgabe durch jeden der angepassten Filter 210 in Gleichstrom (GS) umzuwandeln, wird ein Leistungsgleichrichtungsnetz 230 benutzt. Das Leistungsgleichrichtungsnetz 230 besteht aus einem Gitter oder einem Array von elektrischen Leitern, die eine Anzahl von Zeilen R1, R2 und so weiter und Spalten C1, C2 und so weiter bilden, die dem Luftschiff 10 auf eine zu erörternde Weise gleichgerichtete Energie zuführen. Im Einzelnen ist jeder durch die Patch-Rectenna 34 unterhaltene angepasste Filter 210 über die verschiedenen Zeilen R und Spalten C an jeweilige Zwei-N-Kanal-MOSFETs 234A und 234B gekoppelt. Obwohl 4 nur die Verbindung von zwei MOSFETs mit zwei angepassten Filtern 210, als A–B bezeichnet, zeigt, sollte zu erkennen sein, dass jeder durch die Patch-Rectenna 34 unterhaltene angepasste Filter 210 einen zugeordneten Zweikanal-MOSFET haben kann, der auf die hierin beschriebene Weise an das Leistungsgleichrichtungsnetz 230 gekoppelt ist. Ferner sollte zu erkennen sein, dass nach Bedarf zu dem Leistungsgleichrichtungsnetz 230 zusätzliche Zeilen und Spalten hinzugefügt werden können, so dass zusätzliche MOSFETs aufgenommen werden können, um die Energieertragsmenge einzustellen, welche die Rectenna 34 bereitstellen kann. In einem Aspekt können die MOSFETs 234A und 234B einen Umgebungs-Zwei-N-Kanal-MOSFET, wie beispielsweise den unter der Handelsmarke HEXFET® bereitgestellten, der die Teilnummer IRF7313UPbF hat, umfassen.
  • Im Einzelnen sind die Zwei-N-Kanal-MOSFETs 234A und 234B derart konfiguriert, dass ihre ersten Drain-Anschlüsse 238A, 238B an die gleiche Zeile R1 gekoppelt sind und ihre zweiten Drain-Anschlüsse 240A, 240B an die jeweiligen Spalten C1 und C2 des Leistungsgleichrichtungsnetzes 230 gekoppelt sind. Daher dienen die Zwei-N-Kanal-MOSFETs 234A und 234B als Energiegewinner und führen dem Leistungsgleichrichtungsnetz 230 GS-Energie zu. Zusätzlich stellt der Zwei-N-Kanal-MOSFET 234A, 234B zwei Stromwege zu seinen jeweiligen Befestigungspunkten an der Zeile R1 und den Spalten C1, C2 des Gleichrichtungsnetzes 230 bereit. Folglich ist, falls eine MOSFET-Verbindung zum Gleichrichtungsnetz 230 unterbrochen wird, der andere MOSFET noch in der Lage, dem Gleichrichtungsnetz 230 Energie zuzuführen. Darüber hinaus kann jeder MOSFET 234A, 234B durch verschiedene Adressensteuerungslogiken gesteuert werden, unterhalten durch ein Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260, das an das Leistungsgleichrichtungsnetz 230 angeschlossen ist, so dass jeder MOSFET 234A, 234B unabhängig nach Bedarf an- oder ausgeschaltet werden kann, um die aus demselben ausgegebene Energiemenge zu skalieren. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Schaltung, die das Leistungsgleichrichtungsnetz 230 umfasst, ebenfalls unmittelbar in die Membran 220 integriert oder als eine gesonderte diskrete Einheit vorgesehen sein kann.
  • Das Leistungsgleichrichtungsnetz 230 ist, wie in 2 gezeigt, über eine Leistungsschnittstelle 250 mit einem Leistungsverteilungs- und Steuerungs- oder Regelungsnetz 260 gekoppelt, das an Bord des Luftschiffs 10 unterhalten wird. Während das Leistungsgleichrichtungsnetz 230 die Gleichrichtung der durch den gesendeten Energiestrahl 40 zugeführten analogen oder GS-Energie durchführt, führt das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 zusätzliche Energieaufbereitungsfunktionen durch, so dass die empfangene Energie in ein Format umgewandelt wird, das mit den verschiedenen elektrischen Bauteilen des Energieempfangssystems 33, die zu erörtern sind, kompatibel ist.
  • Die Ausgabe des Leistungsverteilungs- und Regelungsnetzes 260 wird einem Energiespeichersystem 300 und einem Motorsteuerungssystem 310 zugeführt. Das Energiespeichersystem 300 umfasst mehrere Batterien, die durch einen Teil der durch den empfangenen Energiestrahl 40 zugeführten Energie geladen werden. Zusätzlich ist das Energiespeichersystem 300 an das Motorsteuerungssystem 310 gekoppelt, so dass die gespeicherte Energie verwendet werden kann, wenn das Luftschiff 10 außerhalb der Reichweite der phasengesteuerten Antennengruppe 50 ist oder falls der Energiestrahl 40 aus anderen Gründen nicht verfügbar ist. Das Motorsteuerungssystem 310 empfängt und verarbeitet die Energie, die entweder durch das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 oder das Energiespeichersystem 300 geliefert wird, und erzeugt geeignete Steuersignale, die kompatibel für das Betätigen der Ventile 16, der Gebläse 18 und der Propeller 20, die durch das Luftschiff 10 unterhalten werden, sind. Wenn folglich das Luftschiff 10 in der Reichweite ist, um den gesendeten Energiestrahl 40 zu empfangen, wird die zum Betätigen der Ventile 16, der Gebläse 18 und der Propeller 20 verwendete Energie über das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 unmittelbar von dem Energiestrahl 40 bereitgestellt. Alternativ dazu wird, wenn das Luftschiff 10 nicht in der Reichweite ist, um den gesendeten Energiestrahl 40 zu empfangen, oder falls der Energiestrahl 40 sonst nicht verfügbar ist, die zum Betätigen der Ventile 16, der Gebläse 18 und der Propeller 20 verwendete Energie durch das Energiespeichersystem 300 bereitgestellt. Um die Energiemenge zu regeln, die dem Luftschiff 10 während eines Abstiegs zugeführt wird, kann ein Regelsystem benutzt werden, das einen an das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 gekoppelten Luftschifftransceiver 400 und einen durch die Bodenstation 60 unterhaltenen Bodenstationstransceiver 410 umfasst, um so, wie weiter unten erörtert wird, das Niveau der über den Energiestrahl 40 oder 40' übertragenen Energie sowie andere Merkmale zu regeln.
  • Nun, da die durch das Energieübertragungs- und Bildgebungssystem 30 benutzten strukturellen Bauteile weiter oben ausführlich dargelegt worden sind, wird die folgende Erörterung die Betriebsschritte darlegen, die durch das System 30 beim Zuführen von Energie zu dem Luftschiff 10 während des Abstiegs durchgeführt werden. Anfangs wird das Luftschiff 10, um es von der Höhe absteigen zu lassen, in die Reichweite des Energiestrahls gebracht. Etwa gleichzeitig erzeugt die Bodenstation 60 HF-Anregungssignale, die einzeln jedem der Übertragungsantennenelemente 100 der phasengesteuerten Antennengruppe 50 oder des LADAR 50' zugeführt werden. Nach dem Empfang der HF-Anregungssignale erzeugt die phasengesteuerte Antennengruppe 50 oder das LADAR 50' den entsprechenden Energiestrahl 40, der auf die durch das Luftschiff 10 getragene Patch-Rectenna 34 gezielt oder gerichtet wird. Der Richtwinkel, unter dem der Energiestrahl 40 in Bezug auf das Luftschiff 10 ausgerichtet wird, kann durch Einstellen der Phase und anderer Parameter der den einzelnen Übertragungsantennenelementen 100 der phasengesteuerten Antennengruppe 50 oder des LADAR 50' zugeführten Anregungssignale verändert werden. Zum Beispiel wird, falls alle Übertragungsantennenelemente 100 Anregungssignale empfangen, die in Phase sind, der gesendete Energiestrahl 40 oder 40' ein Energiemuster aufweisen, das seine Hauptkeule breitseitig zu der Übertragungsantennengruppe 50 hat.
  • Sobald der Energiestrahl 40 oder 40' gesendet worden ist, wird er durch das Dipol-Antennenelement 200 der Patch-Rectenna 34 empfangen. Nachdem er durch die Patch-Rectenna 34 empfangen worden ist, wird die durch den Energiestrahl 40 zugeführte analoge oder WS-(Wechselstrom-)Energie durch den angepassten Filter 210 gefiltert und danach durch das Leistungsgleichrichtungsnetz 230 gleichgerichtet, um GS-(Gleichstrom-)Energie bereitzustellen. Danach wird die gleichgerichtete GS-Energie über die Schnittstelle 250 dem Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 zugeführt, wo sie in ein kompatibles Format für eine Verwendung durch das Energiespeichersystem 300 und das Motorsteuerungssystem 310 verarbeitet wird.
  • Im Einzelnen wird die dem Energiespeichersystem 300 zugeführte Energie in einer oder mehreren Batterien gespeichert, die verwendet werden, um dem Motorsteuerungssystem 310 Energie zuzuführen, wenn der Energiestrahl 40 nicht verfügbar ist, um das Luftschiff 10 mit Energie zu versorgen. Zusätzlich wird die dem Motorsteuerungssystem 310 zugeführte Energie zu geeigneten Propellersteuersignalen, Gebläsesteuersignalen und Ventilsteuersignalen verarbeitet, die kompatible Formate zum Betätigen der zugeordneten Propeller 20, Gebläse 18 und des Ventile 16 haben, um so zu ermöglichen, dass das Luftschiff 10 in einer kontrollierten Weise absteigt. Folglich wird, wenn der Energiestrahl 40 durch die Patch-Rectenna 34 empfangen wird, das Motorsteuerungssystem 310 durch die durch den Energiestrahl 40 zugeführte Energie angetrieben. Wenn der Energiestrahl 40 jedoch nicht verfügbar ist, wird das Motorsteuerungssystem 310 durch die Batterien des Energiespeichersystems 300 mit Energie versorgt. Ferner ist vorgesehen, dass das Motorsteuerungssystem 310 durch eine Kombination von durch das Energiespeichersystem 300 und das Leistungsverteilungs- und Regelungssystem 260 zugeführter Energie mit Energie versorgt wird.
  • Um die Menge an Energie zu regeln, die über den Energiestrahl 40 während des Abstiegs des Luftschiffs 10 zugeführt wird, kann das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 mit vorbestimmten Kriterien programmiert werden, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der das Luftschiff 10 absteigen soll. Auf der Grundlage der vorbestimmten Kriterien erzeugt das Regelungsnetz 260 ein Leistungsregelungssignal, das durch den Luftschifftransceiver 400 gesendet wird, für einen Empfang durch die Bodenstation 60 über den Bodentransceiver 410. Das Leistungsregelungssignal enthält Daten bezüglich der Veränderung der durch den Energiestrahl 40 zugeführten Energie, so dass ein Abstieg auf der Grundlage der vorbestimmten Kriterien erreicht wird. Falls das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 zum Beispiel feststellt, dass das verfügbare Spannungsniveau, das benötigt wird, um die Propeller 20 zu betreiben, unzu reichend ist, kann das Luftschiff 10 ein Leistungsregelungssignal senden, das anzeigt, dass die im Energiestrahl 40 enthaltene Energie gesteigert werden sollte. Als Reaktion darauf stellt die Bodenstation 60 einen oder mehrere der mit den Anregungssignalen verbundenen Parameter derart ein, dass der resultierende Energiestrahl 40 ein erhöhtes Energieprofil hat, was folglich ermöglicht, dass das Luftschiff 10 die Geschwindigkeit der Propeller 20 steigert.
  • Um eine optimale Ausrichtung des Energiestrahls 40 auf die Patch-Rectenna 34 während der Übertragung des Energiestrahls 40 aufrechtzuerhalten und mögliche Energieverluste während des Energieübertragungsvorgangs auf ein Minimum zu verringern, kann ein geschlossenes Regelsystem benutzt werden, das den Luftschifftransceiver 400 und den Bodenstationstransceiver 410 umfasst. Folglich erzeugt während des Abstiegs des Luftschiffs 10, gleichzeitig mit dem Empfang des Energiestrahls 40, das Leistungsverteilungsregelungsnetz 260 ein Neuausrichtung-Rückmeldungssignal, das über den Luftschifftransceiver 400 kontinuierlich an die Bodenstation 60 gesendet wird. Das Neuausrichtung-Rückmeldungssignal enthält Daten bezüglich der Ausrichtung des Energiemusters des Energiestrahls 40 in Bezug auf die Oberfläche der Patch-Rectenna 34. Im Einzelnen kann das durch das Luftschiff 10 unterhaltene Leistungsverteilungsregelungssystem 260 mit einem Spannungsschwellenwert und anderen Kriterien programmiert sein, die der maximalen Drift entsprechen, die dem Energiestrahl 40 von der Mitte der Antennenöffnung der Patch-Rectenna 34 erlaubt ist. Daher ist vorgesehen, dass das Regelungssystem 260 wiederholt die Ausgangsspannung der Patch-Rectenna 34 bei einer vorbestimmten Frequenz abfragt, um festzustellen, ob sie über oder unter dem vorpro grammierten Schwellenwert liegt. Falls das Leistungsverteilungsregelungsnetz 260 feststellt, dass die Spannung über der Schwellenspannung liegt, erzeugt das Leistungsverteilungs- und Regelungssystem 260 nicht das Neuausrichtungssignal, und der Energiestrahl 40 wird nicht neu ausgerichtet. Falls jedoch die durch die Patch-Rectenna 34 abgegebene Spannung unter die vorprogrammierte Schwellenspannung fällt, dann erzeugt das Leistungsverteilungs- und Regelungssystem 260 das Neuausrichtungssignal, das über den Bodentransceiver 410 durch die Bodenstation 60 empfangen wird. Die Bodenstation 60 analysiert das Neuausrichtungssignal und bestimmt das Maß der notwenigen Berichtigung zum Neuausrichten des Energiestrahls 40, so dass das durch denselben bereitgestellte Energiemuster in Bezug auf die Antennenöffnung der Rectenna-Gruppe 34 richtig ausgerichtet ist. Es sollte zu erkennen sein, dass das Aufrechterhalten einer richtigen Ausrichtung zwischen dem Energiemuster des gesendeten Energiestrahls 40 und der Antennenöffnung der Patch-Rectenna 34 eine optimale Energiezufuhr zum Luftschiff 10 gewährleistet.
  • Während die vorstehende Erörterung die verschiedenen Bauteile darlegt, die durch die Energieübertragungs- und -empfangsaspekte der vorliegenden Erfindung benutzt werden, sollte ebenfalls zu erkennen sein, dass das System 30 das Luftschiff 10 ebenfalls in die Lage versetzen kann, verschiedene Bildgebungsfunktionen durchzuführen. Um solche Bildgebungsfunktionen zu ermöglichen, können ein Signalgenerator 450 und ein Bildspeicher 460 an das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 gekoppelt sein. Es sollte zu erkennen sein, dass der Bildspeicher 460 ebenfalls einen Prozessor einschließen kann, der eine Echtzeit-Bildverarbeitung durchführen kann. Es sollte zu erkennen sein, dass das Bildgebungssignal ein Hochfrequenz-(HF-)Signal, wie beispielsweise ein Radarsignal, umfassen kann. Zum Beispiel ist während des Betriebs des Bildgebungssystems der Signalgenerator 450 dafür konfiguriert, ein Bildgebungssignal zu liefern, das eine Frequenz hat, die durch das Regelungsnetz 260 bestimmt wird. Danach wird das Bildgebungssignal dem Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 zugeführt, wo das Bildgebungssignal durch die Patch-Rectenna-Gruppe 34 ausgestrahlt wird. Sobald das Bildgebungssignal ausgestrahlt oder auf andere Weise durch die Patch-Rectenna-Gruppe 34 gesendet worden ist, wird der Signalgenerator 450 durch das Regelungsnetz 260 ausgeschaltet, so dass jegliche Bildrücklaufsignale oder Echos, die Rücklaufbilder formen, durch die Patch-Rectenna-Gruppe 34 empfangen werden können. Die durch die Rectenna-Gruppe 34 erfassten Rücklaufsignale werden über eine durch das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz 260 durchgeführte Analog-Digital-Wandlung digitalisiert. Die digitalisierten Daten werden danach am Bildspeicher 460 gespeichert und/oder verarbeitet, für die anschließende Übertragung zur Bodenstation 60, wo die digitalen Bilddaten rekonstruiert werden können. In einem Aspekt können die digitalen Bilddaten zum Beispiel unter Verwendung von Radar-Bildtechniken mit synthetischer Apertur (SAR) rekonstruiert werden.
  • Folglich erzeugt während des Fluges des Luftschiffs 10 der Signalgenerator 450 geeignete Bildsignale, die durch die Patch-Rectenna 34 ausgestrahlt werden. Dann werden reflektierte Rücklaufsignale über die Patch-Rectenna 34 empfangen, wo sie durch das Regelungsnetz 260 digitalisiert werden, um so ein Radarbild des Geländes oder eines anderen interessierenden Objektes unterhalb des Luftschiffs 10 zu erzeugen. Die durch das Luftschiff 10 empfangenen Bilder können ebenfalls für eine weitere Analyse an die Bodenstation 60 oder eine andere festgelegte Stelle übertragen werden. Es sollte ebenfalls zu erkennen sein, dass das Bildgebungssystem auch zum Beispiel Radar mit synthetischer Apertur verwenden kann. Ferner ist ebenfalls vorgesehen, dass die Bildgebungsfunktionen und die Energiegewinnungsfunktionen des Systems 30 gleichzeitig verwendet werden können.
  • Es ist zu erkennen, dass ein Vorteil einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darin besteht, dass ein Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff die Zahl der Batterien verringert, die benötigt werden, um das Luftschiff mit Energie zu versorgen. Ein anderer Vorzug der vorliegenden Erfindung ist, dass Titan-Nanofasern benutzt werden können, um die Patch-Rectenna zu bilden. Noch ein anderer Vorzug der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff einen signalangepassten Filter benutzt, um die Menge der von einem gesendeten Energiestrahl aufgefangenen Energie zu optimieren. Noch ein weiterer Vorzug der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Feld-LADAR-System benutzt werden kann, um einen Energiestrahl zu dem Luftschiff zu senden. Schließlich ist ein anderer Vorzug der vorliegenden Erfindung, dass ein Doppelnutzungs-Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff ein Bildgebungssystem bereitstellt, das mit dem Energieübertragungs- und -empfangssystem die gleichen Bauteile teilt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit beträchtlicher Ausführlichkeit in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sind andere Ausführungsformen möglich. Daher sollten der Geist und Geltungsbereich der angefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen Ausführungsformen begrenzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6979479 [0002]

Claims (20)

  1. Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff, wobei das System Folgendes umfasst: ein Luftschiff; ein zum Senden eines Energiestrahls konfiguriertes Energieübertragungssystem; eine durch das Luftschiff getragene Patch-Rectenna, wobei der Energiestrahl zu der Patch-Rectenna gesendet wird, um so dem Luftschiff Energie zuzuführen; und ein Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz, das derart an die Patch-Rectenna gekoppelt ist, dass, wenn der Energiestrahl zu der Patch-Rectenna gesendet wird, das Regelungsnetz den Energiestrahl in Energie für eine Verwendung durch das Luftschiff umwandelt.
  2. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: einen Luftschifftransceiver, der an das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz gekoppelt ist, wobei der Luftschifftransceiver ein Neuausrichtung-Rückmeldungssignal erzeugt, wenn die durch die Patch-Rectenna von dem Energiestrahl empfangene Energie unter einen vorbestimmten Spannungsschwellenwert fällt, und einen Bodentransceiver, der an das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz gekoppelt und dafür konfiguriert ist, als Reaktion auf den Empfang des Neuausrichtung-Rückmeldungssignals von dem Bodentransceiver die Position des gesendeten Energiestrahls auf der Patch-Rectenna neu zu richten.
  3. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Energieübertragungssystem ein Feld-Laserortungs-(LADAR-)System umfasst.
  4. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Energieübertragungssystem ein phasengesteuertes Antennengruppensystem umfasst, das mehrere Übertragungsantennenelemente aufweist.
  5. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 4, wobei die Übertragungsantennenelemente mehrere planare Wellenantennenelemente umfassen.
  6. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 4, wobei jedes Übertragungsantennenelement dafür konfiguriert ist, einzelne Anregungssignale zu empfangen.
  7. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 6, wobei die Anregungssignale in Phase miteinander sind, so dass der Energiestrahl breitseitig zu der phasengesteuerten Antennengruppe ist.
  8. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Patch-Rectenna mehrere Dipol-Antennenelemente umfasst.
  9. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 8, wobei die Dipol-Antennenelemente Nanofasern enthalten oder aus Nanofaser bestehen.
  10. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 9, wobei die Nanofasern Titan enthalten oder aus Titan bestehen.
  11. Energie- und Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, das ferner Folgendes umfasst: einen angepassten Filter, der zwischen die Dipol-Antennenelemente und das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz gekoppelt ist.
  12. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 11, das ferner Folgendes umfasst: ein Leistungsgleichrichtungsnetz, das zwischen den angepassten Filter und das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz gekoppelt ist.
  13. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 12, wobei das Leistungsgleichrichtungsnetz einen oder mehrere MOSFETs umfasst.
  14. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Patch-Rectenna, der angepasste Filter und das Leistungsgleichrichtungsnetz innerhalb einer Membran integriert sind.
  15. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 14, wobei das Luftschiff eine Hülle hat, die ein Traggas enthält, und wobei die Membran in die Hülle integriert ist.
  16. Energie- und Bildgebungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das ferner Folgendes umfasst: einen Signalgenerator, der an das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz gekoppelt ist, wobei der Signalgenerator dafür konfiguriert ist, Bildgebungssignale zu erzeugen, die durch die Patch-Rectenna übertragen werden, wobei alle der zu der Patch-Rectenna zurückkehrenden Bildgebungssignale durch die Patch-Rectenna als Bildrücklaufsignale erfasst werden.
  17. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 16, das ferner Folgendes umfasst: einen Bildspeicher, der an das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz gekoppelt ist, wobei der Bildspeicher dafür konfiguriert ist, die Bildrücklaufsignale zu speichern.
  18. Energie- und Bildgebungssystem nach Anspruch 17, wobei das Leistungsverteilungs- und Regelungsnetz eine Analog-Digital-Wandlung der Bildrücklaufsignale durchführt, die in dem Bildspeicher gespeichert sind oder werden.
  19. Verfahren zur Fernenergieversorgung eines Luftschiffs, das Folgendes umfasst: Senden eines Energiestrahls von einem Energieübertragungssystem; Empfangen des Energiestrahls an einer durch das Luftschiff getragenen Rectenna; Bestimmen, ob die durch die Rectenna ausgegebene Spannung oberhalb oder unterhalb eines vorbestimmten Schwellenniveaus liegt; Senden eines Neuausrichtung-Rückmeldungssignals vom Luftschiff zum Energieübertragungssystem, falls die Spannung unterhalb der vorbestimmten Schwelle liegt; Analysieren des Neuausrichtung-Rückmeldungssignals; und Neuausrichten des Energiestrahls in Bezug auf die Rectenna.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, das ferner Folgendes umfasst: Erzeugen eines Bildgebungssignals durch die Rectenna; und Erfassen von Rücklaufsignalen des Bildgebungssignals durch die Rectenna.
DE102008020942A 2007-04-27 2008-04-25 Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff Withdrawn DE102008020942A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/796,493 2007-04-27
US11/796,493 US7744032B2 (en) 2007-04-27 2007-04-27 Power and imaging system for an airship

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008020942A1 true DE102008020942A1 (de) 2008-12-11

Family

ID=39885816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102008020942A Withdrawn DE102008020942A1 (de) 2007-04-27 2008-04-25 Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7744032B2 (de)
JP (1) JP4510113B2 (de)
DE (1) DE102008020942A1 (de)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8159364B2 (en) 2007-06-14 2012-04-17 Omnilectric, Inc. Wireless power transmission system
US11264841B2 (en) 2007-06-14 2022-03-01 Ossia Inc. Wireless power transmission system
BRPI0924275B1 (pt) * 2009-02-06 2021-02-23 Saab Ab sistema de radar e método para um radar de abertura sintética
KR101667318B1 (ko) 2011-12-27 2016-10-18 쥬코쿠 덴료쿠 가부시키 가이샤 비접촉 급전 시스템, 급전 장치, 및 비접촉 급전 시스템의 제어 방법
JP5794910B2 (ja) * 2011-12-28 2015-10-14 三菱重工業株式会社 アンテナ装置及び無線電力伝送システム
US9819229B2 (en) 2012-04-30 2017-11-14 Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University Apparatus for receiving non-contact energy and controlling method therefor
WO2013165097A1 (ko) * 2012-04-30 2013-11-07 한양대학교 산학협력단 비접촉 에너지 수신 장치 및 그 제어 방법
US9419476B2 (en) * 2012-07-10 2016-08-16 Farrokh Mohamadi Flat panel, stationary or mobile, spatially beam-formed wireless energy delivery system
US9553473B2 (en) * 2013-02-04 2017-01-24 Ossia Inc. Systems and methods for optimally delivering pulsed wireless power
USD743319S1 (en) * 2014-05-05 2015-11-17 Lta Corporation Airship
USD743867S1 (en) * 2014-05-05 2015-11-24 Lta Corporation Airship
US10447092B2 (en) 2014-07-31 2019-10-15 Ossia Inc. Techniques for determining distance between radiating objects in multipath wireless power delivery environments
US9620996B2 (en) 2015-04-10 2017-04-11 Ossia Inc. Wireless charging with multiple power receiving facilities on a wireless device
US9632554B2 (en) 2015-04-10 2017-04-25 Ossia Inc. Calculating power consumption in wireless power delivery systems
US10243412B1 (en) 2015-08-27 2019-03-26 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Beamforming rectennas, systems and methods for wireless power transfer
CN108349581B (zh) * 2015-10-09 2022-04-26 埃里恩·范温斯柏格 对地静止高空平台
KR101599423B1 (ko) * 2015-10-16 2016-03-15 배종외 드론 충전 플렛폼 시스템
CN105680579A (zh) * 2016-04-08 2016-06-15 诸葛瑞 智能动力电波远程无线传输充电储能逆向输电的方法
WO2017214611A1 (en) * 2016-06-10 2017-12-14 Ossia Inc. Wireless power transmission for near and far field applications
US11137433B2 (en) 2017-05-29 2021-10-05 Mitsubishi Electric Corporation Radio wave measurement system
CN115097217A (zh) * 2017-05-29 2022-09-23 三菱电机株式会社 电波测定系统
USD870637S1 (en) * 2018-04-02 2019-12-24 Anh VUONG Rotorcraft with blades
USD872811S1 (en) * 2018-05-30 2020-01-14 Linsnil Design Co. Float device having propelling device
CN110303912A (zh) * 2019-07-11 2019-10-08 电子科技大学 一种基于飞艇的空中无人机移动充电系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6979479B2 (en) 2003-03-14 2005-12-27 Lockheed Martin Corporation Flexible material for lighter-than-air vehicles

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3434678A (en) * 1965-05-05 1969-03-25 Raytheon Co Microwave to dc converter
US5218374A (en) * 1988-09-01 1993-06-08 Apti, Inc. Power beaming system with printer circuit radiating elements having resonating cavities
US5068669A (en) * 1988-09-01 1991-11-26 Apti, Inc. Power beaming system
US5043739A (en) * 1990-01-30 1991-08-27 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy High frequency rectenna
GB2256948B (en) 1991-05-31 1995-01-25 Thomas William Russell East Self-focussing antenna array
AU8123894A (en) 1993-10-28 1995-05-22 Skysat Communications Network Corporation Long-duration, remotely powered aircraft system
US5503350A (en) * 1993-10-28 1996-04-02 Skysat Communications Network Corporation Microwave-powered aircraft
US6792259B1 (en) 1997-05-09 2004-09-14 Ronald J. Parise Remote power communication system and method thereof
US5890676A (en) * 1997-11-21 1999-04-06 Coleman; Richard Airship with neutral buoyancy fuel bladder
US6357700B1 (en) 2000-10-02 2002-03-19 Anthony Italo Provitola Electrically powered spacecraft/airship
US6581873B2 (en) 2001-01-19 2003-06-24 Mcdermott Patrick P. Hybrid winged airship (dynastat)
US6954177B2 (en) * 2002-11-07 2005-10-11 M/A-Com, Inc. Microstrip antenna array with periodic filters for enhanced performance
US6919847B2 (en) * 2003-01-23 2005-07-19 The Regents Of The University Of California System using a megawatt class millimeter wave source and a high-power rectenna to beam power to a suspended platform

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6979479B2 (en) 2003-03-14 2005-12-27 Lockheed Martin Corporation Flexible material for lighter-than-air vehicles

Also Published As

Publication number Publication date
US7744032B2 (en) 2010-06-29
JP2009033954A (ja) 2009-02-12
US20080265087A1 (en) 2008-10-30
JP4510113B2 (ja) 2010-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008020942A1 (de) Energie- und Bildgebungssystem für ein Luftschiff
DE102012023719B4 (de) Drahtlose Fernenergieversorgung für unbemannte Fluggeräte
DE60024459T2 (de) Luftgetragene konstellation von kommunikationsplattformen und verfahren
DE112013001102B4 (de) Radarvorrichtungen und -verfahren zur Verwendung mit Fortbewegungsmitteln
DE202017007481U1 (de) System zur Überwachung von Nutzpflanzen
DE102009030507B4 (de) Gestaltungsvorrichtung, Funkvorrichtung und Verfahren zum Kommunizieren in einem Flugzeug
DE60104063T2 (de) Verfahren und System zur photovoltaischen Energieerzeugung im Weltraum
EP2427972A1 (de) Verfahren zur gerichteten digitalen datenübertragung zwischen einem luftfahrzeug und einer bodenstation
WO2013087052A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum berührungslosen bestimmen von pflanzenparametern und zum verarbeiten dieser informationen
DE19923449B4 (de) Flugkörper mit photoelektrischer Umwandlungsvorrichtung
DE60008845T2 (de) Kombiniertes Roll-Gier-Raumfahrzeugsteuerungsverfahren für den Ausgleich einer niedrigen Umlaufbahn
DE1591811A1 (de) Satelitten-Nachrichtenverbindungssystem
DE112020004598T5 (de) Radargestütztes Multi-Fahrzeug-System
DE102012110384A1 (de) AIS-Überwachungssystem
DE69924204T2 (de) Vorrichtung für interferometrischen radar
WO2021185506A1 (de) Luftfahrzeug mit drahtloser leistungsbereitstellung
EP0913908B1 (de) Flugkörper zum im wesentlichen ortsfesten Aufenthalt in Höhen bis in die Stratosphäre
EP0076877B1 (de) Einrichtung zur Darstellung eines Geländeausschnitts an Bord von Fahrzeugen, insbesondere Luftfahrzeugen
DE3618628A1 (de) Nach dem strahlschwenkverfahren arbeitendes mikrowellenlandesystem
DE102009050522B4 (de) Lokalisierungssystem und Verfahren zum Auffinden von Thermik
DE1616532C (de) Sektor Richtfunkfeuer
DE3940041C2 (de) Satellit
DE2302653C3 (de) Zweiträger-Instrumentenlandesystem
EP1050760A2 (de) Satellitensystem
DE10035658A1 (de) Vorwärtssicht-Radarsystem (FLR; Forward Looking Radar) zur dreidimensionalen Abbildung eines Geländeausschnitts

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20111101