(57)【要約】【課題】本発明は、水中を移動する自律式水中ロボットの位置を，オペレイションフリーで高精度に補正することができる水中音響測位システムに関するものである。【解決手段】本発明の水中音響測位システムは、水上部において、オペレイターが送信作業あるいは演算処理を行うことなく、水中部からの質問信号に基づく音響応答信号を用いるだけで、前記水中部に対する位置データの取得精度、密度を安定的に向上させることができるものである。【選択図】図１
2018084445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中部から音響質問信号を水上部へ送信することによって、ＧＰＳに基づく前記水中部の位置情報を正確に得ることができる水中音響測位システムにおいて、
前記水上部に音響質問信号を送信し、前記音響質問信号に基づく位置情報を音響応答信号として受信する水中部と、
前記水中部からの音響質問信号を受信し、水中部に向かって位置情報からなる音響応答信号を送信する水上部と、
前記水中部からの前記音響質問信号を基にして、前記ＧＰＳから前記水中部に向かって送信された前記位置信号を基にして水中部の正確な位置を演算するための処理を行う前記水中部に設けられているデータ処理装置と、
から少なくとも構成されていることを特徴とする水中音響測位システム。
【請求項２】
前記水中部は、自律式水中ロボットであることを特徴とする請求項１に記載された水中音響測位システム。
【請求項３】
前記水上部は、少なくともイリジウムアンテナおよび/またはＧＰＳアンテナを有する無人のサーフェイスステイションからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された水中音響測位システム。
【請求項４】
前記データ処理装置は、カルマンフィルターを備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された水中音響測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中を移動する、たとえば自律式水中ロボットの位置をオペレーションフリーで高精度に補正することができる水中音響測位システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、水上で移動できる自律式水中ロボットは、GPSからの信号により、自身の位置を取得できる。しかし、水中を移動する自律式水中ロボットは、GPSからの信号が届かない場合があるため、自分自身の速度と方位データを組み合わせることにより、推定で位置を計算する慣性航法という手法がよく用いられている。前記自律式水中ロボットの速度は、対地速度計から、方位は、磁気コンパスもしくはジャイロセンサーから、それぞれ算出される場合が多い。しかし、以下の問題点があった。
【０００３】
前記対地速度計は、前記自律式水中ロボット自身から海底に向けて音波を発信し、その反射波を受信し、ドップラー効果の原理に基づいて、速度を算出している。しかし、前記自律式水中ロボットの機種や発信する音波の周波数によって反射波を受信できる海底までの距離に制限がある。したがって、前記算出方法は、制限距離を超えるような海域中において、速度を算出することができず、結果的に正確な位置を計算することができなかった。
【０００４】
方位について、磁気コンパスを使用する方式は、製品自体が低価格であるため、調達コストを低く抑えることができるが、方位精度があまり良くないという欠点があった。ジャイロセンサーを使用する方式は、高精度な方位を得ることができる一方で、購入価格が非常に高価である。また、ジャイロセンサーの物理的な取り付け誤差は、微小にすることができても、完全にゼロにすることは難しい。このため、長距離航行時には、微細な誤差が蓄積され、結果的に大きな航法誤差となる。この蓄積された誤差をリセットするためには、自律式水中ロボットが浮上し、GPSからの位置データを再度受信する必要があった。
【０００５】
図３は従来の自律式水中ロボットの位置を決める際の一例を説明するための図である。図３において、たとえば、自律式水中ロボット31は、水中30を自由に航行することができるものである。また、水中30には、所定の間隔を置いて、たとえば、２個の水中部トランスボンー32、33が設けられている。たとえば、海底に設置された前記２個の水中部トランスポンダー32、33は、基準局とし、音響質問信号311、312対する音響応答信号321、331を前記自律式水中ロボット31に返信する。前記自律式水中ロボット31は、前記音響質問信号311、312に基づいて自分自身の位置を算出することができる。その他の音響測位システムには、基線音響測位システム（LBL航法）、あるいは水上の支援船のGPSによる位置と、トランスポンダーを搭載した自律式水中ロボットとの相対的な位置を音波の到達時間と方位で算出する短基線音響測位システム（SSBL航法）、または超短基線音響測位システム（USBL航法）等がある。しかし、これらについても以下のような問題点がある。
【０００６】
前記長基線音響測位システムは、トランスポンダーを2カ所設置する必要があり、運用前の準備と費用に多くを要するという欠点があった。また、設置する場所は、投入した時のGPSの位置情報を用いることになるが、投入してから着底するまでに海流等により位置がずれるという欠点があった。前記方法は、着底した発信機の正確な位置を判断することは難しい。また、トランスポンダーは、設置する海域の水深が大きければ大きいほど誤差が顕著になるという欠点があった。
【０００７】
図４は従来の自律式水中ロボットの位置を決める際に支援船を利用した一例を説明するための図である。図４において、自律式水中ロボット41は、支援船42からの音響質問信号421に基づいた音響応答信号411が送り返され、船上部音響受波器422によって受信される。前記船上部音響送受波器422は、図示のような構成に配置されている。前記短基線音響測位システムあるいは超短基線音響測位システムの場合は、支援船42に送受波用の船上部を設置するだけなので長基線音響測位システムと比較して運用前の準備にあまり時間がかからない。しかし、図４に記載されているシステムは、支援船42から発信される音響質問信号421を自律式水中ロボット41の搭載トランスポンダーが応答し、その応答信号が音響応答信号として支援船42で受信している。前記システムは、伝播時間および受信アレイ間の位相差から位置を計算しているため、自律式水中ロボット41のスラスター回転や外部ノイズ環境によって自律式水中ロボット搭載トランスポンダーが支援船42からの音響質問信号421を正しく受信することができない。その結果、前記システムは、正確な位置を得ることが不可能になる。
【０００８】
また、測位と測位の間、あるいは測位が不可となった場合、自律式水中ロボット自身の慣性航法となるが、測位間の時間間隔あるいは測位不可能時間が大きくなると、自律式水中ロボットの位置誤差は、慣性航法誤差に準ずることになる。特に、ジャイロセンサーを使用しない磁気コンパスを使用する方式を採用する自律式水中ロボットにとっては、慣性誤差がもともと大きいため、精度よく航走させるためには、これらの外部位置補正の時間間隔が短いほど望ましい。また、前記システムは、位置補正を行う場合、逐一オペレイターが介在して送信作業を行う必要がある。
【０００９】
また、ＧＰＳの電波あるいは光は、海底に正確に届かないため、浅い海底においても、変異あるいは地殻変動の程度を観測することが困難であった。前記海底における構造物の変異あるいは地殻変動は、支援船42の位置をＧＰＳ等で決定し、支援船42から自律式水中ロボット41に質問した音響質問信号421に対する音響応答信号411によって情報を得ることが可能である。しかし、前記音響信号の海中における音速は、海水温度、塩分濃度等によって、時々刻々と変化するため、時間的および空間的に正確に把握することが困難であった。一方、支援船42に設置された観測装置は、船自体がローリング、ピッチング、およびヨーイングの少なくとも３方向の動きをしており、音響信号を発射する支援船42の音響トランスデューサ422の位置を正確に決定することが困難であった。
【００１０】
前記例は、前記支援船42からＩＤコードおよび測距信号を送信した後、自律式水中ロボット41で受信し、前記測距信号に全て同じＩＤコードを付けて返信するようになっていた。前記データのやり取りに対する送受信時間は、長くかかるため、海水温度および塩分濃度の変化が一定でない場合、正確なデータを得ることができなかった。
【００１１】
そこで、本出願人の提案した特願２０１３−１０２０９７号（平成２５年５月１４日出願）にかかる発明において、支援船は、自律式水中ロボットに対して、同じＩＤコードと同じ測距信号を一斉に送り、前記自律式水中ロボットからそれぞれ別々のＩＤコードと前記同じ測距信号を支援船に返信していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１４−２２２２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記出願に記載された発明において、支援船は、自律式水中ロボットの一つに向けてＩＤコードＳ１および測距信号Ｍを送信する。自律式水中ロボットは、応答信号として、ＩＤコードＳ６（海上保安庁によって予め決められている）および測距信号Ｍを前記支援船に送信する。同様にして、前記支援船は、他の自律式水中ロボットへと順次送受信をそれぞれ行う。前記ＩＤコードＳ６および測距信号Ｍは、たとえば、１０秒の時間差をもって各水中部から前記船上部に送信される。このような支援船と自律式水中ロボットとのデータの送受信は、時間がかかるだけでなく、最初の自律式水中ロボットで得たデータと、最後の自律式水中ロボットで得たデータとが海水温度および塩分濃度と、船の位置および傾き（ピッチング等）等により異なる状態であるため、正確性を欠くという欠点があった。
【００１４】
前記自律式水中ロボットから前記返信された音響信号は、前記音響トランスデューサによって受信された後、前記支援船に設けられているＧＰＳ等によって、前記自律式水中ロボットの位置を算出する。なお、前記ＧＰＳ等は、陸上におけるＧＰＳ観測データを基準としているものとする。前記観測は、たとえば、数カ月置きに行うことにより、前記自律式水中ロボットの位置がどの様に変化したかを判断することができるものである。
【００１５】
前記水中音響測位システムは、前記支援船から海底に設置された複数の自律式水中ロボットに向かって、前記音響トランスデューサから一斉に音響信号を送信する。その後、前記トランスデューサからの前記音響信号を受信した自律式水中ロボットは、支援船に向かってほぼ一斉に応答データを送る。前記支援船で受信した各自律式水中ロボットの音響信号は、それぞれの位置（距離）により少し違う時間差をもってそれぞれ収集される。前記各データは、図示されていないデータ処理装置により処理することにより、前記自律式水中ロボットの位置情報を得ることができる。前記従来例の水中音響測位システムは、支援船からの一回の呼び出しで、各自律式水中ロボットから測定結果がほぼ一斉に戻って来るため、海水温度、塩分濃度等の条件が時々刻々と変わる前のデータを効率良く得ることができる。
【００１６】
近年（東北大震災の後）、大地震の発生する確率が大きくなっている。前記大地震は、海底の地殻変動を正確に観察することにより、予想することが近い将来可能になって来ている。前記浅海における海底の地殻変動は、電波あるいは光による観測が不可能であるため、音響信号を使用する以外に手段が無かった。しかし、前記音響信号の速度は、前述のように、海水温度、塩分濃度、船上局の状態等によって変化するだけでなく、時間的および空間的に派生するいろいろな雑音を拾い易い状況にある。
【００１７】
以上のような課題を解決するために、本発明は、水中部にいるたとえば、自律式水中ロボットから支援船に質問信号を送信することができるシステムとすることで、ノイズ環境に強い安定した測位を可能にするとともに、探査中、オペレーターが介在しない完全に自立した無人機システムを構築するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（第１発明）
第１発明の水中音響測位システムは、水中部から音響質問信号を水上部へ送信することによって、ＧＰＳに基づく前記水中部の位置情報を正確に得ることができるものであり、前記水上部に音響質問信号を送信し、前記音響質問信号に基づく位置情報を音響応答信号として受信する水中部と、前記水中部からの音響質問信号を受信し、水中部に向かって位置情報からなる音響応答信号を送信する水上部と、前記水中部からの前記音響質問信号を基にして、前記ＧＰＳから前記水中部に向かって送信された前記位置信号を基にして水中部の正確な位置を演算するための処理を行う前記水中部に設けられているデータ処理装置と、から少なくとも構成されていることを特徴する。
【００１９】
（第２発明）
第２発明の水中音響測位システムは、水中部が自律式水中ロボットであることを特徴とする。
【００２０】
（第３発明）
第３発明の水中音響測位システムは、水上部が少なくともイリジウムアンテナおよび/またはＧＰＳアンテナを有する無人のサーフェイスステイションからなることを特徴とする。
【００２１】
（第４発明）
第４発明の水中音響測位システムは、データ処理装置にカルマンフィルターを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、音響受波アレイおよび信号処理機能を水中部、たとえば、自律式水中ロボット側に持たせることで、支援船から帰ってきた音響応答信号に基づいて自律式水中ロボット自身で補正用位置データを生成することができるため、オペレーターが送信作業を行うことが不要となり、支援船での作業の自由度を高めることができる。
【００２３】
本発明によれば、たとえば、自律式水中ロボット側から質問信号を送り、その応答信号から自身の位置を計算する方式は、前記基線音響測位（LBL航法）と同じであるが、位置方位演算処理結果をカルマンフィルターに通すことにより、マルチパス等による誤測位情報を除去することができ、より高精度に補正用位置データを算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は本発明の実施例で、自律式水中ロボットからの音響質問信号により位置信号からなる音響応答信号を返信する例を説明するための概略図である。
【図２】図２は本発明の実施例で、自律式水中ロボットとサーフェイスステイションの例を説明するための概略ブロック構成図である。
【図３】図３は従来の自律式水中ロボットの位置を決める際の一例を説明するための図である。
【図４】図４は従来の自律式水中ロボットの位置を決める際に支援船を利用した一例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１発明）
本発明の水中音響測位システムは、水中部から音響質問信号が水上部へ送信されることによって、初めて、前記水中部の位置情報を正確に得るための処理が行われる。前記水中部は、前記水上部に向かって音響質問信号を送信する。前記水上部は、前記音響質問信号に基づいて位置情報を音響応答信号として水中部に返信する。前記水上部は、前記音響質問信号を基にして、ＧＰＳに基づく位置情報を前記水中部に向かって送信するための処理を行う。前記水中部は、前記位置情報を基にして、自律的に演算処理を行うことにより、自分の位置を正確に知ることができる。すなわち、前記水中部は、水上部に音響質問信号を送信し、前記水上部から応答される位置情報を含むモデムメッセージを受信することにより、水上部の人為的、あるいは機械的助け借りることなく、自分自身の演算処理によって位置補正を行うことができる。本明細書において、自律とは、外部から制御されることなく、自ら立てたプログラムによって制御されることである。
【００２６】
（第２発明）
第２発明の水中音響測位システムは、水中部が自律式水中ロボットからなり、前記自律式水中ロボット側からの位置要求に従って、自分自身の位置を正確に自分自身で演算処理することが可能である。
【００２７】
（第３発明）
第３発明の水中音響測位システムは、前記水上部に少なくともイリジウムアンテナおよび/またはＧＰＳアンテナを有する無人のサーフェイスステイションから構成されている。前記無人のサーフェイスステイションは、水中部からの音響質問信号によってGPS等に基づく位置情報を送り返すだけの単純作業で済むため、安価なステーションとすることができる。前記サーフェイスステイションは、イリジウム・ＧＰＳの衛星信号を途切れなく受信することが可能で、前記アンテナに電源を供給することができる。
【００２８】
（第４発明）      
第４発明の水中音響測位システムは、水中部にカルマンフィルターを備えている。自律式水中ロボットは、位置情報を初め、被測定対象が離散的な誤差のある観測から、時々刻々と変化する量を推定する場合に使用される。前記離散的な誤差のある情報は、自律式水中ロボットに備えられているカルマンフィルターを使用することにより時々刻々と変化する水中の中で効果を発揮する。すなわち、前記カルマンフィルターは、自律式水中ロボット内において、前の時刻の推定状態から今の時刻の推定状態を計算することができる。
【実施例】
【００２９】
図１は本発明の実施例で、自律式水中ロボットからの音響質問信号により位置信号からなる音響応答信号を返信する例を説明するための概略図である。図１において、サーフェイスステーション11は、水面に水上部111があり、その上にイリジウム・ＧＰＳアンテナ112が少なくとも備えられている無人のステーションからなる。本明細書で言うイリジウム・ＧＰＳアンテナ112は、イリジウム衛星を使用した衛星通信のことである。前記サーフェイスステーション11は、前記イリジウム・ＧＰＳアンテナ112を搭載しており、前記自律式水中ロボット12が水面に浮上した際に、衛星通信経由でデータを転送することができる。一方、GPSは、衛星を使用して受信アンテナを搭載する機器に対して地球座標における位置を提供する。前記サーフェイスステイション11は、正浮力を持っているため、水面上では常時浮上しており、このため、GPSおよびイリジウムの衛星信号を途切れなく受信することが可能である。また、前記アンテナに電源を供給することができる。
【００３０】
たとえば、自律式水中ロボット12は、水中または水上を走行または浮遊している。前記自律式水中ロボット12は、音響質問信号122をサーフェイスステーション11に送出するとともに、前記サーフェイスステーション11から送信される音響応答信号123を受信する送受波器125を備えている。前記送受波器125は、少なくとも3個の音響受信アレイが備えられている。すなわち、本実施例は、水中部にいる自律式水中ロボット12に音響通信用の送受波器125を持たせ、水上部である無人のサーフェイスステーション11にイリジウム・ＧＰＳアンテナ112を設置している。
【００３１】
前記自律式水中ロボット12は、前記無人のサーフェイスステーション11に音響質問信号122を送り、前記サーフェイスステーション11から応答される位置情報を含むモデムメッセージを受信することにより、前記自律式水中ロボット12が自律的に位置補正を行うことができるようになっている。
【００３２】
図２は本発明の実施例で、自律式水中ロボットとサーフェイスステイションの例を説明するための概略ブロック構成図である。
図２において、サーフェイスステーション11は、音響通信送受波器113、音響信号受信回路114、音響応答信号生成回路115、ＧＰＳ位置・時刻信号発生回路116、音響信号送信回路117から少なくとも構成されている。前記自律式水中ロボット12からの音響質問信号122は、音響通信送受波器113により受信される。前記音響通信送受波器113によって受信された前記音響質問信号122は、音響信号受信回路114を通り、ＧＰＳ位置・時刻信号発生回路116の信号と一緒になり、音響応答信号生成回路115において、音響応答信号が生成される。前記音響応答信号は、音響信号送信回路117を介して、音響通信送受波器113から音響応答信号123として自律式水中ロボット12に向けて送信される。
【００３３】
前記自律式水中ロボット12は、音響受波アレイ125、音響信号受信回路126、音響信号処理回路（距離・到達角度の算出）127、位置・方位演算処理回路（緯度/経度、処理）128、カルマンフィルター129、補正用位置データ130、タイミング制御回路131、音響信号送信回路132、音響通信送受波器133から少なくとも構成されている。前記サーフェイスステーション11からの音響応答信号123は、前記音響受波アレイ125によって受信される。前記音響受波アレイ125は、たとえば、図示のように、４個からなり、図示されていない防磁性方位磁石を座標の中心点に置き、それぞれが直角となるように接続されている。また、前記防磁性方位磁石は、図示されていない防水ケーブル等によって、自律式水中ロボットに接続されている。
【００３４】
音響受波アレイ125は、防磁性方位磁石の中心にそれぞれが直角となるように接続されているため、水中において、正確な方位および方角を知ることができる。本明細書において、方位は、水平面上の角度で、方角は、水面の深さ方向の角度であると定義する。
【００３５】
図２において、音響受波アレイ125は、距離Ｌを有するものとする。音源からの音波は、到達角度θをもって、それぞれ音響受波アレイ125によってそれぞれ受信される。自律式水中ロボット12は、到達角度θと到達時間差δＴによって距離が計算される。
δＴ×音速（Ｃ）＝距離（Ｌ）×cos θ
θ＝arccos( δＴ×Ｃ／Ｌ）
として計算できる。
前記演算は、説明を容易にするために、水平面の方位だけであるが、同様な計算処理により、深さ方向の方角を計算することができる。
【００３６】
図２において、音響受波アレイ125によって受信された音響応答信号は、音響信号受信回路126によって受信さてる。前記音響信号受信回路126によって受信された音響信号は、音響信号処理回路（距離・到達角度の算出）127によって処理される。前記算出された距離および到達角度は、位置・方位演算処理回路（緯度/経度、方位）128によって処理される。
【００３７】
前記位置・方位演算処理回路（緯度/経度、方位）128によって処理されたるデータは、カルマンフィルター129によって修正された後、補正用位置データとして出力する。一方、タイミング制御回路131は、前記音響信号処理回路（距離・到達角度の算出）127および音響信号送信回路132にタイミング信号を送出する。音響通信送受波器133は、前記タイミングに基づいて音響質問信号122を送出する。
【００３８】
本発明で言うカルマンフィルターは、ルドルフ・カルマンによって提案されたものであり、離散的な誤差のある観測から、時々刻々と時間変化する量を推定するために用いられる。本発明において、用いられているカルマンフィルターは、たとえば、自律式水中ロボットに内蔵されているジャイロセンサーあるいは対地速度計からの誤さのある情報を統合して、時々刻々と変化する水中での自律式水中ロボットの位置等を推定するのに用いることにより大きな効果を有することが判った。
【００３９】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。本発明の船上部、サーフェイスステイション、あるいは水中部、自律式水中ロボット、または送受信装置、あるいはデータ処理装置等は、公知の機械工学、通信工学および音響工学技術から構成されるもので、特許請求の範囲を逸脱しない限り変形することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１１・・・サーフェイスステイション
１１１・・水上部
１１２・・イリジウム・GPSアンテナ
１２・・・自律式水中ロボット
１２２・・音響質問信号
１２３・・音響応答信号
１２５・・送受波器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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