具有高度控制和风数据的气球的相对定位的制作方法

具有高度控制和风数据的气球的相对定位的制作方法
【专利摘要】气球的通信网络(例如高空气球的网状网络)中的气球的位置可被相对于彼此调整以便尝试维持期望的网络拓扑。在一种方案中，可以相对于一个或多个邻居气球来调整每个气球的位置。例如，可以确定目标气球和一个或多个邻居气球的位置。随后可以基于相对于目标气球的位置的一个或多个邻居气球的位置来确定目标气球的期望移动。可以基于期望移动来控制目标气球。在一些实施例中，可以控制目标气球的高度以便将目标气球暴露于能够产生目标气球的期望移动的环境风。
【专利说明】具有高度控制和风数据的气球的相对定位

【背景技术】
[0001] 除非本文另有指示，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。
[0002] 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种网络的数据连通性的需求正在增长。然而，在世界的许多区域中， 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，期望有 额外的网络基础设施。


【发明内容】

[0003] 在第一方面中，提供了一种方法。该方法包括确定目标气球的位置并且确定相对 于目标气球的位置的一个或多个邻居气球的位置。目标气球包括可操作用于与一个或多个 邻居气球中的至少一个的数据通信的通信系统。该方法还包括基于相对于目标气球的位置 的一个或多个邻居气球的位置来确定目标气球的期望移动，并且基于目标气球的期望移动 来控制目标气球。
[0004] 在第二方面中，提供了一种非暂态计算机可读介质。该非暂态计算机可读介质中 存储有指令，所述指令可被计算设备运行来使得该计算设备执行功能。所述功能包括：(a) 确定目标气球的位置；(b)确定相对于目标气球的位置的一个或多个邻居气球的位置；（c) 基于相对于目标气球的位置的一个或多个邻居气球的位置来确定目标气球的期望移动；以 及（d)基于目标气球的期望移动来控制目标气球。
[0005] 在第三方面中，提供了一种气球。该气球包括可操作用于与气球的网状网络中的 一个或多个其它气球的数据通信。该气球还包括耦合到通信系统的控制器。该控制器被配 置为：(a)确定气球的位置；(b)确定相对于气球的位置的一个或多个邻居气球的位置，其 中一个或多个邻居气球在气球的网状网络中；以及（c)基于相对于气球的位置的一个或多 个邻居气球的位置来确定气球的期望移动。
[0006] 在第四方面中，提供了一种方法。该方法包括对于高空气球网络中的给定气球识 别多个优度因素，并且对于给定气球确定多个优度得分。每个优度得分与多个优度因素中 的相应优度因素相关。该方法还包括确定作为给定气球的多个优度得分的函数的给定气球 的当前总体优度。该方法还包括识别给定气球能够采取的多个动作，并且对于每个动作，确 定由该动作导致的相应总体优度。此外，该方法包括从多个动作之中选择导致了高于当前 总体优度的总体优度的动作，并且控制给定气球进行所选动作。
[0007] 在第五方面中，提供了一种非暂态计算机可读介质。该非暂态计算机可读介质 中存储有指令，所述指令可被计算设备运行来使得该计算设备执行功能。所述功能包括： (a)对于高空气球网络中的给定气球识别多个优度因素；(b)对于给定气球确定多个优度 得分，其中每个优度得分与多个优度因素中的相应优度因素相关；（c)确定作为给定气球 的多个优度得分的函数的给定气球的当前总体优度；（d)识别给定气球能够采取的多个动 作；（e)对于每个动作，确定由该动作导致的相应总体优度；(f)从多个动作之中选择导致 了高于所述当前总体优度的总体优度的动作；以及（g)控制给定气球进行所选动作。
[0008] 本领域普通技术人员通过阅读以下详细描述并在适当时参考附图，将清楚这些以 及其它方面、优点和替换。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 图1是根据示例实施例图示出气球网络的简化框图。
[0010] 图2是根据示例实施例图示出气球网络控制系统的框图。
[0011] 图3是根据示例实施例图示出高空气球的简化框图。
[0012] 图4是根据示例实施例图示出包括超节点和子节点的气球网络的简化框图。
[0013] 图5根据示例实施例图示出基于四个邻居气球的位置来确定目标气球的期望移 动的场景。
[0014] 图6是根据示例实施例图示出方法的流程图。

【具体实施方式】
[0015] 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理解 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， 所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 被设想到。
[0016] 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所示的每种元素。另外，图示的元素中的一些可被组合或省略。 此外，示例实施例可包括附图中没有图示的元素。
[0017] 1.概述
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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 以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。在异质气球网络中的气球之间可存在其它差异。
[0023] 本公开描述了一般可操作来基于相对于目标气球的位置的一个或多个邻居气球 的位置来确定目标气球的期望移动并且基于期望移动来控制目标气球的装置、方法和计算 机可读介质可运行的功能的各种示例实施例。
[0024] 在一些实施例中，可以定义势能函数，该势能函数根据一个或多个邻居气球的位 置和目标气球的位置来向目标气球赋予势能。可以确定势能函数的梯度，并且可以基于该 梯度来确定目标气球的期望移动。
[0025] 在一些实施例中，目标气球的期望移动是可通过控制目标气球的高度来实现的水 平移动。例如，可以使用风数据和/或预测模型来确定在特定高度很可能可得到具有适合 于实现期望水平移动的速度的环境风。随后可调整目标气球的高度来达到该特定高度。
[0026] 2.示例气球网络
[0027] 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 可以总体上充当用于分组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112的RF通信。另外，一些气球，例 如气球102F，可被配置为经由光链路110与陆基台站112通信。
[0028] 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10千米（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，高空气球可一般被配置为在具有相对较低风速（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。
[0029] 更具体而言，在高空气球网络中，气球102A至102F可一般被配置为在18km到 25km之间的高度处操作（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。
[0030] 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更详细地论述。
[0031] 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IEEE802. 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。
[0032] 在又一方面中，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，可期望有增大的容 量。因此，示例网络还可包括下行链路气球，所述下行链路气球可提供高容量空-地链路。
[0033] 例如，在气球网络100中，气球102F被配置为下行链路气球。像示例网络中的其它 气球那样，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还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）。
[0034] 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 夕卜，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。
[0035] 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 夕卜，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。
[0036] 陆基台站，例如陆基台站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，以用于经由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以便通过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 /或用于其它用途。
[0037] 在又一方面中，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中的一些或全部可都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。
[0038] 另外，一些陆基台站，例如陆基台站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。关于这个配置和陆基台站106和 112的其它配置的变化也是可能的。
[0039] 2a)网状网络功能
[0040] 如所指出的，气球102A至102F可总体上充当网状网络。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，所以这些气球可总体上充当自由空间光 学网状网络。
[0041] 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。这些光链路对于源和目的地 气球之间的连接可被统称为"光路"。另外，每个光链路可被称为光路上的"跳（hop)"。
[0042] 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，其中源和目的地气球之间的光 路在需要连接时被确定并设立，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。
[0043] 此外，随着气球102A至102F相对于彼此和/或相对于地面移动，网络拓扑可改 变。因此，示例气球网络100可应用网状协议来随着网络的拓扑改变而更新网络的状态。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。
[0044] 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，气球可包括完全光学化的用于物理交换的组件，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。
[0045] 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， 0E0)交换。例如，一些或全部气球可包括光学交叉连接（optical cross-connect, 0XC)以 用于光信号的0E0转换。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。
[0046] 在又一方面中，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（wavelength continuity constraint)"。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。
[0047] 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0E0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，光波长转换可仅在沿着光路的选定跳处发生。
[0048] 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，例如 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，例如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。
[0049] 2b)台站保持功能
[0050] 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中）。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。
[0051] 期望拓扑可依据特定的实现方式而变化。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。在这种情况下，给定的气球102A至102F可实现台站保持功能来将 其自身定位在离气球网络100中的邻近气球基本上相同的距离（或者在一定距离范围内）。
[0052] 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，气球在城市区域上更密集地群集。由于 类似的原因，气球的分布在陆地上可以比在大水体上更密集。非均一拓扑的许多其它示例 是可能的。
[0053] 在又一方面中，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根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。
[0054] 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 可以被输入到能量函数。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。
[0055] 2c)对气球网络中的气球的控制
[0056] 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202B。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2061控制和/或协调某些功 能。
[0057] 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2061通信。这些区域控制系统202A至202C可被配置为从它们所覆 盖的各个地理区域中的气球接收通信和/或聚集数据，以及将所述通信和/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2061与中央控制系统200之间中继通信和/或数据。
[0058] 为了促进中央控制系统200与气球206A至2061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相应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2061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2061通信。
[0059] 在图示的配置中，气球206A至2061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2061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，例如气球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。
[0060] 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（诸如例如，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。
[0061] 在集中式控制布置中，例如图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 2061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）、气球所收集的风数据、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2061中的一些或全部的状态信息以便确定网络的整体状态。
[0062] 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，例如确定用于连 接的光路。例如，中央控制系统200可基于来自气球206A至2061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（并且可能选择备用光路）。
[0063] 在又一方面中，中央控制系统200(并且区域控制系统202A至202C也可能）也可 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可以将从气球206A至 2061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（如果有移动的话）的向量，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。
[0064] 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 络提供集中式控制会是有用的。在一些实施例中，分布式布置甚至可支持在地球上的每处 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会是有用的。
[0065] 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。 [0066] 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。
[0067] 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 可以将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聚集网络的给定 部分的状态信息。这些气球随后可彼此协调来确定网络的整体状态。
[0068] 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 不依从于网络的整体状态。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。
[0069] 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屯至 dk。每个气球A可以将到k个气球中的每一个的距离视为虚拟弹簧，其中向量代表从第一 最近邻居气球i朝着气球A的力方向，并且力的幅值与φ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。
[0070] 可替换地，这个过程可指派这些虚拟力中的每一个的力幅值等于diXdi，其中φ 例如与到第二近的邻居气球的距离成比例。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。
[0071] 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维持一组气球间距和/或特定的网络容量水平。
[0072] 2d)示例气球配置
[0073] 在示例气球网络中可包含各种类型的气球系统。如上所指出的，示例实施例可 利用高空气球，所述高空气球典型地可在18km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（envelope)302、套罩 (skirt) 304、有效载荷306和附接于气球302与有效载荷304之间的下切系统（cut-down system)308〇
[0074] 气囊302和套罩304可采取各种形式，所述各种形式可以是当前公知或尚待开发 的。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)在内的材料构成。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 夕卜，气囊302和套罩304的形状和大小可依据特定的实现方式而变化。额外地，气囊302可 被填充以各种不同类型的气体，例如氦气和/或氢气。其它类型的气体也是可能的。
[0075] 气球300的有效载荷306可包括处理器312和机载数据存储装置，例如存储器 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，所述指令可被处理器312访问并运行以便执行本文 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。
[0076] 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。
[0077] 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。
[0078] 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 (global positioning system, 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）。
[0079] 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。
[0080] 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。
[0081] 如所指出的，气球300包括超亮LED系统320以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变化。光通信系统316和其它关联组件在下文更详细地进行描 述。
[0082] 在又一方面中，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。
[0083] 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 夕卜，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。
[0084] 在示例实施例中，气囊302可被填充以氦气、氢气或其它比空气轻的材料。气囊 302从而可具有相关联的向上浮力。在这种实施例中，囊袋310中的空气可被认为是可具有 相关联的向下压载力的压载舱。在另一示例实施例中，通过（例如利用空气压缩机）将空 气泵入和泵出囊袋310,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。
[0085] 在其它实施例中，气囊302可以基本上是刚性的并且包括包封的体积。在基本上 维持该包封的体积的同时，可将空气从气囊302中排出。换言之，在包封的体积内可以产生 并维持至少部分真空。从而，气囊302和包封的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一材料引入到包封的体积的部分真空中以尝试调整总 体浮力和/或提供高度控制。
[0086] 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。
[0087] 另外，气球306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/或根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。
[0088] 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的其余部分分离。下切系统308可至少包括将有效载荷306连接到气囊302 的连接器，例如气球绳，以及用于切断该连接器的装置（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可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，从而将有效载荷306从气囊302切离。
[0089] 可在任何需要在地面上访问有效载荷的时候利用下切功能，例如当是时候将气球 300从气球网络中去除时，当在有效载荷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。
[0090] 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我维持的，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。
[0091] 2e)示例异质网络
[0092] 在一些实施例中，高空气球网络可包括经由光链路与彼此通信的超节点气球，以 及经由RF链路与超节点气球通信的子节点气球。一般地，超节点气球之间的光链路可被配 置为比超节点和子节点气球之间的RF链路具有更大的带宽。这样，超节点气球可充当气球 网络的骨干，而子节点可提供子网，所述子网提供对气球网络的访问和/或将气球网络连 接到其它网络。
[0093] 图4是根据示例实施例图示出包括超节点和子节点的气球网络的简化框图。更具 体而言，图4图示了包括超节点气球410A至410C(也可称之为"超节点"）和子节点气球 420 (也可称之为"子节点"）的气球网络400的一部分。
[0094] 每个超节点气球410A至410C可包括可操作用于与其它超节点气球的分组数据通 信的自由空间光通信系统。这样，超节点可通过光链路与彼此通信。例如，在图示的实施例 中，超节点410A和超节点401B可通过光链路402与彼此通信，并且超节点410A和超节点 401C可通过光链路404与彼此通信。
[0095] 每个子节点气球420可包括可操作用于通过一个或多个RF空中接口的分组数据 通信的射频（RF)通信系统。因此，每个超节点气球410A至410C可包括可操作来将分组数 据路由到一个或多个附近的子节点气球420的RF通信系统。当子节点420从超节点410 接收到分组数据时，子节点420可使用其RF通信系统来经由RF空中接口将分组数据路由 到陆基台站430。
[0096] 如上所指出的，超节点410A至410C既可被配置用于与其它超节点的较长距离的 光通信，又可被配置用于与附近子节点420的较短距离的RF通信。例如，超节点410A至 410C可使用高功率或超亮LED来通过可延伸100英里那么长或者可能更长的光链路402、 404发送光信号。这样配置的超节点410A至410C可能够进行10到50千兆比特/秒或以 上的数据速率的光通信。
[0097] 随后更多的高空气球可被配置为子节点，这些子节点可以以大约10兆比特/秒的 数据速率与陆基因特网节点通信。例如，在图示的实现方式中，子节点420可被配置为将超 节点410连接到其它网络和/或直接连接到客户端设备。
[0098] 注意，以上示例中和本文其它地方描述的数据速度和链路距离是为了说明而提供 的，而不应当被认为是限制性的；其它数据速度和链路距离是可能的。
[0099] 在一些实现方式中，超节点410A至410C可充当核心网络，而子节点420充当到核 心网络的一个或多个接入网络。在这种实施例中，子节点420中的一些或全部也可充当到 气球网络400的网关。额外地或可替换地，陆基台站430中的一些或全部可充当到气球网 络400的网关。
[0100] 3.用于维持期望的网络拓扑的示例方案
[0101] 可调整高空气球网络中的气球的位置以便维持期望的网络拓扑。维持期望的网络 拓扑可涉及维持在特定区域上方气球的期望密度、气球的期望高度、特定类型的气球（例 如，超节点气球和子节点气球）的期望布置、网络中的不同点之间的"跳"的期望数目和/或 与气球的放置或布置相关的任何其它偏好。例如，可能期望在人口密集的区域（例如城市 或大都市区域）上方维持相对高的气球密度，而在人口较少或无人居住的区域（例如沙漠 或海洋）上方，相对较低的气球密度可能就足够了。然而，即使在相对无人居住的区域中， 也可维持一定数目和布置的气球，以便提供网络的不同部分之间的通信连通性。
[0102] 在用于维持期望的网络拓扑的一种方案中，可以相对于地面上的位置来调整气球 的位置。例如，可以控制用于下行链路通信的气球的位置以便保持在地面站的通信范围内。 也可控制其它类型的气球在特定地面位置的给定范围内。从而，通过控制气球的位置在各 个地面位置的相应范围内，可以维持大都市区域上方的气球的期望布置。
[0103] 在一些情况下，例如因为平流层中的盛行风，在特定区域中可能有气球的总体流 动。在这种情况下，仍可基于地面位置来维持期望的网络拓扑。例如，可以控制气球相对于 彼此的运动，以使得当气球移出其相应的地面位置的范围时，替代气球也移动到该范围中。 基于地面位置来维持期望的网络拓扑的其它示例是可能的。
[0104] 在用于维持期望的网络拓扑的另一种方案中，可以相对于彼此调整气球的位置。 例如，可以相对于一个或多个邻居气球来调整目标气球的位置。可以按不同方式来作出对 于哪些气球被包括为目标气球的"邻居气球"的判定。
[0105] 在一个示例中,可将邻居气球取为网络中的与目标气球最靠近的N个气球，其中N 是预定的数字。N可以小至1，或者大至10或更大。在一些情况下，可以基于目标气球位于 何处来为目标气球选择N(例如，如果目标气球在人口众多的区域上方则N可以更大，而如 果目标气球在人口较少的区域上方则N可以更小）。
[0106] 在另一示例中，网络中的在目标气球的预定距离内的任何气球可被识别为邻居气 球。该预定距离可取决于目标气球位于何处（例如，如果目标气球在人口众多的区域上方 则预定距离可以更小，而如果目标气球在人口较少的区域上方则预定距离可以更大）。或 者，该预定距离可被取为如下距离：在该距离上，目标气球可与其它气球通信。从而，网络中 的在给定气球的通信范围内的任何气球可被识别为邻居气球。
[0107] 可以基于一个或多个邻居气球来调整目标气球的位置以便维持目标气球与其邻 居气球之间的期望距离或期望的距离范围。在此，可以想象目标气球与其每个邻居气球之 间的虚拟弹簧。
[0108] 如果目标气球与给定的邻居气球之间的距离小于期望距离，则目标气球与给定的 邻居气球之间的虚拟弹簧可被看作是压缩的。压缩的弹簧可被想成是在离开给定的邻居气 球的方向上对目标气球施加虚拟力。这个虚拟力可导致目标气球被控制为远离给定的邻居 气球移动。
[0109] 另一方面，如果目标气球与给定的邻居气球之间的距离大于期望的距离，则目标 气球与给定的邻居气球之间的虚拟弹簧可被看作是拉伸的。拉伸的弹簧可被想成是在朝着 给定的邻居气球的方向上对目标气球施加虚拟力。这个虚拟力可导致目标气球被控制为朝 着给定的邻居气球移动。
[0110] 虚拟弹簧概念可通过利用关于弹簧根据目标气球与邻居气球之间的距离向 目标气球赋予"势能"的公知的势能函数来正式化。以下是这种势能函数的一个示例： G = 4 - i?):s，其中U是赋予目标气球的势能，k是虚拟弹簧的"弹簧常数"，r是目标气 球与给定的邻居气球之间的实际距离，并且R是目标气球与给定的邻居气球之间的期望距 离。
[0111] 给定这个势能函数，施加在目标气球上的虚拟力可被表述为：F = - k(r - R)，其 中F是虚拟力，k是虚拟弹簧的弹簧常数，r是目标气球与给定的邻居气球之间的实际距离， 并且R是目标气球与给定的邻居气球之间的期望距离。
[0112] 虽然以上论述提到了只基于一个邻居气球的目标气球的势能和虚拟力，但可以将 该方案一般化到多个邻居气球的情况。具体地，多个邻居气球中的每一个可与个体的势能 函数相关联，该势能函数可以是上述形式的目标气球与该邻居气球之间的相应距离的函 数。从而，第i个邻居气球可与如下的个体势能函数相关联：1/, = - Λ,)2,其中仏是 第i个邻居气球对目标气球的势能的贡献，h是目标气球与第i个邻居气球之间的虚拟弹 簧的弹簧常数，^是目标气球与第i个邻居气球之间的实际距离，并且&是目标气球与第 i个邻居气球之间的期望距离。这个表达式表明，不同的邻居气球可与不同的期望距离和/ 或不同的弹簧常数相关联。不同的参数可以反映例如气球的类型或功能的差异。例如，到 作为超节点的邻居气球的期望距离可不同于到作为子节点的邻居气球的期望距离。其它差 异也是可能的。
[0113] 目标气球的总体势能函数可被取为来自其每个邻居气球的个体势能函数的总和： υ = Σ Ui。施加在目标气球上的虚拟力可与总体势能函数的梯度相关，如下：F = -Vi/。 当然，这个虚拟力也可被认为是由其每个邻居气球施加在目标气球上的个体虚拟力的向量 和：戶=Σ巧》
[0114] 因为施加在目标气球上的虚拟力包括来自其每个邻居气球的贡献，所以目标气球 有可能在已经比期望距离更近的邻居气球的大体方向上移动（例如，因为另一邻居气球可 能甚至还更近）。目标气球也有可能大体上远离已经比期望距离远的邻居气球地移动（例 如，为了向甚至更遥远的另一邻居气球靠近）。这些点由图5中所示的场景500图示。
[0115] 在场景500中，在x-y坐标轴的原点示出目标气球502,并且由向量？2、巧和巧 指示四个邻居气球（邻居气球504、506、508和510)的位置。如图所示，邻居气球504在第 一象限中，邻居气球506在第二象限中，邻居气球508在第三象限中，并且邻居气球510在 第四象限中。要理解，这个布置只是为了说明而给出的一个示例。目标气球502可具有更 多或者更少的邻居气球，并且邻居气球的位置可与图5中所示的不同。
[0116] 图5中的x-y坐标可代表地面坐标。从而，除了 x-y平面中的坐标以外，气球 502-510中的每一个可具有各自的z坐标（即，高度），这在图5中没有指示。另外，对场景 500中的气球之间的距离的论述可以指x-y平面中的横向距离，其没有将气球之间的高度 差异考虑在内。
[0117] 场景500假定目标气球502到邻居气球504-510中的每一个具有相同的期望距离 R。这个期望距离由图5中的虚线圆指示。如图所示，邻居气球504和508离目标气球502 比期望距离远，而邻居气球506和510离目标气球502比期望距离近。
[0118] 邻居气球504-510中的每一个可基于上述的"虚拟弹簧"模型对邻居气球504施 加各自的虚拟力。作用于目标气球502上的净虚拟力将是由邻居气球504-510施加的虚拟 力的向量和。具体地，邻居气球504和508两者都将对目标气球502施加吸引力，因为它们 两者离目标气球502都比期望距离远。然而，邻居气球504比邻居气球508更远。从而，邻 居气球504可施加比邻居气球508更大的吸引力。这些吸引力的净效果可以是朝着邻居气 球504所处的第一象限的虚拟力。类似地，邻居气球506和510两者都将对目标气球502 施加排斥力，因为它们两者离目标气球502都比期望距离近。然而，邻居气球510比邻居气 球506更近。从而，邻居气球510可施加比邻居气球506更大的排斥力。这些排斥力的净 效果可以是朝着邻居气球506所处的第二象限的虚拟力。从而，在场景500中，由净吸引力 和净排斥力产生的对目标气球502的总体虚拟力可以在大体上沿着正y轴的方向上。
[0119] 作用于目标气球502上的虚拟力可用于确定目标气球502的期望移动。期望移动 可以例如是期望的速度、期望的速度变化、期望的加速度或者期望的位移。另外，期望移动 可以是水平移动（即，χ-y平面中的移动），或者期望移动可包括期望的高度变化。如下文 更详细描述的，可以控制目标气球502 (例如利用目标气球502中的控制器或者通过远程控 制）以便尝试实现期望移动。
[0120] 期望移动的方向可以基于虚拟力的方向，并且期望移动的幅值可以基于虚拟力的 幅值。从而，如果期望移动是期望速度，则期望速度的方向可对应于虚拟力的方向，并且期 望速度的幅值可以是虚拟力的幅值的函数。这样，更大的虚拟力可导致更大的速度。如果 期望移动是期望位移（即，期望方向上的期望行进距离），则期望行进距离可以是虚拟力的 幅值的函数，并且期望行进方向可以对应于虚拟力的方向。这样，更大的虚拟力可导致更大 的行进距离。从而，无论期望移动是按照位移、速度、加速度还是某个其它参数来定义的，目 标气球502的期望移动的幅值都可依据作用于目标气球502上的虚拟力的幅值而更大或更 小。
[0121] 虽然以上论述提到了基于虚拟弹簧的势能函数，但要理解可以使用其它类型的 势能函数。一般地，目标气球的势能U可以是目标气球和η个邻居气球的位置的函数： t/(t/1，心· . ·ξ)，其中η是大于或等于1的整数，向量.对应于目标气球的位置，并且向 量6至卩,对应于η个邻居气球的位置。目标气球和邻居气球的位置可以按照地面坐标 (即，x-y平面中的坐标）或者包括xyz空间中的高度（即，坐标）的坐标。
[0122] 在一些实施例中，势能可以是目标气球与η个邻居气球中的每一个之间的距离的 函数。例如，势能u可具有以下函数形式：?/二-巧|)，其中Ui是第i个邻居气球 特定的函数，并且总和是在i = 1到η上取的。Ui函数对于不同的邻居气球可以是不同的， 或者它们对于不同的邻居气球可以是相同或相似的。例如，每个W函数可以对应于基于虚 拟弹簧的势能函数，如上所述。
[0123] 虚拟力可与势能函数的梯度相关，如下：戶=-▽{/(&，？t, F2,..乃），其中梯度是通 过对于目标气球的坐标取偏导数来确定的。如上所论述的，目标气球的期望移动可以基于 虚拟力，从而基于势能函数的梯度。
[0124] 也可按其它方式来从势能函数确定目标气球的期望移动。例如，势能函数在与目 标气球的期望位置相对应的坐标处可具有最小值。在那种情况下，期望移动可以是朝着该 期望位置的移动，即，使势能函数达到最小值的移动。也可使用其它方法来基于势能函数确 定目标气球的期望动作。
[0125] 以上论述了用于维持期望的网络拓扑的两种方案：基于调整气球相对于地面位置 的位置的方案，和基于调整气球相对于彼此的位置的方案。此外，可以组合这两种方案。例 如，可以利用考虑到目标气球相对于一个或多个地面位置的位置以及目标气球相对于一个 或多个邻居气球的位置的算法来调整目标气球的位置。该算法可涉及包括与目标气球和η 个邻居气球之间的距离相关联的贡献以及与目标气球和Ρ个地面位置之间的距离相关联 的贡献的势能函数。该势能函数可以如下：!/ = 其中向量 ξ对应于目标气球的位置，向量纟对应于η个邻居气球的位置，Ui是第i个邻居气球特定的 函数，向量皮,对应于P个地面位置的位置，\是第j个地面位置特定的函数，i = 1到n，并 且j = 1到P。随后可通过取势能函数的梯度、通过使势能函数达到最小值或者以某种方式 来确定目标气球的期望移动。
[0126] 可以将势能函数的概念进一步一般化为可将多个不同种类的"优度（goodness) " 因素考虑在内的"优度"函数。这种"优度"因素可以与气球之间的间距、地面位置、高度、存 在于气球附近的风速、和/或其它类型的考虑事项相关。例如，对于给定的气球可以识别k 个"优度"因素。对于每个"优度"因素，可以为该给定气球确定当前"优度"得分匕，其中i =1 到 k。
[0127] 一种可能的"优度"因素可以是对于更低的高度提供更好的"优度"得分的高度因 素。这种类型的"优度"因素可反映如下原则：在其它条件相同的情况下，气球更低比更高 更好，以便获得与地面的更好RF连接。另一种可能的"优度"因素可以是地理位置因素，其 对于在某些期望的地理区域上方提供更好的"优度"得分，和/或对于在某些应当避免的地 理区域上方提供更低的"优度"得分。这种类型的"优度"因素可反映如下原则：在其它条 件相同的情况下，在某些地理区域上方比在其它地理区域上方更好。例如，在公海上方一般 可与负"优度"得分相关联。然而，在海洋中的航道上方可与正"优度"得分相关联。其它 类型的因素也是可能的。
[0128] 除了为给定气球的k个"优度"因素确定k个"优度"得分以外，还可以考虑给定气 球可以采取以便提高这些"优度"得分中的一个或多个的各种动作。这样的动作可包括例 如特定方向上的移动。该移动可以是水平移动（即，地面位置的变化），垂直移动（即，高度 的变化），或者水平和垂直移动的组合。动作也可以是气球的浮力的调整、翼面（airfoil) (筝帆（kite)、翼（wing)或帆（sail))的调整或者可以影响气球如何响应于环境风或在其 自身动力下移动的某种其它类型的调整。
[0129] 给定动作A可提高给定气球的一个或多个"优度"得分。然而，该动作也可不利地 影响该给定气球的一个或多个其它"优度"得分。从而，每个"优度"得分h可被认为是动 作A的函数，使得我们对于给定气球具有匕(A)，其中i = 1到k。动作A的总体效果可通过 计算作为个体"优度"得分的函数的"总体优度"〇来确定：〇 = W(Gi(A)，…，，仏)）。函数W 可以是确定每个"优度"得分如何对"总体优度"作贡献的任何加权函数。例如，"优度"得 分可具有相等的权重，使得"总体优度"可以简单地就是个体"优度"得分的总和。或者，一 些"优度"得分的权重可比其它的重，或者相对加权可以取决于得分本身。
[0130] 特定动作A对于给定气球的优点（merit)可通过为该给定气球计算所产生的"总 体优度"〇来确定。可以以这种方式评估各种不同的动作，并且可以将使〇达到最大值的动 作取为期望动作。随后可以控制给定气球进行该期望动作。
[0131] 通过基于"优度"因素来控制个体气球，可以实现期望的网络拓扑。期望的网络拓 扑在简单情况下可以是其中气球维持相等间距的网络。然而，当考虑除了相对间距以外的 "优度"因素时，期望的网络拓扑可以更复杂。例如，气球之间的相对间距在一些区域中可以 比在其它区域中更高。
[0132] 还可以在不同的时间使用不同的技术来实现期望的网络拓扑。例如，在典型条件 下可以应用默认的调整技术。然而，可发展出某些不合需要的条件（例如过度的气球密 度），对于这些条件可以临时应用不同种类的调整技术（例如，直到缓和不合需要的条件为 止）。
[0133] 作为一个示例，当特定区域中的气球的密度变得不合需要地高时，那个区域中的 气球可以以某种方式"抽签"（任何类型的低概率随机选择）以选择一个或多个气球离开该 群组。被选气球可以增大或减小其高度，直到其实现与该群组有意义地不同的速度和方向 为止。被选气球随后可维持这个不同的速度和方向达充分的时段，以便"随机化"气球的分 布。此时，可以再应用默认的调整技术。这个随机化技术可用于拆散气球的群集，其中群集 重形成的概率较低。
[0134] 4.用于实现期望移动的示例方法
[0135] 如上所指出的，通过调整气球网络中的个体气球的位置，可以维持期望的网络拓 扑。特定目标气球的位置的调整可涉及确定目标气球的期望移动（例如，基于势能函数） 并且控制目标气球来实现该期望移动。可以以不同方式来实现目标气球的期望移动。
[0136] 在一种方案中，可以通过调整目标气球的高度来实现目标气球的期望水平移动。 在此，平流层中的风典型地遵循如下的模式：其中，对于约15km到20km之间的高度，风速随 着高度增大而减小，在约20km到25km之间达到局部最小值，随后在此之后随着高度增大而 增大。就目标气球由于环境风而移动来说，可以通过增大或减小目标气球的高度来调整目 标气球的运动。例如，可以使用高度控制来通过如下方式实现目标气球的期望水平移动：确 定目标气球的期望水平移动可通过使目标气球暴露于特定速度的环境风来实现，确定在特 定高度很有可能可得到特定速度的环境风（这个确定可基于预测模型和/或对目标气球附 近的风的实际测量来作出），并且调整目标气球的高度来达到该特定高度。
[0137] 高度调整方案可用在被配置用于高度控制的任何气球中。例如，如上所述，气球可 包括可改变气球的气囊内的气体的体积和/或密度的可变浮力系统。然而，高度调整方案 一般依赖于环境风来在期望方向上运载目标气球。也可使用其它方案来在与环境风不同的 方向上移动目标气球。
[0138] 例如，目标气球可包括可被调整来控制目标气球的运动方向的翼面，例如筝帆、翼 或帆。具体地，翼面可操作来利用环境风水平地移动目标气球，但却是在可控制的方向上 (至少在某种程度上可控制），这是通过对翼面的适当调整实现的。
[0139] 可替换地，翼面可以是属于可操作来将目标气球的垂直运动（垂直运动可通过改 变目标气球的浮力来生成）转换成目标气球的水平运动的类型。这种类型的翼面可用于在 不依赖于环境风的情况下实现目标气球的期望移动。这个方案可被想成是使用翼面来将提 升力转换成推力，这本质上与传统飞机的工作方式相反（传统飞机的翼将推力转换成提升 力）。
[0140] 在一些实施例中，目标气球可被配置用于动力飞行。例如，目标气球可包括推进 器、喷气发动机或者其它推进机构。取代对环境风的使用，或者除了对环境风的使用以外， 这些推进机构可用于实现目标气球的期望移动。因为其消耗的能量，这种推进机构例如在 可得环境风不足以提供期望移动时可用作备用。
[0141] 5.用于基于邻居气球的相对位置来控制目标气球的示例方法
[0142] 图6是图示出用于基于邻居气球的相对位置来控制目标气球的示例方法600的流 程图。方法600可利用图1-5中所示和上述的任何装置来执行。然而，可以使用其它配置。 另外，图6中对于方法600示出的步骤是关于一个特定实施例的。在其它实施例中，这些步 骤可按不同顺序出现，并且可以添加或减除步骤。
[0143] 步骤602涉及确定目标气球的位置。目标气球可以是其移动可被控制例如以便实 现气球网络中的期望网络拓扑的任何气球。为了说明，这个示例假定目标气球网络在作为 网状网络起作用的高空气球网络中。然而，其它类型的气球网络是可能的。
[0144] 目标气球可被配置为如图3中所示，或者其可被不同地配置。可利用GPS、惯性导 航数据、星体跟踪、雷达或者通过某种其它方法来确定目标气球的位置。目标气球的位置可 由目标气球内的定位系统（例如图3中所示的定位系统324)来确定。可替换地，目标气球 的位置可例如由另外的气球、由陆基台站或者由某个其它实体外部确定。
[0145] 步骤604涉及确定相对于目标气球的所确定位置的一个或多个邻居气球的位置。 目标气球包括可操作用于与一个或多个邻居气球中的至少一个的数据通信的通信系统。该 通信系统例如可将自由空间光链路或RF链路用于数据通信。
[0146] 可以以各种方式来识别一个或多个邻居气球。在一些实施例中，网状网络中的作 为目标气球的最近邻居的预定数目的气球可被识别为一个或多个邻居气球。在其它实施 例中，网状网络中的在离目标气球的预定距离内的任何气球可被识别为一个或多个邻居气 球。该预定距离例如可以对应于目标气球的通信系统的通信范围。定义网状网络中的哪些 气球是目标气球的邻居气球的其它方式也是可能的。
[0147] 可利用GPS、惯性导航数据、星体跟踪、雷达或者通过某种其它方法来确定一个或 多个邻居气球的位置。邻居气球的位置可由邻居气球自身来确定，或者此位置信息可被发 送到目标气球、陆基台站或者某个其它实体。可替换地，一个或多个邻居气球的位置可由目 标气球或由陆基台站确定。用于确定一个或多个邻居气球的位置的其它方法也是可能的。
[0148] 步骤606涉及基于相对于目标气球的所确定位置的一个或多个邻居气球的所确 定位置来确定目标气球的期望移动。目标气球的期望移动可以是目标气球的期望位移（例 如到特定位置的位移或者在一定方向上达一定的距离或行进期间的位移）、目标气球的期 望速度（期望速度可相对于地面、相对于空气或者相对于另一气球）、目标气球的期望速度 变化（目标气球的当前速度的增大或减小和/或目标气球的当前运动方向的变化）、目标气 球的期望加速度、或者目标气球的任何其它类型的移动。
[0149] 如上所述，可以基于势能函数来确定这个期望移动。从而，可以定义势能函数来根 据一个或多个邻居气球的所确定位置和目标气球的所确定位置来向目标气球赋予势能。可 确定势能函数的梯度，并且可基于势能函数的梯度来确定目标气球的期望移动。具体地，期 望移动的方向可基于梯度的方向，并且期望移动的幅值可基于梯度的幅值。
[0150] 步骤608涉及基于目标气球的期望移动来控制目标气球。在一些实施例中，目标 气球可利用目标气球自身收集的数据或通过其通信系统接收的数据自主地控制自身来实 现期望移动。在其它实施例中，目标气球可由另一气球、由陆基台站或者由某个其它实体远 程控制。
[0151] 在一些实施例中，目标气球的期望移动可包括期望的水平移动（即，与地面大体 平行的移动）。目标气球的期望水平移动可以以各种方式来实现。
[0152] 在一种方案中，可以控制目标气球的高度以便实现目标气球的期望水平移动。这 种方案利用了平流层中典型的风速随着高度的变化。例如，可以调整目标气球的浮力以达 到特定高度，在这个特定高度处，预期环境风可产生目标气球的期望水平移动。在一些实施 例中，目标气球可使用其自己的预测模型和/或关于风速的实际数据。可替换地，目标气球 可接收来自其它气球、陆基台站和/或其它实体的风数据或风预测。
[0153] 在另一种方案中，目标气球可包括可使用环境风来实现目标气球的期望水平移动 的翼面，例如筝帆、翼或帆。例如，翼面可以是可控制的以实现期望的移动方向。
[0154] 在另外一种方案中，目标气球可包括可操作来将目标气球的垂直运动转换成目标 气球的期望水平移动的翼面。目标气球的垂直运动可通过改变目标气球的浮力来生成。
[0155] 在又一种方案中，目标气球可包括推进机构，例如推进器或喷气式发动机。目标气 球可控制推进机构以便实现期望的水平移动。
[0156] 要理解，可以反复执行图6中所示的方法600,以便基于变化的条件来调整目标气 球的位置。在一些实施例中，可周期性地，例如每秒、每分或每小时执行方法600。在其它 实施例中，可响应于触发事件而执行方法600。例如，目标气球可响应于接收到来自另一气 球、陆基台站或某个其它实体的指令而执行该方法。
[0157] 还要理解，可以执行图6中所示的方法600以便调整气球网络中的多个气球的位 置。可对每个气球独立执行该方法。可替换地，可以在气球中或者在陆基台站中的中央控 制器可以以协同方式对多个气球执行该方法。不管怎样，都可以相对于彼此调整气球网络 中的气球的位置以便维持期望的网络拓扑。
[0158] 6.非暂态计算机可读介质
[0159] 上述和图1-图6中图示出的功能中的一些或全部可由计算设备响应于非暂态计 算机可读介质中存储的指令的运行而执行。非暂态计算机可读介质可例如是随机访问存储 器（random access memory，RAM)、只读存储器（read-only memory，ROM)、快闪存储器、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、或者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也可分布在多个数据存储元件之间，所述数据存储元件 的位置可彼此远离。运行存储的指令的计算设备可以是气球中的计算设备，例如与图3中 所图示的处理器312相对应的计算设备。可替换地，运行存储的指令的计算设备可以在另 一实体中，例如在陆基台站中。
[0160] 结论
[0161] 以上详细描述参考附图描述了公开的系统、设备和方法的各种特征和功能。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清楚其它方面和实施例。本文公开 的各种方面和实施例是用于说明的，而并不打算进行限定，真实的范围和精神由权利要求 指示。
【权利要求】
1. 一种方法，包括： 确定目标气球的位置； 确定相对于所述目标气球的所确定位置的一个或多个邻居气球的位置，其中所述目标 气球包括可操作用于与所述一个或多个邻居气球中的至少一个的数据通信的通信系统； 基于相对于所述目标气球的所确定位置的所述一个或多个邻居气球的所确定位置来 确定所述目标气球的期望移动；以及 基于所述目标气球的期望移动来控制所述目标气球。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述目标气球的期望移动包括所述目标气球的期 望水平移动，并且其中，基于所述目标气球的期望移动来控制所述目标气球包括基于所述 目标气球的期望水平移动来控制所述目标气球的高度。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，基于所述目标气球的期望水平移动来控制所述目 标气球的高度包括： 确定所述目标气球的期望水平移动能够通过使所述目标气球暴露于特定速度的环境 风来实现； 确定在特定高度很有可能可得到所述特定速度的环境风；以及 调整所述目标气球的高度以达到所述特定高度。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述目标气球和一个或多个邻居气球是高空气球。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述目标气球和一个或多个邻居气球是气球的网 状网络的一部分。
6. 如权利要求5所述的方法，还包括： 识别所述一个或多个邻居气球。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，识别所述一个或多个邻居气球包括将所述网状网 络中的预定数目的最近气球识别为所述一个或多个邻居气球。
8. 如权利要求6所述的方法，其中，识别所述多个邻居气球包括将所述网状网络中的 在离所述目标气球的预定距离内的任何气球识别为所述一个或多个邻居气球。
9. 如权利要求6所述的方法，其中，识别所述多个邻居气球包括将所述网状网络中的 在所述目标气球的通信系统的通信范围内的任何气球识别为所述一个或多个邻居气球。
10. 如权利要求1所述的方法，其中，基于相对于所述目标气球的所确定位置的一个或 多个邻居气球的所确定位置来确定所述目标气球的期望移动包括： 定义根据所述一个或多个邻居气球的所确定位置和所述目标气球的所确定位置来向 所述目标气球赋予势能的势能函数； 确定所述势能函数的梯度；以及 基于所述势能函数的梯度来确定所述目标气球的期望移动。
11. 如权利要求10所述的方法，其中，基于所述梯度来确定所述目标气球的期望移动 包括： 确定所述梯度的方向；以及 基于所述梯度的方向来确定所述目标气球的期望移动的方向。
12. 如权利要求10所述的方法，其中，基于所述梯度来确定所述目标气球的期望移动 包括： 确定所述梯度的幅值；以及 基于所述梯度的幅值来确定所述目标气球的期望移动的幅值。
13. 如权利要求1所述的方法，其中，所述目标气球的期望移动包括期望的移动方向。
14. 如权利要求1所述的方法，其中，所述目标气球的期望移动包括期望的速度。
15. 如权利要求1所述的方法，其中，所述目标气球的期望移动包括期望方向上的期望 行进距离。
16. 如权利要求1所述的方法，其中，所述通信系统包括自由空间光通信系统。
17. 如权利要求1所述的方法，其中，所述通信系统包括射频（RF)通信系统。
18. 如权利要求1所述的方法，其中，所述目标气球包括翼面。
19. 如权利要求18所述的方法，其中，所述翼面包括筝帆、翼或帆。
20. 如权利要求18所述的方法，其中，基于所述目标气球的期望移动来控制所述目标 气球包括控制所述翼面以实现所述目标气球的期望移动。
21. 如权利要求18所述的方法，其中，所述翼面可操作来利用环境风水平地移动所述 目标气球。
22. 如权利要求18所述的方法，其中，所述翼面可操作来将所述目标气球的垂直动作 转换成所述目标气球的水平动作，并且其中，基于所述目标气球的期望移动来控制所述目 标气球包括控制所述目标气球的浮力。
23. -种非暂态计算机可读介质，其中存储有指令，所述指令可被计算设备运行来使得 该计算设备执行功能，所述功能包括： 确定目标气球的位置； 确定相对于所述目标气球的所确定位置的一个或多个邻居气球的位置； 基于相对于所述目标气球的所确定位置的所述一个或多个邻居气球的所确定位置来 确定所述目标气球的期望移动；以及 基于所述目标气球的期望移动来控制所述目标气球。
24. 如权利要求23所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述目标气球包括通信系统， 该通信系统可操作用于与气球的网状网络中的一个或多个其它气球的数据通信，并且其 中，所述功能还包括将所述气球的网状网络中的多个气球识别为所述多个邻居气球。
25. 如权利要求23所述的非暂态计算机可读介质，其中，基于所述目标气球的期望移 动来控制所述目标气球包括控制所述目标气球的高度。
26. -种气球，包括： 通信系统，可操作用于与气球的网状网络中的一个或多个其它气球的数据通信；以及 耦合到所述通信系统的控制器，其中所述控制器被配置为： (a) 确定所述气球的位置； (b) 确定相对于所述气球的所确定位置的一个或多个邻居气球的位置，其中所述一个 或多个邻居气球在所述气球的网状网络中；以及 (c) 基于相对于所述气球的所确定位置的所述一个或多个邻居气球的所确定位置来确 定所述气球的期望移动。
27. 如权利要求26所述的气球，其中，所述气球的期望移动包括所述气球的期望水平 移动。
28. 如权利要求27所述的气球，还包括： 高度控制系统，其可操作来调整所述气球的高度， 其中，所述控制器被配置为基于所述气球的期望水平移动来控制所述高度控制系统。
29. 如权利要求27所述的气球，还包括： 翼面，其可操作来水平地移动所述气球， 其中，所述控制器被配置为基于所述气球的期望水平移动来控制所述翼面。
30. 如权利要求26所述的气球，其中，所述控制器被配置为利用基于卫星的定位系统 来确定所述气球的位置。
31. 如权利要求26所述的气球，其中，所述控制器被配置为基于通过所述通信系统接 收的信息来确定所述一个或多个邻居气球的位置。
32. -种方法，包括： 对于高空气球网络中的给定气球识别多个优度因素； 对于所述给定气球确定多个优度得分，其中每个优度得分与所述多个优度因素中的相 应优度因素相关； 确定作为所述给定气球的所述多个优度得分的函数的所述给定气球的当前总体优 度； 识别所述给定气球能够采取的多个动作； 对于每个动作，确定由该动作导致的相应总体优度； 从所述多个动作之中选择导致的总体优度高于所述当前总体优度的动作；以及 控制所述给定气球进行所选动作。
33. 如权利要求32所述的方法，其中，所述多个优度因素包括与所述给定气球与所述 高空气球网络中的邻居气球之间的距离相关的至少一个优度因素。
34. 如权利要求32所述的方法，其中，所述多个优度因素包括与所述给定气球的地面 位置相关的至少一个优度因素。
35. 如权利要求32所述的方法，其中，所述多个优度因素包括与所述给定气球的高度 相关的至少一个优度因素。
36. 如权利要求32所述的方法，其中，所述所选动作包括所述给定气球的移动。
37. 如权利要求36所述的方法，其中，所述给定气球的移动包括所述给定气球在水平 方向上的移动。
38. 如权利要求36所述的方法，其中，所述给定气球的移动包括所述给定气球在垂直 方向上的移动。
39. 如权利要求32所述的方法，其中，所述所选动作在所述多个动作之中导致最高的 总体优度。
40. -种非暂态计算机可读介质，其中存储有指令，所述指令可被计算设备执行来使得 该计算设备执行功能，所述功能包括： 对于高空气球网络中的给定气球识别多个优度因素； 对于所述给定气球确定多个优度得分，其中每个优度得分与所述多个优度因素中的相 应优度因素相关； 确定作为所述给定气球的所述多个优度得分的函数的所述给定气球的当前总体优 度； 识别所述给定气球能够采取的多个动作； 对于每个动作，确定由该动作导致的相应总体优度； 从所述多个动作之中选择导致了高于所述当前总体优度的总体优度的动作；以及 控制所述给定气球进行所选动作。
41. 如权利要求40所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述多个优度因素包括与所 述给定气球与所述高空气球网络中的邻居气球之间的距离相关的至少一个优度因素。
42. 如权利要求40所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述多个优度因素包括与所 述给定气球的地面位置相关的至少一个优度因素。
43. 如权利要求40所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述多个优度因素包括与所 述给定气球的高度相关的至少一个优度因素。
44. 如权利要求40所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述所选动作包括所述给定 气球的移动。
45. 如权利要求44所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述给定气球的移动包括所 述给定气球在水平方向上的移动。
46. 如权利要求44所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述给定气球的移动包括所 述给定气球在垂直方向上的移动。
47. 如权利要求40所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述所选动作在所述多个动 作之中导致最高的总体优度。
【文档编号】G05D1/10GK104160350SQ201380013013
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年1月7日 优先权日:2012年1月9日
【发明者】R.W.德沃尔, E.特勒, C.L.比弗尔, J.韦弗, D.皮波尼 申请人:谷歌公司