JP2023123041A

JP2023123041A - 測位装置

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Publication number: JP2023123041A
Application number: JP2022026873A
Authority: JP
Inventors: 智也津久井; Tomoya TSUKUI
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2023-09-05

Abstract

【課題】コストを抑制しつつ高い精度で水中航走体の位置を測定することができる測位装置を提供する。【解決手段】一態様の測位装置は、主航走体から第１水中航走体、第２水中航走体及び第３水中航走体までの距離をそれぞれ取得する距離取得部と、第１水中航走体及び第２水中航走体の位置情報を取得する計測部と、を備える。距離取得部は、第１水中航走体と第３水中航走体との間の音波の伝搬時間、及び、第２水中航走体と第３水中航走体との間の音波の伝搬時間に基づいて、第１水中航走体と第３水中航走体との間の距離、及び、第２水中航走体と第３水中航走体との間の距離を取得する。計測部は、主航走体、第１水中航走体及び第２水中航走体の位置情報、主航走体と第３水中航走体との間の距離、第１水中航走体と第３水中航走体との間の距離、及び、第２水中航走体と第３水中航走体との間の距離に基づいて、第３水中航走体の位置情報を取得する。【選択図】図２

Description

本開示は、複数の水中航走体の位置を測定する測位装置に関する。

水中を自律的に航行する水中航走体の位置を取得する技術が知られている。例えば、特許文献１には、母船の位置情報と、第１支援船の位置情報と、第２支援船の位置情報と、母船と潜水調査船との距離と、第１支援船と潜水調査船との距離と、第２支援船と潜水調査船との距離と、潜水調査船の深度データとに基づいて、潜水調査船の位置情報を算出する水中測位装置について記載されている。特許文献２には、複数の水中航走体の各々に搭載された慣性航法装置（Inertial Navigation System）を用いて各水中航走体の位置情報を測定するシステムについて記載されている。

特許文献３には、支援船から水中ロボットに質問信号を発信し、当該質問信号の発信から応答信号を受信するまでの時間と、受信素子間の位相差とに基づいて水中ロボットの位置を取得する測位システムについて記載されている。

特開平５－２２３９１６号公報特開２０２０－１７２１５０号公報特開２０１８－０８４４４５号公報

特許文献１に記載の発明では、潜水調査船の位置情報を算出するために、潜水調査船を運用する海域に母船、第１支援船及び第２支援船の３隻の船を常時配置することが必要となるので、運用コストが大きい。また、慣性航法装置は高価な機器であるので、特許文献２に記載のシステムのように、複数の水中航走体の各々に慣性航法装置を搭載することにはコスト面で課題がある。

一方、特許文献３に記載の発明では、慣性航法装置を用いずに、音響通信を利用して水中ロボットの位置を測定することで低コストな測位システムを実現している。しかしながら、音響通信を利用した測位システムでは、支援船から水中ロボットの距離が離れるにつれて受信素子間の位相差が小さくなるので、応答信号の到来方向を高精度で求めることが困難になる。その結果、水中ロボットの測位精度が低下する。

そこで、本開示は、コストを抑制しつつ高い精度で水中航走体の位置を測定することができる測位装置を提供することを目的とする。

一態様では、音響通信装置を備える主航走体に搭載され、第１水中航走体、第２水中航走体及び第３水中航走体を含む複数の水中航走体の位置を測定する測位装置が提供される。この測位装置は、主航走体の位置情報を取得する位置情報取得部と、音響通信装置を利用して音波を送受信する通信制御部と、第１水中航走体、第２水中航走体及び第３水中航走体から主航走体への音波の伝搬時間に基づいて、主航走体から第１水中航走体、第２水中航走体及び第３水中航走体までの距離をそれぞれ取得する距離取得部と、主航走体の位置情報と、主航走体から第１水中航走体及び第２水中航走体までの距離と、第１水中航走体及び第２水中航走体からの音波の到来方向とに基づいて、第１水中航走体及び第２水中航走体の位置情報を取得する計測部と、を備える。距離取得部は、第１水中航走体と第３水中航走体との間の音波の伝搬時間、及び、第２水中航走体と第３水中航走体との間の音波の伝搬時間に基づいて、第１水中航走体と第３水中航走体との間の距離、及び、第２水中航走体と第３水中航走体との間の距離を更に取得する。計測部は、主航走体、第１水中航走体及び第２水中航走体の位置情報、主航走体と第３水中航走体との間の距離、第１水中航走体と第３水中航走体との間の距離、及び、第２水中航走体と第３水中航走体との間の距離に基づいて、第３水中航走体の位置情報を更に取得する。

本態様の測位装置は、音波の送受信によって複数の水中航走体の位置情報を取得しているので、各水中航走体に慣性航法装置といった高価な機器を搭載せずに、複数の水中航走体の位置情報を測定することができる。また、この測位装置では、第３水中航走体からの音波の到来方向に代えて、主航走体、第１水中航走体及び第２水中航走体の位置情報、主航走体と第３水中航走体との間の距離、第１水中航走体と第３水中航走体との間の距離、及び、第２水中航走体と第３水中航走体との間の距離に基づいて、第３水中航走体の位置情報を取得しているので、第３水中航走体が主航走体から離れて位置する場合であっても、高い精度で第３水中航走体の位置情報を取得することができる。

一実施形態では、通信制御部は、第３水中航走体から該第３水中航走体の深度情報を取得し、計測部は、取得した第３水中航走体の深度情報を更に用いて第３水中航走体の位置情報を取得してもよい。第３水中航走体の深度情報を更に用いて第３水中航走体の位置情報を取得することにより、第３水中航走体の位置情報をより高い精度で測定することができる。

一実施形態では、複数の水中航走体は、第４水中航走体を更に含み、距離取得部は、第４水中航走体から主航走体への音波の伝搬時間に基づいて、主航走体から第４水中航走体までの距離を取得すると共に、第４水中航走体と第３水中航走体との間の音波の伝搬時間に基づいて、第４水中航走体と第３水中航走体との間の距離を更に取得し、計測部は、主航走体の位置情報と、主航走体から第４水中航走体までの距離と、第４水中航走体からの音波の到来方向とに基づいて、第４水中航走体の位置情報を取得すると共に、主航走体、第１水中航走体、第２水中航走体及び第４水中航走体の位置情報、主航走体と第３水中航走体との間の距離、第１水中航走体と第３水中航走体との間の距離、第２水中航走体と第３水中航走体との間の距離、及び、第４水中航走体と第３水中航走体との間の距離に基づいて、第３水中航走体の位置情報を取得してもよい。本実施形態では、第４水中航走体の位置情報及び第４水中航走体と第３水中航走体との間の距離を更に用いることにより、第３水中航走体の位置情報をより高い精度で取得することができる。

一実施形態では、通信制御部は、複数の質問信号を複数の水中航走体に送信すると共に、複数の質問信号に対応する複数の応答信号を複数の水中航走体から受信し、距離取得部は、複数の質問信号の送信時刻と複数の応答信号の受信時刻との時間差の平均値に基づいて、主航走体から複数の水中航走体までの距離をそれぞれ取得してもよい。複数の質問信号の送信時刻と複数の応答信号の受信時刻と時間差の平均値を用いることにより、主航走体から複数の水中航走体までの距離をより高い精度で測定することができる。

本発明の一態様及び種々の実施形態によれば、コストを抑制しつつ高い精度で水中航走体の位置を測定することができる。

一実施形態に係る測位システムの概略的な構成を示す図である。親ＡＵＶ及び子ＡＵＶの機能的構成を表すブロック図である。測位装置の動作の一例を示すシーケンス図である。別の実施形態に係る測位システムの概略的な構成を示す図である。親ＡＵＶと複数の子ＡＵＶとの間で音響信号が送受信されるタイミングを示す図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面は、理解の容易化のため、一部を簡略化又は誇張して描いている場合があり、寸法及び角度等は図面に記載のものに限定されない。

一実施形態に係る測位装置を含む測位システムについて説明する。図１は、測位システム１の概略的な構成を示している。測位システム１は、水中を自律的に航行する複数の水中航走体の位置情報を取得する。測位システム１は、少なくとも一つの親ＡＵＶ（Autonomous Underwater Vehicle）２と、複数の子ＡＵＶ３を備えている。図１に示す例では、測位システム１は、複数の子ＡＵＶ３として、３機の子ＡＵＶ３Ａ（第１水中航走体），３Ｂ（第２水中航走体），３Ｃ（第３水中航走体）を含んでいる。以下の説明では、区別する必要がない場合には、３機の子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃを総称して子ＡＵＶ３ということがある。親ＡＵＶ２及び複数の子ＡＵＶ３は、資源探査又は地質調査等、海底探査を行う水中航走体である。親ＡＵＶ２及び複数の子ＡＵＶ３は、ソナー等の各種センサを利用して水中を自律航走し、協働して探査を行う。

［親ＡＵＶ２の機能的構成］
親ＡＵＶ２は、複数の子ＡＵＶ３の位置情報を取得する機能を有する測位装置を搭載する主航走体である。図２は、親ＡＵＶ２及び子ＡＵＶ３の機能的構成を表すブロック図である。図２に示すように、親ＡＵＶ２は、音響通信装置１１、慣性航法装置（ＩＮＳ）１２、センサ１３、制御装置１４、航走装置１５及び測位装置１６を備えている。

音響通信装置１１は、音響通信によって複数の子ＡＵＶ３と情報を送受信する機能を有する。音響通信装置１１は、水中に音波を送信する発信装置１１ａと、音波を受信する受信装置１１ｂとを含む。受信装置１１ｂは、音波を受信する複数の受信素子を含んでいる。例えば、受信装置１１ｂは、三軸方向に複数の受信素子がアレイ状に配列された受信器アレイであってもよい。

慣性航法装置１２は、加速度センサ及びジャイロセンサを含み、三軸周りの角速度を計測する。慣性航法装置１２は、ジャイロセンサによって計測された親ＡＵＶ２の三軸周りの角速度から、親ＡＵＶ２のピッチ角、ヨー角及びロール角を取得する。また、慣性航法装置１２は、加速度センサによって計測された三軸方向の加速度情報を二回積分して、親ＡＵＶ２の位置情報を算出する。慣性航法装置１２は、計測した親ＡＵＶ２の位置情報を測位装置１６に出力する。

センサ１３は、親ＡＵＶ２の周囲の環境を検出する。例えば、センサ１３としては、音波で周囲の物体を検出するソナーが利用される。センサ１３は、親ＡＵＶ２の周囲の環境に関する情報を検出し、検出した情報を制御装置１４に出力する。

制御装置１４は、親ＡＵＶ２の各種装置を制御する。制御装置１４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されており、所定の機能を実現するためのコンピュータプログラムがＲＯＭなどに記憶されている。そして、ＣＰＵやＲＡＭ上に上記のコンピュータプログラムを読み込ませ、ＣＰＵの制御の下で動作させることで、各種機能が実現される。制御装置１４は、例えば、慣性航法装置１２によって計測された親ＡＵＶ２の位置情報に基づいて、予め定められた目標経路に沿って親ＡＵＶ２が航走するように航走装置１５を制御する。

航走装置１５は、例えば推進器及び操舵機構を含む。航走装置１５は、制御装置１４からの制御信号を受けて動作し、親ＡＵＶ２の速度、進行方向及び姿勢等を調整する。

測位装置１６は、複数の子ＡＵＶ３の位置情報を取得する機能を有する。測位装置１６は、例えばＳＢＬ（Short Base Line）方式又はＳＳＢＬ（Super Short Base Line）方式の測位装置である。

測位装置１６は、複数の子ＡＵＶ３の位置情報を取得する。図２に示すように、測位装置１６は、通信制御部２１、位置情報取得部２２、距離取得部２３及び計測部２４を備えている。通信制御部２１は、音響通信装置１１の動作を制御する。例えば、通信制御部２１は、発信装置１１ａから水中に質問信号を発信するように音響通信装置１１を制御する。発信された質問信号に対して複数の子ＡＵＶ３から応答信号が返信されると、音響通信装置１１の受信装置１１ｂが当該応答信号を受信する。通信制御部２１は、受信した応答信号を取得する。位置情報取得部２２は、慣性航法装置１２によって計測された親ＡＵＶ２の位置情報を取得する。

距離取得部２３は、親ＡＵＶ２及び複数の子ＡＵＶ３の相互の距離を測定する。例えば、距離取得部２３は、複数の子ＡＵＶ３から親ＡＵＶ２への音波の伝搬時間に基づいて、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３Ａとの間の距離Ｒ_１、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３Ｂとの間の距離Ｒ_２、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３Ｃとの間の距離Ｒ_３を取得する（図１参照）。さらに、距離取得部２３は、複数の子ＡＵＶ３間の音波の伝搬時間に基づいて、子ＡＵＶ３Ａと子ＡＵＶ３Ｃとの間の距離Ｒ_３１、及び、子ＡＵＶ３Ｂと子ＡＵＶ３Ｃとの間の距離Ｒ_３２を取得する。

計測部２４は、複数の子ＡＵＶ３の位置情報を計測する。例えば、計測部２４は、受信装置１１ｂの複数の受信素子で受信された音波の位相差から音波の到来方向を特定する。そして、計測部２４は、親ＡＵＶ２の位置情報と、親ＡＵＶ２と複数の子ＡＵＶ３との間の距離と、複数の子ＡＵＶ３からの音波の到来方向とに基づいて、複数の子ＡＵＶ３の位置情報を計測する。

［子ＡＵＶ３の機能的構成］
上記のように、親ＡＵＶ２が慣性航法装置１２を備えているのに対し、子ＡＵＶ３は、慣性航法装置を備えておらず自機の位置情報を自ら取得する機能を有していない。すなわち、子ＡＵＶ３は、親ＡＵＶ２に比べて機能が限定された低コストの水中航走体である。図２に示すように、子ＡＵＶ３は、音響通信装置３１、深度計３２、センサ３３、制御装置３４及び航走装置３５を備えている。

音響通信装置３１は、水中に音波を送信する発信装置３１ａと、音波を受信する受信装置３１ｂとを含んでいる。音響通信装置３１は、例えばトランスポンダである。例えば、親ＡＵＶ２から質問信号が発信され、音響通信装置３１の受信装置３１ｂによって当該質問信号が受信されると、発信装置３１ａは応答信号を親ＡＵＶ２に送信する。

深度計３２は、子ＡＵＶ３の深度を計測する。子ＡＵＶ３によって計測された深度を示す深度情報は、音響通信装置３１を介して親ＡＵＶ２に送信される。センサ３３は、子ＡＵＶ３の周囲の環境を検出する。例えば、センサ３３としては、音波で周囲の物体を検出するソナーが利用される。センサ３３は、子ＡＵＶ３の周囲の環境に関する情報を検出し、検出した情報を制御装置３４に出力する。

制御装置３４は、子ＡＵＶ３の各種装置を制御する。制御装置３４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されており、所定の機能を実現するためのコンピュータプログラムがＲＯＭなどに記憶されている。そして、ＣＰＵやＲＡＭ上に上記のコンピュータプログラムを読み込ませ、ＣＰＵの制御の下で動作させることで、各種機能が実現される。例えば、制御装置３４は、深度計３２によって計測された子ＡＵＶ３の深度情報を親ＡＵＶ２に送信する。また、制御装置３４は、他の子ＡＵＶ３から応答信号を受信したときに、自機と当該他の子ＡＵＶ３との間の音波の伝搬時間に関する情報を含む確認信号を親ＡＵＶ２に送信する。

さらに、制御装置３４は、例えば子ＡＵＶ３の位置情報に基づいて、予め定められた目標経路に沿って子ＡＵＶ３が航走するように航走装置３５を制御する。航走装置３５は、例えば推進器及び操舵機構を含む。航走装置３５は、制御装置３４からの制御信号を受けて動作し、子ＡＵＶ３の進行速度、進行方向及び姿勢等を調整する。

［測位装置１６の動作］
次に、一実施形態に係る測位方法について説明すると共に、測位装置１６の動作について詳細に説明する。図３は、測位装置１６の動作の一例を示すシーケンス図である。以下、図１及び図３を参照して、３機の水中航走体である子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの位置情報を測定する例について説明する。

図３に示すように、まず親ＡＵＶ２に搭載された測位装置１６の位置情報取得部２２は、慣性航法装置１２によって計測された親ＡＵＶ２の位置情報（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）を取得する（ステップＳＴ１）。また、通信制御部２１は、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃによって深度情報が送信されると（ステップＳＴ２）、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの深度情報を受信する。

次に、通信制御部２１は、音響通信装置１１を制御して質問信号１０１を発信する（ステップＳＴ３）。質問信号１０１は、水中を伝搬して子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの音響通信装置３１に受信される（ステップＳＴ４）。質問信号１０１を受信すると、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの音響通信装置３１は、応答信号１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃをそれぞれ発信する（ステップＳＴ５）。

子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃから送信された応答信号１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃは、親ＡＵＶ２に受信される（ステップＳＴ６）。また、子ＡＵＶ３Ｃから送信された応答信号１０２Ｃは、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂにも受信される（ステップＳＴ７）。子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂの音響通信装置３１は、子ＡＵＶ３Ｃから応答信号１０２Ｃを受信すると、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂと子ＡＵＶ３Ｃとの間の音波の伝搬時間に関する情報を含む確認信号１０３Ａ，１０３Ｂをそれぞれ発信する（ステップＳＴ８）。例えば、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂと子ＡＵＶ３Ｃとの間の音波の伝搬時間に関する情報は、例えば親ＡＵＶ２が質問信号１０１を発信してから、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂが子ＡＵＶ３Ｃから応答信号１０２Ｃを受信するまでの時間を示す情報であってもよい。子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂから送信された確認信号１０３Ａ，１０３Ｂは、親ＡＵＶ２に受信される（ステップＳＴ９）。

次に、測位装置１６の距離取得部２３は、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃから親ＡＵＶ２への音波の伝搬時間に基づいて、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３Ａとの距離Ｒ_１、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３Ｂとの距離Ｒ_２、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３Ｃとの距離Ｒ_３をそれぞれ計測する（ステップＳＴ１０）。

例えば、質問信号１０１の発信から応答信号１０２Ａの受信までの時間をｔ_１とし、質問信号１０１の発信から応答信号１０２Ｂの受信までの時間をｔ_２とし、質問信号１０１の発信から応答信号１０２Ｃの受信までの時間をｔ_３とした場合には、距離Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３は、式（１）により算出される。なお、式（１）中のｃは、音速を表している。測位装置１６の距離取得部２３は、式（１）に従って、距離Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３を取得する。

次に、距離取得部２３は、子ＡＵＶ３Ａと子ＡＵＶ３Ｃとの間の音波の伝搬時間、及び、子ＡＵＶ３Ｂと子ＡＵＶ３Ｃとの間の音波の伝搬時間に基づいて、子ＡＵＶ３Ａと子ＡＵＶ３Ｃとの距離Ｒ_３１、及び、子ＡＵＶ３Ｂと子ＡＵＶ３Ｃとの距離Ｒ_３２をそれぞれ取得する（ステップＳＴ１１）。

例えば、親ＡＵＶ２が質問信号１０１を発信してから子ＡＵＶ３Ａが子ＡＵＶ３Ｃから応答信号１０２Ｃを受信するまでの時間をｔ_４とし、親ＡＵＶ２が質問信号１０１を発信してから子ＡＵＶ３Ａが子ＡＵＶ３Ｃから応答信号１０２Ｃを受信するまでの時間をｔ_５とした場合には、距離Ｒ_３１，Ｒ_３２は、それぞれ式（２）により算出される。測位装置１６の距離取得部２３は、例えば確認信号１０３Ａ，１０３Ｂに含まれる時間ｔ_４，ｔ_５、及び、ステップＳＴ１０で算出されたＲ_３を式（２）に代入して距離Ｒ_３１，Ｒ_３２を取得する。

次に、計測部２４は、受信装置１１ｂの複数の受信素子で受信された音波の位相差に基づいて、応答信号１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃの到来方向を特定する。そして、計測部２４は、特定した応答信号１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃの到来方向から子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの方位角θ_１，θ_２，θ_３、及び、仰角φ_１，φ_２，φ_３をそれぞれ取得する（ステップＳＴ１２）。

次に、計測部２４は、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃのうち親ＡＵＶ２から最も距離が離れている子ＡＵＶ３を特定する（ステップＳＴ１３）。ここでは、図１に示すように、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃのうち子ＡＵＶ３Ｃが親ＡＵＶ２から最も離れているとする。音響通信を用いて子ＡＵＶ３の位置を測定する場合には、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３との距離が離れるにつれて受信装置１１ｂの複数の受信素子間で観測される音波の位相差が小さくなるので、音波の到来方向の計測精度が低下する。したがって、この例では、親ＡＵＶ２から最も離れている子ＡＵＶ３Ｃについて計測された方位角θ_３及び仰角φ_３は、計測精度が低いデータである。

一方、親ＡＵＶ２に近い子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂについて計測された方位角θ_１，θ_２及び仰角φ_１，φ_２は、相対的に計測精度が高いデータである。そこで、親ＡＵＶ２の計測部２４は、親ＡＵＶ２の位置情報（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）と、親ＡＵＶ２から子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂまでの距離Ｒ_１，Ｒ_２と、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂの方位角θ_１，θ_２及び仰角φ_１，φ_２とに基づいて、子ＡＵＶ３Ａの位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、及び、子ＡＵＶ３Ｂの位置情報（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）を計測する（ステップＳＴ１４）。子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂの位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）は、例えば親ＡＵＶ２の位置情報（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）を基準として、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂの３次元極座標系の位置情報（ｒ_１，θ_１，φ_１）、（ｒ_２，θ_２，φ_２）を３次元直交座標に変換することにより取得される。

次に、計測部２４は、親ＡＵＶ２の位置情報（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）と、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂの位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）と、距離取得部２３によって取得された距離Ｒ_３，Ｒ_３１，Ｒ_３２とに基づいて、子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を算出する（ステップＳＴ１５）。

子ＡＵＶ３Ｃは、親ＡＵＶ２を中心とする半径Ｒ_３の球面、子ＡＵＶ３Ａを中心とする半径Ｒ_３１の球面、及び、子ＡＵＶ３Ｂを中心とする半径Ｒ_３２の球面が重なる交点上にいる。なお、３つの球面が重なる交点は、２つ存在する。そこで、例えば子ＡＵＶ３Ｃの深度情報を用いて、２つの交点のうち一方の交点を除外することにより、子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）が求められる。なお、子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）の算出には、必ずしも子ＡＵＶ３Ｃの深度情報を用いなくてもよい。例えば、子ＡＵＶ３Ｃは、目標経路に沿って航走するので、子ＡＵＶ３Ｃの大凡の位置は推測できる場合がある。そこで、２つの交点の一方の位置が、推測される位置から大きく外れる場合には、その交点を除外して子ＡＵＶ３Ｃの位置を特定してもよい。また、一方の交点の位置が、水面Ｓの上方や海底Ｂの下方のように非現実的な位置である場合にも、その交点を除外することができる（図１参照）。

子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を算出する方法をより詳細に説明する。位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）との関係では、距離Ｒ_３，Ｒ_３１，Ｒ_３２は、式（３）のように表される。

したがって、Ｒ_３ ^２－Ｒ_３１ ^２及びＲ_３１ ^２－Ｒ_３２ ^２は、下記式（４）のように表される。

そして、ｘ_３，ｙ_３に関して式（４）を整理して行列表示すると、式（５）のように表現される。

式（５）を整理すると、式（６）のように表される。

式（６）に示すｘ_３，ｙ_３を式（３）に代入して、ｚ_３に関する方程式を解くことにより、位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）が求められる。このとき、方程式の解は２点存在するが、上述のように、子ＡＵＶ３Ｃの深度情報を用いることにより、一方の解を除外して位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を特定することができる。なお、子ＡＵＶ３Ｃの深度情報を用いずに、２点の解のうち、現実的ではない解を除外して子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を特定してもよい。この場合には、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、深度計３２を備えていなくてもよい。

計測部２４は、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）、（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を算出すると、これらの位置情報を子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに送信する（ステップＳＴ１６）。子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、親ＡＵＶ２から位置情報を受信して（ステップＳＴ１７）、当該位置情報に基づいて海底調査を行う。

以上説明したように、一実施形態の測位装置１６では、音響通信によって子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの位置情報を取得しているので、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに慣性航法装置等の高価な機器を搭載することなく、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの位置情報を測定することができる。したがって、測位システム１の低コスト化を図ることができる。また、この測位装置１６では、子ＡＵＶ３Ｃからの応答信号１０２Ｃの到来方向に代えて、親ＡＵＶ２の位置情報（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）と、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂの位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）と、距離取得部２３によって算出された距離Ｒ_３，Ｒ_３１，Ｒ_３２とに基づいて、子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を算出している。したがって、子ＡＵＶ３Ｃが親ＡＵＶ２から離れて位置する場合であっても、子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を高い精度で計測することができる。

［変形例］
上述した実施形態では、測位装置１６は、３機の子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの位置情報を計測しているが、測位装置１６は、４機以上の子ＡＵＶ３の位置情報を計測してもよい。例えば、図４に示す測位システム１は、親ＡＵＶ２及び子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに加えて子ＡＵＶ３Ｄ（第４水中航走体）を備えている。図４に示す例では、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄのうち子ＡＵＶ３Ｃが親ＡＵＶ２から最も離れているものとする。

図４に示す実施形態では、測位装置１６の距離取得部２３は、質問信号１０１に対応する子ＡＵＶ３Ｄからの応答信号１０２Ｄの伝搬時間に基づいて、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３Ｄとの距離Ｒ_４を更に取得する。計測部２４は、応答信号１０２Ｄの到来方向から子ＡＵＶ３Ｄの方位角θ_４、及び、仰角φ_４を更に取得する。そして、計測部２４は、親ＡＵＶ２から子ＡＵＶ３Ｄまでの距離Ｒ_４と、子ＡＵＶ３Ｄの方位角θ_４及び仰角φ_４とに基づいて、子ＡＵＶ３Ｄの位置情報（ｘ_４，ｙ_４，ｚ_４）を更に算出する。

子ＡＵＶ３Ｄは、子ＡＵＶ３Ｃから応答信号１０２Ｃを受信すると、親ＡＵＶ２が質問信号１０１を送信してから子ＡＵＶ３Ｄが応答信号１０２Ｃを受信するまでの時間に関する情報を含む確認信号１０３Ｄを発信する。子ＡＵＶ３Ｄから送信された確認信号１０３Ｄは、親ＡＵＶ２によって受信される。距離取得部２３は、子ＡＵＶ３Ｃと子ＡＵＶ３Ｄとの間の音波の伝搬時間に基づいて、子ＡＵＶ３Ｃと子ＡＵＶ３Ｄとの距離Ｒ_３４を更に取得する。

そして、計測部２４は、親ＡＵＶ２の位置情報（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）と、子ＡＵＶ３Ａ，３Ｂ，３Ｄの位置情報（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）、（ｘ_４，ｙ_４，ｚ_４）と、距離取得部２３によって算出された距離Ｒ_３，Ｒ_３１，Ｒ_３２，Ｒ_３４とに基づいて、子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を算出する。

子ＡＵＶ３Ｃは、親ＡＵＶ２を中心とする半径Ｒ_３の球面、子ＡＵＶ３Ａを中心とする半径Ｒ_３１の球面、子ＡＵＶ３Ｂを中心とする半径Ｒ_３２の球面、及び、子ＡＵＶ３Ｄを中心とする半径Ｒ_３４の球面の４つの球面が重なる交点上にいる。４つの球面が重なる交点は１点のみであるので、この実施形態では、子ＡＵＶ３Ｃの深度情報を用いることなく子ＡＵＶ３Ｃの位置情報（ｘ_３，ｙ_３，ｚ_３）を求めることができる。

以上、種々の実施形態に係る測位装置について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形態様を構成可能である。

例えば、測位装置１６の通信制御部２１は、音響通信装置１１の発信装置１１ａから複数の質問信号を発信させてもよい。例えば図５に示すように、通信制御部２１は、自己相関が高く相互相関の低い複数の質問信号２０１，２０２，２０３，２０４を発信する。自己相関が高く相互相関の低い信号としては、例えばゴールド系列の信号が利用される。ゴールド系列の信号を利用することにより、子ＡＵＶ３が、複数の質問信号２０１，２０２，２０３，２０４を分離して受信することができる。

子ＡＵＶ３は、複数の質問信号２０１，２０２，２０３，２０４を受信すると、これら複数の質問信号２０１，２０２，２０３，２０４に対応する複数の応答信号２１１，２１２，２１３，２１４を送信する。測位装置１６の距離取得部２３は、複数の応答信号２１１，２１２，２１３，２１４を受信すると、複数の質問信号２０１，２０２，２０３，２０４の送信時刻と、複数の応答信号２１１，２１２，２１３，２１４の受信時刻との時間差をそれぞれ求め、求められた複数の時間差の平均値を算出する。そして、距離取得部２３は、算出された複数の時間差の平均値に基づいて、親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３との間の距離を計測する。時間差の平均値を用いて親ＡＵＶ２と子ＡＵＶ３との間の距離を算出することにより、親ＡＵＶ２及び複数の子ＡＵＶ３の間の距離の計測精度を高めることができる。

なお、上記実施形態では、測位装置１６が水中航走体である親ＡＵＶ２に搭載されているが、測位装置１６は、船舶等の水上航走体に搭載されていてもよい。この場合には、ＧＰＳ受信機を用いて水上航走体の位置情報を測定してもよい。上述した種々の実施形態は、矛盾のない範囲で組み合わせることが可能である。

１測位システム
２親ＡＵＶ（主航走体）
３Ａ子ＡＵＶ（第１水中航走体）
３Ｂ子ＡＵＶ（第２水中航走体）
３Ｃ子ＡＵＶ（第３水中航走体）
３Ｄ子ＡＵＶ（第４水中航走体）
１１音響通信装置
１６測位装置
２１通信制御部
２２位置情報取得部
２３距離取得部
２４計測部

Claims

音響通信装置を備える主航走体に搭載され、第１水中航走体、第２水中航走体及び第３水中航走体を含む複数の水中航走体の位置を測定する測位装置であって、
前記主航走体の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記音響通信装置を利用して音波を送受信する通信制御部と、
前記第１水中航走体、前記第２水中航走体及び第３水中航走体から前記主航走体への音波の伝搬時間に基づいて、前記主航走体から前記第１水中航走体、前記第２水中航走体及び第３水中航走体までの距離をそれぞれ取得する距離取得部と、
前記主航走体の位置情報と、前記主航走体から前記第１水中航走体及び前記第２水中航走体までの距離と、前記第１水中航走体及び前記第２水中航走体からの音波の到来方向とに基づいて、前記第１水中航走体及び前記第２水中航走体の位置情報を取得する計測部と、
を備え、
前記距離取得部は、前記第１水中航走体と前記第３水中航走体との間の音波の伝搬時間、及び、前記第２水中航走体と前記第３水中航走体との間の音波の伝搬時間に基づいて、前記第１水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離、及び、前記第２水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離を更に取得し、
前記計測部は、前記主航走体、第１水中航走体及び前記第２水中航走体の位置情報、前記主航走体と第３水中航走体との間の距離、前記第１水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離、及び、前記第２水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離に基づいて、前記第３水中航走体の位置情報を更に取得する、測位装置。
前記通信制御部は、前記第３水中航走体から該第３水中航走体の深度情報を取得し、
前記計測部は、取得した前記第３水中航走体の深度情報を更に用いて前記第３水中航走体の位置情報を取得する、請求項１に記載の測位装置。
前記複数の水中航走体は、第４水中航走体を更に含み、
前記距離取得部は、前記第４水中航走体から前記主航走体への音波の伝搬時間に基づいて、前記主航走体から前記第４水中航走体までの距離を取得すると共に、前記第４水中航走体と前記第３水中航走体との間の音波の伝搬時間に基づいて、前記第４水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離を更に取得し、
前記計測部は、前記主航走体の位置情報と、前記主航走体から前記第４水中航走体までの距離と、前記第４水中航走体からの音波の到来方向とに基づいて、前記第４水中航走体の位置情報を取得すると共に、前記主航走体、第１水中航走体、前記第２水中航走体及び第４水中航走体の位置情報、前記主航走体と第３水中航走体との間の距離、前記第１水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離、前記第２水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離、及び、前記第４水中航走体と前記第３水中航走体との間の距離に基づいて、前記第３水中航走体の位置情報を取得する、請求項１に記載の測位装置。
前記通信制御部は、複数の質問信号を前記複数の水中航走体に送信すると共に、前記複数の質問信号に対応する複数の応答信号を前記複数の水中航走体から受信し、
前記距離取得部は、前記複数の質問信号の送信時刻と前記複数の応答信号の受信時刻との時間差の平均値に基づいて、前記主航走体から前記複数の水中航走体までの距離をそれぞれ取得する、請求項１～３の何れか一項に記載の測位装置。