(57)【要約】音響信号送信器と遠隔に配置された音響信号受信器との間の通信のためのローバスト水中通信システムが提供される。送信されたデータは複数のシンボルによって運ばれ、各シンボルは二つの構成要素を有し、その一つは識別的なビットコードを含み、もう一つは全体としてシンボルの特徴に所属し、連続したシンボルの特徴は、識別的なステップの所定の継続的な反復シーケンスに従って進められ、各ステップがシーケンスにおいて一度生じ、信号受信器は信号送信器と同期して動作し、復調を生じさせるために受信された信号の該ビットコードと該特徴との両方に対して応答する相関器手段であって、各シンボルが検出されるとシンボルが対応する出力上の信号が優勢となるような、各シンボルに対して１つの、複数の出力を有する相関器手段と、該送信されたデータに対応する該出力信号を提供するために、該相関器からの出力に応答する振幅検出器手段とを含む。
2008503171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響信号送信器と遠隔に配置された音響信号受信器との間における通信のための水中通信システムであって、
送信されたデータは複数のシンボルによって運ばれ、シンボルのそれぞれが二つの構成要素を有し、そのうちの一つが識別用のビットコードを含み、もう一つが、全体として、該シンボルの特徴に所属し、
連続したシンボルの特徴は、識別するステップの所定の継続的な反復シーケンスに従って一つずつ進められ、ステップのそれぞれが該シーケンスにおいて一度生じ、
該信号受信器は、該信号送信器と同期して動作し、復調を生じさせるために、受信された信号の該ビットコードと該特徴との両方に対して応答する相関器手段であって、それぞれのシンボルが検出されると、シンボルが対応する出力上の信号が優勢となるような、それぞれのシンボルに対して１つの、複数の出力を有する相関器手段と、該送信されたデータに対応する該出力信号を提供するために、該相関器からの出力に応答する振幅検出器手段とを含む、
水中通信システム。
【請求項２】
前記用いられたシーケンスは、それが反復される前に、全ての著しいマルチパス成分を無意味な程度にまで減衰させるための十分な時間が経過するだけの、十分なステップ変更を含む、請求項１に記載の水中通信システム。
【請求項３】
それぞれのシンボルの第１の構成要素を含む前記ビットコードは位相シフトキーイング（ＰＳＫ）を用いて転送され、それぞれのシンボルの前記特徴は、前記所定の継続する周波数の反復シーケンスを介して送信されるキャリア周波数をホップすることによって、シンボルからシンボルへと変更される、請求項１または２に記載の水中通信システム。
【請求項４】
前記送信器は、ＰＳＫ変調器手段、および変調された信号を運ぶ周波数キャリアを効果的にホップするための手段を備え、前記受信器は、前記受信された信号の両方の構成要素を検出する周波数／位相検出器手段を備え、該検出器手段は、前記振幅検出器が、送信されたデータに対応する出力信号を提供するために応答する相関器に供給するように配置される、請求項３に記載の水中通信システム。
【請求項５】
前記周波数／位相検出器手段は位相クオドラチャー検出器を備える、請求項４に記載の水中通信システム。
【請求項６】
前記受信器の前記相関器は信号の最適な相関処理を用い、相関器のバンクにおいて、それぞれの時期に、全ての可能な信号の複製を継続的に生成し、それによって、最大尤度検出原理に基づいて、シンボルの識別を容易にする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水中通信システム。
【請求項７】
同期は、それぞれの信号シーケンスの開始時に、広帯域ヘッダー信号を送信することによって達成され、それを検出する手段は前記受信器に提供される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の水中通信システム。
【請求項８】
テール信号がそれぞれの信号シーケンスの終りに付加される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の水中通信システム。
【請求項９】
前記送信器と受信器との間における相対的な動きに対する補償は、前記ヘッド信号および前記テール信号の到達の相対的時間に依存してもたらされる、請求項８に記載の水中通信システム。
【請求項１０】
前記相対的な動きの補償は、それぞれのシンボルの到着時間推定を用いてインプリメントされる、請求項８に記載の水中通信システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の通信システムを備える、水中航行システム。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の通信システムを備える、水中測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水中通信システムに関する。より詳細には、水中または水面下における測位および／または航行を容易にするローバスト水中通信システムに関するが、それに限定されるわけではない。
【背景技術】
【０００２】
通常、そのようなシステムは、沖合の石油およびガス産業において、水面上の作業用船舶、および水中または海底におけるビークルまたは構造物などの、様々な対象物の測位のために用いられる。さらに、これらのシステムはコマンドおよび制御信号または対象物から対象物への他のデータを運び得る。そのようなシステムはまた、海中用船舶／ビークルとの通信のための軍事分野における用途を見出し得る。
【０００３】
距離測定、方位計測、速度計測、および水中での通信の最も実際的な手段は、超音波または音響信号を用いることである。現代のシステムはしばしば、慣性／姿勢センサーおよび全地球測位システム（ＧＰＳ）などの地上無線航行測位システムを用いてに高度に統合されている。しかしながら、実際には、これらのシステムの水中における部分は音響信号が用いられる。
【０００４】
これらのシステムにおいて、時折、データ通信において相反する要求が存在する。例えば、コマンド、制御、および航行システムの要求の場合においては、比較的少量のデータが、広範な条件下において、信頼でき、安全に、および、最小の待ち時間にて配信されなければならず、水中での記録計器の場合においては、通常はファイル構造の形式である多量のデータが、最小の輸送時間を用いて引出し可能である必要がある。
【０００５】
一般に、水中での高性能通信は無線信号を用いる同等のシステムよりもより困難であると認められる。これは、作業環境において、またはその周囲での強い雑音レベルの存在、ならびに、信号対雑音パワー比を低下させ得る、エアレーション、マルチパス効果、残響音、および制限された周波数帯域などの他の問題のためである。さらに、受信器と関連する送信器の動作もまた問題を生じ得る。
【０００６】
もう少し詳細にこれらの問題を検討すると、多信号経路（マルチパス効果）は、水面から、海底から、および、例えば、船体などの他の水中との境界からの、信号の反射に起因する。また、深度に従った温度変化のために、海中は均一ではあり得ず、音を屈折させる層状構造を有しており、また、マルチパス効果を生じさせ得る。その全体的な効果は、常時、受信された信号が、いくつかの異なる経路において到達する信号のいくつかの異なるバージョンの総和を含むというものであり得る。
【０００７】
通信システムにおいて、異なる信号は異なるシンボルを表し、異なるシンボルは異なるデータシーケンスを表し、その結果、水中での通信における主要な問題はシンボル間の干渉である。その問題は、長い持続時間を有する、シンボルを用いることによって回避し得るが、これは重要な性能パラメータであるデータレートを制限する。別の技術は、データを序列化するために時間または周波数領域の「等化（ｅｑｕａｌｉｓａｔｉｏｎ）」を用い、それによって、干渉の相当量を取り除くことである。最も知られた具体的な形態は、複雑で、任意のデータを転送するための最小時間期間を必要とする、訓練用の既知のデータのプリアンブル（ｐｒｅ−ａｍｂｌｅ）シーケンスを用いることであり、それは通常のファイル構造において、多量のデータ転送のためにより適した方法を行う。
【０００８】
しかしながら、複雑さは、水中のシステムにおいて何らかの問題であり得る。というのは、水中航行用ビーコンおよび多くの他の水中器具はバッテリーによる電力供給され、システムの複雑さとエネルギー消費との間には、直接に、およそ比例した関係が存在するからである。従って、過度の複雑さは概して、バッテリー交換までの時間を低減するために、回避されるべきである。
【０００９】
さらに、通信システムの性能は、周波数帯域および、受信器における所望の信号パワー対雑音比に依存する。水中では、音の吸収は周波数とともに増加し、その結果、実用的な距離能力を有する任意のシステムは、特に雑音の多い環境において、無線システムと比較して制限された帯域幅を有する。帯域幅の効果的な使用は従って、別の所望の必要事項である。
【００１０】
従来の狭帯域システムにおいて、シンボル間の干渉、すなわち、交互の建設的干渉および相殺的干渉は、信号の振幅およびパワーにおけるばらつきを生じる。その効果は、フェイディングと呼ばれるものであり、それは通常、広帯域信号を用いることによって緩和され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、水中用の通信システムを提供することであり、ここで、前述の問題は少なくとも部分的に緩和され、それによって、過度に複雑ではなく、困難な作業条件下においても効果的な動作を可能にするシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に従い、音響信号送信器と遠隔に配置された音響信号受信器との間における通信のための水中通信システムが提供され、ここで、送信されるデータは複数のシンボルによって運ばれ、シンボルのそれぞれが二つの構成要素を有し、そのうちの一つが識別用のビットコードを含み、もう一つが、全体として、該シンボルの特徴に所属し、連続したシンボルの特徴は、識別するステップの所定の継続的な反復シーケンスを通じて変更され、ステップのそれぞれが該シーケンスにおいて一度生じ、該信号受信器は、該信号送信器と同期して動作し、該受信された信号のビットコードと特徴との両方に応答する相関器手段であって、それぞれのシンボルが検出されると、シンボルが対応する出力上の信号が優勢となるような、それぞれのシンボルに対して１つの出力を有する相関器手段と、送信されたデータに対応する出力信号を提供するために、該相関器からの出力に応答する振幅検出器手段とを含む。
【００１３】
それぞれのシンボルのビットコードだけでなく、連続したシンボルの特徴を所定のシーケンスに従い変更することによって、および送信器と受信器との動作を同期させることによって、所望の信号の検出が、さもなければ受信に干渉し得る望ましくない擬似信号および雑音の存在の下で、容易にされる。
【００１４】
特に、マルチパス効果のために生じる擬似信号の効果は、実質的に取り除かれる。なぜならば、そのような信号は、シーケンスが反復される時間によって失われ、好適にも、用いられたシーケンスがいくつかのステップ変化を含み、その結果として、全ての著しい以前に発生したマルチパス成分を実質的に無意味な程度まで減衰させるように十分な時間が経過するまで、それが反復されないからである。
【００１５】
それぞれのシンボルの第１の構成要素を含むビットコードは位相シフトキーイング（ＰＳＫ）を用いて転送され、それぞれのシンボルの特徴は、所定の継続して進む反復シーケンスを介して送信されるキャリア周波数をホップすることによってシンボルからシンボルへと変更される。
【００１６】
送信器は、ＰＳＫ変調器手段、および変調された信号を運ぶ周波数キャリアを効果的にホップするための手段を備え、受信器は、受信された信号の両方の構成要素を検出する周波数／位相検出器手段を備え、該検出器手段は、振幅検出器が、送信されたデータに対応する出力信号を提供するために応答する相関器に供給するように配置される。
【００１７】
周波数／位相検出器手段は位相クオドラチャー検出器を含み得る。
【００１８】
受信器の相関器は好適にも信号の最適な相関処理を用い、相関器のバンクにおいて、それぞれの時期に、すなわち信号周期に、全ての可能な信号の複製を継続的に生成し、それによって、最大尤度検出原理を用いる信号／シンボル決定が容易になる。
【００１９】
理想的には、信号は、考慮されるそれぞれの用途に対する要求に応じて直ちに経路を決定するために、十分な帯域幅を有するべきである。
【００２０】
同期は、広帯域ヘッダー信号を用いることによって達成され得る。
【００２１】
それぞれのシーケンスの終わりには、同じテール信号が付加され得る。
【００２２】
短いデータパケットおよび適度のデータレートに対して、送信器と受信器との間における相対的な動きに対する補償は不可欠ではないが、より高いレートに対しては、補償はヘッド信号およびテール信号の到達時間推定を用い、その時間差を既知の「送信されたままの（ａｓ  ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ）」時間差と比較することによって達成され得、補償の目的のための比較は、信号検出のあとにおいて適用される。
【００２３】
あるいは、相対的な動きの補償は、それぞれのシンボルの到着時間推定を用い、および、送信器と受信器との間の時間スケール差の最適な推定のためのカルマンフィルタ法を用いてインプリメントされる。
【００２４】
本発明に従ったシステムが広範囲の動作条件の下における使用に適した、安全で信頼性のあるコマンドおよび制御リンクを提供する問題を実質的に解決することは当業者によって理解される。また、周知のシステムと比較すると、より高いデータレートが、全体のシステムの増加されたデータ速度および簡便さの視点から達成され得、比較的少ない電力消費のインプリメンテーションが可能であり、それはバッテリー電源供給の器具／装置において所望され得る特徴である。
【００２５】
特に、本発明は、雑音の多い作業船舶またはプラットフォームに配置される受信器に対する、マルチパス環境の中で、最小の遅延にて、航行システムへの最小の影響にて、適度のサイズのデータパケットの送信を容易にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の一実施形態は、添付の図面を参照し、例示の目的のためにのみ、ここで記載される。
【００２７】
ここで図１を参照すると、音響信号送信器はデータ格納部１を含み、そのデータは、バイナリ変換器２および３において対応するバイナリ信号フォーマットに変換される。受信器においてエラー訂正を容易にするために、任意の既知の方法において影響され得るが、適切な追加の冗長データがコード生成器４において追加され、信号プロセッサ５における合成のために適切なフォーマットへと並び替えられる。このように処理された信号はさらに、加算器６において、ヘッダービットの追加により修正され、受信器において、シーケンスの開始の識別、および送信器と受信器との同期を容易にする。データは、反復シーケンスにおける２ｎ＝ｍシンボルを用いて、一度にｎビットをエンコードすることを含み、データビットは，変調器７におけるシーケンスを介してホップされた周波数であるキャリア上にてＰＳＫ変調され、直交キャリア周波数を利用して、擬似ランダムシーケンスを生成する。テールがプロセッサ８において付加され、その結果としての信号は、デジタル−アナログ変換器９およびパワー増幅器１０（その出力はマッチングされる）を経由して、水中を介して図２に示されるような受信器への音響信号の送信のために、音響信号トランスデューサへと供給される。
【００２８】
キャリアはそれ自体としては情報を運ばないが、受信器におけるマルチパス信号を緩和する手段であることが理解される。
【００２９】
ここで図２を参照すると、受信器において、アナログ音響信号は、トランスデューサ１２によって受信され、増幅器１３において増幅され、Ａ−Ｄ変換器１４において、適切なレートで、サンプリングされたデジタルフォーマットへと変換される。それによって生成されたデジタル信号は、位相クオドラチャー（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）検出器において、都合の良い中間周波数へと混合され、位相クオドラチャー検出器は、ローカル発振器１５ｃによって生成された位相直交の信号を供給されるミキサー１５ａおよび１５ｂを含む。ミキサー１５ａおよび１５ｂからの位相直交に関連する信号は、フィルタ１６を用いて、他の適切なレートへとデシメートされる。デシメートされた信号は、マッチングフィルタ１７を含む複素相関器のバンクへ供給される。
【００３０】
信号シーケンスのそれぞれの時期に対して、フィルタは必要に応じて、ヘッド信号、２ｎシンボル、またはテールとマッチングさせる。シンボルが存在するかの決定は、振幅検出器１８において行われ、決定は、フィルタ１７からの出力全てに依存して、最大尤度を基準にして行われ、最大の出力が選択される。
【００３１】
結果としてのデコードされたデータシーケンスはエラー検出／訂正モジュール１９へと送られ、ここで、冗長データは送信エラーを検出するために用いられ、可能であれば、それらを訂正する。オリジナルのデータおよびエラー報告は、プロセッサ２０においてフォーマットされ、適切なフォーマットの形でそこから配信される。
【００３２】
様々な修正が、本発明の範囲から逸脱することなく上文にて記載された例示的な実施形態に対してなされ得る。例えば、二つの構成要素の性質が、当業者にとって周知である他の技術を用いて規定され得る。一例を挙げれば、データを含む第１の構成要素は、パルスコード変調を含み得、反復シーケンスを規定する第２の構成要素は位相変調を含み得る。この二つの構成要素に対する他の適切な変調の組み合わせもまた可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】音響信号送信器の回路の略ブロック図である。
【図２】図１の送信器と共に使用するための、音響信号受信器の回路の略ブロック図である。
【図１】
2008503171.tif 000003
【図２】
2008503171.tif 000004
【国際調査報告】
2008503171.tif 000005
2008503171.tif 000006
2008503171.tif 000007