JP2018029253A - 音響通信方法および音響通信システム、並びに、音響通信中継機 - Google Patents

Abstract

【課題】 水中航走体と母船の音響通信の伝送速度を向上させる。【解決手段】 水中航走体２が航走する深度Ｄと、水面Ｗとの間の深度Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃに、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃと下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃを備えた音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃを航走させる。水中航走体２の音響通信機３と母船４の音響通信機５との間でのステータスＳおよびコマンドＣの音響通信は、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃで中継することにより、実際の通信距離を、水中航走体２から母船４までの上下距離に比して短くする。【選択図】図１

Description

本発明は、水中航走体と、水面に配置された母船や水上航走体などの移動体との間の音響通信に用いる音響通信方法および音響通信システム、並びに、音響通信中継機に関するものである。

自律航走を行う水中航走体（ＵＵＶ：Unmanned Undersea Vehicle）を用いて水中の情報を収集するときに、水上航走体を、水中航走体の航走に合わせて水面を移動させ、この水上航走体と水中航走体との間で音響通信による相互通信を行うことが従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

この手法では、水上航走体は、水中航走体との音響通信が行い易い位置を保持するようにしてある。そのため、水上航走体は、水中航走体へ、水中航走体の制御のためのコマンドを送ることができる。また、水中航走体は、水中航走体の自機の状態などに関する情報や、水中航走体が収集した水中の情報を、水上航走体へステータスとして送ることができる。

特開２０１０−１３９２７０号公報

ところで、水中航走体は、海底探査などを目的として、深度１０００ｍ以上となるような大深度での航走を行うことがある。

この場合、水上航走体が水中航走体の真上やその付近に位置するとしても、両者間で音響通信を行うためには、音波を、水中航走体の航走深度に対応する長距離にわたって伝える必要が生じる。

しかし、音響通信では、通信距離が長くなるにしたがってＳ／Ｎ比が低下する。

そのため、前記のような大深度での航走を行う水中航走体と、水上航走体との間の音響通信では、情報の伝送速度が遅くなり、通信可能な情報量が制限される、というのが実状である。よって、このように通信可能な情報量が制限されると、水中航走体に与えるコマンドには制限が生じ、水中航走体からは容量の小さいステータスしか送信できなくなってしまう。

そこで、本発明は、水中航走体を深度１０００ｍ以上となるような大深度で航走させるときにも、水中航走体の音響通信機と、水上航走体や母船などの水面に配置された移動体に備えた音響通信機との間で、音響通信による情報の伝送速度の向上化を図ることができる音響通信方法、および、該方法の実施に用いる音響通信システム、並びに、音響通信中継機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、上部音響通信機および下部音響通信機を備える音響通信中継機を、水中航走体が航走する深度と水面との間の単数または複数の深度で航走させ、前記水中航走体に備えた音響通信機と、水面を移動する移動体に備えた音響通信機との間で行う音響通信を、前記音響通信中継機により中継するようにする音響通信方法とする。

前記音響通信中継機は、自機の下方の最も近い位置を航走する航走体である前記水中航走体または別の音響通信中継機に追従して航走し、前記移動体は、自機の下方の最も近い位置を航走する前記音響通信中継機に追従して航走する方法としてもよい。

また、設定された深度を航走する水中航走体に備えた音響通信機と、水面を移動する移動体に備えた音響通信機と、上部音響通信機および下部音響通信機を備えて、前記水中航走体が航走する深度と水面との間の単数または複数の深度で航走する音響通信中継機とを備える音響通信システムとする。

更に、機体に、上部音響通信機および下部音響通信機を備え、水中航走体が航走する深度と水面との間に設定された深度を航走する機能と、前記水中航走体が送信するステータスの信号を前記下部音響通信機で受信すると、該ステータスの信号を前記上部音響通信機から送信する機能と、前記水中航走体へのコマンドの信号を前記上部音響通信機で受信すると、該コマンドの信号を前記下部音響通信機から送信する機能とを備える音響通信中継機とする。

本発明の音響通信方法および音響通信システムによれば、水中航走体の音響通信機と、水面に配置された移動体に備えた音響通信機との間で、音響通信による情報の伝送速度の向上化を図ることができる。

また、本発明の音響通信中継機は、前記音響通信方法および音響通信システムの実現に好適なものとすることができる。

音響通信システムの第１実施形態を示す図である。 水中航走体の構成を示す図である。 母船の構成を示す図である。 音響通信中継機の構成を示す図である。 音響スケジューリング装置の送受信タイムチャートの一例を示す図である。 音響通信システムの第２実施形態として、母船と音響通信中継機と水中航走体との間で使用する音響信号の周波数帯域の設定例を示す図である。 音響スケジューリング装置の送受信タイムチャートの他の例を示す図である。 音響スケジューリング装置の送受信タイムチャートの更に他の例を示す図である。

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。

［第１実施形態］
図１は、音響通信方法の実施に用いる音響通信システムの第１実施形態を示す概要図である。図２は水中航走体の構成を示す概略図である。図３は母船の構成を示す概略図である。図４は音響通信中継機の構成を示す概略図である。図５は音響スケジューリング装置で設定された送受信タイムチャートの一例を示す図である。

本実施形態の音響通信システムは、図１に符号１で示すもので、設定された深度を自律航走する水中航走体２と、水面Ｗを移動する移動体としての母船４と、水面Ｗから水中航走体２が航走する深度Ｄまでの間に設定された単数または複数の深度で水中航走体２と並走などの協調航走を行って、水中航走体２の音響通信機３と母船４の音響通信機５との間の音響通信を中継する音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃとを備えた構成とされている。

本実施形態では、一例として、水面Ｗと深度Ｄとの間の異なる３つの深度Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃに航走深度が設定された３機の音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃを備える構成が示してある。

ここで、先ず、水中航走体２と母船４の構成について説明する。

水中航走体２は、たとえば、ウェイポイント制御により自律航走する機能を備えている。

そのため、水中航走体２は、図２に示すように、機体７に、制御装置８を備え、制御装置８に、予め設定された航走計画に応じたウェイポイントを記憶する記憶装置９と、慣性航法装置１０と、推進および操舵装置１１とが接続された構成を備えている。

慣性航法装置１０には、ＧＰＳのような全地球航法衛星システム１２と、ドップラーベロシティログ１３が接続されている。

全地球航法衛星システム１２は、水中航走体２が潜航前に水面に配置されているか、あるいは水面から引き上げられて母船４などに搭載されている状態のときに、自機である水中航走体２の位置と向きを取得するためのものである。

これにより、慣性航法装置１０では、水中航走体２が潜航する前に全地球航法衛星システム１２で取得した位置と向きの情報を基に、慣性航法と、ドップラーベロシティログ１３によって取得する情報とを使用することで、潜航した水中航走体２において、自機の位置と向きと姿勢とを検出することができる。

制御装置８は、慣性航法装置１０より得られる水中航走体２の現在の位置と向きと姿勢の情報と、記憶装置９から取得したウェイポイントの座標および深度の情報とを基に、現在位置から現在目標としているウェイポイントに達するための航走経路を求める機能を備えている。更に、制御装置８は、求められた航走経路に従って水中航走体２を航走させるための指令を、推進および操舵装置１１に与える機能を備えている。これにより、水中航走体２は、現在位置から目標としているウェイポイントに向かい、その後、航走計画に従って目標とするウェイポイントを順次更新しながら航走することで、航走計画に沿った自律航走を実施することができる。

なお、図示しないが、水中航走体２は、航走経路に存在していて航走の障害となる障害物を検出する手段を備えており、この障害物検出手段で検出された障害物を回避するように航走方向や速度を適宜制御する機能も、制御装置８は備えている。

更に、水中航走体２は、機体７の上部に配置された音響通信機３を備えている。音響通信機３は、制御装置８に接続されている。制御装置８は、音響通信機３を介し、自機が航走する深度よりも上方で且つ最も近い深度を航走する音響通信中継機６ａの下部音響通信機３３ａ（図１、図４参照）を通信対象として、コマンドＣの受信とステータスＳの送信とを行う機能を備えている。なお、この水中航走体２の発するステータスＳには、水中航走体２の航走計画の遂行状況が、ウェイポイント番号およびウェイポイント間航走達成率などの情報によって含まれている。

また、水中航走体２は、機体７の上部に、音響トランスポンダ１４を備えた構成とされている。この音響トランスポンダ１４を備えることにより、水中航走体２は、音響通信中継機６ａの音響測位装置３４ａ（図１、図４参照）による測位対象となっている。

音響通信機３には、音響スケジューリング装置１５が接続されている。この音響スケジューリング装置１５の機能については、後で説明する。

水中航走体２は、水中航走体２が水面に浮上しているときに無線通信や衛星通信に用いる図示しない通信機を備えて、この通信機が制御装置８に接続された構成を備えていてもよい。

母船４は、図３に示すように、船体１６に、制御装置１７を備え、制御装置１７に、予め設定された航走計画に応じたウェイポイントを記憶する記憶装置１８と、慣性航法装置１９と、航走目標位置設定装置２０と、推進および操舵装置２１とが接続された構成を備えている。更に、母船４は、船体１６の水没する部分である船底部に、音響通信機５と音響測位装置２２とを備えて、この音響通信機５および音響測位装置２２が制御装置１７に接続された構成を備えている。

慣性航法装置１９には、水中航走体２と同様の全地球航法衛星システム２３が接続されている。全地球航法衛星システム２３は、母船４の位置と向きを取得するためのものである。これにより、慣性航法装置１９では、全地球航法衛星システム２３で取得した位置と向きの情報を基に、慣性航法を使用することで、母船４の位置と向きと姿勢とを検出することができる。

音響通信機５は、水面Ｗに最も近い深度を航走する音響通信中継機６ｃの上部音響通信機３１ｃ（図１、図４参照）を通信対象として、コマンドＣの送信とステータスＳの受信とを行う機能を備えている。なお、この音響通信機５を介して母船４から発するコマンドＣは、水中航走体２を対象とするコマンドＣのほかに、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃを対象とするコマンドＣを含んでいてよい。また、この音響通信機５を介して母船４で受けるステータスＳは、水中航走体２が発するステータスＳのほかに、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃが、自機の状態をそれぞれ発するステータスＳを含んでいてよい。この各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃが発するステータスＳには、前記水中航走体２が発するステータスＳと同様に、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃの航走計画の遂行状況が含まれるようにしてある。

音響測位装置２２は、呼出信号を発信してから、音響通信中継機６ｃに備えた音響トランスポンダ３２ｃ（図１、図４参照）が発する応答信号が受信されるまでの経過時間と、応答信号が到来する方向（角度）とを基に、母船４を基準とする音響通信中継機６ｃの相対位置を測位する機能を備えている。

音響通信機５および音響測位装置２２には、音響スケジューリング装置２４が接続されている。この音響スケジューリング装置２４の機能については、後述する。

航走目標位置設定装置２０は、記憶装置１８に記憶したウェイポイントで設定されている母船４の航走計画と、現在時刻とから、母船４の計画目標位置を求める機能を備えている。更に、航走目標位置設定装置２０は、求めた計画目標位置を、音響通信中継機６ｃの航走計画の遂行状況と、音響通信中継機６ｃの測位位置とにより補正して、母船４の音響通信中継機６ｃに対する水平方向距離が設定された範囲内になるように、母船４の航走目標位置を設定する機能を備えている。

制御装置１７は、航走目標位置設定装置２０で設定された航走目標位置に向けて母船４を航走させるための指令を、推進および操舵装置２１に与える機能を備えている。

これにより、母船４は、音響通信中継機６ｃからの水平方向距離が前記所定の範囲内に収まるように音響通信中継機６ｃに対する相対位置が常に保持された状態で、音響通信中継機６ｃの移動に追従して移動することができる。

したがって、母船４は、音響通信機５を介して音響通信中継機６ｃの上部音響通信機３１ｃとの音響通信を常に行うことができる。

なお、航走目標位置設定装置２０は、音響測位装置２２による音響通信中継機６ｃの測位の一時的な途絶や、音響通信機５を介した音響通信中継機６ｃとの音響通信の一時的な途絶が生じた場合、それらが途絶する直前での音響通信中継機６ｃの航走計画の遂行状況と測位位置を基に、時間の経過に伴う音響通信中継機６ｃの移動先を推定する機能と、その推定された音響通信中継機６ｃの移動先を参照して、母船４の航走目標位置を設定する機能を備えることが好ましい。このようにすれば、母船４は、前記したような測位や音響通信の一時的な途絶が生じた場合であっても、音響通信中継機６ｃに対し相対位置が大きく離れない追従航走を行うことができる。

なお、図示しないが、母船４は、航走経路の水面Ｗに存在していて航走の障害となる障害物を検出する手段を備えると共に、この障害物検出手段で検出された障害物を回避するように航走方向や速度を適宜制御する機能を制御装置１７に備える構成としてもよいことは勿論である。

次に、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃの構成について説明する。なお、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、機器構成は共通している。そのため、図４では、音響通信中継機６ａの構成を示し、音響通信中継機６ａの各構成要素に対応する音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃの各構成要素については、図４中に括弧書きで示してある。この際、音響通信中継機６ａの各構成要素は、数字にａを付した符号で示し、それに対応する音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃの構成要素は、それぞれ数字に付した文字をｂとｃに変更してある。なお、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃで対応する構成要素であっても機能が異なるものについては、個別に説明する。

各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、図４に示すように、機体２５ａ，２５ｂ，２５ｃに、制御装置２６ａ，２６ｂ，２６ｃを備え、制御装置２６ａ，２６ｂ，２６ｃに、予め設定された航走計画に応じたウェイポイントを記憶する記憶装置２７ａ，２７ｂ，２７ｃと、慣性航法装置２８ａ，２８ｂ，２８ｃと、航走目標位置設定装置２９ａ，２９ｂ，２９ｃと、推進および操舵装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃとが接続された構成を備えている。更に、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、機体２５ａ，２５ｂ，２５ｃの上部に上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃと音響トランスポンダ３２ａ，３２ｂ，３２ｃを備え、機体２５ａ，２５ｂ，２５ｃの下部に下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃと音響測位装置３４ａ，３４ｂ，３４ｃを備えた構成とされている。上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃと下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃと音響測位装置３４ａ，３４ｂ，３４ｃは、制御装置２６ａ，２６ｂ，２６ｃに接続されている。

各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃで受信するコマンドＣを、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃへ送り、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃから設定された信号強度で機体２５ａ，２５ｂ，２５ｃの下方に向けて送信する機能と、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃで受信するステータスＳを、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃへ送り、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃから設定された信号強度で機体２５ａ，２５ｂ，２５ｃの上方に向けて送信する機能を備えている。

更に、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃと下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃと音響測位装置３４ａ，３４ｂ，３４ｃには、音響スケジューリング装置３５ａ，３５ｂ，３５ｃが接続されている。この音響スケジューリング装置３５ａ，３５ｂ，３５ｃの機能については、前記した水中航走体２の音響スケジューリング装置１５および母船４の音響スケジューリング装置２４の機能と共に後述する。

慣性航法装置２８ａ，２８ｂ，２８ｃには、水中航走体２と同様の全地球航法衛星システム３６ａ，３６ｂ，３６ｃと、ドップラーベロシティログ３７ａ，３７ｂ，３７ｃが接続されている。

全地球航法衛星システム３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃが潜航前に水面に配置されているか、あるいは水面から引き上げられて母船４などに搭載されている状態のときに、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃの自機の位置と向きを取得するためのものである。

これにより、慣性航法装置２８ａ，２８ｂ，２８ｃでは、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃが潜航する前に全地球航法衛星システム３６ａ，３６ｂ，３６ｃで取得した位置と向きの情報を基に、慣性航法と、ドップラーベロシティログ３７ａ，３７ｂ，３７ｃによって取得する情報とを使用することで、潜航した各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃにおいて、自機の位置と向きと姿勢とを検出することができる。

ここで、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃのうち、音響通信中継機６ａの航走制御手法について説明する。この音響通信中継機６ａは、水中航走体２が航走する深度Ｄの直上の深度Ｄａに航走深度が設定されているものである。

音響通信中継機６ａの下部音響通信機３３ａは、自機の下方の最も近い位置を航走する航走体である水中航走体２の音響通信機３を通信対象としてコマンドＣの送信とステータスＳの受信とを行う機能を備えている。

音響測位装置３４ａは、呼出信号を発信してから、水中航走体２の音響トランスポンダ１４（図１、図２参照）が発する応答信号が受信されるまでの経過時間と、応答信号が到来する方向（角度）とを基に、音響通信中継機６ａを基準とする水中航走体２の相対位置を測位する機能を備えている。

航走目標位置設定装置２９ａは、記憶装置２７ａに記憶したウェイポイントで設定されている音響通信中継機６ａの航走計画と、現在時刻とから、音響通信中継機６ａの計画目標位置を求める機能を備え、更に、求めた計画目標位置を、水中航走体２の航走計画の遂行状況と、水中航走体２の測位位置とにより補正して、音響通信中継機６ａの水中航走体２に対する水平方向距離が設定された範囲内になるように、音響通信中継機６ａの航走目標位置を設定する機能を備えている。

制御装置２６ａは、航走目標位置設定装置２９ａで設定された航走目標位置に向けて音響通信中継機６ａを航走させるための指令を、推進および操舵装置３０ａに与える機能を備えている。

これにより、音響通信中継機６ａは、水中航走体２からの水平方向距離が前記所定の範囲内に収まるように水中航走体２に対する相対位置が常に保持され、この状態で、水中航走体２の移動に追従して移動することができる。

したがって、音響通信中継機６ａは、下部音響通信機３３ａを介して水中航走体２の音響通信機３との音響通信を常に行うことができる。

なお、航走目標位置設定装置２９ａは、音響測位装置３４ａによる水中航走体２の測位の一時的な途絶や、下部音響通信機３３ａを介した水中航走体２との音響通信の一時的な途絶が生じた場合、それらが途絶する直前での水中航走体２の航走計画の遂行状況と測位位置を基に、時間の経過に伴う水中航走体２の移動先を推定する機能と、その推定された水中航走体２の移動先を参照して、音響通信中継機６ａの航走目標位置を設定する機能を備えることが好ましい。このようにすれば、音響通信中継機６ａは、前記したような測位や音響通信の一時的な途絶が生じた場合であっても、水中航走体２に対し相対位置が大きく離れない追従航走を行うことができる。

次に、音響通信中継機６ａの航走する深度Ｄａの直上の深度Ｄｂに航走深度が設定された音響通信中継機６ｂの航走制御手法について説明する。

音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂは、自機の下方の最も近い位置を航走する航走体である音響通信中継機６ａの上部音響通信機３１ａを通信対象として、コマンドＣの送信とステータスＳの受信とを行う機能を備えている。なお、この下部音響通信機３３ｂを介して音響通信中継機６ａに向けて送信するコマンドＣは、水中航走体２を対象とするコマンドＣと、音響通信中継機６ａを対象とするコマンドＣを含んでいてよい。また、この下部音響通信機３３ｂを介して受信するステータスＳは、水中航走体２が発するステータスＳのほかに、音響通信中継機６ａの状態に関するステータスＳを含んでいてよい。なお、このステータスＳには、音響通信中継機６ａの航走計画の遂行状況が含まれるようにしてある。

音響測位装置３４ｂは、呼出信号を発信してから、音響通信中継機６ａに備えた音響トランスポンダ３２ａ（図１参照）が発する応答信号が受信されるまでの経過時間と、応答信号が到来する方向（角度）とを基に、音響通信中継機６ｂを基準とする音響通信中継機６ａの相対位置を測位する機能を備えている。

航走目標位置設定装置２９ｂは、記憶装置２７ｂに記憶したウェイポイントで設定されている音響通信中継機６ｂの航走計画と、現在時刻とから、音響通信中継機６ｂの計画目標位置を求める機能を備え、更に、求めた計画目標位置を、音響通信中継機６ａの航走計画の遂行状況と、音響通信中継機６ａの測位位置とにより補正して、音響通信中継機６ｂの音響通信中継機６ａに対する水平方向距離が設定された範囲内になるように、音響通信中継機６ｂの航走目標位置を設定する機能を備えている。

制御装置２６ｂは、航走目標位置設定装置２９ｂで設定された航走目標位置に向けて音響通信中継機６ｂを航走させるための指令を、推進および操舵装置３０ｂに与える機能を備えている。

これにより、音響通信中継機６ｂは、音響通信中継機６ａからの水平方向距離が前記所定の範囲内に収まるように音響通信中継機６ａに対する相対位置が常に保持され、この状態で、音響通信中継機６ａの移動に追従して移動することができる。

したがって、音響通信中継機６ｂは、下部音響通信機３３ｂを介して、音響通信中継機６ａの上部音響通信機３１ａとの音響通信を常に行うことができる。

なお、航走目標位置設定装置２９ｂは、音響測位装置３４ｂによる音響通信中継機６ａの測位の一時的な途絶や、下部音響通信機３３ｂを介した音響通信中継機６ａとの音響通信の一時的な途絶が生じた場合、それらが途絶する直前での音響通信中継機６ａの航走計画の遂行状況と測位位置を基に、時間の経過に伴う音響通信中継機６ａの移動先を推定する機能と、その推定された音響通信中継機６ａの移動先を参照して、音響通信中継機６ｂの航走目標位置を設定する機能を備えることが好ましい。このようにすれば、音響通信中継機６ｂは、前記したような測位や音響通信の一時的な途絶が生じた場合であっても、音響通信中継機６ａに対し相対位置が大きく離れない追従航走を行うことができる。

次いで、音響通信中継機６ｂの航走する深度Ｄｂの直上の深度Ｄｃに航走深度が設定された音響通信中継機６ｃの航走制御手法について説明する。

音響通信中継機６ｃの下部音響通信機３３ｃは、自機の下方の最も近い位置を航走する航走体である音響通信中継機６ｂの上部音響通信機３１ｂを通信対象として、コマンドＣの送信とステータスＳの受信とを行う機能を備えている。なお、この下部音響通信機３３ｃを介して音響通信中継機６ｂに向けて送信するコマンドＣは、水中航走体２を対象とするコマンドＣと、音響通信中継機６ａ，６ｂを対象とするコマンドＣを含んでいてよい。また、この下部音響通信機３３ｃを介して受信するステータスＳは、水中航走体２が発するステータスＳのほかに、音響通信中継機６ａ，６ｂの状態に関するステータスＳを含んでいてよい。なお、このステータスＳには、音響通信中継機６ｂの航走計画の遂行状況が含まれるようにしてある。

音響測位装置３４ｃは、呼出信号を発信してから、音響通信中継機６ｂに備えた音響トランスポンダ３２ｂ（図１参照）が発する応答信号が受信されるまでの経過時間と、応答信号が到来する方向（角度）とを基に、音響通信中継機６ｃを基準とする音響通信中継機６ｂの相対位置を測位する機能を備えている。

航走目標位置設定装置２９ｃは、記憶装置２７ｃに記憶したウェイポイントで設定されている音響通信中継機６ｃの航走計画と、現在時刻とから、音響通信中継機６ｃの計画目標位置を求める機能を備え、更に、求めた計画目標位置を、音響通信中継機６ｂの航走計画の遂行状況と、音響通信中継機６ｂの測位位置とにより補正して、音響通信中継機６ｃの音響通信中継機６ｂに対する水平方向距離が設定された範囲内になるように、音響通信中継機６ｃの航走目標位置を設定する機能を備えている。

制御装置２６ｃは、航走目標位置設定装置２９ｃで設定された航走目標位置に向けて音響通信中継機６ｃを航走させるための指令を、推進および操舵装置３０ｃに与える機能を備えている。

これにより、音響通信中継機６ｃは、音響通信中継機６ｂからの水平方向距離が前記所定の範囲内に収まるように音響通信中継機６ｂに対する相対位置が常に保持され、この状態で、音響通信中継機６ｂの移動に追従して移動することができる。

したがって、音響通信中継機６ｃは、下部音響通信機３３ｃを介して音響通信中継機６ｂの上部音響通信機３１ｂとの音響通信を常に行うことができる。

なお、航走目標位置設定装置２９ｃは、音響測位装置３４ｃによる音響通信中継機６ｂの測位の一時的な途絶や、下部音響通信機３３ｃを介した音響通信中継機６ｂとの音響通信の一時的な途絶が生じた場合、それらが途絶する直前での音響通信中継機６ｂの航走計画の遂行状況と測位位置を基に、時間の経過に伴う音響通信中継機６ｂの移動先を推定する機能と、その推定された音響通信中継機６ｂの移動先を参照して、音響通信中継機６ｃの航走目標位置を設定する機能を備えることが好ましい。このようにすれば、音響通信中継機６ｃは、前記したような測位や音響通信の一時的な途絶が生じた場合であっても、音響通信中継機６ｂに対し相対位置が大きく離れない追従航走を行うことができる。

図示しないが、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、航走経路に存在していて航走の障害となる障害物を検出する手段を備え、この障害物検出手段で検出された障害物を回避するように航走方向や速度を適宜制御する機能も、それぞれの制御装置２６ａ，２６ｂ，２６ｃに備えている。

次いで、水中航走体２、母船４、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃの各音響スケジューリング装置１５，２４，３５ａ，３５ｂ，３５ｃについて説明する。

各音響スケジューリング装置１５，２４，３５ａ，３５ｂ，３５ｃには、いずれも、時間を基準とする送受信計画が、たとえば、図５に示す送受信タイムチャートにより予め設定されている。

この送受信タイムチャートでは、水中航走体２と音響通信中継機６ａとの間、音響通信中継機６ａと音響通信中継機６ｂとの間、音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃとの間、音響通信中継機６ｃと母船４との間のそれぞれで、コマンドＣの通信と、音響測位Ｍと、ステータスＳの通信が一続きで順番に行われるようにしてある。

また、本実施形態における送受信タイムチャートでは、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃにて、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるコマンドＣの受信からステータスＳの送信までの処理と、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃによるコマンドＣの送信からステータスＳの受信までの処理とが、時間的に重ならずに実施されるよう設定されている。これにより、個々の音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃでは、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃで送受信される音響信号と、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃで送受信されるとの音響信号とが、同様の周波数であるとしても、相互の音響干渉を防止することができる。

なお、本実施形態では、上下に隣接して配置される水中航走体２と音響通信中継機６ａ、音響通信中継機６ａと音響通信中継機６ｂ、音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃ、音響通信中継機６ｃと母船４以外の組み合わせでは、Ｓ／Ｎ比の低下により音響通信が不能となるように設定されている。

そこで、図５に示す送受信タイムチャートでは、水中航走体２と音響通信中継機６ａとの間の音響通信と、音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃとの間の音響通信は同期して行い、また、音響通信中継機６ａと音響通信中継機６ｂとの間の音響通信と、音響通信中継機６ｃと母船４との間の音響通信は同期して行うように設定されている。

水中航走体２、母船４、および各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、航走を開始する前に、水中航走体２および各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃが水面Ｗに配置されている状態で、それぞれが有する時計（図示せず）を、全地球航法衛星システム１２，２３，３６ａ，３６ｂ，３６ｃなどのマスタークロックに対して基準時刻を合わせる処理を行う。

その後は、水中航走体２、母船４および各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、図５に示した送受信タイムチャートに従ったタイミングで、コマンドＣの通信、音響測位Ｍ、ステータスＳの通信を行うようにしてある。

本実施形態では、水中航走体２と母船４との間を３台の音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃを介して通信するようにしてある。そのため、コマンド通信時間をｔｃ、音響測位に要する測位通信時間をｔｍ、ステータス通信時間をｔｓとすると、水中航走体２と母船４との間でのコマンドＣおよびステータスＳの通信遅れは、３×（ｔｃ＋ｔｍ＋ｔｓ）となる。

また、本実施形態では、前記したように、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃで、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるコマンドＣの受信からステータスＳの送信までの処理の時間と、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃによるコマンドＣの送信からステータスＳの受信までの処理の時間が重ならないようにしてあるため、通信周期は２×（ｔｃ＋ｔｍ＋ｔｓ）となる。

なお、水中航走体２と各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは、潜水して水中での航走を開始すると、前記したような全地球航法衛星システム１２，２３，３６ａ，３６ｂ，３６ｃのマスタークロックに対する時刻合わせを実施することはできない。そのため、水中を航走している状態の水中航走体２と各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃでは、航走中に、時計のずれ、たとえば、１日の連続航走で１秒程度の時計のずれが生じる虞がある。

このような時計のずれへの対応としては、たとえば、コマンド通信時間ｔｃと測位通信時間ｔｍとステータス通信時間ｔｓについてのスケジュールを長めに設定してマージンを予め備えることで、前記時計のずれを補償するようにすればよい。

以上の構成としてある本実施形態の音響通信方法および音響通信システムによれば、母船４から発する水中航走体２に対するコマンドＣの信号は、音響通信中継機６ｃと音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ａにより順に中継して、水中航走体２へ送ることができる。

また、水中航走体２の発するステータスＳの信号は、音響通信中継機６ａと音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃにより順に中継して、母船４へ送ることができる。

このとき、実際に音響通信が行われるのは、上下に隣接して配置されている水中航走体２と音響通信中継機６ａとの間、音響通信中継機６ａと音響通信中継機６ｂとの間、音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃとの間、音響通信中継機６ｃと母船４との間となるので、それぞれの通信距離は、水中航走体２から母船４までの上下距離に比して１／４程度まで短くすることができる。

このため、本実施形態では、水中航走体２と音響通信中継機６ａとの間、音響通信中継機６ａと音響通信中継機６ｂとの間、音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ｃとの間、音響通信中継機６ｃと母船４との間の音響通信のそれぞれについて、コマンドＣの信号やステータスＳの信号についてＳ／Ｎ比を高く保持することができる。

したがって、本実施形態の音響通信方法および音響通信システムによれば、水中航走体２の音響通信機３と、水面Ｗに配置された母船４に備えた音響通信機５との間で、音響通信による情報の伝送速度の向上化を図ることができる。

更に、この伝送速度の向上化に伴い、本実施形態では、コマンドＣの通信やステータスＳの通信について、通信可能な情報量を増加させることができる。特に、コマンドＣの信号については、情報量が増えた分、信号に自己復元の冗長性をもたせることが可能になる。これにより、水中航走体２では、コマンドＣの受信の信頼性を向上することができる。

また、本実施形態によれば、たとえば、水中航走体２を深度１０００ｍ以上となるような大深度で航走させる場合であっても、水中航走体２から大容量のデータを母船４に送ることができる。このため、水中航走体２を用いて海底探査などの水中の情報収集を行うときに、より広範な情報やより詳細な情報を取得することができる。

［第２実施形態］
図６は、母船４と音響通信中継機６ｃとの間、音響通信中継機６ｃと音響通信中継機６ｂとの間、音響通信中継機６ｂと音響通信中継機６ａとの間、音響通信中継機６ａと水中航走体２との間で使用する音響信号の周波数帯域の例を示す概要図である。図７は音響スケジューリング装置で設定された送受信タイムチャートの他の例を示す図であり、図８は送受信タイムチャートの更に他の例を示す図である。

なお、図７、図８において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、図６に示すように、母船４の音響通信機５と音響通信中継機６ｃの上部音響通信機３１ｃで使用する音響信号３８ａの周波数帯域ＦＢ１と、音響通信中継機６ｃの下部音響通信機３３ｃと音響通信中継機６ｂの上部音響通信機３１ｂで使用する音響信号３８ｂの周波数帯域ＦＢ２と、音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂと音響通信中継機６ａの上部音響通信機３１ａで使用する音響信号３８ｃの周波数帯域ＦＢ３と、音響通信中継機６ａの下部音響通信機３３ａと水中航走体２の音響通信機３で使用する音響信号３８ｄの周波数帯域ＦＢ４とが、すべて異なるように設定されている。なお、音響信号３８ａの周波数帯域ＦＢ１と、音響信号３８ｂの周波数帯域ＦＢ２と、音響信号３８ｃの周波数帯域ＦＢ３と、音響信号３８ｄの周波数帯域ＦＢ４とがそれぞれ異なるようにしてあれば、各周波数帯域ＦＢ１，ＦＢ２，ＦＢ３，ＦＢ４は、周波数の高低に関する順序を自在に変更してもよい。

これにより、音響通信中継機６ｃでは、上部音響通信機３１ｃでの音響信号３８ａの送受信と、下部音響通信機３３ｃでの音響信号３８ｂの送受信との干渉を防止することができる。また、音響通信中継機６ｂでは、上部音響通信機３１ｂでの音響信号３８ｂの送受信と、下部音響通信機３３ｂでの音響信号３８ｃの送受信との干渉を防止することができる。同様に、音響通信中継機６ａでは、上部音響通信機３１ａでの音響信号３８ｃの送受信と、下部音響通信機３３ａでの音響信号３８ｄの送受信との干渉を防止することができる。

そこで、本実施形態では、水中航走体２の音響スケジューリング装置１５（図１、図２参照）、母船４の音響スケジューリング装置２４（図１、図３参照）、および、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃの音響スケジューリング装置３５ａ，３５ｂ，３５ｃに設定される送受信タイムチャートは、図７に示す如き送受信タイムチャート、または、図８に示す如き送受信タイムチャートとする。

図７に示す送受信タイムチャートは、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃにて、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるコマンドＣの受信と、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃによるコマンドＣの送信を同時に行い、また、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるステータスＳの送信と、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃによるステータスＳの受信を同時に行うようにしてある。

この送受信タイムチャートに従って水中航走体２と母船４との間を各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃで中継して音響通信を行う場合は、通信周期は、（ｔｃ＋ｔｍ＋ｔｓ）になる。

よって、この場合は、通信周期を第１実施形態に比して半分にすることができる。この場合、水中航走体２と母船４との間でのコマンドＣおよびステータスＳの通信遅れは、第１実施形態と同様に、３×（ｔｃ＋ｔｍ＋ｔｓ）となる。

次に、図８に示す送受信タイムチャートは、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃにて、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるコマンドＣの受信と、下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃによるステータスＳの受信を同時に行うようにしてある。また、このように上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃと下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃで受信を同時に行うことに伴い、上部音響通信機３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるステータスＳの送信に、部分的に重なるタイミングで下部音響通信機３３ａ，３３ｂ，３３ｃによるコマンドＣの送信が行われる。

この送受信タイムチャートに従って水中航走体２と母船４との間を各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃで中継して音響通信を行う場合は、通信周期は、図７に示した送受信タイムチャートと同様に、（ｔｃ＋ｔｍ＋ｔｓ）になるので、通信周期を第１実施形態に比して半分にすることができる。

更に、図８の送受信タイムチャートによれば、水中航走体２と母船４との間でのコマンドＣおよびステータスＳの通信遅れは、コマンド通信時間ｔｃ、測位通信時間ｔｍ、ステータス通信時間ｔｓのうちのいずれか一番長い時間に３を掛けた時間とすることができる。したがって、通信遅れは、３×ｔｃまたは３×ｔｍまたは３×ｔｓのいずれかになるので、第１実施形態や図７の送受信タイムチャートを用いる場合に比して、通信遅れを短縮することができる。

特に、図８の送受信タイムチャートを採用する場合は、コマンド通信時間ｔｃを短くする必要がないため、ステータス通信時間ｔｓと同じくらいになるまで通信量を増やすことができて、コマンドＣの信号の冗長化が容易となる。また、コマンドＣに、母船４の全地球航法衛星システム２３で求めた自機の位置情報を含めるようにすれば、潜航中の水中航走体２や各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃの時間経過に伴って生じる自機の位置検出の誤差を補正することも可能になる。

［応用例］
なお、水中航走体２の航走計画によっては、水中航走体２の航走する深度が、当初設定された深度Ｄよりも小さくなる場合がある。これは、たとえば、水中航走体２を用いて海底探査を行う際、水中航走体２に海底の隆起を越える航走を行わせるような場合である。

また、水中航走体２が航走経路上の障害物を上方へ回避する場合にも、水中航走体２の航走する深度が、当初設定された深度Ｄよりも小さくなる。

これらの場合には、水中航走体２と音響通信中継機６ｂとの上下距離が短くなるため、水中航走体２の音響通信機３から送信されたステータスＳの信号が、音響通信が不能になるまでのＳ／Ｎ比の低下が生じないうちに音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂまで到達する可能性が生じる。同様に、音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂから送信されたコマンドＣの信号が、音響通信が不能になるまでのＳ／Ｎ比の低下が生じないうちに水中航走体２の音響通信機３まで到達する可能性が生じる。

この場合は、水中航走体２の音響通信機３から送信するステータスＳの信号や、音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂから送信するコマンドＣの信号について、予め強度を低減させた状態で送信する制御を行うようにすればよい。このようにすれば、水中航走体２と音響通信中継機６ｂとの上下距離が短くなる場合であっても、水中航走体２の音響通信機３から送信するステータスＳの信号は、音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂに到達するまでの間に音響通信が不能になるまでＳ／Ｎ比の低下を生じさせることができる。よって、音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂでは、音響通信中継機６ａで中継されたステータスＳの信号のみを、音響通信が可能となるＳ／Ｎ比で受信できる。

また、音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂから送信するコマンドＣの信号は、水中航走体２の音響通信機３に到達するまでの間に音響通信が不能になるまでＳ／Ｎ比の低下を生じさせることができる。よって、水中航走体２の音響通信機３では、音響通信中継機６ａで中継されたコマンドＣの信号のみを、音響通信が可能となるＳ／Ｎ比で受信できる。

更に、前記のように水中航走体２の航走する深度が変化するときには、音響通信中継機６ａは、水中航走体２が航走するようになる深度と、音響通信中継機６ｂに設定された深度Ｄｂとの中間付近となる深度に移動する航走を行うように制御することが好ましい。このようにすれば、水中航走体２と音響通信中継機６ａとの上下距離が小さくなりすぎることを防止することができて、音響通信中継機６ｂの下部音響通信機３３ｂから送信するコマンドＣの信号について、音響通信中継機６ａの上部音響通信機３１ａには音響通信が可能となるＳ／Ｎ比で到達する一方、水中航走体２の音響通信機３には音響通信が不能になるＳ／Ｎ比で到達するようにするための信号強度の制御を行い易くすることができる。

なお、本発明は、前記各実施形態にのみ限定されるものではなく、水中航走体２、母船４、各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃの形状や、相対的なサイズは、図示するための便宜上のものであって、実際の形状や相対的なサイズを反映したものではない。

水面Ｗに配置される移動体の例として母船４を示したが、母船４に代えて、海上通信中継機であってもよい。海上通信中継機は、前記した母船４の備える機能に加えて、離れた母船とは無線通信または衛星通信により相互通信を行う通信機を備える構成とすればよい。

水中航走体２が航走する深度と水面Ｗとの上下距離や、使用する音響通信機で音響通信が可能な距離、良好な音響通信が可能な距離などの条件に応じて、水中航走体２と母船４との間で水中航走体２に順次協調航走させる音響通信中継機の数は、１機、２機または４機以上としてもよい。

この際、音響通信中継機の機数をｎとすると、図５または図７の送受信タイムチャートを使用する場合における水中航走体２と母船４との間でのコマンドＣおよびステータスＳの通信遅れは、ｎ×（ｔｃ＋ｔｍ＋ｔｓ）となる。また、図８の送受信タイムチャートを使用する場合における通信遅れは、ｎ×（ｔｃ、ｔｍ、ｔｓのうちのいずれか一番長い時間）になる。

母船４と各音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃに備える音響測位装置は、自機の下方の最も近い位置を航走する航走体である音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃや水中航走体２の測位を行うことができれば、音響トランスポンダ３２ａ，３２ｂ，３２ｃや音響トランスポンダ１４を使用しない形式の音響測位装置を採用してもよい。その場合は、音響通信中継機６ａ，６ｂ，６ｃは音響トランスポンダ３２ａ，３２ｂ，３２ｃを省略した構成としてもよく、水中航走体２は音響トランスポンダ１４を省略した構成としてもよい。

音響通信中継機は、自機の下方の最も近い位置を航走する航走体である水中航走体または別の音響通信中継機との音響通信が可能となる深度と、自機の上方の最も近い位置を航走する別の音響通信中継機または母船４との音響通信が可能となる深度との間で昇降する機能を備えるようにしてもよい。このようにすれば、たとえば、複数の音響通信中継機のうちのいずれかの音響通信中継機に音響通信の中継が不能となる支障が生じた場合であっても、他の音響通信中継機によるバックアップを行うことが可能になる。

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。

２ 水中航走体、３ 音響通信機、４ 母船（移動体）、５ 音響通信機、６ａ，６ｂ，６ｃ 音響通信中継機、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 上部音響通信機、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 下部音響通信機、Ｄ，Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ 深度、Ｗ 水面、Ｓ ステータス、Ｃ コマンド

Claims (4)

1. 上部音響通信機および下部音響通信機を備える音響通信中継機を、水中航走体が航走する深度と水面との間の単数または複数の深度で航走させ、
   前記水中航走体に備えた音響通信機と、水面を移動する移動体に備えた音響通信機との間で行う音響通信を、前記音響通信中継機により中継すること
   を特徴とする音響通信方法。
2. 前記音響通信中継機は、自機の下方の最も近い位置を航走する航走体である前記水中航走体または別の音響通信中継機に追従して航走し、
   前記移動体は、自機の下方の最も近い位置を航走する前記音響通信中継機に追従して航走する
   請求項１記載の音響通信方法。
3. 設定された深度を航走する水中航走体に備えた音響通信機と、
   水面を移動する移動体に備えた音響通信機と、
   上部音響通信機および下部音響通信機を備えて、前記水中航走体が航走する深度と水面との間の単数または複数の深度で航走する音響通信中継機とを備えること
   を特徴とする音響通信システム。
4. 機体に、上部音響通信機および下部音響通信機を備え、
   水中航走体が航走する深度と水面との間に設定された深度を航走する機能と、
   前記水中航走体が送信するステータスの信号を前記下部音響通信機で受信すると、該ステータスの信号を前記上部音響通信機から送信する機能と、
   前記水中航走体へのコマンドの信号を前記上部音響通信機で受信すると、該コマンドの信号を前記下部音響通信機から送信する機能とを備える
   ことを特徴とする音響通信中継機。

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