JP4494268B2 - 探知ブイ - Google Patents

Description

本発明は、移動体の位置等を推定等する探知ブイに関するものである。

従来から、水上、水中（特に海中）を移動する対象物（以下、移動体という）を探知等し、そのデータを収集等するために探知ブイ（bouy：浮標）が用いられている。探知ブイ（ソノブイ）が移動体を探知する際には、通常、音（音波）を信号とする（例えば特許文献１参照）。
特開平６−１７４４８６号公報

しかしながら、例えば移動体から発せられる音が小さい、ブイが発した音波を吸収して反射しない等、音を信号とした移動体の探知には限界が生じつつある。

そこで、本発明は上記のような問題点を解決し、より確実な方法で移動体を探知等することができる探知ブイを提供することを目的とする。

本発明に係る探知ブイは、電界を３軸方向の各成分でそれぞれ検知する３つの電界検知手段と、各電界検知手段の検知による信号を電界データとしてとして時系列に記録するデータ記録手段と、電界データの値が点電流源に係る電界の理論式を満足するように、あらかじめ定めた収束条件を満たすまで、残差を用いた最小自乗法による反復計算を行ってパラメータの値を決定し、決定したパラメータの値に基づいて少なくとも移動体の現在及び／又は将来の位置を推定する移動体探知器とを備える。

また、本発明に係る探知ブイは、電界を３軸方向の各成分でそれぞれ検知する３つの電界検知手段と、各電界検知手段の検知による信号を電界データとして時系列に記録するデータ記録手段と、データ記録手段に記憶された電界データの値が、移動体から直接発せられる電界成分と海水面及び海底面を境界として仮想的に設定した鏡像電極に基づく電界成分との和で表す式を満足するようなパラメータの値を、残差を用いた最小自乗法を適用して決定し、決定したパラメータの値に基づいて少なくとも移動体の位置を推定する移動体探知器とを少なくとも備える。

また、本発明に係る探知ブイの各電界検知手段を、それぞれの軸方向に合わせ、ブイ本体の外殻部分に設ける。

また、本発明に係る探知ブイの各電界検知手段は、それぞれ検知する軸方向に伸張する３つの伸張手段の先に設けられて本体内に収納され、各伸張手段が伸張すると、各電界検知手段が本体外に展開する。

また、本発明に係る探知ブイは、ＧＰＳ衛星から発せられる信号を受信するＧＰＳ信号受信手段をさらに備え、移動体探知器は、信号に基づいて、探知ブイ本体の位置を検出する。

また、本発明に係る探知ブイの移動体探知器は、パラメータの値に基づいて移動体の速度及び検知手段との最接近位置をさらに推定する。

また、本発明に係る探知ブイの移動体探知器は、電界の強度又はパラメータの値に基づいて、移動体又はその種別を推定する。

また、本発明に係る探知ブイは、データ記録手段が記録し及び移動体探知器が推定及び検出したデータを含む信号を無線で送信する無線通信装置をさらに備える。

本発明によれば、移動体により生じる電界を３軸方向に時系列に測定した電界データから、移動体探知器が点電流源に係る理論式を満足するようなパラメータの値を決定し、決定したパラメータの値に基づいて少なくとも移動体の現在及び／又は将来の位置を推定するようにしたので、より精確に位置等の推定を行うことができる。

また、本発明によれば、移動体である海面又は海中を航行する船舶により生じる電界を時系列に測定していき、数値化した電界データから、移動体探知器が、船舶から直接発せられる電界成分と海水面及び海底面を境界として仮想的に設定した鏡像電極に基づく電界成分との和で表す式を満足するようなパラメータの値を決定し、決定したパラメータの値に基づいて少なくとも移動体の現在及び／又は将来の位置を推定するようにしたので、より現実に近い結果を得るようにし、精確に位置等の推定を行うことができる。

また、本発明によれば、各電界検知手段をブイ本体の外殻部分に設けるようにしたので、既存の探知ブイの大きさを変更することなく設置することができ、従来から用いられている投下口、投下用機器等をそのまま利用することができる。また、電界検知手段間に他の機器を組み込むことができるので、さらに小型化を図ることもできる。

また、本発明によれば、伸張手段により展開して各電界検知手段の距離を広げるようにしたので、電界検知手段の分解能を高めることができる。また、投下前は本体内に収納するようにしたので、探知ブイを投下する際には邪魔にならなくてすむ。

また、本発明によれば、ＧＰＳ信号受信手段をさらに備えて、探知ブイ本体の緯度、経度の位置を検出するようにしたので、移動体探知器が推定した移動体との相対距離に基づいて、移動体の緯度、経度のデータも得ることができる。

また、本発明によれば、移動体探知器がパラメータの値に基づいて移動体の速度及び検知手段との最接近位置をさらに推定するようにしたので、移動体の位置以外に関するデータもさらに得ることができる。

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に基づいて、移動体又はその種別を推定するようにしたので、移動体の位置以外に関するデータもさらに得ることができる。

また、本発明によれば、移動体探知器が推定及び検出したデータを信号として通信する無線通信装置をさらに備えるようにしたので、無線通信により効率よくデータを得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る探知ブイの構成例を表す図である。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ’断面図を表す。また、図１は、本実施の形態における説明に必要な構成だけを示している。図１において、電界検知手段である電界センサ１は海中の電界（強度）を検知（受信）し、電気信号（以下、電界信号という）に変換する手段である（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）。

ここで、電界センサ１は、各々直交する方向の検知をする独立した３つのセンサで構成され、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。本実施の形態では、それぞれのセンサをＸ軸センサ１Ａ、Ｙ軸センサ１Ｂ、Ｚ軸センサ１Ｃとする。さらに移動体の探知、位置（探知ブイ（電界センサ１）との相対的な位置）等のデータを収集等をさらに精度高く行えるように、この３つのセンサを２組、探知ブイ本体１００に搭載している。Ｘ軸センサ１Ａ及びＹ軸センサ１Ｂは円筒型をなす探知ブイ本体１００の側面外殻（外壁）に、それぞれ９０゜の角度を有して設けられている。また、Ｚ軸センサ１Ｃは円筒の上面及び底面の外壁部分に設けられている。

電界センサ１を、３軸方向の検知を一体化して行う３軸センサで構成してもよいが、一体化した３軸センサの径が探知ブイ本体の径と合わなければ、別の位置に３軸センサを設けなければならず、そのためのスペースを必要とする。そこで、本実施の形態のように、各センサを独立させ、それぞれを探知ブイの外殻を利用して設置し、従来の探知ブイの径を利用した設置を行い、大きくならないようにした。そのため、航空機から探知ブイを投下する際に、従来から用いられている投下口、投下用機器等をそのまま利用することができる。また、各センサ間に他の機器を組み込むことができるので、さらに小型化を図ることもできる。

信号処理装置１０は、さらにＡ／Ｄ変換器１１、データ収集器１２、移動体探知器１３からなり、各種演算、探知ブイ内の装置の制御等を行う。Ａ／Ｄ変換器１１は、例えばサンプリング等の処理を施して、電界センサ１が検知した電界信号をそれぞれデジタル信号に変換する。データ収集器１２は、データ処理部１２とデータ記録部１２Ｂで構成される。データ処理部１２Ａは、デジタル信号に変換された３軸方向の電界信号及び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１２Ｂは記録装置で構成されており、３軸方向の電界信号及び検知した時刻等をそれぞれデータとして、例えば、移動体による電界信号を探知できなくなったと判断するまでデータを記録する。

移動体探知器１３は、データ収集器１２に記録されたデータ（物理量（電界強度）を表すデータ）に基づいて移動体の探知（有無の判断）を行い、探知したものと判断すると、移動体との相対位置（距離）、速度等を演算して、それらのデータをデータ収集器１２に記憶させる。ここで、移動体探知器１３は例えばＣＰＵ（Central Prosessing Unit ）を中心とするコンピュータ等の制御演算処理手段で構成されている。そして、移動体探知等のための演算処理手順をあらかじめプログラム化したものを制御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、後述する各式に基づく加減乗除等の演算、収束等の判断を行うことにより移動体の探知等を実現する。

パラシュート２０は例えば航空機から投下した探知ブイを海面に軟着水させる。水圧スイッチ３０は、水圧によってスイッチがオンし（投入され）、探知ブイは電池（バッテリー）４０による電源供給を開始し、動作を開始する。また、重錘５０は、探知ブイを海底に沈め、探知ブイ本体を所定の位置に固定するための錨（アンカー）となるものであり、巻き取り器６０の索により探知ブイ本体１００とつながれている。着水して沈む際に索が伸びて探知ブイ本体１００と分離する。

ＧＰＳ受信装置７０は、移動体の探知を終え、海上に浮上した際に、ＧＰＳ（Global Positioning System ）衛星から送信されるＧＰＳ信号を受信するための装置である。受信した信号を信号処理装置１０に送信する。送信されたＧＰＳ信号を移動体探知器１３が処理し、探知ブイのいる位置をデータ（例えば緯度、経度のデータ）として記録する。無線通信装置８０は、データ収集器１２のデータ記録部１２Ｂに記録されたデータを含む信号を、受信局（基地局、航空機内の受信装置等）に送信する。自沈器９０は、例えば無線通信装置８０によりデータを信号として送信した後、探知ブイ本体１００を沈めるために用いる。

次に移動体により海中に発生した電界（電界シグネチア（signature ））に基づいて、移動体探知器１３が行う移動体の探知、位置等の算出、推定処理について説明する。ここで、本実施の形態の移動体は、海上、海中を航走するものとして説明する。そのため、電気を伝導する媒質は海水であるものとする（したがって、電界センサ１は海中の電界強度を信号として検知する）。また、移動体は等速直線運動を行っているものとする。

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。海水は電解質溶液であるために海水中に異種金属が存在すると、電位差を生じる。この場合、イオン化傾向が大きい金属からイオン化傾向が小さい金属に電流が流れる。例えば移動体において、本体外板が陽極（鉄鋼）、プロペラが陰極（アルミ／銅）となり、プロペラ主軸を介して本体外板へ電流が戻ってくることにより閉回路が構成される。この電流が腐食電流である。また、このような腐食電流による金属の腐食を防止するため、防食電流を流すこともある。そのため、例えば海水に電流を流すための保護亜鉛や白金等の陽極電極が船体に設けられる。また、船尾部分に設けられているプロペラ、舵等は、海水を介して電流が流れ込む（電流を吸い込む）ための陰極電極として機能する。そして、これらは海水を流れる電流に対して、点電流源となる。

電界センサ１と移動体との距離が遠い又は陽極電極と陰極電極との間隔が短ければ、点電流源を双極子（ダイポール）とみなしてダイポールモーメントによる理論式を用いることができる。そうでない場合、現実の条件と式とが乖離してしまい、実測値に基づいて決定したパラメータの値が真の値と大きく外れ、精確な移動体の位置等の推定ができなくなる（実際に距離が近づくほど、高精度な位置等の推定が要求される場合もある）。そこで、本実施の形態では、単極子である点電流源に合わせた計算を行うことで、現実に沿った式に基づいて精確な移動体の位置等の推定ができるようにする。位置等の推定には最小自乗法（特に非線形最小自乗法である。以下、単に最小自乗法を用いる。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。

図３は移動体と点電流源との関係を表す図である。電界センサ１の直上近傍を移動体が等速直線運動で移動する場合、移動体に設けられた点電流源による電界信号の３軸成分（Ｅ_X ，Ｅ_Y ，Ｅ_Z ）は、次式（１）〜（３）で表される。

Ｅ_X ＝ΣＩ_σi・Ｘ_i／（Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋Ｚ_i ²）^3/2 …（１）
Ｅ_y ＝ΣＩ_σi・Ｙ_i／（Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋Ｚ_i ²）^3/2 …（２）
Ｅ_z ＝ΣＩ_σi・Ｚ_i／（Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋Ｚ_i ²）^3/2 …（３）

ここで、基準位置から第１の点電流源の位置Ｘ₁ ，Ｙ₁ を、
Ｘ₁ ＝Ｘ₀ ＋Ｖｃｏｓα・ｔ …（４）
Ｙ₁ ＝Ｙ₀ ＋Ｖｓｉｎα・ｔ …（５）
とし、
Ｘ_i ＝Ｘ₁ ＋ｄ_i ・ｃｏｓα・ｔ …（６）
Ｙ_i ＝Ｙ₁ ＋ｄ_i ・ｓｉｎα・ｔ …（７）
とする。

ただし、
Ｘ₀ ，Ｙ₀ ：基準位置
ｉ ：点電流源の個数（１，２，…）
Ｉ_σi：Ｉ_i ／４πσ₁
Ｉ_i ：各点電流源の電流量
σ₁ ：海水の電気伝導度（導電率）
ｔ ：時間
Ｖ ：移動体速度
ｄ_i ：第１の点電流源と各点電流源との船体長方向の間隔（１，２，…，ｉ−１）
Ｚ_i ：電界センサ１からの移動体の高さ
α ：電界センサ１のＸ軸方向と移動体の移動方向とのなす角
を表す。ここで、点電流源Ｉを点電荷Ｑとして見た場合、点電流源Ｉと点電荷ＱとはＩ＝σ・Ｑ／εの関係となる。εは誘電率である。また、ΣＩ_i ＝０、すなわち各点電流源の総和は０となる。

以上のようにして得られた電界の理論式において、実測した電界信号に基づく値との整合を図るために決定するパラメータ（未知）は、次式（８）のように設定される。
ａ_e ＝（Ｉ_σi，ｄ_i ，Ｘ₀ ，Ｙ₀ ，Ｚ_i ，Ｖ，α） …（８）

移動体探知器１３は、データ収集器１２に記録されたデータに基づいて、電界センサ１が実際に検知した電界に基づく値が理論式を満足させるために最小自乗法により各パラメータを調整してパラメータの値を決定し、決定した値に基づいて移動体の位置を推定する。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、基準位置Ｘ₀ ，Ｙ₀ については、Ｘ₀ ＝０、Ｙ₀ ＝０（電界センサ１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。最小自乗法には様々な方法があるが、本実施の形態ではガウス・ニュートン法を適用する。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。電界信号（電界信号のデータ）に適用すると、次式（９）〜（１１）が成立する。

Ｐ_e ^tＰ_e ・Δａ_e ＝−Ｐ_e ^tｒ_e …（９）
Ｐ_e ^tＰ_e ＝Ｐ_ex ^t Ｐ_ex＋Ｐ_ey ^t Ｐ_ey＋Ｐ_ez ^t Ｐ_ez …（１０）
Ｐ_e ^tｒ_e ＝Ｐ_ex ^t ｒ_ex＋Ｐ_ey ^t ｒ_ey＋Ｐ_ez ^t ｒ_ez …（１１）

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。

そして、移動体探知器１３は、（１１）式における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、実際の電界信号をそれぞれデジタル信号化（サンプリング、量子化）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））を推定する。さらに決定したパラメータＶ及びαの値を（４）、（５）式又は（６）、（７）式に代入することで、移動体の位置及び各点電流源の位置（船尾等）を推定できる。また、推定した現在位置、速度に基づいて、将来の位置についても予測等を行うこともできる。

また、例えば移動体から発生される電気的物理量、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、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４は探知ブイが投下から位置推定処理、信号送信等を終了するまでの過程を表す図である。航空機から探知ブイが投下されると、パラシュート２０が開き海上に着水する（ａ）。巻き取り器６０につながれている索が伸び、探知ブイ本体１００と重錘５０とが分離しながら沈む。海中に沈むことで探知ブイに加わる水圧により、水圧スイッチ３０がオンし、電池４０により電源投入がなされ、探知動作を開始する。電界センサ１が移動体にり生じた電界をとらえたものと判断すると、信号処理装置１０は、データ収集器１２にデータを記録し、また、上述した移動体の位置の算出推定等を行う（ｂ）。移動体の探知、データの収集等が終了したと判断すると、信号処理装置１０は、探知ブイ本体１００を重錘５０から切り離し、海上に浮上する。そして、ＧＰＳ受信装置７０はＧＰＳ衛星から発せられるＧＰＳ信号を受信し、探知ブイ本体１００の位置をデータとして記録する（ｃ）。さらに、無線通信装置８０が、データ記録部１２Ｂに記録されたデータを含む信号を受信局に送信する（ｄ）。送信終了後、自沈器９０が動作し、探知ブイ本体１００は海中に沈む。

以上のように、第１の実施の形態によれば、電界センサ１により検知した３軸（直交座標軸）方向の電界信号に基づいて、移動体探知器１３が、移動体の点電流源から流れる電流により生じる電界の理論式を用いて、最小自乗法を適用して電界信号に基づく値を満足するようにパラメータの値を決定し、決定した値に基づいて、移動体の位置（探知ブイと移動体との相対的な位置）等を推定するようにしたので、より精確に位置等の推定を行うことができ、移動体の探知、位置等の性能を高め、そのデータを含む信号を送信できる探知ブイを得ることができる。特に電界センサ１と移動体との距離が近い場合において、位置等の推定を行うには有効である。また、推定した現在位置、パラメータにより決定した速度に基づいて、将来の位置についても予測等を行うこともできる。

また、移動体の現在及び／又は将来の位置を推定するだけでなく、決定したパラメータの値に基づいて最接近位置、速度等も推定するようにすれば、移動体に関する詳細なデータを推定し、得ることができる。そして、例えば移動体による電界強度、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、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。さらに、プロペラ等が点電流源となるため、船尾の位置を特定することが可能である。そして、例えば磁界等の信号に基づいて、船首の位置を特定することができれば船体長を推定することができるし、移動体又はその種類を特定することもできる。

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・マルカート法又は修正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、位置等の推定をすばやく高精度に行うことができる。また、移動体に関するデータの収集が終了すると、浮上し、ＧＰＳ信号に基づいて、探知ブイ自身の位置（緯度、経度）を判断し、通信装置によりそれらのデータを含む信号を送信するようにしたので、探知ブイと移動体との相対的な位置関係だけでなく、移動体の緯度、経度も推定することができる。

実施の形態２．
図５は移動体における点電流源（電極）に対する鏡像点電流源（鏡像電極）を表す図である。海水中に生じる電界（これが電界信号となる）は、海水と導電率（電気伝導率（電気伝導度）又は比電気伝導度、誘電率。以下、これらを含めて導電率という）が異なる大気及び海底の境界（海水面及び海底面）の影響を最も大きく受けることが考えられる。そこで、鏡像理論を利用して移動体における点電流源に対する鏡像点電流源を仮想的において、すべての点電流源により生じる電界の和を海水に生じる電界（電界信号）とする（移動体の壁、海水温度等が電界に影響を与えることもあると考えられるが、すべての影響を考慮することは困難であり、また、無視できる程度の影響であるため、ここでは省略する）。

ここで、鏡像理論とは、例えば２種類の異なる誘電媒体（海水と大気、海水と海底）が界面（海水面、海底面）で接しているような場合に、一方の媒体中の電荷（点電流源、電極）によって生じる電界を、境界条件を考慮して直接解かず、実際には電荷のないもう一方の媒体中に仮想的に電荷（点電流源、電極）を設けて電界を求める手法である。この場合、境界条件を乱さずに電界を求めることができる。

本実施の形態では、仮想的に鏡像点電流源を設けて（置いて）電界の理論値を計算をすることで実測値との間のずれを少なくし、さらに精確な位置推定等を行う。移動体探知器１３の処理は異なるものの、第１の実施の形態の探知ブイと構成は同じであるので、本実施の形態でも図１を用いて説明する。

本実施の形態では（ａ）移動体における各点電流源Ａに対して、
（ｂ） （ａ）の点電流源と海水面を挟んで対になる鏡像点電流源（以下、鏡像点電流源Ｂという）
（ｃ） （ａ）の点電流源と海底面を挟んで対になる鏡像点電流源（以下、鏡像点電流源Ｃという）
（ｄ） （ｂ）の鏡像点電流源と海底面を挟んで対になる鏡像点電流源（以下、鏡像点電流源Ｄという）
の３つの鏡像点電流源を仮想的に置いてそれぞれの点電流源に係る電界を算出することとする。その他の条件に基づく鏡像点電流源も考えられるが、無視できるほど小さい値であるものとしてここでは省略する（鏡像点電流源Ｄも、場合によっては無視できることもある）。

移動体に設けた点電流源（電極）における電流値をＩ_A （第１の実施の形態におけるＩ_i ）とすると、仮想的点電流源の電流値Ｉ_B は次式（１２）で表される。同様に、電流値Ｉ_C 電流値Ｉ_D は次式（１３）、（１４）で表される。ここで、本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した（１）〜（３）で表される電界の各成分を（Ｅ_Ax，Ｅ_Ay，Ｅ_Az）として表すことにする。
Ｉ_B ＝（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_A ／（σ₁ ＋σ₂ ） …（１２）
Ｉ_C ＝（σ₁ −σ₃ ）Ｉ_A ／（σ₁ ＋σ₃ ） …（１３）
Ｉ_D ＝（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_A ／（σ₁ ＋σ₂ ） …（１４）

また、（１２）〜（１４）式に基づいて考えると、鏡像点電流源Ｂにより生じる電界は次式（１５）〜（１７）で表される。
Ｅ_Bx＝｛（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₂ ） ｝・Ｘ_i
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（−Ｚ_i）²｝^3/2 …（１５）
Ｅ_By＝｛（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₂ ）｝・Ｙ_i
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（−Ｚ_i）²｝^3/2 …（１６）
Ｅ_BZ＝｛（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₂ ）｝・（−Ｚ_i）
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（−Ｚ_i）²｝^3/2 …（１７）

同様に、鏡像点電流源Ｃにより生じる電界は次式（１８）〜（２０）で表される。
Ｅ_Cx＝｛（σ₁ −σ₃ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₃ ）｝・Ｘ_i
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（２Ｚｓ−Ｚ_i）²｝^3/2 …（１８）
Ｅ_Cy＝｛（σ₁ −σ₃ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₃ ）｝・Ｙ_i
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（２Ｚｓ−Ｚ_i）²｝^3/2 …（１９）
Ｅ_CZ＝｛（σ₁ −σ₃ ）Ｉ_σi／（σ１＋σ₃ ）｝・（２Ｚｓ−Ｚ_i）
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（２Ｚｓ−Ｚ_i）²｝^3/2 …（２０）

さらに、鏡像点電流源Ｄにより生じる電界は次式（２１）〜（２３）で表される。
Ｅ_Dx＝｛（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₂ ）｝・Ｘ_i
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（Ｚ_i−２Ｚｓ）²｝^3/2 …（２１）
Ｅ_Dy＝｛（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₂ ）｝・Ｙ_i
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（Ｚ_i−２Ｚｓ）²｝^3/2 …（２２）
Ｅ_DZ＝｛（σ₁ −σ₂ ）Ｉ_σi／（σ₁ ＋σ₂ ）｝・（Ｚ_i−２Ｚｓ）
／｛Ｘ_i ²＋Ｙ_i ²＋（Ｚ_i−２Ｚｓ）²｝^3/2 …（２３）

ここで、
σ₁ ：海水の導電率
σ₂ ：海底の導電率
σ₃ ：空気の導電率（＝０）
Ｚｓ：水深
である。

そして、電界（Ｅ_x ，Ｅ_y ，Ｅ_z ）は、最終的には、例えば次式（２４）〜（２６）のように各点電流源（点電流源）の和で表されることになる。ここで、環境条件等によってはすべての鏡像点電流源を考慮しない方が現実的となることもあるし、また、すべての項を加算すると計算量も多くなるので、（２４）〜（２６）式中、１又は複数の項を省略してもよい。
Ｅ_x ＝Ｅ_Ax＋Ｅ_Bx＋Ｅ_Cx＋Ｅ_Dx …（２４）
Ｅ_y ＝Ｅ_Ay＋Ｅ_By＋Ｅ_Cy＋Ｅ_Dy …（２５）
Ｅ_z ＝Ｅ_Az＋Ｅ_Bz＋Ｅ_Cz＋Ｅ_Dz …（２６）

以上により算出した（Ｅ_x ，Ｅ_y ，Ｅ_z ）に基づいて、第１の実施の形態と同様に、最小自乗法によりパラメータの値を計算し、決定する。ここで、本実施の形態においては、（８）式に示したパラメータの他に、例えば、σ₂ 、σ₁ −σ₂ 、σ₁ ＋σ₂ 等、海底の導電率σ₂ を含んだパラメータが追加される。ここでは、特にσ^* ＝（σ₁ −σ₂ ）／（σ₁ ＋σ₂ ）としたσ^* （導電率比）をパラメータとして追加することにする。したがって、位置推定等を行うためのパラメータは次式（２７）のように設定される。
ａ_e ＝（Ｉ_σi，ｄ_i ，Ｘ₀ ，Ｙ₀ ，Ｚ_i ，Ｖ，α，σ^* ） …（２７）

ここで、（２４）〜（２６）式において相似となるパラメータの組み合わせが存在するかどうかを検証する。電界信号は、位置、速度等の複数のパラメータの値が組み合わさることでその信号波形が形成される。相似とは、同一の電界信号波形であっても、値の組合せが無数にある場合をいう。このとき、その信号から推定する位置、速度等のパラメータが一意に決まらず、不定となる。相似となるパラメータは、次式（２８）において、ｋ＝１、ｋ’＝１以外で（２４）〜（２６）式を満たすｋ、ｋ’により決まるパラメータをいう。相似となるパラメータが存在すると、ｋ、ｋ’は任意の値を採ることができるため、その組み合わせは無限に存在することになり、移動体速度、初期位置等のパラメータの値が１組に決定できないことになる。
ａ_e ＝（ｋ’Ｉ_σi，ｄ_i ，ｋＸ₀ ，ｋＹ₀ ，ｋＺ_i ，ｋＶ，α，σ^* ）…（２８）

そして、（２７）式のパラメータに基づく（２４）〜（２６）式と、（２８）式のパラメータに基づく（２４）〜（２６）式との恒等式を考える。この恒等式を満たすｋ、ｋ’の値はたかだか有限個である。そして、これらの値の中で、数学的には存在したとしても、少なくとも現実的な移動体（特に船舶）の範囲内で採り得る値は、ｋ＝１、ｋ’＝１しか存在しない。（これは（２４）〜（２６）式における第２〜第４項のうち、１又は２の項を省略しても同じである。）したがって、（２４）〜（２６）式からは移動体の速度、初期位置等のパラメータを１組に決定することができる。これにより、海上、海中の移動体の速度、位置等も推定することができる。

ここで、決定したパラメータの値において、σ^* ＞１となることがある。この場合には、決定したパラメータの値に対して、以下に示す補正を行った値を、あらためてパラメータの値として決定する。σ^* ＞１の場合、移動体の移動方向は反転することになる（点電流源の方向関係もその方向に伴って反転する）。
補正後のＩ_σi：−Ｉ_σi（補正前）×σ^*（補正前）
補正後のα ：α（補正前）−１８０゜
補正後のσ^* ：１／σ^*（補正前）

以上のように第２の実施の形態によれば、海水面及び海底面での境界条件を考慮し、仮想的に鏡像点電流源（電極）を設け、船舶上の点電流源からの電界と鏡像点電流源（電極）による電界との和を船舶により生ずる電界として式を設定し、移動体探知器１３が、最小自乗法を適用して電界信号に基づく値を満足するようにパラメータの値を一意に決定し、決定した値に基づいて海面、海中を移動する移動体の現在及び／又は将来の位置等、移動体に関するデータを収集、演算することにより、より現実に近い結果を得るようにし、精確に位置等の推定を行うことができる。なお、海面を航行する船については、船の大きさ（重さ）によって、スクリュー、舵等、点電流源の深さも変わる（基本的に重いほど海面から深い位置となる）ことから、例えば、決定した点電流源の高さ（電界センサ１とのＺ軸方向の距離）のパラメータに基づいて、船舶の大きさ（重さ）を推定することもできるようになる。

実施の形態３．
上述の実施の形態では、電界センサ１を構成するＸ軸センサ１Ａ、Ｙ軸センサ１Ｂ、Ｚ軸センサ１Ｃを、それぞれ探知ブイ１００外殻に設けた。一般的に、センサ間の距離を大きくすれば分解能を向上させることができる。そこで、バネ等を有する伸張手段の先にＸ軸センサ１Ａ、Ｙ軸センサ１Ｂ、Ｚ軸センサ１Ｃをそれぞれ設けておき、着水後に弾性力により伸張手段の腕を延ばすようにして、センサ間の距離を広げるようにしてもよい。

実施の形態４．
上述した第１の実施の形態では、複数の点電流源（電極）が船長方向に一列に並べられたものとして説明を行った。ここでは、例えば複数の点電流源（特に陽極の点電流源）が幅方向の２列に配置された移動体を考慮した場合について考える。この場合、移動体長さ方向のパラメータであるｄ_i だけでなく、さらに次のパラメータｄ_wiを追加する。これにより、さらに理論式を現実のものに近づけることができ、精確に位置等の推定を行うことができる。
ｄ_wi：各点電流源の移動体幅方向の間隔

実施の形態５．
上述の第２の実施の形態においては、点電流源に基づく理論に対して鏡像理論を適用し、理論式を設定するようにしたが、これに限定するものではない。例えば、ダイポールモーメントに基づく理論においても、鏡像理論を適用して第２の実施の形態で説明したように、各媒体の誘電率から鏡像点電流源による電界の式の和を用いて理論式を設定することができる。また、信号として磁気を検知して位置等の推定を行う場合についても、最小自乗法に用いるための理論式に、透磁率が異なる媒体間において鏡像理論を適用することができる。

実施の形態６．
上述の実施の形態の探知ブイは、移動体による海中の電界強度に基づいて探知等を行った。例えば、電界に加え、音波（超音波）、磁界等に基づいて探知等を行うことで、探知等の精度を高めるようにしてもよい。

実施の形態７．
上述の実施の形態では、電界センサ１からの移動体の高さＺ_i をパラメータとして扱ったが、例えば、探知ブイ本体１００内に深度計を搭載しておけば、海上を航走する船舶は深度とほぼ同じになるので、Ｚ_i を既知の値として用いることができ、パラメータ（未知の変数）の数を少なくすることができる。

本発明の実施の形態１に係る探知ブイの構成例を表す図である。 移動体の位置と電界信号との関係を表す図である。 移動体と点電流源との関係を表す図である。 探知ブイが投下から位置推定処理、信号送信等を終了するまでの過程を表す図である。 移動体における点電流源に対する鏡像点電流源（電極）を表す図である。

符号の説明

１ 電界センサ
１Ａ Ｘ軸センサ
１Ｂ Ｙ軸センサ
１Ｃ Ｚ軸センサ
１０ 信号処理装置
１１ Ａ／Ｄ変換器
１２ データ収集器
１３ 移動体探知器
２０ パラシュート
３０ 水圧スイッチ
４０ 電池
５０ 重錘
６０ 巻き取り器
７０ ＧＰＳ受信装置
８０ 無線通信装置
９０ 自沈器
１００ 探知ブイ本体

Claims (8)

1. 電界を３軸方向の各成分でそれぞれ検知する３つの電界検知手段と、
   各前記電界検知手段の検知による信号を電界データとして時系列に記録するデータ記録手段と、
   前記電界データの値が点電流源に係る電界の理論式を満足するように、あらかじめ定めた収束条件を満たすまで、残差を用いた最小自乗法による反復計算を行ってパラメータの値を決定し、決定した前記パラメータの値に基づいて少なくとも移動体の現在及び／又は将来の位置を推定する移動体探知器と
   を備えることを特徴とする探知ブイ。
2. 電界を３軸方向の各成分でそれぞれ検知する３つの電界検知手段と、
   各前記電界検知手段の検知による信号を電界データとして時系列に記録するデータ記録手段と、
   該データ記録手段に記憶された電界データの値が、移動体から直接発せられる電界成分と海水面及び海底面を境界として仮想的に設定した鏡像電極に基づく電界成分との和で表す式を満足するようなパラメータの値を、残差を用いた最小自乗法を適用して決定し、決定した前記パラメータの値に基づいて少なくとも前記移動体の位置を推定する移動体探知器と
   を少なくとも備えることを特徴とする探知ブイ。
3. 前記各電界検知手段を、それぞれの軸方向に合わせ、ブイ本体の外殻部分に設けることを特徴とする請求項１又は２記載の探知ブイ。
4. 前記各電界検知手段は、それぞれ検知する軸方向に伸張する３つの伸張手段の先に設けられて本体内に収納され、各前記伸張手段が伸張すると、前記各電界検知手段が前記本体外に展開することを特徴とする請求項１又は２記載の探知ブイ。
5. ＧＰＳ衛星から発せられる信号を受信するＧＰＳ信号受信手段をさらに備え、前記移動体探知器は、前記信号に基づいて、前記探知ブイ本体の位置を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の探知ブイ。
6. 前記移動体探知器は、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検知手段との最接近位置をさらに推定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の探知ブイ。
7. 前記移動体探知器は、前記電界の強度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推定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の探知ブイ。
8. 前記データ記録手段が記録し及び移動体探知器が推定及び検出したデータを含む信号を無線で送信する無線通信装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の探知ブイ。
   

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