JP2006078329A

JP2006078329A - 水中航走体の位置計測システム及び、位置計測方法

Info

Publication number: JP2006078329A
Application number: JP2004262397A
Authority: JP
Inventors: Akira Shibata; 鑑柴田; Tadahiro Tsuchiya; 忠弘土屋
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】水中航走体から発せられるピンガ信号を正確に受信するとともに、受信したピンガ信号について信号か残響によるノイズかを判別し、水中航走体の位置を算出する位置計測システムを提供する。
【解決手段】水中航走体から所定の時刻で深度情報を含んだ第１及び第２パルスからなるピンガ信号を発信し、このピンガ信号を複数の計測ブイで受信し、計測ブイの位置情報とともに計測装置へ送信する。計測装置では所定の時刻からの伝搬時間から距離を求め、水中航走体の深度情報と、計測ブイの位置情報とに基づき、水中航走体の正確な位置を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は水中航走体から発信されるピンガ信号をもとに、水中航走体の正確な位置を算出する水中位置計測システム及び、水中位置計測方法に関するものである。

水中航走体の位置を計測する装置として、水中航走体と計測ブイと計測装置からなる水中位置計測システムがある。ここで水中航走体は深度測定部と精密時計部と送信部とを内蔵しており、深度測定部で測定された深度情報と精密時計部から出力される時刻情報とをコード化し、このコードに基いて変調された超音波によるピンガ信号を発信する。計測ブイは水中航走体からのピンガ信号を受信する受信部と、ＧＰＳ等を用いて自機の位置情報を算出する精密自己位置計測部と、電波信号を送信する送信部とが設けられており、自機の位置情報と水中航走体からの超音波信号とをコード化し、このコードに基いて変調された電波信号を送信部から計測装置へ送信する。なお、計測ブイは複数設けられており、計測装置には複数の計測ブイから電波信号が送信される。計測装置は送信された電波信号を受信する受信部と、受信した信号の処理を行う信号処理部とが設けられており、計測ブイから電波信号を受信すると、水中航走体の深度情報及び時刻情報から計測ブイに対する水中航走体の相対的な位置が算出される。そして算出された相対的位置情報とそれぞれの計測ブイの位置情報とに基いて、水中航走体の絶対的な位置が算出される。

特開平８−６１９５２号公報

従来の水中航走体の水中位置計測システムにおいては、水中航走体の深度情報と時刻情報とをコード化し、このコードに基いて変調されたピンガ音を発信している。時刻情報については所定の周期（例えば１５秒周期）、所定の間隔（例えば１秒間隔）で異なる周波数（例えば２０ｋＨｚと２１ｋＨｚ）の音波を発信することでコード化している。また、深度情報についてはＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）という方法を用いてコード化している。しかしながら時刻情報については一つのピンガ信号が１５秒といった長いものであり、２つの周波数の信号から構成されているため、１５秒に１回の航跡しか得られず、高速で複雑な運動をする航走体の詳細な航跡を得るのが困難である。また、深度情報についてはコード化の方法としてＤＰＳＫを用いているため、計測ブイにおいてピンガ信号を正確に受信する必要があるが、浅海域のような残響の影響の大きな海域においては，複雑に変調されたピンガ信号を正確に受信するのは難しく、正しい深度情報を得られない可能性が大きい。さらには、複数の水中航走体の位置計測を同時に行おうとした場合、水中航走体から発信されるピンガ信号が重なることにより、どの水中航走体からのピンガ信号を受信したかを正確に判別するのが難しいという課題があった。

本発明は上記課題を解決するために、水中航走体と、複数の計測ブイと、計測装置とを備えた水中航走体の位置計測システムであって、水中航走体は、正確な時計情報を出力する精密時計情報出力手段と、自機の深度を検出する深度検出手段と、時計情報に基いた所定の時刻で第１および第２パルス信号を発信する手段と、深度検出手段の検出結果より第１および第２パルス信号の送信間隔を設定する手段とを備え、計測ブイは、自機の位置を測定する手段と、水中の音響信号を検出する手段と、検出した音響信号情報と測定された自機の位置情報とを無線送信する手段とを備え、計測装置は、計測ブイからの音響信号情報および位置情報とを受信する手段と、精密時計情報出力手段と同期した時刻情報を出力する手段と、受信した音響信号情報から第１及び第２パルス信号を検出する手段と、時刻情報と第１パルス信号を受信した時刻とから水中航走体と計測ブイとの距離を算出する距離算出手段と、第１パルス信号と第２パルス信号の間隔から水中航走体の深度を算出する深度算出手段と、位置情報と距離算出手段および深度算出手段の算出結果とから水中航走体の位置を算出する手段とを備え、さらに第１及び第２パルス信号を検出する手段には、第１パルス信号を検出する第１の閾値と、第２パルス信号を検出する第２の閾値が設けられており、第１の閾値に基き第１パルス信号を検出すると、第１パルス信号のレベルに応じた第２の閾値が設定され、所定の時間の経過後に第２の閾値に基き第２パルス信号の検出を開始することを特徴とする水中航走体の位置計測システムを提供するものである。

本発明によると、水中航走体から送信されるピンガ信号は、同一周波数で極めて短い信号長の第１パルスおよび第２パルスであるため、水中航走体の速度に対して送信周期を短くすることができ，水中航走体が高速かつ複雑な航走をしていても，より詳細な航跡を得ることが出来る。また，水中航走体の速度に対して第１パルスと第２パルスの間隔が非常に短いため、第１パルスと第２パルスのパルス間隔を正確に検知でき、さらに第１パルスと第２パルスとで受信する周波数の変動はきわめて小さくすることが出来る。また，複数の航走体に対してはそれぞれ異なる周波数を割り当てられるので判別が容易になる。また、２つのパルスといった非常にシンプルな信号であるため、水中の雑音の影響を受け難くすることが出来る。また、第１パルスおよび第２パルスを検出する際に、第１パルスの検出後、ピンガ信号発信時の第１パルスと第２パルスの間隔に基いた検出を禁止する区間を設け、さらに第２パルスの閾値は先に受信した第１パルスのレベル値を基準として設定を行うため、第１パルスによって発生した残響の影響を受けること無く第２パルスの検出を行うことが出来る。

以下、実施例を挙げ、本発明を説明する。

本発明における水中航走体の位置計測システムの構成を図１により説明する。１１は２つのパルス状の超音波によるピンガ信号を発信しながら水中を航走する水中航走体である。２１ａ〜２１ｄは水中航走体１１からのピンガ信号を受信する計測ブイ、３１は船舶、３２はＧＰＳ衛星、４１は計測ブイ２１から送信される電波を受信して信号処理をする計測装置であり、船舶３１に搭載されている。

次に、図２に水中航走体１１の構成を示す。同図において１２は同期された時刻情報を提供する精密時計部、１３は水中航走体１１の深度を検出する深度検出部、１４はパルス状の信号を発振する信号発振部である。１５は制御部であり予め入力されているデータと、深度検出部からの深度データによりどのようなピンガ信号を発信するか決定する。１６は制御部１５からの信号に基いて所定の周期でパルス状のピンガ信号を発信する送信部である。

図３は送信部１６から発信されるピンガ信号の波形を示したものである。１７１は第１パルス、１７２は第２パルスであり、所定の周波数からなる信号である。ΔＬ１は第１および第２パルスの持続時間（以下、パルス幅と呼ぶ）、ΔＬ２は第１パルスと第２パルスの発信間隔（以下、パルス間隔と呼ぶ）、ΔＬ３は第１及び第２パルスからなるピンガ信号の周期（以下、ピンガ周期と呼ぶ）である。同図においてはΔＬ１は５ｍｓｅｃ、ΔＬ２は２００ｍｓｅｃ、ΔＬ３は２ｓｅｃとなっている。このパルス幅ΔＬ１およびピンガ周期ΔＬ３はあらかじめ水中航走体１１の制御部１５へ入力されており、ピンガ信号を発信しているときは常に一定となっている。ここでピンガ周期ΔＬ３は水中航走体１１の位置測定が行われる範囲によって定められるものであり、水中航走体１１から発信されたピンガ信号が計測ブイ２１に到達する前に、次のピンガ信号は発信されないような周期となっている。一方、パルス間隔ΔＬ２は水中航走体１１の深度によって変動するようになっており、例えば，水深が浅くなるとパルス間隔ΔＬ２は短くなり、水深が深くなるとパルス間隔ΔＬ３は長くなるように設定される。

次に、図４に計測ブイ２１の構成を示す。２２は水中航走体１１が発したピンガ信号を受信する受信部、２３はＧＰＳ（Global Positioning System）用の人工衛星を利用した電波航法装置であり計測ブイ２１自身の位置情報を算出するＧＰＳ受信部である。２４は水中航走体１１からピンガ信号を受信すると、ＧＰＳ受信部２３から入手した計測ブイ２１の位置情報と合わせて無線送信に必要な信号に変換し出力する信号処理部である。２５は信号処理部２４から受信した信号を計測装置４１に送信するデータ送信部であり、送信アンテナ２６と接続されている。

次に、図５に計測装置４１の構成を示す。４２は計測ブイからの信号を受信する受信アンテナ、４３は受信アンテナ４２で受信した信号を各計測ブイ毎に判別して出力する受信部である。４４は受信部４３からの信号が入力され、水中航走体１１の位置を算出する処理装置である。なお、この処理装置４４には水中航走体１１の精密時計部１２と正確に同期された精密時計が備えられており、水中航走体１１の時計情報と計測装置４１の時計情報とは正確に一致するようになっている。４５は処理装置４４により算出された水中航走体１１の航跡や計測ブイ２１の位置等を表示する表示部、４５は処理装置４３から算出された情報を記録する情報記録媒体、４６はデータ入力やシステムのオペレーションに使用される入力部である。

次に動作について説明する。水中航走体１１は、水中を航走しつつ、第１パルスおよび第２パルスからなるピンガ信号を発信する。既に説明しているように、このピンガ信号の周期とパルス幅は予め水中航走体１１に設定されており、航走中は一定値となっている。また、パルス間隔は水中航走体１１の深度によって定まるものであり深度計測部１３によって計測された深度情報に基づいて制御部１５で設定される。水中を伝搬するピンガ信号は、複数の計測ブイ２１の受波部２２により受信される。受波部２２が受信したピンガ信号は電気信号に変換された後、信号ケーブル２３を経由して信号処理部２４に送られる。そしてＧＰＳ受信部２３によって求められた計測ブイ２１自身の位置情報と合わせてデータ送信部２５、送信アンテナ２６を介して計測装置４１に送信される。なお、これらのピンガ信号の受信から計測装置４１へのデータ送信までの処理はリアルタイムに行われる。

計測装置４１では、計測ブイ１２から送られてきた信号を受信アンテナ４２で受信すると、受信部４３でいずれの計測ブイ２１の信号かを判別後、処理装置４４へ入力され解析が行われる。図６は処理装置４４に入力されたある一つの計測ブイ２１におけるピンガ信号の受信情報の例を示したものである。同図において、横軸はピンガ信号の送信時を基準とした時間、縦軸は計測ブイが受信したピンガ信号のレベルを示している。６１は第１パルスを検出するための第１の閾値であり、ノイズレベル６２に対し予め定められたΔＸｄＢだけ大きい値となっている。そして、この第１の閾値を超えると第１パルスとして検出される。同図においては水中航走体１１においてピンガ信号が送信されてから１７０ｍｓｅｃの時点で第１パルスが検出されている。この時間情報と、水中航走体１１が航走している水中の音速とから、水中航走体１１と計測ブイ２１の距離を算出することが出来る。

続いて第２パルスの検出を行うが、第１パルスを検出した直後においては第１パルスの残響によってレベルの高いノイズが発生する。同図においては第１パルスの検出前にはノイズは平均で約１５ｄＢ程度であったものが、検出後は瞬間で３０ｄＢを超えるものも発生するようになっている。従って、第２パルスの検出に使用される閾値が第１パルスと同レベルだとノイズを第２パルスの信号を誤認してしまうので、まず第１パルスを検出してから所定の時間はどんなに大きいレベルの信号を受信しても第２パルスとして検出しない禁止ゲートを設けることとする。６３はこの禁止ゲートを示したものである。この禁止ゲートの時間は水中航走体１１が最もパルス間隔を短くしてピンガ信号を発信する場合、つまり最も水深が浅い場合に合わせて設定される。例えば水深が０ｍのときの第１パルスと第２パルスの間隔が２００ｍｓｅｃに設定されている場合には、実際に水中航走体１１が水深０ｍ以下で航走することはないので、禁止ゲート６３の時間は２００ｍｓｅｃに設定される。そして、２００ｍｓｅｃを過ぎてから第２パルスの検出が開始される。

第２パルスの検出は所定の閾値を超えたかによって行われるが、禁止ゲート６３の時間を過ぎた後でも第１パルスの残響によりある程度レベルの高いノイズが発生しており、第１パルスの検出に使用された閾値と同レベルでは、残響によるノイズを第２パルスとして誤検出してしまう可能性がある。そこで、第１パルスを検出すると、そのレベルを基準値６４とし、これより予め設定された所定値ΔＹだけ小さくした第２パルス検出用の第２の閾値６５を設定する。そして、第２の閾値６５を超えるものを第２パルスとして検出する。これによって残響によるノイズを誤って第２パルスとして誤検出することなく、第１パルスと第２パルスの間隔を正確に算出することができ、これから水中航走体１１の深度が算出される。なお、禁止ゲート６３の長さや、所定値ΔＹの値は入力部４７の操作によって容易に変更することが可能である。

水中航走体１１の深度が算出されると、第１パルスから算出された距離情報とあわせて各計測ブイから水中航走体までの正確な相対位置が算出される。続いてＧＰＳ受信部２３によって求められた計測ブイ２１の位置を参照し、水中航走体１１の絶対位置が算出される。この算出結果は例えば横軸が経度、縦軸が緯度となった表示部４５に深度情報と併せて表示され、水中航走体１１の位置をリアルタイムで把握することが出来る。また、必要に応じて水中航走体１１の位置情報は情報記録媒体４６に記憶され、後日、水中航走体１１の運動情報を入手することが出来る。

なお、本実施例においては水中航走体１１が１つの場合について説明したが、水中航走体１１が複数あっても、水中航走体１１から発信されるピンガ信号の周波数をそれぞれ異なったものにすることにより、複数の水中航走体１１の位置について同時に計測をすることが出来る。

以上のように本発明によれば、水中航走体１１から送信されるピンガ信号は、同一周波数の極めて短い間隔の第１パルスおよび第２パルスであるため、水中航走体１１が計測ブイ２１にたいしてどのような向きで航走していても、またピンガ信号発信中に変針した場合でも、水中航走体１１の速度に対してパルス間隔が非常に短いため、第１パルスと第２パルスのパルス間隔を正確に検知することが出来るとともに、第１パルスと第２パルスとで周波数が変動することが無い。また、２つのパルスといった非常にシンプルな信号であるため、水中の雑音の影響を受け難くすることが出来る。また、第１パルスおよび第２パルスを検出する際に、第１パルスの検出後、ピンガ信号発信時の第１パルスと第２パルスの間隔に基いた検出を禁止する禁止ゲート６２を設け、さらに第２パルスの閾値６３は先に受信した第１パルスのレベル値を基準として設定を行うため、第１パルスによって発生した残響の影響を受けること無く第２パルスの検出を行うことが出来る。

実施例における運用概要図水中航走体の構成図ピンガ信号の説明図計測ブイの構成図計測装置の構成図受信したピンガ信号の説明図

符号の説明

１１：水中航走体
１３：深度検出部
１５：制御部
１７１：第１パルス
１７２：第２パルス
２１：制御装置
２２：受信部
４１：計測装置
４４：処理装置
６１：第１の閾値
６２：禁止ゲート
６３：第２の閾値

Claims

水中航走体と、複数の計測ブイと、計測装置とを備えた水中航走体の位置計測システムであって、
前記水中航走体は、正確な時計情報を出力する精密時計情報出力手段と、自機の深度を検出する深度検出手段と、該時計情報に基いた所定の時刻で第１および第２パルス信号を発信する手段と、該深度検出手段の検出結果より該第１および第２パルス信号の送信間隔を設定する手段とを備え、
前記計測ブイは、自機の位置を測定する手段と、水中の音響信号を検出する手段と、検出した音響信号情報と測定された自機の位置情報とを無線送信する手段とを備え、
前記計測装置は、前記計測ブイからの前記音響信号情報および前記位置情報とを受信する手段と、前記精密時計情報出力手段と同期した時刻情報を出力する手段と、受信した該音響信号情報から前記第１及び第２パルス信号を検出する手段と、該時刻情報と前記第１パルス信号を受信した時刻とから前記水中航走体と前記計測ブイとの距離を算出する距離算出手段と、該第１パルス信号と該第２パルス信号の間隔から前記水中航走体の深度を算出する深度算出手段と、該位置情報と該距離算出手段および該深度算出手段の算出結果とから該水中航走体の位置を算出する手段とを備え
たことを特徴とする水中航走体の位置計測システム。
前記第１及び第２パルス信号を検出する手段には、該第１パルス信号を検出する第１の閾値と、該第２パルス信号を検出する第２の閾値が設けられており、該第１の閾値に基き該第１パルス信号を検出すると、所定の時間の経過後に該第２の閾値に基き該第２パルス信号の検出を開始することを特徴とする請求項１記載の水中航走体の位置計測システム。
前記第１及び第２パルス信号を検出する手段には、該第１パルス信号を検出する第１の閾値と、該第２パルス信号を検出する第２の閾値が設けられており、該第１の閾値に基き該第１パルス信号を検出すると、該第１パルス信号のレベルに応じた該第２の閾値が設定されることを特徴とする請求項１記載の水中航走体の位置計測システム。
前記第１及び第２パルス信号を検出する手段には、該第１パルス信号を検出する第１の閾値と、該第２パルス信号を検出する第２の閾値が設けられており、該第１の閾値に基き該第１パルス信号を検出すると、該第１パルス信号のレベルに応じた該第２の閾値が設定され、所定の時間の経過後に該第２の閾値に基き該第２パルス信号の検出を開始することを特徴とする請求項１記載の水中航走体の位置計測システム。
水中航走体と、複数の計測ブイと、計測装置とを備えた水中航走体の位置計測システムにおける位置計測方法であって、
前記水中航走体から、該水中航走体の深度によって間隔が設定される第１および第２パルス信号が正確な時計情報に基いた所定の時間に発信される工程と、
前記計測ブイから、検出された水中の音響信号情報と測定された該計測ブイの位置情報とが送信される工程と、
前記計測装置が受信した前記音響情報から第１の閾値により前記第１パルス信号が検出される工程と、
前記第１パルス信号を検出すると所定の時間の経過後に、該第１パルス信号のレベルから設定された第２の閾値により第２パルス信号を検出する工程と、
検出された前記第１及び第２パルス信号の時間差から前記水中航走体の深度情報を算出する工程と、
前記第１パルス信号の発信から検出までの時間と、前記深度情報と、前記位置情報とから前記水中航走体の位置を算出する工程と、
を備えることを特徴とする位置計測方法。