CN105453340B - 基于高度动态调整波束的宽度 - Google Patents

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Abstract

一种天线包括辐射器和反射器，并且具有至少部分地基于辐射器与反射器之间的间距的辐射模式。该天线包括被配置为至少部分地基于天线的高度调整该间距的联动装置。产生的辐射模式可基于天线的高度被动态地调整，以使得当天线在高处并且天线面向地面时，在地平面接收到的辐射的地理边界和强度的变化由对辐射模式的动态调整至少部分地补偿。

Description

基于高度动态调整波束的宽度
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年5月10日提交的美国专利申请第13/892,161号的优先权，通过引用将其全部内容结合于此。
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接的需求正在增长。然而，在世界的许多地区，数据连接仍是不可得的，或者如果可得也是不可靠的和/或成本高昂的。
发明内容
示例实施例涉及用于空中通信网络的安装在气球上的面向地面的天线的网络。气球可由支撑具有电源、数据存储装置以及一个或多个收发器的有效载荷的气囊(envelope)形成，以用于将信息无线传达给气球网络的其它成员和/或位于地面的无线台站。
本公开的一些实施例提供一种被配置为安装到高空平台的天线。该天线可包括辐射器、反射器以及联动装置(linkage)。辐射器可被配置为根据馈送的信号发射辐射。反射器被配置为引导从辐射器发射的辐射以使得反射的辐射通过至少部分地由辐射器与反射器之间的间距确定的发射模式(emission pattern)来表征。反射器可被配置为定位为使得当相关联的高空平台在高处时在面向地面的方向上引导发射模式。联动装置被配置为根据相关联的高空平台的高度调整辐射器与反射器之间的间距。
本公开的一些实施例提供一种气球。该气球可包括气囊，被配置为悬挂于气囊的有效载荷，以及天线。天线可安装到有效载荷并且被定位为使得当气球在高处时其是面向地面的。该天线可包括：(i)辐射器，被配置为根据馈送的信号发射辐射；(ii)反射器，被配置为引导根据至少部分地根据辐射器与反射器之间的间距确定的辐射模式从辐射器发射的辐射；以及(iii)联动装置，被配置为根据天线的高度调整辐射器与反射器之间的间距。
本公开的一些实施例提供一种方法。该方法可包括从天线发射辐射，所述天线被配置为安装到相关联的气球的有效载荷。天线可具有至少部分地由天线的辐射器与反射器之间的间距确定的发射模式。天线可被配置为定位为使得当相关联的气球在高处并且天线被安装到有效载荷时在面向地面的方向上引导发射模式。该方法可包括响应于相关联的气球的高度减小来减小辐射器与反射器之间的间距。该方法可包括响应于相关联的气球的高度增大来增大辐射器与反射器之间的间距。
本公开的一些实施例提供一种用于从被配置为安装到相关联的气球的有效载荷的天线发射辐射的装置。该天线可具有至少部分地由天线的辐射器与反射器之间的间距确定的发射模式。该天线可被配置为定位为使得当相关联的气球在高处并且天线被安装到有效载荷时在面向地面的方向上引导发射模式。一些实施例可包括用于响应于相关联的气球的高度减小而减小辐射器与反射器之间的间距的装置。一些实施例可包括用于响应于相关联的气球的高度增大而增大辐射器与反射器之间的间距的装置。
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4A是被定位为从第一海拔照射一地理区域的具有面向下的天线的气球的示图。
图4B是从第二海拔照射该地理区域的图4A中的气球的示图。
图4C是被配置为照射宽发射模式的天线的侧视图。
图4D是被配置为照射窄发射模式的天线的侧视图。
图5A是具有可动态调整的发射模式的天线的简化框图。
图5B是具有可动态调整的发射模式的另一天线的简化框图。
图5C是具有可动态调整的发射模式的另一天线的简化框图。
图6A示出了扩展状态下的压力敏感容器(vessel)。
图6B示出了收缩状态下的压力敏感容器。
图7A是具有平面反射器的天线的简化图。
图7B是具有平面反射器的另一天线的简化图。
图8A是根据示例实施例的用于动态地调整天线发射模式的过程的流程图。
图8B是根据示例实施例的用于动态地调整天线发射模式的过程的流程图。
图9图示了根据示例实施例的计算机可读介质。
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更有利。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。
1.概述
示例实施例涉及空中通信网络，其使用具有通信装备的多个气球来促进与地基台站的无线通信以及这些气球之间的无线通信。气球可由支撑具有电源、数据存储装置以及一个或多个收发器的有效载荷的气囊形成，以用于将信息无线传达给气球网络的其它成员和/或位于地面的无线台站。为了在高处时与地基台站通信，气球可装备有安装到气球有效载荷以面向地面的天线。
面向地面的天线可包括定位为朝着反射器辐射的辐射元件。反射器可以是碟型，诸如可以是球不变的准抛物形碟型。辐射元件可朝着反射器发射信号，这导致从天线发射的辐射具有方向性的发射模式。方向性的发射模式可大致为顶点位于天线附近的锥形区域。发射模式的方向性从而通过由发射模式照射的区域的宽度或者窄度来确定，并且可通过限定被照射区域的锥形面的张角来表征。张角(从而天线方向性)至少部分地由辐射元件与反射器之间的间距来确定。一般地，越大的间距对应于越窄的发射模式，而越小的间距对应于越宽的发射模式。
在一些示例中，随着气球改变高度，发射模式可被调整。例如，天线中的辐射元件可靠近或远离反射器地移动以基于气球的高度动态地调整发射模式的宽度。控制系统可确定气球的高度，然后使得辐射元件与反射器之间的间距被根据所确定的高度调整。
在一些示例中，基于大气压力随着气球改变高度而扩展和收缩的压力敏感容器可被包括在将辐射器和/或反射器安装到气球有效载荷的联动装置中。该容器的扩展和收缩从而可扩展或收缩该联动装置，并进而随着高度变化无源地调整间距。
发射模式可被调整以应对(account for)由于气球的高度变化导致的发射模式在地平面的变化。可执行这种调整以使得发射模式在地平面的宽度即使在气球高度变化时也大体上无变化。额外地或者可替换地，可执行调整以使得发射模式在地平面的强度即使在气球高度变化时也基本上无变化。
这些具体方法和系统中的每一个在本文中已被设想到，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(例如，通过发送和接收编码有数据的光辐射)与彼此通信。此外，虽然被称为“光”，但光链路104上的通信可利用在包括可见光谱以外的辐射的波长范围的辐射，诸如红外辐射、紫外辐射等等来执行。气球102A至102F可额外地或可替换地被配置为经由射频(RF)链路114(例如，通过发送和接收编码有数据的射频辐射)与彼此通信。气球102A至102F可共同充当用于分组数据通信的网状网络。另外，至少一些气球(例如，102A和102B)可被配置用于经由相应的RF链路108与地基台站106进行RF通信。另外，一些气球，诸如气球102F，可被配置为经由光链路110与适当装备的地基台站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，平流层包括地球表面以上大约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8到32千米每小时(kph)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)。此高度范围可由于若干个原因而是有利的。具体地，平流层的这一高度区域一般具有相对合意的大气条件：其具有低风速(例如，8到32kph之间的风)和相对较小的湍流。另外，虽然18km到25km的高度之间的风可随着纬度并根据季节而变化，但可以以相当的精度对这些变化建模并进而允许对这些变化进行预测和补偿。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高度。
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。
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与地基台站106和112通信。例如，气球102A至102F中的一些或全部可被配置为利用IEEE 802.11(包括IEEE802.11的任何修订版)中描述的协议、诸如GSM、CDMA、UMTS、EV-DO、WiMAX和/或LTE之类的各种蜂窝协议和/或为气球-地面RF通信开发的一个或多个专有协议等等来与地基台站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，为了提供从地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，示例网络还可包括一个或多个下行链路气球，这些下行链路气球可提供高容量空-地链路以将气球网络100连接到地基网络元件。
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与地基台站112的自由空间光通信。光链路110因此可用作气球网络100与地基台站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地基台站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，下行链路气球可装备有专门的高带宽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。
地基台站，诸如地基台站106和/或112，可采取各种形式。一般地，地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/或光链路与位于气球网络100中的气球上的相应收发器进行无线通信。另外，地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，地基台站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。在不脱离本公开的范围的情况下，地基台站106和112可具有其它配置和/或起到其它作用。
在另一方面中，气球102A至102F中的一些或全部可额外地或者可替换地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，一些地基台站，诸如地基台站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。这样的地基台站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以供传达信息。关于这个配置以及地基台站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)”。沿着特定光路的每个中间气球(即，跳)可充当中继站以首先经由接收到的光信号检测进入的通信，然后通过在该特定光路上发射下一气球将接收到的相应光信号来重传通信。额外地或者可替换地，特定中间气球可仅将入射信号朝着下一气球引导，诸如通过反射该入射的光信号以使其朝着下一气球传播。
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100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，在透明网状网络配置中，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，信号可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(opticalcross-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，气球网络100中的气球可实现波分复用(wavelength divisionmultiplexing，WDM)，这可用来增大链路容量。当利用透明交换实现WDM时，可能有必要向给定光路上的所有光链路指派相同的波长。透明气球网络中的光路因此被认为是受到了“波长连续性约束”，因为可能要求特定光路中的每一跳都使用相同波长。
另一方面，不透明配置可避免这种波长连续性约束。具体地，不透明气球网络中的气球可包括可操作用于沿着给定光路的波长转换的OEO交换系统。结果，气球可在沿着特定光路的一跳或多跳处转换光信号的波长。
2b)对气球网络中的气球的控制
在一些实施例中，网状联网和/或其它控制功能可以是集中式的。例如，图2是根据示例实施例图示出气球网络控制系统的框图。具体地，图2示出了分布式控制系统，其包括中央控制系统200和数个区域控制系统202A至202B。这种控制系统可被配置为为气球网络204协调某些功能，并且因此可被配置为为气球206A至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206、208和210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。
区域控制系统202A至202C可以是被配置为与下行链路气球通信的特定类型的地基台站(例如，诸如图1的地基台站112)。从而，虽然在图2中未示出，但可结合其它类型的地基台站(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204的整体状态。
部分基于网络204的整体状态，控制系统200随后例如可用于协调和/或促进某些网状联网功能，诸如为连接确定光路。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(或者气球的空间分布)。拓扑可指示气球网络中可用的当前光链路和/或这种链路上的波长可用性。该拓扑随后可被发送到气球中的一些或全部，从而使得个体气球能够根据需要为通过气球网络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协调某些定位功能以实现期望的气球的空间分布。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地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，可以没有地基控制系统。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(例如，通过位于网络204中的一个或多个气球的有效载荷上的处理系统)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气球定位功能。具体地，每个气球可基于其自身状态和附近气球的状态来确定如何移动(和/或是否移动)。气球可使用优化过程(例如，能量函数)来确定各个位置，例如，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，当每个气球实现这种位置确定过程时，气球网络整体上可维持期望的空间分布(拓扑)和/或朝着期望的空间分布(拓扑)移动。
2c)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根据示例实施例图示了高空气球300。如图所示，气球300包括气囊302、套罩(skirt)304和有效载荷306，如框图所示。
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)的金属和/或聚合材料构成。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。气囊302可被填充以合适于允许气球300到达地球大气中的期望高度的气体。从而，气囊302可被填充以与主要为分子氮气和分子氧气的大气混合物相比具有相对较低密度的气体，以允许气球300能在地球大气中浮起并且到达期望的高度。可使用具有合适性质的各种不同的气体材料，诸如氦气和/或氢气。气体材料(包括混合物)的其它示例也是可能的。
气球300的有效载荷306可包括计算机系统312，该计算机系统312具有处理器313和自带数据存储装置，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系统发送光信号，并且可经由光通信接收器(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或其它能量存储设备。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。在其它实施例中，电源326可额外地或者可替换地表示用于产生电力的其它装置。
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可额外地或可替换地包括用于捕捉环境数据的一个或多个视频和/或静止相机，和/或各种传感器，所述环境数据指示出气球300的地理空间数据，该信息可被计算机系统312用来确定气球300的位置。
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环境参数，诸如压力、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可包括超亮LED系统，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可以是被加压到超出囊袋310外的压力的保持液化材料和/或气体材料的刚性容纳装置。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、氢气或其它密度小于通常的大气气体的气体材料(即，“比空气轻的”气体)。气囊302从而可基于其排量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/或由与气囊302的其余部分不同的第一材料形成，所述气囊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向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向太阳，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以选择性地加热/冷却气囊302内的气体并进而调整这种气球的密度来实现对气球300的高度控制。
另外，气球300可包括导航系统(未示出)。导航系统可实现定位功能以维持期望的气球的空间分布(气球网络拓扑)内的位置和/或依据期望的气球的空间分布(气球网络拓扑)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气囊302的密度进行调整以便实现所确定的高度调整并进而使得气球300横向移动到期望的方向和/或期望的位置。额外地或者可替换地，期望的高度调整可由地基控制系统或基于卫星的控制系统来计算并被传达给气球300。在其它实施例中，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。
在本文中描述了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。
3.面向地面的天线
图4A图示了具有被定位来照射在地平面的地理区域406的面向地面的天线的示例高空气球402。气球402可类似于联系图3所描述的气球300，并且可包括用于操作面向地面的天线的安装到有效载荷的RF通信系统，该RF通信系统与气球300的有效载荷306中的RF通信系统318类似。面向地面的天线以发射模式404发射辐射，该发射模式404使得当气球在高度A1时在地平面的信号大体上跨越地理区域406。类似地，图4B图示了气球402，其在高度A2，并通过以发射模式405从面向地面的天线发射辐射以便在地平面大体上跨越地理区域406来照射地理区域406。在高度A1使用的发射模式404具有特征角度跨度θ1，而在高度A2使用的发射模式405具有特征角度跨度θ2。虽然本文为了方便起见联系高空气球402描述了天线及其可调整发射模式404、405，但尤其要注意，这种具有可调整发射模式的天线可安装到多种高空平台，并且联系多种高空平台使用，所述高空平台诸如其它比空气轻的设备等等。
如在图4A和4B中所图示的，角度跨度θ1可大于θ2，从而即使在第一高度A1低于第二高度A2时发射模式404在地平面也跨越与发射模式405所跨越区域大抵相同的区域(即，地理区域406的区域)。气球的天线可被配置为使得发射模式404、405(以及相应的角度跨度θ1、θ2)至少大致跨越相同的地平面地理区域406而不管气球402的海拔如何。从而，气球402可被配置为维持与大体上固定的地理区域(即，区域406)的通信，即使当气球升降到各种海拔时也如此。
此外，图4B中所示的更加定向的发射模式405(如更小的角度θ2所指示的)可具有更大的方向增益。因而，发射模式405的增大的方向增益可至少部分地补偿图4B中气球402与地平面之间更大的距离(即，高度A2)。例如，在地理区域406中的地平面的辐射可具有相当的强度，无论该辐射是来自在高度A1的气球402的更宽的发射模式404，还是来自在高度A2的气球402的更窄波束的发射模式405。一般地，来自具有角度跨度θ2的发射模式405的在地平面的辐射强度可大于由具有角度跨度θ1的发射模式404从相同高度提供的辐射，因此更加定向的发射模式405进而至少部分地补偿了在地平面的辐射强度的依赖于高度的变化。
在一些示例中，第一高度A1可靠近高空气球402的期望平流层高度的下端(例如，18km)，并且第二高度A2可靠近高空气球402的期望平流层高度的上端(例如，25km)。发射模式404的角度跨度θ1可大约是90°(例如，具有45°半宽度的大致锥形的辐射模式)，并且发射模式405的角度跨度θ2可大约是70°(例如，具有36°半宽度的大致锥形的辐射模式)。
在另一示例中，发射模式可被调整以应对地平面海拔的变化。例如，气球402可包括天线，该天线的发射模式基于气球402相对于在气球402正下方的地平面的高度来调整。换句话说，发射模式可基于诸如通过外界压力检测到的相对于海平面的绝对高度来调整，或者可额外地或者可替换地基于相对于地面的高度来调整。从而，气球402可被配置为至少部分地补偿相对高度的变化(例如，由于气球在具有地平面高度变化的区域上方通过而导致的相对高度变化)以便维持到达地平面的辐射的至少大致恒定的地理跨度和/或强度水平。在一个示例中，气球402可穿过具有一系列地面海拔变化的区域(例如，丘陵、山谷、斜坡、平原区、山脉，等等)。气球402可动态调整其面向地面的天线的辐射模式以至少部分地补偿从气球402到达地面的辐射的依赖于高度的变化。例如，发射模式可在高海拔区域上方从而具有相对低的相对高度时是相对较宽的，类似于图4A中所示的具有角度跨度θ1的发射模式404。类似地，发射模式可在低海拔区域上方从而具有相对较高的相对高度时是相对较窄的，类似于图4B中所示的具有角度跨度θ2的发射模式405。
在一些示例中，可通过预定地平面海拔数据结合位置信息(例如，如GPS接收器等等所确定的)以及气球402上的一个或多个高度传感器(例如，高度计和/或压力传感器等)来确定相对高度(即，从地面到气球402的距离)。在确定气球的位置信息(诸如经度和纬度坐标)之时，可访问地图数据库来确定在气球402正下方的相应地平面海拔。地平面海拔可由气球402上的计算机系统(例如，类似于气球300的有效载荷306中的计算机系统312)和/或与气球402通信的远程服务器确定，该地平面海拔随后可与如经由自带传感器确定的气球402的高度结合以确定从气球402到地面的距离(即，相对高度)。在其它示例中，气球402可包括被配置为直接感测和/或确定气球402的相对高度的传感器，诸如面向下的雷达等等。
在另一示例中，发射模式可被调整以应对由于大气效应(诸如对流层中的天气模式)导致的对来自气球的辐射的影响。作为示例，光谱的特定部分可例如由于对流层中削弱辐射的水汽和/或液滴增加而对恶劣天气敏感。为了实现在地平面的期望辐射强度(例如，最小信噪比)，则可响应于检测到特定天气模式而使发射模式变窄。换句话说，辐射模式可变窄从而增大在地平面的照射区域中的方向增益，以应对在地平面与高空气球402之间的大气中削弱辐射的天气模式。在一些示例中，这样的天气相关的效应可由动态检测天气模式并相应地与气球402通信的系统应对。在其它示例中，这样的天气相关的效应可经由气球402上的传感器直接检测。额外地或者可替换地，可通过检测到位于地平面的台站处的信号强度恶化来推断这样的天气条件(和/或其它信号恶化现象)。换句话说，在地基台站的信噪比(或者其它信号强度测量值)可被用作反馈信息以用于动态调整气球402上的面向地面的天线的发射模式，从而调整其方向增益。
本公开的一些实施例因此支持具有基于高度改变的发射模式的面向地面的天线。面向地面的天线可按如下方式改变发射模式：该方式至少部分地补偿否则将由于高度改变而出现的在地平面的辐射变化。这样的发射模式中基于高度的补偿可通过调整面向地面的天线中的辐射元件与反射器之间的距离来执行。接下来描述辐射器与反射器之间的间距可调整的天线的示例。
作为初步事项，要注意，本文的论述一般而言是指根据可调整的发射模式(或者辐射模式)发送无线电信号以照射地理区域(例如，发射模式404、405所照射的在地平面的地理区域406)。然而，由于天线理论和设计中无线电信号的发射与接收之间的一般的互易性，要认识到，全部这些论述一般而言同等适用于对来自特定地平面地理区域的信号的接收。也就是说，额外地或者可替换地，可使用具有可依赖于高度调整辐射模式的天线来接收来自这些辐射模式的到达信号(例如，来自在地平面的地理区域406内的辐射模式的信号)。在这种示例中，调整辐射模式允许(安装到高空气球的)接收天线至少部分地补偿自然伴随着高度改变的灵敏度的改变。例如，这样的天线可在较高高度处增大其方向增益，如图4A和4B中所示。
图4C图示了面向地面的天线408，其具有辐射器420、反射器410和联动装置440，联动装置440控制辐射器420与反射器410之间的间距d1以提供具有角度跨度θ1的发射模式。图4D图示了图4C的面向地面的天线408，但其辐射器420与反射器410之间的间距d2更大，这导致了如角度跨度θ2所指示的更加定向的发射模式。图4C和4D中所示的面向地面的天线408可安装到高空气球的有效载荷以在气球在高处时向下辐射，所述气球类似于具有安装在有效载荷上的面向地面的天线的联系图4A和4B所描述的气球402。在天线408被安装到气球402的有效载荷的示例中，图4C中具有间距d1和发射模式角度跨度θ1的天线408的配置可用于给在高度A1的气球提供发射模式404(图4A)。类似地，图4D中具有间距d2和发射模式角度跨度θ2的天线408的配置可用于给在高度A2的气球提供发射模式405(图4B)。
如图4C中所示，发送器430经由传输线432连接到辐射器420。发送器430可被包括在天线408所安装到的气球的有效载荷内的计算机系统和/或RF通信系统(类似于联系图3中的气球300描述的计算机系统312和RF通信系统318)中，或者与它们通信。发送器430从而可向辐射器420提供输入信号以使得辐射器420发射相应的辐射422、424，该辐射然后被反射器410反射。不过要注意，在天线408用于接收进入的辐射的一些实施例中，发送器430可用接收器代替，该接收器被配置为基于所采集的通过自由空间辐射的用于激励天线元件420的无线电能量来接收信息。
辐射器420可以是适合于根据输入发射信号的任何类型的定向或不定向辐射元件，诸如喇叭形天线、双极天线，等等。反射器410可以是实心体的或者非实心体的(例如，网状)，并且可以是球不变碟型(例如，该碟型的反射面可离公共点或者球心等距)。在一些示例中，反射器410可以是具有由抛物线曲率所定义的凹面曲率的柱对称的碟型。此外，在一些示例中，反射器410可以是单个平面的、平坦的反射面，或者可由多个平面面板形成，这些平面面板可以是共面的或者可被组合以产生总体上的凹面曲率或凸面曲率，从而根据期望的模式引导从辐射器420发射的辐射422、424。
如图4C中所示，辐射器420与反射器410间隔距离d1。发送器430将输入信号提供给辐射器420以使得辐射器420朝着反射器410发射辐射422。来自辐射器420的辐射422然后被反射器410反射并按具有角度跨度θ1的发射模式(例如，具有大致位于天线408处的顶点和张角θ1的锥形的辐射模式)被引导。产生的发射模式的角度跨度至少部分地由辐射器420与反射器410之间的间距确定。假定从反射器410反射的辐射关于入射角对称反射，则追踪从辐射器420到反射器410、然后远离反射器410向外的辐射的射线示出，在较小的间距d1，从反射器410反射的辐射的角度跨度增大，反之则减小。因此，图4D中具有间距d2>d1、其差为Δd的天线408的配置导致具有减小的角度跨度θ2的发射模式。
联动装置440控制辐射器420与反射器410之间的间距。联动装置440可以是如下结构：其连接到辐射器420或者反射器410中的一者或者两者，并且包括可调整元件、伸缩组件、滑轮、转轮、齿轮、步进电机，等等，从而使得辐射器420相对于反射器410移动，或者反之，进而控制这两者之间的间距。联动装置440可包括连接到辐射器420以在反射器410上方悬挂辐射器420的一个或多个支撑臂。在一些示例中，反射器410可安装到气球的有效载荷的固定部分，而辐射器420能够经由联动装置440朝着以及远离反射器410移动。在其它示例中，反射器410可安装到气球的有效载荷的固定部分，而辐射器420能够经由联动装置440朝着以及远离辐射器420移动。允许联动装置440调整辐射器420与反射器410之间的间距的其它示例也是可能的。因此，图4D可图示扩展状态下的联动装置440，相对于图4C中所图示的联动装置440提供了间距d1的收缩状态，扩展状态下间距d2增大了差△d。
仅为了说明和示例的目的而非限制的目的提供了图4C和4D中辐射器420和反射器410的配置。在其它示例中，可使用替换布置，诸如具有多个反射点的布置(例如，并入子反射器的天线设计)，以及用于提供可变焦距并从而提供可变辐射模式的凸面反射器、凹面反射器和/或平面反射器的组合。
3a)高度可调整的联动装置
图5A是具有可动态调整的发射模式的天线500的简化框图。天线500被配置为以面向地面的方位安装到高空气球(或另外的高空平台)的有效载荷，该天线500与联系图4A-4D描述的天线类似。天线500包括辐射器520、反射器510和控制辐射器520与反射器510之间的间距dSEP的联动装置540。联动装置540被配置为根据来自控制器550的指令调整间距dSEP。
控制器550可包括天线500所安装到的气球的有效载荷中包括的硬件和/或软件实现的模块的组合。控制器550可被配置为诸如经由高度确定逻辑552确定天线500的高度，该高度确定逻辑552可包括供处理器执行的计算机可读指令。控制器550从而可包括与联系图3描述的气球300的有效载荷306中的计算机系统312类似的计算机系统(或者被包括在该计算机系统中)。为了确定天线500的高度，控制器550接收传感器输入554。传感器输入554可包括来自压力和/或温度传感器(例如，高度计)的信息。传感器输入554还可包括来自地理位置导航和/或通信系统的信息，诸如根据去往/来自参考目标(例如，GPS卫星、其它高空气球、地基台站，等等)的飞行时间测量值导出的位置信息。
在操作中，传感器输入554向控制器550提供输入，该输入指示出天线500所安装到的气球的高度。控制器550分析来自传感器输入554的信息以确定气球的高度(例如，经由高度确定逻辑552)。例如，控制器550可(经由高度确定逻辑552)分析对压力和/或温度的测量值和/或到参考目标的飞行时间延迟以确定气球的高度。控制器550然后可指令联动装置540调整辐射器520与反射器510之间的间距dSEP，该调整导致天线500的发射模式的改变。在一些示例中，控制器550进行操作以响应于(如高度确定逻辑552所确定的)减小的高度提供使得间距dSEP增大的指令给联动装置540。额外地，控制器550可响应于(如高度确定逻辑552所确定的)增大的高度提供用于使得间距dSEP减小的指令。
此外，控制器550可被配置为额外地或者可替换地检测其它输入并且使得间距dSEP相应地被调整。例如，控制器550可指令联动装置540基于以下各项来调整该间距：相对高度(例如，从地平面到天线的距离)的变化，天气条件(例如，对对流层的水汽和/或水滴密度的估计)的变化，和/或(例如，如关于在地面台站的接收信号强度的反馈所指示的)在地平面信号方面的接收信号条件的其它变化，如以上联系图4A和4B所描述的。
联动装置540可包括被配置为响应于来自控制器550的合适指令调整机械长度的一个或多个组件。例如，联动装置540可包括伸缩组件、弹性组件、其它可移动组件等等，以及被配置为根据来自控制器550的指令变更这样的可移动组件的(一个或多个)相对位置的相关联的电机、齿轮、滑轮等等。此外，联动装置540可包括被配置为提供关于联动装置540的状态的位置反馈信息(例如，各种可移动组件的相对位置)的一个或多个设备。反馈设备例如可以是一个或多个编码器和/或其它(一个或多个)位置传感器。这样的反馈设备然后可将反馈位置数据提供给控制器550，控制器550可使用这些数据来估计dSEP的当前值，然后关于是否以及如何调整联动装置540进一步细化给联动装置的指令。从而，从控制器550到联动装置540的指令可基于联动装置位置反馈数据或者指示高度的传感器数据(554)中的一者或两者。
图5B是具有可动态调整的发射模式的另一天线501的简化框图。尽管联系图5A描述的天线500有源地确定天线的高度，然后使得间距dSEP被调整(例如，通过发送合适的电子信号)，但天线501被配置为响应于大气压力的改变无源地调整辐射器520与反射器510之间的间距dSEP。
在天线501中，辐射器520被安装到支撑结构545，该支撑结构545可以是在反射器510下方悬挂辐射器520的一个或多个支撑臂。例如，支撑结构545可以是位于与反射器510大致平行的平面中的支持臂的布置。支撑结构545然后可经由相应的压力敏感容器540a-b连接到锚定点560a-b。锚定点560a-b可以是连接到天线501所安装到的气球的有效载荷的结构点，并且这样的锚定点可大体上固定在相对于反射器510的一位置中，该反射器510也被安装到气球的有效载荷。
压力敏感容器540a-b可以是具有柔性侧壁的容纳装置，这些柔性侧壁允许容器540a-b沿着它们的长度扩展和收缩。例如，容器540a-b可具有端盖，每个端盖与其相应长度垂直地延伸，这些端盖接合到柔性侧壁。在图5B中，支撑结构545和锚定点560a-b可连接到容器540a-b的相对端盖，从而柔性侧壁在这两者之间延伸。通过确定在支撑结构545与锚定点560a-b之间具有可调整长度的容器540a-b的方位，调整压力敏感容器540a-b的长度使得辐射器520与反射器510之间的间距dSEP被相应地调整。
压力敏感容器540a-b响应于外部压力(即，大气压力)的改变来调整其长度。压力敏感容器540a-b可包括大体上被排空(例如，接近真空压力)的内腔。因而，柔性侧壁可具有足够的结构刚度来避免容器自身崩缩，即使该腔被大体上排空时也如此。柔性侧壁可例如由抗压缩但可变形(例如，弯曲)以允许容器在长度上收缩的波纹状(corrugated)金属来形成。压缩量(并且因此机械变形)从而可依赖于驱使容器体积减小的外部力的量，该力可由外界压力来供应。对于仅沿着其长度方向基本为柔性的容器540a-b，体积的扩展/收缩是长度上的扩展/收缩，并且因此是辐射器520与反射器510之间的间距dSEP上的扩展/收缩。在一些示例中，除了波纹状金属外可额外地采用另外的半刚性材料，或者可替换地采用另外的半刚性材料以代替波纹状金属，以允许该容器响应于外界压力的改变系统性地收缩。
通过使用基本被排空的压力敏感容器(例如，通过在内腔中提供接近真空的压力)，与装满液体(诸如气体)的相当的容器相比，容器540a-b合意地对温度变化展现出更大的不灵敏性。例如，在高空处，高空平台可取决于夜晚时间或者白天时间而在接收大量太阳辐射辐照以及实质上不接收辐射之间交替。在高空平台暴露于太阳辐射的时段期间(例如，对地静止平台在日间时间期间)，在压力敏感容器内收集的任何气体将被加热，并且经历膨胀。类似地，在没有暴露于太阳辐射的时段期间(例如，对地静止平台在夜间时间期间)，这种气体将被冷却，并且经历收缩。这种在压力敏感容器内的气体依赖于温度的膨胀和收缩将基本上独立于高度的变化，从而必须被单独补偿。其它热变化源也是可能的，诸如由于高空平台的有效载荷上的电子器件的操作，以及其它源。然而，排空压力敏感容器的内腔基本上去除了这种容器的内腔依赖于温度的压力波动。
可替换地，内腔可充满液体，诸如气体，并且内腔可与容器540a的端盖中的至少一个流体连接，从而内腔内的压力至少基本与压力敏感容器540a上的外部压力平衡。内腔可被密封，从而内腔内的压力与容器540a的体积成反比。从而，在低外界压力下，压力敏感容器扩展到大体积以允许内腔中的压力至少大致与大气压力平衡。类似地，在高外界压力下，压力敏感容器收缩到小体积。如以上所指明的，容器540a-b内的气体可使得容器依赖于温度变化(该温度变化与依赖于高度的温度变化区分开)地扩展和收缩，所以间距dSEP可具有单独的基于温度的补偿系统。
天线501无源地基于高度调整dSEP，因为平流层的压力一般而言随着高度减小，并且因此天线501用作高度敏感度的代理。结果，天线501在外界压力较低的较大高度处具有更大的间距(并且因此具有更窄的辐射模式)，从而压力敏感容器540a-b扩展。类似地，天线501在外界压力更大从而压力敏感容器540a-b收缩的更小高度处具有更小的间距(并且因此具有更宽的辐射模式)。
图5C是具有可动态调整的发射模式的另一天线502的简化框图。天线502类似于天线501，除了辐射器520被安排为相对于天线502所安装到的气球的有效载荷基本固定，并且反射器510被悬挂以相对于辐射器520移动。反射器510可连接到支撑结构546，该支撑结构经由压力敏感容器542a-b连接到一个或多个锚定点562a-b。锚定点562a-b可相对于天线502所安装到的气球的有效载荷基本固定(并且也相对于辐射器520基本固定)。辐射器520与反射器510之间的间距dSEP从而响应于外界压力的改变由于压力敏感容器542a-b的扩展/收缩而被自动调整，压力敏感容器542a-b的扩展/收缩相对于锚定点562a-b移动支撑结构546，从而移动反射器510。与图5B中的天线501相比，图5C中所示的天线502的配置可允许辐射器520在结构上相对于气球的有效载荷固定。结果，馈送给辐射器520的信号的传输线可沿着固定的、不可移动的结构元件连接。
在一些示例中，(一个或多个)压力敏感容器540a-b、542a-b每个可以是具有波纹状(例如，肋状(ribbed))的金属侧壁的大略为筒状的容纳装置，类似于气压传感器中采用的感压箱或者膜盒(aneroid)。虽然图5B和5C图示了连接到辐射器520(经由支撑结构545)和/或反射器510(经由支撑结构546)的多个压力敏感容器，但可调整联动装置的一些实施例可仅包括一个压力敏感容器或者多于两个压力敏感容器。
下面联系图6描述被配置为膜盒的压力敏感容器(例如，具有作为响应能够收缩或扩展的至少一个柔性表面的容器)的示例。然而，一些示例可额外地或者可替换地包括被布置为响应于外界压力改变而盘卷/展开的空心管(例如，波登管，等等)和/或机械地响应外界压力的变化的其它系统或设备。天线可被配置为基于这样的系统或设备的机械响应而变更其波束模式。
此外，虽然本公开的一些实施例可适用于具有至少一个辐射器和至少一个反射器的天线，但一些实施例可适用于具有多种其它形状因子的天线。例如，一些实施例可适用于具有多个辐射器(例如，被驱动元件)和/或多个反射器(例如，无源元件)的天线。在一些实施例中，八木型天线(和/或包括偶极天线元件和/或寄生元件的其它天线)可被配置为使得一个或多个被驱动元件和/或一个或多个无源元件(例如，引向器、反射器，等等)具有至少部分依赖于压力敏感容器(和/或机械地响应外界压力的变化的其它系统或设备)的空间分隔。被驱动元件和/或无源元件之间依赖于压力的相对间隔然后可使得这种天线的方向性(例如，波束模式)被基于天线高度变更。因此，在一些示例中，八木型天线(或者具有多个被驱动元件和/或无源元件的另外的天线)可使元件之间的相对间隔以依赖于高度的方式被调整，以使得以依赖于高度的方式调整产生的辐射模式(从而至少部分地补偿地平面的地理边界和/或辐射模式的强度的变化)。
3b)压力敏感容器
图6A示出了扩展状态下的压力敏感容器600。图6B示出了收缩状态下的压力敏感容器600。压力敏感容器600包括第一端盖602和第二端盖604。柔性侧壁610连接第一和第二端盖602、604以便围闭一内腔。内腔可基本被排空，并且可具有接近真空的压力。柔性侧壁610包括沿着横向于容器600的长度的方向的多个交替的隆起614a-c和凹槽612a-b，容器600的长度在两个端盖602、604之间延伸。交替的隆起614a-c和凹槽612a-b相结合以产生允许柔性侧壁610沿着容器600的长度扩展/收缩的波纹状结构。柔性侧壁610和/或端盖602、604例如可由刚性金属材料(诸如铝)形成。此外，压力敏感容器中的接合处和/或接缝可用柔性密封剂和/或薄膜(诸如聚合材料等等)密封，以便密封由端盖602、604和柔性侧壁610所围闭的内腔。
例如，容器600可通过沿着柔性侧壁610的波纹状隆起614a-c和凹槽612a-b挠曲接合来扩展/收缩。在图6A中所示的扩展状态下，压力敏感容器600的长度(例如，相对的端盖602、604之间的距离)是LEXP。在图6B中，在收缩状态下，压力敏感容器600的长度是LCOMP。通过以被配置为(经由柔性侧壁610)在一个维度上扩展/收缩的刚性材料形成压力敏感容器600，压力敏感容器600利用容器600的体积的压力敏感的扩展/收缩以使得容器600改变长度。
在图6A中，压力敏感容器600可处于低外界压力环境，诸如在平流层中的较高高度(例如，大约25km)处遇到的环境。低外界压力对压力敏感容器600的外壁产生相对较小的力，并且柔性侧壁610扩展以使得容器600具有长度LEXP。在图6B中，压力敏感容器600可处于较高外界压力环境，诸如在平流层中的较低高度(例如，大约18km)处遇到的环境。较高的外界压力对压力敏感容器600的外壁产生相对较大的力，并且柔性侧壁610收缩以使得容器600具有长度LCOMP。
一般地，压力敏感容器600可包括处于低压力的内腔从而保留在腔中的气体施加比侧壁上的大气更小的压力。例如，内腔可处于真空或者接近真空压力。在操作中，当腔外部的气压增大或减小时，柔性侧壁610分别允许膜盒(或者其它容器)收缩或扩展。在一些实施例中，柔性侧壁610充当避免膜盒崩缩的弹簧。因而，用于此柔性表面的合适材料包括铝、不锈钢、黄铜、铜、蒙乃尔合金和/或青铜。本文也设想到了随着变化的温度以及多个扩展和收缩循环维持其弹簧率的其它金属或者塑料。在一些实施例中，膜盒可采取以下各项的形式：具有下表面、上表面和至少一个可折叠侧壁或者其它柔性表面的腔，感压箱，具有柔性膜片的仓(capsule)，和/或具有波纹状膜片的堆叠的压力仓。前述列表不打算穷举，而是仅作为示例提供。
3c)平面反射器天线
图7A是具有平面反射器708的天线700的简化图。图7A中所示的天线700可被配置为安装到高空气球的有效载荷以使其面向地面，与以上联系图4-5所述的天线类似。辐射元件702位于平面反射器708下方，并且根据(例如，来自发送器的)输入信号进行辐射。辐射元件702和反射器708在一些示例中可类似于贴片天线(patch antenna)。在一些示例中，辐射元件可以是平坦的导电组件。辐射元件可大约是50毫米乘50毫米，或者可具有其它尺寸，包括非正方形尺寸(例如，矩形等等)。反射器708可以是与辐射元件702平行的平坦的导电组件平面。反射器可大约是300毫米乘300毫米，或者可具有其它尺寸，包括非正方形尺寸(例如，矩形等等)。支撑臂704相对于反射器708悬挂辐射元件702，并且也可用于将传输信号传送到辐射元件702。如图7A中所示，辐射元件702和/或反射器708在形状上可以是矩形，并且甚至可以例如是正方形。
可调整联动装置706连接到支撑臂并且被配置为根据天线700的高度调整辐射元件702与反射器708之间的间距dSEP。联动装置706可以是具有被操作来基于所确定的天线高度调整间距的可移动组件的有源联动装置，与联系图5A描述的有源可调整联动装置类似。额外地或者可替换地，联动装置706可以是无源联动装置，其包括被连接以响应于外界压力的改变调整间距dSEP的一个或多个压力敏感容器，该联动装置与联系图5B和5C所述的无源可调整联动装置类似。
图7B是具有平面反射器718的另一天线710的简化图。图7B中所示的天线710可被配置为安装到高空气球的有效载荷以使其面向地面，与以上联系图4-5所述的天线类似。辐射元件712位于平面反射器718下方，并且根据(例如，来自发送器的)输入信号进行辐射。辐射元件712和反射器718在一些示例中可类似于贴片天线。在一些示例中，辐射元件可以是平坦的导电组件，其具有大约50平方毫米的面积。反射器718可以是与辐射元件712平行并且具有大约300平方毫米面积的平坦的导电组件。支撑臂714相对于反射器718悬挂辐射元件712，并且也可用于将传输信号传送到辐射元件712。如图7B中所示，辐射元件712和/或反射器718可具有圆形边缘，并且甚至可以例如是圆形的。
可调整联动装置716连接到支撑臂并且被配置为根据天线710的高度调整辐射元件712与反射器718之间的间距dSEP。联动装置716可以是具有被操作来基于所确定的天线高度调整间距的可移动组件的有源联动装置，与联系图5A描述的有源可调整联动装置类似。额外地或者可替换地，联动装置716可以是无源联动装置，其包括被连接以响应于外界压力的改变调整间距dSEP的一个或多个压力敏感容器，该联动装置与联系图5B和5C所述的无源可调整联动装置类似。
4.示例方法
图8A是根据示例实施例的用于动态地调整天线发射模式的过程800的流程图。图8A中图示的过程800可由本文描述的面向地面的安装在气球上的天线中的任何一个单独实现或者由其结合硬件和/或软件实现的功能模块实现。在块802，从安装到高空气球的面向地面的天线发射辐射。例如，可从天线408发射辐射以便照射在地平面的地理区域，如联系图4所述。在块804，响应于天线高度的改变来调整天线的发射模式。例如，如联系图4所述，天线408的发射模式可从在高度A1时具有角度跨度θ1的宽模式改变为在到达高度A2之时具有角度跨度θ2的更加定向的模式。在块806，当在新高度时，天线根据调整后的发射模式来发射辐射。如虚线所指示的，可以可选地重复过程800以使得发射模式被间歇地(或者甚至可能连续地)根据天线的当时的当前高度更新。
此外，在块804，可额外地或者可替换地响应于影响地平面与在高空的天线之间的信号传播的其它方面来调整发射模式。例如，可基于以下各项来调整发射模式：相对高度(例如，从地平面到天线的距离)的变化，天气条件(例如，对对流层的水汽和/或水滴密度的估计)的变化，和/或在地平面信号方面的接收信号条件(例如，如关于在地面台站的接收信号强度的反馈所指示的)的其它变化，如以上联系图4A和4B所描述的。
图8B是根据示例实施例的用于动态地调整天线发射模式的过程810的流程图。图8B中图示的过程810可由本文描述的面向地面的安装在气球上的天线中的任何一个单独实现或者由其结合硬件和/或软件实现的功能模块实现。在块812，从安装到高空气球的面向地面的天线发射辐射。例如，可从天线408发射辐射以便照射在地平面的地理区域，如联系图4所述。在块814，天线组件和/或相关联的控制系统确定天线的高度是否已增大。如果高度增大了，则通过增大天线的反射器与辐射器之间的间距来调整天线的发射模式(816)。增大的间距使得产生的天线辐射模式具有更窄的角度跨度(例如，更加定向，与图4B中具有角度跨度θ2的发射模式405类似)。过程810然后返回到块812以从面向地面的天线发射辐射。
块814可涉及高度确定逻辑接收传感器输入并确定天线的高度，与图5A中对高度确定逻辑552的论述类似。然而，块814中的决定也可由作为高度代理的基于外界压力调整辐射器与反射器之间的间距的无源压力敏感容器隐式执行，该容器与联系图5B和5C所述的无源的高度敏感的联动装置类似。
如果块814确定高度没有增大，则在块818，天线组件和/或相关联的控制系统确定天线的高度是否已经减小。如果高度减小了，则通过减小天线的反射器与辐射器之间的间距来调整天线的发射模式(820)。减小的间距使得产生的天线辐射模式具有更宽的角度跨度(例如，更加分散，与图4A中具有角度跨度θ1的发射模式404类似)。过程810然后返回到块812以从面向地面的天线发射辐射。
与块814类似，块818可涉及高度确定逻辑接收传感器输入并确定天线的高度，与图5A中对高度确定逻辑552的论述类似。然而，块818中的决定也可由作为高度代理的基于外界压力调整辐射器与反射器之间的间距的无源压力敏感容器隐式执行，该容器与联系图5B和5C所述的无源的高度敏感的联动装置类似。
如虚线所指示的，可以可选地重复过程810以使得发射模式被间歇地(或者甚至可能连续地)根据天线当时的当前高度更新。
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9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902来提供示例计算机程序产品900。信号承载介质902可包括一个或多个编程指令904，这些编程指令904在被一个或多个处理器执行时可提供以上关于图1-8描述的功能或功能的部分。在一些示例中，信号承载介质902可包含计算机可读介质906，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902可包含计算机可记录介质908，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902可包含通信介质910，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902可由无线形式的通信介质910来传达。
一个或多个编程指令904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906、计算机可记录介质908和/或通信介质910中的一个或多个传达到计算机系统312的编程指令904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外的计算设备，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。

Claims (20)

1.一种被配置为安装到高空平台的天线，所述天线包括：
辐射器，其被配置为根据馈送的信号发射辐射；
反射器，其被配置为引导从辐射器发射的辐射以使得反射的辐射通过至少部分地由辐射器与反射器之间的间距确定的发射模式来表征，其中，反射器被配置为被定位成使得当所述高空平台在高处时在面向地面的方向上引导所述发射模式；以及
联动装置，其被配置为根据高空平台的高度调整辐射器与反射器之间的间距。
2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述联动装置包括容器，所述容器被布置为使得该容器的体积的改变引起辐射器与反射器之间的间距的相应改变。
3.根据权利要求2所述的天线，其中，所述容器被配置为使得该容器的体积是基于外界压力的，进而使得所述间距至少部分地基于所述外界压力。
4.根据权利要求2所述的天线，其中，所述容器包括连接在具有多个肋状物的一个或多个侧壁之间的端盖，以允许该容器响应于外界压力的改变，基本上通过经由所述多个肋状物扩展或收缩所述一个或多个侧壁的长度、由此改变所述端盖之间的距离来改变体积，并且
其中，所述端盖被连接为使得辐射器与反射器之间的间距对应于所述端盖之间的距离。
5.根据权利要求4所述的天线，
其中，所述容器包括具有至少部分为波纹状的金属侧壁的大略为筒状的膜盒，并且
其中，所述容器的内腔基本被排空。
6.根据权利要求1所述的天线，还包括控制器，其被配置为：(i)确定所述高空平台的高度，以及(ii)使得所述联动装置基于所确定的高度来调整辐射器与反射器之间的间距。
7.根据权利要求1所述的天线，其中，所述联动装置还被配置为通过如下方式动态地调整辐射器与反射器之间的间距：(i)响应于天线的高度的增大而增大该间距，以及(ii)响应于天线的高度的减小而减小该间距。
8.根据权利要求1所述的天线，其中，所述间距被动态地调整以使得在于地平面接收发射的辐射的地理区域中，由于高空平台的高度的变化而导致的在地平面接收到的辐射的强度的变化被至少部分地补偿。
9.根据权利要求1所述的天线，其中，所述间距被动态地调整以使得在于地平面接收发射的辐射的地理区域中，由于高空平台的高度的变化而导致的接收辐射的地理区域的边界的变化被至少部分地补偿。
10.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线还被配置为从由所述发射模式所定义的区域接收辐射。
11.根据权利要求1所述的天线，其中，所述天线还被配置为向在地平面的无线电台站发送信号。
12.一种气球；包括：
气囊；
有效载荷，其被配置为悬挂于气囊；以及
天线，其安装到有效载荷并且被定位为使得当气球在高处时其是面向地面的，所述天线包括：(i)辐射器，其被配置为根据馈送的信号发射辐射；(ii)反射器，其被配置为根据至少部分根据辐射器与反射器之间的间距确定的辐射模式引导从辐射器发射的辐射；以及(iii)联动装置，被配置为根据气球的高度调整辐射器与反射器之间的间距。
13.根据权利要求12所述的气球，其中，所述联动装置包括容器，所述容器被布置为使得该容器的体积的改变引起辐射器与反射器之间的间距的相应改变。
14.根据权利要求13所述的气球，其中，所述容器被配置为使得该容器的体积是基于外界压力的，从而使得所述间距至少部分地基于所述外界压力。
15.根据权利要求13所述的气球，
其中，所述容器包括连接在具有多个肋状物的一个或多个侧壁之间的端盖，以允许该容器响应于外界压力的改变，基本上通过经由所述多个肋状物扩展或收缩所述一个或多个侧壁的长度、从而改变所述端盖之间的距离来改变体积，
其中，所述端盖以及所述一个或多个侧壁围闭基本被排空的内腔，并且
其中，所述端盖被连接为使得辐射器与反射器之间的间距对应于所述端盖之间的距离。
16.根据权利要求12所述的气球，还包括控制器，其被配置为：(i)确定所述气球的高度，以及(ii)使得所述联动装置基于所确定的高度来调整辐射器与反射器之间的间距。
17.根据权利要求12所述的气球，其中，所述联动装置还被配置为通过如下方式动态地调整辐射器与反射器之间的间距：(i)响应于气球的高度的增大而增大该间距，以及(ii)响应于气球的高度的减小而减小该间距。
18.一种基于高度动态调整波束的宽度的方法，包括：
从天线发射辐射，所述天线被配置为安装到相关联的气球的有效载荷，其中所述天线具有至少部分地由天线的辐射器与反射器之间的间距确定的发射模式，并且其中，所述天线被配置为定位为使得当相关联的气球在高处并且所述天线被安装到有效载荷时在面向地面的方向上引导所述发射模式；
响应于相关联的气球的高度的减小来减小辐射器与反射器之间的间距；以及
响应于相关联的气球的高度增大来增大辐射器与反射器之间的间距。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
确定相关联的气球的高度；以及
使得联动装置基于所确定的高度来调整辐射器与反射器之间的间距。
20.根据权利要求18所述的方法，
其中，联动装置包括容器，所述容器被布置为使得该容器的体积的改变引起辐射器与反射器之间的间距的相应改变；并且
其中，所述容器被配置为使得该容器的体积是基于外界压力的，从而使得所述间距至少部分地基于所述外界压力。
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