JP2008128968A - 水中測位システムおよび水中測位方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測位対象物に設けられたピンガ5から発せられた音響信号を含む音響信号をハイドロフォン1〜4で受信してAD変換器10でデジタル信号に変換(入力信号)する。入力信号は直交検波、デシメーション、帯域制限の各処理が施される。信号検出部20は、各処理の施された入力信号にピンガ5から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する。これが検出された場合に、到達時間差算出部24が、相異なる入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個のハイドロフォンによって受信したピンガ5からの音響信号の到達時間差を求める。この到達時間差を用いてピンガの位置が特定される。
【選択図】図2
Description
ここで『水中に存在する物体』とは、静止物体に限らず移動体を含み、移動体はそれ自体が例えば魚類などのように自律的に移動可能な物体に限定されず、例えば漁具などのように水流に任せて移動するような物体などをも含む。また、それ自体は静止している静止物体であっても、これを測位する者が移動しているような場合は、この静止物体も相対的に移動体と看做せることに留意しなければならない。さらに『水中』とは、海、川、湖沼を問わずその水中を指す。本明細書では、『水中に存在する物体』を上記のような物体として理解し、以下、『測位対象物』ということにする。
これは、発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かの信号検出に先立ち、デシメーションを行うことで信号検出精度を良くする。この場合、相関関数演算に用いる入力信号のサンプリングレートは、信号検出に用いるデシメーションされた入力信号のサンプリングレートよりも大であるから、精度の良い到達時間差算出が担保される。
まず、本発明の水中測位システムは、SBL方式の双曲線航法で測位対象物の位置を求めるものである。SBL方式では、複数の受信手段(例えばハイドロフォン〔超音波受波器〕とする。)が、異なる2つハイドロフォン間の基線長がそれぞれ数メートル程度になるように配置される。ハイドロフォンの個数は、既知の情報の種類・数や必要とする情報の種類・数などによって変わりえる。例えば、ピンガ側とハイドロフォン側とで時刻が精確に同期していない場合であってピンガの3次元位置を知りたい場合には、最低4個のハイドロフォンが用いられる。また、ピンガ側とハイドロフォン側とで時刻が精確に同期していない場合であってピンガの2次元位置を知りたい場合は、最低3個のハイドロフォンが用いられる。以下の説明では、3次元位置を測定する場合を例に4個のハイドロフォンを用いた測位システム・方法を説明する。3個のハイドロフォンを用いて2次元位置を測位する場合は、下記説明のハイドロフォン(4)およびインデックスi、jにおいて4を除外して理解すればよい。
このとき、船首方位による船体座標系から地球座標系への座標変換は、式(3)および式(4)で与えられる。
そして、測位対象物の位置特定を行う側においては、各ハイドロフォンによって受信された音響信号をデジタル信号である入力信号に変換するAD変換器を備えていて、上記の位置特定手段(50)は、各ハイドロフォンによって受信された音響信号それぞれに対応する各入力信号に、ピンガから発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出部(信号検出手段)と、ピンガから発信された音響信号に対応するデジタル信号が信号検出部によって検出された場合に、各ハイドロフォンによって受信された音響信号それぞれに対応する各入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記ハイドロフォンによって受信したピンガからの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出部(到達時間差算出手段)とを含むものとして構成される。
なお、より詳細には、本実施形態では、デジタル処理の構成要素として、直交検波を行う周波数ミキサ、デシメーションを行うデシメータ、デジタルフィルタであるローパスフィルタが明示的に位置特定手段(50)の構成要素となっている。
まず、ピンガ(5)が、例えば1秒間に1回程度に約10ms(ミリ秒)間、位置特定手段(50)とは非同期に、水中に音響信号を発信する(ステップS1)。そして、4個のハイドロフォン(1)〜(4)によって音響信号を受信する(ステップS2)。なお、ピンガは発信/非発信を交互に繰り返すから、各ハイドロフォンが受信する音響信号には、ピンガからの超音波パルスが含まれる場合もあれば含まれない場合もあることに留意しなければならない。
AD変換を行うAD変換器(10)は、周知技術のものとして構成される。AD変換におけるサンプリング周波数(以下、サンプリングレートとも云う。)も任意に設定でき、例えば1MHzでサンプリングを行う。ハイドロフォンで受信された音響信号は、AD変換器(10)によってサンプリングされてデジタル信号としての入力信号si〔i=1,2,3,4であり、添え字iはハイドロフォンを示す符号に対応している。〕に変換される。
周波数ミキサ(12)(13)は、周知技術のものとして構成される。直交検波に用いる基準信号は、基準信号発生部(11)で発生されて、その周波数はピンガ(5)の周波数(市場において入手可能な一般的なピンガの周波数は、25kHz〜85kHz程度である。)と同じとされる。周波数ミキサ(12)からは基準周波数と同相成分であるI成分、周波数ミキサ(13)からは基準周波数と90°位相がずれた直交成分であるQ成分が出力される。なお、上記入力信号siは、メモリなどの記憶手段(図示せず。)に記憶保存される。
デシメータ(15)(16)は、周知技術のものとして構成される。デシメータ(15)は、I成分に対して、デシメータ(16)はQ成分に対してデシメーションを行うが、このデシメーションでは、アンチエイリアシングを考慮したローパスフィルタによる帯域制限とダウンサンプリングが行われる。ダウンサンプリングの間引き率は任意に設定できる。
ローパスフィルタ(18)(19)による帯域制限によってノイズや倍周波信号を除去される。以上の処理によって、ベースバンド信号のI成分およびQ成分を取り出す。
ステップS7の処理に先立ち、ステップS5およびステップS6の処理が行われているから、誤判定が生じにくい信号検出が可能となっている。
具体例として、信号検出部(20)は、いずれかの振幅情報が予め設定された閾値であるトリガレベルを超えた場合に、ピンガ(5)から発信された超音波パルスに対応するデジタル信号のトリガを検出する。あるいは、信号検出部(20)は、最大レベルを有する振幅情報の累積分布を求め、累積値の急峻な変化によって上記トリガを検出する。信号検出部(20)のトリガ検出結果は、制御部(22)に通知される。
ここで具体例を説明する。最大レベルを有する振幅情報を与えた入力信号を基準となる入力信号として、例えばこれをハイドロフォン(1)で受信した音響信号に対応する入力信号s1であるとする。到達時間差算出部(24)は、入力信号s1と入力信号s2、入力信号s1と入力信号s3、入力信号s1と入力信号s4とで式(10)の相互相関関数Rj1(m)を演算する。但し、j=2,3,4である。また、Nは入力信号のサンプリング点数である。さらに、相互相関関数R21(m)のピークポイントを与えるラグ値mをm2とし、相互相関関数R31(m)のピークポイントを与えるラグ値mをm3とし、相互相関関数R41(m)のピークポイントを与えるラグ値mをm4として、到達時間差算出部(24)は、式(11)を計算して到達時間差Δtj1を出力する。ここでfsは、入力信号のサンプリングレートである。
具体例としては、AD変換のサンプリングレートを100kHzとした場合、10μsの分解能であり、水中の音響信号速度を1500m/sとすれば、距離1.5cmの分解能に相当する。一方、信号検出に伴うデシメーションを1/100で間引きした場合のサンプリングレートは1kHzとなり、これは1msの分解能であり、上記と同じ音響信号速度の場合、距離1.5mの分解能に相当する。
このように理論上は、位置特定誤差を数cm程度に抑えることができる。但し、双曲線航法による位置特定であるから、ピンガとハイドロフォンとの位置関係によって実際の測位精度とは異なることに留意しなければならない。
位置特定手段(50)は、キーボードなどの入力装置が接続可能な入力部(51)、液晶ディスプレイなどの表示装置が接続可能な出力部(52)、AD変換器を接続可能であって、AD変換器によって得られた入力信号の入力を受ける信号入力部(53)、CPU(Central Processing Unit;54)〔キャッシュメモリなどを備えていてもよい。〕、メモリであるRAM(Random Access Memory)(55)、ROM(Read Only Memory)(56)やハードディスクである外部記憶装置(57)、並びにこれらの入力部(51)、出力部(52)、CPU(54)、RAM(55)、ROM(56)、外部記憶装置(57)間のデータのやり取りが可能なように接続するバス(58)などを備えている。また必要に応じて、位置特定手段に、CD−ROMなどの記憶媒体を読み書きできる装置(ドライブ)などを設けるとしてもよい。
位置特定手段(50)の外部記憶装置(57)には、上記ステップS4〜S10の各処理を可能にするためのプログラムおよびこのプログラムの処理において必要となるデータなどが保存記憶されている。また、これらのプログラムの処理によって得られるデータなどは、RAM(55)などに適宜に保存記憶される。
3個のピーク値を与えたラグ値が、チャンネル1と他のチャンネルとの到達時間差に対応している。図11では、チャンネル1のサンプル点数が2000であるところ、チャンネル2のピーク値はデータポイントが2188のとき、チャンネル3のピーク値はデータポイントが2310のとき、チャンネル4のピーク値はデータポイントが2319のときに与えられるから、チャンネル2のピーク値はラグ値が188のとき、チャンネル3のピーク値はラグ値が310のとき、チャンネル4のピーク値はラグ値が319のときに与えられることがわかる。このとき、具体的な到達時間差は式(11)で得られる。また、ピンガの位置、つまり測位対象物の位置は、式(1)(2)あるいは式(3)〜(9)による逐次近時の繰り返し計算で得ることができる。
5 ピンガ
10 AD変換器
12、13 周波数ミキサ
15、16 デシメータ
18、19 ローパスフィルタ
20 信号検出部
24 相関関数演算部
26 位置決定部
27 GNSSコンパス
28 GPSアンテナ
Claims (4)
- 水中に存在する物体(測位対象物)に設けられた、音響信号を水中に発する発信手段と、
少なくとも3個の、上記発信手段から発せられた音響信号を含む音響信号を受信可能な受信手段と、
相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を算出するとともに、上記受信手段の組み合わせを異にした相異なる2個の上記受信手段間で得られた複数の上記到達時間差を用いて、上記測位対象物の位置を特定する位置特定手段とを備えた水中測位システムであって、
上記各受信手段によって受信された音響信号をデジタル信号である入力信号に変換するAD変換器を備え、
上記位置特定手段は、
上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する上記各入力信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出手段と、
上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が上記信号検出手段によって検出された場合に、上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する相異なる上記入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出手段とを含む
ことを特徴とする水中測位システム。 - 上記位置特定手段は、
上記AD変換器のサンプリングレートよりも低いサンプリングレートで、上記各入力信号のデシメーションを行うデシメーション手段を含み、
上記信号検出手段は、
上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する、上記デシメーション手段によってデシメーションされた上記各入力信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出するものである
ことを特徴とする請求項1に記載の水中測位システム。 - 水中に存在する物体(測位対象物)に設けられた発信手段によって、音響信号を水中に発する発信ステップと、
上記発信手段から発せられた音響信号を含む音響信号を受信可能な、少なくとも3個の、受信手段によって、音響信号を受信する受信ステップと、
相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を算出するとともに、上記受信手段の組み合わせを異にした相異なる2個の上記受信手段間で得られた複数の上記到達時間差を用いて、上記測位対象物の位置を特定する位置特定ステップとを有する水中測位方法であって、
上記受信ステップにおいて受信された音響信号をAD変換器によってデジタル信号である入力信号に変換するAD変換ステップを有し、
上記位置特定ステップは、
上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する上記各入力信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出ステップと、
上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が上記信号検出ステップにおいて検出された場合に、上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する相異なる上記入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出ステップとを含む
ことを特徴とする水中測位方法。 - 上記位置特定ステップは、
上記AD変換器のサンプリングレートよりも低いサンプリングレートで、上記各入力信号のデシメーションを行うデシメーションステップを含み、
上記信号検出ステップは、
上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する、上記デシメーションステップにおいてデシメーションされた上記各入力信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出するものである
ことを特徴とする請求項3に記載の水中測位方法。
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