JP2007127589A - 電界検出方法、装置及び電界検出方法のプログラム並びに移動体位置等推定検出方法、装置及び移動体位置等推定検出方法のプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電界を3軸方向の各成分で検知する電界検知器1と、磁界を3軸方向の各成分で検知する磁界検知器2と、海水の速度を3軸方向の各成分で計測する潮流計3と、各成分で検知した地磁気に基づく磁束密度及び海水の速度に基づいて、発生する誘導起電力に基づく演算を行って電界浮遊ノイズデータを生成する誘導起電力推定器6と、電界浮遊ノイズデータにより、電界に基づくデータを補正する電界信号データ補正部9aとを備えている。
【選択図】図1
Description
図1は本発明の第1の実施の形態に係る電界検出装置を一部に有する移動体位置等検出装置の構成ブロック図である。ここで、本実施の形態では、海面又は海中を移動する航走体を移動体と想定して説明する。そのため、移動体位置等検出装置は海中(海底も含む)に設けられている。そして、電気を伝導する媒質は海水であるものとする(したがって、電界検知器1は海中の電界強度を信号として検知する)。また、移動体は等速直線運動を行っているものとする。移動体位置等検出装置(特に電界検知器1)が設けられている場所については、特に限定するものではないが、海水の塩分濃度が安定している場所だと電界等の検知精度をさらに高くし、移動体の位置等の推定、検出の精度も高めることができる。
E=E1−E’ …(2)
Ey =ΣIσi・Yi/(Xi 2+Yi 2+Zi 2)3/2 …(4)
Ez =ΣIσi・Zi/(Xi 2+Yi 2+Zi 2)3/2 …(5)
X1 =X0 +Vcosα・t …(6)
Y1 =Y0 +Vsinα・t …(7)
とし、
Xi =X1 +di ・cosα・t …(8)
Yi =Y1 +di ・sinα・t …(9)
とする。
X0 ,Y0 :基準位置
i :点電流源の個数(1,2,…)
Iσi:Ii /4πσ1
Ii :各点電流源の電流量
σ1 :海水の電気伝導度(導電率)
t :時間
V :移動体速度
di :第1の点電流源と各点電流源との船体長方向の間隔(1,2,…,i−1)
Zi :電界検知器1からの移動体の高さ(水上を走行する船舶ではほぼ水深と同じ)
α :電界検知器1のX軸方向と移動体の移動方向とのなす角
を表す。ここで、点電流源Iを点電荷Qとして見た場合、点電流源Iと点電荷QとはI=σ・Q/εの関係となる。εは誘電率である。また、ΣIi =0、すなわち各点電流源の総和は0となる。
ae =(Iσi,di ,X0 ,Y0 ,Zi ,V,α) …(10)
Pe tPe =Pex t Pex+Pey t Pey+Pez t Pez …(12)
Pe tre =Pex t rex+Pey t rey+Pez t rez …(13)
Pex:x軸方向の電界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
Pey:y軸方向の電界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
Pez:z軸方向の電界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
re :残差の自乗和
Δae :パラメータの修正値
である。
上述の実施の形態では、(1)式に基づいて誘導起電力eの推定演算を行い、この値が電界信号に含まれる電界浮遊ノイズと同じ値であるとしてその後の演算を行った。ここで、例えば、電界検知器1の形状等によっては、単純に(1)式に当てはめて推定算出した誘導起電力eの値を、そのまま電界信号に含まれる電界浮遊ノイズの成分と同じものとして扱うわけにはいかない場合がある。そこで、例えば電界検知器1の形状等に応じた補正係数l(lx ,ly ,lz )を定め、次式(14)に示すように誘導起電力eに乗じて補正を行うようにする。そして、補正後の誘導起電力eの成分を時系列に推定した電界浮遊ノイズデータを生成する。これにより、電界検知器1の形状等、環境に応じた電界浮遊ノイズE’の値を算出することができる。ここで、
E’x =lx ・ex
E’y =ly ・ey …(14)
E’z =lz ・ez
上述の実施の形態では、磁気検知器2からの磁界信号に基づく磁界信号データの値を装置が設けられた位置における地磁気の値とし、磁界信号データ及び潮流データに基づいて誘導起電力eを算出した。本発明はこれに限定するものではない。
図4は船体における点電流源(電極)に対する鏡像点電流源(鏡像電極)を表す図である。海水中に生じる電界(これが電界信号となる)は、海水と誘電率(電気伝導率)が異なる大気及び海底の境界(海水面及び海底面)の影響を最も大きく受けることが考えられる。そこで、鏡像理論を利用して船体における点電流源に対する鏡像点電流源を仮想的において、すべての点電流源により生じる電界の和を海水に生じる電界(電界信号)とする(船体壁、海水温度等が電界に影響を与えることもあると考えられるが、すべての影響を考慮することは困難であり、また、無視できる程度の影響であるため、ここでは省略する)。
(b) (a)の点電流源と海水面を挟んで対になる鏡像点電流源(以下、鏡像点電流源Bという)
(c) (a)の点電流源と海底面を挟んで対になる鏡像点電流源(以下、鏡像点電流源Cという)
(d) (b)の鏡像点電流源と海底面を挟んで対になる鏡像点電流源(以下、鏡像点電流源Dという)
の3つの鏡像点電流源を仮想的に置いてそれぞれの点電流源に係る電界を算出することとする。その他の条件に基づく鏡像点電流源も考えられるが、無視できるほど小さい値であるものとしてここでは省略する(鏡像点電流源Dも、場合によっては無視できることもある)。
IB =(σ1 −σ2 )IA /(σ1 +σ2 ) …(15)
IC =(σ1 −σ3 )IA /(σ1 +σ3 ) …(16)
ID =(σ1 −σ2 )IA /(σ1 +σ2 ) …(17)
EBx={(σ1 −σ2 )Iσi/(σ1 +σ2 ) }・Xi
/{Xi 2+Yi 2+(−Zi)2}3/2 …(18)
EBy={(σ1 −σ2 )Iσi/(σ1 +σ2 )}・Yi
/{Xi 2+Yi 2+(−Zi)2}3/2 …(19)
EBZ={(σ1 −σ2 )Iσi/(σ1 +σ2 )}・(−Zi)
/{Xi 2+Yi 2+(−Zi)2}3/2 …(20)
ECx={(σ1 −σ3 )Iσi/(σ1 +σ3 )}・Xi
/{Xi 2+Yi 2+(2Zs−Zi)2}3/2 …(21)
ECy={(σ1 −σ3 )Iσi/(σ1 +σ3 )}・Yi
/{Xi 2+Yi 2+(2Zs−Zi)2}3/2 …(22)
ECZ={(σ1 −σ3 )Iσi/(σ1 +σ3 )}・(2Zs−Zi)
/{Xi 2+Yi 2+(2Zs−Zi)2}3/2 …(23)
EDx={(σ1 −σ2 )Iσi/(σ1 +σ2 )}・Xi
/{Xi 2+Yi 2+(Zi−2Zs)2}3/2 …(24)
EDy={(σ1 −σ2 )Iσi/(σ1 +σ2 )}・Yi
/{Xi 2+Yi 2+(Zi−2Zs)2}3/2 …(25)
EDZ={(σ1 −σ2 )Iσi/(σ1 +σ2 )}・(Zi−2Zs)
/{Xi 2+Yi 2+(Zi−2Zs)2}3/2 …(26)
σ1 :海水の電気伝導度
σ2 :海底の電気伝導度
σ3 :空気の電気伝導度(=0)
Zs:水深
である。
Ex =EAx+EBx+ECx+EDx …(27)
Ey =EAy+EBy+ECy+EDy …(28)
Ez =EAz+EBz+ECz+EDz …(29)
ae =(Iσi,di ,X0 ,Y0 ,Zi ,V,α,σ* ) …(30)
ae =(k’Iσi,kdi ,kX0 ,kY0 ,kZi ,kV,α,σ* )…(31)
補正後のIσi:−Iσi(補正前)×σ*(補正前)
補正後のα :α(補正前)−180゜
補正後のσ* :1/σ*(補正前)
上述した実施の形態1では、複数の点電流源(電極)が船体長方向に一列に並べられたものとして説明を行った。ここでは、例えば複数の点電流源が左舷及び右舷(船幅方向)の2列に配置された船舶を考慮した場合について考える。この場合、船体長方向のパラメータであるdi だけでなく、さらに次のパラメータdwiを追加する。これにより、さらに理論式を現実のものに近づけることができ、精確に位置等の推定、検出を行うことができる。
dwi:各点電流源の船幅方向の間隔
上述の実施の形態4においては、点電流源に基づく理論に対して鏡像理論を適用し、理論式を設定するようにしたが、これに限定するものではない。例えば、ダイポールモーメントに基づく理論においても、鏡像理論を適用して実施の形態4で説明したように、各媒体の誘電率から鏡像点電流源による電界の式の和を用いて理論式を設定することができる。また、信号として磁気を検知して位置等の推定検出を行う場合についても、最小自乗法に用いるための理論式に、透磁率が異なる媒体間において鏡像理論を適用することができる。
Claims (20)
- 海中に設けられた検知計測手段により、少なくとも電界及び海水の速度を計測し、前記海水の速度並びに計測された又は定められた地磁気による磁束密度のデータに基づいて海水が地磁気を横切ることによって生じる誘導起電力に基づく値を算出する工程と、
前記電界から前記誘導起電力に基づく値の成分を除去する工程と
を有することを特徴とする電界検出方法。 - 海中に設けられた検知計測手段により、少なくとも電界及び海水の速度を時系列に計測していき、前記海水の速度並びに計測された又は定められた地磁気による磁束密度のデータに基づいて、海水が地磁気を横切ることによって生じる誘導起電力の値を算出し、前記電界から誘導起電力の成分を除去して、海面又は海中を航行する移動体により生じる電界のデータを算出する工程と、
推定検出手段が、残差を用いた最小自乗法を適用して、前記移動体により生じる電界のデータの値が点電流源に係る理論式を満足するようなパラメータの値を決定し、決定した前記パラメータの値に基づいて少なくとも前記移動体の現在及び/又は将来の位置を推定検出する工程と
を有することを特徴とする移動体位置等推定検出方法。 - 海中に設けられた検知計測手段により、少なくとも電界及び海水の速度を時系列に計測していき、前記海水の速度並びに計測された又は定められた地磁気による磁束密度のデータに基づいて、海水が地磁気を横切ることによって生じる誘導起電力の値を算出し、前記電界から誘導起電力の成分を除去して、海面又は海中を航行する移動体により生じる電界のデータを算出する工程と、
推定検出手段が、前記移動体により生じる電界成分と海水面及び海底面を境界として仮想的に設定した鏡像電極に基づく電界成分との和で表す式を満足するようなパラメータの値を決定し、決定した前記パラメータの値に基づいて少なくとも前記移動体の現在及び/又は将来の位置を推定検出する工程と
を有することを特徴とする移動体位置等推定検出方法。 - 海水及び海底の電気伝導度を含むパラメータについて、さらに値を決定することを特徴とする請求項3記載の移動体位置等推定検出方法。
- 前記最小自乗法にはガウス・ニュートン法を適用することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の移動体位置等推定検出方法。
- 前記移動体の速度及び前記電界の信号の受信位置との最接近位置をさらに推定検出することを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の移動体位置等推定検出方法。
- 前記電界の強度又は前記パラメータの値に基づいて前記移動体又はその種別を判断することを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の移動体位置等推定検出方法。
- 電界を3軸方向の各成分で検知する電界検知手段と、
海水の速度を3軸方向の各成分で計測する潮流計測手段と、
前記海水の速度並びに計測された又は定められた地磁気による磁束密度の各成分のデータに基づいて、発生する誘導起電力に基づく演算を行って電界浮遊ノイズデータを生成する誘導起電力推定手段と、
前記電界浮遊ノイズデータにより、前記電界に基づくデータを補正する電界補正手段と
を備えたことを特徴とする電界検出装置。 - 磁界を3軸方向の各成分で検知する磁界検知手段をさらに備え、
前記誘導起電力推定手段は、前記磁界に基づく前記地磁気による磁束密度の各成分のデータにより演算を行うことを特徴とする請求項8記載の電界検出装置。 - 電界を3軸方向の各成分で検知する電界検知手段と、
海水の速度を3軸方向の各成分で計測する潮流計測手段と、
前記海水の速度並びに計測された又は定められた地磁気による磁束密度の各成分のデータに基づいて、発生する誘導起電力に基づく演算を行って電界浮遊ノイズデータを生成する誘導起電力推定手段と、
前記電界検知手段が検知した電界のデータ及び前記電界浮遊ノイズデータを時系列に記録するデータ記録手段と、
前記電界浮遊ノイズデータにより前記電界に基づくデータを補正する電界補正手段と、
該電界補正手段が補正した前記電界のデータの値が、点電流源に係る電界の理論式を満足するように、あらかじめ定めた収束条件を満たすまで、残差を用いた最小自乗法による反復計算を行ってパラメータの値を決定し、決定した前記パラメータの値に基づいて少なくとも前記移動体の現在及び/又は将来の位置を推定検出する検出手段と
を備えたことを特徴とする移動体位置等推定検出装置。 - 電界を3軸方向の各成分で検知する電界検知手段と、
海水の速度を3軸方向の各成分で計測する潮流計測手段と、
前記海水の速度並びに計測された又は定められた地磁気による磁束密度の各成分のデータに基づいて、発生する誘導起電力に基づく演算を行って電界浮遊ノイズデータを生成する誘導起電力推定手段と、
前記電界検知手段が検知した電界のデータ及び前記電界浮遊ノイズデータを時系列に記録するデータ記録手段と、
前記電界浮遊ノイズデータにより前記電界に基づくデータを補正する電界補正手段と、
該電界補正手段が補正した前記電界のデータの値が、移動体である海面又は海中を航行する船舶から直接発せられる電界成分と海水面及び海底面を境界として仮想的に設定した鏡像電極に基づく電界成分との和で表す式を満足するようなパラメータの値を、残差を用いた最小自乗法を適用して決定し、決定した前記パラメータの値に基づいて少なくとも前記移動体の現在及び/又は将来の位置を推定検出する検出手段と
を備えたことを特徴とする移動体位置等推定検出装置。 - 磁界を3軸方向の各成分で検知する磁界検知手段をさらに備え、
前記誘導起電力推定手段は、前記磁界に基づく前記地磁気による磁束密度の各成分のデータにより演算を行うことを特徴とする請求項10又は11記載の電界検出装置。 - 前記検出手段は、前記パラメータの値に基づいて前記移動体の速度及び前記検知手段との最接近位置をさらに推定検出することを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載の移動体位置等推定検出装置。
- 前記検出手段は、前記物理量の大きさ又は前記パラメータの値に基づいて、前記移動体又はその種別を判断することを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載の移動体位置等推定検出装置。
- (計測された又は定められた地磁気による磁束密度並びに)海中に設けられた手段から得られた海水の速度のデータに基づいて、海水が地磁気を横切ることによって生じる誘導起電力に基づく値をデータとして算出する工程と、
海中の電界のデータから前記誘導起電力に基づく値の成分を除去して補正した前記電界のデータを算出する工程と
をコンピュータに行わせることを特徴とする電界検出方法のプログラム。 - (計測された又は定められた地磁気による磁束密度並びに)海中に設けられた手段から得られた海水の速度のデータに基づいて、海水が地磁気を横切ることによって生じる誘導起電力の値を算出し、海中の電界のデータから前記誘導起電力の成分を除去して、海面又は海中を航行する移動体により生じる電界をデータとして時系列に算出する工程と、
残差を用いた最小自乗法を適用して、前記移動体により生じる電界のデータの値が点電流源に係る理論式を満足するようなパラメータの値を決定し、決定した前記パラメータの値に基づいて少なくとも前記移動体の現在及び/又は将来の位置を推定検出する工程と
をコンピュータに行わせることを特徴とする移動体位置等推定検出方法のプログラム。 - (計測された又は定められた地磁気による磁束密度並びに)海中に設けられた手段から得られた海水の速度のデータに基づいて、海水が地磁気を横切ることによって生じる誘導起電力の値を算出し、海中の電界のデータから前記誘導起電力の成分を除去して、海面又は海中を航行する移動体により生じる電界をデータとして時系列に算出する工程と、
前記移動体により生じる電界成分と海水面及び海底面を境界として仮想的に設定した鏡像電極に基づく電界成分との和で表す式を満足するようなパラメータの値を決定する工程と、
決定した前記パラメータの値に基づいて、少なくとも前記移動体の現在及び/又は将来の位置を推定検出する工程と
をコンピュータに行わせることを特徴とする移動体位置等推定検出方法のプログラム。 - 海水及び海底の電気伝導度を含むパラメータに対する値の決定をさらにコンピュータに行わせることを特徴とする請求項17記載の移動体位置等推定検出方法のプログラム。
- 前記パラメータの値に基づいて前記移動体の速度及び前記電界の信号の受信位置との最接近位置の推定検出をさらにコンピュータに行わせることを特徴とする請求項16〜18のいずれかに記載の移動体位置等推定検出方法のプログラム。
- 前記電界の強度又は前記パラメータの値に基づいて前記移動体又はその種別の判断をさらにコンピュータに行わせることを特徴とする請求項16〜18のいずれかに記載の移動体位置等推定検出方法のプログラム。
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