WO2022219781A1 - 海洋モニタリングシステム、制御装置、および海洋モニタリング方法 - Google Patents

海洋モニタリングシステム、制御装置、および海洋モニタリング方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a marine monitoring system, a control device, and a marine monitoring method.
  • Satellite remote sensing is being used to monitor the global environment. Satellite remote sensing is a method of sensing the earth from communication satellites equipped with sensors. This makes it possible to understand the spatial distribution and temporal transition of the ground surface, deforestation damage, ozone holes, clouds, aerosols, and harmful gases (NO2, SO2, etc.).
  • Marine environmental monitoring is also being carried out, including fixed-point observations using ships or buoys, wide-range observations using ocean currents, and measurements of deep-sea temperatures by varying the density of buoys (non Patent document 1).
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technology capable of monitoring not only the environment under the sea or on the surface of the sea, but also the environment on the sea.
  • one aspect of the present invention is a marine monitoring system comprising a control device and at least one flying object, wherein the control device measures at least one environment under the sea and on the surface of the sea; 1 measurement data; a control unit for controlling the flying object; and a first communication unit for receiving second measurement data measured by the flying object.
  • a second measuring unit that measures a marine environment under the control of a control device and acquires the second measurement data, and a second communication unit that transmits the second measurement data to the control device.
  • One aspect of the present invention is a marine monitoring system comprising a control device and at least one flying object, wherein the control device measures at least one environment under the sea and on the surface of the sea to obtain first measurement data.
  • a controller that controls the flying object that measures the sea environment; and a communication unit that receives second measurement data measured by the flying object from the flying object.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing the configuration of the ocean monitoring system of this embodiment.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the aircraft of this embodiment.
  • FIG. 3 is an external view showing an example of the external appearance of the control device.
  • 4 is a cross-sectional view of the control device shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing communication between the control device and the aircraft.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing recovery of the flying object.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing power supply to an aircraft.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing data transmission to a communication satellite.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing power generation by the control device.
  • FIG. 10 is a flowchart showing data transmission processing by the control device.
  • FIG. 11 is a flow chart showing maritime data transmission processing by the flying object 2 .
  • FIG. 12 is a hardware configuration example.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the ocean monitoring system of this embodiment.
  • the illustrated marine monitoring system comprises a controller 1 and at least one air vehicle 2 .
  • the control device 1 is placed in the ocean, measures at least one environment under the sea and on the surface of the sea, and remotely controls the aircraft 2 .
  • a buoy, a float, a ship, or the like may be used as the control device 1.
  • the control device 1 may be a device that is moored and does not move, or it may be a device that can be moved with moving means.
  • At least one flying object 2 is assigned to the control device 1, and the control device 1 controls one or more flying objects 2. It is assumed that the control device 1 of this embodiment controls a plurality of flying objects 2 .
  • the control device 1 shown in FIG. 1 is The control device 1 shown in FIG.
  • the power generation unit 11 includes a solar power generation unit 111 that uses solar energy and a vibration power generation unit 112 that uses wave vibration.
  • the photovoltaic power generation unit 111 is arranged above the sea surface so as to be exposed to sunlight.
  • the power storage unit 12 stores the electric power generated by the power generation unit 111 and the vibration power generation unit 112 .
  • Control device 1 and flying object 2 are driven using power stored in power storage unit 12 .
  • the sensor unit 13 measures (senses) at least one environment of the sea and the sea surface to acquire ocean data (first measurement data).
  • the sensor unit 13 includes one or more sensors.
  • the sensor unit 13 may include multiple sensors of different types.
  • Marine data includes, for example, water temperature, water pressure, salinity, and the like.
  • the sensor units 13 can be distributed and arranged at arbitrary positions (for example, above the sea surface, below the sea surface, etc.) of the control device 1 according to the object to be measured.
  • the power supply unit 14 supplies the electric power of the power storage unit 12 to the aircraft 2 .
  • the power supply unit 14 supplies power to the aircraft 2 in flight by radio wave transmission, and wirelessly supplies power to the aircraft waiting in the control device 1 .
  • the power supply unit 14 includes a wireless power supply unit 141 that supplies power to the aircraft 2 in flight by radio wave transmission, and a non-contact power supply unit 142 that supplies power to the aircraft 2 on standby in a non-contact manner.
  • the communication unit 15 (first communication unit) communicates with the aircraft 2 and the communication satellite 3 according to instructions from the control unit 16. For example, the communication unit 15 receives maritime data measured by the aircraft 2 and sends the received maritime data to the control unit 16 . The communication unit 15 transmits the control information instructed by the control unit 16 to the aircraft 2 . The communication unit 15 may communicate with the communication satellite 3 and transmit ocean data measured by itself and ocean data received from the aircraft 2 to the communication satellite 3 .
  • the control unit 16 controls each unit 11 to 15 of the control device 1.
  • the control unit 16 controls the flying object 2 by transmitting control information to the flying object 2 using the communication unit 15 .
  • Control information is information for controlling and operating the aircraft 2 .
  • the control information includes, for example, a flight instruction indicating the flight path of the flying object 2, a return instruction for returning the flying object 2 to the control device 1, and the like.
  • control unit 16 controls the adjustment unit provided in the aircraft 2 or the control device 1 to shorten the length of the open portion of the wire. , the aircraft 2 may be recovered to the control device 1 .
  • the adjustment section will be described later.
  • the control unit 16 controls the sensor unit 13 and causes the sensor unit 13 to measure ocean data at an arbitrary timing.
  • the control unit 16 acquires the measured ocean data and stores it in a storage device included in the control unit 16 .
  • the control unit 16 may autonomously execute various processes such as control of the flying object 2 and acquisition of oceanographic data using the sensor unit 13. processing may be performed.
  • the management device may be placed on the ground, for example, remotely access the control device 1 by wireless communication, and remotely operate the control device 1 . In this case, the management device can remotely control the aircraft 2 indirectly via the control device 1 .
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the aircraft 2 of this embodiment.
  • the aircraft 2 flies under the control of the control device 1 and measures the sea environment.
  • the flying object 2 is an unmanned flying object, such as a drone.
  • the illustrated flying object 2 includes a communication section 21 , a power receiving section 22 , an adjustment section 23 , a sensor section 24 and a processing section 25 .
  • the communication unit 21 (second communication unit) communicates with the control device 1.
  • the communication unit 21 receives control information transmitted by the control device 1 and transmits maritime data measured by the sensor unit 24 to the control device 1 .
  • the communication unit 21 may communicate with the communication satellite 3 and directly transmit oceanographic data measured by the sensor unit 24 to the communication satellite 3 .
  • the power receiving unit 22 receives power supplied from the control device 1 and drives the aircraft 2 using the power.
  • the adjustment unit 23 adjusts the length of the open portion of the wire according to the control of the control device 1 when the control device 1 and the aircraft 2 are connected by a wire.
  • the flying object 2 includes the adjusting section 23, but the control device 1 may include the adjusting section 23.
  • the sensor unit 24 measures the sea environment (atmospheric environment) under the control of the control device 1 and acquires sea data (second measurement data).
  • Sensor unit 24 includes one or more sensors.
  • the sensor unit 24 may comprise multiple sensors of different types.
  • Maritime data includes, for example, atmospheric temperature, humidity, carbon dioxide concentration, and the like.
  • the processing unit 25 drives the flying object 2 according to the control of the control device 1.
  • the processing unit 25 flies the aircraft 2 according to the control information transmitted by the control device 1 and causes the sensor unit 24 to measure sea data.
  • the ocean monitoring system of the present embodiment combines the control device 1 that senses at least one of the ocean environments of the sea and the sea surface, and the flying object 2 that senses the sea.
  • the control device 1 that senses at least one of the ocean environments of the sea and the sea surface
  • the flying object 2 that senses the sea.
  • control device 1 which is relatively easy to generate and store electricity, controls and manages the flying object 2, thereby extending the driving time of the flying object 2 and increasing the operating time of the flying object 2. It becomes possible to collect peripheral information in a wide range.
  • FIG. 3 is an external view showing an example of the external appearance of the control device 1.
  • the illustrated control device 1 includes a hemispherical lower layer portion 301 , a columnar middle layer portion 302 , and a columnar (tubular) upper layer portion 303 having a concave portion 304 .
  • the concave portion 304 is a waiting area in which at least one flying object 2 can wait.
  • the lower layer 301 is located in the sea
  • the middle layer 302 and the upper layer 303 are located above the sea surface.
  • the control device 1 is not limited to the shape of FIG. 3, but may have various other shapes.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the control device 1 shown in FIG.
  • the solar power generation unit 111, the wireless power supply unit 141, the contactless power supply unit 142, and the communication unit 15 are arranged in the middle layer 302 and the upper layer 303 located above the sea surface. be.
  • a vibration power generation unit 112 , a power storage unit 12 , a sensor unit 13 , and a control unit 16 are arranged in an underwater lower layer 301 .
  • FIG. 4 is an example of the control device 1, and the arrangement of each part is not limited to this.
  • FIG. 4 shows an aircraft 2A in flight, an aircraft 2B waiting in a standby area 304, and an aircraft 2C in flight connected to the control device 1 by a wire 4.
  • FIG. 4 shows an aircraft 2A in flight, an aircraft 2B waiting in a standby area 304, and an aircraft 2C in flight connected to the control device 1 by a wire 4.
  • FIG. 4 shows an aircraft 2A in flight, an aircraft 2B waiting in
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing communication between the control device 1 and the aircraft 2.
  • the communication unit 15 of the control device 1 transmits control information 501 and 502 for controlling the flying object 2 to the flying objects 2A and 2B in accordance with instructions from the control unit 16, and transmits maritime data 503 measured by the flying object 2A. is received from the aircraft 2. Thereby, the control device 1 can operate the flying bodies 2A and 2B.
  • the communication unit 15 provides, as the control information 501, to the aircraft 2A in flight, for example, an additional flight program, a flight instruction such as a return instruction to the control device 1, an instruction to acquire maritime data, and the like. Send. Further, the communication unit 15 waits in the control device 1 and transmits, as the control information 502, a flight instruction such as a flight program and an instruction to acquire maritime data, etc., to the aircraft 2B scheduled to fly.
  • the flying object 2A transmits sea data 503 indicating the measured sea air environment to the control device 1 .
  • the communication unit 15 of the control device 1 receives maritime data 503 transmitted by the aircraft 2A.
  • the communication unit 15 can receive maritime data transmitted by each of a plurality of aircraft 2A. Also, the communication unit 15 can receive a plurality of different types of data transmitted from the aircraft 2A.
  • the control unit 16 may store the maritime data received by the communication unit 15 in a memory or the like included in the control unit 16 and save it as backup data until it is transmitted to the communication satellite 3 .
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing recovery of the flying object 2.
  • the flying object 2 includes an adjustment section 23 (wire reel) that adjusts the length of the open portion of the wire 4 .
  • the adjuster 23 adjusts the length of the open portion of the wire 4 according to the distance between the controller 1 and the aircraft 2 when the aircraft 2 flies.
  • the open portion is the length of the wire 4 that is not wound around the adjusting portion 23 and is adjusted to be longer than the distance between the control device 1 and the aircraft 2 .
  • the control unit 16 of the control device 1 controls the adjusting unit 23 so that the flying object 2 can fly according to the flight command. For example, when flying the flying object 2 far from the control device 1 , the controller 16 instructs the adjuster 23 to pull out the wire 4 of a required length from the adjuster 23 .
  • the control unit 16 instructs the adjustment unit 23 to wind the wire 4 so that the length of the open portion of the wire 4 is shortened. Thereby, the control unit 16 can return the flying object 2 in flight to the control device 1 .
  • the flying object 2 is connected to the control device 1 by a wire 4, even if the flying object 2 breaks down during flight and stops, the wire 4 can be wound up to reach the standby area of the control device 1. The flying object 2 can be recovered.
  • the control device 1 detects an abnormality of the flying object 2 and cuts off the wire 4. It is also possible to recover the flying object 2 by specifying it from the physical positional relationship and attaching a strong electromagnet to the tip of the wire 4 .
  • the flying object 2 cannot fly as instructed by the control device 1, so it detects an abnormality and notifies the control device 1 of an error message.
  • the controller 1 receives the error message, it sends an instruction to disconnect the wire 4 to the aircraft 2 , and the aircraft 2 disconnects the wire 4 .
  • the tip of the wire 4 cut off from the aircraft 2 falls into the sea.
  • the aircraft 2 also drops into the sea near the position where the tip of the wire 4 dropped.
  • the control device 1 identifies the position information of the flying object 2 at the time of receiving the error message from the relative positional relationship with the control device 1, moves to the point where the flying object 2 would have fallen into the sea,
  • a powerful electromagnet may be attached to the tip of the wire 4, and the flying object 2 may be retrieved using the magnetic force of the electromagnet.
  • control device 1 can use the wire 4 to supply power to the aircraft 2 (cable power supply). That is, the control device 1 may use the wire 4 as the power supply section 14 .
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing power feeding to the flying object 2.
  • FIG. 7 shows two power feeding methods: wireless power feeding for radio wave transmission to an aircraft 2A in flight and contactless power feeding for non-contact power feeding to an aircraft 2B on standby in the control device 1.
  • wireless power feeding for radio wave transmission to an aircraft 2A in flight and contactless power feeding for non-contact power feeding to an aircraft 2B on standby in the control device 1.
  • the wireless power supply unit 141 uses microwaves 701 to supply power to the aircraft 2A in flight. At this time, the wireless power supply unit 141 can transmit power and signals to the aircraft 2 by modulating the microwave for power supply, and can communicate with the aircraft 2 . Namely. The wireless power supply unit 141 can transmit various control information to the aircraft 2 at the same time as power supply.
  • the contactless power supply unit 142 can constantly supply power 702 contactlessly to the flying object 2B waiting in the control device 1 using electromagnetic induction, magnetic field resonance, electric field coupling, or the like.
  • the wireless power supply unit 141 and the contactless power supply unit 142 can simultaneously supply power to a plurality of flying objects 2A and 2B.
  • the wireless power supply unit 141 can realize simultaneous power supply to a plurality of flying objects 2A by using, for example, multi-beam forming.
  • simultaneous power supply to a plurality of waiting flying objects 2B can be achieved.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing data transmission to the communication satellite 3.
  • the communication unit 21 of the aircraft 2 transmits sea data 801 measured by itself to the control device 1 .
  • the communication unit 15 of the control device 1 transmits to the communication satellite 3 measurement data 802 including the ocean data measured by itself and the ocean data 801 received from the aircraft 2 . That is, the flying object 2 does not transmit the maritime data directly to the communication satellite 3, but rather transmits the maritime data to the control device 1 at a short distance, and the control device 1 sends the maritime data and the maritime data to the communication satellite 3 collectively. Send.
  • the aircraft 2 can transmit maritime data to the control device 1 even when it is in flight or waiting in a waiting area.
  • the communication unit 21 of the flying object 2 may communicate with the communication satellite 3 and directly transmit the maritime data 803 to the communication satellite 3.
  • the control device 1 and the flying object 2 each transmit data measured by themselves to the communication satellite 3 .
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing power generation by the control device 1.
  • the photovoltaic power generation unit 111 is arranged at a position higher than the sea surface and generates power using the light energy of the sun.
  • the solar power generation section 111 includes a small panel 111A arranged on the outer periphery of the standby area 304 (middle layer section 302). Electric power obtained during the day by the solar power generation unit 111 is sent to the power storage unit 112 .
  • the vibration power generation unit 112 generates power by using vibrations caused by waves.
  • the illustrated vibration power generation unit 112 (MEMS vibration power generation element) includes a movable electrode 112A, an electret 112B, a fixed electrode 112C, and a spring 112D. Generate power by changing the interval. Vibration power generation unit 112 uses vibration of waves, so that it can generate power all the time, and the obtained power is sent to power storage unit 112 .
  • Electret 112B is a dielectric that retains a semi-permanent charge.
  • the control device 1 of the present embodiment combines photovoltaic power generation, which can obtain a relatively large current but is difficult to generate power at night, and vibration power generation, which does not obtain a large amount of power but can generate power at all times of the day and night. power supply.
  • FIG. 10 is a flowchart showing data transmission processing by the control device 1.
  • the control device 1 measures at least one of the underwater environment and the sea surface environment to acquire oceanographic data (step S11).
  • the control device 1 transmits control information to the flying object 2 and controls the flying object 2 (step S12). Note that the order of steps S11 and S12 may be reversed. Further, step S11 and step S12 may be performed at the same timing. That is, the control device 1 may control the flying object 2 while acquiring oceanographic data.
  • the control device 1 receives the maritime data measured by the aircraft 2 from the aircraft 2 (step S13), and transmits the received maritime data and oceanographic data to the communication satellite 3 (step S14).
  • FIG. 11 is a flowchart showing maritime data transmission processing by the flying object 2 .
  • the aircraft 2 receives the control information from the control device 1 and flies over the sea according to the flight program designated by the control information (step S21).
  • the flying object 2 measures the sea environment at the position and timing designated by the control information, and acquires sea data (step S22).
  • the aircraft 2 transmits the measured maritime data to the control device 1 (step S23).
  • the ocean monitoring system of the present embodiment described above comprises a control device 1 and at least one flying object 2.
  • the control device 1 measures at least one environment of the sea and the sea surface, and is a sensor unit that acquires ocean data. 13, a control unit 16 that controls the flying object 2, and a communication unit 15 that receives sea data measured by the flying object 2.
  • a sensor unit 24 for measuring and acquiring maritime data, and a communication unit 21 for transmitting the maritime data to the control device 1 are provided.
  • control device 1 and the aircraft 2 can be easily managed with few resources.
  • the control device 1 includes a power generation unit 111 and a power supply unit 112 to drive not only the control device 1 but also the aircraft 2 .
  • a power generation unit 111 and a power supply unit 112 to drive not only the control device 1 but also the aircraft 2 .
  • the control device 1 includes a power generation unit 111 and a power supply unit 112 to drive not only the control device 1 but also the aircraft 2 .
  • control device 1 and the aircraft 2 are connected by a wire 4, the control device 1 or the aircraft 2 includes an adjustment section 23 for adjusting the length of the open portion of the wire 4, and the control section 16 controls the adjustment unit 23 to shorten the length of the open portion of the wire 4, thereby recovering the aircraft 2 to the control device 1.
  • FIG. 1 When the flying object 2 is used for ocean sensing, there is a high possibility that the flying object 2 will be left in the sea if it becomes unusable due to dead battery or damage, but in this embodiment the flying object 2 can be recovered using the wire 4 Therefore, it can be said that the system is environmentally friendly.
  • the communication unit 15 of the control device 1 transmits maritime data and maritime data received from the aircraft 2 to the communication satellite 3 .
  • satellite data By combining satellite data with maritime data and oceanographic data, we can expect to ensure spatial and temporal completeness and high reliability of the data.
  • IoT Internet of Things
  • sensing will become more sophisticated as a global monitoring technology. can do. That is, by combining and interlocking the information transmitted from the control device 1 and the satellite data, it is possible to create high value-added monitoring information.
  • various information measured by the control device 1 and the sensor units 13 and 24 of the aircraft 2 are collectively transmitted to the communication satellite 3.
  • a general-purpose computer system as shown in FIG. 12 can be used.
  • the illustrated computer system includes a CPU (Central Processing Unit: processor) 901 , memory 902 , storage 903 , communication device 904 , input device 905 and output device 906 .
  • Memory 902 and storage 903 are storage devices.
  • the functions of the control unit 16 and the communication unit 15 are realized by the CPU 901 executing the programs of the control unit 16 and the communication unit 15 loaded on the memory 902 .
  • Programs for the control unit 16 and the communication unit 15 can be read by computers such as HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), USB (Universal Serial Bus) memory, CD (Compact Disc), and DVD (Digital Versatile Disc). It can be stored on any available recording medium or distributed over a network.
  • HDD Hard Disk Drive
  • SSD Solid State Drive
  • USB Universal Serial Bus
  • CD Compact Disc
  • DVD Digital Versatile Disc
  • control device 11 power generation unit 111: solar power generation unit 112: vibration power generation unit 12: electricity storage unit 13: sensor unit (first measurement unit) 14: Power supply unit 141: Wireless power supply unit 142: Contactless power supply unit 15: Communication unit (first communication unit) 16: Control unit 2: Aircraft 21: Communication unit (second communication unit) 22: Power receiving unit 23: Adjusting unit 24: Sensor unit (second measuring unit) 25: Processing unit 3: Communication satellite 4: Wire

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Abstract

制御装置１と少なくとも１つの飛行体２とを備える海洋モニタリングシステムであって、制御装置１は、海中および海面の少なくとも１つの環境を測定し、海洋データを取得するセンサ部１３と、飛行体２を制御する制御部１６と、飛行体２が測定した海上データを受信する通信部１５と、を備え、飛行体２は、制御装置１の制御に応じて海上の環境を測定し、海上データを取得するセンサ部２４と、海上データを制御装置１に送信する通信部２１と、を備える。

Description

海洋モニタリングシステム、制御装置、および海洋モニタリング方法
　本発明は、海洋モニタリングシステム、制御装置、および海洋モニタリング方法に関する。
　地球環境のモニタリングにおいて、衛星リモートセンシングが行われている。衛星リモートセンシングは、センサを搭載した通信衛星から地球をセンシングする手法である。これにより、地表面、森林伐採被害状況、オゾンホール、雲、エアロゾル、有害となる気体（NO2，SO2など）の空間的な分布や時間的な推移などを把握することができる。
　一方、地上における環境モニタリングも実施されており、大気汚染、CO2濃度、温度、湿度等の定期的な実データに基づいて、大気環境が観測されている。
　また、海洋における環境モニタリングも実施されており、船またはブイを用いた定点観測、海流を利用した広範囲の観測、ブイの密度を変化させて深部の海中温度の測定などが行われている（非特許文献１）。
和田雅昭，中島秀之，"ITによる漁業再生"，2015，online、インターネット＜URL: https://www.kantei.go.jp/jp/singi/it2/region/sewg_dai2/shiryou5.pdf＞
　海洋の環境モニタリングにおいて、海中および海面の環境データと、海上の環境データ（大気環境データ）とを組み合わせることで、データの空間的および時間的網羅性を確保し、信頼性を高めることが期待できる。すなわち、より高度な海洋の環境モニタリングを実現することができる。
　しかしながら、船やブイなどを用いた海洋の環境モニタリングでは、海中または海面の環境については測定することはできるが、海上の周辺環境を一定の自由度をもってセンシングすることは困難である。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、海中または海面の環境だけでなく、海上の環境をモニタリング可能な技術を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様は、制御装置と少なくとも１つの飛行体とを備える海洋モニタリングシステムであって、前記制御装置は、海中および海面の少なくとも１つの環境を測定し、第１測定データを取得する第１測定部と、前記飛行体を制御する制御部と、前記飛行体が測定した第２測定データを受信する第１通信部と、を備え、前記飛行体は、前記制御装置の制御に応じて海上の環境を測定し、前記第２測定データを取得する第２測定部と、前記第２測定データを、前記制御装置に送信する第２通信部と、を備える。
　本発明の一態様は、制御装置と少なくとも１つの飛行体とを備える海洋モニタリングシステムにおける、前記制御装置であって、海中および海面の少なくとも１つの環境を測定し、第１測定データを取得する測定部と、海上の環境を測定する前記飛行体を制御する制御部と、前記飛行体が測定した第２測定データを、前記飛行体から受信する通信部と、を備える。
　本発明によれば、海中または海面の環境だけでなく、海上の環境をモニタリング可能な技術を提供することができる。
図１は、本実施形態の海洋モニタリングシステムの構成を示す全体構成図である。 図２は、本実施形態の飛行体の構成を示す構成図である。 図３は、制御装置の外観の一例を示す外観図である。 図４は、図３に示す制御装置の断面図である。 図５は、制御装置と飛行体との通信を示す説明図である。 図６は、飛行体の回収を示す説明図である。 図７は、飛行体への給電を示す説明図である。 図８は、通信衛星へのデータ送信を示す説明図である。 図９は、制御装置の発電を示す説明図である。 図１０は、制御装置によるデータ送信処理を示すフローチャートである。 図１１は、飛行体２による海上データの送信処理を示すフローチャートである。 図１２は、ハードウェア構成例である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本実施形態の海洋モニタリングシステムの構成を示す構成図である。図示する海洋モニタリングシステムは、制御装置１と、少なくとも１つの飛行体２とを備える。
　制御装置１は、海洋に配置され、海中および海面の少なくとも１つの環境を測定するとともに、飛行体２をリモートで制御する。制御装置１として、例えばブイ、フロート、船等を用いてもよい。制御装置１は、係留され移動しない装置であっても、移動手段を有する移動可能な装置であってもよい。
　制御装置１には、少なくとも１つの飛行体２を割り当てられ、制御装置１は、１つまたは複数の飛行体２を制御する。本実施形態の制御装置１は、複数の飛行体２を制御するものとする。
　図１に示す制御装置１は、発電部１１と、蓄電部１２と、センサ部１３と、給電部１４と、通信部１５と、制御部１６とを備える。
　発電部１１は、太陽光エネルギーを利用した太陽光発電部１１１と、波の振動を利用した振動発電部１１２とを備える。太陽光発電部１１１は、太陽の光が当たるように海面より上に配置される。
　蓄電部１２は、発電部１１１と振動発電部１１２とが発電した電力を蓄積する。制御装置１および飛行体２は、蓄電部１２に蓄積された電力を用いて駆動する。
　センサ部１３（第１測定部）は、海中および海面の少なくとも１つの環境を測定（センシング）して、海洋データ（第１測定データ）を取得する。センサ部１３は、１つまたは複数のセンサを備える。センサ部１３は、異なる種類の複数のセンサを備えてもよい。海洋データには、例えば、水温、水圧、塩分濃度などが含まれる。センサ部１３は、測定する対象に応じて、制御装置１の任意の位置（例えば海面より上、海面より下等）に分散して配置することができる。
　給電部１４は、蓄電部１２の電力を飛行体２に給電する。具体的には、給電部１４は、飛行中の飛行体２に電波伝送で給電し、制御装置１で待機する飛行体に非接触で給電する。すなわち、給電部１４は、飛行中の飛行体２に電波伝送で給電する無線給電部１４１と、待機中の飛行体２に非接触で給電する非接触電部１４２とを備える。
　通信部１５（第１通信部）は、制御部１６の指示に従って、飛行体２および通信衛星３と通信する。例えば、通信部１５は、飛行体２が測定した海上データを受信し、受信した海上データを制御部１６に送出する。通信部１５は、制御部１６の指示した制御情報を飛行体２に送信する。通信部１５は、通信衛星３と通信し、自身が測定した海洋データと、飛行体２から受信した海上データとを、通信衛星３に送信してもよい。
　制御部１６は、制御装置１の各部１１～１５を制御する。制御部１６は、通信部１５を用いて飛行体２に制御情報を送信し、飛行体２を制御する。制御情報は、飛行体２を制御および操作するための情報である。制御情報には、例えば、飛行体２の飛行経路を示す飛行指示、飛行体２を制御装置１へ帰還させるための帰還指示などが含まれる。
　制御部１６は、制御装置１と飛行体２とがワイヤで接続されている場合、飛行体２または制御装置１が備える調整部を制御し、前記ワイヤの開放部分の長さを短くすることで、飛行体２を制御装置１に回収してもよい。調整部については、後述する。
　制御部１６は、センサ部１３を制御して、任意のタイミングでセンサ部１３に海洋データを測定させる。制御部１６は、測定された海洋データを取得し、制御部１６が備える記憶装置に格納する。
　なお、制御部１６は、飛行体２の制御、センサ部１３を用いた海洋データの取得などの各種処理を自律的に実行してもよく、あるいは、図示しない管理装置からの指示により、前記各種処理を実行してもよい。管理装置は、例えば地上に配置され、無線通信により制御装置１にリモートアクセスして、制御装置１をリモート操作してもよい。この場合、管理装置が、制御装置１を介して、間接的に飛行体２をリモート制御することができる。
　図２は、本実施形態の飛行体２の構成を示す図である。飛行体２は、制御装置１の制御に従って飛行し、海上の環境を測定する。飛行体２は、無人の飛行体であって、例えばドローン等を用いることができる。
　図示する飛行体２は、通信部２１と、受電部２２と、調整部２３と、センサ部２４と、処理部２５とを備える。
　通信部２１（第２通信部）は、制御装置１と通信する。例えば、通信部２１は、制御装置１が送信する制御情報を受信し、センサ部２４が測定した海上データを制御装置１に送信する。通信部２１は、通信衛星３と通信し、センサ部２４が測定した海洋データを通信衛星３に直接送信してもよい。
　受電部２２は、制御装置１から供給される電力を受信し、当該電力を用いて飛行体２を駆動する。
　調整部２３は、制御装置１と飛行体２とがワイヤで接続されている場合、制御装置１の制御に応じてワイヤの開放部分の長さを調整する。本実施形態では、飛行体２が調整部２３を備えるが、制御装置１が調整部２３を備えてもよい。
　センサ部２４（第２測定部）は、制御装置１の制御に応じて、海上の環境（大気環境）を測定して、海上データ（第２測定データ）を取得する。センサ部２４は、１つまたは複数のセンサを備える。センサ部２４は、異なる種類の複数のセンサを備えてもよい。海上データには、例えば、大気中の温度、湿度、２酸化炭素濃度などが含まれる。
　処理部２５は、制御装置１の制御に応じて飛行体２を駆動する。例えば、処理部２５は、制御装置１が送信する制御情報に従って、飛行体２を飛行し、センサ部２４に海上データを測定させる。
　このように、本実施形態の海洋モニタリングシステムは、海中および海面の少なくとも１つの海洋環境をセンシングする制御装置１と、海上をセンシングする飛行体２とを組み合わせる。これにより、本実施形態では、海中・海上の海洋データと、周辺の海上データとを対応付けて、相互に補完して用いることができ、データの空間的および時間的網羅性を確保し、信頼性を高めることができる。すなわち、より高度な海洋の環境モニタリングを実現することができる。
　また、本実施形態では、発電および蓄電が比較的容易な制御装置１が、飛行体２を制御および管理することで、飛行体２の駆動時間を延ばし、制御装置１では取得が困難な海上の周辺情報を広範囲に収集することが可能となる。
　図３は、制御装置１の外観の一例を示す外観図である。図示する制御装置１は、半球状の下層部３０１と、円柱状の中層部３０２と、凹部３０４を有する円柱状（筒状）の上層部３０３とを備える。凹部３０４は、少なくとも１つの飛行体２が待機可能な待機エリアである。ここでは、下層部３０１は海中に位置し、中層部３０２および上層部３０３は海面の上に位置する。制御装置１は、図３の形状に限定されるものではなく、他の様々な形状でもよい。
　図４は、図３に示す制御装置１の断面図である。図示する制御装置１では、海面の上に位置する中層部３０２および上層部３０３には、太陽光発電部１１１と、無線給電部１４１と、非接触給電部１４２と、通信部１５とが配置される。海中の下層部３０１には、振動発電部１１２と、蓄電部１２と、センサ部１３と、制御部１６とが配置される。図４は、制御装置１の一例であって、各部の配置はこれに限定されない。図４では、飛行中の飛行体２Ａと、待機エリア３０４に待機中の飛行体２Ｂと、ワイヤ４で制御装置１と接続された飛行中の飛行体２Ｃとを示す。
　図５は、制御装置１と飛行体２との通信を示す説明図である。制御装置１の通信部１５は、制御部１６の指示に応じて、飛行体２を制御するための制御情報５０１、５０２を飛行体２Ａ、２Ｂへ送信し、飛行体２Ａが測定した海上データ５０３を飛行体２から受信する。これにより、制御装置１は、飛行体２Ａ、２Ｂを操作することができる。
　図示する例では、通信部１５は、飛行中の飛行体２Ａに対し、制御情報５０１として、例えば追加的な飛行プログラム、制御装置１への帰還指令などの飛行指示、海上データの取得指示などを送信する。また、通信部１５は、制御装置１に待機し、これから飛行予定の飛行体２Ｂに対して、制御情報５０２として、例えば飛行プログラムなどの飛行指示と、海上データの取得指示などを送信する。飛行体２Ａは、測定した海上の大気環境を示す海上データ５０３を、制御装置１に送信する。制御装置１の通信部１５は、飛行体２Ａが送信する海上データ５０３を受信する。
　図５では、飛行中の飛行体２Ａは１つであるが、通信部１５は、複数の飛行体２Ａがそれぞれ送信する海上データを受信することができる。また、通信部１５は、飛行体２Ａから送信される異なる複数の種類のデータを受信することができる。制御部１６は、通信部１５が受信した海上データを、通信衛星３へ送信するまでの間、制御部１６が備えるメモリ等に記憶し、バックアップデータとして保存してもよい。
　図６は、飛行体２の回収を示す説明図である。ここでは、制御装置１と飛行体２とがワイヤ４（金属線）などの有線で接続されている。飛行体２は、ワイヤ４の開放部分の長さ調整する調整部２３（ワイヤリール）を備える。調整部２３は、飛行体２が飛行する際に、制御装置１と飛行体２との間の距離に合わせてワイヤ４の開放部分の長さを調節する。開放部分は、調整部２３に巻取られていない部分のワイヤ４の長さであって、制御装置１と飛行体２との間の距離より長くなるように調整される。
　制御装置１の制御部１６は、飛行体２に飛行指令を送信する際に、飛行体２が当該飛行指令での飛行が可能となるように調整部２３を制御する。例えば、制御部１６は、飛行体２を制御装置１から遠くに飛ばす場合は、必要な長さのワイヤ４を調整部２３から引き出すように調整部２３に指示する。
　また、制御部１６は、飛行体２を制御装置１に回収する場合は、ワイヤ４の開放部分の長さが短くなるように、ワイヤ４を巻き取るように調整部２３を指示する。これにより、制御部１６は、飛行中の飛行体２を制御装置１に帰還させることができる。また、飛行体２は制御装置１とワイヤ４で接続されているため、飛行体２が飛行中に故障し、停止してしまった場合もワイヤ４を巻き取ることで制御装置１の待機エリアまで飛行体２を回収することができる。
　また、ワイヤ４が空中で絡まってしまった場合には、制御装置１は、飛行体２の異常を検知してワイヤ４を切り離し、その際に飛行体２の位置情報を制御装置１との相対的な位置関係から特定し、ワイヤ４の先端に強力な電磁石を取り付けることで飛行体２を回収することも可能である。
　具体的には、飛行体２は、ワイヤ４が絡まると制御装置１が指示する飛行ができなくなるため異常を検知し、エラーメッセージを制御装置１に通知する。制御装置１は、エラーメッセージを受信すると、飛行体２にワイヤ４の切り離し指示を送信し、飛行体２は、ワイヤ４を切り離す。これにより、飛行体２から切り離されたワイヤ４の先端は海に落下する。飛行体２も、ワイヤ４を切り離した後に、ワイヤ４の前記先端が落下した位置の近傍の海に落下するものとする。制御装置１は、エラーメッセージを受信した際の飛行体２の位置情報を、制御装置１との相対的な位置関係から特定し、飛行体２が海に落下したであろう地点まで移動し、ワイヤ４の先端に強力な電磁石を取り付け、当該電磁石の磁力を用いて飛行体２を回収してもよい。
　また、制御装置１は、ワイヤ４を用いて、飛行体２へ給電（有線給電）することも可能である。すなわち、制御装置１は、ワイヤ４を給電部１４として用いてもよい。
　図７は、飛行体２への給電を示す説明図である。図７では、飛行中の飛行体２Ａに電波伝送する無線給電と、制御装置１で待機する飛行体２Ｂに非接触で給電する非接触給電の２つの給電方法を示す。
　無線給電部１４１は、飛行中の飛行体２Ａに対してマイクロ波７０１を用いて給電する。この際に、無線給電部１４１は、給電用のマイクロ波を変調することで、電力とともに信号を飛行体２に送信し、飛行体２と通信することができる。すなわち。無線給電部１４１は、給電と同時に、飛行体２に各種の制御情報を送信することができる。
　非接触給電部１４２は、制御装置１に待機している飛行体２Ｂに対して、電磁誘導、磁界共鳴、電界結合等を用いて、非接触で電力７０２を常時供給することができる。
　無線給電部１４１および非接触給電部１４２は、複数の飛行体２Ａ、２Ｂに対して同時に給電することができる。無線給電部１４１は、例えばマルチビームフォーミングを用いることで、複数の飛行体２Ａへの同時給電を実現できる。また、制御装置１の待機エリアに複数の非接触給電部１４２を備えることで、待機中の複数の飛行体２Ｂへの同時給電を実現できる。
　図８は、通信衛星３へのデータ送信を示す説明図である。飛行体２の通信部２１は、自身が測定した海上データ８０１を制御装置１へ送信する。制御装置１の通信部１５は、自身が測定した海洋データと飛行体２から受信した海上データ８０１とを含む測定データ８０２を、通信衛星３に送信する。すなわち、飛行体２が海上データを直接、通信衛星３に送信せずに、近距離の制御装置１に海上データを送信し、制御装置１が通信衛星３に海洋データおよび海上データを一括して送信する。
　これにより、飛行体２の通信に係る消費電力を抑制し、不足しやすい電力を飛行に関する駆動に回すことができる。飛行体２は、飛行中であっても、待機エリアに待機中であっても、海上データを制御装置１に送信することができる。
　なお、飛行体２の通信部２１は、通信衛星３と通信し、海上データ８０３を通信衛星３に直接送信してもよい。この場合、制御装置１および飛行体２は、自身が測定したデータを、それぞれ通信衛星３に送信する。
　図９は、制御装置１の発電を示す説明図である。太陽光発電部１１１は、海面より高い位置に配置され、太陽の光エネルギーを用いて発電する。例えば、太陽光発電部１１１は、待機エリア３０４の外周（中層部３０２）に配置された小型パネル１１１Ａを備える。太陽光発電部１１１により日中に得られた電力は、蓄電部１１２に送られる。
　振動発電部１１２は、波による振動を利用することで発電する。例えば図示する振動発電部１１２（ＭＥＭＳ振動発電素子）は、可動電極１１２Ａと、エレクトレット１１２Ｂと、固定電極１１２Ｃと、ばね１１２Ｄとを備え、波の振動によりエレクトレット１１２Ｂと可動電極１１２Ａとの重なり面積または間隔を変化させることで発電する。振動発電部１１２は、波の振動を用いるため常時発電可能であり、得られた電力は蓄電部１１２に送られる。エレクトレット１１２Ｂは、半永久的な電荷を保持する誘導体である。
　本実施形態の制御装置１は、比較的大きな電流が得られるが夜間の発電が難しい太陽光発電と、得られる電力は大きくないが昼夜問わず常時発電可能な振動発電とを組み合わせることで、安定的な電力供給を実現する。
　次に本実施形態の制御装置１および飛行体２の処理を説明する。
　図１０は、制御装置１によるデータ送信処理を示すフローチャートである。制御装置１は、海中および海面の少なくとも１つの環境を測定し、海洋データを取得する（ステップＳ１１）。制御装置１は、制御情報を飛行体２に送信し、飛行体２を制御する（ステップＳ１２）。なお、ステップＳ１１とステップＳ１２の順番は逆であってもよい。また、ステップＳ１１とステップＳ１２とを同じタイミングで行ってもよい。すなわち、制御装置１は、海洋データを取得するとともに、飛行体２を制御してもよい。
　制御装置１は、飛行体２が測定した海上データを、飛行体２から受信し（ステップＳ１３）、受信した海上データと、海洋データとを通信衛星３に送信する（ステップＳ１４）。
　図１１は、飛行体２による海上データの送信処理を示すフローチャートである。飛行体２は、制御装置１からの制御情報を受信し、制御情報で指定された飛行プログラムに従って海上を飛行する（ステップＳ２１）。飛行体２は、制御情報で指定された位置およびタイミングで海上の環境を測定し、海上データを取得する（ステップＳ２２）。飛行体２は、測定した海上データを、制御装置１に送信する（ステップＳ２３）。
　以上説明した本実施形態の海洋モニタリングシステムは、制御装置１と少なくとも１つの飛行体２とを備え、制御装置１は、海中および海面の少なくとも１つの環境を測定し、海洋データを取得するセンサ部１３と、飛行体２を制御する制御部１６と、飛行体２が測定した海上データを受信する通信部１５と、を備え、飛行体２は、制御装置１の制御に応じて海上の環境を測定し、海上データを取得するセンサ部２４と、海上データを制御装置１に送信する通信部２１と、を備える。
　これにより本実施形態では、海中および海面の少なくとも１つの環境だけでなく、海上の環境をモニタリングすることができる。したがって、海中および海面の海洋データと、周辺の海上データとを対応付けて、相互に補完して用いることができ、データの空間的および時間的網羅性を確保し、信頼性を高め、高度な海洋の環境モニタリングを実現することができる。
　すなわち、制御装置１単体では海面に対し鉛直方向の海上データ（センシング情報）を取得することは困難であるが、飛行体２と組み合わせて持続的なシステムを構築することで鉛直方向を含む制御装置１周辺の詳細な情報を収集することができ、通信衛星３からは得られない実データの収集が可能となり、データ範囲の拡張と高精度化の両面で高度化を実現することができる。
　実用的な海洋センシングを想定すると、膨大な量の制御装置１および飛行体２が必要となるが、本実施形態では、自律運用が可能な制御装置１が少なくとも１つの飛行体２を制御することで、制御装置１および飛行体２を少ないリソースで容易に管理することができる。
　本実施形態では、一般的には運用組織が異なる制御装置１と飛行体２とを連携することで、装置の運送や回収の代行（運送業、ごみ回収業など）、エネルギーの販売・売却（エネルギー供給業）といった副次的な産業の創出・協業体制が見込まれ、プラットフォームとしての運用安定性が向上し、全体としての経済効果も期待できる。また、漁業従事者の高齢化、人手不足、技術継承に関する問題も、本実施形態で遠隔的に得られた情報をもとに漁業従事者の作業をアシストすることによって軽減することができる。
　本実施形態では、制御装置１は発電部１１１および給電部１１２を備え、制御装置１だけでなく飛行体２を駆動する。これにより、飛行体２の駆動時間を延ばし、制御装置１では取得が困難な海上の周辺情報を広範囲に収集することが可能となり、海上データの収集の持続性および継続性を担保することができる。なお、海上を飛行する飛行体２に地上から給電する場合、給電距離が長く位置把握が困難であり十分かつ適切な給電は困難であるが、本実施形態では海洋に配置された制御装置１が給電することで、飛行体２に容易に給電することができる。
　本実施形態では、制御装置１と飛行体２とは、ワイヤ４で接続され、制御装置１または飛行体２は、ワイヤ４の開放部分の長さを調整する調整部２３を備え、制御部１６は、調整部２３を制御し、ワイヤ４の開放部分の長さを短くすることで、飛行体２を制御装置１に回収する。飛行体２を海洋センシングに用いる場合、電池切れや破損等により停止し使えなくなった場合にそのまま海に放置される可能性が高いが、本実施形態では飛行体２をワイヤ４を用いて回収可能であるため、環境保護に配慮したシステムといえる。
　本実施形態では、制御装置１の通信部１５は、海洋データと、飛行体２から受信した海上データとを、通信衛星３に送信する。衛星データと、海上データおよび海洋データとを組み合わせることで、データの空間的、時間的網羅性、高信頼性の確保が期待できる。すなわち、Internet of Things (IoT)のコンセプトで構築される地球上の場所を選ばない自律的なセンサネットワークと、衛星リモートセンシング技術とを連携させることで、地球全体のモニタリング技術としてセンシングをより高度化することができる。すなわち、制御装置１から送信された情報と衛星データとを組み合わせて連動させることで、高付加価値なモニタリング情報を創出することが可能となる。
　例えば、制御装置１および飛行体２のセンサ部１３、２４が測定した様々な情報を通信衛星３に一括して送信し、その膨大な量の情報を衛星センシング条件との情報と合わせて地上局にまとめて送信することで衛星データと海上データおよび海洋データとを合わせた特定のセンサ情報が反映されたデータ信頼性の高い3Dマッピング情報を作成することができる。
　上記説明した制御装置１の制御部１６および通信部１５には、例えば、図１２に示すような汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。図示するコンピュータシステムは、CPU（Central Processing Unit：プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える。メモリ９０２およびストレージ９０３は、記憶装置である。このコンピュータシステムにおいて、CPU９０１がメモリ９０２上にロードされた制御部１６および通信部１５のプログラムを実行することにより、制御部１６および通信部１５の各機能が実現される。
　制御部１６および通信部１５用のプログラムは、HDD（Hard Disk Drive）、SSD（Solid State Drive）、USB（Universal Serial Bus）メモリ、CD (Compact Disc)、DVD (Digital Versatile Disc)などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
　１　：制御装置
　１１：発電部
　１１１：太陽光発電部
　１１２：振動発電部
　１２：蓄電部
　１３：センサ部（第１測定部）
　１４：給電部
　１４１：無線給電部
　１４２：無非接触給電部
　１５：通信部（第１通信部）
　１６：制御部
　２　：飛行体
　２１：通信部（第２通信部）
　２２：受電部
　２３：調整部
　２４：センサ部（第２測定部）
　２５：処理部
　３　：通信衛星
　４　：ワイヤ

Claims (7)

  1. 　制御装置と少なくとも１つの飛行体とを備える海洋モニタリングシステムであって、
    　前記制御装置は、
    　　海中および海面の少なくとも１つの環境を測定し、第１測定データを取得する第１測定部と、
    　　前記飛行体を制御する制御部と、
    　　前記飛行体が測定した第２測定データを受信する第１通信部と、を備え、
    　前記飛行体は、
    　　前記制御装置の制御に応じて海上の環境を測定し、前記第２測定データを取得する第２測定部と、
    　　前記第２測定データを、前記制御装置に送信する第２通信部と、を備える
    　海洋モニタリングシステム。
  2. 　前記第１通信部は、前記第１測定データと、前記飛行体から受信した前記第２測定データとを、通信衛星に送信する
    　請求項１に記載の海洋モニタリングシステム。
  3. 　前記制御装置と前記飛行体とは、ワイヤで接続され、
    　前記制御装置または前記飛行体は、前記ワイヤの開放部分の長さを調整する調整部を備え、
    　前記制御部は、前記調整部を制御し、前記ワイヤの開放部分の長さを短くすることで、前記飛行体を前記制御装置に回収する
    　請求項１または２に記載の海洋モニタリングシステム。
  4. 　前記制御装置は、
    　　飛行中の前記飛行体に電波伝送で給電し、当該制御装置で待機する前記飛行体に非接触で給電する給電部を備える
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の海洋モニタリングシステム。
  5. 　前記制御装置は、
    　　太陽光発電部と、
    　　波の振動を利用した振動発電部と、を備える
    　請求項４に記載の海洋モニタリングシステム。
  6. 　制御装置と少なくとも１つの飛行体とを備える海洋モニタリングシステムにおける、前記制御装置であって、
    　海中および海面の少なくとも１つの環境を測定し、第１測定データを取得する測定部と、
    　海上の環境を測定する前記飛行体を制御する制御部と、
    　前記飛行体が測定した第２測定データを、前記飛行体から受信する通信部と、を備える
    　制御装置。
  7. 　制御装置と少なくとも１つの飛行体とを備える海洋モニタリングシステムが行う海洋モニタリング方法であって、
    　前記制御装置は、
    　　海中および海面の少なくとも１つの環境を測定して第１測定データを取得するとともに、前記飛行体を制御するステップと、
    　　前記飛行体が測定した第２測定データを受信するステップと、を行い、
    　前記飛行体は、
    　　前記制御装置の制御に応じて海上の環境を測定し、前記第２測定データを取得するステップと、
    　　前記第２測定データを、前記制御装置に送信するステップと、を行う
    　海洋モニタリング方法。
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