(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面航走体との間で音響通信しながら水中を移動する水中航走体の相対位置制御方法において、
前記水中航走体と前記水面航走体との音響通信状態を計測することにより前記水中航走体が水中における音圧分布のうち音圧の高い場所に存在しているか否かを確認し、
前記水中航走体が前記音圧分布のうち音圧の低い場所に存在している場合に前記水中航走体と前記水面航走体との相対位置を調整し、
前記水中航走体を前記音圧分布のうち音圧の高い場所に存在させる、
ことを特徴とする水中航走体の相対位置制御方法。
【請求項２】
前記水中航走体又は前記水面航走体を進行方向の前後に移動させることにより、前記水中航走体と前記水面航走体との相対位置を調整する、ことを特徴とする請求項１に記載の水中航走体の相対位置制御方法。
【請求項３】
少なくとも、通信エラー率、信号相関又は信号レベルのいずれか一つを含む指標を用いて音響通信状態の計測を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の水中航走体の相対位置制御方法。
【請求項４】
水面航走体との間で音響通信しながら水中を移動する水中航走体の相対位置制御システムにおいて、
前記水面航走体及び前記水中航走体のそれぞれに配置され音響通信状態を計測する通信状態計測装置と、
前記水中航走体又は前記水面航走体を移動させる位置制御装置と、を備え、
前記位置制御装置は、前記通信状態計測装置の出力に基づいて、前記水中航走体が水中における音圧分布のうち相対的に音圧の高い場所に存在するように、前記水中航走体又は前記水面航走体を移動させる、
ことを特徴とする水中航走体の相対位置制御システム。
【請求項５】
前記位置制御装置は、前記水中航走体又は前記水面航走体を進行方向の前後に移動させる、ことを特徴とする請求項４に記載の水中航走体の相対位置制御システム。
【請求項６】
前記通信状態計測装置は、少なくとも、通信エラー率、信号相関又は信号レベルのいずれか一つを含む指標を用いて音響通信状態の計測を行う、ことを特徴とする請求項４に記載の水中航走体の相対位置制御システム。
【請求項７】
前記通信状態計測装置及び前記位置制御装置は、前記水中航走体及び前記水面航走体のいずれか一方又は両方に搭載されている、ことを特徴とする請求項４に記載の水中航走体の相対位置制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中航走体の相対位置制御方法及び相対位置制御システムに関し、特に、水中における良好な音響通信状態を保持可能な水中航走体の相対位置制御方法及び相対位置制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋、河川、ダム、貯水層等の水中や水底における探査、調査、測量、撮影等を行うために曳航式や自走式の水中航走体が用いられることが多い。水中航走体により得られた情報は、一般に水中音響通信により水面航走体に伝達される。したがって、水中航走体と水面航走体とは、その位置関係を一定の状態に保持したまま並走されることが多い。
【０００３】
例えば、特許文献１には、母船、中継器、水中航走体を有する通信システムにおいて、中継器と水中航走体とが相互に音響通信可能な範囲内に存在しない場合には、中継器を水平移動させることが開示されている。また、特許文献２には、水上移動体が、水中航走体を検出しながら、自身の位置と水中航走体の位置とが、音響通信装置を用いて通信できる範囲内にある状態を保持することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３０８７６６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３９２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水中を伝播する音波は、水面や水底で反射波を生じることから、音源から出力された直接波と反射波とが干渉し合い、音圧の高い部分と低い部分とを有する音圧分布が生じることとなる。そして、音圧の高い部分では音響通信状態は良好であるものの、音圧の低い部分では音響通信状態は不良となってしまう。なお、「音響通信状態が良好である」とは、音源から発信された音波に対して受信した音波の減衰量が少ない状態を意味し、「音響通信状態が不良である」とは、音源から発信された音波に対して受信した音波の減衰量が多い状態を意味している。
【０００６】
したがって、上述した特許文献１及び特許文献２に記載されたように、水中航走体及び水面航走体を音響通信可能範囲内に存在させるようにした場合であっても、音響通信状態が不良となってしまう場合がある。特に、水中航走体と水面航走体との位置関係を一定に保持したまま並走させる場合には、これらの移動とともに音圧分布も移動することとなり、最初に設定した位置関係における音響通信状態が不良である場合、その後も音響通信状態が不良のままとなってしまうおそれがある。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものであり、水中航走体と水面航走体との音響通信状態を良好な状態に保持することができる、水中航走体の相対位置制御方法及び相対位置制御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】
【０００８】
本発明によれば、水面航走体との間で音響通信しながら水中を移動する水中航走体の相対位置制御方法において、前記水中航走体と前記水面航走体との音響通信状態を計測することにより前記水中航走体が水中における音圧分布のうち音圧の高い場所に存在しているか否かを確認し、前記水中航走体が前記音圧分布のうち音圧の低い場所に存在している場合に前記水中航走体と前記水面航走体との相対位置を調整し、前記水中航走体を前記音圧分布のうち音圧の高い場所に存在させる、ことを特徴とする水中航走体の相対位置制御方法が提供される。
【０００９】
前記相対位置制御方法において、前記水中航走体又は前記水面航走体を進行方向の前後に移動させることにより、前記水中航走体と前記水面航走体との相対位置を調整するようにしてもよい。また、少なくとも、通信エラー率、信号相関又は信号レベルのいずれか一つを含む指標を用いて音響通信状態の計測を行ってもよい。
【００１０】
また、本発明によれば、水面航走体との間で音響通信しながら水中を移動する水中航走体の相対位置制御システムにおいて、前記水面航走体及び前記水中航走体のそれぞれに配置され音響通信状態を計測する通信状態計測装置と、前記水中航走体又は前記水面航走体を移動させる位置制御装置と、を備え、前記位置制御装置は、前記通信状態計測装置の出力に基づいて、前記水中航走体が水中における音圧分布のうち相対的に音圧の高い場所に存在するように、前記水中航走体又は前記水面航走体を移動させる、ことを特徴とする水中航走体の相対位置制御システムが提供される。
【００１１】
前記位置制御装置は、前記水中航走体又は前記水面航走体を進行方向の前後に移動させるようにしてもよい。また、前記通信状態計測装置は、少なくとも、通信エラー率、信号相関又は信号レベルのいずれか一つを含む指標を用いて音響通信状態の計測を行ってもよい。また、前記通信状態計測装置及び前記位置制御装置は、前記水中航走体及び前記水面航走体のいずれか一方に搭載されていてもよいし、前記水中航走体及び前記水面航走体の両方に搭載されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る水中航走体の相対位置制御方法及び相対位置制御システムによれば、水中航走体と水面航走体との音響通信状態を計測することにより、水中航走体が水中における音圧分布のうち音圧の高い部分に存在しているか否かを把握することができる。そして、水中航走体が音圧の低い部分に存在している場合、すなわち、音響通信状態が不良である場合に、水中航走体又は水面航走体を移動させて相対位置を調整することにより、水中航走体を音圧の高い部分に存在させることができ、音響通信状態を良好な状態に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る水中航走体の相対位置制御システムを示す全体構成図である。
【図２】直接波及び反射波の干渉状態を示す説明図であり、（ａ）は概念図、（ｂ）は水中における音圧分布の一例、を示している。
【図３】音圧分布の模式図であり、（ａ）は水面航走体の上面から見た音圧分布、（ｂ）は水中航走体の側面から見た音圧分布、を示している。
【図４】本発明の実施形態に係る水中航走体の相対位置制御方法を示す一例であり、（ａ）は水中航走体を移動させた場合、（ｂ）は水面航走体を移動させた場合、を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る水中航走体の相対位置制御システムを示す全体構成図である。図２は、直接波及び反射波の干渉状態を示す説明図であり、（ａ）は概念図、（ｂ）は水中における音圧分布の一例、を示している。図３は、音圧分布の模式図であり、（ａ）は水面航走体の上面から見た音圧分布、（ｂ）は水中航走体の側面から見た音圧分布、を示している。
【００１５】
本発明の実施形態に係る水中航走体１の相対位置制御システムは、図１に示したように、水面航走体２との間で音響通信しながら水中を移動する水中航走体１の相対位置制御システムであって、水面航走体２及び水中航走体１のそれぞれに配置され音響通信状態を計測する通信状態計測装置３と、水中航走体１又は水面航走体２を移動させる位置制御装置４と、を備え、位置制御装置４は、通信状態計測装置３の出力に基づいて、水中航走体１が水中における音圧分布のうち相対的に音圧の高い場所に存在するように、水中航走体１又は水面航走体２を移動させるように構成されている。
【００１６】
水中航走体１は、例えば、水中航走体１に推力を付加する推進器１１と、水中航走体１の航走を制御する航走制御装置１２と、水中航走体１の位置を計測する水中測位装置１３と、水中航走体１の速度を計測するドップラー流速計１４（DVL：Doppler Velocity Log）と、水中航走体１の姿勢を計測する慣性航法装置１５（INS：Inertial Navigation System）と、水面航走体２との間で音波を送受信する水中音響通信器１６と、を有している。
【００１７】
また、図示しないが、水中航走体１は、水中航走体１の進行方向を変更する舵、水中航走体１の浮力を調整する浮力調整装置、水中航走体１の重心を制御する重心制御装置等の機器を有していてもよい。また、図示しないが、水中航走体１は、水中や水底を探査、調査、測量、撮影等を行うための機器を有していてもよい。
【００１８】
水面航走体２は、例えば、水面航走体２に推力を付加する推進器２１と、水面航走体２の航走を制御する航走制御装置２２と、水中航走体１の位置を計測する水中測位装置２３と、水面航走体２の進行方向を変更する舵２４と、水面航走体２の姿勢、速度、加速度等を計測する慣性航法装置２５（INS：Inertial  Navigation System）と、水面航走体２との間で音波を送受信する水中音響通信器２６と、水面航走体２の地球座標系における位置を計測するＧＰＳ航法装置２７（GPS: Global Positioning System）と、を有している。
【００１９】
水面航走体２に搭載された水中測位装置２３は、例えば、応答信号を送受信するトランシーバであり、水中航走体１に搭載された水中測位装置１３は、例えば、トランシーバからの受信信号に対して応答信号を返信するトランスポンダである。かかる水中測位装置１３，２３によれば、音波の往復時間と水中音速とを用いてトランシーバからトランスポンダまでの距離を決定し、受信音波の位相差から角度を算出し、トランシーバに対する三次元空間内でのトランスポンダの相対位置を求めることができる。
【００２０】
水中航走体１は、ドップラー流速計１４及び慣性航法装置１５により水中航走体１の姿勢、速度、加速度等を計測し、その計測データに基づいて航走制御装置１２により自己位置の計測精度を補正する。水面航走体２は、慣性航法装置２５により水面航走体２の姿勢、速度、加速度等を計測し、その計測データに基づいて航走制御装置２２により自己位置の計測精度を補正する。
【００２１】
水面航走体２に搭載された水中音響通信器２６は、水中航走体１及び水面航走体２の位置情報を水中航走体１に送信する。水中航走体１に搭載された水中音響通信器１６は、水中音響通信器２６から送信された水中航走体１及び水面航走体２の位置情報を受信する。水中音響通信器１６，２６は、音波（例えば、超音波）を送受信可能な機器であり、水中航走体１に搭載された各種機器のデータを水面航走体２に伝送する機能も有している。
【００２２】
なお、上述した水中航走体１及び水面航走体２の構成は、従来から使用されている水中航走体及び水面航走体と基本的に同じ構成を有しており、上述した構成に限定されるものではない。
【００２３】
加えて、本実施形態に係る相対位置制御システムは、水中航走体１に配置されたハイドロホン３１と、水面航走体２に配置されたハイドロホン３２と、水中航走体１に配置された水中航走体用位置制御装置４１と、水面航走体２に配置された水面航走体用位置制御装置４２と、を有している。ここで、ハイドロホン３１，３２は、通信状態計測装置３を構成する機器の一例である。また、水中航走体用位置制御装置４１及び水面航走体用位置制御装置４２は、位置制御装置４を構成している。
【００２４】
ハイドロホン３１，３２は、水中における音波（例えば、超音波）の音場を測定する受信専用の機器である。水中航走体１のハイドロホン３１は、水面航走体２の水中音響通信器２６から送信される音波を受信し、水面航走体２のハイドロホン３２は、水中航走体１の水中音響通信器１６から送信される音波を受信する。音響通信状態の計測に用いられる音波のデータ（周波数、送信時間等）は、水中航走体用位置制御装置４１及び水面航走体用位置制御装置４２に予め記憶されている。
【００２５】
音響通信状態の計測には、例えば、少なくとも、通信エラー率、信号相関又は信号レベルのいずれか一つを含む指標が用いられる。具体的には、水中航走体１の水中音響通信器１６から送信される音波を水面航走体２のハイドロホン３２で受信し、所定の条件（例えば、通信エラー率が閾値以下であるか否か、信号相関が閾値以上であるか否か、信号レベルが閾値以上であるか否か、のいずれか又はこれらの組み合わせ）を満たしているか否かを確認することにより、音響通信状態が良好であるか否かが判断される。
【００２６】
また、水面航走体２の水中音響通信器２６から送信される音波を水中航走体１のハイドロホン３１で受信し、所定の条件（例えば、通信エラー率が閾値以下であるか否か、信号相関が閾値以上であるか否か、信号レベルが閾値以上であるか否か、のいずれか又はこれらの組み合わせ）を満たしているか否かを確認することにより、音響通信状態が良好であるか否かを判断することもできる。
【００２７】
本実施形態のように、通信状態計測装置３及び位置制御装置４が、水中航走体１及び水面航走体２の両方に搭載されている場合には、水中航走体１側のみで音響通信状態を計測することもできるし、水面航走体２側のみで音響通信状態を計測することもできるし、水中航走体１及び水面航走体２の両方で音響通信状態を計測することもできる。水中航走体１及び水面航走体２の両方で音響通信状態を計測した場合には、音響通信状態の計測精度を向上させることができる。
【００２８】
また、水中航走体１及び水面航走体２のいずれか一方でのみ音響通信状態を計測する場合には、他方の通信状態計測装置３及び位置制御装置４を省略し、通信状態計測装置３及び位置制御装置４を水中航走体１及び水面航走体２のいずれか一方にのみ搭載するようにしてもよい。例えば、水中航走体１の通信状態計測装置３（ハイドロホン３１）及び位置制御装置４（水中航走体用位置制御装置４１）を省略した場合には、水中航走体１を簡略化及び軽量化することができる。
【００２９】
なお、上述したハイドロホン３１は、水中音響通信器１６と一体に構成されていてもよいし、ハイドロホン３２は、水中音響通信器２６と一体に構成されていてもよい。また、水中航走体用位置制御装置４１は、航走制御装置２１と一体に構成されていてもよいし、水面航走体用位置制御装置４２は、航走制御装置２２と一体に構成されていてもよい。
【００３０】
ここで、水中における音波の伝播について、図２（ａ）〜図３（ｂ）を参照しつつ説明する。例えば、水面航走体２から音波を送信して水中航走体１で受信する場合、図２（ａ）に示したように、水面航走体２から水中航走体１に直接的に伝播する直接波Ｗ１、水底で反射して伝播する反射波Ｗ２、水面に反射して伝播する反射波Ｗ３、水底及び水面に反射して伝播する反射波Ｗ４が存在する。これらの直接波Ｗ１及び反射波Ｗ１〜Ｗ４は、水中で干渉し合い、例えば、図２（ｂ）に示したような干渉縞が形成される。なお、図示しないが、水中又は水底に構造物や障害物が存在する場合には、それらによる反射波の影響も受けることとなる。
【００３１】
ここで、図２（ｂ）に示した図は、水中における音圧分布の一例を示したものであり、横軸Ｘが水平距離、縦軸Ｚが水深を示している。また、音圧分布の下端が水底に相当し、上端が水面に相当し、水面付近の黒丸は音源（水面航走体２）を示している。また、色の濃い部分が音圧の低い部分を示しており、色の薄い部分が音圧の高い部分を示している。
【００３２】
この音圧分布に示したように、水中における音波は、水平方向及び鉛直方向に音圧の高い部分と音圧の低い部分とが交互に現れることとなる。この音圧分布を水面航走体２の上面から見た場合、図３（ａ）に示したように、音源（水面航走体２）を中心にして、略同心円状に音圧の高い部分と音圧の低い部分とが交互に現れることとなる。なお、図３（ａ）において、実線は音圧の高い部分、点線は音圧の低い部分を示している。
【００３３】
また、音圧分布を水中航走体１の側面から見た場合、図３（ｂ）に示したように、音圧の高い部分と音圧の低い部分とが交互に繰り返した振幅波Ｐとして模式的に表示することができる。ここで、図３（ｂ）に示した振幅波Ｐは音圧を示しており、山の部分が音圧の高い部分、谷の部分が音圧の低い部分を示している。
【００３４】
一般に、音圧の高い部分は音響通信状態が良好となり、音圧の低い部分は音響通信状態が不良となる。したがって、図３（ｂ）に示したように、水中航走体１が振幅波Ｐの谷の部分、すなわち、音圧の低い部分に存在している場合には、通信状態が不良となりやすい。また、水中航走体１が振幅波Ｐの山の部分、すなわち、音圧の高い部分に存在している場合には、通信状態が良好となりやすい。
【００３５】
上述したように、水中航走体１と水面航走体２とが音響通信可能な範囲内に存在している場合であっても、音響通信状態が良好となる場合と不良となる場合がある。したがって、例えば、水中航走体１と水面航走体２との位置関係を一定の状態に保持したまま並走させる場合には、初期設定された位置関係において音響通信状態が不良となった場合には、その後も常に音響通信状態が不良となってしまうことから、水中の探査や調査に不具合を生じる可能性がある。
【００３６】
そこで、本実施形態に係る水中航走体１の相対位置制御システムでは、水中航走体１と水面航走体２との音響通信状態を計測することにより水中航走体１が水中における音圧分布のうち音圧の高い場所に存在しているか否かを確認し、水中航走体１が音圧分布のうち音圧の低い場所に存在している場合に水中航走体１と水面航走体２との相対位置を調整し、水中航走体１を音圧分布のうち音圧の高い場所に存在させる、という水中航走体１の相対位置制御方法を採用している。
【００３７】
水中航走体１と水面航走体２との相対位置を調整する場合には、水中航走体１のみを移動させてもよいし、水面航走体２のみを移動させてもよいし、水中航走体１及び水面航走体２の両方を移動させてもよい。また、図２（ｂ）や図３（ａ）に示したような音圧分布を有する場合には、例えば、水中航走体１を進行方向の前後に移動させてもよいし、進行方向に対して左右方向に移動させてもよいし、上下方向に移動させてもよいし、斜め方向に移動させてもよい。
【００３８】
上述した本実施形態に係る水中航走体１の相対位置制御方法及び相対位置制御システムによれば、水中航走体１と水面航走体２との音響通信状態を計測することにより、水中航走体１が水中における音圧分布のうち音圧の高い部分に存在しているか否かを把握することができる。そして、水中航走体１が音圧の低い部分に存在している場合、すなわち、音響通信状態が不良である場合に、水中航走体１又は水面航走体２を移動させて相対位置を調整することにより、水中航走体１を音圧の高い部分に存在させることができ、音響通信状態を良好な状態に保持することができる。
【００３９】
ここで、図４は、本発明の実施形態に係る水中航走体の相対位置制御方法を示す一例であり、（ａ）は水中航走体を移動させた場合、（ｂ）は水面航走体を移動させた場合、を示している。各図において、一点鎖線は音圧を示す振幅波Ｐを示している。
【００４０】
図４（ａ）に示したように、水中航走体１と水面航走体２との位置関係により、水中航走体１が振幅波Ｐの谷の部分、すなわち、音圧の低い部分に存在している場合、水中航走体１を進行方向の前後に移動させることにより、水中航走体１と水面航走体２との相対位置を調整することが好ましい。具体的には、振幅波Ｐの谷の部分（音圧の低い部分）に存在する水中航走体１を振幅波Ｐの山の部分（音圧の高い部分）に存在する水中航走体１′の位置まで移動させるようにすればよい。
【００４１】
ここでは、振幅波Ｐの谷の部分（音圧の低い部分）に存在する水中航走体１を進行方向前方に移動させているが、進行方向後方に移動させるようにしてもよい。また、図４（ａ）では、水中航走体１を存在している谷の直前の山の部分に移動させているが、二つ以上前の山の部分に移動させるようにしてもよい。
【００４２】
このように、水中航走体１を進行方向の前後に移動させることにより、水中航走体１の水深を維持したまま、移動距離を最小限に抑制しつつ音響通信状態を良好にすることができる。一般に、水中航走体１は、略同じ水深を維持しながら航走されることが多いことから、音響通信状態を良好にさせるためであっても鉛直方向に移動させることは、好ましくない場合がある。
【００４３】
また、図３（ａ）に示したように、音響通信状態が不良な部分（音圧の低い部分）は、水中航走体１の左右方向に円弧状に広がっていることから、水中航走体１を進行方向に対して左右方向の音響通信状態が良好な部分（音圧の高い部分）に移動させるには、比較的長い距離を移動させなければならない。なお、本実施形態は、水中航走体１を左右方向、上下方向又は斜め方向に移動させることを排除するものではない。
【００４４】
また、図４（ｂ）に示したように、水中航走体１と水面航走体２との位置関係により、水中航走体１が振幅波Ｐの谷の部分、すなわち、音圧の低い部分に存在している場合、水面航走体２を進行方向の前後に移動させることにより、水中航走体１と水面航走体２との相対位置を調整するようにしてもよい。具体的には、水面航走体２を水面航走体２′の位置まで移動させることにより、一点鎖線で示した振幅波Ｐを二点鎖線で示した振幅波Ｐ′まで移動させ、振幅波Ｐの谷の部分（音圧の低い部分）に存在していた水中航走体１を振幅波Ｐ′の山の部分（音圧の高い部分）に存在させるようにすればよい。
【００４５】
ここでは、水面航走体２を進行方向前方に移動させているが、進行方向後方に移動させるようにしてもよい。また、図４（ｂ）では、振幅波Ｐを約半周期分だけずらした振幅波Ｐ′となるように、水面航走体２を移動させているが、振幅波Ｐを１．５周期分以上ずらすように水面航走体２を移動させるようにしてもよい。
【００４６】
このように、水面航走体２を進行方向の前後に移動させることにより、振幅波Ｐの山谷の部分を移動させることができ、水中航走体１を移動させることなく、すなわち、水中航走体１の水深を維持したまま、音響通信状態を良好にすることができる。
【００４７】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４８】
１  水中航走体
２  水面航走体
３  通信状態計測装置
４  位置制御装置
１１，２１  推進器
１２，２２  航走制御装置
１３，２３  水中測位装置
１４  ドップラー流速計
１５，２５  慣性航法装置
１６，２６  水中音響通信器
２４  舵
２７  ＧＰＳ航法装置
３１，３２  ハイドロホン
４１  水中航走体用位置制御装置
４２  水面航走体用位置制御装置
【図１】
0006425133.tif 000002
【図２】
0006425133.tif 000003
【図３】
0006425133.tif 000004
【図４】
0006425133.tif 000005