特開 2024-141385 水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024141385

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/52 20060101AFI20241003BHJP

   G01S 15/74 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

G01S7/52 E

G01S15/74

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023052992

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】中野 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】藤島 泰郎

(72)【発明者】

【氏名】長倉 博

(72)【発明者】

【氏名】池田 幸一郎

(72)【発明者】

【氏名】西野 宏

【テーマコード（参考）】

5J083

【Ｆターム（参考）】

5J083AA03

5J083AB14

5J083AC28

5J083AD04

5J083AD17

5J083AE03

5J083AF18

5J083BA10

5J083BC01

(57)【要約】

【課題】容易に測位対象機器の分離が可能な水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラムを提供する。
【解決手段】水中測位装置５０は、複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、グループ毎に異なる所定の周波数をグループに割り当てるグルーピング部５１と、異なる所定の周波数の送信信号を送信する送信部５２と、測位対象機器からの応答信号であって、グルーピング部５１によって割り当てられた所定の周波数の応答信号を受信する受信部５３と、受信した応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う周波数分離部５４と、帯域分離した応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１のグループに含まれる複数の測位対象機器の同時測位および通信を行うアレイ処理部５５と、を含み、複数のグループのうち同一グループごとに同一周波数の応答信号が測位対象機器から送信される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、前記グループ毎に異なる所定の周波数を前記グループに割り当てるグルーピング部と、
複数の異なる前記所定の周波数の送信信号を送信する送信部と、
前記送信信号に対する複数の前記測位対象機器からの応答信号であって、前記グルーピング部によって割り当てられた前記所定の周波数の該応答信号を受信する受信部と、
受信した前記応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う周波数分離部と、
帯域分離した前記応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１の前記グループに含まれる複数の前記測位対象機器の同時測位および複数の前記測位対象機器との通信を行うアレイ処理部と、
を含み、
複数の前記グループのうち同一グループごとに同一周波数の前記応答信号が前記測位対象機器から送信される、水中測位装置。

【請求項2】

前記アレイ信号処理において、遅延和整相処理を行い、前記測位対象機器の水平方向及び距離を特定する請求項１に記載の水中測位装置。

【請求項3】

前記アレイ信号処理において、適応整相処理を行い、前記測位対象機器の水平方向及び距離を特定する請求項１に記載の水中測位装置。

【請求項4】

前記受信部は、受波器を直線状に並べた直線アレイである請求項１に記載の水中測位装置。

【請求項5】

前記受信部は、受波器を円状に並べ、円形外側を向くように配置される請求項１に記載の水中測位装置。

【請求項6】

前記受信部は、受波器を直線状に並べた直線アレイを組み合わせた多角形型であり、
前記受波器は、前記多角形型の各辺の垂直方向を向くように配置される請求項１に記載の水中測位装置。

【請求項7】

請求項１に記載の水中測位装置を備える水中航走体。

【請求項8】

請求項７に記載の水中航走体と、
前記測位対象機器を備える複数の測位対象航走体と、を備える水中測位システム。

【請求項9】

複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、前記グループ毎に異なる所定の周波数を前記グループに割り当てるグルーピング工程と、
複数の異なる前記所定の周波数の送信信号を送信する送信工程と、
前記送信信号に対する複数の前記測位対象機器からの応答信号であって、前記グルーピング工程によって割り当てられた前記所定の周波数の該応答信号を受信する受信工程と、
受信した前記応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う周波数分離工程と、
帯域分離した前記応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１の前記グループに含まれる複数の前記測位対象機器の同時測位および複数の前記測位対象機器との通信を行うアレイ処理工程と、
をコンピュータに実行させ、
複数の前記グループのうち同一グループごとに同一周波数の前記応答信号が前記測位対象機器から送信される、水中測位方法。

【請求項10】

請求項９に記載の水中測位方法をコンピュータに実行させるための水中測位プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

水中において音響信号を用いて機器の位置を計測する測位手法として、ＳＳＢＬ（Super Short Base Line、超短基線）方式が挙げられる。ＳＳＢＬ方式では、自身が発信する質問信号に対して測位対象機器が応答信号を返信するときの、発信から受信までの時間差に基づき測距を行うと同時に、複数の受波器を短い間隔で配置しておき、各受波器で受信した測位対象機器からの応答信号の位相差を計測することで到来した応答信号の測角を行い、測位対象機器の位置を算出する。例えば、特許文献１には、受波した応答信号を直交検波、ダウンサンプリング、ローパスフィルタの処理を実施し、測位精度を向上させることが開示されている。特許文献１では、処理後の応答信号に対する相関関数の最大位時刻となる時間差から、測位対象機器の位置を求めている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４９６８８２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１の発明では、ＳＢＬ（Ｓｈｏｒｔ Ｂａｓｅ Ｌｉｎｅ、短基線）方式を用いており、ＳＢＬ方式やＳＳＢＬ方式では、同じ周波数で同時に複数の方向から音波が到来すると、正しく計測できないという問題があった。

【0005】

ＳＳＢＬ方式を用いて複数の測位対象機器を同時に測位するためには、機器ごとに異なる周波数を割り当てておき、ＳＳＢＬ受信機では周波数ごとの応答信号を個別に分離および抽出した上で各周波数について位相差を計測する必要がある。しかし、使用可能な周波数帯域の数には上限があり、同時測位可能な機器の数が制限されてしまう。

【0006】

また１台の受信機（親機）が多数の測位対象機器（子機）を測位、および、多数の測位対象機器（子機）と通信しながら群れを形成して行動する群制御に対してＳＳＢＬ方式の適用を想定する場合、ＳＳＢＬ方式では、受信機（親機）の周波数帯域の数で管制可能な測位対象機器（子機）の数が制限される。受信機（親機）が有する周波数帯域の数以上の測位対象機器（子機）を管制する場合は、測位対象機器（子機）をいくつかのグループに分割し、時分割でグループ毎に順次計測することが考えられる。しかし、時分割方式を用いると、全ての測位対象機器（子機）の測位および通信を一巡させるには、数相応の時間を要することとなる。全ての測位対象機器（子機）の測位および通信を一巡するのに要する時間が長時間となると、測位対象機器（子機）の陣形が密な場合や、障害物回避などの緊急行動を行う場合に即時対応がとりづらく、時分割方式は不利となる。

【0007】

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、容易に複数の測位対象機器を分離可能な水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本開示の水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラムは以下の手段を採用する。
本開示の水中測位装置は、複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、前記グループ毎に異なる所定の周波数を前記グループに割り当てるグルーピング部と、複数の異なる前記所定の周波数の送信信号を送信する送信部と、前記送信信号に対する複数の前記測位対象機器からの応答信号であって、前記グルーピング部によって割り当てられた前記所定の周波数の該応答信号を受信する受信部と、受信した前記応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う周波数分離部と、帯域分離した前記応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１の前記グループに含まれる複数の前記測位対象機器の同時測位および複数の前記測位対象機器との通信を行うアレイ処理部と、を含み、複数の前記グループのうち同一グループごとに同一周波数の前記応答信号が前記測位対象機器から送信される。

【0009】

本開示の水中航走体は、前述の水中測位装置を備える。

【0010】

本開示の水中測位システムは、前述の水中航走体と、測位対象機器を備える複数の測位対象航走体と、を備える。

【0011】

本開示の水中測位方法は、複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、前記グループ毎に異なる所定の周波数を前記グループに割り当てるグルーピング工程と、複数の異なる前記所定の周波数の送信信号を送信する送信工程と、前記送信信号に対する複数の前記測位対象機器からの応答信号であって、前記グルーピング工程によって割り当てられた前記所定の周波数の該応答信号を受信する受信工程と、受信した前記応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う周波数分離工程と、帯域分離した前記応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１の前記グループに含まれる複数の前記測位対象機器の同時測位および複数の前記測位対象機器との通信を行うアレイ処理工程と、をコンピュータに実行させ、複数の前記グループのうち同一グループごとに同一周波数の前記応答信号が前記測位対象機器から送信される。

【0012】

本開示の水中測位プログラムは、前述の水中測位方法をコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、水中測位装置が測位対象機器の同時測位や通信を行う場合に、同時に管制できる測位対象機器の数の制限数を多くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本開示の幾つかの実施形態における水中測位システムを示す図である。

【図2】本開示の幾つかの実施形態における制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

【図3】本開示の幾つかの実施形態における水中測位装置の機能の一例を示す図である。

【図4】本開示の幾つかの実施形態における水中測位装置の送受信処理を示す図である。

【図5】本開示の幾つかの実施形態における周波数分離部およびアレイ処理部による処理を示す図である。

【図6】本開示の幾つかの実施形態における受波器の設置形態の一例を示す図である。

【図7】本開示の幾つかの実施形態における受波器の待ち受け状態の一例を示す図である。

【図8】本開示の幾つかの実施形態における整相処理を示す図である。

【図9】本開示の幾つかの実施形態における復調処理を示す図である。

【図10】本開示の幾つかの実施形態における水中測位装置の制御フローを示す図である。

【図11】本開示の幾つかの実施形態における適応整相処理を示す図である。

【図12】本開示の幾つかの実施形態における受波器の設置形態の一例を示す図である。

【図13】本開示の幾つかの実施形態における受波器の設置形態の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、本開示に係る水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本開示の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は、本開示の幾つかの実施形態における水中測位システムを示す図である。
図１に示すように、水中測位システム１は、親機となる水中航走体１０と、子機となる測位対象航走体２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆと、水中測位装置５０と、を備えている。
以下の説明において、各測位対象航走体２１、２２、２３、２４を区別する場合は、末尾にａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅまたはｆのいずれかを付し、各測位対象航走体２１、２２、２３、２４を区別しない場合は、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅまたはｆを省略する。

【0016】

水中航走体１０は、複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４の位置などを測定するための水中測位装置５０を備え、航行する。水中航走体１０は、図１に示されるように水中を航行するが、水面を移動してもよい。

【0017】

測位対象航走体２１、２２、２３、２４は複数存在し、各測位対象航走体２１、２２、２３、２４は群をなして水中を航行する。各測位対象航走体２１、２２、２３、２４には、水中航走体１０の水中測位装置５０との通信を行う測位対象機器（図示せず）が備えられている。水中測位装置５０との通信は、測位対象機器（図示せず）が行うが、以下の説明では便宜上、測位対象機器を備える測位対象航走体２１、２２、２３、２４が水中測位装置５０との通信を行うものとして説明する。

【0018】

測位対象航走体２１、２２、２３、２４は、例えばＵＵＶ（Unmanned Undersea Vehicle、無人潜水機）である。ＵＵＶにおいて、深度を感知して制御するセンサである深度センサの深度センサ値は、水平位置センサ値に比べてドリフトが小さく、複数のＵＵＶに同一深度を航行させることは容易である。そのため、あらかじめ深度ごとに群を構成することができる。

【0019】

水中測位装置５０は、水中航走体１０に備えられ、測位対象航走体２１、２２、２３、２４の位置などを測定するのに用いられる。本実施形態の場合、水中測位装置５０は、水中航走体１０の下部に設けられ、水中航走体１０より深深度側を航行する測位対象航走体２１、２２、２３、２４との通信を行う。水中測位装置５０は、水中航走体１０の上部に設けられてもよいが、水中測位装置５０の後述する受波器ＳＲには指向性があるため、この場合は測位対象航走体２１、２２、２３、２４が水中航走体１０より浅い深度側を航行していることが望ましい。水中測位装置５０は、水中航走体１０の下部および上部の両方に設けられていてもよい。水中測位装置５０は、後述する受波器ＳＲを備え、受波器ＳＲを介して測位対象航走体２１、２２、２３、２４と通信する。

【0020】

図２は、本開示の幾つかの実施形態における制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。
図２に示すように、水中測位装置（制御装置、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）５０は、コンピュータシステム（計算機システム）を備えており、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）１１００、二次記憶装置（ＲＯＭ、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｏｒａｇｅ：メモリ）１２００、主記憶装置（ＲＡＭ、Ｍａｉｎ Ｍｅｍｏｒｙ）１３００、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）１４００と、ネットワーク等に接続するための通信部１５００とを備えている。なお、大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）を用いることとしてもよい。これら各部は、バス１８００を介して接続されている。

【0021】

ＣＰＵ１１００は、例えば、バス１８００を介して接続された二次記憶装置１２００に格納されたＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）により水中測位装置５０全体の制御を行うとともに、二次記憶装置１２００に格納された各種プログラムを実行することにより各種処理を実行する。ＣＰＵ１１００は、１つ又は複数設けられており、互いに協働して処理を実現してもよい。

【0022】

主記憶装置１３００は、例えば、キャッシュメモリ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の書き込み可能なメモリで構成され、ＣＰＵ１１００の実行プログラムの読み出し、実行プログラムによる処理データの書き込み等を行う作業領域として利用される。

【0023】

二次記憶装置１２００は、非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）である。二次記憶装置１２００は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリなどである。二次記憶装置１２００の一例として、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）フラッシュメモリなどが挙げられる。二次記憶装置１２００は、例えば、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、ｉＯＳ（登録商標）、Ａｎｄｒｏｉｄ（登録商標）等の情報処理装置全体の制御を行うためのＯＳ、ＢＩＯＳ（Ｂａｓｉｃ Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｙｓｔｅｍ）、周辺機器類をハードウェア操作するための各種デバイスドライバ、各種アプリケーションソフトウェア、及び各種データやファイル等を格納する。また、二次記憶装置１２００には、各種処理を実現するためのプログラムや、各種処理を実現するために必要とされる各種データが格納されている。二次記憶装置１２００は、複数設けられていてもよく、各二次記憶装置１２００に上述したようなプログラムやデータが分割されて格納されていてもよい。

【0024】

また、水中測位装置５０は、キーボードやマウス等からなる入力部や、データを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。また、表示部を含み、ランプ、音、特にアラーム音を出力するスピーカーなどの通知部を備えていてもよい。

【0025】

図３は、本開示の幾つかの実施形態における水中測位装置の機能の一例を示した図である。
図３に示すように、水中測位装置５０は、グルーピング部５１と、送信部５２と、受信部５３と、周波数分離部５４と、アレイ処理部５５と、を備えている。

【0026】

水中測位装置５０が備える機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で二次記憶装置１２００（図２参照）などに記憶されており、このプログラムをＣＰＵ（プロセッサ）１１００（図２参照）が主記憶装置１３００（図２参照）に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、二次記憶装置１２００に予めインストールされている形態や、他の非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体の一例として、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリなどが挙げられる。

【0027】

図３に示されるグルーピング部５１は、複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、グループ毎に異なる所定の周波数をグループに割り当てる。
複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４は、グルーピング部５１によってそれぞれ深度ごとにグルーピングされる。図１に示されるように、測位対象航走体２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆは、前述したように１つの群としてほぼ同じ深度で航行するとし、グループ３１とされる。同様に、測位対象航走体２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆは、ほぼ同じ深度で航行するとしてグループ３２とされ、測位対象航走体２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆは、ほぼ同じ深度で航行するとしてグループ３３とされ、測位対象航走体２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆは、ほぼ同じ深度で航行するとしてグループ３４とされる。

【0028】

グルーピング部５１は、グループ３１、３２、３３、３４毎にそれぞれ異なる所定の周波数を割り当てる。すなわち、例えばグループ３１の測位対象航走体２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆには、同一の所定の周波数が割り当てられる。測位対象航走体２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆは、同一の所定の周波数を用いて水中測位装置５０との通信を行う。

【0029】

各グループ３１、３２、３３、３４に割り当てられる所定の周波数はそれぞれ任意の周波数を用いればよい。周波数が低い方が遠距離に届くため、本実施形態の場合、水中測位装置５０からの距離が長いグループ３４に対し、割り当てを行う予定の複数の周波数のうち、最も低い周波数を割り当ててもよい。さらに水中測位装置５０からの距離に応じて他のグループ３１、３２、３３にそれぞれ他の所定の周波数を割り当てるとしてもよい。また、割り当てを行う複数の周波数の各帯域を広く取り、各帯域を大きく分けるとしてもよい。各帯域を広く取り、大きく分けることにより、それぞれの帯域における情報量を大きくすることができる。

【0030】

このように、あらかじめ測位対象航走体２１、２２、２３、２４がそれぞれ航行する深度ごとに周波数を割り当てておくことにより、後述する周波数分離部５４において周波数帯域分離した時点で自動的に深度が特定できる。よって、水中測位装置５０は、測位対象航走体２１、２２、２３、２４の測位を３次元で行う必要が無い。水中測位装置５０は、水平面内の２次元処理を行えばよいため、俯仰方向に後述する受波器をアレイ化する必要が無く、装置構成を簡素化することができる。

【0031】

送信部５２は、複数の異なる所定の周波数の送信信号を送信する。本実施形態の場合、送信部５２は、例えば複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４に対する質問および配信する情報を含む信号である送信信号を送信する。送信信号は、質問信号であるともされる。送信部５２は、後述する受信部５３による応答信号の受信、および後述する周波数分離部５４およびアレイ処理部５５による処理にかかる時間を見込み、適切なインターバルをおいて次の送信信号を送信する。

【0032】

受信部５３は、送信信号に対する測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号であって、グルーピング部５１によって割り当てられた所定の周波数の応答信号を受信する。測位対象航走体２１、２２、２３、２４は、水中測位装置５０からの送信信号に対し、応答信号により応答する。応答信号には、質問に対する回答が含まれ、例えば測位対象航走体２１、２２、２３、２４のステータス（識別子など）が含まれてもよい。測位対象航走体２１、２２、２３、２４は、変調をかけることにより、応答信号に情報を付加することができる。

【0033】

図４は、本開示の幾つかの実施形態における水中測位装置の送受信処理を示す図である。
図４において、水中測位装置５０の送信する信号およびタイミングを太線、グループ３１の各測位対象航走体２１の送信する信号およびタイミングを破線、グループ３２の各測位対象航走体２２の送信する信号およびタイミングを実線、グループ３３の各測位対象航走体２３の送信する信号およびタイミングを一点鎖線で示す。

【0034】

例えば、グループ３１の各測位対象航走体２１に対しｆ１帯域の周波数が割り当てられ、グループ３２の各測位対象航走体２２に対しｆ２帯域の周波数が割り当てられ、グループ３３の各測位対象航走体２３に対しｆ３帯域の周波数が割り当てられ、グループ３４の各測位対象航走体２４に対しｆ４帯域の周波数が割り当てられるとする。

【0035】

図４に示されるように、水中測位装置５０は、時間ｔ１において、測位対象航走体２１、２２、２３、２４に対する質問および配信する情報を含む送信信号を送信する。送信信号を受信した測位対象航走体２１、２２、２３、２４は、それぞれグルーピング部５１によって割り当てられた所定の周波数を用いて、水中測位装置５０に対し自身のステータスなどを含む質問に対する回答を付与した応答信号を送信する。

【0036】

グループ３１の各測位対象航走体２１は、水中測位装置５０の送信信号に対し、破線で示されるようにｆ１帯域の周波数を用いて応答信号を送信する。同様に、グループ３２の各測位対象航走体２２は、水中測位装置５０の送信信号に対し、実線で示されるようにｆ２帯域の周波数を用いて応答信号を送信する。グループ３３の各測位対象航走体２３は、水中測位装置５０の送信信号に対し、一点鎖線で示されるようにｆ３帯域の周波数を用いて応答信号を送信する。各測位対象航走体２１、２２、２３から送信される各応答信号は、音波、超音波、電波のいずれであってもよい。

【0037】

各測位対象航走体２１、２２、２３から送信される各応答信号は、特定の方向に向けて送信され、水中測位装置５０にほぼ同時期に到達し、受信部５３が受信する。時間ｔ１から適切なインターバルをおいた時間ｔ２において、水中測位装置５０は次の送信信号を送信し、これに対し各測位対象航走体２１、２２、２３が応答信号を送信する。

【0038】

図３の周波数分離部５４は、受信部５３が受信した測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う。複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号は、ほぼ同時期に一斉に水中測位装置５０で受信される。また複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号は、グループ３１、３２、３３、３４ごとに異なる所定の周波数が割り当てられている。周波数分離部５４は、グループ３１、３２、３３、３４ごとに割り当てられた所定の周波数を用いて、それぞれのグループ３１、３２、３３、３４からの応答信号をグループ毎に帯域分離する。

【0039】

アレイ処理部５５は、周波数分離部５４が帯域分離した複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１のグループに含まれる複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４の同時測位および複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４との通信を行う。アレイ処理部５５は、アレイ信号処理において、整相処理と復調処理とを行う。

【0040】

図５は、本開示の幾つかの実施形態における周波数分離部およびアレイ処理部による処理を示す図である。
図５に示されるように、受信部５３で受信した応答信号は、周波数分離部５４により帯域分離処理が行われ、アレイ処理部５５によりアレイ処理、具体的には整相処理および復調処理が行われ、各測位対象航走体２１、２２、２３、２４の情報を取得する。

【0041】

受信部５３は、複数の受波器ＳＲを備えている。受信部５３は、受波器ＳＲ１から受波器ＳＲＭまでＭ個の複数の受波器ＳＲ（受波器アレイ）を備えるものとする。本実施形態の複数の受波器ＳＲは、フェーズドアレイとして機能する。
以下の説明において、各受波器ＳＲを区別する場合は、末尾に数字または記号を付し、各受波器ＳＲを区別しない場合は、数字又は記号を省略する。

【0042】

図６は、本開示の幾つかの実施形態における受波器の設置形態の一例を示す図である。
図６に示されるように、本実施形態では、受波器ＳＲは順に円状に並べられているものとする。各受波器ＳＲは、円形外側を向くように配置され、円形外側方向の様々な方向から向かってくる複数の信号を受信する。前述したように、グループ毎に異なる所定の周波数の応答信号は、ほぼ同時期に一斉に受信される。

【0043】

図５の受信部５３の受波器ＳＲ１、ＳＲ２乃至ＳＲＭは、それぞれ応答信号を受信する。受信した各応答信号は、周波数分離部５４で帯域分離処理が行われる。周波数分離部５４は、グループ毎に異なる所定の周波数ごと、本実施形態の場合、ｆ１帯域、ｆ２帯域、ｆ３帯域、ｆ４帯域の各帯域に分離される。

【0044】

図７は、本開示の幾つかの実施形態における受波器の待ち受け状態の一例を示す図である。
図７に示されるように、本実施形態では、各受波器ＳＲは、θ_１、θ_２、・・・、θ_ｓ１、・・・、θ_ｓ２、・・・、θ_Ｋの各角度のビーム（待ち受けビーム）を形成し、各測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号を待ち受けている。

【0045】

各受波器ＳＲは、角度θ_ｓ１のビームにおいて測位対象航走体２１ａからの応答信号を、角度θ_ｓ２のビームにおいて測位対象航走体２１ｂからの応答信号を受信したものとする。各受波器ＳＲが受信した測位対象航走体２１ａ及び２１ｂの応答信号は、グループ３１であることから周波数分離部５４においてｆ１帯域に分離される。

【0046】

図５の周波数分離部５４で帯域ごとに分離された応答信号は、アレイ処理部５５でアレイ処理（整相処理）が行われる。水中測位装置５０は、受波器アレイを用いて指向性を付与するための処理である整相処理を行う。整相処理を行うことにより、所望する方位からの波を強調し、所望する方位以外の波を低減することができる。

【0047】

図８は、本開示の幾つかの実施形態における整相処理を示す図である。
図８に示されるように、受波器ＳＲ１、ＳＲ２、・・・、ＳＲＭがそれぞれ応答信号を受信する。本実施形態では、例えば各受波器ＳＲが受信した応答信号はｆ１帯域に分離されているとする。

【0048】

受波器ＳＲ１、ＳＲ２、・・・、ＳＲＭの基準位置からの距離をそれぞれｄ_１、ｄ_２、・・・、ｄ_Ｍとする。また、受波器ＳＲ１、ＳＲ２、・・・、ＳＲＭの観測信号であるアレイ信号をそれぞれｘ_１（ｔ）、ｘ_２（ｔ）、・・・、ｘ_Ｍ（ｔ）とする。ここでｔは時間を表す。

【0049】

整相処理では、各受波器ＳＲから入力されたアレイ信号ｘ_ｍ（ｔ）（ｍ＝１、２、・・・、Ｍ）の位相をそれぞれに応じた移相量ｅ^{ｊΦｓ，ｍ}で変位させ、位相が変位し整相された各アレイ信号を加算器８１に出力する。

【0050】

整相された各アレイ信号が加算器８１で加算され、アレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）（ｓ＝１、２、・・・、Ｋ）が出力される。

【0051】

以上の整相処理（遅延和整相処理）を式（１）に表す。

【0052】

【数1】

・・・（１）

【0053】

図５のアレイ処理部５５で整相処理が行われた応答信号はアレイ出力信号として出力され、続いて復調処理が行われる。アレイ出力信号は、同一帯域の測位対象航走体２１、２２、２３、２４の数の分のビーム信号として復調処理が行われる。

【0054】

図９は、本開示の幾つかの実施形態における復調処理を示す図である。
図９において、上方向の軸（縦軸）はアレイ出力信号、横方向の軸（横軸）は時間、手前方向の軸は整相方位である。

【0055】

整相処理において、各受波器ＳＲの待ち受けビームの角度（整相方位）θ_ｓ（ｓ＝１、２、・・・、Ｋ）ごとにアレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）（ｓ＝１、２、・・・、Ｋ）が出力される。図９において、ビーム信号であるアレイ出力信号ｂ_ｓ１（ｔ）及びｂ_ｓ２（ｔ）は、破線で示される。

【0056】

図９に示されるように、アレイ出力信号ｂ_ｓ１（ｔ）及びｂ_ｓ２（ｔ）は、各受波器ＳＲに到達する時間が異なる。各アレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）の到達時間の時間差が、測位対象航走体２１、２２、２３、２４と各受波器ＳＲ（すなわち水中測位装置５０）との距離を表す。アレイ処理部５５は、各アレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）の到達時間の時間差を計測し、時間差を距離に変換して測位対象航走体２１、２２、２３、２４までの距離を導出する。

【0057】

図９に示されるように、アレイ出力信号ｂ_ｓ１（ｔ）及びｂ_ｓ２（ｔ）は、それぞれビーム信号であって振幅を有する。各アレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）の振幅が、各アレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）の到来方位を示しており、すなわち測位対象航走体２１、２２、２３、２４の方位を表す。アレイ処理部５５は、各アレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）の振幅から測位対象航走体２１、２２、２３、２４の方位を導出する。

【0058】

図５のアレイ処理部５５は、各アレイ出力信号ｂ_ｓ（ｔ）に対し、復調処理を行い、測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号の復調を行う。アレイ処理部５５は、デジタル信号に復調された応答信号から、測位対象航走体２１、２２、２３、２４のステータスなどを取得する。復調処理で復調を行う方法としては既存の方法を用いることができる。

【0059】

以上の処理を行うことにより、水中測位装置５０は、観測時点で各測位対象航走体２１、２２、２３、２４がどの位置にいるか、大量の測位対象航走体２１、２２、２３、２４の３次元での位置および情報を同時に把握することができる。

【0060】

図１０は、本開示の幾つかの実施形態における水中測位装置の制御フローを示す図である。
ステップＳ１０１において、水中測位装置５０のグルーピング部５１は、複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、グループ毎に異なる所定の周波数をグループに割り当てる。

【0061】

ステップＳ１０２において、送信部５２は、複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４に対する質問および配信する情報を含む信号である送信信号（質問信号）を送信する。

【0062】

ステップＳ１０３において、受信部５３は、送信部５２によって送信された送信信号に対する測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号であって、グルーピング部５１によって割り当てられた所定の周波数を用いた応答信号を受信する。

【0063】

ステップＳ１０４において、周波数分離部５４は、受信部５３が受信した測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う。

【0064】

ステップＳ１０５において、アレイ処理部５５は、周波数分離部５４が帯域分離した複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４からの応答信号に対し整相処理および復調処理を行い、１のグループに含まれる複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４の同時測位および複数の測位対象航走体２１、２２、２３、２４との通信を行う。

【0065】

〔第２実施形態〕
以下、本開示の第２実施形態について、図１１を用いて説明する。
第１実施形態では、遅延和整相処理による整相処理を行ったが、適応整相処理の場合も、ＭＶＤＲ（Minimum Variance Distortionless Response、最小分散無歪応答）であれば同様の処理を行うことができる。本実施形態では、ＭＶＤＲである適応整相処理について説明する。

【0066】

一般的に用いられる整相処理である固定ビームフォーミングを用いる場合、ビーム幅が広く所望の分解能を満たさないため、同時に到来する複数の応答信号、特に近接する応答信号を分別できないことがある。この場合、ビット誤り率（ＢＥＲ；Bit Error Rate、受信側が受け取った全データに対する誤ったデータの比率）が劣化することが考えられる。

【0067】

同時に到来する複数の応答信号、特に近接する応答信号を分離する能力である分離能は、ビームの幅に依存する。幅の狭いビームは指向性が強く、また強度が強い傾向にあり、識別能力が高くなる。

【0068】

そこで、本実施形態では適応整相処理を用いるものとする。適応整相処理では、ビーム幅が狭くなるため、複数の応答信号の方位の分離率、分解能を向上させ、応答信号の到来する方位に対する精度を上げることができる。

【0069】

図１１は、本開示の幾つかの実施形態における適応整相処理を示す図である。
図１１に示されるように、各受波器ＳＲが受信した応答信号をそれぞれｓ_１（ｔ）、ｓ_２（ｔ）、・・・、ｓ_Ｍ（ｔ）とする。ここでｔは時間を表す。

【0070】

各応答信号ｓ_１（ｔ）、ｓ_２（ｔ）、・・・、ｓ_Ｍ（ｔ）に対し、位相器においてウェイトｗ_１＊、ｗ_２＊、・・・、ｗ_Ｍ＊が設定さえる。ウェイトｗ_１＊、ｗ_２＊、・・・、ｗ_Ｍ＊を設定することで、複数の受波器ＳＲの指向性を任意に設定することができる。ウェイトｗ_１＊、ｗ_２＊、・・・、ｗ_Ｍ＊は、受波器ＳＲによる受信信号の振幅及び位相を調節するため、アレイ出力信号について応答信号の角度に応じてウェイト生成アルゴリズム９２を適用して設定される。受信信号に対してウェイトｗ_１＊、ｗ_２＊、・・・、ｗ_Ｍ＊を適用すると、これに対応した角度に対する信号の重み付けが得られる。このようにウェイトｗ_１＊、ｗ_２＊、・・・、ｗ_Ｍ＊は、受波器ＳＲによる信号の受信角度の調節要素として機能し、該当の角度における精度を上げることができる。重み付けされた各応答信号は、加算器９１に出力される。

【0071】

重み付けされた各応答信号が加算器９１で加算され、アレイ出力信号ｂ（ｔ）が出力される。

【0072】

［第３実施形態］
以下、本開示の第３実施形態について、図１２を用いて説明する。
第１実施形態および第２実施形態では、受波器ＳＲは順に円状に並べられ、円形外側を向くように配置されているとしたが、本実施形態では、円形以外の形状に並べられるものとする。

【0073】

図１２は、本開示の幾つかの実施形態における受波器の設置形態の一例を示す図である。
図１２に示されるように、本実施形態では、受波器ＳＲは直線状に順に並べられた直線アレイとされる。各受波器ＳＲは、直線アレイの直線が延びる方向に対し直交する方向（垂直方向）を向くように配置される。

【0074】

各受波器ＳＲは、直線アレイの辺において、正面方向±４５度の範囲から到来する波を検出対象とする。受波器ＳＲ１の正面方向を受波器ＳＲ１から延びる図の破線方向であるとすると、受波器ＳＲ１は、破線方向から図面右方向に４５度、及び破線方向から図面左方向に４５度の実線で表される範囲を波の検出対象範囲とする。このように設定することにより、受波器ＳＲ１が配置される辺について、直線アレイの各端部を通る２つの仮想の延長線（図１２において直線アレイの各端部を通る一点鎖線を示す）が垂直に交わる点を頂点とし、頂点から受波器ＳＲ１が配置される辺に直交する方向（辺の垂直方向）を辺の正面として、左右各４５度の範囲、計９０度の範囲から到来する波を検出対象とすることができる。水中測位装置５０に対し、測位対象航走体２１、２２、２３、２４が特定の方向のみに集中する場合は、受波器ＳＲが正面方向の感度が高く正面方向の波を拾いやすいことから、該当の方向をカバーするように各受波器ＳＲを配置すればよい。

【0075】

受波器ＳＲの数は任意の数であってよいが、精度を上げるためには数が多い方がよい。受波器ＳＲの数は、１のグループに含まれる測位対象航走体２１、２２、２３、２４の数＋１以上の数であることが好ましい。

【0076】

受波器ＳＲの配置は、多角形、例えば四辺形であってもよい。
図１３は、本開示の幾つかの実施形態における受波器の設置形態の一例を示す図である。
図１３に示されるように、本実施形態では、受波器ＳＲは直線状に順に並べられた直線アレイとされ、これを組み合わせた多角形である四辺形の各辺上で並べられているものとする。各受波器ＳＲは、多角形外側を向くように配置される。

【0077】

各受波器ＳＲは、各辺において、正面方向±４５度の範囲から到来する波を検出対象とする。受波器ＳＲ１の正面方向を受波器ＳＲ１から延びる図の破線方向であるとすると、受波器ＳＲ１は、破線方向から図面右方向に４５度、及び破線方向から図面左方向に４５度の実線で表される範囲を波の検出対象範囲とする。このように設定することにより、受波器ＳＲ１が配置される一辺について、四辺形の中心から受波器ＳＲ１が配置される辺に直交する方向（辺の垂直方向）を辺の正面として、左右各４５度の範囲、計９０度の範囲から到来する波を検出対象とすることができる。さらに、他の各辺についても同様の配置および設定とする。これにより、四辺形の中心を円の中心とする３６０度の範囲を検出対象範囲とすることができる。

【0078】

受波器ＳＲは、正面方向の感度が高く正面方向の波を拾いやすい反面、背面方向の波を拾いにくいことがわかっている。よって、受波器ＳＲの配置を四辺形とすることで、受波器ＳＲは正面方向のみの処理を行えばよいことから、受波器ＳＲの処理負荷を軽減することができる。

【0079】

受波器ＳＲの数は任意の数であってよいが、精度を上げるためには数が多い方がよい。受波器ＳＲの数は、１のグループに含まれる測位対象航走体２１、２２、２３、２４の数＋１以上の数であることが好ましい。

【0080】

受波器ＳＲの配置は、四辺形以外の多角形であってもよい。この場合、多角形の中心を円の中心とする３６０度の範囲を検出対象範囲とするように、多角形の形状に応じて受波器ＳＲの検出対象とする波の到来する範囲を設定してもよい。

【0081】

以上、本開示の幾つかの実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。
例えば、上述した本開示の幾つかの実施形態においては、測位対象航走体２１、２２、２３、２４の応答信号は質問に対する回答が含まれ、例えば測位対象航走体２１、２２、２３、２４のステータスが含まれるとしたが、測位対象航走体２１、２２、２３、２４の深さに関する情報が含まれるとしてもよい。これにより、水中測位装置５０は、各測位対象航走体２１、２２、２３、２４の正確な深度を得ることができる。

【0082】

〈付記〉
以上説明した実施形態に記載の水中測位装置、水中航走体、水中測位システム、水中測位方法および水中測位プログラムは、例えば以下のように把握される。

【0083】

本開示の第１態様の水中測位装置（５０）は、複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、前記グループ毎に異なる所定の周波数を前記グループに割り当てるグルーピング部（５１）と、複数の異なる前記所定の周波数の送信信号を送信する送信部（５２）と、前記送信信号に対する複数の前記測位対象機器からの応答信号であって、前記グルーピング部によって割り当てられた前記所定の周波数の該応答信号を受信する受信部（５３）と、受信した前記応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う周波数分離部（５４）と、帯域分離した前記応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１の前記グループに含まれる複数の前記測位対象機器の同時測位および複数の前記測位対象機器との通信を行うアレイ処理部（５５）と、を含み、複数の前記グループのうち同一グループごとに同一周波数の前記応答信号が前記測位対象機器から送信される。

【0084】

複数の測位対象機器を、深度方向には周波数による多重化でいくつかのグループに分割し、水平方向にはアレイ信号処理による同時測位および通信を行うことから、水中測位装置が測位対象機器の同時測位や通信を行う場合に、同時に管制できる測位対象機器の数の制限数を多くすることができる。
また、深度方向は周波数で特定できることから、水中測位装置は水平方向の処理を行うだけでよいため、３次元で処理を行う場合よりも処理数が減少し、装置構成を簡素化することができる。

【0085】

本開示の第２態様の水中測位装置は、前記第１態様において、前記アレイ信号処理において、遅延和整相処理を行い、前記測位対象機器の水平方向及び距離を特定するとしてもよい。

【0086】

本開示の第３態様の水中測位装置は、前記第１態様において、前記アレイ信号処理において、適応整相処理を行い、前記測位対象機器の水平方向及び距離を特定するとしてもよい。

【0087】

本開示の第４態様の水中測位装置は、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記受信部は、受波器を直線状に並べた直線アレイであるとしてもよい。

【0088】

受信部は受波器が直線状に並んだ直線アレイであるため、構成を簡素化することができる。

【0089】

本開示の第５態様の水中測位装置は、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記受信部は、受波器を円状に並べ、円形外側を向くように配置されるとしてもよい。

【0090】

受波器が円状に並んでいるため、全方向から来る応答信号を的確に受信できる。

【0091】

本開示の第６態様の水中測位装置は、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記受信部は、受波器を直線状に並べた直線アレイを組み合わせた多角形型であり、前記受波器は、前記多角形型の各辺の垂直方向を向くように配置されるとしてもよい。

【0092】

直線アレイは、正面方向の感度が高いところ、各直線アレイは正面方向のみの処理を行えばよいため、各直線アレイの処理負荷を軽減することができる。

【0093】

本開示の第７態様の水中航走体（１０）は、前記第１態様から前記第６態様のいずれかの水中測位装置を備える。

【0094】

本開示の第８態様の水中測位システム（１）は、前記第７態様の水中航走体と、前記測位対象機器を備える複数の測位対象航走体（２１、２２、２３、２４）と、を備える。

【0095】

本開示の第９態様の水中測位方法は、複数の測位対象機器を深度ごとにグルーピングして複数のグループに分割し、前記グループ毎に異なる所定の周波数を前記グループに割り当てるグルーピング工程と、複数の異なる前記所定の周波数の送信信号を送信する送信工程と、前記送信信号に対する複数の前記測位対象機器からの応答信号であって、前記グルーピング工程によって割り当てられた前記所定の周波数の該応答信号を受信する受信工程と、受信した前記応答信号に対し、周波数による帯域分離を行う周波数分離工程と、帯域分離した前記応答信号に対しアレイ信号処理を行い、１の前記グループに含まれる複数の前記測位対象機器の同時測位および複数の前記測位対象機器との通信を行うアレイ処理工程と、をコンピュータに実行させ、複数の前記グループのうち同一グループごとに同一周波数の前記応答信号が前記測位対象機器から送信される。

【0096】

本開示の第１０態様の水中測位プログラムは、前記第９態様の水中測位方法をコンピュータに実行させる。

【符号の説明】

【0097】

１ 水中測位システム
１０ 水中航走体
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ 測位対象航走体
５０ 水中測位装置
５１ グルーピング部
５２ 送信部
５３ 受信部
５４ 周波数分離部
５５ アレイ処理部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】