JP4968827B2 - Underwater positioning system and underwater positioning method - Google Patents
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Description
本発明は、水中に存在する物体の位置を知る測位システムおよび水中測位方法に関する。より詳しくは、双曲線航法による測位システムおよび水中測位方法に関する。 The present invention relates to a positioning system for knowing the position of an object existing in water and an underwater positioning method. More specifically, the present invention relates to a positioning system using hyperbolic navigation and an underwater positioning method.
近年、漁業分野や海洋調査などで漁具や海洋調査機器の水中における三次元位置をリアルタイムで測定するシステムが要求され始めている。これまでは、例えば漁具類の海中での状態は、模型網などを水槽で展開しその動きを解析して、実際の海中での状態を推定していた。しかし、実海域での操漁における漁具類の状態は、天候や海流などに大きく影響され、水槽実験における状態とは異なった状態となっていることが指摘されている。また、例えば魚類や無人探査機(Remotely Operated Vehicle)の行動把握においても、一般的に行動範囲が広く、追尾可能にその位置把握をすることが求められる。 In recent years, a system for measuring the three-dimensional position of fishing gear and marine survey equipment in water in real time has been required in the fishery field and marine surveys. Until now, for example, the state of fishing gear in the sea has been estimated by developing a model net in a tank and analyzing its movement to estimate the actual state in the sea. However, it has been pointed out that the state of fishing gear in maneuvering in the actual sea area is greatly influenced by the weather and ocean currents and is different from the state in the aquarium experiment. Further, for example, in grasping the behavior of fish and unmanned exploration vehicles (Remotely Operated Vehicles), it is generally required that the behavior range is wide and the position can be traced.
このような水中に存在する物体の位置の把握には、淡水、海水、汽水などの水質に関係なく、音響信号を利用した測位システムが一般的に採用されている。
ここで『水中に存在する物体』とは、静止物体に限らず移動体を含み、移動体はそれ自体が例えば魚類などのように自律的に移動可能な物体に限定されず、例えば漁具などのように水流に任せて移動するような物体などをも含む。また、それ自体は静止している静止物体であっても、これを測位する者が移動しているような場合は、この静止物体も相対的に移動体と看做せることに留意しなければならない。さらに『水中』とは、海、川、湖沼を問わずその水中を指す。本明細書では、『水中に存在する物体』を上記のような物体として理解し、以下、『測位対象物』ということにする。
In order to grasp the position of an object existing in the water, a positioning system using an acoustic signal is generally employed regardless of water quality such as fresh water, seawater, brackish water and the like.
Here, “an object present in water” includes not only a stationary object but also a moving body, and the moving body is not limited to an object that can move autonomously, such as fish. It also includes objects that move by leaving the water flow. Also, even if the object itself is stationary, if the person who measures it is moving, it must be noted that this stationary object can also be regarded as a relatively moving object. Don't be. Furthermore, “underwater” refers to the water regardless of the sea, river, or lake. In this specification, “an object existing in water” is understood as an object as described above, and is hereinafter referred to as a “positioning object”.
このような測位システムでは、測位対象物にピンガと呼ばれる音響信号発信機を装着し、その発信音を3箇所以上に設けた受信器で受信することで、測位対象物の位置を求めることが行われる(例えば特許文献1参照。)。 In such a positioning system, an acoustic signal transmitter called a pinga is attached to a positioning object, and the position of the positioning object is obtained by receiving the transmitted sound with receivers provided at three or more locations. (For example, refer to Patent Document 1).
あるいは、トランスポンダと呼ばれる音響信号装置を例えば海底に複数配置し、測位対象物にはレスポンダと呼ばれる音響信号装置を装着する測位システムもある(例えば特許文献2参照。)。この測位システムでは、トランスポンダから発信された応答要求音響信号を受信したレスポンダが応答音響信号を発信し、この応答音響信号をトランスポンダで受信し、各トランスポンダの敷設位置と、応答要求音響信号を発信してから応答音響信号を受信するまでの時間とから、レスポンダの位置、つまり測位対象物の位置を求める。また、例えば無人探査機などの測位対象物自体でその現在位置を求めたい場合には、測位対象物にトランスポンダを備え、海底に複数のレスポンダを敷設した測位システムを構成することが行われている。 Alternatively, there is a positioning system in which a plurality of acoustic signal devices called transponders are arranged on the seabed, for example, and a positioning target is equipped with an acoustic signal device called a responder (see, for example, Patent Document 2). In this positioning system, the responder that has received the response request acoustic signal transmitted from the transponder transmits the response acoustic signal, and the response acoustic signal is received by the transponder, and the laying position of each transponder and the response request acoustic signal are transmitted. The position of the responder, that is, the position of the positioning object is obtained from the time until the response acoustic signal is received. In addition, for example, when it is desired to obtain the current position of a positioning object such as an unmanned spacecraft, a positioning system in which a transponder is provided on the positioning object and a plurality of responders are laid on the sea floor is being configured. .
トランスポンダやレスポンダを用いた従来の測位システムでは、一般的にトランスポンダやレスポンダが海底などに固定して敷設されており、トランスポンダやレスポンダが敷設された海域が測位可能な範囲となっていた。従って、測位可能な海域外に測位対象物が移動した場合などでは、測位対象物の位置を求めることが困難であった。また、より広範囲の測位可能な海域を設定しようとすれば、多大な費用がかかるなどの問題もあった。さらに、トランスポンダやレスポンダは、一般的に、音響信号の発信手段のみならずその受信手段や例えば各トランスポンダ間でお互いの時計を同期するための時刻同期手段などを含むため、相当程度の大きさを有し、測位対象物が小型の場合や魚類などの場合には、トランスポンダやレスポンダを装着することが困難であった。 In a conventional positioning system using a transponder or a responder, the transponder or the responder is generally fixed and laid on the seabed, and the sea area where the transponder or the responder is laid is within a range where positioning is possible. Therefore, it is difficult to obtain the position of the positioning object when the positioning object moves outside the sea area where positioning is possible. In addition, there was a problem that it would be very expensive to set up a wider range of positioning capable sea area. Furthermore, since the transponder and the responder generally include not only an acoustic signal transmitting means but also a receiving means thereof, for example, a time synchronizing means for synchronizing each other's clock between the transponders, the size of the transponder and the responder is considerably large. In the case where the positioning object is small or a fish or the like, it is difficult to attach a transponder or a responder.
また、ピンガを用いた従来の測位システムでは、ピンガに例えば音響信号の発信時刻情報を発生するための時計回路やピンガの深度を計測するための深度計測手段などを搭載した場合には、上記同様、測位対象物が小型の場合や魚類などにピンガを装着することが困難であった。 Further, in a conventional positioning system using a pinga, when a clock circuit for generating transmission time information of an acoustic signal, a depth measuring means for measuring the depth of the pinga, etc. are mounted on the pinga, the same as above When the positioning object is small, it is difficult to attach a pinga to fish.
一方、ピンガに時計回路や深度計測手段などを搭載しない場合には、それぞれ異なる受信器によって受信したピンガからの音響信号の到達時間差からピンガの位置を求める。このため、有意な到達時間差を検出できるように、各受信器を、それぞれの間隔を相当程度に離して設置するのが一般的である。つまり、いわゆるLBL(Long Base Line)方式の双曲線航法でピンガの位置を求める。このような測位システムの場合、各受信器が例えば別々の船体やブイ(buoy)に設けられることになり、各受信器の位置の特定が別途必要になる上、測位対象物の移動に合わせた追尾の機動性が失われる。 On the other hand, in the case where a clock circuit, depth measuring means, and the like are not mounted on the pingers, the position of the pingers is obtained from the arrival time difference of the acoustic signals from the pingers received by different receivers. For this reason, it is common to install each receiver at a considerable interval so that a significant difference in arrival time can be detected. That is, the position of the pinga is obtained by so-called LBL (Long Base Line) type hyperbolic navigation. In the case of such a positioning system, each receiver is provided in, for example, a separate hull or buoy, and it is necessary to specify the position of each receiver separately, and in accordance with the movement of the positioning object. Tracking mobility is lost.
以上の諸問題からすると、SBL(Short Base Line)方式の双曲線航法でピンガの位置を求めることが望まれる。SBL(Short Base Line)方式の双曲線航法であれば、受信器とピンガとの間で時刻同期の必要が無く、さらに例えば1つの船体で複数の受信器を備える構成とすることが可能であり測位対象物の追尾にも優れ、あるいは測位対象物の追尾が不要の場合でも大規模な範囲で受信器を設置する必要が無いからシステム構築にかかる費用を低減できる。 From the above problems, it is desirable to obtain the position of the pinga by the SBL (Short Base Line) type hyperbolic navigation. In the case of SBL (Short Base Line) type hyperbolic navigation, there is no need to synchronize the time between the receiver and the pinga, and for example, it is possible to adopt a configuration in which a single hull is provided with a plurality of receivers. Even if tracking of an object is excellent, or tracking of a positioning object is unnecessary, it is not necessary to install a receiver in a large-scale range, so that the cost for system construction can be reduced.
しかしながら、SBL方式では、受信器間の基線長が例えば数メートル程度と短いため、有意の到達時間差を得ることが難しく、LBL方式の場合と同程度の測位精度を得ることが難しい。 However, in the SBL method, the base line length between the receivers is as short as several meters, for example, so that it is difficult to obtain a significant arrival time difference, and it is difficult to obtain the same positioning accuracy as in the LBL method.
そこで本発明は、SBL(Short Base Line)方式の双曲線航法で測位対象物の測位を行う測位精度の良い水中測位システムおよび水中測位方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an underwater positioning system and an underwater positioning method with high positioning accuracy that perform positioning of a positioning object by hyperbolic navigation of the SBL (Short Base Line) method.
上記課題を解決するために、本発明では、水中に存在する物体(測位対象物)に設けられた、音響信号を水中に発する発信手段と、少なくとも3個の、上記発信手段から発せられた音響信号を含む音響信号を受信可能な受信手段と、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を算出するとともに、上記受信手段の組み合わせを異にした相異なる2個の上記受信手段間で得られた複数の上記到達時間差を用いて、上記測位対象物の位置を特定する位置特定手段とを備えた水中測位システムであって、上記各受信手段によって受信された音響信号をデジタル信号である入力信号に変換するAD変換器を備えており、上記位置特定手段は、上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する上記各入力信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出手段と、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が上記信号検出手段によって検出された場合に、上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する相異なる上記入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出手段とを含む水中測位システムとされる。 In order to solve the above-mentioned problem, in the present invention, the sound emitted from at least three of the transmitting means and the transmitting means that emits an acoustic signal to the water provided in an object (positioning target) existing in the water. The difference between the receiving means capable of receiving an acoustic signal including a signal and the arrival time of the acoustic signals from the transmitting means received by two different receiving means is different, and the combination of the receiving means is different. An underwater positioning system comprising a position specifying means for specifying the position of the positioning object using a plurality of arrival time differences obtained between two receiving means, and received by each receiving means. An AD converter that converts the received acoustic signal into an input signal that is a digital signal, and the position specifying means corresponds to each of the acoustic signals received by the receiving means. Each of the input signals includes signal detection means for detecting whether or not a digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the transmission means is included, and a digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the transmission means When detected by the signal detection means, a correlation function calculation is performed for each lag value between the different input signals corresponding to the acoustic signals received by the reception means, and the peak value of the calculation result is given. An underwater positioning system is provided that includes arrival time difference calculating means for obtaining a difference in arrival time of acoustic signals from the transmitting means received by two different receiving means from lag values.
このように、デジタル信号処理を行うとし、さらに、発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が信号検出手段によって検出された場合に、各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する各入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行うことで、AD変換器のサンプリングレートに準じた分解能を実現できるものとなっている。 As described above, when digital signal processing is performed, and further, when a digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the transmitting unit is detected by the signal detecting unit, each of the acoustic signals received by each receiving unit is handled. By performing a correlation function calculation for each lag value between the input signals, it is possible to realize a resolution according to the sampling rate of the AD converter.
また、位置特定手段は、上記AD変換器のサンプリングレートよりも低いサンプリングレートで、上記各入力信号のデシメーションを行うデシメーション手段を含むとして、さらに上記信号検出手段が、上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する、上記デシメーション手段によってデシメーションされた上記各入力信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出するものとしてもよい。
これは、発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かの信号検出に先立ち、デシメーションを行うことで信号検出精度を良くする。この場合、相関関数演算に用いる入力信号のサンプリングレートは、信号検出に用いるデシメーションされた入力信号のサンプリングレートよりも大であるから、精度の良い到達時間差算出が担保される。
The position specifying means includes decimation means for decimation of each input signal at a sampling rate lower than the sampling rate of the AD converter, and the signal detection means is further received by the reception means. It is good also as what detects whether the digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the said transmission means is contained in each said input signal corresponding to each acoustic signal by the said decimation means.
This improves signal detection accuracy by performing decimation prior to signal detection as to whether or not a digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the transmission means is included. In this case, since the sampling rate of the input signal used for the correlation function calculation is larger than the sampling rate of the decimated input signal used for signal detection, accurate arrival time difference calculation is ensured.
また、本発明の水中測位方法は、水中に存在する物体(測位対象物)に設けられた発信手段によって、音響信号を水中に発する発信ステップと、上記発信手段から発せられた音響信号を含む音響信号を受信可能な、少なくとも3個の、受信手段によって、音響信号を受信する受信ステップと、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を算出するとともに、上記受信手段の組み合わせを異にした相異なる2個の上記受信手段間で得られた複数の上記到達時間差を用いて、上記測位対象物の位置を特定する位置特定ステップとを有する水中測位方法であって、上記受信ステップにおいて受信された音響信号をAD変換器によってデジタル信号である入力信号に変換するAD変換ステップを有し、上記位置特定ステップは、上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する上記各入力信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出ステップと、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が上記信号検出ステップにおいて検出された場合に、上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する相異なる上記入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出ステップとを含む方法とされる。 Further, the underwater positioning method of the present invention includes a transmitting step of transmitting an acoustic signal into water by a transmitting means provided on an object (positioning target) existing in water, and an acoustic including the acoustic signal generated from the transmitting means. A reception step of receiving an acoustic signal by at least three receiving means capable of receiving the signal and an arrival time difference of the acoustic signal from the transmitting means received by two different receiving means; An underwater positioning method comprising: a position specifying step for specifying a position of the positioning object using a plurality of the arrival time differences obtained between two different receiving means with different combinations of the receiving means. An AD conversion step of converting the acoustic signal received in the reception step into an input signal which is a digital signal by an AD converter; The position identifying step detects whether or not each input signal corresponding to each acoustic signal received by each receiving means includes a digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the transmitting means. And when the digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the transmitting means is detected in the signal detecting step, between the different input signals corresponding to the acoustic signals received by the receiving means. An arrival time difference calculating step for obtaining a difference in arrival time of the acoustic signals from the transmitting means received by two different receiving means from the lag value giving the peak value of the calculation result for each lag value. And a method including:
本発明によれば、受信手段で受信した音響信号に対してデジタル信号処理を行うとし、さらに、発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が信号検出手段によって検出された場合に、各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する各入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行うことで、AD変換器のサンプリングレートに準じた分解能を実現できるものとなっているから、各受信手段間の基線長が短いSBL方式の双曲線航法であっても、精度の良い測位が実現する。 According to the present invention, digital signal processing is performed on the acoustic signal received by the receiving unit, and each digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the transmitting unit is detected by the signal detecting unit. By performing a correlation function calculation for each lag value between each input signal corresponding to each acoustic signal received by the receiving means, it is possible to realize a resolution according to the sampling rate of the AD converter, Even with SBL hyperbolic navigation with a short base line length between receiving means, accurate positioning is realized.
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の水中測位システムは、SBL方式の双曲線航法で測位対象物の位置を求めるものである。SBL方式では、複数の受信手段(例えばハイドロフォン〔超音波受波器〕とする。)が、異なる2つハイドロフォン間の基線長がそれぞれ数メートル程度になるように配置される。ハイドロフォンの個数は、既知の情報の種類・数や必要とする情報の種類・数などによって変わりえる。例えば、ピンガ側とハイドロフォン側とで時刻が精確に同期していない場合であってピンガの3次元位置を知りたい場合には、最低4個のハイドロフォンが用いられる。また、ピンガ側とハイドロフォン側とで時刻が精確に同期していない場合であってピンガの2次元位置を知りたい場合は、最低3個のハイドロフォンが用いられる。以下の説明では、3次元位置を測定する場合を例に4個のハイドロフォンを用いた測位システム・方法を説明する。3個のハイドロフォンを用いて2次元位置を測位する場合は、下記説明のハイドロフォン(4)およびインデックスi、jにおいて4を除外して理解すればよい。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the underwater positioning system of the present invention obtains the position of a positioning object by SBL hyperbolic navigation. In the SBL method, a plurality of receiving means (for example, hydrophones [ultrasonic wave receivers]) are arranged so that the base line length between two different hydrophones is about several meters. The number of hydrophones can vary depending on the type and number of known information and the type and number of information required. For example, when the time is not accurately synchronized between the pinga side and the hydrophone side, and it is desired to know the three-dimensional position of the pinga, at least four hydrophones are used. In addition, when the time is not accurately synchronized between the pinga side and the hydrophone side and it is desired to know the two-dimensional position of the pinga, at least three hydrophones are used. In the following description, a positioning system and method using four hydrophones will be described taking the case of measuring a three-dimensional position as an example. When positioning a two-dimensional position using three hydrophones, it should be understood by excluding 4 in the hydrophone (4) and indexes i and j described below.
図1は、発信手段であるピンガ(5)および4個の受信手段であるハイドロフォン(1)〜(4)の位置関係を示したものである。4個のハイドロフォン(1)〜(4)は必ずしも同一平面上に在る必要はない。ピンガ(5)から発せられた音響信号(この実施形態では超音波パルスとする。)は、各ハイドロフォン(1)〜(4)で受信される。そして、SBL方式では、例えばハイドロフォン(1)およびハイドロフォン(2)によって受信したピンガ(5)からの超音波パルスの到達時間差、ハイドロフォン(1)およびハイドロフォン(3)によって受信したピンガ(5)からの超音波パルスの到達時間差、ハイドロフォン(1)およびハイドロフォン(4)によって受信したピンガ(5)からの超音波パルスの到達時間差、の3つの到達時間差を用いて、これら到達時間差に相当する距離差から得られる3つの双曲面の交点が求めるピンガ(5)の位置となる〔双曲線航法〕。 FIG. 1 shows the positional relationship between the pinga (5) as a transmitting means and the hydrophones (1) to (4) as four receiving means. The four hydrophones (1) to (4) do not necessarily have to be on the same plane. Acoustic signals (in this embodiment, ultrasonic pulses) emitted from the pinga (5) are received by the hydrophones (1) to (4). In the SBL method, for example, the arrival time difference of ultrasonic pulses from the pinga (5) received by the hydrophone (1) and the hydrophone (2), the pinga (1) received by the hydrophone (1) and the hydrophone (3) (3) These three arrival time differences are obtained using the difference in arrival times of ultrasonic pulses from 5) and the arrival time difference of ultrasonic pulses from pinga (5) received by hydrophone (1) and hydrophone (4). The intersection of three hyperboloid surfaces obtained from the distance difference corresponding to is the position of the pinga (5) to be obtained [hyperbolic navigation].
4個のハイドロフォン(1)〜(4)の位置座標をそれぞれ(xi,yi,zi)〔i=1,2,3,4〕、ピンガ(5)の位置座標を(x,y,z)とすると、ピンガ(5)から発せられた超音波パルスがi番目のハイドロフォン(i)に到達する時間tiは、式(1)で与えられる。cは、水中の音速である。
ハイドロフォン(1)およびハイドロフォン(j)によって受信したピンガ(5)からの超音波パルスの到達時間差Δtj1〔j=2,3,4〕は、式(2)で与えられる。
到達時間差Δtj1は、実際の計測値として得られる。そこで、計測した到達時間差からピンガ(5)の位置を求めるため、例えば逐次近似法によって、任意の初期位置を与えて繰り返し計算を行うことによってピンガ(5)の位置(x,y,z)を求めればよい。 The arrival time difference Δt j1 is obtained as an actual measurement value. Therefore, in order to obtain the position of the pinga (5) from the measured arrival time difference, the position (x, y, z) of the pinga (5) is obtained by repeatedly performing calculation by giving an arbitrary initial position by, for example, the successive approximation method. Find it.
ここで、ピンガ(5)および各ハイドロフォン(1)〜(4)の位置座標は、各ハイドロフォン(1)〜(4)を例えば船体に設置した場合、船体座標を基準座標系として表すことができる。例えば、船首方向をx軸、右舷方向をy軸、垂直方向をz軸とする。なお、各ハイドロフォンをブイなどに設置する構成でもよく、要するに同一の物体に設置する構成であればよい。もちろん、短い基線長となる配置であれば良いから、各ハイドロフォンを別々の物体に設置する構成も可能である。しかしながら、測位対象物に対する追尾を考えれば機動的な構成とするのが好ましい上、同一物体上に全てのハイドロフォンを設置すれば基線長が不変となるから、基線長を計測する機器類の増設が不要となる観点から、同一の物体に全てのハイドロフォンを設置する構成が好ましいといえる。 Here, the position coordinates of the pinga (5) and the hydrophones (1) to (4) are expressed as the reference coordinate system when the hydrophones (1) to (4) are installed on the hull, for example. Can do. For example, the bow direction is the x-axis, the starboard direction is the y-axis, and the vertical direction is the z-axis. In addition, the structure which installs each hydrophone in a buoy etc. may be sufficient, and what is necessary is just the structure installed in the same object in short. Of course, any arrangement that has a short baseline length is sufficient, and a configuration in which each hydrophone is installed on a separate object is also possible. However, considering tracking of the positioning object, it is preferable to have a flexible configuration, and if all hydrophones are installed on the same object, the baseline length will not change, so additional equipment for measuring the baseline length will be added. From the viewpoint of eliminating the need for the above, a configuration in which all hydrophones are installed on the same object is preferable.
船体座標から地球座標への転換は、例えばGNSS(Global Navigation Satellite System)コンパスを用いて行うことができる。GNSSコンパスでは、船首方位だけでなく、船体の動揺(ローリング及びピッチング)も計測することができる。 The conversion from the hull coordinates to the earth coordinates can be performed using, for example, a GNSS (Global Navigation Satellite System) compass. The GNSS compass can measure not only the heading but also the hull motion (rolling and pitching).
船体座標系において船首方向をx軸、右舷方向をy軸、垂直方向をz軸とし、船首方位をθc、船体のローリング角をθr、船体のピッチング角をθpとする。また、地球座標系において北方向をX軸、経度方向をY軸、鉛直方向をZ軸とする。
このとき、船首方位による船体座標系から地球座標系への座標変換は、式(3)および式(4)で与えられる。
At this time, the coordinate conversion from the hull coordinate system to the earth coordinate system based on the heading is given by Equation (3) and Equation (4).
また、船体のローリング角θr、船体のピッチング角θpは、それぞれ船体座標で計測されているので、地球座標系でのピッチング角θ′pは、式(5)で与えられる。
従って、ピッチングによる船体座標系から地球座標系への座標変換は、式(5)を用いて式(6)および式(7)で与えられる。式(6)で得られるXが地球座標系における測位対象物のX座標である。
また、ローリングによる船体座標系から地球座標系への座標変換は、式(8)および式(9)で与えられる。式(8)で得られるYが地球座標系における測位対象物のY座標であり、式(9)で得られるZが地球座標系における測位対象物のZ座標である。
SBL方式では、LBL方式に比べ、ピンガ(5)と各ハイドロフォン(1)〜(4)との距離(実線R1,R2,R3,R4)よりも基線長(破線B1,B2,B3,B4,B5,B6)は短い。従って、既述したとおり、測位対象物が各ハイドロフォンから遠方にある場合を考えれば明らかなように、例えば上記3つの到達時間差の間に有意な差異を認め難いことが多い。従って、従来のLBL方式の測位システムにおける時間差測定のような簡易な時間差の測定では、十分な測位精度を得ることができない。具体的には、従来では、ハイドロフォンで受信した超音波パルスをアナログアンプで増幅し、アナログフィルタでSN比を大きくし、信号受信時刻の差を到達時間差としていた。
In the SBL method, compared to the LBL method, the base line length (broken lines B 1 , R 4 ) is longer than the distance (solid lines R 1 , R 2 , R 3 , R 4 ) between the pinga (5) and each of the hydrophones (1) to (4). B 2, B 3, B 4 ,
これに対して本発明では、受信手段である受信器(ハイドロフォン)で受信した音響信号に対してデジタル処理を行う。高速、実時間性が要求される測位システムでは、アナログ回路で到達時間差を計測していたが、近時、デジタル処理能力(CPUなどの演算処理装置の演算処理能力、バスの伝送性能、メモリの読み書き速度など)が飛躍的に向上しており、デジタル処理を行うことでも遜色の無い実時間性を確保できる。加えて、デジタル処理において実現するデジタルフィルタでは、アナログフィルタに比べ、急峻な遮断特性を容易に実現することができ、近接した周波数の異なるピンガを選択する自由度の増大およびSN比の改善効果によって、計測性能を向上できる。 On the other hand, in the present invention, digital processing is performed on an acoustic signal received by a receiver (hydrophone) which is a receiving means. In positioning systems that require high speed and real-time performance, the difference in arrival time has been measured with an analog circuit. Recently, however, digital processing capability (the processing capability of arithmetic processing units such as CPUs, bus transmission performance, memory performance, etc.) (Read-write speed, etc.) has improved dramatically, and real-time performance comparable to digital processing can be secured. In addition, a digital filter realized in digital processing can easily realize a steep cutoff characteristic as compared with an analog filter, and has an increase in the degree of freedom for selecting a different pinga having a different frequency and an effect of improving the SN ratio. Measurement performance can be improved.
本実施形態の水中測位システムは、測位対象物に設けられた、音響信号を水中に発するピンガ(発信手段)と、ピンガから発せられた音響信号を含む音響信号を受信可能な4個のハイドロフォン(受信手段)と、相異なる2個のハイドロフォンによって受信したピンガからの音響信号の到達時間差を用いて、ピンガを装着された測位対象物の位置を特定する位置特定手段(50)とを備えた水中測位システムとされる〔図1、図2参照〕。
そして、測位対象物の位置特定を行う側においては、各ハイドロフォンによって受信された音響信号をデジタル信号である入力信号に変換するAD変換器を備えていて、上記の位置特定手段(50)は、各ハイドロフォンによって受信された音響信号それぞれに対応する各入力信号に、ピンガから発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出部(信号検出手段)と、ピンガから発信された音響信号に対応するデジタル信号が信号検出部によって検出された場合に、各ハイドロフォンによって受信された音響信号それぞれに対応する各入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記ハイドロフォンによって受信したピンガからの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出部(到達時間差算出手段)とを含むものとして構成される。
なお、より詳細には、本実施形態では、デジタル処理の構成要素として、直交検波を行う周波数ミキサ、デシメーションを行うデシメータ、デジタルフィルタであるローパスフィルタが明示的に位置特定手段(50)の構成要素となっている。
The underwater positioning system according to the present embodiment includes a pinga (transmitting means) that emits an acoustic signal in water and four hydrophones that can receive an acoustic signal including the acoustic signal emitted from the pinga. (Receiving means) and position specifying means (50) for specifying the position of the positioning object to which the pinga is attached using the difference in arrival time of acoustic signals from the pinga received by two different hydrophones. And an underwater positioning system (see FIGS. 1 and 2).
On the side where the position of the positioning object is specified, the position specifying means (50) includes an AD converter that converts the acoustic signal received by each hydrophone into an input signal that is a digital signal. A signal detection unit (signal detection means) that detects whether each input signal corresponding to each acoustic signal received by each hydrophone includes a digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the pinga; When a digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from the pinga is detected by the signal detection unit, a correlation function calculation is performed for each lag value between each input signal corresponding to each acoustic signal received by each hydrophone. The acoustic signal from the pinga received by the two different hydrophones from the lag value giving the peak value of the calculation result Configured to include the arrival time difference calculating section for determining the arrival time difference and the (arrival time difference calculating means).
In more detail, in this embodiment, a frequency mixer that performs quadrature detection, a decimator that performs decimation, and a low-pass filter that is a digital filter are explicitly included as components of the position specifying means (50). It has become.
以下、図2および図3を参照して、測位対象物の測位方法を説明する。
まず、ピンガ(5)が、例えば1秒間に1回程度に約10ms(ミリ秒)間、位置特定手段(50)とは非同期に、水中に音響信号を発信する(ステップS1)。そして、4個のハイドロフォン(1)〜(4)によって音響信号を受信する(ステップS2)。なお、ピンガは発信/非発信を交互に繰り返すから、各ハイドロフォンが受信する音響信号には、ピンガからの超音波パルスが含まれる場合もあれば含まれない場合もあることに留意しなければならない。
Hereinafter, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, the positioning method of a positioning target object is demonstrated.
First, the pinga (5) transmits an acoustic signal underwater asynchronously with the position specifying means (50) for about 10 ms (milliseconds) about once per second, for example (step S1). And an acoustic signal is received by four hydrophones (1)-(4) (step S2). It should be noted that since the pinga repeats transmission / non-transmission alternately, the acoustic signal received by each hydrophone may or may not include an ultrasonic pulse from the pinga. Don't be.
次に、ハイドロフォンで受信された音響信号をAD変換する(ステップS3)。
AD変換を行うAD変換器(10)は、周知技術のものとして構成される。AD変換におけるサンプリング周波数(以下、サンプリングレートとも云う。)も任意に設定でき、例えば1MHzでサンプリングを行う。ハイドロフォンで受信された音響信号は、AD変換器(10)によってサンプリングされてデジタル信号としての入力信号si〔i=1,2,3,4であり、添え字iはハイドロフォンを示す符号に対応している。〕に変換される。
Next, AD conversion is performed on the acoustic signal received by the hydrophone (step S3).
The AD converter (10) that performs AD conversion is configured as a known technique. A sampling frequency (hereinafter also referred to as a sampling rate) in AD conversion can be arbitrarily set. For example, sampling is performed at 1 MHz. The acoustic signal received by the hydrophone is sampled by the AD converter (10) and input signal s i [i = 1, 2, 3, 4 as a digital signal, and the subscript i is a code indicating the hydrophone. It corresponds to. ] Is converted.
次に、周波数ミキサ(12)(13)が、入力信号siに対して直交検波を行う(ステップS4)。
周波数ミキサ(12)(13)は、周知技術のものとして構成される。直交検波に用いる基準信号は、基準信号発生部(11)で発生されて、その周波数はピンガ(5)の周波数(市場において入手可能な一般的なピンガの周波数は、25kHz〜85kHz程度である。)と同じとされる。周波数ミキサ(12)からは基準周波数と同相成分であるI成分、周波数ミキサ(13)からは基準周波数と90°位相がずれた直交成分であるQ成分が出力される。なお、上記入力信号siは、メモリなどの記憶手段(図示せず。)に記憶保存される。
Next, the frequency mixers (12) and (13) perform quadrature detection on the input signal s i (step S4).
The frequency mixers (12) and (13) are configured as well-known techniques. The reference signal used for quadrature detection is generated by the reference signal generator (11), and the frequency thereof is the frequency of the pinga (5) (the frequency of a general pinga available on the market is about 25 kHz to 85 kHz. ). The frequency mixer (12) outputs an I component that is in-phase with the reference frequency, and the frequency mixer (13) outputs a Q component that is a quadrature component that is 90 ° out of phase with the reference frequency. The input signal s i is stored and stored in storage means (not shown) such as a memory.
次に、デシメータ(15)(16)が、周波数ミキサ(12)から出力されたI成分および周波数ミキサ(13)から出力されたQ成分のそれぞれに対してデシメーションを行う(ステップS5)。
デシメータ(15)(16)は、周知技術のものとして構成される。デシメータ(15)は、I成分に対して、デシメータ(16)はQ成分に対してデシメーションを行うが、このデシメーションでは、アンチエイリアシングを考慮したローパスフィルタによる帯域制限とダウンサンプリングが行われる。ダウンサンプリングの間引き率は任意に設定できる。
Next, the decimators (15) and (16) perform decimation on the I component output from the frequency mixer (12) and the Q component output from the frequency mixer (13) (step S5).
Decimators (15) and (16) are configured as well-known techniques. The decimator (15) decimates the I component and the decimator (16) decimates the Q component. In this decimation, band limitation and downsampling are performed by a low-pass filter taking antialiasing into consideration. The downsampling rate can be arbitrarily set.
続いて、デシメータ(15)から出力されたI成分およびデシメータ(16)から出力されたQ成分のそれぞれに対してローパスフィルタ(18)(19)による帯域制限を行う(ステップS6)。
ローパスフィルタ(18)(19)による帯域制限によってノイズや倍周波信号を除去される。以上の処理によって、ベースバンド信号のI成分およびQ成分を取り出す。
Subsequently, the I component output from the decimator (15) and the Q component output from the decimator (16) are subjected to band limitation by the low pass filters (18) and (19) (step S6).
Noise and double frequency signals are removed by band limitation by the low-pass filters (18) and (19). Through the above processing, the I component and Q component of the baseband signal are extracted.
以上のようにして、ハイドロフォンで受信された音響信号は、デジタル直交検波された上、ベースバンド信号のI成分およびQ成分として取り出され、I成分を実数部、Q成分を虚数部とする複素数に見立てて、振幅情報および位相情報のペアでこれらがメモリなどの記憶手段(図示せず。)に記憶保存される。I成分をI、Q成分をQとして代表すれば、振幅情報aはa=√(I2+Q2)で得られ、位相情報θはθ=tan−1(Q/I)で得られる。 As described above, the acoustic signal received by the hydrophone is subjected to digital quadrature detection and then extracted as an I component and a Q component of the baseband signal, and a complex number having the I component as a real part and the Q component as an imaginary part. Considering this, these are stored and stored in a storage means (not shown) such as a memory as a pair of amplitude information and phase information. If the I component is represented by I and the Q component is represented by Q, the amplitude information a is obtained by a = √ (I 2 + Q 2 ), and the phase information θ is obtained by θ = tan −1 (Q / I).
なお、以上では、アナログ直交検波の一般的な回路構成をデジタル直交検波にも適用した例で説明したが、例えば、ヒルベルト変換フィルタを用いて回路構成することもできる。記憶手段の記憶容量の節約の観点から、定期的に上記ステップS2〜S6の各処理を行い、記憶手段に記憶される振幅情報および位相情報を更新して、常に最新の振幅情報および位相情報が記憶保存されるようにしてもよい。この場合、記憶保存される振幅情報および位相情報の時間長は、少なくとも、ピンガ(5)の超音波パルスの発信時間よりも長くするのがよい。例えば、ピンガ(5)の超音波パルスの発信時間が10msであれば、記憶手段に記憶される振幅情報および位相情報は10msよりも長い20ms分になるようにする。 In the above, an example in which a general circuit configuration of analog quadrature detection is also applied to digital quadrature detection has been described. However, for example, a circuit configuration using a Hilbert transform filter may be used. From the viewpoint of saving the storage capacity of the storage means, the processes in steps S2 to S6 are periodically performed to update the amplitude information and phase information stored in the storage means, so that the latest amplitude information and phase information are always updated. It may be stored and saved. In this case, the time length of the amplitude information and the phase information stored and stored is preferably at least longer than the transmission time of the ultrasonic pulse of the pinga (5). For example, if the transmission time of the ultrasonic pulse of the pinga (5) is 10 ms, the amplitude information and the phase information stored in the storage means are set to 20 ms longer than 10 ms.
また、上記ステップS1〜S6の各処理は、各ハイドロフォン(1)〜(4)で受信された音響信号についてそれぞれ同時に行われる(図2参照)。 Moreover, each process of said step S1-S6 is each performed simultaneously about the acoustic signal received by each hydrophone (1)-(4), respectively (refer FIG. 2).
ここでは、本発明におけるデジタル処理の要点を説明したが、例えば上記ステップS2と上記ステップS3の各処理の間に信号の利得調整を行う処理を介入させてもよいし、AD変換における量子化など、上記説明の各処理に係る一般的なデジタル信号処理技術を測位システムの設計事項に応じて適用することも可能である。 Here, the essential points of the digital processing in the present invention have been described, but for example, a process for adjusting the gain of the signal may be interposed between the processes of Step S2 and Step S3, and quantization in AD conversion may be performed. It is also possible to apply general digital signal processing techniques related to each processing described above according to the design items of the positioning system.
上記ステップS3の処理に続いて、信号検出部(20)が、記憶手段に記憶保存された所定時間長(上記の例では20ms分)の、ハイドロフォン(1)で受信された音響信号から得た振幅情報a1、ハイドロフォン(2)で受信された音響信号から得た振幅情報a2、ハイドロフォン(3)で受信された音響信号から得た振幅情報a3、ハイドロフォン(4)で受信された音響信号から得た振幅情報a4を用いて、これらにピンガ(5)から発信された超音波パルスに対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する(ステップS7)。
ステップS7の処理に先立ち、ステップS5およびステップS6の処理が行われているから、誤判定が生じにくい信号検出が可能となっている。
具体例として、信号検出部(20)は、いずれかの振幅情報が予め設定された閾値であるトリガレベルを超えた場合に、ピンガ(5)から発信された超音波パルスに対応するデジタル信号のトリガを検出する。あるいは、信号検出部(20)は、最大レベルを有する振幅情報の累積分布を求め、累積値の急峻な変化によって上記トリガを検出する。信号検出部(20)のトリガ検出結果は、制御部(22)に通知される。
Subsequent to the processing in step S3, the signal detection unit (20) obtains from the acoustic signal received by the hydrophone (1) having a predetermined time length (20 ms in the above example) stored and stored in the storage unit. amplitude information a 1, the amplitude information a 2 obtained from the acoustic signal received by the hydrophone (2), amplitude information a 3 obtained from acoustic signals received by the hydrophone (3), in hydrophone (4) by using the amplitude information a 4 obtained from the received acoustic signal, to detect these on whether include digital signal corresponding to the outgoing ultrasonic pulses from pinger (5) (step S7).
Prior to the processing of step S7, since the processing of step S5 and step S6 is performed, signal detection that is unlikely to cause erroneous determination is possible.
As a specific example, the signal detection unit (20) outputs a digital signal corresponding to an ultrasonic pulse transmitted from the pinga (5) when any amplitude information exceeds a trigger level which is a preset threshold. Detect triggers. Or a signal detection part (20) calculates | requires the cumulative distribution of the amplitude information which has the maximum level, and detects the said trigger by the steep change of a cumulative value. The trigger detection result of the signal detection unit (20) is notified to the control unit (22).
制御部(22)は、トリガが検出されたというトリガ検出結果の場合、到達時間差算出部(24)による到達時間差算出処理が行われるように制御を行い、トリガが検出されなかったというトリガ検出結果の場合、上記ステップS1以降の処理が行われるように制御を行う(ステップS8)。 In the case of the trigger detection result that the trigger is detected, the control unit (22) performs control so that the arrival time difference calculation process by the arrival time difference calculation unit (24) is performed, and the trigger detection result that the trigger is not detected. In this case, control is performed so that the processing after step S1 is performed (step S8).
トリガが検出されると、到達時間差算出部(24)は、各ハイドロフォンで受信された音響信号がデジタルデータに変換された入力信号siを記憶手段から読み込み(図2では、丸囲み記号A、B、C、Dで示す。)、それらの間で相関関数を演算して到達時間差を算出する(ステップS9)。
ここで具体例を説明する。最大レベルを有する振幅情報を与えた入力信号を基準となる入力信号として、例えばこれをハイドロフォン(1)で受信した音響信号に対応する入力信号s1であるとする。到達時間差算出部(24)は、入力信号s1と入力信号s2、入力信号s1と入力信号s3、入力信号s1と入力信号s4とで式(10)の相互相関関数Rj1(m)を演算する。但し、j=2,3,4である。また、Nは入力信号のサンプリング点数である。さらに、相互相関関数R21(m)のピークポイントを与えるラグ値mをm2とし、相互相関関数R31(m)のピークポイントを与えるラグ値mをm3とし、相互相関関数R41(m)のピークポイントを与えるラグ値mをm4として、到達時間差算出部(24)は、式(11)を計算して到達時間差Δtj1を出力する。ここでfsは、入力信号のサンプリングレートである。
A specific example will be described here. Assume that an input signal given amplitude information having the maximum level is a reference input signal, for example, an input signal s 1 corresponding to the acoustic signal received by the hydrophone (1). The arrival time difference calculation unit (24) calculates the cross-correlation function R j1 of the equation (10) with the input signal s 1 and the input signal s 2 , the input signal s 1 and the input signal s 3 , and the input signal s 1 and the input signal s 4. (M) is calculated. However, j = 2, 3, and 4. N is the number of sampling points of the input signal. Furthermore, the lag value m that gives the peak point of the cross-correlation function R 21 (m) is m 2 , the lag value m that gives the peak point of the cross-correlation function R 31 (m) is m 3 , and the cross-correlation function R 41 ( The arrival time difference calculation unit (24) calculates the equation (11) and outputs the arrival time difference Δt j1 with the lag value m giving the peak point of m) as m 4 . Here, f s is the sampling rate of the input signal.
このように、本発明では、ピンガから発信された音響信号の信号検出をダウンサンプリングしたサンプリングレートで行なうことに対して、相関関数演算を入力信号siのサンプリングレートで行うことで到達時間差の算出精度をAD変換のサンプリングレートと同等程度としており、AD変換器のサンプリングレートに準じた分解能を実現できる。このためより良い精度でピンガの位置測定を行うことができるものとなっている。
具体例としては、AD変換のサンプリングレートを100kHzとした場合、10μsの分解能であり、水中の音響信号速度を1500m/sとすれば、距離1.5cmの分解能に相当する。一方、信号検出に伴うデシメーションを1/100で間引きした場合のサンプリングレートは1kHzとなり、これは1msの分解能であり、上記と同じ音響信号速度の場合、距離1.5mの分解能に相当する。
このように理論上は、位置特定誤差を数cm程度に抑えることができる。但し、双曲線航法による位置特定であるから、ピンガとハイドロフォンとの位置関係によって実際の測位精度とは異なることに留意しなければならない。
As described above, according to the present invention, the detection of the arrival time difference is performed by performing the correlation function calculation at the sampling rate of the input signal s i while performing the signal detection of the acoustic signal transmitted from the pinga at the down-sampled sampling rate. The accuracy is comparable to the sampling rate of AD conversion, and a resolution according to the sampling rate of the AD converter can be realized. For this reason, the position of the pinga can be measured with better accuracy.
As a specific example, when the sampling rate of AD conversion is 100 kHz, the resolution is 10 μs, and when the acoustic signal speed in water is 1500 m / s, the resolution corresponds to a distance of 1.5 cm. On the other hand, when the decimation accompanying signal detection is thinned by 1/100, the sampling rate is 1 kHz. This is 1 ms resolution, and the same acoustic signal speed as described above corresponds to a resolution of 1.5 m distance.
Theoretically, the position specifying error can be suppressed to about several centimeters. However, it must be noted that since the position is specified by hyperbolic navigation, the actual positioning accuracy differs depending on the positional relationship between the pinga and the hydrophone.
位置決定部(26)は、上記到達時間差Δtj1を入力とし、上記式(1)および式(2)を用いて船体座標系におけるピンガ(5)の位置を求める(ステップS10)。地球座標系におけるピンガ(5)の位置決定を行う場合には、GPSアンテナ(28)で得たGPS情報からGNSSコンパス(27)で船首方位・船体の動揺(ローリング及びピッチング)を求め、これらの情報も位置決定部(26)の入力として、上記式(3)〜式(9)によってピンガ(5)の位置を求める。ピンガ(5)の位置座標は、液晶ディスプレイなどの表示手段によって表示される。 The position determination unit (26) receives the arrival time difference Δt j1 as an input, and obtains the position of the pinga (5) in the hull coordinate system using the expressions (1) and (2) (step S10). When determining the position of the pinga (5) in the Earth coordinate system, the GNSS compass (27) determines the heading and hull motion (rolling and pitching) from the GPS information obtained by the GPS antenna (28). The information is also input to the position determination unit (26), and the position of the pinga (5) is obtained by the above formulas (3) to (9). The position coordinates of the pinga (5) are displayed by display means such as a liquid crystal display.
ここでは、1つのピンガ(5)の位置を求める例で説明したが、複数のピンガの位置を求める場合は、例えばピンガごとに発信周波数を変えればよい。この場合、上記直交検波の基準信号周波数を位置特定したいピンガの周波数に合わせて切り替えることでもよい。あるいは、特定のピンガの位置特定を行う上記測位システムをピンガごとに用意しておけば、同時に複数のピンガの位置特定を行うことができる。 Here, the example of obtaining the position of one pinga (5) has been described. However, when obtaining the positions of a plurality of pinga, for example, the transmission frequency may be changed for each pinga. In this case, the reference signal frequency of the quadrature detection may be switched according to the frequency of the pinga whose position is to be specified. Or if the said positioning system which performs the position specification of a specific pinga is prepared for every pinga, the position specification of a several pinga can be performed simultaneously.
位置特定処理をデジタル処理として行う上記の位置特定手段(50)は、例えば一般的なコンピュータで実現できる。このようなコンピュータのハードウェア構成例は次のとおりである〔図4参照〕。
位置特定手段(50)は、キーボードなどの入力装置が接続可能な入力部(51)、液晶ディスプレイなどの表示装置が接続可能な出力部(52)、AD変換器を接続可能であって、AD変換器によって得られた入力信号の入力を受ける信号入力部(53)、CPU(Central Processing Unit;54)〔キャッシュメモリなどを備えていてもよい。〕、メモリであるRAM(Random Access Memory)(55)、ROM(Read Only Memory)(56)やハードディスクである外部記憶装置(57)、並びにこれらの入力部(51)、出力部(52)、CPU(54)、RAM(55)、ROM(56)、外部記憶装置(57)間のデータのやり取りが可能なように接続するバス(58)などを備えている。また必要に応じて、位置特定手段に、CD−ROMなどの記憶媒体を読み書きできる装置(ドライブ)などを設けるとしてもよい。
位置特定手段(50)の外部記憶装置(57)には、上記ステップS4〜S10の各処理を可能にするためのプログラムおよびこのプログラムの処理において必要となるデータなどが保存記憶されている。また、これらのプログラムの処理によって得られるデータなどは、RAM(55)などに適宜に保存記憶される。
The position specifying means (50) for performing the position specifying process as a digital process can be realized by, for example, a general computer. An example of the hardware configuration of such a computer is as follows (see FIG. 4).
The position specifying means (50) can connect an input unit (51) to which an input device such as a keyboard can be connected, an output unit (52) to which a display device such as a liquid crystal display can be connected, and an AD converter. A signal input unit (53) that receives an input of the input signal obtained by the converter, and a CPU (Central Processing Unit; 54) [cache memory or the like may be provided. RAM (Random Access Memory) (55) as a memory, Read Only Memory (ROM) (56), an external storage device (57) as a hard disk, and their input unit (51), output unit (52), A CPU (54), a RAM (55), a ROM (56), a bus (58) connected so as to exchange data between the external storage devices (57), and the like are provided. Further, if necessary, the position specifying means may be provided with a device (drive) that can read and write a storage medium such as a CD-ROM.
The external storage device (57) of the position specifying means (50) stores and stores a program for enabling each processing of steps S4 to S10 and data necessary for the processing of the program. Further, data obtained by the processing of these programs is appropriately stored in the RAM (55) or the like.
東京海洋大学の実習艇“ひよどり”(排水量19トン)を用いて、本発明の水中測位システムによる測位対象物の測位実験を行った。この実験は、東京湾北部の水深約20mの海域で行った。実験時の天候は晴れ、水温は18.9℃で、実験時の音速は約1518m/sと計算された。 Using a training boat “Hiyodori” (19 tons of drainage) from Tokyo University of Marine Science and Technology, a positioning object was measured using the underwater positioning system of the present invention. This experiment was conducted in a sea area of about 20m in the northern part of Tokyo Bay. The weather during the experiment was clear, the water temperature was 18.9 ° C., and the sound speed during the experiment was calculated to be about 1518 m / s.
図5に、本実験におけるハイドロフォンの配置とピンガとの位置関係を示す。便宜的に釣竿に取り付けたピンガからの超音波パルスを、“ひよどり”の舷側から垂下した4個のハイドロフォンで受波するとした。ハイドロフォンは、“ひよどり”の船型と測位精度を考慮して、1個のハイドロフォンを他の3個のハイドロフォンよりも水深を下げた位置に配置した。ピンガは、1秒間に1回程度に約10ms(ミリ秒)間、水中に音響信号を発信する FIG. 5 shows the positional relationship between the arrangement of the hydrophone and the pinga in this experiment. For convenience, it was assumed that ultrasonic pulses from a pinga attached to a fishing rod were received by four hydrophones suspended from the side of the “hidori”. In consideration of the “hidori” hull form and positioning accuracy, one hydrophone was placed at a position where the water depth was lower than the other three hydrophones. Pinga emits an acoustic signal in water for about 10 ms (milliseconds) once a second.
4個のハイドロフォンで受信した音響信号のAD変換結果(入力信号)の一例を図6に示す。図6では、各ハイドロフォンに対応した4つの入力信号をグラフ縦軸の上下に並べて表示するために、各入力信号にバイアスをかけて表示している。なお、後掲の図7および図8は、図6に対応して表示している。図6に示す入力信号を直交検波し、振幅情報(受信レベル)を絶対値表示したものを図7に示す。さらに、トリガ検出用に、デシメーション処理および帯域制限処理を行って、受信レベルの絶対値を示したものを図8に示す。図8に示される4個のデシメーション済みの入力信号のうち、最大レベルを有するチャンネル1(ハイドロフォン(1)で受信した音響信号に相当する。)について累積分布を求めて信号検出を行った。これを図9に示す。
An example of the AD conversion result (input signal) of the acoustic signal received by four hydrophones is shown in FIG. In FIG. 6, in order to display four input signals corresponding to each hydrophone side by side on the vertical axis of the graph, each input signal is displayed with a bias. Note that FIG. 7 and FIG. 8 described later are displayed corresponding to FIG. FIG. 7 shows a case where the input signal shown in FIG. 6 is subjected to quadrature detection and the amplitude information (reception level) is displayed as an absolute value. Further, FIG. 8 shows the absolute value of the reception level after performing decimation processing and band limitation processing for trigger detection. Of the four decimated input signals shown in FIG. 8,
信号検出に成功し、各ハイドロフォンで受信した音響信号に相当する入力信号について20ms間分をメモリから読み込む。これらの入力信号(デジタルデータ)を示したものが図10である。図10に示すように、チャンネル1について信号検出時刻とほぼ同じタイミングで各ハイドロフォン(2)(3)(4)がピンガからの超音波パルスを受信していることがわかる。アナログ処理ではこれらの到達時間差を精度良く求めることは難しかったが、デジタル処理を行うことでこの点の問題は解消される。また、到達時間差の算出をAD変換されたときのサンプリングレートの入力信号を用いて行うから精度良く到達時間差を求めることができる。ここでは、チャンネル1を基準として他のチャンネル(各ハイドロフォン(2)(3)(4)で受信した音響信号に相当する。)との相互相関演算を行った。この相互相関演算結果を図11に示す。
3個のピーク値を与えたラグ値が、チャンネル1と他のチャンネルとの到達時間差に対応している。図11では、チャンネル1のサンプル点数が2000であるところ、チャンネル2のピーク値はデータポイントが2188のとき、チャンネル3のピーク値はデータポイントが2310のとき、チャンネル4のピーク値はデータポイントが2319のときに与えられるから、チャンネル2のピーク値はラグ値が188のとき、チャンネル3のピーク値はラグ値が310のとき、チャンネル4のピーク値はラグ値が319のときに与えられることがわかる。このとき、具体的な到達時間差は式(11)で得られる。また、ピンガの位置、つまり測位対象物の位置は、式(1)(2)あるいは式(3)〜(9)による逐次近時の繰り返し計算で得ることができる。
The signal detection is successful and the input signal corresponding to the acoustic signal received by each hydrophone is read from the memory for 20 ms. FIG. 10 shows these input signals (digital data). As shown in FIG. 10, it can be seen that each of the hydrophones (2), (3), and (4) receives an ultrasonic pulse from the pinga at about the same timing as the signal detection time for
The lag value giving three peak values corresponds to the arrival time difference between
1、2、3、4 ハイドロフォン
5 ピンガ
10 AD変換器
12、13 周波数ミキサ
15、16 デシメータ
18、19 ローパスフィルタ
20 信号検出部
24 相関関数演算部
26 位置決定部
27 GNSSコンパス
28 GPSアンテナ
1, 2, 3, 4
Claims (2)
少なくとも3個の、上記発信手段から発せられた音響信号を含む音響信号を受信可能な受信手段と、
相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を算出するとともに、上記受信手段の組み合わせを異にした相異なる2個の上記受信手段間で得られた複数の上記到達時間差を用いて、上記測位対象物の位置を特定する位置特定手段とを備えた水中測位システムであって、
上記各受信手段によって受信された音響信号をデジタル信号である入力信号に変換するAD変換器を備え、
上記位置特定手段は、
上記AD変換器のサンプリングレートよりも低いサンプリングレートで、上記各入力信号のデシメーションを行い、デシメーション信号を生成するデシメーション手段と、
上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する、上記各デシメーション信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出手段と、
上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が上記信号検出手段によって検出された場合に、相異なる上記入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出手段とを含む
ことを特徴とする水中測位システム。 A transmission means for emitting an acoustic signal in water, provided on an object (positioning object) existing in water;
At least three receiving means capable of receiving an acoustic signal including an acoustic signal emitted from the transmitting means;
Calculate the arrival time difference of the acoustic signals from the transmitting means received by two different receiving means, and obtain a plurality of the obtained different two receiving means with different combinations of the receiving means. An underwater positioning system comprising position specifying means for specifying the position of the positioning object using the difference in arrival time,
An AD converter that converts the acoustic signal received by each receiving means into an input signal that is a digital signal;
The position specifying means is
At a lower sampling rate than the sampling rate of the AD converter, have row decimation of the input signals, a decimation means for generating a decimation signal,
Corresponding to acoustic signals received by said each receiving means, the upper Symbol each decimation signal, a signal detecting means for detecting whether the digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from said transmitting means is included,
When the digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from said transmitting means is detected by the signal detecting means performs a correlation function calculation for each lag value between different said input signal, the peak value of the calculation result An underwater positioning system comprising: an arrival time difference calculating means for obtaining a difference in arrival time of acoustic signals from the transmitting means received by two different receiving means from given lag values.
上記発信手段から発せられた音響信号を含む音響信号を受信可能な、少なくとも3個の、受信手段によって、音響信号を受信する受信ステップと、
相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を算出するとともに、上記受信手段の組み合わせを異にした相異なる2個の上記受信手段間で得られた複数の上記到達時間差を用いて、上記測位対象物の位置を特定する位置特定ステップとを有する水中測位方法であって、
上記受信ステップにおいて受信された音響信号をAD変換器によってデジタル信号である入力信号に変換するAD変換ステップを有し、
上記位置特定ステップは、
上記AD変換器のサンプリングレートよりも低いサンプリングレートで、上記各入力信号のデシメーションを行い、デシメーション信号を生成するデシメーションステップと、
上記各受信手段によって受信された音響信号それぞれに対応する、上記各デシメーション信号に、上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が含まれるか否かを検出する信号検出ステップと、
上記発信手段から発信された音響信号に対応するデジタル信号が上記信号検出ステップにおいて検出された場合に、相異なる上記入力信号間でラグ値ごとに相関関数演算を行い、この演算結果のピーク値を与えたラグ値から、相異なる2個の上記受信手段によって受信した上記発信手段からの音響信号の到達時間差を求める到達時間差算出ステップとを含む
ことを特徴とする水中測位方法。 A transmission step of emitting an acoustic signal into the water by a transmission means provided on an object (positioning object) existing in water;
A receiving step of receiving an acoustic signal by at least three receiving means capable of receiving an acoustic signal including an acoustic signal emitted from the transmitting means;
Calculate the arrival time difference of the acoustic signals from the transmitting means received by two different receiving means, and obtain a plurality of the obtained different two receiving means with different combinations of the receiving means. An underwater positioning method including a position specifying step for specifying the position of the positioning object using the arrival time difference,
An AD conversion step of converting the acoustic signal received in the reception step into an input signal which is a digital signal by an AD converter;
The location step is
At a lower sampling rate than the sampling rate of the AD converter, it has row decimation of the input signals, and decimation step of generating a decimation signal,
Corresponding to acoustic signals received by said each receiving means, to the respective decimation signal, a signal detecting step of detecting whether the digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from said transmitting means is included ,
When the digital signal corresponding to the acoustic signal transmitted from said transmitting means is detected in the signal detection step, performs correlation function calculation for each lag value between different said input signal, the peak value of the calculation result An underwater positioning method, comprising: an arrival time difference calculating step of obtaining an arrival time difference between acoustic signals from the transmitting means received by two different receiving means from given lag values.
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