特許 7049572 水中測位システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-30

(45)【発行日】2022-04-07

(54)【発明の名称】水中測位システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 1/76 20060101AFI20220331BHJP

   G01S 5/22 20060101ALI20220331BHJP

   G01S 7/526 20060101ALI20220331BHJP

【ＦＩ】

G01S1/76

G01S5/22

G01S7/526 M

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021125104

(22)【出願日】2021-07-30

【審査請求日】2022-01-21

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000172961

【氏名又は名称】あおみ建設株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(74)【代理人】

【識別番号】100169960

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 貴光

(72)【発明者】

【氏名】吉原 到

(72)【発明者】

【氏名】海老原 格

(72)【発明者】

【氏名】水谷 孝一

【審査官】梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－２０４９７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１４００５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２４６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／００３４５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平７－１１６１６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ １／７２ － １／８２

Ｇ０１Ｓ ３／８０ － ３／８６

Ｇ０１Ｓ ５／１８ － ７／６４

Ｇ０１Ｓ １３／００ － １７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１台以上の送波器及び１台以上の受波器のうち少なくとも１台以上が既知座標に設けられ、他の前記送波器又は受波器が設けられた未知座標の未知点を測位する水中測位システムであって、
水中測位範囲を分割して設定された複数の領域内に前記未知点を設定した場合に、前記送波器から発せられた音波が前記受波器に到達する時間窓を前記領域毎に予め記憶したデータベースと、
前記時間窓と前記送波器から前記受波器までの音波の伝播路のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を前記領域毎に算出し、前記時間窓適用インパルス応答のエネルギーが最大となる前記領域に前記未知点が位置すると推定する座標推定部と、
を備えていることを特徴とする水中測位システム。

【請求項2】

前記時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間に基づいて、推定された前記領域内における未知点の座標を特定する座標特定部をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の水中測位システム。

【請求項3】

前記時間窓は、前記領域内において前記送波器が前記受波器に最も近くに位置する場合の直達波到達時間と、前記領域内において前記送波器が前記受波器から最も遠くに位置する場合の直達波到達時間と、を含む時間範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水中測位システム。

【請求項4】

前記音波は、パルス信号又は変調信号であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の水中測位システム。

【請求項5】

前記領域は、複数の第一の領域と、前記第一の領域を分割して設定された複数の第二の領域と、を有し、
前記データベースには、前記第一の領域及び第二の領域毎に前記時間窓が記憶され、
前記座標推定部は、前記第一の領域毎の時間窓適用インパルス応答に基づいて前記未知点が位置する前記第一の領域を推定し、推定された前記第一の領域における前記第二の領域毎の時間窓適用インパルス応答に基づいて前記未知点が位置する前記第二の領域を推定することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の水中測位システム。

【請求項6】

１台以上の送波器及び１台以上の受波器のうち少なくとも１台以上が既知座標に設けられ、他の前記送波器又は受波器が設けられた未知座標の未知点を測位する水中測位方法であって、
水中測位範囲を分割して設定された複数の領域内に前記未知点を設定した場合に、前記送波器から発せられた音波が前記受波器に到達する時間窓を前記領域毎にデータベースに予め記憶する工程と、
送波器から発せられた音波を受波器がそれぞれ受波する工程と、
座標推定部が、前記時間窓と前記送波器から前記受波器までの音波の伝播路のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を前記領域毎に算出し、前記時間窓適用インパルス応答のエネルギーが最大となる領域に前記未知点が位置すると推定する工程と、
を含むことを特徴とする水中測位方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水中測位システム及び方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、水中や水底で作業を行うバックホウ、ブルドーザ等の重機や沈埋函等の構造体の水中位置を測位することが行われている。

【0003】

例えば、特許文献１には、既知座標に設置された送波器と、バックホウに設置された受波器と、送波器に接続された信号生成部、D／Aコンバータ、アンプ及びＧＮＳＳアンテナと、送波器から受波器に向けて所定間隔おきに発せられる音波の伝播時間に基づいてバックホウの座標を推定する制御装置と、を備えている水中音響測位システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－２０４９７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１記載のシステムでは、図１４に示すように、送波器から発せられて受波器に到達した音波は、送波器から受波器に向かって直進する音波（直達波）の他に、水面、水底又は構造体で反射した音波（反射波）や水底、構造体で回折した音波（回折波）が含まれる。

【0006】

したがって、図１５に示すように、送波器と受波器との間の伝播路のインパルス応答を個別に算出し、そのピーク到達時間を直達波到達時間として送波器の座標を推定しようとしても、受波器が受波した音波には、直達波、反射波及び回折波が干渉しているため、各インパルス応答のピーク到達時間を個別に算出するだけでは、直達波の到達時間を正確に算出できず、受波器の位置推定結果に大きな誤差が生じたり欠測が生じる虞がある。

【0007】

そこで、正確に水中測位を行うために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明に係る水中測位システムは、１台以上の送波器又は１台以上の受波器のうち少なくとも１台以上が既知座標に設けられ、他の前記送波器又は受波器が設けられた未知座標の未知点を測位する水中測位システムであって、水中測位範囲を分割して設定された複数の領域内に前記未知点を設定した場合に、前記送波器から発せられた音波が前記受波器に到達する時間窓を前記領域毎に予め記憶したデータベースと、前記時間窓と前記送波器から前記受波器までの音波の伝播路のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を前記領域毎に算出し、前記時間窓適用インパルス応答のエネルギーが最大となる前記領域に前記未知点が位置すると推定する座標推定部と、を備えている。

【0009】

この構成によれば、インパルス応答と時間窓との内積をとってインパルス応答に含まれる意図しない音波を除外し、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーの大小を領域毎に比較することにより、未知点に設けられた送波器又は受波器が位置する領域を精度良く推定することができる。

【0010】

また、上記目的を達成するために、本発明に係る水中測位方法は、１台以上の送波器又は１台以上の受波器のうち少なくとも１台以上が既知座標に設けられ、他の前記送波器又は受波器が設けられた未知座標の未知点を測位する水中測位方法であって、水中測位範囲を分割して設定された複数の領域内に前記未知点を設定した場合に、前記送波器から発せられた音波が前記受波器に到達する時間窓を前記領域毎にデータベースに予め記憶する工程と、送波器から発せられた音波を受波器がそれぞれ受波する工程と、座標推定部が、前記時間窓と前記送波器から前記受波器までの音波の伝播路のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を前記領域毎に算出し、前記時間窓適用インパルス応答のエネルギーが最大となる領域に前記未知点が位置すると推定する工程と、を含む。

【0011】

この構成によれば、インパルス応答と時間窓との内積をとってインパルス応答に含まれる意図しない音波を除外し、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーの大小を領域毎に比較することにより、未知点に設けられた送波器又は受波器が位置する領域を精度良く推定することができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、未知点に設けられた送波器又は受波器の水中位置を正確に測位することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１実施形態に係る水中測位システムの構成を示す図である。

【図2】（ａ）は、送波器及び受波器との位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、送波器の位置を推定・特定する手順を示す模式図である。

【図3】水中測位範囲を分割した複数の未知点存在候補領域を示す模式図。

【図4】送波器と受波器との間の伝播路のインパルス応答において、直達波が存在し得る時間窓を示す模式図。

【図5】音波が送波器から２台の受波器にそれぞれ到達するまでの時間窓群を示す図である。

【図6】２台の受波器が受波した音波をそれぞれパルス圧縮して得られた、送波器と受波器との間の伝播路のインパルス応答を示す図である。

【図7】図５の時間窓と図６のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を示す図である。

【図8】第一の領域、第二の領域の順に送波器の座標を大局的に推定する手順を示す模式図。

【図9】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る水中測位システムにおける送波器及び受波器との位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水中測位システムにおいて、受波器の位置を推定・特定する手順を示す模式図である。

【図10】（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る水中測位システムにおける送波器及び受波器との位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水中測位システムにおいて、送波器の位置を推定・特定する手順を示す模式図である。

【図11】（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る水中測位システムにおける送波器及び受波器との位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水中測位システムにおいて、受波器の位置を推定・特定する手順を示す模式図である。

【図12】（ａ）は、本発明の第５実施形態に係る水中測位システムにおける送波器及び受波器との位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水中測位システムにおいて、送波器の位置を推定・特定する手順を示す模式図である。

【図13】（ａ）は、本発明の第６実施形態に係る水中測位システムにおける送波器及び受波器との位置関係を示す模式図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水中測位システムにおいて、受波器の位置を推定・特定する手順を示す模式図である。

【図14】送波器と受波器との間を音波が伝播する様子を示す模式図。

【図15】送波器と受波器との間の伝播路のインパルス応答に、直達波、反射波及び回折波が含まれる様子を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明に係る各種実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

【0015】

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

【0016】

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

【0017】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る水中測位システム１を示す模式図である。水中測位システム１は、水中に位置するバックホウ、ブルドーザ等の重機や沈埋函等の構造体の水中位置を取得するものである。

【0018】

水中測位システム１は、送波器２と、２台の受波器３と、時間窓ＤＢ４と、を備えている。

【0019】

送波器２は、重機や構造体等に取り付けられて音波を送波する。受波器３は、送波器２から発せられた音波を受波する。送波器２及び受波器３の時刻は、予め同期されている。本実施形態では、座標が既知である既知点に２台の受波器３を設け、座標が未知である未知点に配置された１台の送波器２の座標を測位する場合を例に説明する。時間窓ＤＢ４には、後述する時間窓が予め記憶されている。

【0020】

水中測位システム１は、信号生成部５と、座標推定・特定部６と、を備えている。信号生成部５は、水中測位に用いる信号を生成する。生成された信号は、Ｄ／Ａコンバータ７、アンプ２ａを介して送波器２から音波として送波される。

【0021】

座標推定・特定部６は、受波器３が音波を受波してアンプ３ａを介してＡ／Ｄコンバータ８に収録された信号に基づいて、送波器２の水中位置を大局的に推定する。また、座標推定・特定部６は、推定された送波器２の大まかな位置に基づいて、送波器２の座標を特定する。なお、座標推定・特定部６は、必要に応じて、送波器２の水中位置を大局的に推定する機能と送波器２の座標を特定する機能とを分割しても構わない。

【0022】

信号の種類は、送波器２に入力する信号と受波器３が受波した信号との相互相関関数演算（パルス圧縮処理）に適したものであれば如何なるものであっても構わず、例えば、Ｍ系列変調信号、ＴＳＰ（Ｔｉｍｅ Ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ Ｐｕｌｓｅ）信号、チャープ信号（スイープ信号、ＬＦＭ信号）、トーンバースト信号、パルス信号、ランダムノイズ信号等が考えられる。特に、チャープ信号は、エネルギーが大きく、ノイズの影響を受けにくいため、パルス圧縮処理に好適である。また、Ｍ系列変調信号は、パルス圧縮処理に好適なことに加えて、複数の送波器２や受波器３の水中測位を行う場合に好適である。

【0023】

水中測位システム１を構成する各種機器は、図示しないコンピュータで動作制御されている。コンピュータは、例えば、通信インターフェース、メモリ、プロセッサ及び計時機構等を含んで構成されている。

【0024】

通信インターフェースは、無線又は有線の通信回路等であり、コンピュータと水中測位システム１を構成する各種機器とを通信可能に接続する。メモリは、制御プログラム及びデータを予め保持しているＲＯＭ、制御プログラムの実行に際してデータ等の記憶するＲＡＭ等である。プロセッサは、メモリに格納された制御プログラムを実行することによって通信インターフェース等を制御して各種処理を行う。計時機構は、時計等である。コンピュータは、ユーザインターフェースとしての表示装置及び入力装置を備えてもよい。

【0025】

また、コンピュータは、通信インターフェースを介して、例えば外部のサーバ装置と通信してサーバ装置から水中測位に必要な情報を受波してもよいし、その必要な情報のユーザによる入力を、入力装置を介して受け付けてもよい。

【0026】

＜水中測位の手順＞
次に、水中測位システム１を用いて送波器２の水中位置を推定する手順について、図面に基づいて説明する。図２（ａ）は、本実施形態における送波器２と受波器３との位置関係を示す模式図であり、図２（ｂ）は、送波器２の水中位置を推定する手順を示す模式図である。なお、以下では、説明の都合上、送波器２及び受波器３が同一のｘｙ平面（ｚ＝Ｚｓ一定）上に配置されている場合を例に説明するが、送波器２及び受波器３は、それぞれ異なるｚ座標に配置されても構わない。

【0027】

＜シミュレーションフェーズ＞
まず、図示しない計算機（仮想空間）上で実際に送波器２や受波器３を設置する現場水域を地形情報等に基づいて再現した音場において、送波器２が水中測位範囲を分割して設定された複数の未知点存在候補領域（以下、単に「領域」という）内に存在すると仮定した場合に、音波が送波器２から各受波器３に到達するまでの時間窓をそれぞれ算出し、各時間窓が時間窓ＤＢ４に記憶される。

【0028】

具体的には、まず、図３に示すように、送波器２が取り付けられた重機や構造体等が配置される水中測位範囲を所定サイズ（図３に図示する例では、一辺の長さがｄの正方形）のメッシュ状に分割した複数の領域Ｒを設定する。なお、図３中では、水中測位範囲を（ｉ×ｊ）個の領域Ｒに区分している。水中測位範囲は、高さ一定（ｚ＝Ｚｓ）の水平なｘｙ平面である。

【0029】

次に、送波器２を各領域Ｒ内に設置した場合に、送波器２から発せられた直達波が各受波器３に到達するまでの時間窓を領域Ｒ毎に算出し、領域Ｒ毎の複数の時間窓（時間窓群）が受波器３毎に時間窓ＤＢ４に記憶される。このとき、送波器２のｘｙ座標は、領域Ｒ内の任意の座標（例えば、中心点）に設定され、各受波器３のｘｙ座標は既知点に設定される。なお、各受波器３のｘｙ座標は、水中測位範囲内の任意の場所に設定可能であるが、送波器２の領域Ｒ毎の時間窓がなるべく一意に定まるように最適化されるのが好ましい。なお、時間窓が設定される音波は、直達波に限らず、反射波を含めても構わない。

【0030】

時間窓は、領域Ｒ内において送波器２が受波器３の最も近くに位置する場合の音波の最小到達時間と、領域Ｒ内において送波器２が受波器３から最も遠くに位置する場合の音波の最大到達時間と、を含むように設定される。

【0031】

数式１は、領域Ｒ（ｉｄ≦Ｘｉ＜（ｉ＋1）ｄ、ｊｄ≦Ｙｊ＜（ｊ＋1）ｄ、Ｚｓ）において、中心のｘｙ座標が（ｉ＋ｄ／２、ｊ＋ｄ／２、Ｚｓ）である領域Ｒ内に位置する送波器２から、座標（Ｘｒｎ、Ｙｒｎ、Ｚｓ）に設けられたｎ（ｎ＝１、２）番目の受波器３に音波が到達する時間の最小値を示す。数式２は、領域Ｒにおける送波器２からｎ番目の受波器３に音波が到達する時間の最大値を示す。なお、数式１、２における「ｃ」は、水中測位範囲における音速である。また、数式１、２に基づいて算出された時間窓を図４に示す。

【0032】

【数1】

【0033】

【数2】

【0034】

また、領域Ｒに位置する送波器２から発せられた音波が２台の受波器３に到達するまでの時間窓群を図５に示す。そして、時間窓ＤＢ４には、２台の受波器３それぞれについて時間窓群が記憶される。なお、時間窓の形状は、図４、５に示す矩形に限定されるものではない。

【0035】

なお、領域Ｒのサイズは、データ量に比例して増大する処理コストや測位の精度を考慮して適宜変更可能である。例えば、領域Ｒのサイズを大きく設定すると、計算コストが少ない一方で測位精度が悪くなるのに対して、領域Ｒのサイズを小さく設定すると、測位精度は良好でほぼ一定で安定する一方で、領域Ｒのサイズが小さくなるにしたがって計算コストが増大する。また、領域Ｒの形状は、如何なる平面形状でも構わない。さらに、水中測位範囲を３次元で設定する場合には、領域Ｒを立体形状に設定しても構わない。

【0036】

＜測位フェーズ＞
次に、送波器２と受波器３との間で音波を実際に伝播させて、座標推定・特定部６が、送波器２の水中位置を大まかに推定した後に、送波器２の座標を特定する。

【0037】

具体的には、信号生成部５が生成したデジタル電気信号は、Ｄ／Ａコンバータ７によってアナログ電気信号として出力され、アンプ２ａで増幅された後に送波器２で音波に変換されて水中に送波される。

【0038】

音波は、約１５００ｍ／秒で水中を伝播した後に受波器３に到達する。２台の受波器３は、既知の座標（Ｘｒ１、Ｙｒ１、Ｚｓ）、（Ｘｒ２、Ｙｒ２、Ｚｓ）にそれぞれ配置されている。

【0039】

各受波器３で受波された信号は、アンプ３ａで増幅された後に、Ａ／Ｄコンバータ８でデジタル電気信号（受波信号）に変換されて収録される。図６は、２台の受波器３がそれぞれ受波した信号をパルス圧縮して得られた送波器と受波器との間の伝播路のインパルス応答を示す模式図である。

【0040】

一般的に、受波器３が受波した音波には、送波器２から受波器３に向かって直進する直達波の他に、水面、水底又は構造体で反射した音波（反射波）や水底又は構造体で回折した音波（回折波）が含まれる。図６に示すような反射波が直達波より大振幅であるインパルス応答の場合、そのピーク到達時間を直達波到達時間と誤って判断する虞がある。

【0041】

そこで、座標推定・特定部６は、数式３に示すように、図５に示す時間窓と図６に示すインパルス応答との内積をとって、時間窓が適用されたインパルス応答（以下、「時間窓適用インパルス応答」という）を算出する。なお、時間窓適用インパルス応答は、２台の受波器３のそれぞれについて算出される。

【0042】

【数3】

【0043】

さらに、座標推定・特定部６は、数式４に示すように、領域Ｒ毎に、全受波器３の時間窓適用インパルス応答の総エネルギー（出力）を算出する。

【0044】

【数4】

【0045】

そして、座標推定・特定部６は、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーが最大となる（ｉ、ｊ）に対応する領域Ｒを、送波器２が存在する領域Ｒｔと推定する。

【0046】

次に、座標推定・特定部６は、送波器２が位置すると推定された領域Ｒｔのうち、送波器２の座標を特定する。

【0047】

具体的には、座標推定・特定部６が、２台の受波器３それぞれについて、図７に示すような領域Ｒｔにおける時間窓適用インパルス応答におけるピーク到達時間を直達波到達時間として算出する。

【0048】

次に、数式５に示すように、水中測位範囲における音速ｃを直達波到達時間に乗じることにより、送波器２からｎ番目の受波器３までの距離ｌｎが得られる。以下、同様にして、全ての受波器３について直達波到達時間及び距離ｌｎを算出する。

【0049】

【数5】

【0050】

そして、座標推定・特定部６が、各受波器３の座標及び距離ｌｎに基づいて、数式６に示す連立方程式を最小二乗法等を用いて解き、送波器２の水中位置、即ち座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）を特定する。

【0051】

【数6】

【0052】

なお、水中測位範囲を区分する領域Ｒは上述したものに限定されず、例えば、図８に示すように、水中測位範囲を、大面積の第一の領域Ｒ１と、第一の領域Ｒ１を分割して設定された小面積の第二の領域Ｒ２とから成る階層構造で区分しても構わない。

【0053】

図８に示すように、水中測位範囲を第一の領域Ｒ１から成る上位階層と第二の領域Ｒ２から成る下位階層とに分ける場合、時間窓ＤＢ４には、第一の領域Ｒ１及び第二の領域Ｒ２毎に時間窓が記憶され、座標推定・特定部６が、第一の領域Ｒ１毎に時間窓適用インパルス応答の総エネルギーを比較して、送波器２が位置する第一の領域Ｒ１を推定し、推定された第一の領域Ｒ１における第二の領域Ｒ２毎に時間窓適用インパルス応答の総エネルギーを比較して、送波器２が位置する第二の領域Ｒ２を推定するように構成することが考えられる。また、水中測位範囲の階層構造は、上述した２層に限らず、３層以上であっても構わない。

【0054】

このようにして、大面積の第一の領域Ｒ１及び小面積の第二の領域Ｒ２の順に推定することにより、位置推定に要するデータ処理を省力化することができる。

【0055】

なお、本実施形態では、送波器２から受波器３に伝播した音波に含まれる直達波に着目して、送波器２の水中位置を特定する場合を例に説明したが、送波器２から受波器３に伝播した音波に含まれる反射波に着目して、送波器２の水中位置を特定しても構わない。

【0056】

この場合には、シミュレーションフェーズにおいて時間窓群を算出するにあたり、現場水域を再現した音場を設定するにあたり、反射波の伝播が徒に複雑になることを避けるために、反射波の境界を岸壁、人工的な信号反射装置又は平均的な海底面等に限定することが好ましい。

【0057】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る水中測位システム１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１は、上述した第１実施形態に係る水中測位システム１と比べて、後述する構成が相違し、その他の構成は共通する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１と第１実施形態に係る水中測位システム１とで共通する構成は同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0058】

図９（ａ）は、本実施形態における送波器２と受波器３との位置関係を示す模式図である。本実施形態に係る水中測位システム１は、送波器２と、２台の受波器３と、を備えている。

【0059】

本実施形態では、既知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に１台の送波器２を設け、重機や構造体等に取り付けられて未知点の座標（Ｘｒｎ、Ｙｒｎ、Ｚｓ）に配置された２台の受波器３の座標を測位する場合を例に説明する。なお、２台の受波器３間の距離ｌは既知とし、受波器３に別途設置された方向計から得られる方位角から、２台の受波器３間の位置関係、すなわちｘｙ座標上の差分（ΔＸ、ΔＹ）が得られる。なお、以下では、説明の都合上、送波器２及び受波器３が同一のｘｙ平面（ｚ＝Ｚｓ一定）上に配置されている場合を例に説明するが、送波器２及び受波器３は、それぞれ異なるｚ座標に配置されても構わない。

【0060】

＜水中測位の手順＞
次に、本実施形態に係る水中測位システム１を用いて、２台の受波器３の座標を推定する手順について、図面に基づいて説明する。図９（ｂ）は、受波器３の水中位置を推定する手順を示す模式図である。

【0061】

＜シミュレーションフェーズ＞
まず、仮想空間上において、受波器３が水中測位範囲を分割して設定された領域Ｒ内に存在したと仮定した場合に、音波が既知点の送波器２から未知点の１台目の受波器３に到達するまでの時間窓を領域Ｒ毎に算出され、また１台目の受波器３の時間窓及び１台目の受波器３とのｘｙ座標上の差分（ΔＸ、ΔＹ）に基づいて２台目の受波器３の時間窓が算出され、領域Ｒ毎の複数の時間窓（時間窓群）が受波器３毎に時間窓ＤＢ４に記憶される。

【0062】

なお、時間窓は、領域Ｒ内において受波器３が送波器２の最も近くに位置する場合の音波の最小到達時間と、領域Ｒ内において受波器３が送波器２から最も遠くに位置する場合の音波の最大到達時間と、を含むように設定される。

【0063】

数式７は、既知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に設けられた送波器２から、領域Ｒ（ｉｄ≦Ｘｉ＜（ｉ＋1）ｄ、ｊｄ≦Ｙｊ＜（ｊ＋1）ｄ、Ｚｓ）において、中心のｘｙ座標が（ｉ＋ｄ／２、ｊ＋ｄ／２、Ｚｓ）である領域Ｒ内に位置する１番目の受波器３に音波が到達する時間の最小値を示し、数式８は、２番目の受波器３に音波が到達する時間の最小値を示す。数式９は、送波器２から領域Ｒ内に位置する１番目の受波器に音波が到達する時間の最大値を示し、数式１０は、送波器２から領域Ｒ内に位置する２番目の受波器に音波が到達する時間の最大値を示す。

【0064】

【数7】

【0065】

【数8】

【0066】

【数9】

【0067】

【数10】

【0068】

＜測位フェーズ＞
次に、既知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に配置された送波器２から、未知の座標（Ｘｒｎ、Ｙｒｎ、Ｚｓ）に配置された２台の受波器３へ音波を実際に伝播させる。また、受波器３が受波した受波信号をパルス圧縮して、送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答を得る。

【0069】

次に、数式３により、ｎ番目の受波器３が領域Ｒ内に存在する場合に音波が受波器３に到達する時間範囲である時間窓と、送波器２とｎ番目の受波器３との間の伝播路のインパルス応答との内積をとり、時間窓適用インパルス応答が得られる。

【0070】

さらに、数式４により、領域Ｒ毎に、全受波器３の時間窓適用インパルス応答の総エネルギーを算出する。そして、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーが最大となる（ｉ、ｊ）に対応する領域Ｒを、２台の受波器３が存在する領域Ｒｔ１、Ｒｔ２と推定する。

【0071】

次に、座標推定・特定部６は、受波器３が位置する領域Ｒｔ１、Ｒｔ２のうち、受波器３の座標を特定する。具体的には、まず、座標推定・特定部６は、受波器３毎に領域Ｒｔ１、Ｒｔ２における時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間を直達波到達時間として算出する。

【0072】

次に、数式５に示すように、水中測位範囲における音速ｃを直達波到達時間に乗じることにより、送波器２からｎ番目の受波器３までの距離ｌｎが得られる。以下、同様にして、全ての受波器３について直達波到達時間及び距離ｌｎを算出する。

【0073】

そして、座標推定・特定部６が、送波器２の座標、２台の受波器３間の位置関係（ΔＸ、ΔＹ）及び距離ｌｎに基づいて、数式１１に示す連立方程式を最小二乗法等を用いて解き、２台の受波器３の水中位置、即ち座標（Ｘｒｎ、Ｙｒｎ、Ｚｓ）を特定する。

【0074】

【数11】

【0075】

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る水中測位システム１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１は、上述した第１実施形態に係る水中測位システム１と比べて、後述する構成が相違し、その他の構成は共通する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１と第１実施形態に係る水中測位システム１とで共通する構成は同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0076】

図１０（ａ）は、本実施形態における送波器２と受波器３との位置関係を示す模式図である。水中測位システム１は、２台の送波器２と、１台の受波器３と、を備えている。

【0077】

本実施形態では、既知点の座標（Ｘｔｎ、Ｙｔｎ、Ｚｓ）に設けられた２台の送波器２を設け、重機や構造体等に取り付けられて未知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に配置された１台の受波器３の座標を測位する場合を例に説明する。なお、以下では、説明の都合上、送波器２及び受波器３が同一のｘｙ平面（ｚ＝Ｚｓ一定）上に配置されている場合を例に説明するが、送波器２及び受波器３は、それぞれ異なるｚ座標に配置されても構わない。

【0078】

＜水中測位の手順＞
次に、本実施形態に係る水中測位システム１を用いて、受波器３の座標を推定する手順について、図面に基づいて説明する。図１０（ｂ）は、受波器３の水中位置を推定する手順を示す模式図である。

【0079】

＜シミュレーションフェーズ＞
まず、仮想空間上において、受波器３が水中測位範囲を分割して設定された領域Ｒ内に存在したと仮定した場合に、音波が既知点の送波器２から未知点の各受波器３に到達するまでの時間窓を領域Ｒ毎に算出し、領域Ｒ毎の複数の時間窓（時間窓群）が送波器２毎に時間窓ＤＢ４に記憶される。

【0080】

なお、時間窓は、領域Ｒ内において受波器３が送波器２の最も近くに位置する場合の音波の最小到達時間と、領域Ｒ内において受波器３が送波器２から最も遠くに位置する場合の音波の最大到達時間と、を含むように設定される。

【0081】

数式１２は、既知点の座標（Ｘｔｎ、Ｙｔｎ、Ｚｓ）に設けられた送波器２から、領域Ｒ（ｉｄ≦Ｘｉ＜（ｉ＋1）ｄ、ｊｄ≦Ｙｊ＜（ｊ＋1）ｄ、Ｚｓ）において、中心のｘｙ座標が（ｉ＋ｄ／２、ｊ＋ｄ／２、Ｚｓ）である領域Ｒ内に位置する受波器３に設けられた受波器３に音波が到達する時間の最小値を示す。数式１３は、送波器２から領域Ｒにおける受波器３に音波が到達する時間の最大値を示す。

【0082】

【数12】

【0083】

【数13】

【0084】

＜測位フェーズ＞
次に、既知点の座標（Ｘｔ１、Ｙｔ１、Ｚｓ）、（Ｘｔ２、Ｙｔ２、Ｚｓ）、にそれぞれ配置された２台の送波器２から、未知の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に配置された受波器３へ音波を実際に伝播させる。また、受波器３が受波した受波信号をパルス圧縮して、各送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答をそれぞれ得る。なお、２台の送波器２からそれぞれ発せられるパルス伸長信号は、互いに相関が小さいものに設定されるのが好ましい。

【0085】

次に、数式３により、受波器３が領域Ｒ内に存在する場合に音波が受波器３に到達する時間範囲である時間窓と、送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答との内積をとり、時間窓適用インパルス応答が得られる。

【0086】

さらに、数式４により、領域Ｒ毎に、受波器３の時間窓適用インパルス応答の総エネルギーを算出する。そして、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーが最大となる（ｉ、ｊ）に対応する領域Ｒを、受波器３が存在する領域Ｒｔと推定する。

【0087】

次に、座標推定・特定部６は、受波器３が位置する領域Ｒｔのうち、受波器３の座標を特定する。具体的には、まず、座標推定・特定部６は、領域Ｒｔにおける時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間を直達波到達時間として算出する。

【0088】

次に、数式５に示すように、水中測位範囲における音速ｃを直達波到達時間に乗じることにより、各送波器２から受波器３までの距離ｌｎがそれぞれ得られる。

【0089】

そして、座標推定・特定部６が、２台の送波器２の座標及び距離ｌｎに基づいて、数式１４に示す連立方程式を最小二乗法等を用いて解き、受波器３の水中位置、即ち座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）を特定する。

【0090】

【数14】

【0091】

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る水中測位システム１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１は、上述した第１実施形態に係る水中測位システム１と比べて、後述する構成が相違し、その他の構成は共通する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１と第１実施形態に係る水中測位システム１とで共通する構成は同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0092】

図１１（ａ）は、本実施形態における送波器２と受波器３との位置関係を示す模式図である。水中測位システム１は、２台の送波器２と、１台の受波器３と、を備えている。

【0093】

本実施形態では、既知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に１台の受波器３を設け、重機や構造体等に取り付けられて未知点の座標（Ｘｒｎ、Ｙｒｎ、Ｚｓ）に配置された２台の送波器２の座標を測位する場合を例に説明する。なお、２台の送波器２間の位置関係、すなわちｘｙ座標上の差分（ΔＸ、ΔＹ）は既知とする。なお、以下では、説明の都合上、送波器２及び受波器３が同一のｘｙ平面（ｚ＝Ｚｓ一定）上に配置されている場合を例に説明するが、送波器２及び受波器３は、それぞれ異なるｚ座標に配置されても構わない。

【0094】

＜水中測位の手順＞
次に、本実施形態に係る水中測位システム１を用いて、２台の送波器２の座標を推定する手順について、図面に基づいて説明する。図１１（ｂ）は、送波器２の水中位置を推定する手順を示す模式図である。

【0095】

＜シミュレーションフェーズ＞
まず、仮想空間上において、送波器２が水中測位範囲を分割して設定された領域Ｒ内に存在したと仮定した場合に、音波が未知点の各送波器２から既知点の受波器３に到達するまでの時間窓を領域Ｒ毎に算出し、領域Ｒ毎の複数の時間窓（時間窓群）が送波器２毎に時間窓ＤＢ４に記憶される。

【0096】

なお、時間窓は、領域Ｒ内において受波器３が送波器２の最も近くに位置する場合の音波の最小到達時間と、領域Ｒ内において受波器３が送波器２から最も遠くに位置する場合の音波の最大到達時間と、を含むように設定される。

【0097】

数式１５は、領域Ｒ（ｉｄ≦Ｘｉ≦（ｉ＋1）ｄ、ｊｄ≦Ｙｊ≦（ｊ＋1）ｄ、Ｚｓ）において、中心のｘｙ座標が（ｉ＋ｄ／２、ｊ＋ｄ／２、Ｚｓ）である領域Ｒ内に位置するｎ番目（ｎ＝１、２）の送波器２から、既知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に設けられた受波器３に音波が到達する時間の最小値を示す。数式１６は、領域Ｒにおけるｎ番目の送波器２から受波器に音波が到達する時間の最大値を示す。

【0098】

【数15】

【0099】

【数16】

【0100】

＜測位フェーズ＞
次に、未知点の座標（Ｘｒｎ、Ｙｒｎ、Ｚｓ）に配置されたｎ番目の送波器２から、既知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に配置された受波器３へ音波を実際に伝播させる。また、受波器３が受波した受波信号をパルス圧縮して、各送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答をそれぞれ得る。なお、２台の送波器２からそれぞれ発せられるパルス伸長信号は、互いに相関が小さいものに設定されるのが好ましい。

【0101】

次に、数式３により、ｎ番目の送波器２が領域Ｒ内に存在する場合に音波が受波器３に到達する時間範囲である時間窓と、ｎ番目の送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答との内積をとり、時間窓適用インパルス応答が得られる。

【0102】

さらに、数式４により、領域Ｒ毎に、受波器３の時間窓適用インパルス応答の総エネルギーを算出する。そして、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーが最大となる（ｉ、ｊ）に対応する領域Ｒを、２台の送波器２が存在する領域Ｒｔ１、Ｒｔ２と推定する。

【0103】

次に、座標推定・特定部６は、送波器２が位置する領域Ｒｔ１、Ｒｔ２のうち、送波器２の座標を特定する。具体的には、まず、座標推定・特定部６は、送波器２毎に領域Ｒｔ１、Ｒｔ２における時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間を直達波到達時間として算出する。

【0104】

次に、数式５に示すように、水中測位範囲における音速ｃを直達波到達時間に乗じることにより、各送波器２から受波器３までの距離ｌｎがそれぞれ得られる。

【0105】

そして、座標推定・特定部６が、受波器３の座標、２台の送波器２間の位置関係（ΔＸ、ΔＹ）及び距離ｌｎに基づいて、数式１７に示す連立方程式を最小二乗法等を用いて解き、２台の送波器２の水中位置、即ち座標（Ｘｔ１、Ｙｔ１、Ｚｓ）、（Ｘｔ２、Ｙｔ２、Ｚｓ）をそれぞれ特定する。

【0106】

【数17】

【0107】

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係る水中測位システム１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１は、上述した第１実施形態に係る水中測位システム１と比べて、後述する構成が相違し、その他の構成は共通する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１と第１実施形態に係る水中測位システム１とで共通する構成は同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0108】

図１２（ａ）は、本実施形態における送波器２と受波器３との位置関係を示す模式図である。水中測位システム１は、１台の送波器２と、１台の受波器３と、を備えている。

【0109】

本実施形態では、既知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に設けられた受波器３を設け、重機や構造体等に取り付けられて未知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に配置された送波器２の座標を測位する場合を例に説明する。なお、以下では、説明の都合上、送波器２及び受波器３が同一のｘｙ平面（ｚ＝Ｚｓ一定）上に配置されている場合を例に説明するが、送波器２及び受波器３は、それぞれ異なるｚ座標に配置されても構わない。

【0110】

＜水中測位の手順＞
次に、本実施形態に係る水中測位システム１を用いて、送波器２の座標を推定する手順について、図面に基づいて説明する。図１２（ｂ）は、送波器２の水中位置を推定する手順を示す模式図である。

【0111】

＜シミュレーションフェーズ＞
まず、図示しない計算機上において、送波器２が水中測位範囲を分割して設定された領域Ｒ内に存在したと仮定した場合に、直達波及び反射波が送波器２から受波器３にそれぞれ到達するまでの時間窓を算出し、領域Ｒ毎に算出された各時間窓が時間窓ＤＢ４に記憶される。

【0112】

なお、直達波に関する時間窓は、領域Ｒ内において受波器３が送波器２の最も近くに位置する場合の直達波の最小到達時間と、領域Ｒ内において受波器３が送波器２から最も遠くに位置する場合の直達波の最大到達時間と、を含むように設定される。また、反射波に関する時間窓は、領域Ｒ内において受波器３が送波器２の最も近くに位置する場合の反射波の最小到達時間と、領域Ｒ内において受波器３が送波器２から最も遠くに位置する場合の反射波の最大到達時間と、を含むように設定される。

【0113】

数式１８は、領域Ｒ（ｉｄ≦Ｘｉ＜（ｉ＋1）ｄ、ｊｄ≦Ｙｊ＜（ｊ＋1）ｄ、Ｚｓ）において、中心のｘｙ座標が（ｉ＋ｄ／２、ｊ＋ｄ／２、Ｚｓ）である領域Ｒ内に位置する送波器２から、既知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に設けられた受波器３に直達波が到達する時間の最小値を示し、数式１９は、送波器２から受波器３に反射波が到達する時間の最小値を示す。数式２０は、領域Ｒにおける送波器２から受波器３に直達波が到達する時間の最大値を示し、数式２１は、送波器２から受波器３に反射波が到達する時間の最大値を示す。

【0114】

【数18】

【0115】

【数19】

【0116】

【数20】

【0117】

【数21】

【0118】

＜測位フェーズ＞
次に、未知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に配置された送波器２から、既知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に配置された受波器３へ音波を実際に伝播させる。また、受波器３が受波した受波信号をパルス圧縮して、送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答を得る。

【0119】

次に、数式３により、送波器２が領域Ｒ内に存在する場合に直達波及び反射波が受波器３に到達する時間範囲である時間窓と、送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答との内積をとり、直達波及び反射波に関する時間窓適用インパルス応答がそれぞれ得られる。

【0120】

さらに、数式４により、領域Ｒ毎に、直達波及び反射波に関する時間窓適用インパルス応答の総エネルギーを算出する。そして、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーが最大となる（ｉ、ｊ）に対応する領域Ｒを、送波器２が存在する領域Ｒｔと推定する。

【0121】

次に、座標推定・特定部６は、送波器２が位置する領域Ｒｔのうち、送波器２の座標を特定する。

【0122】

具体的には、まず、座標推定・特定部６は、領域Ｒｔにおける直達波に関する時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間を直達波到達時間とし、領域Ｒｔにおける反射波に関するピーク到達時間を反射波到達時間として算出する。

【0123】

次に、数式５に示すように、水中測位範囲における音速ｃを直達波到達時間に乗じることにより、送波器２から受波器３までの距離ｌ１が得られる。

【0124】

同様にして、水中測位範囲における音速ｃを反射波到達時間に乗じることにより、送波器２から発せられた音波が境界で反射して受波器３に至るまでの距離ｌ２が得られる。なお、受波器３と反射波が反射する境界との距離ｄは既知である。

【0125】

そして、座標推定・特定部６が、受波器３の座標、受波器３と境界との距離ｄ及び距離ｌ１、ｌ２に基づいて、数式２２に示す連立方程式を最小二乗法等を用いて解き、送波器２の水中位置、即ち座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）を特定する。

【0126】

【数22】

【0127】

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態に係る水中測位システム１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１は、上述した第１実施形態に係る水中測位システム１と比べて、後述する構成が相違し、その他の構成は共通する。なお、本実施形態に係る水中測位システム１と第１実施形態に係る水中測位システム１とで共通する構成は同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0128】

図１３（ａ）は、本実施形態における送波器２と受波器３との位置関係を示す模式図である。水中測位システム１は、１台の送波器２と、１台の受波器３と、を備えている。

【0129】

本実施形態では、既知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に送波器２を設け、重機や構造体等に取り付けられて未知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に配置された受波器３の座標を測位する場合を例に説明する。なお、以下では、説明の都合上、送波器２及び受波器３が同一のｘｙ平面（ｚ＝Ｚｓ一定）上に配置されている場合を例に説明するが、送波器２及び受波器３は、それぞれ異なるｚ座標に配置されても構わない。

【0130】

＜水中測位の手順＞
次に、本実施形態に係る水中測位システム１を用いて、受波器３の座標を推定する手順について、図面に基づいて説明する。図１３（ｂ）は、受波器３の水中位置を推定する手順を示す模式図である。

【0131】

＜シミュレーションフェーズ＞
まず、図示しない計算機上において、受波器３が水中測位範囲を分割して設定された領域Ｒ内に存在したと仮定した場合に、直達波及び反射波が送波器２から受波器３にそれぞれ到達するまでの時間窓を算出し、領域Ｒ毎に算出された各時間窓が時間窓ＤＢ４に記憶される。

【0132】

なお、直達波に関する時間窓は、領域Ｒ内において受波器３が送波器２の最も近くに位置する場合の直達波の最小到達時間と、領域Ｒ内において受波器３が送波器２から最も遠くに位置する場合の直達波の最大到達時間と、を含むように設定される。また、反射波に関する時間窓は、領域Ｒ内において受波器３が送波器２の最も近くに位置する場合の反射波の最小到達時間と、領域Ｒ内において受波器３が送波器２から最も遠くに位置する場合の反射波の最大到達時間と、を含むように設定される。

【0133】

数式２３は、既知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に設けられた送波器２から、領域Ｒ（ｉｄ≦Ｘｉ＜（ｉ＋1）ｄ、ｊｄ≦Ｙｊ＜（ｊ＋1）ｄ、Ｚｓ）において、中心のｘｙ座標が（ｉ＋ｄ／２、ｊ＋ｄ／２、Ｚｓ）である領域Ｒ内に位置する受波器３に直達波が到達する時間の最小値を示し、数式２４は、送波器２から受波器３に反射波が到達する時間の最小値を示す。数式２５は、送波器２から領域Ｒにおける受波器３に直達波が到達する時間の最大値を示し、数式２６は、送波器２から受波器３に反射波が到達する時間の最大値を示す。

【0134】

【数23】

【0135】

【数24】

【0136】

【数25】

【0137】

【数26】

【0138】

＜測位フェーズ＞
次に、既知点の座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｓ）に配置された送波器２から、未知点の座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）に配置された受波器３へ音波を実際に伝播させる。また、受波器３が受波した受波信号をパルス圧縮して、送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答を得る。

【0139】

次に、数式３により、送波器２が領域Ｒ内に存在する場合に直達波及び反射波が受波器３に到達する時間範囲である時間窓と、送波器２と受波器３との間の伝播路のインパルス応答との内積をとり、直達波及び反射波に関する時間窓適用インパルス応答がそれぞれ得られる。

【0140】

さらに、数式４により、領域Ｒ毎に、直達波及び反射波に関する時間窓適用インパルス応答の総エネルギーを算出する。そして、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーが最大となる（ｉ、ｊ）に対応する領域Ｒを、受波器３が存在する領域Ｒｔと推定する。

【0141】

次に、座標推定・特定部６は、受波器３が位置する領域Ｒｔのうち、受波器３の座標を特定する。

【0142】

具体的には、まず、座標推定・特定部６は、領域Ｒｔにおける直達波に関する時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間を直達波到達時間とし、領域Ｒｔにおける反射波に関する時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間を反射波到達時間として算出する。

【0143】

次に、数式５に示すように、水中測位範囲における音速ｃを直達波到達時間に乗じることにより、送波器２から受波器３までの距離ｌ１が得られる。

【0144】

同様にして、水中測位範囲における音速ｃを反射波到達時間に乗じることにより、送波器２から発せられた音波が境界で反射して受波器３に至るまでの距離ｌ２が得られる。なお、受波器３と反射波が反射する境界との距離ｄは既知である。

【0145】

そして、座標推定・特定部６が、送波器２の座標、送波器２と境界との距離ｄ及び距離ｌ１、ｌ２に基づいて、数式２７に示す連立方程式を最小二乗法等を用いて解き、受波器３の水中位置、即ち座標（Ｘｒ、Ｙｒ、Ｚｓ）を特定する。

【0146】

【数27】

【0147】

このようにして、本発明に係る水中測位システム１は、１台以上の送波器２又は１台以上の受波器３のうち少なくとも１台以上が既知座標に設けられ、他の送波器２又は受波器３が設けられた未知座標の未知点を測位する水中測位システムであって、水中測位範囲を分割して設定された複数の領域Ｒ内に未知点を設定した場合に、送波器２から発せられた音波が受波器３に到達する時間窓を領域Ｒ毎に予め記憶した時間窓ＤＢ４と、時間窓と送波器２から受波器３までの音波の伝播路のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を領域Ｒ毎に算出し、時間窓適用インパルス応答のエネルギーが最大となる領域Ｒに未知点が位置すると推定する座標推定・特定部６と、を備えている構成とした。

【0148】

この構成によれば、インパルス応答と時間窓との内積をとってインパルス応答に含まれる意図しない音波を除外し、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーの大小を領域Ｒ毎に比較することにより、未知点に設けられた送波器２又は受波器３が位置する領域Ｒを精度良く推定することができる。

【0149】

また、水中測位システム１は、座標推定・特定部６は、時間窓適用インパルス応答のピーク到達時間に基づいて、推定された領域Ｒ内における未知点の座標を特定する構成とした。

【0150】

この構成によれば、座標推定・特定部６が、推定された領域Ｒにおける時間窓適用インパルス応答のピーク時間に音波を乗じて、既知点から未知点までの距離を算出することにより、領域Ｒ内における未知点の座標を正確に特定することができる。

【0151】

また、本発明に係る水中測位方法は、１台以上の送波器２又は１台以上の受波器３のうち少なくとも１台以上が既知座標に設けられ、他の送波器２又は受波器３が設けられた未知座標の未知点を測位する水中測位方法であって、水中測位範囲を分割して設定された複数の領域Ｒ内に未知点を設定した場合に、送波器２から発せられた音波が受波器３に到達する時間窓を領域毎に時間窓ＤＢ４に予め記憶する工程と、送波器２から発せられた音波を受波器３がそれぞれ受波する工程と、座標推定・特定部６が、時間窓と送波器２から受波器３までの音波の伝播路のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を領域Ｒ毎に算出し、時間窓適用インパルス応答のエネルギーが最大となる領域に未知点が位置すると推定する工程と、を含む構成とした。

【0152】

この構成によれば、インパルス応答と時間窓との内積をとってインパルス応答に含まれる意図しない音波を除外し、時間窓適用インパルス応答の総エネルギーの大小を領域Ｒ毎に比較することにより、未知点に設けられた送波器２又は受波器３が位置する領域Ｒを精度良く推定することができる。

【0153】

なお、本発明は、上述した構成以外にも本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

【符号の説明】

【0154】

１ ：水中測位システム
２ ：送波器
２ａ：アンプ
３ ：受波器
３ａ：アンプ
４ ：時間窓ＤＢ
５ ：信号生成部
６ ：座標推定・特定部
７ ：Ｄ／Ａコンバータ
８ ：Ａ／Ｄコンバータ
Ｒ、Ｒｔ、Ｒｔ１、Ｒｔ２ ：領域

【要約】      （修正有）

【課題】正確に水中測位できる水中測位システム及び方法を提供することを目的とする。
【解決手段】１台以上の送波器２又は１台以上の受波器３のうち少なくとも１台以上が既知座標に設けられ、他の送波器２又は受波器３が設けられた未知座標の未知点を測位する水中測位システム１は、水中測位範囲を分割して設定された複数の領域Ｒ内に未知点を設定した場合に、送波器２から発せられた音波が受波器３に到達する時間窓を領域Ｒ毎に予め記憶した時間窓ＤＢ４と、時間窓と送波器２から受波器３までの音波の伝播路のインパルス応答との内積である時間窓適用インパルス応答を領域Ｒ毎に算出し、時間窓適用インパルス応答のエネルギーが最大となる領域Ｒに未知点が位置すると推定する座標推定・特定部６と、を備えている。
【選択図】図１

【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】

【図14】

【図15】