(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面への設定位置を維持するように位置保持を行うとともに、ＧＰＳ信号を受信し受信信号に基づいた音響信号を水中に送信する送信手段を有した３機以上の自動位置保持浮体と、前記自動位置保持浮体の設置水域に投入され前記送信手段から送信された前記音響信号を受信する受信手段を有した潜水機とを備え、
前記自動位置保持浮体が、それぞれの前記位置保持を前記ＧＰＳ信号を用いて行い、それぞれの識別信号を前記音響信号に付加して前記送信手段から送信するとともに、
前記潜水機が、水中投入前に入力された前記自動位置保持浮体のそれぞれの設定位置情報及びそれぞれの識別信号情報を記憶する入力情報記憶手段と、記憶された前記設定位置情報と前記識別信号情報及び受信した前記音響信号とに基づいて前記水中における自己の水中位置を推定する推定手段を有し、
前記自動位置保持浮体は、前記設定位置に対する前記水面上の位置ずれを前記ＧＰＳ信号に基づいて検出し、前記設定位置からのずれに関して、前記水面におけるＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに対して、水中音速を用いて計算された、ずれ距離の補正情報を前記音響信号に付加して前記送信手段から送信することを特徴とする水中局域測位システム。
【請求項２】
前記自動位置保持浮体の前記送信手段は、前記ＧＰＳ信号に同期した前記音響信号を所定の時間間隔で前記水中に送信することを特徴とする請求項１に記載の水中局域測位システム。
【請求項３】
前記識別信号情報は、前記音響信号の周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅のうちから選択される信号を、それぞれの前記自動位置保持浮体毎に異ならせたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水中局域測位システム。
【請求項４】
前記潜水機が前記受信した前記音響信号を連続的に記録する記録手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の水中局域測位システム。
【請求項５】
前記推定手段は、３機以上の前記自動位置保持浮体からの前記音響信号のうち任意の２つの前記音響信号の時間差データから前記潜水機の前記水中位置を推定することを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の水中局域測位システム。
【請求項６】
前記潜水機が深度計を有し、前記推定手段が深度計データを用いて前記潜水機の前記水中位置を推定することを特徴とする請求項１から請求項５のうちの１項に記載の水中局域測位システム。
【請求項７】
前記推定手段は、前記深度計データ及び３機以上の前記自動位置保持浮体からの前記音響信号の前記時間差データに基づいた双曲線測位法により、前記潜水機の緯度及び経度を推定することを特徴とする請求項５を引用する請求項６に記載の水中局域測位システム。
【請求項８】
前記推定手段は、前記深度計データ及び３機以上の前記自動位置保持浮体からの前記音響信号の伝搬時間に基づいた三角測量法により、前記潜水機の緯度及び経度を推定することを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項を引用する請求項６に記載の水中局域測位システム。
【請求項９】
前記推定手段は、前記自動位置保持浮体からの前記音響信号に基づいて前記水中における前記潜水機の３次元的な前記水中位置を推定することを特徴とする請求項１から請求項５のうちの１項に記載の水中局域測位システム。
【請求項１０】
前記潜水機は、前記受信手段を前記潜水機上の離隔した位置に複数有し、複数の前記受信手段間における受信した前記音響信号の時間差から前記潜水機自身の姿勢を検出することを特徴とする請求項１から請求項９のうちの１項に記載の水中局域測位システム。
【請求項１１】
前記自動位置保持浮体は、前記水面における他の存在物に対する注意を喚起する表示及び／又は信号の発信を行うことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちの１項に記載の水中局域測位システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳ信号を利用して、水中に投入された潜水機の水中位置を推定する水中局域測位システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋や湖沼等において水中・水底探査等を行う場合には、水中に投入した潜水機の位置を把握する必要がある。
特許文献１には、複数の水中作業機を制御する主支援船及び複数の支援船を海上に浮かべ、この主支援船及び支援船の座標位置を人工衛星からのＧＰＳ信号によって演算し、この座標位置をもとにして水中作業機の位置を制御するようにした水中作業機等の位置出し方法が開示されている。
また、特許文献２には、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を基にして位置データを求め、その位置データを超音波信号として水中に発信するとともに、所定の時刻に時刻パルスを超音波信号として水中に発信するブイと、水中ロボットに備えられ、ブイからの超音波信号を受信することによって、ブイの位置データと時刻パルスの到達時間差とを求め、これら位置データと到達時間差とを基にして現在位置データを算出する演算器等とを有する水中物体位置測定装置が開示されている。
また、特許文献３には、水中に設置され、水上または水中を移動可能な移動体の位置を移動体側で計測させるための音響信号を定期的に送出する少なくとも２基以上の水中音源装置と、各水中音源装置が送出した音響信号の受信時刻と送信時刻とに基づいて、各水中音源装置と移動体との距離から、三角測量により移動体の位置を計測する音響測位装置とを備えた音響測位システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２７０５１９号公報
【特許文献２】特開平９−１４５８２１号公報
【特許文献３】特開２００５−３２１２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の水中作業機等の位置出し方法は、複数の支援船を用意する必要があり、多大な手間とコストがかかってしまう。また、水中作業機に超音波を発信させるための制御信号を送る有線が必要となる。また、水中作業機の位置の演算は支援船が行うものであり、水中作業機において自己の水中位置を推定することができない。
また、特許文献２に記載の水中物体位置測定装置において、ブイはＧＰＳ信号を基にして位置データを求め、その位置データを超音波信号として水中に発信すると共に、所定の時刻に時刻パルスを超音波信号として水中に発信するものであるため、超音波信号に含めるべき情報が多く複雑になってしまう。
また、特許文献３に記載の音響測位システムは、複数の音源装置を海底に設置する必要があるため、水上のＧＰＳ受信機と海底の音源装置をケーブルで結ぶ必要があり、
設置許可を得るなど手間もかかる。また、音源装置と潜水船の受信装置の双方に高精度時計部が必要となり複雑で高価なものとなっている。
【０００５】
そこで本発明は、ＧＰＳ信号を受けて音響信号を水中に送信する機器を海底に設置することなく、潜水機が自己の水中位置を、コストをかけずに精度よく推定することができる水中局域測位システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載に対応した水中局域測位システムにおいては、水面への設定位置を維持するように位置保持を行うとともに、ＧＰＳ信号を受信し受信信号に基づいた音響信号を水中に送信する送信手段を有した３機以上の自動位置保持浮体と、自動位置保持浮体の設置水域に投入され送信手段から送信された音響信号を受信する受信手段を有した潜水機とを備え、自動位置保持浮体が、それぞれの位置保持をＧＰＳ信号を用いて行い、それぞれの識別信号を音響信号に付加して送信手段から送信するとともに、潜水機が、水中投入前に入力された自動位置保持浮体のそれぞれの設定位置情報及びそれぞれの識別信号情報を記憶する入力情報記憶手段と、記憶された設定位置情報と識別信号情報及び受信した音響信号とに基づいて水中における自己の水中位置を推定する推定手段を有し、自動位置保持浮体は、設定位置に対する水面上の位置ずれをＧＰＳ信号に基づいて検出し、設定位置からのずれに関して、水面におけるＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに対して、水中音速を用いて計算された、ずれ距離の補正情報を音響信号に付加して送信手段から送信することを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、潜水機自身で自己の水中位置を推定することができ、自動位置保持浮体から潜水機に送信する信号をシンプルにすることができる。また、音響信号を水中に送信する自動位置保持浮体は、波や風の影響を受けても設定位置を維持するように位置保持を行うので、潜水機の水中位置推定精度が向上する。また、音響信号を送信する機器を海底に設置する必要がないので、ケーブルの配索や設置許可を得るなどの手間が不要である。さらに、ＧＰＳ信号を基にした３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中位置を推定するため、高精度時計部を必要とせずコストが低減できる。また、潜水機は、自己の水中位置を推定する際に自動位置保持浮体の補正情報に基づいた補正を行うことができるため、誤差を少なくすることができる。また、補正情報を音響信号に付加して発信するため、他の送信手段を必要としない。
【０００７】
請求項２記載の本発明は、自動位置保持浮体の送信手段は、ＧＰＳ信号に同期した音響信号を所定の時間間隔で水中に送信することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、自動位置保持浮体がＧＰＳ信号に同期した正確な時間周期で音響信号を送信するので、自動位置保持浮体間で同期のための通信を行う必要が無く、潜水機の水中位置推定精度も向上できる。
【０００８】
請求項３記載の本発明は、識別信号情報は、音響信号の周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅のうちから選択される信号を、それぞれの自動位置保持浮体毎に異ならせたものであることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、潜水機は、自動位置保持浮体毎に異なる周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅に基づき、簡単な識別手法を用いて音響信号がどの自動位置保持浮体から送信されたものかを識別することができる。
【０００９】
請求項４記載の本発明は、潜水機が受信した音響信号を連続的に記録する記録手段を有していることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、潜水機が連続的な記録手段を有するので、別途潜水機と独立した記録手段を設ける必要がなく、経時的な信号処理が可能となる。
【００１０】
請求項５記載の本発明は、推定手段は、３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号のうち任意の２つの音響信号の時間差データから潜水機の水中位置を推定することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、潜水機は、各自動位置保持浮体との距離によって音響信号が届く時間に差が生じることを利用して、自身の水中位置を推定することができる。また、時間差データにより誤差をキャンセルし、高精度時計部を用いなくても水中位置を精度よく推定することができる。
【００１１】
請求項６記載の本発明は、潜水機が深度計を有し、推定手段が深度計データを用いて潜水機の水中位置を推定することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、潜水機は、水中位置のうちの深度を自身が有する深度計によって推定することができる。
【００１２】
請求項７記載の本発明は、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の時間差データに基づいた双曲線測位法により、潜水機の緯度及び経度を推定することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、双曲線測位法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。
【００１３】
請求項８記載の本発明は、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の伝搬時間に基づいた三角測量法により、潜水機の緯度及び経度を推定することを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、タイムオブフライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。
【００１４】
請求項９記載の本発明は、推定手段は、自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中における潜水機の３次元的な水中位置を推定することを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、３次元的な水中位置を推定するにあたって潜水機に深度計等を備える必要が無い。
【００１５】
請求項１０記載の本発明は、潜水機は、受信手段を潜水機上の離隔した位置に複数有し、複数の受信手段間における受信した音響信号の時間差から潜水機自身の姿勢を検出することを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、複雑な姿勢検出手段を必要とせずに、水中位置に加えて姿勢を検出することができ、潜水機の状態をより詳しく把握することができる。
【００１６】
請求項１１記載の本発明は、自動位置保持浮体は、水面における他の存在物に対する注意を喚起する表示及び／又は信号の発信を行うことを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、自動位置保持浮体や潜水機に他の存在物が衝突して損傷することを防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水中局域測位システムによれば、潜水機自身で自己の水中位置を推定することができ、自動位置保持浮体から潜水機に送信する信号をシンプルにすることができる。また、音響信号を水中に送信する自動位置保持浮体は、波や風の影響を受けても設定位置を維持するように位置保持を行うので、潜水機の水中位置推定精度が向上する。また、音響信号を送信する機器を海底に設置する必要がないので、ケーブルの配索や設置許可を得るなどの手間が不要である。さらに、ＧＰＳ信号を基にした３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中位置を推定するため、高精度時計部を必要とせずコストが低減できる。また、潜水機は、自己の水中位置を推定する際に自動位置保持浮体の補正情報に基づいた補正を行うことができるため、誤差を少なくすることができる。また、補正情報を音響信号に付加して発信するため、他の送信手段を必要としない。
【００１８】
また、自動位置保持浮体の送信手段は、ＧＰＳ信号に同期した音響信号を所定の時間間隔で水中に送信する場合には、自動位置保持浮体がＧＰＳ信号に同期した正確な時間周期で音響信号を送信するので、自動位置保持浮体間で同期のための通信を行う必要が無く、潜水機の水中位置推定精度も向上できる。
【００１９】
また、識別信号情報は、音響信号の周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅のうちから選択される信号を、それぞれの自動位置保持浮体毎に異ならせたものである場合には、潜水機は、自動位置保持浮体毎に異なる周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅に基づき、簡単な識別手法を用いて音響信号がどの自動位置保持浮体から送信されたものかを識別することができる。
【００２０】
また、潜水機が受信した音響信号を連続的に記録する記録手段を有している場合には、別途潜水機と独立した記録手段を設ける必要がなく、経時的な信号処理が可能となる。
【００２１】
また、推定手段は、３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号のうち任意の２つの音響信号の時間差データから潜水機の水中位置を推定する場合には、潜水機は、各自動位置保持浮体との距離によって音響信号が届く時間に差が生じることを利用して、自身の水中位置を推定することができる。また、時間差データにより誤差をキャンセルし、高精度時計部を用いなくても水中位置を精度よく推定することができる。
【００２２】
また、潜水機が深度計を有し、推定手段が深度計データを用いて潜水機の水中位置を推定する場合には、潜水機は、水中位置のうちの深度を自身が有する深度計によって推定することができる。
【００２３】
また、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の時間差データに基づいた双曲線測位法により、潜水機の緯度及び経度を推定する場合には、双曲線測位法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。
【００２４】
また、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の伝搬時間に基づいた三角測量法により、潜水機の緯度及び経度を推定する場合には、タイムオブフライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。
【００２５】
また、推定手段は、自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中における潜水機の３次元的な水中位置を推定する場合には、３次元的な水中位置を推定するにあたって潜水機に深度計等を備える必要が無い。
【００２６】
また、潜水機は、受信手段を潜水機上の離隔した位置に複数有し、複数の受信手段間における受信した音響信号の時間差から潜水機自身の姿勢を検出する場合には、複雑な姿勢検出手段を必要とせずに、水中位置に加えて姿勢を検出することができ、潜水機の状態をより詳しく把握することができる。
【００２７】
また、自動位置保持浮体は、水面における他の存在物に対する注意を喚起する表示及び／又は信号の発信を行う場合には、自動位置保持浮体や潜水機に他の存在物が衝突して損傷することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態による水中局域測位システムの基本構成を示す概略構成図
【図２】同システムの自動位置保持浮体の識別信号の例を示す図
【図３】同システムの潜水機の構成を示す概略構成図
【図４】同システムの潜水機の水中位置推定に用いる双曲線測位法の一例を示す図
【図５】同システムの自動位置保持浮体が設定位置からずれた状態を示す図
【図６】同システムの自動位置保持浮体の設定位置からのずれ（補正情報）を送信する方法の説明図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の実施形態による水中局域測位システムについて説明する。
【００３０】
図１は本発明の一実施形態による水中局域測位システムの基本構成を示す概略構成図である。
本実施形態による水中局域測位システムは、海洋や湖沼等の水面に投入された３機の自動位置保持浮体１０（第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、第２浮体１０Ｃ）と、水中に投入されて探査や作業等を行う複数の潜水機２０とを備える。自動位置保持浮体１０は海底に設置する必要がないので、ケーブルの配索や設置許可を得るなどの手間が不要である。
なお、水面へ投入する自動位置保持浮体１０の数は４機以上であってもよいが、本実施形態のように、自動位置保持浮体１０の数は潜水機２０が水中位置を推定するために必要最低限数である３機とするほうが、コストや管理等の面から好ましい。また、潜水機２０の数に制限はない。
また、自動位置保持浮体１０は、ブイ、ミニボート又はタグボート等である。
【００３１】
３機の自動位置保持浮体１０のそれぞれは、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星群１からのＧＰＳ信号を受信するＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）部１１、設定位置を維持するＤＰＳ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｇ  Ｓｙｓｔｅｍ＝自動位置保持システム）部１２、及びＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号に同期した音響ピンガーを発振する送信手段（同期ピンガー）１３を備える。
【００３２】
自動位置保持浮体１０には、水面における設定位置が記憶されている。船舶等によって所定の水域まで運ばれた自動位置保持浮体１０は、船舶から投入された後、ＤＰＳ部１２によって設定位置まで自力で移動する。この際、自動位置保持浮体１０は、それぞれの設定位置までの移動を、ＧＰＳ信号を用いて行う。また、自動位置保持浮体１０の設定位置へのそれぞれの位置保持を、ＧＰＳ信号を用いて行う。
第０浮体１０Ａの設定位置を原点とすると、第１浮体１０Ｂの設定位置は、第０浮体１０ＡからＸ軸方向に所定距離離れた位置であり、第２浮体１０Ｃの設定位置は、第０浮体１０ＡからＹ軸方向に所定距離離れた位置である。これにより、水面を上方視した場合に３機の自動位置保持浮体１０は三角形を成すように配置される。
３機の自動位置保持浮体１０を水面に投入することによって、設置水域（測位可能領域）αが形成される。図１において設置水域αを仮想的に直方体形状で表している。直方体形状の設置水域αの上面（＝水面）の４つの頂点のうち、３つの頂点が第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、及び第２浮体１０Ｃのそれぞれの設定位置である。
なお、潜水機２０が水底で探査又は作業を行う場合には、水底での音響信号の反射の影響を考慮し、第０浮体１０Ａと第１浮体１０Ｂとの所定距離（Ｘ軸方向）、第０浮体１０Ａと第２浮体１０Ｃとの所定距離（Ｙ軸方向）は、それぞれ設置水域αの水深（Ｚ軸方向）と概ね同じとなるように設定することが好ましい。すなわち、設置水域αが略立方体（例えば、１．５ｋｍ×１．５ｋｍ×１．５ｋｍ）となることが好ましい。なお、この場合に水中音の伝播時間は１ｓｅｃ×１ｓｅｃ×１ｓｅｃとなる。
また、潜水機２０が水底から離れた水中で探査又は作業を行う場合には、潜水機２０の深度（Ｚ軸方向）に合わせて、第０浮体１０Ａと第１浮体１０Ｂとの所定距離（Ｘ軸方向）と、第０浮体１０Ａと第２浮体１０Ｃとの所定距離（Ｙ軸方向）を設定することが好ましい。
【００３３】
自動位置保持浮体１０は、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号に同期して、設置水域の水深に合わせて１〜１０秒の間に１回の周期で、送信手段１３から水中に音響信号を送信する。自動位置保持浮体１０がＧＰＳ信号に同期した正確な時間周期で音響信号を送信することによって、潜水機２０の水中位置推定精度が向上する。この実施の形態においてＧＰＳ信号は、同期した音響信号の送信と、自動位置保持浮体１０の設定位置までの移動と、自動位置保持浮体１０の設定位置への位置保持に利用される。また、共通のＧＰＳ信号を用いて、これに同期した音響信号をそれぞれの自動位置保持浮体１０が送信するため、自動位置保持浮体１０間で同期のための通信を行う必要が無く、システムの簡素化が図れ、コストも低減可能となる。
なお、「同期」の意味には、回路的な微小な時間遅れ、意図的に微小な時間差を付けたもの、及び自動位置保持浮体１０や潜水機２０の回路の誤差等を含むものとする。
【００３４】
自動位置保持浮体１０には、周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅のうちから選択される一の信号が、識別信号として記憶されている。識別信号は、第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、第２浮体１０Ｃ毎に異なる。
図２は、識別信号の例を示す図であり、図２（ａ）は周波数を異ならせた場合を示し、第０浮体１０Ａの周波数を１２ＫＨｚ、第１浮体１０Ｂの周波数を１１ＫＨｚ、第２浮体１０Ｃの周波数を１０ＫＨｚとしたものである。また、図２（ｂ）はデューティサイクルのデューティ比を異ならせた場合を示し、第０浮体１０Ａのデューティ比を５０％、第１浮体１０Ｂのデューティ比を７５％、第２浮体１０Ｃのデューティ比を２５％としたものである。また、図２（ｃ）はデジタルビットを異ならせた場合を示し、第０浮体１０Ａのデジタルビットを０、第１浮体１０Ｂのデジタルビットを１、第２浮体１０Ｃのデジタルビットを２としたものである。また、信号時間幅を異ならせた場合は図示していないが、例えば第０浮体１０Ａの信号時間を１秒間、第１浮体１０Ｂの信号時間を１．１秒間、第２浮体１０Ｃの信号時間を１．２秒間というように信号時間を変化させることによって各浮体の識別信号とするものである。
自動位置保持浮体１０は、水中に音響信号を送信する際に、音響信号に識別信号を付加して送信手段１３から送信する。
【００３５】
また、自動位置保持浮体１０は、水面における他の存在物（船舶等）に対する注意を喚起する注意喚起手段（図示無し）を備える。注意喚起手段には、例えば、一定間隔で発光する表示灯や、電波で信号を送信する信号発信機等を用いることができる。
自動位置保持浮体１０にブイを使用する場合には、そのブイ自体によって潜水機２０が活動している水域を他船等に対して警戒表示することになるが、自動位置保持浮体１０が注意喚起手段を備えることによって、より一層他船等に対して警戒を促すことができ、自動位置保持浮体１０や潜水機２０に他船等が衝突して、自動位置保持浮体１０、潜水機２０、又は他船等が損傷することを防止できる。
【００３６】
図３は、潜水機２０の構成を示す概略構成図である。
潜水機２０は、例えば自律型無人潜水機 （ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  ｖｅｈｉｃｌｅ＝ＡＵＶ）であり、海洋においては海底熱水鉱床の探査等に用いられる。
潜水機２０は、自動位置保持浮体１０の送信手段１３から送信された音響信号を受信するハイドロフォン等の受信手段２１、入力情報記憶手段２２、圧力型深度計等の深度計２３、推定手段２４、及び記録手段２５を備える。
船舶等によって自動位置保持浮体１０とともに所定の水域に運ばれた潜水機２０は、水中に投入される。潜水機２０には、水中に投入される前に自動位置保持浮体１０のそれぞれの設定位置情報とそれぞれの識別信号情報、またそれぞれの探査領域等が入力される。入力された設定位置情報と識別信号情報、また探査領域等は、入力情報記憶手段２２に記憶される。識別信号情報を潜水機２０に記憶させておくことで、自動位置保持浮体１０からの識別信号が付加された音響信号を受信した潜水機２０は、受信した音響信号が、第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、又は第２浮体１０Ｃのいずれから送信されたものであるかを識別することができる。
推定手段２４は、入力情報記憶手段２２に記憶された設定位置情報及び識別信号情報、並びに受信した音響信号に基づいて水中における自己（潜水機２０）の水中位置を推定する。自己（潜水機２０）の水中位置の推定結果に基づいて、それぞれの探査領域に向かい、それぞれの探査任務を遂行することが可能となる。
【００３７】
潜水機２０は、受信手段２１で受信した音響信号を連続的に記録手段２５に記録する。連続的な記録手段２５を潜水機２０に備えることによって、潜水機２０と独立した記録手段を別途設ける必要がなく、経時的な信号処理が可能となる。
また、潜水機２０には、図示していない計時部を有しているが、この計時部は原子時計等の高精度時計部でなくクォーツ時計等の一般的な精度のものでよく、コストをかけずに実現できる。
また、潜水機２０は、深度計２３で自己の深度（Ｚ軸方向の位置）を計測する。これらによって次の４つのデータを取得することができる。
１）第０浮体１０Ａと第１浮体１０Ｂとの音響信号の時間差データ（Δｔ01）
２）第０浮体１０Ａと第２浮体１０Ｃとの音響信号の時間差データ（Δｔ02）
３）第１浮体１０Ｂと第２浮体１０Ｃとの音響信号の時間差データ（Δｔ12）
４）深度データ（Ｚ）
これらの時間差データにより計時部の時間的な誤差をキャンセルし、高精度時計部を用いなくても水中位置を精度よく推定することができる。
【００３８】
推定手段２４は、取得した上記４つのデータのうち必要なデータを用いて、双曲線測位法により、潜水機２０の緯度及び経度を推定する。
図４は潜水機２０の水中位置推定に用いる双曲線測位法の一例を示す図であり、ここではΔｔ01＝０．２秒、Δｔ02＝０．４秒、Ｚ＝−３００ｍの場合に、双曲線測位法により潜水機２０の緯度及び経度を推定する例を示している。
Δｔ01＝０．２秒の時間差は距離にして約３００ｍ差であることから、この潜水機２０は双曲線β上のどこかに位置していると推定される。また、Δｔ02＝０．４秒の時間差は距離にして約６００ｍ差であることから、この潜水機２０は双曲線γ上のどこかに位置していると推定される。すなわち、この潜水機２０の水中位置は、双曲線βと双曲線γの四つ交点のうちのいずれかである。
ここで、潜水機２０が第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．２秒後に第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信し、かつ第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．４秒後に第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｐ」の位置と推定される。
また、潜水機２０が第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信した０．２秒後に第０浮体１０Ａからの音響信号を受信し、かつ第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．４秒後に第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｑ」の位置と推定される。
また、潜水機２０が第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した０．４秒後に第０浮体１０Ａからの音響信号を受信し、かつ第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．２秒後に第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｒ」の位置と推定される。
また、潜水機２０が第０浮体１０Ａからの音響信号を第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した０．４秒後かつ第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信した０．２秒後に受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｓ」の位置と推定される。
このように潜水機２０自身で自己の水中位置を推定することができるので、自動位置保持浮体１０から潜水機２０に送信する音響信号をシンプルにすることができる。
なお、上記の説明では音響信号の立ち上がりの時間差データを用いて推定手段２４が潜水機２０の緯度及び経度を推定する例を挙げたが、立ち下りの時間差データや位相差データ等を用いて推定してもよい。
【００３９】
また、潜水機２０の受信手段２１は、一方の受信手段２１Ａと他方の受信手段２１Ｂとから成る。一方の受信手段２１Ａと他方の受信手段２１Ｂは、潜水機２０上に離隔して設けられている。例えば、潜水機２０の前方側に一方の受信手段２１Ａを配置し、後方側に他方の受信手段２１Ｂを配置する。
離隔して設けた一方の受信手段２１Ａと他方の受信手段２１Ｂとでは、音響信号の受信時間に差が生じる。この二箇所での音響信号の記録データの時間差から、潜水機２０自身の姿勢（潜水機２０が向いている方位）を検出することができる。水中位置に加えて姿勢を検出することで、複雑な姿勢検出手段を必要とせずに、潜水機２０の状態をより詳しく把握することができる。
なお、受信手段２１は、三つ以上の受信手段を潜水機２０上に離隔して設けてもよい。
【００４０】
図５は自動位置保持浮体１０が設定位置からずれた状態を示す図であり、ここでは第０浮体１０Ａが、設定位置からＸ軸方向のプラス側に１５ｍ及びＹ軸方向のマイナス側に３ｍ位置ずれした状態を示している。
自動位置保持浮体１０は、大きな波や想定以上の風によって設定位置からずれてしまう可能性がある。そこで自動位置保持浮体１０は、ＧＰＳ信号をＤＰＧＳ部１１で受信することによって自己の位置を約１ｍの精度で計測し、その計測位置と設定位置とにずれが生じている場合には、ＤＰＳ部１２によって位置ずれを修正し、設定位置における所定の緯度及び経度を維持する。ＤＰＳ部１２による修正精度は一般的に約３ｍ〜１０ｍである。このように大きな波や想定以上の風の影響を受けても自動位置保持浮体１０が、水面への設定位置を維持するように位置保持を行うことによって、潜水機２０の水中位置の推定精度を高めることができる。
なお、自動位置保持浮体１０が、設定位置から大きくずれたとき（例えば距離１５ｍより大きい場合）には、送信手段１３からの音響信号の送信を停止してもよい。
【００４１】
また、自動位置保持浮体１０は、設定位置に対する水面上の位置ずれをＧＰＳ信号に基づいて検出し、位置ずれに基づく補正情報を音響信号に付加して送信手段１３から発信してもよい。すなわち、設定位置からのずれに関して、Ｘ軸方向とＹ軸方向それぞれに対して、水中音速１５００ｍ／ｓを用いて、ずれ距離に相当する時間を算出し、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号に同期した音響信号を発信する際に、Ｘ軸方向ずれ音響信号及びＹ軸方向ずれ音響信号を合成する。なお、補正情報を音響信号に付加して発信するため、送信手段１３以外の他の送信手段を必要としない。
図６は自動位置保持浮体１０の設定位置からのずれ音響信号（補正情報）を送信する方法の説明図である。
図６に示すように、例えば、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号を送信した時点から１０ミリ秒後（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｄｅｌａｙ  ｔｉｍｅ）を基準時としてＸ軸方向のずれを示す音響信号を送信し、Ｘ軸方向のずれを示す音響信号を送信した時点から更に１０ミリ秒後（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｄｅｌａｙ  ｔｉｍｅ）を基準時としてＹ軸方向のずれを示す音響信号を送信する。位置ずれのプラス方向とマイナス方向は、音響信号を基準時から早く送信するか遅く送信するかによって区別する。また、位置ずれの距離は、音響信号の送信時と基準時との時間差によって表す。
すなわち図５に示す例においては、第０浮体１０Ａは、Ｘ軸方向のプラス側に１５ｍ、Ｙ軸方向のマイナス側に３ｍずれており、距離差１５ｍは約１０ミリ秒のずれに、距離差３ｍは約２ミリ秒のずれに相当するので、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号を送信した時点から２０ミリ秒後にＸ軸方向のずれを示す音響信号（補正情報）を送信し、その時点から更に８ミリ秒後にＹ軸方向のずれを示す音響信号（補正情報）を送信する。
Ｘ軸方向ずれ音響信号及びＹ軸方向ずれ音響信号が合成された音響信号を受信した潜水機２０の推定手段２４は、推定した潜水機２０の水中位置を補正情報に基づいて補正することで、ＤＧＰＳ部１１による測位精度（誤差約１ｍ）に近づけることができる。
したがって、潜水機２０の推定した水中位置を補正情報に基づいて補正する場合には、ＤＰＳ部１２による自動位置保持浮体１０の修正精度を１０ｍ程度に落とし、スラスタの使用時間を低減することで、自動位置保持浮体１０のバッテリーの消耗を抑えることが可能となる。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、潜水機２０の水中位置を推定するにあたって深度計２３の値を使用したが、潜水機２０に深度計２３を設けずに又は深度計２３の値を用いずに、自動位置保持浮体１０からの音響信号に基づいて水中における潜水機２０の３次元的な水中位置を推定してもよい。
【００４３】
また、上記実施形態においては、双曲線測位法を用いて潜水機２０の緯度及び経度を推定する場合を説明したが、深度計２３のデータ及び３機以上の自動位置保持浮体１０からの音響信号の時間差データに基づいたタイムオブフライト（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法により潜水機２０の緯度及び経度を推定してもよい。
タイムオブフライト（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法を用いる場合において、潜水機２０に深度計２３を設けないとき又は深度計２３の値を用いないときには、潜水機２０の水中位置を推定するにあたって最低限必要な自動位置保持浮体１０の数は４機となる。
【００４４】
また、潜水機２０に原子時計を搭載してもよい。原子時計は狂いがなく正確なので、潜水機２０が、原子時計の値と深度計２３の値を用いて三角測量法により自己の水中位置を推定する場合は、最低限必要な自動位置保持浮体１０の数は２機となる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の水中局域測位システムは、ＡＵＶ、有人操作型作業機、遠隔操作型作業機などの潜水機の水中位置をリアルタイムに精度よく把握することができる。したがって、海底熱水鉱床の探査や湖沼等の水中における作業等の効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  自動位置保持浮体
１３  送信手段
２０  潜水機
２１  受信手段
２２  入力情報記憶手段
２３  深度計
２４  推定手段
２５  記録手段
α  設置水域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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