JP5757303B2 - Underwater acoustic positioning system - Google Patents

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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

本発明は、海底の地殻変動を音響信号によって観測する水中音響測位システムおよび水中音響測位方法に関するものである。本発明は、船上局と海底局との間で海底地殻変動を観測し、観測したデータを船上局または陸上で演算処理することにより、前記海底地殻変動の程度を知ることができる水中音響測位システムおよび水中音響測位方法に関するものである。   The present invention relates to an underwater acoustic positioning system and an underwater acoustic positioning method for observing crustal movement of the seabed using acoustic signals. The present invention is an underwater acoustic positioning system capable of observing seafloor crustal deformation between a shipboard station and a seafloor station and calculating the degree of seafloor crustal movement by processing the observed data on the shipboard station or on land. And an underwater acoustic positioning method.

GPSの電波あるいは光は、海底に届かないため、海底における地殻変動の観測を行うことが困難であった。前記地殻変動の観測は、船上局の位置をGPSで決定し、前記海底地殻変動を船上局から海底局に向けて発射された音響信号を受信することによって測定することが可能である。しかし、音響信号の海中における音速は、海水温度、塩分濃度等によって、時々刻々と変化するため、時間的および空間的に正確に把握することが困難であった。一方、船上局に設置された観測装置は、船自体がローリング、ピッチング、およびヨーイングの少なくとも3方向の動きをしており、音響信号を発射する船上局の音響トランスデューサの位置を正確に決定することが困難であった。   Since GPS radio waves or light do not reach the ocean floor, it has been difficult to observe crustal deformations at the ocean floor. The observation of the crustal movement can be measured by determining the position of the shipboard station by GPS and receiving the acoustic signal emitted from the shipboard station toward the seabed station. However, since the sound speed of the acoustic signal in the sea changes every moment depending on the seawater temperature, salinity concentration, etc., it is difficult to accurately grasp in time and space. On the other hand, the observation device installed in the shipboard station accurately determines the position of the acoustic transducer of the shipboard station that emits an acoustic signal because the ship itself moves in at least three directions of rolling, pitching, and yawing. It was difficult.

従来例を図6および図7によって説明する。図6は従来例で、決められたIDコードと測距信号をそれぞれの海上局に対して時間差を持って送受信する例を説明するための概略図である。図7は従来例で、図6の例を時系列的に示した概略図である。図6および図7において、船上局611は、海底局612の一つである(m1)に向けてIDコードS1および測距信号Mを送信する。海底局612(m1)は、応答信号として、IDコードS6および測距信号Mを船上局611に送信する。次ぎに、船上局611は、海底局612の一つである(m2)に向けてIDコードS2および測距信号Mを送信する。海底局612(m2)は、応答信号として、IDコードS6および測距信号Mを船上局611に送信する。船上局611は、同様にして、海底局612(m3、m4、・・・)と順次送受信をそれぞれ行う。   A conventional example will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining an example of transmitting and receiving a predetermined ID code and ranging signal with respect to each maritime station with a time difference in the conventional example. FIG. 7 shows a conventional example, and is a schematic diagram showing the example of FIG. 6 in time series. 6 and 7, the shipboard station 611 transmits the ID code S1 and the ranging signal M toward (m1) which is one of the submarine stations 612. Submarine station 612 (m1) transmits ID code S6 and ranging signal M to shipboard station 611 as response signals. Next, the shipboard station 611 transmits the ID code S2 and the ranging signal M toward (m2) which is one of the submarine stations 612. Submarine station 612 (m2) transmits ID code S6 and ranging signal M to shipboard station 611 as response signals. Similarly, the shipboard station 611 performs transmission / reception sequentially with the submarine stations 612 (m3, m4,...).

前記IDコードS6および測距信号Mは、たとえば、10秒の時間差をもって各海底局612から前記船上局611に送信される。図7および図8に示す測距信号の送受信は、時間がかかるだけでなく、最初の海底局612(m1)で得たデータと、最後の海底局612(m4)で得たデータとが海水温度および塩分濃度と、船の位置および傾き(ピッチング等)等により異なる状態であるため、正確性を欠くという欠点があった。   The ID code S6 and the ranging signal M are transmitted from each submarine station 612 to the shipboard station 611 with a time difference of 10 seconds, for example. The transmission and reception of ranging signals shown in FIGS. 7 and 8 not only takes time, but the data obtained at the first submarine station 612 (m1) and the data obtained at the last submarine station 612 (m4) Since it is in a different state depending on the temperature and salinity, the position and inclination of the ship (pitching, etc.), it has a drawback of lacking accuracy.

図8は従来例で、ビット信号の位相反転区間における歪み状態を説明するための図で、(イ)は1ビットが4波からなっている例で、(ロ)は位相が変わる場合の状態を説明するための図で、(ハ)は位相反転区間における歪みを説明するための図である。図8において、前記船上局611と海底局612との間で送受信する音響信号は、たとえば、1ビットが4波からなっている。図8(ロ)に示すように、ビットが「1」から「0」に変わる際の位相は、反転している。しかし、実際は、音響信号であるため、図8(ハ)に示すように、位相の反転区間が歪み、明瞭に区別できない場合があった。このようなビット信号は、船上局611と海底局612のIDコードおよび測距信号の信頼性にも問題があった。   FIG. 8 is a diagram illustrating a distortion state in a phase inversion section of a bit signal in a conventional example. (A) is an example in which one bit is composed of four waves, and (B) is a state when the phase changes. (C) is a figure for demonstrating the distortion in a phase inversion area. In FIG. 8, the acoustic signal transmitted and received between the shipboard station 611 and the submarine station 612 is composed of, for example, four waves per bit. As shown in FIG. 8B, the phase when the bit changes from “1” to “0” is inverted. However, since it is actually an acoustic signal, the phase inversion section is distorted and cannot be clearly distinguished as shown in FIG. Such a bit signal has a problem in the reliability of the ID codes and ranging signals of the shipboard station 611 and the submarine station 612.

また、他の従来例として、たとえば、特開平8−189969号公報に記載されているトランスポンダーを用いた水中位置測定システムにおいて、受信信号読出部は、呼び出し信号が発射されると、読取時間内に接続された信号変換手段からのパルス信号を読み取る。制御演算部は、前記受信信号読出部が読み取ったパルス信号を各読出時間に対応してメモリ部に格納し、格納したパルス信号の中の所定数の最新の読取時間分のパルス信号を比較し、比較するパルス信号中に同じタイミングで存在するパルスを真の応答信号に基づくパルス信号と看做し、そのパルス信号が存在する期間を含む適宜期間に制御信号をアクティブにしてゲートスイッチ部が受信検出部からのパルス信号を通過させるようにさせ、前記複数のタイマーが時間積算を停止すると、各タイマーが積算した積算時間を取り入れ、取り入れた積算時間から水中位置を算出している。   As another conventional example, for example, in an underwater position measurement system using a transponder described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-189969, the reception signal reading unit within a reading time when a call signal is emitted. Read the pulse signal from the connected signal conversion means. The control calculation unit stores the pulse signal read by the reception signal reading unit in the memory unit corresponding to each reading time, and compares a predetermined number of latest pulse signals for the reading time among the stored pulse signals. The pulse signals present at the same timing in the pulse signals to be compared are regarded as pulse signals based on the true response signal, and the gate switch unit receives the control signal in an appropriate period including the period in which the pulse signal exists. When the pulse signals from the detection unit are allowed to pass and the plurality of timers stop time integration, the integration time accumulated by each timer is taken in, and the underwater position is calculated from the taken integration time.

特開平8−189969号公報JP-A-8-189969

近年(東北大震災の後)、大地震の発生する確率が大きくなっている。前記大地震は、海底の地殻変動を正確に観察することにより、予想することが近い将来可能になって来ている。前記海底の地殻変動は、電波あるいは光による観測が不可能であるため、音響信号を使用する以外に手段が無かった。しかし、前記音響信号の速度は、海水温度、塩分濃度、船上局の状態によって変化するだけでなく、時間的および空間的に派生するいろいろな雑音を拾い易い状況にある。   In recent years (after the Great Tohoku Earthquake), the probability of a large earthquake occurring has increased. It is possible to predict the earthquake in the near future by accurately observing the crustal deformation of the seabed. The crustal movement of the sea floor cannot be observed by radio waves or light, so there was no means other than using acoustic signals. However, the speed of the acoustic signal not only changes depending on the seawater temperature, salinity, and the state of the shipboard station, but also tends to pick up various temporally and spatially derived noises.

以上のような課題を解決するために、本発明は、船上局からのIDコードおよび測距信号をそれぞれの海底局へ一斉に送信し、これらの受信信号を前記船上局でそれぞれ受信した後、解析することにより、誤差の少ない地殻変動を調べることができる水中音響測位システムおよび水中音響測位方法を提供することを目的とする。また、本発明は、船上局からのIDコードおよび測距信号をそれぞれ海底局へ一斉に送信し、これらに対して2回に分けて船上局で受信信号を受信した後、解析することにより、誤差が更に少ない地殻変動を調べることができる水中音響測位システムおよび水中音響測位方法を提供することを目的とする。   In order to solve the problems as described above, the present invention transmits the ID code and ranging signal from the shipboard station all at once to each submarine station, and after receiving these received signals at the shipboard station, It is an object of the present invention to provide an underwater acoustic positioning system and an underwater acoustic positioning method capable of examining crustal deformation with little error by analyzing. In addition, the present invention transmits the ID code and ranging signal from the shipboard station all at once to the submarine station, and after receiving the received signal at the shipboard station in two times, these are analyzed, It is an object of the present invention to provide an underwater acoustic positioning system and an underwater acoustic positioning method capable of examining crustal movements with less errors.

(第1発明)
第1発明の水中音響測位システムは、陸上におけるGPS観測データを基準としたGPSを備えている船上局から一斉に送信した音響信号を海底に設置された複数の海底局でそれぞれ受信し、それぞれの海底局から前記音響信号を前記船上局へ送信することによって、前記海底局の位置データを収集することができるものであり、前記船上局からIDコード(S0)および測距信号(M)からなる音響信号を前記海底局のそれぞれに一斉に送信する船上局送信部と、前記船上局送信部からの音響信号をそれぞれ受信するとともに、それぞれの海底局によって異なるIDコード(S1、S2、S3、S4、・・・)を付けた前記測距信号(M)をそれぞれの海底局から時間差を持って第1回目の送信を行うとともに、前記第1回目と第2回目の送信順序を逆転させ、前記IDコード(S4、S3、S2、S1、・・・)および測距信号(M)のそれぞれの送信に要するトータル時間が平均化されてほぼ同じになる時間差を持って海底局から第2回目の送信を行う海底局送受信部と、前記それぞれの海底局からの第1回目および第2回目の送信信号それぞれの時間差を持って受信する船上局受信部と、前記受信した第1回目および第2回目の受信信号と、GPSからの位置信号を基にして、前記海底局の位置を決める演算を行うデータ処理装置と、から少なくとも構成されていることを特徴とする。
(First invention)
The underwater acoustic positioning system according to the first aspect of the present invention receives acoustic signals transmitted simultaneously from shipboard stations equipped with GPS based on GPS observation data on land, at a plurality of submarine stations installed on the seabed. By transmitting the acoustic signal from the submarine station to the shipboard station, the position data of the submarine station can be collected, and comprises the ID code (S0) and the ranging signal (M) from the shipboard station. An onboard station transmitter that transmits acoustic signals to each of the submarine stations and an acoustic signal from the onboard station transmitter, respectively, and different ID codes (S1, S2, S3, S4) for each submarine station. , ...) of the attached said ranging signal (M), respectively performs the first transmission from the seafloor with a time difference, the first time and the first 2nd Reversing the signal sequence, the ID code (S4, S3, S2, S1 , ···) and the total time required for each of the transmission of the ranging signal (M) is with a time difference that is substantially been averaged same The submarine station transmission / reception unit that performs the second transmission from the submarine station, the shipboard station reception unit that receives the first and second transmission signals from the respective submarine stations with a time difference, and the received It is at least comprised from the data processing apparatus which performs the calculation which determines the position of the said submarine station based on the received signal of the 1st time and the 2nd time, and the position signal from GPS.

(第発明)
発明の水中音響測位システムは、前記IDコード(B系列コード)および測距信号(M系列コード)は、ビットが「0」から「1」、あるいは「1」から「0」に変わる場合、および同じビットが「0」、「0」、「0」・・・、および「1」、「1」、「1」、・・・、と連続する場合において、各ビットの間で出力が停止する時間を設けていることを特徴とする。
( Second invention)
In the underwater acoustic positioning system according to the second aspect of the invention, the ID code (B sequence code) and ranging signal (M sequence code) change from “0” to “1” or “1” to “0”. , And the same bit continues as “0”, “0”, “0”... And “1”, “1”, “1”,. It is characterized by having time to stop.

(第3発明)
第3発明の水中音響測位方法は、陸上におけるGPS観測データを基準としたGPSを備えている船上局から一斉に送信した音響信号を海底に設置された複数の海底局でそれぞれ受信し、それぞれの海底局から前記音響信号を一斉に前記船上局へ送信することによって、前記海底局の位置データを収集することができるものであり、前記船上局からIDコード(S0)および測距信号(M)からなる音響信号を前記海底局のそれぞれに一斉に送信し、前記海底局において、前記音響信号をそれぞれ受信するとともに、それぞれの海底局によって異なるIDコードおよび測距信号(S1、M)、(S2、M)、(S3、M)、(S4、M)、・・・を付け、それぞれに対して所定の時間差を持って第1回目の送信を行うとともに、前記IDコードおよび測距信号(S4、M)、(S3、M)、(S2、M)、(S1、M)、・・・のそれぞれを海底局から時間差を持って2回目の送信を行い、前記第1回目および第2回目の送信順序を逆転させ、それぞれの送信に要するトータル時間が平均化されてほぼ同じになるようして、それぞれの海底局から送信し、データ処理装置により、前記受信した第1回目および第2回目の受信信号と、GPSからの位置信号を基にして、前記海底局の位置を決める演算を行うことを特徴とする。
(Third invention)
The underwater acoustic positioning method according to the third aspect of the present invention is to receive acoustic signals simultaneously transmitted from a shipboard station equipped with GPS based on GPS observation data on land by a plurality of submarine stations installed on the seabed, By transmitting the acoustic signals from the submarine station all at once to the shipboard station, the position data of the submarine station can be collected, and the ID code (S0) and ranging signal (M) from the shipboard station are collected. Are simultaneously transmitted to each of the submarine stations, and each of the submarine stations receives the acoustic signal, and an ID code and a ranging signal (S1, M), (S2) that are different depending on each submarine station. , M), (S3, M), (S4, M),..., And the first transmission is performed with a predetermined time difference with respect to each of the ID code and the ID code. And ranging signals (S4, M), (S3, M), (S2, M), (S1, M),... Are transmitted for the second time with a time difference from the submarine station. The transmission order of the first time and the second time is reversed, and the total time required for each transmission is averaged so as to be approximately the same, and transmitted from each submarine station. An operation for determining the position of the submarine station is performed on the basis of the first and second received signals and the position signal from the GPS.

本発明によれば、船上局からのIDコードおよび測距信号は、それぞれの海底局に一斉に送信されると同時に、一斉に返信信号として返信されるため、短時間で、多くの観測点から地殻変動を知るための正確なデータを得ることができる。船上局が各観測点の中心に存在する場合であっても、FFT(高速フーリエ変換)を使用することにより、地殻変動を十分に解析することができる。   According to the present invention, since the ID code and ranging signal from the shipboard station are simultaneously transmitted to the respective submarine stations, they are simultaneously returned as a reply signal. Accurate data to know crustal deformation can be obtained. Even when the shipboard station exists at the center of each observation point, the crustal movement can be sufficiently analyzed by using FFT (Fast Fourier Transform).

本発明によれば、船上局からのIDコードおよび測距信号は、一斉に海底局に送信された後、前記海底局からの返信信号をそれぞれの時間差を持たせて2回に分けて前記船上局で受信することができるため、前記船上局が複数の海底局の中心位置にあるにもかかわらず、多くの観測点から地殻変動を知るためのデータをより正確に得ることができる。また、前記2回に分けて送る海底局からの返信信号は、それぞれ遅延時間が平均化するようにしている。   According to the present invention, the ID code and ranging signal from the shipboard station are transmitted to the submarine station all at once, and then the reply signal from the submarine station is divided into two times with respective time differences. Since it can be received by a station, data for knowing crustal deformation can be obtained more accurately from many observation points even though the shipboard station is at the center position of a plurality of submarine stations. In addition, the reply signals from the submarine stations that are sent in two steps are each averaged in delay time.

本発明によれば、IDコード(B系列コード)および測距信号(M系列コード)は、ビット間で出力が停止されている時間を設けたため、波形の歪みによる影響を受け難く、ビット間の区別が明りょうになり、IDコードおよび測距信号として、良質なデータを得ることができる。   According to the present invention, the ID code (B-sequence code) and the distance measurement signal (M-sequence code) are provided with a time during which output is stopped between bits, and thus are not easily affected by waveform distortion. The distinction becomes clear, and high-quality data can be obtained as the ID code and the distance measurement signal.

図1は本発明の第1実施例で、同じIDコードを付けた測距信号を一斉に海底局に送信する例を説明するための概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example in which ranging signals with the same ID code are simultaneously transmitted to a submarine station in the first embodiment of the present invention. 図2は本発明の第1実施例で、それぞれの海底局に異なるIDコードを付けた測距信号を船上局に一斉に返信する例を説明するための概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an example in which ranging signals with different ID codes attached to the respective submarine stations are simultaneously returned to the shipboard station in the first embodiment of the present invention. 図3は本発明の第2実施例で、海上局から送信した測距信号を船上局で2回に分けて受信する例を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an example in which the distance measurement signal transmitted from the maritime station is received twice in the shipboard station in the second embodiment of the present invention. 図4は本発明の第3実施例で、ビットの発信区間と発信区間との間に休止区間を入れた例を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining an example in which a pause period is inserted between a bit transmission period and a transmission period in the third embodiment of the present invention. 図5は本発明の第3実施例において、実際に出る波形の例を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a waveform that actually appears in the third embodiment of the present invention. 図6は従来例で、決められたIDコードと測距信号をそれぞれの海上局に対して時間差を持って送受信する例を説明するための概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining an example of transmitting and receiving a predetermined ID code and ranging signal with respect to each maritime station with a time difference in the conventional example. 図7は従来例で、図6の例を時系列的に示した概略図である。FIG. 7 shows a conventional example, and is a schematic diagram showing the example of FIG. 6 in time series. 図8は従来例で、ビット信号の位相反転区間における歪み状態を説明するための図で、(イ)は1ビットが4波からなっている例で、(ロ)は位相が変わる場合の状態を説明するための図、(ハ)は位相反転区間における歪みを説明するための図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a distortion state in a phase inversion section of a bit signal in a conventional example. (A) is an example in which one bit is composed of four waves, and (B) is a state when the phase changes. (C) is a figure for demonstrating the distortion in a phase inversion area.

本発明の水中音響測位システムは、船上局の音響トランスデューサから発振された音響信号を海底局で受信した後、前記音響信号を前記海底局から前記船上局にほぼ一斉に返信する。前記返信された音響信号は、たとえば、前記船上局に設けられているGPSによって、前記海底局の正しい位置を算出する。なお、前記GPSは、陸上におけるGPS観測データを基準としている。前記算出された結果は、前記海底局の位置がどの様に変化したかを地上で判断することができるものである。   In the underwater acoustic positioning system of the present invention, after the acoustic signal oscillated from the acoustic transducer of the shipboard station is received by the submarine station, the acoustic signal is returned almost simultaneously from the submarine station to the shipboard station. The returned acoustic signal calculates the correct position of the submarine station by, for example, GPS provided in the shipboard station. The GPS is based on GPS observation data on land. The calculated result can determine how the position of the submarine station has changed on the ground.

本発明の水中音響測位システムは、前記GPSを備えている船上局から海底に設置された複数の海底局に向かって、前記音響トランスデューサから一斉に音響信号(IDコードS0、測距信号M)を送信する。その後、前記音響トランスデューサからの音響信号を受信した海底局は、船上局に向かってそれぞれ返信信号(IDコードS1、S2、S3、S4、・・・、および測距信号M)を送る。前記船上局で受信した各海底局の音響信号は、それぞれ収集され、データ処理装置により処理することにより、前記海底局の位置情報を正確に得ることができる。本発明の水中音響測位システムは、一回の呼び出しで測定結果がほぼ一斉に戻って来るため、海水温度および塩分濃度の変化等に左右されことが少なく、正確で、しかもデータの収集効率が良い。   In the underwater acoustic positioning system of the present invention, acoustic signals (ID code S0, ranging signal M) are simultaneously transmitted from the acoustic transducer toward a plurality of submarine stations installed on the sea floor from the onboard station equipped with the GPS. Send. After that, the submarine station that has received the acoustic signal from the acoustic transducer sends a reply signal (ID code S1, S2, S3, S4,..., And ranging signal M) to the shipboard station. The acoustic signals of each submarine station received by the shipboard station are collected and processed by a data processing device, whereby the position information of the submarine station can be obtained accurately. In the underwater acoustic positioning system of the present invention, the measurement results return almost simultaneously with a single call, so it is less affected by changes in seawater temperature and salinity, etc., and is accurate and has good data collection efficiency. .

前記音響信号は、それぞれの海底局に付けられたIDコード(B系列コード)と、前記船上局と海底局の位置を決めるための測距信号(M系列コード)とからなる。船上局送信部は、前記IDコード(B系列コード)および測距信号(M系列コード)からなる音響信号を前記海底局のそれぞれに一斉に送信する。前記音響信号は、前記海底局送受信部でそれぞれ受信される。前記海底局送受信部は、前記それぞれの位置により返信信号(S1、S2、S3、S4、・・・、およびM)を前記船上局に向けて送信する。   The acoustic signal includes an ID code (B series code) attached to each submarine station and a ranging signal (M series code) for determining the positions of the shipboard station and the submarine station. The shipboard station transmitter transmits an acoustic signal including the ID code (B sequence code) and the ranging signal (M sequence code) to each of the submarine stations. The acoustic signals are respectively received by the submarine station transmission / reception unit. The submarine station transmitting / receiving unit transmits a reply signal (S1, S2, S3, S4,..., And M) to the shipboard station according to the respective positions.

船上局受信部は、前記海底局送受信部からそれぞれ送られて来た返信信号(S1、S2、S3、S4、・・・、およびM)を受信する。前記船上局受信部は、前記返信信号(S1、S2、S3、S4、・・・、およびM)、およびGPSからの位置信号をデータとして記憶する。前記返信信号は、前記船上局受信部において、前記それぞれの海底局の位置により時間差をもって受信されるため、前記それぞれの海底局の位置を確定することができる。前記データは、船上局において、またはデータとして地上に持ち帰り、データ処理装置によって、前記海底局の位置を決める演算を行う。第1発明の水中音響測位システムは、一斉に音響信号を送り、ほぼ一斉に返信されたデータを処理するため、海水温度および塩分濃度の変化等が少ない短時間に効率的にデータを多く収集することができる。なお、一般的に、船上局送信部と船上局受信部とは、船上局に設けられた一体の送受信装置であり、説明の都合上別々にして記載している。   The shipboard station receiver receives the reply signals (S1, S2, S3, S4,..., And M) sent from the submarine station transceiver. The shipboard station receiver stores the return signal (S1, S2, S3, S4,..., And M) and the position signal from the GPS as data. The reply signal is received by the shipboard station reception unit with a time difference depending on the position of each submarine station, so that the position of each submarine station can be determined. The data is carried back to the ground at the shipboard station or as data, and the data processor performs an operation to determine the position of the submarine station. Since the underwater acoustic positioning system of the first invention sends acoustic signals all at once and processes the data returned almost all at once, it collects a large amount of data efficiently in a short time with little change in seawater temperature and salinity, etc. be able to. In general, the onboard station transmitting unit and the onboard station receiving unit are integrated transmission / reception devices provided in the onboard station, and are described separately for convenience of explanation.

本発明の前記IDコード(B系列コード−256bit )および測距信号(M系列コード−512bit )は、予め決められた異なるビット数から構成されているため、船上局で受信したIDコードおよび測距信号が混信することなく、正確なデータを数多く得ることができる。また、本発明の水中音響測位システムは、音響信号の伝播速度が遅い(海中で、1500m/sec )にもかかわらず、信号の送信から受信までに入る雑音を少なくすることができる。   Since the ID code (B sequence code -256 bit) and ranging signal (M sequence code -512 bit) of the present invention are composed of different numbers of bits determined in advance, the ID code and ranging received by the shipboard station Many accurate data can be obtained without signal interference. In addition, the underwater acoustic positioning system of the present invention can reduce noise from signal transmission to reception even though the propagation speed of the acoustic signal is slow (1500 m / sec in the sea).

(第発明)
発明の水中音響測位システムは、GPSを備えている船上局と、海底に設置された複数の海底局との間で行う際の送受信を2回に分けるとともに、それぞれに時間差を持たせて複数の海上局から船上局に送信している。第発明における第1回目のデータと第2回目のデータは、海底局から送信されるデータの遅延時間がトータルで同じ時間になるようにしているため、それぞれのデータの誤差を少なくすることができる。また、第発明は、データに誤差が少ないため、データ解析において、たとえ、複数の海底局の中心上に船上局が存在していたとしても、より正確なデータを得ることができる。
(The first aspect of the present invention)
The underwater acoustic positioning system according to the first aspect of the present invention divides transmission and reception when performing between a shipboard station equipped with GPS and a plurality of submarine stations installed on the seabed into two times, and each has a time difference. Transmitting from multiple maritime stations to the shipboard station. Since the first data and the second data in the first invention are such that the delay time of the data transmitted from the submarine station is the same in total, the error of each data can be reduced. it can. In addition, since the first invention has few errors in data, more accurate data can be obtained in data analysis even if a shipboard station exists on the center of a plurality of submarine stations.

船上局の送信部は、前記音響トランスデューサから一斉に音響信号(IDコードS0、測距信号M)を送信する。前記それぞれの海底局は、返信信号として、所定の時間差をもって送信される(S1、M)、(S2、M)、(S3、M)、(S4、M)、・・・。次に、それぞれの海底局は、返信信号として、所定の時間差を持って送信される(S4、M)、(S3、M)、(S2、M)、(S1、M)・・・。2回に分け、それぞれ時間差を持たせ海底局のデータは、よ正確なデータを得ることができた。特に、海底局の中心に船上局がある場合、有利である。前記時間差は、任意に設定できるものである。 The transmitting unit of the shipboard station transmits acoustic signals (ID code S0, ranging signal M) all at once from the acoustic transducers. Each of the submarine stations is transmitted as a reply signal with a predetermined time difference (S1, M), (S2, M), (S3, M), (S4, M),. Next, each submarine station is transmitted as a reply signal with a predetermined time difference (S4, M), (S3, M), (S2, M), (S1, M). Divided into two times, data of each submarine stations to have a time difference, it was possible to obtain accurate data Ri good. This is particularly advantageous when the shipboard station is at the center of the submarine station. The time difference can be arbitrarily set.

(第発明)
発明の水中音響測位システムは、第1発明において、優れたデータを得るためのものである。音響信号は、機械的振動であるため、振動が0になるまでに時間がかかる。前記機械的振動は、連続した振動と振動の間、および位相の異なる振動に変わる時期を検出することが困難な場合がある。そこで、第発明は、ビットが「0」から「1」、あるいは「1」から「0」に変わる場合、および同じビットが「0」、「0」、「0」・・・、「1」、「1」、「1」、・・・、と連続する場合において、各ビットの間で出力が停止する時間を設けている。前記各ビットの停止時間は、ビットとビットの境が明りょうに識別できるため、正確なデータとすることができる。なお、前記ビットを形成する波の数は、2波から4波、あるいはそれ以上とすることも可能である。
( Second invention)
The underwater acoustic positioning system of the second invention is for obtaining excellent data in the first invention. Since the acoustic signal is mechanical vibration, it takes time until the vibration becomes zero. The mechanical vibration may be difficult to detect between successive vibrations and when it changes to vibrations of different phases. Therefore, in the second invention, when the bit changes from “0” to “1”, or from “1” to “0”, and when the same bit changes to “0”, “0”, “0”. ”,“ 1 ”,“ 1 ”,..., There is a time during which output stops between each bit. The stop time of each bit can be made accurate because the boundary between the bits can be clearly identified. The number of waves forming the bit can be 2 to 4 waves or more.

(第発明)
発明の水中音響測位方法は、海底局で受信した音響信号を2回に分けて送信している。第1回目の送信信号は、m1からm4の海底局に予め決められた時間差を持たせている。次ぎに、第2回目の送信信号は、m4からm1の海底局に所定の時間差をもたせて逆に返信される。第1回目と第2回目の送信信号は、それぞれの海底局からの船上局への遅延時間が平均化されているため、全体の誤差を少なくすることができる。
( Third invention)
In the underwater acoustic positioning method of the third invention, the acoustic signal received by the submarine station is divided into two parts and transmitted. In the first transmission signal, a predetermined time difference is given to the submarine stations m1 to m4. Next, the second transmission signal is sent back in reverse with a predetermined time difference from the submarine stations m4 to m1. Since the first transmission signal and the second transmission signal have the average delay time from each submarine station to the shipboard station, the overall error can be reduced.

図1は本発明の第1実施例で、同じIDコードを付けた測距信号を一斉に海底局に送信する例を説明するための概略図である。図2は本発明の第1実施例で、それぞれの海底局から異なるIDコードを付けた測距信号を船上局に一斉に返信する例を説明するための概略図である。図1および図2において、水中音響測位システムは、GPSを備えている船上局11の船底にトランスジューサ111が設けられており、海底に複数の海底局12(m1、m2、m3、m4、・・・)が敷設されている。船上局11は、少なくとも船の位置を正確に知るためのGPSと前記海底局12(m1、m2、m3、m4、・・・)に向かって信号を受信するトランスジューサ111を備えている。前記船上局11は、トランスジューサ111から発振された音響信号を海底局12に送信した後、前記音響信号を前記海底局12から前記船上局11で受信するシステムとなっている。   FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example in which ranging signals with the same ID code are simultaneously transmitted to a submarine station in the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an example in which ranging signals with different ID codes from the respective submarine stations are simultaneously returned to the shipboard station in the first embodiment of the present invention. 1 and 2, the underwater acoustic positioning system is provided with a transducer 111 on the bottom of an onboard station 11 equipped with GPS, and a plurality of submarine stations 12 (m1, m2, m3, m4,.・) Is laid. The shipboard station 11 includes at least a GPS for accurately knowing the position of the ship and a transducer 111 that receives signals toward the submarine station 12 (m1, m2, m3, m4,...). The shipboard station 11 is a system in which the shipboard station 11 receives the sound signal from the seabed station 12 after transmitting the sound signal oscillated from the transducer 111 to the seabed station 12.

前記海底局12(m1、m2、m3、m4、・・・)から前記返信された音響信号は、前記音響トランスデューサ111によって受信された後、前記船上局11に設けられているGPSによって、前記海底局12の位置を算出する。なお、前記GPSは、陸上におけるGPS観測データを基準としているものとする。前記観測は、たとえば、数カ月置きに行うことにより、前記海底局12の位置がどの様に変化したかを判断することができるものである。   The returned acoustic signal from the submarine station 12 (m1, m2, m3, m4,...) Is received by the acoustic transducer 111, and then transmitted to the submarine by the GPS provided in the shipboard station 11. The position of the station 12 is calculated. The GPS is based on GPS observation data on land. For example, the observation can be performed every several months to determine how the position of the submarine station 12 has changed.

本実施例の水中音響測位システムは、前記GPSを備えている船上局11から海底に設置された複数の海底局12に向かって、前記音響トランスデューサ111から一斉に音響信号(IDコードS0および測距信号M)を送信する。その後、前記トランスデューサ111からの前記音響信号を受信した海底局12は、船上局11に向かってほぼ一斉に応答データを送る。前記船上局11で受信した各海底局12(m1、m2、m3、m4、・・・)の音響信号(S1、S2、S3、S4、・・・およびM)は、それぞれの位置(距離)により少し違う時間差をもってそれぞれ収集される。前記各データは、図示されていないデータ処理装置により処理することにより、前記海底局12の位置情報を正確に得ることができる。本実施例の水中音響測位システムは、船上局11からの一回の呼び出しで、各海底局12(m1、m2、m3、m4、・・・)から測定結果がほぼ一斉に戻って来るため、海水温度、塩分濃度等の条件が時々刻々と変わる前の正確なデータを効率良く得ることができる。   The underwater acoustic positioning system according to the present embodiment is configured to simultaneously transmit acoustic signals (ID code S0 and ranging) from the acoustic transducer 111 toward the plurality of submarine stations 12 installed on the seabed from the onboard station 11 equipped with the GPS. Signal M). Thereafter, the submarine station 12 that has received the acoustic signal from the transducer 111 sends response data almost simultaneously toward the shipboard station 11. The acoustic signals (S1, S2, S3, S4,..., And M) of the submarine stations 12 (m1, m2, m3, m4,...) Received by the shipboard station 11 are the respective positions (distances). Are collected with slightly different time differences. Each data is processed by a data processor (not shown), so that the position information of the submarine station 12 can be obtained accurately. In the underwater acoustic positioning system of the present embodiment, the measurement results return almost simultaneously from each submarine station 12 (m1, m2, m3, m4,...) With a single call from the shipboard station 11, Accurate data can be efficiently obtained before conditions such as seawater temperature and salinity concentration change every moment.

前記音響信号は、それぞれの海底局12に付けられたIDコード(B系列コード)と、前記船上局11と海底局12の位置を決めるための測距信号(M系列コード)とからなる。船上局11の送信部は、前記IDコード(B系列コード)および測距信号(M系列コード)からなる音響信号を前記海底局12のそれぞれに一斉に送信する。前記音響信号は、前記海底局送受信部(図示されていない)でそれぞれ受信される。前記海底局送受信部は、前記それぞれの位置により返信信号(S1、S2、S3、S4、・・・、およびM)を送信する。   The acoustic signal includes an ID code (B series code) attached to each submarine station 12 and a ranging signal (M series code) for determining the positions of the shipboard station 11 and the submarine station 12. The transmitting unit of the shipboard station 11 transmits an acoustic signal including the ID code (B sequence code) and the ranging signal (M sequence code) to each of the submarine stations 12 at the same time. The acoustic signals are received by the submarine station transceiver unit (not shown). The submarine station transmitting / receiving unit transmits a reply signal (S1, S2, S3, S4,..., And M) according to the respective positions.

前記B系列コードおよびM系列コードは、人工的な規則に基づいて生成された疑似ランダム信号である。これらの信号は、自己相関値が鋭いピークを示すと同時に自分以外との相関値が極めて低いという性質を持っている。そのため、前記信号は、周辺雑音等により受信信号が不明瞭な場合であっても、相関処理により伝搬時間を判別することができるという利点を有している。   The B sequence code and the M sequence code are pseudo-random signals generated based on an artificial rule. These signals have the property that the autocorrelation value shows a sharp peak and at the same time the correlation value with other than itself is extremely low. Therefore, the signal has an advantage that the propagation time can be determined by correlation processing even when the received signal is unclear due to ambient noise or the like.

前記船上局11の受信部(図示されていない)は、前記海底局12(m1、m2、m3、m4、・・・)の送受信部(図示されていない)からそれぞれ送られて来た返信信号(S1、S2、S3、S4、・・・、およびM)を受信する。前記船上局11の受信部は、前記返信信号(S1、S2、S3、S4、・・・、およびM)、およびGPSからの位置信号をデータとして記憶する。前記データは、船上局11において、またはデータとして地上に持ち帰り、データ処理装置(図示されていない)によって、前記海底局12の位置を決めるための演算処理が行われる。第1実施例の水中音響測位システムは、一斉に音響信号を送り、ほぼ一斉に返信されたデータを処理するため、海水温度、塩分濃度が変化しない短時間に効率的で、正確なデータを多く収集することができる。なお、一般的に、本実施例の船上局における送信部と、船上局における受信部とは、船上局に設けられた一体の送受信装置であり、説明の都合上別々にして記載している。   The receiving unit (not shown) of the shipboard station 11 is a reply signal sent from the transmitting / receiving unit (not shown) of the submarine station 12 (m1, m2, m3, m4,...). (S1, S2, S3, S4,..., And M) are received. The receiving unit of the shipboard station 11 stores the return signal (S1, S2, S3, S4,..., And M) and the position signal from the GPS as data. The data is brought back to the ground at the shipboard station 11 or as data, and a calculation process for determining the position of the submarine station 12 is performed by a data processing device (not shown). Since the underwater acoustic positioning system of the first embodiment sends acoustic signals all at once and processes the data returned almost all at once, it is efficient in a short time when the seawater temperature and salinity concentration do not change, and a lot of accurate data Can be collected. In general, the transmitting unit in the onboard station and the receiving unit in the onboard station of this embodiment are an integral transmitting / receiving device provided in the onboard station, and are described separately for convenience of explanation.

本実施例におけるIDコード(S0、B系列コード−256bit )および測距信号(M、M系列コード−512bit )は、予め決められた異なる系列およびビット数から構成されているため、船上局11で受信したIDコードおよび測距信号が混信することなく、正確なデータを数多く得ることができる。また、本実施例の水中音響測位システムは、音響信号の海中での伝播速度が遅い(海中で、1500m/sec )にもかかわらず、信号の送信から受信までに入る雑音を少なくすることができる。   Since the ID code (S0, B sequence code -256 bits) and ranging signal (M, M sequence code -512 bits) in the present embodiment are composed of different predetermined sequences and bit numbers, the shipboard station 11 A lot of accurate data can be obtained without interference between the received ID code and ranging signal. In addition, the underwater acoustic positioning system of the present embodiment can reduce noise entering from signal transmission to reception despite the low propagation speed of the acoustic signal in the sea (1500 m / sec in the sea). .

図3は本発明の第2実施例で、海上局から送信した測距信号を船上局で2回に分けて受信する例を説明するための図である。第2実施例の海底局12は、船上局11の水中音響測位システムから一斉に送信され音響信号(IDコードS0および測距信号M)を受信する。前記音響信号(IDコードS0および測距信号M)をそれぞれ受信した海底局12は、第1回目の送信信号として、時間差を持った音響信号(S1、M)、(S2、M)、(S3、M)、(S4、M)が返信される。次に、前記それぞれの海底局12は、第2回目の送信信号として、時間差を持った音響信号(S4、M)、(S3、M)、(S2、M)、(S1、M)が返信される。   FIG. 3 is a diagram for explaining an example in which the distance measurement signal transmitted from the maritime station is received twice in the shipboard station in the second embodiment of the present invention. The submarine station 12 of the second embodiment receives the acoustic signals (ID code S0 and ranging signal M) transmitted all at once from the underwater acoustic positioning system of the shipboard station 11. The submarine station 12 that has received the acoustic signals (ID code S0 and ranging signal M) receives acoustic signals (S1, M), (S2, M), (S3) having time differences as the first transmission signals. , M), (S4, M) are returned. Next, each of the submarine stations 12 returns a time difference acoustic signal (S4, M), (S3, M), (S2, M), (S1, M) as a second transmission signal. Is done.

前記例の音響信号(S1、M)および(S4、M)、(S2、M)および(S3、M)、(S3、M)および(S2、M)、(S4、M)および(S1、M)は、トータルでクロック時間の遅延時間が平均化されるため、測定誤差を少なくすることができ、第1回目と第2回目に分けることにより、第1発明より正確なデータを得ることができる。特に、海底局の中心に船上局がある場合、有利である。なお、前記時間差は、任意に設定できるものである。   Acoustic signals (S1, M) and (S4, M), (S2, M) and (S3, M), (S3, M) and (S2, M), (S4, M) and (S1, M), since the delay time of the clock time is averaged in total, the measurement error can be reduced, and more accurate data than the first invention can be obtained by dividing into the first time and the second time. it can. This is particularly advantageous when the shipboard station is at the center of the submarine station. The time difference can be arbitrarily set.

図4は本発明の第3実施例で、ビットの発信区間と発信区間との間に休止区間を入れた例を説明するための図である。図5は本発明の第3実施例において、実際に出る波形の例を説明するための図である。図4(イ)において、「1」ビットと「0」ビットの間で、位相が変わる部分において、従来は、音響装置の歪みにより図4(イ)の下のように明りょうに区別できない場合があった。しかし、図4(ロ)に示すように波形の休止期間を設けることにより、図4(ハ)に示すように、位相反転区間で、多少の歪みがあったも、波形を区別することが容易になる。   FIG. 4 is a diagram for explaining an example in which a pause period is inserted between a bit transmission period and a transmission period in the third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a waveform that actually appears in the third embodiment of the present invention. In FIG. 4 (a), in the portion where the phase changes between the “1” bit and the “0” bit, conventionally, it is not clearly distinguishable as shown in FIG. 4 (a) due to distortion of the acoustic device. was there. However, by providing a waveform pause period as shown in FIG. 4 (b), it is easy to distinguish the waveforms even if there is some distortion in the phase inversion period as shown in FIG. 4 (c). become.

図5(イ)は、同じビットが「0」、「0」、「0」・・・、あるいは「1」、「1」、「1」、・・・、と連続している場合である。前記のような場合、本発明は、ビット間で出力が停止する時間を設けている。前記各ビットの停止時間は、図5(ロ)に示すように、ビットとビットの境が明りょうに識別できるため、正確なデータとすることができる。音響信号は、機械的振動であるため、振動が0になるまでに時間がかかるが、ビットが「0」から「1」、「1」から「0」、「1」の連続、および「0」の連続のような場合であっても、出力が休止する区間をも受けることで、明りょうに識別することができる。なお、図4および図5において、1ビットを4波の例を示しているが、波の数に関係することがなく、2波ない4波以上とすることができる。   FIG. 5A shows a case where the same bits are continuous with “0”, “0”, “0”..., Or “1”, “1”, “1”,. . In such a case, the present invention provides a time during which output stops between bits. As shown in FIG. 5B, the stop time of each bit can be accurately determined because the boundary between the bits can be clearly identified. Since the acoustic signal is mechanical vibration, it takes time until the vibration becomes zero, but the bits are continuously from “0” to “1”, “1” to “0”, “1”, and “0”. ”Can be clearly identified by receiving a period in which the output is paused. 4 and 5, an example in which one bit is four waves is shown, but it is not related to the number of waves and can be four waves or more, not two waves.

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。本発明の船上局および海底局、送受信装置、あるいはデータ処理装置等は、公知の通信工学および音響工学技術から構成されるもので、特許請求の範囲を逸脱しないがぎり変形することが可能である。   As mentioned above, although the Example of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to the said Example. The present invention can be modified in various ways without departing from the scope of the claims. The shipboard and submarine stations, transmission / reception apparatus, data processing apparatus, etc. of the present invention are composed of known communication engineering and acoustic engineering techniques, and can be modified without departing from the scope of the claims. .

11・・・船上局
111・・・トランスジューサ
12・・・海上局
11 ... Shipboard 111 ... Transducer 12 ... Maritime

Claims (3)

陸上におけるGPS観測データを基準としたGPSを備えている船上局から一斉に送信した音響信号を海底に設置された複数の海底局でそれぞれ受信し、それぞれの海底局から前記音響信号を前記船上局へ送信することによって、前記海底局の位置データを収集することができる水中音響測位システムにおいて、
前記船上局からIDコード(S0)および測距信号(M)からなる音響信号を前記海底局のそれぞれに一斉に送信する船上局送信部と、
前記船上局送信部からの音響信号をそれぞれ受信するとともに、それぞれの海底局によって異なるIDコード(S1、S2、S3、S4、・・・)を付けた前記測距信号(M)をそれぞれの海底局から時間差を持って第1回目の送信を行うとともに、前記第1回目と第2回目の送信順序を逆転させ、前記IDコード(S4、S3、S2、S1、・・・)および測距信号(M)のそれぞれの送信に要するトータル時間が平均化されてほぼ同じになる時間差を持って海底局から第2回目の送信を行う海底局送受信部と、
前記それぞれの海底局からの第1回目および第2回目の送信信号それぞれの時間差を持って受信する船上局受信部と、
前記受信した第1回目および第2回目の受信信号と、GPSからの位置信号を基にして、前記海底局の位置を決める演算を行うデータ処理装置と、
から少なくとも構成されていることを特徴とする水中音響測位システム。
A plurality of submarine stations installed on the seabed receive acoustic signals transmitted simultaneously from the shipboard stations equipped with GPS based on GPS observation data on land, and the sound signals are received from the respective submarine stations. In the underwater acoustic positioning system that can collect the position data of the submarine station by transmitting to
An onboard station transmitter for simultaneously transmitting an acoustic signal comprising an ID code (S0) and a ranging signal (M) from each of the aboveboard stations to each of the submarine stations;
The acoustic signals from the shipboard station transmitters are received, and the ranging signals (M) with different ID codes (S1, S2, S3, S4,. The first transmission is performed with a time difference from the station, the transmission order of the first and second transmissions is reversed, and the ID code (S4, S3, S2, S1,...) And the ranging signal A submarine station transmission / reception unit that performs a second transmission from the submarine station with a time difference in which the total time required for each transmission of (M) is averaged and substantially the same;
An onboard station receiver that receives the first and second transmission signals from the respective submarine stations with a time difference;
A data processing device that performs an operation for determining the position of the submarine station based on the received first and second received signals and a position signal from GPS;
An underwater acoustic positioning system characterized by comprising at least.
前記IDコード(B系列コード)および測距信号(M系列コード)は、ビットが「0」から「1」、あるいは「1」から「0」に変わる場合、および同じビットが「0」、「0」、「0」・・・、および「1」、「1」、「1」、・・・、と連続する場合において、各ビットの間で出力が停止する時間を設けていることを特徴とする請求項1に記載された水中音響測位システム。   The ID code (B-sequence code) and ranging signal (M-sequence code) have a bit changed from “0” to “1”, or “1” to “0”, and the same bit is “0”, “ When “0”, “0”..., And “1”, “1”, “1”,... Are consecutive, there is provided a time during which output stops between each bit. The underwater acoustic positioning system according to claim 1. 陸上におけるGPS観測データを基準としたGPSを備えている船上局から一斉に送信した音響信号を海底に設置された複数の海底局でそれぞれ受信し、それぞれの海底局から前記音響信号を一斉に前記船上局へ送信することによって、前記海底局の位置データを収集することができる水中音響測位方法において、
前記船上局からIDコード(S0)および測距信号(M)からなる音響信号を前記海底局のそれぞれに一斉に送信し、
前記海底局において、前記音響信号をそれぞれ受信するとともに、それぞれの海底局によって異なるIDコードおよび測距信号(S1、M)、(S2、M)、(S3、M)、(S4、M)、・・・を付け、それぞれに対して所定の時間差を持って第1回目の送信を行うとともに、前記IDコードおよび測距信号(S4、M)、(S3、M)、(S2、M)、(S1、M)、・・・のそれぞれを海底局から時間差を持って2回目の送信を行い、前記第1回目および第2回目の送信順序を逆転させ、それぞれの送信に要するトータル時間が平均化されてほぼ同じになるようして、それぞれの海底局から送信し、
データ処理装置により、前記受信した第1回目および第2回目の受信信号と、GPSからの位置信号を基にして、前記海底局の位置を決める演算を行うことを特徴とする水中音響測位方法。
Acoustic signals transmitted simultaneously from shipboard stations equipped with GPS based on GPS observation data on land are received by a plurality of submarine stations installed on the sea floor, and the acoustic signals are simultaneously transmitted from the respective submarine stations. In the underwater acoustic positioning method capable of collecting the position data of the submarine station by transmitting to the shipboard station,
An acoustic signal composed of an ID code (S0) and a ranging signal (M) is transmitted from the shipboard station to each of the submarine stations,
In the submarine station, the acoustic signal is received, and the ID code and ranging signal (S1, M), (S2, M), (S3, M), (S4, M), which are different depending on each submarine station, .., And the first transmission is performed with a predetermined time difference for each, and the ID code and ranging signals (S4, M), (S3, M), (S2, M), (S1, M),... Are transmitted for the second time with a time difference from the submarine station, the first and second transmission sequences are reversed, and the total time required for each transmission is averaged. and so as to be substantially the same is of, and transmitted from each of seafloor,
An underwater acoustic positioning method, wherein a data processor performs an operation for determining a position of the submarine station based on the received first and second received signals and a position signal from GPS.
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