具有高度控制和風數(shù)據(jù)的氣球的相對定位的制作方法
【專利摘要】氣球的通信網絡(例如高空氣球的網狀網絡)中的氣球的位置可被相對于彼此調整以便嘗試維持期望的網絡拓撲。在一種方案中，可以相對于一個或多個鄰居氣球來調整每個氣球的位置。例如，可以確定目標氣球和一個或多個鄰居氣球的位置。隨后可以基于相對于目標氣球的位置的一個或多個鄰居氣球的位置來確定目標氣球的期望移動?？梢曰谄谕苿觼砜刂颇繕藲馇?。在一些實施例中，可以控制目標氣球的高度以便將目標氣球暴露于能夠產生目標氣球的期望移動的環(huán)境風。
【專利說明】具有高度控制和風數(shù)據(jù)的氣球的相對定位

【背景技術】
[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利要求的現(xiàn)有 技術，并且并不因為被包括在本部分中就被承認為是現(xiàn)有技術。
[0002] 諸如個人計算機、膝上型計算機、平板計算機、蜂窩電話和無數(shù)類型的具備聯(lián)網能 力的設備之類的計算設備在現(xiàn)代生活的許多方面中正越來越普遍。這樣，對于經由因特網、 蜂窩數(shù)據(jù)網絡和其它這種網絡的數(shù)據(jù)連通性的需求正在增長。然而，在世界的許多區(qū)域中， 數(shù)據(jù)連通性仍是不可得的，或者如果可得，則是不可靠的和/或成本高昂的。因此，期望有 額外的網絡基礎設施。


【發(fā)明內容】

[0003] 在第一方面中，提供了一種方法。該方法包括確定目標氣球的位置并且確定相對 于目標氣球的位置的一個或多個鄰居氣球的位置。目標氣球包括可操作用于與一個或多個 鄰居氣球中的至少一個的數(shù)據(jù)通信的通信系統(tǒng)。該方法還包括基于相對于目標氣球的位置 的一個或多個鄰居氣球的位置來確定目標氣球的期望移動，并且基于目標氣球的期望移動 來控制目標氣球。
[0004] 在第二方面中，提供了一種非暫態(tài)計算機可讀介質。該非暫態(tài)計算機可讀介質中 存儲有指令，所述指令可被計算設備運行來使得該計算設備執(zhí)行功能。所述功能包括：(a) 確定目標氣球的位置；(b)確定相對于目標氣球的位置的一個或多個鄰居氣球的位置；（c) 基于相對于目標氣球的位置的一個或多個鄰居氣球的位置來確定目標氣球的期望移動；以 及（d)基于目標氣球的期望移動來控制目標氣球。
[0005] 在第三方面中，提供了一種氣球。該氣球包括可操作用于與氣球的網狀網絡中的 一個或多個其它氣球的數(shù)據(jù)通信。該氣球還包括耦合到通信系統(tǒng)的控制器。該控制器被配 置為：(a)確定氣球的位置；(b)確定相對于氣球的位置的一個或多個鄰居氣球的位置，其 中一個或多個鄰居氣球在氣球的網狀網絡中；以及（c)基于相對于氣球的位置的一個或多 個鄰居氣球的位置來確定氣球的期望移動。
[0006] 在第四方面中，提供了一種方法。該方法包括對于高空氣球網絡中的給定氣球識 別多個優(yōu)度因素，并且對于給定氣球確定多個優(yōu)度得分。每個優(yōu)度得分與多個優(yōu)度因素中 的相應優(yōu)度因素相關。該方法還包括確定作為給定氣球的多個優(yōu)度得分的函數(shù)的給定氣球 的當前總體優(yōu)度。該方法還包括識別給定氣球能夠采取的多個動作，并且對于每個動作，確 定由該動作導致的相應總體優(yōu)度。此外，該方法包括從多個動作之中選擇導致了高于當前 總體優(yōu)度的總體優(yōu)度的動作，并且控制給定氣球進行所選動作。
[0007] 在第五方面中，提供了一種非暫態(tài)計算機可讀介質。該非暫態(tài)計算機可讀介質 中存儲有指令，所述指令可被計算設備運行來使得該計算設備執(zhí)行功能。所述功能包括： (a)對于高空氣球網絡中的給定氣球識別多個優(yōu)度因素；(b)對于給定氣球確定多個優(yōu)度 得分，其中每個優(yōu)度得分與多個優(yōu)度因素中的相應優(yōu)度因素相關；（c)確定作為給定氣球 的多個優(yōu)度得分的函數(shù)的給定氣球的當前總體優(yōu)度；（d)識別給定氣球能夠采取的多個動 作；（e)對于每個動作，確定由該動作導致的相應總體優(yōu)度；(f)從多個動作之中選擇導致 了高于所述當前總體優(yōu)度的總體優(yōu)度的動作；以及（g)控制給定氣球進行所選動作。
[0008] 本領域普通技術人員通過閱讀以下詳細描述并在適當時參考附圖，將清楚這些以 及其它方面、優(yōu)點和替換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是根據(jù)示例實施例圖示出氣球網絡的簡化框圖。
[0010] 圖2是根據(jù)示例實施例圖示出氣球網絡控制系統(tǒng)的框圖。
[0011] 圖3是根據(jù)示例實施例圖示出高空氣球的簡化框圖。
[0012] 圖4是根據(jù)示例實施例圖示出包括超節(jié)點和子節(jié)點的氣球網絡的簡化框圖。
[0013] 圖5根據(jù)示例實施例圖示出基于四個鄰居氣球的位置來確定目標氣球的期望移 動的場景。
[0014] 圖6是根據(jù)示例實施例圖示出方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0015] 本文描述了示例方法和系統(tǒng)。本文描述的任何示例實施例或特征不一定要被理解 為比其它實施例或特征更優(yōu)選或有利。本文描述的示例實施例不欲進行限定。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 被設想到。
[0016] 另外，附圖中示出的特定布置不應當被視為限制性的。應當理解，其它實施例可包 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，示例實施例可包括附圖中沒有圖示的元素。
[0017] 1.概述
[0018] 示例實施例幫助提供了包括多個氣球（balloon)的數(shù)據(jù)網絡；例如，由部署在平 流層（stratosphere)中的高空氣球（high-altitude balloon)形成的網狀網絡（mesh network)。因為平流層中的風可以以差動的方式影響氣球的位置，所以示例網絡中的每個 氣球可被配置為通過調整其垂直位置（即，高度）來改變其水平位置。例如，通過調整其高 度，氣球可能夠找到將把它水平地（例如在緯度上和/或經度上）運載到期望的水平位置 的風。
[0019] 另外，在示例氣球網絡中，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，雖然對于激光通信的規(guī)章可限制激光器 的使用。此外，氣球可利用射頻（radio-frequency, RF)通信與（一個或多個）陸基臺站 (ground-based station)通信。
[0020] 在一些實施例中，高空氣球網絡可以是同質的。也就是說，高空氣球網絡中的氣球 可以按一種或多種方式與彼此基本相似。更具體而言，在同質高空氣球網絡中，每個氣球被 配置為經由自由空間光鏈路與一個或多個其它氣球通信。另外，這種網絡中的氣球中的一 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的，但對于與陸基臺站的RF通信則是異質的。
[0021] 在其它實施例中，高空氣球網絡可以是異質的，從而可包括兩種或更多種不同類 型的氣球。例如，異質網絡中的一些氣球可被配置為超節(jié)點（super-node)，而其它氣球可被 配置為子節(jié)點（sub-node)。還有可能異質網絡中的一些氣球可被配置為既充當超節(jié)點又 充當子節(jié)點。這種氣球在特定的時間可充當超節(jié)點或者子節(jié)點，或者，可替換地，取決于情 境可同時用作這兩者。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下可用作超節(jié) 點。另外，在示例實施例中可以是超節(jié)點的一些氣球可被配置為經由光鏈路與陸基臺站和 /或衛(wèi)星通信。
[0022] 在示例配置中，超節(jié)點氣球可被配置為經由自由空間光鏈路與附近的超節(jié)點氣球 通信。然而，子節(jié)點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)點還可被配置為利用RF通信與子節(jié)點通信。從 而，子節(jié)點可利用RF通信在超節(jié)點與一個或多個陸基臺站之間中繼通信。這樣，超節(jié)點可 以總體上充當氣球網絡的回程（backhaul)，而子節(jié)點起到將通信從超節(jié)點中繼到陸基臺站 的功能。在異質氣球網絡中的氣球之間可存在其它差異。
[0023] 本公開描述了一般可操作來基于相對于目標氣球的位置的一個或多個鄰居氣球 的位置來確定目標氣球的期望移動并且基于期望移動來控制目標氣球的裝置、方法和計算 機可讀介質可運行的功能的各種示例實施例。
[0024] 在一些實施例中，可以定義勢能函數(shù)，該勢能函數(shù)根據(jù)一個或多個鄰居氣球的位 置和目標氣球的位置來向目標氣球賦予勢能?？梢源_定勢能函數(shù)的梯度，并且可以基于該 梯度來確定目標氣球的期望移動。
[0025] 在一些實施例中，目標氣球的期望移動是可通過控制目標氣球的高度來實現(xiàn)的水 平移動。例如，可以使用風數(shù)據(jù)和/或預測模型來確定在特定高度很可能可得到具有適合 于實現(xiàn)期望水平移動的速度的環(huán)境風。隨后可調整目標氣球的高度來達到該特定高度。
[0026] 2.示例氣球網絡
[0027] 圖1是根據(jù)示例實施例圖示出氣球網絡100的簡化框圖。如圖所示，氣球網絡100 包括氣球102A至102F，這些氣球被配置為經由自由空間光鏈路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由RF鏈路114與彼此通信。氣球102A至102F 可以總體上充當用于分組數(shù)據(jù)通信的網狀網絡。另外，氣球102A和102B中的至少一些可 被配置用于經由相應的RF鏈路108與陸基臺站106和112的RF通信。另外，一些氣球，例 如氣球102F，可被配置為經由光鏈路110與陸基臺站112通信。
[0028] 在示例實施例中，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10千米（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。在示例實施例中，高空氣球可一般被配置為在具有相對較低風速（例如， 在5到20英里每小時（mph)之間）的平流層內的高度范圍中操作。
[0029] 更具體而言，在高空氣球網絡中，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速（例如，5到20mph之間的風） 和相對較小的湍流。另外，雖然18km到25km之間的風可隨著緯度并根據(jù)季節(jié)而變化，但可 以以相當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，當氣球被部署在18km到25km之間時，對商業(yè)班機的干擾不 是要擔心的問題。
[0030] 為了向另一氣球發(fā)送數(shù)據(jù)，給定的氣球102A至102F可被配置為經由光鏈路104 發(fā)送光信號。在示例實施例中，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 diode, 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)，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接收器。示例氣球的額外細節(jié)在下文參考圖3更詳細地論述。
[0031] 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 多種來經由相應的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IEEE 802. 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/或為氣球-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。
[0032] 在又一方面中，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，為了提供從陸基網關的回程鏈路以及在其它場景中，可期望有增大的容 量。因此，示例網絡還可包括下行鏈路氣球，所述下行鏈路氣球可提供高容量空-地鏈路。
[0033] 例如，在氣球網絡100中，氣球102F被配置為下行鏈路氣球。像示例網絡中的其它 氣球那樣，下行鏈路氣球102F可操作以用于經由光鏈路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因此可用作氣球網絡100與陸基臺站112之間的高容量鏈路（與RF鏈路108相 比）。
[0034] 注意，在一些實現(xiàn)方式中，下行鏈路氣球102F可額外地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 夕卜，雖然圖1中所示的布置只包括一個下行鏈路氣球102F，但示例氣球網絡也可包括多個 下行鏈路氣球。另一方面，氣球網絡也可實現(xiàn)為沒有任何下行鏈路氣球。
[0035] 在其它實現(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。
[0036] 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，以用于經由RF鏈路和/或光鏈路與氣球 網絡通信。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，經由該接入點，各種設備可連接 到氣球網絡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 /或用于其它用途。
[0037] 在又一方面中，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中的一些或全部可都被配置為與天基衛(wèi)星建立通信鏈路。在一些實施例中，氣球可 經由光鏈路與衛(wèi)星通信。然而，其它類型的衛(wèi)星通信是可能的。
[0038] 另外，一些陸基臺站，例如陸基臺站106和112,可被配置為氣球網絡100與一個或 多個其它網絡之間的網關。這樣的陸基臺站106和112從而可用作氣球網絡與因特網、蜂 窩服務提供商的網絡和/或其它類型的網絡之間的接口。關于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。
[0039] 2a)網狀網絡功能
[0040] 如所指出的，氣球102A至102F可總體上充當網狀網絡。更具體而言，因為氣球 102A至102F可利用自由空間光鏈路與彼此通信，所以這些氣球可總體上充當自由空間光 學網狀網絡。
[0041] 在網狀網絡配置中，每個氣球102A至102F可充當網狀網絡的節(jié)點，該節(jié)點可操作 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（hop)"。
[0042] 為了作為網狀網絡操作，氣球102A至102F可采用各種路由技術和自我修復算法。 在一些實施例中，氣球網絡100可采用自適應或動態(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設立，并且在以后某時被解除。另外，當使用自適應路由時，可依 據(jù)氣球網絡的當前狀態(tài)、過去狀態(tài)和/或預測狀態(tài)來動態(tài)地確定光路。
[0043] 此外，隨著氣球102A至102F相對于彼此和/或相對于地面移動，網絡拓撲可改 變。因此，示例氣球網絡100可應用網狀協(xié)議來隨著網絡的拓撲改變而更新網絡的狀態(tài)。例 如，為了解決氣球102A至102F的移動性，氣球網絡100可采用和/或適應性地修改移動自 組網絡（mobile ad hoc network, MANET)中采用的各種技術。其它示例也是可能的。
[0044] 在一些實現(xiàn)方式中，氣球網絡100可被配置為透明網狀網絡。更具體而言，在透明 氣球網絡中，氣球可包括完全光學化的用于物理交換的組件，其中在光信號的物理路由中 不涉及任何電氣組件。從而，在具有光學交換的透明配置中，信號行經完全光學化的多跳光 路。
[0045] 在其它實現(xiàn)方式中，氣球網絡100可實現(xiàn)不透明的自由空間光學網狀網絡。在不透 明配置中，一些或全部氣球102A至102F可實現(xiàn)光-電-光（optical-electrical-optical， 0E0)交換。例如，一些或全部氣球可包括光學交叉連接（optical cross-connect, 0XC)以 用于光信號的0E0轉換。其它不透明配置也是可能的。額外地，包括既具有透明片段也具 有不透明片段的路由路徑的網絡配置是可能的。
[0046] 在又一方面中，示例氣球網絡100中的氣球可實現(xiàn)波分復用（wavelength division multiplexing, WDM)，這可幫助增大鏈路容量。當以透明交換實現(xiàn)WDM時，穿過氣 球網絡的物理光路可受到"波長連續(xù)性約束（wavelength continuity constraint)"。更 具體而言，因為透明網絡中的交換是完全光學化的，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。
[0047] 另一方面，不透明配置可避免波長連續(xù)性約束。具體地，不透明氣球網絡中的氣球 可包括可操作用于波長轉換的0E0交換系統(tǒng)。結果，氣球可在沿著光路的每一跳處轉換光 信號的波長?？商鎿Q地，光波長轉換可僅在沿著光路的選定跳處發(fā)生。
[0048] 另外，在不透明配置中可采用各種路由算法。例如，為了為給定的連接確定主光 路和/或一個或多個不同的備用光路，示例氣球可應用或考慮最短路徑路由技術，例如 Dijkstra的算法和k最短路徑，和/或邊緣和節(jié)點多樣或不相交路由，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質量（quality of service, QoS)的技術。其它技術也是可能的。
[0049] 2b)臺站保持功能
[0050] 在示例實施例中，氣球網絡100可實現(xiàn)臺站保持功能來幫助提供期望的網絡拓 撲。例如，臺站保持可涉及每個氣球102A至102F維持和/或移動到相對于網絡中的一個 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中）。作為此過程的一部 分，每個氣球102A至102F可實現(xiàn)臺站保持功能以確定其在期望拓撲內的期望定位，并且如 果必要，則確定如何移動到期望位置。
[0051] 期望拓撲可依據(jù)特定的實現(xiàn)方式而變化。在一些情況下，氣球可實現(xiàn)臺站保持來 提供基本上均一的拓撲。在這種情況下，給定的氣球102A至102F可實現(xiàn)臺站保持功能來將 其自身定位在離氣球網絡100中的鄰近氣球基本上相同的距離（或者在一定距離范圍內）。
[0052] 在其它情況下，氣球網絡100可具有非均一拓撲。例如，示例實施例可涉及如下的 拓撲：在這些拓撲中，由于各種原因，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。非均一拓撲的許多其它示例 是可能的。
[0053] 在又一方面中，示例氣球網絡的拓撲可以是可適應性修改的。具體地，示例氣球的 臺站保持功能可允許氣球根據(jù)網絡的期望拓撲的變化來調整其各自的定位。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。
[0054] 在一些實施例中，氣球網絡100可采用能量函數(shù)來確定氣球是否應當移動和/或 應當如何移動來提供期望的拓撲。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) 可以被輸入到能量函數(shù)。能量函數(shù)可將給定氣球和附近氣球的當前狀態(tài)應用到期望的網絡 狀態(tài)（例如，與期望拓撲相對應的狀態(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現(xiàn)期望的移動而要采取的適當動作。 例如，氣球可確定一個或多個高度調整以使得風將會以期望的方式來移動氣球。
[0055] 2c)對氣球網絡中的氣球的控制
[0056] 在一些實施例中，網狀聯(lián)網和/或臺站保持功能可以是集中式的。例如，圖2是根 據(jù)示例實施例圖示出氣球網絡控制系統(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)可被配置為為氣球 網絡204協(xié)調某些功能，并且因此可被配置為為氣球206A至2061控制和/或協(xié)調某些功 能。
[0057] 在圖示的實施例中，中央控制系統(tǒng)200可被配置為經由數(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可被配置為從它們所覆 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)，以及將所述通信和/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)。
[0058] 為了促進中央控制系統(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相應地理區(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可分別經由光鏈路206、208和210與氣球206A、206F和2061通信。
[0059] 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中繼到氣球網絡中 的其它氣球，例如氣球206B至206E、206G和206H。然而，應當理解，在一些實現(xiàn)方式中，有 可能所有氣球都可充當下行鏈路氣球。另外，雖然圖2示出了多個氣球被配置為下行鏈路 氣球，但也有可能氣球網絡只包括一個下行鏈路氣球，或者可能甚至不包括下行鏈路氣球。
[0060] 注意，區(qū)域控制系統(tǒng)202A至202C可能實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（諸如例如，圖1的陸基臺站112)。從而，雖然在圖2中未示出，但 可結合其它類型的陸基臺站（例如，接入點、網關，等等）實現(xiàn)控制系統(tǒng)。
[0061] 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）可為氣球網絡204協(xié)調某些網狀聯(lián)網功能。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可利用這些狀態(tài)信息來 確定氣球網絡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）、氣球所收集的風數(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)信息以便確定網絡的整體狀態(tài)。
[0062] 網絡的整體狀態(tài)隨后可用于協(xié)調和/或促進某些網狀聯(lián)網功能，例如確定用于連 接的光路。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)信息來確定當前拓撲。拓撲可提供氣球網絡中可用的當前光鏈路和/或鏈路上的波長 可用性的圖景。此拓撲隨后可被發(fā)送到氣球中的一些或全部，從而使得可以采用路由技術 來為通過氣球網絡204的通信選擇適當?shù)墓饴罚ú⑶铱赡苓x擇備用光路）。
[0063] 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）也可 為氣球網絡204協(xié)調某些臺站保持功能。例如，中央控制系統(tǒng)200可以將從氣球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)可有效地將網絡的當前拓撲與期望的拓 撲進行比較，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 可朝著期望的拓撲移動。另外，中央控制系統(tǒng)200可以使用高度風數(shù)據(jù)來確定可被發(fā)起來 實現(xiàn)朝著期望拓撲的移動的各個高度調整。中央控制系統(tǒng)200也可提供和/或支持其它臺 站保持功能。
[0064] 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 中央控制系統(tǒng)200與氣球網絡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 絡提供集中式控制會是有用的。在一些實施例中，分布式布置甚至可支持在地球上的每處 提供覆蓋的全球氣球網絡。當然，分布式控制布置在其它場景中也會是有用的。
[0065] 另外，應當理解，其它控制系統(tǒng)布置也是可能的。例如，一些實現(xiàn)方式可涉及具有 額外的層（例如，區(qū)域控制系統(tǒng)內的子區(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。 [0066] 在一些實施例中，取決于實現(xiàn)方式，對氣球網絡的控制和協(xié)調可由陸基控制系統(tǒng) 和氣球網絡在不同程度上共享。實際上，在一些實施例中，可以沒有陸基控制系統(tǒng)。在這種 實施例中，所有網絡控制和協(xié)調功能可由氣球網絡自身實現(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。
[0067] 此外，對氣球網絡的控制和/或協(xié)調可以是分散式的。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 可以將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。當所有氣球都這樣做 時，每個氣球可能夠單獨確定網絡的狀態(tài)?？商鎿Q地，某些氣球可被指定為聚集網絡的給定 部分的狀態(tài)信息。這些氣球隨后可彼此協(xié)調來確定網絡的整體狀態(tài)。
[0068] 另外，在一些方面中，對氣球網絡的控制可以是部分或完全局部化的，從而使得其 不依從于網絡的整體狀態(tài)。例如，個體氣球可實現(xiàn)只考慮附近氣球的臺站保持功能。具體 地，每個氣球可實現(xiàn)將其自身狀態(tài)和附近氣球的狀態(tài)考慮在內的能量函數(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，而不必考慮網絡整體上的期望拓撲。 然而，當每個氣球為了臺站保持實現(xiàn)這種能量函數(shù)時，氣球網絡整體上可維持期望的拓撲 和/或朝著期望的拓撲移動。
[0069] 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屯至 dk。每個氣球A可以將到k個氣球中的每一個的距離視為虛擬彈簧，其中向量代表從第一 最近鄰居氣球i朝著氣球A的力方向，并且力的幅值與φ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 試實現(xiàn)期望的移動。
[0070] 可替換地，這個過程可指派這些虛擬力中的每一個的力幅值等于diXdi，其中φ 例如與到第二近的鄰居氣球的距離成比例。為網狀網絡中的各個氣球指派力幅值的其它算 法是可能的。
[0071] 在另一實施例中，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 將其計劃的移動向量發(fā)送到其本地鄰居。對每個氣球的計劃移動向量的更多輪精化可基于 其鄰居的相應計劃移動向量來進行。對于本領域技術人員顯而易見的是，在氣球網絡中可 實現(xiàn)其它算法以嘗試在給定的地理位置上維持一組氣球間距和/或特定的網絡容量水平。
[0072] 2d)示例氣球配置
[0073] 在示例氣球網絡中可包含各種類型的氣球系統(tǒng)。如上所指出的，示例實施例可 利用高空氣球，所述高空氣球典型地可在18km到25km之間的高度范圍中操作。圖3根 據(jù)示例實施例示出了高空氣球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-down system)308〇
[0074] 氣囊302和套罩304可采取各種形式，所述各種形式可以是當前公知或尚待開發(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)在內的材料構成。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的形狀和大小可依據(jù)特定的實現(xiàn)方式而變化。額外地，氣囊302可 被填充以各種不同類型的氣體，例如氦氣和/或氫氣。其它類型的氣體也是可能的。
[0075] 氣球300的有效載荷306可包括處理器312和機載數(shù)據(jù)存儲裝置，例如存儲器 314。存儲器314可采取非暫態(tài)計算機可讀介質的形式或者包括非暫態(tài)計算機可讀介質。非 暫態(tài)計算機可讀介質上可存儲有指令，所述指令可被處理器312訪問并運行以便執(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/或其它組件相結合可 充當氣球300的控制器。
[0076] 氣球300的有效載荷306還可包括各種其它類型的設備和系統(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可經由超亮LED系統(tǒng) 320發(fā)送光信號，并且可經由光通信接收器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可經由天線系統(tǒng)340 發(fā)送和/或接收RF通信。
[0077] 有效載荷306還可包括電源326來向氣球300的各種組件供應電力。電源326可 包括可再充電電池。在其它實施例中，電源326可以額外地或可替換地代表本領域中已知 的用于產生電力的其它手段。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。
[0078] 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) (global positioning system, GPS)、慣性導航系統(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動傳感器（例如，加速度計、磁力計、陀螺儀和/或羅盤）。
[0079] 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，和/ 或用于捕捉環(huán)境數(shù)據(jù)的各種傳感器。
[0080] 有效載荷306內的組件和系統(tǒng)中的一些或全部可在無線電探空儀（radiosonde) 或其它探測器中實現(xiàn)，該無線電探空儀或其它探測器可操作來測量例如壓力、高度、地理位 置（緯度和經度）、溫度、相對濕度和/或風速和/或風向以及其它信息。
[0081] 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可實現(xiàn)有機械系統(tǒng)和/或硬件、固件和/或軟件。一般地，實現(xiàn)光通信系統(tǒng) 的方式可依據(jù)具體應用而變化。光通信系統(tǒng)316和其它關聯(lián)組件在下文更詳細地進行描 述。
[0082] 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)可被配置為通過調整氣球300中的氣體的體積和/或密度來改變氣球300的 高度?？勺兏×ο到y(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)。
[0083] 在示例實施例中，可變浮力系統(tǒng)可包括位于氣囊302內部的囊袋（bladder) 310。 囊袋310可以是被配置為保持液體和/或氣體的彈性腔。可替換地，囊袋310不需要在氣 囊302內部。例如，囊袋310可以是可被加壓到遠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/或機構。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。在本公開的范圍內可實現(xiàn)多個囊袋310。例 如，多個囊袋可用于提高氣球穩(wěn)定性。
[0084] 在示例實施例中，氣囊302可被填充以氦氣、氫氣或其它比空氣輕的材料。氣囊 302從而可具有相關聯(lián)的向上浮力。在這種實施例中，囊袋310中的空氣可被認為是可具有 相關聯(lián)的向下壓載力的壓載艙。在另一示例實施例中，通過（例如利用空氣壓縮機）將空 氣泵入和泵出囊袋310,可以改變囊袋310中的空氣的量。通過調整囊袋310中的空氣的 量，可以控制壓載力。在一些實施例中，壓載力可以部分用于抵消浮力和/或提供高度穩(wěn)定 性。
[0085] 在其它實施例中，氣囊302可以基本上是剛性的并且包括包封的體積。在基本上 維持該包封的體積的同時，可將空氣從氣囊302中排出。換言之，在包封的體積內可以產生 并維持至少部分真空。從而，氣囊302和包封的體積可以變得比空氣輕并提供浮力。在其 它實施例中，可以可控地將空氣或另一材料引入到包封的體積的部分真空中以嘗試調整總 體浮力和/或提供高度控制。
[0086] 在另一實施例中，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量。從而， 旋轉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內部的氣體的作用。 這樣，氣囊302的浮力可增大。通過旋轉氣球以使得第二材料面對太陽，氣囊302內部的氣 體的溫度可減小。因此，浮力可減小。這樣，通過利用太陽能量改變氣囊302內部的氣體的 溫度/體積，可以調整氣球的浮力。在這種實施例中，有可能囊袋310可以不是氣球300的 必要元件。從而，在各種設想到的實施例中，可以至少部分通過調整氣球相對于太陽的旋轉 來實現(xiàn)對氣球300的高度控制。
[0087] 另外，氣球306可包括導航系統(tǒng)（未示出）。導航系統(tǒng)可實現(xiàn)臺站保持功能以維持 期望的拓撲內的位置和/或根據(jù)期望的拓撲移動到一位置。具體地，導航系統(tǒng)可使用高度 風數(shù)據(jù)來確定使得風在期望的方向上和/或向期望的位置運載氣球的高度調整。高度控制 系統(tǒng)隨后可對氣球腔的密度進行調整以便實現(xiàn)所確定的高度調整并使得氣球橫向移動到 期望的方向和/或期望的位置。可替換地，高度調整可由陸基控制系統(tǒng)或基于衛(wèi)星的控制 系統(tǒng)來計算并被傳達給高空氣球。在其它實施例中，異質氣球網絡中的特定氣球可被配置 為為其它氣球計算高度調整并向這些其它氣球發(fā)送調整命令。
[0088] 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，以及用于切斷該連接器的裝置（例如，剪切機構或爆炸螺栓）。在示 例實施例中，可以為尼龍的氣球繩可被包裹以鎳鉻合金線?？梢允闺娏鹘涍^該鎳鉻合金線 以對其進行加熱并熔化該繩，從而將有效載荷306從氣囊302切離。
[0089] 可在任何需要在地面上訪問有效載荷的時候利用下切功能，例如當是時候將氣球 300從氣球網絡中去除時，當在有效載荷306內的系統(tǒng)上應當進行維護時和/或當電源326 需要被再充電或更換時。
[0090] 在可替換布置中，氣球可不包括下切系統(tǒng)。在這種布置中，在需要將氣球從網絡中 去除和/或需要在地面上訪問氣球的情況下，導航系統(tǒng)可操作來將氣球導航到著陸位置。 另外，有可能氣球可以是自我維持的，從而不需要在地面上訪問它。在其它實施例中，可以 由特定的服務氣球或另外類型的服務航空器或服務飛行器來檢修飛行中的氣球。
[0091] 2e)示例異質網絡
[0092] 在一些實施例中，高空氣球網絡可包括經由光鏈路與彼此通信的超節(jié)點氣球，以 及經由RF鏈路與超節(jié)點氣球通信的子節(jié)點氣球。一般地，超節(jié)點氣球之間的光鏈路可被配 置為比超節(jié)點和子節(jié)點氣球之間的RF鏈路具有更大的帶寬。這樣，超節(jié)點氣球可充當氣球 網絡的骨干，而子節(jié)點可提供子網，所述子網提供對氣球網絡的訪問和/或將氣球網絡連 接到其它網絡。
[0093] 圖4是根據(jù)示例實施例圖示出包括超節(jié)點和子節(jié)點的氣球網絡的簡化框圖。更具 體而言，圖4圖示了包括超節(jié)點氣球410A至410C(也可稱之為"超節(jié)點"）和子節(jié)點氣球 420 (也可稱之為"子節(jié)點"）的氣球網絡400的一部分。
[0094] 每個超節(jié)點氣球410A至410C可包括可操作用于與其它超節(jié)點氣球的分組數(shù)據(jù)通 信的自由空間光通信系統(tǒng)。這樣，超節(jié)點可通過光鏈路與彼此通信。例如，在圖示的實施例 中，超節(jié)點410A和超節(jié)點401B可通過光鏈路402與彼此通信，并且超節(jié)點410A和超節(jié)點 401C可通過光鏈路404與彼此通信。
[0095] 每個子節(jié)點氣球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)點氣球420的RF通信系統(tǒng)。當子節(jié)點420從超節(jié)點410 接收到分組數(shù)據(jù)時，子節(jié)點420可使用其RF通信系統(tǒng)來經由RF空中接口將分組數(shù)據(jù)路由 到陸基臺站430。
[0096] 如上所指出的，超節(jié)點410A至410C既可被配置用于與其它超節(jié)點的較長距離的 光通信，又可被配置用于與附近子節(jié)點420的較短距離的RF通信。例如，超節(jié)點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410A至410C可能夠進行10到50千兆比特/秒或以 上的數(shù)據(jù)速率的光通信。
[0097] 隨后更多的高空氣球可被配置為子節(jié)點，這些子節(jié)點可以以大約10兆比特/秒的 數(shù)據(jù)速率與陸基因特網節(jié)點通信。例如，在圖示的實現(xiàn)方式中，子節(jié)點420可被配置為將超 節(jié)點410連接到其它網絡和/或直接連接到客戶端設備。
[0098] 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，而不應當被認為是限制性的；其它數(shù)據(jù)速度和鏈路距離是可能的。
[0099] 在一些實現(xiàn)方式中，超節(jié)點410A至410C可充當核心網絡，而子節(jié)點420充當?shù)胶?心網絡的一個或多個接入網絡。在這種實施例中，子節(jié)點420中的一些或全部也可充當?shù)?氣球網絡400的網關。額外地或可替換地，陸基臺站430中的一些或全部可充當?shù)綒馇蚓W 絡400的網關。
[0100] 3.用于維持期望的網絡拓撲的示例方案
[0101] 可調整高空氣球網絡中的氣球的位置以便維持期望的網絡拓撲。維持期望的網絡 拓撲可涉及維持在特定區(qū)域上方氣球的期望密度、氣球的期望高度、特定類型的氣球（例 如，超節(jié)點氣球和子節(jié)點氣球）的期望布置、網絡中的不同點之間的"跳"的期望數(shù)目和/或 與氣球的放置或布置相關的任何其它偏好。例如，可能期望在人口密集的區(qū)域（例如城市 或大都市區(qū)域）上方維持相對高的氣球密度，而在人口較少或無人居住的區(qū)域（例如沙漠 或海洋）上方，相對較低的氣球密度可能就足夠了。然而，即使在相對無人居住的區(qū)域中， 也可維持一定數(shù)目和布置的氣球，以便提供網絡的不同部分之間的通信連通性。
[0102] 在用于維持期望的網絡拓撲的一種方案中，可以相對于地面上的位置來調整氣球 的位置。例如，可以控制用于下行鏈路通信的氣球的位置以便保持在地面站的通信范圍內。 也可控制其它類型的氣球在特定地面位置的給定范圍內。從而，通過控制氣球的位置在各 個地面位置的相應范圍內，可以維持大都市區(qū)域上方的氣球的期望布置。
[0103] 在一些情況下，例如因為平流層中的盛行風，在特定區(qū)域中可能有氣球的總體流 動。在這種情況下，仍可基于地面位置來維持期望的網絡拓撲。例如，可以控制氣球相對于 彼此的運動，以使得當氣球移出其相應的地面位置的范圍時，替代氣球也移動到該范圍中。 基于地面位置來維持期望的網絡拓撲的其它示例是可能的。
[0104] 在用于維持期望的網絡拓撲的另一種方案中，可以相對于彼此調整氣球的位置。 例如，可以相對于一個或多個鄰居氣球來調整目標氣球的位置。可以按不同方式來作出對 于哪些氣球被包括為目標氣球的"鄰居氣球"的判定。
[0105] 在一個示例中,可將鄰居氣球取為網絡中的與目標氣球最靠近的N個氣球，其中N 是預定的數(shù)字。N可以小至1，或者大至10或更大。在一些情況下，可以基于目標氣球位于 何處來為目標氣球選擇N(例如，如果目標氣球在人口眾多的區(qū)域上方則N可以更大，而如 果目標氣球在人口較少的區(qū)域上方則N可以更?。?。
[0106] 在另一示例中，網絡中的在目標氣球的預定距離內的任何氣球可被識別為鄰居氣 球。該預定距離可取決于目標氣球位于何處（例如，如果目標氣球在人口眾多的區(qū)域上方 則預定距離可以更小，而如果目標氣球在人口較少的區(qū)域上方則預定距離可以更大）?；?者，該預定距離可被取為如下距離：在該距離上，目標氣球可與其它氣球通信。從而，網絡中 的在給定氣球的通信范圍內的任何氣球可被識別為鄰居氣球。
[0107] 可以基于一個或多個鄰居氣球來調整目標氣球的位置以便維持目標氣球與其鄰 居氣球之間的期望距離或期望的距離范圍。在此，可以想象目標氣球與其每個鄰居氣球之 間的虛擬彈簧。
[0108] 如果目標氣球與給定的鄰居氣球之間的距離小于期望距離，則目標氣球與給定的 鄰居氣球之間的虛擬彈簧可被看作是壓縮的。壓縮的彈簧可被想成是在離開給定的鄰居氣 球的方向上對目標氣球施加虛擬力。這個虛擬力可導致目標氣球被控制為遠離給定的鄰居 氣球移動。
[0109] 另一方面，如果目標氣球與給定的鄰居氣球之間的距離大于期望的距離，則目標 氣球與給定的鄰居氣球之間的虛擬彈簧可被看作是拉伸的。拉伸的彈簧可被想成是在朝著 給定的鄰居氣球的方向上對目標氣球施加虛擬力。這個虛擬力可導致目標氣球被控制為朝 著給定的鄰居氣球移動。
[0110] 虛擬彈簧概念可通過利用關于彈簧根據(jù)目標氣球與鄰居氣球之間的距離向 目標氣球賦予"勢能"的公知的勢能函數(shù)來正式化。以下是這種勢能函數(shù)的一個示例： G = 4 - i?):s，其中U是賦予目標氣球的勢能，k是虛擬彈簧的"彈簧常數(shù)"，r是目標氣 球與給定的鄰居氣球之間的實際距離，并且R是目標氣球與給定的鄰居氣球之間的期望距 離。
[0111] 給定這個勢能函數(shù)，施加在目標氣球上的虛擬力可被表述為：F = - k(r - R)，其 中F是虛擬力，k是虛擬彈簧的彈簧常數(shù)，r是目標氣球與給定的鄰居氣球之間的實際距離， 并且R是目標氣球與給定的鄰居氣球之間的期望距離。
[0112] 雖然以上論述提到了只基于一個鄰居氣球的目標氣球的勢能和虛擬力，但可以將 該方案一般化到多個鄰居氣球的情況。具體地，多個鄰居氣球中的每一個可與個體的勢能 函數(shù)相關聯(lián)，該勢能函數(shù)可以是上述形式的目標氣球與該鄰居氣球之間的相應距離的函 數(shù)。從而，第i個鄰居氣球可與如下的個體勢能函數(shù)相關聯(lián)：1/, = - Λ,)2,其中仏是 第i個鄰居氣球對目標氣球的勢能的貢獻，h是目標氣球與第i個鄰居氣球之間的虛擬彈 簧的彈簧常數(shù)，^是目標氣球與第i個鄰居氣球之間的實際距離，并且&是目標氣球與第 i個鄰居氣球之間的期望距離。這個表達式表明，不同的鄰居氣球可與不同的期望距離和/ 或不同的彈簧常數(shù)相關聯(lián)。不同的參數(shù)可以反映例如氣球的類型或功能的差異。例如，到 作為超節(jié)點的鄰居氣球的期望距離可不同于到作為子節(jié)點的鄰居氣球的期望距離。其它差 異也是可能的。
[0113] 目標氣球的總體勢能函數(shù)可被取為來自其每個鄰居氣球的個體勢能函數(shù)的總和： υ = Σ Ui。施加在目標氣球上的虛擬力可與總體勢能函數(shù)的梯度相關，如下：F = -Vi/。 當然，這個虛擬力也可被認為是由其每個鄰居氣球施加在目標氣球上的個體虛擬力的向量 和：戶=Σ巧》
[0114] 因為施加在目標氣球上的虛擬力包括來自其每個鄰居氣球的貢獻，所以目標氣球 有可能在已經比期望距離更近的鄰居氣球的大體方向上移動（例如，因為另一鄰居氣球可 能甚至還更近）。目標氣球也有可能大體上遠離已經比期望距離遠的鄰居氣球地移動（例 如，為了向甚至更遙遠的另一鄰居氣球靠近）。這些點由圖5中所示的場景500圖示。
[0115] 在場景500中，在x-y坐標軸的原點示出目標氣球502,并且由向量？2、巧和巧 指示四個鄰居氣球（鄰居氣球504、506、508和510)的位置。如圖所示，鄰居氣球504在第 一象限中，鄰居氣球506在第二象限中，鄰居氣球508在第三象限中，并且鄰居氣球510在 第四象限中。要理解，這個布置只是為了說明而給出的一個示例。目標氣球502可具有更 多或者更少的鄰居氣球，并且鄰居氣球的位置可與圖5中所示的不同。
[0116] 圖5中的x-y坐標可代表地面坐標。從而，除了 x-y平面中的坐標以外，氣球 502-510中的每一個可具有各自的z坐標（即，高度），這在圖5中沒有指示。另外，對場景 500中的氣球之間的距離的論述可以指x-y平面中的橫向距離，其沒有將氣球之間的高度 差異考慮在內。
[0117] 場景500假定目標氣球502到鄰居氣球504-510中的每一個具有相同的期望距離 R。這個期望距離由圖5中的虛線圓指示。如圖所示，鄰居氣球504和508離目標氣球502 比期望距離遠，而鄰居氣球506和510離目標氣球502比期望距離近。
[0118] 鄰居氣球504-510中的每一個可基于上述的"虛擬彈簧"模型對鄰居氣球504施 加各自的虛擬力。作用于目標氣球502上的凈虛擬力將是由鄰居氣球504-510施加的虛擬 力的向量和。具體地，鄰居氣球504和508兩者都將對目標氣球502施加吸引力，因為它們 兩者離目標氣球502都比期望距離遠。然而，鄰居氣球504比鄰居氣球508更遠。從而，鄰 居氣球504可施加比鄰居氣球508更大的吸引力。這些吸引力的凈效果可以是朝著鄰居氣 球504所處的第一象限的虛擬力。類似地，鄰居氣球506和510兩者都將對目標氣球502 施加排斥力，因為它們兩者離目標氣球502都比期望距離近。然而，鄰居氣球510比鄰居氣 球506更近。從而，鄰居氣球510可施加比鄰居氣球506更大的排斥力。這些排斥力的凈 效果可以是朝著鄰居氣球506所處的第二象限的虛擬力。從而，在場景500中，由凈吸引力 和凈排斥力產生的對目標氣球502的總體虛擬力可以在大體上沿著正y軸的方向上。
[0119] 作用于目標氣球502上的虛擬力可用于確定目標氣球502的期望移動。期望移動 可以例如是期望的速度、期望的速度變化、期望的加速度或者期望的位移。另外，期望移動 可以是水平移動（即，χ-y平面中的移動），或者期望移動可包括期望的高度變化。如下文 更詳細描述的，可以控制目標氣球502 (例如利用目標氣球502中的控制器或者通過遠程控 制）以便嘗試實現(xiàn)期望移動。
[0120] 期望移動的方向可以基于虛擬力的方向，并且期望移動的幅值可以基于虛擬力的 幅值。從而，如果期望移動是期望速度，則期望速度的方向可對應于虛擬力的方向，并且期 望速度的幅值可以是虛擬力的幅值的函數(shù)。這樣，更大的虛擬力可導致更大的速度。如果 期望移動是期望位移（即，期望方向上的期望行進距離），則期望行進距離可以是虛擬力的 幅值的函數(shù)，并且期望行進方向可以對應于虛擬力的方向。這樣，更大的虛擬力可導致更大 的行進距離。從而，無論期望移動是按照位移、速度、加速度還是某個其它參數(shù)來定義的，目 標氣球502的期望移動的幅值都可依據(jù)作用于目標氣球502上的虛擬力的幅值而更大或更 小。
[0121] 雖然以上論述提到了基于虛擬彈簧的勢能函數(shù)，但要理解可以使用其它類型的 勢能函數(shù)。一般地，目標氣球的勢能U可以是目標氣球和η個鄰居氣球的位置的函數(shù)： t/(t/1，心· . ·ξ)，其中η是大于或等于1的整數(shù)，向量.對應于目標氣球的位置，并且向 量6至卩,對應于η個鄰居氣球的位置。目標氣球和鄰居氣球的位置可以按照地面坐標 (即，x-y平面中的坐標）或者包括xyz空間中的高度（即，坐標）的坐標。
[0122] 在一些實施例中，勢能可以是目標氣球與η個鄰居氣球中的每一個之間的距離的 函數(shù)。例如，勢能u可具有以下函數(shù)形式：?/二-巧|)，其中Ui是第i個鄰居氣球 特定的函數(shù)，并且總和是在i = 1到η上取的。Ui函數(shù)對于不同的鄰居氣球可以是不同的， 或者它們對于不同的鄰居氣球可以是相同或相似的。例如，每個W函數(shù)可以對應于基于虛 擬彈簧的勢能函數(shù)，如上所述。
[0123] 虛擬力可與勢能函數(shù)的梯度相關，如下：戶=-▽{/(&，？t, F2,..乃），其中梯度是通 過對于目標氣球的坐標取偏導數(shù)來確定的。如上所論述的，目標氣球的期望移動可以基于 虛擬力，從而基于勢能函數(shù)的梯度。
[0124] 也可按其它方式來從勢能函數(shù)確定目標氣球的期望移動。例如，勢能函數(shù)在與目 標氣球的期望位置相對應的坐標處可具有最小值。在那種情況下，期望移動可以是朝著該 期望位置的移動，即，使勢能函數(shù)達到最小值的移動。也可使用其它方法來基于勢能函數(shù)確 定目標氣球的期望動作。
[0125] 以上論述了用于維持期望的網絡拓撲的兩種方案：基于調整氣球相對于地面位置 的位置的方案，和基于調整氣球相對于彼此的位置的方案。此外，可以組合這兩種方案。例 如，可以利用考慮到目標氣球相對于一個或多個地面位置的位置以及目標氣球相對于一個 或多個鄰居氣球的位置的算法來調整目標氣球的位置。該算法可涉及包括與目標氣球和η 個鄰居氣球之間的距離相關聯(lián)的貢獻以及與目標氣球和Ρ個地面位置之間的距離相關聯(lián) 的貢獻的勢能函數(shù)。該勢能函數(shù)可以如下：!/ = 其中向量 ξ對應于目標氣球的位置，向量纟對應于η個鄰居氣球的位置，Ui是第i個鄰居氣球特定的 函數(shù)，向量皮,對應于P個地面位置的位置，\是第j個地面位置特定的函數(shù)，i = 1到n，并 且j = 1到P。隨后可通過取勢能函數(shù)的梯度、通過使勢能函數(shù)達到最小值或者以某種方式 來確定目標氣球的期望移動。
[0126] 可以將勢能函數(shù)的概念進一步一般化為可將多個不同種類的"優(yōu)度（goodness) " 因素考慮在內的"優(yōu)度"函數(shù)。這種"優(yōu)度"因素可以與氣球之間的間距、地面位置、高度、存 在于氣球附近的風速、和/或其它類型的考慮事項相關。例如，對于給定的氣球可以識別k 個"優(yōu)度"因素。對于每個"優(yōu)度"因素，可以為該給定氣球確定當前"優(yōu)度"得分匕，其中i =1 到 k。
[0127] 一種可能的"優(yōu)度"因素可以是對于更低的高度提供更好的"優(yōu)度"得分的高度因 素。這種類型的"優(yōu)度"因素可反映如下原則：在其它條件相同的情況下，氣球更低比更高 更好，以便獲得與地面的更好RF連接。另一種可能的"優(yōu)度"因素可以是地理位置因素，其 對于在某些期望的地理區(qū)域上方提供更好的"優(yōu)度"得分，和/或對于在某些應當避免的地 理區(qū)域上方提供更低的"優(yōu)度"得分。這種類型的"優(yōu)度"因素可反映如下原則：在其它條 件相同的情況下，在某些地理區(qū)域上方比在其它地理區(qū)域上方更好。例如，在公海上方一般 可與負"優(yōu)度"得分相關聯(lián)。然而，在海洋中的航道上方可與正"優(yōu)度"得分相關聯(lián)。其它 類型的因素也是可能的。
[0128] 除了為給定氣球的k個"優(yōu)度"因素確定k個"優(yōu)度"得分以外，還可以考慮給定氣 球可以采取以便提高這些"優(yōu)度"得分中的一個或多個的各種動作。這樣的動作可包括例 如特定方向上的移動。該移動可以是水平移動（即，地面位置的變化），垂直移動（即，高度 的變化），或者水平和垂直移動的組合。動作也可以是氣球的浮力的調整、翼面（airfoil) (箏帆（kite)、翼（wing)或帆（sail))的調整或者可以影響氣球如何響應于環(huán)境風或在其 自身動力下移動的某種其它類型的調整。
[0129] 給定動作A可提高給定氣球的一個或多個"優(yōu)度"得分。然而，該動作也可不利地 影響該給定氣球的一個或多個其它"優(yōu)度"得分。從而，每個"優(yōu)度"得分h可被認為是動 作A的函數(shù)，使得我們對于給定氣球具有匕(A)，其中i = 1到k。動作A的總體效果可通過 計算作為個體"優(yōu)度"得分的函數(shù)的"總體優(yōu)度"〇來確定：〇 = W(Gi(A)，…，，仏)）。函數(shù)W 可以是確定每個"優(yōu)度"得分如何對"總體優(yōu)度"作貢獻的任何加權函數(shù)。例如，"優(yōu)度"得 分可具有相等的權重，使得"總體優(yōu)度"可以簡單地就是個體"優(yōu)度"得分的總和?；蛘?，一 些"優(yōu)度"得分的權重可比其它的重，或者相對加權可以取決于得分本身。
[0130] 特定動作A對于給定氣球的優(yōu)點（merit)可通過為該給定氣球計算所產生的"總 體優(yōu)度"〇來確定?？梢砸赃@種方式評估各種不同的動作，并且可以將使〇達到最大值的動 作取為期望動作。隨后可以控制給定氣球進行該期望動作。
[0131] 通過基于"優(yōu)度"因素來控制個體氣球，可以實現(xiàn)期望的網絡拓撲。期望的網絡拓 撲在簡單情況下可以是其中氣球維持相等間距的網絡。然而，當考慮除了相對間距以外的 "優(yōu)度"因素時，期望的網絡拓撲可以更復雜。例如，氣球之間的相對間距在一些區(qū)域中可以 比在其它區(qū)域中更高。
[0132] 還可以在不同的時間使用不同的技術來實現(xiàn)期望的網絡拓撲。例如，在典型條件 下可以應用默認的調整技術。然而，可發(fā)展出某些不合需要的條件（例如過度的氣球密 度），對于這些條件可以臨時應用不同種類的調整技術（例如，直到緩和不合需要的條件為 止）。
[0133] 作為一個示例，當特定區(qū)域中的氣球的密度變得不合需要地高時，那個區(qū)域中的 氣球可以以某種方式"抽簽"（任何類型的低概率隨機選擇）以選擇一個或多個氣球離開該 群組。被選氣球可以增大或減小其高度，直到其實現(xiàn)與該群組有意義地不同的速度和方向 為止。被選氣球隨后可維持這個不同的速度和方向達充分的時段，以便"隨機化"氣球的分 布。此時，可以再應用默認的調整技術。這個隨機化技術可用于拆散氣球的群集，其中群集 重形成的概率較低。
[0134] 4.用于實現(xiàn)期望移動的示例方法
[0135] 如上所指出的，通過調整氣球網絡中的個體氣球的位置，可以維持期望的網絡拓 撲。特定目標氣球的位置的調整可涉及確定目標氣球的期望移動（例如，基于勢能函數(shù)） 并且控制目標氣球來實現(xiàn)該期望移動。可以以不同方式來實現(xiàn)目標氣球的期望移動。
[0136] 在一種方案中，可以通過調整目標氣球的高度來實現(xiàn)目標氣球的期望水平移動。 在此，平流層中的風典型地遵循如下的模式：其中，對于約15km到20km之間的高度，風速隨 著高度增大而減小，在約20km到25km之間達到局部最小值，隨后在此之后隨著高度增大而 增大。就目標氣球由于環(huán)境風而移動來說，可以通過增大或減小目標氣球的高度來調整目 標氣球的運動。例如，可以使用高度控制來通過如下方式實現(xiàn)目標氣球的期望水平移動：確 定目標氣球的期望水平移動可通過使目標氣球暴露于特定速度的環(huán)境風來實現(xiàn)，確定在特 定高度很有可能可得到特定速度的環(huán)境風（這個確定可基于預測模型和/或對目標氣球附 近的風的實際測量來作出），并且調整目標氣球的高度來達到該特定高度。
[0137] 高度調整方案可用在被配置用于高度控制的任何氣球中。例如，如上所述，氣球可 包括可改變氣球的氣囊內的氣體的體積和/或密度的可變浮力系統(tǒng)。然而，高度調整方案 一般依賴于環(huán)境風來在期望方向上運載目標氣球。也可使用其它方案來在與環(huán)境風不同的 方向上移動目標氣球。
[0138] 例如，目標氣球可包括可被調整來控制目標氣球的運動方向的翼面，例如箏帆、翼 或帆。具體地，翼面可操作來利用環(huán)境風水平地移動目標氣球，但卻是在可控制的方向上 (至少在某種程度上可控制），這是通過對翼面的適當調整實現(xiàn)的。
[0139] 可替換地，翼面可以是屬于可操作來將目標氣球的垂直運動（垂直運動可通過改 變目標氣球的浮力來生成）轉換成目標氣球的水平運動的類型。這種類型的翼面可用于在 不依賴于環(huán)境風的情況下實現(xiàn)目標氣球的期望移動。這個方案可被想成是使用翼面來將提 升力轉換成推力，這本質上與傳統(tǒng)飛機的工作方式相反（傳統(tǒng)飛機的翼將推力轉換成提升 力）。
[0140] 在一些實施例中，目標氣球可被配置用于動力飛行。例如，目標氣球可包括推進 器、噴氣發(fā)動機或者其它推進機構。取代對環(huán)境風的使用，或者除了對環(huán)境風的使用以外， 這些推進機構可用于實現(xiàn)目標氣球的期望移動。因為其消耗的能量，這種推進機構例如在 可得環(huán)境風不足以提供期望移動時可用作備用。
[0141] 5.用于基于鄰居氣球的相對位置來控制目標氣球的示例方法
[0142] 圖6是圖示出用于基于鄰居氣球的相對位置來控制目標氣球的示例方法600的流 程圖。方法600可利用圖1-5中所示和上述的任何裝置來執(zhí)行。然而，可以使用其它配置。 另外，圖6中對于方法600示出的步驟是關于一個特定實施例的。在其它實施例中，這些步 驟可按不同順序出現(xiàn)，并且可以添加或減除步驟。
[0143] 步驟602涉及確定目標氣球的位置。目標氣球可以是其移動可被控制例如以便實 現(xiàn)氣球網絡中的期望網絡拓撲的任何氣球。為了說明，這個示例假定目標氣球網絡在作為 網狀網絡起作用的高空氣球網絡中。然而，其它類型的氣球網絡是可能的。
[0144] 目標氣球可被配置為如圖3中所示，或者其可被不同地配置。可利用GPS、慣性導 航數(shù)據(jù)、星體跟蹤、雷達或者通過某種其它方法來確定目標氣球的位置。目標氣球的位置可 由目標氣球內的定位系統(tǒng)（例如圖3中所示的定位系統(tǒng)324)來確定?？商鎿Q地，目標氣球 的位置可例如由另外的氣球、由陸基臺站或者由某個其它實體外部確定。
[0145] 步驟604涉及確定相對于目標氣球的所確定位置的一個或多個鄰居氣球的位置。 目標氣球包括可操作用于與一個或多個鄰居氣球中的至少一個的數(shù)據(jù)通信的通信系統(tǒng)。該 通信系統(tǒng)例如可將自由空間光鏈路或RF鏈路用于數(shù)據(jù)通信。
[0146] 可以以各種方式來識別一個或多個鄰居氣球。在一些實施例中，網狀網絡中的作 為目標氣球的最近鄰居的預定數(shù)目的氣球可被識別為一個或多個鄰居氣球。在其它實施 例中，網狀網絡中的在離目標氣球的預定距離內的任何氣球可被識別為一個或多個鄰居氣 球。該預定距離例如可以對應于目標氣球的通信系統(tǒng)的通信范圍。定義網狀網絡中的哪些 氣球是目標氣球的鄰居氣球的其它方式也是可能的。
[0147] 可利用GPS、慣性導航數(shù)據(jù)、星體跟蹤、雷達或者通過某種其它方法來確定一個或 多個鄰居氣球的位置。鄰居氣球的位置可由鄰居氣球自身來確定，或者此位置信息可被發(fā) 送到目標氣球、陸基臺站或者某個其它實體?？商鎿Q地，一個或多個鄰居氣球的位置可由目 標氣球或由陸基臺站確定。用于確定一個或多個鄰居氣球的位置的其它方法也是可能的。
[0148] 步驟606涉及基于相對于目標氣球的所確定位置的一個或多個鄰居氣球的所確 定位置來確定目標氣球的期望移動。目標氣球的期望移動可以是目標氣球的期望位移（例 如到特定位置的位移或者在一定方向上達一定的距離或行進期間的位移）、目標氣球的期 望速度（期望速度可相對于地面、相對于空氣或者相對于另一氣球）、目標氣球的期望速度 變化（目標氣球的當前速度的增大或減小和/或目標氣球的當前運動方向的變化）、目標氣 球的期望加速度、或者目標氣球的任何其它類型的移動。
[0149] 如上所述，可以基于勢能函數(shù)來確定這個期望移動。從而，可以定義勢能函數(shù)來根 據(jù)一個或多個鄰居氣球的所確定位置和目標氣球的所確定位置來向目標氣球賦予勢能?？?確定勢能函數(shù)的梯度，并且可基于勢能函數(shù)的梯度來確定目標氣球的期望移動。具體地，期 望移動的方向可基于梯度的方向，并且期望移動的幅值可基于梯度的幅值。
[0150] 步驟608涉及基于目標氣球的期望移動來控制目標氣球。在一些實施例中，目標 氣球可利用目標氣球自身收集的數(shù)據(jù)或通過其通信系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)自主地控制自身來實 現(xiàn)期望移動。在其它實施例中，目標氣球可由另一氣球、由陸基臺站或者由某個其它實體遠 程控制。
[0151] 在一些實施例中，目標氣球的期望移動可包括期望的水平移動（即，與地面大體 平行的移動）。目標氣球的期望水平移動可以以各種方式來實現(xiàn)。
[0152] 在一種方案中，可以控制目標氣球的高度以便實現(xiàn)目標氣球的期望水平移動。這 種方案利用了平流層中典型的風速隨著高度的變化。例如，可以調整目標氣球的浮力以達 到特定高度，在這個特定高度處，預期環(huán)境風可產生目標氣球的期望水平移動。在一些實施 例中，目標氣球可使用其自己的預測模型和/或關于風速的實際數(shù)據(jù)?？商鎿Q地，目標氣球 可接收來自其它氣球、陸基臺站和/或其它實體的風數(shù)據(jù)或風預測。
[0153] 在另一種方案中，目標氣球可包括可使用環(huán)境風來實現(xiàn)目標氣球的期望水平移動 的翼面，例如箏帆、翼或帆。例如，翼面可以是可控制的以實現(xiàn)期望的移動方向。
[0154] 在另外一種方案中，目標氣球可包括可操作來將目標氣球的垂直運動轉換成目標 氣球的期望水平移動的翼面。目標氣球的垂直運動可通過改變目標氣球的浮力來生成。
[0155] 在又一種方案中，目標氣球可包括推進機構，例如推進器或噴氣式發(fā)動機。目標氣 球可控制推進機構以便實現(xiàn)期望的水平移動。
[0156] 要理解，可以反復執(zhí)行圖6中所示的方法600,以便基于變化的條件來調整目標氣 球的位置。在一些實施例中，可周期性地，例如每秒、每分或每小時執(zhí)行方法600。在其它 實施例中，可響應于觸發(fā)事件而執(zhí)行方法600。例如，目標氣球可響應于接收到來自另一氣 球、陸基臺站或某個其它實體的指令而執(zhí)行該方法。
[0157] 還要理解，可以執(zhí)行圖6中所示的方法600以便調整氣球網絡中的多個氣球的位 置?？蓪γ總€氣球獨立執(zhí)行該方法?？商鎿Q地，可以在氣球中或者在陸基臺站中的中央控 制器可以以協(xié)同方式對多個氣球執(zhí)行該方法。不管怎樣，都可以相對于彼此調整氣球網絡 中的氣球的位置以便維持期望的網絡拓撲。
[0158] 6.非暫態(tài)計算機可讀介質
[0159] 上述和圖1-圖6中圖示出的功能中的一些或全部可由計算設備響應于非暫態(tài)計 算機可讀介質中存儲的指令的運行而執(zhí)行。非暫態(tài)計算機可讀介質可例如是隨機訪問存儲 器（random access memory，RAM)、只讀存儲器（read-only memory，ROM)、快閃存儲器、高速 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)計算機可讀介質也可分布在多個數(shù)據(jù)存儲元件之間，所述數(shù)據(jù)存儲元件 的位置可彼此遠離。運行存儲的指令的計算設備可以是氣球中的計算設備，例如與圖3中 所圖示的處理器312相對應的計算設備?？商鎿Q地，運行存儲的指令的計算設備可以在另 一實體中，例如在陸基臺站中。
[0160] 結論
[0161] 以上詳細描述參考附圖描述了公開的系統(tǒng)、設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施例，但本領域技術人員將清楚其它方面和實施例。本文公開 的各種方面和實施例是用于說明的，而并不打算進行限定，真實的范圍和精神由權利要求 指示。
【權利要求】
1. 一種方法，包括： 確定目標氣球的位置； 確定相對于所述目標氣球的所確定位置的一個或多個鄰居氣球的位置，其中所述目標 氣球包括可操作用于與所述一個或多個鄰居氣球中的至少一個的數(shù)據(jù)通信的通信系統(tǒng)； 基于相對于所述目標氣球的所確定位置的所述一個或多個鄰居氣球的所確定位置來 確定所述目標氣球的期望移動；以及 基于所述目標氣球的期望移動來控制所述目標氣球。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述目標氣球的期望移動包括所述目標氣球的期 望水平移動，并且其中，基于所述目標氣球的期望移動來控制所述目標氣球包括基于所述 目標氣球的期望水平移動來控制所述目標氣球的高度。
3. 如權利要求2所述的方法，其中，基于所述目標氣球的期望水平移動來控制所述目 標氣球的高度包括： 確定所述目標氣球的期望水平移動能夠通過使所述目標氣球暴露于特定速度的環(huán)境 風來實現(xiàn)； 確定在特定高度很有可能可得到所述特定速度的環(huán)境風；以及 調整所述目標氣球的高度以達到所述特定高度。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，所述目標氣球和一個或多個鄰居氣球是高空氣球。
5. 如權利要求1所述的方法，其中，所述目標氣球和一個或多個鄰居氣球是氣球的網 狀網絡的一部分。
6. 如權利要求5所述的方法，還包括： 識別所述一個或多個鄰居氣球。
7. 如權利要求6所述的方法，其中，識別所述一個或多個鄰居氣球包括將所述網狀網 絡中的預定數(shù)目的最近氣球識別為所述一個或多個鄰居氣球。
8. 如權利要求6所述的方法，其中，識別所述多個鄰居氣球包括將所述網狀網絡中的 在離所述目標氣球的預定距離內的任何氣球識別為所述一個或多個鄰居氣球。
9. 如權利要求6所述的方法，其中，識別所述多個鄰居氣球包括將所述網狀網絡中的 在所述目標氣球的通信系統(tǒng)的通信范圍內的任何氣球識別為所述一個或多個鄰居氣球。
10. 如權利要求1所述的方法，其中，基于相對于所述目標氣球的所確定位置的一個或 多個鄰居氣球的所確定位置來確定所述目標氣球的期望移動包括： 定義根據(jù)所述一個或多個鄰居氣球的所確定位置和所述目標氣球的所確定位置來向 所述目標氣球賦予勢能的勢能函數(shù)； 確定所述勢能函數(shù)的梯度；以及 基于所述勢能函數(shù)的梯度來確定所述目標氣球的期望移動。
11. 如權利要求10所述的方法，其中，基于所述梯度來確定所述目標氣球的期望移動 包括： 確定所述梯度的方向；以及 基于所述梯度的方向來確定所述目標氣球的期望移動的方向。
12. 如權利要求10所述的方法，其中，基于所述梯度來確定所述目標氣球的期望移動 包括： 確定所述梯度的幅值；以及 基于所述梯度的幅值來確定所述目標氣球的期望移動的幅值。
13. 如權利要求1所述的方法，其中，所述目標氣球的期望移動包括期望的移動方向。
14. 如權利要求1所述的方法，其中，所述目標氣球的期望移動包括期望的速度。
15. 如權利要求1所述的方法，其中，所述目標氣球的期望移動包括期望方向上的期望 行進距離。
16. 如權利要求1所述的方法，其中，所述通信系統(tǒng)包括自由空間光通信系統(tǒng)。
17. 如權利要求1所述的方法，其中，所述通信系統(tǒng)包括射頻（RF)通信系統(tǒng)。
18. 如權利要求1所述的方法，其中，所述目標氣球包括翼面。
19. 如權利要求18所述的方法，其中，所述翼面包括箏帆、翼或帆。
20. 如權利要求18所述的方法，其中，基于所述目標氣球的期望移動來控制所述目標 氣球包括控制所述翼面以實現(xiàn)所述目標氣球的期望移動。
21. 如權利要求18所述的方法，其中，所述翼面可操作來利用環(huán)境風水平地移動所述 目標氣球。
22. 如權利要求18所述的方法，其中，所述翼面可操作來將所述目標氣球的垂直動作 轉換成所述目標氣球的水平動作，并且其中，基于所述目標氣球的期望移動來控制所述目 標氣球包括控制所述目標氣球的浮力。
23. -種非暫態(tài)計算機可讀介質，其中存儲有指令，所述指令可被計算設備運行來使得 該計算設備執(zhí)行功能，所述功能包括： 確定目標氣球的位置； 確定相對于所述目標氣球的所確定位置的一個或多個鄰居氣球的位置； 基于相對于所述目標氣球的所確定位置的所述一個或多個鄰居氣球的所確定位置來 確定所述目標氣球的期望移動；以及 基于所述目標氣球的期望移動來控制所述目標氣球。
24. 如權利要求23所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述目標氣球包括通信系統(tǒng)， 該通信系統(tǒng)可操作用于與氣球的網狀網絡中的一個或多個其它氣球的數(shù)據(jù)通信，并且其 中，所述功能還包括將所述氣球的網狀網絡中的多個氣球識別為所述多個鄰居氣球。
25. 如權利要求23所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，基于所述目標氣球的期望移 動來控制所述目標氣球包括控制所述目標氣球的高度。
26. -種氣球，包括： 通信系統(tǒng)，可操作用于與氣球的網狀網絡中的一個或多個其它氣球的數(shù)據(jù)通信；以及 耦合到所述通信系統(tǒng)的控制器，其中所述控制器被配置為： (a) 確定所述氣球的位置； (b) 確定相對于所述氣球的所確定位置的一個或多個鄰居氣球的位置，其中所述一個 或多個鄰居氣球在所述氣球的網狀網絡中；以及 (c) 基于相對于所述氣球的所確定位置的所述一個或多個鄰居氣球的所確定位置來確 定所述氣球的期望移動。
27. 如權利要求26所述的氣球，其中，所述氣球的期望移動包括所述氣球的期望水平 移動。
28. 如權利要求27所述的氣球，還包括： 高度控制系統(tǒng)，其可操作來調整所述氣球的高度， 其中，所述控制器被配置為基于所述氣球的期望水平移動來控制所述高度控制系統(tǒng)。
29. 如權利要求27所述的氣球，還包括： 翼面，其可操作來水平地移動所述氣球， 其中，所述控制器被配置為基于所述氣球的期望水平移動來控制所述翼面。
30. 如權利要求26所述的氣球，其中，所述控制器被配置為利用基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng) 來確定所述氣球的位置。
31. 如權利要求26所述的氣球，其中，所述控制器被配置為基于通過所述通信系統(tǒng)接 收的信息來確定所述一個或多個鄰居氣球的位置。
32. -種方法，包括： 對于高空氣球網絡中的給定氣球識別多個優(yōu)度因素； 對于所述給定氣球確定多個優(yōu)度得分，其中每個優(yōu)度得分與所述多個優(yōu)度因素中的相 應優(yōu)度因素相關； 確定作為所述給定氣球的所述多個優(yōu)度得分的函數(shù)的所述給定氣球的當前總體優(yōu) 度； 識別所述給定氣球能夠采取的多個動作； 對于每個動作，確定由該動作導致的相應總體優(yōu)度； 從所述多個動作之中選擇導致的總體優(yōu)度高于所述當前總體優(yōu)度的動作；以及 控制所述給定氣球進行所選動作。
33. 如權利要求32所述的方法，其中，所述多個優(yōu)度因素包括與所述給定氣球與所述 高空氣球網絡中的鄰居氣球之間的距離相關的至少一個優(yōu)度因素。
34. 如權利要求32所述的方法，其中，所述多個優(yōu)度因素包括與所述給定氣球的地面 位置相關的至少一個優(yōu)度因素。
35. 如權利要求32所述的方法，其中，所述多個優(yōu)度因素包括與所述給定氣球的高度 相關的至少一個優(yōu)度因素。
36. 如權利要求32所述的方法，其中，所述所選動作包括所述給定氣球的移動。
37. 如權利要求36所述的方法，其中，所述給定氣球的移動包括所述給定氣球在水平 方向上的移動。
38. 如權利要求36所述的方法，其中，所述給定氣球的移動包括所述給定氣球在垂直 方向上的移動。
39. 如權利要求32所述的方法，其中，所述所選動作在所述多個動作之中導致最高的 總體優(yōu)度。
40. -種非暫態(tài)計算機可讀介質，其中存儲有指令，所述指令可被計算設備執(zhí)行來使得 該計算設備執(zhí)行功能，所述功能包括： 對于高空氣球網絡中的給定氣球識別多個優(yōu)度因素； 對于所述給定氣球確定多個優(yōu)度得分，其中每個優(yōu)度得分與所述多個優(yōu)度因素中的相 應優(yōu)度因素相關； 確定作為所述給定氣球的所述多個優(yōu)度得分的函數(shù)的所述給定氣球的當前總體優(yōu) 度； 識別所述給定氣球能夠采取的多個動作； 對于每個動作，確定由該動作導致的相應總體優(yōu)度； 從所述多個動作之中選擇導致了高于所述當前總體優(yōu)度的總體優(yōu)度的動作；以及 控制所述給定氣球進行所選動作。
41. 如權利要求40所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述多個優(yōu)度因素包括與所 述給定氣球與所述高空氣球網絡中的鄰居氣球之間的距離相關的至少一個優(yōu)度因素。
42. 如權利要求40所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述多個優(yōu)度因素包括與所 述給定氣球的地面位置相關的至少一個優(yōu)度因素。
43. 如權利要求40所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述多個優(yōu)度因素包括與所 述給定氣球的高度相關的至少一個優(yōu)度因素。
44. 如權利要求40所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述所選動作包括所述給定 氣球的移動。
45. 如權利要求44所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述給定氣球的移動包括所 述給定氣球在水平方向上的移動。
46. 如權利要求44所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述給定氣球的移動包括所 述給定氣球在垂直方向上的移動。
47. 如權利要求40所述的非暫態(tài)計算機可讀介質，其中，所述所選動作在所述多個動 作之中導致最高的總體優(yōu)度。
【文檔編號】G05D1/10GK104160350SQ201380013013
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年1月7日 優(yōu)先權日:2012年1月9日
【發(fā)明者】R.W.德沃爾, E.特勒, C.L.比弗爾, J.韋弗, D.皮波尼 申請人:谷歌公司