JP2014035328A - Underwater positional relation information acquisition system and underwater positional relation information acquisition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＡＵＶ（Autonomous Underwater Vehicle）等の水中航走体と、ドックや母船等の誘導目標との位置関係情報を、水中航走体側で取得する水中位置関係情報取得システム及び水中位置関係情報取得方法に関する。 The present invention relates to an underwater position relationship information acquisition system and underwater position relationship information for acquiring position relationship information between an underwater vehicle such as an AUV (Autonomous Underwater Vehicle) and a guidance target such as a dock or a mother ship on the underwater vehicle side. It relates to the acquisition method.
水中航走体が誘導目標に自動的に接近できるためには、水中航走体と誘導目標との位置関係情報を水中航走体側で知ることが不可欠である。このような位置関係情報を求める手段としては光を含む電磁波を用いるものと音波を用いるものがある。前者の電磁波は、水中での伝搬損失が大きいため位置関係情報が得られる距離範囲はおおよそ数ｍ以内に限られる。一方、後者の音波は、周波数に依存するものの電磁波と比して伝搬損失が小さいため位置関係情報の得られる範囲を数十ｍから数百ｍとすることが可能である。 In order for the underwater vehicle to automatically approach the guidance target, it is essential for the underwater vehicle to know the positional relationship information between the underwater vehicle and the guidance target. As means for obtaining such positional relationship information, there are those using electromagnetic waves including light and those using sound waves. Since the former electromagnetic wave has a large propagation loss in water, the distance range in which the positional relationship information can be obtained is limited to approximately several meters. On the other hand, the latter sound wave has a small propagation loss as compared with the electromagnetic wave although it depends on the frequency, and therefore the range in which the positional relationship information can be obtained can be several tens to several hundreds m.
ところで、音波の送信は光と比べ大きな電力を要する。また、位置関係情報を得るため水中航走体側から音波を送信するようにすれば、複数の水中航走体の同時誘導を想定した場合、水中航走体間で信号の干渉問題が生じ、それを避けようとすると自動誘導システムは極めて複雑なものとなる。従って、水中航走体における消費電力低減や、複数の水中航走体間の干渉問題回避によるシステム簡易化の面で、水中航走体側からは音波を送信しないようにすることが望ましい。 By the way, transmission of sound waves requires a larger amount of power than light. In addition, if sound waves are transmitted from the underwater vehicle in order to obtain positional relationship information, if simultaneous guidance of multiple underwater vehicles is assumed, there will be a signal interference problem between underwater vehicles. If you try to avoid it, the automatic guidance system becomes very complicated. Therefore, it is desirable not to transmit sound waves from the underwater vehicle in terms of reducing power consumption in the underwater vehicle and simplifying the system by avoiding interference problems between a plurality of underwater vehicles.
水中航走体側からは音波を送信しないで、すなわち水中航走体は音波を受信するだけで、所要の位置関係情報を得る方法としては、音源装置における音波の送信時刻と水中航走体における音波の受波時刻とに基づいて、複数の音源装置と水中航走体との距離をそれぞれ求め、水中航走体の位置を計測する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの方法では、音源装置側と水中航走体側とで同期をとったり、音源装置側と水中航走体側とに高精度の時計を設けたりして、音源装置と水中航走体とで時刻を高精度に合わせている。音源装置と水中航走体とで時刻を高精度に合わせるためには、定期的なメンテナンスが必要となり、維持コストが高価なものになってしまう。
As a method for obtaining the necessary positional relationship information without transmitting the sound wave from the underwater vehicle, that is, the underwater vehicle only receives the sound wave, the sound wave transmission time in the sound source device and the sound wave in the underwater vehicle Based on the received time, a technique has been proposed in which distances between a plurality of sound source devices and the underwater vehicle are respectively determined and the position of the underwater vehicle is measured (see, for example,
そこで、音波を出す音源装置側と測位情報を得る水中航走体側とで同期をとることや測位情報を得る側で高精度の時計を必要としない方法として、パッシブレンジングによる方法が知られている（例えば、非特許文献１、２参照）。パッシブレンジングの原理は、測位情報を得る側に３個以上の受波器で構成される受波器配列を置き、当該受波器配列によって音源側からの音波を受信し、当該受波器間の音波到達時間差を求めることで、当該受波器配列と音源との相対位置関係情報を得るものである。当該パッシブレンジングで得られる位置関係情報の内容は用いる受波器配列の形状や当該配列を成す受波器個数で変化する。
Therefore, a method using passive ranging is known as a method that requires synchronization between the sound source device that emits sound waves and the underwater vehicle body that obtains positioning information and does not require a high-precision clock on the side that obtains positioning information. (For example, refer
しかしながら、従来のパッシブレンジングにより位置関係情報を求める場合、信号対雑音比や受波器配列における各受波器取り付け精度を考慮すれば、一般に、受波器配列長を測位最大距離の数％以上にとる必要がある。誘導目標（音源装置）と水中航走体間距離の最大値を例えば５０ｍとすれば、とるべき受波器配列長（一般に基線長といわれる）は１〜２ｍ程度となる。従って、水中航走体を小型化しようとすればするほど、このような基線長を有する受波器配列を水中航走体に装備することは困難になってしまうという問題点があった。 However, when obtaining positional relationship information by conventional passive ranging, the receiver array length is generally more than a few percent of the maximum positioning distance in consideration of the signal-to-noise ratio and the accuracy of mounting each receiver in the receiver array. It is necessary to take If the maximum value of the distance between the guidance target (sound source device) and the underwater vehicle is 50 m, for example, the receiver array length to be taken (generally referred to as the baseline length) is about 1 to 2 m. Therefore, there is a problem that it becomes more difficult to equip the underwater vehicle with a receiver array having such a baseline length as the size of the underwater vehicle is reduced.
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来技術の問題を解決することができる水中位置関係情報取得システム及び水中位置関係情報取得方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the underwater positional relationship information acquisition system and the underwater positional relationship information acquisition method which can solve the problem of a prior art in view of the said problem.
本発明の水中位置関係情報取得システムは、誘導目標に設置された送信側装置から送波された音響信号を、水中航走体に設置された受信側装置で受波することで、前記誘導目標に対する前記水中航走体の位置関係情報を取得する水中位置関係情報取得システムであって、前記送信側装置は、送信波形を生成する送信波形生成手段と、分散して配列され、前記送信波形を前記音響信号として送波する３個以上の送波器とを具備し、前記受信側装置は、３個以上の前記送波器から前記音響信号としてそれぞれ送波された前記送信波形を受波する受波器と、前記受波器によって受波された前記送信波形を送波した前記送波器を特定する送波器特定手段と、該送波器特定手段によって特定された前記送波器と前記受波器によって前記送信波形が受波されたタイミングとに基づいて、３個以上の前記送波器から前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出する到達時間差算出手段と、前記送波器の配列情報が記憶されている送信情報記憶手段と、該送信情報記憶手段に記憶されている前記配列情報と前記到達時間差算出手段によって算出された前記到達時間差とに基づいて、前記誘導目標に対する位置関係情報を算出する位置関係情報算出手段とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明の水中位置関係情報取得システムにおいて、前記送信側装置の送信波形生成手段は、３個以上の前記送波器から送波される前記送信波形を互いに異なる波形で生成させ、前記受信側装置の前記送波器特定手段は、前記受波器によって受波された前記送信波形に基づいて前記送波器を特定するようにしても良い。
さらに、本発明の水中位置関係情報取得システムにおいて、前記位置関係情報算出手段は、前記水中航走体の深度を補完情報として用いて前記位置関係情報を算出することを特徴とするようにしても良い。
さらに、本発明の水中位置関係情報取得システムにおいて、前記受信側装置は、分散して配列された複数の受波器を具備し、前記到達時間差算出手段は、３個以上の前記送波器のうちの少なくとも１つから複数の前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出し、前記位置関係情報算出手段は、前記受波器の配列に設定された局所座標系で見た前記位置関係情報を算出するようにしても良い。
さらに、本発明の水中位置関係情報取得システムにおいて、前記位置関係情報算出手段は、前記受波器の配列の地球座標系に対する向きの情報を補完情報として用いて前記位置関係情報を算出するようにしても良い。
また、本発明の受信側装置は、誘導目標に設置された送信側装置の３個以上の送波器から送波された音響信号を受波することで、前記誘導目標に対する位置関係情報を取得する受信側装置であって、３個以上の前記送波器から前記音響信号としてそれぞれ送波された送信波形を受波する受波器と、前記受波器によって受波された前記送信波形を送波した前記送波器を特定する送波器特定手段と、該送波器特定手段によって特定された前記送波器と前記受波器によって前記送信波形が受波されたタイミングとに基づいて、３個以上の前記送波器から前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出する到達時間差算出手段と、前記送波器の配列情報が記憶されている送信情報記憶手段と、該送信情報記憶手段に記憶されている前記配列情報と前記到達時間差算出手段によって算出された前記到達時間差とに基づいて、前記誘導目標に対する位置関係情報を算出する位置関係情報算出手段とを具備することを特徴とする。
また、本発明の水中位置関係情報取得方法は、誘導目標に設置された送信側装置から送波された音響信号を、水中航走体に設置された受信側装置で受波することで、前記誘導目標に対する前記水中航走体の位置関係情報を取得する水中位置関係情報取得方法であって、前記送信側装置は、送信波形を生成し、生成した送信波形を、分散して配列された３個以上の送波器から前記音響信号として送波し、前記受信側装置は、受波器によって３個以上の前記送波器から前記音響信号としてそれぞれ送波された前記送信波形を受波し、前記受波器によって受波された前記送信波形を送波した前記送波器を特定し、特定した前記送波器と前記受波器によって前記送信波形が受波されたタイミングとに基づいて、３個以上の前記送波器から前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出し、送信情報記憶手段に前記送波器の配列情報を記憶しておき、前記配列情報と算出した前記到達時間差とに基づいて、前記誘導目標に対する位置関係情報を算出することを特徴とする。
The underwater positional relationship information acquisition system of the present invention receives the acoustic signal transmitted from the transmission-side device installed in the guidance target by the reception-side device installed in the underwater vehicle, thereby the guidance target. An underwater positional relationship information acquisition system for acquiring positional relationship information of the underwater vehicle with respect to the transmission side device, wherein the transmission side device is arranged in a distributed manner with transmission waveform generation means for generating a transmission waveform, 3 or more transmitters that transmit as the acoustic signals, and the receiving side device receives the transmission waveforms respectively transmitted as the acoustic signals from the three or more transmitters. A receiver, a transmitter specifying means for specifying the transmitter that has transmitted the transmission waveform received by the receiver, and the transmitter specified by the transmitter specifying means; The transmission waveform is received by the receiver. And arrival time difference calculating means for calculating a difference in arrival time of the transmission waveform from the three or more transmitters to the receiver, and a transmission in which arrangement information of the transmitters is stored. Position relation information calculation for calculating position relation information for the guidance target based on information storage means, the arrangement information stored in the transmission information storage means, and the arrival time difference calculated by the arrival time difference calculation means Means.
Further, in the underwater positional relationship information acquisition system according to the present invention, the transmission waveform generation means of the transmission side device generates the transmission waveforms transmitted from three or more transmitters with different waveforms, and receives the reception. The transmitter specifying means of the side device may specify the transmitter based on the transmission waveform received by the receiver.
Furthermore, in the underwater positional relationship information acquisition system according to the present invention, the positional relationship information calculating means calculates the positional relationship information using the depth of the underwater vehicle as supplementary information. good.
Furthermore, in the underwater positional relationship information acquisition system of the present invention, the receiving side device includes a plurality of receivers arranged in a distributed manner, and the arrival time difference calculating means includes three or more transmitters. Calculating the arrival time difference of the transmission waveform from at least one of them to a plurality of the receivers, and the positional relationship information calculating means is the position viewed in a local coordinate system set in the array of the receivers. The relationship information may be calculated.
Furthermore, in the underwater positional relationship information acquisition system according to the present invention, the positional relationship information calculation means calculates the positional relationship information using information on the orientation of the array of the receivers with respect to the earth coordinate system as complementary information. May be.
In addition, the receiving-side apparatus of the present invention obtains positional relationship information with respect to the guiding target by receiving acoustic signals transmitted from three or more transmitters of the transmitting-side apparatus installed at the guiding target. A receiver that receives transmission waveforms respectively transmitted as the acoustic signals from three or more transmitters, and the transmission waveforms received by the receivers. Based on the transmitter specifying means for specifying the transmitter that has transmitted the wave, the timing at which the transmission waveform is received by the transmitter and the receiver specified by the transmitter specifying means, An arrival time difference calculating means for calculating an arrival time difference of the transmission waveform from three or more of the transmitters to the receiver; a transmission information storage means for storing arrangement information of the transmitters; The sequence information stored in the transmission information storage means and the previous Based on said arrival time difference calculated by the arrival time difference calculating means, characterized by comprising the positional relationship information calculation means for calculating the positional relationship information for the target level.
Further, the underwater positional relationship information acquisition method of the present invention receives the acoustic signal transmitted from the transmission side device installed in the guidance target by the reception side device installed in the underwater vehicle, An underwater positional relationship information acquisition method for acquiring positional relationship information of the underwater vehicle relative to a guidance target, wherein the transmission side device generates a transmission waveform, and the generated transmission waveform is distributed and arranged 3 Waves are transmitted as acoustic signals from more than one transmitter, and the receiving side device receives the transmission waveforms respectively transmitted as acoustic signals from three or more transmitters by receivers. The transmitter that transmits the transmission waveform received by the receiver is identified, and based on the identified transmitter and the timing at which the transmission waveform is received by the receiver. From three or more transmitters to the receiver The arrival time difference of the transmission waveform is calculated, the transmission information storage means stores the arrangement information of the transmitter, and based on the arrangement information and the calculated arrival time difference, the positional relationship information with respect to the guidance target is obtained. It is characterized by calculating.
本発明によれば、音源装置側と水中航走体側とで同期をとることなく、且つ長い基線長の配列物を水中航走体側に装備する必要もなく、音源装置側から送波された送信波形に基づいて水中航走体側で位置関係情報を求めることができるという効果を奏する。 According to the present invention, the transmission transmitted from the sound source device side without synchronization between the sound source device side and the underwater vehicle body, and without the need to equip the underwater vehicle body with an array with a long baseline length. Based on the waveform, the positional relationship information can be obtained on the underwater vehicle body side.
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の水中位置関係情報取得システムは、図１を参照すると、誘導目標１に設定された送信側装置１０と、水中航走体２に設置された受信側装置２０とで構成されている。なお、水中航走体２は、AUV（Autonomous Underwater Vehicle）等の自律型無人潜水機であり、誘導目標１は、水中航走体２が帰還するドックや母船等の基地である。
(First embodiment)
Referring to FIG. 1, the underwater positional relationship information acquisition system according to the first embodiment includes a transmission-
送信側装置１０は、送信波形記憶部１１と、送信波形生成部１２と、送信波形処理部１３０〜１３３、送波器１４０〜１４３とを備え、送波器１４０〜１４３から音響信号を同時に送信する。
The transmission-
送信波形記憶部１１は、フラッシュメモリ等の記憶手段であり、送波器１４０〜１４３から送信する送信波形がそれぞれ記憶されている。送波器１４０〜１４３から送信するそれぞれの送信波形は、互いに異なる波形であり、例えば、Ｍ系列信号やＧｏｌｄ系列信号等の互いに相関性の低い信号である。
The transmission
送信波形生成部１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピューター等の情報処理部である。ＲＯＭには送信波形生成部１２の動作制御を行うための制御プログラムが記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、送信波形生成部１２として機能する。
The transmission
送信波形生成部１２は、送信波形記憶部１１に記憶されている送信波形に基づいて送波器１４０〜１４３から送信する互いに相関性の低い送信波形をそれぞれ生成し、生成した送信波形を送信波形処理部１３０〜１３３にそれぞれ同時に出力する。
Based on the transmission waveform stored in the transmission
送信波形処理部１３０〜１３３は、入力された送信波形に対してＤ／Ａ変換や増幅等の信号処理を施し、信号処理を施した送信波形を送波器１４０〜１４３にそれぞれ出力する。 Transmitting the waveform processing section 13 0-13 3 performs signal processing such as D / A conversion and amplification on the inputted transmitted waveform, respectively the transmission waveform subjected to signal processing to transmitters 14 0-14 3 Output.
送波器１４０〜１４３は、入力された送信波形を音響信号に変換する水中音響トランスデューサであり、送信波形処理部１３０〜１３３からそれぞれ入力された送信波形を音響信号に変換し水中に送出する。これにより、送波器１４０〜１４３から互いに相関性の低い送信波形が音響信号として同時に送出されることになる。
送波器１４０〜１４３は、図２を参照すると、水平面に分散して配列されており、送波器１４１と送波器１４２とを結ぶ線分上に送波器１４０が配列されている。送波器１４０を直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点とし、送波器１４０〜送波器１４３が配列されている直線をＸ軸とすると、Ｘ軸と直交するＹ軸上に送波器１４３が配列されている。従って、送波器１４０〜１４３のそれぞれの座標は、（０，０，０）、（−Ｄ１，０，０）、（Ｄ２，０，０）および（０，Ｄ３，０）で表すことができる。
Transmitters 14 0-14 3, referring to FIG. 2, are arranged distributed in a horizontal plane, the
受信側装置２０は、図１を参照すると、受波器２１と、受波信号処理部２２と、送信情報記憶部２３と、送波器特定部２４と、到達時間差算出部２５と、位置ベクトル算出部２６とを備えている。
Referring to FIG. 1, the receiving-
受波器２１は、送波器１４０〜１４３から送出された音響信号を受波する水中マイクロフォンであり、受波した音響信号を電気信号である受波信号に変換して出力する。図２を参照すると、直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点である送波器１４０から送出された音響信号は、送波器１４０と受波器２１とを結ぶ直線ｒ０を伝搬して受波器２１に到達する。同様に、送波器１４１から送出された音響信号は、送波器１４１と受波器２１とを結ぶ直線ｒ１を、送波器１４２から送出された音響信号は、送波器１４２と受波器２１とを結ぶ直線ｒ２を、送波器１４３から送出された音響信号は、送波器１４３と受波器２１とを結ぶ直線ｒ３をそれぞれ伝搬して受波器２１に到達する。
The
受波信号処理部２２は、受波器２１から出力された受波信号に対して、増幅、直交検波Ａ／Ｄ変換等の信号処理を行い、信号処理を施した受波信号を送波器特定部２４に出力する。
The received
送信情報記憶部２３は、フラッシュメモリ等の記憶手段であり、送波器１４０〜１４３から送信されるそれぞれの送信波形と、送波器１４０〜１４３の配列情報（送波器１４０を直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点とした場合の送波器１４０〜１４３のそれぞれの座標）とが記憶されている。
Transmission
送波器特定部２４、到達時間差算出部２５及び位置ベクトル算出部２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピューター等の情報処理部である。ＲＯＭには送波器特定部２４、到達時間差算出部２５及び位置ベクトル算出部２６の動作制御を行うための制御プログラムが記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、送波器特定部２４、到達時間差算出部２５及び位置ベクトル算出部２６としてそれぞれ機能する。
The
送波器特定部２４は、入力された受波信号と送信情報記憶部２３に記憶されている送波器１４０〜１４３の送信波形との相関を求めることで、入力された受波信号を送出した送波器１４０〜１４３をそれぞれ特定し、送波器１４０〜１４３から送信されたそれぞれの送信波形が受波されたそれぞれのタイミングを時刻ｔ０〜ｔ３として到達時間差算出部２５にそれぞれ出力する。
The
到達時間差算出部２５は、送波器特定部２４から入力された時刻ｔ０〜ｔ３に基づき、
送波器１４０からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ０を基準にし、時刻ｔ０と送波器１４１からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ１との到達時間差τ０１と、時刻ｔ０と送波器１４２からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ２との到達時間差τ０２と、時刻ｔ０と送波器１４３からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ３との到達時間差τ０３とを算出し、算出した到達時間差τ０１、到達時間差τ０２及び到達時間差τ０３を位置ベクトル算出部２６に出力する。
The arrival time
The time t 0 the transmission waveform from the
位置ベクトル算出部２６は、入力された到達時間差τ０１、到達時間差τ０２及び到達時τ０３と、送信情報記憶部２３に記憶されている送波器１４０〜１４３の配列情報とに基づいて、直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で見た航走体２の位置ベクトル（厳密に言えば、受波器２１の位置ベクトル）を算出する。
The position
位置ベクトル算出部２６による直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で見た受波器２１の位置ベクトルの算出動作について詳細に説明する。
送波器１４０と受波器２１とを結ぶ直線ｒ０を、誘導目標１と航走体２を結ぶスラントレンジｒとし、音響信号（音波）の伝搬速度をＣとすると、スラントレンジｒは、入力された到達時間差τ０１、到達時間差τ０２及び到達時間差τ０３と、送信情報記憶部２３に記憶されている送波器１４０〜１４３の配列情報とを用いて、位置ベクトル算出部２６において次式で求めることができる。
The operation of calculating the position vector of the
The straight line r 0 connecting the
また、Ｘ座標軸に関する直線ｒ０の方向余弦角をθｘ、およびＹ座標軸に関する直線ｒ０の方向余弦角をθｙとそれぞれすると、それぞれの方向余弦ｃｏｓθｘ及びｃｏｓθｙは、位置ベクトル算出部２６において次式で求めることができる。
Further, if the direction cosine angle of the straight line r 0 with respect to the X coordinate axis is θ x , and the direction cosine angle of the straight line r 0 with respect to the Y coordinate axis is θ y , the direction cosine cos θ x and cos θ y are the position
従って、直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で見た水中航走体２の位置ベクトル（厳密に言えば、受波器２１の位置ベクトル）をＰｖ＝［ｘｖ，ｙｖ，ｚｖ］ｔとすると、水中航走体２の位置ベクトルＰｖは、位置ベクトル算出部２６において次式で求めることができる。なお、［］ｔのｔは転置を表す。
Therefore, the position vector of the
ところで、［数３］式で示されるように、送波器１４０〜１４３の配列を第１の実施の形態のようにした場合、Ｚ成分の符号判別に関して曖昧さが生じる。しかし、例えば、送波器１４０〜１４３の配列の後方（本実施例の場合は−Ｚ方向）からの音波を遮断するような遮音措置等を講ずればこのような曖昧さをなくすることができ、その場合には、位置ベクトル算出部２６において、水中航走体２の位置ベクトルＰｖを曖昧さなく、次式で求めることができる。
By the way, as shown in the equation [3], when the arrangement of the
以下、他の実施の形態においても、特段の断りがない限り、符号の曖昧さを解消する措置が講じられているものと想定し、水中航走体２の位置ベクトルＰｖはＺ成分の符号の曖昧さなく求められるものとする。
Hereinafter, in other embodiments as well, unless otherwise noted, it is assumed that measures are taken to eliminate the ambiguity of the sign, and the position vector Pv of the
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の水中位置関係情報取得システムは、図３及び図４を参照すると、誘導目標１に設定された送信側装置１０ａと、水中航走体２に設置された受信側装置２０ａとで構成されている。
(Second Embodiment)
The underwater positional relationship information acquisition system according to the second embodiment, referring to FIGS. 3 and 4, includes a
送信側装置１０ａは、第１の実施の形態の送信側装置１０の構成から送波器１４３を除いた構成であり、送波器１４０〜１４２から互いに相関性の低い送信波形を音響信号として同時に送出する。
Transmitting
受信側装置２０ａは、第１の実施の形態の受信側装置２０の構成に加えて、受波器２１の近傍に配置された深度計２７を備えている。図４に示すｚｄは、直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における水中航走体２のＺ成分である。送波器１４０〜１４２が水平面に配列されており、直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺ軸が鉛直軸方向と一致する場合には、水中航走体２のＺ成分ｚｄは、送波器１４０と受波器２１との深度差となる。従って、送信情報記憶部２３に送波器１４０〜１４２の配列情報として送波器１４０の深度が記憶されていると、深度計２７によって計測された深度に基づいて、水中航走体２のＺ成分ｚｄが求められる。
The receiving
図４に示すように、直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ軸上に並んだ3個の送波器１４０〜１４２から送出される送信波形のみでは、スラントレンジｒと方向余弦ｃｏｓθｘとが求まるだけであるが、深度計２７によって計測された深度に基づいて水中航走体２のＺ成分ｚｄを求めることができるため、水中航走体２の位置ベクトルＰｖは、Ｙ成分の符号の曖昧さを伴うものの、位置ベクトル算出部２６において次式で求めることができる。
As shown in FIG. 4, the slant range r and direction are determined only by the transmission waveforms transmitted from the three
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態の水中位置関係情報取得システムは、図５及び図６を参照すると、第２の実施の形態と同一構成の送信側装置１０ａと、水中航走体２に設置された受信側装置２０ｂとで構成されている。
(Third embodiment)
With reference to FIGS. 5 and 6, the underwater positional relationship information acquisition system according to the third embodiment is configured to receive the
受信側装置２０ｂは、受波器２１０〜２１２からなるＵＳＢＬ（Ultra Short BaseLine）受波器配列の受波器アレイと、受波信号処理部２２０〜２２２と、送信情報記憶部２３ａと、送波器特定部２４ａと、到達時間差算出部２５ａと、位置ベクトル算出部２６ａと、水中航走体２のヘディングの方向、ロール角及びピッチ角を測る方位姿勢センサ２８とを備えている。
Receiving
ＵＳＢＬ受波器配列は、３つの受波器２１０〜２１２がL字型に配列されたものである。図６に示すように、受波器２１０を直交座表系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）の原点とし、Ｘ’軸を水中航走体２の船軸とすると、受波器２１１〜２１２は、Ｙ’−Ｚ’平面に配列され、受波器２１１は、Ｙ’軸上に、受波器２１２は、Ｚ’軸上にそれぞれ配列されている。これにより、送波器１４０から送出された音響信号は、送波器１４０と受波器２１０とを結ぶ直線ｒ０を伝搬して受波器２１０に到達すると共に、送波器１４０と受波器２１１とを結ぶ直線ｒ０１を伝搬して受波器２１１に到達し、さらに、送波器１４０と受波器２１２とを結ぶ直線ｒ０２を伝搬して受波器２１２に到達する。なお、受波器２１０〜２１２のそれぞれの座標は、（０，０，０）、（０，ｄ１，０）および（０，０，ｄ２）で表すことができ、この座標は、送信情報記憶部２３ａに受波器配列情報として記憶されている。
USBL receivers sequences are those three receivers 21 0-21 2 are arranged in an L shape. As shown in FIG. 6, the
受波器２１０〜２１２によって受波された音響信号は、受波信号に変換され、それぞれ受波信号処理部２２０〜２２２によって信号処理が施され、送波器特定部２４ａに入力される。
The acoustic signals received by the
送波器特定部２４ａは、先の実施の形態における送波器特定部２４の機能に加え、送波器１４０から送信された送信波形が受波器２１１及び受波器２１２よって受波されたそれぞれの時刻ｔ１'〜ｔ２'を到達時間差算出部２５ａにそれぞれ出力する。
到達時間差算出部２５ａは、先の実施の形態における到達時間差算出部２５の機能に加え、送波器特定部２４から入力された時刻ｔ１'〜ｔ２'に基づき、送波器１４０からの送信波形が受波器２１０に到達する時刻ｔ０を基準にし、時刻ｔ０と送波器１４０からの送信波形が受波器２１１に到達する時刻ｔ１'との到達時間差ξ０１'と、時刻ｔ０と送波器１４０からの送信波形が受波器２１２に到達する時刻ｔ２'との到達時間差ξ０２'とを算出し、到達時間差ξ０１'及び到達時間差ξ０２'を位置ベクトル算出部２６に出力する。
Arrival time
位置ベクトル算出部２６ｂは、先の実施の形態における位置ベクトル算出部２６の機能に加え、入力された到達時間差ξ０１'及び到達時間差ξ０２'と、送信情報記憶部２３ａに記憶されている受波器２１０〜２１２の配列情報とに基づいて、直交座表系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）で見た誘導目標１の位置ベクトル（厳密に言えば、送波器１４０の位置ベクトル）を算出する。
In addition to the function of the position
位置ベクトル算出部２６ｂによる直交座表系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）で見た送波器１４０の位置ベクトルの算出動作について詳細に説明する。
Ｙ’座標軸に関する直線ｒ０の方向余弦角をθｙ’、およびＺ’座標軸に関する直線ｒ０の方向余弦角をθｚ’とそれぞれすると、それぞれの方向余弦ｃｏｓθｙ’及びｃｏｓθｚ’は、位置ベクトル算出部２６において次式で求めることができる。
Orthogonal coordinates were based by the position vector calculating unit 26b (X ', Y', Z ') will be described in detail the operation of calculating the position vector of the
When the direction cosine angle of the straight line r 0 with respect to the Y ′ coordinate axis is θ y ′ and the direction cosine angle of the straight line r 0 with respect to the Z ′ coordinate axis is θ z ′ , the respective direction cosines cos θ y ′ and cos θ z ′ are positions. In the
従って、直交座表系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）で見た誘導目標１の位置ベクトル（厳密に言えば、送波器１４０の位置ベクトル）をＰＴ’＝［ｘＴ’，ｙＴ’，ｚＴ’］ｔとすると、送波器１４０の位置ベクトルＰＴ’は、位置ベクトル算出部２６ａにおいて次式で求めることができる。なお、ｒは、［数１］式で求めたスラントレンジである。
Therefore, the orthogonal coordinates were based (X ', Y', Z ') at a position vector (strictly speaking, the position vector of the
ところで、［数７］式で示されるように、受波器２１０〜２１２の配列を第３の実施の形態のようにした場合、Ｘ’成分の符号判別に関して曖昧さが生じる。しかし、例えば、受波器２１０〜２１２の配列の後方（本実施例の場合は−Ｘ’方向）からの音波を遮断するような遮音措置等を講ずればこのような曖昧さをなくすることができ、その場合には、位置ベクトル算出部２６ａにおいて、送波器１４０の位置ベクトルＰＴ’を曖昧さなく、次式で求めることができる。
By the way, as shown in [Expression 7], when the arrangement of the
以下、第３の実施の形態においては、特段の断りがない限り、符号の曖昧さを解消する措置が講じられているものと想定し、送波器１４０の位置ベクトルＰＴ’はＸ’成分の符号の曖昧さなく求められるものとする。
Hereinafter, in the third embodiment, unless otherwise mentioned, it assumes that measures to eliminate the ambiguity of the code have been taken, the position vector P T of
ここで、送波器１４０〜１４２が配列されている直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のいわゆる地球座標系に対する回転角が水中航走体２（位置ベクトル算出部２６ａ）側において既知であると仮定する。すなわち、原点を送波器１４０に置き、経度軸をx座標軸、鉛直をz軸とする座標系を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、当該座標系に対する直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の回転（ロール角αＴ、ピッチ角βＴ及びヨー角γＴ）が水中航走体２（位置ベクトル算出部２６ａ）側において既知である。また、方位姿勢センサ２８によって水中航走体２のヘディングの方向と、ロール角、ピッチ角を測定され、受波器２１０〜２１２が配列されている直交座表系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）のいわゆる地球座標系に対する回転角が水中航走体２（位置ベクトル算出部２６ａ）側において既知であると仮定する。すなわち、原点を受波器２１０に置き、経度軸をx座標軸、鉛直をz軸とする座標系を（ｘ’，ｙ’，ｚ’）とし、当該座標系に対する直交座表系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）の回転（ロール角αＶ、ピッチ角βＶ及びヨー角γＶ）が水中航走体２（位置ベクトル算出部２６ａ）側において既知である。さらに、いずれの場合も、軸が上向きに傾く角度をピッチの正、軸が下向きに傾く角度をロールの正および軸が地軸から時計回りに回転する角度をヨーの正であるとする。そうすると、直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）でみた水中航走体２（受波器２１０）の位置ベクトルは、位置ベクトル算出部２６ａにおいて次式で求めることができる。
Here, the rotation angle of the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) in which the
ただし、［数９］式においてΛα（ｘ），Λβ（ｘ），Λγ（ｘ）はそれぞれロール、ピッチおよびヨーに関する以下で示されるような変換行列であり、Λ−１ α（ｘ）＝Λα（−ｘ），Λ−１ β（ｘ）＝Λβ（−ｘ）及びΛ−１ γ（ｘ）＝Λγ（−ｘ）の関係が成り立つ。 In Equation 9, Λ α (x), Λ β (x), and Λ γ (x) are transformation matrices as shown below for roll, pitch, and yaw, respectively, and Λ −1 α (x ) = Λ α (−x), Λ −1 β (x) = Λ β (−x) and Λ −1 γ (x) = Λ γ (−x).
以上のように、第３の実施の形態によれば、送波器１４０〜１４２の向きが任意、すなわち、ドック等の誘導目標１が任意の向きであったとしても、送波器１４０〜１４２が配列されている直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で見た水中航走体２（受波器２１０）の位置を、水中航走体２側において算出することができる。なお、第２の実施の形態で示したような送波器１４０〜１４２の配列であっても、送波器配列を本実施例のようにした場合でも、位置ベクトルＰｖのＹ成分が求まる。
As described above, according to the third embodiment, the
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の水中位置関係情報取得システムは、第１の実施の形態に、第３の実施の形態の機能を付加したシステムであり、図７に示すように、誘導目標１には、４個の送波器１４０〜１４３が、水中航走体２には、ＵＳＢＬ受波器配列の３つの受波器２１０〜２１２がそれぞれ備えられている。
(Fourth embodiment)
The underwater positional relationship information acquisition system of the fourth embodiment is a system in which the function of the third embodiment is added to the first embodiment, and as shown in FIG. Four
第４の実施の形態では、位置ベクトル算出部２６において、水中航走体２の位置ベクトルＰｖを［数４］式で求めることができる。
In the fourth embodiment, the position
ここで、送波器１４０〜１４３は、第３の実施の形態のロール角αＶ、ピッチ角βＶ及びヨー角γＶに加えて、例えばヨーに関して新たにγＴＡの回転が生ずるものとする。そうすると以下の式が成り立つ。
Here, the
なお、この場合のＰＶ 〜は、当該ベクトルのｘ成分およびｙ成分をｒｃｏｓθｘ、をｒｃｏｓθｙで置き換えることはできず、ＰＶ 〜は以下の式で表される。 In this case, P V ˜ cannot replace the x component and y component of the vector with r cos θ x and r cos θ y , and P V ˜ is expressed by the following equation.
この［数１２］式から関係式が得られる。 A relational expression is obtained from this [Equation 12].
従って、水中航走体２において［数１３］式にヒットするような角度γＴＡを求めるならば、水中航走体２（位置ベクトル算出部２６ａ）側において、送波器１４０〜１４３の地軸に対する新たな回転角γＴＡを知ることができる。新たな回転角度がロールのαＴＡである場合又はピッチのβＴＡである場合も同様となる。第４の実施の形態によれば、ドック等の誘導目標１が船舶などに取り付けられ、ヨー等が時間とともに変化するような場合でも、ドック等の誘導目標１からの通信手段を要することなく、当該ドック等の誘導目標１の向きを水中航走体２（位置ベクトル算出部２６ａ）側において算出することができる。
Accordingly, the
以上説明したように、第１及び第２の実施の形態によれば、従来のパッシブレンジングの１個の音源（送波器）と３個以上の受波器という組み合わせを、３個以上の送波器１４０〜１４３からなる送波器配列と、１個の受波器２１に置き換える、「逆パッシブレンジング」の構成を備えている。これにより、水中航走体２側から音波を送信する必要がないことに加え、長い基線長の配列物を水中航走体２側に装備する必要もなくなるという利点がある。さらに、各送波器１４０〜１４３から送信される音響信号の受波器２１への到達時間差を求めることにより、送波器１４０〜１４３の配列から見た受波器の相対位置関係情報を水中航走体２側で得る構成になっているため、３個以上の送波器１４０〜１４３からは、水中航走体２側時計とは非同期に送波することができる。
As described above, according to the first and second embodiments, a combination of one sound source (transmitter) and three or more receivers of conventional passive ranging is combined with three or more transmitters. It has a “reverse passive ranging” configuration in which a transmitter array composed of the
さらに、第３及び第４の本実施の形態によれば、受波器２１０〜２１２からなる受波器配列を用い、送波器配列の少なくとも1つの送波器からの信号を受波器配列で受信して当該各受波器間の到達時間差を求めることにより、水中航走体２側において当該送波器と受波器配列間を結ぶ直線が当該受波器配列に置かれた座標系の直交する座標軸の２つ以上に対する方向余弦を求めるように構成されている。これにより、受波器配列の座標系に対する方向余弦を得ることができ、水中航走体２の誘導制御にとってより有効な新たな位置関係情報を水中航走体２側で得ることができる。
Furthermore, according to the third and fourth embodiment, using the receivers array of
さらに、第２の実施の形態によれば、水中航走体２の深度を補完情報として用いることで、送波器個数を３とした直線配列の送波器配列の場合でも、３次元位置関係情報を曖昧さなく得られるという利点がある。
Furthermore, according to the second embodiment, by using the depth of the
さらに、第４の実施の形態によれば、水中航走体２に自身の地軸に対するヘディング方向と自身の姿勢角とを測る方位姿勢センサを取り付けることによって、送波器配列の向き（送波器配列を取り付けたドックなどの誘導目標１の向き）を水中航走体２側で知ることができる。従って、送波器配列が船舶などに取り付けられ、その向きが時間とともに変化する場合でも、当該向きを水中航走体２側において、通信手段を用いなくても知ることができるという利点がある。
Furthermore, according to the fourth embodiment, the orientation of the transmitter array (transmitter) is attached to the
さらに、第１乃至第４の本実施の形態によれば、水中航走体２側から音波を送信することはない逆パッシブレンジングと水中航走体２側の受波器配列による方向測定によるものであるから、誘導対象の航走体が複数となっても誘導システムに付加的機能は不要であり、水中航走体２の群誘導などへの適用も容易であるという利点を有する。
Further, according to the first to fourth embodiments, the reverse passive ranging that does not transmit sound waves from the
なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious that the embodiments can be appropriately changed within the scope of the technical idea of the present invention. In addition, the number, position, shape, and the like of the constituent members are not limited to the above-described embodiment, and can be set to a suitable number, position, shape, and the like in practicing the present invention. In each figure, the same numerals are given to the same component.
１ 誘導目標
２ 水中航走体
１０、１０ａ 送信側装置
１１ 送信波形記憶部
１２ 送信波形生成部
１３０〜１３３ 送信波形処理部
１４０〜１４３ 送波器
２０、２０ａ、２０ｂ 受信側装置
２１、２１０〜２１２ 受波器
２２、２２０〜２２２ 受波信号処理部
２３、２３ａ 送信情報記憶部
２４、２４ａ 送波器特定部
２５、２５ａ 到達時間差算出部
２６、２６ａ 位置ベクトル算出部
２７ 深度計
２８ 方位姿勢センサ
1 induced
Claims (7)
前記送信側装置は、
送信波形を生成する送信波形生成手段と、
分散して配列され、前記送信波形を前記音響信号として送波する３個以上の送波器とを具備し、
前記受信側装置は、
３個以上の前記送波器から前記音響信号としてそれぞれ送波された前記送信波形を受波する受波器と、
前記受波器によって受波された前記送信波形を送波した前記送波器を特定する送波器特定手段と、
該送波器特定手段によって特定された前記送波器と前記受波器によって前記送信波形が受波されたタイミングとに基づいて、３個以上の前記送波器から前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出する到達時間差算出手段と、
前記送波器の配列情報が記憶されている送信情報記憶手段と、
該送信情報記憶手段に記憶されている前記配列情報と前記到達時間差算出手段によって算出された前記到達時間差とに基づいて、前記誘導目標に対する位置関係情報を算出する位置関係情報算出手段とを具備することを特徴とする水中位置関係情報取得システム。 By receiving the acoustic signal transmitted from the transmitting device installed in the guidance target by the receiving device installed in the underwater vehicle, the positional relationship information of the underwater vehicle with respect to the guidance target is obtained. An underwater position-related information acquisition system for acquiring,
The transmitting device is:
Transmission waveform generation means for generating a transmission waveform;
Including three or more transmitters arranged in a distributed manner and transmitting the transmission waveform as the acoustic signal,
The receiving side device
A receiver for receiving the transmission waveform respectively transmitted as the acoustic signal from three or more transmitters;
A transmitter specifying means for specifying the transmitter that has transmitted the transmission waveform received by the receiver;
Based on the transmitter specified by the transmitter specifying means and the timing at which the transmission waveform is received by the receiver, the three or more transmitters to the receiver are used. Arrival time difference calculating means for calculating the arrival time difference of the transmission waveform;
Transmission information storage means in which arrangement information of the transmitter is stored;
Positional relation information calculating means for calculating positional relation information for the guidance target based on the arrangement information stored in the transmission information storage means and the arrival time difference calculated by the arrival time difference calculating means. Underwater positional relationship information acquisition system characterized by that.
前記受信側装置の前記送波器特定手段は、前記受波器によって受波された前記送信波形に基づいて前記送波器を特定することを特徴とする請求項１記載の水中位置関係情報取得システム。 The transmission waveform generation means of the transmission side device generates the transmission waveforms transmitted from three or more transmitters in different waveforms,
2. The underwater positional relationship information acquisition according to claim 1, wherein the transmitter specifying unit of the receiving side device specifies the transmitter based on the transmission waveform received by the receiver. system.
分散して配列された複数の受波器を具備し、
前記到達時間差算出手段は、３個以上の前記送波器のうちの少なくとも１つから複数の前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出し、
前記位置関係情報算出手段は、前記受波器の配列に設定された局所座標系で見た前記位置関係情報を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水中位置関係情報取得システム。 The receiving side device
A plurality of receivers arranged in a distributed manner;
The arrival time difference calculating means calculates the arrival time difference of the transmission waveform from at least one of the three or more transmitters to the plurality of receivers,
The underwater positional relationship according to any one of claims 1 to 3, wherein the positional relationship information calculating means calculates the positional relationship information viewed in a local coordinate system set in the array of the receivers. Information acquisition system.
３個以上の前記送波器から前記音響信号としてそれぞれ送波された送信波形を受波する受波器と、
前記受波器によって受波された前記送信波形を送波した前記送波器を特定する送波器特定手段と、
該送波器特定手段によって特定された前記送波器と前記受波器によって前記送信波形が受波されたタイミングとに基づいて、３個以上の前記送波器から前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出する到達時間差算出手段と、
前記送波器の配列情報が記憶されている送信情報記憶手段と、
該送信情報記憶手段に記憶されている前記配列情報と前記到達時間差算出手段によって算出された前記到達時間差とに基づいて、前記誘導目標に対する位置関係情報を算出する位置関係情報算出手段とを具備することを特徴とする受信側装置。 A receiving-side apparatus that acquires positional relationship information with respect to the guiding target by receiving acoustic signals transmitted from three or more transmitters of the transmitting-side apparatus installed in the guiding target,
A receiver for receiving transmission waveforms respectively transmitted as the acoustic signals from three or more transmitters;
A transmitter specifying means for specifying the transmitter that has transmitted the transmission waveform received by the receiver;
Based on the transmitter specified by the transmitter specifying means and the timing at which the transmission waveform is received by the receiver, the three or more transmitters to the receiver are used. Arrival time difference calculating means for calculating the arrival time difference of the transmission waveform;
Transmission information storage means in which arrangement information of the transmitter is stored;
Positional relation information calculating means for calculating positional relation information for the guidance target based on the arrangement information stored in the transmission information storage means and the arrival time difference calculated by the arrival time difference calculating means. A receiving-side device.
前記送信側装置は、送信波形を生成し、生成した送信波形を、分散して配列された３個以上の送波器から前記音響信号として送波し、
前記受信側装置は、受波器によって３個以上の前記送波器から前記音響信号としてそれぞれ送波された前記送信波形を受波し、
前記受波器によって受波された前記送信波形を送波した前記送波器を特定し、
特定した前記送波器と前記受波器によって前記送信波形が受波されたタイミングとに基づいて、３個以上の前記送波器から前記受波器への前記送信波形の到達時間差を算出し、
送信情報記憶手段に前記送波器の配列情報を記憶しておき、
前記配列情報と算出した前記到達時間差とに基づいて、前記誘導目標に対する位置関係情報を算出することを特徴とする水中位置関係情報取得方法。 By receiving the acoustic signal transmitted from the transmitting device installed in the guidance target by the receiving device installed in the underwater vehicle, the positional relationship information of the underwater vehicle with respect to the guidance target is obtained. An underwater position-related information acquisition method to be acquired,
The transmission side device generates a transmission waveform, and transmits the generated transmission waveform as the acoustic signal from three or more transmitters arranged in a dispersed manner.
The receiving side device receives the transmission waveforms respectively transmitted as the acoustic signals from three or more transmitters by a receiver,
Identify the transmitter that has transmitted the transmission waveform received by the receiver,
Based on the identified transmitter and the timing at which the transmission waveform is received by the receiver, the arrival time difference of the transmission waveform from the three or more transmitters to the receiver is calculated. ,
Store the arrangement information of the transmitter in the transmission information storage means,
An underwater positional relationship information acquisition method comprising calculating positional relationship information with respect to the guidance target based on the arrangement information and the calculated arrival time difference.
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