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一种气球包括下切设备、有效载荷和气囊。控制系统可被配置为确定气球相对于预定区域的位置。下切设备可操作来响应于确定气球的位置在预定区域内而使得至少有效载荷着陆。该预定区域包括禁止区和阴影区。阴影区可包括如下的位置：基于例如历史天气模式或者预期环境状况，气球有可能会从这些位置漂移到禁止区中。可基于例如气球进入禁止区的概率来确定阴影区的边界。

权利要求书1.  一种方法，包括： 确定气球相对于预定区域的位置，其中所述预定区域包括禁止区和阴影 区，其中所述气球包括下切设备、有效载荷和气囊；以及 响应于确定所述气球的位置在所述预定区域内，利用所述下切设备使得 至少所述有效载荷着陆。 2.  如权利要求1所述的方法，其中，使得至少所述有效载荷着陆包括使 所述有效载荷与所述气囊分离。 3.  如权利要求1所述的方法，其中，使得至少所述有效载荷着陆包括减 小所述气囊的浮力。 4.  如权利要求3所述的方法，其中，减小所述气囊的浮力包括向所述气 囊添加压载物。 5.  如权利要求3所述的方法，其中，所述气囊包含提升气体，并且其中， 减小所述气囊的浮力包括排出所述提升气体的至少一部分。 6.  如权利要求1所述的方法，其中，确定所述气球相对于所述预定区域 的位置包括利用以下各项中的至少一者：全球定位系统(GPS)、惯性导航系 统(INS)以及至少所述预定区域的地图。 7.  如权利要求1所述的方法，其中，所述禁止区包括以下各项中的至少 一者：限制空域、限制区域、空域的围闭体积、最大高度以及最小高度。 8.  如权利要求1所述的方法，其中，所述阴影区包括如下区域：基于预 期环境状况，所述气球从该区域进入所述禁止区的可能性大于预定可能性。 9.  如权利要求1所述的方法，还包括：响应于确定所述气球的位置在所 述预定区域内而使得至少一个降落伞开伞，其中所述至少一个降落伞耦合到 所述有效载荷。 10.  如权利要求9所述的方法，还包括：在所述至少一个降落伞开伞后， 在回收区域中回收所述有效载荷。 11.  如权利要求2所述的方法，其中，所述气球还包括绳索和邻近所述 绳索的金属线，其中所述绳索机械地连接到所述气囊和所述有效载荷，其中 所述金属线被配置为响应于来自所述下切设备的电信号而发出热量，其中所 述绳索被配置为响应于发出的热量而断开。 12.  如权利要求11所述的方法，其中，所述金属线包括镍铬合金材料。 13.  一种气球，包括： 气囊； 有效载荷； 下切设备，被配置为使得至少所述有效载荷着陆；以及 控制系统，被配置为：i)确定所述气球相对于预定区域的位置，其中所 述预定区域包括禁止区和阴影区；以及ii)响应于确定所述气球的位置在所 述预定区域内，使得所述下切设备使至少所述有效载荷着陆。 14.  如权利要求13所述的气球，其中，所述下切设备还被配置为使所述 有效载荷与所述气囊分离。 15.  如权利要求13所述的气球，其中，所述控制系统还被配置为减小所 述气囊的浮力。 16.  如权利要求15所述的气球，其中，所述控制系统还被配置为向所述 气囊添加压载物以便减小所述气囊的浮力。 17.  如权利要求15所述的气球，其中，所述气囊包含提升气体，其中所 述控制系统还被配置为排出所述提升气体的至少一部分以便减小所述气囊的 浮力。 18.  如权利要求13所述的气球，其中，所述控制系统被配置为利用以下 各项中的至少一者来确定所述气球相对于所述预定区域的位置：全球定位系 统(GPS)、惯性导航系统(INS)以及至少所述预定区域的地图。 19.  如权利要求13所述的气球，其中，所述禁止区包括以下各项中的至 少一者：限制空域、限制区域、空域的围闭体积、最大高度以及最小高度。 20.  如权利要求13所述的气球，其中，所述阴影区包括如下区域：基于 预期环境状况，所述气球从该区域进入所述禁止区的可能性大于预定可能性。 21.  如权利要求14所述的气球，还包括绳索和邻近所述绳索的金属线， 其中所述绳索机械地连接到所述气囊和所述有效载荷，其中所述金属线被配 置为响应于来自所述下切设备的电信号而发出热量，其中所述绳索被配置为 响应于发出的热量而断开。 22.  如权利要求21所述的气球，其中，所述金属线包括镍铬合金材料。 23.  如权利要求13所述的气球，还包括耦合到所述有效载荷的至少一个 降落伞，其中所述至少一个降落伞被配置为响应于确定所述气球的位置在所 述预定区域内而开伞。 24.  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 机系统执行来使得该计算机系统执行功能，所述功能包括： 确定气球相对于预定区域的位置，其中所述预定区域包括禁止区和阴影 区，其中所述气球包括下切设备、有效载荷和气囊；以及 响应于确定所述气球的位置在所述预定区域内，利用所述下切设备使得 至少所述有效载荷着陆。 25.  如权利要求24所述的非暂态计算机可读介质，其中，确定所述气球 相对于所述预定区域的位置包括利用以下各项中的至少一者：全球定位系统 (GPS)、惯性导航系统(INS)以及至少所述预定区域的地图。 26.  如权利要求24所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述禁止区包 括以下各项中的至少一者：限制空域、限制区域、空域的围闭体积、最大高 度以及最小高度。 27.  如权利要求24所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述阴影区包 括如下区域：基于预期环境状况，所述气球从该区域进入所述禁止区的可能 性大于预定可能性。 28.  如权利要求24所述的非暂态计算机可读介质，其中，所述功能还包 括：响应于确定所述气球的位置在所述预定区域内而使得至少一个降落伞开 伞，其中所述至少一个降落伞耦合到所述有效载荷。 29.  一种方法，包括： 确定气球的状况，其中所述气球包括下切设备、有效载荷和气囊；以及 响应于确定所述气球的状况与多个预定状况中的至少一个匹配而利用所 述下切设备使得至少所述有效载荷着陆。 30.  如权利要求29所述的方法，其中，所述多个预定状况包括以下各项 中的至少一者：硬件故障、软件故障、电池电量低、所述气球位于预定区域 内、以及所述气球的位置的不确定。

说明书地理围栏
背景技术
除非本文另外指出，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。
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样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得的，或 者如果可得，则是不可靠的和/或成本高昂的。因此，希望有额外的网络基础 设施。
发明内容
在第一方面中，提供了一种方法。该方法包括确定气球相对于预定区域 的位置。该预定区域包括禁止区和阴影区。气球包括下切设备、有效载荷和 气囊。该方法还包括响应于确定气球的位置在预定区域内而利用下切设备使 得至少有效载荷着陆。
在第二方面中，提供了一种气球。该气球包括气囊、有效载荷、下切设 备和控制系统。下切设备被配置为使得至少有效载荷着陆。控制系统被配置 为：i)确定气球相对于预定区域的位置，该预定区域包括禁止区和阴影区； 以及ii)响应于确定气球的位置在预定区域内，使得下切设备使至少有效载 荷着陆。
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。这些 指令可被计算设备执行来使得该计算设备执行功能。这些功能包括确定气球 相对于预定区域的位置。该预定区域包括禁止区和阴影区。气球包括下切设 备、有效载荷和气囊。这些功能还包括响应于确定气球的位置在预定区域内 而利用下切设备使得至少有效载荷着陆。
在第四方面中，提供了一种方法。该方法包括确定气球的状况。气球包 括下切设备、有效载荷和气囊。该方法还包括响应于确定气球的状况与多个 预定状况中的至少一者匹配而利用下切设备使得至少有效载荷着陆。
通过酌情参考附图阅读以下详细描述，本领域普通技术人员将清楚这些 以及其它方面、优点和替换方案。
附图说明
图1是根据示例实施例图示出气球网络的简化框图。
图2是根据示例实施例图示出气球网络控制系统的框图。
图3是根据示例实施例图示出高空气球的简化框图。
图4是根据示例实施例图示出包括超节点和子节点的气球网络的简化框 图。
图5A根据示例实施例图示了在第一时间的气球操作场景的俯视图。
图5B根据示例实施例图示了在第一时间的气球操作场景的正视图。
图5C根据示例实施例图示了在第二时间的气球操作场景的正视图。
图5D根据示例实施例图示了气球操作场景的正视图。
图6A是根据示例实施例图示出方法的流程图。
图6B是根据示例实施例图示出方法的流程图。
图7是根据示例实施例的计算机程序产品的示意图。
具体实施方式
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 要被解释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，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，所有这些在本文都已被设想到。
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示出的每种元素。另外，一些图示的 元素可被组合或省略。此外，示例实施例可包括附图中没有图示的元素。
1.概述
本文公开的示例实施例涉及确定气球(balloon)相对于包括禁止区 (exclusion zone)和阴影区(shadow zone)的预定区域的位置。气球包括下 切设备(cut-down device)、有效载荷(payload)和气囊(envelope)。示例实 施例还涉及响应于确定气球的位置在预定区域内而利用下切设备使得至少有 效载荷着陆。
例如，可以使用方法和装置来通过基于气球的位置使得气球的至少有效 载荷着陆来防止高空气球网络中的气球进入一定的空域。例如，下切设备可 以在气球到达预定的“地理围栏(geo-fence)”或者预定的区域时使得至少有 效载荷着陆。地理围栏可以包括或不包括垂直界限。例如，一个区域可包括 特定国家上方的任何空域，而另一区域可以只包括特定机场的10公里内并且 在60,000英尺以下的空域。地理围栏可以围闭一地理区域或任何其它类型的 限制空域，其可被称为禁止区。可替换地或额外地，地理围栏可以既包括禁 止区又包括禁止区周围的阴影区。阴影区可包括如下的位置：基于例如历史 天气模式或者预期环境状况，气球有可能会从这些位置漂移到禁止区中。可 基于例如气球进入禁止区的概率来确定阴影区。例如，阴影区可超出禁止区 的边界延伸到如下位置：在这些位置，与阴影区外的其它位置相比，风的模 式使得气球进入禁止区的可能性比预定的可能性更大。可基于有效载荷在下 切事件之后将会进入禁止区的概率来确定阴影区。例如，阴影区可包括如下 这些区域的并集：在没有下切的情况下气球将进入禁止区的概率高于第一阈 值概率的区域，和在下切之后有效载荷将在禁止区中着陆的概率高于第二阈 值概率的区域。额外地或可替换地，阴影区的边界可基于气球的状况。例如， 硬件和/或软件故障(例如，降落伞开伞系统未工作)可使得阴影区的边界被 调整。阴影区的边界也可基于气球从禁止区操控或被操控离开的能力。例如， 具有水平或垂直地调整其位置的能力的气球的阴影区可包含如下这些区域： 从这些区域中，无论进行任何转向离开的尝试，气球都一定会进入禁止区的 概率大于阈值概率。另外，阴影区可基于别处的状况。例如，控制空域的国 家可给予气球进入其空域的许可。可相应地调整阴影区和/或禁止区。另外， 禁止区或阴影区可基于气球的类型。例如，可以将空域限制为只允许小于一 定大小的气球，或者只允许包括或不包括一定能力的气球。
本文公开的方法可以部分或完全由高空气球网络中的一个或多个气球来 执行。例如，高空气球网络中的气球可确定其相对应于预定区域的位置。该 预定区域可包括禁止区(例如，可禁止气球进入的区域)，和阴影区(例如， 基于预期环境状况和这种预期环境状况影响气球的位置的预期能力，气球进 入禁止区的可能性大于预定可能性的区域)。气球可利用例如以下各项中的至 少一者来确定其相对于预定区域的位置：全球定位系统(global positioning  system，GPS)、惯性导航系统(inertial navigation system，INS)和至少该预 定区域的地图。
可利用各种方法来确定预期环境状况。例如，可基于来自气球上的传感 器(例如，空速传感器、气压传感器等等)的传感器数据来确定预期环境状 况。在其它实施例中，可基于来自不在气球上的传感器(例如，其它气球上 的传感器、卫星影像等等)的信息来确定预期环境状况。在另外的实施例中， 可基于大气模型来确定预期环境状况。在其它实施例中，可基于风速和风向 的历史记录来确定预期环境状况。可至少基于预期环境状况和禁止区的边界 的组合来确定阴影区的边界。
在确定气球在该预定区域内后，该方法可包括气球使得下切设备使至少 有效载荷着陆。在一些实施例中，气囊可以与有效载荷物理地分离。在其它 实施例中，可以添加压载物(ballast)和/或可以从气囊中排出提升气体来减 小气囊的浮力。使得至少有效载荷着陆的其它手段是可能的。
本文公开的其它方法可部分或完全由服务器和/或服务器网络来执行。在 示例实施例中，气球相对于预定区域的位置可由服务器网络确定。服务器网 络可接收关于气球的预期环境状况的信息并且至少基于预期环境状况和禁止 区的边界来确定阴影区的边界。服务器网络可操作来响应于确定气球的位置 在预定区域内而(例如，通过向气球发送控制指令)使得下切设备使至少有 效载荷着陆。
高空气球网络中的一个或多个气球与服务器之间的其它交互在本公开的 上下文内是可能的。
在本公开中还描述了示例气球。示例气球可包括气囊、有效载荷、下切 设备和控制系统。下切设备可被配置为使得至少有效载荷着陆。控制系统可 被配置为：i)确定气球相对于预定区域的位置；以及ii)响应于确定气球的 位置在该预定区域内而使得下切设备使至少有效载荷着陆。该预定区域可包 括禁止区和阴影区。气球可以是高空气球网络中的气球。
在一些实施例中，下切设备可包括绳索和邻近该绳索的金属线。绳索机 械地连接到气囊和有效载荷。金属线(例如，镍铬合金线)可操作来响应于 来自下切设备的电信号而加热。绳索可被配置为响应于从金属线发出的热量 而断开。在其它实施例中，下切设备可操作来使得气囊放气(例如，从气囊 中排出提升气体)和/或接受更多压载物(经由泵)以使得有效载荷和气囊的 一部分或全部下降到地面。
将会理解，气球可包括比本文公开的那些更多或更少的元素。另外，在 本公开的上下文内，气球的元素可被配置为和/或可操作来执行更多或更少的 功能。
在一些实施例中，气球的每个元素可被包含到高空气球网络中的至少一 个气球中。在其它实施例中，一些或全部元素可包括如下系统：该系统的元 素的位置可与本文公开的其它元素分离。从而，系统可以以分布式方式操作。
本文还公开了存储有指令的非暂态计算机可读介质。这些指令可由计算 设备执行来使得计算设备执行与前述方法中描述的那些类似的功能。
本领域技术人员将会理解，可以使用许多不同的具体方法和系统来确定 气球相对于包括禁止区和阴影区的预定区域的位置，并且响应于确定气球的 位置在该预定区域内而利用下切设备使得气球的至少有效载荷着陆。这些具 体方法和系统中的每一个在本文已被设想到，并且若干个示例实施例在下文 描述。
2.示例系统
图1是根据示例实施例图示出气球网络100的简化框图。如图所示，气 球网络100包括气球102A至102F，这些气球被配置为经由自由空间光链路 104与彼此通信。气球102A至102F可以额外地或可替换地被配置为经由RF 链路114与彼此通信。气球102A至102F可以共同充当用于封包数据通信的 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112RF通信。另外，一些气球，诸如气球102F， 可被配置为经由光链路110与陆基台站112通信。
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 可大体上被配置为在具有相对较低的风速(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。
更具体而言，在高空气球网络中，气球102A至102F可大体上被配置为 在18km到25km之间的高度操作(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18 km到25km之间的风可随着纬度并根据季节而变化，但可以以相当精确的方 式对这些变化建模。额外地，18km以上的高度通常超过了为商业空中交通 指定的最大飞行高度。因此，当气球被部署在18km到25km之间时，对商 业班机的干扰不是要担心的问题。
为了向另一气球发送数据，给定的气球102A至102F可被配置为经由光 链路104发送光信号。在示例实施例中，给定的气球102A至102F可使用一 个或多个高功率发光二极管(light-emitting diode，LED)来发送光信号。可 替换地，气球102A至102F中的一些或全部可包括激光系统，用于通过光链 路104的自由空间光通信。其它类型的自由空间光通信是可能的。另外，为 了经由光链路104从另一气球接收光信号，给定的气球102A至102F可包括 一个或多个光学接收器。示例气球的额外细节在下文参考图3更详细论述。
在另一方面中，气球102A至102F可利用各种不同的RF空中接口协议 中的一种或多种来经由相应的RF链路108与陆基台站106和112通信。例如， 气球102A至102F中的一些或全部可被配置为利用IEEE 802.11(包括IEEE 802.11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。
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。
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可操作以用于经由光链路104与其 它气球的光通信。然而，下行链路气球102F也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)。
注意，在一些实现方式中，下行链路气球102F可额外地操作用于与陆基 台站106的RF通信。在其它情况下，下行链路气球102F可以只将光链路用 于气球到地面的通信。另外，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。
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 系统以外，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。
陆基台站，诸如陆基台站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，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来 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 它作用。
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 是可能的。
另外，一些陆基台站，诸如陆基台站106和112，可被配置为气球网络 100与一个或多个其它网络之间的网关。这样的陆基台站106和112从而可 用作气球网络与因特网、蜂窝服务提供商的网络和/或其它类型的网络之间的 接口。关于这个配置以及陆基台站106和112的其它配置的变化也是可能的。
2a)网状网络功能
如所指明的，气球102A至102F可共同充当网状网络。更具体而言，因 为气球102A至102F可利用自由空间光链路与彼此通信，所以这些气球可共 同充当自由空间光学网状网络。
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。这些光链路对于源气球和目的地气球之间的连接可被统称为“光 路(lightpath)”。另外，每个光链路可被称为光路上的“跳(hop)”。
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 源气球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 时被解除。另外，当使用自适应路由时，可依据气球网络的当前状态、过去 状态和/或预测状态来动态地确定光路。
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。
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，在具有光学交换的透 明配置中，信号行经完全光学化的多跳光路。
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，OEO)交换。例如，一些或全部气球可包括用于 光信号的OEO转换的光学交叉连接(optical cross-connect，OXC)。其它不透 明配置也是可能的。额外地，包括既具有透明片段也具有不透明片段的路由 路径的网络配置是可能的。
在另一方面中，示例气球网络100中的气球可实现波分复用(wavelength  division multiplexing，WDM)，这可帮助增大链路容量。当以透明交换实现 WDM时，穿过气球网络的物理光路可受到“波长连续性约束”。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。
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OEO交换系统。结果，气球可在沿 着光路的每一跳处转换光信号的波长。可替换地，光学波长转换可仅在沿着 光路的选定跳处发生。
另外，在不透明配置中可采用各种路由算法。例如，为了为给定的连接 确定主光路和/或一个或多个不同的备用光路，示例气球可应用或考虑最短路 径路由技术，诸如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，诸如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。
2b)台站保持功能
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，则确定如何移动到期 望位置。
期望拓扑可依据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。在这样的情况下，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(或者在一定距离范围内)。
在其它情况下，气球网络100可具有非均一拓扑。例如，示例实施例可 涉及如下的拓扑：在这些拓扑中，由于各种原因，气球在某些区域中分布得 更密集或更不密集。作为示例，为了帮助满足城市区域中典型的更高带宽需 求，气球在城市区域上方可更密集地群集。由于类似的原因，气球的分布在 陆地上方可以比在大水体上方更密集。非均一拓扑的许多其它示例是可能的。
在另一方面中，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。
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。
2c)对气球网络中的气球的控制
在一些实施例中，网状联网和/或台站保持功能可以是集中式的。例如， 图2是根据示例实施例图示出气球网络控制系统的框图。具体地，图2示出 了分布式控制系统，其包括中央控制系统200和数个区域控制系统202A至 202C。这种控制系统可被配置为为气球网络204协调某些功能，并且因此可 被配置为为气球206A至206I控制和/或协调某些功能。
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206I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206I与中央控制系统200之间中继通信和/或数据。
为了促进中央控制系统200与气球206A至206I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206I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208、210和212与气球206A、206F和206I分别通信。
在图示的配置中，气球206A至206I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206I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，诸如气球206B至206E、206G和206H。 然而，应当理解，在一些实现方式中，有可能所有气球都可充当下行链路气 球。另外，虽然图2示出了多个气球被配置为下行链路气球，但也有可能气 球网络只包括一个下行链路气球，或者可能甚至不包括下行链路气球。
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，诸如图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。
在集中式控制布置中，诸如图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206I可向中央控制系统200发送某些状态信息， 中央控制系统200可利用这些状态信息来确定气球网络204的状态。来自给 定气球的状态信息可包括位置数据、光链路信息(例如，气球与之建立光链 路的其它气球的身份、链路的带宽、链路上的波长使用和/或可用性，等等)、 气球收集的风数据、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206I中的一些或全部的状态信息以便确定网络的整体状态。
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，诸如为连 接确定光路。例如，中央控制系统200可基于来自气球206A至206I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)。
在另一方面中，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206I接收的状态信息输入到能量函数，该能量函数可 有效地将网络的当前拓扑与期望的拓扑进行比较，并且提供为每个气球指示 移动的方向的向量(如果有移动的话)，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。
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可以是有用的。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可以是有用的。
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。
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。
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为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。
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。
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d1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，并且力的幅值与 di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。
可替换地，这个过程可指派这些虚拟力中的每一个的力幅值等于di× di，其中di例如与到第二近的邻居气球的距离成比例。为网状网络中的各个 气球指派力幅值的其它算法是可能的。
在另一实施例中，可以为k个气球中的每一个执行类似的过程，并且每 个气球可将其计划的移动向量发送到其本地邻居。对每个气球的计划移动向 量的更多轮精细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 术人员将显而易见的是，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。
2d)示例气球配置
在示例气球网络中可包含各种类型的气球系统。如上所指明的，示例实 施例可利用高空气球，这些高空气球通常可在18km到25km之间的高度范 围中操作。图3根据示例实施例示出了高空气球300。如图所示，气球300 包括气囊302、套罩(skirt)304、有效载荷306和附接于气球302与有效载 荷306之间的下切设备308。
气囊302和套罩304可采取可以是当前公知或尚待开发的各种形式。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)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。另外，气囊302和套罩304的形状和大小可依据 特定的实现方式而有所不同。额外地，气囊302可被填充以各种不同类型的 气体，诸如氦气和/或氢气。其它类型的气体也是可能的。
气球300的有效载荷306可包括处理器313和机载数据存储装置，诸如 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，这些指令可被 处理器313访问并执行以便执行本文描述的气球功能。从而，处理器313与 存储器314中存储的指令和/或其它组件相结合可充当计算机系统312并且进 一步充当气球300的控制器。
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。
有效载荷306还可包括电源326来向气球300的各种组件供应电力。电 源326可包括可再充电电池。在其它实施例中，电源326可以额外地或可替 换地代表本领域中已知的用于产生电力的其它手段。此外，气球300可包括 太阳能电力生成系统327。太阳能电力生成系统327可包括太阳能电池板并 且可用于生成对电源326充电和/或被电源326配送的电力。
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)。
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。
有效载荷306内的组件和系统中的一些或全部可在无线电探空仪 (radiosonde)或其它探测器中实现，该无线电探空仪或其它探测器可操作来 测量例如压力、高度、地理位置(纬度和经度)、温度、相对湿度和/或风速 和/或风向以及其它信息。
如所指明的，气球300包括超亮LED系统320，用于与其它气球的自由 空间光通信。这样，光通信系统316可被配置为通过调制超亮LED系统320 来发送自由空间光信号。光通信系统316可实现有机械系统和/或硬件、固件 和/或软件。一般地，实现光通信系统的方式可依据具体应用而有所不同。光 通信系统316和其它关联组件在下文更详细描述。
在另一方面中，气球300可被配置用于高度控制。例如，气球300可包 括可变浮力系统，该系统可被配置为通过调整气球300中的气体的体积和/或 密度来改变气球300的高度。可变浮力系统可采取各种形式，并且一般可以 是任何可改变气囊302中的气体的体积和/或密度的系统。
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。另外，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。
在示例实施例中，气囊302可被填充以氦气、氢气或其它比空气轻的材 料。气囊302从而可具有关联的向上浮力。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)以及从囊袋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。
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(enclosed) 体积。在基本上维持该围闭体积的同时，可将空气从气囊302中排出。换言 之，在该围闭体积内可以产生并维持至少部分真空。从而，气囊302和围闭 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。
在另一实施例中，气囊302的一部分可以是第一颜色(例如，黑色)和/ 或第一材料，而气囊302的其余部分可具有第二颜色(例如，白色)和/或第 二材料。例如，第一颜色和/或第一材料可被配置为比第二颜色和/或第二材料 吸收相对更大量的太阳能量。从而，旋转气球以使得第一材料面对太阳可起 到加热气囊302以及气囊302内部的气体的作用。这样，气囊302的浮力可 增大。通过旋转气球以使得第二材料面对太阳，气囊302内部的气体的温度 可减小。因此，浮力可减小。这样，通过利用太阳能量改变气囊302内部的 气体的温度/体积，可以调整气球的浮力。在这种实施例中，有可能囊袋310 可以不是气球300的必要元件。从而，在各种设想到的实施例中，可以至少 部分通过调整气球相对于太阳的旋转来实现对气球300的高度控制。
另外，气球300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来计算并被传 达给高空气球。在其它实施例中，异质气球网络中的特定气球可被配置为为 其它气球计算高度调整并向这些其它气球发送调整命令。
如图所示，气球300还包括下切设备308。下切设备308可被配置为使 得至少有效载荷306着陆。
在一些实施例中，下切设备308可包括将有效载荷306连接到气囊302 的至少一条绳索，诸如气球绳，以及用于切断该绳索的手段(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被包裹以镍铬合金线。 可以使电信号经过该镍铬合金线以对其进行加热并熔化该绳索，从而将有效 载荷306从气囊302切离。
下切设备308可从控制系统接收控制指令，该控制系统可以确定例如气 球300在预定区域内，该预定区域可涉及禁止区和/或阴影区。响应于该控制 指令，下切设备308可以使电流经过该镍铬合金线从而切断有效载荷306与 气囊302之间的气球绳。换言之，如果确定气球在预定区域内，则控制系统 可使得下切设备308将有效载荷306从气囊302切离。使得下切设备308将 有效载荷306与气囊302分离的其它触发是可能的。
在其它实施例中，下切设备308可包括用于减小气囊的浮力以使得有效 载荷306可与气囊302一起着陆的手段。减小气囊的浮力可按各种方式来执 行。例如，可通过减小气囊中的提升气体的体积来使气囊放气。在一个实施 例中，可以使用泵来减小气囊中的提升气体的体积。在另一实施例中，下切 设备308可操作来将气囊穿孔或撕裂以使得提升气体可逐渐逸出。在另外一 个实施例中，下切设备308可操作来通过翻转气囊以使得提升气体离开气囊 来使得气囊可被充分地排气。
在另一示例中，可以向气囊添加压载物以便减小气囊的浮力。例如，可 以使用泵来向气囊中引入空气或其它气体，从而减小气囊的浮力。下切设备 308可以可替换地或额外地使用其它手段来响应于气球300进入预定区域而 使得至少有效载荷306着陆。
如果例如需要在地面上访问有效载荷以诸如将气球300从气球网络中去 除、当有效载荷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，下切设备308可操作。
在可替换布置中，气球不需要包括下切设备308。在这种布置中，在需 要将气球从网络中去除和/或需要在地面上访问气球的情况下，导航系统可操 作来将气球导航到着陆位置。另外，有可能气球可以是自给自足的，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来检修飞行中的气球。
2e)示例异质网络
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气球和子节点气球之间的RF链 路具有更大的带宽。这样，超节点气球可充当气球网络的骨干，而子节点可 提供子网，这些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。
图4是根据示例实施例图示出包括超节点和子节点的气球网络的简化框 图。更具体而言，图4图示了包括超节点气球410A至410C(也可称之为“超 节点”)和子节点气球420(也可称之为“子节点”)的气球网络400的一部 分。
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封 包数据通信的自由空间光通信系统。这样，超节点可通过光链路与彼此通信。 例如，在图示的实施例中，超节点410A和超节点401B可通过光链路402与 彼此通信，并且超节点410A和超节点401C可通过光链路404与彼此通信。
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 封包数据通信的射频(RF)通信系统。因此，每个超节点气球410A至410C 可包括可操作来将封包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接收到封包数据时，子节点420可使 用其RF通信系统来经由RF空中接口将封包数据路由到陆基台站430。
如上所指明的，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的子节点420的较短距离的RF通 信。例如，超节点410A至410C可使用高功率或超亮LED来通过可延伸100 英里那么长或者可能更长的光链路402、404发送光信号。这样配置的超节点 410A至410C可能够进行10到50千兆比特/秒或以上的数据速率的光通信。
然后更多的高空气球可被配置为子节点，这些子节点可以以大约10兆比 特/秒的数据速率与陆基互联网节点通信。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。
注意，以上示例中和本文别处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。
在一些实施例中，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。
在本公开的上下文内，本文描述的任何示例系统可操作来确定气球相对 于预定区域的位置，该预定区域包括禁止区和阴影区。示例系统可额外地响 应于确定气球的位置在该预定区域内而使得下切设备使气球的至少有效载荷 着陆。下文更详细描述若干个具体的示例实现方式。
3.示例实现方式
现在在本文中将描述若干个示例实现方式。将会理解，有许多种方式来 实现本文公开的设备、系统和方法。因此，以下示例并不打算限制本公开的 范围。
图5A和图5B分别图示了在第一时间的气球操作场景500的俯视图和正 视图。在场景500中，气球502可遭受历史风或盛行风504。气球502可在 水体510上方。在其它实施例中，气球502不需要在水体510上方。
禁止区508可包括限制区域514上方的空域。如图所示，限制区域514 是陆地区域。在其它示例中，限制区域可包括水体。基于历史风或盛行风504， 可以将阴影区506定义为从禁止区508基本上向西延伸。阴影区506可包括 一组位置，从这组位置，气球502进入禁止区508的可能性大于预定可能性。 在本公开中别处描述了用于确定阴影区506的边界的各种方法。
阴影区506和/或禁止区508各自的边界可基于高度。例如，因为风速和 风向可基于高度而不同，所以阴影区的边界也可基于高度而有所不同。从而， 如图5A和图5B的组合中所示，阴影区的一个或多个边界可包括“倾斜”区， 这些“倾斜”区可将变化的高度风数据、气球502的上升/下降/横向移动速率 和/或降落伞滑翔路径531考虑在内。阴影区506的其它取决于高度的边界是 可能的。
可基于例如禁止区508的边界、预期环境状况和/或气球502的当前速度 和前进方向来动态地确定阴影区506的边界。在其它实施例中，阴影区506 的边界可以是静态的并且可基于禁止区508的边界和历史风数据。在其它实 施例中，阴影区506的至少一个边界可保持静态(例如，最大和最小气球操 作高度)，而阴影区506的其它边界可基于实时信息来调整。确定和/或定义 阴影区506的边界的其它方式是可能的。
禁止区508和阴影区506的组合可表示预定区域。气球502中的控制系 统可确定气球相对于预定区域的位置。控制系统可替换地可以部分或完全位 于气球502外部。
图5C图示了在第二时间的气球操作场景520。第二时间可表示晚于第一 时间的时间点。第二时间可图示控制系统确定气球在预定区域内之后的时间 点。在这种场景520中，气球522可能已越过了阴影区526的边界，从而在 预定区域内移动。
响应于确定气球在预定区域内，控制系统可使得下切设备将有效载荷 524与气囊522分离。例如，控制系统可以将电信号输送经过紧邻气球绳的 金属线，该气球绳可将气囊522连接到有效载荷524。可由镍铬合金制成的 金属线可被配置为响应于电信号而发出热量。气球绳可由于发出的热量而断 开并且有效载荷524可与气囊522分离。
在气囊/有效载荷分离后，可以使降落伞530开伞以便减慢有效载荷524 的下降。在降落伞530开伞后，有效载荷524可经由降落伞滑翔路径531靠 重力下降到回收区域528。
在一些实施例中，降落伞530可以是可操控的，以操控有效载荷524朝 向回收区域528。有效载荷524的计算机系统或另一计算机系统(例如，服 务器网络)可操作来操控降落伞530朝向回收区域528。在示例实施例中， 降落伞530可表示冲压空气翼伞型降落伞。在本公开的上下文内其它类型的 降落伞是可能的，诸如罗加洛回收翼降落伞、圆形降落伞和十字形(方形) 降落伞。
图5C图示了响应于气球进入阴影区526的有效载荷524与气球的气囊 522的分离；然而，在本公开的上下文内，使得至少有效载荷524着陆的其 它方式是可能的。例如，下切设备可操作来减小气囊522的浮力(例如，通 过添加压载物和/或排出提升气体)以使得气球着陆。
图5D图示了场景532，其中禁止区536和538由最大高度(天花板)516 和/或最小高度(硬甲板)518来定义。这些最大和最小高度可约束或限制气 球534的操作高度。可以确立这种最小和最大高度来改善公共安全、气球寿 命、操作性能和操作成本，以及其它原因。
与最大高度516和/或最小高度518有关的禁止区536和538可包括阴影 区540和542，阴影区540和542可包括如下位置：从这些位置，气球534 有可能进入禁止区536或538之一。可基于历史/盛行风504以及气球534的 位置、速度和前进方向来确定阴影区。
定义阴影区和/或禁止区的高度可取决于地面位置，如图5D中所示。在 其它实施例中，定义阴影区和/或禁止区的高度可基本上与地面位置无关。
如果确定气球534的位置在预定区域内(在此场景中该预定区域可包括 阴影区540中及其上方的空域和阴影区542中及其下方的空域)，则可使用下 切设备来使得气球534的至少有效载荷着陆。
在一些实施例中，该预定区域可基于地理信息(例如，完全或基本上取 决于高度)。例如，该预定区域可以是50,000英尺以下的任何高度。在其它 实施例中，该预定区域可部分或完全基于地理信息。例如，该预定区域在美 国上方可以是55,000英尺以下的任何高度，并且该预定区域在其它每个地方 可以是50,000英尺以下的任何高度。定义预定区域的边界的其它方式是可能 的。
在一些实施例中，由限制区域定义的禁止区和阴影区(例如，如图5A-5C 中所示)可与由高度定义的禁止区和阴影区相结合(例如，如图5D中所示)。
4.示例方法
提供了一种方法600，用于响应于确定气球的位置在包括禁止区和阴影 区的预定区域内而使得气球的下切设备使得气球的至少有效载荷着陆。该方 法可利用参考图1-4所示出和描述的任何装置来执行，然而也可使用其它配 置。图6A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。
步骤602包括确定气球相对于预定区域的位置。该预定区域包括禁止区 和阴影区。气球包括下切设备、有效载荷和气囊。
可按若干种不同的方式来相对于预定区域确定气球的位置。例如，气球 可利用全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)和/或地图来确定气球的 位置。在其它实施例中，对气球相对于预定区域的位置的确定可部分或完全 由服务器网络来执行。
地图可至少包括关于该预定区域的地理信息。在地图中可包括其它形式 的信息，诸如最大和最小高度限制、禁止区、阴影区和/或历史或预期环境状 况(例如，风速和风向)。地图也可包括其它信息。可利用气球的计算机系统 (例如，计算机系统312)来关联和/或存储地图。可替换地，地图可完全或 部分利用其它计算机系统——诸如服务器网络——来存储。
预定区域可包括至少两部分。
第一，禁止区可表示气球不应当进入的任何类型的限制空域。例如，禁 止区可包括高度最大值和/或最小值(硬甲板)。高度最大值可表示如下的高 度：在此高度上方，气球可变得不可操作、无效和/或有爆炸的危险。高度最 小值可表示如下的高度：在此高度下方，气球可无效、不可操作、与地面上 的物体碰撞或者在商业空域内。也可基于其它基本原理来确立高度最小值和 最大值。在其它实施例中，禁止区可包括限制区域(例如，空军基地、高层 建筑物等等)、限制区域上方的空域、外国、居住区或任何其它不合需要的飞 行区域。在其它实施例中，禁止区可包括空域的围闭体积。例如，空域的围 闭体积可表示航线或者诸如飞机之类的物体或任何其它需要避开的物体周围 的空域体积。禁止区的其它示例是可能的。
第二，阴影区可表示如下位置；基于预期环境状况，气球从该位置进入 禁止区的可能性大于预定可能性。阴影区的边界可基于当前或历史风向和/或 风速。例如，如果盛行风向是从西面、5英里每小时，则阴影区可基本上从 禁止区向西方延伸。具体地，可将阴影区定义为如下一组位置：基于盛行风， 气球从这些位置进入禁止区的可能性大于预定可能性(例如，50％概率)。也 就是说，阴影区的边界可被定义为包括如下位置：气球从这些位置移动到禁 止区中的可能性大于50％。
预期环境状况可由气球和/或别处的计算机系统来确定。预期环境状况可 基于例如关于风速、风向和其它环境信息的实时传感器数据。在其它实施例 中，预期环境状况可基于天气预报和/或历史风数据。在其它实施例中，高空 气球网络中的其它气球可转告关于其各自的局部环境的信息。可至少基于来 自其它气球的信息来确定预期环境状况。获得关于预期环境状况的信息的其 它方式是可能的。
气球可由于例如盛行风而移动到禁止区中。在一个实施例中，气球可被 吹到禁止区中。其它实施例是可能的。
气球基于预期环境状况而进入禁止区的可能性可由气球上或别处(例如， 服务器网络)的计算机系统来确定。该确定可包括各种仿真，这些仿真可包 括预期环境状况、禁止区的边界以及气球的当前位置、速度和/或前进方向。 例如，计算机系统可运行多个蒙特卡罗仿真以便预测气球进入禁止区的可能 性。估计气球进入禁止区的可能性的其它计算机算法是可能的。
基于这种确定，计算机系统可提供热图，该热图可表示气球从三维空间 中的给定点进入禁止区的可能性。基于该热图，可以确定阴影区。例如，阴 影区可包括热图中的与气球将进入禁止区的至少50％的预定可能性相对应的 所有点。其它预定可能性和确定阴影区的边界的方式是可能的。
步骤604包括响应于确定气球的位置在预定区域内而使得下切设备使气 球的至少有效载荷着陆。该下切设备可与下切设备308相似。
如本文所述，下切设备可输送电信号——诸如电流——经过缠绕气球绳 的镍铬合金线。在传导这种电流时，镍铬合金线可发出热量。响应于发出的 热量，气球绳可被配置为熔化并断开。这可使有效载荷与气囊分离。
在其它实施例中，下切设备可操作来利用其它手段使得气球的至少有效 载荷着陆。例如，前述加热方法可用于使气囊爆炸、在气囊中形成孔洞和/或 使得气囊撕裂。也可使用除了加热以外的方法(例如，切割、穿孔、磨损， 等等)。从而，在一些实施例中，可以使得气囊与气球的有效载荷一起着陆， 以便改善公共健康和安全，以及获得其它益处。
在使得至少有效载荷着陆后，有效载荷可以使被配置为控制有效载荷的 下降速率的降落伞开伞。该降落伞也可被配置为操控有效载荷朝向回收区域。 在到达回收区域后，有效载荷——以及在一些情况下整个气球——可被回收。
如图6B中所示，提供了另一种方法610，用于确定包括下切设备、有效 载荷和气囊的气球的状况，并且响应于确定气球的状况匹配多个预定状况中 的至少一者而利用下切设备使得至少有效载荷着陆。该方法可利用参考图1-4 所示出和描述的任何装置来执行，然而可使用其它配置。图6B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。
方法步骤612包括确定气球的状况。气球包括下切设备、有效载荷和气 囊。在一些实施例中，气球可以与如参考图3描述的气球300相同或相似。 气球可以是高空气球网络的一部分。
确定气球的状况可包括使用传感器数据或其它数据来确定关于气球的位 置、前进方向和/或速度的信息。确定气球的状况可额外地或可替换地包括获 得关于与气球相关联的各种硬件和软件的操作状态的信息。另外，确定气球 的状况可表示获得关于当前和/或历史天气状况、空域许可、当前事件、其它 飞行体等等的信息。
方法步骤614包括响应于确定气球的状况与多个预定状况中的至少一个 匹配而利用下切设备使得至少有效载荷着陆。
多个预定状况可表示任意数目的如下状况和/或状态：这些状况和/或状态 可使得让有效载荷着陆是合乎需要的/或有利的。例如，多个预定状况可包括 以下各项中的至少一者：硬件故障、软件故障、电池电量低、气球位于预定 区域内(例如，如上文对图5A-5D所述)以及对气球的位置的不确定。其它 预定状况可以是可能的。
在确定气球的状况后，与气球位于一起或者位于别处(例如，服务器网 络)的计算机系统可被配置为确定在气球的状况和多个预定状况中的一个或 多个之间是否存在匹配。响应于确定匹配，可向下切设备发送指令以便使得 至少有效载荷着陆。
利用下切设备使得至少有效载荷着陆可包括如本公开中别处所述地使有 效载荷与气囊分离。可替换地，下切设备可操作来使得气囊和有效载荷基本 上一起下降到地面。例如，下切设备可向气囊中引入孔洞(例如，通过对气 囊进行加热或切割)。在另一示例中，下切设备可向气囊添加压载物，从而减 小气囊的浮力。本文隐含考虑了响应于确定气球的状况与多个预定状况中的 至少一个匹配而使得至少有效载荷着陆的其它手段。
示例方法，诸如图6A的方法600和/或图6B的方法610，可以完全或部 分地由一个或多个气球及其各自的子系统来执行。因此，示例方法在本文中 可作为示例被描述为由气球实现。然而，应当理解，示例方法可以完全或部 分地由其它计算设备来实现。例如，示例方法可以完全或部分地由从气球或 从别处接收数据的服务器系统来实现。可实现示例方法的计算设备或计算设 备的组合的其它示例是可能的。
本领域技术人员将会理解，有其它类似的方法，其可以描述确定气球相 对于包括禁止区和阴影区的预定区域的位置，并且响应于确定气球的位置在 该预定区域内而使得下切设备使至少有效载荷着陆。额外地，可以有关于如 下步骤的类似方法：确定包括下切设备、有效载荷和气囊的气球的状况，并 且响应于确定气球的状况匹配多个预定状况中的至少一者而利用下切设备使 得至少有效载荷着陆。那些类似的方法在本文中隐含设想到了。
在一些实施例中，公开的方法可实现为以机器可读格式编码在非暂态计 算机可读存储介质上或者其它非暂态介质或制品上的计算机程序指令。图7 是图示出根据本文给出的至少一些实施例布置的包括用于在计算设备上执行 计算机过程的计算机程序的示例计算机程序产品的概念性部分视图的示意 图。
在一个实施例中，利用信号承载介质702来提供示例计算机程序产品 700。信号承载介质702可包括一个或多个编程指令704，这些编程指令704 在被一个或多个处理器执行时可提供以上关于图1-6描述的功能或功能的部 分。在一些示例中，信号承载介质702可包含计算机可读介质706，诸如—— 但不限于——硬盘驱动器、致密盘(Compact Disc，CD)、数字视频盘(Digital  Video Disk，DVD)、数字磁带、存储器，等等。在一些实现方式中，信号承 载介质702可包含计算机可记录介质708，诸如——但不限于——存储器、 读/写(R/W)CD、R/W DVD，等等。在一些实现方式中，信号承载介质702 可包含通信介质710，诸如——但不限于——数字和/或模拟通信介质(例如， 光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路，等等)。从而，例如，信号承载 介质702可由无线形式的通信介质710来传达。
一个或多个编程指令704可以例如是计算机可执行和/或逻辑实现的指 令。在一些示例中，诸如图3的计算机系统312那样的计算设备可被配置为 响应于由计算机可读介质706、计算机可记录介质708和/或通信介质710中 的一个或多个传达到计算机系统312的编程指令704而提供各种操作、功能 或动作。
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，这些数据存 储元件的位置可以彼此远离。执行存储的指令中的一些或全部的计算设备可 以是一种设备，诸如参考图3示出和描述的气球300。可替换地，执行存储 的指令中的一些或全部的计算设备可以是另一计算设备，诸如服务器。
以上详细描述参考附图对公开的系统、设备和方法的各种特征和功能进 行了描述。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会清 楚其它方面和实施例。本文公开的各种方面和实施例是为了例示，而并不打 算进行限定，真实的范围和精神由所附权利要求指示。