JP2003004846A - 船速測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】船舶にピッチングが発生した場合でも、１本の
超音波ビームにより正確な船速を求めることができるよ
うにする。 【解決手段】超音波ビームＢを船首方向に俯角θで送受
する船舶２に、ＧＰＳ姿勢測定装置等の動揺センサ２８
を設ける。ピッチングが傾きαだけ発生した場合、ｆを
発射した超音波の周波数、θを基準の俯角｛動揺がない
ときの水平面４と発射方向（超音波ビーム）との俯
角｝、Ｃを水中の音速、Δｆを水底から反射してくる反
射波のドップラシフト（送信周波数と受信周波数の差）
とするとき、補正後の船速Ｖを、Ｖ＝Ｃ・Δｆ／｛２ｆ
・ｃｏｓ（θ＋α）｝で求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を水底へ
送信し、反射波のドップラ効果を利用して自船の船速
（絶対速度）を測定する船速測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、自船の船底側から一定周波数
の超音波ビームを海底あるいは湖底等の水底へ送信し、
水底から反射してきた反射波を受信し、受信した反射波
のドップラ効果を原因とする周波数偏位量（ドップラ偏
位量あるいはドップラシフト量ともいう。）に基づき自
船の船速を測定する船速測定装置が知られている。

【０００３】たとえば、図６Ａに示すように、海上を船
首方向に航行する船舶２の船速Ｖを測定する際には、船
底に装備した送受波器から水中斜め下方に俯角θをもっ
て超音波ビームＢを発射する。

【０００４】この場合、発射した超音波の周波数をｆ、
水平面４と発射方向（超音波ビームＢ）との俯角をθ、
水中の音速をＣ、水底６から反射してくる反射波のドッ
プラシフト（送信周波数と受信周波数の差）をΔｆとす
るとき、音速に対し船速Ｖが十分に小さいとすると、船
速Ｖは、概略以下の（１）式により求められる。

【０００５】 Ｖ＝Ｃ・Δｆ／（２ｆ・ｃｏｓθ） …（１） ところが、航行中、船舶２にピッチング等の動揺（傾
き）が発生し、図６Ｂに示すように、船舶（船体）２が
前後方向（縦方向）に傾くと超音波ビームＢの俯角θが
俯角（θ＋α）と変化して、ドップラシフトΔｆが変化
するので、実際には、船速Ｖが変わっていないにもかか
わらず、船速Ｖの計算値（上記（１）式による値）が変
わってしまうという問題がある。

【０００６】この問題を解決するために、ペアビーム方
式（ジェイナス方式とも呼ばれる。）が提案されてい
る。このペアビーム方式では、図６Ｃに示すように、超
音波ビームＢを船舶２の進行方向の前後にそれぞれ所定
俯角θで発射するように構成されている。このように構
成することにより、船舶２にピッチングが発生しても、
俯角の大きくなった超音波ビームＢでは、ドップラシフ
トΔｆが少なくなり、反対側の俯角の浅くなった超音波
ビームＢでは、ドップラシフトΔｆが大きく受信される
ので、各超音波ビームＢについて、上記（１）式の計算
結果を求め、平均を取ることで、ドップラシフトΔｆの
変化が相殺され、船速Ｖの計算値が一定となり、真の船
速Ｖを求めることができる。

【０００７】もちろん、船舶２は、前後方向ばかりでな
く、ヨーイング方向（平面的にみて時計回りあるいは反
時計回りに回転する方向）の揺れ、さらには、ローリン
グ方向（横方向）の揺れも存在する。

【０００８】これらの揺れによる船速Ｖの計算誤差の発
生を回避するため、従来は、図７Ａに示すように、進行
方向の前後および左右に向かう４本の超音波ビームＢに
よる方式、あるいは図７Ｂに示すように、進行方向およ
びそれから１２０°離れた２方向に向かう３本の超音波
ビームＢによる方式が採用されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
ビームＢの数が増加すればするほど、図８に示すよう
に、送受波器１０と送受信回路１２と船速算出回路１４
からなる船速測定装置１６の中、特に、送受波器１０と
送受信回路１２の構成が複雑になり、その結果、船速測
定装置１６のコストが高くなるという課題が発生する。

【００１０】この発明はこのような課題を考慮してなさ
れたものであり、動揺（ピッチングが発生しても船速の
補正が可能であり、かつ簡単な構成であって、またコス
トの低減を図ることを可能とする船速測定装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】また、この発明は、動揺（ピッチング、ロ
ーリングおよびヨーイング）が発生しても船速の補正が
可能であり、かつ簡単な構成であって、またコストの低
減を図ることを可能とする船速測定装置を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る船速測定
装置は、船舶から超音波を水底に対して送受波しドップ
ラ効果を利用して前記船舶の船速を測定する船速測定装
置において、所定の俯角で超音波ビームを水底に対して
送受波する送受波器と、前記船舶の動揺に基づく傾きを
検出する動揺センサと、船速算出手段とを備え、前記船
速算出手段は、前記超音波ビームに基づきドップラ効果
を利用して得られる船速を、前記動揺センサで検出され
た傾きにより補正した補正船速を算出することを特徴と
する（請求項１記載の発明）。

【００１３】この発明によれば、超音波ビームが１本で
あっても、動揺（ピッチング）が発生した場合に、動揺
センサの出力により、その角度分補正して船速を算出す
ることで、船速を正確に求めることができる。

【００１４】超音波ビームを１本しか用いていないの
で、装置をきわめて廉価に構成することができる。

【００１５】また、この発明に係る船速測定装置は、船
舶から超音波を水底に対して送受波しドップラ効果を利
用して前記船舶の船速を測定する船速測定装置におい
て、２本の超音波ビームを有し、該２本の超音波ビーム
の送出方向が平面的に見て一直線上に並ばない角度とさ
れ、かつ所定の俯角で前記２本の超音波ビームを水底に
対して送受波する送受波器と、前記船舶の動揺に基づく
傾きを３次元で検出する動揺センサと、船速算出手段と
を備え、前記船速算出手段は、前記２本の超音波ビーム
に基づきドップラ効果を利用して得られる船速を、前記
動揺センサで検出された傾きにより補正した補正船速を
算出することを特徴とする（請求項２記載の発明）。

【００１６】この発明によれば、船速算出手段が、平面
的に見て一直線上に並ばない２本の超音波ビームの水底
に対する俯角方向への送受信に基づき、ドップラ効果を
利用して得られる船速を、動揺センサで検出された３次
元的な傾きで補正して補正船速を算出するようにしてい
るので、２本の超音波ビームであっても、正確な補正船
速を得ることができる。

【００１７】この発明によっても、超音波ビームを２本
しか用いていないので、装置を廉価に構成することがで
きる。

【００１８】この場合、動揺センサとしては、ＧＰＳ姿
勢測定装置を利用することができる（請求項３記載の発
明）。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面を参照して説明する。なお、以下に参照する
図面において、上記図６Ａ〜図８に示したものと対応す
るものには同一の符号を付けてその詳細な説明は省略す
る。また、繁雑さを避けるために、必要に応じて上記図
６Ａ〜図８をも参照して説明する。

【００２０】図１は、この発明の一実施の形態にかかる
船速測定装置２０の構成を示している。

【００２１】船速測定装置２０は、基本的には、２本の
超音波ビームＢａ、Ｂｂを水底に対して送受波する送受
波器１０と、超音波信号の送受信回路１２と、船舶の動
揺に基づく傾きαを検出する動揺センサ２８と、補正後
の船速Ｖｃを計算する計算回路３０と、船速Ｖｃを表示
するディスプレイ３２とから構成されている。

【００２２】送受波器１０は、それぞれ、超音波ビーム
Ｂａ、Ｂｂを送受する２個の送受波器２２、２４を備え
る。

【００２３】送受信回路１２は、タイミング信号を発生
するタイミング回路４８と、タイミング回路４８からの
タイミング信号が供給されてバースト信号を出力する送
信回路４６と、受信信号を受信する受信回路３６、４０
と、送信回路４６と受信回路３６、４０とを切り換える
送受切換回路３４、３８とを備える。

【００２４】計算回路３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ
等を有する制御手段としてのコンピュータにより構成さ
れ、俯角補正手段４４と船速算出手段４２等として機能
する。俯角補正手段４４は、動揺センサ２８からの傾き
に基づき俯角の補正を行い、船速算出手段４２は、補正
された俯角と、タイミング回路４８からのタイミング信
号と、送信回路４６からの送信信号と、受信回路３６、
４０からの受信信号に基づいて、補正後の船速Ｖｃを算
出する。

【００２５】このように構成される船速測定装置２０
は、図２Ａ、図２Ｂのそれぞれ上側の図、および図３に
模式的に示す船舶２に搭載される。

【００２６】なお、この実施の形態において、２本の超
音波ビームＢａ、Ｂｂは、船舶２との関係において、図
２Ａ、図２Ｂおよび図３に示すように、２本の超音波ビ
ームＢａ、Ｂｂが一直線上に並ばない角度φ（図２Ａ例
ではφ＝９０゜）とされ、かつ俯角θ（図３参照）を持
って水底６に送出されるようになっている。俯角θは、
なるべく大きなドップラシフトを得るためには小さく
し、なるべく大きな水底６からの反射を得るためには大
きくするという理由で、概略４５゜〜７５゜の範囲が好
ましい。２本の超音波ビームＢａ、Ｂｂの俯角θは、異
なる角度であってもよい。

【００２７】図２Ａの上側の図に示すように、超音波ビ
ームＢａ、Ｂｂは、平面的に見て、船舶２の船首方向か
ら等角度（この場合、４５゜）に振り分けた形で送出し
てもよく、図２Ｂの上側の図に示すように、平面的に見
て、船舶２の船首方向と船幅方向に送出するようにして
もよい。なお、２つの超音波ビームＢａ、Ｂｂ間の角度
φは、平面的に全ての方向に対して誤差を最小にすると
いう理由で、４５゜〜１３５゜の範囲が好ましい。

【００２８】波浪等によって動揺する船舶２の３次元の
傾き（ピッチング角、ローリング角、ヨーイング角）を
検出する動揺センサ２８としては、たとえば、図２Ａ、
図２Ｂに示す位置に、ジャイロを利用した方位センサや
加速度センサを配置して利用することができる。ＧＰＳ
測位装置を配置してもよい。

【００２９】この動揺センサ２８により、船舶２の傾き
である動揺（ピッチング量、ローリング量、ヨーイング
量）を求めることができる。求めた傾きを船舶２の傾き
α（実際には、ピッチング量とローリング量とヨーイン
グ量の３成分）とする。

【００３０】この実施の形態に係る船速測定装置２０
は、基本的には以上のように構成されるものであり、次
に、その動作について、図４に示すフローチャートに基
づいて説明する。なお、特に断らない限り、制御の主体
は計算回路３０中のＣＰＵ（不図示）であるが、これを
その都度参照するのは繁雑になるので、必要に応じて参
照する。

【００３１】まず、ステップＳ１では、計算回路３０か
らの制御の下に、タイミング回路４８からタイミング信
号が発生され、このタイミング信号により送信回路４６
が動作して、送受切換回路３４、３８を通じて、所定長
のバースト信号が送受波器２２、２４に供給される。

【００３２】送受波器２２、２４は、供給されたバース
ト信号を超音波信号に変換し、超音波ビームＢａ、Ｂｂ
として海底あるいは湖底等の水底６へ向けて、それぞれ
俯角θで発射する。

【００３３】次に、ステップＳ２では、この送波と同一
タイミングで、動揺センサ２８から、それぞれの超音波
ビームＢａ、Ｂｂ方向成分の船舶２の傾きα（図６Ｂ参
照）（ここでは、傾きα１ａ、α１ｂとする。）を取り
込み記憶する。

【００３４】次に、ステップＳ３では、発射された超音
波ビームＢａ、Ｂｂが、それぞれ水底６で反射され、そ
の一部が再びそれぞれの送受波器２２、２４で受波さ
れ、電気信号に変換されてから送受切換回路３４、３８
を経て受信回路３６、４０に入力されて増幅され、計算
回路３０に供給される。

【００３５】ステップＳ４では、この受波と同一タイミ
ングで、動揺センサ２８から、それぞれの超音波ビーム
Ｂａ、Ｂｂ方向成分の船舶２の傾きα（ここでは、α２
ａ、α２ｂとする。）を取り込み記憶する。この場合、
動揺による傾きαを、超音波ビームＢａ方向成分では傾
きα１ａとα２ａとの平均値αａとし、超音波ビームＢ
ｂ方向成分では傾きα１ｂとα２ｂとの平均値αｂとす
る。

【００３６】次に、ステップＳ５では、動揺による傾き
αａ、αｂの補正後の船速Ｖａ、Ｖｂ（図２Ａ、図２Ｂ
参照）が、船速算出手段４２および俯角補正手段４４に
より算出される。すなわち、各超音波ビームＢａ、Ｂｂ
方向の船速Ｖａ＝Ｖａ（αａ）、Ｖｂ＝Ｖｂ（αｂ）
が、音速Ｃに対して、船速Ｖが十分に小さいとすると概
略次の（２）式により算出される。

【００３７】 Ｖ＝Ｃ・Δｆ／｛２ｆ・ｃｏｓ（θ＋α）｝ …（２） （２）式において、ｆは発射した超音波の周波数、θ
は、基準の俯角｛動揺がないときの水平面４と発射方向
（超音波ビーム）との俯角｝、Ｃは、水中の音速、Δｆ
は、水底６から反射してくる反射波のドップラシフト
（送信周波数と受信周波数の差）、α（図６Ｂ参照）
は、船舶２の動揺による傾きを示している。

【００３８】補正船速Ｖｃは、図２Ａ、図２Ｂのそれぞ
れ下側の図に示すように、各超音波ビームＢａ、Ｂｂ方
向の船速Ｖａ、Ｖｂの合成ベクトルにより算出すること
ができる。

【００３９】このようにして求められた補正船速Ｖｃ
は、ステップＳ６において、ディスプレイ３２上に表示
される。

【００４０】このように上述した実施の形態によれば、
動揺センサ２８を用いることで、２本の超音波ビームＢ
ａ、Ｂｂにより、船速を正確に求めることができる。

【００４１】実際上、船舶２には、インフラストラクチ
ャーとして、ＧＰＳ姿勢測定装置が装備されている場合
が多いので、その出力を利用することができる。

【００４２】なお、船舶２の動揺の中、ピッチングだけ
を問題とする場合には、図５に示すように、送受波器１
０Ａを１個の送受波器２２から構成し、送受信回路１２
Ａも１系統とし、船首方向に俯角θ（図６参照）で１本
の超音波ビームＢを送受するようにすればよい。

【００４３】この場合には、計算回路３０では、（２）
式を１回だけ計算して補正船速Ｖｃを求めることができ
る。

【００４４】なお、この発明は、上述の実施の形態に限
らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成
を採り得ることはもちろんである。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、たとえ船舶に動揺（ピッチングのみあるいは、ピッ
チングとヨーイングとローリングの全て）が発生して
も、簡単な構成かつ低コストで船速を補正し、正しい船
速を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態に係る船速測定装置の
構成を示すブロック図である。

【図２】図１例の船速測定装置における超音波ビームの
発射方向と、動揺センサの配置位置、並びに補正船速の
算出の説明に供される説明図であって、図２Ａは、超音
波ビームを、平面的に見て、船舶の船首方向から等角度
に振り分けた形の発射方向を示す図、図２Ｂは、超音波
ビームを、平面的に見て、船舶の船首方向と船幅方向に
送出する形の発射方向を示す図である。

【図３】図１例の船速測定装置における船舶と超音波ビ
ームの発射方向の関係を示す説明図である。

【図４】図１例の動作説明に供されるフローチャートで
ある。

【図５】この発明の他の実施の形態に係る船速測定装置
の構成を示すブロック図である。

【図６】図６Ａは、船舶から所定俯角で超音波ビームを
発射している状態を示す説明図、図６Ｂは、船舶に動揺
が発生していて、俯角が変化している状態を示す説明図
である。図６Ｃは、ペアビーム方式の説明図である。

【図７】図７Ａは、４本ビーム方式の説明図、図７Ｂ
は、３本ビーム方式の説明図である。

【図８】従来技術に係る船速測定装置の構成を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】 ２…船舶 ６…水底 １０、２２、２４…送受波器 １２、１２Ａ…
送受信回路 ２０、２０Ａ…船速測定装置 ２８…動揺セン
サ ３０…計算回路 ３２…ディスプ
レイ ３４、３８…送受切換回路 ３６、４０…受
信回路 ４２…船速算出手段 ４４…俯角補正
手段 ４６…送信回路 ４８…タイミン
グ回路 Ｂ、Ｂａ、Ｂｂ…超音波ビーム Ｖ、Ｖａ、Ｖｂ
…船速 Ｖｃ…補正後の船速 θ…俯角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】船舶から超音波を水底に対して送受波しド
   ップラ効果を利用して前記船舶の船速を測定する船速測
   定装置において、 所定の俯角で超音波ビームを水底に対して送受波する送
   受波器と、 前記船舶の動揺に基づく傾きを検出する動揺センサと、 船速算出手段とを備え、 前記船速算出手段は、前記超音波ビームに基づきドップ
   ラ効果を利用して得られる船速を、前記動揺センサで検
   出された傾きにより補正して補正船速を算出することを
   特徴とする船速測定装置。
2. 【請求項２】船舶から超音波を水底に対して送受波しド
   ップラ効果を利用して前記船舶の船速を測定する船速測
   定装置において、 ２本の超音波ビームを有し、該２本の超音波ビームの送
   出方向が平面的に見て一直線上に並ばない角度とされ、
   かつ所定の俯角で前記２本の超音波ビームを水底に対し
   て送受波する送受波器と、 前記船舶の動揺に基づく傾きを３次元で検出する動揺セ
   ンサと、 船速算出手段とを備え、 前記船速算出手段は、前記２本の超音波ビームに基づき
   ドップラ効果を利用して得られる船速を、前記動揺セン
   サで検出された傾きにより補正した補正船速を算出する
   ことを特徴とする船速測定装置。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の船速測定装置にお
   いて、 前記動揺センサは、ＧＰＳ姿勢測定装置を用いるセンサ
   であることを特徴とする船速測定装置。