使用预测的移动来维持与附近气球的光通信锁定的制作方法

使用预测的移动来维持与附近气球的光通信锁定的制作方法
【专利摘要】一种气球可包括光通信组件，该光通信组件可具有指向轴。指向机构可被配置为调整指向轴。光通信组件可操作来经由自由空间光链路与对方气球通信。例如，光通信组件可包括光学接收器、发送器或收发器。控制器可被配置为确定对方气球的预测相对位置。控制器可控制指向机构基于预测相对位置来调整光通信组件的指向轴以便维持与对方气球的自由空间光链路。
【专利说明】使用预测的移动来维持与附近气球的光通信锁定

【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，在世界的许多地区中，数据连通性仍是不可用的，或者如果可用，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，提供了一种气球(balloon)。该气球包括光通信组件。光通信组件具有一个或多个指向轴(pointing axis)。光通信组件可操作来经由自由空间光链路与对方气球通信。光通信组件还包括被配置为调整指向轴的指向机构(pointing mechanism)。光通信组件还包括控制器。控制器被配置为确定对方气球的预测相对位置并且控制指向机构基于预测相对位置来调整指向轴，以维持与对方气球的自由空间光链路。
[0004]在第二方面中，提供了一种方法。该方法包括确定第一气球的位置。第一气球包括被配置为经由自由空间光链路与第二气球通信的光通信组件。该方法还包括基于第二气球的最后已知位置和最后已知运动向量确定第二气球相对于第一气球的位置的预测位置。该方法还包括控制指向机构基于预测位置来调整第一气球中的光通信组件的指向轴，以维持与第二气球的自由空间光链路。
[0005]在第三方面中，提供了一种存储有指令的非暂态计算机可读介质。指令可被计算设备运行来使得该计算设备执行功能。功能包括:(i)确定第一气球的位置。第一气球包括被配置为经由自由空间光链路与第二气球通信的光通信组件。功能还包括:(ii)基于第二气球的最后已知位置和最后已知运动向量确定第二气球相对于第一气球的位置的预测位置，以及(iii)控制指向机构基于预测位置来调整第一气球中的光通信组件的指向轴，以维持与第二气球的自由空间光链路。
[0006]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】
[0007]图1是图示出根据示例实施例的气球网络的简化框图。
[0008]图2是图示出根据示例实施例的气球网络控制系统的框图。
[0009]图3是图示出根据示例实施例的高空气球的简化框图。
[0010]图4示出了根据示例实施例的包括超节点和子节点的气球网络。
[0011]图5是图示出根据示例实施例的光学发送器和光学接收器的简化框图。
[0012]图6示出了根据示例实施例的气球通信场景。
[0013]图7是根据示例实施例的方法。

【具体实施方式】
[0014]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。
[0015]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。
[0016]1.概述
[0017]示例实施例帮助提供了包括多个气球的数据网络；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(meshnetwork)。由于平流层中的风可以以差动的方式影响气球的位置，因此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。
[0018]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，虽然关于激光通信的规章可限制激光器使用。此外，气球可利用射频(rad1-frequency, RF)通信与(一个或多个)陆基台站(ground-based stat1n)通信。
[0019]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，但至于与陆基台站的RF通信则是异质的。
[0020]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，可替换地，取决于情境可同时充当这两者。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中可充当超节点。另夕卜，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。
[0021]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。
[0022]本公开描述了一般可操作来基于第二气球相对于第一气球的预测位置来维持第一气球与第二气球之间的光通信链路的装置、方法和计算机可读介质可运行的功能的各种示例实施例。
[0023]在一个示例实施例中，气球包括具有指向轴的光通信组件。该光通信组件可包括光学接收器、光学发送器和/或光学收发器。可以调整指向轴以便维持与对方气球的自由空间光链路。
[0024]例如，气球可包括被配置为调整光通信组件的指向轴的指向机构。额外地，气球可包括控制器。控制器可被配置为确定对方气球的预测相对位置。对方气球的预测相对位置可利用卡尔曼(Kalman)滤波器方法或者其它类似的用于在动态系统中进行推断和预测的算法来确定。另外，控制器可控制指向机构基于预测相对位置来调整指向轴以维持与对方气球的自由空间光链路。
[0025]2.示例气球网络
[0026]图1是图示出根据示例实施例的气球网络100的简化框图。如图所示,气球网络100包括气球102A至102F，所述气球102A至102F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。
[0027]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，高空气球可一般被配置为在具有相对较慢的风速(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。
[0028]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,对商业航班的干扰不是要担心的问题。
[0029]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 d1de, 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以用于通过光链路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。在下文参考图3更详细论述示例气球的额外细节。
[0030]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IEEE802.11(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。
[0031]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。
[0032]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)。
[0033]注意，在一些实现方式中，下行链路气球102F还可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。
[0034]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。
[0035]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/或起到其它目的。
[0036]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也是可能的。
[0037]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。这种陆基台站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。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。
[0038]2a)网状网络功能
[0039]如所提到的，气球102A至102F可共同充当网状网络。更具体而言，由于气球102A至102F可利用自由空间光链路与彼此通信，因此这些气球可共同充当自由空间光学网状网络。
[0040]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“跳跃(hop)”。
[0041]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建立，并且在以后某时被释放。另外，当使用自适应路由时，可取决于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。
[0042]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。
[0043]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，在具有光交换的透明配置中，信号行经完全光学化的多跳光路。
[0044]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。此外，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。
[0045]在又一方面中，示例气球网络100中的气球可实现波分复用(wavelengthdivis1n 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。
[0046]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跃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跃处发生。
[0047]另外，在不透明配置中可采用各种路由算法。例如，为了针对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(edge andnode-diverse or disjoint routing),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。
[0048]2b)台站保持功能
[0049]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，并且如果必要的话，确定如何移动到期望位置。
[0050]期望拓扑可取决于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与气球网络100中的邻近气球相距基本上相同的距离处(或者在一定距离范围内)。
[0051]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:在所述拓扑中，出于各种原因，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。
[0052]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。
[0053]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。
[0054]2c)对气球网络中的气球的控制
[0055]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是图示出根据示例实施例的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直为为气球网络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。
[0056]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2061与中央控制系统200之间中继通信和/或数据。
[0057]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。
[0058]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，或者甚至可能不包括下行链路气球。
[0059]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，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。
[0060]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可利用所述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2061中的一些或全部的状态信息以便确定网络的整体状态。
[0061]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(以及可能选择备用光路)。
[0062]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)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相比较，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。
[0063]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会是有用的。
[0064]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。
[0065]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。
[0066]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针对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。
[0067]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。
[0068]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Cl1至dk。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，并且力的量值与Cli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。
[0069]可替换地，该过程可例如指派这些虚拟力中的每一个的力量值等于CliX Cliο为网状网络中的各个气球指派力量值的其它算法是可能的。
[0070]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运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的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方维持一组气球间距和/或特定的网络容量水平。
[0071]2d)示例气球配置
[0072]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，所述高空气球通常可在18km到25km之间的高度范围中操作。图3示出了根据示例实施例的高空气球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-downsystem)308。
[0073]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的形状和大小可取决于特定的实现方式而有所不同。此外，气囊302可被填充以各种不同类型的气体，例如氦和/或氢。其它类型的气体也是可能的。
[0074]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/或其它组件协力可充当气球300的控制器。
[0075]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。
[0076]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表示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。
[0077]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)。
[0078]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。
[0079]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(rad1sonde)或其它检测器中实现，该无线电探空仪或其它检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。
[0080]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可以机械系统和/或以硬件、固件和/或软件实现。一般地，实现光通信系统的方式可取决于具体应用而有所不同。在下文更详细地描述光通信系统316和其它关联组件。
[0081]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。
[0082]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。
[0083]在示例实施例中，气囊302可被填充以氦、氢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，通过向囊袋310中泵入空气(例如，利用空气压缩机)和从囊袋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。
[0084]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的体积。在基本上维持该围闭的体积的同时，可将空气从气囊302中排出。换言之，在围闭的体积内可以造成并维持至少部分真空。从而，气囊302和围闭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外的材料引入到围闭的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。
[0085]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。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。
[0086]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针对其它气球计算高度调整并向这些其它气球发送调整命令。
[0087]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(balloon cord)，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。
[0088]可在需要在地面上访问有效载荷的任何时间利用下切功能，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。
[0089]在替换布置中，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。另夕卜，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服务飞行中的气球。
[0090]3.在气球之间具有光链路和RF链路的气球网络
[0091]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具有比超节点和子节点气球之间的RF链路更大的带宽。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。
[0092]图4是图示出根据示例实施例的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。
[0093]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40IC可通过光链路404与彼此通信。
[0094]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。
[0095]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/秒或者以上的数据速率的光通信。
[0096]然后更多的高空气球可被配置为子节点，所述子节点可以以大约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。
[0097]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。
[0098]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。
[0099]4.具有拥有可基于对方气球的预测相对位置调整的指向轴的光通信组件的气球
[0100]气球(例如，第一气球)可被配置为与对方气球(例如，第二气球)通信，以例如在气球之间维持光通信链路。两个气球可以是相似的，或者两个气球可以是不相似的(例如，异质气球网络中的不同类型的节点)。在一些实施例中，可以额外地在气球到陆基台站和/或天基平台(例如，卫星)之间建立光通信链路。
[0101]气球可包括一个或多个光通信组件，例如光学发送器、光学接收器和/或光学收发器。因此，可参考图3和图5描述一些示例实施例。图5是图示出根据示例实施例的光学发送器500和光学接收器520的简化框图。
[0102]在这种示例实施例中，光学发送器500可接收可以是电信号和/或光信号的形式的输入数据(data in) 502。构成输入数据502的电信号和/或光信号可包括一个或多个数字或模拟电压和/或光强度水平的形式的信息。输入数据502可被光学发送器500经由电连接(例如，导线或多芯电缆)或光学连接(例如，光纤或波导)来接收。调制器504可利用一个或多个编码技术，例如强度调制、相位调制、脉冲波调制和/或频率调制，来对来自输入数据502的信息进行编码。本领域技术人员将会理解调制器504可以合理地使用其它已知的编码方案。
[0103]驱动器506可将经编码的信息转换成驱动信号，该驱动信号可起到照亮光源508的作用。在示例实施例中，光源508可表示一个或多个发光二极管(LED)或激光器。光源508也可包括本领域已知的其它高功率光源。光源508的发射波长可在紫外线、可见光、红外线和微波谱范围内。发射的波长带可以相对较窄(例如，谱宽度为几纳米)。可替换地，波长带可以是宽带(例如，可见光谱的大部分，这是“白” LED发射中常见的)。另外，光源508可被配置为以多个离散波长(例如，利用双色激光器)或者在多个波段内(例如，利用多色LED)来发射光。
[0104]光源508可被配置为以高频调制(例如，开启和关闭)以便实现高于10千兆比特每秒(GBit/s)的数据吞吐量。从光源508发射的光可以是准直的或非准直的。另外，发射的光的强度可以是可调整的。发射的光可被透射光学器件510准直和/或聚焦。透射光学器件510可包括诸如望远镜和/或光束扩展器之类的元件。取决于实施例，在透射光学器件(transmiss1n optics) 510中可包括其它光学元件,例如本领域中已知的可用于长距离成像的那些。
[0105]在替换实施例中，从光源508发射的光可被调制器调制。例如，偏振调制器可被配置为调制从光源508发射的光的偏振。在这种场景中，自由空间光信号可包括至少部分基于光的偏振的数据。各种调制器类型是可能的，包括液晶调制器和空间光调制器等等。在实践中，自由空间光信号可包括多于一种类型的光调制。另外，光调制可以高频执行以实现高于10GBit/s的数据传送。
[0106]取决于实施例，可以以不同方式来配置透射光学器件510的元件，以尝试高效地将输出光作为自由空间光信号——例如信号512——发送到对方气球。例如，透射光学器件510可被配置为提供几千公里之上的光通信链路。在其它实施例中，透射光学器件510可被不同地配置以便与陆基台站或天基平台建立光通信链路。例如，在预期目标是陆基台站(15-30km远)的情况下，与预期目标是天基平台(对地同步轨道可超过42，OOOkm)的情况相比，透射光学器件510中的光学组件的配置可以是不同的。因此，气球与天基目标之间的距离可超过42，OOOkm远。因此，透射光学器件510中的光学组件可被调整(例如，通过利用望远镜上的变焦和/或聚焦特征)。在其它实施例中，可以基于例如预期目标距离和目标高度来使用不同组的透射光学器件510。
[0107]光学接收器520可被配置为接收可表不光通信链路的一部分的信号522。信号522可以是来自对方气球或者另外的机载平台的带有编码的信息的自由空间光信号。信号522也可发源自陆基台站或天基平台(例如，卫星或其它航天器)。
[0108]信号522可以被接收器光学器件524光学地收集。接收器光学器件524可包括望远镜或本领域中已知的用于在长距离(例如，多于几公里)接收自由空间光信号的光学器件(例如，折射型透镜和反射镜)的任何组合。可利用光学前置放大器526来放大接收器光学器件524接收的光。光学前置放大器526可包括掺杂光纤放大器、半导体光放大器(semiconductor optical amplifier, S0A)、拉曼放大器和/或参数放大器中的一个或多个。其它光学放大器类型在本公开的上下文内是可能的。
[0109]经放大的光信号可被光学滤波器528滤波。在一些实施例中，光学滤波器可包括吸收滤波器、干涉滤波器和/或二向色滤光片(dichroic filter)。光信号可以按各种方式被滤波，例如基于波长(例如，在带通滤波器中)和/或偏振(例如，利用偏振器或波片)。
[0110]经滤波的光可被光电检测器530检测到。光电检测器530可包括一个或多个光电二极管、电荷稱合器件(charge-coupled device,CCD)、光电导体或本领域已知的其它用于光子感测的手段。光电检测器530可包括被配置为检测光束位置的变化的多元件检测器系统。在示例实施例中，光电检测器可将入射光换能为光电流信号。随后可利用跨阻抗放大器532来放大该光电流信号。跨阻抗放大器532可被配置为将光电流信号转换成电压并提供信号增益。其它放大器类型是可能的，并且可例如取决于光电检测器的输出类型。例如，如果光电检测器530是产生光电压的光电导器件,则可以使用跨导放大器来将该光电压转换成信号电流。本领域技术人员将会理解，存在许多其它方式来将光信号转换成电信号，并且这些其它方式在本文被设想到。
[0111]光学接收器还可包括解调器/纠错元件534，其可被配置为从信号522中提取信息。解调器/纠错元件534所利用的解调的类型可取决于最初对光信号执行的调制的类型。例如，解调方法可包括载波恢复、时钟恢复、帧同步、脉冲压缩、检错和纠错、和/或与本地振荡器混频(例如，外差检测)。光学和数字信号处理领域中已知的其它解调方法是可能的。
[0112]解调器/纠错元件534还可被配置为检测和纠正接收到的信号中的差错。例如，元件534可包括散列函数、校验和算法和/或其它冗余校验算法以尝试减少数据传送差错。另夕卜，在解调器/纠错元件534中可实现纠错码(error-correcting code,ECC)(例如,Turbo或低密度奇偶校验码)来检测和纠正差错。如果找到差错，则光学接收器520可被配置为利用前向纠错(forward error correct1n,FEC)算法来自动地纠正该差错。可替换地，光学接收器520可被配置为经由反向信道向发送节点发送自动重发请求(automatic repeatrequest, ARQ)以尝试获得对数据的新传送。
[0113]参考图3，(一个或多个)光通信组件330，例如光学发送器500和/或光学接收器520，可以机械地或光学地耦合到常平架座(gimbal mount) 328 0常平架座328可被配置为可调整地指着指向方向332。(一个或多个)第二光通信组件336可以机械地和/或光学地耦合到常平架座334并且沿着指向方向338取向。(一个或多个)第二光通信组件336可表示被配置为与多个节点和/或处于不同高度的节点维持光通信链路的多个组件。例如，光通信组件330可被配置为与邻居气球维持光链路,而光通信组件336可被配置为与陆基台站维持光链路。换言之，一个或多个光通信组件可与各自的指向机构一起使用以尝试与一个或多个陆基、空基或天基网络节点维持光链路。在本公开的上下文内，光通信组件330和336可包括光学发送器、光学接收器和/或光学收发器。
[0114]图6示出了在气球之间维持自由空间光通信链路的示例场景600。在此示例中，气球602尝试与对方气球(在图6中描绘为气球2)维持自由空间光链路。对方气球位置61OA-C中的每一个可表不不例对方气球在时刻A、B和C的位置。气球602可具有指向机构，例如常平架座328。指向机构可调整光通信组件的指向轴。光通信组件可以是光学接收器、光学发送器和/或光学收发器。
[0115]气球602还可包括控制器。控制器可以是定位系统、计算机和存储器的任何组合。控制器的其它配置是可能的。控制器可被配置为确定对方气球在时刻B和随后在时刻C的预测位置，所述预测位置可分别由预测气球位置620B和620C表示。控制器可以以各种方式确定预测位置。
[0116]在一个示例实施例中，控制器可获取第一位置，该第一位置可以是气球自身的位置。虽然气球602被图不为在一个位置,但要理解,在本公开的上下文内，气球602也可移动并且关于气球602的瞬时位置和速度可以确定所有其它位置和运动向量。
[0117]控制器还可获取对方气球的最后已知位置并且可选地获取对方气球的最后已知运动向量。对方气球的最后已知位置可包括关于对方气球在特定时刻的位置的GPS和/或惯性导航系统信息。例如，对方气球位置610A可表示对方气球在时刻A的位置(例如，经度、纬度和高度)。对方气球位置610B可表示对方气球在时刻B的位置，依此类推。
[0118]对方气球的最后已知运动向量可包括例如对方气球在给定时刻的方向、速度和/或加速度。例如，运动向量612和614可分别表示对方气球在时刻A和时刻B的方向、速度和/或加速度。
[0119]可经由RF链路或其它通信链路来获取对方气球的最后已知位置以及可选地获取最后已知运动向量。例如，在位置610A的对方气球可在时刻A向气球602发送其最后已知位置(例如，GPS坐标和/或惯性导航数据)。另外，运动向量612可表示来自对方气球的速度、前进方向和/或加速度数据。
[0120]控制器可使用最后已知位置并且可选地使用最后已知运动向量作为卡尔曼滤波器的输入，该卡尔曼滤波器可输出对方气球的预测相对位置。在下文更详细地描述卡尔曼滤波器。预测相对位置确定可以考虑到例如各个气球(602和610A-C)的相对纬度/经度以及其各自的高度。实际路径611和613可表示气球从时刻A到时刻C的实际路径。实际对方气球位置和预测相对位置在图6中被描绘为可见地分开，这只是为了视觉和描述上的清晰。在一个实施例中，每秒可多次执行卡尔曼方法。从而，在实践中，对方气球的实际和预测位置可充分接近以便在整个场景600期间维持自由空间光链路。
[0121]控制器可控制指向机构来基于预测相对位置调整指向轴。例如，控制器可调整(位于第一气球上的)常平架座328上的指向方向332来从初始轴604朝着第一预测目标轴606移动以尝试跟踪对方气球并在各个气球之间维持自由空间光通信链路。
[0122]在时刻B，控制器可重复该过程。例如，控制器可接收在位置610B的对方气球的GPS坐标。另外，控制器可接收可暗示运动向量614的其它传感器数据。这些数据的组合可产生对方气球在时刻C的后续预测相对位置620C，该位置620C可不同于对方气球610C在时刻C的实际位置。因此，控制器可控制常平架座328上的指向方向332从第一预测目标轴606移动到第二预测目标轴608以便在各个气球之间维持自由空间光链路。
[0123]在一个实施例中，光通信组件可以是光学接收器。在这种情况下，指向机构可被控制器控制来朝着预测目标轴调整光学接收器的指向轴以尝试维持光通信链路。继维持通信链路之后，还可监视光学接收器的输出以检测来自对方气球610A-C的自由空间光信号。在一个示例实施例中，可以使用多元件检测器系统(例如，正交检测器)来优化指向机构的指向轴。例如，如果多元件检测器系统的检测器元件之一比其它检测器元件接收到更多的信号，则可确定束失准状况。在这种情况下，控制器可控制指向轴来均衡来自每个检测器元件的输出以尝试将发送束与检测器系统再对准。可替换地或额外地，可以控制指向轴来最大化来自检测器系统的整体输出信号。额外地，来自检测器信号的输出信号可用作上述卡尔曼滤波器方法的输入。
[0124]在另一实施例中，第一气球上的光通信组件可以是光学发送器。如上所述，指向机构可被控制器控制来朝着预测目标轴调整光学发送器的指向轴以尝试维持光通信链路。对方气球610A-C可经由反向信道向第一气球发送信息。发送的信息可包括对方气球的GPS位置和/或惯性制导数据。发送的信息还可表示束定位信息。例如，对方气球可包括可操作来优化光束对准的多元件检测器系统。来自多元件检测器的输出可被发送到第一气球并用作卡尔曼滤波器或其它传感器融合算法的输入。反向信道可由对方气球610A-C可用来以信号通知气球602的任何手段表示(例如，RF信号、光信号或者通过陆基台站的间接链路)。在接收到从对方气球610A-C发送的信息并确定对方气球的新的预测相对位置后，控制器可控制光学发送器的指向轴以便维持自由空间光链路。
[0125]在另外的实施例中，反向信道对于维持自由空间光链路可以不是必要的。例如，气球602上的相机可提供在气球跟踪过程期间可用作反馈的图像。这样，控制器可控制指向机构调整指向轴以使得对方气球610A-C在图像内居中。从而，如果对方气球610A-C在这种图像内居中，则可充分地维持自由空间光链路。
[0126]在又一实施例中，光通信组件可包括光学收发器。光学收发器可表示具有共享的指向轴的光学接收器和光学发送器。光学收发器从而可被配置为沿着共享的指向轴发送和接收光信号。如上所述，指向机构可被控制器控制来调整光学收发器的指向轴以尝试维持光通信链路。在这种示例实施例中，光学收发器可以:i)从对方气球接收数据，ii)向对方气球发送数据，或者这两者。因此，在经由自由空间光链路和/或另外的反向信道接收到关于对方气球方向的位置数据后，可以使用卡尔曼滤波器方法来确定第二气球的预测相对位置。可以调整指向轴以便指向第二气球的预测相对位置并从而维持光通信链路。
[0127]5.用于控制指向机构基于第二气球的预测位置调整第一气球中的光通信组件的指向轴的方法
[0128]提供了一种方法700用于基于第二气球相对于第一气球的预测位置使附接到第一气球的光通信组件指向第二气球。该方法可利用图1-6中所示和上文描述的任何装置来执行。然而，可以使用其它配置。图7参考图6图示了示例方法中的步骤，然而，要理解在其它实施例中，这些步骤可按不同的顺序出现并且可以添加或减除步骤。
[0129]步骤702包括确定第一气球602的位置。第一气球602可包括被配置为经由自由空间光链路与第二气球^lOA-C)通信的光通信组件。
[0130]步骤704包括确定第二气球相对于第一气球602的位置的预测位置620B&C。预测位置620B&C可基于第二气球610A-C的最后已知位置和最后已知运动向量。在一个不例实施例中可利用卡尔曼滤波器方法来确定预测位置620B&C。卡尔曼滤波器方法可使用各种传感器数据(例如，GPS数据、惯性导航数据、相机图像等等)作为输入以便确定预测位置。
[0131]卡尔曼滤波器可包括将传感器与气球及其环境的物理模型合并的算法，其中该环境可包括邻居气球。该算法可确定系统的先前状态并将先前状态与当前状态传感器数据合并来预测系统的当前状态。来自卡尔曼滤波器方法的系统状态预测通常可以比例如利用来自仅一个传感器的数据(例如，通过外推气球GPS数据来预测当前气球位置)更精确。
[0132]在涉及卡尔曼滤波器方法的示例实施例中，第二气球可具有机载GPS接收器。GPS接收器可提供第二气球的位置的估计。然而，第二气球的位置的GPS估计可包括噪声、抖动以及一般不完善的位置数据。第二气球可将GPS坐标以及来自诸如加速度计、陀螺仪和/或其它传感器之类的其它来源的传感器测量结果发送给第一气球。在接收到GPS数据和其它传感器测量结果的至少一部分后，可在循环的周期中执行卡尔曼滤波器方法。该周期可每秒重复多次或按不同速率重复。该周期可以可替换地或额外地由外部事件触发，例如由第一气球与第二气球建立光通信链路来触发。其它触发是可能的。卡尔曼滤波器周期可涉及两个主要阶段(例如，预测阶段和更新阶段)。
[0133]在预测阶段中，第一气球可利用第二气球及其环境的物理模型加上对其它系统变量的任何扰动，例如风速、前进方向和加速度，来预测第二气球的当前位置。此外，可计算与预测位置有关的协方差(关于两个随机变量(例如，风速和气球位置)一起变化的程度的度量)。例如，该协方差可与第二气球的速度成比例。
[0134]在更新阶段中，第一气球可接收与第二气球的位置有关的GPS定位数据。定位数据可用于更新初始预测位置来获得更新位置。
[0135]预测位置和更新位置可被用作输入并基于其关联协方差来加权。卡尔曼滤波器方法的输出可提供第二气球的预测相对位置。第二气球的预测相对位置从而可用于调整光通信设备的指向角度以便维持第一气球与第二气球之间的自由空间光链路。
[0136]如上所述，可在第一气球中由可包括计算机可读介质、处理器和存储器的计算系统来执行卡尔曼滤波器方法。另外，可在第一气球和第二气球两者中执行卡尔曼滤波器方法以尝试纠正在自由空间光链路中可操作的各个光通信组件的对准。在又一实施例中，通信的气球之一可代表两个气球执行该方法，控制其机载光通信组件并且向另一气球发送控制命令以便远程地调整另一气球的光通信组件。
[0137]可替换地，可以部分或完全由位于另一空基、地基或天基平台上的计算系统执行卡尔曼滤波器方法。例如，第二气球的预测位置可由气球网络中的超节点气球确定。该方法也可由处理器的分布式网络执行，例如由服务器网络执行。
[0138]本领域技术人员将会理解，在确定预测位置时各种其它涉及不同传感器和数据融合算法的实施例是可能的，并且这些其它实施例在本文被设想到。例如，在本公开的上下文内可以合理地应用其它线性二次估计(linear quadratic estimat1n, LQE)和/或控制理论领域中已知的动态定位算法。
[0139]步骤706包括控制指向机构基于预测位置620B&620C调整第一气球602中的光通信组件的指向轴。第一气球602中的光通信组件可操作来经由自由空间光链路与第二气球610A-C通信，并且可包括光学接收器、光学发送器和/或光学收发器。
[0140]参考图3，也可称为指向机构的常平架座328可被控制来使光通信组件330指向预测目标轴606&608。
[0141]对指向机构的控制可通过第一气球例如利用处理器312和存储器314控制常平架座328来执行。可替换地，可由另一气球或陆基或天基台站远程地控制指向机构。
[0142]一旦在本地或远程控制下，指向机构就可被调整来沿着预测目标轴606&608指向。换言之，可以执行调整来尝试维持第一气球和第二气球之间的自由空间光链路。在一个实施例中，如果光通信组件是光学接收器，则可以调整指向机构以使得该光学接收器被移动到预测目标轴606&608。指向机构也可连续地调整指向轴以便跟踪(例如，由于移动的气球而导致的)移动的目标轴。指向轴调整的速率和/或量可基于预测目标轴的变化速率。在本公开的上下文内可以合理地使用本领域中已知的维持视线光学链路的其它技术。
[0143]6.具有控制指向机构基于第二气球的预测位置调整第一气球中的光通信组件的指向轴的指令的非暂态计算机可读介质
[0144]以上描述的和图3、图5、图6和图7中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、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例如图3中所图示的处理器312那样的计算设备。可替换地，运行存储的指令的计算设备可以是另一计算设备，例如服务器网络中的服务器，或者陆基台站。
[0145]非暂态计算机可读介质可存储可由处理器312运行来执行各种功能的指令。所述功能可包括对第一气球的位置的确定。第一气球可包括被配置为经由自由空间光链路与第二气球通信的光通信组件。所述功能还可包括确定第二气球相对于第一气球的位置的预测位置。对预测位置的确定可基于第二气球的最后已知位置和最后已知运动向量。
[0146]对预测位置的确定可使用各种传感器融合算法，包括但不限于卡尔曼滤波器方法。其它算法是可能的。
[0147]非暂态计算机可读介质可包括进一步的功能，例如控制指向机构基于预测位置调整第一气球中的光通信组件的指向轴以维持与第二气球的自由空间光链路。
[0148]结论
[0149]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】
1.一种气球，包括: 光通信组件，其中所述光通信组件具有指向轴，并且其中所述光通信组件可操作来经由自由空间光链路与对方气球通信； 指向机构，被配置为调整所述指向轴； 控制器，其中所述控制器被配置为确定所述对方气球的预测相对位置并且控制所述指向机构基于所述预测相对位置来调整所述指向轴，以维持与所述对方气球的所述自由空间光链路。
2.如权利要求1所述的气球,其中,所述气球是高空气球网状网络中的高空气球。
3.如权利要求1所述的气球，其中，所述光通信组件包括被配置为接收自由空间光信号的光学接收器。
4.如权利要求3所述的气球，其中，所述光学接收器包括光电二极管。
5.如权利要求3所述的气球，其中，所述光学接收器包括被配置为检测光束位置的变化的多元件检测器系统。
6.如权利要求3所述的气球，其中，所述控制器被配置为基于由所述光学接收器接收到的来自所述对方气球的自由空间光信号来确定所述对方气球的预测相对位置。
7.如权利要求1所述的气球，其中，所述光通信组件包括被配置为发送自由空间光信号的光学发送器。
8.如权利要求7所述的气球，其中，所述光学发送器包括发光二极管。
9.如权利要求7所述的气球，其中，所述光学发送器包括激光器。
10.如权利要求7所述的气球，其中，所述光学发送器包括调制器，其中所述调制器被配置为调制光以形成所述自由空间光信号。
11.如权利要求10所述的气球，其中，所述调制器包括空间光调制器。
12.如权利要求10所述的气球，其中，所述调制器包括偏振调制器。
13.如权利要求10所述的气球，其中，所述调制器包括液晶调制器。
14.如权利要求1所述的气球，其中，所述光通信组件包括被配置为发送和接收自由空间光信号的光学收发器。
15.如权利要求1所述的气球，其中，所述控制器被配置为基于卡尔曼滤波器方法来确定所述对方气球的预测相对位置。
16.如权利要求11所述的气球，其中，所述对方气球的预测相对位置是使用所述对方气球的最后已知位置作为卡尔曼滤波器方法的输入来确定的。
17.如权利要求11所述的气球，其中，所述对方气球的预测相对位置是使用所述对方气球的最后已知位置和最后已知运动向量作为卡尔曼滤波器方法的输入来确定的。
18.如权利要求1所述的气球，其中，所述控制器被配置为基于线性二次估计方法来确定所述对方气球的预测相对位置。
19.如权利要求1所述的气球，还包括被配置为获取所述对方气球的图像的相机，其中所述控制器被配置为基于所述图像来确定所述对方气球的预测相对位置。
20.如权利要求1所述的气球，还包括被配置为从所述对方气球获取无线电信号的无线电收发器，其中所述控制器被配置为基于所述无线电信号来确定所述对方气球的预测相对位置。
21.如权利要求1所述的气球，还包括被配置为获取全球定位系统数据的全球定位系统，其中所述控制器被配置为基于所述全球定位系统数据来确定所述对方气球的预测相对位置。
22.如权利要求1所述的气球，还包括被配置为获取惯性制导系统数据的惯性制导系统，其中所述控制器被配置为基于所述惯性制导系统数据来确定所述对方气球的预测相对位置。
23.—种方法,包括: 确定第一气球的位置，其中所述第一气球包括被配置为经由自由空间光链路与第二气球通信的光通信组件； 基于所述第二气球的最后已知位置和最后已知运动向量确定所述第二气球相对于所述第一气球的位置的预测位置；以及 控制指向机构基于所述预测位置来调整所述第一气球中的光通信组件的指向轴，以维持与所述第二气球的所述自由空间光链路。
24.如权利要求23所述的方法，其中，确定所述第二气球的预测位置包括使用卡尔曼滤波器方法。
25.如权利要求24所述的方法，其中，确定所述第二气球的预测位置包括使用所述最后已知位置作为所述卡尔曼滤波器方法的输入。
26.如权利要求24所述的方法，其中，确定所述第二气球的预测位置包括使用所述最后已知位置和所述最后已知运动向量作为所述卡尔曼滤波器方法的输入。
27.如权利要求23所述的方法，其中，确定所述第二气球的预测位置包括使用线性二次估计方法。
28.如权利要求23所述的方法，其中，所述光通信组件包括被配置为接收自由空间光信号的光学接收器。
29.如权利要求23所述的方法，其中，所述光通信组件包括被配置为发送自由空间光信号的光学发送器。
30.如权利要求23所述的方法，其中，所述光通信组件包括被配置为发送和接收自由空间光信号的光学收发器。
31.一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: 确定第一气球的位置，其中所述第一气球包括被配置为经由自由空间光链路与第二气球通信的光通信组件； 基于所述第二气球的最后已知位置和最后已知运动向量确定所述第二气球相对于所述第一气球的位置的预测位置；以及 控制指向机构基于所述预测位置来调整所述第一气球中的光通信组件的指向轴，以维持与所述第二气球的所述自由空间光链路。
32.如权利要求31所述的非暂态计算机可读介质，其中，确定所述第二气球的预测位置包括使用卡尔曼滤波器方法。
33.如权利要求32所述的非暂态计算机可读介质，其中，确定所述第二气球的预测位置包括使用所述最后已知位置和所述最后已知运动向量作为所述卡尔曼滤波器方法的输入。
34.如权利要求31所述的非暂态计算机可读介质，其中，确定所述第二气球的预测位置包括使用线性二次估计方法。
【文档编号】H04B10/11GK104170284SQ201380005073
【公开日】2014年11月26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.比福勒, J.维弗 申请人:谷歌公司