JP4425624B2 - 移動体位置推定検出方法、装置及び移動体位置推定検出方法のプログラム - Google Patents

Description

本発明は、物理量を表す信号を３次元に検知し、移動体の位置を検出する移動体位置検出方法等に関するものである。特に等速直線運動を行っている移動体の位置等を推定、検出を行うためのものである。

従来、移動体の位置を検出する方法として、例えば、３軸磁気センサを用いて船舶が発生する磁気信号の直交３軸成分を検知し、３軸磁気センサと等速直線運動をする移動船舶との相対位置を最小自乗法を用いて算出するものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３３３４８４公報（図１）

しかしながら、上記のような方法は移動体が発生する磁気信号だけに基づいて相対位置を検出しており、移動体である船舶が消磁装置を装備している場合には船舶が発生する磁気信号は低減されてしまうため、位置検出が困難となる。またその他にも、信号の時系列データが複雑な場合、信号にノイズ（雑音）が重畳している場合等にも移動目標の位置等検出が困難であるという問題点があった。

そこで、本発明は上記のような問題点を解決し、より高精度に移動体の位置等を推定検出することができる方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明に係る移動体位置推定検出方法は、移動体に対して同位置にあるものとして設置した複数の検知手段が、移動体に係る２以上の物理量による信号を同時に受信していった時系列のデータから、位置推定検出手段が、各物理量による信号のデータを組み合わせる演算を行った後に、最小自乗法に基づいて少なくとも移動体の位置を推定検出するものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、直交３軸方向の成分毎に各物理量による信号を受信していくものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、移動体に対して同位置にあるものとして設置した複数の検知手段が、直交３軸方向の成分毎に同時に受信した、移動体から発生する２以上の物理量による信号を、データ収集手段が、データとして時系列に収集する工程と、また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、データ収集手段が収集したデータに対し、位置推定検出手段が、各物理量を組み合わせるための演算を行う工程と、位置推定検出手段が、演算により得られた値に対し、残差を用いた最小自乗法によりパラメータの値を決定する工程と、位置推定検出手段が、決定したパラメータの値に基づいて移動体の位置を推定検出する工程とを有するものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、位置推定検出手段が、一方の物理量の水平成分と他方の物理量の垂直成分との積を含む演算を行って各物理量を組み合わせるものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、位置推定検出手段が、一方の物理量のある方向成分と、他方の物理量のある方向成分以外の方向成分との積を含む演算を行って各物理量を組み合わせるものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、最小自乗法にはガウス・ニュートン法を適用するものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、物理量を電界及び磁界とするものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、位置推定検出手段が、移動体の速度及び２以上の物理量による信号の受信位置との最接近位置をさらに推定検出するものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法は、位置推定検出手段が、物理量の大きさ又はパラメータの値に基づいて移動体又はその種別を判断するものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出装置は、移動体に対してそれぞれ同位置とみなせる位置に設けられ、複数の物理量の信号を直交３軸方向の各成分で検知する複数の検知手段と、複数の検知手段がそれぞれ同時刻に検知した信号をデータとして記録するデータ記録手段と、複数の物理量の信号を組み合わせるために定義した関数に、データ記録手段に記録されたデータを代入して演算した値に対し、残差を用いた最小自乗法により算出したパラメータの値に基づいて移動体の位置を推定検出する検出手段とを備えたものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出装置の検出手段は、パラメータの値に基づいて移動体の速度及び複数の検知手段との最接近位置をさらに推定検出する。

また、本発明に係る移動体位置推定検出装置の検出手段は、物理量の大きさ又はパラメータの値に基づいて、移動体又はその種別を判断する。

また、本発明に係る移動体位置推定検出装置は、複数の検知手段が検知する物理量の信号は、電界、磁界の信号である。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法のプログラムは、移動体に対して同位置にあるものとして設置した複数の検知手段が、直交３軸方向の成分毎に同時に受信した、移動体から発生する２以上の物理量による信号を時系列に収集して得られたデータを、あらかじめ２つ以上の物理量を組み合わせるために定義した関数に代入して値を算出する工程と、代入して得られた値に対し、残差による最小自乗法を用いてパラメータの値を決定する工程と、決定したパラメータの値に基づいて移動体の位置を推定検出する工程とをコンピュータに行わせるものである。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法のプログラムは、パラメータの値に基づいて移動体の速度及び物理量の受信位置との最接近位置の推定検出をさらにコンピュータに行わせる。

また、本発明に係る移動体位置推定検出方法のプログラムは、物理量の大きさ又はパラメータの値に基づいて移動体又はその種別の判断をさらにコンピュータに行わせる。

本発明によれば、移動体に係る２以上の物理量による信号を受信した時系列のデータに基づいて、推定検出手段が少なくとも移動体の位置を推定検出するようにしたので、移動体が移動することにより生じる複数の物理量の変化に基づいて精度の高い位置等の検出を行うことができる。

また、本発明によれば、直交３軸方向の成分毎に信号を受信するようにしたので、３次元における位置等の推定検出を行うことができる。

また、本発明によれば、最小自乗法適用前に各物理量による信号のデータを組み合わせる演算を行うようにしたので、各物理量の信号を用いた場合の効果を単に合わせただけではなく、組み合わせることにより、距離が近づくほど信号の大きさを際立たせるようにし、また、ある物理量によるＳ／Ｎ比が不良であっても、他の物理量による信号が互いに補い合うように工夫した演算を行うことで、信号の受信状況にかかわらず位置等の推定検出精度が向上する。

また、本発明によれば、移動体から発生する２以上の物理量による信号をデータとして時系列に収集し、各物理量を組み合わせるための演算を行い、最小自乗法により決定したパラメータの値に基づいて移動体の位置を推定検出するようにしたので、移動体が移動することにより生じる複数の物理量に基づいて精度の高い位置等の推定検出を行うことができる。さらに、得られるデータを組み合わせて、単に各物理量の信号を合わせるよりも大きな信号を得るように工夫することで、さらに精度の高い位置等の推定検出を行うことができる。

また、本発明によれば、一方の物理量の水平成分と他方の物理量の垂直成分との積を含む演算を行うようにして各物理量を組み合わせるようにしたので、他の物理量による信号が互いに補い合うように工夫することで、信号の受信状況にかかわらず位置等の推定検出精度を向上させることができる。

また、本発明によれば、一方の物理量のある方向成分と、他方の物理量のある方向成分以外の方向成分との積を含む演算を行うようにして各物理量を組み合わせるようにしたので、他の物理量による信号が互いに補い合うように工夫することで、信号の受信状況にかかわらず位置等の推定検出精度を向上させることができる。

また、本発明によれば最小自乗法にガウス・ニュートン法を適用するようにしたので、計算時間の短縮を図りつつ、収束安定性のよい最小自乗法を適用し、位置等の推定検出をすばやく高精度に行うことができる。

また、本発明によれば、物理量を電界及び磁界とするようにしたので、移動によって電気的、磁気的な変化を起こす移動体（船舶等）に特に有効である。特に移動体が消磁されている場合でも電界に係る信号を受信することができ、精度の高い推定検出を行うことができる。

また、本発明によれば、決定したパラメータの値に基づいて、移動体の速度及び２以上の物理量の信号の受信位置との最接近位置（最小距離）をさらに推定検出することができる。

また、本発明によれば、物理量の大きさ又はパラメータの値とそれに対応した移動体又はその種別の特徴とを例えばデータベース化しておくことで、得られた信号、パラメータの値に基づいて移動体又はその種別も判断することができる。

また、本発明によれば、検知手段が複数の物理量の信号を直交３軸方向の各成分で検知し、データ記録手段が信号をデータ化して記録し、複数の物理量の信号を組み合わせるために定義した関数に記録したデータを代入し、さらに最小自乗法により算出したパラメータの値に基づいて移動体の位置を推定検出するようにしたので、移動体が移動することにより生じる複数の物理量に基づいて精度の高い位置等の推定検出を行うことができる。さらに、得られるデータを組み合わせて、単に各物理量の信号を合わせるよりも大きな信号を得るように工夫することで、さらに精度の高い位置等の推定検出を行うことができる。

また、本発明によれば、検出手段が、決定したパラメータの値に基づいて、移動体の速度及び２以上の物理量の信号の受信位置との最接近位置（最小距離）をさらに推定検出することで、位置以外の情報をさらに得ることができる。

また、本発明によれば、検出手段に物理量の大きさ又はパラメータの値とそれに対応した移動体又はその種別の特徴とを例えばデータベース化しておけば、得られた信号、パラメータの値に基づいて移動体又はその種別というさらに詳細な情報を得ることができる。

また、本発明によれば、移動体位置等推定検出装置は、複数の検知手段が検知する物理量の信号を電界及び磁界の信号とするようにしたので、移動によって電気的、磁気的な変化を起こす移動体（船舶等）に特に有効である。特に移動体が消磁されている場合でも電界に係る信号を受信することができ、精度の高い推定検出を行うことができる。

また、本発明によれば、移動体から発生する２以上の物理量による信号を時系列に収集したデータに対し、各物理量を組み合わせるための演算を行い、最小自乗法により決定したパラメータの値に基づいて移動体の位置を推定検出することをコンピュータに行わせるようにしたので、移動体が移動することにより生じる複数の物理量に基づいて精度の高い位置等の推定検出を行うことができる。さらに、得られるデータを組み合わせて、単に各物理量の信号を合わせるよりも大きな信号を得るように工夫することで、さらに精度の高い位置等の推定検出を行うことができる。

また、本発明によれば、パラメータの値に基づいて移動体の速度及び物理量の受信位置との最接近位置の推定検出をさらにコンピュータに行わせるようにしたので、位置以外の情報を得ることができる。

また、本発明によれば、移動体位置等推定検出方法のプログラムは、物理量の大きさ又はパラメータの値に基づいて移動体又はその種別の判断をさらにコンピュータに行わせるようにしたので、位置以外のさらに詳細な情報を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の第１の実施の形態に係る移動体位置等検出装置の構成ブロック図である。ここで本実施の形態では、電気（電力）及び磁気（磁力）を有し、移動により電場（電界）及び磁場（磁界）を変位させる移動体について、その位置等を検出する処理について説明する。図１において、電界検知器（電界センサ）１は電界強度を信号として検知（受信）し、電気信号（以下、電界信号という）に変換する（場合によっては、検知した他の電気的物理量に基づく信号に基づいて電界強度を算出した電気信号を電界信号とすることもある。また、光信号に変換した後に電気信号に変換する場合もある）。ここで、電界検知器１とは、各々直交する３つの検知手段を有する検知器又は３軸センサを表す検知器であり、直交（相対）座標系の３軸方向での検知ができるものとする。

また、磁気検知器（磁気センサ）２は、磁界（磁束密度）を信号として検知（受信）し、電気信号（以下、磁界信号という）に変換する（場合によっては、検知した他の磁気的物理量に基づく信号に基づいて磁束密度を算出した電気信号を磁界信号とすることもある）。磁気検知器２も、電界検知器１と同様に直交座標系の３軸方向での検知ができるものとする。ここで、厳密に言えば電界検知器１と磁気検知器２とを同位置に設けることができないので、それぞれの座標系の原点も異なるはずである。ただ、２つの検知器と移動体との間の距離と、２つの検知器間の距離とを比較すると、２つの検知器間の距離は無視できるほど小さいので、それぞれの座標系の原点を同じものとする。また、ここでは原点だけでなく、３軸の方向（座標系）も同じであるとする。

Ａ／Ｄ変換器３、４は、例えばサンプリング等の処理を施して、磁気検知器１、電界検知器２がそれぞれ検知した磁界信号、電界信号をそれぞれデジタル信号に変換する。ここで、Ａ／Ｄ変換器３、４は、同期してサンプリング等の処理を行っているので、同時刻に検知された電界信号、磁界信号をデジタル信号に変換することができる。
ただ、サンプリング周期と移動体の移動速度との関係で、厳密に同期させなくても移動体の位置変化が無視できる程度であれば、Ａ／Ｄ変換器３、４を１つの手段で構成するようにしてもよい。データ収集器５は、データ処理部５Ａとデータ記録部５Ｂで構成される。データ演算部５Ａは、デジタル信号に変換された３軸方向の磁界信号、電界信号及びそれらを検知した時刻を関連づける処理を行う、いわゆるデータベース管理システム（ＤＢＭＳ）である。データ記録部５Ｂは、記録装置で構成されており、磁界信号（３軸方向の成分）、電界信号（３軸方向の成分）及びそれらを検知した時刻をそれぞれデータとして、少なくとも一定時間分又は一定個数分記録する。このデータ収集器５はいわゆるデータベースの役割を果たす。

位置等推定検出器６は、データ収集器５に記録されたデータに基づいて移動体の位置等を推定演算し、検出する。ここで、通常、位置等推定検出器６は例えばＣＰＵ（Central Prosessing Unit ）を中心としたコンピュータ等のような演算処理手段で構成されている。そして、位置等の推定演算処理手順をあらかじめプログラム化したものを演算処理手段が実行し、そのプログラムに基づく処理を行うことで、上述した各部の機能を実現する。

また、本実施の形態の装置において必須の手段ではないが、接近検知器７、移動検知器８によって移動体の接近、移動を判断することで、例えばデータ収集器５での電界信号及び磁界信号の記録開始終了等を制御するようにしてもよい。そして、本実施の形態では後述するパラメータを少なくするために深度計９を電界検知器１及び磁気検知器２の近辺に備え、演算の際には計測された深度を既知の値として用いる。

本実施の形態は、移動体の位置等を推定演算し、検出する方法等を説明する。基本的には、電界、磁気、音響等、移動体によって変化する１つの物理量に基づく信号を検知できれば移動体位置を検出（推定）することが可能である。ただ、この場合、検知する信号が小さすぎたり、周囲の状況等によりノイズが重畳されたりすると検出精度が低くなる。したがって、精度の高い位置等の検出を行おうとすると、ある１つの物理量だけに依存するのは危険である。

そこで、本実施の形態は、複数の物理量の信号を検知してそれらの信号を加工した上で推定演算して検出するようにする。ここで、本実施の形態では電界及び磁気（磁界）の物理量の信号を検知する。そして、それらの物理量を組み合わせた関数を定義し、最小自乗法（特に非線形最小自乗法である。以下、単に最小自乗法という）を用いて位置等の検出を行う。具体的には、理論により得られた値と実測した信号から得られた値の残差の自乗和が 最小となるように、反復計算を行い、所定の収束条件を充たしたものと判断したときのパラメータの値に基づいて、位置等の算出を行う。ここで、定義した関数によっては、複数の物理量による信号を活かせない場合がある。そこで、本実施の形態では検知した信号をできる限り有効に活かせる関数を定義する。

ここで、以下、移動体という場合は、本実施の形態では船舶を想定して説明する。そのため、電気を伝導する媒質は海水であるものとする。また、電界検知器１及び磁気検出器２は海水中又は海底で固定されており、海上を移動する船舶との距離の高さ（深さ）成分の値（深度）は一定であるものとする（そして、この値は深度計９により既知である）。また、移動体は等速直線運動を行っているものとする。船舶との距離の高さ（深さ）成分の値（深度）を一定とするためには、例えば、ジンバル機構（図示せず）を用い、電界検知器１及び磁気検出器２について、これらを原点とする座標系のＺ軸と海面とが垂直に交わるように設置すればよい（ＸＹ平面は海面と平行となる）。また、例えば設置場所が凹凸によりジンバル機構を用いることができない場合、傾斜計（図示せず）を設け、傾斜計から得た電界検知器１及び磁気検出器２（移動体位置等検出装置）の傾きのデータに基づいて位置等推定検出器６が軸方向について補正を行い、演算を行うようにしてもよい。

図２は移動体の位置と電界信号との関係を表す図である。電界検知器１の直上近傍を移動体が等速直線運動で移動する場合、電界信号の３軸成分（Ｅ_X ，Ｅ_Y ，Ｅ_Z ）は、次式（１）〜（３）で表される。

Ｅ_X ＝｛（２Ｘ² −Ｙ² −Ｚ² ）Ｍ_ex＋３ＸＹＭ_ey｝
／（Ｘ² ＋Ｙ² ＋Ｚ² ）^5/2 …（１）
Ｅ_y ＝｛（２Ｙ² −Ｚ² −Ｘ² ）Ｍ_ey＋３ＸＹＭ_ex｝
／（Ｘ² ＋Ｙ² ＋Ｚ² ）^5/2 …（２）
Ｅ_z ＝｛３ＹＺＭ_ey＋３ＸＺＭ_ex｝
／（Ｘ² ＋Ｙ² ＋Ｚ² ）^5/2 …（３）
ここで、Ｘ，Ｙ，Ｍ_ex，Ｍ_eyについては、次式（４）〜（７）となる。
Ｘ＝ｘ₀ ＋Ｖｃｏｓα・ｔ …（４）
Ｙ＝ｙ₀ ＋Ｖｓｉｎα・ｔ …（５）
Ｍ_ex＝Ｍ_es・ｃｏｓα …（６）
Ｍ_ey＝Ｍ_es・ｓｉｎα …（７）

ただし、
Ｍ_es：Ｍ_e ／４πσ
Ｍ_e ：移動体の電気モーメント
σ ：海水の電気伝導度
ｔ ：時間
Ｖ ：移動体速度
α ：電界検知器１と移動体の移動方向とのなす角
ｘ₀ ，ｙ₀ ：移動体の初期位置
Ｚ ：電界検知器１と移動体との距離の高さ成分
を表す。

図３は移動体の位置と磁界信号との関係を表す図である。電界信号と同様に、磁気検知器２の直上近傍を移動体が等速直線運動で移動する場合、磁界信号の３軸成分（Ｈ_X ，Ｈ_Y ，Ｈ_Z ）は、ダイポール（双極子）磁気モーメントを用いて、次式（８）〜（１０）で表される。

Ｈ_X ＝｛（２Ｘ² −Ｙ² −Ｚ² ）Ｍ_mx＋３ＸＹＭ_my＋３ＺＸＭ_mz｝
／（Ｘ² ＋Ｙ² ＋Ｚ² ）^5/2 …（８）
Ｈ_y ＝｛３ＸＹＭ_ex＋（２Ｙ² −Ｚ² −Ｘ² ）Ｍ_my＋３ＹＺＭ_mz｝
／（Ｘ² ＋Ｙ² ＋Ｚ² ）^5/2 …（９）
Ｈ_z ＝｛３ＸＺＭ_ex＋３ＹＺＭ_my＋（２Ｚ² −Ｙ² −Ｘ² ）Ｍ_mz｝
／（Ｘ² ＋Ｙ² ＋Ｚ² ）^5/2 …（１０）
ここで、Ｍ_mx，Ｍ_my，Ｍ_mzについては、次式（１１）〜（１３）となる。
Ｍ_mx＝Ｍ_m ・ｓｉｎθ・ｃｏｓφ …（１１）
Ｍ_my＝Ｍ_m ・ｓｉｎθ・ｓｉｎφ …（１２）
Ｍ_mz＝Ｍ_m ・ｃｏｓθ …（１３）

ただし、
Ｍ_m ：移動体の磁気モーメント
θ ：磁気モーメントの方向と磁気検出器２のｘ軸方向とのなす角
φ ：磁気モーメントの方向と磁気検出器２のｙ軸方向とのなす角
である。他のパラメータは、電界信号の場合と同様である。

図４はデータ記録部５Ｂに記録するデータを行列で示した図である。データ収集器５は、３軸の電界信号のデータ（Ｅ_X ，Ｅ_Y ，Ｅ_Z ）及び磁界信号のデータ（Ｈ_X ，Ｈ_Y ，Ｈ_Z ）を、時刻データと関連づけて記録する。ここで、ｍ回のサンプリング（ｍの時刻）によるそれぞれのデータが記録されているものとする。

図５は移動体の位置と電界信号及び磁界信号との関係を表す図である。位置検出器６の移動体の位置を演算手順について説明するが、その前に電界信号による位置検出について説明する。電気モーメント数が１とした場合、式（１）〜（７）から考えて、電界信号（電界信号のデータ）から算出するパラメータの組は次式（１４）のようになる。

ａ_e ＝（Ｍ_es，ｘ₀ ，ｙ₀ ，Ｖ，α） …（１４）

そして各パラメータを調整し、最小自乗法により移動体の位置を推定する。ここで、最小自乗法の解法の１つであるガウス・ニュートン法を電界信号（電界信号のデータ）に適用すると、次式（１５）〜（１７）が成立する。

Ｐ_e ^tＰ_e ・Δａ_e ＝−Ｐ_e ^tｒ_e …（１５）
Ｐ_e ^tＰ_e ＝Ｐ_ex ^t Ｐ_ex＋Ｐ_ey ^t Ｐ_ey＋Ｐ_ez ^t Ｐ_ez …（１６）
Ｐ_e ^tｒ_e ＝Ｐ_ex ^t ｒ_ex＋Ｐ_ey ^t ｒ_ey＋Ｐ_ez ^t ｒ_ez …（１７）

ただし、
Ｐ_ex：ｘ軸方向の電界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
Ｐ_ey：ｙ軸方向の電界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
Ｐ_ez：ｚ軸方向の電界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
ｒ_e ：残差の自乗和
Δａ_e ：パラメータの修正値
である。

同様に、磁界信号による位置検出は、磁気モーメント数が１とした場合、式（８）〜（１３）から考えて、磁界信号（磁界信号のデータ）から算出するパラメータの組は次式（１８）のようになる。

ａ_m ＝（Ｍ_m ，ｘ₀ ，ｙ₀ ，Ｖ，α，θ，φ） …（１８）

そして各パラメータを調整し、ガウス・ニュートン法を磁界信号（磁界信号のデータ）に適用すると、次式（１９）〜（２１）が成立する。

Ｐ_m ^tＰ_m ・Δａ_m ＝−Ｐ_m ^tｒ_m …（１９）
Ｐ_m ^tＰ_m ＝Ｐ_mx ^t Ｐ_mx＋Ｐ_my ^t Ｐ_my＋Ｐ_mz ^t Ｐ_mz …（２０）
Ｐ_m ^tｒ_m ＝Ｐ_mx ^t ｒ_mx＋Ｐ_my ^t ｒ_my＋Ｐ_mz ^t ｒ_mz …（２１）

ただし、
Ｐ_mx：ｘ軸方向の磁界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
Ｐ_my：ｙ軸方向の磁界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
Ｐ_mz：ｚ軸方向の磁界信号の各パラメータの一階微分からなる行列
ｒ_m ：残差の自乗和
Δａ_m ：パラメータの修正値
である。

上述から考え、電界信号及び磁界信号を組み合わせて最小自乗法を適用することを考える。このとき、電界信号（電界信号のデータ）及び磁界信号（磁界信号のデータ）から算出するパラメータの組は次式（２２）のようになる。

ａ＝（Ｍ_e ，Ｍ_m ，ｘ₀ ，ｙ₀ ，Ｖ，α，θ，φ，ｄ） …（２２）

ただし、
ｄ：電気モーメントと磁気モーメントとの間隔
である。また、このパラメータを用いた関数を次式（２３）のように定義する。例えば、電界信号が表す電界強度又は磁界信号が表す磁界強度のどちらか一方が小さくても他方の信号が補う。そして、電界検知器１及び磁界検知器２と移動体との距離が近いほど高い値を示すような関数を定義することにより、精度の高い位置検出を可能とする。また、（２３）式は、解の収束性が安定しているので、信号の状態変動にも対応できる。

ｆ≡Ｈ_X・Ｅ_y＋Ｈ_y・Ｅ_z＋Ｈ_z・Ｅ_X …（２３）

そして、最小自乗法を（２３）式に適用する。最小自乗法を適用する際には、パラメータに対して初期値を与え、計算を行う。例えば、ｘ₀ ，ｙ₀ については、ｘ₀ ＝０、ｙ₀ ＝０（電界検知器１及び磁界検知器２の直上）を初期値とする。ここで、ｘ₀ ＝０、ｙ₀ ＝０は推定値ではあるが、実際のｘ₀ ，ｙ₀ に概ね近い値であるので、良好な算出結果を得ることができる。本実施の形態では、上記と同様にガウス・ニュートン法を適用し、次式（２４）を得る。ここでは計算時間と収束安定性とのバランス、関数との関係等を考慮した上で、ガウス・ニュートン法を基本としたレーベンベルグ・マルカート（Levenberg-Marquardt ）法を用いて行うことを想定しているが、ダンピング法、パウエル法等、ガウス・ニュートン法に基づく他の解法を用いてもよい。また、ガウス・ニュートン法でなくても、最急降下法等、他の非線形最小自乗法の解法を用いてもよい。

ここで、（２３）式により、磁界信号成分を表すデータと電界信号成分を表すデータとが組み合わされて演算される。そのため、（２２）式では電気モーメントＭ_e と磁気モーメントＭ_m の別々のパラメータを用いているが、その代わりに、ここではこれらを一体化した１つのパラメータ（Ｍ_em）を演算に用いる。

Ｐ^t Ｐ・Δａ＝−Ｐ^t ｒ …（２４）

ただし、
Ｐ：関数ｆの各パラメータの一階微分からなる行列
ｒ：理論値との残差の自乗和
Δａ：パラメータの修正値
である。

そして、残差の自乗和が所定の収束条件を満たすまで（例えば残差の自乗和が所定の値以下になる又は自乗和の変化率の減少が所定の値以下になるまで）反復計算を行う。ここで反復計算に当たり、移動体が最接近すると判断するまでの間は、実際の磁界信号、電界信号をそれぞれデジタル信号（サンプリング）化して得られた最新のデータに基づいて算出された値を、次の反復計算を行う際のｘ₀ ，ｙ₀ の初期値として用いる。そして、収束条件を満たし、決定されたパラメータ（ｘ₀ ，ｙ₀ ）に基づいて、ＣＰＡ（Closest Point of Approach ：最接近位置（ｔ＝０における位置））を推定、検出する。さらにパラメータＶ及びαを（４）、（５）式に代入することで、移動体の現在位置が推定、検出できる。

（２３）式の関数ｆは、電界信号、磁界信号のいずれか１つの信号に基づいて行われるパラメータ算出と比較して、ノイズ信号に対してロバスト性に優れた解法となる。そのため、移動体による電界信号及び磁界信号のＳ／Ｎ比が不良な場合でも位置検出精度が向上する。また、位置検出と同様に、最小自乗法により演算された各パラメータに基づいて、移動体の位置以外にも、移動体の速度、磁気モーメント及び電気モーメントの方向等に関するデータを得ることができる。

また、例えば移動体から発生される電気又は磁気的物理量、パラメータの値等のデータと移動体又はその種別のデータとを関連づけておけば、得られた電界信号のデータ、磁界信号のデータ、決定したパラメータの値から、移動体又はその種類を特定することもできる。

図６は信号に基づいた成分の比較結果を行った図である。図６（ａ）は本実施の形態の関数ｆに基づいて電界信号と磁界信号とが組み合わされた成分を表している。また、図６（ｂ）は磁界信号の成分を表し、図６（ｃ）は電界信号の成分を表している。横軸は移動体との距離を表している。図６（ｂ）及び図６（ｃ）では、約３０ｍあたりから信号変化が始まっているが、図６（ａ）では、移動体とある程度（約２０ｍ）接近するまではほとんど変化しない。そして、変化した場合には図６（ｂ）及び図６（ｃ）と比較すると急峻になっていることがわかる。このことからノイズ信号に対するロバスト性向上が期待される。

以上のように、第１の実施の形態によれば、電界検知器１、磁気検知器２がそれぞれ検知した３軸（直交座標軸）方向の電界信号、磁気信号に基づいて、データ記録部５Ｂに一定時間分又は一定個数分記録した磁界信号成分を表すデータと電界信号成分を表すデータから、位置等推定検出器６がそれらのデータを関数ｆに当てはめた上で最小自乗法を適用して、その中に含まれるパラメータの値を決定して、最接近位置、速度、位置等を推定演算し、検出するようにしたので、移動体（船舶）が移動することにより生じる複数の物理量（ここでは電界及び磁界）の変化を用いて精度の高い位置等の検出を行うことができる。また、位置等推定検出器６が最小自乗法を適用する場合に用いる関数ｆについて、磁界信号成分と電界信号成分とを組み合わせて互いの信号を補えるように定義したので、精度の高い位置検出等を行うことができる。さらに、最小自乗法の解法としてガウス・ニュートン法、特にレーベンベルグ・マルカート法を用いるようにしたので、計算時間の短縮を図りつつ、収束安定性のよい最小自乗法を適用し、位置等の検出をすばやく高精度に行うことができる。

実施の形態２．
上述の実施の形態では、（２３）式の関数ｆを定め、電界信号の垂直成分と磁界信号の水平成分、電界信号の水平成分と磁界信号の垂直成分との和によって、互いの信号を補うようにした。さらに関数ｆと同様に、例えば次のような関数ｆ’を適用することもできる。
ｆ’≡Ｈ_X・Ｅ_z＋Ｈ_y・Ｅ_x＋Ｈ_z・Ｅ_y …（２５）

この場合でも、電界信号と磁界信号とが互いの信号を補うように組み合わされた関数が定義でき、耐ノイズ性が高く、精度の高い位置検出をおこなうことができる。さらに、例えば（２６）式のような関数を適用することもできる。この関数は、磁界信号の水平成分（ｘ軸方向及びｙ軸方向）の２乗と電界信号の垂直成分（ｚ軸方向）の２乗との積及び電界信号の水平成分の２乗と磁界信号の垂直成分の２乗との積の和を表す。
Ｆ≡（Ｈ_X ²＋Ｈ_y ²）Ｅ_z ²＋（Ｅ_X ²＋Ｅ_y ²）Ｈ_z ² …（２６）
（２５）式、（２６）式等、これらの関数に対しても第１の実施の形態と同様に最小自乗法を適用し、パラメータの値を決定することで位置等の推定、検出を高精度に行うことができる。

実施の形態３．
また、上述の実施の形態では、電界及び磁界を物理量として、移動体の位置等の推定検出を行ったが、推定検出に用いる物理量を電界及び磁界に限定するものではない。例えば、音（大きさ、音圧）、光等に関する物理量を用いて移動体の推定検出を行ってもよい。

実施の形態４．
また、上述の実施の形態では、検知器が受信した直交３軸方向の信号成分のデータに基づいて３次元での位置等の推定検出を行ったが、例えば、２次元の位置等の推定検出にも用いることができる。その場合は、直交３軸方向の総ての信号成分を検知しなくてもよいこともある。

実施の形態５．
上述の実施の形態では、例えば移動体の磁気モーメントは１つとして説明した。実際には、例えば移動体の大きさ、移動体と磁気検知器２との距離、消磁装置等による磁気（磁界）の変動等によって、ある移動体に磁気モーメントが複数分布している場合がある。このような場合でも、上述した実施の形態で説明した方法を用いることができる。

ただ、各磁気モーメントから磁気検知器２に向かう磁界強度のベクトル方向はそれぞれ異なり、それに伴い、θ及びφの値も異なる。そのため、磁気検知器２により検知された磁界強度（磁界信号）中に、各磁気モーメントに基づく成分がどれだけ含まれているかを計算し、その上で最小自乗法等の適用をする。また、電気モーメントと各磁気モーメントとの間隔も異なるので、それぞれのパラメータｄも異なることを考える必要もある。

実施の形態６．
上述の実施の形態では、移動体として海上を進む船舶を想定しているが、本発明ではこれに限定されるものではない。例えば高さ（深度）方向の値が既知で一定である飛行機、潜水艇等の移動体については、上述の方法をそのまま適用することができる。

一方、移動体の高さ（深度）方向が未知の場合、パラメータが増えることになる。例えば、同じ電界信号（電界強度）及び磁界信号（磁界強度）でも、パラメータが特定できれば、上述の実施の形態のように、速度、モーメント、移動体の距離（位置）を推定、検出ができるが、パラメータが増えることで、上述の実施の形態をそのまま適用すると特定ができなくなる。

そこで、本実施の形態は、高さ（深度）方向として複数の値を設定しておき、それらを初期値として、高さ（深度）を既知とした上で演算を行う。その演算結果を用いて、さらにモーメントに対しても複数の値を初期値として２段階の演算を行う。

そして、残差の自乗和に閾値等の条件を設けておき、条件を満たさなければ、前提となる初期値の当てはめが間違っているものとし、算出結果として用いないようにする。条件を満たすものについては、例えば平均値等を算出して、その値に基づいて位置等の推定、検出を行うようにする。

ここで、本実施の形態では、初期値を設定したパラメータとして高さ（深度）及びモーメントを採用したが、他のパラメータを初期値として用いてもよい。また、２段の演算を行ったが、他のパラメータの初期値を設定し、３段以上の演算を行うようにしてもよい。

また、本発明はこれに限定されるものではなく、高さ（深度）方向が時間と共に一定に変化する移動体についても適用することができる。この場合には高さ（深度）方向の時間的変化を考慮して、高さ（深度）方向の速度に関する未知のパラメータもさらに加えた上で、上述の方法を適用し、最小自乗法等の演算を行うことになる。

本発明の第１の実施の形態に係る移動体位置等検出装置の構成ブロック図である。 移動体の位置と電界信号との関係を表す図である。 移動体の位置と磁界信号との関係を表す図である。 データ記録部５Ｂに記録するデータを行列で示した図である。 移動体の位置と電界信号及び磁界信号との関係を表す図である。 信号に基づいた成分の比較結果を行った図である。

符号の説明

１ 電界検知器、２ 磁気検知器、３、４ Ａ／Ｄ変換器、５ データ収集器、５Ａ データ処理部、５Ｂ データ記録部、６ 位置等推定検出器、７ 接近検知器、８ 移動検知器、９ 深度計。

Claims (16)

1. 移動体に対して同位置にあるものとして設置した複数の検知手段が、移動体に係る２以上の物理量による信号を同時に受信していった時系列のデータから、
   位置推定検出手段が、前記各物理量による信号のデータを組み合わせる演算を行った後に、最小自乗法に基づいて少なくとも前記移動体の位置を推定検出することを特徴とする移動体位置推定検出方法。
2. 直交３軸方向の成分毎に前記各物理量による信号を受信していくことを特徴とする請求項１記載の移動体位置推定検出方法。
3. 移動体に対して同位置にあるものとして設置した複数の検知手段が、直交３軸方向の成分毎に同時に受信した、移動体から発生する２以上の物理量による信号を、データ収集手段が、データとして時系列に収集する工程と、
   前記データ収集手段が前記収集したデータに対し、位置推定検出手段が、前記各物理量を組み合わせるための演算を行う工程と、
   前記位置推定検出手段が、演算により得られた値に対し、残差を用いた最小自乗法によりパラメータの値を決定する工程と、
   前記位置推定検出手段が、決定したパラメータの値に基づいて前記前記移動体の位置を推定検出する工程と
   を有することを特徴とする移動体位置推定検出方法。
4. 前記位置推定検出手段が、一方の物理量の水平成分と他方の物理量の垂直成分との積を含む演算を行って前記各物理量を組み合わせることを特徴とする請求項２又は３記載の移動体位置推定検出方法。
5. 前記位置推定検出手段が、一方の物理量のある方向成分と、他方の物理量の前記ある方向成分以外の方向成分との積を含む演算を行って前記各物理量を組み合わせることを特徴とする請求項２又は３記載の移動体位置推定検出方法。
6. 前記最小自乗法にはガウス・ニュートン法を適用することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の移動体位置推定検出方法。
7. 前記物理量を電界及び磁界とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の移動体位置推定検出方法。
8. 前記位置推定検出手段が、前記移動体の速度及び前記２以上の物理量による信号の受信位置との最接近位置をさらに推定検出することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の移動体位置推定検出方法。
9. 前記位置推定検出手段が、前記物理量の大きさ又は前記パラメータの値に基づいて前記移動体又はその種別を判断することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の移動体位置推定検出方法。
10. 移動体に対してそれぞれ同位置とみなせる位置に設けられ、複数の物理量の信号を直交３軸方向の各成分で検知する複数の検知手段と、
    前記複数の検知手段がそれぞれ同時刻に検知した信号をデータとして記録するデータ記録手段と、
    前記複数の物理量の信号を組み合わせるために定義した関数に、前記データ記録手段に記録された前記データを代入して演算した値に対し、残差を用いた最小自乗法により算出したパラメータの値に基づいて前記前記移動体の位置を推定検出する検出手段と
    を備えたことを特徴とする移動体位置推定検出装置。
11. 前記検出手段は、前記パラメータの値に基づいて前記移動体の速度及び前記複数の検知手段との最接近位置をさらに推定検出することを特徴とする請求項１０記載の移動体位置推定検出装置。
12. 前記検出手段は、前記物理量の大きさ又は前記パラメータの値に基づいて、前記移動体又はその種別を判断することを特徴とする請求項１０記載の移動体位置推定検出装置。
13. 前記複数の検知手段が検知する物理量の信号は、電界、磁界の信号であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の移動体位置推定検出装置。
14. 移動体に対して同位置にあるものとして設置した複数の検知手段が、直交３軸方向の成分毎に同時に受信した、移動体から発生する２以上の物理量による信号を時系列に収集して得られたデータを、あらかじめ前記２つ以上の物理量を組み合わせるために定義した関数に代入して値を算出する工程と、
    前記代入して得られた値に対し、残差による最小自乗法を用いてパラメータの値を決定する工程と、
    決定したパラメータの値に基づいて前記前記移動体の位置を推定検出する工程と
    をコンピュータに行わせることを特徴とする移動体位置推定検出方法のプログラム。
15. 前記パラメータの値に基づいて前記移動体の速度及び前記物理量の受信位置との最接近位置の推定検出をさらにコンピュータに行わせることを特徴とする請求項１４記載の移動体位置推定検出方法のプログラム。
16. 前記物理量の大きさ又は前記パラメータの値に基づいて前記移動体又はその種別の判断をさらにコンピュータに行わせることを特徴とする請求項１４記載の移動体位置推定検出方法のプログラム。

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