JP2015141173A

JP2015141173A - 水中航走体の高度検出方法及び装置

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Publication number: JP2015141173A
Application number: JP2014015924A
Authority: JP
Inventors: 伸也北薗; Shinya Kitazono
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-08-03
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: JP6221783B2

Abstract

【課題】水中航走体の高度の検出を行うときに、水底面が平らでない場合の変化をよく反映して、水中航走体の高度検出を行うことができる水中航走体の高度検出方法及び装置を提供する。【解決手段】水中航走体１の機体２に下方に向けて設けたドップラ速度計３と処理装置４を備える。ドップラ速度計３から機体２の前後方向、及び、左右方向に或るビームアングルθで傾斜する方向に発信する４本のソーナービーム５を用いて、各ソーナービーム５が水底６に到達した４つの地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の位置を求める。４つの地点のうちの３つの地点を含む仮想の三角形Ｐ１Ｐ２Ｐ３と三角形Ｐ１Ｐ３Ｐ４を、機体２の左右方向に並ぶように形成する。機体重心Ｇから、仮想の三角形Ｐ１Ｐ２Ｐ３と三角形Ｐ１Ｐ３Ｐ４が個別に含まれる仮想平面までの最短距離を求め、その平均値を水中航走体１の高度として検出させる。【選択図】図１

Description

本発明は、水中航走体の水底からの高度を検出する水中航走体の高度検出方法及び装置に関するものである。

水中を予め定められた航走速度で移動（航走）しながら周囲の状況を調査する場合等に用いられる水中航走体としては、クルージング型（巡航型）の水中航走体がある。

この種のクルージング型の水中航走体では、ドップラ速度計（Doppler Velocity Log）を装備して、該水中航走体の水底（海底）に対する対地速度を計測することが行われる。

更に、前記ドップラ速度計を装備した水中航走体では、水底からの高度を、前記ドップラ速度計を利用して検出することが広く行われている。

前記ドップラ速度計は、一般に、水中航走体の機体に下方に向けて搭載され、該ドップラ速度計の中心軸の向きから機体の前方向と後方向、及び、左方向と右方向にそれぞれ或る角度（ビームアングル）で傾斜した方向に、４本の指向性を有するビーム状の超音波（以下、ソーナービームと云う）を発信し、その反射波を受信するようにしてある。

そのため、前記ドップラ速度計では、前記４本のソーナービームを発信してから反射波を受信するまでの時間と、水中での音速の情報を基に、該各ソーナービームが海底に到達した地点までの距離を検出することができる。

更に、前記ドップラ速度計より各ソーナービームを発信した角度と、前記各地点までの距離を基に、該各地点から、水中航走体までの鉛直方向距離を個別に求めることができるため、従来は、これらの鉛直方向距離の平均値として、水中航走体の高度を求めるようにしていた。

又、マルチビームソーナーより送信される複数の超音波のビームがそれぞれ海底に到達する複数地点について、前記と同様の手法により水中航走体の重心位置までの高度（鉛直方向距離）をそれぞれ求め、それらの値を平均して得られる平均高度を、目標高度に合わせるように制御を行うことも従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、前記従来の水中航走体の高度検出手法は、いずれも、複数のソーナービームが到達した水底の複数地点における水中航走体との鉛直方向距離の平均値を求めるようにしてあるために、水底面が平らでない場合に、たとえば、１本のソーナービームにより検出される水底の地点にのみ水中航走体との鉛直方向距離の変化が生じても、その変化が高度の検出結果に反映されにくいというのが実状である。

特開２０１３−１４１９１６号公報

そこで、本発明は、ドップラ速度計を利用して水中航走体の高度の検出を行うときに、水底面が平らでない場合の変化をよく反映して、水中航走体の高度検出を行うことができる水中航走体の高度検出方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、請求項１に対応して、水中航走体の機体に下方に向けて設けたドップラ速度計より、機体の前方向と後方向、及び、左方向と右方向に或るビームアングルで傾斜する方向に４本のソーナービームを発信し、前記各ソーナービームが水底に到達する４つの地点について、対応するソーナービームを発信してから反射波を受信するまでの時間と、水中での音速の情報を基に、水中航走体からの距離を求め、各ソーナービームのビームアングルと前記水中航走体から前記４つの地点までの距離を基に、該各地点の位置を求め、前記４つの地点のうちの３つの地点を含む仮想の三角形を、機体左右方向又は前後方向に並ぶように形成し、前記水中航走体から、前記各仮想の三角形が含まれる仮想平面までの距離をそれぞれ求めて、その結果を基に、前記水中航走体の高度を検出する水中航走体の高度検出方法とする。

又、請求項２に対応して、水中航走体の機体に下方に向けて設けられたドップラ速度計と、該ドップラ速度計の計測結果が入力される処理装置を備え、前記処理装置は、前記ドップラ速度計から機体の前方向と後方向、及び、左方向と右方向に予め設定された或るビームアングルで傾斜する方向に発信される４本のソーナービームの発信からその反射波を受信するまでの時間と、水中での音速の情報を基に検出される、該各ソーナービームが水底に到達した４つの地点までの距離と、前記ビームアングルを基に、前記４つの地点の位置を求める機能と、前記４つの地点のうちの３つの地点を含む仮想の三角形を、機体左右方向又は前後方向に並ぶように形成する機能と、前記水中航走体から、前記各仮想の三角形が含まれる仮想平面までの距離をそれぞれ求めて、その結果を基に、前記水中航走体の高度を検出する機能を備えてなる構成を有するものとした水中航走体の高度検出装置とする。

本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
本水中航走体の高度検出方法及び装置によれば、水中航走体の高度を検出することができる。更に、前記水中航走体の高度は、ドップラ速度計の各ソーナービームが水底に到達する４つの地点のうちの３つずつの地点を含む仮想平面を設定し、その仮想平面に対する水中航走体からの最短距離を基に求めるため、前記４つの地点のいずれか一つに変化が生じる場合であっても、その変化をよく反映した値として求めることができる。

本発明の水中航走体の高度検出方法及び装置の実施の一形態を示すもので、（ａ）は概略側面図、（ｂ）は水中航走体を後方より見た概略図である。図１の高度検出方法で設定する二つの仮想の三角形を示す概略平面図である。図１の高度検出方法で設定された二つの仮想の三角形を個別に含む二つの仮想平面に対して水中航走体の機体重心よりそれぞれ下ろす垂線を示すもので、各垂線の足が、それぞれ対応する仮想の三角形の中に存在する場合を示す概要図である。図１の高度検出方法で設定された二つの仮想の三角形を個別に含む二つの仮想平面に対して水中航走体の機体重心よりそれぞれ下ろす垂線の別の例を示すもので、（ａ）は一方の垂線の足が対応する仮想の三角形の中に存在し、且つ他方の垂線の足が対応する仮想の三角形における共有辺の外側に存在する場合を示す概要図、（ｂ）は、一方の垂線の足が対応する仮想の三角形の中に存在し、且つ他方の垂線の足が対応する仮想の三角形における非共有の辺の外側に存在する場合を示す概要図である。図１の高度検出方法で設定された二つの仮想の三角形を個別に含む二つの仮想平面に対して水中航走体の機体重心よりそれぞれ下ろす垂線の更に別の例を示すもので、（ａ）は双方の垂線の足が、それぞれ対応する仮想の三角形における共有辺の外側に存在する場合を示す概要図、（ｂ）は双方の垂線の足が、それぞれ対応する仮想の三角形における非共有の辺の外側に存在する場合を示す概要図、（ｃ）は一方の垂線の足が、対応する仮想の三角形における共有辺の外側に存在し、且つ他方の垂線の足が、対応する仮想の三角形における非共有の辺の外側に存在する場合を示す概要図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の水中航走体の高度検出方法及び装置の実施の一形態を示すものである。

本発明の水中航走体の高度検出方法の実施に用いる高度検出装置は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、水中航走体１の機体２に下方に向けて装備したドップラ速度計３と、該ドップラ速度計による計測結果を基に水中航走体１の高度を後述する高度検出処理により求める電子計算機の如き処理装置４とから構成されている。

前記ドップラ速度計３は、該ドップラ速度計３の中心軸の向きから機体２の前方向と後方向、及び、左方向と右方向にそれぞれ予め設定された或るビームアングルθで傾斜した方向に、４本の指向性を有するビーム状の超音波（以下、ソーナービームと云う）５を発信すると共に、その反射波を受信するようにしてある。

更に、前記ドップラ速度計３は、前記４本のソーナービーム５のそれぞれについて、発信からその反射波を受信するまでの時間と、水中での音速の情報を基に、該各ソーナービーム５が水底６に到達した各地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４までの距離（スラントレンジ）Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を検出して、その結果を前記処理装置４へ送るようにしてある。

次に、前記処理装置４の機能の説明に則して、本発明の水中航走体の高度検出方法について説明する。

前記処理装置４は、前記ドップラ速度計３より前記各地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４までの距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の検出結果が入力されると、前記各ソーナービーム５のビームアングルθと、前記距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を基に、前記各地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の水中航走体１を機体重心Ｇを基準とする相対位置の座標を求めるようにしてある。なお、図１（ａ）（ｂ）、図２では、水中航走体１の機体重心Ｇを、平面視でドップラ速度計３に重なる配置で示してあるが、前記機体重心Ｇとドップラ速度計３の位置が異なっていてもよいことは勿論である（後述する各図でも同様）。

更に、前記処理装置４は、前記水中航走体１の図示しない航走制御装置より該水中航走体１の機体重心Ｇの三次元の位置情報を座標（絶対座標）として得るようにしてあり、該座標を基に、前記各地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の水中航走体１を基準とする相対位置の座標を、絶対座標に変換して求める。

次いで、前記処理装置４では、絶対座標が明らかとなった前記各地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を用いて、図２に示すように、水中航走体１の機体右側と左側で隣接する二つの仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）を設定する。該二つの仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）は、辺（Ｐ１Ｐ３）を共有している。

更に、前記処理装置４は、前記一方の仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）を含む仮想平面Ｓと、他方の仮想の三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）を含む仮想平面Ｔを求める。なお、空間幾何の分野においては、座標が明らかな三点を含む平面を求める式は公知であるため、前記仮想平面Ｓと仮想平面Ｔの算出方法については説明を省略する。

その後、前記処理装置４では、図３に示すように、前記水中航走体１の機体重心Ｇから前記仮想平面Ｓまでの最短距離Ｄ１と、該機体重心Ｇから前記平面Ｔまでの最短距離Ｄ２を求める。なお、空間幾何の分野においては、点と平面の最短距離を求める式は公知であるため、前記機体重心Ｇから平面Ｓ、平面Ｔまでの最短距離の算出方法については説明を省略する。

しかる後、前記処理装置４は、前記最短距離Ｄ１とＤ２の平均値を求めて、前記水中航走体１の高度（重心高度）として検出する。

なお、前記図３では、前記水中航走体１の機体重心Ｇより仮想平面ＳとＴに下ろした垂線の足が、それぞれ対応する仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）の中にある場合を示したが、前記各仮想平面Ｓ，Ｔの傾斜に応じて、垂線の足の位置と三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）、三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）との位置関係の他の類型としては、以下のような配置となることが考えられる。

図４（ａ）（ｂ）は、いずれか一方の仮想平面Ｓ又はＴに前記機体重心Ｇより下ろした垂線の足のみが、対応する仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）又は三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）の内側に位置する場合の例である。図４（ａ）（ｂ）では、仮想平面Ｔに下ろした垂線の足のみが、対応する仮想の三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）の内側に位置する場合が示してある。

図４（ａ）に示すように、一方の仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）が、他方の三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）と共有している辺（Ｐ１Ｐ３）（以下、共有辺（Ｐ１Ｐ３）と記す）より離れるにしたがって下方傾斜している場合は、該仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）を含む平面Ｓに前記機体重心Ｇより下ろした垂線の足が、該仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）に対し、前記共有辺（Ｐ１Ｐ３）の外側に位置するようになる。

図４（ｂ）に示すように、一方の仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）が、前記共有辺（Ｐ１Ｐ３）より離れるにしたがって上方傾斜している場合であって、その傾斜角度が或る角度よりも大きくなる場合には、該仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）を含む平面Ｓに前記機体重心Ｇより下ろした垂線の足が、該仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）に対し前記共有辺（Ｐ１Ｐ３）以外の非共有の辺（Ｐ１Ｐ２）又は辺（Ｐ２Ｐ３）の外側に位置するようになる。

更に、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、双方の仮想平面Ｓ及びＴに前記機体重心Ｇより下ろした垂線の足が、それぞれ対応する仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）及び三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）の外側に位置する場合の例である。

図５（ａ）は、前記仮想平面ＳとＴを規定する前記仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）が、共に図４（ａ）における仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と同様の傾斜となっている場合を示す。

図５（ｂ）は、前記仮想平面ＳとＴを規定する前記仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）が、共に図４（ｂ）における仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と同様の傾斜となっている場合を示す。

図５（ｃ）は、前記二つの仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）のうち、いずれか一方（図では仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３））が、図４（ａ）における仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と同様の傾斜となり、且ついずれか他方（図では仮想の三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４））が、図４（ｂ）における仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と同様の傾斜となる場合を示す。

前記図４（ａ）（ｂ）、及び、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）のいずれの場合でも、前記処理装置４では、前記機体重心Ｇより各仮想平面Ｓ，Ｔに下ろした垂線の長さに相当する前記最短距離Ｄ１とＤ２の平均値を求めて、前記水中航走体１の高度（重心高度）として検出するようにすればよい。

なお、図４（ａ）、及び、図５（ｃ）に示した場合のように、前記二つの仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）と三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）のうち、いずれか一方のみが、共有辺（Ｐ１Ｐ３）より離れるにしたがって下方傾斜している場合は、その仮想の三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）又は三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）は、水中航走体１に対する最短距離が、いずれか他方の仮想の三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）又は三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）よりも小さくなることはない。よって、この場合は、該いずれか他方の仮想の三角形（Ｐ１Ｐ３Ｐ４）又は三角形（Ｐ１Ｐ２Ｐ３）により形成される仮想平面Ｔ又はＳの前記機体重心Ｇに対する最短距離Ｄ２又はＤ１を、前記水中航走体１の高度（重心高度）として採用するようにしてもよい。

このように、本発明の水中航走体の高度検出方法及び装置によれば、水中航走体１の高度を検出することができる。

更に、前記水中航走体１の高度は、前記ソーナービーム５の水底に到達する地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４のうちの３点ずつを含む仮想平面ＳとＴを設定し、その仮想平面ＳとＴに対する前記最短距離Ｄ１，Ｄ２を基に前記水中航走体１の高度を求めるようにしてあるために、前記地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４のうちのいずれか一つに座標の変化が生じる場合に、その変化をよく反映した値として求めることができる。

なお、本発明は前記実施の形態にのみ限定されるものではなく、仮想の三角形は、地点Ｐ１Ｐ２Ｐ４と、地点Ｐ２Ｐ３Ｐ４により機体の前後方向に隣接する二つの仮想の三角形として形成するようにしてもよい。

ドップラ速度計３の４本のソーナービーム５のそれぞれについて、発信からその反射波を受信するまでの時間と、水中での音速の情報を基に、該各ソーナービーム５が水底６に到達した各地点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４までの距離（スラントレンジ）Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を検出する処理は、処理装置４で行うようにしてもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１水中航走体、２機体、３ドップラ速度計、４処理装置、５ソーナービーム、６水底、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４地点、θ ビームアングル、Ｓ仮想平面、Ｔ仮想平面、Ｄ１，Ｄ２距離

Claims

水中航走体の機体に下方に向けて設けたドップラ速度計より、機体の前方向と後方向、及び、左方向と右方向に或るビームアングルで傾斜する方向に４本のソーナービームを発信し、
前記各ソーナービームが水底に到達する４つの地点について、対応するソーナービームを発信してから反射波を受信するまでの時間と、水中での音速の情報を基に、水中航走体からの距離を求め、
各ソーナービームのビームアングルと前記水中航走体から前記４つの地点までの距離を基に、該各地点の位置を求め、
前記４つの地点のうちの３つの地点を含む仮想の三角形を、機体左右方向又は前後方向に並ぶように形成し、
前記水中航走体から、前記各仮想の三角形が含まれる仮想平面までの距離をそれぞれ求めて、その結果を基に、前記水中航走体の高度を検出すること
を特徴とする水中航走体の高度検出方法。
水中航走体の機体に下方に向けて設けられたドップラ速度計と、
該ドップラ速度計の計測結果が入力される処理装置を備え、
前記処理装置は、
前記ドップラ速度計から機体の前方向と後方向、及び、左方向と右方向に予め設定された或るビームアングルで傾斜する方向に発信される４本のソーナービームの発信からその反射波を受信するまでの時間と、水中での音速の情報を基に検出される、該各ソーナービームが水底に到達した４つの地点までの距離と、前記ビームアングルを基に、前記４つの地点の位置を求める機能と、
前記４つの地点のうちの３つの地点を含む仮想の三角形を、機体左右方向又は前後方向に並ぶように形成する機能と、
前記水中航走体から、前記各仮想の三角形が含まれる仮想平面までの距離をそれぞれ求めて、その結果を基に、前記水中航走体の高度を検出する機能を備えてなる構成を有すること
を特徴とする水中航走体の高度検出装置。