用于气球发射的方法和机构与流程

本申请要求于2014年2月13日提交的美国专利申请第14/179,673号和2014年2月13日提交的美国专利申请第14/179,710号的优先权，其全部内容通过引用合并在此。

背景技术：

除非本文另外指出，否则本部分中描述的材料并不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因为被包括在本部分中就被承认为是现有技术。

诸如个人计算机、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝电话和无数类型的具备联网能力的设备之类的计算设备在现代生活的许多方面中正越来越普遍。这样，对于经由因特网、蜂窝数据网络和其它这样网络的数据连通性的需求正在增长。然而，在世界的许多地区中，数据连通性仍是不可得的，或者如果可得，则是不可靠的和/或成本高昂的。因此，希望有额外的网络基础设施。

网络基础设施可为高成本的，然而，并且因而，一些技术可利用临时性或非永久性结构。对这样的临时性或非永久性结构的部署也可能面临挑战。

技术实现要素：

在第一方面中，提供了一种方法。该方法包括提供基本定位在壳体结构内的气球。气球包括处于初始包装状态中的气囊。处于初始包装状态中的气囊包括未被充气且被压缩的气囊。方法进一步包括当气球基本处于壳体结构内时在基本垂直于地面的方向上解开气囊的包装从而使气囊伸展。方法额外地包括当气球基本处于壳体结构内时用提升气体填充气囊。方法可以可选地包括基于与壳体结构外侧的外部环境关联的风数据来确定外部环境中风的风向和风速。还进一步地，方法可选地包括使得壳体结构以导致基本零风的条件的方向和速度移动。零风的条件包括方向在大致风向上以及速度在大致风速。方法可还可选地包括响应于基本零风的条件，使得壳体结构打开以便使气球暴露于外部环境，并且发射气球。

在第二方面中，提供了一种系统。该系统包括配置为基本围闭气球以及打开以便使气球暴露于外部环境的壳体结构。气球包括处于初始包装状态中的气囊。处于初始包装状态中的气囊包括未被充气且被压缩的气囊。外部环境包括壳体结构外侧的环境条件。系统进一步包括配置为提升气囊并填充气囊的提升元件。解开气囊的包装包括在基于垂直于地面的方向上使气囊伸展。填充气囊包括用提升气体填充气囊。系统可以可选地包括配置为在基本平行于地面的平面中移动壳体结构的移动元件。系统额外地包括配置为当壳体结构围闭气球时使得提升元件解开气囊的包装的控制系统。控制系统可进一步被配置为当壳体结构围闭气球时使得提升元件填充气囊。控制系统可以可选地被配置为基于来自至少一个风传感器的风数据来确定外部环境中风的风向和风速。控制系统可还可选地配置为使得移动元件以导致基本零风的条件的方向和速度移动。零风的条件包括方向在大致风向上和速度在大致风速。控制系统可还可选地被配置为响应于基本零风的条件，使得壳体结构打开并且使得气球发射。

在第三方面中，提供了一种具有存储的指令的非暂态计算机可读介质。指令可由计算设备执行以使得计算设备执行功能。该功能包括使得气球的气囊在基本垂直于地面的方向上被解开包装以便使气囊伸展。气球包括处于初始包装状态中的气囊。处于初始包装状态中的气囊包括未被充气的气囊。壳体结构围闭所述气球。功能进一步包括使得用气体填充气囊。

在第四方面中，提供了一种包括用于提供基本定位在壳体结构内的气球的装置的另一系统。气球包括处于初始包装状态中的气囊。处于初始包装状态中的气囊包括未被充气且被压缩的气囊。系统进一步包括用于在气球基本处于壳体结构内时在基本垂直于地面的方向上解开气囊的包装以便使气囊伸展的装置。系统额外地包括用于在气球基本处于壳体结构内时用提升气体填充气囊的装置。系统可以可选地包括用于基于与壳体结构外侧的外部环境关联的风数据来确定外部环境中风的风向和风速的装置，以及用于使得壳体结构以导致基本零风的条件的方向和速度移动的装置。零风的条件包括方向在大致风向上以及速度在大致风速。系统可以可选地包括用于响应于基本零风的条件使得壳体结构打开以便使气球暴露于外部环境并且发射气球的装置。

通过酌情参考附图阅读以下详细描述，本领域普通技术人员将清楚这些以及其它方面、优点和替换方案。

附图说明

图1是根据示例实施例图示出气球网络的简化框图。

图2是根据示例实施例图示出气球网络控制系统的简化框图。

图3是根据示例实施例图示出高空气球的简化框图。

图4是根据示例实施例图示出气球发射系统的简化框图。

图5描绘了根据示例实施例的气球装载场景。

图6描绘了根据示例实施例的气球解开包装场景。

图7描绘了根据示例实施例的气球充气场景。

图8描绘了根据示例实施例的可选的气球发射场景。

图9是根据示例实施例的方法。

图10是根据示例实施例的方法。

具体实施方式

本文描述了示例方法和系统。本文描述的任何示例实施例或特征不一定要被解释为比其它实施例或特征更优选或有利。本文描述的示例实施例不欲进行限定。将容易理解，公开的系统和方法的某些方面可按许多种不同的配置来布置和组合，所有这些在本文都已被设想到。

另外，附图中示出的特定布置不应当被视为限制性的。应当理解，其它实施例可包括更多或更少的给定附图中示出的每种元素。另外，一些图示的元素可被组合或省略。此外，示例实施例可包括附图中没有图示的元素。

1.概述

示例实施例帮助提供了包括多个气球(balloon)的数据网络；例如，由部署在平流层(stratosphere)中的高空气球(high-altitude balloon)形成的网状网络(mesh network)。因为平流层中的风可以以差动的方式影响气球的位置，所以示例网络中的每个气球可被配置为通过调整其垂直位置(即，高度)来改变其水平位置。例如，通过调整其高度，气球可能够找到将把它水平地(例如在纬度上和/或经度上)运载到期望的水平位置的风。

另外，在示例气球网络中，气球可利用自由空间光通信来与彼此通信。例如，气球可被配置用于使用超亮LED(也可称为“高功率”或“高输出”LED)的光通信。在一些场合中，取代LED或者除了LED之外可以使用激光器，虽然对于激光通信的规章可限制激光器的使用。此外，气球可利用射频(radio-frequency，RF)通信与(一个或多个)陆基台站(ground-based station)通信。

在一些实施例中，高空气球网络可以是同质的。也就是说，高空气球网络中的气球可以按一种或多种方式与彼此基本相似。更具体而言，在同质高空气球网络中，每个气球被配置为经由自由空间光链路与一个或多个其它气球通信。另外，这种网络中的气球中的一些或全部可额外地被配置为利用RF和/或光通信与(一个或多个)陆基台站和/或基于卫星的台站通信。从而，在一些实施例中，气球就每个气球被配置用于与其它气球的自由空间光通信而言可以是同质的，但对于与陆基台站的RF通信则是异质的。

在其它实施例中，高空气球网络可以是异质的，从而可包括两种或更多种不同类型的气球。例如，异质网络中的一些气球可被配置为超节点(super-node)，而其它气球可被配置为子节点(sub-node)。还有可能异质网络中的一些气球可被配置为既充当超节点又充当子节点。这种气球在特定的时间可充当超节点或者子节点，或者，可替换地，取决于情境可同时用作这两者。例如，示例气球可聚集第一类型的搜索请求以发送到陆基台站。示例气球还可将第二类型的搜索请求发送到另一气球，该另一气球在那个情境下可用作超节点。另外，在示例实施例中可以是超节点的一些气球可被配置为经由光链路与陆基台站和/或卫星通信。

在示例配置中，超节点气球可被配置为经由自由空间光链路与附近的超节点气球通信。然而，子节点气球可不被配置用于自由空间光通信，而是可被配置用于某种其它类型的通信，例如RF通信。在那种情况下，超节点还可被配置为利用RF通信与子节点通信。从而，子节点可利用RF通信在超节点与一个或多个陆基台站之间中继通信。这样，超节点可总体上充当气球网络的回程(backhaul)，而子节点起到将通信从超节点中继到陆基台站的功能。

本公开描述了一般可操作来辅助可在这种高空气球网络中操作的气球的发射的装置、方法和计算机可读介质可运行的功能的各种示例实施例。有益地，公开的方法和机构可提高气球气囊的操作寿命，这可以减少涉及操作气球网络的维护和/或成本。即，公开的方法和机构可在气球充气和/或发射期间提供免受阵风的保护。

在示例实施例中，一种方法可包括提供基本定位在壳体结构内的气球。气球可包括处于初始包装状态中的气囊。处于初始包装状态中的气囊可包括未被充气且被压缩的气囊。例如，气囊可初始被包装在保护性包装或装运容器内。

方法还可包括在气球基本处于壳体结构内时在基本垂直于地面的方向上解开气囊的包装以便使气囊伸展。换言之，气囊可以例如通过提升元件或提升绞车在垂直方向上被伸展。

此外，方法可包括在气球基本处于壳体结构内时用提升气体填充气囊。例如，提升气体可以经由耦合到提升元件或提升绞车的填充软管而被引入到气囊。

额外地，方法可包括基于与壳体结构外侧的外部环境关联的风数据来确定外部环境中风的风向和风速。

再进一步地，方法可包括使得壳体结构以导致基本零风的条件的方向和速度移动。零风的条件可包括方向在大致风向上以及速度在大致风速。例如，可以为了匹配风向和风速来努力移动壳体结构和气球。在一些实施例中，叉式升降机(forklift)或其它载具可以移动壳体结构。

方法还可包括响应于基本零风的条件，使得壳体结构打开以便使气球暴露于外部环境，并且发射气球。例如，在确定壳体结构正以与外部环境中的风近似相同的速度和方向移动后，可打开壳体结构并且可发射气球。

2.示例气球网络

图1是根据示例实施例图示出气球网络100的简化框图。如图所示，气球网络100包括气球102A至102F，这些气球被配置为经由自由空间光链路104与彼此通信。气球102A至102F可以额外地或可替换地被配置为经由RF链路114与彼此通信。气球102A至102F可以共同充当用于封包数据通信的网状网络。另外，气球102A和102B中的至少一些可被配置用于经由相应的RF链路108与陆基台站106和112RF通信。另外，一些气球，诸如气球102F，可被配置为经由光链路110与陆基台站112通信。

在示例实施例中，气球102A至102F是部署在平流层中的高空气球。在中等纬度，平流层包括地表之上大约10公里(km)到50km高度之间的高度。在南北极，平流层开始于大约8km的高度。在示例实施例中，高空气球可大体上被配置为在具有相对较低的风速(例如，在5到20英里每小时(mph)之间)的平流层内的高度范围中操作。

更具体而言，在高空气球网络中，气球102A至102F可大体上被配置为在18km到25km之间的高度操作(虽然其它高度也是可能的)。此高度范围可能由于若干个原因而是有利的。具体地，平流层的这一层一般具有相对较低的风速(例如，5到20mph之间的风)和相对较小的湍流。另外，虽然18km到25km之间的风可随着纬度并根据季节而变化，但可以以相当精确的方式对这些变化建模。额外地，18km以上的高度通常超过了为商业空中交通指定的最大飞行高度。因此，当气球被部署在18km到25km之间时，对商业班机的干扰不是要担心的问题。

为了向另一气球发送数据，给定的气球102A至102F可被配置为经由光链路104发送光信号。在示例实施例中，给定的气球102A至102F可使用一个或多个高功率发光二极管(light-emitting diode，LED)来发送光信号。可替换地，气球102A至102F中的一些或全部可包括激光系统，用于通过光链路104的自由空间光通信。其它类型的自由空间光通信是可能的。另外，为了经由光链路104从另一气球接收光信号，给定的气球102A至102F可包括一个或多个光学接收器。示例气球的额外细节在下文参考图3更详细论述。

在另一方面中，气球102A至102F可利用各种不同的RF空中接口协议中的一种或多种来经由相应的RF链路108与陆基台站106和112通信。例如，气球102A至102F中的一些或全部可被配置为利用IEEE 802.11(包括IEEE 802.11的任何修订版)中描述的协议、诸如GSM、CDMA、UMTS、EV-DO、WiMAX和/或LTE之类的各种蜂窝协议和/或为气球-地面RF通信开发的一个或多个专有协议等等来与陆基台站106和112通信。

在另一方面中，可存在如下场景：RF链路108不为气球到地面的通信提供期望的链路容量。例如，为了提供从陆基网关的回程链路以及在其它场景中，可希望有增大的容量。因此，示例网络还可包括下行链路气球，这些下行链路气球可提供高容量空-地链路。

例如，在气球网络100中，气球102F被配置为下行链路气球。与示例网络中的其它气球一样，下行链路气球102F可操作以用于经由光链路104与其它气球的光通信。然而，下行链路气球102F也可被配置用于经由光链路110与陆基台站112的自由空间光通信。光链路110因此可用作气球网络100与陆基台站112之间的高容量链路(与RF链路108相比)。

注意，在一些实现方式中，下行链路气球102F可额外地操作用于与陆基台站106的RF通信。在其它情况下，下行链路气球102F可以只将光链路用于气球到地面的通信。另外，虽然图1中所示的布置只包括一个下行链路气球102F，但示例气球网络也可包括多个下行链路气球。另一方面，气球网络也可实现为没有任何下行链路气球。

在其它实现方式中，取代自由空间光通信系统或者除了自由空间光通信系统以外，下行链路气球可配备有专门的高带宽RF通信系统以用于气球到地面的通信。高带宽RF通信系统可采取超宽带系统的形式，该超宽带系统可提供具有与光链路104之一基本相同的容量的RF链路。其它形式也是可能的。

陆基台站，诸如陆基台站106和/或112，可采取各种形式。一般地，陆基台站可包括诸如收发器、发送器和/或接收器之类的组件，用于经由RF链路和/或光链路与气球网络通信。另外，陆基台站可使用各种空中接口协议来通过RF链路108与气球102A至102F通信。这样，陆基台站106和112可被配置为接入点，经由该接入点，各种设备可连接到气球网络100。在不脱离本发明的范围的情况下，陆基台站106和112可具有其它配置和/或起到其它作用。

在另一方面中，除了陆基通信链路以外或者作为陆基通信链路的替换，气球102A至102F中的一些或全部可被配置为与天基卫星建立通信链路。在一些实施例中，气球可经由光链路与卫星通信。然而，其它类型的卫星通信是可能的。

另外，一些陆基台站，诸如陆基台站106和112，可被配置为气球网络100与一个或多个其它网络之间的网关。这样的陆基台站106和112从而可用作气球网络与因特网、蜂窝服务提供商的网络和/或其它类型的网络之间的接口。关于这个配置以及陆基台站106和112的其它配置的变化也是可能的。

2a)网状网络功能

如所指明的，气球102A至102F可共同充当网状网络。更具体而言，因为气球102A至102F可利用自由空间光链路与彼此通信，所以这些气球可共同充当自由空间光学网状网络。

在网状网络配置中，每个气球102A至102F可充当网状网络的节点，该节点可操作来接收送往它的数据并将数据路由到其它气球。这样，通过确定源气球与目的地气球之间的光链路的适当序列，可将数据从源气球路由到目的地气球。这些光链路对于源气球和目的地气球之间的连接可被统称为“光路(lightpath)”。另外，每个光链路可被称为光路上的“跳(hop)”。

为了作为网状网络操作，气球102A至102F可采用各种路由技术和自我修复算法。在一些实施例中，气球网络100可采用自适应或动态路由，其中源气球和目的地气球之间的光路在需要连接时被确定并建立，并且在以后某时被解除。另外，当使用自适应路由时，可依据气球网络的当前状态、过去状态和/或预测状态来动态地确定光路。

此外，随着气球102A至102F相对于彼此和/或相对于地面移动，网络拓扑可变化。因此，示例气球网络100可应用网状协议来随着网络的拓扑变化而更新网络的状态。例如，为了解决气球102A至102F的移动性，气球网络100可采用和/或适应性地修改移动自组网络(mobile ad hoc network，MANET)中采用的各种技术。其它示例也是可能的。

在一些实现方式中，气球网络100可被配置为透明网状网络。更具体而言，在透明气球网络中，气球可包括用于完全光学化的物理交换的组件，其中在光信号的物理路由中不涉及任何电气组件。从而，在具有光学交换的透明配置中，信号行经完全光学化的多跳光路。

在其它实现方式中，气球网络100可实现不透明的自由空间光学网状网络。在不透明配置中，一些或全部气球102A至102F可实现光-电-光(optical-electrical-optical，OEO)交换。例如，一些或全部气球可包括用于光信号的OEO转换的光学交叉连接(optical cross-connect，OXC)。其它不透明配置也是可能的。额外地，包括既具有透明片段也具有不透明片段的路由路径的网络配置是可能的。

在另一方面中，示例气球网络100中的气球可实现波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)，这可帮助增大链路容量。当以透明交换实现WDM时，穿过气球网络的物理光路可受到“波长连续性约束”。更具体而言，因为透明网络中的交换是完全光学化的，所以可能有必要向给定光路上的所有光链路指派相同的波长。

另一方面，不透明配置可避免波长连续性约束。具体地，不透明气球网络中的气球可包括可操作用于波长转换的OEO交换系统。结果，气球可在沿着光路的每一跳处转换光信号的波长。可替换地，光学波长转换可仅在沿着光路的选定跳处发生。

另外，在不透明配置中可采用各种路由算法。例如，为了为给定的连接确定主光路和/或一个或多个不同的备用光路，示例气球可应用或考虑最短路径路由技术，诸如Dijkstra的算法和k最短路径，和/或边缘和节点多样或不相交路由，诸如Suurballe的算法等等。额外地或可替换地，在确定光路时可采用用于维持特定服务质量(quality of service，QoS)的技术。其它技术也是可能的。

2b)台站保持功能

在示例实施例中，气球网络100可实现台站保持功能来帮助提供期望的网络拓扑。例如，台站保持可涉及每个气球102A至102F维持和/或移动到相对于网络中的一个或多个其它气球的特定位置(并且可能在相对于地面的特定位置)。作为此过程的一部分，每个气球102A至102F可实现台站保持功能以确定其在期望拓扑内的期望定位，并且如果必要，则确定如何移动到期望位置。

期望拓扑可依据特定的实现方式而有所不同。在一些情况下，气球可实现台站保持来提供基本上均一的拓扑。在这样的情况下，给定的气球102A至102F可实现台站保持功能来将其自身定位在与气球网络100中的邻近气球相距基本上相同的距离(或者在一定距离范围内)。

在其它情况下，气球网络100可具有非均一拓扑。例如，示例实施例可涉及如下的拓扑：在这些拓扑中，由于各种原因，气球在某些区域中分布得更密集或更不密集。作为示例，为了帮助满足城市区域中典型的更高带宽需求，气球在城市区域上方可更密集地群集。由于类似的原因，气球的分布在陆地上方可以比在大水体上方更密集。非均一拓扑的许多其它示例是可能的。

在另一方面中，示例气球网络的拓扑可以是可适应性修改的。具体地，示例气球的台站保持功能可允许气球依据网络的期望拓扑的变化来调整其各自的定位。例如，一个或多个气球可移动到新的位置以增大或减小给定区域中气球的密度。其它示例是可能的。

在一些实施例中，气球网络100可采用能量函数来确定气球是否应当移动和/或应当如何移动来提供期望的拓扑。具体地，给定气球的状态和一些或全部附近气球的状态可以是能量函数的输入。能量函数可将给定气球和附近气球的当前状态应用到期望的网络状态(例如，与期望拓扑相对应的状态)。随后可通过确定能量函数的梯度来确定指示给定气球的期望移动的向量。给定气球随后可确定为了实现期望的移动而要采取的适当动作。例如，气球可确定一个或多个高度调整以使得风将会以期望的方式来移动气球。

2c)对气球网络中的气球的控制

在一些实施例中，网状联网和/或台站保持功能可以是集中式的。例如，图2是根据示例实施例图示出气球网络控制系统的框图。具体地，图2示出了分布式控制系统，其包括中央控制系统200和数个区域控制系统202A至202C。这种控制系统可被配置为为气球网络204协调某些功能，并且因此可被配置为为气球206A至206I控制和/或协调某些功能。

在图示的实施例中，中央控制系统200可被配置为经由数个区域控制系统202A至202C与气球206A至206I通信。这些区域控制系统202A至202C可被配置为从其所覆盖的各个地理区域中的气球接收通信和/或聚集数据，以及将这些通信和/或数据中继到中央控制系统200。另外，区域控制系统202A至202C可被配置为将通信从中央控制系统200路由到其各自的地理区域中的气球。例如，如图2中所示，区域控制系统202A可在气球206A至206C与中央控制系统200之间中继通信和/或数据，区域控制系统202B可在气球206D至206F与中央控制系统200之间中继通信和/或数据，并且区域控制系统202C可在气球206G至206I与中央控制系统200之间中继通信和/或数据。

为了促进中央控制系统200与气球206A至206I之间的通信，某些气球可被配置为可操作来与区域控制系统202A至202C通信的下行链路气球。因此，每个区域控制系统202A至202C可被配置为与其所覆盖的各个地理区域中的一个或多个下行链路气球通信。例如，在图示的实施例中，气球206A、206F和206I被配置为下行链路气球。这样，区域控制系统202A至202C可分别经由光链路206、208和210与气球206A、206F和206I分别通信。

在图示的配置中，气球206A至206I中只有一些被配置为下行链路气球。被配置为下行链路气球的气球206A、206F和206I可将通信从中央控制系统200中继到气球网络中的其它气球，诸如气球206B至206E、206G和206H。然而，应当理解，在一些实现方式中，有可能所有气球都可充当下行链路气球。另外，虽然图2示出了多个气球被配置为下行链路气球，但也有可能气球网络只包括一个下行链路气球，或者可能甚至不包括下行链路气球。

注意，区域控制系统202A至202C可能实际上只是被配置为与下行链路气球通信的特定类型的陆基台站(例如，诸如图1的陆基台站112)。从而，虽然在图2中未示出，但可结合其它类型的陆基台站(例如，接入点、网关等等)实现控制系统。

在集中式控制布置中，诸如图2中所示的那种，中央控制系统200(并且区域控制系统202A至202C也可能)可为气球网络204协调某些网状联网功能。例如，气球206A至206I可向中央控制系统200发送某些状态信息，中央控制系统200可利用这些状态信息来确定气球网络204的状态。来自给定气球的状态信息可包括位置数据、光链路信息(例如，气球与之建立光链路的其它气球的身份、链路的带宽、链路上的波长使用和/或可用性，等等)、气球收集的风数据、和/或其它类型的信息。因此，中央控制系统200可聚集来自气球206A至206I中的一些或全部的状态信息以便确定网络的整体状态。

网络的整体状态随后可用于协调和/或促进某些网状联网功能，诸如为连接确定光路。例如，中央控制系统200可基于来自气球206A至206I中的一些或全部的聚集状态信息来确定当前拓扑。拓扑可提供气球网络中可用的当前光链路和/或链路上的波长可用性的图景。此拓扑随后可被发送到气球中的一些或全部，从而使得可以采用路由技术来为通过气球网络204的通信选择适当的光路(以及可能选择备用光路)。

在另一方面中，中央控制系统200(并且区域控制系统202A至202C也可能)还可为气球网络204协调某些台站保持功能。例如，中央控制系统200可以把从气球206A至206I接收的状态信息输入到能量函数，该能量函数可有效地将网络的当前拓扑与期望的拓扑进行比较，并且提供为每个气球指示移动的方向的向量(如果有移动的话)，以使得气球可朝着期望的拓扑移动。另外，中央控制系统200可以使用高度风数据来确定可被发起来实现朝着期望拓扑的移动的各个高度调整。中央控制系统200也可提供和/或支持其它台站保持功能。

图2示出了提供集中式控制的分布式布置，其中区域控制系统202A至202C协调中央控制系统200与气球网络204之间的通信。这种布置对于为覆盖大地理区域的气球网络提供集中式控制可以是有用的。在一些实施例中，分布式布置甚至可支持在地球上每个地方提供覆盖的全球气球网络。当然，分布式控制布置在其它场景中也可以是有用的。

另外，应当理解，其它控制系统布置也是可能的。例如，一些实现方式可涉及具有额外的层(例如，区域控制系统内的子区域系统，等等)的集中式控制系统。可替换地，控制功能可由单个集中式控制系统提供，该系统可与一个或多个下行链路气球直接通信。

在一些实施例中，取决于实现方式，对气球网络的控制和协调可由陆基控制系统和气球网络在不同程度上共享。实际上，在一些实施例中，可以没有陆基控制系统。在这种实施例中，所有网络控制和协调功能可由气球网络自身实现。例如，某些气球可被配置为提供与中央控制系统200和/或区域控制系统202A至202C相同或相似的功能。其它示例也是可能的。

此外，对气球网络的控制和/或协调可以是分散式的。例如，每个气球可将状态信息中继到一些或全部附近气球，并且从一些或全部附近气球接收状态信息。另外，每个气球可以把其从附近气球接收的状态信息中继到一些或全部附近气球。当所有气球都这样做时，每个气球可能够单独确定网络的状态。可替换地，某些气球可被指定为为网络的给定部分聚集状态信息。这些气球随后可彼此协调来确定网络的整体状态。

另外，在一些方面中，对气球网络的控制可以是部分或完全局部化的，从而使得其不依赖于网络的整体状态。例如，个体气球可实现只考虑附近气球的台站保持功能。具体地，每个气球可实现将其自身状态和附近气球的状态考虑在内的能量函数。该能量函数可用于维持和/或移动到相对于附近气球的期望位置，而不必考虑网络整体上的期望拓扑。然而，当每个气球为了台站保持实现这种能量函数时，气球网络整体上可维持期望的拓扑和/或朝着期望的拓扑移动。

作为示例，每个气球A可接收相对于其k个最近邻居中的每一个的距离信息d₁至d_k。每个气球A可以把到k个气球中的每一个的距离视为虚拟弹簧，其中向量表示从第一最近邻居气球i朝着气球A的力方向，并且力的幅值与d_i成比例。气球A可对k个向量中的每一个求和，并且总和向量是气球A的期望移动的向量。气球A可通过控制其高度来尝试实现期望的移动。

可替换地，这个过程可例如指派这些虚拟力中的每一个的力幅值等于d_i×d_i。为网状网络中的各个气球指派力幅值的其它算法是可能的。

在另一实施例中，可以为k个气球中的每一个执行类似的过程，并且每个气球可将其计划的移动向量发送到其本地邻居。对每个气球的计划移动向量的更多轮精细化可基于其邻居的相应计划移动向量来进行。对于本领域技术人员将显而易见的是，在气球网络中可实现其它算法以尝试在给定的地理位置上方维持一组气球间距和/或特定的网络容量水平。

2d)示例气球配置

在示例气球网络中可包含各种类型的气球系统。如上所指明的，示例实施例可利用高空气球，这些高空气球通常可在17km到25km之间的高度范围中操作。图3根据示例实施例示出了高空气球300。如图所示，气球300包括气囊302、套罩(skirt)304、有效载荷306和附接于气球302与有效载荷306之间的下切系统308。

气囊302和套罩304可采取可以是当前公知或尚待开发的各种形式。例如，气囊302和/或套罩304可由包括金属化聚酯薄膜(Mylar)或双向拉伸聚酯薄膜(BoPet)的材料构成。额外地或可替换地，气囊302和/或套罩304中的一些或全部可由诸如氯丁二烯之类的高灵活性乳胶材料或橡胶材料构成。其它材料也是可能的。另外，气囊302和套罩304的形状和大小可依据特定的实现方式而有所不同。额外地，气囊302可被填充以各种不同类型的气体，诸如氦气和/或氢气。其它类型的气体也是可能的。

气球300的有效载荷306可包括处理器312和自带数据存储装置，诸如存储器314。存储器314可采取非暂态计算机可读介质的形式或者包括非暂态计算机可读介质。非暂态计算机可读介质上可存储有指令，这些指令可被处理器312访问并执行以便执行本文描述的气球功能。从而，处理器312与存储器314中存储的指令和/或其它组件相结合可充当气球300的控制器。

气球300的有效载荷306还可包括各种其它类型的设备和系统来提供数种不同的功能。例如，有效载荷306可包括光通信系统316，该光通信系统316可经由超亮LED系统320发送光信号，并且可经由光通信接收器322(例如，光电二极管接收器系统)接收光信号。另外，有效载荷306可包括RF通信系统318，该RF通信系统318可经由天线系统340发送和/或接收RF通信。

有效载荷306还可包括电源326来向气球300的各种组件供应电力。电源326可包括可再充电电池。在其它实施例中，电源326可以额外地或可替换地代表本领域中已知的用于产生电力的其它手段。此外，气球300可包括太阳能电力生成系统327。太阳能电力生成系统327可包括太阳能电池板并且可用于生成对电源326充电和/或被电源326配送的电力。

有效载荷306可额外地包括定位系统324。定位系统324可包括例如全球定位系统(GPS)、惯性导航系统和/或星体跟踪系统。定位系统324可以额外地或可替换地包括各种运动传感器(例如，加速度计、磁力计、陀螺仪和/或罗盘)。

定位系统324可以额外地或可替换地包括一个或多个视频和/或静止相机，和/或用于捕捉环境数据的各种传感器。

有效载荷306内的组件和系统中的一些或全部可在无线电探空仪(radiosonde)或其它探测器中实现，该无线电探空仪或其它探测器可操作来测量例如压力、高度、地理位置(纬度和经度)、温度、相对湿度和/或风速和/或风向以及其它信息。

如所指明的，气球300包括超亮LED系统320，用于与其它气球的自由空间光通信。这样，光通信系统316可被配置为通过调制超亮LED系统320来发送自由空间光信号。光通信系统316可实现有机械系统和/或硬件、固件和/或软件。一般地，实现光通信系统的方式可依据具体应用而有所不同。光通信系统316和其它关联组件在下文更详细描述。

在另一方面中，气球300可被配置用于高度控制。例如，气球300可包括可变浮力系统，该系统可被配置为通过调整气球300中的气体的体积和/或密度来改变气球300的高度。可变浮力系统可采取各种形式，并且一般可以是任何可改变气囊302中的气体的体积和/或密度的系统。

在示例实施例中，可变浮力系统可包括位于气囊302内部的囊袋(bladder)310。囊袋310可以是被配置为保持液体和/或气体的弹性腔。可替换地，囊袋310不需要在气囊302内部。例如，囊袋310可以是可被加压到远超过中性压力的刚性囊袋。因此可通过改变囊袋310中的气体的密度和/或体积来调整气球300的浮力。为了改变囊袋310中的密度，气球300可被配置有用于加热和/或冷却囊袋310中的气体的系统和/或机构。另外，为了改变体积，气球300可包括用于向囊袋310添加气体和/或从囊袋310去除气体的泵或其它特征。额外地或可替换地，为了改变囊袋310的体积，气球300可包括可控制来允许气体从囊袋310逸出的放气阀或其它特征。在本公开的范围内可实现多个囊袋310。例如，多个囊袋可用于提高气球稳定性。

在示例实施例中，气囊302可被填充以氦气、氢气或另外的比空气轻的气体或气体的组合。当被充气时，气囊302从而可具有关联的向上浮力。在这种实施例中，囊袋310中的空气可被认为是可具有关联的向下压载力的压载舱。在另一示例实施例中，通过向囊袋310中泵入空气(例如利用空气压缩机)以及从囊袋310中泵出空气，可以改变囊袋310中的空气的量。通过调整囊袋310中的空气的量，可以控制压载力。在一些实施例中，压载力可以部分用于抵消浮力和/或提供高度稳定性。

在其它实施例中，气囊302可以基本上是刚性的并且包括围闭(enclosed)体积。在基本上维持该围闭体积的同时，可将空气从气囊302中排出。换言之，在该围闭体积内可以产生并维持至少部分真空。从而，气囊302和围闭体积可以变得比空气轻并提供浮力。在其它实施例中，可以可控地将空气或另外的材料引入到围闭体积的部分真空中以尝试调整整体浮力和/或提供高度控制。

在另一实施例中，气囊302的一部分可以是第一颜色(例如，黑色)和/或第一材料，而气囊302的其余部分可具有第二颜色(例如，白色)和/或第二材料。例如，第一颜色和/或第一材料可被配置为比第二颜色和/或第二材料吸收相对更大量的太阳能量。从而，旋转气球以使得第一材料面对太阳可起到加热气囊302以及气囊302内部的气体的作用。这样，气囊302的浮力可增大。通过旋转气球以使得第二材料面对太阳，气囊302内部的气体的温度可减小。因此，浮力可减小。这样，通过利用太阳能量改变气囊302内部的气体的温度/体积，可以调整气球的浮力。在这种实施例中，有可能囊袋310可以不是气球300的必要元件。从而，在各种设想到的实施例中，可以至少部分通过调整气球相对于太阳的旋转来实现对气球300的高度控制。

另外，气球300可包括导航系统(未示出)。导航系统可实现台站保持功能以维持期望的拓扑内的位置和/或依据期望的拓扑移动到一位置。具体地，导航系统可使用高度风数据来确定使得风在期望的方向上和/或向期望的位置运载气球的高度调整。高度控制系统随后可对气球腔的密度进行调整以便实现所确定的高度调整并使得气球横向移动到期望的方向和/或期望的位置。可替换地，高度调整可由陆基控制系统或基于卫星的控制系统来计算并被传达给高空气球。在其它实施例中，异质气球网络中的特定气球可被配置为为其它气球计算高度调整并向这些其它气球发送调整命令。

如图所示，气球300还包括下切系统308。下切系统308可被激活以将有效载荷306与气球300的其它部分分离。下切系统308可包括将有效载荷306连接到气囊302的至少一个连接器(connector)，诸如气球绳，以及用于切断该连接器的手段(例如，剪切机构或爆炸螺栓)。在示例实施例中，可以为尼龙的气球绳被包裹以镍铬合金线。可以使电流经过该镍铬合金线以对其进行加热并熔化该绳索，从而将有效载荷306从气囊302切离。

在需要在地面上访问有效载荷的任何时刻，诸如当是时候将气球300从气球网络中去除时、当有效载荷306内的系统上应当进行维护时和/或当电源326需要被再充电或更换时，可利用下切功能。

在可替换布置中，气球可不包括下切系统。在这种布置中，在需要将气球从网络中去除和/或需要在地面上访问气球的情况下，导航系统可操作来将气球导航到着陆位置。另外，有可能气球可以是自给自足的，从而不需要在地面上访问它。在其它实施例中，可以由特定的服务气球或另外类型的服务航空器或服务飞行器来检修飞行中的气球。

4.图示性系统

气球发射系统可包括壳体结构、气球、提升元件和控制系统。气球发射系统可以可选地包括移动元件。因而，图示性系统可参考图4-图8进行描述。图4是根据示例实施例图示出壳体结构410、气球430、提升元件450、可选移动元件470和控制系统490的简化框图。

壳体结构410可包括通信系统412、至少两个壳体部分414、致动设备416和/或传感器418。壳体部分414可包括配置为打开和关闭的至少两个壳体元件。壳体部分414可采取各种形状。例如，壳体部分414可成形为如同蚌壳。可替换地，壳体部分414可成形为如同可打开和关闭的若干花瓣。用于壳体部分414的其它几何形状对于本领域技术人员来说将是显而易见的。壳体部分414可操作来围绕气球430关闭以便保护气球430。具体地，当被壳体结构410围闭时，可基本保护气球430免受壳体结构410外侧的外部环境中的阵风和其它环境元素。可选地，壳体部分414可操作来打开以便允许气球430发射。

壳体结构410可至少包括内部部分和外部部分。内部部分可包括配置为在与气囊432接触时减小摩擦力的软材料。外部部分可包括配置为抵抗外部环境中的风力的刚性材料。在图示性实施例中，内部部分可包括诸如特氟龙(Teflon)的不粘涂料。用于壳体结构410的内部部分的其它材料可被用来最小化对气囊432的损伤。外部部分可包括刚性材料，如工程复合物(例如，玻璃纤维、碳纤维增强聚合物、金属基复合物和/或陶瓷基复合物)。一般地，壳体结构410可包括阻燃或耐火材料。

致动设备416可耦合到至少两个壳体部分414。致动设备416可被配置为打开和关闭至少两个壳体部分414。因而，致动设备416可包括至少一个液压活塞。致动设备416可利用其它形式的致动(例如，电磁式、气动式等)进行操作。致动设备416可耦合到系统400的其它部分。例如，致动设备可耦合到移动元件470。

气球430可类似于或等同于如参考图3图示并描述的气球300。具体地，气球430可包括气囊432、有效载荷434和通信系统436。气球430可在如本文描述的气球网络中进行操作。另外，气球430可被配置为定位在壳体结构410内。当初始定位在壳体结构410内时，气囊432可未被充气且是被压缩的。换言之，气囊432可被折叠或被包装到用于更容易装运和/或操纵的包装中。气球430可包括可耦合到锚的系绳。锚可为物理重量或可为壳体结构410上的锚点。系绳可被配置为在气球被充气时物理地将气球束缚到壳体结构。系绳可额外地被配置为可控地与壳体结构410和/或气球430解除耦合。例如，响应于例如来自控制系统490的发射命令，系绳可被解除耦合以便允许气球430发射。

系统可额外地包括提升元件450。提升元件450可包括提升绞车452、填充软管454和通信系统456。提升元件450可被配置为解开气囊432的包装。提升元件450还可被配置为用提升气体填充气囊432。在图示性实施例中，提升元件450可包括门式起重机。门式起重机可被配置为在气球430被壳体结构410围闭时提升气囊432。例如，提升绞车452可被配置为穿过壳体结构410中的开口、耦合到气囊432并在垂直于地面的方向上拉气囊432。提升绞车452可包括诸如绞车电机、绞车缆索和钩子或配置为将提升绞车452耦合到气囊的另外的设备的元件。在这样的实施例中，由提升绞车452施加在气囊432上的力可在垂直方向上使气囊432伸展以便解开气囊432的包装并解压缩气囊432。填充软管454可以可选地被配置为耦合到提升绞车452。填充软管454可被配置为将提升气体递送到气囊432。提升软管454和提升绞车452可被配置为在相同位置耦合到气囊432。可替换地，填充软管454和提升绞车452可被配置为在不同位置耦合到气囊432。另外，填充软管454和提升绞车452不必为分开的物理元件。例如，填充软管454可被配置为使气囊432伸展以及用提升气体填充气囊432。

系统可以可选地包括移动元件470。移动元件470可包括数据存储装置472、程序指令474和通信系统476。移动元件470可包括载具，诸如叉式升降机、卡车、汽车、船或配置为提升并移动载荷的任何其它载具。在图示性实施例中，移动元件470可包括配置为耦合到壳体结构410的电动叉或耙。移动元件470可被配置为移动壳体结构410，并且可选地，移动气球430。具体地，移动元件470可被配置为在基本平行于地面的平面中移动壳体结构410(以及可选地，移动被围闭的气球430)。

控制系统490可包括数据存储装置492、程序指令494以及通信系统496。通信系统496可被配置为与通信系统412、426、456和476中的任一个或全部通信。换言之，控制系统490可被配置为从壳体结构410、气球430、提升元件450和/或移动元件470中的任一个发送和/或接收信息。控制系统490可被配置为在壳体结构410围闭气球430时使得提升元件450解开气囊432的包装并填充气囊432。额外地，控制系统490可以可选地被配置为确定壳体结构410外侧的外部环境中风的风向和风速。在图示性实施例中，风传感器可向控制系统490提供风数据。基于接收的数据，控制系统490可以可选地被配置为计算、预测和/或估计壳体结构410外侧的风条件。

控制系统490可以可选地被配置为使得移动元件470以基本匹配所确定的风速和风向的速度和方向沿地面移动。在这样做时，可能导致零风的条件。换言之，零风的条件可由以匹配外部风条件的速度和方向移动移动元件而导致。响应于零风的条件，控制系统490可以可选地被配置为使得壳体结构打开。在图示性实施例中，控制系统490可以可选地在壳体结构410以基本匹配外部风条件的速度和方向移动时确定零风的条件。在确定零风的条件后，控制系统490可发送信号以使得壳体结构410打开。另外，控制系统490可以可选地被配置为响应于零风的条件使得气球430发射。在图示性实施例中，控制系统490可发送信号以使得气球在打开壳体结构410之后发射。

5.图示性方法

提供了方法900以用于在零风的条件下解开气球的包装、填充和发射气球。可利用图1-图4中示出并在上面描述的任何装置来执行该方法。然而，可使用其它配置。图9参考图3-图8图示了图示性方法900中的功能。要理解，在其它实施例中，所述功能可以以不同的顺序出现并且可以添加或减去功能。

功能902包括提供基本定位在壳体结构内的气球。气球包括处于初始包装状态中的气囊。气球可类似于或等同于图3中的气球300或如图5中所示的预先包装的气球502。壳体结构可类似于或等同于图4中的壳体结构410或如图5中所示的壳体结构504。在图示性实施例中，提供基本定位在壳体结构内的气球包括将预先包装的气球502装载到如图5中图示的壳体结构504中。例如，如在图3中所示，未充气的气囊302和气球300的其它部分可初始被包装或压缩在包装内。预先包装的气球502可在发射的准备中被装载到壳体结构504中。在将预先包装的气球502装载到壳体结构504中之后，壳体结构504可基本围绕预先包装的气球502关闭。

功能904包括当气球基本处于壳体结构内时在基本垂直于地面的方向上解开气囊的包装从而使气囊伸展。在图示性实施例中，提升元件602可耦合到如图6中图示的气囊604。提升元件602可在垂直方向上使未充气(或部分充气)的气囊604伸展以便将气囊从其包装606解开包装并松开。提升元件602可包括在壳体结构614关闭时可穿过壳体结构612顶部附近的开口的提升绞车608和填充软管610。在一些实施例中，可以由门式起重机620或配置为支撑提升设备的另外的结构来支撑提升元件602。

功能906包括当气球基本处于壳体结构内时用提升气体填充气囊。如上面参考图6进行描述的，提升元件可包括可耦合到气囊604的填充软管610。填充软管610可用提升气体(例如氦气、氢气、热空气等)来对气囊604充气。

尽管功能904和906在上面描述为分立的功能，但是它们可以同时发生。例如，在用来自填充软管610的提升气体填充气囊604的同时，由提升绞车608施加的力可以使气囊604从其包装606向上伸展出。额外地或可替换地，各个步骤不必在任一次执行至完成。例如，功能904和906可以以交替的方式部分地被执行(例如，气囊没有完全伸展或没有完全充气)若干次以便逐渐地伸展和填充气囊604。换言之，气囊604可以初始通过提升绞车608施加的力被部分伸展。然后，气囊604可以通过填充软管610被部分充气，以此类推，直到气囊被完全充气。图7描绘了在气球发射之前具有充气的气囊702的场景。

一些实施例可以可选地包括可在所述方法的范围内执行的进一步的功能。例如，功能908包括基于与壳体结构外侧的外部环境关联的风数据来确定外部环境中风的风向和风速。对风向和风速的确定可以通过如参考图4描述的控制系统490来执行。可替换地或额外地，不同的计算系统可确定风向和风速。可以通过一个或多个风传感器来获得风数据。在图8中描绘的图示性实施例中，风传感器804可位于壳体结构802上。然而，风传感器可以位于其它地方。例如，风传感器806可定位在移动元件810上或者风传感器808可固定到地面。另外，风传感器可定位在若干不同位置中。

对风向和风速的确定可包括对外部环境中风的直接测量。例如，如果风传感器808被固定到地面，则对风向和风速的确定可类似于常规的气象仪器(weather instrumentation)。可替换地或额外地，对风向和风速的确定可以结合壳体结构802和/或移动元件810的移动。例如，如果风传感器806耦合到移动元件810并且移动元件810正在移动，则对外部环境中风向和风速的确定可受风传感器806的相对移动影响。因此，在图示性实施例中，对风向和风速的确定可包括对测量到的风向和风速添加或减去移动矢量(方向和速度)。

功能910包括使得壳体结构以导致基本零风的条件的方向和速度移动。例如，零风的条件可包括这样的条件：其中壳体结构802正在大致风向的方向上移动并且壳体结构802正以大致风速的速度移动。在图示性实施例中，控制系统490可使得移动元件810在大致风向的方向上并且以大致风速的速度移动壳体结构802。要理解，功能910可以与在公开的方法中的其它步骤同时执行。例如，在执行功能908(确定风向和风速)的同时，壳体结构802可正在移动。额外地，当如下所述使得壳体结构802打开的同时，壳体结构802可正在沿地面移动。

功能912包括响应于基本零风的条件，使得壳体结构802打开以便使气球820暴露于外部环境，并且发射气球820。在图8中描绘的图示性实施例中，壳体结构802(并且因此气球820)可以正以与外部环境中风近似相同的速度和方向行进，这可导致零风的条件。在这样的情况下，控制系统490可使得壳体结构802打开并使气球820暴露于外部环境。使得壳体结构802打开可包括壳体结构802打开如同蚌壳的两半。可替换地，壳体结构802可以打开如同花。使得壳体结构802打开可包括使得致动设备830致动壳体结构部分840A和840B打开。例如，致动设备830可包括液压活塞并且控制系统490可使得移动元件810对连接到液压活塞的辅助液压管线充液(charge)，使得壳体结构部分840A和840B打开。

在使得壳体结构802打开之后，控制系统490可使得气球820发射。在图示性实施例中，控制系统490可将发射信号发送到壳体结构802和/或气球820从而使得系绳850将气球820从壳体结构802或锚解除耦合。作为示例，可以使电流经过包裹在系绳850周围的镍铬合金线(未示出)以便切断系绳850并且发射气球820。

6.图示性非暂态计算机可读介质

上面描述且在图5-图9中图示的功能中的一些或全部可由计算设备响应于对存储在非暂态计算机可读介质中的指令的执行而被执行。非暂态计算机可读介质可以是例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器、高速缓存存储器、一个或多个磁编码盘、一个或多个光编码盘或任何其它形式的非暂态数据存储装置。非暂态计算机可读介质还可以分布在多个数据存储元件之间，所述多个数据存储元件的位置可以彼此远离。在图示性实施例中，非暂态计算机可读介质可包括如参考图4所图示并描述的程序指令474和/或程序指令494。执行存储的指令的计算设备可以为诸如如参考图3所描述并图示的处理器312的计算设备。可替换地，处理器可以为如参考图4所图示并描述的壳体结构410、气球430、移动元件470、控制系统490和/或提升元件450的元件。可选地，执行存储的指令的计算设备可以为另外的计算设备，例如在服务器网络中的服务器或陆基台站。

非暂态计算机可读介质可以存储可由前述处理器中的任一个执行以执行各种功能的指令。所述功能包括使得气球的气囊在基本垂直于地面的方向上被解开包装从而使气囊伸展。所述气球包括处于初始包装状态中的气囊。处于初始包装状态中的气囊包括未被充气的气囊。壳体结构围闭气球。所述功能进一步包括使得用气体填充气囊。所述功能可以可选地包括基于与围闭气球的壳体结构外侧的外部环境关联的风数据来确定外部环境中风的风向和风速。所述功能可进一步包括使得壳体结构以导致基本零风的条件的方向和速度移动。所述零风的条件包括方向在大致风向上以及速度在大致风速。所述功能还可选地包括响应于基本零风的条件，使得壳体结构打开以便使气球暴露于外部环境，并且发射气球。

非暂态计算机可读介质可包括额外的功能，诸如使得载具移动壳体结构。额外地，非暂态计算机可读介质可包括执行如参考图9所图示并描述的方法900的一些或全部的功能。

以上详细描述参考附图对公开的系统、设备和方法的各种特征和功能进行了描述。虽然本文已公开了各种方面和实施例，但本领域技术人员将会清楚其它方面和实施例。本文公开的各种方面和实施例是为了例示，而并不打算进行限定，真实的范围和精神由所附权利要求指示。