JP3615737B2 - 水中における移動体の位置検知システム及びその方法 - Google Patents
水中における移動体の位置検知システム及びその方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中における移動体の位置検知システムに関し、特に、移動体の３次元位置を検知するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、潜水艇のような水中（海中を含む）を移動する移動体の位置を決定する方法として、慣性航法システムやドップラーソナー航法システムのような推測航法装置を用いる方法がある。これは、例えば、潜水艇が海面又は海面に近い位置にいるときにＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等による無線情報で位置リセットをしておき、その後の移動量をジャイロコンパス等の慣性を用いた計測によって特定し、潜水艇の位置を決定するというものである。
【０００３】
しかしながら、このような推測航法装置による方法は、時間とともに誤差が蓄積され、位置精度が劣化していくために、適当な頻度で位置リセットをすることが必要とされる。ところが、無線電波は海中では著しく減衰するために、移動体（潜水艇）は位置リセットのたびに、多大な時間とエネルギーを費やして深い海中から海面まで浮上しなければならない。
そのために、潜水艇が海面に浮上することなく、海中にいたまま、自分の位置を特定する技術が必要とされる。
【０００４】
その従来技術の１つとして、海底に設置された複数の音響トランスポンダからの信号に基づいて、三角測量の原理により、潜水艇の位置を決定する方法がある。しかしながら、この方法では、潜水艇の３次元位置を決定するために、正確な位置が判明している海底の所定位置に３つのトランスポンダが設置されていることが必要とされる。つまり、少なくとも３つのトランスポンダを深い海の底に設置したり、海底の正確な位置を特定し、その位置に各トランスポンダを設置するという時間のかかる作業が必要とされる。
【０００５】
また、潜水艇の位置を決定する他の従来技術として、特開平６−３２３８６５号公報に記載された「磁気マーカーを用いる潜水艇の位置決定装置」がある。これは、海底に永久磁石等の磁気マーカーを設置しておき、潜水艇に設けられた３次元方向の磁気を検知する磁力計によって、磁気マーカーに対する潜水艇の相対位置を決定するものである。
【０００６】
しかしながら、この方法では、３次元方向の磁界を高精度に検知する磁力計が必要とされる。つまり、潜水艇が発生する磁気ノイズの影響を排除することが必要とされ、潜水艇の内部に設けられた磁力計では正確な位置決定が困難となる。そのために、この位置決定装置では、潜水艇の艇体から外に延びるブームを設け、そのブームの端部にサーチコイル等を取り付けることで精度を向上しようとしているが、このようなブームは、潜水艇の艇体から大きく突起するために、航行の妨げとなり、他の物体と衝突してしまう危険性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、海底の複数の所定位置にトランスポンダ等を設置するような煩雑な手間を必要とすることなく、かつ、潜水艇の艇体から突起した箇所に磁気センサ等を設けることなく、水中における移動体の３次元位置を決定する、つまり、簡易かつ高精度に水中における移動体の３次元位置をリアルタイムに決定することができる位置検知システム及びその方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る位置検知システムは、潜水海域の海上に設置された１個のブイ等の浮体と潜水艇等の移動体と陸上の基地局とから構成される。ブイ自体の地理的位置はブイに内蔵されたＧＰＳにより特定される。潜水艇は、（ｉ）装備している水深計で得た水深値と、（ｉｉ）ブイとの超音波による送受信（往復）の時間から特定したブイからの距離と、（ｉｉｉ）ブイから全方向に発信される真北を示す超音波及びその後に一定時間間隔で一定角度だけ増加する方位に向けて発信される超音波に基づいて特定したブイからの方位とから、ブイを基点とする相対位置を特定する。この相対位置と、ブイから通知されるブイの地理的位置とから、潜水艇の地理的３次元位置を決定する。
【０００９】
潜水艇の相対位置やブイの地理的位置は、ブイからの電波で陸上の基地局に送信され、基地局における潜水艇の監視に用いられる。
【００１０】
より具体的には、海上に設置した１つのブイと海中の潜水艇システムとの間の距離の測定は、潜水艇から自船を識別できるコード化した超音波を全方向に送信し、その信号を受信したブイは即時に、潜水艇の識別信号にブイの識別信号を織り込んだ信号を超音波で全方向に送信する。そのブイからの信号を受信した潜水艇は、発信した時刻から受信した時刻までの時間と超音波の海中でのスピードとからブイと潜水艇の間の距離を求めることができる。
【００１１】
また、ブイを基点とする潜水艇の方位の検知は、ブイの超音波スキャナから、まず、真北を表すコードを含む超音波信号を全方位に送信する。その後、超音波スキャナの基点から時計回りに、一定の角度だけ増加している方位に向けて、その方位を表すコードを含む超音波信号を指向性を持たせて発信させていく。真北を示すコードを送信するときには、ＧＰＳによるブイの位置情報（経度、緯度）も含めておく。
【００１２】
これらの信号を受信した潜水艇では、それらのコードを解読し、基点（真北）のコードを受け取ってから次のコートを受け取るまでの時間から、自船の方位を知ることができる。また、受け取ったコード自体からも自船の方位を知ることができるので、前記時間から求めた方位と相互比較することにより、正確な方位を求めることができる。
【００１３】
このようにして、潜水艇は、水深、ブイからの距離及びブイからの方位によってブイを基点とする自船の相対位置（３次元位置）を特定する。そして、この相対位置とブイから通知されるブイの地理的位置とから、自船の地理的位置を特定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る「水中における移動体の位置検知システム」の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、ここでは、水上に設けられる浮体をブイとし、水中を移動する移動体を潜水艇とし、説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態における潜水艇の位置検知システム１０の構成要素を示す図である。この位置検知システム１０は、位置検知の対象物である潜水艇２０と、その位置検知に用いられる海上に設置された浮体であるブイ４０と、潜水艇２０の位置に関してブイ４０から送信されてくる情報を収集し、潜水艇２０の位置を監視する基地局６０とから構成される。
【００１６】
図２は、潜水艇２０が備える位置検知装置の構成を示すブロック図である。潜水艇２０は、水深計２１、潮流計２２、ジャイロコンパス２３、海中表示部２４、ＧＰＳアンテナ２５、ＧＰＳ水平表示部２６、コントローラ２７、送受信部２８、超音波送波器２９、超音波受波器３０ａ、３０ｂ及び送受信部３１を備える。
【００１７】
水深計２１は、この潜水艇２０の水深を検出する測定器であり、潮流計２２は、潮流の方向及び速度を検出する測定器である。ジャイロコンパス２３は、慣性に基づいて潜水艇２０の方位や移動距離等を検出する装置であり、本システムでは、潜水艇２０の位置決定のために、補足的に用いられる。
【００１８】
コントローラ２７は、送受信部２８、超音波送波器２９及び超音波受波器３０ａを介してブイ４０と一定コードの超音波信号を送受信することによってブイ４０からの距離を算出したり、超音波受波器３０ｂ及び送受信部３１を介して受信したブイ４０からの超音波信号のタイミング及びコードに基づいてブイ４０を基点とする自船の方位を特定する演算制御装置であり、特定したブイ４０からの距離及び方位を、潮流計２２及びジャイロコンパス２３で得られたデータとともに海中表示部２４に出力する。
【００１９】
送受信部２８は、コントローラ２７から出力されるデータを一定の搬送波で変調し電力増幅した後に超音波送波器２９に印加したり、超音波受波器３０ａからの受信信号を復調したりする。送受信部３１は、超音波受波器３０ｂからの受信信号を復調する。超音波送波器２９は、電気信号を超音波に変換して出力する無指向性の送波器であり、超音波受波器３０ａ、３０ｂは、超音波を電気信号に変換する無指向性の受波器である。
【００２０】
海中表示部２４は、水深計２１から送られてくる水深を示すデータとコントローラ２７から送られてくるブイ４０からの距離及び方位を示すデータとから、この潜水艇２０の海中での位置を示す図（例えば、海面に垂直で、かつ、ブイ４０及び潜水艇２０を通る海中の断面図におけるブイ４０及び潜水艇２０の位置を示す図）を生成し、ＬＣＤ等の画面に表示する画像表示装置である。このとき、潮流計２２及びジャイロコンパス２３で得られたデータや、ブイ４０から超音波受波器３０ａを介して得られたブイ４０の識別コード及びその識別コードに対応して記憶されているブイ４０の地理的位置等も併せて表示する。
【００２１】
ＧＰＳ水平表示部２６は、この潜水艇２０が海上又は海上付近に位置するときに、ＧＰＳアンテナ２５で受信したＧＰＳの信号に基づいて、この潜水艇２０の地理的位置を特定し、その結果を周辺の地図や海図とともに画面に表示する画像表示装置である。なお、潜水艇２０が海中にいるときは、ＧＰＳ信号に代えて、ジャイロコンパス２３で得られた潜水艇２０の地理的位置を確認のために表示する。
【００２２】
図３は、ブイ４０の外観図である。このブイ４０は、予め定められた海上の一定位置に留まりながら、海中（及び海中の潜水艇２０）に対して超音波での送受信を行うとともに、陸上の基地局６０に対して無線電波による送信を行う浮子であり、ＧＰＳ信号の受信及び基地局６０への送信を兼ねたアンテナ４１、内蔵の各回路に供給する電源の電力源となる太陽電池５５、潮流に抗して一定位置を維持するためのスラスタ（推進装置）４５、海中における超音波による送受信のための超音波送波器４８及び超音波受波器５１、おもり５７等を備える。
【００２３】
なお、アンテナ４１及び超音波受波器５１は、水平面での指向性を有していない（無指向）。一方、超音波送波器４８は、図示されるように、放射状に並べられた３６個の振動子の集まり（アレイ）であり、これらの振動子を選択的に動作させることで、図４（ａ）の水平面での指向特性及び図４（ｂ）の垂直面での指向特性に示されるように、１０度の方位ごとに、高い指向性の超音波を海中に向けて発信することができる。
【００２４】
図５は、ブイ４０が備える装置の構成を示すブロック図である。ブイ４０は、アンテナ４１、ＧＰＳ４２、メインコントローラ４３、送信装置４４、スラスタ４５、方位計４６、スキャナコントローラ４７、超音波送波器（超音波スキャナ）４８、距離・情報コントローラ４９、超音波送波器５０、超音波受波器５１、太陽電池５５及び電源部５６等を備える。
【００２５】
ＧＰＳ４２は、アンテナ４１で受信されたＧＰＳ信号に基づいて、このブイ４０の地理的位置を特定し、メインコントローラ４３に出力する。方位計４６は、このブイ４０の方位を計測する装置であり、例えば、超音波送波器４８を構成する３６個の振動子のうち、予め定められた特定の１つ（真北を向く振動子）が指す方位を検知する。
【００２６】
スキャナコントローラ４７は、方位計４６から得られる方位情報をメインコントローラ４３に伝達するとともに、その方位情報から、このブイ４０が所定の方位に向いていることを確認したうえで、超音波送波器４８に一定の信号を送ることで、全方位をスキャンする超音波を送信する。具体的には、まず、超音波送波器４８の全ての振動子を用いることで、全方位に真北を示すコード等を含ませた超音波（以下、「真北信号」ともいう。）を送信し、続いて、一定時間間隔で、時計回りに、３６個の振動子を順次用いながら、各振動子に対応する方位（北からの時計回り角度：１０度、２０度、・・・、３５０度）を示すコード等を含ませた超音波（以下、「方位信号」ともいう。）を順次送信（スキャン）していく。これによって、潜水艇２０は、ブイ４０を基点とする方位の特定が可能となる。
【００２７】
距離・情報コントローラ４９は、潜水艇２０から超音波受波器５１を介して潜水艇２０の識別コードを含む超音波を受信すると、一定時間後に、無指向性の超音波送波器５０を介して（又は、超音波送波器４８の全ての振動子を用いて）、受信した潜水艇２０の識別コードとこのブイ４０の識別コードとを含む超音波を返信する。これによって、潜水艇２０におけるブイ４０からの距離の検出が可能となる。なお、この距離・情報コントローラ４９は、ブイ４０を基点とする潜水艇２０の方位を示す方位情報、ブイ４０から潜水艇２０までの距離を示す距離情報及び潜水艇２０の水深を示す水深情報についても、潜水艇２０から超音波受波器５１を介して受信する。
【００２８】
メインコントローラ４３は、方位計４６からスキャナコントローラ４７を介して送られてくる方位の情報、及び、ＧＰＳ４２から送られてくる地理的位置の情報に基づいて、このブイ４０が一定の地理的位置に停留し、かつ、一定の方位を向くようにスラスタ４５を制御したり、この地理的位置の情報とともに、距離・情報コントローラ４９から送られてくる潜水艇２０の位置情報（方位情報、距離情報及び水深情報等の相対位置を示す情報）を送信装置４４及びアンテナ４１を介して一定時間間隔で基地局６０に送信する。
【００２９】
送信装置４４は、基地局６０への無線送信のための変調・増幅器等であり、電源部５６は、太陽電池５５で得られた電力を蓄電したり、各電子回路に電力を供給する回路である。
【００３０】
図６は、基地局６０に備えられる船位測定システムの構成を示すブロック図である。基地局６０は、ブイ４０から送られてくるブイ４０及び潜水艇２０の位置情報を含む信号を受信するためのアンテナ６１及び受信装置６２と、その信号からブイ４０及び潜水艇２０の位置情報に復調する信号変換装置６３と、復調された位置情報に基づいて、ブイ４０及び潜水艇２０の海中での位置を示す図を表示する海中表示部６４と、ブイ４０及び潜水艇２０の水平面での位置を周辺の地図等とともに表示する水平表示部６５とから構成される。
【００３１】
次に、以上のように構成された本実施の形態の位置検知システム１０における潜水艇２０の海中における３次元位置の具体的な検知方法について説明する。
【００３２】
潜水艇２０は、図７に示されるように、随時取得する３つの位置情報、即ち、（１）自船の水深、（２）ブイ４０から自船までの直線距離、（３）ブイ４０を基点とする自船の方位に基づいて、海中におけるブイ４０を基点とする自船の３次元位置を特定する。なお、潜水艇２０は、ブイ４０自体の地理的位置については、ブイ４０から送信されてくるブイ４０の識別コードやＧＰＳ４２で得られた位置情報（緯度及び経度）によって、知ることができる。また、このような位置の特定は、一定時間間隔で繰り返される。これによって、リアルタイムな位置特定が可能となる。
【００３３】
以下、上記３つの位置情報の取得方法について、より詳細に説明する。
（１）自船の水深
潜水艇２０は、装備している水深計２１により、自船の水深を取得する。
（２）ブイ４０から自船までの直線距離
潜水艇２０は、自ら発した超音波がブイ４０に到達し、ブイ４０から返信されてくるまでの往復時間に基づいて、ブイ４０からの距離を算出する。具体的には、図８（ａ）の通信シーケンス図、図８（ｂ）の潜水艇２０における送受信のタイミング図及び図８（ｃ）のブイ４０における送受信のタイミング図に示されるように、まず、潜水艇２０は、自船を識別できるコード化した超音波を全方向に送信する（ステップＳ１）。その信号を受信し、潜水艇２０からの信号であると確認したブイ４０は、即時に（一定の処理時間ｔｐ後に）、いま受信した潜水艇２０の識別コードに自らの識別コードを付加して得られる信号（超音波）を全方向に送信する（ステップＳ２）。
【００３４】
ブイ４０からの信号を受信した潜水艇２０は、発信した時刻から受信した時刻までの時間ｔdを求め、予め記憶している上記ブイ４０での処理時間ｔp及び超音波の海中での伝播速度ｓから、以下の式に基づいて、ブイ４０からの距離Ｌを算出する。
Ｌ＝（ｔd−ｔp）／２ｓ
【００３５】
なお、上記ブイ４０での処理時間ｔｐは、上記信号の往復時間ｔｄに比べて極めて小さい場合には必ずしも考慮しなくてもよい。また、超音波の伝播速度ｓは、固定値（例えば、１４８０ｍ／ｓｅｃ）であってもよいし、そのときの海中の温度に依存して決定される値であってもよい。これらのことは、求められる３次元位置の精度に応じて決定すればよい。
【００３６】
図９は、潜水艇２０とブイ４０間でやりとりされる信号の詳細な内容を示す図であり、図９（ａ）は、潜水艇２０から送信される信号のデータ構造を示し、図９（ｂ）は、ブイ４０から送信される信号のデータ構造を示す。なお、ここでは、これらの双方向通信において、２００ｋＨｚ（波長は５μｓｅｃ）程度の搬送波（超音波）が使用され、１パルス（１ビット）幅を２００μｓｅｃ程度とするデジタル変調によって、情報が送受信される。
【００３７】
図９（ａ）に示されるように、潜水艇２０は、１秒間隔程度で全方向に、以下のコードを含むを超音波を発信する（図８（ａ）におけるステップＳ１）。
（ｉ）スタート信号（２パルス幅）
（ｉｉ）自船を表す識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）ブイ４０を基点とする自船の方位を表すデータ（８パルス）
（ｉｖ）ブイ４０から自船までの距離を表すデータ（１０パルス）
（ｖ）自船の水深を表すデータ（１０パルス）
（ｖｉ）ストップ信号（３パルス幅）
【００３８】
ただし、上記（ｉｉｉ）〜（ｖ）のデータは、ブイ４０との直前の交信、ブイ４０からの方位データの取得及び水深計２１による計測によって既に判明している場合に、直前のデータがこの信号中に含められるものであり、潜水艇２０の位置をリアルタイムにブイ４０経由で基地局６０に通知するためのものである。
【００３９】
この信号を受信したブイ４０は、図９（ｂ）に示されるように、即時に、以下のコードを含む超音波を全方向に返信する（図８（ａ）におけるステップＳ２）。
（ｉ）スタート信号（２パルス幅）
（ｉｉ）いま受信した潜水艇２０の識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）ブイ４０の識別コード（８パルス）
（ｉｖ）ストップ信号（３パルス幅）
【００４０】
つまり、潜水艇２０から送られてきた信号に含まれる方位及び距離を表すデータを省いたものと同じ信号に、自分（ブイ４０）を表す識別データを付加した信号を全方向に発信する。
【００４１】
このように、潜水艇２０は、ブイ４０と一定の超音波信号のやりとりをすることで、その往復時間から、ブイ４０からの距離を特定することができる。距離が特定できた場合には、次（１秒後）の超音波の送信においては、図９（ａ）に示されるように、特定した距離を表すデータを含めた超音波を送信する。
（３）ブイ４０を基点とする自船の方位
【００４２】
潜水艇２０は、（ｉ）ブイ４０によるスキャンの開始時に発せられる真北を示すコードを含む超音波（真北信号）を受信してから、１０度単位の方位を示すコードが含まれた超音波（方位信号）を受信するまでの時間、及び、（ｉｉ）受信した方位信号に含まれる方位を示すコードに基づいて、ブイ４０を基点とする自船の方位を特定する。具体的には、図１０（ａ）の通信シーケンス図、図１０（ｂ）のブイ４０における送受信（ここでは、送信のみ）のタイミング図及び図１０（ｂ）の潜水艇２０における送受信（ここでは、受信のみ）のタイミング図に示されるように、ブイ４０は、まず、超音波送波器４８を構成する３６個の全ての振動子を用いて、真北を示すコード等を含ませた超音波を全方位に送信する（ステップＳ１１）。続いて、一定時間間隔ｔｓで、時計回りに、超音波送波器４８を構成する３６個の振動子を順次用いることで、１０度刻みに増加していく角度を表すコード等を含ませた超音波を送信していく（ステップＳ１２〜Ｓ１３〜Ｓ１４）。具体的には、まず、１０度に対応する振動子だけを用いて方位１０度を示すコードを送信し、次に、その振動子と時計回りに隣接する２０度に対応する振動子だけを用いて方位２０度を示すコードを送信する、というスキャンを１０度〜３５０度の方位について繰り返す。このような１回転のスキャンを終えたら、再び、同じスキャンを繰り返す。これによって、図４に示される指向特性のように、真北を開始とし、時計回りに、一定時間間隔及び１０度刻みの方位で、海中に向けて、鋭い水平面指向特性を持った超音波が順次、送信されていく。
【００４３】
一方、潜水艇２０は、全方位に発せられた真北信号を受信すると（ステップ１１）、タイマーをスタートさせ、次に方位信号を受信する（ステップＳ１３）までの時間Ｔｒを計測する。そして、その時間ｔｃと、予め分かっている上記時間間隔Ｔｄとから、以下の式に従って、ブイ４０を基点とする自船の方位θ（度）を特定する。
θ＝（ｔｃ／ｔｓ）・１０
【００４４】
このとき、潜水艇２０は、受信した方位信号に含まれる方位を示すコードからも、直接、自船の方位を知ることができる。したがって、潜水艇２０は、これら２つの方法で得られた方位を相互比較し、一致していることを確認したうえで、その方位を自船の方位と確定する。
【００４５】
なお、ブイ４０から送信される方位信号の水平面指向特性における広がり、潜水艇２０の位置、潜水艇２０が備える超音波受波器３０ｂの感度等により、潜水艇２０は、必ずしも、１種類の方位信号だけを受信するとは限らない。したがって、潜水艇２０は、複数の連続する方位コードを含む超音波を受信した場合には、信号強度が最も大きい超音波（及び、そこに含まれていた方位を示すコード）を採用することにより、１つの方位コードを特定する。
【００４６】
ただし、より高精度の位置検知が求められる場合には、潜水艇２０は、受信した複数の方位信号を用いることで、計算処理によって、より細かい方位を特定することもできる。例えば、受信した方位信号の中で、信号強度が最も大きいものと次に大きいものとを信号強度に応じて比例配分等することで、得られた計算上の超音波（及び、計算上の方位）を自船が受信したものと扱う。例えば、方位１３０度のコードを含む超音波と方位１４０度のコードを含む超音波とを略同じ強度で受信した場合には、それら２つの超音波を受信した時刻の中間に位置する時刻に、方位１３５度を示すコードが含まれた超音波を受信したものとして、上記方位の確認と確定処理を行う。
【００４７】
図１１は、ブイ４０から送信される方位検知用の信号の詳細な内容を示す図であり、図１１（ａ）は、スキャンの開始時（及び、再度のスキャンの開始時）に全方位に送信される真北信号のデータ構造を示し、図１１（ｂ）は、スキャン中における１つの方位に送信される方位信号のデータ構造を示す。なお、この送信においては、上述の距離測定における通信と区別するために、距離測定に用いられた搬送波の周波数とは異なる周波数の搬送波、例えば、２５０ｋＨｚ（波長は４μｓｅｃ）程度の搬送波（超音波）が使用され、１パルス（１ビット）幅を２００μｓｅｃ程度とするデジタル変調によって、情報が送受信される。
【００４８】
図１１（ａ）に示されるように、ブイ４０は、スキャンの開始点において、全方向に、以下のコードを含むを超音波を送信する（図１０（ａ）におけるステップＳ１）。
（ｉ）スタート信号（３パルス幅）
（ｉｉ）ブイ４０の識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）真北（０度）を表すコード（１０パルス）
（ｉｖ）ＧＰＳ４２で特定したブイ４０の位置（緯度）を表すデータ（各１０パルス）
（ｖ）ＧＰＳ４２で特定したブイ４０の位置（経度）を表すデータ（各１０パルス）
（ｖｉ）ストップ信号（４パルス幅）
【００４９】
また、ブイ４０は、図１１（ｂ）に示されるように、スキャン中においては、各方位ごとに、以下のコードを含む超音波を送信する（図１０（ａ）におけるステップＳ２〜Ｓ３〜Ｓ４）。
（ｉ）スタート信号（３パルス幅）
（ｉｉ）ブイ４０の識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）方位（角度）を表すコード（１０パルス）
（ｉｖ）ストップ信号（４パルス幅）
【００５０】
このように、潜水艇２０は、ブイ４０から送信される真北を示す信号と方位（角度）を示す信号とを受信することで、ブイ４０を基点とする方位を特定することができる。方位が特定できた場合には、距離測定のためのブイ４０への送信において、図９（ａ）に示されるように、特定した方位を表すデータを含めた超音波を送信する。
【００５１】
以上のようにして、本位置検知システム１０における潜水艇２０は、（１）自船の水深、（２）ブイ４０から自船までの直線距離、（３）ブイ４０を基点とする自船の方位に基づいて、海中におけるブイ４０を基点とする自船の３次元位置（相対位置）を知ることができる。そして、ブイ４０の地理的位置については、ブイ４０から送信された真北信号に含まれている緯度及び経度のデータから知ることができるので、ブイ４０の地理的位置とブイ４０からの相対位置（３次元位置）とを加算して計算することで、自船の３次元的地理的位置を知ることができる。
【００５２】
また、潜水艇２０の相対位置は、潜水艇２０からブイ４０を経由し、ブイ４０の地理的位置とともに基地局６０に通報される。したがって、このようなブイ４０の地理的位置、海中における潜水艇２０の３次元的な相対位置や地理的位置は、潜水艇２０の海中表示部２４やＧＰＳ水平表示部２６に表示されるだけでなく、基地局６０の海中表示部６４及び水平表示部６５にも表示され、監視される。
【００５３】
以上、本発明に係る位置検知システムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、本実施の形態では、浮体としてブイ４０が用いられたが、これに代えて、ブイ４０と同等の機能を有する装置を搭載した海上の船舶としたり、海底又は陸に固定された海面又は海中の固定通信局とすることもできる。同様に、移動体は潜水艇に限定されるものではなく、ダイバーが備える携帯型の通信装置であってもよい。
【００５４】
また、本実施の形態では、ブイ４０は、方位計４６が示す方位情報に基づいてスラスタ４５を制御することで、ブイ４０が一定の方位を向くように維持したうえで、超音波送波器４８から真北信号と方位信号を発信したが、これに代えて、方位計４６が示す方位情報に基づいて、動的に、超音波送波器４８を構成する振動子の中から真北を向いている振動子を決定し、その振動子を開始点として、真北信号と方位信号を発信してもよい。これによって、ブイ４０が一定の方位を向くためのスラスタ４５による制御が不要となる。
【００５５】
また、本実施の形態では、潜水艇の方位を特定するためのスキャン手段として、放射状に並べられた３６個の振動子の集まり（アレイ）からなる超音波送波器４８が用いられたが、１個の振動子又は１方向に超音波を送出する送波器を一定速度で機械的に回転させる方式を採用してもよい。
【００５６】
また、本実施の形態では、潜水艇２０からブイ４０を経て基地局６０に位置情報等が伝達されたが、通信の方向は、この方向に限定されるものではなく、基地局６０からブイ４０を経て潜水艇２０に指令等の情報を伝達させてもよい。具体的には、基地局６０と無線通信するための無線通信機器、電波と超音波とを双方向に変換するトランスデューサ、潜水艇２０と超音波で通信するための通信機器等をブイ４０に備えさせることで、ブイ４０を、潜水艇２０と基地局６０との通信中継局として機能させることができる。これによって、潜水艇２０は、海面に浮上することなく、海中にいたまま、陸上の基地局と交信することができる。
【００５７】
また、潜水艇２０の方位等の計測精度を向上させるために、海面の波動によるブイ４０の揺れに基づく計測値のばらつきを補正する機能をブイ４０内又は潜水艇２０内に設けてもよい。同様に、海水の質（塩分濃度や温度等）に基づく超音波信号の海中での伝播速度の変化等を考慮した計算処理を組み込むことで、潜水艇２０における距離計測の精度を向上させてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る位置検知システムによれば、海上に１個のブイ等の浮体を設置するだけで海中における潜水艇等の移動体の３次元位置を特定することができる。したがって、複数のトランスポンダを海底の正確な位置に設置するような手間は不要となる。
【００５９】
また、本発明に係る移動体は、浮体から発信される超音波信号を受信するだけで浮体からの方位を知ることができる。したがって、海底に設置された磁気マーカーからの磁気を３次元的に検出するためにブーム等の棒体を移動体（潜水艇）の艇体から外に延ばして設けるという必要がなく、安全である。
【００６０】
また、本発明に係る移動体は、浮体からの方位については、浮体から発信される真北信号を受信してから方位信号を受信するまでの時間と、方位信号に含まれる方位を示すデジタル値（コード）とから、それらを相互比較しながら最終的な方位を特定するので、外乱ノイズ等による影響を受けることなく、正確に自船の位置を決定することができる。
【００６１】
また、本発明に係る移動体は、水深計による水深の計測と、超音波による浮体との送受信による浮体からの距離の特定と、浮体から発信される真北信号及び方位信号の受信による方位の特定と、浮体から発信される真北信号に含まれる浮体の地理的位置の取得とを一定時間間隔で繰り返すことで、リアルタイムに自船の地理的３次元位置を知ることができる。
【００６２】
さらに、本発明に係る位置検知システムによれば、移動体で得られた位置情報は、浮体に送信され、浮体の地理的位置とともに、浮体から陸上の基地局に無線で通知される。したがって、基地局では、浮体の地理的位置とともに、移動体の３次元位置をリアルタイムに知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における潜水艇の位置検知システムの構成要素を示す図である。
【図２】潜水艇が備える位置検知装置の構成を示すブロック図である。
【図３】ブイの外観図である。
【図４】（ａ）は、ブイの超音波送波器の水平面での指向特性を示し、（ｂ）は、その垂直面での指向特性を示す。
【図５】ブイの構成を示すブロック図である。
【図６】基地局に備えられる船位測定システムの構成を示すブロック図である。
【図７】潜水艇の３次元位置の特定方法を示す図である。
【図８】（ａ）は、ブイから潜水艇までの距離を特定するための通信シーケンスを示す図であり、（ｂ）は、そのときの潜水艇における送受信のタイミング図であり、（ｃ）は、そのときのブイにおける送受信のタイミング図である。
【図９】（ａ）は、図８のステップＳ１における潜水艇からの送信信号のデータ構造を示す図であり、（ｂ）は、図８のステップＳ２におけるブイからの送信信号のデータ構造を示す図である。
【図１０】（ａ）は、ブイを基点とする潜水艇の方位を特定するための通信シーケンスを示す図であり、（ｂ）は、そのときのブイにおける送信のタイミング図であり、（ｃ）は、そのときの潜水艇における受信のタイミング図である。
【図１１】（ａ）は、図１０のステップＳ１１におけるブイからの真北信号のデータ構造を示す図であり、（ｂ）は、図１０のステップＳ１２〜Ｓ１４におけるブイからの方位信号のデータ構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 位置検知システム
２０ 潜水艇
２１ 水深計
２２ 潮流計
２３ ジャイロコンパス
２４ 海中表示部
２５ ＧＰＳアンテナ
２６ ＧＰＳ水平表示部
２７ コントローラ
２８、３１ 送受信部
２９ 超音波送波器
３０ａ、３０ｂ 超音波受波器
４０ ブイ
４１ アンテナ
４２ ＧＰＳ
４３ メインコントローラ
４４ 送信装置
４５ スラスタ
４６ 方位計
４７ スキャナコントローラ
４８、５０ 超音波送波器
４９ 距離・情報コントローラ
５１ 超音波受波器
５５ 太陽電池
５６ 電源部
６０ 基地局
６１ アンテナ
６２ 受信装置
６３ 信号変換装置
６４ 海中表示部
６５ 水平表示部
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中における移動体の位置検知システムに関し、特に、移動体の３次元位置を検知するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、潜水艇のような水中（海中を含む）を移動する移動体の位置を決定する方法として、慣性航法システムやドップラーソナー航法システムのような推測航法装置を用いる方法がある。これは、例えば、潜水艇が海面又は海面に近い位置にいるときにＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等による無線情報で位置リセットをしておき、その後の移動量をジャイロコンパス等の慣性を用いた計測によって特定し、潜水艇の位置を決定するというものである。
【０００３】
しかしながら、このような推測航法装置による方法は、時間とともに誤差が蓄積され、位置精度が劣化していくために、適当な頻度で位置リセットをすることが必要とされる。ところが、無線電波は海中では著しく減衰するために、移動体（潜水艇）は位置リセットのたびに、多大な時間とエネルギーを費やして深い海中から海面まで浮上しなければならない。
そのために、潜水艇が海面に浮上することなく、海中にいたまま、自分の位置を特定する技術が必要とされる。
【０００４】
その従来技術の１つとして、海底に設置された複数の音響トランスポンダからの信号に基づいて、三角測量の原理により、潜水艇の位置を決定する方法がある。しかしながら、この方法では、潜水艇の３次元位置を決定するために、正確な位置が判明している海底の所定位置に３つのトランスポンダが設置されていることが必要とされる。つまり、少なくとも３つのトランスポンダを深い海の底に設置したり、海底の正確な位置を特定し、その位置に各トランスポンダを設置するという時間のかかる作業が必要とされる。
【０００５】
また、潜水艇の位置を決定する他の従来技術として、特開平６−３２３８６５号公報に記載された「磁気マーカーを用いる潜水艇の位置決定装置」がある。これは、海底に永久磁石等の磁気マーカーを設置しておき、潜水艇に設けられた３次元方向の磁気を検知する磁力計によって、磁気マーカーに対する潜水艇の相対位置を決定するものである。
【０００６】
しかしながら、この方法では、３次元方向の磁界を高精度に検知する磁力計が必要とされる。つまり、潜水艇が発生する磁気ノイズの影響を排除することが必要とされ、潜水艇の内部に設けられた磁力計では正確な位置決定が困難となる。そのために、この位置決定装置では、潜水艇の艇体から外に延びるブームを設け、そのブームの端部にサーチコイル等を取り付けることで精度を向上しようとしているが、このようなブームは、潜水艇の艇体から大きく突起するために、航行の妨げとなり、他の物体と衝突してしまう危険性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、海底の複数の所定位置にトランスポンダ等を設置するような煩雑な手間を必要とすることなく、かつ、潜水艇の艇体から突起した箇所に磁気センサ等を設けることなく、水中における移動体の３次元位置を決定する、つまり、簡易かつ高精度に水中における移動体の３次元位置をリアルタイムに決定することができる位置検知システム及びその方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る位置検知システムは、潜水海域の海上に設置された１個のブイ等の浮体と潜水艇等の移動体と陸上の基地局とから構成される。ブイ自体の地理的位置はブイに内蔵されたＧＰＳにより特定される。潜水艇は、（ｉ）装備している水深計で得た水深値と、（ｉｉ）ブイとの超音波による送受信（往復）の時間から特定したブイからの距離と、（ｉｉｉ）ブイから全方向に発信される真北を示す超音波及びその後に一定時間間隔で一定角度だけ増加する方位に向けて発信される超音波に基づいて特定したブイからの方位とから、ブイを基点とする相対位置を特定する。この相対位置と、ブイから通知されるブイの地理的位置とから、潜水艇の地理的３次元位置を決定する。
【０００９】
潜水艇の相対位置やブイの地理的位置は、ブイからの電波で陸上の基地局に送信され、基地局における潜水艇の監視に用いられる。
【００１０】
より具体的には、海上に設置した１つのブイと海中の潜水艇システムとの間の距離の測定は、潜水艇から自船を識別できるコード化した超音波を全方向に送信し、その信号を受信したブイは即時に、潜水艇の識別信号にブイの識別信号を織り込んだ信号を超音波で全方向に送信する。そのブイからの信号を受信した潜水艇は、発信した時刻から受信した時刻までの時間と超音波の海中でのスピードとからブイと潜水艇の間の距離を求めることができる。
【００１１】
また、ブイを基点とする潜水艇の方位の検知は、ブイの超音波スキャナから、まず、真北を表すコードを含む超音波信号を全方位に送信する。その後、超音波スキャナの基点から時計回りに、一定の角度だけ増加している方位に向けて、その方位を表すコードを含む超音波信号を指向性を持たせて発信させていく。真北を示すコードを送信するときには、ＧＰＳによるブイの位置情報（経度、緯度）も含めておく。
【００１２】
これらの信号を受信した潜水艇では、それらのコードを解読し、基点（真北）のコードを受け取ってから次のコートを受け取るまでの時間から、自船の方位を知ることができる。また、受け取ったコード自体からも自船の方位を知ることができるので、前記時間から求めた方位と相互比較することにより、正確な方位を求めることができる。
【００１３】
このようにして、潜水艇は、水深、ブイからの距離及びブイからの方位によってブイを基点とする自船の相対位置（３次元位置）を特定する。そして、この相対位置とブイから通知されるブイの地理的位置とから、自船の地理的位置を特定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る「水中における移動体の位置検知システム」の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、ここでは、水上に設けられる浮体をブイとし、水中を移動する移動体を潜水艇とし、説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態における潜水艇の位置検知システム１０の構成要素を示す図である。この位置検知システム１０は、位置検知の対象物である潜水艇２０と、その位置検知に用いられる海上に設置された浮体であるブイ４０と、潜水艇２０の位置に関してブイ４０から送信されてくる情報を収集し、潜水艇２０の位置を監視する基地局６０とから構成される。
【００１６】
図２は、潜水艇２０が備える位置検知装置の構成を示すブロック図である。潜水艇２０は、水深計２１、潮流計２２、ジャイロコンパス２３、海中表示部２４、ＧＰＳアンテナ２５、ＧＰＳ水平表示部２６、コントローラ２７、送受信部２８、超音波送波器２９、超音波受波器３０ａ、３０ｂ及び送受信部３１を備える。
【００１７】
水深計２１は、この潜水艇２０の水深を検出する測定器であり、潮流計２２は、潮流の方向及び速度を検出する測定器である。ジャイロコンパス２３は、慣性に基づいて潜水艇２０の方位や移動距離等を検出する装置であり、本システムでは、潜水艇２０の位置決定のために、補足的に用いられる。
【００１８】
コントローラ２７は、送受信部２８、超音波送波器２９及び超音波受波器３０ａを介してブイ４０と一定コードの超音波信号を送受信することによってブイ４０からの距離を算出したり、超音波受波器３０ｂ及び送受信部３１を介して受信したブイ４０からの超音波信号のタイミング及びコードに基づいてブイ４０を基点とする自船の方位を特定する演算制御装置であり、特定したブイ４０からの距離及び方位を、潮流計２２及びジャイロコンパス２３で得られたデータとともに海中表示部２４に出力する。
【００１９】
送受信部２８は、コントローラ２７から出力されるデータを一定の搬送波で変調し電力増幅した後に超音波送波器２９に印加したり、超音波受波器３０ａからの受信信号を復調したりする。送受信部３１は、超音波受波器３０ｂからの受信信号を復調する。超音波送波器２９は、電気信号を超音波に変換して出力する無指向性の送波器であり、超音波受波器３０ａ、３０ｂは、超音波を電気信号に変換する無指向性の受波器である。
【００２０】
海中表示部２４は、水深計２１から送られてくる水深を示すデータとコントローラ２７から送られてくるブイ４０からの距離及び方位を示すデータとから、この潜水艇２０の海中での位置を示す図（例えば、海面に垂直で、かつ、ブイ４０及び潜水艇２０を通る海中の断面図におけるブイ４０及び潜水艇２０の位置を示す図）を生成し、ＬＣＤ等の画面に表示する画像表示装置である。このとき、潮流計２２及びジャイロコンパス２３で得られたデータや、ブイ４０から超音波受波器３０ａを介して得られたブイ４０の識別コード及びその識別コードに対応して記憶されているブイ４０の地理的位置等も併せて表示する。
【００２１】
ＧＰＳ水平表示部２６は、この潜水艇２０が海上又は海上付近に位置するときに、ＧＰＳアンテナ２５で受信したＧＰＳの信号に基づいて、この潜水艇２０の地理的位置を特定し、その結果を周辺の地図や海図とともに画面に表示する画像表示装置である。なお、潜水艇２０が海中にいるときは、ＧＰＳ信号に代えて、ジャイロコンパス２３で得られた潜水艇２０の地理的位置を確認のために表示する。
【００２２】
図３は、ブイ４０の外観図である。このブイ４０は、予め定められた海上の一定位置に留まりながら、海中（及び海中の潜水艇２０）に対して超音波での送受信を行うとともに、陸上の基地局６０に対して無線電波による送信を行う浮子であり、ＧＰＳ信号の受信及び基地局６０への送信を兼ねたアンテナ４１、内蔵の各回路に供給する電源の電力源となる太陽電池５５、潮流に抗して一定位置を維持するためのスラスタ（推進装置）４５、海中における超音波による送受信のための超音波送波器４８及び超音波受波器５１、おもり５７等を備える。
【００２３】
なお、アンテナ４１及び超音波受波器５１は、水平面での指向性を有していない（無指向）。一方、超音波送波器４８は、図示されるように、放射状に並べられた３６個の振動子の集まり（アレイ）であり、これらの振動子を選択的に動作させることで、図４（ａ）の水平面での指向特性及び図４（ｂ）の垂直面での指向特性に示されるように、１０度の方位ごとに、高い指向性の超音波を海中に向けて発信することができる。
【００２４】
図５は、ブイ４０が備える装置の構成を示すブロック図である。ブイ４０は、アンテナ４１、ＧＰＳ４２、メインコントローラ４３、送信装置４４、スラスタ４５、方位計４６、スキャナコントローラ４７、超音波送波器（超音波スキャナ）４８、距離・情報コントローラ４９、超音波送波器５０、超音波受波器５１、太陽電池５５及び電源部５６等を備える。
【００２５】
ＧＰＳ４２は、アンテナ４１で受信されたＧＰＳ信号に基づいて、このブイ４０の地理的位置を特定し、メインコントローラ４３に出力する。方位計４６は、このブイ４０の方位を計測する装置であり、例えば、超音波送波器４８を構成する３６個の振動子のうち、予め定められた特定の１つ（真北を向く振動子）が指す方位を検知する。
【００２６】
スキャナコントローラ４７は、方位計４６から得られる方位情報をメインコントローラ４３に伝達するとともに、その方位情報から、このブイ４０が所定の方位に向いていることを確認したうえで、超音波送波器４８に一定の信号を送ることで、全方位をスキャンする超音波を送信する。具体的には、まず、超音波送波器４８の全ての振動子を用いることで、全方位に真北を示すコード等を含ませた超音波（以下、「真北信号」ともいう。）を送信し、続いて、一定時間間隔で、時計回りに、３６個の振動子を順次用いながら、各振動子に対応する方位（北からの時計回り角度：１０度、２０度、・・・、３５０度）を示すコード等を含ませた超音波（以下、「方位信号」ともいう。）を順次送信（スキャン）していく。これによって、潜水艇２０は、ブイ４０を基点とする方位の特定が可能となる。
【００２７】
距離・情報コントローラ４９は、潜水艇２０から超音波受波器５１を介して潜水艇２０の識別コードを含む超音波を受信すると、一定時間後に、無指向性の超音波送波器５０を介して（又は、超音波送波器４８の全ての振動子を用いて）、受信した潜水艇２０の識別コードとこのブイ４０の識別コードとを含む超音波を返信する。これによって、潜水艇２０におけるブイ４０からの距離の検出が可能となる。なお、この距離・情報コントローラ４９は、ブイ４０を基点とする潜水艇２０の方位を示す方位情報、ブイ４０から潜水艇２０までの距離を示す距離情報及び潜水艇２０の水深を示す水深情報についても、潜水艇２０から超音波受波器５１を介して受信する。
【００２８】
メインコントローラ４３は、方位計４６からスキャナコントローラ４７を介して送られてくる方位の情報、及び、ＧＰＳ４２から送られてくる地理的位置の情報に基づいて、このブイ４０が一定の地理的位置に停留し、かつ、一定の方位を向くようにスラスタ４５を制御したり、この地理的位置の情報とともに、距離・情報コントローラ４９から送られてくる潜水艇２０の位置情報（方位情報、距離情報及び水深情報等の相対位置を示す情報）を送信装置４４及びアンテナ４１を介して一定時間間隔で基地局６０に送信する。
【００２９】
送信装置４４は、基地局６０への無線送信のための変調・増幅器等であり、電源部５６は、太陽電池５５で得られた電力を蓄電したり、各電子回路に電力を供給する回路である。
【００３０】
図６は、基地局６０に備えられる船位測定システムの構成を示すブロック図である。基地局６０は、ブイ４０から送られてくるブイ４０及び潜水艇２０の位置情報を含む信号を受信するためのアンテナ６１及び受信装置６２と、その信号からブイ４０及び潜水艇２０の位置情報に復調する信号変換装置６３と、復調された位置情報に基づいて、ブイ４０及び潜水艇２０の海中での位置を示す図を表示する海中表示部６４と、ブイ４０及び潜水艇２０の水平面での位置を周辺の地図等とともに表示する水平表示部６５とから構成される。
【００３１】
次に、以上のように構成された本実施の形態の位置検知システム１０における潜水艇２０の海中における３次元位置の具体的な検知方法について説明する。
【００３２】
潜水艇２０は、図７に示されるように、随時取得する３つの位置情報、即ち、（１）自船の水深、（２）ブイ４０から自船までの直線距離、（３）ブイ４０を基点とする自船の方位に基づいて、海中におけるブイ４０を基点とする自船の３次元位置を特定する。なお、潜水艇２０は、ブイ４０自体の地理的位置については、ブイ４０から送信されてくるブイ４０の識別コードやＧＰＳ４２で得られた位置情報（緯度及び経度）によって、知ることができる。また、このような位置の特定は、一定時間間隔で繰り返される。これによって、リアルタイムな位置特定が可能となる。
【００３３】
以下、上記３つの位置情報の取得方法について、より詳細に説明する。
（１）自船の水深
潜水艇２０は、装備している水深計２１により、自船の水深を取得する。
（２）ブイ４０から自船までの直線距離
潜水艇２０は、自ら発した超音波がブイ４０に到達し、ブイ４０から返信されてくるまでの往復時間に基づいて、ブイ４０からの距離を算出する。具体的には、図８（ａ）の通信シーケンス図、図８（ｂ）の潜水艇２０における送受信のタイミング図及び図８（ｃ）のブイ４０における送受信のタイミング図に示されるように、まず、潜水艇２０は、自船を識別できるコード化した超音波を全方向に送信する（ステップＳ１）。その信号を受信し、潜水艇２０からの信号であると確認したブイ４０は、即時に（一定の処理時間ｔｐ後に）、いま受信した潜水艇２０の識別コードに自らの識別コードを付加して得られる信号（超音波）を全方向に送信する（ステップＳ２）。
【００３４】
ブイ４０からの信号を受信した潜水艇２０は、発信した時刻から受信した時刻までの時間ｔdを求め、予め記憶している上記ブイ４０での処理時間ｔp及び超音波の海中での伝播速度ｓから、以下の式に基づいて、ブイ４０からの距離Ｌを算出する。
Ｌ＝（ｔd−ｔp）／２ｓ
【００３５】
なお、上記ブイ４０での処理時間ｔｐは、上記信号の往復時間ｔｄに比べて極めて小さい場合には必ずしも考慮しなくてもよい。また、超音波の伝播速度ｓは、固定値（例えば、１４８０ｍ／ｓｅｃ）であってもよいし、そのときの海中の温度に依存して決定される値であってもよい。これらのことは、求められる３次元位置の精度に応じて決定すればよい。
【００３６】
図９は、潜水艇２０とブイ４０間でやりとりされる信号の詳細な内容を示す図であり、図９（ａ）は、潜水艇２０から送信される信号のデータ構造を示し、図９（ｂ）は、ブイ４０から送信される信号のデータ構造を示す。なお、ここでは、これらの双方向通信において、２００ｋＨｚ（波長は５μｓｅｃ）程度の搬送波（超音波）が使用され、１パルス（１ビット）幅を２００μｓｅｃ程度とするデジタル変調によって、情報が送受信される。
【００３７】
図９（ａ）に示されるように、潜水艇２０は、１秒間隔程度で全方向に、以下のコードを含むを超音波を発信する（図８（ａ）におけるステップＳ１）。
（ｉ）スタート信号（２パルス幅）
（ｉｉ）自船を表す識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）ブイ４０を基点とする自船の方位を表すデータ（８パルス）
（ｉｖ）ブイ４０から自船までの距離を表すデータ（１０パルス）
（ｖ）自船の水深を表すデータ（１０パルス）
（ｖｉ）ストップ信号（３パルス幅）
【００３８】
ただし、上記（ｉｉｉ）〜（ｖ）のデータは、ブイ４０との直前の交信、ブイ４０からの方位データの取得及び水深計２１による計測によって既に判明している場合に、直前のデータがこの信号中に含められるものであり、潜水艇２０の位置をリアルタイムにブイ４０経由で基地局６０に通知するためのものである。
【００３９】
この信号を受信したブイ４０は、図９（ｂ）に示されるように、即時に、以下のコードを含む超音波を全方向に返信する（図８（ａ）におけるステップＳ２）。
（ｉ）スタート信号（２パルス幅）
（ｉｉ）いま受信した潜水艇２０の識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）ブイ４０の識別コード（８パルス）
（ｉｖ）ストップ信号（３パルス幅）
【００４０】
つまり、潜水艇２０から送られてきた信号に含まれる方位及び距離を表すデータを省いたものと同じ信号に、自分（ブイ４０）を表す識別データを付加した信号を全方向に発信する。
【００４１】
このように、潜水艇２０は、ブイ４０と一定の超音波信号のやりとりをすることで、その往復時間から、ブイ４０からの距離を特定することができる。距離が特定できた場合には、次（１秒後）の超音波の送信においては、図９（ａ）に示されるように、特定した距離を表すデータを含めた超音波を送信する。
（３）ブイ４０を基点とする自船の方位
【００４２】
潜水艇２０は、（ｉ）ブイ４０によるスキャンの開始時に発せられる真北を示すコードを含む超音波（真北信号）を受信してから、１０度単位の方位を示すコードが含まれた超音波（方位信号）を受信するまでの時間、及び、（ｉｉ）受信した方位信号に含まれる方位を示すコードに基づいて、ブイ４０を基点とする自船の方位を特定する。具体的には、図１０（ａ）の通信シーケンス図、図１０（ｂ）のブイ４０における送受信（ここでは、送信のみ）のタイミング図及び図１０（ｂ）の潜水艇２０における送受信（ここでは、受信のみ）のタイミング図に示されるように、ブイ４０は、まず、超音波送波器４８を構成する３６個の全ての振動子を用いて、真北を示すコード等を含ませた超音波を全方位に送信する（ステップＳ１１）。続いて、一定時間間隔ｔｓで、時計回りに、超音波送波器４８を構成する３６個の振動子を順次用いることで、１０度刻みに増加していく角度を表すコード等を含ませた超音波を送信していく（ステップＳ１２〜Ｓ１３〜Ｓ１４）。具体的には、まず、１０度に対応する振動子だけを用いて方位１０度を示すコードを送信し、次に、その振動子と時計回りに隣接する２０度に対応する振動子だけを用いて方位２０度を示すコードを送信する、というスキャンを１０度〜３５０度の方位について繰り返す。このような１回転のスキャンを終えたら、再び、同じスキャンを繰り返す。これによって、図４に示される指向特性のように、真北を開始とし、時計回りに、一定時間間隔及び１０度刻みの方位で、海中に向けて、鋭い水平面指向特性を持った超音波が順次、送信されていく。
【００４３】
一方、潜水艇２０は、全方位に発せられた真北信号を受信すると（ステップ１１）、タイマーをスタートさせ、次に方位信号を受信する（ステップＳ１３）までの時間Ｔｒを計測する。そして、その時間ｔｃと、予め分かっている上記時間間隔Ｔｄとから、以下の式に従って、ブイ４０を基点とする自船の方位θ（度）を特定する。
θ＝（ｔｃ／ｔｓ）・１０
【００４４】
このとき、潜水艇２０は、受信した方位信号に含まれる方位を示すコードからも、直接、自船の方位を知ることができる。したがって、潜水艇２０は、これら２つの方法で得られた方位を相互比較し、一致していることを確認したうえで、その方位を自船の方位と確定する。
【００４５】
なお、ブイ４０から送信される方位信号の水平面指向特性における広がり、潜水艇２０の位置、潜水艇２０が備える超音波受波器３０ｂの感度等により、潜水艇２０は、必ずしも、１種類の方位信号だけを受信するとは限らない。したがって、潜水艇２０は、複数の連続する方位コードを含む超音波を受信した場合には、信号強度が最も大きい超音波（及び、そこに含まれていた方位を示すコード）を採用することにより、１つの方位コードを特定する。
【００４６】
ただし、より高精度の位置検知が求められる場合には、潜水艇２０は、受信した複数の方位信号を用いることで、計算処理によって、より細かい方位を特定することもできる。例えば、受信した方位信号の中で、信号強度が最も大きいものと次に大きいものとを信号強度に応じて比例配分等することで、得られた計算上の超音波（及び、計算上の方位）を自船が受信したものと扱う。例えば、方位１３０度のコードを含む超音波と方位１４０度のコードを含む超音波とを略同じ強度で受信した場合には、それら２つの超音波を受信した時刻の中間に位置する時刻に、方位１３５度を示すコードが含まれた超音波を受信したものとして、上記方位の確認と確定処理を行う。
【００４７】
図１１は、ブイ４０から送信される方位検知用の信号の詳細な内容を示す図であり、図１１（ａ）は、スキャンの開始時（及び、再度のスキャンの開始時）に全方位に送信される真北信号のデータ構造を示し、図１１（ｂ）は、スキャン中における１つの方位に送信される方位信号のデータ構造を示す。なお、この送信においては、上述の距離測定における通信と区別するために、距離測定に用いられた搬送波の周波数とは異なる周波数の搬送波、例えば、２５０ｋＨｚ（波長は４μｓｅｃ）程度の搬送波（超音波）が使用され、１パルス（１ビット）幅を２００μｓｅｃ程度とするデジタル変調によって、情報が送受信される。
【００４８】
図１１（ａ）に示されるように、ブイ４０は、スキャンの開始点において、全方向に、以下のコードを含むを超音波を送信する（図１０（ａ）におけるステップＳ１）。
（ｉ）スタート信号（３パルス幅）
（ｉｉ）ブイ４０の識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）真北（０度）を表すコード（１０パルス）
（ｉｖ）ＧＰＳ４２で特定したブイ４０の位置（緯度）を表すデータ（各１０パルス）
（ｖ）ＧＰＳ４２で特定したブイ４０の位置（経度）を表すデータ（各１０パルス）
（ｖｉ）ストップ信号（４パルス幅）
【００４９】
また、ブイ４０は、図１１（ｂ）に示されるように、スキャン中においては、各方位ごとに、以下のコードを含む超音波を送信する（図１０（ａ）におけるステップＳ２〜Ｓ３〜Ｓ４）。
（ｉ）スタート信号（３パルス幅）
（ｉｉ）ブイ４０の識別コード（８パルス）
（ｉｉｉ）方位（角度）を表すコード（１０パルス）
（ｉｖ）ストップ信号（４パルス幅）
【００５０】
このように、潜水艇２０は、ブイ４０から送信される真北を示す信号と方位（角度）を示す信号とを受信することで、ブイ４０を基点とする方位を特定することができる。方位が特定できた場合には、距離測定のためのブイ４０への送信において、図９（ａ）に示されるように、特定した方位を表すデータを含めた超音波を送信する。
【００５１】
以上のようにして、本位置検知システム１０における潜水艇２０は、（１）自船の水深、（２）ブイ４０から自船までの直線距離、（３）ブイ４０を基点とする自船の方位に基づいて、海中におけるブイ４０を基点とする自船の３次元位置（相対位置）を知ることができる。そして、ブイ４０の地理的位置については、ブイ４０から送信された真北信号に含まれている緯度及び経度のデータから知ることができるので、ブイ４０の地理的位置とブイ４０からの相対位置（３次元位置）とを加算して計算することで、自船の３次元的地理的位置を知ることができる。
【００５２】
また、潜水艇２０の相対位置は、潜水艇２０からブイ４０を経由し、ブイ４０の地理的位置とともに基地局６０に通報される。したがって、このようなブイ４０の地理的位置、海中における潜水艇２０の３次元的な相対位置や地理的位置は、潜水艇２０の海中表示部２４やＧＰＳ水平表示部２６に表示されるだけでなく、基地局６０の海中表示部６４及び水平表示部６５にも表示され、監視される。
【００５３】
以上、本発明に係る位置検知システムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
例えば、本実施の形態では、浮体としてブイ４０が用いられたが、これに代えて、ブイ４０と同等の機能を有する装置を搭載した海上の船舶としたり、海底又は陸に固定された海面又は海中の固定通信局とすることもできる。同様に、移動体は潜水艇に限定されるものではなく、ダイバーが備える携帯型の通信装置であってもよい。
【００５４】
また、本実施の形態では、ブイ４０は、方位計４６が示す方位情報に基づいてスラスタ４５を制御することで、ブイ４０が一定の方位を向くように維持したうえで、超音波送波器４８から真北信号と方位信号を発信したが、これに代えて、方位計４６が示す方位情報に基づいて、動的に、超音波送波器４８を構成する振動子の中から真北を向いている振動子を決定し、その振動子を開始点として、真北信号と方位信号を発信してもよい。これによって、ブイ４０が一定の方位を向くためのスラスタ４５による制御が不要となる。
【００５５】
また、本実施の形態では、潜水艇の方位を特定するためのスキャン手段として、放射状に並べられた３６個の振動子の集まり（アレイ）からなる超音波送波器４８が用いられたが、１個の振動子又は１方向に超音波を送出する送波器を一定速度で機械的に回転させる方式を採用してもよい。
【００５６】
また、本実施の形態では、潜水艇２０からブイ４０を経て基地局６０に位置情報等が伝達されたが、通信の方向は、この方向に限定されるものではなく、基地局６０からブイ４０を経て潜水艇２０に指令等の情報を伝達させてもよい。具体的には、基地局６０と無線通信するための無線通信機器、電波と超音波とを双方向に変換するトランスデューサ、潜水艇２０と超音波で通信するための通信機器等をブイ４０に備えさせることで、ブイ４０を、潜水艇２０と基地局６０との通信中継局として機能させることができる。これによって、潜水艇２０は、海面に浮上することなく、海中にいたまま、陸上の基地局と交信することができる。
【００５７】
また、潜水艇２０の方位等の計測精度を向上させるために、海面の波動によるブイ４０の揺れに基づく計測値のばらつきを補正する機能をブイ４０内又は潜水艇２０内に設けてもよい。同様に、海水の質（塩分濃度や温度等）に基づく超音波信号の海中での伝播速度の変化等を考慮した計算処理を組み込むことで、潜水艇２０における距離計測の精度を向上させてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る位置検知システムによれば、海上に１個のブイ等の浮体を設置するだけで海中における潜水艇等の移動体の３次元位置を特定することができる。したがって、複数のトランスポンダを海底の正確な位置に設置するような手間は不要となる。
【００５９】
また、本発明に係る移動体は、浮体から発信される超音波信号を受信するだけで浮体からの方位を知ることができる。したがって、海底に設置された磁気マーカーからの磁気を３次元的に検出するためにブーム等の棒体を移動体（潜水艇）の艇体から外に延ばして設けるという必要がなく、安全である。
【００６０】
また、本発明に係る移動体は、浮体からの方位については、浮体から発信される真北信号を受信してから方位信号を受信するまでの時間と、方位信号に含まれる方位を示すデジタル値（コード）とから、それらを相互比較しながら最終的な方位を特定するので、外乱ノイズ等による影響を受けることなく、正確に自船の位置を決定することができる。
【００６１】
また、本発明に係る移動体は、水深計による水深の計測と、超音波による浮体との送受信による浮体からの距離の特定と、浮体から発信される真北信号及び方位信号の受信による方位の特定と、浮体から発信される真北信号に含まれる浮体の地理的位置の取得とを一定時間間隔で繰り返すことで、リアルタイムに自船の地理的３次元位置を知ることができる。
【００６２】
さらに、本発明に係る位置検知システムによれば、移動体で得られた位置情報は、浮体に送信され、浮体の地理的位置とともに、浮体から陸上の基地局に無線で通知される。したがって、基地局では、浮体の地理的位置とともに、移動体の３次元位置をリアルタイムに知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における潜水艇の位置検知システムの構成要素を示す図である。
【図２】潜水艇が備える位置検知装置の構成を示すブロック図である。
【図３】ブイの外観図である。
【図４】（ａ）は、ブイの超音波送波器の水平面での指向特性を示し、（ｂ）は、その垂直面での指向特性を示す。
【図５】ブイの構成を示すブロック図である。
【図６】基地局に備えられる船位測定システムの構成を示すブロック図である。
【図７】潜水艇の３次元位置の特定方法を示す図である。
【図８】（ａ）は、ブイから潜水艇までの距離を特定するための通信シーケンスを示す図であり、（ｂ）は、そのときの潜水艇における送受信のタイミング図であり、（ｃ）は、そのときのブイにおける送受信のタイミング図である。
【図９】（ａ）は、図８のステップＳ１における潜水艇からの送信信号のデータ構造を示す図であり、（ｂ）は、図８のステップＳ２におけるブイからの送信信号のデータ構造を示す図である。
【図１０】（ａ）は、ブイを基点とする潜水艇の方位を特定するための通信シーケンスを示す図であり、（ｂ）は、そのときのブイにおける送信のタイミング図であり、（ｃ）は、そのときの潜水艇における受信のタイミング図である。
【図１１】（ａ）は、図１０のステップＳ１１におけるブイからの真北信号のデータ構造を示す図であり、（ｂ）は、図１０のステップＳ１２〜Ｓ１４におけるブイからの方位信号のデータ構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 位置検知システム
２０ 潜水艇
２１ 水深計
２２ 潮流計
２３ ジャイロコンパス
２４ 海中表示部
２５ ＧＰＳアンテナ
２６ ＧＰＳ水平表示部
２７ コントローラ
２８、３１ 送受信部
２９ 超音波送波器
３０ａ、３０ｂ 超音波受波器
４０ ブイ
４１ アンテナ
４２ ＧＰＳ
４３ メインコントローラ
４４ 送信装置
４５ スラスタ
４６ 方位計
４７ スキャナコントローラ
４８、５０ 超音波送波器
４９ 距離・情報コントローラ
５１ 超音波受波器
５５ 太陽電池
５６ 電源部
６０ 基地局
６１ アンテナ
６２ 受信装置
６３ 信号変換装置
６４ 海中表示部
６５ 水平表示部
Claims (13)
- 水中における移動体の３次元位置を検知するシステムであって、
水上に設けられた浮体と水中を移動する移動体とから構成され、
前記浮体は、
前記移動体が送信した第１超音波信号を受信すると、一定時間後に、当該第１超音波信号に対応するコードを示す第２超音波信号を全方向に送信する送受信手段と、
所定の方位を示す第３超音波信号を全方向に送信した後に、一定の時間間隔で、一定の回転方向に、一定の角度だけ変化していく方位に向けて、順次、第４超音波信号を送信するスキャン手段とを備え、
前記移動体は、
当該移動体の水深を計測する水深計測手段と、
全方向に前記第１超音波信号を送信する送信手段と、
前記送信手段により第１超音波信号が送信されてから前記第２超音波信号を受信するまでの時間に基づいて、前記浮体から当該移動体までの距離を計測する距離計測手段と、
前記浮体が送信した第３及び第４超音波信号を受信し、それら第３及び第４超音波信号に基づいて、前記浮体を基点とする当該移動体の方位を特定する方位特定手段とを備える
ことを特徴とする位置検知システム。 - 前記浮体は、さらに、
当該浮体の地理的位置を特定する位置特定手段と、
特定した地理的位置を前記移動体に伝達する位置伝達手段とを備え、
前記移動体は、前記水深計測手段が特定した水深、前記距離計測手段が計測した距離及び前記方位特定手段が特定した方位に基づいて、前記浮体を基点とする当該移動体の相対位置を特定し、その相対位置と前記位置伝達手段によって伝達される前記浮体の地理的位置とから当該移動体の地理的位置を特定する
ことを特徴とする請求項１記載の位置検知システム。 - 前記位置伝達手段は、前記浮体の地理的位置を示すコードを前記第３超音波信号で前記移動体に伝達し、
前記移動体は、当該移動体の相対位置と前記第３超音波信号が示す前記浮体の地理的位置を示すコードとから、当該移動体の地理的位置を特定する
ことを特徴とする請求項２記載の位置検知システム。 - 前記方位特定手段は、前記第３超音波信号を受信してから前記第４超音波信号を受信するまでの時間に基づいて、前記浮体を基点とする当該移動体の方位を特定する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置検知システム。 - 前記スキャン手段は、前記第４超音波信号を送信する方位を特定するコードを当該第４超音波信号で送信し、
前記方位特定手段は、前記第３超音波信号を受信してから前記第４超音波信号を受信するまでの時間と、受信した第４超音波信号が示す方位を特定するコードとから、前記方位を特定する
ことを特徴とする請求項４記載の位置検知システム。 - 前記方位特定手段は、前記一定の角度だけ異なる２以上の第４超音波信号を受信した場合には、それら２以上の第４超音波信号の中から、信号強度の大きい２つを用いて前記方位を特定する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の位置検知システム。 - 前記送信手段は、当該移動体の識別コードを前記第１超音波信号で送信し、
前記送受信手段は、前記移動体が送信した第１超音波信号が示す識別コードを前記第２超音波信号で送信し、
前記距離計測手段は、前記送信手段により前記識別コードを示す第１超音波信号が送信されてから、当該識別コードを示す第２超音波信号を受信するまでの時間に基づいて前記距離を計測する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の位置検知システム。 - 前記位置検知システムには、前記移動体の位置を監視する基地局が含まれ、
前記送信手段は、前記識別コードに加えて、前記水深計測手段が特定した水深、前記距離計測手段が計測した距離及び前記方位特定手段が特定した方位を前記第１超音波信号で送信し、
前記浮体は、さらに、前記送受信手段が受信した前記第１超音波信号が示す識別コード、水深、距離及び方位を前記基地局に通報する通報手段を備える
ことを特徴とする請求項７記載の位置検知システム。 - 前記通報手段は、前記第１超音波信号が示す識別コード、水深、距離及び方位に加えて、前記位置特定手段が特定した地理的位置を前記基地局に通報する
ことを特徴とする請求項８記載の位置検知システム。 - 前記浮体は、海上に設けられたブイ又は船舶であり、前記位置特定手段で特定される当該浮体の地理的位置を維持するための推力手段を備える
ことを特徴とする請求項９記載の位置検知システム。 - 前記位置検知システムには、前記移動体と通信する陸上に設置された基地局が含まれ、
前記浮体は、前記基地局から送信された電波を受信し、超音波に変換して前記移動体に伝達するとともに、前記移動体から送信されてきた超音波を受信し、電波に変換して前記基地局に伝達する中継手段を備える
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の位置検知システム。 - 水中における移動体の３次元位置を検知する方法であって、
前記移動体に備えられた水深計によって前記移動体の水深を計測する水深計測ステップと、
前記移動体が全方向に第１超音波信号を送信し、その第１超音波信号を受信した水上に設けられた浮体が全方向に第２超音波信号を送信し、その第２超音波信号を受信した前記移動体が前記第１超音波信号を送信してから当該第２超音波信号を受信するまでの時間に基づいて前記浮体からの距離を計測する距離特定ステップと、
前記浮体が所定の方位を示す第３超音波信号を水中の全方向に送信した後に、指向性をもたせた第４超音波信号を一定の回転方向、一定の角度及び時間間隔でスキャン送信し、前記移動体が前記第３超音波信号を受信してから前記第４超音波信号を受信するまでの時間に基づいて、前記浮体を基点とする当該移動体の方位を特定する方位特定ステップと
を含むことを特徴とする位置検知方法。 - 前記第４超音波信号は、当該方位を特定するコードを示し、
前記方位特定ステップにおいて、前記移動体は、前記第３超音波信号を受信してから前記第４超音波信号を受信するまでの時間と、受信した第４超音波信号が示す方位を特定するコードとから、前記方位を特定する
ことを特徴とする請求項１２記載の位置検知方法。
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