JP2014035328A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】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水中位置関係情報取得システムを提供する。
【解決手段】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１４_０〜１４_３からなる送波器配列と、1個の受波器２１に置き換える。これにより、各送波器１４_０〜１４_３から送信される音響信号の当該受波器２１への到達時間差を求めることにより、当該送波器１４_０〜１４_３の配列から見た受波器２１の相対位置関係情報を水中航走体２側で得る。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。
【選択図】図２

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。

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。

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。

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。

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。

特開平１０−１１１３５２号公報 特開２００５−３２１２２５号公報

G. Clifford Carter, "Variance bounds for passively locating an acoustic source with a symmetric line array", J. Acoust. Soc. Am.62(4), 922-927 (1977) M. Meister & D. Neumeister, "ADVANCED RANGING SONAR : PASSIVE RANGE MEASUREMENT WITH LINE-ARRAYS", Proceedings of UDT Europe 2006 (2006)

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。

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。

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。

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。

本発明に係る水中位置関係情報取得システムの第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す送波器及び受波器の位置関係を示す説明図である。 本発明に係る水中位置関係情報取得システムの第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。 図３に示す送波器及び受波器の位置関係を示す説明図である。 本発明に係る水中位置関係情報取得システムの第３の実施の形態の構成を示すブロック図である。 図５に示す送波器及び受波器の位置関係を示す説明図である。 本発明に係る水中位置関係情報取得システムの第４の実施の形態における送波器及び受波器の位置関係を示す説明図である。

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。

（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。

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１３_０〜１３_３、送波器１４_０〜１４_３とを備え、送波器１４_０〜１４_３から音響信号を同時に送信する。

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１４_０〜１４_３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１４_０〜１４_３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。

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。

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１４_０〜１４_３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１３_０〜１３_３にそれぞれ同時に出力する。

送信波形処理部１３_０〜１３_３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１４_０〜１４_３にそれぞれ出力する。

送波器１４_０〜１４_３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１３_０〜１３_３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１４_０〜１４_３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１４_０〜１４_３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１４_１と送波器１４_２とを結ぶ線分上に送波器１４_０が配列されている。送波器１４_０を直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点とし、送波器１４_０〜送波器１４_３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１４_３が配列されている。従って、送波器１４_０〜１４_３のそれぞれの座標は、（０，０，０）、（−Ｄ_１，０，０）、（Ｄ_２，０，０）および（０，Ｄ_３，０）で表すことができる。

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。

受波器２１は、送波器１４_０〜１４_３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１４_０から送出された音響信号は、送波器１４_０と受波器２１とを結ぶ直線ｒ_０を伝搬して受波器２１に到達する。同様に、送波器１４_１から送出された音響信号は、送波器１４_１と受波器２１とを結ぶ直線ｒ_１を、送波器１４_２から送出された音響信号は、送波器１４_２と受波器２１とを結ぶ直線ｒ_２を、送波器１４_３から送出された音響信号は、送波器１４_３と受波器２１とを結ぶ直線ｒ_３をそれぞれ伝搬して受波器２１に到達する。

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。

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１４_０〜１４_３から送信されるそれぞれの送信波形と、送波器１４_０〜１４_３の配列情報（送波器１４_０を直交座表系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点とした場合の送波器１４_０〜１４_３のそれぞれの座標）とが記憶されている。

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。

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１４_０〜１４_３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１４_０〜１４_３をそれぞれ特定し、送波器１４_０〜１４_３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ｔ_０〜ｔ_３として到達時間差算出部２５にそれぞれ出力する。

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ｔ_０〜ｔ_３に基づき、
送波器１４_０からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ_０を基準にし、時刻ｔ_０と送波器１４_１からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ_１との到達時間差τ_０１と、時刻ｔ_０と送波器１４_２からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ_２との到達時間差τ_０２と、時刻ｔ_０と送波器１４_３からの送信波形が受波器２１に到達する時刻ｔ_３との到達時間差τ_０３とを算出し、算出した到達時間差τ_０１、到達時間差τ_０２及び到達時間差τ_０３を位置ベクトル算出部２６に出力する。

位置ベクトル算出部２６は、入力された到達時間差τ_０１、到達時間差τ_０２及び到達時τ_０３と、送信情報記憶部２３に記憶されている送波器１４_０〜１４_３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。

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１４_０と受波器２１とを結ぶ直線ｒ_０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τ_０１、到達時間差τ_０２及び到達時間差τ_０３と、送信情報記憶部２３に記憶されている送波器１４_０〜１４_３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。

また、Ｘ座標軸に関する直線ｒ_０の方向余弦角をθ_ｘ、およびＹ座標軸に関する直線ｒ_０の方向余弦角をθ_ｙとそれぞれすると、それぞれの方向余弦ｃｏｓθ_ｘ及びｃｏｓθ_ｙ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。

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Ｐ_ｖ＝［ｘ_ｖ，ｙ_ｖ，ｚ_ｖ］^ｔとすると、水中航走体２の位置ベクトルＰ_ｖ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。

ところで、［数３］式で示されるように、送波器１４_０〜１４_３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１４_０〜１４_３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Ｐ_ｖを曖昧さなく、次式で求めることができる。

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Ｐ_ｖはＺ成分の符号の曖昧さなく求められるものとする。

（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。

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１４_３を除いた構成であり、送波器１４_０〜１４_２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。

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ｚ_ｄ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１４_０〜１４_２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ｚ_ｄは、送波器１４_０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１４_０〜１４_２の配列情報として送波器１４_０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ｚ_ｄが求められる。

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１４_０〜１４_２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ｃｏｓθ_ｘ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ｚ_ｄ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Ｐ_ｖ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。

（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。

受信側装置２０ｂは、受波器２１_０〜２１_２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２２_０〜２２_２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。

ＵＳＢＬ受波器配列は、３つの受波器２１_０〜２１_２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２１_０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２１_１〜２１_２は、Ｙ’−Ｚ’平面に配列され、受波器２１_１は、Ｙ’軸上に、受波器２１_２は、Ｚ’軸上にそれぞれ配列されている。これにより、送波器１４_０から送出された音響信号は、送波器１４_０と受波器２１_０とを結ぶ直線ｒ_０を伝搬して受波器２１_０に到達すると共に、送波器１４_０と受波器２１_１とを結ぶ直線ｒ_０１を伝搬して受波器２１_１に到達し、さらに、送波器１４_０と受波器２１_２とを結ぶ直線ｒ_０２を伝搬して受波器２１_２に到達する。なお、受波器２１_０〜２１_２のそれぞれの座標は、（０，０，０）、（０，ｄ_１，０）および（０，０，ｄ_２）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。

受波器２１_０〜２１_２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２２_０〜２２_２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。

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１４_０から送信された送信波形が受波器２１_１及び受波器２１_２よって受波されたそれぞれの時刻ｔ_１'〜ｔ_２'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ｔ_１'〜ｔ_２'に基づき、送波器１４_０からの送信波形が受波器２１_０に到達する時刻ｔ_０を基準にし、時刻ｔ_０と送波器１４_０からの送信波形が受波器２１_１に到達する時刻ｔ_１'との到達時間差ξ_０１'と、時刻ｔ_０と送波器１４_０からの送信波形が受波器２１_２に到達する時刻ｔ_２'との到達時間差ξ_０２'とを算出し、到達時間差ξ_０１'及び到達時間差ξ_０２'を位置ベクトル算出部２６に出力する。

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ξ_０１'及び到達時間差ξ_０２'と、送信情報記憶部２３ａに記憶されている受波器２１_０〜２１_２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１４_０の位置ベクトル）を算出する。

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１４_０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ｒ_０の方向余弦角をθ_ｙ’、およびＺ’座標軸に関する直線ｒ_０の方向余弦角をθ_ｚ’とそれぞれすると、それぞれの方向余弦ｃｏｓθ_ｙ’及びｃｏｓθ_ｚ’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。

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１４_０の位置ベクトル）をＰ_Ｔ’＝［ｘ_Ｔ’，ｙ_Ｔ’，ｚ_Ｔ’］^ｔとすると、送波器１４_０の位置ベクトルＰ_Ｔ’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。

ところで、［数７］式で示されるように、受波器２１_０〜２１_２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２１_０〜２１_２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１４_０の位置ベクトルＰ_Ｔ’を曖昧さなく、次式で求めることができる。

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１４_０の位置ベクトルＰ_Ｔ’はＸ’成分の符号の曖昧さなく求められるものとする。

ここで、送波器１４_０〜１４_２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１４_０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α_Ｔ、ピッチ角β_Ｔ及びヨー角γ_Ｔ）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２１_０〜２１_２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２１_０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α_Ｖ、ピッチ角β_Ｖ及びヨー角γ_Ｖ）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２１_０）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。

ただし、［数９］式においてΛ_α（ｘ），Λ_β（ｘ），Λ_γ（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）＝Λ_α（−ｘ），Λ^−１ _β（ｘ）＝Λ_β（−ｘ）及びΛ^−１ _γ（ｘ）＝Λ_γ（−ｘ）の関係が成り立つ。

以上のように、第３の実施の形態によれば、送波器１４_０〜１４_２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１４_０〜１４_２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２１_０）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１４_０〜１４_２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Ｐ_ｖのＹ成分が求まる。

（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１４_０〜１４_３が、水中航走体２には、ＵＳＢＬ受波器配列の３つの受波器２１_０〜２１_２がそれぞれ備えられている。

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Ｐ_ｖを［数４］式で求めることができる。

ここで、送波器１４_０〜１４_３は、第３の実施の形態のロール角α_Ｖ、ピッチ角β_Ｖ及びヨー角γ_Ｖに加えて、例えばヨーに関して新たにγ_ＴＡ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。

なお、この場合のＰ_Ｖ ^〜は、当該ベクトルのｘ成分およびｙ成分をｒｃｏｓθ_ｘ、をｒｃｏｓθ_ｙで置き換えることはできず、Ｐ_Ｖ ^〜は以下の式で表される。

この［数１２］式から関係式が得られる。

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γ_ＴＡ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１４_０〜１４_３の地軸に対する新たな回転角γ_ＴＡを知ることができる。新たな回転角度がロールのα_ＴＡである場合又はピッチのβ_ＴＡ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。

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１４_０〜１４_３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１４_０〜１４_３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１４_０〜１４_３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１４_０〜１４_３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。

さらに、第３及び第４の本実施の形態によれば、受波器２１_０〜２１_２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。

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。

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。

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。

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。

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
１３_０〜１３_３ 送信波形処理部
１４_０〜１４_３ 送波器
２０、２０ａ、２０ｂ 受信側装置
２１、２１_０〜２１_２ 受波器
２２、２２_０〜２２_２ 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

Claims (7)

1. 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水中位置関係情報取得システム。
2. 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。
3. 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請求項１又は２記載の水中位置関係情報取得システム。
4. 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。
5. 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ことを特徴とする請求項１又は２記載の水中位置関係情報取得システム。
6. 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受信側装置。
7. 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水中位置関係情報取得方法。

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