JP2005263092A

JP2005263092A - 海洋情報収集ブイ及びこれを用いた海洋情報通信システム

Info

Publication number: JP2005263092A
Application number: JP2004080609A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Machida; 宏隆町田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】この発明は、ブイをより簡易な構成にできかつ衛星とより信頼性の高い通信が行える海洋情報収集ブイを提供する。
【解決手段】海洋情報を収集するための海洋情報収集手段２１３，２１５と、上記海洋情報収集手段で得られた海洋情報を含む情報の処理を行うデータ処理手段２１１と、上記データ処理手段で処理された情報の送信を含む通信を静止衛星に比べて大きい仰角で通信が行える通信衛星としての準天頂衛星３との間で行う情報通信用アンテナ２０３を含む情報通信手段２０３，２０７と、を備えた海洋情報収集ブイとした。
【選択図】図４

Description

この発明は、海洋通信システムに関し、特に海上や水中の情報である海洋情報を収集する海洋情報収集ブイ及びこのブイで得た情報をさらに衛星を介して収集する海洋情報通信システムに関する。

従来、衛星を介して複数の表層ブイ型ステーションと管理局との通信を行うと共に、表層ブイ型ステーション各々の配下に複数の２次局を設け、表層ブイ型ステーションと２次局とによりＬＡＮを形成し、また２次局に海洋観測データを収集させ、そのデータを表層ブイ型ステーション及び衛星を介して管理局に送信させる海洋通信システムがあった(例えば特許文献１参照)。

特開平１０−７９７０８号公報

従来のこの種のブイでは、ブイのアンテナを衛星の方向に追従させておくために特別の機構が必要であったり、また、衛星に対する仰角が低い場合には高い波やうねりで衛星とブイ間の通信が遮断されてしまう可能性が高かった。また、通信システムのブイを含む海上側の構成が大がかりでかつ複雑なため、高価なものとなり、また定位観測には適しているものの、機動性には問題があった。また、ブイの構造を簡単にするためには、中低軌道周回衛星を利用し、衛星がブイの上を通過するわずかな機会と時間しか通信できないシステムとするか、数十機の衛星を用意する必要があった。

この発明は、ブイをより簡易な構成にできかつ衛星とより信頼性の高い通信が行える海洋情報収集ブイ及びこれを用いた海洋情報通信システムを提供する。

この発明は、海洋情報を収集するための海洋情報収集手段と、上記海洋情報収集手段で得られた海洋情報を含む情報の処理を行うデータ処理手段と、上記データ処理手段で処理された情報の送信を含む通信を静止衛星に比べて大きい仰角で通信が行える通信衛星としての準天頂衛星との間で行う情報通信用アンテナを含む情報通信手段と、を備えたことを特徴とする海洋情報収集ブイにある。

また、静止衛星に比べて大きい仰角で通信が行える通信衛星としての準天頂衛星と、上記準天頂衛星と通信を行うと共に、海洋情報を収集して上記準天頂衛星に送信する海上に浮かぶ少なくとも１つのブイと、上記準天頂衛星を介して上記各ブイと通信を行うと共に、上記ブイで得られた上記海洋情報の蓄積、処理、解析を行う地上に設けられたデータ管理センタと、を備えた海洋情報通信システムにある。

この発明では、ブイをより簡易な構成にできかつ衛星とより信頼性の高い通信が行える海洋情報収集ブイ及びこれを用いた海洋情報通信システムを提供できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の海洋情報収集ブイおよびこれを含む海洋情報通信システムの構成の一例を示す図である。海上に浮遊(係留されているものであってもよい)している各海洋情報収集ブイ２ａ〜２ｃ(以下ブイとする、また個数は３つに限定されない)は搭載した気象、海象測定用の各種センサやソナーから得られた海上及び水中情報を海洋情報として後述する準天頂衛星３に通信により送り、準天頂衛星３はこれを陸上のデータ管理センタ４に通信により送り、データ管理センタ４で統括的に収集された海上及び水中情報の蓄積、処理、解析等が行われる。

準天頂衛星３は図２に示すように、通信衛星として、３機の衛星３１〜３３を赤道面ＥＰ上の互いにほぼ１２０°ずつ離れた位置ＥＰ１〜３で赤道面をほぼ４５°の角度で横切るそれぞれの円軌道Ｚ_１〜Ｚ_３(軌道の高さは静止衛星と同じ35,800Ｋｍ)を地球ＥＡの自転に合わせて１日に１周回させ、それぞれの回る位相を調整することで、３機の衛星３１〜３３が図３に示すように地球上の北半球の中緯度領域から赤道をまたいで南半球の中緯度領域に渡る一つの８の字型または涙的型の軌道上を間隔を開けて周回するもので、３機の衛星を切り替えて使用することで、例えば日本付近では常に静止衛星より大きい仰角で衛星との通信が行える。仰角は準天頂衛星では、衛星の回転の位相の調整及び通信を行う地域でも異なるが、静止衛星では４８°以下であるのに対し、約６０°以上の仰角で衛星との通信が行える。

図４にはこの発明による海洋情報通信システムの各ブイ２ａ〜２ｃの構成の一例を示す。ブイ２ａ〜２ｃはそれぞれ共通の構成を有し、情報通信のための準天頂衛星３および自分の地球上の位置(測位)及び時刻を知るためのＧＰＳ衛星５(図１には図示省略)と通信を行うそれぞれ情報通信用アンテナ２０３及びＧＰＳアンテナ２０５がブイ本体２０１の衛星に面した上面に設けられている。ＧＰＡアンテナ２０５からの信号はＧＰＳ受信器２０９を介してデータ処理部２１１へ入力される。一方、データ処理部２１１は情報通信用送受信器２０７及び情報通信用アンテナ２０３を介して準天頂衛星３との通信を行う。データ処理部２１１にはブイに搭載された各種センサから得られる気温、水温、日射量、波の激しさ等に関する海洋観測情報、アクティブ或いはパッシブソナー２１５から得られる船舶や図１に示す水中船１(水中探査船、潜水艦等も含む水中を航行可能な船舶)のスクリュー音、水中のあらゆる音波発信源(水中音源)からの音波、アクティブソナーの場合の海底地形、船舶、魚群等からのエコー等の水中情報が入力される。水中音波通信部２２１は同様な水中音波通信部を備えた水中船１や船舶６、或いはブイ間等で水中での超音波等での音波による通信を行うものであり、これにより送受信される水中通信情報もデータ処理部２１１で処理される。なお水中通信には電磁波を用いてもよい。

データ処理部２１１は得られた情報をそのまま、或いは予め定められた処理、解析を施して所定の値を求め、これらを情報通信用送受信器２０７で通信信号に変換して情報通信用アンテナ２０３から準天頂衛星３に送信する。その際、準天頂衛星３及びＧＰＳ衛星５から時刻や位置の情報、さらに場合によっては準天頂衛星３からデータ処理、解析に必要な他のブイやデータ管理センタ４からの各種情報も得ることもでき、これを使用して処理したものを送信することもできる。各ブイ２ａ〜２ｃ、準天頂衛星３及びデータ処理センタ４は１つのネットワークを構成する。さらにブイ本体２０１は下方に延びる支柱２１９の先にウエイト２１７を固定したバランサ機構を有している。なお、各種センサ２１３及びソナー２１５が海洋情報収集手段を構成し、情報通信用送受信器２０７及び情報通信用アンテナ２０３が情報通信手段を構成し、ＧＰＳアンテナ２０５及びＧＰＳ受信器２０９が測位・時刻取得手段を構成する。また上記図４に示すブイの海洋情報収集機能及びＧＰＳ及び準天頂衛星との通信機能を船舶６にも持たせることも可能である。

各ブイ２ａ〜２ｃにおいては、自らが搭載した上記各種センサ２１３から収集した海洋観測情報(海上情報)、及びアクティブ或いはパッシブソナー２１５から得られた水中情報(音波情報)を電波等に変換し準天頂衛星３に送信する。各ブイ２ａ〜２ｃから準天頂衛星３へ送信された情報はその後にデータ管理センタ４へ送られて、統括的にデータの蓄積、処理、分析される。ここで準天頂衛星３さらにはＧＰＳ衛星５と組み合わせられることにより、以下のような動作が行える。

まず、準天頂衛星３の仰角が約６０°以上とほぼ真上に見える通信衛星であるため、ブイ２ａ〜２ｃの情報通信用アンテナ２０３がほぼ真上を向いていれば通信が可能で、波によるブイの揺れや回転への対策が、たとえば図４に示すように下方にウエイト２１７を設けたような重力を利用した「起き上がりこぼし」のような簡易なバランサ機構で済み、他の軌道の衛星のように波環境下でブイに搭載したアンテナに衛星を追尾させる複雑な機構を必要としない。

次に、ブイ２ａ〜２ｃ自身で正確な時刻及び自分の位置情報を得ることが可能となり、取得した海洋情報にこれを取得した時の時刻と位置を付けて送信することで情報がいつどこで得られたものか正確に把握できる。位置情報については、陸上の車載用のＧＰＳと同様にＧＰＳ衛星５からの位置情報を取得するが、ＧＰＳ衛星５の通信測位の位置情報にはそれぞれの測位位置での特有の潜在的にズレ誤差が含まれていることが知られており、これを補償するためのズレ補償データ(既存の電子基準点を基に得られたズレ補償データ)を準天頂衛星３から通信してブイで得るようにすることにより、より精度の高い位置情報が得られる。また、ＧＰＳ衛星５(実際には４つの衛星からのデータを組み合わせて位置を得る)の通信状況の悪い１つの代替えとして準天頂衛星３を使用するようにしてもよい。また、時刻については原子時計を搭載しているＧＰＳ衛星５から正確な時刻を得る。

またブイ２ａ〜２ｃと準天頂衛星３との通信において、情報はデジタル技術を用いて、プロトコル変換、データ圧縮やエラー訂正符号の付加、暗号化等の機能を情報通信用送受信器２０７に持たせて行わせてもよい。さらに、衛星通信に適したパケットサイジングや再送制御も実施することが可能である。これは水中音波通信部２２１での通信においても同様である。

実施の形態２．
上述のように各ブイ２ａ〜２ｃ、準天頂衛星３及びデータ処理センタ４(船舶６を含めることもできる)は１つのネットワークを構成する。そこで、３つのブイにおける各ソナーから得られる水中情報である受信音波情報からその受信音波の水中音源の位置を決定することができる。なおこの演算処理は、上記ネットワークのどこで実施されてもよい。この位置の特定は以下のようにして行われる。

３つのブイから水中音源の位置を特定する(パッシブソナーの場合)
各ブイ２ａ〜２ｃは、音を拾った時刻と位置、音の大きさを得ることができるものとする。以下、図５に従って位置の特定方法の一例を説明する。まず、２つのブイＡとブイＢと音源Ｘの距離関係から考える。音源Ｘが音を発した時刻をＴｘ、ブイＡとブイＢが音源からの音を拾った時刻をそれぞれＴａ、Ｔｂ、当該水域での音速がＶの場合、
Ｒａ＝Ｖ(Ｔａ−Ｔｘ)
Ｒｂ＝Ｖ(Ｔｂ−Ｔｘ)
の式が成り立ち、この式からＴｘを消去すると、
Ｒｂ−Ｒａ＝Ｖ(Ｔｂ−Ｔａ)＝ΔＲａｂ
が求められる。ここで得られるΔＲａｂはブイＡ，ブイＢの音源までの距離の差である。
次に、ブイＡ、ブイＢで拾った音の音圧をそれぞれＰａ、Ｐｂ、音圧の減衰関数をＦ(ｄ)とする(ｄは音源からの距離)と、やはり差分をとって
Ｐｂ−Ｐａ＝Ｆ(Ｒａ＋ΔＲａｂ)−Ｆ(Ｒａ)
の式が成り立つ。たとえば、Ｆ(ｄ)＝２０ｌｏｇ(ｄ)という水域の場合、
Ｐａ−Ｐｂ＝２０ｌｏｇ(Ｒａ＋ΔＲａｂ)−Ｆ(Ｒａ)
が成り立ち、この方程式を解くことで、ブイＡから音源Ｘまでの距離Ｒａが求められる。

同様の方法を用いて、３つのブイＡ，Ｂ，Ｃがあれば各ブイから音源Ｘまでの距離Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃが求められる。Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃが求められると、ブイＡ，Ｂ，Ｃそれぞれを中心として半径Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃの球を描くとその交点は２つとなり、その１つは水面より上になるため、水中にある交点を音源の位置として求めることができる。なお、音源がブイと同じく水面にある場合、交点は１つとなり、その交点が音源の位置となる。そして１つのブイの地球上の位置と求められた音源の位置から地球上での音源の位置が求まる。

３つのブイから水中音源の位置を特定する(アクティブソナーの場合)
各ブイ２ａ〜２ｃはアクティブソナーを有し、自ら音を発して、その反射音が帰ってくるまでの時間と当該水域での水中音速から、ブイから音を反射する物体までの距離を測ることができるものとする。ここでブイを３つ用いれば、それぞれから音を反射する物体までの距離を求めることができ、あとは「パッシブ」と同様である。なお、音を反射する物体は、水中船などのほかに、海底等も考えられる。よって、位置を特定したい物体以外の反射音を無視するため、「海底が近い」など物体より反射音が強く返ってくることがない状況でなければならない。

実施の形態３．
水中船が自らの位置をブイを使って知らせる
水中船１は図４に示すブイの水中音波通信部２２１と同様の水中音波通信部(図示省略)を有し音波(自船のＩＤとなるもの)を発信したときの時刻情報を載せて発信し、各ブイ２ａ〜２ｃはその音波を受けて時刻の情報を取り出すとともに、ブイ自身のもつ時計(ＧＰＳ衛星から得たものでもよい)により音波を受けたときの時刻も知ることができる。この場合、当該水域での水中音速が分かれば、また分からない場合には一般的な水中音速から、水中音速と音波の発信時と受信時の時間差から、各ブイ２ａ〜２ｃは水中船１までの距離を知ることができ、３つのブイの情報を用いて、水中船１の位置が特定できる。

実施の形態４．
海上海中管制(陸上データ管理センタによる音紋分析)
多数のブイ２ａ〜２ｃのソナー２１５から得た水中情報は準天頂衛星３を経由して、陸上のデータ管理センタ４で統括して収集される。陸上のデータ管理センタ４では、この情報から水中船１等の位置や艦種を解析し、海中、海上船舶の活動を監視することが可能になる。特に、スクリュー音から音紋の分析を行って艦種を特定する処理などは、大容量のコンピュータを必要とするため、これを陸上のデータ管理センタ４で実施して処理、解析結果を準天頂衛星３を介して、スペース、電力、コストなどの問題で高性能コンピュータを搭載できない水中船１(ブイおよびブイと水中船のそれぞれの水中音波通信部を介して)や船舶６(情報通信のための準天頂衛星３と通信を行う図４の情報通信用アンテナ２０３、情報通信用送受信器２０７及びデータ処理部２１１と同等の機能を備えたもの)(図１、４参照)にも提供できるという点でメリットは大きい。音紋分析による艦種特定は、ごく簡単な方式としては、横軸に周波数成分、縦軸にその周波数の音圧をとり、音に含まれる周波数成分の構成をみて、例えばデータ管理センタ４のデータベース(図示省略)に格納された各種艦種の音紋標本との一致をとる方法などがある。

データ管理センタ４は、水中船１や船舶６等の位置や艦種をデジタル符号化して準天頂衛星３を経由し、ブイに送信し、ブイは同デジタル符号を音波変調して水中船１に知らせる。水中での音波通信は条件にもよるが、せいぜい数十Kbps、条件が悪ければ数百bps以下になることもあることから、水中船等の位置や艦種を数十キロビット〜数百ビット程度にして多数送り込むことのメリットは大きい。また、情報を受信する水中船では知りえない(遠方、ソナーの影に入っている)広範囲な情報を水中船で知ることが可能となる。

また、密漁船発見に関し、漁場においてブイ群を展開しておき、正規の漁船は準天頂衛星３を経由して自船の位置とＩＤを陸上のデータ処理センタに送る。ブイはソナー２１５により水中の音を収集し、準天頂衛星３を経由して陸上のデータ管理センタ４にデータを送り、陸上のデータ管理センタ４では音紋の解析を行って、漁業活動(例えば、網をひく音)の識別を行う。識別は例えば上記音紋の場合と同様に標本との比較で行う。その後、漁業活動の音の位置や音から分析された漁法と、正規の船の位置や許可されている漁法との比較を行い、一致しない場合に密漁船として判定する。

実施の形態５．
海上海中管制(ブイによる音紋分析)
ブイ２ａ〜２ｃは別途設けられた集音マイク(図４の集音マイク２２３参照)から得られたエンジン音などの音紋から艦種を特定する。データ管理センタ４から、電波状況が良好なときに、音紋データすなわち標本を準天頂衛星３経由でブイ２ａ〜２ｃにロード(アップデート)し、ブイはこれをメモリ(図示省略)に記憶しておき、その音紋に一致する情報のみを解析し、そのブイ自身の位置情報とブイから音紋に一致した音源までの距離の情報を、準天頂衛星３を経由してデータ管理センタ４に送ったり、水中船１のために水中音波通信部２２１により音波として水中に発信する。この発信する情報はブイのサンプリングした音の波形情報そのものよりはるかに小さいため、(妨害電波などで)電波状況が悪いときや、通信速度の遅い水中音波変調通信でも、強力なエラー訂正符号を付与して通信することが可能である。

エラー訂正符号を付与すると、その符号分、通信帯域を消費するため、強力なエラー訂正符号を付与すると、その分、送りたい情報は減らさなければならない。よって、送りたい情報そのものが小さいということは、エラー訂正の観点からもメリットとなる。アップデートする音紋情報は、他のブイが陸上のデータ管理センタ４に送り分析して得られた情報や音響測定艦などから得た情報を、全ブイに準天頂衛星３を通じて配信する。

実施の形態６．
また、海難救助に関し、船舶事故などの際、事故を起こした船舶が図４に示すブイと同一機能有するブイを海上に投入することにより、事故の位置が準天頂衛星３を経由して速やかに陸上のデータ管理センタ４へ伝達され、たとえ救助隊が事故現場に到着するまでに時間を要し、ブイが流されてしまっても、ブイの位置ではなく事故の起こった場所を特定することができる。また、ライフジャケットに音源を組み込んでおくことにより、ブイからライフジャケットを着用した要救助者までの距離も把握することが可能となり、要救助者発見までの時間の短縮が見込める。さらに、救助隊は事故近辺の海域にブイを追加的に投入(事故船舶が投入したブイ、救助船が投入したブイ、救助船自身で３つのブイによるシステム相当の構成となる)することにより、要救助者の位置特定が可能となり、さらなる救命率の向上が期待できる。現在は目視による要救助者探索を行うため、特に夜間にこのシステムのメリットが大きい。なお上記では、救助船自身が図４に示すブイと同等の機能を有しているものとする。

手順としては、
(１)事故船舶がブイを投入(ブイは投入されて動作開始)
(２)ブイは事故の位置と共に救助要請信号を準天頂衛星３経由で連絡
(３)事故の位置近辺の船舶に事故を伝達
(４)事故近辺の船舶がブイを投入して複数ブイが展開された海域を構成
(５)要救助者のライフジャケットに組み込まれた音源の位置を複数のブイから特定
といった相互救助体制の構築も可能である。

この発明の海洋情報収集ブイおよびこれを含む海洋情報通信システムの構成の一例を示す図である。準天頂衛星を説明するための図である。準天頂衛星を説明するための図である。この発明による海洋情報収集ブイの構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態２を説明するための図である。

符号の説明

１水中船、２ａ〜２ｃ海洋情報収集ブイ、３準天頂衛星、４データ管理センタ、５ＧＰＳ衛星、６船舶、２０１ブイ本体、２０３情報通信用アンテナ、２０５ＧＰＳアンテナ、２０７情報通信用送受信器、２０９ＧＰＳ受信器、２１１データ処理部、２１３各種センサ、２１５アクティブ／パッシブソナー、２１７ウエイト、２１９支柱、２２１水中音波通信部。

Claims

海洋情報を収集するための海洋情報収集手段と、
上記海洋情報収集手段で得られた海洋情報を含む情報の処理を行うデータ処理手段と、
上記データ処理手段で処理された情報の送信を含む通信を静止衛星に比べて大きい仰角で通信が行える通信衛星としての準天頂衛星との間で行う情報通信用アンテナを含む情報通信手段と、
を備えたことを特徴とする海洋情報収集ブイ。
ＧＰＳ衛星との通信により測位及び時刻を得るための測位・時刻取得手段をさらに備え、上記データ処理手段で上記海洋情報にこれを収集した位置及び時刻の情報を付加して上記情報通信手段で送信することを特徴とする請求項１に記載の海洋情報収集ブイ。
上記情報通信用アンテナがブイの上面に設けられていると共にブイの下方に延びるウエイトで構成されたバランサ機構を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の海洋情報収集ブイ。
水中での音波による通信を行う水中音波通信手段をさらに備え、上記情報通信手段が上記水中音波通信手段で得られた水中通信情報を上記準天頂衛星に送信することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の海洋情報収集ブイ。
静止衛星に比べて大きい仰角で通信が行える通信衛星としての準天頂衛星と、
上記準天頂衛星と通信を行うと共に、海洋情報を収集して上記準天頂衛星に送信する海上に浮かぶ少なくとも１つのブイと、
上記準天頂衛星を介して上記各ブイと通信を行うと共に、上記ブイで得られた上記海洋情報の蓄積、処理、解析を行う地上に設けられたデータ管理センタと、
を備えた海洋情報通信システム。
上記各ブイが水中での音波による通信を行う水中音波通信部を有し、水中での音波による通信で得られた水中通信情報を上記準天頂衛星に送信することを特徴とする請求項５に記載の海洋情報通信システム。
少なくとも上記各ブイ、データ管理センタ及び準天頂衛星がネットワークを構成し、同一対象からの３つのブイで得られた情報およびＧＰＳ衛星との通信により得られるブイの位置情報から上記対象の位置を測定する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の海洋情報通信システム。
上記データ管理センタが、上記各ブイから得られる上記情報と予め準備された海洋で発生する各事象を特定するための標本情報との照合により上記情報に係わる事象を特定する手段を備えたことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の海洋情報通信システム。
上記各ブイが、集音マイクと、上記集音マイクから得られた音紋情報と予め準備された特定の艦種の音紋情報の標本との一致により上記特定の艦種の船舶の出現を判定する手段と、をさらに備え、判定結果を知らせる通信を行うことを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載の海洋情報通信システム。