JP5232541B2 - 目標運動解析プログラム、目標運動解析装置および目標運動解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、目標体から放射される音波を時系列データとして観測し、目標体の位置、針路、速力等を推定する目標運動解析プログラム、目標運動解析装置および目標運動解析方法に関する。

目標運動解析は、移動可能な観測体に設けられた音響センサにより、目標体から放射される音波の到来方位を時系列観測データとして蓄積し、時系列観測データと時系列推定データの残差が最小となる目標体の運動パラメータを推定するものである。

前述した時系列観測データと時系列推定データの残差を最小化し、目標体の運動ベクトルを推定する問題は、非線形最適化問題として知られている。非線形最適化問題の解法は、カルマンフィルタによる方法、最小二乗法による方法、遺伝的アルゴリズムによる方法等がある。特許文献１には、最小二乗法による方法を開示している。

また、音響センサのバイアス誤差を考慮した方法として、特許文献２は、音響センサの固有バイアス誤差曲線の係数を遺伝的アルゴリズムより探索し、目標体の運動パラメータは最小二乗法で求める方法を開示している。

観測体の速力センサとして２軸ログを使用している場合、変針に伴って、バイアス的な方位誤差がでることがある。図１を参照して、この方位誤差を説明する。ここで、図１は変針による方位誤差を説明する図である。図１において、図１（ａ）は観測体の変針率に比例した誤差を与えた時の航跡１０２と真の航跡１０１をプロットした図である。図１（ｂ）は真の観測体位置からみた目標体位置の方位と誤差を含んだ観測体位置からみた目標体位置の方位の差分を示した図である。図１（ａ）において、符号１０１が真の航跡、符号１０２は観測体の変針率に比例した誤差を与えた時の航跡である。観測体は、位置Ａ（８００秒）において、左へ１８０°変針し、位置Ｂ（２０００秒）において、逆に右に１８０°変針している。航路１０２について、観測体が変針する度に真の航路１０１との誤差は大きくなっている。また、図１（ｂ）において、１０００〜２０００秒の等速直進区間（逆走区間）においてバイアス的な方位誤差が発生していることがわかる。

図２を参照して、バイアス誤差を考慮しない場合の目標運動解析のシミュレーション結果を説明する。ここで、図２はバイアス誤差があり且つバイアス誤差を考慮しない目標運動解析のシミュレーション結果を説明する図である。図２（ａ）は時刻０ｓを基準とした観測体と目標体の絶対位置（範囲：８０×８０ｋｙｄ＾２）、（ｂ）は観測体と目標体の距離（ｋｙｄ：１ｙｄ＝０.９１４４ｍ）、（ｃ）は目標体の速力（ｋｔ：１ｋｔ＝１.８５２ｋｍ／ｈ）、（ｄ）は目標体の針路（０°：Ｎ、９０°：Ｅ、１８０°：Ｓ、２７０°：Ｗ）である。また、図２（ｂ）〜（ｄ）の横軸は時刻（ｓ）である。いずれも実線８０１〜８０５はシミュレーションの前提値である。また、離散的な点９０１〜９０４は、それぞれのシミュレーション結果（解析周期３０ｓ）である。図２から明らかなように、目標体は航跡８０２に示すように、時刻０ｓから時刻１８００ｓまで速力１５ｋｔの等速で南進している。一方、観測体は航跡８０１に示すように、時刻０ｓから９００ｓまで北進し、一旦東進したあと１３００ｓで再び北進に変針している。

図２のシミュレーション結果は方位のみを用いた目標運動解析であるため、観測体が変針する９００秒以降で可観測性が成立し、一意的な解を推定することが可能となっている。しかし、９００秒以降も観測体と目標体の推定相対距離９０２、目標体の推定速力９０３、目標体の推定針路９０３が振動し、不安定になっている。

特開平０９−０９００１２号公報 特開平１０−３３２８０６号公報

特許文献１に記載された技術は、観測方位に対するランダム誤差のみを考慮している。すなわち、観測方位にバイアス誤差が含まれている場合の、目標運動解析の精度の劣化について、記載がない。

精度の劣化を解決するために、特許文献２記載の方法は、バイアス誤差曲線の係数をも推定しながら運動パラメータを推定することにより、センサ固有のバイアス誤差を補正する。特許文献２は、海水と音響センサが据え付けられている観測体隔壁内の媒質が異なることによる音波の屈折を想定したものである。しかし、バイアス誤差の発生原因は、音波の屈折以外にも、観測体の変針時に発生する速力センサやジャイロセンサの誤差に起因する観測体自身の位置や向きの誤差が考えられる。このような場合、バイアス誤差をセンサ固有の曲線としてモデル化することはできない。さらには、推定するパラメータ数が増えると、一般的に、推定精度が劣化する。また、特許文献２記載の方法はバイアス誤差曲線の係数の推定に遺伝的アルゴリズムを用いているため、計算量が莫大なものとなる。

本発明は、目標体から放射される音波の到来方位を音響センサにより時系列的に観測し、蓄積した時系列観測方位データを用いて、前記目標体の位置、針路および速力を含む運動ベクトルを推定する目標運動解析方法である。その態様の一つは、時系列観測方位データに含まれる観測体の、観測時刻、目標体に対する観測方位、位置座標東西成分、位置座標南北成分、速力東西成分、速力南北成分を入力し、前記時系列観測方位データに対してバイアス誤差成分に関するインデックスを設定し、入力した各データに基づいて、インデックス毎の前記バイアス誤差成分および前記目標体の運動ベクトルを推定する目標運動解析方法である。

さらに、上記のバイアス誤差を考慮した目標運動解析と、バイアス誤差を考慮しない目標運動解析を並列に実行し、音響センサにより実際に観測された方位に対する、それぞれの運動ベクトルから計算される推定観測方位の当てはまりの良さをＡＩＣにより判定し、当てはまりの良い運動ベクトルを最終的な推定運動ベクトルとして採用する。この結果、推定パラメータの増加による推定精度の劣化を抑制することが可能となる。

上述した課題は、電子計算機を、センサから受信した目標体の観測方位と、観測位置座標と、観測時刻とをデータベースに時系列的に記録し、さらに最新針路と、変針変速状態と等速直進状態とを記録するフラグとをデータベースに記録する観測方位データベース設定部、データベースに基づいて、目標体の第１の位置と第１の針路と第１の速力とからなる第１の推定値と、バイアス誤差推定値とを演算し、データベースに基づいて、目標体の第２の位置と第２の針路と第２の速力とからなる第２の推定値とを演算し、第１の推定値と第２の推定値との一方を選択して出力する目標運動解析部、として機能させるためのプログラムにより、達成できる。

また、目標体から放射される音波の到来方位を音響センサにより時系列的に観測し、蓄積した時系列観測方位データを用いて、目標体の位置、針路および速力を含む運動ベクトルを推定し、目標体の第１の位置、第１の針路、第１の速力およびバイアス誤差を推定する第１の目標運動解析結果と、目標体の第２の位置、第２の針路および第２の速力を推定する第２の目標運動解析結果との一方選択して出力する目標運動解析部を備える目標運動解析装置により、達成できる。

さらに、センサから受信した目標体の観測方位と、観測位置座標と、観測時刻とをデータベースに時系列的に記録するステップと、最新針路と、最新データ記録フラグとをデータベースに記録するステップと、データベースに基づいて、目標体の第１の位置と第１の針路と第１の速力とからなる第１の推定値と、バイアス誤差推定値とを演算するステップと、データベースに基づいて、目標体の第２の位置と第２の針路と第２の速力とからなる第２の推定値とを演算するステップと、第１の推定値と第２の推定値との一方を選択して出力するステップとからなる目標運動解析方法により、達成できる。

本発明の目標運動解析方法、目標運動解析装置および目標運動解析プログラムにより、観測方位にバイアス誤差が存在している場合でも、目標運動解析の精度を保って運動パラメータを推定することができる。

以下、本発明による目標運動解析プログラム、目標運動解析方法および目標運動解析装置の実施の形態について図面を参照して説明する。

図３を参照して、目標運動解析装置を説明する。ここで、図３は目標運動解析装置の機能ブロック図である。図３において、目標運動解析装置７０１は、観測方位データベース設定部２０１、観測方位データベース部２０２、目標運動解析部２０３で構成される。観測方位データベース設定部２０１は、航海センサ、音響センサから、観測体の針路、速力、位置座標東西成分、位置座標南北成分、観測体から見た目標体の相対方位の入力を受け付ける。観測方位データベース設定部２０１は、バイアス誤差インデックスを割り付け、観測方位データベース部２０２にこれらの情報を設定する。目標運動解析部２０３は、観測方位データベース部２０２を参照し、解析基準時刻における目標体位置東西成分、目標体位置南北成分、目標体速力東西成分、目標体速力南北成分、バイアス誤差成分１〜ｎを推定するバイアス誤差解析を実行する。さらに、目標運動解析部２０３は、解析基準時刻における目標体位置東西成分、目標体位置南北成分、目標体速力東西成分、目標体速力南北成分を推定する通常解析を並列に実行する。この結果、目標運動解析部２０３は、実際の観測方位に対して、より当てはまりの良い運動ベクトルを出力する。

図４を参照して、観測方位データベース部を説明する。ここで、図４は観測方位データベース部を説明する図である。図４において、観測方位データベースは、観測方位情報［ ］と、最新針路と、等速直進フラグと、観測体レグ数と、格納データ数で構成される。さらに、観測方位情報［ ］は、観測時刻と、観測方位と、観測方位標準偏差と、観測位置東西座標と、観測位置南北座標と、バイアス誤差インデックスで構成される。ここで、［ ］は時系列にデータを蓄積するために２次元配列構造となっていることを示している。２次元配列に蓄積されるデータ数（レコード数）は、格納データ数として格納しておく。なお、観測方位誤差標準偏差は、観測方位の正確さを示すものであり、必ずしも必要な情報ではない。しかし、これを用いた解析を行う事により、より精度の高い解析を実施する事ができる。バイアス誤差インデックスは、等速直進区間（レグ）に、それぞれ対応した値が設定される。等速直進フラグは、最新の観測データが観測体が変針変速中に観測したものか、等速直進中に観測したものであるかを識別するためのフラグであり、詳しくは後述する。観測体レグ数は、観測方位データベースに含まれる等速直進区間の総数である。

図５を参照して、観測方位データベース設定部の動作を説明する。ここで、図５は観測方位データベース設定部のフローチャートである。図５において、処理フローは、航海センサおよび音響センサからの観測時刻、観測方位、観測方位誤差標準偏差、観測位置東西成分、観測位置南北成分の入力に応じて開始される。観測方位データベース設定部２０１は、入力された観測体の針路と観測方位データベース２０２に保持する最新針路の差分の絶対値が規定値以上であるかを比較する事により、変針変速中であるのか、等速直進中であるのかを判定する（Ｓ４０１）。等速直進中であると判定された場合、観測方位データベース設定部２０１は、ステップ４０２〜ステップ４０６を実行する。これらのステップにより、観測方位データベース２０２のバイアス誤差インデックス以外の観測方位情報に入力された情報を設定する。

次に、観測方位データベース設定部２０１は、観測方位データベースの等速直進フラグを判定する（Ｓ４０７）。等速直進フラグが０（変針変速中）であれば、観測体は等速直進を開始したことになるので、観測方位データベース設定部２０１は、観測体レグ数をインクリメントする（Ｓ４０８）。観測方位データベース設定部２０１は、バイアス誤差インデックスとして観測体レグ数を設定する（Ｓ４０９）。すなわち、観測方位データベース設定部２０１は、レグ毎に固有のインデックスを付与する。観測方位データベース設定部２０１は、格納データ数をインクリメントする（Ｓ４１０）。観測方位データベース設定部２０１は、現在の観測体の状態として等速直進フラグに１（等速直進中）を設定する（Ｓ４１１）。なお、ステップ４０７の判定から明らかなように、等速直進フラグは、変針変速から等速直進への変化のタイミングを検出するフラグである。

ステップ４０１にて変針変速中であると判定された場合、観測方位データベース設定部２０１は、等速直進フラグに０（変針変速中）を設定し、観測方位データベースへの設定は実施しない（Ｓ４１２）。最後に、観測方位データベース設定部２０１は、次回観測データ入力時の変針変速／等速直進の判定のために、最新針路に入力針路を設定して（Ｓ４１３）、終了する。

図６を参照して、目標運動解析部の処理フローを説明する。ここで、図６は目標運動解析部のフローチャートである。図６において、目標運動解析部２０３は、特許文献１に記載されている解析手法を用いて、バイアス誤差を考慮しない通常解析を実施する（Ｓ５０１）。目標運動解析部２０３は、推定した運動パラメータに対するＡＩＣ（Akaike's Information Criterion）を計算する（Ｓ５０２）。次に、目標運動解析部２０３は、後述するバイアス誤差を考慮したバイアス誤差解析を実施する（Ｓ５０３）。目標運動解析部２０３は、推定した運動パラメータとバイアス誤差に対するＡＩＣを計算する（Ｓ５０４）。

ＡＩＣは、観測方位に対する推定パラメータの当てはまりの良さを評価する基準である。一般的に、バイアス誤差が存在しない場合、推定パラメータ数の少ない通常解析の方が、高精度に運動パラメータを推定することができる。このため、目標運動解析部２０３は、このような並列処理を実施している。

目標運動解析部２０３は、通常解析のＡＩＣ（ＡＩＣｎ）とバイアス誤差解析のＡＩＣ（ＡＩＣｂ）を比較する（Ｓ５０５）。ＡＩＣｎ＜ＡＩＣｂのとき（ＹＥＳ）、目標運動解析部２０３は、通常解析結果を採用し（Ｓ５０６）、解析結果を保存して（Ｓ５０８）、終了する。一方、ステップ５０５でＮＯのとき、目標運動解析部２０３は、目標運動解析部２０３は、バイアス誤差解析結果を採用し（Ｓ５０７）、ステップ５０８に遷移する。

図７を参照して、バイアス誤差解析を説明する。ここで、図７は観測体と目標体との幾何学的関係を示す平面図である。図７において、観測体は、運動軌跡６０１に従って２回変針している。一方、目標体は運動軌跡６０２に従って等速直線運動している。観測体の２回の変針を挟む等速直進区間をレグ１、２、３とする。ここで、推定するパラメータは、現時点での目標体位置東西成分６０３（ｘ１）、目標体位置南北成分６０４（ｘ２）、目標体速力東西成分６０５（ｘ３）、目標体速力南北成分６０６（ｘ４）、レグ１バイアス誤差６０７（ｘ５）、レグ２バイアス誤差６０８（ｘ６）、レグ３バイアス誤差６０９（ｘ７）の７つのパラメータｘである。これらのパラメータは式（５）に示すように、以下ではｘｋ（ｋ＝１，２，…，７）と表記する。

これらのパラメータは最小二乗法により式（１）を最小化することにより推定する。ここで、ｔは解析基準時刻を０として正規化した時刻を表し、ｙｉは時刻ｔｉにおける観測方位を表している。また、ｘｏｉ、ｙｏｉは観測体の位置（ｘｏｉ，ｙｏｉ）を表している。

特に、式（２）（３）（４）から構成される評価値である式（１）は推定パラメータｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４，ｘ５，ｘ６，ｘ７に対して非線形である。このため、反復により解く必要がある。例えばＬｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法ではΔＸが十分小さくなるまで式（６）（７）の計算を繰り返し実施する。なお、λは定数、Ｉは単位行列である。またｂは、ヤコビアン行列と残差ベクトルの積であり、ここでは方位ヤコビアン行列の転置行列と方位残差ベクトルの積である。

式（７）の行列Ａ，Ｂはヤコビアン行列であり、次式となる。

図８を参照して、目標運動解析装置のハードウェア構成を説明する。ここで、図８は目標運動解析装置のハードウェアブロック図である。図８において、目標運動解析装置７０１は、バス７１０で接続されたＣＰＵ７０４、メモリ７０５、出力装置７０６、音響センサ７０２および航海センサ７０３とのインターフェースＩ／Ｆ７０７、７０８、入力装置７０９から構成される。また、メモリ７０５には、観測方位データベース設定プログラム２０１と、目標運動解析プログラム２０３と、観測方位データベース２０２を記憶する。図８から明らかなように目標運動解析装置７０１は、電子計算機のハードウェア資源とメモリに記憶されたソフトウェア資源の共同動作で実現可能である。目標運動解析装置７０１は、音響センサ７０２および航海センサ７０３に接続される。目標運動解析装置７０１のサイズや演算速度に対する制約により、目標運動解析装置７０１は、専用装置として構成されても良い。

音響センサ７０２は、目標体から放射される音波を受波して、音波の到来方位を目標運動解析装置７０１に入力する。航海センサ７０３は、電磁ログ、ジャイロ、ＧＰＳ等を用いたものであり、観測体の位置、速力、針路を目標運動解析装置７０１に入力する。観測方位データベース設定プログラム２０１は、入力された音波の到来方位、観測体の位置、速力、針路を、観測方位データベース２０２に蓄積する。目標運動解析プログラム２０３は、観測方位データベースの情報から目標体の位置、速力、針路を解析し、出力装置７０６に解析結果を表示する。

図９を参照して、バイアス誤差を考慮した場合の目標運動解析のシミュレーション結果を説明する。ここで、図９はバイアス誤差があり且つバイアス誤差を考慮した目標運動解析のシミュレーション結果を説明する図である。図９（ａ）は時刻０ｓを基準とした観測体と目標体の絶対位置、（ｂ）は観測体と目標体の距離（ｋｙｄ）、（ｃ）は目標体の速力（ｋｔ）、（ｄ）は目標体の針路（°）である。図９（ｂ）〜（ｄ）の横軸は時刻（ｓ）である。実線８０１〜８０５は、いずれも図２と同じシミュレーションの前提値である。また、離散的な点９１１〜９１４は、それぞれのシミュレーション結果（解析周期３０ｓ）である。

図９のシミュレーション結果は方位のみを用いた目標運動解析であるため、観測体が変針する９００秒以降で可観測性が成立し、一意的な解を推定することが可能となっている。図９のシミュレーション結果は、同じ条件で実施した図２のシミュレーション結果と対比して、観測体と目標体の推定相対距離９１２、目標体の推定速力９１３、目標体の推定針路９１４は安定した推定値を出力している。

表１ 収束時間の比較 単位：秒
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バイアス誤差有無＼解析 通常解析 常時バイアス誤差解析 切替バイアス誤差解析
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バイアス誤差なし １４４０ １５００ １４４０
バイアス誤差あり １６５３ １５４３ １５４９
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表１は、バイアス誤差を考慮しない目標運動解析（通常解析）と、常にバイアス誤差を考慮する目標運動解析（常時バイアス誤差解析）と、バイアス誤差を考慮しない解析とバイアス誤差を考慮する解析を実行し、それぞれの解析結果である運動ベクトルから計算される推定観測方位の当てはまりの良さをＡＩＣにより判定して、当てはまりの良い運動ベクトルを最終的な解析結果とする目標運動解析（切替バイアス誤差解析）について、解の収束時間を比較したものである。表１では、収束時間が早い方が、目標運動解析として優れている。評価条件は、バイアス誤差は存在しないと仮定してランダム誤差のみとした場合を１ケース、ランダム誤差を０．５〜１．０［ｄｅｇ：°］、バイアス誤差を−２．０〜２．０［ｄｅｇ］とした場合を２９ケースの全３０ケースとした。バイアス誤差がない場合は、通常解析および切替バイアス誤差解析が優れている。一方、バイアス誤差がある場合は、通常解析に比べて、常時バイアス誤差解析および切替バイアス誤差解析が優れている。すなわち、総合的には切替バイアス誤差解析が最も優れている。

上述した実施例に依れば、変針時の速力センサ誤差やジャイロセンサの誤差に起因する観測体の位置や向きによる観測方位のバイアス誤差が存在している場合でも、目標運動解析の精度を保って、運動パラメータを推定することが可能となる。

観測体位置の誤差による観測方位のバイアス誤差を説明する図である。 バイアス誤差があり且つバイアス誤差を考慮しない目標運動解析のシミュレーション結果を説明する図である。 目標運動解析装置の機能ブロック図である。 観測方位データベース部を説明する図である。 観測方位データベース設定部のフローチャートである。 目標運動解析部のフローチャートである。 観測体と目標体との幾何学的関係を示す平面図である。 目標運動解析装置のハードウェアブロック図である。 バイアス誤差があり且つバイアス誤差を考慮した目標運動解析のシミュレーション結果を説明する図である。

符号の説明

２０１…観測方位データベース設定部（プログラム）、２０２…観測方位データベース部、２０３…目標運動解析部（プログラム）、７０１…目標運動解析装置、７０２…音響センサ、７０３…航海センサ、７０４…ＣＰＵ、７０５…メモリ、７０６…出力装置、７０７〜７０８…インターフェース、７０９…出力装置、７１０…バス。

Claims (4)

1. 電子計算機を
   センサから受信した目標体の観測方位と、観測位置座標と、観測時刻とをデータベースに時系列的に記録し、さらに最新針路と、変針変速状態と等速直進状態とを記録するフラグとを前記データベースに記録する観測方位データベース設定部、
   前記データベースに基づいて、前記目標体の第１の位置と第１の針路と第１の速力とからなる第１の推定値と、観測体の変針に伴って発生し変針後の直進中に一定の誤差として観測方位に加算されて現れるバイアス誤差推定値とを演算し、
   前記データベースに基づいて、前記目標体の第２の位置と第２の針路と第２の速力とからなる第２の推定値とを演算し、
   前記第１の推定値と前記第２の推定値との一方を選択して出力する目標運動解析部、
   として機能させるためのプログラム。
2. 目標体から放射される音波の到来方位を音響センサにより時系列的に観測し、蓄積した時系列観測方位データを用いて、前記目標体の位置、針路および速力を含む運動ベクトルを推定する目標運動解析装置において、
   前記目標体の第１の位置、第１の針路、第１の速力および観測体の変針に伴って発生し変針後の直進中に一定の誤差として観測方位に加算されて現れるバイアス誤差を推定する第１の目標運動解析結果と、前記目標体の第２の位置、第２の針路および第２の速力を推定する第２の目標運動解析結果との一方選択して出力する目標運動解析部を備えることすることを特徴とする目標運動解析装置。
3. 請求項２に記載の目標運動解析装置であって、
   前記目標運動解析部は、ＡＩＣの大小比較判定により、前記第１の目標運動解析でのＡＩＣの方が大きくない場合には前記第１の目標運動解析結果を、前記第１の目標運動解析でのＡＩＣの方が大きい場合には前記第２の目標運動解析結果を出力することを特徴とする目標運動解析装置。
4. センサから受信した目標体の観測方位と、観測位置座標と、観測時刻とをデータベースに時系列的に記録するステップと、
   最新針路と、最新データ記録フラグとを前記データベースに記録するステップと、
   前記データベースに基づいて、前記目標体の第１の位置と第１の針路と第１の速力とからなる第１の推定値と、観測体の変針に伴って発生し変針後の直進中に一定の誤差として観測方位に加算されて現れるバイアス誤差推定値とを演算するステップと、
   前記データベースに基づいて、前記目標体の第２の位置と第２の針路と第２の速力とからなる第２の推定値とを演算するステップと、
   前記第１の推定値と前記第２の推定値との一方を選択して出力するステップとからなる目標運動解析方法。

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