(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測船及び上記観測船に搭載された音響送受信機と、上記観測船から距離Ｌ１離間するように第一曳航索を介して曳航されるようにした第一水面曳航体、第一水面曳航体から後方に距離Ｌ２離間するように第一曳航索を介して曳航されるようにした第二水面曳航体及び上記観測船から距離Ｌ３離間するように第一曳航索を介して第一水面曳航体と並列に曳航され、上記第一水面曳航体及び上記第二水面曳航体とにより三角形の基線を構成するように配置されたもう一つの第二水面曳航体と、上記観測船に第二曳航索を介して曳航されるようにした深海曳航器と、上記第一水面曳航体に搭載され上記観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び音響送受波器と、上記二つの第二水面曳航体にそれぞれ搭載され観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び音響受波器と、上記深海曳航器に搭載された音響トランスポンダ及び深度計と、上記観測船上に搭載され、上記グローバル・ポジショニング・システムによって計測した音響送受波器及び各音響受波器自身の位置データと上記音響送受波器から発信された音響パルス及び上記深度計からの深度データである音響パルスを上記音響トランスポンダを介して上記音響送受波器及び各音響受波器に送信することにより得られる上記音響送受波器及び音響受波器から上記音響トランスポンダまでの距離データとに基づいて上記深海曳航器の位置を算出する演算装置とを有する水中移動体の測位装置。
【請求項２】
観測船及び上記観測船に搭載された音響送受信機と、上記観測船から距離Ｌ１離間するように第一曳航索を介して曳航されるようにした第一水面曳航体、第一水面曳航体から後方に距離Ｌ２離間するように第一曳航索を介して曳航されるようにした第二水面曳航体及び上記観測船から距離Ｌ３離間するように第一曳航索を介して第一水面曳航体と並列に曳航され、上記第一水面曳航体及び上記第二水面曳航体とにより三角形の基線を構成するように配置されたもう一つの第二水面曳航体と、上記観測船に第二曳航索を介して曳航されるようにした深海曳航器と、上記第一水面曳航体に搭載され上記観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び音響送受波器と、上記二つの第二水面曳航体にそれぞれ搭載され観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び音響受波器と、上記深海曳航器に搭載された同期ピンガまたはレスポンダ及び深度計と、上記観測船上に搭載され、上記グローバル・ポジショニング・システムによって計測した各音響受波器自身の位置データと上記同期ピンガまたはレスポンダからの音響パルス及び上記深度計からの深度データである音響パルスを上記各音響受波器に送信することにより得られる上記各音響受波器から上記同期ピンガまたはレスポンダまでの距離データとに基づいて上記深海曳航器の位置を算出する演算装置とを有することを特徴とする水中移動体の測位装置。
【請求項３】
深海曳航器に海底高度計を搭載したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の水中移動体の測位装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、深海曳航器等の水中移動体の測位装置に関し、特にグローバル・ポジショニング・システムあるいはデファレンシャル・グローバル・ポジショニング・システム（本明細書において、両者を総称して単に「グローバル・ポジショニング・システム」あるいは「ＧＰＳ」という。）、ロランＣ及びマイクロウエーブを使用したショートレンジ電波測位システム等（本明細書において、これら電波を使用して測位するシステムを総称して「電波測位システム」という。）と音響測位方式とを組み合わせた水中移動体の測位装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＬＢＬ方式（Ｌｏｎｇ  Ｂａｓｅ  Ｌｉｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）による水中移動体の測位装置では、図７に示すように３個の音響トランスポンダ４、４，４を海底の各々の位置に設置し、観測船２の船底に設置されたトランスジューサ３と各々の音響トランスポンダ４、４，４との直距離を音波の往復伝送時間から測定することによって、各音響トランスポンダ４、４，４で作られる座標系から見たトランスジューサ３の位置をまず求める。次に、水中移動体１と各々の音響トランスポンダ４、４，４との間の直距離及び水中移動体１と観測船２のトランスジューサ３との直距離を測定することによって、各々の音響トランスポンダ４、４，４で作られる座標系から見た水中移動体１の位置を測定していた。
【０００３】
また、従来のＳＳＢＬ方式（Ｓｕｐｅｒ  Ｓｈｏｒｔ  Ｂａｓｅ  Ｌｉｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）では、観測船の船底または舷側に固定したトランスジューサと水中移動体に設置した音響トランスポンダとの間で音響の送受を行い、両者間の直距離および水中移動体の方向を測定するものであった。
また、従来のＬＢＬ方式を発展させたものとしては、図８に示すような測位方式が提案されている。この例では、母船２及び２隻の支援船３，３に各々ＧＰＳ及び受波器４，５，５を搭載しておき、潜水調査船１に搭載された同期ピンガ６からの深度データを含む発信パルスを各受波器４，５，５が受信することにより潜水調査船１の位置を測定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＬＢＬ方式による水中移動体の測位装置では、測位精度は良いものの、音響トランスポンダを最低３本設置する必要があり、その測定範囲は３〜４ｋｍ四方程度であり、広範囲に測定するにはトランスポンダを多数海底に設置する必要があった。また、予め、各トランスポンダの水深と相対位置を決定しておく（キャリブレーションと呼ばれる。）必要があり、測位の作業能率は良くない。
【０００５】
また、従来のＳＳＢＬ方式は、複数のトランスポンダの設置やキャリブレーションが不要のため測位の作業能率は良いが、基線長が短いことから長距離の測位では測位精度が低下するという欠点を有している。
また、図８に示す方式では、支援船２隻を使用するため装置が大規模になり、操船者も必要である。また、各受波器を設置する母船及び支援船にはスクリューを備えているため船体ノイズの影響で測位が不能になることがある。また、支援船で得たデータを無線で母船に送るため無線装置が必要であり、また、電波法の規制を受けることから外国の領海で使用できないといった欠点があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の技術が有する課題を解決するために提案されたものであり、３本以上の海底トランスポンダの設置  とかキャリブレーションといった作業が不要であり、かつ測位精度が良く、また装置を大規模にすることのない水中移動体の測位装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明による水中移動体の測位装置は、観測船及び上記観測船に搭載された音響送受信機と、上記観測船に第一曳航索を介して曳航されるようにした第一水面曳航体及び第二水面曳航体と、上記観測船に第二曳航索を介して曳航されるようにした深海曳航器と、上記第一水面曳航体に搭載され上記観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続され電波測位システムで測位される音響送受波器と、上記第二水面曳航体に搭載され観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続され電波測位システムで測位される２つの音響受波器と、上記深海曳航器に搭載された音響パルス発信器と、上記観測船上に搭載され、音響送受波器及び各音響受波器自身の位置データと上記音響送受波器及び音響受波器から上記音響パルス発信器までの距離データとに基づいて上記深海曳航器の位置を算出する演算装置とを有する構成としている。
【０００８】
また、本発明による水中移動体の測位装置は、観測船及び上記観測船に搭載された音響送受信機と、上記観測船に第一曳航索を介して曳航されるようにした第一水面曳航体及び第二水面曳航体と、上記観測船に第二曳航索を介して曳航されるようにした深海曳航器と、上記第一水面曳航体に搭載され上記観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び音響送受波器と、上記第二水面曳航体に搭載され観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び２つの音響受波器と、上記深海曳航器に搭載された音響トランスポンダ及び深度計と、上記観測船上に搭載され、上記グローバル・ポジショニング・システムによって計測した音響送受波器及び各音響受波器自身の位置データと上記音響送受波器から発信された音響パルス及び上記深度計からの深度データである音響パルスを上記音響トランスポンダを介して上記音響送受波器及び各音響受波器に送信することにより得られる上記音響送受波器及び音響受波器から上記音響トランスポンダまでの距離データとに基づいて上記深海曳航器の位置を算出する演算装置とを有する構成としている。
【０００９】
また、本発明による水中移動体の測位装置は、観測船及び上記観測船に搭載された音響送受信機と、上記観測船に第一曳航索を介して曳航されるようにした第一水面曳航体及び第二水面曳航体と、上記観測船に第二曳航索を介して曳航されるようにした深海曳航器と、上記第一水面曳航体に搭載され上記観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び音響受波器と、上記第二水面曳航体に搭載され観測船上の音響送受信機に通信ケーブルで接続されたグローバル・ポジショニング・システム及び２つの音響受波器と、上記深海曳航器に搭載された同期ピンガまたはレスポンダ及び深度計と、上記観測船上に搭載され、上記グローバル・ポジショニング・システムによって計測した各音響受波器自身の位置データと上記同期ピンガまたはレスポンダからの音響パルス及び上記深度計からの深度データである音響パルスを上記各音響受波器に送信することにより得られる上記各音響受波器から上記同期ピンガまたはレスポンダまでの距離データとに基づいて上記深海曳航器の位置を算出する演算装置とを有する構成としている。また、また、本発明による水中移動体の測位装置は、更に、深海曳航器に海底高度計を搭載する構成としている。
【００１０】
【作用】
上述した構成によれば、まず、電波測位システムによって第一水面曳航体の音響送受波器及び第二水面曳航体の各音響受波器の位置が決定される。次に、第一水面曳航体の音響送受波器及び第二水面曳航体の２つの音響受波器から深海曳航器の音響パルス発信器までの直距離を音波の伝送時間から求める。これら３個の直距離を半径とする球面の交点が音響トランスポンダの位置であるから、この交点を求めることにより、深海曳航器の測位が可能となる。
また、計算を簡単にし、測位精度を上げるため、音響パルス発信器の深度を測定し、上記３個の直距離とこの深度とから、第一水面曳航体の音響送受波器及び第二の水面曳航体の２つの音響受波器から深海曳航器の音響パルス発信器までのそれぞれの水平距離を求めることもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による水中移動体の測位装置の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１および２は、海底等の調査を行う水中移動体である深海曳航器１の測位を行うための装置全体を示した図であり、図１は正面図、図２は平面図である。
深海曳航器１には、音響トランスポンダ２、深度計３及び海底高度計４が搭載されており、母船である観測船５に第二曳航索１５を介して曳航されるようになっている。なお、上記音響トランスポンダ２に替えて図示しない同期ピンガまたはレスポンダを用いるようにしても良い（本明細書において、音響トランスポンダ、同期ピンガおよびレスポンダを総称して「音響パルス発信器」という。）。この場合、後記する第一水面曳航体６の音響送受波器８は音響受波器が用いられる。
この深海曳航器１は、海底の深さに応じて移動するものであるが、最大約６０００ｍの深さまで潜水可能である。深度計３としては、圧力式深度計が適している。
【００１２】
第一水面曳航体６には音響送受波器８及び電波測位システム、例えばＧＰＳ受信機１１が搭載されており、観測船５から距離Ｌ１（例えば５０ｍ程度）離間するように第一曳航索１４を介して観測船５に曳航される。また、  第二水面曳航体７にはその両側に音響受波器９，１０が搭載されるとともに電波測位システム、例えばＧＰＳ受信機１２及び方位計１３が搭載されており、第一水面曳航体６から後方に距離Ｌ２（例えば１００ｍ程度）離間して第一曳航索１４を介して観測船５に曳航されるようになっている。
また、第二水面曳航体７の２つの音響受波器９，１０の各々の直上にＧＰＳ受信機を設置する場合は方位計を設ける必要がない。
距離Ｌ１は、音響送受波器８が観測船５のノイズを受けないように適宜設定されるものであり、また、距離Ｌ２は、測位精度の関係から適宜設定される。水面曳航体６及び７は長さ２ｍ、幅１ｍ程度で十分であり、例えばサーフボードの利用が考えられる。
【００１３】
図３は、図１および図２に示したものの変形例であり、図１および図２に示した第二水面曳航体７に搭載された２つの受波器９，１０のうちの一方の受波器９をもう一つの第二水面曳航体７’に搭載する。この際、新たに設ける第二水面曳航体７’は観測船５から直接、第一曳航索１４を介して距離Ｌ３離間して第一水面曳航体６と並列に配置され、第一水面曳航体６及び第二水面曳航体７と共に三角形の基線を構成する。この方式によれば、図１および図２に示したものに比べ基線が長くとれることから、その測位精度の向上が図れる。
なお、この場合、第二水面曳航体７’にもＧＰＳ受信機１２が搭載されることから、方位計を設置する必要はない。
【００１４】
図４は音響パルス等の情報を処理する装置を示しており、観測船５には  音響送受信器１６及び演算装置１７が搭載され、音響送受信機１６は音響送受波器８及び音響受波器９，１０と通信ケーブルで接続され、演算装置１７はＧＰＳ受信機１１，１２及び方位計１３と通信ケーブルで接続されている。音響送受波器８から発信された音響パルスは深海曳航器１に搭載された音響トランスポンダ２によって受信され、音響トランスポンダ２はその受信パルスに基づいて音響パルスを発信する。
なお、音響トランスポンダに替えて同期ピンガまたはレスポンダを用いる場合は同期ピンガまたはレスポンダ自らが音響パルスを発信するので音響送受波器からの音響パルスの発信の必要はない。
【００１５】
また、深度計３からの深度データはパルス間隔変調され音響トランスポンダ２から、２番目の音響パルスとして発信される。
音響トランスポンダ２から発信された１番目の音響パルスは音響送受波器８，音響受波器９，１０によって受信され、音響送受波器８が発信してから音響送受波器８及び各音響受波器９，１０が受信するまでの時間を音響送受信機１６が計測するようになっている。
【００１６】
深海曳航体１の位置を測位するには、図５において、まず、音響送受波器８の位置（ａ１、ｂ１）がＧＰＳ受信機１１により決定され、また、音響受波器９，１０の位置（ａ２，ｂ２）、（ａ３、ｂ３）が方位計１３の方位データとＧＰＳ受信機１２の測位データとを組み合わせることにより（第１，２図の場合）、あるいはＧＰＳ受信機１２の測位データにより（第３図の場合）決定される。
次に、トランスポンダ２から発信された１番目のパルスを音響送受波器８及び音響受波器９，１０が受信することにより、音響送受波器８が発信してから各音響受波器８，９，１０が受信するまでの各時間  Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を音響送受信機１６により測定する。
【００１７】
これにより、音響トランスポンダ２と音響送受波器８、音響受波器９，１０とのそれぞれの直距離Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は音速をＶとすると、Ｒ１＝Ｖ×Ｔ１、Ｒ２＝Ｖ×Ｔ２、Ｒ３＝Ｖ×Ｔ３  として求めることができる。直距離Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を半径とする球面の交点が音響トランスポンダ２の位置となるので、直距離Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３から音響トランスポンダ２の位置を計算から求めることが可能である。
しかし、計算を簡単にし、測位精度を上げるために、音響トランスポンダ２の深度Ｄを測定することが実用的である。音響トランスポンダ２の深度Ｄは、音響トランスポンダ２からの２番目のパルスとして音響送受波器８が受信することにより算出できる。
したがって、音響トランスポンダ２と音響送受波器８、音響受波器９，１０とのそれぞれの水平距離Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、Ｓ１２＝Ｒ１２−Ｄ２、Ｓ２２＝Ｒ２２−Ｄ２、Ｓ３２＝Ｒ３２−Ｄ２  として求められる。
【００１８】
これらＳ１，Ｓ２，Ｓ３の交点が深海曳航器１に搭載された音響トランスポンダ２の位置（ｘ、ｙ）となる。この位置（ｘ、ｙ）は次の式により求められる。
（ｘ−ａ１）２＋（ｙ−ｂ１）２＝Ｓ１２
（ｘ−ａ２）２＋（ｙ−ｂ２）２＝Ｓ２２
（ｘ−ａ３）２＋（ｙ−ｂ３）２＝Ｓ３２
【００１９】
上記例では、深海曳航器１に音響トランスポンダ２を搭載しているが、この音響トランスポンダ２に替えて同期ピンガやレスポンダを使用することもできる。音響トランスポンダは水面から送信された音波を音響トランスポンダが受信できないと応答波を発信しないが、同期ピンガおよびレスポンダはそのようなことはない。しかし、同期ピンガ方式では、船上側と水中の同期ピンガの同期が狂うと、レンジデータに誤差が発生する。
【００２０】
また、上記した曳航索１５による深海曳航器１を曳航するオフライン曳航方式（海底の状況をオンラインで観測船に送らない方式）では、曳航体が海底に衝突しないよう配慮する必要がある。そのため、エコーサウンダ等の海底高度計を音響トランスポンダ２に接続し、海底からの高さを測定し、パルス間隔変調で３番目のパルスで送るようにすることも有用である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、まず、第一、第二の水面曳航体にそれぞれ搭載されたＧＰＳなどの電波測位システムによって第一水面曳航体の音響送受波器及び第二水面曳航体の各音響受波器の位置が決定され、次いで、第一水面曳航体の音響送受波器、第二水面曳航体の音響受波器から深海曳航器の音響トランスポンダまでの直距離と深海曳航器の深度データとから第一、第二の水面曳航体から深海曳航器までのそれぞれの水平距離が求められることになり、深海曳航器の測位が可能となる。
これにより従来のＬＢＬ方式のように最低３本の音響トランスポンダを海底に設置するといった作業が不要であり、また、キャリブレーションの作業も不要となる。また、測定範囲が音響トランスポンダの設置範囲に限定されることがないため、広範囲となる。
【００２２】
また、従来のＳＳＢＬ方式に比べ基線長が長いので、測位精度が良好である。また、図８に示す母船及び支援船を用いる方式に比べ、支援船２隻を使用する必要がないため装置が大型になることもなく操船者も不要となる。また、各受波器を設置する水面曳航体にはスクリューを備えていないため船体ノイズの影響で測位精度が悪くなるということもない。また、音響送受波器及び音響受波器で得たデータを観測船に送るための無線装置が不要であり、また、電波法の規制を受けることもないといった利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水中移動体の測位装置の一実施例を示す全体正面図である。
【図２】本発明による水中移動体の測位装置の一実施例を示す全体平面図である。
【図３】本発明による水中移動体の測位装置の他の実施例を示す全体平面図である。
【図４】本発明による水中移動体の測位装置の情報処理の一実施例を示すブロック図である。
【図５】本発明による水中移動体の測位装置の各機器の音響パルスの発信及び受信状況を示すタイムチャート図である。
【図６】本発明による水中移動体の測位装置の深海曳航器の測位方式を示した説明図である。
【図７】従来の水中測位装置であるＬＢＬ方式を示した図である。
【図８】従来の水中測位装置である母船及び支援船を用いる方式を示した図である。
【符号の説明】
１  深海曳航器
２  音響トランスポンダ
３  深度計
４  海底高度計
５  観測船
６  第一水面曳航体
７、７’  第二水面曳航体
８  音響送受波器
９、１０  音響受波器
１１，１２  ＧＰＳ受信機
１３  方位計
１４  第一曳航索
１５  第二曳航索
１６  音響送受信機
１７  演算装置
【図１】
0003561881.tif 000002
【図２】
0003561881.tif 000003
【図３】
0003561881.tif 000004
【図４】
0003561881.tif 000005
【図５】
0003561881.tif 000006
【図６】
0003561881.tif 000007
【図７】
0003561881.tif 000008
【図８】
0003561881.tif 000009