使用預(yù)測的移動來維持與附近氣球的光通信鎖定的制作方法
【專利摘要】一種氣球可包括光通信組件，該光通信組件可具有指向軸。指向機(jī)構(gòu)可被配置為調(diào)整指向軸。光通信組件可操作來經(jīng)由自由空間光鏈路與對方氣球通信。例如，光通信組件可包括光學(xué)接收器、發(fā)送器或收發(fā)器。控制器可被配置為確定對方氣球的預(yù)測相對位置?？刂破骺煽刂浦赶驒C(jī)構(gòu)基于預(yù)測相對位置來調(diào)整光通信組件的指向軸以便維持與對方氣球的自由空間光鏈路。
【專利說明】使用預(yù)測的移動來維持與附近氣球的光通信鎖定

【背景技術(shù)】
[0001]除非本文另有指示，否則本部分中描述的材料并不是本申請中的權(quán)利要求的現(xiàn)有技術(shù)，并且并不因?yàn)楸话ㄔ诒静糠种芯捅怀姓J(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)。
[0002]諸如個人計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、蜂窩電話和無數(shù)類型的具備聯(lián)網(wǎng)能力的設(shè)備之類的計(jì)算設(shè)備在現(xiàn)代生活的許多方面中正越來越普遍。這樣，對于經(jīng)由因特網(wǎng)、蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和其它這種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)連通性的需求正在增長。然而，在世界的許多地區(qū)中，數(shù)據(jù)連通性仍是不可用的，或者如果可用，則是不可靠的和/或成本高昂的。因此，期望有額外的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在第一方面中，提供了一種氣球(balloon)。該氣球包括光通信組件。光通信組件具有一個或多個指向軸(pointing axis)。光通信組件可操作來經(jīng)由自由空間光鏈路與對方氣球通信。光通信組件還包括被配置為調(diào)整指向軸的指向機(jī)構(gòu)(pointing mechanism)。光通信組件還包括控制器?？刂破鞅慌渲脼榇_定對方氣球的預(yù)測相對位置并且控制指向機(jī)構(gòu)基于預(yù)測相對位置來調(diào)整指向軸，以維持與對方氣球的自由空間光鏈路。
[0004]在第二方面中，提供了一種方法。該方法包括確定第一氣球的位置。第一氣球包括被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與第二氣球通信的光通信組件。該方法還包括基于第二氣球的最后已知位置和最后已知運(yùn)動向量確定第二氣球相對于第一氣球的位置的預(yù)測位置。該方法還包括控制指向機(jī)構(gòu)基于預(yù)測位置來調(diào)整第一氣球中的光通信組件的指向軸，以維持與第二氣球的自由空間光鏈路。
[0005]在第三方面中，提供了一種存儲有指令的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。指令可被計(jì)算設(shè)備運(yùn)行來使得該計(jì)算設(shè)備執(zhí)行功能。功能包括:(i)確定第一氣球的位置。第一氣球包括被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與第二氣球通信的光通信組件。功能還包括:(ii)基于第二氣球的最后已知位置和最后已知運(yùn)動向量確定第二氣球相對于第一氣球的位置的預(yù)測位置，以及(iii)控制指向機(jī)構(gòu)基于預(yù)測位置來調(diào)整第一氣球中的光通信組件的指向軸，以維持與第二氣球的自由空間光鏈路。
[0006]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀以下詳細(xì)描述并在適當(dāng)時參考附圖，將清楚這些以及其它方面、優(yōu)點(diǎn)和替換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的氣球網(wǎng)絡(luò)的簡化框圖。
[0008]圖2是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的氣球網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的框圖。
[0009]圖3是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的高空氣球的簡化框圖。
[0010]圖4示出了根據(jù)示例實(shí)施例的包括超節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的氣球網(wǎng)絡(luò)。
[0011]圖5是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的光學(xué)發(fā)送器和光學(xué)接收器的簡化框圖。
[0012]圖6示出了根據(jù)示例實(shí)施例的氣球通信場景。
[0013]圖7是根據(jù)示例實(shí)施例的方法。

【具體實(shí)施方式】
[0014]本文描述了示例方法和系統(tǒng)。本文描述的任何示例實(shí)施例或特征不一定要被理解為比其它實(shí)施例或特征更優(yōu)選或有利。本文描述的示例實(shí)施例不欲進(jìn)行限定。將容易理解，所公開的系統(tǒng)和方法的某些方面可按許多種不同的配置來布置和組合，所有這些在本文都被設(shè)想到。
[0015]另外，附圖中示出的特定布置不應(yīng)當(dāng)被視為限制性的。應(yīng)當(dāng)理解，其它實(shí)施例可包括更多或更少的給定附圖中所示的每種元素。另外，圖示的元素中的一些可被組合或省略。此外，示例實(shí)施例可包括附圖中沒有圖示的元素。
[0016]1.概述
[0017]示例實(shí)施例幫助提供了包括多個氣球的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)；例如，由部署在平流層(stratosphere)中的高空氣球(high-altitude balloon)形成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(meshnetwork)。由于平流層中的風(fēng)可以以差動的方式影響氣球的位置，因此示例網(wǎng)絡(luò)中的每個氣球可被配置為通過調(diào)整其垂直位置(即，高度)來改變其水平位置。例如，通過調(diào)整其高度，氣球可能夠找到將把它水平地(例如，在緯度上和/或經(jīng)度上)運(yùn)載到期望的水平位置的風(fēng)。
[0018]另外，在示例氣球網(wǎng)絡(luò)中，氣球可利用自由空間光通信來與彼此通信。例如，氣球可被配置用于使用超亮LED(也可稱為“高功率”或“高輸出” LED)的光通信。在一些場合中，取代LED或者除了 LED之外可以使用激光器，雖然關(guān)于激光通信的規(guī)章可限制激光器使用。此外，氣球可利用射頻(rad1-frequency, RF)通信與(一個或多個)陸基臺站(ground-based stat1n)通信。
[0019]在一些實(shí)施例中，高空氣球網(wǎng)絡(luò)可以是同質(zhì)的。也就是說，高空氣球網(wǎng)絡(luò)中的氣球可以按一種或多種方式與彼此基本相似。更具體而言，在同質(zhì)高空氣球網(wǎng)絡(luò)中，每個氣球被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與一個或多個其它氣球通信。另外，這種網(wǎng)絡(luò)中的氣球中的一些或全部可額外地被配置為利用RF和/或光通信與(一個或多個)陸基臺站和/或基于衛(wèi)星的臺站通信。從而，在一些實(shí)施例中，氣球就每個氣球被配置用于與其它氣球的自由空間光通信而言可以是同質(zhì)的，但至于與陸基臺站的RF通信則是異質(zhì)的。
[0020]在其它實(shí)施例中，高空氣球網(wǎng)絡(luò)可以是異質(zhì)的，從而可包括兩種或更多種不同類型的氣球。例如，異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的一些氣球可被配置為超節(jié)點(diǎn)(super-node)，而其它氣球可被配置為子節(jié)點(diǎn)(sub-node)。還有可能異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中的一些氣球可被配置為既充當(dāng)超節(jié)點(diǎn)又充當(dāng)子節(jié)點(diǎn)。這種氣球在特定的時間可充當(dāng)超節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)，可替換地，取決于情境可同時充當(dāng)這兩者。例如，示例氣球可聚集第一類型的搜索請求以發(fā)送到陸基臺站。示例氣球還可將第二類型的搜索請求發(fā)送到另一氣球，該另一氣球在那個情境中可充當(dāng)超節(jié)點(diǎn)。另夕卜，在示例實(shí)施例中可以是超節(jié)點(diǎn)的一些氣球可被配置為經(jīng)由光鏈路與陸基臺站和/或衛(wèi)星通信。
[0021]在示例配置中，超節(jié)點(diǎn)氣球可被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與附近的超節(jié)點(diǎn)氣球通信。然而，子節(jié)點(diǎn)氣球可不被配置用于自由空間光通信，而是可被配置用于某種其它類型的通信，例如RF通信。在那種情況下，超節(jié)點(diǎn)還可被配置為利用RF通信與子節(jié)點(diǎn)通信。從而，子節(jié)點(diǎn)可利用RF通信在超節(jié)點(diǎn)與一個或多個陸基臺站之間中繼通信。這樣，超節(jié)點(diǎn)可以總體上充當(dāng)氣球網(wǎng)絡(luò)的回程(backhaul)，而子節(jié)點(diǎn)起到將通信從超節(jié)點(diǎn)中繼到陸基臺站的功能。
[0022]本公開描述了一般可操作來基于第二氣球相對于第一氣球的預(yù)測位置來維持第一氣球與第二氣球之間的光通信鏈路的裝置、方法和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可運(yùn)行的功能的各種示例實(shí)施例。
[0023]在一個示例實(shí)施例中，氣球包括具有指向軸的光通信組件。該光通信組件可包括光學(xué)接收器、光學(xué)發(fā)送器和/或光學(xué)收發(fā)器。可以調(diào)整指向軸以便維持與對方氣球的自由空間光鏈路。
[0024]例如，氣球可包括被配置為調(diào)整光通信組件的指向軸的指向機(jī)構(gòu)。額外地，氣球可包括控制器?？刂破骺杀慌渲脼榇_定對方氣球的預(yù)測相對位置。對方氣球的預(yù)測相對位置可利用卡爾曼(Kalman)濾波器方法或者其它類似的用于在動態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行推斷和預(yù)測的算法來確定。另外，控制器可控制指向機(jī)構(gòu)基于預(yù)測相對位置來調(diào)整指向軸以維持與對方氣球的自由空間光鏈路。
[0025]2.示例氣球網(wǎng)絡(luò)
[0026]圖1是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的氣球網(wǎng)絡(luò)100的簡化框圖。如圖所示,氣球網(wǎng)絡(luò)100包括氣球102A至102F，所述氣球102A至102F被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路104與彼此通信。氣球102A至102F可以額外地或可替換地被配置為經(jīng)由RF鏈路114與彼此通信。氣球102A至102F可以共同充當(dāng)用于分組數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。另外，氣球102A和102B中的至少一些可被配置用于經(jīng)由相應(yīng)的RF鏈路108與陸基臺站106和112通信。另外，一些氣球，例如氣球102F，可被配置為經(jīng)由光鏈路110與陸基臺站112通信。
[0027]在示例實(shí)施例中，氣球102A至102F是部署在平流層中的高空氣球。在中等緯度，平流層包括地表之上大約10公里(km)到50km高度之間的高度。在南北極，平流層開始于大約8km的高度。在示例實(shí)施例中，高空氣球可一般被配置為在具有相對較慢的風(fēng)速(例如，在5到20英里每小時(mph)之間)的平流層內(nèi)的高度范圍中操作。
[0028]更具體而言，在高空氣球網(wǎng)絡(luò)中，氣球102A至102F可一般被配置為在18km到25km之間的高度處操作(雖然其它高度也是可能的)。此高度范圍可能由于若干個原因而是有利的。具體地，平流層的這一層一般具有相對較低的風(fēng)速(例如，5到20mph之間的風(fēng))和相對較小的湍流。另外，雖然18km到25km之間的風(fēng)可隨著緯度并根據(jù)季節(jié)而變化，但可以以相當(dāng)精確的方式對這些變化建模。額外地，18km以上的高度通常超過了為商業(yè)空中交通指定的最大飛行高度。因此，當(dāng)氣球被部署在18km到25km之間時,對商業(yè)航班的干擾不是要擔(dān)心的問題。
[0029]為了向另一氣球發(fā)送數(shù)據(jù)，給定的氣球102A至102F可被配置為經(jīng)由光鏈路104發(fā)送光信號。在示例實(shí)施例中，給定的氣球102A至102F可使用一個或多個高功率發(fā)光二極管(light-emitting d1de, LED)來發(fā)送光信號?？商鎿Q地，氣球102A至102F中的一些或全部可包括激光系統(tǒng)以用于通過光鏈路104的自由空間光通信。其它類型的自由空間光通信是可能的。另外，為了經(jīng)由光鏈路104從另一氣球接收光信號，給定的氣球102A至102F可包括一個或多個光學(xué)接收器。在下文參考圖3更詳細(xì)論述示例氣球的額外細(xì)節(jié)。
[0030]在另一方面中，氣球102A至102F可利用各種不同的RF空中接口協(xié)議中的一種或多種來經(jīng)由相應(yīng)的RF鏈路108與陸基臺站106和112通信。例如，氣球102A至102F中的一些或全部可被配置為利用IEEE802.11(包括IEEE802.11的任何修訂版)中描述的協(xié)議、諸如GSM、CDMA, UMTS, EV-DO, WiMAX和/或LTE之類的各種蜂窩協(xié)議和/或?yàn)闅馇騙地面RF通信開發(fā)的一個或多個專有協(xié)議等等來與陸基臺站106和112通信。
[0031]在另一方面中，可存在如下場景:RF鏈路108不為氣球到地面的通信提供期望的鏈路容量。例如，為了提供從陸基網(wǎng)關(guān)的回程鏈路以及在其它場景中，可希望有增大的容量。因此，示例網(wǎng)絡(luò)還可包括下行鏈路氣球，這些下行鏈路氣球可提供高容量空-地鏈路。
[0032]例如，在氣球網(wǎng)絡(luò)100中，氣球102F被配置為下行鏈路氣球。與示例網(wǎng)絡(luò)中的其它氣球一樣，下行鏈路氣球102F可操作用于經(jīng)由光鏈路104與其它氣球的光通信。然而，下行鏈路氣球102F還可被配置用于經(jīng)由光鏈路110與陸基臺站112的自由空間光通信。光鏈路110因此可用作氣球網(wǎng)絡(luò)100與陸基臺站112之間的高容量鏈路(與RF鏈路108相比)。
[0033]注意，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，下行鏈路氣球102F還可操作用于與陸基臺站106的RF通信。在其它情況下，下行鏈路氣球102F可以只將光鏈路用于氣球到地面的通信。另外，雖然圖1中所示的布置只包括一個下行鏈路氣球102F，但示例氣球網(wǎng)絡(luò)也可包括多個下行鏈路氣球。另一方面，氣球網(wǎng)絡(luò)也可實(shí)現(xiàn)為沒有任何下行鏈路氣球。
[0034]在其它實(shí)現(xiàn)方式中，取代自由空間光通信系統(tǒng)或者除了自由空間光通信系統(tǒng)以夕卜，下行鏈路氣球可配備有專門的高帶寬RF通信系統(tǒng)以用于氣球到地面的通信。高帶寬RF通信系統(tǒng)可采取超寬帶系統(tǒng)的形式，該超寬帶系統(tǒng)可提供具有與光鏈路104之一基本相同的容量的RF鏈路。其它形式也是可能的。
[0035]陸基臺站，例如陸基臺站106和/或112，可采取各種形式。一般地，陸基臺站可包括諸如收發(fā)器、發(fā)送器和/或接收器之類的組件以用于經(jīng)由RF鏈路和/或光鏈路與氣球網(wǎng)絡(luò)通信。另外，陸基臺站可使用各種空中接口協(xié)議以便通過RF鏈路108與氣球102A至102F通信。這樣，陸基臺站106和112可被配置為接入點(diǎn)，經(jīng)由該接入點(diǎn)，各種設(shè)備可連接到氣球網(wǎng)絡(luò)100。在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，陸基臺站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，除了陸基通信鏈路以外或者作為陸基通信鏈路的替換，氣球102A至102F中的一些或全部可被配置為與天基衛(wèi)星建立通信鏈路。在一些實(shí)施例中，氣球可經(jīng)由光鏈路與衛(wèi)星通信。然而，其它類型的衛(wèi)星通信也是可能的。
[0037]另外，一些陸基臺站，例如陸基臺站106和112，可被配置為氣球網(wǎng)絡(luò)100與一個或多個其它網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。這種陸基臺站106和112從而可用作氣球網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)、蜂窩服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)和/或其它類型的網(wǎng)絡(luò)之間的接口。這個配置和陸基臺站106和112的其它配置的變化也是可能的。
[0038]2a)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能
[0039]如所提到的，氣球102A至102F可共同充當(dāng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。更具體而言，由于氣球102A至102F可利用自由空間光鏈路與彼此通信，因此這些氣球可共同充當(dāng)自由空間光學(xué)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
[0040]在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置中，每個氣球102A至102F可充當(dāng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可操作來接收送往它的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)路由到其它氣球。這樣,通過確定源氣球與目的地氣球之間的光鏈路的適當(dāng)序列，可將數(shù)據(jù)從源氣球路由到目的地氣球。這些光鏈路對于源和目的地氣球之間的連接可被統(tǒng)稱為“光路”。另外，每個光鏈路可被稱為光路上的“跳躍(hop)”。
[0041]為了作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)操作，氣球102A至102F可采用各種路由技術(shù)和自我修復(fù)算法。在一些實(shí)施例中，氣球網(wǎng)絡(luò)100可采用自適應(yīng)或動態(tài)路由，其中源和目的地氣球之間的光路在需要連接時被確定并建立，并且在以后某時被釋放。另外，當(dāng)使用自適應(yīng)路由時，可取決于氣球網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)、過去狀態(tài)和/或預(yù)測狀態(tài)來動態(tài)地確定光路。
[0042]此外，隨著氣球102A至102F相對于彼此和/或相對于地面移動，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇勺兓?。因此，示例氣球網(wǎng)絡(luò)100可應(yīng)用網(wǎng)狀協(xié)議來隨著網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓戮W(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。例如，為了解決氣球102A至102F的移動性，氣球網(wǎng)絡(luò)100可采用和/或適應(yīng)性地修改移動自組網(wǎng)絡(luò)(mobile ad hoc network, MANET)中采用的各種技術(shù)。其它示例也是可能的。
[0043]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，氣球網(wǎng)絡(luò)100可被配置為透明網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。更具體而言，在透明氣球網(wǎng)絡(luò)中，氣球可包括用于完全光學(xué)化的物理交換的組件，其中在光信號的物理路由中不涉及任何電氣組件。從而，在具有光交換的透明配置中，信號行經(jīng)完全光學(xué)化的多跳光路。
[0044]在其它實(shí)現(xiàn)方式中，氣球網(wǎng)絡(luò)100可實(shí)現(xiàn)不透明的自由空間光學(xué)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在不透明配置中，一些或全部氣球102A至102F可實(shí)現(xiàn)光-電-光(optical-electrical-optical,0E0)交換。例如,一些或全部氣球可包括光學(xué)交叉連接(optical cross-connect,0XC)以用于光信號的0E0轉(zhuǎn)換。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徑的網(wǎng)絡(luò)配置是可能的。
[0045]在又一方面中，示例氣球網(wǎng)絡(luò)100中的氣球可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用(wavelengthdivis1n multiplexing, WDM),這可幫助增大鏈路容量。當(dāng)以透明交換實(shí)現(xiàn)WDM時，穿過氣球網(wǎng)絡(luò)的物理光路可受到“波長連續(xù)性約束”。更具體而言，因?yàn)橥该骶W(wǎng)絡(luò)中的交換是完全光學(xué)化的，所以可能有必要向給定光路上的所有光鏈路指派相同的波長。
[0046]另一方面，不透明配置可避免波長連續(xù)性約束。具體地，不透明氣球網(wǎng)絡(luò)中的氣球可包括可操作用于波長轉(zhuǎn)換的0E0交換系統(tǒng)。結(jié)果，氣球可在沿著光路的每一跳躍處轉(zhuǎn)換光信號的波長?？商鎿Q地，光學(xué)波長轉(zhuǎn)換可僅在沿著光路的選定跳躍處發(fā)生。
[0047]另外，在不透明配置中可采用各種路由算法。例如，為了針對給定的連接確定主光路和/或一個或多個不同的備用光路，示例氣球可應(yīng)用或考慮最短路徑路由技術(shù)，例如Dijkstra的算法和k最短路徑，和/或邊緣和節(jié)點(diǎn)多樣或不相交路由(edge andnode-diverse or disjoint routing),例如Suurballe的算法等等。額外地或可替換地，在確定光路時可采用用于維持特定服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)的技術(shù)。其它技術(shù)也是可能的。
[0048]2b)臺站保持功能
[0049]在示例實(shí)施例中，氣球網(wǎng)絡(luò)100可實(shí)現(xiàn)臺站保持功能來幫助提供期望的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。例如，臺站保持可涉及每個氣球102A至102F維持和/或移動到相對于網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個其它氣球的特定位置(并且可能在相對于地面的特定位置)。作為此過程的一部分，每個氣球102A至102F可實(shí)現(xiàn)臺站保持功能以確定其在期望拓?fù)鋬?nèi)的期望定位，并且如果必要的話，確定如何移動到期望位置。
[0050]期望拓?fù)淇扇Q于特定的實(shí)現(xiàn)方式而有所不同。在一些情況下，氣球可實(shí)現(xiàn)臺站保持來提供基本上均一的拓?fù)?。在這種情況下，給定的氣球102A至102F可實(shí)現(xiàn)臺站保持功能來將其自身定位在與氣球網(wǎng)絡(luò)100中的鄰近氣球相距基本上相同的距離處(或者在一定距離范圍內(nèi))。
[0051]在其它情況下，氣球網(wǎng)絡(luò)100可具有非均一拓?fù)?。例如，示例?shí)施例可涉及如下的拓?fù)?在所述拓?fù)渲?，出于各種原因，氣球在某些區(qū)域中分布得更密集或更不密集。作為示例，為了幫助滿足城市區(qū)域中典型的更高帶寬需求，氣球在城市區(qū)域上方可更密集地群集。由于類似的原因，氣球的分布在陸地上可以比在大水體上更密集。非均一拓?fù)涞脑S多其它示例是可能的。
[0052]在又一方面中，示例氣球網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇梢允强蛇m應(yīng)性修改的。具體地，示例氣球的臺站保持功能可允許氣球依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的期望拓?fù)涞淖兓瘉碚{(diào)整其各自的定位。例如，一個或多個氣球可移動到新的位置以增大或減小給定區(qū)域中氣球的密度。其它示例是可能的。
[0053]在一些實(shí)施例中，氣球網(wǎng)絡(luò)100可采用能量函數(shù)來確定氣球是否應(yīng)當(dāng)移動和/或應(yīng)當(dāng)如何移動來提供期望的拓?fù)?。具體地，給定氣球的狀態(tài)和一些或全部附近氣球的狀態(tài)可以是能量函數(shù)的輸入。能量函數(shù)可將給定氣球和附近氣球的當(dāng)前狀態(tài)應(yīng)用到期望的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(例如，與期望拓?fù)湎鄬?yīng)的狀態(tài))。隨后可通過確定能量函數(shù)的梯度來確定指示給定氣球的期望移動的向量。給定氣球隨后可確定為了實(shí)現(xiàn)期望的移動而要采取的適當(dāng)動作。例如，氣球可確定一個或多個高度調(diào)整以使得風(fēng)將會以期望的方式來移動氣球。
[0054]2c)對氣球網(wǎng)絡(luò)中的氣球的控制
[0055]在一些實(shí)施例中，網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)和/或臺站保持功能可以是集中式的。例如，圖2是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的氣球網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的框圖。具體地，圖2示出了分布式控制系統(tǒng)，其包括中央控制系統(tǒng)200和數(shù)個區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202B。這種控制系統(tǒng)可被配直為為氣球網(wǎng)絡(luò)204協(xié)調(diào)某些功能，并且因此可被配置為為氣球206A至2061控制和/或協(xié)調(diào)某些功能。
[0056]在圖示的實(shí)施例中，中央控制系統(tǒng)200可被配置為經(jīng)由數(shù)個區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C與氣球206A至2061通信。這些區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C可被配置為從其所覆蓋的各個地理區(qū)域中的氣球接收通信和/或聚集數(shù)據(jù)，以及將這些通信和/或數(shù)據(jù)中繼到中央控制系統(tǒng)200。另外，區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C可被配置為將通信從中央控制系統(tǒng)200路由到其各自的地理區(qū)域中的氣球。例如，如圖2中所示，區(qū)域控制系統(tǒng)202A可在氣球206A至206C與中央控制系統(tǒng)200之間中繼通信和/或數(shù)據(jù)，區(qū)域控制系統(tǒng)202B可在氣球206D至206F與中央控制系統(tǒng)200之間中繼通信和/或數(shù)據(jù)，并且區(qū)域控制系統(tǒng)202C可在氣球206G至2061與中央控制系統(tǒng)200之間中繼通信和/或數(shù)據(jù)。
[0057]為了促進(jìn)中央控制系統(tǒng)200與氣球206A至2061之間的通信，某些氣球可被配置為可操作來與區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C通信的下行鏈路氣球。因此，每個區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C可被配置為與其所覆蓋的各個地理區(qū)域中的一個或多個下行鏈路氣球通信。例如，在圖示的實(shí)施例中，氣球206A、206F和2061被配置為下行鏈路氣球。這樣，區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C可分別經(jīng)由光鏈路206、208和210與氣球206A、206F和2061通信。
[0058]在圖示的配置中，氣球206A至2061中只有一些被配置為下行鏈路氣球。被配置為下行鏈路氣球的氣球206A、206F和2061可將通信從中央控制系統(tǒng)200中繼到氣球網(wǎng)絡(luò)中的其它氣球，例如氣球206B至206E、206G和206H。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，有可能所有氣球都可充當(dāng)下行鏈路氣球。另外，雖然圖2示出了多個氣球被配置為下行鏈路氣球，但也有可能氣球網(wǎng)絡(luò)只包括一個下行鏈路氣球，或者甚至可能不包括下行鏈路氣球。
[0059]注意，區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C可能實(shí)際上只是被配置為與下行鏈路氣球通信的特定類型的陸基臺站(例如，圖1的陸基臺站112)。從而，雖然在圖2中未示出，但可結(jié)合其它類型的陸基臺站(例如，接入點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)等等)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。
[0060]在集中式控制布置中，例如圖2中所示的那種，中央控制系統(tǒng)200 (并且區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C也可能)可為氣球網(wǎng)絡(luò)204協(xié)調(diào)某些網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)功能。例如，氣球206A至2061可向中央控制系統(tǒng)200發(fā)送某些狀態(tài)信息，中央控制系統(tǒng)200可利用所述狀態(tài)信息來確定氣球網(wǎng)絡(luò)204的狀態(tài)。來自給定氣球的狀態(tài)信息可包括位置數(shù)據(jù)、光鏈路信息(例如，氣球與之建立光鏈路的其它氣球的身份、鏈路的帶寬、鏈路上的波長使用和/或可用性等等)、氣球收集的風(fēng)數(shù)據(jù)、和/或其它類型的信息。因此，中央控制系統(tǒng)200可聚集來自氣球206A至2061中的一些或全部的狀態(tài)信息以便確定網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)。
[0061]網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)隨后可用于協(xié)調(diào)和/或促進(jìn)某些網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)功能，例如為連接確定光路。例如，中央控制系統(tǒng)200可基于來自氣球206A至2061中的一些或全部的聚集狀態(tài)信息來確定當(dāng)前拓?fù)?。拓?fù)淇商峁馇蚓W(wǎng)絡(luò)中可用的當(dāng)前光鏈路和/或鏈路上的波長可用性的圖景。此拓?fù)潆S后可被發(fā)送到氣球中的一些或全部，從而使得可以采用路由技術(shù)來為通過氣球網(wǎng)絡(luò)204的通信選擇適當(dāng)?shù)墓饴?以及可能選擇備用光路)。
[0062]在又一方面中，中央控制系統(tǒng)200 (并且區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C也可能)還可為氣球網(wǎng)絡(luò)204協(xié)調(diào)某些臺站保持功能。例如，中央控制系統(tǒng)200可以把從氣球206A至2061接收的狀態(tài)信息輸入到能量函數(shù)，該能量函數(shù)可有效地將網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前拓?fù)渑c期望的拓?fù)湎啾容^，并且提供為每個氣球指示移動的方向(如果有移動的話)的向量，以使得氣球可朝著期望的拓?fù)湟苿?。另外，中央控制系統(tǒng)200可以使用高度風(fēng)數(shù)據(jù)來確定可被發(fā)起來實(shí)現(xiàn)朝著期望拓?fù)涞囊苿拥母鱾€高度調(diào)整。中央控制系統(tǒng)200也可提供和/或支持其它臺站保持功能。
[0063]圖2示出了提供集中式控制的分布式布置，其中區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C協(xié)調(diào)中央控制系統(tǒng)200與氣球網(wǎng)絡(luò)204之間的通信。這種布置對于為覆蓋大地理區(qū)域的氣球網(wǎng)絡(luò)提供集中式控制會是有用的。在一些實(shí)施例中，分布式布置甚至可支持在地球上每個地方提供覆蓋的全球氣球網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，分布式控制布置在其它場景中也會是有用的。
[0064]另外，應(yīng)當(dāng)理解，其它控制系統(tǒng)布置也是可能的。例如，一些實(shí)現(xiàn)方式可涉及具有額外的層(例如，區(qū)域控制系統(tǒng)內(nèi)的子區(qū)域系統(tǒng)等等)的集中式控制系統(tǒng)。可替換地，控制功能可由單個集中式控制系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)可與一個或多個下行鏈路氣球直接通信。
[0065]在一些實(shí)施例中，取決于實(shí)現(xiàn)方式，對氣球網(wǎng)絡(luò)的控制和協(xié)調(diào)可由陸基控制系統(tǒng)和氣球網(wǎng)絡(luò)在不同程度上共享。實(shí)際上，在一些實(shí)施例中，可以沒有陸基控制系統(tǒng)。在這種實(shí)施例中，所有網(wǎng)絡(luò)控制和協(xié)調(diào)功能可由氣球網(wǎng)絡(luò)自身實(shí)現(xiàn)。例如，某些氣球可被配置為提供與中央控制系統(tǒng)200和/或區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C相同或相似的功能。其它示例也是可能的。
[0066]此外，對氣球網(wǎng)絡(luò)的控制和/或協(xié)調(diào)可以是分散式的。例如，每個氣球可將狀態(tài)信息中繼到一些或全部附近氣球，并且從一些或全部附近氣球接收狀態(tài)信息。另外，每個氣球可以把其從附近氣球接收的狀態(tài)信息中繼到一些或全部附近氣球。當(dāng)所有氣球都這樣做時，每個氣球可能夠單獨(dú)確定網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。可替換地，某些氣球可被指定為針對網(wǎng)絡(luò)的給定部分聚集狀態(tài)信息。這些氣球隨后可彼此協(xié)調(diào)來確定網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)。
[0067]另外，在一些方面中，對氣球網(wǎng)絡(luò)的控制可以是部分或完全局部化的，從而使得其不依賴于網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)。例如，個體氣球可實(shí)現(xiàn)只考慮附近氣球的臺站保持功能。具體地，每個氣球可實(shí)現(xiàn)將其自身狀態(tài)和附近氣球的狀態(tài)考慮在內(nèi)的能量函數(shù)。該能量函數(shù)可用于維持和/或移動到相對于附近氣球的期望位置，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)整體上的期望拓?fù)?。然而，?dāng)每個氣球?yàn)榱伺_站保持實(shí)現(xiàn)這種能量函數(shù)時，氣球網(wǎng)絡(luò)整體上可維持期望的拓?fù)浜?或朝著期望的拓?fù)湟苿印?br> [0068]作為示例，每個氣球A可接收相對于其k個最近鄰居中的每一個的距離信息Cl1至dk。每個氣球A可以把到k個氣球中的每一個的距離視為虛擬彈簧，其中向量表示從第一最近鄰居氣球i朝著氣球A的力方向，并且力的量值與Cli成比例。氣球A可對k個向量中的每一個求和，并且總和向量是氣球A的期望移動的向量。氣球A可通過控制其高度來嘗試實(shí)現(xiàn)期望的移動。
[0069]可替換地，該過程可例如指派這些虛擬力中的每一個的力量值等于CliX Cliο為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的各個氣球指派力量值的其它算法是可能的。
[0070]在另一實(shí)施例中，可以為k個氣球中的每一個執(zhí)行類似的過程，并且每個氣球可將其計(jì)劃的運(yùn)動向量發(fā)送到其本地鄰居。對每個氣球的計(jì)劃移動向量的更多輪的精化可基于其鄰居的相應(yīng)計(jì)劃移動向量來進(jìn)行。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在氣球網(wǎng)絡(luò)中可實(shí)現(xiàn)其它算法以嘗試在給定的地理位置上方維持一組氣球間距和/或特定的網(wǎng)絡(luò)容量水平。
[0071]2d)示例氣球配置
[0072]在示例氣球網(wǎng)絡(luò)中可包含各種類型的氣球系統(tǒng)。如上所指出的，示例實(shí)施例可利用高空氣球，所述高空氣球通常可在18km到25km之間的高度范圍中操作。圖3示出了根據(jù)示例實(shí)施例的高空氣球300。如圖所示，氣球300包括氣囊(envelope) 302、套罩(skirt) 304、有效載荷306和附接于氣球302與有效載荷304之間的下切系統(tǒng)(cut-downsystem)308。
[0073]氣囊302和套罩304可采取各種形式，所述各種形式可以是當(dāng)前公知或尚待開發(fā)的。例如，氣囊302和/或套罩304可由包括金屬化聚酯薄膜(Mylar)或雙向拉伸聚酯薄膜(BoPet)在內(nèi)的材料構(gòu)成。額外地或可替換地，氣囊302和/或套罩304中的一些或全部可由諸如氯丁二烯之類的高靈活性乳膠材料或橡膠材料構(gòu)成。其它材料也是可能的。另夕卜，氣囊302和套罩304的形狀和大小可取決于特定的實(shí)現(xiàn)方式而有所不同。此外，氣囊302可被填充以各種不同類型的氣體，例如氦和/或氫。其它類型的氣體也是可能的。
[0074]氣球300的有效載荷306可包括處理器312和機(jī)載數(shù)據(jù)存儲裝置，例如存儲器314。存儲器314可采取非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的形式或者包括非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上可存儲有指令，所述指令可被處理器312訪問并運(yùn)行以便執(zhí)行本文描述的氣球功能。從而，處理器312與存儲器314中存儲的指令和/或其它組件協(xié)力可充當(dāng)氣球300的控制器。
[0075]氣球300的有效載荷306還可包括各種其它類型的設(shè)備和系統(tǒng)來提供數(shù)種不同的功能。例如，有效載荷306可包括光通信系統(tǒng)316，該光通信系統(tǒng)316可經(jīng)由超亮LED系統(tǒng)320發(fā)送光信號，并且可經(jīng)由光通信接收器322 (例如，光電二極管接收器系統(tǒng))接收光信號。另外，有效載荷306可包括RF通信系統(tǒng)318，該RF通信系統(tǒng)318可經(jīng)由天線系統(tǒng)340發(fā)送和/或接收RF通信。
[0076]有效載荷306還可包括電源326來向氣球300的各種組件供應(yīng)電力。電源326可包括可再充電電池。在其它實(shí)施例中，電源326可以額外地或可替換地表示本領(lǐng)域中已知的用于產(chǎn)生電力的其它手段。此外，氣球300可包括太陽能電力生成系統(tǒng)327。太陽能電力生成系統(tǒng)327可包括太陽能電池板并且可用于生成對電源326充電和/或被電源326配送的電力。
[0077]有效載荷306可額外地包括定位系統(tǒng)324。定位系統(tǒng)324可包括例如全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和/或星體跟蹤系統(tǒng)。定位系統(tǒng)324可以額外地或可替換地包括各種運(yùn)動傳感器(例如，加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀和/或羅盤)。
[0078]定位系統(tǒng)324可以額外地或可替換地包括一個或多個視頻和/或靜止相機(jī)，和/或用于捕捉環(huán)境數(shù)據(jù)的各種傳感器。
[0079]有效載荷306內(nèi)的組件和系統(tǒng)中的一些或全部可在無線電探空儀(rad1sonde)或其它檢測器中實(shí)現(xiàn)，該無線電探空儀或其它檢測器可操作來測量例如壓力、高度、地理位置(緯度和經(jīng)度)、溫度、相對濕度和/或風(fēng)速和/或風(fēng)向以及其它信息。
[0080]如所指出的，氣球300包括超亮LED系統(tǒng)320以用于與其它氣球的自由空間光通信。這樣，光通信系統(tǒng)316可被配置為通過調(diào)制超亮LED系統(tǒng)320來發(fā)送自由空間光信號。光通信系統(tǒng)316可以機(jī)械系統(tǒng)和/或以硬件、固件和/或軟件實(shí)現(xiàn)。一般地，實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)的方式可取決于具體應(yīng)用而有所不同。在下文更詳細(xì)地描述光通信系統(tǒng)316和其它關(guān)聯(lián)組件。
[0081]在又一方面中，氣球300可被配置用于高度控制。例如，氣球300可包括可變浮力系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為通過調(diào)整氣球300中的氣體的體積和/或密度來改變氣球300的高度。可變浮力系統(tǒng)可采取各種形式，并且一般可以是任何可改變氣囊302中的氣體的體積和/或密度的系統(tǒng)。
[0082]在示例實(shí)施例中，可變浮力系統(tǒng)可包括位于氣囊302內(nèi)部的囊袋(bladder) 310。囊袋310可以是被配置為保持液體和/或氣體的彈性腔?？商鎿Q地，囊袋310不需要在氣囊302內(nèi)部。例如，囊袋310可以是可被加壓到遠(yuǎn)超過中性壓力的剛性囊袋。因此可通過改變囊袋310中的氣體的密度和/或體積來調(diào)整氣球300的浮力。為了改變囊袋310中的密度，氣球300可被配置有用于加熱和/或冷卻囊袋310中的氣體的系統(tǒng)和/或機(jī)構(gòu)。另夕卜，為了改變體積，氣球300可包括用于向囊袋310添加氣體和/或從囊袋310去除氣體的泵或其它特征。額外地或可替換地，為了改變囊袋310的體積，氣球300可包括可控制來允許氣體從囊袋310逸出的放氣閥或其它特征。在本公開的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多個囊袋310。例如，多個囊袋可用于提高氣球穩(wěn)定性。
[0083]在示例實(shí)施例中，氣囊302可被填充以氦、氫或其它比空氣輕的材料。氣囊302從而可具有相關(guān)聯(lián)的向上浮力。在這種實(shí)施例中，囊袋310中的空氣可被認(rèn)為是可具有相關(guān)聯(lián)的向下壓載力的壓載艙。在另一示例實(shí)施例中，通過向囊袋310中泵入空氣(例如，利用空氣壓縮機(jī))和從囊袋310中泵出空氣，可以改變囊袋310中的空氣的量。通過調(diào)整囊袋310中的空氣的量，可以控制壓載力。在一些實(shí)施例中，壓載力可以部分用于抵消浮力和/或提供高度穩(wěn)定性。
[0084]在其它實(shí)施例中，氣囊302可以基本上是剛性的并且包括圍閉的體積。在基本上維持該圍閉的體積的同時，可將空氣從氣囊302中排出。換言之，在圍閉的體積內(nèi)可以造成并維持至少部分真空。從而，氣囊302和圍閉的體積可以變得比空氣輕并提供浮力。在其它實(shí)施例中，可以可控地將空氣或另外的材料引入到圍閉的體積的部分真空中以嘗試調(diào)整整體浮力和/或提供高度控制。
[0085]在另一實(shí)施例中，氣囊302的一部分可以是第一顏色(例如，黑色)和/或第一材料，而氣囊302的其余部分可具有第二顏色(例如，白色)和/或第二材料。例如，第一顏色和/或第一材料可被配置為比第二顏色和/或第二材料吸收相對更大量的太陽能。從而，旋轉(zhuǎn)氣球以使得第一材料面對太陽可起到加熱氣囊302以及氣囊302內(nèi)部的氣體的作用。這樣，氣囊302的浮力可增大。通過旋轉(zhuǎn)氣球以使得第二材料面對太陽，氣囊302內(nèi)部的氣體的溫度可減小。因此，浮力可減小。這樣，通過利用太陽能改變氣囊302內(nèi)部的氣體的溫度/體積，可以調(diào)整氣球的浮力。在這種實(shí)施例中，有可能囊袋310可以不是氣球300的必要元件。從而，在各種設(shè)想到的實(shí)施例中，可以至少部分通過調(diào)整氣球相對于太陽的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)對氣球300的高度控制。
[0086]另外，氣球306可包括導(dǎo)航系統(tǒng)(未示出)。導(dǎo)航系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)臺站保持功能以維持期望的拓?fù)鋬?nèi)的位置和/或依據(jù)期望的拓?fù)湟苿拥揭晃恢?。具體地，導(dǎo)航系統(tǒng)可使用高度風(fēng)數(shù)據(jù)來確定使得風(fēng)在期望的方向上和/或向期望的位置運(yùn)載氣球的高度調(diào)整。高度控制系統(tǒng)隨后可對氣球腔的密度進(jìn)行調(diào)整以便實(shí)現(xiàn)所確定的高度調(diào)整并使得氣球橫向移動到期望的方向和/或期望的位置?？商鎿Q地，高度調(diào)整可由陸基控制系統(tǒng)或基于衛(wèi)星的控制系統(tǒng)計(jì)算并被傳達(dá)給高空氣球。在其它實(shí)施例中，異質(zhì)氣球網(wǎng)絡(luò)中的特定氣球可被配置為針對其它氣球計(jì)算高度調(diào)整并向這些其它氣球發(fā)送調(diào)整命令。
[0087]如圖所示，氣球300還包括下切系統(tǒng)308。下切系統(tǒng)308可被激活以將有效載荷306與氣球300的其余部分分離。下切系統(tǒng)308可至少包括將有效載荷306連接到氣囊302的連接器，例如氣球繩(balloon cord)，以及用于切斷該連接器的手段(例如，剪切機(jī)構(gòu)或爆炸螺栓)。在示例實(shí)施例中，可以為尼龍的氣球繩可被包裹以鎳鉻合金線?？梢允闺娏鹘?jīng)過該鎳鉻合金線以對其進(jìn)行加熱并熔化該繩，從而將有效載荷306從氣囊302切離。
[0088]可在需要在地面上訪問有效載荷的任何時間利用下切功能，例如當(dāng)是時候?qū)馇?00從氣球網(wǎng)絡(luò)中去除時，當(dāng)在有效載荷306內(nèi)的系統(tǒng)上應(yīng)當(dāng)進(jìn)行維護(hù)時和/或當(dāng)電源326需要被再充電或更換時。
[0089]在替換布置中，氣球可不包括下切系統(tǒng)。在這種布置中，在需要將氣球從網(wǎng)絡(luò)中去除和/或需要在地面上訪問氣球的情況下，導(dǎo)航系統(tǒng)可操作來將氣球?qū)Ш降街懳恢?。另夕卜，有可能氣球可以是自給自足的，從而不需要在地面上訪問它。在其它實(shí)施例中，可以由特定的服務(wù)氣球或另外類型的服務(wù)航空器或服務(wù)飛行器服務(wù)飛行中的氣球。
[0090]3.在氣球之間具有光鏈路和RF鏈路的氣球網(wǎng)絡(luò)
[0091]在一些實(shí)施例中，高空氣球網(wǎng)絡(luò)可包括經(jīng)由光鏈路與彼此通信的超節(jié)點(diǎn)氣球，以及經(jīng)由RF鏈路與超節(jié)點(diǎn)氣球通信的子節(jié)點(diǎn)氣球。一般地，超節(jié)點(diǎn)氣球之間的光鏈路可被配置為具有比超節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)氣球之間的RF鏈路更大的帶寬。這樣，超節(jié)點(diǎn)氣球可充當(dāng)氣球網(wǎng)絡(luò)的骨干，而子節(jié)點(diǎn)可提供子網(wǎng)，所述子網(wǎng)提供對氣球網(wǎng)絡(luò)的訪問和/或?qū)馇蚓W(wǎng)絡(luò)連接到其它網(wǎng)絡(luò)。
[0092]圖4是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的包括超節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的氣球網(wǎng)絡(luò)的簡化框圖。更具體而言，圖4圖示了包括超節(jié)點(diǎn)氣球410A至410C(也可稱之為“超節(jié)點(diǎn)”)和子節(jié)點(diǎn)氣球420 (也可稱之為“子節(jié)點(diǎn)”)的氣球網(wǎng)絡(luò)400的一部分。
[0093]每個超節(jié)點(diǎn)氣球410A至410C可包括可操作用于與其它超節(jié)點(diǎn)氣球的分組數(shù)據(jù)通信的自由空間光通信系統(tǒng)。這樣，超節(jié)點(diǎn)可通過光鏈路與彼此通信。例如，在圖示的實(shí)施例中，超節(jié)點(diǎn)410A和超節(jié)點(diǎn)401B可通過光鏈路402與彼此通信，并且超節(jié)點(diǎn)410A和超節(jié)點(diǎn)40IC可通過光鏈路404與彼此通信。
[0094]每個子節(jié)點(diǎn)氣球420可包括可操作用于通過一個或多個RF空中接口的分組數(shù)據(jù)通信的射頻(RF)通信系統(tǒng)。因此，每個超節(jié)點(diǎn)氣球410A至410C可包括可操作來將分組數(shù)據(jù)路由到一個或多個附近的子節(jié)點(diǎn)氣球420的RF通信系統(tǒng)。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)420從超節(jié)點(diǎn)410接收到分組數(shù)據(jù)時，子節(jié)點(diǎn)420可使用其RF通信系統(tǒng)來經(jīng)由RF空中接口將分組數(shù)據(jù)路由到陸基臺站430。
[0095]如上所指出的，超節(jié)點(diǎn)410A至410C既可被配置用于與其它超節(jié)點(diǎn)的較長距離的光通信，又可被配置用于與附近子節(jié)點(diǎn)420的較短距離的RF通信。例如，超節(jié)點(diǎn)410A至410C可使用高功率或超亮LED來通過可延伸100英里那么長或者可能更長的光鏈路402、404發(fā)送光信號。這樣配置的超節(jié)點(diǎn)410A至410C可能夠進(jìn)行10到50千兆比特/秒或者以上的數(shù)據(jù)速率的光通信。
[0096]然后更多的高空氣球可被配置為子節(jié)點(diǎn)，所述子節(jié)點(diǎn)可以以大約10兆比特/秒的數(shù)據(jù)速率與陸基因特網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通信。例如，在圖示的實(shí)現(xiàn)方式中，子節(jié)點(diǎn)420可被配置為將超節(jié)點(diǎn)410連接到其它網(wǎng)絡(luò)和/或直接連接到客戶端設(shè)備。
[0097]注意，以上示例中和本文其它地方描述的數(shù)據(jù)速度和鏈路距離是為了說明而提供的，而不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制性的；其它數(shù)據(jù)速度和鏈路距離是可能的。
[0098]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，超節(jié)點(diǎn)410A至410C可充當(dāng)核心網(wǎng)絡(luò)，而子節(jié)點(diǎn)420充當(dāng)?shù)胶诵木W(wǎng)絡(luò)的一個或多個接入網(wǎng)絡(luò)。在這種實(shí)施例中，子節(jié)點(diǎn)420中的一些或全部也可充當(dāng)?shù)綒馇蚓W(wǎng)絡(luò)400的網(wǎng)關(guān)。額外地或可替換地，陸基臺站430中的一些或全部可充當(dāng)?shù)綒馇蚓W(wǎng)絡(luò)400的網(wǎng)關(guān)。
[0099]4.具有擁有可基于對方氣球的預(yù)測相對位置調(diào)整的指向軸的光通信組件的氣球
[0100]氣球(例如，第一氣球)可被配置為與對方氣球(例如，第二氣球)通信，以例如在氣球之間維持光通信鏈路。兩個氣球可以是相似的，或者兩個氣球可以是不相似的(例如，異質(zhì)氣球網(wǎng)絡(luò)中的不同類型的節(jié)點(diǎn))。在一些實(shí)施例中，可以額外地在氣球到陸基臺站和/或天基平臺(例如，衛(wèi)星)之間建立光通信鏈路。
[0101]氣球可包括一個或多個光通信組件，例如光學(xué)發(fā)送器、光學(xué)接收器和/或光學(xué)收發(fā)器。因此，可參考圖3和圖5描述一些示例實(shí)施例。圖5是圖示出根據(jù)示例實(shí)施例的光學(xué)發(fā)送器500和光學(xué)接收器520的簡化框圖。
[0102]在這種示例實(shí)施例中，光學(xué)發(fā)送器500可接收可以是電信號和/或光信號的形式的輸入數(shù)據(jù)(data in) 502。構(gòu)成輸入數(shù)據(jù)502的電信號和/或光信號可包括一個或多個數(shù)字或模擬電壓和/或光強(qiáng)度水平的形式的信息。輸入數(shù)據(jù)502可被光學(xué)發(fā)送器500經(jīng)由電連接(例如，導(dǎo)線或多芯電纜)或光學(xué)連接(例如，光纖或波導(dǎo))來接收。調(diào)制器504可利用一個或多個編碼技術(shù)，例如強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、脈沖波調(diào)制和/或頻率調(diào)制，來對來自輸入數(shù)據(jù)502的信息進(jìn)行編碼。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解調(diào)制器504可以合理地使用其它已知的編碼方案。
[0103]驅(qū)動器506可將經(jīng)編碼的信息轉(zhuǎn)換成驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號可起到照亮光源508的作用。在示例實(shí)施例中，光源508可表示一個或多個發(fā)光二極管(LED)或激光器。光源508也可包括本領(lǐng)域已知的其它高功率光源。光源508的發(fā)射波長可在紫外線、可見光、紅外線和微波譜范圍內(nèi)。發(fā)射的波長帶可以相對較窄(例如，譜寬度為幾納米)?？商鎿Q地，波長帶可以是寬帶(例如，可見光譜的大部分，這是“白” LED發(fā)射中常見的)。另外，光源508可被配置為以多個離散波長(例如，利用雙色激光器)或者在多個波段內(nèi)(例如，利用多色LED)來發(fā)射光。
[0104]光源508可被配置為以高頻調(diào)制(例如，開啟和關(guān)閉)以便實(shí)現(xiàn)高于10千兆比特每秒(GBit/s)的數(shù)據(jù)吞吐量。從光源508發(fā)射的光可以是準(zhǔn)直的或非準(zhǔn)直的。另外，發(fā)射的光的強(qiáng)度可以是可調(diào)整的。發(fā)射的光可被透射光學(xué)器件510準(zhǔn)直和/或聚焦。透射光學(xué)器件510可包括諸如望遠(yuǎn)鏡和/或光束擴(kuò)展器之類的元件。取決于實(shí)施例，在透射光學(xué)器件(transmiss1n optics) 510中可包括其它光學(xué)元件,例如本領(lǐng)域中已知的可用于長距離成像的那些。
[0105]在替換實(shí)施例中，從光源508發(fā)射的光可被調(diào)制器調(diào)制。例如，偏振調(diào)制器可被配置為調(diào)制從光源508發(fā)射的光的偏振。在這種場景中，自由空間光信號可包括至少部分基于光的偏振的數(shù)據(jù)。各種調(diào)制器類型是可能的，包括液晶調(diào)制器和空間光調(diào)制器等等。在實(shí)踐中，自由空間光信號可包括多于一種類型的光調(diào)制。另外，光調(diào)制可以高頻執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)高于10GBit/s的數(shù)據(jù)傳送。
[0106]取決于實(shí)施例，可以以不同方式來配置透射光學(xué)器件510的元件，以嘗試高效地將輸出光作為自由空間光信號——例如信號512——發(fā)送到對方氣球。例如，透射光學(xué)器件510可被配置為提供幾千公里之上的光通信鏈路。在其它實(shí)施例中，透射光學(xué)器件510可被不同地配置以便與陸基臺站或天基平臺建立光通信鏈路。例如，在預(yù)期目標(biāo)是陸基臺站(15-30km遠(yuǎn))的情況下，與預(yù)期目標(biāo)是天基平臺(對地同步軌道可超過42，OOOkm)的情況相比，透射光學(xué)器件510中的光學(xué)組件的配置可以是不同的。因此，氣球與天基目標(biāo)之間的距離可超過42，OOOkm遠(yuǎn)。因此，透射光學(xué)器件510中的光學(xué)組件可被調(diào)整(例如，通過利用望遠(yuǎn)鏡上的變焦和/或聚焦特征)。在其它實(shí)施例中，可以基于例如預(yù)期目標(biāo)距離和目標(biāo)高度來使用不同組的透射光學(xué)器件510。
[0107]光學(xué)接收器520可被配置為接收可表不光通信鏈路的一部分的信號522。信號522可以是來自對方氣球或者另外的機(jī)載平臺的帶有編碼的信息的自由空間光信號。信號522也可發(fā)源自陸基臺站或天基平臺(例如，衛(wèi)星或其它航天器)。
[0108]信號522可以被接收器光學(xué)器件524光學(xué)地收集。接收器光學(xué)器件524可包括望遠(yuǎn)鏡或本領(lǐng)域中已知的用于在長距離(例如，多于幾公里)接收自由空間光信號的光學(xué)器件(例如，折射型透鏡和反射鏡)的任何組合。可利用光學(xué)前置放大器526來放大接收器光學(xué)器件524接收的光。光學(xué)前置放大器526可包括摻雜光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器(semiconductor optical amplifier, S0A)、拉曼放大器和/或參數(shù)放大器中的一個或多個。其它光學(xué)放大器類型在本公開的上下文內(nèi)是可能的。
[0109]經(jīng)放大的光信號可被光學(xué)濾波器528濾波。在一些實(shí)施例中，光學(xué)濾波器可包括吸收濾波器、干涉濾波器和/或二向色濾光片(dichroic filter)。光信號可以按各種方式被濾波，例如基于波長(例如，在帶通濾波器中)和/或偏振(例如，利用偏振器或波片)。
[0110]經(jīng)濾波的光可被光電檢測器530檢測到。光電檢測器530可包括一個或多個光電二極管、電荷稱合器件(charge-coupled device,CCD)、光電導(dǎo)體或本領(lǐng)域已知的其它用于光子感測的手段。光電檢測器530可包括被配置為檢測光束位置的變化的多元件檢測器系統(tǒng)。在示例實(shí)施例中，光電檢測器可將入射光換能為光電流信號。隨后可利用跨阻抗放大器532來放大該光電流信號。跨阻抗放大器532可被配置為將光電流信號轉(zhuǎn)換成電壓并提供信號增益。其它放大器類型是可能的，并且可例如取決于光電檢測器的輸出類型。例如，如果光電檢測器530是產(chǎn)生光電壓的光電導(dǎo)器件,則可以使用跨導(dǎo)放大器來將該光電壓轉(zhuǎn)換成信號電流。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，存在許多其它方式來將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并且這些其它方式在本文被設(shè)想到。
[0111]光學(xué)接收器還可包括解調(diào)器/糾錯元件534，其可被配置為從信號522中提取信息。解調(diào)器/糾錯元件534所利用的解調(diào)的類型可取決于最初對光信號執(zhí)行的調(diào)制的類型。例如，解調(diào)方法可包括載波恢復(fù)、時鐘恢復(fù)、幀同步、脈沖壓縮、檢錯和糾錯、和/或與本地振蕩器混頻(例如，外差檢測)。光學(xué)和數(shù)字信號處理領(lǐng)域中已知的其它解調(diào)方法是可能的。
[0112]解調(diào)器/糾錯元件534還可被配置為檢測和糾正接收到的信號中的差錯。例如，元件534可包括散列函數(shù)、校驗(yàn)和算法和/或其它冗余校驗(yàn)算法以嘗試減少數(shù)據(jù)傳送差錯。另夕卜，在解調(diào)器/糾錯元件534中可實(shí)現(xiàn)糾錯碼(error-correcting code,ECC)(例如,Turbo或低密度奇偶校驗(yàn)碼)來檢測和糾正差錯。如果找到差錯，則光學(xué)接收器520可被配置為利用前向糾錯(forward error correct1n,FEC)算法來自動地糾正該差錯?？商鎿Q地，光學(xué)接收器520可被配置為經(jīng)由反向信道向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送自動重發(fā)請求(automatic repeatrequest, ARQ)以嘗試獲得對數(shù)據(jù)的新傳送。
[0113]參考圖3，(一個或多個)光通信組件330，例如光學(xué)發(fā)送器500和/或光學(xué)接收器520，可以機(jī)械地或光學(xué)地耦合到常平架座(gimbal mount) 328 0常平架座328可被配置為可調(diào)整地指著指向方向332。(一個或多個)第二光通信組件336可以機(jī)械地和/或光學(xué)地耦合到常平架座334并且沿著指向方向338取向。(一個或多個)第二光通信組件336可表示被配置為與多個節(jié)點(diǎn)和/或處于不同高度的節(jié)點(diǎn)維持光通信鏈路的多個組件。例如，光通信組件330可被配置為與鄰居氣球維持光鏈路,而光通信組件336可被配置為與陸基臺站維持光鏈路。換言之，一個或多個光通信組件可與各自的指向機(jī)構(gòu)一起使用以嘗試與一個或多個陸基、空基或天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)維持光鏈路。在本公開的上下文內(nèi)，光通信組件330和336可包括光學(xué)發(fā)送器、光學(xué)接收器和/或光學(xué)收發(fā)器。
[0114]圖6示出了在氣球之間維持自由空間光通信鏈路的示例場景600。在此示例中，氣球602嘗試與對方氣球(在圖6中描繪為氣球2)維持自由空間光鏈路。對方氣球位置61OA-C中的每一個可表不不例對方氣球在時刻A、B和C的位置。氣球602可具有指向機(jī)構(gòu)，例如常平架座328。指向機(jī)構(gòu)可調(diào)整光通信組件的指向軸。光通信組件可以是光學(xué)接收器、光學(xué)發(fā)送器和/或光學(xué)收發(fā)器。
[0115]氣球602還可包括控制器。控制器可以是定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和存儲器的任何組合?？刂破鞯钠渌渲檬强赡艿??？刂破骺杀慌渲脼榇_定對方氣球在時刻B和隨后在時刻C的預(yù)測位置，所述預(yù)測位置可分別由預(yù)測氣球位置620B和620C表示。控制器可以以各種方式確定預(yù)測位置。
[0116]在一個示例實(shí)施例中，控制器可獲取第一位置，該第一位置可以是氣球自身的位置。雖然氣球602被圖不為在一個位置,但要理解,在本公開的上下文內(nèi)，氣球602也可移動并且關(guān)于氣球602的瞬時位置和速度可以確定所有其它位置和運(yùn)動向量。
[0117]控制器還可獲取對方氣球的最后已知位置并且可選地獲取對方氣球的最后已知運(yùn)動向量。對方氣球的最后已知位置可包括關(guān)于對方氣球在特定時刻的位置的GPS和/或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信息。例如，對方氣球位置610A可表示對方氣球在時刻A的位置(例如，經(jīng)度、緯度和高度)。對方氣球位置610B可表示對方氣球在時刻B的位置，依此類推。
[0118]對方氣球的最后已知運(yùn)動向量可包括例如對方氣球在給定時刻的方向、速度和/或加速度。例如，運(yùn)動向量612和614可分別表示對方氣球在時刻A和時刻B的方向、速度和/或加速度。
[0119]可經(jīng)由RF鏈路或其它通信鏈路來獲取對方氣球的最后已知位置以及可選地獲取最后已知運(yùn)動向量。例如，在位置610A的對方氣球可在時刻A向氣球602發(fā)送其最后已知位置(例如，GPS坐標(biāo)和/或慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù))。另外，運(yùn)動向量612可表示來自對方氣球的速度、前進(jìn)方向和/或加速度數(shù)據(jù)。
[0120]控制器可使用最后已知位置并且可選地使用最后已知運(yùn)動向量作為卡爾曼濾波器的輸入，該卡爾曼濾波器可輸出對方氣球的預(yù)測相對位置。在下文更詳細(xì)地描述卡爾曼濾波器。預(yù)測相對位置確定可以考慮到例如各個氣球(602和610A-C)的相對緯度/經(jīng)度以及其各自的高度。實(shí)際路徑611和613可表示氣球從時刻A到時刻C的實(shí)際路徑。實(shí)際對方氣球位置和預(yù)測相對位置在圖6中被描繪為可見地分開，這只是為了視覺和描述上的清晰。在一個實(shí)施例中，每秒可多次執(zhí)行卡爾曼方法。從而，在實(shí)踐中，對方氣球的實(shí)際和預(yù)測位置可充分接近以便在整個場景600期間維持自由空間光鏈路。
[0121]控制器可控制指向機(jī)構(gòu)來基于預(yù)測相對位置調(diào)整指向軸。例如，控制器可調(diào)整(位于第一氣球上的)常平架座328上的指向方向332來從初始軸604朝著第一預(yù)測目標(biāo)軸606移動以嘗試跟蹤對方氣球并在各個氣球之間維持自由空間光通信鏈路。
[0122]在時刻B，控制器可重復(fù)該過程。例如，控制器可接收在位置610B的對方氣球的GPS坐標(biāo)。另外，控制器可接收可暗示運(yùn)動向量614的其它傳感器數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的組合可產(chǎn)生對方氣球在時刻C的后續(xù)預(yù)測相對位置620C，該位置620C可不同于對方氣球610C在時刻C的實(shí)際位置。因此，控制器可控制常平架座328上的指向方向332從第一預(yù)測目標(biāo)軸606移動到第二預(yù)測目標(biāo)軸608以便在各個氣球之間維持自由空間光鏈路。
[0123]在一個實(shí)施例中，光通信組件可以是光學(xué)接收器。在這種情況下，指向機(jī)構(gòu)可被控制器控制來朝著預(yù)測目標(biāo)軸調(diào)整光學(xué)接收器的指向軸以嘗試維持光通信鏈路。繼維持通信鏈路之后，還可監(jiān)視光學(xué)接收器的輸出以檢測來自對方氣球610A-C的自由空間光信號。在一個示例實(shí)施例中，可以使用多元件檢測器系統(tǒng)(例如，正交檢測器)來優(yōu)化指向機(jī)構(gòu)的指向軸。例如，如果多元件檢測器系統(tǒng)的檢測器元件之一比其它檢測器元件接收到更多的信號，則可確定束失準(zhǔn)狀況。在這種情況下，控制器可控制指向軸來均衡來自每個檢測器元件的輸出以嘗試將發(fā)送束與檢測器系統(tǒng)再對準(zhǔn)?？商鎿Q地或額外地，可以控制指向軸來最大化來自檢測器系統(tǒng)的整體輸出信號。額外地，來自檢測器信號的輸出信號可用作上述卡爾曼濾波器方法的輸入。
[0124]在另一實(shí)施例中，第一氣球上的光通信組件可以是光學(xué)發(fā)送器。如上所述，指向機(jī)構(gòu)可被控制器控制來朝著預(yù)測目標(biāo)軸調(diào)整光學(xué)發(fā)送器的指向軸以嘗試維持光通信鏈路。對方氣球610A-C可經(jīng)由反向信道向第一氣球發(fā)送信息。發(fā)送的信息可包括對方氣球的GPS位置和/或慣性制導(dǎo)數(shù)據(jù)。發(fā)送的信息還可表示束定位信息。例如，對方氣球可包括可操作來優(yōu)化光束對準(zhǔn)的多元件檢測器系統(tǒng)。來自多元件檢測器的輸出可被發(fā)送到第一氣球并用作卡爾曼濾波器或其它傳感器融合算法的輸入。反向信道可由對方氣球610A-C可用來以信號通知?dú)馇?02的任何手段表示(例如，RF信號、光信號或者通過陸基臺站的間接鏈路)。在接收到從對方氣球610A-C發(fā)送的信息并確定對方氣球的新的預(yù)測相對位置后，控制器可控制光學(xué)發(fā)送器的指向軸以便維持自由空間光鏈路。
[0125]在另外的實(shí)施例中，反向信道對于維持自由空間光鏈路可以不是必要的。例如，氣球602上的相機(jī)可提供在氣球跟蹤過程期間可用作反饋的圖像。這樣，控制器可控制指向機(jī)構(gòu)調(diào)整指向軸以使得對方氣球610A-C在圖像內(nèi)居中。從而，如果對方氣球610A-C在這種圖像內(nèi)居中，則可充分地維持自由空間光鏈路。
[0126]在又一實(shí)施例中，光通信組件可包括光學(xué)收發(fā)器。光學(xué)收發(fā)器可表示具有共享的指向軸的光學(xué)接收器和光學(xué)發(fā)送器。光學(xué)收發(fā)器從而可被配置為沿著共享的指向軸發(fā)送和接收光信號。如上所述，指向機(jī)構(gòu)可被控制器控制來調(diào)整光學(xué)收發(fā)器的指向軸以嘗試維持光通信鏈路。在這種示例實(shí)施例中，光學(xué)收發(fā)器可以:i)從對方氣球接收數(shù)據(jù)，ii)向?qū)Ψ綒馇虬l(fā)送數(shù)據(jù)，或者這兩者。因此，在經(jīng)由自由空間光鏈路和/或另外的反向信道接收到關(guān)于對方氣球方向的位置數(shù)據(jù)后，可以使用卡爾曼濾波器方法來確定第二氣球的預(yù)測相對位置?？梢哉{(diào)整指向軸以便指向第二氣球的預(yù)測相對位置并從而維持光通信鏈路。
[0127]5.用于控制指向機(jī)構(gòu)基于第二氣球的預(yù)測位置調(diào)整第一氣球中的光通信組件的指向軸的方法
[0128]提供了一種方法700用于基于第二氣球相對于第一氣球的預(yù)測位置使附接到第一氣球的光通信組件指向第二氣球。該方法可利用圖1-6中所示和上文描述的任何裝置來執(zhí)行。然而，可以使用其它配置。圖7參考圖6圖示了示例方法中的步驟，然而，要理解在其它實(shí)施例中，這些步驟可按不同的順序出現(xiàn)并且可以添加或減除步驟。
[0129]步驟702包括確定第一氣球602的位置。第一氣球602可包括被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與第二氣球^lOA-C)通信的光通信組件。
[0130]步驟704包括確定第二氣球相對于第一氣球602的位置的預(yù)測位置620B&C。預(yù)測位置620B&C可基于第二氣球610A-C的最后已知位置和最后已知運(yùn)動向量。在一個不例實(shí)施例中可利用卡爾曼濾波器方法來確定預(yù)測位置620B&C。卡爾曼濾波器方法可使用各種傳感器數(shù)據(jù)(例如，GPS數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)、相機(jī)圖像等等)作為輸入以便確定預(yù)測位置。
[0131]卡爾曼濾波器可包括將傳感器與氣球及其環(huán)境的物理模型合并的算法，其中該環(huán)境可包括鄰居氣球。該算法可確定系統(tǒng)的先前狀態(tài)并將先前狀態(tài)與當(dāng)前狀態(tài)傳感器數(shù)據(jù)合并來預(yù)測系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。來自卡爾曼濾波器方法的系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測通?？梢员壤缋脕碜詢H一個傳感器的數(shù)據(jù)(例如，通過外推氣球GPS數(shù)據(jù)來預(yù)測當(dāng)前氣球位置)更精確。
[0132]在涉及卡爾曼濾波器方法的示例實(shí)施例中，第二氣球可具有機(jī)載GPS接收器。GPS接收器可提供第二氣球的位置的估計(jì)。然而，第二氣球的位置的GPS估計(jì)可包括噪聲、抖動以及一般不完善的位置數(shù)據(jù)。第二氣球可將GPS坐標(biāo)以及來自諸如加速度計(jì)、陀螺儀和/或其它傳感器之類的其它來源的傳感器測量結(jié)果發(fā)送給第一氣球。在接收到GPS數(shù)據(jù)和其它傳感器測量結(jié)果的至少一部分后，可在循環(huán)的周期中執(zhí)行卡爾曼濾波器方法。該周期可每秒重復(fù)多次或按不同速率重復(fù)。該周期可以可替換地或額外地由外部事件觸發(fā)，例如由第一氣球與第二氣球建立光通信鏈路來觸發(fā)。其它觸發(fā)是可能的?？柭鼮V波器周期可涉及兩個主要階段(例如，預(yù)測階段和更新階段)。
[0133]在預(yù)測階段中，第一氣球可利用第二氣球及其環(huán)境的物理模型加上對其它系統(tǒng)變量的任何擾動，例如風(fēng)速、前進(jìn)方向和加速度，來預(yù)測第二氣球的當(dāng)前位置。此外，可計(jì)算與預(yù)測位置有關(guān)的協(xié)方差(關(guān)于兩個隨機(jī)變量(例如，風(fēng)速和氣球位置)一起變化的程度的度量)。例如，該協(xié)方差可與第二氣球的速度成比例。
[0134]在更新階段中，第一氣球可接收與第二氣球的位置有關(guān)的GPS定位數(shù)據(jù)。定位數(shù)據(jù)可用于更新初始預(yù)測位置來獲得更新位置。
[0135]預(yù)測位置和更新位置可被用作輸入并基于其關(guān)聯(lián)協(xié)方差來加權(quán)?？柭鼮V波器方法的輸出可提供第二氣球的預(yù)測相對位置。第二氣球的預(yù)測相對位置從而可用于調(diào)整光通信設(shè)備的指向角度以便維持第一氣球與第二氣球之間的自由空間光鏈路。
[0136]如上所述，可在第一氣球中由可包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)、處理器和存儲器的計(jì)算系統(tǒng)來執(zhí)行卡爾曼濾波器方法。另外，可在第一氣球和第二氣球兩者中執(zhí)行卡爾曼濾波器方法以嘗試糾正在自由空間光鏈路中可操作的各個光通信組件的對準(zhǔn)。在又一實(shí)施例中，通信的氣球之一可代表兩個氣球執(zhí)行該方法，控制其機(jī)載光通信組件并且向另一氣球發(fā)送控制命令以便遠(yuǎn)程地調(diào)整另一氣球的光通信組件。
[0137]可替換地，可以部分或完全由位于另一空基、地基或天基平臺上的計(jì)算系統(tǒng)執(zhí)行卡爾曼濾波器方法。例如，第二氣球的預(yù)測位置可由氣球網(wǎng)絡(luò)中的超節(jié)點(diǎn)氣球確定。該方法也可由處理器的分布式網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行，例如由服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行。
[0138]本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，在確定預(yù)測位置時各種其它涉及不同傳感器和數(shù)據(jù)融合算法的實(shí)施例是可能的，并且這些其它實(shí)施例在本文被設(shè)想到。例如，在本公開的上下文內(nèi)可以合理地應(yīng)用其它線性二次估計(jì)(linear quadratic estimat1n, LQE)和/或控制理論領(lǐng)域中已知的動態(tài)定位算法。
[0139]步驟706包括控制指向機(jī)構(gòu)基于預(yù)測位置620B&620C調(diào)整第一氣球602中的光通信組件的指向軸。第一氣球602中的光通信組件可操作來經(jīng)由自由空間光鏈路與第二氣球610A-C通信，并且可包括光學(xué)接收器、光學(xué)發(fā)送器和/或光學(xué)收發(fā)器。
[0140]參考圖3，也可稱為指向機(jī)構(gòu)的常平架座328可被控制來使光通信組件330指向預(yù)測目標(biāo)軸606&608。
[0141]對指向機(jī)構(gòu)的控制可通過第一氣球例如利用處理器312和存儲器314控制常平架座328來執(zhí)行?？商鎿Q地，可由另一氣球或陸基或天基臺站遠(yuǎn)程地控制指向機(jī)構(gòu)。
[0142]一旦在本地或遠(yuǎn)程控制下，指向機(jī)構(gòu)就可被調(diào)整來沿著預(yù)測目標(biāo)軸606&608指向。換言之，可以執(zhí)行調(diào)整來嘗試維持第一氣球和第二氣球之間的自由空間光鏈路。在一個實(shí)施例中，如果光通信組件是光學(xué)接收器，則可以調(diào)整指向機(jī)構(gòu)以使得該光學(xué)接收器被移動到預(yù)測目標(biāo)軸606&608。指向機(jī)構(gòu)也可連續(xù)地調(diào)整指向軸以便跟蹤(例如，由于移動的氣球而導(dǎo)致的)移動的目標(biāo)軸。指向軸調(diào)整的速率和/或量可基于預(yù)測目標(biāo)軸的變化速率。在本公開的上下文內(nèi)可以合理地使用本領(lǐng)域中已知的維持視線光學(xué)鏈路的其它技術(shù)。
[0143]6.具有控制指向機(jī)構(gòu)基于第二氣球的預(yù)測位置調(diào)整第一氣球中的光通信組件的指向軸的指令的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)
[0144]以上描述的和圖3、圖5、圖6和圖7中示出的功能中的一些或全部可由計(jì)算設(shè)備響應(yīng)于非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中存儲的指令的運(yùn)行而執(zhí)行。非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可例如是隨機(jī)訪問存儲器(random access memory, RAM)、只讀存儲器(read-only memory, ROM)、快閃存儲器、緩存存儲器、一個或多個磁編碼盤、一個或多個光編碼盤、或者任何其它形式的非暫態(tài)數(shù)據(jù)存儲裝置。非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)也可分布在多個數(shù)據(jù)存儲元件之間，所述數(shù)據(jù)存儲元件的位置可彼此遠(yuǎn)離。運(yùn)行存儲的指令的計(jì)算設(shè)備可以是例如圖3中所圖示的處理器312那樣的計(jì)算設(shè)備?？商鎿Q地，運(yùn)行存儲的指令的計(jì)算設(shè)備可以是另一計(jì)算設(shè)備，例如服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器，或者陸基臺站。
[0145]非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可存儲可由處理器312運(yùn)行來執(zhí)行各種功能的指令。所述功能可包括對第一氣球的位置的確定。第一氣球可包括被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與第二氣球通信的光通信組件。所述功能還可包括確定第二氣球相對于第一氣球的位置的預(yù)測位置。對預(yù)測位置的確定可基于第二氣球的最后已知位置和最后已知運(yùn)動向量。
[0146]對預(yù)測位置的確定可使用各種傳感器融合算法，包括但不限于卡爾曼濾波器方法。其它算法是可能的。
[0147]非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可包括進(jìn)一步的功能，例如控制指向機(jī)構(gòu)基于預(yù)測位置調(diào)整第一氣球中的光通信組件的指向軸以維持與第二氣球的自由空間光鏈路。
[0148]結(jié)論
[0149]以上詳細(xì)描述參考附圖描述了公開的系統(tǒng)、設(shè)備和方法的各種特征和功能。雖然本文已公開了各種方面和實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚其它方面和實(shí)施例。本文公開的各種方面和實(shí)施例是用于說明的，而并不打算進(jìn)行限定，真實(shí)的范圍和精神由權(quán)利要求指示。
【權(quán)利要求】
1.一種氣球，包括: 光通信組件，其中所述光通信組件具有指向軸，并且其中所述光通信組件可操作來經(jīng)由自由空間光鏈路與對方氣球通信； 指向機(jī)構(gòu)，被配置為調(diào)整所述指向軸； 控制器，其中所述控制器被配置為確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置并且控制所述指向機(jī)構(gòu)基于所述預(yù)測相對位置來調(diào)整所述指向軸，以維持與所述對方氣球的所述自由空間光鏈路。
2.如權(quán)利要求1所述的氣球,其中,所述氣球是高空氣球網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的高空氣球。
3.如權(quán)利要求1所述的氣球，其中，所述光通信組件包括被配置為接收自由空間光信號的光學(xué)接收器。
4.如權(quán)利要求3所述的氣球，其中，所述光學(xué)接收器包括光電二極管。
5.如權(quán)利要求3所述的氣球，其中，所述光學(xué)接收器包括被配置為檢測光束位置的變化的多元件檢測器系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求3所述的氣球，其中，所述控制器被配置為基于由所述光學(xué)接收器接收到的來自所述對方氣球的自由空間光信號來確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置。
7.如權(quán)利要求1所述的氣球，其中，所述光通信組件包括被配置為發(fā)送自由空間光信號的光學(xué)發(fā)送器。
8.如權(quán)利要求7所述的氣球，其中，所述光學(xué)發(fā)送器包括發(fā)光二極管。
9.如權(quán)利要求7所述的氣球，其中，所述光學(xué)發(fā)送器包括激光器。
10.如權(quán)利要求7所述的氣球，其中，所述光學(xué)發(fā)送器包括調(diào)制器，其中所述調(diào)制器被配置為調(diào)制光以形成所述自由空間光信號。
11.如權(quán)利要求10所述的氣球，其中，所述調(diào)制器包括空間光調(diào)制器。
12.如權(quán)利要求10所述的氣球，其中，所述調(diào)制器包括偏振調(diào)制器。
13.如權(quán)利要求10所述的氣球，其中，所述調(diào)制器包括液晶調(diào)制器。
14.如權(quán)利要求1所述的氣球，其中，所述光通信組件包括被配置為發(fā)送和接收自由空間光信號的光學(xué)收發(fā)器。
15.如權(quán)利要求1所述的氣球，其中，所述控制器被配置為基于卡爾曼濾波器方法來確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置。
16.如權(quán)利要求11所述的氣球，其中，所述對方氣球的預(yù)測相對位置是使用所述對方氣球的最后已知位置作為卡爾曼濾波器方法的輸入來確定的。
17.如權(quán)利要求11所述的氣球，其中，所述對方氣球的預(yù)測相對位置是使用所述對方氣球的最后已知位置和最后已知運(yùn)動向量作為卡爾曼濾波器方法的輸入來確定的。
18.如權(quán)利要求1所述的氣球，其中，所述控制器被配置為基于線性二次估計(jì)方法來確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置。
19.如權(quán)利要求1所述的氣球，還包括被配置為獲取所述對方氣球的圖像的相機(jī)，其中所述控制器被配置為基于所述圖像來確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置。
20.如權(quán)利要求1所述的氣球，還包括被配置為從所述對方氣球獲取無線電信號的無線電收發(fā)器，其中所述控制器被配置為基于所述無線電信號來確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置。
21.如權(quán)利要求1所述的氣球，還包括被配置為獲取全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全球定位系統(tǒng)，其中所述控制器被配置為基于所述全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)來確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置。
22.如權(quán)利要求1所述的氣球，還包括被配置為獲取慣性制導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，其中所述控制器被配置為基于所述慣性制導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來確定所述對方氣球的預(yù)測相對位置。
23.—種方法,包括: 確定第一氣球的位置，其中所述第一氣球包括被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與第二氣球通信的光通信組件； 基于所述第二氣球的最后已知位置和最后已知運(yùn)動向量確定所述第二氣球相對于所述第一氣球的位置的預(yù)測位置；以及 控制指向機(jī)構(gòu)基于所述預(yù)測位置來調(diào)整所述第一氣球中的光通信組件的指向軸，以維持與所述第二氣球的所述自由空間光鏈路。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，確定所述第二氣球的預(yù)測位置包括使用卡爾曼濾波器方法。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，確定所述第二氣球的預(yù)測位置包括使用所述最后已知位置作為所述卡爾曼濾波器方法的輸入。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中，確定所述第二氣球的預(yù)測位置包括使用所述最后已知位置和所述最后已知運(yùn)動向量作為所述卡爾曼濾波器方法的輸入。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，確定所述第二氣球的預(yù)測位置包括使用線性二次估計(jì)方法。
28.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述光通信組件包括被配置為接收自由空間光信號的光學(xué)接收器。
29.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述光通信組件包括被配置為發(fā)送自由空間光信號的光學(xué)發(fā)送器。
30.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述光通信組件包括被配置為發(fā)送和接收自由空間光信號的光學(xué)收發(fā)器。
31.一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中存儲有指令，所述指令可被計(jì)算設(shè)備運(yùn)行來使得該計(jì)算設(shè)備執(zhí)行功能，所述功能包括: 確定第一氣球的位置，其中所述第一氣球包括被配置為經(jīng)由自由空間光鏈路與第二氣球通信的光通信組件； 基于所述第二氣球的最后已知位置和最后已知運(yùn)動向量確定所述第二氣球相對于所述第一氣球的位置的預(yù)測位置；以及 控制指向機(jī)構(gòu)基于所述預(yù)測位置來調(diào)整所述第一氣球中的光通信組件的指向軸，以維持與所述第二氣球的所述自由空間光鏈路。
32.如權(quán)利要求31所述的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，確定所述第二氣球的預(yù)測位置包括使用卡爾曼濾波器方法。
33.如權(quán)利要求32所述的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，確定所述第二氣球的預(yù)測位置包括使用所述最后已知位置和所述最后已知運(yùn)動向量作為所述卡爾曼濾波器方法的輸入。
34.如權(quán)利要求31所述的非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中，確定所述第二氣球的預(yù)測位置包括使用線性二次估計(jì)方法。
【文檔編號】H04B10/11GK104170284SQ201380005073
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月9日
【發(fā)明者】R.W.德沃爾, E.特勒, C.L.比福勒, J.維弗 申請人:谷歌公司