JP7003830B2 - 通信状態制御システム - Google Patents

Description

本発明は、水中移動体と水上局との音響通信について通信状態の制御を行う通信状態制御システムに関するものである。

海底や湖底や水中における種々の探査を行うための手段の１つとして、自律航走を行う水中移動体を用いる手法が考えられている。

また、このような探査などに水中移動体を使用する場合、水中移動体が探査により得た情報を、音響通信により母船などへ送ることが考えられている。

ところで、音響通信では、音響信号として用いる音波が水面や水底で反射するため、受信側に到達する音波が劣化する。この劣化は、水面反射と水底反射に起因するマルチパスによる符号間干渉によるものである。そのため、音響通信は、水平方向の通信距離が制限されている。

そこで、母船と水中移動体との通信について、通信可能な水平方向の距離を向上させるための通信システムが、従来提案されている。

この通信システムは、水中移動体の上方に、水面近傍を航走する自走中継器を備え、この自走中継器に、水中移動体と音響通信を行う機能と、母船と無線通信を行う機能を備えるようにしたものである（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００１－３０８７６６号公報

ところが、特許文献１に示された通信システムでは、水中移動体と音響通信を行う音響通信機を備えた水上局は、自走中継器であり、この自走中継器と、水中移動体が相互に音響通信可能な範囲は、自走中継器の垂直軸を基準として０～約４５度程度に制限されている。

したがって、特許文献１には、音響通信機を備えた水上局と、音響通信機を備えた水中移動体との音響通信について、通信可能な水平方向の距離を拡大できるようにするための通信性能の向上化に関する提案は特に示されていないというのが実情である。

そこで、本発明は、音響通信機を備えた水上局と、音響通信機を備えた水中移動体との音響通信について、水面反射と水底反射に起因するマルチパスによる符号間干渉を抑制して、通信性能の向上化を図ることができる通信状態制御システムを提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、第１の音響通信機を備えた水上局と、第２の音響通信機を備えた水中移動体と、前記水上局の位置検出を行う第１の位置検出装置と、前記水中移動体の位置検出を行う第２の位置検出装置と、水底の地形情報を記憶した記憶部と、演算装置と、を備え、前記演算装置は、前記第１の位置検出装置で取得された前記水上局の位置と、前記第２の位置検出装置で取得された前記水中移動体の位置の情報と、前記地形の情報を基に、前記水上局の位置と前記水中移動体の位置との間のインパルス応答を推定する伝搬シミュレーションを行う機能と、前記伝搬シミュレーションにより推定された前記インパルス応答のデータを基に、前記水上局と前記水中移動体との音響通信の符号誤り率を推定する音響通信シミュレーションを行う機能と、前記音響通信シミュレーションにより推定された符号誤り率が、設定された基準以下か否かを判断する判断処理を行う機能と、前記判断処理により、前記符号誤り率が前記基準よりも大であると判断される場合は、前記音響通信シミュレーションにより推定される前記符号誤り率が前記基準以下となる前記水上局と前記水中移動体の一方または双方の位置を探索する目標位置探索処理を行う機能と、前記目標位置探索処理により得られた前記水上局と前記水中移動体の一方または双方の位置を、対応する水上局と水中移動体の一方または双方に、移動の目標位置として指示する機能と、を備えた構成を有する通信状態制御システムとする。

前記演算装置は、前記音響通信シミュレーションにて、前記伝搬シミュレーションで推定された前記インパルス応答による畳み込み演算を行って、受波レベルを求める処理を行う機能を備えた構成としてもよい。

前記水上局は、前記第１の位置検出装置と、前記記憶部と、前記演算装置と、を備え、前記第２の位置検出装置は、前記水上局に備えられた音響測位装置と、前記水中移動体に備えられたトランスポンダと、を備える構成としてもよい。

前記水上局は、移動装置と、航走制御装置を備えた水上移動体とされ、前記演算装置は、前記目標位置探索処理として、前記音響通信シミュレーションにより推定される前記符号誤り率が前記基準以下となる前記水上移動体の位置を求める機能を有し、更に、前記目標位置探索処理により得られた前記水上移動体の位置を、前記水上移動体の航走制御装置に、前記水上移動体を移動させる目標位置として指示する機能を備えた構成としてもよい。

前記水中移動体は、移動装置と、航走制御装置を備え、前記演算装置は、前記目標位置探索処理として、前記音響通信シミュレーションにより推定される前記符号誤り率が前記基準以下となる前記水中移動体の位置を求める機能を有し、更に、前記目標位置探索処理により得られた前記水中移動体の位置を、前記水中移動体の航走制御装置に、前記水中移動体を移動させる目標位置として指示する機能を備えた構成としてもよい。

本発明の通信状態制御システムによれば、音響通信機を備えた水上局と、音響通信機を備えた水中移動体との音響通信について、水面反射と水底反射に起因するマルチパスによる符号間干渉を抑制して、通信性能の向上化を図ることができる。

通信状態制御システムの第１実施形態を示す概要図である。 水中移動体と水上移動体との音響通信に関するマルチパスを示す概要図である。 通信状態制御システムの演算装置が実施する処理を示すフロー図である。 通信状態制御システムにより水上移動体の移動が行われる状態を示す概要図である。 通信状態制御システムの第２実施形態を示す概要図である。 通信状態制御システムの第３実施形態を示す概要図である。 通信状態制御システムの第４実施形態を示す概要図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、通信状態制御システムの第１実施形態を示す概要図である。図２は、水中移動体と水上移動体との音響通信について、水面反射と水底反射によるマルチパスを示す概要図である。図３は、通信状態制御システムの演算装置が実施する処理を示すフロー図である。図４は、通信状態制御システムにより水上移動体の位置が制御される状態を示す概要図である。

第１実施形態は、本開示の通信状態制御システムを、図１に示すように、音響通信機２を備えた水上局としての水上移動体１と、音響通信機４を備えた水中移動体３が音響通信を行う構成に適用する場合の例を示すものである。

水上移動体１は、機体５に、移動装置６と、水上移動体１の自機位置の検出を行う位置検出装置７と、航走制御装置８とを備えた構成とされている。

更に水上移動体１は、水中移動体３の位置検出に用いる音響測位装置９と、水底の地形の情報を記憶した記憶部１０と、演算装置１１と、を備えた構成とされている。

移動装置６は、航走制御装置８から受け取る指令に従い、水上移動体１の推進や操舵を伴う移動を行う装置である。なお、図１では、移動装置６は、便宜上、機体５の後部に備えたスラスタのみを示しているが、図示しない舵を備える構成としてもよいこと、図示した以外の配置や形式としてもよいこと、は勿論である。

位置検出装置７は、たとえば、ＧＰＳのような全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）の電波による航法信号を図示しないアンテナで受信して、水上移動体１の自機の位置について、緯度と経度のような絶対位置を取得する機能を備えている。更に、位置検出装置７は、検出した自機の位置情報を、航走制御装置８および演算装置１１へ送る機能を備えている。

なお、位置検出装置７は、水上移動体１の自機の位置を検出する手法として、ＧＰＳ以外の航法衛星システムを用いたり、地上局からの信号を用いたりしてもよいことは勿論である。

航走制御装置８は、水上移動体１の移動に関する目標位置あるいは航走計画が設定される機能を備えている。

更に、航走制御装置８は、位置検出装置７より受け取る自機の位置情報を基に、自機の位置を、設定された目標位置に移動させるため、あるいは、自機の位置を航走計画に従って移動させるために必要とされる移動装置６の操作量を求める機能と、求めた操作量を、指令として移動装置６へ送る機能とを備えている。

これにより、水上移動体１は、移動装置６が、航走制御装置８より受け取る指令に応じて制御されるため、航走制御装置８に設定された目標位置への移動、あるいは、設定された航走計画に従う航走を行うことができる。

音響測位装置９は、測位信号Ｓａを送信する機能と、水中移動体３に備えたトランスポンダ１２が測位信号Ｓａに応答して発する応答信号Ｓｂを受信する機能とを備えている。

また、音響測位装置９は、測位信号Ｓａを送信してから応答信号Ｓｂを受信するまでにかかる時間と、測位信号Ｓａおよび応答信号Ｓｂの速度である水中での音速と、応答信号Ｓｂが到来する方向とを基に、音響測位装置９を備えた水上移動体１の位置を基準として、トランスポンダ１２を備えた水中移動体３の方向と距離、すなわち、水上移動体１の位置を基準とする水中移動体３の相対位置を検出する機能を備えている。

更に、音響測位装置９は、検出した水中移動体３の相対位置の情報を、演算装置１１へ送る機能を備えている。

これにより演算装置１１では、位置検出装置７より受け取る水上移動体１の自機の位置の情報と、音響測位装置９より受け取る水中移動体３の相対位置の情報とを基にした計算により、水中移動体３について、水上移動体１と同様の座標系における絶対位置の情報を取得することができる。なお、この計算は、音響測位装置９で行ってもよいことは勿論である。この場合、音響測位装置９は、前記計算で求まる水中移動体３の絶対位置の情報を、演算装置１１へ送るようにすればよい。この場合も、演算装置１１は、水中移動体３の絶対位置の情報を取得することができる。

したがって、本実施形態では、水上移動体１に備えた音響測位装置９、および、水中移動体３に備えたトランスポンダ１２が、本開示の通信状態制御システムの発明にて水中移動体３の位置検出を行う第２の位置検出装置となる。

演算装置１１の機能の詳細については、後述する。

記憶部１０は、水上移動体１の通信対象となる水中移動体３の航走領域をすべて含み、更に、水上移動体１の位置と水中移動体３の位置との間を結ぶ範囲について、図２に示す如き水底Ｂの地形の情報を保存している。この際、水底Ｂの地形の情報は、海図や海底地形図の情報を基に、音響信号の反射に関係する形状のデータ、更には、底質に応じた音響信号の反射率のデータとして、記憶部１０に保存されている。

次に、水中移動体３の構成について説明する。

水中移動体３は、機体１３に、移動装置１４と、水中移動体３の自機位置の検出を行う位置検出装置１５と、航走制御装置１６とを備え、更に、トランスポンダ１２を備えた構成とされている。

移動装置１４は、航走制御装置１６から受け取る指令に従い、水上移動体１の推進や操舵を伴う移動を行う装置である。なお、図１では、移動装置１４は、便宜上、機体１３の後部に備えたスラスタのみを示しているが、図示しない舵を備える構成としてもよいこと、図示した以外の配置や形式としてもよいこと、は勿論である。

位置検出装置１５は、たとえば、慣性航法装置（ＩＮＳ）、または、慣性航法装置にドップラーログ（ＤＶＬ）を組み合わせた装置とすればよい。これにより、位置検出装置１５は、水中移動体３の自機の位置について、水上移動体１と同様の座標系における絶対位置の情報を取得することができる。

なお、水中移動体３に備える位置検出装置１５は、水中移動体３が水面付近に浮上した状態のときに、ＧＮＳＳの電波による航法信号を図示しないアンテナで受信して、水中移動体３の自機の位置について、緯度と経度のような絶対位置を取得する機能を備えるようにしてもよい。更に、位置検出装置１５は、検出した自機の位置情報を、航走制御装置１６へ送る機能を備えている。

なお、位置検出装置１５は、水中移動体３の自機の位置を検出することができれば、水中移動体３の自機の位置を検出する手法として、前記した以外の手法を用いるものであってもよいことは勿論である。

航走制御装置１６は、水中移動体３の移動に関する目標位置あるいは航走計画が設定される機能を備えている。

更に、航走制御装置１６は、位置検出装置１５より受け取る自機の位置情報を基に、自機の位置を、設定された目標位置に移動させるため、あるいは、自機の位置を航走計画に従って移動させるために必要とされる移動装置１４の操作量を求める機能と、求めた操作量を、指令として移動装置１４へ送る機能とを備えている。

これにより、水中移動体３は、移動装置１４が、航走制御装置１６より受け取る指令に応じて制御されるため、航走制御装置１６に設定された目標位置への移動、あるいは、設定された航走計画に従う航走を行うことができる。

また、水中移動体３は、音響通信機４に接続された通信制御部１７を備え、更に、水中移動体３に搭載されて水中の情報収集に使用する、たとえば、カメラ、サイドスキャンソーナー、マルチビームソーナーなどの観測装置１８を備えて、観測装置１８が、取得した観測データを、通信制御部１７へ送る構成を備えている。

通信制御部１７は、観測装置１８より取得した観測データを含む送信データＤａを作成し、作成された送信データＤａを、音響通信機４から、水上移動体１の音響通信機２へ音響通信により送信する機能を備えている。

これにより、水上移動体１は、水中移動体３から送信データＤａを受け取ることができて、水上移動体１では、水中移動体３に搭載された観測装置１８の観測データを取得することができる。

次いで、水上移動体１に備えた演算装置１１の機能について説明する。

演算装置１１は、位置検出装置７から受け取る情報を基に、水上移動体１の絶対位置の情報を取得する機能と、音響測位装置９から受け取る情報を基に、水中移動体３の絶対位置の情報を取得する機能とを備えている。

演算装置１１は、更に、水上移動体１の絶対位置の情報と、水中移動体３の絶対位置の情報とを基に、水中移動体３と水上移動体１との間の距離の情報を求める機能を備えている。

更に、演算装置１１は、通信性能の評価の基準となる符号誤り率（ＢＥＲ：Bit Error Rate）を推定する機能を備えている。

図３を用いて、演算装置１１が行う符号誤り率の推定処理について説明する。

演算装置１１は、先ず、ステップＳ１にて、音場のインパルス応答を推定する。このステップＳ１では、演算装置１１は、図２に示すように、水上移動体１の位置の情報および水中移動体３の位置の情報と、記憶部１０より取得する水底Ｂの地形の情報とを基に、たとえば、水面Ｗと水底Ｂの反射率Ｒの絶対値を１に設定した条件の下で、水中移動体３の位置と、水上移動体１の位置との間の伝搬シミュレーションを行い、音場のインパルス応答を推定する。なお、反射率Ｒの絶対値は、０から１までの任意の値に設定してもよいが、基本的には、１に設定すればよい。これにより、推定されたインパルス応答には、水中移動体３と水上移動体１との間を直接伝搬される直接波１９に対し、水面反射波２０、水底反射波２１などのマルチパスの影響が含まれる。

なお、反射率Ｒについては、水上移動体１の音響通信機２と、水中移動体３の音響通信機４との間で音響通信に用いる通信信号に、設定された頻度でインパルス応答測定信号を入れて、直接的にインパルス応答を計測し、実測されたインパルス応答と伝搬シミュレーションで求めたインパルス応答の差を評価し、最小二乗法などを用いて反射率Ｒを推定するようにしてもよい。この手法によれば、反射率Ｒの精度を向上させて、伝搬シミュレーションにより推定される音場のインパルス応答の精度の向上化を図ることができる。

演算装置１１は、音場のインパルス応答が推定されると、水上局である水上移動体１と、水中移動体３との音響通信の符号誤り率を推定する音響通信シミュレーションを、以下に示すステップＳ２からステップＳ９の処理により行う。

演算装置１１には、図３のステップＳ２に示すように、事前にサンプルの音響通信データが格納されており、演算装置１１は、そのサンプルの音響通信データについて、設定された変調方式による変調処理を行う（ステップＳ３）。この場合の変調方式は、ＱＰＳＫやＯＦＤＭなど、従来一般的に用いられている変調方式のうちから適宜選定したものでよい。

また、演算装置１１は、前記ステップＳ１で求めたインパルス応答の推定結果を基に、ＣＮ比を推定する処理を行う（ステップＳ４）。

このステップＳ４では、演算装置１１は、送波側の音圧レベルＳＬ（Source Level）と、受波側の雑音レベルＮＬ（Noise Level）と、水上移動体１および水中移動体３の絶対位置の情報とから、ソーナー方程式である次の（１）式、（２）式を用いて、受波点でのＣＮ比（ＣＮＲ：Carrier to Noise Ratio）を計算する処理を行う。
ＲＬ＝ＳＬ－ＴＬ ・・・（１）
ＣＮＲ＝ＲＬ－ＮＬ ・・・（２）

ここで、（１）式におけるＲＬは受波レベル（Received Level）、ＴＬは伝搬損失（Transmission Loss）である。

一般的には、ＳＬは、送波器から１ｍ離れた点での音圧レベルである。

ＮＬは、音響通信機２，４が通信中に自己計測する値であってもよいし、予め取得した雑音データから求めた値であってもよい。

ＴＬは、音波が伝搬する距離ｒと、使用周波数ｆから得られる吸収損失αとから、次の（３）式で推定される。

ＴＬ＝２０ｌｏｇ（ｒ）＋αｒ ・・・（３）

なお、ＴＬは、通常は、前記（３）式により推定される値であり、このＴＬを、本実施形態における演算装置１１の計算に用いることは可能である。

ところで、本開示の通信状態制御システムは、水上移動体１の音響通信機２と、水中移動体３の音響通信機４との音響通信について、水面反射と水底反射に起因するマルチパスによる符号間干渉を抑制することを目的としているが、前記（３）式では、伝搬損失ＴＬについて、水面反射と水底反射の影響が考慮されていない。

そこで、演算装置１１は、ステップＳ４では、前記ステップＳ３で変調処理された後の音響通信データについて、前記ステップＳ１で求めたインパルス応答による畳み込み演算を行い、受波レベルＲＬを直接計算により求める処理を行うことが、より好ましい。これにより、水面反射と水底反射の影響を考慮した受波レベルＲＬを求めることができる。

この場合、演算装置１１は、直接計算により求められた受波レベルＲＬと、前記雑音レベルＮＬとを用いて、前記（２）式により受波点でのＣＮ比（ＣＮＲ）を算出するようにすればよい。

次いで、演算装置１１は、前記ステップＳ４で推定された受波点でのＣＮ比（ＣＮＲ）を用いて、前記ステップＳ３で変調処理された後の音響通信データに対し、ＣＮ比を補正する処理を行う（ステップＳ５）。これにより、音響通信データに対しては、雑音の影響が付加される。

更に、演算装置１１は、前記ステップＳ５の処理によりＣＮ比が補正された後の音響通信データに対し、前記ステップＳ１で求めたインパルス応答による畳み込み演算を行う（ステップＳ６）。これにより、音響通信データに対しては、水面反射や水底反射などのマルチパスの影響が付加される。

その後、演算装置１１は、前記ステップＳ６で得られた音響通信データに対し、前記ステップＳ３で行った変調処理に対応する復調処理を行う（ステップＳ７）。

しかる後、演算装置１１は、前記ステップＳ７で復調処理された後の音響通信データを、前記ステップＳ２で格納していた当初の音響通信データと比較する処理を行い（ステップＳ８）、その比較結果を基に、符号誤り率を算出する（ステップＳ９）。

演算装置１１は、前記の処理により符号誤り率が推定されると、その推定結果を、設定された基準以下か否かを判断する処理を行う。

ここで、たとえば、水中移動体３の音響通信機４から水上移動体１の音響通信機２に送信する送信データＤａが、１０ＫＢ（＝８００００ｂｉｔ）のデータ量を備えている場合、この送信データＤａを誤りなく伝送するためには、符号誤り率は、１／８００００（＝０．００００１２５）以下であることが必要となる。

したがって、演算装置１１に設定される符号誤り率の基準の値は、誤りなく伝送することが必要とされるデータ量に応じた値となる。

なお、水中移動体３および水上移動体１が、音響通信による一度の伝送でエラーが生じた場合の対策として、送信データＤａの送受信を再度行う機能や、エラーが生じた部分について再度送受信する機能を備えている場合は、それらの機能を考慮して、符号誤り率の基準を設定するようにすればよい。

演算装置１１は、前記判断処理により、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下であると判断された場合は、判断処理時点での水上移動体１および水中移動体３の位置について、特に処理を開始することはない。

よって、この場合は、水上移動体１と水中移動体３は、位置を保持したままで、水中移動体３の音響通信機４から水上移動体１の音響通信機２に、符号誤り率が設定された基準以下となる条件の下で、送信データＤａの伝送が行われる。

よって、受信側の水上移動体１は、確率的に符号の誤りがない状態で、水中移動体３の送信データＤａを受け取ることができる。

一方、前記判断処理により、符号誤り率の推定結果が、設定された基準よりも大であると判断された場合は、演算装置１１は、目標位置探索処理を開始する。

本実施形態では、演算装置１１は、目標位置探索処理を、水上移動体１のみを対象として実施する。

目標位置探索処理では、演算装置１１は、水上移動体１の位置について、現在位置を中心として半径を徐々に増加させる水平面内の同心円状の領域に変位させた仮想の条件を設定する。

次いで、演算装置１１は、仮想の条件で設定された水上移動体１の位置について、図３に示したと同様の手順で、符号誤り率を推定し、更に、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下か否かの判断処理を行う。

演算装置１１は、符号誤り率の推定結果が設定された基準以下にならない間は、水上移動体１の位置を前記した同心円状の領域で変位させた仮想の条件を順次設置して、符号誤り率を推定する処理、および、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下か否かを判断する判断処理を繰り返し実施する。

一方、演算装置１１は、前記判断処理により符号誤り率の推定結果が設定された基準以下になると判断されると、そのときに仮想の条件として設定されていた水上移動体１の変位先の位置を、目標位置に設定する。

次いで、演算装置１１は、設定した目標位置を、水上移動体１の航走制御装置８に、水上移動体１を移動させる目標位置として指示する機能を備えている。

これにより、水上移動体１では、航走制御装置８が、演算装置１１で設定された目標位置に移動するための移動装置６の操作量を求めて、求めた操作量を、指令として移動装置６へ送る。

このため、水上移動体１では、移動装置６が航走制御装置８より受け取る指令に応じて制御されるため、水上移動体１は、航走制御装置８に設定された目標位置へ移動する。

この移動先は、演算装置１１が、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下になると判断したときの水上移動体１の変位先である。よって、変位後の水上移動体１と、水中移動体３では、水中移動体３の音響通信機４から水上移動体１の音響通信機２に対し、符号誤り率が設定された基準以下となる条件の下で、送信データＤａの伝送を行うことができる。

よって、受信側の水上移動体１は、確率的に符号の誤りがない状態で、水中移動体３の送信データＤａを受け取ることができる。

図４は、水上移動体１と水中移動体３との音響通信について、推定される符号誤り率に高低が生じる領域の分布を示す模式図で、符号誤り率が高くなるに連れて、ドットのハッチングの密度を順次増加させて示してある。

図４に示すように、水上移動体１と水中移動体３との相対的な位置関係や、水上移動体１と水中移動体３が配置されている場所の地形、水深などの影響を受けて、水面Ｗおよび水中には、水上移動体１と水中移動体３との音響通信の符号誤り率が低くて通信性能が向上する領域と、符号誤り率が高くて高い通信性能が低下する領域とが生じる。

本実施形態の通信状態制御システムによれば、水中移動体３との音響通信を行う水上移動体１が、たとえば、図４に実線で示すように、水上移動体１と水中移動体３との音響通信の符号誤り率が高くて通信性能が低下する領域に位置している場合は、図４に二点鎖線で示すように、水上移動体１を、水中移動体３との音響通信の符号誤り率がより低くて、通信性能がより向上する位置に移動させることができる。

このように、本実施形態の通信状態制御システムによれば、音響通信機２を備えた水上局である水上移動体１と、音響通信機４を備えた水中移動体３との音響通信について、水面反射と水底反射に起因するマルチパスによる符号間干渉を抑制して、符号誤り率が基準以下となる状態での音響通信を行うことができる。よって、本実施形態の通信状態制御システムは、水上移動体１と水中移動体３との音響通信について、通信性能の向上化を図ることができる。

また、本実施形態では、演算装置１１は、目標位置探索処理で、水上移動体１の位置について、現在位置を中心として、半径を徐々に増加させる水平面内の同心円状の領域に変位させた仮想の条件を設定するようにしてある。このため、本実施形態では、水上移動体１を音響通信の符号誤り率がより低くて、通信性能がより向上する位置に移動させる場合に、水上移動体１の移動量を抑制することができる。よって、この場合は、水上移動体１を目標位置に移動させて、通信性能の向上化が図られた状態で水上移動体１と水中移動体３との音響通信を開始するまでに要するエネルギー消費量と時間の低減化を図る効果が期待できる。

なお、演算装置１１は、目標位置探索処理で、水上移動体１の位置について、現在位置を中心として、半径を徐々に増加させる水平面内の同心円状の領域に変位させた仮想の条件を設定することに代えて、水中移動体３の位置に近付く方向の領域にのみ変位させる仮想の条件を設定するようにしてもよい。

この場合も、演算装置１１は、前記したと同様に、判断処理により符号誤り率の推定結果が設定された基準以下になると判断されると、そのときに仮想の条件として設定されていた水上移動体１の変位先の位置を、目標位置に設定するようにすればよい。

この手法では、水上移動体１が設定された目標位置に移動すると、水上移動体１と水中移動体３との距離が短くなるので、受波点でのＣＮ比（ＣＮＲ）を改善する効果が期待できる。この受波点でのＣＮ比の改善は、音響通信データに対する雑音の影響の低減化につながるため、符号誤り率を低減化する方向に働く。

よって、この手法によれば、演算装置１１にて、水上移動体１を移動させる目標位置を見出すために要する処理数や時間について、削減化を図る効果が期待できる。

更に、本実施形態では、水上移動体１を、音響通信の符号誤り率がより低くて、通信性能がより向上する位置に移動させる手法を採っているため、水中移動体３に特別な制御が行われることはない。よって、本実施形態では、水中移動体３は、水中の情報収集などの本来の目的に沿う運用を継続して実施することができる。

また、本実施形態では、演算装置１１で使用される水中移動体３の位置の情報の取得のために水中移動体３に備える装備は、トランスポンダ１２である。トランスポンダ１２は、測位信号Ｓａを受信すると応答信号Ｓｂを自動的に送信する機能を備えているため、水中移動体３が水上移動体１と行う音響通信には、データ量の増加のような影響を与えることはない。

［第２実施形態］
前記第１実施形態の通信状態制御システムは、水上移動体１と水中移動体３との音響通信の符号誤り率が高くて通信性能が低下している場合に、水上移動体１を、水中移動体３との音響通信の符号誤り率がより低くて、通信性能がより向上する位置に移動させる場合の例を示した。

これに対し、本開示の通信状態制御システムは、水上移動体１と水中移動体３との音響通信の符号誤り率が高くて通信性能が低下している場合に、水中移動体３を、水上移動体１との音響通信の符号誤り率がより低くて、通信性能がより向上する位置に移動させる処理を行う機能を備えるようにしてもよい。この機能を備える通信状態制御システムを、第２実施形態として説明する。

図５は、通信状態制御システムの第２実施形態を示す概要図である。

なお、図５において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の通信状態制御システムは、第１実施形態と同様の構成において、演算装置１１が、水上移動体１を対象とする目標位置探索処理に代えて、水中移動体３を対象とする目標位置探索処理を行う機能を備えている。

この目標位置探索処理では、演算装置１１は、水中移動体３の位置について、現在位置を中心として半径を徐々に増加させる水平面内の同心円状の領域、または、その同心円状の領域を、水中移動体３の浮沈が許容される深度の範囲内で上下に伸展させた円柱状の領域、あるいは、水中移動体３の現在位置を中心として半径を徐々に増加させる球状の領域に変位させた仮想の条件を設定する。

次いで、演算装置１１は、仮想の条件で設定された水中移動体３の位置について、図３に示したと同様の手順で、符号誤り率を推定し、更に、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下か否かの判断処理を行う。

演算装置１１は、符号誤り率の推定結果が設定された基準以下にならない間は、水中移動体３の位置を前記した所定の領域で変位させた仮想の条件を順次設置して、符号誤り率を推定する処理、および、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下か否かを判断する判断処理を繰り返し実施する。

一方、演算装置１１は、前記判断処理により符号誤り率の推定結果が設定された基準以下になると判断されると、そのときに仮想の条件として設定されていた水中移動体３の変位先の位置を、目標位置に設定する。

次いで、演算装置１１は、設定した目標位置を、音響通信機２と音響通信機４の音響通信を介して、水中移動体３の航走制御装置１６に、水中移動体３を移動させる目標位置として指示する機能を備えている。

これにより、水中移動体３では、航走制御装置１６が、演算装置１１で設定された目標位置に移動するための移動装置１４の操作量を求めて、求めた操作量を、指令として移動装置１４へ送る。

このため、水中移動体３では、移動装置１４が航走制御装置１６より受け取る指令に応じて制御されるため、水中移動体３は、航走制御装置１６に設定された目標位置へ移動する。

この移動先は、演算装置１１が、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下になると判断したときの水中移動体３の変位先である。よって、変位後の水中移動体３と、水上移動体１では、水中移動体３の音響通信機４から水上移動体１の音響通信機２に対し、符号誤り率が設定された基準以下となる条件の下で、送信データＤａの伝送を行うことができる。

よって、本実施形態の通信状態制御システムによっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態の通信状態制御システムは、水上移動体１と水中移動体３との音響通信の符号誤り率が高くて通信性能が低下している場合に、水上移動体１を移動させる必要がない。そのため、本実施形態の通信状態制御システムは、水上移動体１の運動性能があまり高くない場合に好適なものとすることができる。

更に、本実施形態の通信状態制御システムは、音響通信機２を備えて水中移動体３と音響通信を行う水上局が、たとえば、ブイのような、移動装置を装備していない浮体式の水上局の場合にも、適用することができる。

［第３実施形態］
前記各実施形態の通信状態制御システムは、水上移動体１が、演算装置１１および記憶部１０を備える構成の例を示した。

これに対し、本開示の通信状態制御システムは、水中移動体３が、演算装置１１および記憶部１０を備えた構成としてもよい。この構成の通信状態制御システムを、第３実施形態として説明する。

図６は、通信状態制御システムの第３実施形態を示す概要図である。

なお、図６において、前記各実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の通信状態制御システムは、第２実施形態と同様の構成において、演算装置１１および記憶部１０が、水上移動体１に代えて、水中移動体３に備えられた構成とされている。

本実施形態では、演算装置１１で使用される水上移動体１の絶対位置の情報は、水上移動体１の位置検出装置７で検出された水上移動体１の絶対位置の情報を、水上移動体１から、音響通信機２と音響通信機４の音響通信を介して水中移動体３へ伝送して、演算装置１１に入力する構成とされている。

また、演算装置１１で使用される水中移動体３の絶対位置の情報は、水中移動体３の位置検出装置１５で検出される自機の絶対位置の情報を、演算装置１１に入力する構成とされている。

したがって、本実施形態では、水中移動体３に備えた位置検出装置１５が、本開示の通信状態制御システムの発明にて水中移動体３の位置検出を行う第２の位置検出装置となる。

本実施形態における演算装置１１は、第２実施形態の演算装置１１と同様の処理を行うものとされている。

以上の構成としてある本実施形態の通信状態制御システムは、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第４実施形態］
前記各実施形態では、水上移動体１と水中移動体３との音響通信の符号誤り率が高くて通信性能が低下している場合に、水上移動体１または水中移動体３のいずれか一方を、音響通信の符号誤り率がより低くて、通信性能がより向上する位置に移動させる場合の例を示した。

これに対し、本開示の通信状態制御システムは、水上移動体１と水中移動体３との音響通信の符号誤り率が高くて通信性能が低下している場合に、水上移動体１と水中移動体３の双方を、音響通信の符号誤り率がより低くて、通信性能がより向上する位置に移動させる処理を行う機能を備えるようにしてもよい。この機能を備える通信状態制御システムを、第４実施形態として説明する。

図７は、通信状態制御システムの第４実施形態を示す概要図である。

なお、図７において、前記各実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の通信状態制御システムは、図７に示すように、水上移動体１と水中移動体３の双方に、演算装置１１，１１ａおよび記憶部１０，１０ａを備えた構成を備えている。なお、識別する便宜上、水中移動体３に備えられた演算装置１１ａと記憶部１０ａの符号は、ａの添え字を付してある。

水上移動体１の構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。また、水中移動体３の構成は、図６に示した第３実施形態と同様の構成に加えて、トランスポンダ１２を備えた構成とされている。

水上移動体１の演算装置１１と、水中移動体３の演算装置１１ａには、水上移動体１の位置検出装置７で検出された水上移動体１の絶対位置の情報が入力される。この際、水中移動体３の演算装置１１ａに入力される水上移動体１の絶対位置の情報は、水上移動体１から、音響通信機２と音響通信機４の音響通信を介して水中移動体３へ伝送されている。

また、水上移動体１の演算装置１１と、水中移動体３の演算装置１１ａには、水中移動体３の絶対位置の情報として、同一の情報が入力される。この際、各演算装置１１，１１ａに入力される水中移動体３の絶対位置の情報としては、水上移動体１に備えた音響測位装置９で検出された水中移動体３の位置の情報を入力するようにすればよい。この際、水中移動体３の演算装置１１ａに入力される水中移動体３の位置の情報は、水上移動体１から、音響通信機２と音響通信機４の音響通信を介して水中移動体３へ伝送すればよい。

また、各演算装置１１，１１ａに入力される水中移動体３の絶対位置の情報としては、水中移動体３に備えた位置検出装置１５で検出された水中移動体３の絶対位置の情報を入力するようにしてもよい。この際、水上移動体１の演算装置１１に入力される水中移動体３の位置の情報は、水中移動体３から、音響通信機４と音響通信機２の音響通信を介して水上移動体１へ伝送すればよい。

水上移動体１に備えた演算装置１１と、水中移動体３に備えた演算装置１１ａは、第１実施形態の演算装置１１と同様の機能において、水上移動体１と水中移動体３の音響通信についての符号誤り率の推定結果が、設定された基準よりも大の場合に、水上移動体１および水中移動体３を対象とする目標位置探索処理を行う機能を備えている。

この目標位置探索処理は、各演算装置１１，１１ａで同一の処理を行って、同一の結果が得られるようにプログラムされている。

各演算装置１１，１１ａは、目標位置探索処理では、水上移動体１と水中移動体３の位置について、現在位置の周辺の領域、あるいは、水上移動体１と水中移動体３が互いに接近する方向の領域に変位させた仮想の条件を設定する。

次いで、各演算装置１１，１１ａは、仮想の条件で設定された水上移動体１と水中移動体３の位置について、図３に示したと同様の手順で、符号誤り率を推定し、更に、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下か否かの判断処理を行う。

各演算装置１１，１１ａは、符号誤り率の推定結果が設定された基準以下にならない間は、水上移動体１と水中移動体３の位置を前記した所定の領域で変位させた仮想の条件を順次設置して、符号誤り率を推定する処理、および、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下か否かを判断する判断処理を繰り返し実施する。

一方、各演算装置１１，１１ａは、前記判断処理により符号誤り率の推定結果が設定された基準以下になると判断されると、演算装置１１は、そのときに仮想の条件として設定されていた水上移動体１の変位先の位置を、目標位置に設定する。また、演算装置１１ａは、そのときに仮想の条件として設定されていた水中移動体３の変位先の位置を、目標位置に設定する。

次いで、演算装置１１は、設定した目標位置を、水上移動体１の航走制御装置８に、水上移動体１を移動させる目標位置として指示する機能を備えている。また、演算装置１１ａは、設定した目標位置を、水中移動体３の航走制御装置１６に、水中移動体３を移動させる目標位置として指示する機能を備えている。

これにより、水上移動体１と水中移動体３は、それぞれ設定された目標位置へ移動する。

この移動先は、各演算装置１１，１１ａが、符号誤り率の推定結果が、設定された基準以下になると判断したときの水上移動体１および水中移動体３の変位先である。よって、変位後の水上移動体１と、変位後の水中移動体３は、音響通信機２，４により、符号誤り率が設定された基準以下となる条件の下で、データの伝送を行うことができる。

よって、本実施形態の通信状態制御システムによっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本開示の通信状態制御システムは、前記各実施形態にのみ限定されるものではない。

水上移動体１、水中移動体３の形状や構造やサイズは、図示するための便宜上のものであり、実際の形状や構造やサイズを反映したものではない。

本開示の通信状態制御システムは、海、湖沼や河川のいずれで使用される水上移動体１と水中移動体３に適用してもよい。

水上局である水上移動体１は、水中移動体３と、図示しない母船や地上局との通信の中継を行う機能を備えるものであってもよい。

水上移動体１は、各実施形態の図面では、水面Ｗに浮遊する船舶の形式を例示したが、水上移動体１は、水面Ｗよりも下方に配置される機体と、機体の上部に設けられて水面Ｗよりも上方に突出するストラットを備えて、ストラットの上端側に、電波による航法信号の受信用のアンテナと、必要に応じてその他の無線通信用のアンテナを備えた構成の半没型の水上移動体１としてもよい。

本開示の通信状態制御システムは、一機の水上局と、複数の水中移動体３とが音響通信を行う構成に適用してもよい。

水中移動体３は、水中の情報収集以外の任意の使用目的で使用される水中移動体３であってもよい。したがって、水中移動体３は、観測装置１８に代えて、使用目的に応じた機器を搭載した構成としてよい。また、水上局と水中移動体３との間で音響通信を介して伝送されるデータは、水中移動体３の使用目的に応じたものであればよい。更に、水上局と水中移動体３との間の音響通信は、双方向のデータの送受であってもよいし、一方向のみのデータの伝送であってもよい。

一般に、水上局や水上移動体１の位置の情報、および、水中移動体３の位置の情報は、観測データに比してデータ量が小さい。この点に鑑みて、水上局、水上移動体１と、水中移動体３に、観測データなどの伝送に用いる音響通信機２，４とは別に、位置情報の送受信のみを行うためのより低速、すなわち、より長波長の音響信号を用いた音響通信機を備える構成としてもよい。この構成によれば、音響通信機２，４で送受信するデータを圧迫することなく、水上局、水上移動体１と、水中移動体３との間で位置情報を伝送することが可能になる。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 水上移動体（水上局）、２ 音響通信機（第１の音響通信機）、３ 水中移動体、４ 音響通信機（第２の音響通信機）、７ 位置検出装置（第１の位置検出装置）、６ 移動装置、８ 航走制御装置、９ 音響測位装置（第２の位置検出装置）、１０，１０ａ 記憶部、１１，１１ａ 演算装置、１２ トランスポンダ（第２の位置検出装置）、１４ 移動装置、１５ 位置検出装置（第２の位置検出装置）、１６ 航走制御装置、ＲＬ 受波レベル

Claims (5)

1. 第１の音響通信機を備えた水上局と、
   第２の音響通信機を備えた水中移動体と、
   前記水上局の位置検出を行う第１の位置検出装置と、
   前記水中移動体の位置検出を行う第２の位置検出装置と、
   水底の地形情報を記憶した記憶部と、
   演算装置と、を備え、
   前記演算装置は、
   前記第１の位置検出装置で取得された前記水上局の位置と、前記第２の位置検出装置で取得された前記水中移動体の位置の情報と、前記地形の情報を基に、前記水上局の位置と前記水中移動体の位置との間のインパルス応答を推定する伝搬シミュレーションを行う機能と、
   前記伝搬シミュレーションにより推定された前記インパルス応答のデータを基に、前記水上局と前記水中移動体との音響通信の符号誤り率を推定する音響通信シミュレーションを行う機能と、
   前記音響通信シミュレーションにより推定された符号誤り率が、設定された基準以下か否かを判断する判断処理を行う機能と、
   前記判断処理により、前記符号誤り率が前記基準よりも大であると判断される場合は、前記音響通信シミュレーションにより推定される前記符号誤り率が前記基準以下となる前記水上局と前記水中移動体の一方または双方の位置を探索する目標位置探索処理を行う機能と、
   前記目標位置探索処理により得られた前記水上局と前記水中移動体の一方または双方の位置を、対応する水上局と水中移動体の一方または双方に、移動の目標位置として指示する機能と、を備えたこと
   を特徴とする通信状態制御システム。
2. 前記演算装置は、
   前記音響通信シミュレーションにて、前記伝搬シミュレーションで推定された前記インパルス応答による畳み込み演算を行って、受波レベルを求める処理を行う機能を備えた
   請求項１に記載の通信状態制御システム。
3. 前記水上局は、前記第１の位置検出装置と、前記記憶部と、前記演算装置と、を備え、
   前記第２の位置検出装置は、前記水上局に備えられ、測位信号を送信するとともに応答信号を受信する音響測位装置と、前記水中移動体に備えられ、前記測位信号を受信するとともに前記応答信号を送信するトランスポンダと、を備える構成とした
   請求項１または２に記載の通信状態制御システム。
4. 前記水上局は、移動装置と、航走制御装置を備えた水上移動体とされ、
   前記演算装置は、
   前記目標位置探索処理として、前記音響通信シミュレーションにより推定される前記符号誤り率が前記基準以下となる前記水上移動体の位置を求める機能を有し、
   更に、前記目標位置探索処理により得られた前記水上移動体の位置を、前記水上移動体の航走制御装置に、前記水上移動体を移動させる目標位置として指示する機能を備えた
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の通信状態制御システム。
5. 前記水中移動体は、移動装置と、航走制御装置を備え、
   前記演算装置は、
   前記目標位置探索処理として、前記音響通信シミュレーションにより推定される前記符号誤り率が前記基準以下となる前記水中移動体の位置を求める機能を有し、
   更に、前記目標位置探索処理により得られた前記水中移動体の位置を、前記水中移動体の航走制御装置に、前記水中移動体を移動させる目標位置として指示する機能を備えた
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の通信状態制御システム。

Images