基于气球的定位系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]除非本文另有指定，否则本章节中描述的素材不是本申请中的权利要求的现有技术并且不通过包括在本章节中而被承认为现有技术。
[0002]存在许多定位系统，这些定位系统帮助确定设备的位置。一种最常用的定位系统是全球定位系统(GPS)，全球定位系统由美国政府来维护。GPS是基于卫星的系统，该系统向位于全世界的基于地面的接收器提供定位信息。GPS包括一群三十二颗原子钟卫星。每个卫星绕地球飞行并且为相应的卫星广播包含卫星定位数据的信号。然后，给定接收器接收来自不同卫星的信号，并且处理包含在其中的集合的卫星定位数据以确定接收器的位置。然而，由于各种原因，接收器可能不能接收这些信号中的一个或多个信号，或者它可能接收已经失真的信号。作为结果，接收器经常不能正确地确定它们的位置。因此，期望改进的定位系统。
【发明内容】
[0003]在一个方面中，一种系统包括至少三个气球，每个气球包括位置确定模块(PDM)和位置广播模块(PBM)。每个PDM被配置用于确定相应气球的位置，并且每个PBM被配置用于广播包含相应气球的气球定位数据的气球信号。气球定位数据包括确定的相应气球的位置和对应的广播时间。
[0004]在另一方面中，一种系统包括至少三个气球，每个气球包括位置确定模块(PDM)和位置广播模块(PBM)。每个PDM包括GPS接收器，并且被配置用于(i)接收至少三个卫星信号，每个卫星信号来自至少三个卫星中的相应的一个卫星，并且每个卫星信号包括相应卫星的卫星定位数据，以及(ii)基于至少三个卫星的卫星定位数据来确定相应气球的位置。每个PBM被配置用于广播包含相应气球的气球定位数据的气球信号。气球定位数据包括确定的相应气球的位置和对应的广播时间。
[0005]在又一方面中，一种系统包括至少三个气球，每个气球包括位置确定模块(PDM)和位置广播模块(PBM)。每个PDM被配置用于确定相应气球的位置。至少三个气球中的一个气球是第一气球，并且第一气球的PDM是第一 PDM。第一 PDM被配置用于基于地面站和天体来确定第一气球的位置。每个PBM被配置用于广播包含相应气球的气球定位数据的气球信号。气球定位数据包括确定的相应气球的位置和对应的广播时间。
[0006]在再一方面中，一种方法包括(i)确定气球网络中的第一气球的第一位置，(ii)确定气球网络中的第二气球的第二位置，(iii)确定气球网络中的第三气球的第三位置，(iv)广播第一气球信号，第一气球信号包括确定的第一位置和对应的广播时间，(V)广播第二气球信号，第二气球信号包括确定的第二位置和对应的广播时间，以及(vi)广播第三气球信号，第三气球信号包括确定的第三位置和对应的广播时间。
【附图说明】
[0007]图1是图示了根据示例性实施例的气球网络的简化的框图。
[0008]图2是图示了根据示例性实施例的气球网络控制系统的框图。
[0009]图3是图示了根据示例性实施例的高海拔气球的简化的框图。
[0010]图4是图示了根据示例性实施例的包括超级节点和子节点的气球网络的简化的框图。
[0011]图5是根据示例性实施例的基于气球的定位系统的简化的框图。
[0012]图6是根据示例性实施例的使用基于GPS的技术以确定气球位置的基于气球的定位系统的简化的框图。
[0013]图7是根据示例性实施例的使用基于测量(survey-based)的技术以确定气球位置的基于气球的定位系统的简化的框图。
[0014]图8是根据示例性实施例的使用基于相对(relative-based)的技术以确定气球位置的基于气球的定位系统的简化的框图。
【具体实施方式】
[0015]本文描述了基于气球的定位系统的示例性实施例并且它们不意图为限制。可以利用其他实施例并且可以做出其他改变，而不偏离本文所述主题的精神或范围。将会容易理解，总体如本文所描述的以及附图中所示的本公开的各个方面可以以多种不同的配置来布置、代替、组合、分离和设计，所有这些均是本文所预期的。
[0016]1、综述
[0017]基于气球的定位系统的实施例可以与包括多个气球的气球数据网络集成；例如，通过在平流层中部署的高海拔气球形成的网状网络。由于平流层中的风可能以不同方式影响气球的位置，所以网络中的每个气球可以被配置为通过调制其垂直位置(即，海拔)来改变其水平位置。例如，通过调整其海拔，气球可以能够找到将其水平地(即，玮度地和/或经度地)送到期望的水平位置的风。
[0018]在一个气球网络中，气球可以相对于彼此玮度地和/或经度地移动以便形成期望的拓扑。然而，由于风的原因以及可能由于其他原因，将单个气球保持在特定位置可能是困难的。因此，期望的拓扑可以限定用于气球相对于彼此的定位的相对框架和/或规则，使得气球可以相对于地面移动同时保持期望的拓扑。因此，在地球上的给定位置处，提供服务的特定的气球或多个气球可以随时间变化。
[0019]基于气球的定位系统的一个实施例包括多个气球，每个气球具有位置确定模块(PDM)和位置广播模块(PBM)。每个PDM被配置用于确定相应气球的位置，并且每个PBM被配置用于广播包含气球定位数据的气球信号。气球定位数据包括确定的相应气球的位置和对应的广播时间(即，指示何时广播气球信号)。该系统还包括基于地面的接收器，该基于地面的接收器被配置为接收这些气球信号并基于包含在其中的集合的气球定位数据来确定其位置。
[0020]PDM可以以各种方式来配置以确定相应气球的位置。在一个实施例中，PDM可以被配置为基于从GPS卫星接收的卫星定位数据来确定位置。在另一实施例中，PDM可以被配置为基于测量点(诸如基于地面的站和/或天体)来确定位置。在另一实施例中，PDM可以被配置为基于相应气球相对于另一气球的相对位置来确定位置。
[0021]基于气球的定位系统的实施例可以提供多个优势。作为一个示例，例如，与从GPS卫星到基于地面的接收器的典型距离相比，从气球到基于地面的接收器的典型距离相对较短。作为结果，与平行的GPS场景相比，气球信号可能更强，并且更可能到达接收器。
[0022]作为另一实例，气球被定位在电离层下方。作为结果，气球信号不需要穿过电离层来到达基于地面的接收器，因此它们可以避免由电离层引起的基于折射的干扰。再次，这意味着与其中卫星信号穿过电离层的平行的GPS场景相比，气球信号可能更强，并且更可能到达接收器。
[0023]尤其，为了使基于折射的干扰的效应最小化，卫星信号通常同时在两个不同的信道频率上广播。由于气球信号避免了这种类型的干扰，所以它们可以在单个信道频率上广播。此外，与GPS中使用的必须被配置为在多个信道上接收信号的那些相比，这允许接收器较不复杂。
[0024]虽然不是必须的，但是基于气球的定位系统的一些实施例可以包括大量的气球，包括几千个、几万个或者更多。这些实施例提供了增加给定接收器将具有一个或多个气球的直接视线的可能性的进一步优势。因此，与其中GPS受限于其三十二个卫星队列的平行的GPS场景相比，气球信号更可能到达接收器。
[0025]应该理解，以上提供的优势仅仅是示例而非限制。基于气球的定位系统的实施例可以提供附加的优势，诸如在本公开中更加详细描述的那些优势和/或将对于本领域技术人员显而易见的那些优势。
[0026]2、示例气球网络
[0027]在一些实施例中，高海拔气球网络可以是同质的。S卩，高海拔气球网络中的气球可以以一种或多种方式基本上相互类似。更具体地，在同类高海拔气球网络中，每个气球被配置为经由自由空间光链接与附近的气球通信。此外，这种网络中的一些或全部气球还可以被配置为与使用RF通信的基于地面的站通信。(注意，在一些实施例中，气球可以在每个气球被配置用于与其他气球进行自由空间光通信方面是同质的，但是关于与基于地面的站的RF通彳目是异质的)。
[0028]在其他实施例中，高海拔气球网络可以是异质的，并且因此可以包括两种或多种不同类型的气球。例如，一些气球可以被配置为超级节点，而其他气球可以被配置为子节点。一些气球可以被配置为作用为超级节点和子节点。这种气球可以在特定时刻作用为超级节点或者子节点，或者备选地，根据上下文同时作用为超级节点和子节点。例如，示例气球可以集合第一类型的搜索请求以传输至基于地面的站。示例气球还可以向另一气球发送第二类型的搜索请求，该另一气球在该上下文中作用为超级节点。
[0029]在这种配置中，超级节点气球可以被配置为经由自由空间光链接与附近的超级节点通信。然而，子节点气球不可以被配置用于自由空间光通信，而是被替代地配置用于一些其他类型的通信，诸如RF通信。在该情况下，超级节点可进一步被配置为使用RF通信与子节点通信。因此，子节点可以使用RF通信在超级节点和一个或多个基于地面的站之间中继通信。以这种方式，超级节点可以共同作用为气球网络的回程(backhaul)，而子节点作用于中继从超级节点到基于地面的站的通信。在异质气球网络中的气球之间可以存在其他差升。
[0030]图1是图示了根据示例性实施例的气球网络100的简化的框图。如图所示，气球网络100包括气球102A至102F，它们被配置为经由自由空间光链接104相互通信。气球102A至102F可以附加地或备选地被配置为经由RF链接114相互通信。气球102A至102F可以共同作用为用于分组数据通信的网状网络。进一步地，气球102A至102F可以被配置用于经由RF链接108与基于地面的站106和112进行RF通信。在另一示例实施例中，气球102A至102F可以被配置为经由光链接110与基于地面的站112通信。
[0031]在示例实施例中，气球102A至102F是高海拔气球，它们被部署在平流层中。在适当玮度处，平流层包括表面上方大约10千米(km)和50km之间的海拔。在极点处，平流层在大约8km的海拔处开始。在示例实施例中，高海拔气球通常可以被配置为在平流层内具有较低风速(例如，每小时5到20英里(mph)之间)的海拔范围中操作。
[0032]更具体地，在高海拔气球网络中，气球102A至102F通常可以被配置为在大约17km和