JP3968442B2

JP3968442B2 - 船体方位概定装置

Info

Publication number: JP3968442B2
Application number: JP2004353486A
Authority: JP
Inventors: 健一国枝; 晴和里見
Original assignee: 防衛省技術研究本部長
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP2006162406A

Description

本発明は、海を航行する船体の相対方位を概定する装置に係り、特に電界信号の検出手段を備えて、静的な電界信号を有する船体の相対方位を海中にて概定する船体方位概定装置に関する。

従来、電界信号により船体と検出器との位置偏奇量を推定する方法（下記特許文献１）があるが、この方法では航走もしくは停止している船体の相対的な方位を知ることは出来ない。

さらに、１個の検出器により移動目標の相対位置を推定する方法（下記特許文献２）があるが、この方法では船体が等速直線運動していない場合若しくは停止している場合には相対的な船体方位を知ることは出来ない。

また、複数の検出器を所定距離で配置し、それぞれの受信信号の差から移動目標の相対位置を検出する方法（下記特許文献３）があるが、複数の検出器を離して配置するため、装置の小型化が図れないこと及び配置に高精度を要するため製造が難しいという問題がある。

また、船舶が発生する振動を基に各成分の大きさを正規化した数値により船舶の直上通過を検出する方法（下記特許文献４）があるが、この方法は逆正接の計算を要するため、船舶の航走位置によっては計算値が極めて大きな値となるため産業上利用する場合においては係る状況を回避するための手段が必要となり実用性に乏しい問題がある。

上述の如く、磁気信号、音響信号又は船体振動を用いずに船体の相対的な方位を概定するための有効な方法が従来無かった。

特許第３１４８９８６号公報特許第３３９５１３６号公報特許第２５００３４７号公報特開平５−１８７９１２号公報

本発明は、上記の点に鑑み、１個所に配置した電界検出器を用いて、検出器から見た船体の相対方位を概定する船体方位概定装置を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明の船体方位概定装置は、相互に直交する第１及び第２の軸線上のそれぞれ２点の水中の電位差を検出する第１の電極の対及び第２の電極の対とを有し、さらに、前記第１及び第２の軸線の交点を通り前記第１及び第２の軸線に垂直な第３の軸線上で前記交点よりも上方の１点にある第３の電極を有し、水中に配置されて水中の電界を検知する電界検出器と、
前記第１の電極の対の電位差に比例した信号を出力する第１の電位差計と、
前記第２の電極の対の電位差に比例した信号を出力する第２の電位差計と、
前記第１の電極の対及び第２の電極の対の合計４点の電極の合成電位を計算する合成回路と、
前記第３の電極と前記合成電位との電位差に比例した信号を出力する第３の電位差計と、
前記第１及び第２の電位差計の出力から船体の水平面内の相対方位を計算する水平方位計算回路と、
前記第１、第２及び第３の電位差計の出力から船体の仰角を計算する仰角計算回路とを備えていることを特徴としている。

前記船体方位概定装置において、深度計を備えているとよい。

前記船体方位概定装置において、前記水平方位計算回路及び仰角計算回路の出力情報を保管するデータ記憶器をさらに備えるとよい。

本発明に係る船体方位概定装置はパッシブ方式である。すなわち本装置は、アクティブではないため周囲に影響を及ぼすことなく目標船の相対方位を概定できる。また、自然に海面に発生している電界雑音は存在せず、本装置を欺瞞することが難しい。すなわち、人工的にしか発生しえない電界を比較の対象とするため、従来の音響や磁気による検出方法と異なり、魚類等から発生する音響雑音や地磁気の変動による影響を受けない。また、船体が停泊している場合又は変速若しくは針路変更しながら航行している場合にも概定可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、船体方位概定装置の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に係る船体方位概定装置の実施の形態の全体的回路構成を示すブロック図、図２は実施の形態で用いる電極棒構造の斜視図、図３は装置全体の外観を示す斜視図をそれぞれ示す。

これらの図において、海底に設置された電界検出器１０は海底において水平配置されており、電極棒（端位置に電極を有する絶縁棒をいう。以下同じ。）１−１、同一構造でそれと同一水平面で直交する電極棒１−２、さらに片側のみ同一構造でこれらに直交する垂直配置の電極棒１−３を図２のように有している。そして各電極棒１−１，１−２の両端位置に、相互に直交する水平軸線の互いに離間した各々２点の水平方向電位差を検出する電極２−１，２−２及び２−３，２−４が内蔵、配置されている。前記２本の水平軸に直交する電極棒１−３の上端には電極２−５が内蔵、配置されている。ここでは、便宜上、電極棒１−１の置かれた水平軸線がＸ方向、電極棒１−２の置かれた水平軸線がＹ方向、電極棒１−３の置かれた垂直軸線がＺ方向であるものとする。

ここで、電極２−１と電極２−２の距離と、電極２−３と電極２−４の距離とは等しく、かつ船体の長さよりも十分短いものとする。

また、電極２−１と電極２−２を結ぶ直線と電極２−３と電極２−４を結ぶ直線との交点から見た各電極までの距離は相等しいものとする。

電極２−５は、電極２−１と電極２−２を結ぶ直線と電極２−３と電極２−４を結ぶ直線との交点の垂直上方に配置されており、その交点と電極２−５間の距離は前記電極２−１と電極２−２の距離若しくは電極２−３と電極２−４の距離と等しいものとする。

同一軸線上にある対をなした電極同士の出力（電位差）はそれぞれ電位差計に加えられる。つまり、Ｘ方向の電極棒１−１の両端位置の電極２−１，２−２の電位差は電位差計４−１で所定レベルまで電圧増幅される。同様に、Ｙ方向の電極棒１−２の両端位置の電極２−３，２−４の電位差は電位差計４−２で所定レベルまで電圧増幅される。

前記電極２−１、２−２、２−３及び２−４の各出力値は合成回路３に加えられる。合成回路３はこれら４個の電極の和を４で除した値を出力する。

合成回路３と前記電極２−５の出力（電位差）は電位差計４−３で所定レベルまで電圧増幅される。

ここで、電位差計４−１〜４−３は入力された電位差に比例した信号を出力するものとし、また、各電位差計の増幅度は等しいものとする。

本装置の深度情報（電界検出器１０の深度情報）は前記電極群のすぐ脇に設置された深度計６により検知する。

さらに電位差計４−１及び４−２の出力は水平方向計算回路５に加えられ、この水平方向計算回路５により船体の水平方向の相対方位が計算される。

また電位差計４−１〜４−３の出力及び深度計６の出力は電界検出器１０から見た船体の仰角を計算する仰角計算回路７に加えられる。

水平方向計算回路５及び仰角計算回路７により計算された結果（出力情報）はデータ収録器８に格納される。なお、図示は省略したが、本装置は時刻情報を得るための内蔵時計を備えている。

図２は３個の電極棒１−１，１−２，１−３の位置関係を示している。各電極棒１−１，１−２，１−３は互いに直交しており、かつ各電極棒が交わる箇所には内部への海水の浸入を防止した水密構造の接続箱９がある。なお、合成回路３，電位差計４−１，４−２，４−３、水平方位計算回路５，深度計６、仰角計算回路７、データ記憶器８等は前記接続箱９の中に格納されている。

図３は本装置の外観である。本装置は、電極２−１〜２−５を除き、海水に接触する外装ケース１１は全て非金属性材料の絶縁体で構成されている。

図４は水平方位計算回路５及び仰角計算回路７における計算内容を説明するためのものであり、図５及び図６は静的な電界信号を有する船体による海中での電界分布を説明するものである。

図４は本装置と船体１２との位置関係を表したものである。海底に設置された本装置を原点Ｏとし、電極棒１−１と同一直線上をＸ軸、電極棒１−２と同一直線上をＹ軸、電極棒１−３と同一直線上をＺ軸とする。また原点Ｏから見て電極２−１のある方位をＸ軸の正値、電極２−３のある方位をＹ軸の正値、電極２−５のある方位をＺ軸の正値とする。

図４において海面上の点Ｐを航行している船体１２からＺ軸に並行に海底に垂下した点をＱとする。このときＸ軸と直線ＯＱがなす角度をφとする。また直線ＯＱと直線ＯＰがなす角度をθとする。以下ではφについてはＸ軸を基準に反時計回りを正値とする。またθについては直線ＯＱを基準に反時計回りを正値とする。

図５は船体から発生する電界値を上空から見た場合における等電位線として表したものである。図５において船体近傍の電位が最も高くなる（発電機やスクリュー回転等の活動に起因する。）。すなわち等電位線Ｅｌ＞等電位線Ｅ２＞等電位線Ｅ３＞等電位線Ｅ４＞等電位線Ｅ５である。

図６は船体から発生する電界値を垂直断面から見た場合における等電位線として表したものである。図６において船体近傍の電位が最も高くなる。すなわち等電位線Ｅｚｌ＞等電位線Ｅｚ２＞等電位線Ｅｚ３＞等電位線Ｅｚ４である。

この実施の形態による船体方位の検出動作は以下の通りである。

初めに海底（又は海中）に設置された電界検出器１０の電極棒１−１内の対を成した電極２−１，２−２によりＸ方向の電位差を、電極棒１−２内の対を成した電極２−３，２−４によりＹ方向の電位差を、電極棒１−３内の電極２−５と前記合成回路３の出力によりＺ方向の電位差を検知する。つまり、前記の電極群が配置された海底側より、上向きに向かって海面からの電界値をモニターする。

この後、各電位差計４−１〜４−３により各電極棒内の対を成した２枚の電極間の電位差をそれぞれ差動増幅する。ここで電位差計４−１は電極２−１が電極２−２よりも大きい値であるときに正値を、電極２−２が電極２−１よりも大きい値であるときに負値を出力する。同様に電位差計４−２は電極２−３が電極２−４よりも大きい値であるときに正値を、電極２−４が電極２−３よりも大きい値であるときに負値を出力する。また電位差計４−３は電極２−５が合成回路３の出力値よりも大きい値であるときに正値を出力する。

前述のように、電極２−１と電極２−２の距離と、電極２−３と電極２−４の距離とは等しく、かつ船体の長さよりも十分短いものとし、電極２−１と電極２−２を結ぶ直線と電極２−３と電極２−４を結ぶ直線との交点から見た各電極までの距離は相等しいものとする。

前記電位差計４−１の出力値をｕ、電位差計４−２の出力値をｖとした場合、水平方位は近似的に次式で表される。

初めに電位差計４−１の出力値及び電位差計４−２の出力値から次の場合分けを行う。
ｕが零を超える値（正値）、ｖが０のときは条件０とする。
ｕ及びｖの両方が正値であるときは条件１とする。
ｕが０、ｖが正値のときは条件２とする。
ｕが負値、ｖが正値であるあるときは条件３とする。
ｕが負値、ｖが０のときは条件４とする。
ｕ及びｖの両方が負値であるときは条件５とする。
ｕが０、ｖが負値のときは条件６とする。
ｕが正値、ｖが負値であるときは条件７とする。
ｕ及びｖのいずれもが０のときには直上と判断し推定を終了する。

条件０が成立するときはφ＝０°、
条件２が成立するときはφ＝９０°、
条件４が成立するときはφ＝１８０°、
条件６が成立するときはφ＝２７０°とする。
条件０、条件２、条件４若しくは条件６のいずれも成立しない場合には水平方位は近似的に以下の式により表される。
φ＝ｔ＋４５°・（ｋ・△＋１） …（１）
但し、
ｔ：条件１が成立するときは０°、
条件３が成立するときは９０°、
条件５が成立するときは１８０°、
条件７が成立するときは２７０°とする。
ｋ：条件１が成立するときは１、
条件３が成立するときは−１、
条件５が成立するときは１、
条件７が成立するときは−１とする。
ｎ＝（ｕ^２＋ｖ^２）^１／２
△＝（｜ｖ｜−｜ｕ｜）／ｎ

本装置から見た船体の仰角は近似的に次式で表される。
θ＝４５°・（▽＋１） …（２）
但し、ｗは電位差計４−３の出力値であり
▽＝（｜ｗ｜−｜ｎ｜）／（ｗ^２＋ｎ^２）^１／２

図４において本装置と船体１２との直距離ＯＰの値Ｌは深度計から得られた深度値をｄとした場合、
Ｌ＝ｄ／ｃｏｓ（９０°−θ）で与えられる。

この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。

（Ａ）１個所に配置した電界検出器１０を用いて、該検出器１０から見た船体の相対方位を概定することができるため、装置の小型化を図ることが可能で、また、装置の配置に高精度が要求されることもない。

（Ｂ）水平方向の相対方位及び仰角は前記式（１）及び（２）により簡単に計算することが可能である。

（Ｃ）アクティブ方式ではないため、周囲に影響を及ぼすことなく目標船の相対方位を概定できる。

（Ｄ）人工的にしか発生しえない電界を比較の対象とするため、従来の音響や磁気による検出方法と異なり、魚類等から発生する音響雑音や地磁気の変動による影響を受けないで目標船の相対方位を概定できる。

（Ｅ）静的な電界信号により目標船の相対方位を概定するため、船体が停泊している場合又は変速若しくは針路変更しながら航行している場合にも方位の概定が可能である。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る船体方位概定装置の実施の形態の全体構成を示すブロック図である。実施の形態で用いる電界検出器の構成を示す斜視図である。実施の形態の外観を示す斜視図である。船体方位の計算内容を説明するための説明図である。船体が発生する電界信号の大きさを上空から見た場合を示す説明図である。船体が発生する電界信号の大きさを垂直面から見た場合を示す説明図である。

符号の説明

１−１〜１−３電極棒
２−１〜２−５電極
３合成回路
４−１〜４−３電位差計
５水平方位計算回路
６深度計
７仰角計算回路
８データ記憶器
９接続箱
１０電界検出器
１１外装ケース
１２船体

Claims

相互に直交する第１及び第２の軸線上のそれぞれ２点の水中の電位差を検出する第１の電極の対及び第２の電極の対とを有し、さらに、前記第１及び第２の軸線の交点を通り前記第１及び第２の軸線に垂直な第３の軸線上で前記交点よりも上方の１点にある第３の電極を有し、水中に配置されて水中の電界を検知する電界検出器と、
前記第１の電極の対の電位差に比例した信号を出力する第１の電位差計と、
前記第２の電極の対の電位差に比例した信号を出力する第２の電位差計と、
前記第１の電極の対及び第２の電極の対の合計４点の電極の合成電位を計算する合成回路と、
前記第３の電極と前記合成電位との電位差に比例した信号を出力する第３の電位差計と、
前記第１及び第２の電位差計の出力から船体の水平面内の相対方位を計算する水平方位計算回路と、
前記第１、第２及び第３の電位差計の出力から船体の仰角を計算する仰角計算回路とを備えていることを特徴とする船体方位概定装置。
深度計をさらに備えている請求項１記載の船体方位概定装置。
前記水平方位計算回路及び前記仰角計算回路の出力情報を保管するデータ記憶器をさらに備えている請求項１又は２記載の船体方位概定装置。