JP7032735B2 - Underwater positioning device - Google Patents
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Description
この発明は、水中で音響通信することにより、送信元の装置の位置を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating the position of a source device by acoustic communication underwater.
特許文献1には、水中で音響通信することにより測位する音響測位システムについて記載されている。特許文献1に記載された音響測位システムでは、送信機は特定のディジタル信号を含んだ信号を送信し、受信機は受信した信号に特定のディジタル信号が含まれていることを検出する。そして、受信機は、特定のディジタル信号が含まれていることが検出された場合に、異なる2個以上の受信ハイドロフォンによって受信された信号の時間差から送信機の位置を特定する。
特許文献2には、特許文献1のディジタル信号を、既知の符号により周波数拡散し、受信機が既知の符号を使用して復調することが記載されている。これにより、複数の送信機が固有の符号を使用することで、同時に複数の送信機の測位を実施可能としている。
Patent Document 2 describes that the digital signal of
特許文献3には、複数の相対速度それぞれに起因するドップラーシフト量に基づき送信データを復調して複数の受信データを生成し、複数の受信データのうち品質の良い受信データを選択することが記載されている。これにより、マルチパスの影響を取り除くことができ、品質の良く水中で音響通信を行うことが記載されている。 Patent Document 3 describes that transmission data is demodulated based on the Doppler shift amount caused by each of the plurality of relative velocities to generate a plurality of received data, and high-quality received data is selected from the plurality of received data. Has been done. It is described that the influence of multipath can be removed by this, and acoustic communication is performed underwater with good quality.
マルチパスの影響が顕著な場合には、送信機から送信した信号がマルチパスの影響で時間的に遅れて各受信機に入力されることになる。マルチパスの影響は、送受信ハイドロフォンの位置と、使用する周波数と、時刻とに応じて変動する。 When the influence of multipath is remarkable, the signal transmitted from the transmitter is input to each receiver with a time delay due to the influence of multipath. The effect of multipath varies depending on the position of the transmission / reception hydrophone, the frequency used, and the time.
そのため、特許文献1に記載された音響測位システムでは、時間差及び位相差から送信機の方位を測定する場合には、送受信ハイドロフォンの位置と、使用する周波数と、時刻とに応じて、マルチパスの影響を受け変動した測位結果が得られる可能性があるという課題がある。
なお、マルチパスの影響を受けていない測位結果を検出することも考えられる。しかし、マルチパスの影響を受けていない測位結果を検出するには、時間的な統計を実施する必要がある。そのため、送信機及び受信機の少なくとも一方が移動する場合には、適用することが困難である。
Therefore, in the acoustic positioning system described in
It is also possible to detect positioning results that are not affected by multipath. However, temporal statistics need to be performed to detect positioning results that are not affected by multipath. Therefore, it is difficult to apply when at least one of the transmitter and the receiver moves.
また、特許文献2に記載された技術を適用する場合にも、特許文献1に記載された音響測位システムと同様の課題がある。
Further, when the technique described in Patent Document 2 is applied, there is a problem similar to that of the acoustic positioning system described in
また、特許文献3に記載された技術を適用する場合には、マルチパスの影響を受けていても、通信エラーが無いデータが選択される。そのため、測位結果が変動してしまう可能性があるという課題がある。 Further, when the technique described in Patent Document 3 is applied, data having no communication error is selected even if it is affected by multipath. Therefore, there is a problem that the positioning result may fluctuate.
この発明は、マルチパスの影響がある場合にも、水中音響通信により精度よく測位可能にすることを目的とする。 An object of the present invention is to enable accurate positioning by underwater acoustic communication even when there is an influence of multipath.
この発明に係る水中測位装置は、
水中送信装置から送信された送信データを受信する受信部と、
受信部によって受信された送信データから得られた複数の受信データを入力として、前記水中送信装置の位置を示す複数の測位結果を計算する測位計算部と、
前記測位計算部によって計算された前記複数の測位結果のうち、前記複数の測位結果のばらつきに応じた範囲の測位結果に基づき、前記水中送信装置の位置を推定する統計解析部と
を備える。
The underwater positioning device according to the present invention is
A receiver that receives transmission data transmitted from the underwater transmitter,
A positioning calculation unit that calculates a plurality of positioning results indicating the positions of the underwater transmission device by inputting a plurality of reception data obtained from the transmission data received by the reception unit.
It includes a statistical analysis unit that estimates the position of the underwater transmission device based on the positioning results in a range corresponding to the variation of the plurality of positioning results among the plurality of positioning results calculated by the positioning calculation unit.
この発明では、複数の測位結果のうち、測位結果のばらつきに応じた範囲の測位結果に基づき、水中送信装置の位置を推定する。
マルチパスの影響を受けた測位結果は、大きく変動してしまう。マルチパスの影響の大きさは、測位結果のばらつきによって推定することが可能である。そのため、測位結果のばらつきに応じた範囲の測位結果だけを抽出することにより、マルチパスの影響の少ない測位結果だけを抽出することが可能である。その結果、マルチパスの影響がある場合にも、精度よく測位可能である。
In the present invention, the position of the underwater transmitter is estimated based on the positioning result in the range corresponding to the variation of the positioning result among the plurality of positioning results.
Positioning results affected by multipath will fluctuate significantly. The magnitude of the effect of multipath can be estimated from the variation in positioning results. Therefore, it is possible to extract only the positioning results that are less affected by the multipath by extracting only the positioning results in the range corresponding to the variation in the positioning results. As a result, accurate positioning is possible even when there is an influence of multipath.
実施の形態1.
***構成の説明***
図1を参照して、実施の形態1に係る水中音響測位システム1の構成を説明する。
水中音響測位システム1は、水中送信装置10と、水中測位装置20とを備える。水中送信装置10は、送信データを送信する装置であり、水中測位装置20は、送信データを受信して、水中送信装置10の位置を推定する装置である。
*** Explanation of configuration ***
The configuration of the underwater
The underwater
水中送信装置10は、送信部11Aから送信部11Nの複数の送信部11を備える。各送信部11は、搬送波変調部12と、アナログアンプ13と、送信ハイドロフォン14とを備える。搬送波変調部12と、アナログアンプ13と、送信ハイドロフォン14とは、回路又は装置といったハードウェア、あるいは、ソフトウェアで実現される。
The
水中測位装置20は、受信部21Aから受信部21Mの複数の受信部21と、測位計算部22と、統計解析部23とを備える。各受信部21は、受信ハイドロフォン24と、アナログアンプ25と、搬送波復調部26と、分割分離部27とを備える。測位計算部22と、統計解析部23と、受信ハイドロフォン24と、アナログアンプ25と、搬送波復調部26と、分割分離部27とは、回路又は装置といったハードウェア、あるいは、ソフトウェアで実現される。
The
***動作の説明***
図2を参照して、実施の形態1に係る水中音響測位システム1の動作を説明する。
実施の形態1に係る水中音響測位システム1の動作は、実施の形態1に係る水中音響測位方法に相当する。また、実施の形態1に係る水中音響測位システム1の動作は、実施の形態1に係る水中音響測位プログラムの処理に相当する。
*** Explanation of operation ***
The operation of the underwater
The operation of the underwater
(ステップS1:送信処理)
水中送信装置10の各送信部11は、送信データ31を水中測位装置20に送信する。
具体的には、各送信部11では、搬送波変調部12は、送信データ31を周波数多重化して搬送波変調する。アナログアンプ13は、搬送波変調された送信データ31を増幅する。送信ハイドロフォン14は、増幅された送信データ31を水中測位装置20に向けて水中に送信する。なお、送信部11毎に送信データ31は異なるが、搬送波変調は同じである。
(Step S1: Transmission process)
Each transmission unit 11 of the
Specifically, in each transmission unit 11, the carrier
(ステップS2:受信処理)
水中測位装置20の各受信部21は、ステップS1で水中送信装置10から送信された送信データ31を受信する。
具体的には、各受信部21では、受信ハイドロフォン24は、送信データ31を受信する。アナログアンプ25は、受信された送信データ31を増幅する。搬送波復調部26は、増幅された送信データ31を搬送波復調する。分割分離部27は、搬送波復調された送信データ31を周波数多重の分割をして周波数毎のデータとするとともに、MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)分離して、複数の受信データ32を生成する。各受信部21は、生成された複数の受信データ32を測位計算部22に出力する。この際、各受信部21は、各受信データ32についての搬送波対雑音比(以下、C/N)を、受信データ32と対応付けて測位計算部22に出力する。
(Step S2: Reception processing)
Each receiving unit 21 of the
Specifically, in each receiving unit 21, the
(ステップS3:測位計算処理)
水中測位装置20の測位計算部22は、ステップS2で各受信部21によって出力された複数の受信データ32を入力として、水中送信装置10の位置を示す複数の測位結果33を計算する。なお、水中送信装置10の位置は、少なくとも、水中測位装置20に対する水中送信装置10の方角を含む。測位計算部22は、複数の測位結果33を統計解析部23に出力する。
具体的には、測位計算部22は、同一の送信部11によって送信された送信データ31から得られた2つの受信データ32であって、異なる受信部21によって受信された送信データから得られた2つの受信データ32の全ての組合せを対象とする。測位計算部22は、対象の組合せの2つの受信データ32の時間差及び位相差に基づき測位結果33を計算する。これにより、測位計算部22は、複数の測位結果33を計算する。
つまり、測位計算部22は、各送信部11から送信された送信データ31を対象とし、複数の受信部21から得られる2つの受信部21の各組合せを対象として、対象の受信部21によって受信された対象の送信データ31から得られた2つの受信データ32から測位結果33を計算する。なお、測位計算部22は、多重化された各周波数を対象とし、受信部21によって受信された送信データを周波数分割して得られた対象の周波数の受信データから測位結果33を計算する。
(Step S3: Positioning calculation processing)
The
Specifically, the
That is, the
図3を参照して、測位結果33の計算パターンを具体的に説明する。
図3では、送信ハイドロフォン14(つまり送信部11)の数が2つ、受信ハイドロフォン24(つまり受信部21)の数が4つである。また、ここでは、周波数多重数を4とする。
この場合、送信ハイドロフォン14Aから送信された送信データ31は、受信ハイドロフォン24Aと受信ハイドロフォン24Bと受信ハイドロフォン24Cと受信ハイドロフォン24Dとによって受信される。したがって、送信ハイドロフォン14Aから送信された送信データ31について、受信ハイドロフォン24Aと受信ハイドロフォン24Bとの受信データに基づく測位結果33と、受信ハイドロフォン24Aと受信ハイドロフォン24Cとの受信データに基づく測位結果33と、受信ハイドロフォン24Aと受信ハイドロフォン24Dとの受信データに基づく測位結果33と、受信ハイドロフォン24Bと受信ハイドロフォン24Cとの受信データに基づく測位結果33と、受信ハイドロフォン24Bと受信ハイドロフォン24Dとの受信データに基づく測位結果33と、受信ハイドロフォン24Cと受信ハイドロフォン24Dとの受信データに基づく測位結果33との6通りの測位結果33が得られる。同様に、送信ハイドロフォン14Bから送信された送信データ31についても、6通りの測位結果33が得られる。したがって、合計12通りの測位結果33が得られる。
また、周波数分割して得られた周波数毎に12通りの測位結果33が得られる。ここでは、周波数多重数が4なので、12×4=48通りの測位結果33が得られる。
The calculation pattern of the
In FIG. 3, the number of transmitting hydrophones 14 (that is, transmitting unit 11) is two, and the number of receiving hydrophones 24 (that is, receiving unit 21) is four. Further, here, the frequency division multiplexing is set to 4.
In this case, the transmission data 31 transmitted from the
In addition, 12 types of
なお、上記説明では、同一の周波数における受信データ32間での測位を前提とした。しかし、異なる周波数における受信データ32間での測位も可能である。
この場合には、周波数1~4のうちの2つの周波数の組合せ毎に12通りの測位結果33が得られる。周波数1~4のうちの2つの周波数の組合せは、周波数1-周波数1と、周波数1-周波数2と、周波数1-周波数3と、周波数1-周波数4と、周波数2-周波数1と、周波数2-周波数2と、周波数2-周波数3と、周波数2-周波数4と、周波数3-周波数1と、周波数3-周波数2と、周波数3-周波数3と、周波数3-周波数4と、周波数4-周波数1と、周波数4-周波数2と、周波数4-周波数3と、周波数4-周波数4との16通りである。そのため、12×16=192通りの測位結果33が得られる。
In the above description, positioning between received
In this case, 12 types of
(ステップS4:統計解析処理)
水中測位装置20の統計解析部23は、ステップS3で計算された複数の測位結果33のうち、複数の測位結果33のばらつきと、ステップS2で出力された複数の受信データについてのC/Nの平均値との少なくともいずれかに応じた範囲の測位結果33に基づき、水中送信装置10の位置を推定する。統計解析部23は、推定された位置を示す測位データ34を出力する。
具体的には、統計解析部23は、ステップS2で出力された複数の受信データそれぞれを対象として、対象の受信データのC/Nが、対象の受信データの過去のC/Nと比較して基準値(例えば、6dB)以上劣化しているか否かを判定する。統計解析部23は、基準値以上劣化している受信データを複数の受信データから除外して、残った受信データについてのC/Nの平均値を計算する。統計解析部23は、ステップS3で計算された複数の測位結果33の中心値を基準として、複数の測位結果33のばらつきと、C/Nの平均値との少なくともいずれかに応じた範囲の測位結果33を抽出する。そして、統計解析部23は、抽出された測位結果33が示す位置の平均の位置を水中送信装置10の位置と推定する。
ここで、複数の測位結果33のばらつきに応じた範囲は、ばらつきが小さいほど、狭い範囲である。また、C/Nの平均値に応じた範囲は、C/Nの平均値が高い値であるほど、狭い範囲である。例えば、C/Nの平均値に応じた範囲は、C/Nの平均値が20dB以上の場合は統計解析の中心値5度の誤差範囲であり、C/Nの平均値が20~10dBの場合は統計解析の中心値7度の誤差範囲であり、C/Nの平均値が10dB以下の場合は統計解析の中心値10度の誤差範囲である。ここで、中心値X度の誤差範囲は、中心値が表す方角からのずれがX度の範囲を意味する。
(Step S4: Statistical analysis processing)
The
Specifically, the
Here, the range corresponding to the variation of the plurality of positioning results 33 is narrower as the variation is smaller. Further, the range corresponding to the average value of C / N is narrower as the average value of C / N is higher. For example, the range corresponding to the mean value of C / N is an error range of 5 degrees of the center value of statistical analysis when the mean value of C / N is 20 dB or more, and the mean value of C / N is 20 to 10 dB. In this case, the center value of statistical analysis is within an error range of 7 degrees, and when the mean value of C / N is 10 dB or less, the center value of statistical analysis is within an error range of 10 degrees. Here, the error range of the center value X degree means the range in which the deviation from the direction represented by the center value is X degree.
***実施の形態1の効果***
以上のように、実施の形態1に係る水中音響測位システム1では、複数の測位結果33のうち、測位結果33のばらつきと搬送波対雑音比との少なくともいずれかに応じた範囲の測位結果33に基づき、水中送信装置の位置を推定する。
マルチパスの影響を受けた測位結果33は、大きく変動してしまい、異なる位置を示す。マルチパスの影響の大きさは、測位結果33のばらつき及びC/Nによって推定することが可能である。そのため、測位結果33のばらつきとC/Nとの少なくともいずれかに応じた範囲の測位結果33だけを抽出することにより、マルチパスの影響の少ない測位結果33だけを抽出することが可能である。その結果、マルチパスの影響がある場合にも、精度よく測位可能である。
*** Effect of
As described above, in the underwater
The
ここで、強いマルチパスが発生している環境では、特定の周波数特性が劣化する周波数選択性フェージングが発生し、特定の周波数のC/Nが劣化する。したがって、C/Nが劣化している信号はマルチパスの影響を受けていると考えられる。アンテナの配置によりこの影響は変化し、また時刻によってもこの影響は変化する。
マルチパスの影響を受けた測位結果は大きく変動し、正しい測位結果は一定の誤差範囲内に集中する。マルチパスの影響が強いほど、正しい測位結果は狭い誤差範囲に集中する。そのため、C/Nの平均値が高い値であるほど、中心値を基準とする狭い範囲の測位結果33のみを用いることにより、精度よく測位可能である。
Here, in an environment where strong multipath is generated, frequency selective fading in which a specific frequency characteristic is deteriorated occurs, and C / N of a specific frequency is deteriorated. Therefore, it is considered that the signal whose C / N is deteriorated is affected by multipath. This effect changes depending on the arrangement of the antennas, and this effect also changes depending on the time of day.
Positioning results affected by multipath fluctuate greatly, and correct positioning results are concentrated within a certain error range. The stronger the influence of multipath, the narrower the error range is for correct positioning results. Therefore, the higher the average value of C / N, the more accurately the positioning can be performed by using only the
強いマルチパスが発生している環境では、特定の周波数特性が劣化する周波数選択性フェージングと、経路の異なる信号が発生し測位した位置が変化してしまう。しかし、実施の形態1に係る水中音響測位システム1は、送信データを周波数多重化し、受信機側で分離する。これにより、周波数選択性フェージングの影響と、マルチパスの影響とを小さくすることが可能である。
In an environment where strong multipath is generated, frequency selective fading in which specific frequency characteristics deteriorate and signals with different routes are generated to change the positioning position. However, the underwater
***他の構成***
<変形例1>
実施の形態1では、測位計算部22は、同一の送信部11によって送信された送信データ31から得られた2つの受信データ32であって、異なる受信部21によって受信された送信データから得られた2つの受信データ32の時間差及び位相差に基づき測位結果33を計算した。しかし、測位計算部22は、異なる送信部11によって送信された送信データ31から得られた2つの受信データ32であって、同一の受信部21によって受信された送信データから得られた2つの受信データ32の時間差及び位相差に基づき測位結果33を計算してもよい。
*** Other configurations ***
<
In the first embodiment, the
<変形例2>
実施の形態1では、水中送信装置10の搬送波変調部12が周波数多重化した。しかし、搬送波変調部12は、多重化せず広帯域変調のみを行い、水中測位装置20の分割分離部27が複数の帯域制限フィルタを使用して、周波数多重化と同様の効果を奏することも可能である。
<Modification 2>
In the first embodiment, the carrier
1 水中音響測位システム、10 水中送信装置、11 送信部、12 搬送波変調部、13 アナログアンプ、14 送信ハイドロフォン、20 水中測位装置、21 受信部、22 測位計算部、23 統計解析部、24 受信ハイドロフォン、25 アナログアンプ、26 搬送波復調部、27 分割分離部、31 送信データ、32 受信データ、33 測位結果、34 測位データ。 1 Underwater acoustic positioning system, 10 Underwater transmitter, 11 Transmitter, 12 Carrier modulator, 13 Analog amplifier, 14 Transmit hydrophone, 20 Underwater positioning device, 21 Receiver, 22 Positioning calculation unit, 23 Statistical analysis unit, 24 Receive Hydrophone, 25 analog amplifier, 26 carrier wave demodulator, 27 division / separation unit, 31 transmission data, 32 reception data, 33 positioning result, 34 positioning data.
Claims (9)
前記複数の受信部における2つの受信部の各組合せを対象の組合せとして、前記対象の組合せにおける各受信部によって送信データが受信された時間差から前記水中送信装置の位置を示す測位結果を計算することにより、前記水中送信装置の位置を示す複数の測位結果を計算する測位計算部と、
前記測位計算部によって計算された前記複数の測位結果のうち、前記複数の測位結果のばらつきに応じた範囲の測位結果に基づき、前記水中送信装置の位置を推定する統計解析部と
を備える水中測位装置。 A plurality of receivers having a receiving hydrophone for receiving transmission data transmitted by a transmitting hydrophone from an underwater transmitter, and
Using each combination of the two receiving units in the plurality of receiving units as the target combination, the positioning result indicating the position of the underwater transmitting device is calculated from the time difference in which the transmission data is received by each receiving unit in the target combination. With a positioning calculation unit that calculates a plurality of positioning results indicating the position of the underwater transmitter,
Underwater positioning including a statistical analysis unit that estimates the position of the underwater transmission device based on the positioning results in the range corresponding to the variation of the plurality of positioning results among the plurality of positioning results calculated by the positioning calculation unit. Device.
前記複数の送信部における2つの送信部の各組合せを対象の組合せとして、前記受信部によって受信された前記対象の組合せにおける各送信部から送信された送信データが受信された時間差から前記水中送信装置の位置を示す測位結果を計算することにより、前記水中送信装置の位置を示す複数の測位結果を計算する測位計算部と、
前記測位計算部によって計算された前記複数の測位結果のうち、前記複数の測位結果のばらつきに応じた範囲の測位結果に基づき、前記水中送信装置の位置を推定する統計解析部と
を備える水中測位装置。 A receiver having a receiving hydrophone that receives transmission data transmitted by the transmission hydrophone from a plurality of transmitters included in the underwater transmitter, and a receiver.
The underwater transmission device is based on the time difference between the time differences in which the transmission data transmitted from each transmission unit in the target combination received by the reception unit is received, with each combination of the two transmission units in the plurality of transmission units as the target combination. A positioning calculation unit that calculates a plurality of positioning results indicating the positions of the underwater transmitter by calculating the positioning results indicating the positions of
Underwater positioning including a statistical analysis unit that estimates the position of the underwater transmission device based on the positioning results in the range corresponding to the variation of the plurality of positioning results among the plurality of positioning results calculated by the positioning calculation unit. Device.
請求項1又は2に記載の水中測位装置。 The underwater positioning device according to claim 1 or 2 , wherein the statistical analysis unit estimates the position of the underwater transmission device based on the positioning results in the range based on the center value among the plurality of positioning results.
請求項1から3までのいずれか1項に記載の水中測位装置。 The underwater positioning device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the statistical analysis unit estimates the position of the underwater transmission device based on the positioning result in a narrower range as the variation is smaller.
請求項1から4までのいずれか1項に記載の水中測位装置。 A claim that the statistical analysis unit estimates the position of the underwater transmission device based on the positioning result in the range corresponding to the carrier-to-noise ratio of the received data obtained from each transmission data among the plurality of positioning results. The underwater positioning device according to any one of 1 to 4 .
請求項5に記載の水中測位装置。 The underwater positioning device according to claim 5 , wherein the statistical analysis unit estimates the position of the underwater transmission device based on the positioning result in a narrower range as the carrier-to-noise ratio is higher.
請求項5又は6に記載の水中測位装置。 The statistical analysis unit obtains positioning results in a range corresponding to the average value of the carrier-to-noise ratio for a plurality of received data excluding the received data whose carrier-to-noise ratio is deteriorated by a reference value or more compared to the past received data. The underwater positioning device according to claim 5 or 6 , which estimates the position of the underwater transmission device based on the above.
前記測位計算部は、前記複数の送信部それぞれから送信された送信データを対象の送信データとして、前記対象の組合せにおける各受信部によって受信された前記対象の送信データから測位結果を計算する
請求項1に記載の水中測位装置。 Each of the plurality of receiving units receives transmission data transmitted from the plurality of transmitting units included in the underwater transmitting device.
The positioning calculation unit calculates the positioning result from the transmission data of the target received by each receiving unit in the combination of the targets, using the transmission data transmitted from each of the plurality of transmission units as the target transmission data. The underwater positioning device according to claim 1.
前記測位計算部は、多重化された各周波数を対象とし、前記受信部によって受信された送信データを周波数分割して得られた対象の周波数の受信データから測位結果を計算する請求項1から8までのいずれか1項に記載の水中測位装置。 The receiving unit receives frequency-multiplexed transmission data and receives the frequency-multiplexed transmission data.
The positioning calculation unit targets each of the multiplexed frequencies, and calculates the positioning result from the reception data of the target frequency obtained by frequency - dividing the transmission data received by the reception unit. The underwater positioning device according to any one of the above items.
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