JP6994808B2 - 船体速度測定装置及び船体速度測定プログラム - Google Patents

Description

本開示は、超音波振動子の装備精度に関わらず、船体速度の測定精度を高くする技術に関する。

超音波センサ技術を用いて、プランクトン及び海底等からの反射信号のドップラーシフトに基づいて、船体速度を測定することができる（例えば、特許文献１を参照。）。よって、船舶が低燃費で運航しているかどうかを調査することができる。

特開２０１５－１６６６９８号公報

超音波振動子は、セラミック素子がモールドされ、船底に装備される。よって、超音波振動子の装備精度は、必ずしも高くはなく、超音波ビームの送受信方向は、必ずしも船首方向ではなく、船体速度の測定精度は、低くなることがある。そこで、超音波振動子の装備後の初期設定時に、船体速度測定装置を校正する必要がある。

大型船については、マイルポスト試験を実施している。ここでは、既知の距離だけ離れた２地点を複数回だけ往復し、既知の距離×２×往復の回数／複数回の往復の時間に基づいて、船体速度測定装置で測定した船体速度を補正する。よって、往復の時間内に潮流や風等が一定であれば、潮流や風等の影響を排除することができ、船体速度の校正精度を高くすることができる。しかし、船体速度の校正精度をより高くするためには、既知の距離が長いことが望ましく、複数回の往復の時間が長くなってしまう。

中小型船については、衛星測位装置を利用している。ここでは、衛星測位装置で測定した船体速度に基づいて、船体速度測定装置で測定した船体速度を補正する。つまり、衛星測位装置による船体速度の測定精度が高いことを利用して、船体速度測定装置による船体速度の校正精度を高くすることができる。しかし、衛星測位装置で測定した船体速度は、船首方向の船体速度のみならず、左右方向の船体速度を含むことが、考慮されていない。

ただし、従来は、船体速度測定装置の信号処理能力は、必ずしも高くはないため、船首方向の船体速度と比較して、左右方向の船体速度を無視しても、問題はなかった。しかし、最近は、船体速度測定装置の信号処理能力は、高くなってきているため、船首方向の船体速度と比較して、左右方向の船体速度を無視できず、本発明者の懸案であった。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、超音波振動子の装備精度に関わらず、船体速度の測定精度を高くするにあたり、マイルポスト試験を不要とするとともに、衛星測位装置を利用して船体速度の校正精度をより高くすることを目的とする。

上記目的を達成するために、衛星測位装置で測定した船体速度は、船首方向の船体速度のみならず、左右方向の船体速度を含むことを、考慮することとした。そして、衛星測位装置で測定した船体速度から左右方向の船体速度を除いた船首方向の船体速度に基づいて、船体速度測定装置で測定した船首方向の船体速度を補正することとした。

具体的には、本開示は、船底に装備された超音波振動子が送受信する船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、前記船首方向の船体速度を測定する船体速度測定部と、船体に装備された衛星測位装置が測定する船体速度を、前記船首方向の船体速度と左右方向の船体速度とにベクトル分解するベクトル分解部と、前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度に基づいて、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度を補正する船体速度補正部と、を備えることを特徴とする船体速度測定装置である。

また、本開示は、船底に装備された超音波振動子が送受信する船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、前記船首方向の船体速度を測定する船体速度測定ステップと、船体に装備された衛星測位装置が測定する船体速度を、前記船首方向の船体速度と左右方向の船体速度とにベクトル分解するベクトル分解ステップと、を順不同でコンピュータに実行させるとともに、前記ベクトル分解ステップで分解した前記船首方向の船体速度に基づいて、前記船体速度測定ステップで測定した前記船首方向の船体速度を補正する船体速度補正ステップ、を前記船体速度測定ステップ及び前記ベクトル分解ステップの実行後に前記コンピュータに実行させるための船体速度測定プログラムである。

これらの構成によれば、超音波振動子の装備精度に関わらず、船体速度の測定精度を高くするにあたり、マイルポスト試験を不要とするとともに、衛星測位装置を利用して船体速度の校正精度をより高くすることができる。

また、本開示は、前記ベクトル分解部は、前記衛星測位装置が測定する進路方向と、船体に装備された方向センサ装置が測定する前記船首方向と、の差分に基づいて、前記衛星測位装置が測定する船体速度を、前記船首方向の船体速度と前記左右方向の船体速度とにベクトル分解することを特徴とする船体速度測定装置である。

この構成によれば、船首方向を測定する方向センサを利用して、衛星測位装置で測定した船体速度から左右方向の船体速度を除いた船首方向の船体速度を測定することができる。或いは、他の方向（左右方向等）を測定する方向センサを利用して、衛星測位装置で測定した船体速度から左右方向の船体速度を除いた船首方向の船体速度を測定してもよい。

また、本開示は、前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度と、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度と、のずれに基づいて、前記超音波振動子が送受信する超音波ビームの方向と前記船首方向との間のずれを測定するビームずれ測定部、をさらに備えることを特徴とする船体速度測定装置である。

この構成によれば、超音波振動子の装備精度を調査することができる。或いは、超音波振動子の船底装備後に、超音波ビーム方向を変更することができるならば（アレイ状に装備された超音波振動子において、振動位相を電子走査する場合等）、超音波振動子の装備ずれに基づいて、超音波ビーム方向を真の船首方向に修正することができる。

また、本開示は、前記船体速度補正部は、前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度が所定の上限速度以下でありかつ所定の下限速度以上であるときに、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度を補正し、前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度が前記所定の上限速度より速く又は前記所定の下限速度より遅いときに、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度の補正を中止することを特徴とする船体速度測定装置である。

高速運航時には、超音波ビームを反射させる気泡が船体の周囲に発生する。よって、補正対象である船体速度測定部が測定した船首方向の船体速度の測定精度が低くなる。低速運航時には、船体速度は船体速度測定部及び衛星測位装置の測定精度と比較して必ずしも速くはない。よって、補正対象である船体速度測定部が測定した船首方向の船体速度の測定精度が低くなり、補正値であるベクトル分解部が分解した船首方向の船体速度の測定精度が低くなる。この構成によれば、高速運航時及び低速運航時を避けて、中速運航時にのみ、船体速度測定部が測定した船首方向の船体速度を補正することができる。

このように、本開示は、超音波振動子の装備精度に関わらず、船体速度の測定精度を高くするにあたり、マイルポスト試験を不要とするとともに、衛星測位装置を利用して船体速度の校正精度をより高くすることができる。

本開示の船体速度測定システムの構成を示す図である。 本開示の船体速度測定装置の構成を示す図である。 本開示の船体速度測定装置の初期設定処理を示す図である。 本開示の船体速度測定装置の船体速度補正処理を示す図である。 本開示の船体速度測定装置の船体速度補正可否を示す図である。 本開示の船体速度測定装置のビームずれ測定処理を示す図である。 本開示の船体速度測定装置の通常動作処理を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示の船体速度測定システムの構成を図１に示す。船体速度測定システムは、超音波振動子１、船体速度測定装置２、衛星測位装置３及び方向センサ装置４から構成される。

超音波振動子１は、船体Ｓの船底に装備され、超音波ビームを送受信する。船体速度測定装置２は、船体Ｓの操舵室に装備され、送受信された船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、超音波ビームを反射させたプランクトンＰ及び海底Ｂ等の目標の相対速度を測定し、船首方向の船体Ｓの速度を測定する。船体速度測定装置２を利用して、船体Ｓが低燃費で運航しているかどうかを調査することができる。

衛星測位装置３は、ＧＰＳ装置等であり、船体Ｓのマスト等に装備され、船体Ｓの位置及び速度を測定する。方向センサ装置４は、ヘディングセンサ、ＧＰＳコンパス又はジャイロセンサ等であり、船体Ｓのマスト等に装備され、船体Ｓの船首方向を測定する。

ここで、超音波振動子１は、セラミック素子がモールドされ、船体Ｓの船底に装備される。よって、超音波振動子１の装備精度は、必ずしも高くはなく、超音波ビームの送受信方向は、必ずしも船首方向ではなく、船体Ｓの速度の測定精度は、低くなることがある。

一方で、衛星測位装置３及び方向センサ装置４は、船体Ｓのマスト等に装備され、装備された後であっても、微調整することができる。よって、衛星測位装置３及び方向センサ装置４の装備精度は、高くすることができ、方向センサ装置４のセンサ対象方向は、正確に船首方向であり、船体Ｓの速度の測定精度は、高くすることができる。

そこで、超音波振動子１が船体Ｓの船底に装備された後の初期設定時に、衛星測位装置３及び方向センサ装置４を利用して、船体速度測定装置２を校正する。具体的には、衛星測位装置３で測定した船体Ｓの速度は、船首方向の船体Ｓの速度のみならず、左右方向の船体Ｓの速度を含むことを、考慮することとした。そのうえで、衛星測位装置３で測定した船体Ｓの速度から左右方向の船体Ｓの速度を除いた船首方向の船体Ｓの速度に基づいて、船体速度測定装置２で測定した船首方向の船体Ｓの速度を補正することとした。

本開示の船体速度測定装置の構成を図２に示す。船体速度測定装置２は、船体速度測定部２１、ベクトル分解部２２、船体速度補正部２３及びビームずれ測定部２４から構成される。本開示の船体速度測定装置の初期設定処理を図３に示す。船体速度測定装置２は、図３（及び図７）の各ステップをコンピュータに実行させるための船体速度測定プログラムをインストールされる。船体速度測定装置２のユーザは、船体速度測定装置２の表示画面において、スタート及びストップ等の簡単なボタン操作を行うのみでよい。

まず、図３のステップＳ１～Ｓ５及びＳ８の船体速度補正処理について説明する。本開示の船体速度測定装置の船体速度補正処理を図４に示す。

船体速度測定部２１は、超音波振動子１から、受信信号の情報を取得する（ステップＳ１）。そして、船体速度測定部２１は、超音波振動子１が送受信する船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、船首方向の船体Ｓの速度ｖ_ＶＢＷを測定する（ステップＳ２）。ここで、ＶＢＷは、Ｄｕａｌ ｇｒｏｕｎｄ／ｗａｔｅｒ ｓｐｅｅｄを意味する。ただし、超音波振動子１が送受信する超音波ビームの方向は、船首方向からθ_ＳＢだけずれており、船首方向の船体Ｓの速度ｖ_ＶＢＷは、真の船首方向の船体Ｓの速度ではない。

ベクトル分解部２２は、衛星測位装置３から、船体Ｓの速度ｖ_ＳＯＧの情報を取得する（ステップＳ３）。そして、ベクトル分解部２２は、方向センサ装置４から、船首方向（北方向からθ_ＨＤＴだけずれる）の情報を取得する（ステップＳ４）。ここで、ＳＯＧ及びＨＤＴは、Ｓｐｅｅｄ ｏｖｅｒ ｇｒｏｕｎｄ及びＨｅａｄｉｎｇ ｔｒｕｅを意味する。

さらに、ベクトル分解部２２は、衛星測位装置３が測定する進路方向（北方向からθ_ＣＯＧだけずれる）と、方向センサ装置４が測定する船首方向（北方向からθ_ＨＤＴだけずれる）と、の差分に基づいて、衛星測位装置３が測定する船体Ｓの速度ｖ_ＳＯＧを、船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}と左右方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＬＲ}とにベクトル分解する（ステップＳ５）。ここで、ＣＯＧは、Ｃｏｕｒｓｅ ｏｖｅｒ ｇｒｏｕｎｄを意味する。

具体的には、ベクトル分解部２２は、ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}を以下の数式に基づいて算出する：ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}＝ｖ_ＳＯＧｃｏｓ（θ_ＣＯＧ－θ_ＨＤＴ）。なお、ｖ_ＶＢＷ、ｖ_ＳＯＧ、θ_ＨＤＴ及びθ_ＣＯＧは、ある時点での瞬時値であってもよく、所定期間での平均値であってもよい。また、ステップＳ１及びＳ２並びにステップＳ３～Ｓ５は、順不同であってもよい。

船体速度補正部２３は、ベクトル分解部２２が分解した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}に基づいて、船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}を補正する（ステップＳ８）。具体的には、船体速度補正部２３は、ｖ_{ＶＢＷ、初期}をｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}に補正する。なお、船体速度測定装置２を校正した後であっても、ｖ_ＶＢＷとｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}との差分が許容誤差にならなければ、ｖ_ＶＢＷとｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}との差分が許容誤差になるまで、ステップＳ１～Ｓ５及びＳ８を繰り返して、船体速度測定装置２を校正し直してもよい。

このように、超音波振動子１の装備精度に関わらず、船体Ｓの速度ｖ_ＶＢＷの測定精度を高くするにあたり、マイルポスト試験を不要とするとともに、衛星測位装置３及び方向センサ装置４を利用して、船体Ｓの速度ｖ_ＶＢＷの校正精度をより高くすることができる。

そして、船首方向を測定する方向センサ装置４を利用して、衛星測位装置３で測定した船体Ｓの速度ｖ_ＳＯＧから左右方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＬＲ}を除いた船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}を測定することができる。或いは、他の方向（左右方向等）を測定する方向センサ装置４を利用して、衛星測位装置３で測定した船体Ｓの速度ｖ_ＳＯＧから左右方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＬＲ}を除いた船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}を測定してもよい。

次に、図３のステップＳ６及びＳ７の船体速度補正可否について説明する。本開示の船体速度測定装置の船体速度補正可否を図５に示す。

高速運航時には、船首の高速進行及びスクリューの高速回転により、超音波ビームを反射させる気泡Ａが船体Ｓの周囲に発生する。よって、補正対象である船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}の測定精度が低くなる。

低速運航時には、船体Ｓの速度は船体速度測定部２１及び衛星測位装置３の測定精度と比較して必ずしも速くはない。よって、補正対象である船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}の測定精度が低くなり、補正値であるベクトル分解部２２が分解した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}の測定精度が低くなる。

中速運航時には、高速運航時での気泡Ａの問題は少なくなり、低速運航時での測定精度の問題も少なくなる。よって、補正対象である船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}の測定精度が高くなり、補正値であるベクトル分解部２２が分解した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}の測定精度が高くなる。

そこで、船体速度補正部２３は、ベクトル分解部２２が分解した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}が、所定の上限速度以下であり（ステップＳ６においてＹＥＳ）かつ所定の下限速度以上であるときに（ステップＳ７においてＹＥＳ）、船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}を補正する（ステップＳ８）。

一方で、船体速度補正部２３は、ベクトル分解部２２が分解した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}が、上述の所定の上限速度より速く（ステップＳ６においてＮＯ）又は上述の所定の下限速度より遅いときに（ステップＳ７においてＮＯ）、船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}の補正を中止する。

船体速度補正部２３が補正を中止したときには、ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}が上述の所定の上限速度以下になりかつ上述の所定の下限速度以上になるまで、ステップＳ１～Ｓ８を繰り返す。

このように、高速運航時及び低速運航時を避けて、中速運航時にのみ、船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}を補正することができる。

次に、図３のステップＳ９のビームずれ測定処理について説明する。本開示の船体速度測定装置のビームずれ測定処理を図６に示す。

超音波振動子１が送受信する超音波ビームの方向は、船首方向からθ_ＳＢだけずれている。よって、船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}は、真の船首方向の船体Ｓの速度ではない。一方で、船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}は、真の船首方向の船体Ｓの速度に等しい。

そこで、ビームずれ測定部２４は、ベクトル分解部２２が分解した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}と、船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体速度ｖ_{ＶＢＷ、初期}と、のずれに基づいて、超音波振動子１が送受信する超音波ビームの方向と船首方向との間のずれ角度θ_ＳＢを測定する（ステップＳ９）。具体的には、ビームずれ測定部２４は、θ_ＳＢを以下の数式に基づいて算出する：θ_ＳＢ＝ｃｏｓ^－１（ｖ_{ＶＢＷ、初期}／ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}）。

このように、超音波振動子１の装備精度を調査することができる。或いは、超音波振動子１の船底装備後に、超音波ビーム方向を変更することができるならば（アレイ状に装備された超音波振動子１において、振動位相を電子走査する場合等）、超音波振動子１の装備ずれ角度θ_ＳＢに基づいて、超音波ビーム方向を真の船首方向に修正することができる。

以上では、船体速度測定装置の初期設定処理を説明した。以下では、船体速度測定装置の通常動作処理を説明する。本開示の船体速度測定装置の通常動作処理を図７に示す。船体速度測定装置の通常動作処理として、第１及び第２の通常動作処理が考えられる。

第１の通常動作処理は、超音波振動子１の船底装備後に、超音波ビーム方向を変更することができない場合に実行される。まず、船体速度測定部２１は、超音波振動子１から、受信信号の情報を取得する（ステップＳ１１）。そして、船体速度測定部２１は、超音波振動子１が送受信する船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、通常}を測定する（ステップＳ１２）。

さらに、船体速度補正部２３は、初期設定処理におけるステップＳ８に基づいて、船体速度測定部２１が測定した船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、通常}を補正する（ステップＳ１３）。具体的には、船体速度補正部２３は、ｖ_{ＶＢＷ、通常}をｖ_{ＶＢＷ、通常}×（ｖ_{ＳＯＧ＿ＨＤＴ}／ｖ_{ＶＢＷ、初期}）に補正する（図４の最下段を参照）。船体Ｓの運航を続行するときは（ステップＳ１７においてＹＥＳ）、ステップＳ１１～Ｓ１３を繰り返す。船体Ｓの運航を停止するときは（ステップＳ１７においてＮＯ）、第１の通常動作処理を終了する。

第２の通常動作処理は、超音波振動子１の船底装備後に、超音波ビーム方向を変更することができる場合に実行される。まず、船体速度測定部２１は、振動位相を電子走査して、ビームずれ測定部２４が測定した超音波ビームの方向と船首方向との間のずれ角度θ_ＳＢに基づいて、超音波ビームの方向を真の船首方向に補正する（ステップＳ１４）。

そして、船体速度測定部２１は、超音波振動子１から、受信信号の情報を取得する（ステップＳ１５）。さらに、船体速度測定部２１は、超音波振動子１が送受信する船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、船首方向の船体Ｓの速度ｖ_{ＶＢＷ、通常}を測定する（ステップＳ１６）。船体Ｓの運航を続行するときは（ステップＳ１７においてＹＥＳ）、ステップＳ１４～Ｓ１６を繰り返す（ステップＳ１４は一度のみでもよい）。船体Ｓの運航を停止するときは（ステップＳ１７においてＮＯ）、第２の通常動作処理を終了する。

本開示の船体速度測定装置及び船体速度測定プログラムは、超音波振動子の装備精度に関わらず、船体速度の測定精度を高くすることができる。

Ｓ：船体
Ｐ：プランクトン
Ｂ：海底
Ａ：気泡
１：超音波振動子
２：船体速度測定装置
３：衛星測位装置
４：方向センサ装置
２１：船体速度測定部
２２：ベクトル分解部
２３：船体速度補正部
２４：ビームずれ測定部

Claims (5)

1. 船底に装備された超音波振動子が送受信する船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、前記船首方向の船体速度を測定する船体速度測定部と、
   船体に装備された衛星測位装置が測定する船体速度を、前記船首方向の船体速度と左右方向の船体速度とにベクトル分解するベクトル分解部と、
   前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度に基づいて、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度を補正する船体速度補正部と、
   を備えることを特徴とする船体速度測定装置。
2. 前記ベクトル分解部は、前記衛星測位装置が測定する進路方向と、船体に装備された方向センサ装置が測定する前記船首方向と、の差分に基づいて、前記衛星測位装置が測定する船体速度を、前記船首方向の船体速度と前記左右方向の船体速度とにベクトル分解する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の船体速度測定装置。
3. 前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度と、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度と、のずれに基づいて、前記超音波振動子が送受信する超音波ビームの方向と前記船首方向との間のずれを測定するビームずれ測定部、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の船体速度測定装置。
4. 前記船体速度補正部は、前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度が所定の上限速度以下でありかつ所定の下限速度以上であるときに、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度を補正し、前記ベクトル分解部が分解した前記船首方向の船体速度が前記所定の上限速度より速く又は前記所定の下限速度より遅いときに、前記船体速度測定部が測定した前記船首方向の船体速度の補正を中止する
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の船体速度測定装置。
5. 船底に装備された超音波振動子が送受信する船首方向の超音波ビーム間のドップラ周波数に基づいて、前記船首方向の船体速度を測定する船体速度測定ステップと、
   船体に装備された衛星測位装置が測定する船体速度を、前記船首方向の船体速度と左右方向の船体速度とにベクトル分解するベクトル分解ステップと、
   を順不同でコンピュータに実行させるとともに、
   前記ベクトル分解ステップで分解した前記船首方向の船体速度に基づいて、前記船体速度測定ステップで測定した前記船首方向の船体速度を補正する船体速度補正ステップ、
   を前記船体速度測定ステップ及び前記ベクトル分解ステップの実行後に前記コンピュータに実行させるための船体速度測定プログラム。

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