特開 2024-49517 位置測定システム、位置測定装置および位置測定方法

(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】P2024049517

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】位置測定システム、位置測定装置および位置測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 11/16 20060101AFI20240403BHJP

【ＦＩ】

G01S11/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022155774

(22)【出願日】2022-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001461

【氏名又は名称】弁理士法人きさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】江村 俊紀

(57)【要約】      （修正有）

【課題】水中機器の大型化を回避する位置測定システム、位置測定装置および位置測定方法を得る。
【解決手段】水中に設けられた受波器３の位置を測定する位置測定システムであって、観測点に設けられ、陸上局１にトリガ信号を送信する送信器４と、観測点に設けられ、受波器３にパルス信号を送波する送波器８と、陸上局１に設けられ、トリガ信号を受信する受信器２と、トリガ信号が送信器４から受信器２に到達するまでの伝搬時間とパルス信号が送波器８から受波器３に到達するまでの伝搬時間との時間差を求める時間差測定部と、時間差測定部によって求められた時間差と水中における音速の値とを用いて、送波器８および受波３器間の距離Ｌを算出する位置測定部とを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水中に設けられた受波器の位置を測定する位置測定システムであって、
観測点に設けられ、陸上局にトリガ信号を送信する送信器と、
前記観測点に設けられ、前記受波器にパルス信号を送波する送波器と、
前記陸上局に設けられ、前記トリガ信号を受信する受信器と、
前記トリガ信号が前記送信器から前記受信器に到達するまでの伝搬時間と前記パルス信号が前記送波器から前記受波器に到達するまでの伝搬時間との時間差を求める時間差測定部と、
前記時間差測定部によって求められた前記時間差と水中における音速の値とを用いて、前記送波器および前記受波器間の距離を算出する位置測定部と、
を有する位置測定システム。

【請求項2】

外部から受信する電波の信号を利用して、３つの前記観測点のそれぞれの前記送波器の位置を示す座標を求める座標解析部と、
前記３つの観測点のそれぞれにおいて求められた前記距離および前記送波器の座標に基づいて前記受波器の座標を求める座標測定部と、を有し、
前記３つの観測点のそれぞれは、前記送波器の深度において前記観測点を中心として前記距離を半径とした水平面の円が互いに他の２つの観測点の前記円の一部と重なり合う、
請求項１に記載の位置測定システム。

【請求項3】

水中に設けられた受波器の位置を測定する位置測定装置であって、
観測点に設けられた送信器から送信されたトリガ信号が陸上局に設けられた受信器に到達するまでの伝搬時間と前記観測点に設けられた送波器から送波されたパルス信号が前記受波器に到達するまでの伝搬時間との時間差を求める時間差測定部と、
前記時間差測定部によって求められた前記時間差と水中における音速の値とを用いて、前記送波器および前記受波器間の距離を算出する位置測定部と、
を有する位置測定装置。

【請求項4】

水中に設けられた受波器の位置を測定する位置測定方法であって、
観測点に設けられた送信器から送信されたトリガ信号が陸上局に設けられた受信器に到達するまでの伝搬時間と前記観測点に設けられた送波器から送波されたパルス信号が前記受波器に到達するまでの伝搬時間との時間差を求めるステップと、
求められた前記時間差と水中における音速の値とを用いて、前記送波器および前記受波器間の距離を算出するステップと、
を有する位置測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水中に設置された機器の位置を測定する位置測定システム、位置測定装置および位置測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

将来、発生する可能性のある大地震による被害を防ぐために、想定震源域の海底の地殻変動を観測することは重要である。海底の地殻変動について詳細な情報を得るためには、海底に観測地点を設置する必要がある。そのため、観測地点として、水中機器を海底に設置することが行われている。

【0003】

しかし、予め決められた経度および緯度の座標で特定される位置の海底に水中機器を設置しようとしても、潮流などの影響によって、水中機器が予定した位置に設置されない場合がある。また、水中機器が深い海底に設置されると、目視によって位置を確認することは困難である。

【0004】

地上に設置される機器の位置を測定する場合、全地球測位システム（ＧＰＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用して座標を特定できるが、水中では電波の伝搬損失が大きい。そこで、水中機器の位置測定に、音波を利用する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１には、船上にトランスデューサーが設けられ、海底局としてミラートランスポンダーが海底に設置され、音響測距観測によってこれら２つの機器間の信号の往復時間を測定することで、船と海底局との距離を測定することが開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】藤田雅之著、「海上保安庁の海底地殻変動観測」、水路、日本水路協会、平成１５年１０月２４日発行、通巻第１２７号、Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．３、ｐ．２－６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

非特許文献１に開示された方法は、音響測距観測のために、水中機器にトランスポンダ機能を設ける必要がある。トランスポンダ機能を搭載する水中機器は送信用および受信用のそれぞれの回路が必要となり、製造コストが高くなるだけでなく、トランスポンダ機能を持たない水中機器に比べて大型化してしまうという問題があった。

【0007】

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、水中機器の大型化を回避する位置測定システム、位置測定装置および位置測定方法を得るものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る位置測定システムは、水中に設けられた受波器の位置を測定する位置測定システムであって、観測点に設けられ、陸上局にトリガ信号を送信する送信器と、前記観測点に設けられ、前記受波器にパルス信号を送波する送波器と、前記陸上局に設けられ、前記トリガ信号を受信する受信器と、前記トリガ信号が前記送信器から前記受信器に到達するまでの伝搬時間と前記パルス信号が前記送波器から前記受波器に到達するまでの伝搬時間との時間差を求める時間差測定部と、前記時間差測定部によって求められた前記時間差と水中における音速の値とを用いて、前記送波器および前記受波器間の距離を算出する位置測定部と、を有するものである。

【0009】

本発明に係る位置測定装置は、水中に設けられた受波器の位置を測定する位置測定装置であって、観測点に設けられた送信器から送信されたトリガ信号が陸上局に設けられた受信器に到達するまでの伝搬時間と前記観測点に設けられた送波器から送波されたパルス信号が前記受波器に到達するまでの伝搬時間との時間差を求める時間差測定部と、前記時間差測定部によって求められた前記時間差と水中における音速の値とを用いて、前記送波器および前記受波器間の距離を算出する位置測定部と、を有するものである。

【0010】

本発明に係る位置測定方法は、水中に設けられた受波器の位置を測定する位置測定方法であって、観測点に設けられた送信器から送信されたトリガ信号が陸上局に設けられた受信器に到達するまでの伝搬時間と前記観測点に設けられた送波器から送波されたパルス信号が前記受波器に到達するまでの伝搬時間との時間差を求めるステップと、求められた前記時間差と水中における音速の値とを用いて、前記送波器および前記受波器間の距離を算出するステップと、を有するものである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、送波器から受波器までの距離が、観測点から陸上局までの電波伝搬と観測点から受波器までの音波伝搬との時間差を用いて算出される。そのため、受波器がトランスポンダ機能を備えていなくても、受波器の位置を推定することが可能となり、水中機器の小型化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１に係る位置測定システムの運用例を示す概念図である。

【図2】実施の形態１に係る位置測定システムの一構成例を示すブロック図である。

【図3】比較例の位置測定システムの運用例を示す概念図である。

【図4】比較例の位置測定システムの動作を説明するための図である。

【図5】実施の形態１に係る位置測定システムによる位置測定方法の手順の一例を示すフローチャートである。

【図6】実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、送波器の座標を求める方法を説明するための模式図である。

【図7】実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、トリガ信号の送信および受信ならびにパルス信号の送波および受波のタイミングチャートの一例を示す図である。

【図8】実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、３つの観測点に基づいて受波器の座標を求める手順を説明するための模式図である。

【図9】実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、３つの観測点に基づいて受波器の座標を求める手順を説明するための模式図である。

【図10】実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、３つの観測点に基づいて受波器の座標を求める手順を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本実施の形態の位置測定システムは、音響信号と電波信号とを用いることで、トランスポンダ機能を持たない水中受波器の位置測定を可能とするものである。以下に、本実施の形態の位置測定システムについて、図を参照して説明する。

【0014】

実施の形態１．
本実施の形態１の位置測定システムの構成を説明する。図１は、実施の形態１に係る位置測定システムの運用例を示す概念図である。図２は、実施の形態１に係る位置測定システムの一構成例を示すブロック図である。

【0015】

図１に示すように、位置測定の対象となる受波器３が水中に設置されている。海上にある音源船５には、音波を受波器３に送波する音源となる送波器８が設けられている。送波器８は、水中にある受波器３の位置を測定するための観測点となる。送波器８は、図１に示すように、音源船５からケーブル５１によって水中に吊り下げられている。送波器８には、海面からの深度ｄを計測する深度計７が取り付けられている。また、音源船５には、電波を陸上局１に送信する送信器４が設けられている。

【0016】

さらに、音源船５には、経度および緯度で特定される地球上の座標を求めるために、ＧＰＳデータを人工衛星（図示せず）から受信するＧＰＳ受信アンテナ６を有する。ＧＰＳデータは、人工衛星（図示せず）から送信される電波の送信時刻の情報を含むデータである。経度および緯度で特定される地球上の座標を、以下では単に座標と称し、（経度，緯度）で表す。

【0017】

なお、図１は、説明の便宜上、深度計７がケーブル５１によって音源船５の甲板付近から吊り下げられた状態を示しているが、音源船５の海面近くの側面からケーブル５１によって吊り下げられている。また、図１に示す状態の場合、ｄ＝（海面から深度計７までの深度＋海面から音源船５の甲板までの高さ）としてもよい。また、外部から受信する電波の信号を利用して観測点の位置を示す座標を求める方法は、ＧＰＳを用いる方法に限らない。観測点の位置を示す座標を求める方法は、例えば、ロラン（ＬＯｎｇ ＲＡｎｇｅ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）等の双曲線航法を用いる方法であってもよい。

【0018】

陸上局１には、音源船５の送信器４から出力された電波を受信する受信器２が設けられている。陸上局１は、伝送ケーブル９を介して水中の受波器３と接続されている。伝送ケーブル９は、光ファイバと電線とを複合させた光電複合ケーブルである。

【0019】

図２に示すように、位置測定システム５０は、送信部１０と、座標解析部２０と、受信部３０と、位置測定装置４０とを有する。受信部３０は、受信器２および受波器３を有する。送信部１０および座標解析部２０は、図１に示した音源船５に設けられている。受信器２および位置測定装置４０は、図１に示した陸上局１に設けられている。

【0020】

送信部１０は、トリガ信号生成部１１と、発振器１２と、変調部１３と、パワーアンプ１４と、送信器４と、パルス信号生成部１５と、パワーアンプ１６と、送波器８とを有する。座標解析部２０は、ＧＰＳ解析部２１を有する。ＧＰＳ解析部２１は、ＧＰＳ受信アンテナ６および深度計７と接続されている。

【0021】

位置測定装置４０は、トリガ信号復号部６１と、パルス信号復号部６２と、時間差測定部４７と、受波器位置測定部４８と、受波器座標測定部４９とを有する。トリガ信号復号部６１は、チューニング部４１と、パワーアンプ４２と、復調器４３と、送信信号検出部４４とを有する。パルス信号復号部６２は、復調器４５と、送波信号検出部４６とを有する。

【0022】

トリガ信号生成部１１は、ＧＰＳ解析部２１、変調部１３およびパルス信号生成部１５と接続されている。発振器１２は変調部１３と接続されている。変調部１３はパワーアンプ１４と接続されている。パワーアンプ１４は送信器４と接続されている。パルス信号生成部１５はパワーアンプ１６と接続されている。パワーアンプ１６は送波器８と接続されている。

【0023】

受信器２はチューニング部４１と接続されている。チューニング部４１はパワーアンプ４２と接続されている。パワーアンプ４２は復調器４３と接続されている。復調器４３は送信信号検出部４４と接続されている。受波器３は図１に示した伝送ケーブル９を介して復調器４５と接続されている。復調器４５は送波信号検出部４６と接続されている。時間差測定部４７は、送信信号検出部４４、送波信号検出部４６および受波器位置測定部４８と接続されている。受波器座標測定部４９は、ＧＰＳ解析部２１および受波器位置測定部４８と接続されている。

【0024】

次に、図２に示した各部の構成を説明する。トリガ信号生成部１１は、電波によって陸上局１に送信するトリガ信号を生成する。トリガ信号生成部１１は、生成したトリガ信号を変調部１３およびパルス信号生成部１５に出力する。また、トリガ信号生成部１１は、トリガ信号を生成した時刻をＧＰＳ解析部２１に通知する。発振器１２は、無線の電波として陸上局１に送り出す高周波の元となる搬送波信号を生成し、搬送波信号を変調部１３に供給する。

【0025】

変調部１３は、トリガ信号生成部１１からトリガ信号が入力されると、発振器１２で生成された搬送波信号でトリガ信号を変調する。変調部１３は、変調後のトリガ信号である変調信号をパワーアンプ１４に出力する。パワーアンプ１４は、変調部１３によって生成された変調信号を必要な電力まで増幅させる。パワーアンプ１４は、増幅後の変調信号を送信器４に出力する。送信器４は、パワーアンプ１４から入力される変調信号を陸上局１に送信する。このようにして、トリガ信号生成部１１によって生成されたトリガ信号が、電波によって図１に示した陸上局１の受信器２に送信される。

【0026】

トリガ信号生成部１１、変調部１３およびパワーアンプ１４は送信部１０内に設けられているため、トリガ信号がトリガ信号生成部１１で生成されてから送信器４に到達するまでの時間は無視できるほど小さい。そのため、トリガ信号がトリガ信号生成部１１で生成される時刻は、変調および増幅されたトリガ信号が送信器４から送信される時刻と同等である。

【0027】

パルス信号生成部１５は、トリガ信号生成部１１からトリガ信号が入力されると、トリガ信号と同期するパルス波形の信号であるパルス信号を生成する。パルス信号生成部１５は、生成したパルス信号をパワーアンプ１６に出力する。パワーアンプ１６は、パルス信号生成部１５から入力されるパルス信号を必要な電力まで増幅させる。パワーアンプ１６は、増幅後のパルス信号を送波器８に出力する。送波器８は、パワーアンプ１６から入力されるパルス信号を図１に示した受波器３に送波する。このようにして、パルス信号生成部１５によって生成されたパルス信号が音波によって受波器３に送波される。

【0028】

パルス信号生成部１５およびパワーアンプ１６は送信部１０内に設けられているため、パルス信号がパルス信号生成部１５で生成されてから送波器８に到達するまでの時間は無視できるほど小さい。そのため、パルス信号がパルス信号生成部１５で生成される時刻は、増幅されたパルス信号が送波器８から送波される時刻と同等である。

【0029】

ＧＰＳ解析部２１は、少なくとも４つの人工衛星（図示せず）から受信するＧＰＳデータを時系列で記録する。ＧＰＳ解析部２１は、トリガ信号生成部１１からトリガ信号が生成された時刻の情報を受信すると、その時刻に記録したＧＰＳデータを読み出し、ＧＰＳ受信アンテナ６の座標を求める。

【0030】

ＧＰＳ解析部２１は、トリガ信号が生成された時刻における、ＧＰＳ受信アンテナ６の座標および深度計７から取得された送波器８の深度ｄの情報を用いて、送波器８の座標を求める。ＧＰＳ解析部２１は、求めた、送波器８の座標を記録する。その後、ＧＰＳ解析部２１は、図に示さないネットワークを介して、記録した、送波器８の座標の情報を受波器座標測定部４９に送信する。なお、ＧＰＳ解析部２１に記録された、送波器８の座標の情報は、記録媒体を介して受波器座標測定部４９に入力されてもよい。

【0031】

受信器２は、送信器４から送信されたトリガ信号を受信する。そして、受信器２は、位置測定装置４０のチューニング部４１に接続される。チューニング部４１は、受信器２で受信した信号のうち不要となる信号を除去する。そして、チューニング部４１はパワーアンプ４２に接続される。

【0032】

パワーアンプ４２は、チューニング部４１で抽出されたトリガ信号を増幅させる。そして、パワーアンプ４２は復調器４３に接続される。復調器４３は受信信号から送信器４のトリガ信号を取り出す。そして、復調器４３は送信信号検出部４４に接続される。送信信号検出部４４は、目的信号であるトリガ信号を検出する。そして、送信信号検出部４４は時間差測定部４７に接続される。

【0033】

受波器３は、送波器８から送波されたパルス信号を含む音波を受波する。受波器３は、受波した音波を復調器４５に出力する。復調器４５は、復調器４５から音波が入力されると、音波から目的信号であるパルス信号を取り出す。復調器４５は、取り出したパルス信号を送波信号検出部４６に出力する。送波信号検出部４６は、復調器４５から入力される信号から目的信号であるパルス信号を検出する。送波信号検出部４６は、検出したパルス信号を時間差測定部４７に出力する。

【0034】

時間差測定部４７は、トリガ信号を受信した時刻およびパルス信号を受信した時刻からトリガ信号の電波伝搬とパルス信号の音波伝搬との時間差ΔＴを求める。具体的な方法は、後で説明する。時間差測定部４７は、求めた時間差ΔＴの情報を受波器位置測定部４８に送信する。

【0035】

受波器位置測定部４８は、時間差測定部４７から時間差ΔＴの情報を受信すると、時間差ΔＴと水中の音速ｃの値とを用いて、送波器８と受波器３と間の距離Ｌを算出する。受波器位置測定部４８は、算出した距離Ｌの情報を受波器座標測定部４９に送信する。受波器座標測定部４９は、複数の観測点について、ＧＰＳ解析部２１によって解析された送波器８の座標および受波器位置測定部４８によって算出された距離Ｌを基に受波器３の座標を求める。本実施の形態１では、観測点の数が３つの場合で説明する。

【0036】

ここで、図２に示す送信部１０、座標解析部２０および位置測定装置４０のハードウェア構成の一例を説明する。送信部１０における、トリガ信号生成部１１、パルス信号生成部１５および変調部１３は、プログラムを記憶するメモリ（図示せず）およびプログラムにしたがって処理を実行するプロセッサ（図示せず）を有する構成によって実現されてもよく、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の専用回路（図示せず）によって実現されてもよい。座標解析部２０におけるＧＰＳ解析部２１は、プログラムを記憶するメモリ（図示せず）およびプログラムにしたがって処理を実行するプロセッサ（図示せず）を有する構成によって実現されてもよく、ＡＳＩＣ等の専用回路（図示せず）によって実現されてもよい。

【0037】

図２に示すトリガ信号復号部６１の復調器４３および送信信号検出部４４は、プログラムを記憶するメモリ（図示せず）およびプログラムにしたがって処理を実行するプロセッサ（図示せず）を有する構成によって実現されてもよく、ＡＳＩＣ等の専用回路（図示せず）によって実現されてもよい。パルス信号復号部６２の復調器４５、送波信号検出部４６は、プログラムを記憶するメモリ（図示せず）およびプログラムにしたがって処理を実行するプロセッサ（図示せず）を有する構成によって実現されてもよく、ＡＳＩＣ等の専用回路（図示せず）によって実現されてもよい。時間差測定部４７、受波器位置測定部４８および受波器座標測定部４９は、プログラムを記憶するメモリ（図示せず）およびプログラムにしたがって処理を実行するプロセッサ（図示せず）を有する構成によって実現されてもよく、ＡＳＩＣ等の専用回路（図示せず）によって実現されてもよい。また、位置測定装置４０が受信器２を有していてもよい。

【0038】

次に、本実施の形態１の位置測定システム５０の動作を説明する前に、比較例の位置測定システムの構成および動作を説明する。図３は、比較例の位置測定システムの運用例を示す概念図である。図４は、比較例の位置測定システムの動作を説明するための図である。

【0039】

図３に示すように、比較例の位置測定システム１００は、海底に設置された水中機器１０１と、測量船１１０とを有する。測量船１１０は、送受波器１１１と、ＧＰＳ受信アンテナ１１２と、動揺計測装置１１３と、情報処理装置１１５とを有する。送受波器１１１は、測量船１１０とケーブルによって接続され、水中に設けられている。水中機器１０１は、トランスポンダ１０２を備えている。ＧＰＳ受信アンテナ１１２は測量船１１０の支柱に取り付けられている。動揺計測装置１１３は、測量船１１０への波浪によって刻々と変化する支柱の刻々の傾きおよび方位を計測する。計測される傾きおよび方位のデータを動揺データと称する。情報処理装置１１５は、例えば、パーソナルコンピュータである。

【0040】

次に、比較例の位置測定システム１００の動作を説明する。情報処理装置１１５は、音響解析、ＧＰＳ解析および機器位置解析を行って、水中機器１０１の位置を測定する。図４を参照して、各解析処理の内容を説明する。

【0041】

音響解析は、音響測距観測によって、送受波器１１１と水中機器１０１との間の信号の往復時間を求める解析である。その際、相関波形処理技術を用いる。音響解析について、具体的に説明する。測量船１１０の送受波器１１１がパルス信号を海底に向けて送信する。トランスポンダ１０２は、送受波器１１１から送信されたパルス信号を受信すると、そのままの波形で送受波器１１１に返信する。送受波器１１１は、トランスポンダ１０２が返信したパルス信号を受信する。これらの音響測距観測によって得られる送信波形および受信波形の音響測距データから、送受波器１１１と水中機器１０１との間の信号の往復時間を求める。

【0042】

ＧＰＳ解析は、動揺する測量船１１０のＧＰＳ受信アンテナ１１２の位置を、キネマティックＧＰＳ測位（陸上基準点から船までをＧＰＳ衛星による測位技術）によって求める解析である。

【0043】

機器位置解析は、音響解析の結果およびＧＰＳ解析の結果を基に、水中機器１０１の位置を求める解析である。具体的には、ＧＰＳ解析によって求められる刻々のＧＰＳ受信アンテナ１１２の位置を、動揺データを用いて補正することで、送受波器１１１の位置の情報に変換する。求められた送受波器１１１の位置の情報と、音響解析によって解析された音波の信号の往復時間とから、水中機器１０１の位置を決定する。水中機器１０１の位置とは、送受波器１１１を中心として海底に描かれる円周上の位置である。解析処理には、音波の信号の往復時間を距離に換算するため、海中の音速の値が必要になる。

【0044】

比較例の位置測定システム１００の場合、非特許文献１に開示された方法と同様に、水中機器１０１にトランスポンダ機能が必要になるため、水中機器１０１が高価になるだけでなく、大型化してしまう。これに対して、本実施の形態１の位置測定システム１００は、水中に設置される受波器３にトランスポンダ機能を設ける必要がないので、水中機器の低コスト化および小型化を図ることができる。本実施の形態１において、受波器３がトランスポンダ機能を備えていなくても、位置測定システム５０が受波器３の位置を測定することができることを説明する。

【0045】

本実施の形態１の位置測定システム５０の動作を、図５を参照して説明する。図５は、実施の形態１に係る位置測定システムによる位置測定方法の手順の一例を示すフローチャートである。

【0046】

送信部１０は、トリガ信号を生成して送信器４から陸上局１の受信器２に送信する（ステップＳ１－１）。以下に、具体的に説明する。トリガ信号生成部１１は、位置測定の基準となるトリガ信号を生成する。トリガ信号生成部１１は、トリガ信号を生成した時刻を記録し、記録した時刻をＧＰＳ解析部２１に通知する。トリガ信号生成部１１で生成されたトリガ信号は、発振器１２で生成された搬送波信号と変調部１３で変調される。変調部１３で変調された変調信号は、パワーアンプ１４で増幅された後、送信器４から受信器２に送信される。

【0047】

受信器２は、送信器４から送信された変調信号を受信する。受信器２は、受信した変調信号を位置測定装置４０のチューニング部４１に出力する。チューニング部４１は、変調信号からトリガ信号の復調に必要な周波数成分を抽出してパワーアンプ４２に出力する。パワーアンプ４２は、チューニング部４１から入力された信号を増幅して復調器４３に出力する。復調器４３は、パワーアンプ４２から入力された信号をトリガ信号の周波数の信号に復調する。復調器４３は、復調した信号を送信信号検出部４４に出力する。送信信号検出部４４は、復調された信号からトリガ信号を取り出して時間差測定部４７に出力する。時間差測定部４７は、トリガ信号の受信時刻を計測する（ステップＳ２－１）。

【0048】

また、送信部１０は、トリガ信号に同期したパルス信号を生成して送波器８から水中の受波器３に送波する（ステップＳ１－２）。以下に、具体的に説明する。パルス信号生成部１５は、トリガ信号に同期したパルス信号を生成する。パルス信号生成部１５で生成されたパルス信号は、パワーアンプ１６で増幅された後、送波器８から受波器３に送波される。

【0049】

受波器３は、送波器８から送波されたパルス信号を受波する。受波器３は、受波したパルス信号を、伝送ケーブル９を介して位置測定装置４０の復調器４５に出力する。復調器４５は、受波器３で受波された音波をパルス信号の周波数の信号に復調する。復調器４５は、復調した信号を送波信号検出部４６に出力する。送波信号検出部４６は、復調された信号からパルス信号を取り出して時間差測定部４７に出力する。時間差測定部４７は、パルス信号の受波時刻を計測する（ステップＳ２－２）。

【0050】

一方、ＧＰＳ解析部２１は、人工衛星（図示せず）からＧＰＳ受信アンテナ６を介して受信するＧＰＳデータを時系列に記録する。そして、ＧＰＳ解析部２１は、トリガ信号が生成された時刻に記録されたＧＰＳデータを基にＧＰＳ受信アンテナ６の座標を求める（ステップＳ１－３）。ＧＰＳ受信アンテナ６の座標（経度，緯度）を（Ｘ_ＧＰＳ，Ｙ_ＧＰＳ）とする。

【0051】

続いて、ＧＰＳ解析部２１は、トリガ信号生成部１１によってトリガ信号が生成された時刻の送波器８の座標を、次のようにして求める。送波器８に取り付けられた深度計７が計測する深度をｄとし、ケーブル５１の長さをｌとする。送波器８の吊下深度ｄを一定とする。ＧＰＳ解析部２１は、ＧＰＳ受信アンテナ６と深度計７との水平距離Ａｈを、深度計７の深度ｄおよびケーブル５１の長さｌと、Ａ_ｈ＝（ｌ_２－ｄ_２）^１／２の式とを用いて算出する。

【0052】

その後、ＧＰＳ解析部２１は、ＧＰＳ受信アンテナ６の座標（Ｘ_ＧＰＳ，Ｙ_ＧＰＳ）を基準として送波器８の位置を求める。図６は、実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、送波器の座標を求める方法を説明するための模式図である。送波器８の座標（経度，緯度）を（Ｘ_ｏｂｐ，Ｙ_ｏｂｐ）とする。

【0053】

送波器８がＧＰＳ受信アンテナ６の位置から経線に対して角度δだけ緯線側に傾いているとする。角度δは、一般的に船に搭載される羅針盤（図示せず）が音源船５に設けられ、羅針盤によって計測される。送波器８の位置は、ＧＰＳ受信アンテナ６の座標（Ｘ_ＧＰＳ，Ｙ_ＧＰＳ）からＸ軸方向にΔＸ移動し、Ｙ軸方向にΔＹ移動した位置である。ＧＰＳ解析部２１は、ΔＸ＝Ａ_ｈｃｏｓδの式を用いてΔＸを求め、ΔＹ＝Ａ_ｈｓｉｎδの式を用いてΔＹを求める。さらに、ＧＰＳ解析部２１は、Ｘ_ｏｂｐ＝Ｘ_ＧＰＳ＋ΔＸの式、およびＹ_ｏｂｐ＝Ｙ_ＧＰＳ＋ΔＹの式を用いて、送波器８の座標（Ｘ_ｏｂｐ，Ｙ_ｏｂｐ）を求める（ステップＳ２－３）。ＧＰＳ解析部２１は、求めた、送波器８の座標（Ｘ_ｏｂｐ，Ｙ_ｏｂｐ）の情報を、ネットワーク（図示せず）を介して、受波器座標測定部４９に送信する。

【0054】

時間差測定部４７は、トリガ信号の受信時刻およびパルス信号の受波時刻を基に、トリガ信号の伝搬時間およびパルス信号の伝搬時間の時間差ΔＴを求める（ステップＳ３）。時間差測定部４７が時間差ΔＴを求める方法の一例を、図７を参照して説明する。図７は、実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、トリガ信号の送信および受信ならびにパルス信号の送波および受波のタイミングチャートの一例を示す図である。

【0055】

図７の横軸は時間である。図７（ａ）は送信器４から送信されるトリガ信号を示し、図７（ｂ）は送波器８から送波されるパルス信号を示す。図７（ｃ）は受信器２が受信するトリガ信号を示し、図７（ｄ）は受波器３が受波するパルス信号を示す。送信器４がトリガ信号を送信した時刻および送波器８がパルス信号を送波した時刻をＴ_０とする。受信器２がトリガ信号を受信した時刻をＴ_ｒとし、受波器３がパルス信号を受波した時刻をＴ_ｐとする。

【0056】

電波の伝搬速度は水中を伝搬する音波の速度に比べて非常に高速なので、Ｔ_０≒Ｔ_ｒと近似できる。また、電波の伝搬速度を考慮すると、送信器４の位置は観測点である送波器８の位置に近似できる。時間差ΔＴは、電波によるトリガ信号の伝搬時間と音波によるパルス信号の伝搬時間との時間差であるが、音波の水中伝搬の時間と同等になる。よって、時間差ΔＴ＝（パルス信号の伝搬時間）－（トリガ信号の伝搬時間）＝（Ｔ_ｐ－Ｔ_０）－（Ｔ_ｒ－Ｔ_０）＝（Ｔ_ｐ－Ｔ_ｒ）となる。つまり、トリガ信号の受信時刻Ｔ_ｒとパルス信号の受波時刻Ｔ_ｐとの時間差ΔＴがパルス信号の音波伝搬時間となる。時間差測定部４７は、求めた時間差ΔＴの情報を受波器位置測定部４８に送信する。

【0057】

なお、同じ観測点で、送信器４によるトリガ信号の送信および送波器８によるパルス信号の送波を複数回行ってもよい。この場合、位置測定装置４０は、同じ観測点で複数回、時間差ΔＴの測定を行い、測定した複数の時間差ΔＴの平均値を算出し、その結果を受波器位置測定部４８に送信する。これにより、波浪による送波器８の揺れがパルス信号の送波に与える影響を抑えることができる。

【0058】

受波器位置測定部４８は、時間差ΔＴの情報を時間差測定部４７から受信すると、音速をｃとすると、音速ｃおよび時間差ΔＴを用いて、図１に示した送波器８と受波器３との間の距離Ｌを算出する（ステップＳ４）。距離Ｌは、音速ｃおよび時間差ΔＴを用いて、式（１）によって算出される。
Ｌ＝ｃ×ΔＴ ・・・（１）

【0059】

ここで、音速ｃは、海水の温度Ｋ、深度Ｄおよび塩分濃度Ｓによって変化する。受波器位置測定部４８は、事前に測定された温度Ｋ、深度Ｄおよび塩分濃度Ｓを用いて、式（２）によって、音速ｃを求める。
ｃ＝１４４８．９６＋４．５９１Ｋ－０．０５３０４Ｋ^２＋２．３７４×１０^－４Ｋ^３＋１．３４０（Ｓ－３５）＋１．６３０×１０^－２Ｄ＋１．６７５×１０^－７Ｄ^２－１．０２５×１０^－２Ｋ（Ｓ－３５）－７．１３９×１０^－１３ＫＤ^３ ・・・（２）

【0060】

また、送波器８および受波器３のそれぞれの深度が異なるので、事前に深度方向に対する海水の温度を測定しておいてもよい。この場合、受波器位置測定部４８は、深度方向に対する温度の違いを基に音速ｃを補正してもよい。受波器位置測定部４８は、距離Ｌを算出すると、算出した距離Ｌの情報を受波器座標測定部４９に送信する。

【0061】

受波器位置測定部４８によって距離Ｌが算出されることで、観測点である送波器８から距離Ｌに受波器３が位置することが求められる。このようにして、本実施の形態１の位置測定システム５０は、受波器３がトランスポンダ機能を備えていなくても、受波器３の位置を測定することができる。

【0062】

なお、図１に示す概念図において、海面から鉛直方向（図１のＺ軸矢印の反対方向）に対してケーブル５１の傾きの角度を計測する角度センサ（図示せず）が音源船５に設けられていてもよい。この場合、潮流によるケーブル５１の傾きの角度をθとすると、ＧＰＳ解析部２１は、水平距離Ａ_ｈについて、角度θおよびケーブル５１の長さｌを用いて、Ａ_ｈ＝ｌ×ｓｉｎθの式を用いて算出してもよい。

【0063】

次に、受波器座標測定部４９は、１つの観測点の測定結果として、受波器位置測定部４８から距離Ｌの情報を受信し、ＧＰＳ解析部２１から送波器８の座標（Ｘ_ｏｂｐ，Ｙ_ｏｂｐ）を受信する。受波器座標測定部４９は、３つの観測点の測定結果を受信したか否かを判定する（ステップＳ５）。受波器座標測定部４９が３つの観測点の測定結果を受信していない場合、位置測定システム５０は、ステップＳ１－１～Ｓ１－３に戻る。一方、受波器座標測定部４９は、ステップＳ５において、３つの観測点の測定結果を受信すると、３つの観測点における距離Ｌおよび送波器８の座標（Ｘ_ｏｂｐ，Ｙ_ｏｂｐ）を用いて受波器３の座標を求める（ステップＳ６）。以下に、受波器座標測定部４９が実行するステップＳ６の具体的な処理内容を説明する。

【0064】

３つの観測点（Ｘ_ｏｂｐ，Ｙ_ｏｂｐ）の識別子および座標を、観測点Ａ（Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３）、観測点Ｂ（Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３）および観測点Ｃ（Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３）とする。観測点Ａと受波器３との距離ＬをＲ_ａとし、観測点Ｂと受波器３との距離ＬをＲ_ｂとし、観測点Ｃと受波器３との距離ＬをＲ_ｃとする。受波器３の座標を目的座標（Ｘ_０，Ｙ_０）とする。

【0065】

図８～図１０は、実施の形態１に係る位置測定システムにおいて、３つの観測点に基づいて受波器の座標を求める手順を説明するための模式図である。図８～図１０において、観測面は、海面ではなく、海中における深度ｄの水平面である。図８は、観測点Ａに基づく受波器の位置が推定される範囲を示す図である。

【0066】

まず、図８において、観測点Ａを中心に、測定結果から算出された距離Ｌ＝Ｒ_ａを半径として球を描写する。このとき、Ｚ軸方向において、観測点ＡのＺ軸座標より受波器３の座標が高いことはないので、図８に示すように、受波器３の座標測定方法には半球を描写する。観測点Ａを中心とする球は式（３）で表される。
（Ｘ－Ａ_１）^２＋（Ｙ－Ａ_２）^２＋（Ｙ－Ａ_３）^２＝Ｒ_ａ ^２ ・・・（３）
半球面は送波器８から等しい距離にあるため、目的座標（Ｘ_０，Ｙ_０）はこの半球面上のいずれかに存在することとなる。

【0067】

次に、図９に示すように、別の観測点Ｂを中心に、求めた距離Ｌ＝Ｒ_ｂを半径として半球を海中に描写する。図９は、観測点Ａおよび観測点Ｂのそれぞれに基づく受波器の位置が推定される範囲を示す図である。観測点Ｂを中心とする球は式（４）で表される。
（Ｘ－Ｂ_１）^２＋（Ｙ－Ｂ_２）^２＋（Ｙ－Ｂ_３）^２＝Ｒ_ｂ ^２ ・・・（４）

【0068】

図９に示すように、式（３）および式（４）による２つの半球面は、直線ＯＰの真下にできる弧ＯＰで交わる。弧ＯＰは２つの観測点ＡおよびＢからそれぞれ測定距離Ｒ_ａおよびＲ_ｂだけ離れているため、受波器３はこの弧ＯＰ上に存在する。ここで、式（３）と式（４）との交点を、Ｏ（Ｏ_１，Ｏ_２）、Ｐ（Ｐ_１，Ｐ_２）とする。

【0069】

この交点Ｏおよび交点Ｐを繋ぐ直線は、式（５）で表される。
Ｙ－Ｏ_２＝｛（Ｐ_２－Ｏ_２）／（Ｐ_１－Ｏ_１）｝（Ｘ－Ｏ_１） ・・・（５）
受波器３の座標が海面上の交点の座標と一致することから、海面上の交点の座標を目的座標（Ｘ_０，Ｙ_０）とすると、目的座標（Ｘ_０，Ｙ_０）は弧の真上の直線ＯＰ上にあることになる。

【0070】

そこで、図１０に示すように、観測点をもう１つ増やし、図上で、観測点Ｃを中心に測定距離Ｒ_ｃを半径とした円を描写する。図１０は、観測点Ａ、観測点Ｂおよび観測点Ｃのそれぞれに基づく受波器の位置が推定される範囲を示す図である。観測点Ｃを中心とする球は式（６）で表される。
（Ｘ－Ｃ_１）^２＋（Ｙ－Ｃ_２）^２＋（Ｙ－Ｃ_３）^２＝Ｒ_ｃ ^２ ・・・（６）
図８～図１０を参照して考えたように、３つの円の交わる点を結んだ直線上に目的座標がある。ここで、式（４）と式（６）との交点を、Ｒ（Ｒ_１，Ｒ_２）、Ｑ（Ｑ_１，Ｑ_２）とする。この交点Ｒと交点Ｑとを繋ぐ直線は、式（７）で表される。
Ｙ－Ｒ_２＝｛（Ｑ_２－Ｒ_１）／（Ｑ_１－Ｒ_１）｝（Ｘ－Ｒ_１） ・・・（７）

【0071】

また、式（６）と式（３）との交点を、Ｓ（Ｓ_１，Ｓ_２）、Ｕ（Ｕ_１，Ｕ_２）とする。この交点Ｓと交点Ｕとを繋ぐ直線は、式（８）で表される。
Ｙ－Ｓ_２＝｛（Ｕ_２－Ｓ_１）／（Ｕ_１－Ｓ_１）｝（Ｘ－Ｓ_１） ・・・（８）

【0072】

図１０に示すように、観測点Ａおよび観測点Ｂのそれぞれを円の中心として、２つの円の２箇所の交点を結ぶ直線をＯ－Ｐとして引く。観測点Ｂおよび観測点Ｃのそれぞれを円の中心として、２つの円の２箇所の交点を結ぶ直線をＳ－Ｕとして引く。観測点Ｃおよび観測点Ａのそれぞれを円の中心として、２つの円の２箇所の交点を結ぶ直線をＲ－Ｑとして引く。これら３つの直線の交点が目的座標（Ｘ_０，Ｙ_０）となる。

【0073】

目的座標（Ｘ_０，Ｙ_０）は、式（５）、式（７）および式（８）を解いて、式（９）で表される。式（９）において、Ａ＝｛（Ｐ_２－Ｏ_２）／（Ｐ_１－Ｏ_１）｝，Ｂ＝｛（Ｑ_２－Ｒ_１）／（Ｑ_１－Ｒ_１）｝である。

【0074】

（Ｘ_０，Ｙ_０）＝［｛ＡＯ_１－Ｏ_２－ＢＲ_１＋Ｒ_２｝／（Ａ－Ｂ），Ａ｛ＡＯ_１－Ｏ_２－ＢＲ_１＋Ｒ_２／（Ａ－Ｂ）｝－ＡＯ_１＋Ｏ_２］ ・・・（９）

【0075】

このようにして、３つの観測点における距離Ｌおよび送波器８の座標（Ｘ_ｏｂｐ，Ｙ_ｏｂｐ）を用いて受波器３の座標を求めることができる。

【0076】

本実施の形態１の位置測定システム５０は、観測点に設けられた送信器４と、観測点に設けられた送波器８と、陸上局１に設けられた受信器２と、時間差測定部４７と、受波器位置測定部４８とを有する。送信器４は、陸上局１にトリガ信号を送信する。送波器８は、受波器３にパルス信号を送波する。受信器２は、トリガ信号を受信する。時間差測定部４７は、トリガ信号が送信器４から受信器２に到達するまでの伝搬時間とパルス信号が送波器８から受波器３に到達するまでの伝搬時間との時間差ΔＴを求める。受波器位置測定部４８は、時間差測定部４７によって求められた時間差ΔＴと水中における音速ｃの値とを用いて、送波器８および受波器３間の距離Ｌを算出する。

【0077】

本実施の形態１によれば、トランスポンダ機能を持たない受波器３に対して、送波器８から受波器３までの距離Ｌが、観測点から陸上局１までの電波伝搬と観測点から受波器３までの音波伝搬との時間差ΔＴを用いて算出される。そのため、受波器３がトランスポンダ機能を備えていなくても、受波器３の位置を推定することが可能となり、水中機器の低コスト化および小型化を実現することができる。

【0078】

また、本実施の形態１において、３つの観測点で測定し、図８～図１０を参照して説明した手順を行うことで受波器３の位置を示す座標を求めることができる。そのため、トランスポンダ機能を持たない受波器３の位置測定が可能となり、水中機器の低コスト化および小型化を実現することができる。

【0079】

（他の利用形態）
（変形例１）
上述の実施の形態１においては、受波器３が１個の場合を説明したが、受波器３がアレイ型で複数の受波器３が一体に構成されていてもよい。この場合、１箇所の受波器３を観測点として受波するパルス信号と、アレイ型の他の受波器３が受波するパルス信号との時間差から距離Ｌを算出する。そして、実施の形態１において、図８～図１０を参照して説明した座標決定と同様の手順により、観測点の受波器３の位置を測定することができる。

【0080】

（変形例２）
上述の実施の形態１においては、一隻の音源船５が観測点Ａ～観測点Ｃの３つの観測点で測定する方法を説明したが、３隻の音源船５を用いて３つの観測点から同時に測定を行ってもよい。この場合においても、実施の形態１において、図８～図１０を参照して説明した座標決定と同様の手順により、受波器３の位置を測定することができる。

【0081】

（変形例３）
上述の実施の形態１においては、海底に設置した受波器３の位置を測定する方法を説明したが、３隻の音源船５を用いて一定時間ごとに測定を行い、陸上局１で一定時間ごとの受波器３の位置を測定してもよい。この場合、ソノブイまたはＵＵＶ(Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｕｎｄｅｒｓｅａ Ｖｅｈｉｃｌｅ)のように水中を移動する機器の移動の軌跡を確認することができる。

【符号の説明】

【0082】

１ 陸上局
２ 受信器
３ 受波器
４ 送信器
５ 音源船
６ ＧＰＳ受信アンテナ
７ 深度計
８ 送波器
９ 伝送ケーブル
１０ 送信部
１１ トリガ信号生成部
１２ 発振器
１３ 変調部
１４ パワーアンプ
１５ パルス信号生成部
１６ パワーアンプ
２０ 座標解析部
２１ ＧＰＳ解析部
３０ 受信部
４０ 位置測定装置
４１ チューニング部
４２ パワーアンプ
４３ 復調器
４４ 送信信号検出部
４５ 復調器
４６ 送波信号検出部
４７ 時間差測定部
４８ 受波器位置測定部
４９ 受波器座標測定部
５０ 位置測定システム
５１ ケーブル
６１ トリガ信号復号部
６２ パルス信号復号部
１００ 位置測定システム
１０１ 水中機器
１０２ トランスポンダ
１１０ 測量船
１１１ 送受波器
１１２ ＧＰＳ受信アンテナ
１１３ 動揺計測装置
１１５ 情報処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】