JP6821929B2

JP6821929B2 - 航走管理装置及び航走管理方法

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Publication number: JP6821929B2
Application number: JP2016054324A
Authority: JP
Inventors: 片山　啓; 啓片山; 大輔塩形
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017165332A

Description

本開示は、航走管理装置及び航走管理方法であって、特に水中航走体の航走を管理する航走管理装置及び航走管理方法に関する。

水中（例えば、海中、湖の中、川の中等）又は水底（例えば、海底、湖底、川底等）の調査等を目的として、自律航走する無人の水中航走体が用いられることがある。水中航走体は、所定の経路に沿って水中を航走（潜行）する。

特許文献１では、水中航走体の位置を取得する方法の一例を開示している。具体的には、特許文献１の方法によれば、水中航走体に搭載された慣性航法装置によって得られる慣性航法位置を、水上航走（航行）する支援船（水上航走体）が水中航走体を音響測位して得られる音響測位位置に基づいて較正することが示されている。

特開２０１１−１６３９３０号公報

ところで、水上航走体と水中航走体との間では、一般に、音響通信により情報の送受信が行われる。音響通信が可能な範囲は、通常、音響測位が可能な範囲よりも狭い。そのため、水上航走体との間で音響通信可能な範囲外に水中航走体が存在してしまう可能性がある。水上航走体と水中航走体との間で音響通信ができない時間が長くなると、水中航走体の慣性航法に問題生じる等、水中航走体の運用を好適に行うことが困難となる可能性がある。

そこで、本開示は、水中航走体の好適な運用が可能な航走管理装置及び航走管理方法を説明する。

本開示の一観点に係る航走管理装置は、水中航走体と水上航走体との音響通信を制御することで当該水中航走体の航走を管理する航走管理装置であって、前記水中航走体との間で音響通信により情報の送受信を行う音響通信部と、音響測位により前記水中航走体の位置を計測する音響測位部と、前記音響測位部による前記水中航走体の音響測位結果から算出される前記水中航走体の位置情報を保持する位置情報保持部と、前記位置情報保持部に保持されている前記水中航走体の位置情報から、前記水中航走体の移動経路を予測し、当該移動経路を移動する前記水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する進路決定部と、前記進路決定部によって決定された進路に沿って前記水上航走体を航走させる航走制御部と、を備える。

上記の航走管理装置によれば、音響測位結果から算出される水中航走体の位置情報に基づいて水中航走体の移動経路を予測した上で、水中航走体との音響通信が可能となるように水上航走体の進路が決定されるため、水中航走体の移動に対応した進路に沿って水上航走体を移動させることができる。したがって、水中航走体と水上航走体との音響通信が可能な状態に速やかに導くことができるため、水中航走体の運用を好適に行うことができる。

ここで、上記作用を効果的に奏する態様として、具体的には、前記進路決定部は、前記位置情報保持部に保持される前記水中航走体の位置情報から前記水中航走体の速度ベクトルを算出し、前記水中航走体の位置情報と前記速度ベクトルとを用いて所定時間後の前記水中航走体の位置を予測すると共に、前記水中航走体の前記所定時間後の予測位置が、前記水上航走体と前記所定時間後に音響通信が可能な領域となるように、前記水上航走体の進路を決定する態様とすることができる。

上記のように、水中航走体の所定時間後の予測位置を算出した後に水中航走体の所定時間後の予測位置が水上航走体と音響通信可能な領域となるように水上航走体の進路を決定する態様とすることで、水中航走体の移動経路に応じて柔軟に水上航走体の進路を決定することができ、水中航走体の運用を好適に行うことができる。

また、前記音響通信部は、複数の前記水中航走体との間で音響通信を行い、前記音響測位部は、音響測位により複数の前記水中航走体の位置をそれぞれ計測し、前記位置情報保持部は、複数の前記水中航走体の位置情報を保持し、前記進路決定部は、前記位置情報保持部に保持されている複数の前記水中航走体の位置情報に含まれる特定の水中航走体の位置情報から、当該水中航走体の移動経路を予測し、当該移動経路を移動する前記特定の水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する態様とすることができる。

上記のように、音響通信部が複数の水中航走体との間で音響通信を行う場合に、水中航走体毎に位置情報に基づいて移動経路を予測した上で水上航走体の進路を決定する構成とすることで、複数の水中航走体のそれぞれとの音響通信が可能となり、水中航走体が複数であってもその運用を好適に行うことができる。

また、前記進路決定部は、複数の前記水中航走体のそれぞれを対象として前記音響通信部による音響通信が成功したか否かを判断し、音響通信が成功していなかった前記水中航走体がある場合に、当該水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する態様とすることができる。

上記のように、音響通信が成功していなかった水中航走体がある場合に、当該水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する構成とすることで、音響通信が成功していない水中航走体との間で音響通信をしていない時間が長期化することを防止することができる。したがって、複数の水中航走体の運用を好適に行うことができる。

また、前記進路決定部は、前記水中航走体の航走対象エリアに係る情報を保持し、当該航走対象エリアに係る情報に基づいて前記水中航走体の移動経路を予測する態様とすることができる。

水中航走体の航走対象エリアが予め決められている場合に、当該情報を利用して水中航走体の移動経路を予測する構成とすることで、水中航走体の移動経路に係る予測をより精度よく行うことができる。

ところで、本開示は、上記のように航走管理装置として記述できるほかに、以下のように航走管理方法の発明としても記述することができる。これはカテゴリが異なるだけで、実質的に同一の開示であり、同様の作用及び効果を奏する。

すなわち、本開示の一観点に係る航走管理方法は、音響通信部による水上航走体と水中航走体との音響通信を制御することで当該水中航走体の航走を管理する航走管理装置による航走管理方法であって、音響測位により前記水中航走体の位置を計測する音響測位ステップと、前記音響測位ステップにおける前記水中航走体の音響測位結果から算出される前記水中航走体の位置情報を位置情報保持部に保持する位置情報保持ステップと、前記位置情報保持部に保持されている前記水中航走体の位置情報から、前記水中航走体の移動経路を予測し、当該移動経路を移動する前記水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する進路決定ステップと、前記進路決定ステップにおいて決定された進路に沿って前記水上航走体を航走させる航走制御ステップと、を備える。

本開示によれば、水中航走体の好適な運用が可能となる航走管理装置及び航走管理方法が提供される。

航走管理システムを示す概略図である。航走管理システムを示すブロック図である。本実施形態における水中航走体の移動条件を示す図である。航走管理方法を説明するフローチャートである。水上航走体の進路決定方法を説明する図である。水上航走体の進路決定方法を説明する図である。水上航走体の進路決定方法の他の例を説明する図である。水上航走体の進路決定方法の他の例を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本開示を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、水中航走体の航走管理システム１の構成について説明する。図１に示すように、航走管理システム１は、水上航走体１０（Autonomous Surface Vehicle：ＡＳＶ）と、少なくとも一つの水中航走体２０（Autonomous Underwater Vehicle：ＡＵＶ）と、を備える。

水上航走体１０は、無人で水上を自律航走する航走体であり、水中航走体２０の位置を測位する機能と、水中航走体２０からの情報の送受信を行う機能とを有する。水上航走体１０は、船体１１と、航走装置１２と、航走管理装置１３とを備える。

船体１１は、航走装置１２及び航走管理装置１３を搭載する。航走装置１２は、水上において船体１１を航走（航行）させるように構成されている。航走装置１２は、例えば、推進器及び舵の推進機構を含む。航走装置１２は、コントローラ１７からの指示に基づいて動作する。

航走管理装置１３は、後述の音響測位を利用して水中航走体２０の位置情報を取得すると共に、水中航走体２０との通信を行うことで水中航走体２０において取得された情報等を受信する機能を有する。航走管理装置１３は、図１及び図２に示されるように、測位機１４と、音響通信機（音響通信部）１５と、音響測位機（音響測位部）１６と、コントローラ（位置情報保持部、進路決定部、航走制御部）１７とを含む。

測位機１４は、地球上における水上航走体１０の絶対位置（緯度及び経度）を取得するように構成されている。測位機１４は、例えば、ＧＰＳ受信機である。測位機１４は、ＧＰＳ衛星から所定の信号を受信し、当該信号に基づいて絶対位置を取得してもよい。

音響通信機１５は、水中航走体２０における後述の音響通信機２４との間で音響通信による情報の送受信が可能に構成されている。音響通信機１５は、例えば、水中に音波を送信する送信器と、音波（反射波）を受信する受信器とを含む送受信機（トランシーバ）であってもよい。音響通信機１５による通信可能な範囲は、例えば、１０００ｍ〜３０００ｍ程度とすることができる。

音響測位機１６は、水中航走体２０の位置を取得可能に構成されている。音響測位機１６は、例えば、水上航走体１０に対する水中航走体２０の相対位置を取得可能に構成されていてもよい。音響測位機１６は、例えば、ＳＳＢＬ（Super Short Base Line）測位システムとすることができる。ＳＳＢＬ測位システムは、水中に向けて定期的にパルス音を発信し、当該パルス音の返信エコーを少なくとも３つの音響センサで受信することで、三角測量により水中航走体２０の相対位置を計測することが可能である。音響測位機１６による測位可能な範囲は、例えば、音響通信機１５による通信可能な範囲の１．５倍〜２倍程度であってもよく、１５００ｍ〜６０００ｍ程度であってもよい。

コントローラ１７は、水上航走体１０を部分的に又は全体的に制御可能に構成されている。コントローラ１７は、図２に示されるように、機能モジュールとして、送受信部Ｍ１と、記憶部Ｍ２（位置情報保持部）と、処理部Ｍ３（進路決定部、航走制御部）とを有する。コントローラ１７のハードウェアは、例えば一つ又は複数の制御用のコンピュータにより構成される。ハードウェアとしては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）、他の機器との通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成される。そして、これらの構成要素が動作することにより、後述のコントローラ１７としての機能が発揮される。

送受信部Ｍ１は、水上航走体１０の各種装置（例えば、航走装置１２、測位機１４、音響通信機１５、音響測位機１６）を制御する制御信号を処理部Ｍ３から受信し、当該各種装置に送信する。送受信部Ｍ１は、当該各種装置から各種信号を受信し、処理部Ｍ３に送信する。

記憶部Ｍ２は、種々のデータを記憶する。記憶部Ｍ２は、各種処理を実行するためのプログラムのほか、水上航走体１０及び水中航走体２０に係る位置情報を蓄積する機能を有する。

処理部Ｍ３は、記憶部Ｍ２から読み出したプログラムと、水上航走体１０の各種装置から送受信部Ｍ１が受信した各種信号とに基づいて、水上航走体１０の各種装置を制御するための制御信号を生成し、送受信部Ｍ１に送信する。処理部Ｍ３は、記憶部Ｍ２に記憶されている水中航走体２０に係る位置情報に基づいて、水中航走体２０の移動経路を予測すると共に、水上航走体１０の進路（移動経路）を決定して、航走装置１２によって進路に沿って水上航走体１０を航走させる機能を有する。

なお、上記の機能モジュールは、コントローラ１７の機能を便宜上複数のモジュールに区切ったものに過ぎず、コントローラ１７を構成するハードウェアがこのようなモジュールに分かれていることを必ずしも意味するものではない。各機能モジュールは、プログラムの実行により実現されるものに限られず、専用の電気回路（例えば論理回路）、又は、これを集積した集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）により実現されるものであってもよい。

本実施形態では、水上航走体１０は、一つのコントローラ１７を備えているが、複数のコントローラ１７で構成されるコントローラ群を備えていてもよい。水上航走体１０がコントローラ群を備えている場合には、上記の機能モジュールがそれぞれ、一つのコントローラ１７によって実現されていてもよいし、２個以上のコントローラ１７の組み合わせによって実現されていてもよい。

なお、水上航走体１０で取得した情報等を水上航走体１０とは異なる装置（例えば、母船等）で管理をする場合、又は、水上航走体１０の制御等を外部装置で行う場合のように、外部装置との通信が必要な場合には、水上航走体１０は、通信機を備える。水上航走体１０に設けられる通信機は、外部装置との間で情報の送受信が可能とされている。通信機は、例えば、電磁波、音波等を送受信可能な無線通信機として実現することができる。

次に、水中航走体２０は、無人で水中を自律航走する航走体であり、予め定められた経路に沿って航走しながら水中又は水底の情報を収集する機能を有する。水中航走体２０は、図１及び図２に示されるように、船体２１と、航走装置２２と、情報収集機２３と、音響通信機２４と、応答機２５と、コントローラ２６とを含む。

船体２１は、航走装置２２、情報収集機２３、音響通信機２４、応答機２５及びコントローラ２６を搭載する。

航走装置２２は、水中において船体２１を航走（潜行）させるように構成されている。航走装置２２は、例えば、推進器及び舵を含む。航走装置２２による航走経路、すなわち、水中航走体２０の移動経路は予め定められている。したがって、水中航走体２０は、船体２１に搭載された慣性航法装置（図示せず）により慣性航法位置を取得しながら、航走装置２２によって予め定められた移動経路に沿って移動する。

情報収集機２３は、水中又は水底の情報を収集するように構成されている。情報収集機２３は、例えば、サイドスキャンソナー、サブボトムプロファイラ、マルチビームエコーサウンダ、磁気センサ、温度センサ、汚染物質検出装置等であってもよい。

音響通信機２４は、水上航走体１０の音響通信機１５との間で音響通信による情報の送受信が可能に構成されている。音響通信機２４の構成は、音響通信機１５と同様であってもよい。

応答機２５は、水上航走体１０の音響測位機１６から送信されるパルス音を瞬時に返信可能に構成されている。応答機２５は、例えば、トランスポンダである。

コントローラ２６は、水中航走体２０を部分的に又は全体的に制御可能に構成されている。コントローラ２６は、水中航走体２０の各種装置（例えば、航走装置２２、情報収集機２３、音響通信機２４、応答機２５）を制御してもよい。コントローラ２６の構成は、水上航走体１０のコントローラ１７と同様であってもよい。

次に、航走管理システム１が水中航走体２０の航走を支援する方法について説明する。本実施形態では、図１等に示すように、複数の水中航走体２０として、４台の水中航走体２０Ａ〜２０Ｄが運用されている場合について説明する。

まず、航走管理システム１における水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの移動範囲及び水上航走体１０の航走管理装置１３による航走管理の手法について、図３を参照しながら説明する。

本実施形態では、航走管理システム１において４台の水中航走体２０Ａ〜２０Ｄが運用されている場合に、水上航走体１０の航走管理装置１３が全ての水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの航走管理を行う方法を説明する。本実施形態に係る航走管理システム１では、図３に示すように運用される水中航走体２０Ａ〜２０Ｄが予め定められた対象エリアＡ１内を移動するとする。水中航走体２０Ａ〜２０Ｄが移動する対象エリアＡ１に係る情報は水上航走体１０の航走管理装置１３においても把握しているとする。

水中航走体２０Ａ〜２０Ｄは、予め定められた経路に沿って移動するが、水中の状況等が原因で当初の経路とは異なる位置を移動している可能性がある。通常、水中航走体２０Ａ〜２０Ｄは、慣性航法装置を用いて自装置の慣性航法位置を取得するが、誤差等が生じる場合がある。そこで、水上航走体１０が水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの正確な位置情報を取得し、これを水中航走体２０Ａ〜２０Ｄに対して音響通信で提供することで、水中航走体２０Ａ〜２０Ｄでは自装置の位置を較正する。

具体的には、水上航走体１０は、音響測位機１６によって適宜水中航走体２０Ａ〜２０Ｄに係る音響測位を行うことで水上航走体１０に対する水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの相対位置を測位する（音響測位ステップ）と共に、コントローラ１７の処理部Ｍ３において、別途水上航走体１０の測位機により測位される水上航走体１０の絶対位置の測位結果と音響結果とを組み合わせる。これにより、水上航走体１０のコントローラ１７では、水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの絶対位置に係る情報（位置情報）を取得することができる。水中航走体２０Ａ〜２０Ｄに係る音響測位は、予め決められた間隔で繰り返して行われる態様とすることができる。また、音響通信を行う際に同時音響測位を行う態様としてもよい。音響測位による測位結果を利用して算出された水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの絶対位置に係る情報は、測位を行った時刻（測位時刻）及び水中航走体２０Ａ〜２０Ｄを特定する情報に対応付けられて、コントローラ１７の記憶部Ｍ２に位置情報として格納される（位置情報保持ステップ）。なお、コントローラ１７の記憶部Ｍ２は、通常は、水中航走体２０Ａ〜２０Ｄに係る音響測位の結果と、水上航走体１０の絶対位置の測位結果とを個別に保持しておき、水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの位置情報が必要なときに、コントローラ１７の処理部Ｍ３において上記の情報を適宜組み合わせて絶対位置に関する情報を算出する構成としてもよい。

また、音響測位とは別に、水上航走体１０は、音響通信によって水中航走体２０Ａ〜２０Ｄからの情報（例えば、情報収集機２３で取得された水中又は水底の情報）を取得する。

ただし、音響通信が可能な範囲は、通常、音響測位が可能な範囲よりも狭い。そのため、仮に、水上航走体１０との間で音響通信可能な範囲外に水中航走体２０が存在すると、水中航走体２０との情報の送受信が不可能となる。また、仮に、水上航走体１０との間で音響測位が可能な範囲外に水中航走体２０が移動してしまうと、水上航走体１０が水中航走体２０を再度捕捉することが困難となる可能性がある。

本実施形態における航走管理システム１では、水上航走体１０が水中航走体２０と音響通信が可能となる音響通信半径をＲとする。水上航走体１０及び水中航走体２０Ａ〜２０Ｄがそれぞれ図３に示す配置となっている場合、水上航走体１０が音響通信可能な水中航走体は水中航走体２０Ａのみであり、水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄと水上航走体１０とが音響通信を行うことはできない状態である。

したがって、水上航走体１０が水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄと音響通信を行うためには、水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄとの音響通信が可能な距離以下となるまで、水上航走体１０と水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄとの距離を縮める必要がある。水上航走体１０によって水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄの音響測位が可能な状態であれば、音響測位によって水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄの現在位置を把握することができる。しかしながら、水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄは常時移動するような設定とされている場合が多い。したがって、音響測位を行って得られた水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄの現在位置に向かって水上航走体１０が移動したとしても、水上航走体１０が到着する頃には水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄは既に別の地点に移動している可能性が考えられる。そのため、水中航走体２０Ｂ〜２０Ｄと音響通信が可能となるまでの水上航走体１０の移動時間が長くなる可能性がある。

そこで、本実施形態に係る航走管理システム１では、航走管理装置１３において、水中航走体２０からの情報に基づいて水中航走体２０との音響通信が可能となるように水上航走体１０の進路を決定する。これにより、上記のように水上航走体１０と水中航走体２０との音響通信が可能となるよう状態に速やかに移行することができ、音響通信ができない時間を短くすることが可能となる。以下、その具体的な手順について、図４を参照しながら説明する。

まず、本実施形態のように、複数の水中航走体２０Ａ〜２０Ｄが運用されている場合には、コントローラ１７（水上航走体１０）は、複数の水中航走体２０のうちから音響通信を行う対象となる１つの水中航走体２０を選択する（Ｓ０１）。選択の対象となる水中航走体２０の条件は、例えば、水上航走体１０に最も近いことであってもよいし、水上航走体１０から最も遠いことであってもよいし、水上航走体１０による以前の音響通信から所定時間が経過したことであってもよい。また、予め決められた順序で複数の水中航走体２０と交互に音響通信を行う構成であってもよい。

次に、コントローラ１７は、選択された水中航走体２０との間での音響通信を音響通信機１５によって開始する（Ｓ０２）。次に、コントローラ１７は、音響通信機１５による音響通信が成功したか否かを判定する（Ｓ０３）。ここで、音響通信が成功した場合（Ｓ０３−ＹＥＳ）には、コントローラ１７は、次に音響通信を行う対象となる水中航走体２０があるか否かを判断する（Ｓ０４）。次に音響通信を行う対象となる水中航走体２０がある場合（Ｓ０４−ＹＥＳ）には、コントローラ１７は、再び対象の水中航走体２０を選択（Ｓ０１）し、上記の処理、すなわち対象の水中航走体２０との音響通信に係る処理を繰り返す。また、次に音響通信を行う対象となる水中航走体２０がない場合（Ｓ０４−ＮＯ）には、コントローラ１７は、音響通信機１５による音響通信を終了する。

ここで、対象となる水中航走体２０との音響通信が成功していない場合（Ｓ０３−ＮＯ）には、コントローラ１７は、処理部Ｍ３において、水中航走体２０との音響通信が可能となるための水上航走体１０の進路を計算・決定する（Ｓ０５：進路決定ステップ）。そして、コントローラ１７の送受信部Ｍ１を介して航走装置１２に対して指示を行うことで、水上航走体１０は決定された進路に沿って移動する（Ｓ０６：航走制御ステップ）。その後、コントローラ１７は音響通信機１５による音響通信を再度試み（Ｓ０２）、以降の処理を繰り返す。水上航走体１０が決定された進路に沿って移動した後に音響通信を試みた結果、再度失敗（Ｓ０３−ＮＯ）した場合には、コントローラ１７は、水上航走体１０の進路の計算・決定（Ｓ０５）及び移動（Ｓ０６）を繰り返す。水上航走体１０による自航走体の進路の計算・決定及び移動の間にも音響測位が行われている可能性がある。したがって、コントローラ１７において水上航走体１０の進路を再計算する際には、再計算に使用可能な水上航走体１０に係る測位結果（位置情報）が増えている可能性がある。この場合、再計算により水中航走体２０のより正確な位置を予測することができ、再計算後には水中航走体２０の捕捉を速やかに行うことが可能となることも考えられる。

上記の水上航走体１０の進路の計算・決定（Ｓ０５）の具体的な方法について、図５及び図６を参照しながら説明する。

まず、音響通信を試みて失敗した段階での水上航走体１０と対象となる水中航走体２０との位置関係が、図５に示す状態だったとする。ただし、現在時刻において水上航走体１０と水中航走体２０とが音響測位を行っていない限り、現在の水中航走体２０の正確な位置を水上航走体１０では把握ができていない。水上航走体１０と水中航走体２０との間の音響通信が成功していないので、この段階では、水上航走体１０と水中航走体２０との距離は、音響通信が可能な音響通信半径Ｒよりも大きい。この状態から水上航走体１０と水中航走体２０とが音響通信可能となるためには、水上航走体１０と水中航走体２０との距離が音響通信半径Ｒよりも小さくなる必要がある。したがって、コントローラ１７では、水上航走体１０と水中航走体２０との距離が音響通信半径Ｒ又はそれよりも小さくなるための経路を算出する。

水上航走体１０の経路を算出するためには、まず、水中航走体２０の移動経路を予測する必要がある。水中航走体２０の移動経路の予測には、コントローラ１７の記憶部Ｍ２において保持されている水中航走体２０に係る位置情報が利用される。対象となる水中航走体２０に係る位置情報がコントローラ１７の記憶部Ｍ２に複数格納されている場合、複数の位置情報に基づいて、水中航走体２０の移動経路を予測することができる。具体的には、図５に示すように、水中航走体２０が過去に位置２０’及び位置２０’’に存在したことを示す位置情報が記憶部Ｍ２に保持されていたとする。位置情報にはそれぞれ測位時刻が含まれて保持されているので、特定の時刻に位置２０’に存在したことを示す位置情報と、位置２０’に存在したことを示す時刻とは異なる時刻に位置２０’’に存在したことを示す位置情報とに基づいて、水中航走体２０の移動方向及び速度を算出することができる。また、３以上の位置情報がある場合には、これらを利用することで水中航走体２０の移動方向及び速度をより精度よく算出することができる。これらの過去の位置情報に基づくと、水中航走体２０の現在位置の推測が可能であると共に、ｔ_１秒後の水中航走体２０の予測位置２０_１が予測可能となる。

一方、水上航走体１０の現在位置が図５に示す位置であって、水上航走体１０の移動速度がｖであるとすると、ｔ_１秒後に水上航走体１０と音響通信可能となり得る領域は、水上航走体１０の現在位置を中心とした半径がｖｔ_１＋Ｒとなる円内となる。ただし、水上航走体１０の進路に応じて、半径ｖｔ_１＋Ｒの円のどの部分が音響通信可能となるかは変動する。いずれにしろ、図５に示すように、ｔ_１秒後の水中航走体２０の予測位置２０_１は、水上航走体１０が音響通信可能となり得る領域には含まれないので、ｔ_１秒後には、水上航走体１０と水中航走体２０とが音響通信可能とはならない。したがって、コントローラ１７の処理部Ｍ３では、条件を変更して、ｔ_１秒よりも経過時間が長くなる条件で音響通信可能な状態が実現できるかの判断に係る処理を再度実行する。

コントローラ１７の処理部Ｍ３においてｔ_１秒よりも大きいｔ_２秒後について検討した結果を図６に示す。ｔ_２秒後はｔ_１秒後よりも経過時間が大きくなるため、ｔ_２秒後に水上航走体１０と音響通信可能となり得る領域、すなわち、半径ｖｔ_２＋Ｒの円はｔ_１秒後よりも大きくなる。したがって、ｔ_２秒後の水中航走体２０の予測位置２０_２が、ｔ_２秒後に水上航走体１０と音響通信可能となり得る領域と重なる可能性が出てくる。図６に示す状況では、ｔ_２秒後の水中航走体２０の予測位置２０_２が、ｔ_２秒後に水上航走体１０と音響通信可能となり得る領域、すなわち、半径ｖｔ_２＋Ｒの円と重なる。したがって、水上航走体１０がｔ_２秒後の水中航走体２０の予測位置２０_２の方向へ移動した場合には、ｔ_２秒後に音響通信が可能となると考えられる。

このように、コントローラ１７の処理部Ｍ３では、現在時刻からの経過時間ｔを徐々に大きくして、ｔ秒後における水中航走体２０の予測位置２０ｔを予測すると共に、ｔ秒後に当該予測位置２０ｔに位置する水中航走体２０と水上航走体１０とが音響通信可能かどうかを判断する。コントローラ１７の処理部Ｍ３では、実際には、水上航走体１０及び水中航走体２０の位置情報は経度・緯度を用いて示される。すなわち、ｘｙ軸の２軸で考えることができる。ここで、ｔ秒後の水中航走体２０の予測位置を例えば（ＡＵＶ_ｘｔ，ＡＵＶ_ｙｔ）とする。（ＡＵＶ_ｘｔ，ＡＵＶ_ｙｔ）については、過去に取得された水中航走体２０の測位結果を利用して算出することができる。具体的には、過去に取得された水中航走体２０の位置情報が複数ある場合には、これらから水中航走体２０の速度ベクトル（ｖ_Ｕｘ、ｖ_Ｕｙ）を求めることができる。また、水中航走体２０の最新の測位結果（位置情報）が現在時刻からｔ_０秒前であるとし、最新の位置情報で示される水中航走体２０の位置を（Ｕ_ｘ，Ｕ_ｙ）とすると、（ＡＵＶ_ｘｔ，ＡＵＶ_ｙｔ）は、以下の数式（１）：
ＡＵＶ_ｘｔ＝Ｕ_ｘ＋ｖ_Ｕｘ（ｔ_０＋ｔ）
ＡＵＶ_ｙｔ＝Ｕ_ｙ＋ｖ_Ｕｙ（ｔ_０＋ｔ） …（１）
により算出することができる。なお、水中航走体２０の最新の位置情報を取得した時刻が現在時刻とほぼ同じであって、位置情報を取得した時刻との現在時刻との間の水中航走体２０の移動距離が水上航走体１０の進路の計算に影響を与えないレベルの場合には、ｔ_０＝０とし、最新の位置情報が水中航走体２０の現在位置に相当するとみなすこともできる。

このとき、ｔ秒後に当該予測位置２０ｔに位置する水中航走体２０と水上航走体１０とが音響通信可能かどうかを判断する場合には、現在の水上航走体１０の位置を（ＡＳＶ_ｘ、ＡＳＶ_ｙ）とすると、ｔが以下の数式（２）：
（ＡＳＶ_ｘ−ＡＵＶ_ｘｔ）^２＋（ＡＳＶ_ｙ−ＡＵＶ_ｙｔ）^２≦（ｖｔ＋Ｒ）^２ …（２）
を満たすか否かで判断することができる。すなわち、ｔが上記の数式（２）の関係を満たす場合には、ｔ秒後に水中航走体２０と水上航走体１０とが音響通信可能となる。また、ｔが上記の数式（２）の関係を満たさない場合には、ｔ秒後に水中航走体２０と水上航走体１０とは音響通信が不可能である。このように、コントローラ１７の処理部Ｍ３では、水中航走体２０の測位結果及び水上航走体１０の現在位置に基づいて、ｔ秒後に水中航走体２０と水上航走体１０とが音響通信可能かどうかを判断する。

ｔ秒後に水中航走体２０と水上航走体１０との音響通信が可能である場合には、コントローラ１７は航走装置１２に対して予測位置２０ｔへ向けて水中航走体２０を移動させるよう指示する。また、コントローラ１７においてｔ秒後には両者間の音響通信が不可能であると判断した場合には、コントローラ１７は、経過時間ｔをより大きな値に設定して、再度音響通信が可能となるか否かの判断を繰り返す。コントローラ１７は、この処理を繰り返すことで、水中航走体２０と水上航走体１０との音響通信が可能な状態へ移行するための所要時間となる経過時間ｔを決定し、水上航走体１０の進路を決定する。

上記で説明した水上航走体１０の経路の算出方法では、コントローラ１７において、経過時間ｔを徐々に大きくしながら、水中航走体２０と水上航走体１０との音響通信が可能な状態が実現できるかの判断を繰り返す。したがって、音響通信が可能となるまでの時間、すなわち経過時間ｔをできるだけ短くすることができるため、水中航走体２０と水上航走体１０との音響通信が可能となるまでの時間が最短となるように水上航走体１０の進路を算出することが可能となる。なお、「音響通信が可能となるまでの時間が最短となる」とは、移動中の水中航走体２０と音響通信が可能な状態になるまでの水上航走体１０の進路をより短くすることにより、水上航走体１０の移動時間をより短くすることを指す。

なお、水中航走体２０の移動方向が固定である場合には、過去の位置情報に基づいて移動方向、すなわち、速度ベクトル（ｖ_Ｕｘ、ｖ_Ｕｙ）が特定できるため、上記の手法によりｔ秒後の水中航走体２０の位置を予測することができる。ただし、水中航走体２０の移動方向が固定ではない場合には、過去の位置情報のうち、直近の一部の位置情報のみを利用して移動方向を推定する等の方法を用いて、水中航走体２０の移動方向の推定精度を高くすることが好ましい。

また、水中航走体２０の移動経路の予測結果には誤差が含まれると考えられる。同様に、音響通信半径Ｒについても水中の状況による影響を受ける可能性がある。したがって、水上航走体１０の進路を決定する際には、誤差等の変動分を考慮した計算を行うことが好ましい。したがって、例えば数式（２）に使用する音響通信半径Ｒの値を、音響通信機１５の実際の性能よりも小さめに見積もった上で、水上航走体１０の進路を決定することが好ましい。なお、誤差等の変動分を考慮した計算方法は上記の方法に限定されない。

また、水中航走体２０の移動範囲が特に限定されていない場合には、上記で算出される速度ベクトル（ｖ_Ｕｘ、ｖ_Ｕｙ）の変化は少ないと考えることもできる。しかしながら、水中航走体２０の移動範囲が予め制限されている場合には、制限された範囲内で水中航走体２０が移動するため、移動方向の変化が多いと考えられる。本実施形態の場合、水中航走体２０Ａ〜２０Ｄの移動範囲（航走対象エリア）が対象エリアＡ１（図３参照）内と定められているため、水中航走体２０が対象エリアＡ１の外周部に到達した場合には、移動方向を変更するように水中航走体２０の移動経路が予め定められている。水上航走体１０にいて水中航走体２０の位置を予測する場合には、水中航走体２０が対象エリアＡ１内を移動し、外周部に到達した場合には移動方向を変更することを想定する必要がある。

対象エリアＡ１の外周部付近での水中航走体２０の動作例と、水上航走体１０による水中航走体２０の位置の予測方法について、図７を参照しながら説明する。

図７に示す例では、水中航走体２０の現在位置に対して、ｔ秒後にはｘ軸方向（−ｘ方向）に移動した予測位置２０１に水中航走体２０が移動すると算出されたとする。予測位置２０１に水中航走体２０が実際に移動するということは、水中航走体２０が対象エリアＡ１外を航走することになってしまう。現実には、水中航走体２０は、対象エリアＡ１の外周部で折り返し、且つｙ軸方向に僅かに移動してｘ軸方向（＋ｘ方向）に移動する場合が考えられる。したがって、水中航走体２０の予測位置が、予測位置２０１のように対象エリアＡ１外に算出される場合には、対象エリアＡ１で折り返した位置２０３を新たな予測位置として算出する方法が挙げられる。この場合、対象エリアＡ１外へ向けて水上航走体１０を移動させる必要がない。また、より高い精度（実際の位置２０２により近い位置２０３）で水中航走体２０の位置を予測することができるため、水上航走体１０と水中航走体２０との音響通信を速やかに再開することが可能となることが考えられる。

図７では、ｘ軸成分だけ対象エリアＡ１から外れた場合について示しているが、一方の成分のみが対象エリアＡ１から外れる場合とは異なる場合も考えられる。すなわち、過去の測位結果に基づいて水中航走体２０の位置を予測した結果、図８に示すようにｘ軸成分及びｙ軸成分の両方が対象エリアＡ１外となってしまうことも考えられる。このような場合には、対象エリアＡ１を考慮せず算出された予測位置２０４と対象エリアＡ１との差分（Ｌｘ，Ｌｙ）を算出し、算出された差分（Ｌｘ，Ｌｙ）だけ対象エリアＡ１の外周部から内側へ移動させた地点を新たな予測位置２０５として算出することができる。これにより、対象エリアＡ１の外周部に水中航走体２０が到達した場合にもｔ秒後の水中航走体２０をより実際の位置に近い状態で精度よく予測することができる。そして、より精度よく予測された水中航走体２０の位置に基づいて水上航走体１０の進路を計算・決定することで、水上航走体１０と水中航走体２０との音響通信をより短い時間で開始することが可能となる。

なお、航走対象エリアを考慮して水中航走体２０の位置を予測する方法は上記に限定されない。例えば、水中航走体２０が航走対象エリアの外周部に到達した場合の方向転換動作が予め分かっている場合には、水中航走体２０の方向転換動作を考慮して補正を行う構成とすることができる。

以上のように、本実施形態に係る航走管理システム１の航走管理装置１３及び航走管理装置１３による航走管理方法によれば、音響測位機１６における音響測位結果から算出される水中航走体２０の位置情報に基づいて水中航走体２０の移動経路を予測した上で、水中航走体２０との音響通信が可能となるように水上航走体１０の進路が決定される。このため、本実施形態に係る航走管理システム１の航走管理装置１３及び航走管理装置１３による航走管理方法によれば、水中航走体２０の移動に対応した進路に沿って水上航走体１０を移動させることができる。したがって、水中航走体２０と水上航走体１０との音響通信を速やかに行うことができ、水中航走体の運用を好適に行うことができる。

また、航走管理システム１の航走管理装置１３では、水中航走体２０の所定時間後の予測位置を算出した後に、水中航走体２０の所定時間後の予測位置が水上航走体１０と音響通信可能な領域となるように、水上航走体１０の進路を決定する。したがって、水中航走体２０の移動経路に応じて柔軟に水上航走体１０の進路を決定することができることから、水中航走体２０の運用を好適に行うことができる。

また、上記の航走管理装置１３のように、水上航走体１０の音響通信機１５が複数の水中航走体２０との間で音響通信を行う場合に、水中航走体２０毎に取得された位置情報に基づいて、水中航走体２０の移動経路を予測した上で水上航走体１０の進路を決定する構成とすることで、複数の水中航走体２０のそれぞれとの音響通信を行うことが可能となる。したがって、水上航走体１０による航走管理の対象となる水中航走体２０が複数であってもその運用を好適に行うことができる。

また、上記実施形態で説明したように、航走管理装置１３では、音響通信が成功していなかった水中航走体２０がある場合に、当該水中航走体２０との音響通信が可能となるように水上航走体１０の進路を決定する構成とする。これにより、運用対象の複数の水中航走体２０に、音響通信が成功していない水中航走体２０が含まれている場合、音響通信ができない時間が長くなることを防止することができる。したがって、本実施形態における航走管理装置１３では、複数の水中航走体２０の運用を好適に行うことができる。

さらに、上記実施形態のように、水中航走体２０の航走対象エリアが予め決められている場合には、航走対象エリアに係る情報を利用して水中航走体２０の移動経路を予測する構成とすることで、移動経路に係る予測をより精度よく行うことができる。

以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、水上航走体１０が複数の水中航走体２０を運用する場合について説明したが、対象となる水中航走体２０が１台であっても、本実施形態に係る航走管理装置１３を適用することができる。

また、上記実施形態では、航走管理装置１３に係る各機能が全て水上航走体１０に搭載されている場合について説明したが、航走管理装置１３に係る機能は水上航走体１０及び他の装置に分散して配置されていてもよい。例えば、水中航走体２０の位置情報に基づいた水上航走体１０の進路決定に係る処理は水上航走体１０上で行わずに、他の装置（例えば水上航走体１０と通信可能な母船等）で行う構成としてもよい。

また、水中航走体２０の位置情報に基づいた水上航走体１０の進路の決定に係る手法は、上記実施形態で説明したものに限定されない。例えば、航走管理装置１３において水中航走体２０の航走予定経路を事前に把握している構成とすることもできる。この場合、コントローラ１７の処理部Ｍ３において水中航走体２０の位置情報に基づき算出される水中航走体２０の移動経路（ｔ秒後の予測位置）を、事前に把握している航走予定経路を利用して補正する構成としてもよい。この場合、水中航走体の移動経路の予測の精度をさらに向上させることができる。

また、水中航走体２０の航走予定経路を利用する手法とは別の手法として、カルマンフィルタやモデル予測等の手法を利用して、水中航走体２０に係る音響測位結果から水中航走体２０の移動経路を予測する手法を用いてもよい。このように、水中航走体２０の位置情報に基づいて水中航走体２０の移動経路を予測する方法は上記実施形態に限定されない。

１航走管理システム
１０水上航走体
１２航走装置
１３航走管理装置
１４測位機
１５音響通信機
１６音響測位機
１７コントローラ
２０水中航走体
Ｍ１送受信部
Ｍ２記憶部
Ｍ３処理部

Claims

水中航走体と水上航走体との音響通信を制御することで当該水中航走体の航走を管理する航走管理装置であって、
前記水中航走体との間で音響通信により情報の送受信を行う音響通信部と、
音響測位により前記水中航走体の位置を計測する音響測位部と、
前記音響測位部による前記水中航走体の音響測位結果から算出される前記水中航走体の位置情報を保持する位置情報保持部と、
前記位置情報保持部に保持されている前記水中航走体の位置情報から、前記水中航走体の移動経路を予測し、当該移動経路を移動する前記水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する進路決定部と、
前記進路決定部によって決定された進路に沿って前記水上航走体を航走させる航走制御部と、
を備え、
前記音響通信部は、複数の前記水中航走体との間で音響通信を行い、
前記音響測位部は、音響測位により複数の前記水中航走体の位置をそれぞれ計測し、
前記位置情報保持部は、複数の前記水中航走体の位置情報を保持し、
前記進路決定部は、前記位置情報保持部に保持されている複数の前記水中航走体の位置情報に含まれる特定の水中航走体の位置情報から、前記特定の水中航走体の移動経路を予測し、当該移動経路を移動する前記特定の水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定し、複数の前記水中航走体のそれぞれを対象として前記音響通信部による音響通信が成功したか否かを判断し、音響通信が成功していなかった前記水中航走体がある場合に、当該水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する航走管理装置。
前記進路決定部は、前記位置情報保持部に保持される前記水中航走体の位置情報から前記水中航走体の速度ベクトルを算出し、前記水中航走体の位置情報と前記速度ベクトルとを用いて所定時間後の前記水中航走体の位置を予測すると共に、前記水中航走体の前記所定時間後の予測位置が、前記水上航走体と前記所定時間後に音響通信が可能な領域となるように、前記水上航走体の進路を決定する請求項１に記載の航走管理装置。
前記進路決定部は、前記水中航走体の航走対象エリアに係る情報を保持し、当該航走対象エリアに係る情報に基づいて前記水中航走体の移動経路を予測する請求項１または２に記載の航走管理装置。
音響通信部による水上航走体と水中航走体との音響通信を制御することで当該水中航走体の航走を管理する航走管理装置による航走管理方法であって、
音響測位により前記水中航走体の位置を計測する音響測位ステップと、
前記音響測位ステップにおける前記水中航走体の音響測位結果から算出される前記水中航走体の位置情報を位置情報保持部に保持する位置情報保持ステップと、
前記位置情報保持部に保持されている前記水中航走体の位置情報から、前記水中航走体の移動経路を予測し、当該移動経路を移動する前記水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する進路決定ステップと、
前記進路決定ステップにおいて決定された進路に沿って前記水上航走体を航走させる航走制御ステップと、
を備え、
前記音響通信部は、複数の前記水中航走体との間で音響通信を行い、
前記音響測位ステップにおいて、音響測位により複数の前記水中航走体の位置をそれぞれ計測し、
前記位置情報保持ステップにおいて、複数の前記水中航走体の位置情報を保持し、
前記進路決定ステップにおいて、前記位置情報保持部に保持されている複数の前記水中航走体の位置情報に含まれる特定の水中航走体の位置情報から、前記特定の水中航走体の移動経路を予測し、当該移動経路を移動する前記特定の水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定し、複数の前記水中航走体のそれぞれを対象として前記音響通信部による音響通信が成功したか否かを判断し、音響通信が成功していなかった前記水中航走体がある場合に、当該水中航走体との音響通信が可能となるように前記水上航走体の進路を決定する航走管理方法。