JP6675118B2 - Underwater localization system - Google Patents
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Description
本発明は、ＧＰＳ信号を利用して、水中に投入された潜水機の水中位置を推定する水中局域測位システムに関する。 The present invention relates to an underwater localization system for estimating an underwater position of a submerged vehicle submerged in water using a GPS signal.
海洋や湖沼等において水中・水底探査等を行う場合には、水中に投入した潜水機の位置を把握する必要がある。
特許文献１には、複数の水中作業機を制御する主支援船及び複数の支援船を海上に浮かべ、この主支援船及び支援船の座標位置を人工衛星からのＧＰＳ信号によって演算し、この座標位置をもとにして水中作業機の位置を制御するようにした水中作業機等の位置出し方法が開示されている。
また、特許文献２には、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を基にして位置データを求め、その位置データを超音波信号として水中に発信するとともに、所定の時刻に時刻パルスを超音波信号として水中に発信するブイと、水中ロボットに備えられ、ブイからの超音波信号を受信することによって、ブイの位置データと時刻パルスの到達時間差とを求め、これら位置データと到達時間差とを基にして現在位置データを算出する演算器等とを有する水中物体位置測定装置が開示されている。
また、特許文献３には、水中に設置され、水上または水中を移動可能な移動体の位置を移動体側で計測させるための音響信号を定期的に送出する少なくとも２基以上の水中音源装置と、各水中音源装置が送出した音響信号の受信時刻と送信時刻とに基づいて、各水中音源装置と移動体との距離から、三角測量により移動体の位置を計測する音響測位装置とを備えた音響測位システムが開示されている。
When conducting underwater / bottom exploration in the ocean, lakes, or the like, it is necessary to ascertain the position of a submersible that has been put into water.
Patent Document 1 discloses that a main support boat and a plurality of support boats that control a plurality of underwater working machines are floated on the sea, and the coordinate positions of the main support boat and the support boat are calculated by GPS signals from artificial satellites. A positioning method of an underwater working machine or the like in which the position of the underwater working machine is controlled based on the position is disclosed.
Further, in Patent Document 2, position data is obtained based on a GPS signal from a GPS satellite, the position data is transmitted underwater as an ultrasonic signal, and a time pulse is transmitted underwater as an ultrasonic signal at a predetermined time. The buoy to be transmitted and the underwater robot are provided with the ultrasonic signal from the buoy to obtain the buoy position data and the arrival time difference of the time pulse, and based on these position data and the arrival time difference, the current position is obtained. There is disclosed an underwater object position measuring device having an arithmetic unit for calculating data and the like.
Further, Patent Document 3 discloses that at least two or more underwater sound source devices that are installed in water and periodically transmit an acoustic signal for measuring the position of a moving body that is movable on or under the water on the moving body side, An acoustic positioning device that measures the position of a moving object by triangulation from the distance between each underwater sound source device and the moving object based on the reception time and transmission time of the acoustic signal transmitted by each underwater sound source device. A positioning system is disclosed.
しかしながら、特許文献１に記載の水中作業機等の位置出し方法は、複数の支援船を用意する必要があり、多大な手間とコストがかかってしまう。また、水中作業機に超音波を発信させるための制御信号を送る有線が必要となる。また、水中作業機の位置の演算は支援船が行うものであり、水中作業機において自己の水中位置を推定することができない。
また、特許文献２に記載の水中物体位置測定装置において、ブイはＧＰＳ信号を基にして位置データを求め、その位置データを超音波信号として水中に発信すると共に、所定の時刻に時刻パルスを超音波信号として水中に発信するものであるため、超音波信号に含めるべき情報が多く複雑になってしまう。
また、特許文献３に記載の音響測位システムは、複数の音源装置を海底に設置する必要があるため、水上のＧＰＳ受信機と海底の音源装置をケーブルで結ぶ必要があり、
設置許可を得るなど手間もかかる。また、音源装置と潜水船の受信装置の双方に高精度時計部が必要となり複雑で高価なものとなっている。
However, the positioning method of the underwater working machine and the like described in Patent Literature 1 requires preparing a plurality of support vessels, which requires a great deal of labor and cost. In addition, a wire for transmitting a control signal for transmitting an ultrasonic wave to the underwater working machine is required. Further, the calculation of the position of the underwater working machine is performed by the support ship, and the underwater working machine cannot estimate its own underwater position.
In the underwater object position measuring device described in Patent Document 2, a buoy obtains position data based on a GPS signal, transmits the position data as an ultrasonic signal underwater, and transmits a time pulse at a predetermined time. Since the signal is transmitted underwater as a sound wave signal, the information to be included in the ultrasonic wave signal becomes much complicated.
In addition, the acoustic positioning system described in Patent Document 3 requires a plurality of sound source devices to be installed on the sea floor, so it is necessary to connect a GPS receiver on the water and a sound source device on the sea floor with a cable,
It takes time to get permission to install. In addition, a high-precision clock section is required for both the sound source device and the receiving device of the submarine, which is complicated and expensive.
そこで本発明は、ＧＰＳ信号を受けて音響信号を水中に送信する機器を海底に設置することなく、潜水機が自己の水中位置を、コストをかけずに精度よく推定することができる水中局域測位システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides an underwater station area in which a submersible device can accurately estimate its own underwater position without incurring costs, without installing a device for receiving a GPS signal and transmitting an acoustic signal underwater on the sea floor. It is intended to provide a positioning system.
請求項１記載に対応した水中局域測位システムにおいては、水面への設定位置を維持するように位置保持を行うとともに、ＧＰＳ信号を受信し受信信号に基づいた音響信号を水中に送信する送信手段を有した３機以上の自動位置保持浮体と、自動位置保持浮体の設置水域に投入され送信手段から送信された音響信号を受信する受信手段を有した潜水機とを備え、自動位置保持浮体が、それぞれの位置保持をＧＰＳ信号を用いて行い、それぞれの識別信号を音響信号に付加して送信手段から送信するとともに、潜水機が、水中投入前に入力された自動位置保持浮体のそれぞれの設定位置情報及びそれぞれの識別信号情報を記憶する入力情報記憶手段と、記憶された設定位置情報と識別信号情報及び受信した音響信号とに基づいて水中における自己の水中位置を推定する推定手段を有し、自動位置保持浮体は、設定位置に対する水面上の位置ずれをＧＰＳ信号に基づいて検出し、設定位置からのずれに関して、水面におけるＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに対して、水中音速を用いて計算された、ずれ距離の補正情報を音響信号に付加して送信手段から送信することを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、潜水機自身で自己の水中位置を推定することができ、自動位置保持浮体から潜水機に送信する信号をシンプルにすることができる。また、音響信号を水中に送信する自動位置保持浮体は、波や風の影響を受けても設定位置を維持するように位置保持を行うので、潜水機の水中位置推定精度が向上する。また、音響信号を送信する機器を海底に設置する必要がないので、ケーブルの配索や設置許可を得るなどの手間が不要である。さらに、ＧＰＳ信号を基にした３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中位置を推定するため、高精度時計部を必要とせずコストが低減できる。また、潜水機は、自己の水中位置を推定する際に自動位置保持浮体の補正情報に基づいた補正を行うことができるため、誤差を少なくすることができる。また、補正情報を音響信号に付加して発信するため、他の送信手段を必要としない。
In an underwater localization system according to claim 1, a transmitting means for maintaining a position so as to maintain a set position on the water surface, receiving a GPS signal, and transmitting an acoustic signal based on the received signal underwater. An automatic position holding floating body having three or more automatic position holding floating bodies having: and a submersible having receiving means for receiving an acoustic signal transmitted from the transmitting means and placed in a water area where the automatic position holding floating body is installed, , Each position is held using a GPS signal, each identification signal is added to the acoustic signal and transmitted from the transmitting means, and the submersible sets the respective position of the automatic position holding floating body inputted before being put into the water. Input information storage means for storing the position information and the respective identification signal information; and an underwater self-timer based on the stored set position information, the identification signal information and the received acoustic signal. It has estimating means for estimating a water position, automatic position holding floating detects based positional shift on the water surface in the GPS signal to the set position, with respect to deviations from the set position, X axis direction and the Y-axis in the surface of the water for each direction was calculated using the underwater sound speed, characterized that you send the correction information of the deviation distance from the transmitting means in addition to the acoustic signal.
According to the present invention, the underwater vehicle itself can estimate its own underwater position, and the signal transmitted from the automatic position holding floating body to the submarine can be simplified. In addition, since the automatic position holding floating body that transmits the acoustic signal into the water holds the position so as to maintain the set position even under the influence of the waves and the wind, the underwater position estimation accuracy of the submersible is improved. In addition, since it is not necessary to install a device for transmitting an acoustic signal on the seabed, there is no need for labor such as laying out cables and obtaining permission for installation. Further, since the underwater position is estimated based on sound signals from three or more automatic position holding floating bodies based on GPS signals, the cost can be reduced without requiring a high-precision clock unit. Further, the submersible can make a correction based on the correction information of the automatic position holding floating body when estimating its own underwater position, so that the error can be reduced. In addition, since the correction information is added to the sound signal and transmitted, no other transmission means is required.
請求項２記載の本発明は、自動位置保持浮体の送信手段は、ＧＰＳ信号に同期した音響信号を所定の時間間隔で水中に送信することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、自動位置保持浮体がＧＰＳ信号に同期した正確な時間周期で音響信号を送信するので、自動位置保持浮体間で同期のための通信を行う必要が無く、潜水機の水中位置推定精度も向上できる。
According to a second aspect of the present invention, the transmitting means of the automatic position holding floating body transmits an acoustic signal synchronized with the GPS signal into the water at predetermined time intervals.
According to the second aspect of the present invention, since the automatic position holding floating body transmits the acoustic signal at an accurate time period synchronized with the GPS signal, there is no need to perform communication for synchronization between the automatic position holding floating bodies. Also, the accuracy of estimating the underwater position of the submersible can be improved.
請求項３記載の本発明は、識別信号情報は、音響信号の周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅のうちから選択される信号を、それぞれの自動位置保持浮体毎に異ならせたものであることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、潜水機は、自動位置保持浮体毎に異なる周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅に基づき、簡単な識別手法を用いて音響信号がどの自動位置保持浮体から送信されたものかを識別することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the identification signal information, a signal selected from a frequency, a duty cycle, a digital bit, or a signal time width of an acoustic signal is different for each automatic position holding floating body. It is characterized by being.
According to the present invention as set forth in claim 3, the submersible vehicle uses a simple identification method based on a different frequency, duty cycle, digital bit, or signal time width for each automatic position holding floating body to determine which automatic sound signal is used. It is possible to identify whether the data is transmitted from the position holding floating body.
請求項４記載の本発明は、潜水機が受信した音響信号を連続的に記録する記録手段を有していることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、潜水機が連続的な記録手段を有するので、別途潜水機と独立した記録手段を設ける必要がなく、経時的な信号処理が可能となる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a recording apparatus for continuously recording an acoustic signal received by a submersible.
According to the fourth aspect of the present invention, since the submersible has continuous recording means, there is no need to provide a separate recording means independent of the submersible, and signal processing over time can be performed.
請求項５記載の本発明は、推定手段は、３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号のうち任意の２つの音響信号の時間差データから潜水機の水中位置を推定することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、潜水機は、各自動位置保持浮体との距離によって音響信号が届く時間に差が生じることを利用して、自身の水中位置を推定することができる。また、時間差データにより誤差をキャンセルし、高精度時計部を用いなくても水中位置を精度よく推定することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, the estimating means estimates the underwater position of the submersible from time difference data between any two of the acoustic signals from the three or more automatic position holding floating bodies. .
According to the fifth aspect of the present invention, the underwater vehicle can estimate its own underwater position by utilizing the fact that the time at which the sound signal arrives varies depending on the distance to each automatic position holding floating body. . Further, the error can be canceled by the time difference data, and the underwater position can be accurately estimated without using a high-precision clock unit.
請求項６記載の本発明は、潜水機が深度計を有し、推定手段が深度計データを用いて潜水機の水中位置を推定することを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、潜水機は、水中位置のうちの深度を自身が有する深度計によって推定することができる。
According to a sixth aspect of the present invention, the submersible has a depth gauge, and the estimating means estimates the underwater position of the submersible using the depth gauge data.
According to the sixth aspect of the present invention, the submersible can estimate the depth of the underwater position by its own depth gauge.
請求項７記載の本発明は、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の時間差データに基づいた双曲線測位法により、潜水機の緯度及び経度を推定することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、双曲線測位法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。
According to a seventh aspect of the present invention, the estimating means estimates the latitude and longitude of the submersible vehicle by a hyperbolic positioning method based on depth gauge data and time difference data of acoustic signals from three or more automatic position holding floating bodies. It is characterized by.
According to the seventh aspect of the present invention, the underwater position of the submersible can be accurately estimated by the hyperbolic positioning method.
請求項８記載の本発明は、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の伝搬時間に基づいた三角測量法により、潜水機の緯度及び経度を推定することを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、タイムオブフライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。
According to the present invention, the estimating means estimates the latitude and longitude of the submersible by a triangulation method based on the depth measurement data and the propagation times of the acoustic signals from the three or more automatic position holding floating bodies. It is characterized by.
According to the eighth aspect of the present invention, the underwater position of the submersible vehicle can be accurately estimated by a triangulation method such as a time of flight (Time of Flight) positioning method.
請求項９記載の本発明は、推定手段は、自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中における潜水機の３次元的な水中位置を推定することを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、３次元的な水中位置を推定するにあたって潜水機に深度計等を備える必要が無い。
According to a ninth aspect of the present invention, the estimating means estimates a three-dimensional underwater position of the underwater vehicle underwater based on an acoustic signal from the automatic position holding floating body.
According to the ninth aspect of the present invention, when estimating the three-dimensional underwater position, it is not necessary to equip the submersible with a depth gauge or the like .
請求項１０記載の本発明は、潜水機は、受信手段を潜水機上の離隔した位置に複数有し、複数の受信手段間における受信した音響信号の時間差から潜水機自身の姿勢を検出することを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、複雑な姿勢検出手段を必要とせずに、水中位置に加えて姿勢を検出することができ、潜水機の状態をより詳しく把握することができる。
The present invention 請 Motomeko 10 wherein the submarine vehicle has a plurality of receiving means in spaced positions on the submersible, detects the attitude of the submarine vehicle itself from the time difference between the acoustic signals received between a plurality of receiving means It is characterized by the following.
According to the tenth aspect of the present invention, the posture can be detected in addition to the underwater position without requiring complicated posture detecting means, and the state of the submersible vehicle can be grasped in more detail.
請求項１１記載の本発明は、自動位置保持浮体は、水面における他の存在物に対する注意を喚起する表示及び／又は信号の発信を行うことを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、自動位置保持浮体や潜水機に他の存在物が衝突して損傷することを防止できる。
The present invention described in claim 11 is characterized in that the automatic position holding floating body performs a display and / or a signal for calling attention to another entity on the water surface.
According to the eleventh aspect of the present invention, it is possible to prevent the automatic position holding floating body and the submersible from being damaged by collision with another entity.
本発明の水中局域測位システムによれば、潜水機自身で自己の水中位置を推定することができ、自動位置保持浮体から潜水機に送信する信号をシンプルにすることができる。また、音響信号を水中に送信する自動位置保持浮体は、波や風の影響を受けても設定位置を維持するように位置保持を行うので、潜水機の水中位置推定精度が向上する。また、音響信号を送信する機器を海底に設置する必要がないので、ケーブルの配索や設置許可を得るなどの手間が不要である。さらに、ＧＰＳ信号を基にした３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中位置を推定するため、高精度時計部を必要とせずコストが低減できる。また、潜水機は、自己の水中位置を推定する際に自動位置保持浮体の補正情報に基づいた補正を行うことができるため、誤差を少なくすることができる。また、補正情報を音響信号に付加して発信するため、他の送信手段を必要としない。 According to the underwater localization system of the present invention, the underwater vehicle itself can estimate its own underwater position, and the signal transmitted from the automatic position holding floating body to the underwater vehicle can be simplified. In addition, since the automatic position holding floating body that transmits the acoustic signal into the water holds the position so as to maintain the set position even under the influence of the waves and the wind, the underwater position estimation accuracy of the submersible is improved. In addition, since it is not necessary to install a device for transmitting an acoustic signal on the seabed, there is no need for labor such as laying out cables and obtaining permission for installation. Further, since the underwater position is estimated based on sound signals from three or more automatic position holding floating bodies based on GPS signals, the cost can be reduced without requiring a high-precision clock unit. Further, the submersible can make a correction based on the correction information of the automatic position holding floating body when estimating its own underwater position, so that the error can be reduced. In addition, since the correction information is added to the sound signal and transmitted, no other transmission means is required.
また、自動位置保持浮体の送信手段は、ＧＰＳ信号に同期した音響信号を所定の時間間隔で水中に送信する場合には、自動位置保持浮体がＧＰＳ信号に同期した正確な時間周期で音響信号を送信するので、自動位置保持浮体間で同期のための通信を行う必要が無く、潜水機の水中位置推定精度も向上できる。 Further, when transmitting the acoustic signal synchronized with the GPS signal into the water at predetermined time intervals, the transmitting means of the automatic position holding float outputs the acoustic signal at an accurate time period synchronized with the GPS signal. Since the transmission is performed, there is no need to perform communication for synchronization between the automatic position holding floating bodies, and the accuracy of estimating the underwater position of the submersible can be improved.
また、識別信号情報は、音響信号の周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅のうちから選択される信号を、それぞれの自動位置保持浮体毎に異ならせたものである場合には、潜水機は、自動位置保持浮体毎に異なる周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅に基づき、簡単な識別手法を用いて音響信号がどの自動位置保持浮体から送信されたものかを識別することができる。 In addition, if the identification signal information is a signal selected from the frequency, duty cycle, digital bit, or signal time width of the acoustic signal, and is different for each automatic position holding floating body, the dive The machine shall use a simple identification method to identify which auto-positioning float came from, based on the different frequency, duty cycle, digital bits, or signal duration of each auto-positioning float. Can be.
また、潜水機が受信した音響信号を連続的に記録する記録手段を有している場合には、別途潜水機と独立した記録手段を設ける必要がなく、経時的な信号処理が可能となる。 Further, in the case where the submersible has recording means for continuously recording the received acoustic signals, it is not necessary to provide a separate recording means independent of the submersible, so that signal processing over time can be performed.
また、推定手段は、３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号のうち任意の２つの音響信号の時間差データから潜水機の水中位置を推定する場合には、潜水機は、各自動位置保持浮体との距離によって音響信号が届く時間に差が生じることを利用して、自身の水中位置を推定することができる。また、時間差データにより誤差をキャンセルし、高精度時計部を用いなくても水中位置を精度よく推定することができる。 Further, when the estimating means estimates the underwater position of the submersible from the time difference data between any two of the acoustic signals from the three or more automatic position holding floating bodies, By utilizing the fact that the time required for the sound signal to reach varies depending on the distance to the floating body, it is possible to estimate its own underwater position. Further, the error can be canceled by the time difference data, and the underwater position can be accurately estimated without using a high-precision clock unit.
また、潜水機が深度計を有し、推定手段が深度計データを用いて潜水機の水中位置を推定する場合には、潜水機は、水中位置のうちの深度を自身が有する深度計によって推定することができる。 In the case where the submersible has a depth gauge and the estimating means estimates the underwater position of the submersible using the depth gauge data, the submersible estimates the depth of the underwater position using its own depth gauge. can do.
また、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の時間差データに基づいた双曲線測位法により、潜水機の緯度及び経度を推定する場合には、双曲線測位法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。 When estimating the latitude and longitude of the submersible vehicle by the hyperbolic positioning method based on the depth measurement data and the time difference data of the sound signals from the three or more automatic position holding floating bodies, the hyperbolic positioning method is used. The underwater position of the submersible can be accurately estimated.
また、推定手段は、深度計データ及び３機以上の自動位置保持浮体からの音響信号の伝搬時間に基づいた三角測量法により、潜水機の緯度及び経度を推定する場合には、タイムオブフライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法により潜水機の水中位置を精度よく推定することができる。 When estimating the latitude and longitude of the submersible by a triangulation method based on the depth measurement data and the propagation times of the acoustic signals from the three or more automatic position holding floating bodies, the time of flight ( The underwater position of the submersible can be accurately estimated by a triangulation method such as a Time of Flight (Positioning) positioning method.
また、推定手段は、自動位置保持浮体からの音響信号に基づいて水中における潜水機の３次元的な水中位置を推定する場合には、３次元的な水中位置を推定するにあたって潜水機に深度計等を備える必要が無い。 When estimating the three-dimensional underwater position of the underwater vehicle underwater based on the acoustic signal from the automatic position holding floating body, the estimating means may include a depth meter in the underwater vehicle when estimating the three-dimensional underwater position. there is no need to be provided and the like.
また、潜水機は、受信手段を潜水機上の離隔した位置に複数有し、複数の受信手段間における受信した音響信号の時間差から潜水機自身の姿勢を検出する場合には、複雑な姿勢検出手段を必要とせずに、水中位置に加えて姿勢を検出することができ、潜水機の状態をより詳しく把握することができる。 Also, submersible has a plurality of receiving means in spaced positions on the submarine vehicle, in the case of detecting the attitude of the submarine vehicle itself from the time difference between the acoustic signals received between a plurality of receiving means, complex attitude It is possible to detect the posture in addition to the underwater position without the need for the detecting means, and it is possible to grasp the state of the submersible in more detail.
また、自動位置保持浮体は、水面における他の存在物に対する注意を喚起する表示及び／又は信号の発信を行う場合には、自動位置保持浮体や潜水機に他の存在物が衝突して損傷することを防止できる。 Further, when the display and / or the signal is transmitted to call attention to other objects on the water surface, the automatic position holding floating body collides with the automatic position holding floating body or the submersible and is damaged. Can be prevented.
以下に、本発明の実施形態による水中局域測位システムについて説明する。 Hereinafter, an underwater local area positioning system according to an embodiment of the present invention will be described.
図１は本発明の一実施形態による水中局域測位システムの基本構成を示す概略構成図である。
本実施形態による水中局域測位システムは、海洋や湖沼等の水面に投入された３機の自動位置保持浮体１０（第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、第２浮体１０Ｃ）と、水中に投入されて探査や作業等を行う複数の潜水機２０とを備える。自動位置保持浮体１０は海底に設置する必要がないので、ケーブルの配索や設置許可を得るなどの手間が不要である。
なお、水面へ投入する自動位置保持浮体１０の数は４機以上であってもよいが、本実施形態のように、自動位置保持浮体１０の数は潜水機２０が水中位置を推定するために必要最低限数である３機とするほうが、コストや管理等の面から好ましい。また、潜水機２０の数に制限はない。
また、自動位置保持浮体１０は、ブイ、ミニボート又はタグボート等である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a basic configuration of an underwater local area positioning system according to an embodiment of the present invention.
The underwater local positioning system according to the present embodiment includes three automatic position holding floating bodies 10 (the 0th floating body 10A, the first floating body 10B, and the second floating body 10C) which are thrown into the surface of the water such as the ocean or a lake, and thrown into the water. And a plurality of submersibles 20 that perform exploration, work, and the like. Since the automatic position holding floating body 10 does not need to be installed on the sea floor, there is no need for trouble such as laying out cables and obtaining permission for installation.
The number of the automatic position holding floating bodies 10 to be put on the water surface may be four or more. However, as in the present embodiment, the number of the automatic position holding floating bodies 10 is set so that the diving machine 20 estimates the underwater position. It is preferable to use the minimum required number of three aircraft in terms of cost, management, and the like. Further, the number of the diving machines 20 is not limited.
Further, the automatic position holding floating body 10 is a buoy, a mini boat, a tug boat, or the like.
３機の自動位置保持浮体１０のそれぞれは、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星群１からのＧＰＳ信号を受信するＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）部１１、設定位置を維持するＤＰＳ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｇ Ｓｙｓｔｅｍ＝自動位置保持システム）部１２、及びＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号に同期した音響ピンガーを発振する送信手段（同期ピンガー）１３を備える。 Each of the three automatic position holding floating bodies 10 includes a DGPS (Differential GPS) unit 11 for receiving a GPS signal from a GPS (Global Positioning System) satellite group 1, a DPS (Dynamic Positioning System = automatic position holding) for maintaining a set position. A system unit 12 and a transmission unit (synchronous pinger) 13 for oscillating an acoustic pinger synchronized with the 1PPS signal of the GPS satellite group 1.
自動位置保持浮体１０には、水面における設定位置が記憶されている。船舶等によって所定の水域まで運ばれた自動位置保持浮体１０は、船舶から投入された後、ＤＰＳ部１２によって設定位置まで自力で移動する。この際、自動位置保持浮体１０は、それぞれの設定位置までの移動を、ＧＰＳ信号を用いて行う。また、自動位置保持浮体１０の設定位置へのそれぞれの位置保持を、ＧＰＳ信号を用いて行う。
第０浮体１０Ａの設定位置を原点とすると、第１浮体１０Ｂの設定位置は、第０浮体１０ＡからＸ軸方向に所定距離離れた位置であり、第２浮体１０Ｃの設定位置は、第０浮体１０ＡからＹ軸方向に所定距離離れた位置である。これにより、水面を上方視した場合に３機の自動位置保持浮体１０は三角形を成すように配置される。
３機の自動位置保持浮体１０を水面に投入することによって、設置水域（測位可能領域）αが形成される。図１において設置水域αを仮想的に直方体形状で表している。直方体形状の設置水域αの上面（＝水面）の４つの頂点のうち、３つの頂点が第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、及び第２浮体１０Ｃのそれぞれの設定位置である。
なお、潜水機２０が水底で探査又は作業を行う場合には、水底での音響信号の反射の影響を考慮し、第０浮体１０Ａと第１浮体１０Ｂとの所定距離（Ｘ軸方向）、第０浮体１０Ａと第２浮体１０Ｃとの所定距離（Ｙ軸方向）は、それぞれ設置水域αの水深（Ｚ軸方向）と概ね同じとなるように設定することが好ましい。すなわち、設置水域αが略立方体（例えば、１．５ｋｍ×１．５ｋｍ×１．５ｋｍ）となることが好ましい。なお、この場合に水中音の伝播時間は１ｓｅｃ×１ｓｅｃ×１ｓｅｃとなる。
また、潜水機２０が水底から離れた水中で探査又は作業を行う場合には、潜水機２０の深度（Ｚ軸方向）に合わせて、第０浮体１０Ａと第１浮体１０Ｂとの所定距離（Ｘ軸方向）と、第０浮体１０Ａと第２浮体１０Ｃとの所定距離（Ｙ軸方向）を設定することが好ましい。
The set position on the water surface is stored in the automatic position holding floating body 10. The automatic position holding floating body 10 carried to a predetermined water area by a ship or the like is moved by a DPS unit 12 to a set position by itself after being thrown from the ship. At this time, the automatic position holding floating body 10 moves to each set position using the GPS signal. In addition, each position of the automatic position holding floating body 10 is held at the set position using the GPS signal.
Assuming that the set position of the 0th floating body 10A is the origin, the set position of the first floating body 10B is a position away from the 0th floating body 10A by a predetermined distance in the X-axis direction, and the set position of the second floating body 10C is the 0th floating body. This is a position separated by a predetermined distance from 10A in the Y-axis direction. Thereby, the three automatic position holding floating bodies 10 are arranged to form a triangle when the water surface is viewed from above.
By placing the three automatic position holding floating bodies 10 on the water surface, an installation water area (positionable area) α is formed. In FIG. 1, the installation water area α is virtually represented by a rectangular parallelepiped. Of the four vertices on the upper surface (= water surface) of the rectangular parallelepiped installation water area α, three vertices are set positions of the 0th floating body 10A, the first floating body 10B, and the second floating body 10C.
When the submersible 20 conducts exploration or work on the bottom of the water, the predetermined distance (the X-axis direction) between the 0th floating body 10A and the first floating body 10B, The predetermined distance (Y-axis direction) between the zero floating body 10A and the second floating body 10C is preferably set to be substantially the same as the water depth (Z-axis direction) of the installation water area α. That is, it is preferable that the installation water area α be a substantially cubic (for example, 1.5 km × 1.5 km × 1.5 km). In this case, the propagation time of the underwater sound is 1 sec × 1 sec × 1 sec.
When the submersible 20 conducts exploration or work in water away from the bottom of the water, a predetermined distance (X) between the zeroth floating body 10A and the first floating body 10B is adjusted in accordance with the depth (Z-axis direction) of the submersible 20. It is preferable to set a predetermined distance (Y-axis direction) between the 0th floating body 10A and the second floating body 10C.
自動位置保持浮体１０は、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号に同期して、設置水域の水深に合わせて１〜１０秒の間に１回の周期で、送信手段１３から水中に音響信号を送信する。自動位置保持浮体１０がＧＰＳ信号に同期した正確な時間周期で音響信号を送信することによって、潜水機２０の水中位置推定精度が向上する。この実施の形態においてＧＰＳ信号は、同期した音響信号の送信と、自動位置保持浮体１０の設定位置までの移動と、自動位置保持浮体１０の設定位置への位置保持に利用される。また、共通のＧＰＳ信号を用いて、これに同期した音響信号をそれぞれの自動位置保持浮体１０が送信するため、自動位置保持浮体１０間で同期のための通信を行う必要が無く、システムの簡素化が図れ、コストも低減可能となる。
なお、「同期」の意味には、回路的な微小な時間遅れ、意図的に微小な時間差を付けたもの、及び自動位置保持浮体１０や潜水機２０の回路の誤差等を含むものとする。
The automatic position holding floating body 10 transmits an acoustic signal from the transmitting means 13 into the water once every 1 to 10 seconds in synchronization with the 1PPS signal of the GPS satellite group 1 according to the depth of the installation water area. . By transmitting the acoustic signal at an accurate time period synchronized with the GPS signal by the automatic position holding floating body 10, the underwater position estimation accuracy of the submersible 20 is improved. In this embodiment, the GPS signal is used for transmitting a synchronized acoustic signal, moving the automatic position holding floating body 10 to the set position, and holding the automatic position holding floating body 10 at the set position. In addition, since the respective automatic position holding floating bodies 10 transmit a sound signal synchronized with the common GPS signal using the common GPS signal, there is no need to perform communication for synchronization between the automatic position holding floating bodies 10, and the system is simplified. And cost can be reduced.
Note that the meaning of “synchronous” includes a circuit-related minute time delay, an intentional minute time difference, an error in the circuit of the automatic position holding floating body 10 and the submersible 20, and the like.
自動位置保持浮体１０には、周波数、デューティサイクル、デジタルビット、又は信号時間幅のうちから選択される一の信号が、識別信号として記憶されている。識別信号は、第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、第２浮体１０Ｃ毎に異なる。
図２は、識別信号の例を示す図であり、図２（ａ）は周波数を異ならせた場合を示し、第０浮体１０Ａの周波数を１２ＫＨｚ、第１浮体１０Ｂの周波数を１１ＫＨｚ、第２浮体１０Ｃの周波数を１０ＫＨｚとしたものである。また、図２（ｂ）はデューティサイクルのデューティ比を異ならせた場合を示し、第０浮体１０Ａのデューティ比を５０％、第１浮体１０Ｂのデューティ比を７５％、第２浮体１０Ｃのデューティ比を２５％としたものである。また、図２（ｃ）はデジタルビットを異ならせた場合を示し、第０浮体１０Ａのデジタルビットを０、第１浮体１０Ｂのデジタルビットを１、第２浮体１０Ｃのデジタルビットを２としたものである。また、信号時間幅を異ならせた場合は図示していないが、例えば第０浮体１０Ａの信号時間を１秒間、第１浮体１０Ｂの信号時間を１．１秒間、第２浮体１０Ｃの信号時間を１．２秒間というように信号時間を変化させることによって各浮体の識別信号とするものである。
自動位置保持浮体１０は、水中に音響信号を送信する際に、音響信号に識別信号を付加して送信手段１３から送信する。
One signal selected from the frequency, duty cycle, digital bit, or signal time width is stored in the automatic position holding floating body 10 as an identification signal. The identification signal differs for each of the 0th floating body 10A, the first floating body 10B, and the second floating body 10C.
FIG. 2 is a diagram showing an example of the identification signal. FIG. 2A shows a case where the frequencies are different. The frequency of the 0th floating body 10A is 12 KHz, the frequency of the first floating body 10B is 11 KHz, and the second floating body is The frequency of 10C is 10 KHz. FIG. 2B shows a case where the duty ratios of the duty cycles are different. The duty ratio of the 0th floating body 10A is 50%, the duty ratio of the first floating body 10B is 75%, and the duty ratio of the second floating body 10C. Is set to 25%. FIG. 2 (c) shows a case where the digital bits are different, wherein the digital bits of the 0th floating body 10A are 0, the digital bits of the first floating body 10B are 1, and the digital bits of the second floating body 10C are 2. It is. Although not shown when the signal time width is varied, for example, the signal time of the 0th floating body 10A is 1 second, the signal time of the first floating body 10B is 1.1 seconds, and the signal time of the second floating body 10C is By changing the signal time such as 1.2 seconds, the identification signal of each floating body is obtained.
When transmitting the acoustic signal underwater, the automatic position holding floating body 10 adds an identification signal to the acoustic signal and transmits the acoustic signal from the transmitting unit 13.
また、自動位置保持浮体１０は、水面における他の存在物（船舶等）に対する注意を喚起する注意喚起手段（図示無し）を備える。注意喚起手段には、例えば、一定間隔で発光する表示灯や、電波で信号を送信する信号発信機等を用いることができる。
自動位置保持浮体１０にブイを使用する場合には、そのブイ自体によって潜水機２０が活動している水域を他船等に対して警戒表示することになるが、自動位置保持浮体１０が注意喚起手段を備えることによって、より一層他船等に対して警戒を促すことができ、自動位置保持浮体１０や潜水機２０に他船等が衝突して、自動位置保持浮体１０、潜水機２０、又は他船等が損傷することを防止できる。
In addition, the automatic position holding floating body 10 includes an alerting means (not shown) for alerting another entity (such as a ship) on the water surface. For example, an indicator light that emits light at regular intervals, a signal transmitter that transmits signals by radio waves, or the like can be used as the alerting means.
When a buoy is used for the automatic position holding floating body 10, the buoy itself alerts the water area where the diving machine 20 is active to other ships, etc., but the automatic position holding floating body 10 alerts the user. By providing the means, it is possible to further alert the other ships and the like, the other ship and the like collides with the automatic position holding floating body 10 and the diving machine 20, and the automatic position holding floating body 10, the diving machine 20, or It is possible to prevent other ships from being damaged.
図３は、潜水機２０の構成を示す概略構成図である。
潜水機２０は、例えば自律型無人潜水機 （ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ＝ＡＵＶ）であり、海洋においては海底熱水鉱床の探査等に用いられる。
潜水機２０は、自動位置保持浮体１０の送信手段１３から送信された音響信号を受信するハイドロフォン等の受信手段２１、入力情報記憶手段２２、圧力型深度計等の深度計２３、推定手段２４、及び記録手段２５を備える。
船舶等によって自動位置保持浮体１０とともに所定の水域に運ばれた潜水機２０は、水中に投入される。潜水機２０には、水中に投入される前に自動位置保持浮体１０のそれぞれの設定位置情報とそれぞれの識別信号情報、またそれぞれの探査領域等が入力される。入力された設定位置情報と識別信号情報、また探査領域等は、入力情報記憶手段２２に記憶される。識別信号情報を潜水機２０に記憶させておくことで、自動位置保持浮体１０からの識別信号が付加された音響信号を受信した潜水機２０は、受信した音響信号が、第０浮体１０Ａ、第１浮体１０Ｂ、又は第２浮体１０Ｃのいずれから送信されたものであるかを識別することができる。
推定手段２４は、入力情報記憶手段２２に記憶された設定位置情報及び識別信号情報、並びに受信した音響信号に基づいて水中における自己（潜水機２０）の水中位置を推定する。自己（潜水機２０）の水中位置の推定結果に基づいて、それぞれの探査領域に向かい、それぞれの探査任務を遂行することが可能となる。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration of the submersible 20.
The submersible 20 is, for example, an autonomous underwater vehicle (AUV), and is used for exploring a submarine hydrothermal deposit in the ocean.
The submersible 20 includes a receiving unit 21 such as a hydrophone for receiving the acoustic signal transmitted from the transmitting unit 13 of the automatic position holding floating body 10, an input information storage unit 22, a depth gauge 23 such as a pressure type depth gauge, and an estimating unit 24. , And recording means 25.
The submersible 20 transported to a predetermined water area together with the automatic position holding floating body 10 by a ship or the like is thrown into the water. Before being put into the water, each set position information and each identification signal information of the automatic position holding floating body 10 and each search area are input to the submersible 20. The input set position information and identification signal information, the search area, and the like are stored in the input information storage unit 22. By storing the identification signal information in the submersible 20, the submersible 20 receiving the acoustic signal to which the identification signal from the automatic position holding floating body 10 has been added, outputs the received acoustic signal to the 0th floating body 10A, It is possible to identify which one of the first floating body 10B and the second floating body 10C was transmitted.
The estimating unit 24 estimates the underwater position of the self (the submersible 20) in the water based on the set position information and the identification signal information stored in the input information storage unit 22, and the received acoustic signal. Based on the estimation result of the underwater position of the user (submersible 20), it becomes possible to go to each search area and perform each search mission.
潜水機２０は、受信手段２１で受信した音響信号を連続的に記録手段２５に記録する。連続的な記録手段２５を潜水機２０に備えることによって、潜水機２０と独立した記録手段を別途設ける必要がなく、経時的な信号処理が可能となる。
また、潜水機２０には、図示していない計時部を有しているが、この計時部は原子時計等の高精度時計部でなくクォーツ時計等の一般的な精度のものでよく、コストをかけずに実現できる。
また、潜水機２０は、深度計２３で自己の深度（Ｚ軸方向の位置）を計測する。これらによって次の４つのデータを取得することができる。
１）第０浮体１０Ａと第１浮体１０Ｂとの音響信号の時間差データ（Δｔ01）
２）第０浮体１０Ａと第２浮体１０Ｃとの音響信号の時間差データ（Δｔ02）
３）第１浮体１０Ｂと第２浮体１０Ｃとの音響信号の時間差データ（Δｔ12）
４）深度データ（Ｚ）
これらの時間差データにより計時部の時間的な誤差をキャンセルし、高精度時計部を用いなくても水中位置を精度よく推定することができる。
The diving machine 20 continuously records the acoustic signal received by the receiving unit 21 in the recording unit 25. By providing the continuous recording unit 25 in the submersible 20, it is not necessary to separately provide a recording unit independent of the submersible 20, and signal processing over time can be performed.
The submersible 20 has a not-shown timekeeping unit, but this timekeeping unit may be of a general accuracy such as a quartz clock instead of a high-precision clock unit such as an atomic clock. Can be realized without multiplying.
The submersible 20 measures its own depth (position in the Z-axis direction) with the depth gauge 23. From these, the following four data can be obtained.
1) Time difference data (Δt 01 ) of acoustic signals between the 0th floating body 10A and the first floating body 10B
2) Time difference data (Δt 02 ) of acoustic signals between the 0th floating body 10A and the second floating body 10C.
3) Time difference data (Δt 12 ) of acoustic signals between the first floating body 10B and the second floating body 10C.
4) Depth data (Z)
By using these time difference data, the time error of the clock unit can be canceled, and the underwater position can be accurately estimated without using a high-precision clock unit.
推定手段２４は、取得した上記４つのデータのうち必要なデータを用いて、双曲線測位法により、潜水機２０の緯度及び経度を推定する。
図４は潜水機２０の水中位置推定に用いる双曲線測位法の一例を示す図であり、ここではΔｔ01＝０．２秒、Δｔ02＝０．４秒、Ｚ＝−３００ｍの場合に、双曲線測位法により潜水機２０の緯度及び経度を推定する例を示している。
Δｔ01＝０．２秒の時間差は距離にして約３００ｍ差であることから、この潜水機２０は双曲線β上のどこかに位置していると推定される。また、Δｔ02＝０．４秒の時間差は距離にして約６００ｍ差であることから、この潜水機２０は双曲線γ上のどこかに位置していると推定される。すなわち、この潜水機２０の水中位置は、双曲線βと双曲線γの四つ交点のうちのいずれかである。
ここで、潜水機２０が第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．２秒後に第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信し、かつ第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．４秒後に第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｐ」の位置と推定される。
また、潜水機２０が第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信した０．２秒後に第０浮体１０Ａからの音響信号を受信し、かつ第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．４秒後に第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｑ」の位置と推定される。
また、潜水機２０が第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した０．４秒後に第０浮体１０Ａからの音響信号を受信し、かつ第０浮体１０Ａからの音響信号を受信した０．２秒後に第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｒ」の位置と推定される。
また、潜水機２０が第０浮体１０Ａからの音響信号を第２浮体１０Ｃからの音響信号を受信した０．４秒後かつ第１浮体１０Ｂからの音響信号を受信した０．２秒後に受信した場合には、この潜水機２０の位置は、「Ｓ」の位置と推定される。
このように潜水機２０自身で自己の水中位置を推定することができるので、自動位置保持浮体１０から潜水機２０に送信する音響信号をシンプルにすることができる。
なお、上記の説明では音響信号の立ち上がりの時間差データを用いて推定手段２４が潜水機２０の緯度及び経度を推定する例を挙げたが、立ち下りの時間差データや位相差データ等を用いて推定してもよい。
The estimating means 24 estimates the latitude and longitude of the submersible 20 by hyperbolic positioning using necessary data among the four data obtained above.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a hyperbolic positioning method used for estimating the underwater position of the submersible 20. Here, when Δt 01 = 0.2 seconds, Δt 02 = 0.4 seconds, and Z = −300 m, the hyperbolic An example is shown in which the latitude and longitude of the submersible 20 are estimated by a positioning method.
Since the time difference of Δt 01 = 0.2 second is a difference of about 300 m in distance, it is estimated that the submersible 20 is located somewhere on the hyperbola β. Further, since the time difference of Δt 02 = 0.4 seconds is a difference of about 600 m in distance, it is estimated that the submersible 20 is located somewhere on the hyperbola γ. That is, the underwater position of the submersible 20 is one of the four intersections of the hyperbola β and the hyperbola γ.
Here, 0.4 seconds after the submersible 20 has received the acoustic signal from the first floating body 10B and 0.2 seconds after the acoustic signal from the 0th floating body 10A has been received, If an acoustic signal is received from the second floating body 10C two seconds later, the position of the submersible 20 is estimated to be the position “P”.
Also, 0.2 seconds after the submersible 20 receives the sound signal from the first floating body 10B, the sound signal from the zeroth floating body 10A is received, and 0.4 second after the sound signal from the zeroth floating body 10A is received. When the acoustic signal is received from the second floating body 10C later, the position of the submersible 20 is estimated to be the position of "Q".
Also, 0.4 seconds after the submersible 20 receives the acoustic signal from the second floating body 10C, the submersible 20 receives the acoustic signal from the zeroth floating body 10A, and 0.2 seconds after receiving the acoustic signal from the zeroth floating body 10A. When the acoustic signal from the first floating body 10B is received later, the position of the submersible 20 is estimated to be the position of "R".
Also, the submersible 20 receives the acoustic signal from the 0th floating body 10A 0.4 seconds after receiving the acoustic signal from the second floating body 10C and 0.2 seconds after receiving the acoustic signal from the first floating body 10B. In this case, the position of the submersible 20 is estimated to be the position of “S”.
As described above, since the underwater position of the submersible 20 itself can be estimated, the acoustic signal transmitted from the automatic position holding floating body 10 to the submersible 20 can be simplified.
In the above description, an example has been given in which the estimating unit 24 estimates the latitude and longitude of the submersible 20 using the time difference data of the rise of the acoustic signal. May be.
また、潜水機２０の受信手段２１は、一方の受信手段２１Ａと他方の受信手段２１Ｂとから成る。一方の受信手段２１Ａと他方の受信手段２１Ｂは、潜水機２０上に離隔して設けられている。例えば、潜水機２０の前方側に一方の受信手段２１Ａを配置し、後方側に他方の受信手段２１Ｂを配置する。
離隔して設けた一方の受信手段２１Ａと他方の受信手段２１Ｂとでは、音響信号の受信時間に差が生じる。この二箇所での音響信号の記録データの時間差から、潜水機２０自身の姿勢（潜水機２０が向いている方位）を検出することができる。水中位置に加えて姿勢を検出することで、複雑な姿勢検出手段を必要とせずに、潜水機２０の状態をより詳しく把握することができる。
なお、受信手段２１は、三つ以上の受信手段を潜水機２０上に離隔して設けてもよい。
The receiving means 21 of the submersible 20 includes one receiving means 21A and the other receiving means 21B. The one receiving means 21A and the other receiving means 21B are provided separately on the submersible 20. For example, one receiving unit 21A is arranged on the front side of the diving machine 20, and the other receiving unit 21B is arranged on the rear side.
There is a difference in the reception time of the acoustic signal between the one receiving unit 21A and the other receiving unit 21B provided separately. From the time difference between the recording data of the acoustic signals at these two locations, the attitude of the submersible 20 itself (the direction in which the submersible 20 is facing) can be detected. By detecting the posture in addition to the underwater position, the state of the submersible 20 can be grasped in more detail without the need for complicated posture detecting means.
The receiving means 21 may be provided with three or more receiving means separated from each other on the submersible 20.
図５は自動位置保持浮体１０が設定位置からずれた状態を示す図であり、ここでは第０浮体１０Ａが、設定位置からＸ軸方向のプラス側に１５ｍ及びＹ軸方向のマイナス側に３ｍ位置ずれした状態を示している。
自動位置保持浮体１０は、大きな波や想定以上の風によって設定位置からずれてしまう可能性がある。そこで自動位置保持浮体１０は、ＧＰＳ信号をＤＰＧＳ部１１で受信することによって自己の位置を約１ｍの精度で計測し、その計測位置と設定位置とにずれが生じている場合には、ＤＰＳ部１２によって位置ずれを修正し、設定位置における所定の緯度及び経度を維持する。ＤＰＳ部１２による修正精度は一般的に約３ｍ〜１０ｍである。このように大きな波や想定以上の風の影響を受けても自動位置保持浮体１０が、水面への設定位置を維持するように位置保持を行うことによって、潜水機２０の水中位置の推定精度を高めることができる。
なお、自動位置保持浮体１０が、設定位置から大きくずれたとき（例えば距離１５ｍより大きい場合）には、送信手段１３からの音響信号の送信を停止してもよい。
FIG. 5 is a view showing a state in which the automatic position holding floating body 10 is displaced from the set position. In this case, the 0th floating body 10A is located 15 m from the set position on the plus side in the X-axis direction and 3 m on the minus side in the Y-axis direction. This shows a state of being shifted.
The automatic position holding floating body 10 may be shifted from the set position by a large wave or an unexpected wind. Therefore, the automatic position holding floating body 10 measures its own position with an accuracy of about 1 m by receiving the GPS signal by the DPGS unit 11, and when the measured position and the set position are displaced, the DPS unit The position deviation is corrected by 12 and a predetermined latitude and longitude at the set position are maintained. The correction accuracy of the DPS unit 12 is generally about 3 m to 10 m. The automatic position holding floating body 10 holds the position so as to maintain the set position on the water surface even under the influence of a large wave or an unexpected wind as described above, thereby improving the estimation accuracy of the underwater position of the submersible 20. Can be enhanced.
Note that, when the automatic position holding floating body 10 is greatly displaced from the set position (for example, when the distance is longer than 15 m), the transmission of the acoustic signal from the transmission unit 13 may be stopped.
また、自動位置保持浮体１０は、設定位置に対する水面上の位置ずれをＧＰＳ信号に基づいて検出し、位置ずれに基づく補正情報を音響信号に付加して送信手段１３から発信してもよい。すなわち、設定位置からのずれに関して、Ｘ軸方向とＹ軸方向それぞれに対して、水中音速１５００ｍ／ｓを用いて、ずれ距離に相当する時間を算出し、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号に同期した音響信号を発信する際に、Ｘ軸方向ずれ音響信号及びＹ軸方向ずれ音響信号を合成する。なお、補正情報を音響信号に付加して発信するため、送信手段１３以外の他の送信手段を必要としない。
図６は自動位置保持浮体１０の設定位置からのずれ音響信号（補正情報）を送信する方法の説明図である。
図６に示すように、例えば、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号を送信した時点から１０ミリ秒後（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ）を基準時としてＸ軸方向のずれを示す音響信号を送信し、Ｘ軸方向のずれを示す音響信号を送信した時点から更に１０ミリ秒後（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ）を基準時としてＹ軸方向のずれを示す音響信号を送信する。位置ずれのプラス方向とマイナス方向は、音響信号を基準時から早く送信するか遅く送信するかによって区別する。また、位置ずれの距離は、音響信号の送信時と基準時との時間差によって表す。
すなわち図５に示す例においては、第０浮体１０Ａは、Ｘ軸方向のプラス側に１５ｍ、Ｙ軸方向のマイナス側に３ｍずれており、距離差１５ｍは約１０ミリ秒のずれに、距離差３ｍは約２ミリ秒のずれに相当するので、ＧＰＳ衛星群１の１ＰＰＳ信号を送信した時点から２０ミリ秒後にＸ軸方向のずれを示す音響信号（補正情報）を送信し、その時点から更に８ミリ秒後にＹ軸方向のずれを示す音響信号（補正情報）を送信する。
Ｘ軸方向ずれ音響信号及びＹ軸方向ずれ音響信号が合成された音響信号を受信した潜水機２０の推定手段２４は、推定した潜水機２０の水中位置を補正情報に基づいて補正することで、ＤＧＰＳ部１１による測位精度（誤差約１ｍ）に近づけることができる。
したがって、潜水機２０の推定した水中位置を補正情報に基づいて補正する場合には、ＤＰＳ部１２による自動位置保持浮体１０の修正精度を１０ｍ程度に落とし、スラスタの使用時間を低減することで、自動位置保持浮体１０のバッテリーの消耗を抑えることが可能となる。
Further, the automatic position holding floating body 10 may detect a position shift on the water surface with respect to the set position based on the GPS signal, add correction information based on the position shift to the acoustic signal, and transmit the sound signal from the transmission unit 13. That is, regarding the deviation from the set position, the time corresponding to the deviation distance was calculated using the underwater sound velocity of 1500 m / s in each of the X-axis direction and the Y-axis direction, and was synchronized with the 1PPS signal of the GPS satellite group 1. When transmitting the acoustic signal, the X-axis direction shifted acoustic signal and the Y-axis direction shifted acoustic signal are combined. In addition, since the correction information is added to the acoustic signal and transmitted, no transmission unit other than the transmission unit 13 is required.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method of transmitting a sound signal (correction information) deviating from the set position of the automatic position holding floating body 10.
As shown in FIG. 6, for example, an acoustic signal indicating a shift in the X-axis direction is transmitted with reference to a constant delay time 10 ms after the transmission of the 1PPS signal of the GPS satellite group 1 and the X-axis direction. Then, an acoustic signal indicating a shift in the Y-axis direction is transmitted with reference to a constant delay time of 10 milliseconds after the transmission of the acoustic signal indicating the shift. The positive direction and the negative direction of the positional deviation are distinguished depending on whether the acoustic signal is transmitted earlier or later than the reference time. Further, the distance of the displacement is represented by a time difference between the time of transmission of the acoustic signal and the time of the reference.
That is, in the example shown in FIG. 5, the 0th floating body 10A is shifted 15 m to the plus side in the X-axis direction and 3 m to the minus side in the Y-axis direction, and the distance difference 15 m is shifted by about 10 milliseconds to the distance difference. Since 3 m corresponds to a shift of about 2 milliseconds, an acoustic signal (correction information) indicating a shift in the X-axis direction is transmitted 20 milliseconds after the 1 PPS signal of the GPS satellite group 1 is transmitted, and from that point on, After 8 milliseconds, an acoustic signal (correction information) indicating a shift in the Y-axis direction is transmitted.
The estimating unit 24 of the submersible 20 that has received the combined acoustic signal of the X-axis direction displacement acoustic signal and the Y-axis direction displacement acoustic signal corrects the estimated underwater position of the submersible 20 based on the correction information. The positioning accuracy by the DGPS unit 11 (error of about 1 m) can be approached.
Therefore, when correcting the underwater position estimated by the submersible 20 based on the correction information, the correction accuracy of the automatic position holding floating body 10 by the DPS unit 12 is reduced to about 10 m, and the use time of the thruster is reduced. It is possible to suppress the consumption of the battery of the automatic position holding floating body 10.
なお、上記実施形態においては、潜水機２０の水中位置を推定するにあたって深度計２３の値を使用したが、潜水機２０に深度計２３を設けずに又は深度計２３の値を用いずに、自動位置保持浮体１０からの音響信号に基づいて水中における潜水機２０の３次元的な水中位置を推定してもよい。 In the above embodiment, the value of the depth gauge 23 was used in estimating the underwater position of the submersible 20. However, without providing the depth gauge 23 in the submersible 20, or without using the value of the depth gauge 23, The three-dimensional underwater position of the underwater vehicle 20 in the water may be estimated based on the acoustic signal from the automatic position holding floating body 10.
また、上記実施形態においては、双曲線測位法を用いて潜水機２０の緯度及び経度を推定する場合を説明したが、深度計２３のデータ及び３機以上の自動位置保持浮体１０からの音響信号の時間差データに基づいたタイムオブフライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法により潜水機２０の緯度及び経度を推定してもよい。
タイムオブフライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）測位法等の三角測量法を用いる場合において、潜水機２０に深度計２３を設けないとき又は深度計２３の値を用いないときには、潜水機２０の水中位置を推定するにあたって最低限必要な自動位置保持浮体１０の数は４機となる。
Further, in the above embodiment, the case where the latitude and longitude of the submersible 20 are estimated using the hyperbolic positioning method has been described. However, the data of the depth gauge 23 and the acoustic signals from the three or more automatic position holding floating bodies 10 are described. The latitude and longitude of the submersible 20 may be estimated by a triangulation method such as a time of flight (Time of Flight) positioning method based on the time difference data.
In the case of using a triangulation method such as a time of flight (Time of Flight) positioning method, when the depth gauge 23 is not provided in the submersible 20 or when the value of the depth gauge 23 is not used, the underwater position of the submersible 20 is estimated. In doing so, the minimum number of the automatic position holding floating bodies 10 required is four.
また、潜水機２０に原子時計を搭載してもよい。原子時計は狂いがなく正確なので、潜水機２０が、原子時計の値と深度計２３の値を用いて三角測量法により自己の水中位置を推定する場合は、最低限必要な自動位置保持浮体１０の数は２機となる。 Further, an atomic clock may be mounted on the submersible 20. Since the atomic clock is accurate without deviation, when the submersible 20 estimates its own underwater position by triangulation using the value of the atomic clock and the value of the depth gauge 23, the submersible 20 needs the minimum required automatic position holding floating body 10. Will be two aircraft.
本発明の水中局域測位システムは、ＡＵＶ、有人操作型作業機、遠隔操作型作業機などの潜水機の水中位置をリアルタイムに精度よく把握することができる。したがって、海底熱水鉱床の探査や湖沼等の水中における作業等の効率を向上することができる。 The underwater local area positioning system of the present invention can accurately grasp the underwater position of a submersible such as an AUV, a manned operation machine, and a remote operation machine in real time. Therefore, it is possible to improve the efficiency of exploration of a submarine hydrothermal deposit and work in water such as a lake.
１０ 自動位置保持浮体
１３ 送信手段
２０ 潜水機
２１ 受信手段
２２ 入力情報記憶手段
２３ 深度計
２４ 推定手段
２５ 記録手段
α 設置水域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Automatic position holding floating body 13 Transmission means 20 Diver 21 Receiving means 22 Input information storage means 23 Depth meter 24 Estimation means 25 Recording means α Installation water area
Claims (11)
前記自動位置保持浮体が、それぞれの前記位置保持を前記ＧＰＳ信号を用いて行い、それぞれの識別信号を前記音響信号に付加して前記送信手段から送信するとともに、
前記潜水機が、水中投入前に入力された前記自動位置保持浮体のそれぞれの設定位置情報及びそれぞれの識別信号情報を記憶する入力情報記憶手段と、記憶された前記設定位置情報と前記識別信号情報及び受信した前記音響信号とに基づいて前記水中における自己の水中位置を推定する推定手段を有し、
前記自動位置保持浮体は、前記設定位置に対する前記水面上の位置ずれを前記ＧＰＳ信号に基づいて検出し、前記設定位置からのずれに関して、前記水面におけるＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに対して、水中音速を用いて計算された、ずれ距離の補正情報を前記音響信号に付加して前記送信手段から送信することを特徴とする水中局域測位システム。 Three or more automatic position holding floating bodies having a transmitting means for receiving a GPS signal and transmitting an acoustic signal based on the received signal into the water while maintaining the position so as to maintain the set position on the water surface; A submersible having receiving means for receiving the acoustic signal transmitted from the transmitting means, which is supplied to an installation water area of the position holding floating body,
The automatic position holding floating body performs each of the position holding using the GPS signal, and transmits each identification signal to the acoustic signal from the transmitting unit,
Said submersible, input information storage means for storing each set position information and each identification signal information of said automatic position holding floating body which was inputted before being put in water, the stored set position information and said identification signal information and has estimating means for estimating the self-water position in the water on the basis of said sound signal received,
The automatic position holding floating body detects a position shift on the water surface with respect to the set position based on the GPS signal, and detects a shift from the set position with respect to each of the X-axis direction and the Y-axis direction on the water surface. , calculated deviation distance underwater station area positioning system, characterized that you transmitted from the transmitting means the correction information in addition to the acoustic signals using the underwater sound speed.
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