JP6821510B2 - Underwater Acoustic Positioning System and Method - Google Patents

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JP6821510B2 JP2017106648A JP2017106648A JP6821510B2 JP 6821510 B2 JP6821510 B2 JP 6821510B2 JP 2017106648 A JP2017106648 A JP 2017106648A JP 2017106648 A JP2017106648 A JP 2017106648A JP 6821510 B2 JP6821510 B2 JP 6821510B2
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Description

本発明は、GNSS信号を用いて目標物の水中位置を測位する水中音響測位システム及び方法に関するものである。 The present invention relates to an underwater acoustic positioning system and method for positioning an underwater position of a target using a GNSS signal.

従来より、水中や水底で作業を行う水中作業機の水中位置を測位することが行われている。 Conventionally, the underwater position of an underwater work machine that works underwater or at the bottom of the water has been determined.

例えば、特許文献1には、ブイ又はミニボート等である3台の自動位置保持浮体に同期ピンガーをそれぞれ設け、各同期ピンガーから水中に向けて音響信号を送信し、潜水機に取り付けられた受信手段で音響信号を受信し、各同期ピンガーと受信手段との音響信号の時間差データ及び潜水機の深度データに基づいて、双曲線測位法により潜水機の緯度及び経度を推定する水中測位システムが開示されている。 For example, in Patent Document 1, synchronous pinger is provided for each of three automatic position-holding floats such as a buoy or a mini boat, and an acoustic signal is transmitted from each synchronous pinger toward water, and a receiving means attached to a diving machine. Disclosed is an underwater positioning system that receives an acoustic signal in and estimates the latitude and longitude of the diving machine by the bicurve positioning method based on the time difference data of the acoustic signal between each synchronous pinger and the receiving means and the depth data of the diving machine. There is.

このような自動位置保持浮体では、自動位置保持システム部がGPS信号に基づいて予め記憶された水面の設定位置を維持する。3台の自動位置保持浮体は、水面を上方視した場合に三角形を成すように配置される。 In such an automatic position holding floating body, the automatic position holding system unit maintains the set position of the water surface stored in advance based on the GPS signal. The three automatic position-holding floats are arranged so as to form a triangle when the water surface is viewed upward.

特開2017−40500号公報JP-A-2017-40500

しかしながら、特許文献1記載の発明では、3台の自動位置保持浮体は波の揺れで上下動するため、潜水機の水中位置(3次元位置)を正確に測位するためには、自動位置保持浮体の上下動を考慮して同期ピンガーの位置補正が必要となり、システム構成が煩雑となるという問題があった。 However, in the invention described in Patent Document 1, since the three automatic position-holding floats move up and down due to the shaking of the waves, the automatic position-holding floats are required to accurately position the underwater position (three-dimensional position) of the diving machine. There is a problem that the position of the synchronous pinger needs to be corrected in consideration of the vertical movement of the system, which complicates the system configuration.

そこで、目標物の水中位置を精度良く且つスムーズに測位するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。 Therefore, a technical problem to be solved in order to accurately and smoothly position the underwater position of the target object arises, and an object of the present invention is to solve this problem.

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項1記載の発明は、目標物の水中位置を測位する水中音響測位システムであって、前記目標物に設置された受信器と、水中の既知座標且つ前記受信器と略同じ水深に設置され、前記受信器に向けて略水平に音波を発信する複数の発信器と、前記受信器に接続された受信側GNSSアンテナと、前記発信器に接続された発信側GNSSアンテナと、前記発信側GNSSアンテナが受信するGNSS信号に応じて前記複数の発信器から受信器に向けて発せられる音波の伝播時間に基づき、前記目標物の水中位置を演算する制御部と、を備えている水中音響測位システムを提供する。 The present invention has been proposed to achieve the above object, and the invention according to claim 1 is an underwater acoustic positioning system for positioning an underwater position of a target object, and is a receiver installed on the target object. A plurality of transmitters that are installed at known coordinates in water and at substantially the same depth as the receiver and emit sound waves substantially horizontally toward the receiver, and a receiving side GNSS antenna connected to the receiver. The target object is based on the propagation time of the transmitting side GNSS antenna connected to the transmitter and the sound wave emitted from the plurality of transmitters toward the receiver according to the GNSS signal received by the transmitting side GNSS antenna. Provided is an underwater acoustic positioning system equipped with a control unit for calculating an underwater position.

この構成によれば、既知座標に設置された複数の発信器が受信器に向けて音波を発することにより、音波の発信位置が固定されるため、目標物の水中位置の測位に際して複雑な発信器の位置補正が必要なく、目標物の水中位置をスムーズに測位することができる。また、GNSS信号に含まれる時間情報に基づいて複数の発信器からそれぞれ発せられる音波が同期するため、目標物の水中位置を精度良く測位することができる。さらに、音波が発信器から受信器に亘って略一定の水温下で伝播することにより、音波の伝播速度が安定するため、目標物の水中位置を精度良く且つスムーズに測位することができる。 According to this configuration, a plurality of transmitters installed at known coordinates emit sound waves toward the receiver, so that the sound wave transmission position is fixed, which is a complicated transmitter when positioning the underwater position of the target. The underwater position of the target can be smoothly positioned without the need for position correction. Further, since the sound waves emitted from each of the plurality of transmitters are synchronized based on the time information included in the GNSS signal, the underwater position of the target can be accurately positioned. Further, since the sound wave propagates from the transmitter to the receiver under a substantially constant water temperature, the propagation speed of the sound wave is stabilized, so that the underwater position of the target can be accurately and smoothly positioned.

請求項記載の発明は、請求項1記載の構成において、前記発信側GNSSアンテナは、前記発信器に有線で接続されている水中音響測位システムを提供する。 According to a second aspect of the invention, in the configuration of claim 1 Symbol placement, the originating GNSS antenna provides an underwater acoustic positioning system connected by wire to the transmitter.

この構成によれば、GNSS信号を受信した発信側GNSSアンテナが発信器にパルス信号を速やかに送信することにより、複数の発信器からそれぞれ発せられる音波が同期するため、目標物の水中位置を精度良く測位することができる。 According to this configuration, the transmitting side GNSS antenna that has received the GNSS signal promptly transmits the pulse signal to the transmitter, so that the sound waves emitted from each of the plurality of transmitters are synchronized, so that the underwater position of the target is accurate. Good positioning is possible.

請求項記載の発明は、請求項1又は2記載の構成において、前記受信器及び発信器は、GNSS信号に含まれる時間情報に基づいて時間補正される水中音響測位システムを提供する。 The invention according to claim 3 provides an underwater acoustic positioning system in which the receiver and the transmitter are time-corrected based on the time information included in the GNSS signal in the configuration according to claim 1 or 2 .

この構成によれば、発信器及び受信器が発信側GNSSアンテナ及び受信側GNSSアンテナが受信するGNSS信号に含まれる時間情報に基づいて共通の時刻に補正されることにより、受信器と発信器との間の音波の伝播時間を正確に計測可能なため、目標物の水中位置を精度測位することができる。 According to this configuration, the transmitter and the receiver are corrected to a common time based on the time information included in the GNSS signal received by the transmitting GNSS antenna and the receiving GNSS antenna, so that the receiver and the transmitter Since the propagation time of the sound wave between the two can be accurately measured, the underwater position of the target can be accurately positioned.

請求項記載の発明は、請求項1からの何れか1項記載の構成において、前記受信器から既知距離だけ離間して設けられ、前記受信器に向けてダミー音波を発信するダミー音波発信器をさらに備え、前記制御部は、前記ダミー音波発信器と前記受信器との間の既知距離を伝播した音波の伝播速度を演算し、該音波の伝播速度及び前記発信器と前記受信器との間を伝播した音波の伝播時間に基づいて前記目標物の水中位置を演算する水中音響測位システムを提供する。 The invention according to claim 4 is provided with a known distance away from the receiver in the configuration according to any one of claims 1 to 3 , and transmits a dummy sound wave toward the receiver. Further including a device, the control unit calculates the propagation speed of a sound wave propagating a known distance between the dummy sound wave transmitter and the receiver, and calculates the propagation speed of the sound wave and the transmitter and the receiver. Provided is an underwater acoustic positioning system that calculates the underwater position of the target based on the propagation time of the sound wave propagating between the two.

この構成によれば、受信器近傍の水温における音波の伝播速度を演算し、この音波の伝播速度及び発信器と受信器との間を伝播した音波の伝播時間に基づいて目標物の水中位置を補正することにより、目標物の水中位置を精度良く測位することができる。 According to this configuration, the propagation velocity of the sound wave at the water temperature near the receiver is calculated, and the underwater position of the target is determined based on the propagation velocity of the sound wave and the propagation time of the sound wave propagated between the transmitter and the receiver. By correcting, the underwater position of the target can be accurately positioned.

請求項記載の発明は、請求項1からの何れか1項記載の構成において、前記発信側GNSSアンテナは、防波堤上に設置されている水中音響測位システムを提供する。 The invention according to claim 5 provides an underwater acoustic positioning system installed on a breakwater in the configuration according to any one of claims 1 to 4 , wherein the transmitting side GNSS antenna is installed on a breakwater.

この構成によれば、発信側GNSSアンテナが防波堤上に設置されることにより、水面でのGNSS信号の反射に起因するGNSS信号の誤検知が抑制させるため、複数の発信器から発せられる音波を正確に同期させることができる。 According to this configuration, by installing the transmitting GNSS antenna on the breakwater, false detection of the GNSS signal due to the reflection of the GNSS signal on the water surface is suppressed, so that the sound waves emitted from a plurality of transmitters can be accurately detected. Can be synchronized with.

請求項記載の発明は、請求項1からの何れか1項記載の構成において、前記目標物は、水中バックホウである水中音響測位システムを提供する。 The invention according to claim 6 provides an underwater acoustic positioning system in which the target is an underwater backhoe in the configuration according to any one of claims 1 to 5 .

この構成によれば、海底を走行する水中バックホウの水中位置を精度良く且つスムーズに測位することができる。 According to this configuration, the underwater position of the underwater backhoe traveling on the seabed can be accurately and smoothly positioned.

請求項記載の発明は、目標物の水中位置を測位する水中音響測位方法であって、前記目標物に受信器を設ける工程と、前記受信器に向けて略水平に音波を発信する複数の発信器を水中の既知座標且つ前記受信器と略同じ水深に設置する工程と、前記受信器に受信側GNSSアンテナを接続する工程と、前記発信器に発信側GNSSアンテナを接続する工程と、前記発信側GNSSアンテナが受信するGNSS信号に応じて前記複数の発信器から受信器に向けて発せられる音波の伝播時間に基づき、制御部が前記目標物の水中位置を演算する工程と、を含む水中音響測位方法を提供する。 The invention according to claim 7 is an underwater acoustic positioning method for positioning an underwater position of a target object, which comprises a step of providing a receiver on the target object and a plurality of methods for transmitting sound waves substantially horizontally toward the receiver. A step of installing the transmitter in water at known coordinates and at substantially the same depth as the receiver, a step of connecting the receiving side GNSS antenna to the receiver, a step of connecting the transmitting side GNSS antenna to the transmitter, and the above. Underwater including a step in which the control unit calculates the underwater position of the target based on the propagation time of sound waves emitted from the plurality of transmitters toward the receiver according to the GNSS signal received by the transmitting side GNSS antenna. Provide an acoustic positioning method.

この構成によれば、既知座標に設置された複数の発信器が受信器に向けて音波を発することにより、音波の発信位置が固定されるため、目標物の水中位置の測位に際して複雑な発信器の位置補正が必要なく、目標物の水中位置をスムーズに測位することができる。また、GNSS信号に含まれる時間情報に基づいて複数の発信器からそれぞれ発せられる音波が同期するため、目標物の水中位置を精度良く測位することができる。 According to this configuration, a plurality of transmitters installed at known coordinates emit sound waves toward the receiver, so that the sound wave transmission position is fixed, which is a complicated transmitter when positioning the underwater position of the target. The underwater position of the target can be smoothly positioned without the need for position correction. Further, since the sound waves emitted from each of the plurality of transmitters are synchronized based on the time information included in the GNSS signal, the underwater position of the target can be accurately positioned.

本発明によれば、既知座標に設置された複数の発信器が、GNSS信号に含まれる時間情報に基づいて略同じタイミングで自律的に音波を発することにより、音波の発信位置が固定されるとともに複数の発信器からそれぞれ発せられる音波が同期するため、目標物の水中位置を精度良く且つスムーズに測位することができる。 According to the present invention, a plurality of transmitters installed at known coordinates autonomously emit sound waves at substantially the same timing based on the time information included in the GNSS signal, thereby fixing the sound wave transmission position and at the same time. Since the sound waves emitted from each of the plurality of transmitters are synchronized, the underwater position of the target can be accurately and smoothly positioned.

本発明の一実施例に係る水中音響測位システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the underwater acoustic positioning system which concerns on one Example of this invention. 本発明の変形例に係る水中音響測位システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the underwater acoustic positioning system which concerns on the modification of this invention.

本発明は、目標物の水中位置を精度良く測位するという目的を達成するために、目標物の水中位置を測位する水中音響測位システムであって、目標物に設置された受信器と、水中の既知座標に設置され、受信器に向けて音波を発信する複数の発信器と、受信器に接続された受信側GNSSアンテナと、発信器に接続された発信側GNSSアンテナと、発信側GNSSアンテナが受信するGNSS信号に応じて複数の発信器から受信器に向けて発せられる音波の伝播時間に基づき、目標物の水中位置を演算する制御部と、を備える構成にすることにより実現した。 The present invention is an underwater acoustic positioning system for positioning the underwater position of a target in order to achieve the object of accurately positioning the underwater position of the target, and the receiver installed on the target and underwater. A plurality of transmitters installed at known coordinates and transmitting sound waves toward the receiver, a receiving side GNSS antenna connected to the receiver, a transmitting side GNSS antenna connected to the transmitter, and a transmitting side GNSS antenna. This was realized by providing a control unit that calculates the underwater position of the target based on the propagation time of sound waves emitted from a plurality of transmitters toward the receiver according to the received GNSS signal.

また、本発明は、目標物の水中位置を精度良く測位するという目的を達成するために、目標物の水中位置を測位する水中音響測位方法であって、目標物に受信器を設ける工程と、受信器に向けて音波を発信する複数の発信器を水中の既知座標に設置する工程と、受信器に受信側GNSSアンテナを接続する工程と、発信器に発信側GNSSアンテナを接続する工程と、発信側GNSSアンテナが受信するGNSS信号に応じて複数の発信器から受信器に向けて発せられる音波の伝播時間に基づき、制御部が目標物の水中位置を演算する工程と、を含む構成にすることにより実現した。 Further, the present invention is an underwater acoustic positioning method for positioning the underwater position of a target in order to achieve the object of accurately positioning the underwater position of the target, and includes a step of providing a receiver on the target. The process of installing multiple transmitters that emit sound waves toward the receiver at known coordinates in the water, the process of connecting the receiving side GNSS antenna to the receiver, and the process of connecting the transmitting side GNSS antenna to the transmitter. The configuration includes a step in which the control unit calculates the underwater position of the target based on the propagation time of sound waves emitted from a plurality of transmitters toward the receiver according to the GNSS signal received by the transmitting GNSS antenna. It was realized by.

水中超音波を用いて目標物の水中位置を測位する方法として、SBL(Short Base Line)方式やLBL(Long Base Line)方式が知られている。また、目標物の水中位置を測位する際に用いる水中超音波の音源としては、トランスポンダーやレスポンダーが知られている。 The SBL (Short Base Line) method and the LBL (Long Base Line) method are known as methods for positioning the underwater position of a target object using underwater ultrasonic waves. Further, a transponder or a responder is known as a sound source of underwater ultrasonic waves used for positioning the underwater position of a target object.

SBL方式は、例えば、船舶の船底等に設けられた受信器と、目標物に設置されたトランスポンダーとの間で超音波を往復させて、超音波の伝播時間及び伝播速度の測定値からトランスポンダーの水中位置を測位するものである。 In the SBL method, for example, ultrasonic waves are reciprocated between a receiver installed on the bottom of a ship and a transponder installed on a target, and the transponder's measured values of ultrasonic wave propagation time and propagation speed are used. It measures the underwater position.

しかしながら、SBL方式では、船舶の揺れが測定値に悪影響を及ぼすため、船舶の傾斜を考慮して測定値を補正する必要があるが、海上で常に揺れる船舶に傾斜計を設置して傾斜計をキャリブレーションすることは事実上困難であり、高精度な測位には不向きであった。また、受信器とトランスポンダーの設置水深が異なるため、水温や塩分濃度が水深方向に変化することにより音波の伝播速度の誤差が大きく、その補正には限度がある。 However, in the SBL method, since the shaking of the ship adversely affects the measured value, it is necessary to correct the measured value in consideration of the inclination of the ship, but an inclinometer is installed on the ship that constantly shakes at sea. It was practically difficult to calibrate and was not suitable for high-precision positioning. In addition, since the water depth at which the receiver and transponder are installed is different, the error in the propagation speed of sound waves is large due to changes in the water temperature and salinity in the water depth direction, and there is a limit to the correction.

一方、LBL方式は、親局と複数の子局との各距離を測定することにより、親局の位置を求めるものである。親局は、海上の船舶、水中を遊泳するビークル、又は海底を歩行するロボット等に取り付けられる。 On the other hand, in the LBL method, the position of the master station is obtained by measuring each distance between the master station and the plurality of slave stations. The master station is attached to a ship on the sea, a vehicle swimming in the water, a robot walking on the seabed, or the like.

子局にトランスポンダーを適用してLBL方式で測位を行う場合には、親局から送信された呼出信号に応じて、子局が超音波を親局に向けて発し、超音波が子局と親局との間で往復した際の伝播時間及び伝播速度から親局の位置を測位する。しかしながら、タイムタグが生じ易く、また測定間隔を例えば1秒等の短い値に設定するのが困難であった。 When a transponder is applied to a slave station to perform positioning using the LBL method, the slave station emits ultrasonic waves toward the master station in response to the ringing signal transmitted from the master station, and the ultrasonic waves are the parent of the slave station. The position of the master station is determined from the propagation time and propagation speed when reciprocating with the station. However, time tags are likely to occur, and it is difficult to set the measurement interval to a short value such as 1 second.

また、子局にレスポンダーを適用してLBL方式で測位を行う場合には、子局から親局に向けて超音波を発信して、超音波が子局から親局まで伝播した際の伝播時間及び伝播速度から親局の水中位置を測位するため、トランスポンダーを用いた場合と比べて、タイムタグを軽減でき、且つ短い測定間隔を設定できる。しかしながら、レスポンダーは親局からの信号を受信するためにケーブルで接続されなければならず、水中及び水底を移動する水中作業機の移動範囲に制限があった。 In addition, when a responder is applied to a slave station and positioning is performed by the LBL method, ultrasonic waves are transmitted from the slave station to the master station, and the propagation time when the ultrasonic waves propagate from the slave station to the master station. And since the underwater position of the master station is determined from the propagation speed, the time tag can be reduced and a short measurement interval can be set as compared with the case of using a transponder. However, the responder had to be connected by a cable in order to receive the signal from the master station, and the range of movement of the underwater work equipment moving underwater and underwater was limited.

本発明に係る水中音響測位システムは、上述した各種の問題点を解消して目標物の水中位置を高精度で測位するのに好適である。 The underwater acoustic positioning system according to the present invention is suitable for solving the above-mentioned various problems and positioning the target underwater position with high accuracy.

以下、本発明の一実施例に係る水中音響測位システム1について、図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施例において、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。 Hereinafter, the underwater acoustic positioning system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following examples, when the number, numerical value, quantity, range, etc. of the components are referred to, the specific number is not specified unless it is clearly specified or the number is clearly limited in principle. It is not limited to, and may be more than or less than a specific number.

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。 In addition, when referring to the shape and positional relationship of components, etc., unless otherwise specified or when it is considered that this is not the case in principle, those that are substantially similar to or similar to the shape, etc. shall be used. Including.

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。 In addition, the drawings may be exaggerated by enlarging the characteristic parts in order to make the features easy to understand, and the dimensional ratios and the like of the components are not always the same as the actual ones.

図1は、水中音響測位システム1の構成を示す模式図である。水中音響測位システム1は、GNSS(Global Navigation Satellite System)を用いて、海底に降ろされたバックホウ2の水中位置(3次元位置)を測位するものである。バックホウ2の水中位置の測位に用いられるGNSSとしては、GPS(Global Positioning System)の他、例えばGLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)による測位とGPSによる測位とを動的に切替えるものや、GPSとGLONASSを組合せて測位するもの等が考えられる。 FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of the underwater acoustic positioning system 1. The underwater acoustic positioning system 1 uses GNSS (Global Navigation Satellite System) to determine the underwater position (three-dimensional position) of the backhoe 2 lowered to the seabed. The GNSS used for positioning the underwater position of the back hou 2 includes GPS (Global Positioning System), for example, one that dynamically switches between positioning by GLONASS (GLOBAL Navigation Satellite System) and positioning by GPS, and GPS and GLONASS. It is conceivable that the positioning is performed in combination.

バックホウ2は、搭乗するオペレータによって操作され、海底を移動しながら掘削等の作業を行う。バックホウ2の動力は、支援台船3から図示しない動力ラインで供給されている。 The backhoe 2 is operated by the operator on board to perform work such as excavation while moving on the seabed. The power of the backhoe 2 is supplied from the support vessel 3 by a power line (not shown).

水中音響測位システム1は、2つの発信器10と、受信器20と、を備えている。 The underwater acoustic positioning system 1 includes two transmitters 10 and a receiver 20.

発信器10は、受信器20に向けて一定周期で自律的に超音波を発信するピンガーである。発信器10は、海底に固定された丁張11に取り付けられている。発信器10の位置は、予め測位されており、且つバックホウ2の作業中であっても移動せず一定である。以下、2つの発信器10を区別する場合には、符号の末尾にA又はBを付すこととする。 The transmitter 10 is a pinger that autonomously emits ultrasonic waves toward the receiver 20 at regular intervals. The transmitter 10 is attached to a chopstick 11 fixed to the seabed. The position of the transmitter 10 is pre-positioned and does not move and is constant even during the work of the backhoe 2. Hereinafter, when distinguishing between the two transmitters 10, A or B is added to the end of the code.

受信器20は、バックホウ2に搭載されている。受信器20は、バックホウ2に搭載された第1の中継器21及び支援台船3に搭載された第2の中継器22を介して制御装置30に接続されている。具体的には、受信器20、第1の中継器21、第2の中継器22及び制御装置30は、電源・信号ライン31によって有線で接続されている。 The receiver 20 is mounted on the backhoe 2. The receiver 20 is connected to the control device 30 via a first repeater 21 mounted on the backhoe 2 and a second repeater 22 mounted on the support vessel 3. Specifically, the receiver 20, the first repeater 21, the second repeater 22, and the control device 30 are connected by wire by a power supply / signal line 31.

発信器10には、送信側GNSSアンテナ40が接続されている。送信側GNSSアンテナ40は、防波堤4上に設置されているが海面上に設置されても構わない。発信器10と送信側GNSSアンテナ40とは、信号ライン41によって有線で接続されている。以下、2つの送信側GNSSアンテナを区別する場合には、発信器10Aに接続された送信側GNSSアンテナに符号40Aを付し、発信器10Bに接続された送信側GNSSアンテナに符号40Bを付すこととする。 A transmitting side GNSS antenna 40 is connected to the transmitter 10. The transmitting side GNSS antenna 40 is installed on the breakwater 4, but may be installed on the sea surface. The transmitter 10 and the transmitting side GNSS antenna 40 are connected by wire by a signal line 41. Hereinafter, when distinguishing between the two transmitting side GNSS antennas, the transmitting side GNSS antenna connected to the transmitter 10A is designated by the reference numeral 40A, and the transmitting side GNSS antenna connected to the transmitter 10B is designated by the reference numeral 40B. And.

送信側GNSSアンテナ40は、GNSS衛星50から所定間隔毎(例えば、1秒毎)にGNSS信号を受信し、GNSS衛星50からGNSS信号を受信するとパルス信号を信号ライン42を介して発信器10に送信する。GNSS信号には、GNSS衛星50に搭載された高精度な原子時計の時間情報が含まれている。したがって、送信側GNSSアンテナ40Aから発信器10Aへのパルス信号の送信及び送信側GNSSアンテナ40Bから発信器10Bへのパルス信号の送信はほぼ同時に行われる。 The transmitting GNSS antenna 40 receives the GNSS signal from the GNSS satellite 50 at predetermined intervals (for example, every 1 second), and when the GNSS signal is received from the GNSS satellite 50, the pulse signal is transmitted to the transmitter 10 via the signal line 42. Send. The GNSS signal includes time information of a highly accurate atomic clock mounted on the GNSS satellite 50. Therefore, the transmission of the pulse signal from the transmitting side GNSS antenna 40A to the transmitter 10A and the transmission of the pulse signal from the transmitting side GNSS antenna 40B to the transmitter 10B are performed substantially at the same time.

受信器20には、受信側GNSSアンテナ60が接続されている。受信側GNSSアンテナ60は、支援台船3に設置されている。受信器20と受信側GNSSアンテナ60とは、電源・信号ライン61を介して有線で接続されている。受信側GNSSアンテナ60は、GNSS衛星50から所定間隔毎に時間情報を受信する。 A receiving side GNSS antenna 60 is connected to the receiver 20. The receiving side GNSS antenna 60 is installed on the support vessel 3. The receiver 20 and the receiving side GNSS antenna 60 are connected by wire via a power supply / signal line 61. The receiving side GNSS antenna 60 receives time information from the GNSS satellite 50 at predetermined intervals.

発信器10の近傍には、第1の水圧計12が設けられるのが好ましい。第1の水圧計12は、図示しない無線器を介して測定値を制御装置30に送信する。これにより、発信器10近傍の水深を計測することができる。 It is preferable that the first water pressure gauge 12 is provided in the vicinity of the transmitter 10. The first water pressure gauge 12 transmits the measured value to the control device 30 via a radio device (not shown). As a result, the water depth in the vicinity of the transmitter 10 can be measured.

受信器20の近傍には、第2の水圧計23が設けられるのが好ましい。第2の水圧計23は、第1の中継器21及び第2の中継器22を介して測定値を制御装置30に送信する。これにより、受信器20近傍の水深を計測することができる。なお、図1中の符号24は、バックホウ2の向きを検知して、検知結果を第1の中継器21及び第2の中継器22を介して制御装置30に送信する方位計である。 A second water pressure gauge 23 is preferably provided in the vicinity of the receiver 20. The second water pressure gauge 23 transmits the measured value to the control device 30 via the first repeater 21 and the second repeater 22. As a result, the water depth in the vicinity of the receiver 20 can be measured. Reference numeral 24 in FIG. 1 is an azimuth meter that detects the direction of the backhoe 2 and transmits the detection result to the control device 30 via the first repeater 21 and the second repeater 22.

バックホウ2には、ダミー音波発信器70が設けられている。ダミー音波発信器70は、受信器20に向けて音波を発信する。ダミー音波発信器70は、受信器20と既知の距離だけ離間して配置されている。 The backhoe 2 is provided with a dummy sound wave transmitter 70. The dummy sound wave transmitter 70 transmits a sound wave toward the receiver 20. The dummy sound wave transmitter 70 is arranged at a distance from the receiver 20 by a known distance.

水中音響測システム1は、制御装置30によって動作制御されている。制御装置30は、例えば支援台船3に搭載されたパーソナルコンピュータである。制御装置30は、図示しない入力部及び出力部を備えており、支援台船30に乗船したオペレータが制御装置30を操作したりバックホウ2の水中位置を確認することができる。 The operation of the underwater acoustic measurement system 1 is controlled by the control device 30. The control device 30 is, for example, a personal computer mounted on the support vessel 3. The control device 30 includes an input unit and an output unit (not shown), and an operator on board the support vessel 30 can operate the control device 30 and confirm the underwater position of the backhoe 2.

次に、水中音響測位システム1でバックホウ2の水中位置を測位する手順について、図1に基づいて説明する。なお、後述する工程の順番は一例に過ぎず、各工程の先後は適宜変更可能である。 Next, a procedure for positioning the underwater position of the backhoe 2 with the underwater acoustic positioning system 1 will be described with reference to FIG. The order of the steps described later is only an example, and the order of each step can be changed as appropriate.

[発信器設置]
発信器10を所定の位置に設置する。海底に固定された丁張11に発信器10を取り付けて、発信器10の設置位置を測位して、制御装置30に記憶する。
[Caller installation]
The transmitter 10 is installed at a predetermined position. The transmitter 10 is attached to the chopstick 11 fixed to the seabed, the installation position of the transmitter 10 is positioned, and the transmitter 10 is stored in the control device 30.

また、発信器10は、信号ライン31を介して送信側GNSSアンテナ30に予め接続された状態で丁張11に設置される。なお、送信側GNSSアンテナ30は、水面でのGNSS信号の乱反射を軽減するために防波堤4に設置されているが、例えば水面に浮かぶブイの先端等に設けられても構わない。なお、発信器10は、水中の所定位置に設けられた後に、送信側GNSSアンテナ30に接続されても構わない。 Further, the transmitter 10 is installed in the chopstick 11 in a state of being connected in advance to the transmitting side GNSS antenna 30 via the signal line 31. The transmitting side GNSS antenna 30 is installed on the breakwater 4 in order to reduce diffused reflection of the GNSS signal on the water surface, but may be provided, for example, at the tip of a buoy floating on the water surface. The transmitter 10 may be connected to the transmitting side GNSS antenna 30 after being provided at a predetermined position in the water.

[受信器設置]
次に、受信器20を所定の位置に設置する。受信器20は、例えば発信器10との間に遮蔽物が存在しない位置等の音波を受信しやすい位置に配置される。また、受信器20は、支援台船3に搭載された受信側GNSSアンテナ40に電源・信号ライン41を介して接続されている。
[Receiver installation]
Next, the receiver 20 is installed at a predetermined position. The receiver 20 is arranged at a position where sound waves can be easily received, such as a position where there is no shield between the receiver 20 and the transmitter 10. Further, the receiver 20 is connected to the receiving side GNSS antenna 40 mounted on the support vessel 3 via the power supply / signal line 41.

なお、発信器10と受信器20とは、バックホウ2が海底に降ろされた状態でほぼ同じ水深に位置するように設置されるのが好ましい。これにより、発信器10から発せられた音波が、略一定の水温で水中を伝播するため音波の伝播速度が安定する。 It is preferable that the transmitter 10 and the receiver 20 are installed so that the backhoe 2 is located at substantially the same water depth in a state where the backhoe 2 is lowered to the seabed. As a result, the sound wave emitted from the transmitter 10 propagates in the water at a substantially constant water temperature, so that the propagation speed of the sound wave is stable.

[時刻合わせ]
発信器10の時間情報は、送信側GNSSアンテナ40がGNSS衛星50から受信するGNSS信号に含まれる時間情報に基づいて、適宜補正される。これは、発信器10と送信側GNSSアンテナ40とが信号ライン41で有線接続されているためで、通信の遅れを伴うことなく発信器10の時間調整を行うことができる。これにより、海中に設置された発信器10まで潜水士が潜ることなく、発信器10の時間調整を適宜行うことができる。
[Time adjustment]
The time information of the transmitter 10 is appropriately corrected based on the time information included in the GNSS signal received from the GNSS satellite 50 by the transmitting GNSS antenna 40. This is because the transmitter 10 and the transmitting side GNSS antenna 40 are wiredly connected by the signal line 41, so that the time of the transmitter 10 can be adjusted without delay in communication. As a result, the time of the transmitter 10 can be adjusted as appropriate without the diver diving to the transmitter 10 installed in the sea.

また、受信器20の時間情報は、受信側GNSSアンテナ60がGNSS衛星50から受信するGNSS信号に含まれる時間情報に基づいて、適宜補正される。これは、受信器20と受信側GNSSアンテナ60とは、電源・信号ライン61で有線接続されているためで、通信の遅れを伴うことなく受信器20の時間調整を行うことができる。このようにして、バックホウ2の測位に先行して、発信器10及び受信器20の時刻を予め一致させておく。 Further, the time information of the receiver 20 is appropriately corrected based on the time information included in the GNSS signal received from the GNSS satellite 50 by the receiving side GNSS antenna 60. This is because the receiver 20 and the receiving side GNSS antenna 60 are wiredly connected by the power supply / signal line 61, so that the time of the receiver 20 can be adjusted without delay in communication. In this way, the times of the transmitter 10 and the receiver 20 are matched in advance prior to the positioning of the backhoe 2.

[音波発信]
次に、発信器10A、10Bが音波をそれぞれ発信する。発信器10による音波発信は、発信側GNSSアンテナ40からのパルス信号に基づいて行う。
[Sound wave transmission]
Next, the transmitters 10A and 10B transmit sound waves, respectively. Sound wave transmission by the transmitter 10 is performed based on a pulse signal from the transmitting side GNSS antenna 40.

具体的には、発信側GNSSアンテナ40は、GNSS衛星50から時間情報を含むGNSS信号を受信し、所定時間毎(例えば、1秒毎)にパルス信号を発信器10に送信する。そして、発信器10は、発信側GNSSアンテナ40のパルス信号を受信すると音波を発信する。発信器10と送信側GNSSアンテナ40とは、信号ライン41を介して有線接続されており、パルス信号は遅れることなく伝達され、発信器10は音波を発信する。すなわち、発信器10A、10Bが音波を発するタイミングは、発信側GNSSアンテナ40がパルス信号を発するタイミングに連動する。これにより、2つの発信器10A、10Bからそれぞれ発せられた音波は同期する。 Specifically, the transmitting side GNSS antenna 40 receives a GNSS signal including time information from the GNSS satellite 50, and transmits a pulse signal to the transmitter 10 at predetermined time intervals (for example, every 1 second). Then, when the transmitter 10 receives the pulse signal of the transmitting side GNSS antenna 40, it transmits a sound wave. The transmitter 10 and the transmitting side GNSS antenna 40 are wiredly connected via a signal line 41, the pulse signal is transmitted without delay, and the transmitter 10 transmits sound waves. That is, the timing at which the transmitters 10A and 10B emit sound waves is linked to the timing at which the transmitting side GNSS antenna 40 emits a pulse signal. As a result, the sound waves emitted from the two transmitters 10A and 10B are synchronized.

ここで、「同期」とは、発信器10A、10Bから音波が発せられるタイミングが略一致している状態を意味するものであり、例えば発信器10及び送信側GNSSアンテナ40間の信号処理に伴う遅れ等を含む。 Here, "synchronization" means a state in which the timings at which sound waves are emitted from the transmitters 10A and 10B are substantially the same, and is associated with signal processing between the transmitter 10 and the transmitting side GNSS antenna 40, for example. Including delays, etc.

[水中位置の測位]
受信器20は、発信器10から発信された音波を受信し、発信器10Aから伝播した音波の伝播時間及び発信器10Bから伝播した音波の伝播時間を制御装置30に送る。受信器20と制御装置30とは、電源・信号ライン61を介して有線接続されており、通信の遅れを伴うことなく受信器20の受信データを制御装置30に送信することができる。
[Positioning underwater position]
The receiver 20 receives the sound wave transmitted from the transmitter 10 and sends the propagation time of the sound wave propagated from the transmitter 10A and the propagation time of the sound wave propagated from the transmitter 10B to the control device 30. The receiver 20 and the control device 30 are wiredly connected via the power supply / signal line 61, and the received data of the receiver 20 can be transmitted to the control device 30 without delay in communication.

制御装置30は、発信器10A、10Bの設置位置、音波の伝播時間及び予め記憶された音波の伝播速度に基づいて、受信器20の水中位置をリアルタイムで測位することができる。 The control device 30 can determine the underwater position of the receiver 20 in real time based on the installation position of the transmitters 10A and 10B, the propagation time of the sound wave, and the propagation speed of the sound wave stored in advance.

なお、発信器10と受信器20との間を伝播する音波の伝播速度は、水温の変化に伴って変動する。そこで、発信器10と受信器20との間を伝播する音波の伝播速度を実測するのが好ましい。 The propagation speed of the sound wave propagating between the transmitter 10 and the receiver 20 fluctuates as the water temperature changes. Therefore, it is preferable to actually measure the propagation velocity of the sound wave propagating between the transmitter 10 and the receiver 20.

具体的には、ダミー音波発信器70が受信器20に向けてダミー音波を発信し、受信器20とダミー音波発信器60との間の既知距離をダミー音波が伝播した時間を制御装置30に送る。そして、制御装置30は、受信器20とダミー音波発信器70との既知距離を受信器20とダミー音波発信器70との間を伝播した音波の伝播時間で除することにより、受信器20近傍の水温における音波の伝播速度が得られる。これにより、受信器20の水中位置を精度良く測位することができる。 Specifically, the dummy sound wave transmitter 70 transmits a dummy sound wave toward the receiver 20, and the time at which the dummy sound wave propagates over a known distance between the receiver 20 and the dummy sound wave transmitter 60 is set in the control device 30. send. Then, the control device 30 divides the known distance between the receiver 20 and the dummy sound wave transmitter 70 by the propagation time of the sound wave propagating between the receiver 20 and the dummy sound wave transmitter 70, thereby causing the vicinity of the receiver 20. The propagation velocity of sound waves at the water temperature of is obtained. As a result, the underwater position of the receiver 20 can be accurately positioned.

このようにして、本実施例に係る水中音響測位システム1は、既知座標に設置された発信器10A、10Bが受信器20に向けて音波を発することにより、音波の発信位置が固定されるため、バックホウ2の水中位置の測位に際して発信器10A、10Bの複雑な位置補正が必要なく、バックホウ2の水中位置をスムーズに測位することができる。また、GNSS信号に含まれる時間情報に基づいて発信器10A、10Bからそれぞれ発せられる音波が同期するため、バックホウ2の水中位置を精度良く測位することができる。 In this way, in the underwater acoustic positioning system 1 according to the present embodiment, the transmitters 10A and 10B installed at the known coordinates emit sound waves toward the receiver 20, so that the sound wave transmission position is fixed. When positioning the underwater position of the backhoe 2, complicated position correction of the transmitters 10A and 10B is not required, and the underwater position of the backhoe 2 can be smoothly positioned. Further, since the sound waves emitted from the transmitters 10A and 10B are synchronized based on the time information included in the GNSS signal, the underwater position of the backhoe 2 can be accurately positioned.

次に、水中音響測位システム1の変形例について、図2に基づいて説明する。本変形例は、上述した実施例と水中位置を測位する対象(目標物)が異なるのみであり、一部構成を省略しているものの水中音響測位システム1の基本的構成は共通するため、対応する構成は共通の符号を付して説明を省略する。 Next, a modified example of the underwater acoustic positioning system 1 will be described with reference to FIG. In this modified example, the target (target object) for positioning the underwater position is different from the above-described embodiment, and although some configurations are omitted, the basic configuration of the underwater acoustic positioning system 1 is common. The configuration to be used is designated by a common reference numeral and the description thereof will be omitted.

本変形例に係る水中音響測位システム1は、クレーン5を備えた起重機船6に適用される。起重機船6は、海底を締固めするタンパ7をクレーン5で吊り下げている。 The underwater acoustic positioning system 1 according to this modification is applied to a hoisting vessel 6 provided with a crane 5. The hoisting vessel 6 suspends a tamper 7 for compacting the seabed with a crane 5.

受信器20は、タンパ7の上端に設置されている。受信器20は、省略した電源・信号ラインを介して制御装置30及び第2の受信側GNSSアンテナ60に接続されている。 The receiver 20 is installed at the upper end of the tamper 7. The receiver 20 is connected to the control device 30 and the second receiving side GNSS antenna 60 via the omitted power supply / signal line.

このようにして、本変形例に係る水中音響測位システム1は、既知座標に設置された発信器10A、10Bが受信器20に向けて音波を発することにより、音波の発信位置が固定されるため、タンパ7の水中位置の測位に際して発信器10A、10Bの複雑な位置補正が必要なく、タンパ7の水中位置をスムーズに測位することができる。 In this way, in the underwater acoustic positioning system 1 according to the present modification, the transmitters 10A and 10B installed at the known coordinates emit sound waves toward the receiver 20, so that the sound wave transmission position is fixed. When positioning the underwater position of the tamper 7, the underwater position of the tamper 7 can be smoothly positioned without the need for complicated position correction of the transmitters 10A and 10B.

なお、本発明は、上記した変形例の構造以外にも本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。 In addition to the structure of the above-mentioned modified example, the present invention can be modified in various ways as long as it does not deviate from the spirit of the present invention, and it is natural that the present invention extends to the modified one.

1 ・・・ 水中音響測位システム
2 ・・・ バックホウ
3 ・・・ 支援台船
4 ・・・ 防波堤
5 ・・・ クレーン
6 ・・・ 起重機船
7 ・・・ タンパ
10、10A、10B・・・ 発信器
11・・・ 丁張
12・・・ 第1の水圧計
20・・・ 受信器
21・・・ 第1の中継器
22・・・ 第2の中継器
23・・・ 第2の水圧計
24・・・ 方位計
30・・・ 制御装置(制御部)
40、40A、40B・・・ 送信側GNSSアンテナ
41・・・ 信号ライン
50・・・ GNSS衛星
60・・・ 受信側GNSSアンテナ
61・・・ 電源・信号ライン
70・・・ ダミー音波発信器
1 ・ ・ ・ Underwater acoustic positioning system 2 ・ ・ ・ Backhoe 3 ・ ・ ・ Support pontoon 4 ・ ・ ・ Breakwater 5 ・ ・ ・ Crane 6 ・ ・ ・ Moisturizing vessel 7 ・ ・ ・ Tamper 10, 10A, 10B ・ ・ ・ Transmission Instrument 11 ... Crane 12 ... 1st water pressure gauge 20 ... Receiver 21 ... 1st repeater 22 ... 2nd repeater 23 ... 2nd water pressure gauge 24・ ・ ・ Direction meter 30 ・ ・ ・ Control device (control unit)
40, 40A, 40B ... Transmitting side GNSS antenna 41 ... Signal line 50 ... GNSS satellite 60 ... Receiving side GNSS antenna 61 ... Power supply / signal line 70 ... Dummy sound transmitter

Claims (7)

目標物の水中位置を測位する水中音響測位システムであって、
前記目標物に設置された受信器と、
水中の既知座標且つ前記受信器と略同じ水深に設置され、前記受信器に向けて略水平に音波を発信する複数の発信器と、
前記受信器に接続された受信側GNSSアンテナと、
前記発信器に接続された発信側GNSSアンテナと、
前記発信側GNSSアンテナが受信するGNSS信号に応じて前記複数の発信器から受信器に向けて発せられる音波の伝播時間に基づき、前記目標物の水中位置を演算する制御部と、
を備えていることを特徴とする水中音響測位システム。
An underwater acoustic positioning system that positions the underwater position of a target.
The receiver installed on the target and
A plurality of transmitters that are installed at known coordinates in water and at substantially the same depth as the receiver and emit sound waves substantially horizontally toward the receiver.
The receiving side GNSS antenna connected to the receiver and
The transmitting side GNSS antenna connected to the transmitter and
A control unit that calculates the underwater position of the target based on the propagation time of sound waves emitted from the plurality of transmitters toward the receiver according to the GNSS signal received by the transmitting side GNSS antenna.
An underwater acoustic positioning system characterized by being equipped with.
前記発信側GNSSアンテナは、前記発信器に有線で接続されていることを特徴とする請求項1記載の水中音響測位システム。 The originating GNSS antenna, underwater acoustic positioning system of claim 1 Symbol mounting, characterized in that it is connected by wire to the transmitter. 前記受信器及び発信器は、GNSS信号に含まれる時間情報に基づいて時間補正されることを特徴とする請求項1又は2記載の水中音響測位システム。 The underwater acoustic positioning system according to claim 1 or 2, wherein the receiver and the transmitter are time-corrected based on the time information included in the GNSS signal. 前記受信器から既知距離だけ離間して設けられ、前記受信器に向けてダミー音波を発信するダミー音波発信器をさらに備え、
前記制御部は、前記ダミー音波発信器と前記受信器との間の既知距離を伝播した音波の伝播速度を演算し、該音波の伝播速度及び前記発信器と前記受信器との間を伝播した音波の伝播時間に基づいて前記目標物の水中位置を演算することを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載の水中音響測位システム。
A dummy sound wave transmitter, which is provided at a distance from the receiver by a known distance and emits a dummy sound wave toward the receiver, is further provided.
The control unit calculates the propagation speed of the sound wave propagating a known distance between the dummy sound wave transmitter and the receiver, and propagates the sound wave propagation speed and between the transmitter and the receiver. The underwater acoustic positioning system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the underwater position of the target object is calculated based on the propagation time of sound waves.
前記発信側GNSSアンテナは、防波堤上に設置されていることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載の水中音響測位システム。 The underwater acoustic positioning system according to any one of claims 1 to 4 , wherein the transmitting side GNSS antenna is installed on a breakwater. 前記目標物は、水中バックホウであることを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載の水中音響測位システム。 The underwater acoustic positioning system according to any one of claims 1 to 5 , wherein the target is an underwater backhoe. 目標物の水中位置を測位する水中音響測位方法であって、
前記目標物に受信器を設ける工程と、
前記受信器に向けて略水平に音波を発信する複数の発信器を水中の既知座標且つ前記受信器と略同じ水深に設置する工程と、
前記受信器に受信側GNSSアンテナを接続する工程と、
前記発信器に発信側GNSSアンテナを接続する工程と、
前記発信側GNSSアンテナが受信するGNSS信号に応じて前記複数の発信器から受信器に向けて発せられる音波の伝播時間に基づき、制御部が前記目標物の水中位置を演算する工程と、
を含むことを特徴とする水中音響測位方法。
An underwater acoustic positioning method for positioning the underwater position of a target.
The process of providing a receiver on the target and
A process of installing a plurality of transmitters that emit sound waves substantially horizontally toward the receiver at known coordinates in water and at substantially the same water depth as the receiver.
The process of connecting the receiving side GNSS antenna to the receiver and
The process of connecting the transmitter GNSS antenna to the transmitter and
A step in which the control unit calculates the underwater position of the target based on the propagation time of sound waves emitted from the plurality of transmitters toward the receiver according to the GNSS signal received by the transmitting side GNSS antenna.
An underwater acoustic positioning method comprising.
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