JP2010210350A - 水中位置測定システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水中の測定点の位置を、水の温度や比重の影響を受けることなく、簡便に高精度で測定可能な水中位置測定システムおよび方法を提供する。
【解決手段】上端部にＧＰＳアンテナ１３を設置した筒状の水中スタッフ２を、その下端を測定対象となる水中の測定点Ｐに位置決めして立った状態で保持し、この状態でＧＰＳアンテナ１３から逐次送信される位置データをデータ受信機１４により受信して制御装置１５に入力するとともに、水中スタッフ２の内部で筒軸方向に緊張して設置したワイヤ１８の傾斜角度を傾斜計１７により逐次検知し、この検知した傾斜角度を制御装置１５に入力し、傾斜角度が予め設定した許容傾斜角度ａ１以下の場合の位置データのみを選択し、選択した複数の位置データを平均することにより測定点Ｐの位置データを算出して測定点位置データとしてモニター１６に表示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水中位置測定システムおよび方法に関し、さらに詳しくは、水中の測定点の位置を、水の温度や比重（塩分濃度）の影響を受けることなく、簡便に高精度で測定可能な水中位置測定システムおよび方法に関するものである。

海底に沈埋函を設置する場合は、既設の沈埋函に対して設定どおりに接続させるために、既設の沈埋函の位置を正確に把握する必要がある。このように沈埋函を海底に設置する場合に限らず、水中の特定の測定点の位置や、水中の特定の測定点間の距離を把握するには、一般に、超音波による測定方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

超音波による測定方法では、発生させた超音波が対象物で反射して戻ってくるまでの時間に基づいて位置（距離）を算出している。ところが、超音波の速度は、海水などの伝達媒体の特性によって変化するため、海水の水温、比重（塩分濃度）等によって測定した位置データがばらつき、測定精度を向上させるには限界があった。また、測定精度を向上させようとすれば、これら伝達媒体の特性を詳細に考慮したデータ補正を行なう必要があるので、作業が複雑になるとともに工数が増大するという問題があった。

特開２００１−９０１０１号公報

本発明の目的は、水中の測定点の位置を、水の温度や比重（塩分濃度）の影響を受けることなく、簡便に高精度で測定可能な水中位置測定システムおよび方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の水中位置測定システムは、上端部にＧＰＳアンテナを設置した筒状の水中スタッフと、ＧＰＳアンテナから逐次送信される位置データを受信するデータ受信機と、データ受信機が受信した位置データが入力される制御装置と、制御装置に接続されたモニターとを備え、前記水中スタッフの内部に筒軸方向にワイヤを緊張して設置するとともに、このワイヤの傾斜角度を逐次検知する傾斜計を設け、この傾斜計により検知した傾斜角度を前記制御装置に入力する構成にして、前記制御装置に予め許容傾斜角度を入力しておき、前記検知した傾斜角度が許容傾斜角度以下の時の位置データのみを選択し、選択した複数の位置データを平均することにより前記水中スタッフの下端の測定点の位置データを算出して測定点位置データとして前記モニターに表示することを特徴とするものである。

ここで、前記許容傾斜角度を、例えば、鉛直に対して３°以下に設定する。前記水中スタッフに浮体を取付けることもできる。

本発明の水中位置測定方法は、上端部にＧＰＳアンテナを設置した筒状の水中スタッフを、その下端を測定対象となる水中の測定点に位置決めして立った状態で保持し、この状態でＧＰＳアンテナから逐次送信される位置データをデータ受信機により受信して制御装置に入力するとともに、前記水中スタッフの内部で筒軸方向に緊張して設置したワイヤの傾斜角度を傾斜計により逐次検知し、この検知した傾斜角度を前記制御装置に入力し、前記傾斜角度が予め設定した許容傾斜角度以下の時の位置データのみを選択し、選択した複数の位置データを平均することにより前記測定点の位置データを算出して測定点位置データとして前記制御装置に接続されたモニターに表示することを特徴とするものである。

ここで、前記許容傾斜角度を、例えば、鉛直に対して３°以下に設定する。前記水中スタッフに取付けた浮体によって、水中での水中スタッフの移動を補助する浮力を付与することもできる。

本発明によれば、上端部にＧＰＳアンテナを設置した筒状の水中スタッフを、その下端を測定対象となる水中の測定点に位置決めして立った状態で保持し、この状態でＧＰＳアンテナから逐次送信される位置データをデータ受信機により受信して制御装置に入力するとともに、水中スタッフの内部で筒軸方向に緊張して設置したワイヤの傾斜角度を傾斜計により逐次検知し、この検知した傾斜角度を前記制御装置に入力するので、水中スタッフが撓んだとしても、水中の測定点とＧＰＳアンテナを結ぶ直線の鉛直に対する真の傾斜角度を検知することができる。そして、測定点位置データを算出する際に、傾斜計によって検知した傾斜角度が、予め設定した許容傾斜角度以下の時の位置データのみを選択することで、水中スタッフがほぼ鉛直に立っている状態のＧＰＳアンテナの位置データのみを用いるようになるので、測定点位置データの測定精度を向上させることが可能になる。

さらに、このように選択した複数の位置データを平均することにより測定点位置データとするので、個々の位置データよりも、実際の測定点に対するばらつきが小さくなって、より一層、精度よく測定点位置データを得ることができる。このようにして算出した測定点位置データを制御装置に接続されたモニターに表示することにより、測定点位置データを容易に把握することができる。

本発明の水中位置測定システムの全体概要を示す説明図である。 図１の水中スタッフを例示する正面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図１のモニターの表示を例示する説明図である。

以下、本発明の水中位置測定システムおよび水中位置測定方法について図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１、図２に例示するように、本発明の水中位置測定システム１（以下、測定システム１という）は、筒状の水中スタッフ２を有し、この水中スタッフ２の上端部に設置されたＧＰＳアンテナ１３と、ＧＰＳアンテナ１３から逐次送信される位置データを受信するデータ受信機１４と、データ受信機１４が受信した位置データが入力される制御装置１５と、制御装置１５に接続されたモニター１６とを備えている。制御装置１５としては、パーソナルコンピュータ等を用いることができる。データ受信機１４には、その他にＧＰＳ基地局（陸上基準点）から無線伝送される位置補正情報が入力され、ＧＰＳアンテナ１３の位置が把握できるＲＴＫ−ＧＰＳになっている。

さらに、この測定システム１は、水中スタッフ２の内部（中空空間）に筒軸方向に緊張した状態で設置されたワイヤ１８と、このワイヤ１８の傾斜角度を逐次検知する傾斜計１７とを有している。傾斜計１７により検知された傾斜角度は制御装置１５に入力されるように構成されている。

水中スタッフ２は、その下端に、球体部１０ｂを突設した円錐状の下端部材１０が嵌め込まれて塞がれており、上端開口した真直ぐな円筒体になっている。水中スタッフ２の長さは、特に限定されるものではないが、例えば、１０ｍ〜３０ｍ程度である。

複数の筒状体を継足して水中スタッフ２を構成すると、輸送や保管する際の取扱い性が向上する。また、この実施形態では水中スタッフ２の外周面に浮体１９が取付けられている。尚、本発明では、ベース１１を設けずに、水中スタッフ２の下端を尖らせた形状にして、この尖らせた下端を直接、後述する沈埋函２１の表面に位置決めして載置することもできる。

水中スタッフ２の下端に設けられた球体部１０ｂは、ベース１１に突設された保持ケーシング１１ａに収容されるように回転自在に保持されている。これにより、ベース１１に対して水中スタッフ２が回転することができ、水中スタッフ２が鉛直に対してある程度の範囲内で任意に傾斜できるようになっている。

図３に例示するように、四角形状の平板のベース１１の表面には、直交する位置決め線Ｌ１、Ｌ１が記されている。このベース１１には四角形の穴が４つ形成されており、水中移動する際の水の抵抗が小さくなるようになっている。ベース１１の形状は円形状等でもよく、特に限定されるものではない。

水中スタッフ２の上端部には、複数本（例えば４本）のフレーム柱４ａと上下のフレーム板４ｂ、４ｂとからなるフレーム３が固定されている。このフレーム３に対して、ＧＰＳアンテナ１３が固定された架台５が、上下移動可能に取付けられている。

ＧＰＳアンテナ１３を上方に設置した架台５は、支柱７および上下方向に進退するシリンダ６により支えられている。支柱７およびシリンダ６は、上側のフレーム板４ｂを上下に貫通し、それぞれの下端はジンバル機構９の上部に固定されている。

ジンバル機構９の下部には、傾斜計１７が固定され、この傾斜計１７の底部には取付台１２が固定されている。ジンバル機構９は、第１軸９ａと第２軸９ｂとを互いの軸方向が直交するように配置して上下に重ねて固定している。このように傾斜計１７は、ジンバル機構９を介して架台５（ＧＰＳアンテナ１３）に取付けられた構造になっている。

取付台１２にはワイヤ固定部１２ａが下方に突設され、下端部材１０にはワイヤ固定部１０ａが上方に突設されている。それぞれのワイヤ固定部１０ａ、１２ａにワイヤ１８の端部が接続されている。

支柱７の長さ方向中途の位置には調節ナット８ｂが螺合されており、調節ナット８ｂと上側のフレーム板４ｂとで挟むようにコイルスプリング８ａが支柱７に外挿されている。調節ナット８ｂを回転させて下方移動させることによりコイルスプリング８ａを圧縮させると、支柱５と一体化している架台５は、コイルスプリング８ａによって上方に付勢される。

即ち、調節ナット８ｂの支柱７に対する上下位置を調節することにより、架台５に作用する付勢力を変化させることができる。架台５、ジンバル機構９、傾斜計１７および取付台１２は一体的に上下移動するので、調節ナット８ｂの上下位置を調節することにより、ワイヤ１８に適度なテンションを付与して緊張させることができる。

このようにして、ワイヤ１８は筒状の水中スタッフ２の内部の中空空間で筒軸方向に緊張して設置される。ワイヤ１８は、水中スタッフ２の内周壁に接しないように緊張させる。

ベース１１に対して水中スタッフ２が回転移動して、水中スタッフ２が鉛直に対して傾斜すると、傾斜計１７はジンバル機構９によって任意の方向に傾斜できるので、緊張されたワイヤ１８と常に同じように（同じ方向および同じ傾斜角度で）傾斜する。したがって、緊張したワイヤ１８の鉛直に対する傾斜角度が傾斜計１７によって逐次検知できるようになっている。換言すると、この傾斜計１７によって、水中スタッフ２の下端とＧＰＳアンテナ１３とを結ぶ直線の鉛直に対する傾斜角度を逐次検知することができる。傾斜計１７がワイヤ１８の傾斜角度を検知する間隔は適宜、設定できるが、例えば、０．１秒から１．０秒の一定間隔で検知する。

次に、測定システム１を用いた本発明の水中位置測定方法を、水中に設置された沈埋函２１の特定の位置（測定点Ｐ）を測定する場合を例にして説明する。

まず、作業船２０によって測定点Ｐの近傍の水域まで移動する。作業船２０にはデータ受信機１４、制御装置１５およびモニター１６が搭載されている。測定点Ｐの近傍の水域では、作業船２０上で作業者が水中スタッフ２を保持して水中に立てるようにする。測定の際には、水中スタッフ２が浮かないように内部（中空空間）には水が流入した状態になる。

ここで、ベース１１に記された位置決め線Ｌ１、Ｌ１を、沈埋函２１の表面に記された位置決め線Ｌ、Ｌに合致させるように潜水士が水中スタッフ２の下端を誘導する。直交する位置決め線Ｌ、Ｌの交点が測定点Ｐになっている。このようにして、水中スタッフ２の下端を測定点Ｐに位置決めする。

本発明では、基本的に、水中スタッフ２を測定点Ｐの上で鉛直に立った状態にして、その時に測定点Ｐの真上にあるＧＰＳアンテナ１３の位置データを測定点位置データとして用いる。即ち、この時のＧＰＳアンテナ１３の水平方向位置（Ｘ座標およびＹ座標）は、測定点Ｐと同一なので、ＧＰＳアンテナ１３の水平方向位置をそのまま、測定点Ｐの位置データとして採用することができる。また、測定点Ｐの高さ方向位置（Ｚ座標）は、ＧＰＳアンテナ１３の位置よりも所定長さだけ下方になる。この所定長さは、水中スタッフ２の下端からＧＰＳアンテナ１３までの距離であり、既知の値なので、ＧＰＳアンテナ１３の高さ方向位置からこの所定長さを差し引くことにより、測定点ＰのＺ座標を得ることができる。

しかしながら、作業船２０の上の作業者が、立った状態の水中スタッフ２を保持するので、水中スタッフ２を鉛直に立たせることは難しい。そこで、本発明では、傾斜計１７を利用して水中スタッフ２がほぼ鉛直に立った状態の時のＧＰＳアンテナ１３の位置データを用いるようにしている。

ただし、水中スタッフ２は長くなるに連れて撓み易くなるので、水中スタッフ２の鉛直に対する傾斜角度を測定しても、測定点ＰとＧＰＳアンテナ１３とを結ぶ直線の鉛直に対する正しい傾斜角度を測定することはできず、精度のよい測定は困難になる。そこで、本発明では、水中スタッフ２ではなく、緊張したワイヤ１８の鉛直に対する傾斜角度を測定して、水中スタッフ２に撓みが発生しても、測定点Ｐ（水中スタッフ２の下端）とＧＰＳアンテナ１３とを結んだ直線の鉛直に対する真の傾斜角度を把握するようにしている。

測定点Ｐの位置を測定する具体的な手順は以下のとおりである。

ＧＰＳアンテナ１３から逐次送信される位置データは、データ受信機１４により受信され、この位置データは制御装置１５に入力される。この位置データとともに、この位置データを取得した際のワイヤ１８の傾斜角度が制御装置１５に入力される。

制御装置１５には、予め許容傾斜角度ａ１を入力しておく。そして、傾斜角度が許容傾斜角度ａ１以下の時の位置データのみを選択するようにプログラムを組んでおく。許容傾斜角度ａ１は、緊張したワイヤ１８の鉛直に対する所定の傾斜角度であり、例えば、３°以下、より好ましくは２°以下に設定する。

このようにして複数の位置データを選択する。選択する位置データの数は多い程、測定精度が向上するが、要求される測定精度に応じてその数を設定する。選択する位置データの数は、例えば１００〜１０００程度にする。

次いで、選択した位置データを、Ｘ座標、Ｙ座標、Ｚ座標毎に平均して測定点Ｐの位置データを算出して、これを測定点位置データとしてモニター１６に表示する。本発明における平均とは、単純平均だけでなく加重平均も含むものである。

したがって、単純平均を用いる場合には、選択したそれぞれの位置データの総和を、その位置データ数で割ることにより測定点位置データとする。加重平均を用いる場合には、傾斜角度が０°に近い時の位置データほど重みを大きくして、選択したそれぞれの位置データの加重平均を算出して測定点位置データとする。例えば、傾斜角度が１°以下の時、１°超２°以下の時、２°超３°以下の時について、位置データの重み付けを、３：２：１にする。この重み付けの割合は、適宜設定する。

図４にモニター１６の表示画面を例示する。表示画面の左側は図示表示であり、右側が数値表示になっている。この図示表示は、それぞれの位置データを取得した際の傾斜状態（傾斜の大きさ、傾斜の向き）を平面視（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）でプロットしたものである。

Ｘ軸とＹ軸との交点が測定点Ｐに対応する位置（傾斜角度が０°の位置）であり、Ｐ１〜Ｐ６が逐次検知されて制御装置１５に入力されるＧＰＳアンテナ１３の位置データである。点線が許容傾斜角度ａ１（３°）の境界線を示しており、点線の内部領域が許容傾斜角度ａ１以下の領域である。

この例では、Ｐ１およびＰ４が許容傾斜角度ａ１を超えているので、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６の位置データのみを選択して、これらの位置データを平均（単純平均或いは加重平均）して測定点位置データを算出する。

数値表示としては、例えば、最新の位置データを取得した際の傾斜角度およびその位置データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ座標）、許容傾斜角度ａ１以下の位置データをＸ、Ｙ、Ｚ座標毎に平均して算出した平均値（測定点位置データ）が表示される。また、平均値の算出に採用した位置データ数が、採用データ数として表示される。表示される傾斜角度は、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれに対する傾斜角度と、これらの合成値である。この合成値が緊張したワイヤ１８の鉛直に対する傾斜角度となる。したがって、この合成値が、許容傾斜角度ａ１以下の場合には、その時の位置データが測定点位置データを算出する際に選択される。

モニター１６の表示される内容は、これらの情報に限らず、他の情報を表示することもできる。また、切り替え可能な表示にして、上記した情報のうち、任意の一部の情報を表示するようにしてもよい。

このように測定点位置データを算出する際に、傾斜計１７によって検知した傾斜角度が、予め設定した許容傾斜角度ａ１以下の時の位置データのみを選択することで、水中スタッフ２がほぼ鉛直に立っている状態のＧＰＳアンテナ１３の位置データのみを用いることになるので、測定点位置データの測定精度を向上させることが可能になる。

さらに、このように選択した複数の位置データを平均して測定点位置データを算出するので、その平均値（平均して算出した測定点位置データ）は、測定点Ｐの位置データに収斂する傾向になる。即ち、平均値にすることで個々の位置データよりも、実際の測定点Ｐの位置データに対するばらつきが小さくなって、より一層、精度よく測定点位置データを得ることができる。上記した加重平均を用いると、単純平均を用いる場合に比べて、高精度で測定点位置データを得ることができる。

算出した測定点位置データを制御装置１５に接続されたモニター１６に表示することにより、測定点位置データを容易に把握することができる。

本発明では、気中にあるＧＰＳアンテナ１３の位置データと、水中スタッフ２の内部で緊張したワイヤ１８の傾斜角度とに基づいて、水中の測定点Ｐの位置を測定するので、海水の温度や比重等に測定精度が悪影響を受けることがなく、簡便に高精度で測定を行なうことができる。

この実施形態では、水中スタッフ２に浮体１９を取付けて、水中スタッフ２が浮上しない範囲内で水中スタッフ２に浮力を付与している。そのため、長さが３０ｍ程度になると気中で１５０ｋｇ程度の重量になる水中スタッフ２であっても、浮体１９によって付与される浮力により補助されて、水中での移動が容易になっている。

１ 水中位置測定システム
２ 水中スタッフ
３ フレーム
４ａ フレーム柱
４ｂ フレーム板
５ 架台
６ シリンダ
７ 支柱
８ａ コイルスプリング
８ｂ 調節ナット
９ ジンバル機構
９ａ 第１軸
９ｂ 第２軸
１０ 下端部材
１０ａ ワイヤ固定部
１０ｂ 球体部
１１ ベース
１１ａ 保持ケーシング
１２ 取付台
１２ａ ワイヤ固定部
１３ ＧＰＳアンテナ
１４ データ受信機
１５ 制御装置
１６ モニター
１７ 傾斜計
１８ ワイヤ
１９ 浮体
２０ 作業船
２１ 沈埋函

Claims (6)

1. 上端部にＧＰＳアンテナを設置した筒状の水中スタッフと、ＧＰＳアンテナから逐次送信される位置データを受信するデータ受信機と、データ受信機が受信した位置データが入力される制御装置と、制御装置に接続されたモニターとを備え、前記水中スタッフの内部に筒軸方向にワイヤを緊張して設置するとともに、このワイヤの傾斜角度を逐次検知する傾斜計を設け、この傾斜計により検知した傾斜角度を前記制御装置に入力する構成にして、前記制御装置に予め許容傾斜角度を入力しておき、前記検知した傾斜角度が許容傾斜角度以下の時の位置データのみを選択し、選択した複数の位置データを平均することにより前記水中スタッフの下端の測定点の位置データを算出して測定点位置データとして前記モニターに表示する水中位置測定システム。
2. 前記許容傾斜角度を鉛直に対して３°以下に設定する請求項１に記載の水中位置測定システム。
3. 前記水中スタッフに浮体を取付けた請求項１または２に記載の水中位置測定システム。
4. 上端部にＧＰＳアンテナを設置した筒状の水中スタッフを、その下端を測定対象となる水中の測定点に位置決めして立った状態で保持し、この状態でＧＰＳアンテナから逐次送信される位置データをデータ受信機により受信して制御装置に入力するとともに、前記水中スタッフの内部で筒軸方向に緊張して設置したワイヤの傾斜角度を傾斜計により逐次検知し、この検知した傾斜角度を前記制御装置に入力し、前記傾斜角度が予め設定した許容傾斜角度以下の時の位置データのみを選択し、選択した複数の位置データを平均することにより前記測定点の位置データを算出して測定点位置データとして前記制御装置に接続されたモニターに表示する水中位置測定方法。
5. 前記許容傾斜角度を鉛直に対して３°以下に設定する請求項４に記載の水中位置測定方法。
6. 前記水中スタッフに取付けた浮体によって、水中での水中スタッフの移動を補助する浮力を付与する請求項４または５に記載の水中位置測定方法。

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