JP7248262B2 - 水中音響通信システム - Google Patents

Description

本発明は、水上又は水面近くにある船舶等と水中に投入された水中航走体との間で音響信号を利用して通信を行う水中音響通信システムに関する。

海洋や湖沼等において、水中に水中航走体を投入して水底の探査等を行う場合、水上又は水面近くに位置する船舶等と水中航走体との間、又は水中に配置された装置と水中航走体との間では、音響信号を利用した水中音響通信システムを用いて通信が行われる。
例えば特許文献１には、母船とケーブル接続された水中ステーションを海中に配設し、音響トランスポンダを探査地点近くの海底に配置し、探査用の無索式無人潜水艇を水中ステーション及び音響トランスポンダと超音波信号を用いて通信させすることで誘導し、必要に応じて無索式無人潜水艇を水中ステーションにドッキングさせて充電又は電池交換と探査データの吸い上げを行う技術が開示されている。
また、特許文献２には、第１トランスポンダ、第１受波器及び第２受波器を備えた水中ステーションを母船から海中に吊り下げ、海底に第２トランスポンダを設置し、探査用の自律型無人航走体に第３トランスポンダ及び第３受波器を設け、水中ステーションは第２トランスポンダの信号を第１受波器で受信することによって定点保持を図り、自律型無人航走体は、探査中は第２トランスポンダの信号を第３受波器で受信することによって自航し、動力が減少すると第１トランスポンダの信号を第３受波器で受信することによって水中ステーションに向かって航走し、水中ステーションは第３トランスポンダの信号を第２受波器で受信することによって自律型無人航走を収容するための姿勢制御を行う技術が開示されている。
また、特許文献３には、水上に位置する母船に送波器を設け、探査用の無人潜水機に受波器を設け、母船から無人潜水機に制御信号を送る水中音響通信において、画素信号のハフ変換を利用して伝送誤りを補正する技術が開示されている。
また、特許文献４には、母船と水中航走体との間における通信を中継する自走中継器を観察領域の水面近傍に配置し、自走中継器と母船との間の通信は電波通信で行い、自走中継器と水中航走体との間の通信は音響通信で行うことによって、水平方向の通信可能距離を向上させる技術が開示されている。

特開平３－２６６７９４号公報 特開２００３－２６０９０号公報 特開平５－１４７５８３号公報 特開２００１－３０８７６６号公報 特表２００１－５００９４１号公報

水上又は水面近くにある船舶等から、船舶等の下方の水中の水中航走体が水中音響通信を行う場合、一般的に音波の水面反射の影響により、船舶等を頂点とした円錐形の体積が、水中音響通信可能領域となる。しかし、水中航走体は、観測作業中等に水中音響通信可能領域から出ることも考えられる。水中航走体が水中音響通信可能領域を超えた場合は、水中音響通信は途絶してしまう。
特許文献１記載の発明は、母船と水中ステーションがケーブルで接続されているため、母船や水中ステーションの移動が制限される。また、音波が水面又は水底に反射することによる音響通信への影響を考慮していない。
特許文献２記載の発明は、水中ステーションが母船から吊り下げられているため、母船や水中ステーションの移動が制限される。また、音波が水面又は水底に反射することによる音響通信への影響を考慮していない。
特許文献３記載の発明は、水中音響通信が水面や海底の反射音の影響を受けやすいことを考慮し、伝送誤りを含んでいても正しい制御信号を推定することで無人潜水機が無制御状態に陥ることを防止しようとするものである。しかし、無人潜水機が母船を頂点とした略円錐状の水中音響通信可能領域を超えた場合には、通信が途絶してしまう。
特許文献４記載の発明は、音響通信は海面や海底からの反射によって音波が劣化するため特に水平方向の通信では音波の伝わらない領域があることを考慮し、自走中継器を介して母船と水中航走体との通信を行うことによって水平方向の通信可能距離を拡げようとするものである。しかし、自走中継器は水面近傍に配置されるため、自走中継器を頂点とした略円錐状の水中音響通信可能領域の外にある水中航走体とは通信できない。

そこで本発明は、水面近傍にある船舶等と水中にある水中航走体との水中音響通信可能範囲を拡大する水中音響通信システムを提供することを目的とする。

請求項１記載に対応した水中音響通信システムにおいては、水中音速が１４９０ｍ／ｓ以下の水中音速が遅い層と水中音速が１４９０ｍ／ｓを超える水中音速が速い層とを有する海域で用いられ、水面の近傍に配置した水面を移動可能な浮体音響通信手段と、水の中を航走する水中航走体に設けた航走体音響通信手段との間で音響信号を利用して通信を行う水中音響通信システムにおいて、水面から下方であって浮体音響通信手段が発信する音響信号の到達し易い略円錐状の範囲の所定領域であって、かつ所定領域を水温、塩分、及び水深により影響を受ける水中音速に応じて、水中音速が速い層と水中音速が遅い層とに区分したうちの水中音速が１４９０ｍ／ｓ以下の水中音速が遅い層に配置した水の中を移動可能な音響通信中継手段を備え、浮体音響通信手段の水面における移動に追随して音響通信中継手段を水中音速が遅い層の中で所定領域から外れないように移動させ、かつ水中航走体が所定領域を超えて航走するときに、音響通信中継手段を所定領域のうち水中音速が遅い層の中で、音響通信中継手段と所定領域を超えて航走する水中航走体の航走体音響通信手段との通信状況が良好な位置に移動させ、音響通信中継手段を介して浮体音響通信手段と所定領域を超えて航走する水中航走体の航走体音響通信手段が音響通信を行うことを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段は、音響通信中継手段を介した音響通信を行うことができる。水中に配置された音響通信中継手段からの音波は水面反射の影響を受けにくいため所定領域外にある航走体音響通信手段にも届きやすい。すなわち、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段が音響通信可能な範囲が拡大するため、水中航走体の活動範囲が拡大する。また、音響通信中継手段が移動可能であるため、浮体音響通信手段を追尾させることで、浮体音響通信手段が移動しても音響通信中継手段が所定領域から外れることを防止できる。また、略円錐状の範囲の所定領域内で最大限、水中航走体との音響通信が可能な位置にまで移動が可能となるため、水中航走体の観測範囲等を拡げることができる。また、音響通信中継手段を水中音速が１４９０ｍ／ｓ以下の水中音速が遅い層に配置し、水中航走体が所定領域を超えて航走するときに、水中音速が遅い層の中で、所定領域を超えて航走する水中航走体の航走体音響通信手段との通信状況が良好な位置に動作させることで、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段との音響通信中継手段を介した通信の安定性が一層高まり、通信可能範囲がさらに拡大する。
なお、「水面の近傍に配置した浮体音響通信手段」には、水面に浮かぶブイ等に設けた浮体音響通信手段の他、全部又は大部分が水中に没していたとしても水面近傍に位置する浮体音響通信手段を含む。また、船舶等の浮体に搭載された状態も含むものとする。

請求項２記載の本発明は、音響通信中継手段は、横方向に音響信号を送信して航走体音響通信手段と音響通信を行うことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、特に水平方向に遠く離れた航走体音響通信手段とも安定して通信を行うことができる。

請求項３記載の本発明は、所定領域に水中航走体が存在する場合は、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段で直接通信を行うことを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、音響通信中継手段のエネルギーの消耗や負荷を軽減できると共に、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段との通信速度を速くできる。
なお、「直接通信」とは、音響通信中継手段を介さない通信をいう。

請求項４記載の本発明は、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段の直接通信と、音響通信中継手段を介した間接通信を切り替える通信切替手段を備えたことを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段との間の通信状況に応じて、また必要に応じて直接通信と間接通信を切り替えることができる。

請求項５記載の本発明は、音響通信に供するデータとして位置データを含むことを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、位置データを含めることで、浮体音響通信手段、音響通信中継手段又は水中航走体の位置の補正や水中航走体が取得したデータとの対応付け等を行うことができる。

請求項６記載の本発明は、位置データは、ＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信して浮体音響通信手段の自己位置を把握したデータであることを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、位置データを、ＧＮＳＳ信号を受信して浮体音響通信手段の自己位置を把握したデータとすることができる。

請求項７記載の本発明は、浮体音響通信手段を複数有し、複数の浮体音響通信手段の各々がＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信し各々の自己位置を把握することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、位置データを、複数の浮体音響通信手段の各々がＧＮＳＳ信号を受信して自己位置を把握したデータとすることができる。

請求項８記載の本発明は、水中航走体及び/又は音響通信中継手段に音響通信に供するデータを記憶する記憶手段を有したことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、必要に応じてデータを再送したり、水中航走体又は音響通信中継手段を水中から回収した後にデータを検証したりすることができる。

請求項９記載の本発明は、水中航走体を複数台有し、音響通信中継手段は複数台の水中航走体の音響信号を中継することを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、複数台の水中航走体を用いることで、観測作業等の効率を向上させることができる。

請求項１０記載の本発明は、複数台の水中航走体がそれぞれ音響通信中継手段を搭載し、所定領域に存在する水中航走体が音響通信の中継を行うことを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、水中航走体自身が音響通信中継機能を兼ねることができる。また、複数の音響通信中継手段を設けることで、１台が故障しても他の水中航走体に搭載された音響通信中継手段を用いて間接通信が行える。

請求項１１記載の本発明は、音響通信中継手段の移動速度は水中航走体の航走速度よりも遅いものであることを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、音響通信中継手段の移動速度を水中航走体の航走速度よりも遅くすることで、音響通信中継手段の消費エネルギーを節約して間接通信に備えることができる。

請求項１２記載の本発明は、航走体音響通信手段と音響通信中継手段との間の音響通信ができなくなった場合に、水中航走体及び／又は音響通信中継手段を水面に浮上させることを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、早めに浮上させることで、水中航走体及び／又は音響通信中継手段を見失う前に回収することができる。

請求項１３記載の本発明は、水中航走体及び／又は音響通信中継手段が水面に浮上した後は、浮体音響通信手段と水中航走体及び／又は音響通信中継手段との通信を空間を利用した無線通信に切り替えることを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明によれば、浮体音響通信手段と浮上した水中航走体及び／又は音響通信中継手段との通信をさらに、情報量を増し水平遠方まで安定して行うことができる。

本発明の水中音響通信システムによれば、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段は、音響通信中継手段を介した音響通信を行うことができる。水中に配置された音響通信中継手段からの音波は水面反射の影響を受けにくいため所定領域外にある航走体音響通信手段にも届きやすい。すなわち、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段が音響通信可能な範囲が拡大するため、水中航走体の活動範囲が拡大する。また、音響通信中継手段が移動可能であるため、浮体音響通信手段を追尾させることで、浮体音響通信手段が移動しても音響通信中継手段が所定領域から外れることを防止できる。また、略円錐状の範囲の所定領域内で最大限、水中航走体との音響通信が可能な位置にまで移動が可能となるため、水中航走体の観測範囲等を拡げることができる。また、音響通信中継手段を水中音速が１４９０ｍ／ｓ以下の水中音速が遅い層に配置し、水中航走体が所定領域を超えて航走するときに、水中音速が遅い層の中で、所定領域を超えて航走する水中航走体の航走体音響通信手段との通信状況が良好な位置に動作させることで、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段との音響通信中継手段を介した通信の安定性が一層高まり、通信可能範囲がさらに拡大する。

また、音響通信中継手段は、横方向に音響信号を送信して航走体音響通信手段と音響通信を行う場合には、特に水平方向に遠く離れた航走体音響通信手段とも安定して通信を行うことができる。

また、所定領域に水中航走体が存在する場合は、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段で直接通信を行う場合には、音響通信中継手段のエネルギーの消耗や負荷を軽減できると共に、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段との通信速度を速くできる。

また、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段の直接通信と、音響通信中継手段を介した間接通信を切り替える通信切替手段を備えた場合には、浮体音響通信手段と航走体音響通信手段との間の通信状況に応じて、また必要に応じて直接通信と間接通信を切り替えることができる。

また、音響通信に供するデータとして位置データを含む場合には、浮体音響通信手段、音響通信中継手段又は水中航走体の位置の補正や水中航走体が取得したデータとの対応付け等を行うことができる。

また、位置データは、ＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信して浮体音響通信手段の自己位置を把握したデータである場合には、位置データを、ＧＮＳＳ信号を受信して浮体音響通信手段の自己位置を把握したデータとすることができる。

また、浮体音響通信手段を複数有し、複数の浮体音響通信手段の各々がＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信し各々の自己位置を把握する場合には、位置データを、複数の浮体音響通信手段の各々がＧＮＳＳ信号を受信して自己位置を把握したデータとすることができる。

また、水中航走体及び/又は音響通信中継手段に音響通信に供するデータを記憶する記憶手段を有した場合には、必要に応じてデータを再送したり、水中航走体又は音響通信中継手段を水中から回収した後にデータを検証したりすることができる。

また、水中航走体を複数台有し、音響通信中継手段は複数台の水中航走体の音響信号を中継する場合には、複数台の水中航走体を用いることで、観測作業等の効率を向上させることができる。

また、複数台の水中航走体がそれぞれ音響通信中継手段を搭載し、所定領域に存在する水中航走体が音響通信の中継を行う場合には、水中航走体自身が音響通信中継機能を兼ねることができる。また、複数の音響通信中継手段を設けることで、１台が故障しても他の水中航走体に搭載された音響通信中継手段を用いて間接通信が行える。

また、音響通信中継手段の移動速度は水中航走体の航走速度よりも遅いものである場合には、音響通信中継手段の移動速度を水中航走体の航走速度よりも遅くすることで、音響通信中継手段の消費エネルギーを節約して間接通信に備えることができる。

また、航走体音響通信手段と音響通信中継手段との間の音響通信ができなくなった場合に、水中航走体及び／又は音響通信中継手段を水面に浮上させる場合には、早めに浮上させることで、水中航走体及び／又は音響通信中継手段を見失う前に回収することができる。

また、水中航走体及び／又は音響通信中継手段が水面に浮上した後は、浮体音響通信手段と水中航走体及び／又は音響通信中継手段との通信を空間を利用した無線通信に切り替える場合には、浮体音響通信手段と浮上した水中航走体及び／又は音響通信中継手段との通信をさらに、情報量を増し水平遠方まで安定して行うことができる。

本発明の第１の実施形態による水中音響通信システムの概略構成図 深度と水温の関係を示す図 深度と塩分の関係を示す図 音響通信中継手段の中継制御を示すフロー図 音響通信中継手段の中継制御を示すフロー図 本発明の第２の実施形態による水中音響通信システムの概略構成図

以下に、本発明の実施形態による水中音響通信システムについて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による水中音響通信システムの概略構成図である。
図２は、深度（水深）と水温の関係を示す図であり、縦軸は深度［ｍ］、横軸は水温［℃］である。
図３は、深度（水深）と塩分の関係を示す図であり、縦軸は深度［ｍ］、横軸は塩分［permil］である。

図１では、海洋や湖沼等において、水面Ａ近傍に浮体音響通信手段３０を配置し、複数の水中ロボット２０を投入し、水底Ｂの鉱物資源やエネルギー資源等の探査を行う状態を示している。
水面Ａに浮かんだ船舶１０は、浮体音響通信手段３０を備え、電波の届かない水中に存在する水中ロボット２０に対して音響信号を利用して通信を行い、水中ロボット２０の監視及び制御を行う。
水中ロボット２０は、浮体音響通信手段３０との接続にケーブルを用いずに水中を自律的に航走する無索自律無人型の航走体（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）であり、水中において水底Ｂ等を観測する。船舶１０と水中ロボット２０との通信をケーブル通信ではなく音響通信とすることで、船舶１０にケーブル用の設備を設ける必要が無く、また、ケーブルが絡んだりケーブルによって船舶１０の移動が制限されたりすることがない。
水中音響通信システムは、浮体音響通信手段３０と、水中ロボット２０に設けた航走体音響通信手段４０との間で音響信号を利用して通信を行う。

浮体音響通信手段３０は、音波を送信する送波器と音波を受信する受波器とを有し、水面Ａに浮かぶ船舶（調査母船）１０に設けられている。
船舶１０は、ＧＮＳＳ（全地球航法衛星システム）衛星１からのＧＮＳＳ信号を受信することにより自船の位置を把握できる。
船舶１０は、探索に関する指令等を浮体音響通信手段３０から水中ロボット２０に送信し、水中ロボット２０から送信された観測データ等を浮体音響通信手段３０で受信する。

水中ロボット２０は、単数の中継体２１と、複数の水中航走体２２とからなる。中継体２１には、音響通信中継手段５０、通信切替手段６０及び記憶手段７０が搭載されている。水底Ｂ等の観測は主に水中航走体２２が担うが、中継体２１も水底Ｂ等の観測を行うことができる。
航走体音響通信手段４０は、音波を送信する送波器と音波を受信する受波器とを有する。中継体２１には、航走体音響通信手段４０として中継体音響通信手段４１が設けられ、水中航走体２２には、航走体音響通信手段４０として航走体音響通信手段４２が設けられている。
中継体２１、水中航走体２２は、観測により得られた観測データ等を中継体音響通信手段４１、航走体音響通信手段４２から船舶１０に送信し、船舶１０から送信された指令等を中継体音響通信手段４１、航走体音響通信手段４２で受信する。
中継体２１に搭載された音響通信中継手段５０は、船舶１０と水中航走体２２との音響通信を中継する。これにより、船舶１０と水中航走体２２とは、中継体２１の音響通信中継手段５０を介した間接通信を行うことができる。
本実施形態のように、水中航走体２２を複数台有し、中継体２１が複数台の水中航走体２２と船舶１１との間で送受信される音響信号を中継することで、効率よく水中探査を行うことができる。

なお、本実施形態においては、所定領域Ｘに水中航走体２２が存在する場合は、船舶１０と所定領域Ｘに存在する水中航走体２２とは、中継体２１の音響通信中継手段５０を介さない直接通信を行う。これにより、中継体２２の音響通信中継手段５０のエネルギーの消耗や負荷を軽減すると共に、間接通信のときよりも船舶１０と水中航走体２２との通信速度が向上する。
図１において、実線矢印は、水中の音響通信を示す。
中継体２１は、直接通信と間接通信を切り替える通信切替手段６０を備えており、船舶１０と水中航走体２２との間の通信状況に応じて、または必要に応じて直接通信と間接通信を切り替えることができる。なお、常に船舶１０と水中航走体２２が間接通信を行う場合は、通信切替手段６０を省略できる。

船舶１０と水中ロボット２０との間で音響通信を行う場合、下方に送信した音波が水面Ａで反射して特に水平方向及びそれに近い俯角方向への音響通信が困難となる。船舶１０が発信する音響信号が到達しやすい領域は、図１に示すように、浮体音響通信手段３０を頂点とした略円錐状の範囲である所定領域Ｘとなる。
中継体２１は、水面Ａから下方であって、船舶１０からの音響信号が到達しやすい所定領域Ｘに配置され、所定領域Ｘを超えて航走しないように制御されている。中継体２１を所定領域Ｘ内に留めることで、船舶１０と中継体２１との音響通信が途絶することを防止できる。
また、水中に配置された中継体２１から発信される音響信号は、水面反射の影響が軽減されるため、船舶１０から発信された音響信号よりも水平方向の到達範囲が拡がる。そのため、中継体２１は、水中航走体２２が所定領域Ｘの外にあるときにも、水中航走体２２との音響通信を行いやすい。
したがって、船舶１０と水中航走体２２との音響通信は、少なくとも水中航走体２２が所定領域Ｘを超えて航走している場合には、中継体２１に搭載された音響通信中継手段５０を介した間接通信を行うことで、通信途絶を回避できる。これにより、船舶１０と水中航走体２２との音響通信が可能な範囲が拡がり、ひいては水中航走体２２が探索できる範囲が拡大する。
なお、中継体２１の位置が深くなればなるほど、中継体音響通信手段４１から発信される音響信号に対する水面反射の影響は小さくなるが、中継体２１が水底Ｂに近づきすぎると水底Ｂで反射した音波（水底反射）の影響が大きくなるため、水面Ａからの深度だけでなく水底Ｂからの高度も考慮することが好ましい。この場合、水底Ｂの形状は水面Ａに比較して複雑であり水底反射も複雑となるため、水底Ｂの形状によって高度を考慮することがさらに好ましい。中継体２１から発信される音響信号の水平方向の到達範囲は、中継体２１の位置する深度及び高度と水面Ａ及び水底Ｂに向かう音波の入射・反射角度等によって推定できる。

ＡＵＶである中継体２１は、垂直スラスタや水平スラスタにより船舶１０の移動に追随して移動したり、水流等がある場所においても位置を保持したりすることができる。したがって、本実施形態のように、音響通信中継手段５０を中継体２１に搭載すること、すなわち音響通信中継手段５０を移動可能に構成することで、音響通信中継手段５０を所定領域Ｘに留めることができる。また、中継体２１が所定領域Ｘ内で最大限、水中航走体２２との音響通信が可能な位置にまで移動することが可能となるため、水中航走体２２の観測範囲等を拡げることができる。
なお、中継体２１は所定領域Ｘに留まるため、水中航走体２２よりも移動範囲が狭い。そのため中継体２１の航走速度は、水中航走体２２の航走速度より遅くても構わない。中継体２１の航走速度を抑えることで、中継体２１の消費エネルギーを節約して間接通信に備えることができる。

音響通信中継手段５０が搭載された中継体２１の鉛直方向の位置は、所定領域Ｘの外にある水中航走体２２とも音響通信ができる位置となるように定める。
中継体２１は、中継体音響通信手段４１で把握した水中の音響通信の通信状況に従って、所定領域Ｘのうちの最適な位置に配置することが好ましい。所定領域Ｘのなかでも通信状況が良好な位置に音響通信中継手段５０を搭載した中継体２１を配置することで、船舶１０と水中航走体２２が音響通信中継手段５０を介した間接通信を行う際の通信の安定性がさらに高まる。水中の音響通信の通信状況は、例えばシグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）で把握する。
なお、最適な位置を決める際には、中継体２１と船舶１０との通信状況に従ってもよいが、中継体２１と水中航走体２２との通信状況に従って最適な位置に中継体２１を配置した場合には、通信の安定性が一層高まり、水中航走体２２との音響通信可能範囲をさらに拡げることができる。
また、所定領域Ｘのうち、水中音速の遅い低水温層に中継体２１を配置してもよい。水温約３～７４℃の範囲では、水温が低いほど水中音速が遅くなり、より水平遠方まで音波が届きやすいため、他よりも水温が低い低水温層に中継体２１を配置することで、船舶１０と水中航走体２２との音響通信中継手段５０を介した音響通信可能範囲がさらに拡大する。ここで図２は、水深１７００ｍ以上の海域における調査に基づき作成した深度と水温の関係を示す図である。図２から、この海域の水温は、水温が低いほど水中音速が遅くなる３～７４℃の範囲内であり、水面Ａから遠ざかるほど下がる傾向であることが分かる。よってこの水深と水温だけを考慮した場合は、中継体２１の鉛直方向の位置をより深くすることが好ましい。但し、水底に熱水鉱床等があって水の温度が他よりも高い高水温層がある場合には、その高水温層を避けて配置する。このように、深度による水温変化を測定又は推定し、その結果に基づいて所定領域Ｘのなかでもより水温の低い場所に中継体２１を配置することで、上記のように音響通信可能範囲がさらに拡大する。
また、水中音響通信システムを海洋で用いる場合には、所定領域Ｘのうち、塩分が他よりも低い低塩分層に中継体２１を配置してもよい。塩分が低いほど水中音速が遅くなり、より水平遠方まで音波が届きやすいため、低塩分層に中継体２１を配置することで、船舶１０と水中航走体２２との音響通信中継手段５０を介した音響通信可能範囲がさらに拡大する。水深１７００ｍ以上の海域で深度と塩分の関係を調査したところ、図３に示すように、深度約４００～６００ｍが最も塩分が低い低塩分層であることが分かった。なお、水深が約４００ｍ以上の海域であれば、最大深度に関わらず深度約４００～６００ｍが低塩分層となる。したがって、水深と塩分だけを考慮した場合、水深が約４００ｍ以上の海域においては、所定領域Ｘのなかでも深度約４００～６００ｍに中継体２１を配置することが好ましい。また、水温と塩分の両方が低い場合は、どちらか一方だけが低い場合と比べて水中音速がさらに遅くなるので、水温と塩分の両方に基づいて中継体２１の位置を定めることがより好ましい。なお、水中音速には圧力（深度）も影響するため、この圧力も考慮して中継体２１の位置を定めてもよい。

音響通信中継手段５０が搭載された中継体２１の位置を定める方法について、さらに詳述する。
水温、塩分及び水深と、水中音速との関係を近似的に表す式としてMackenzieの式（式１）がある。

ここで、
ｃ：音速（m/s）
Ｔ：水温（℃）
Ｓ：塩分（ｐｅｒｍｉｌ）
Ｄ：水深（ｍ）
である。
水温と塩分と水深とを考慮する場合、このMackenzieの式に従って音速を求めることが好ましい。

図２に示される水深と水温の関係、図３に示される水深と塩分の関係を用いて、上記式１に基づいて、水温と塩分と及び水深を考慮して音速を計算すると、表１のような結果となる。

この場合、音速がもっとも小さくなる水深（音速極小点）は１０００ｍであり、水深６００ｍから１４００ｍが、音速が１４９０ｍ／ｓ以下となる音速が遅い層と言える。さらに水深８００ｍから１２００ｍが、音速が１４８６ｍ／ｓ以下となる音速がより遅い音速極小層と言える。
図２に示されるような、水面Ａの水温が３０℃にもなる水温の高い海域においては、音速の変化に与える影響は、水温の変化＞水深の変化＞塩分の変化の順に大きい。水面Ａの水温が低い海域においては、水温の変化よりも水深の変化や塩分の変化の影響が勝ってくる。
音速が遅い層は、水深に対する水温のプロファイル、塩分のプロファイル、及び水深によって異なってくるため、正確を期す場合は、適用海域の水温のプロファイル、塩分のプロファイル、及び水深に応じて、適宜、音速の遅くなる層を、式１等を用いて求めることが好ましい。より正確を期す場合は、水温、塩分、及び水深を例えば音響通信中継手段５０で計測し、式１等に基づいて音速を計算し、音速の遅い層に音響通信中継手段５０を配置することが好ましい。また、音速極小層に音響通信中継手段５０を配置することがさらに好ましい。

上述のように、水中に配置された中継体２１から発信された水中音響信号は、水面反射の影響が軽減されるため、船舶１０から発信された水中音響信号よりも水平方向の到達距離が延びる。そこで、中継体２１が、横方向（水平方向）に音響信号を送信して水中航走体２２と音響通信を行った場合には、特に水平方向に遠く離れた水中航走体２２とも安定して通信を行うことができる。

中継体２１及び水中航走体２２には、音響通信に供するデータを記憶するハードディスクドライブや半導体メモリ等の記憶手段７０が設けられており、必要に応じてデータを再送したり、水中航走体２２又は音響通信中継手段５０を水中から回収した後にデータを検証したりすることができる。
音響通信に供するデータには、自己位置や観測位置等の位置データを含むことができる。位置データを含めることで、船舶１０、中継体２１又は水中航走体２２の位置の補正や水中航走体２２が取得したデータとの対応付け等を行うことができる。

中継体２１の中継体音響通信手段４１と水中航走体２２の航走体音響通信手段４２との音響通信ができなくなった場合は、中継体２１及び水中航走体２２を水面Ａに浮上させてもよい。
早めに浮上させることで、中継体２１及び水中航走体２２を見失う前に回収することができる。
なお、中継体２１及び水中航走体２２が水面Ａに浮上した後は、船舶１０と中継体２１及び水中航走体２２との通信を、空間を利用した無線通信に切り替えることが好ましい。
音波は水上では届きにくいため、無線通信に切り替えることで、船舶１０と浮上した中継体２１又は水中航走体２２との距離が離れていても通信がしやすい。なお、空間を利用した無線通信としては、電波通信、光通信、音響通信等が使用可能である。

複数の水中航走体２２が、それぞれ音響通信中継手段５０を搭載し、中継体２１に加えて又は中継体２１に代えて、所定領域Ｘに存在する水中航走体２２が船舶１０との音響通信の中継を行うようにしてもよい。
これにより、水中航走体２２自身が音響通信を中継する機能を兼ねることができる。また、複数ある水中航走体２２のそれぞれが音響通信中継手段５０を備えることで、１台が故障しても他の水中航走体２２に搭載された音響通信中継手段５０を用いて間接通信が行える。

次に、本発明の第２の実施形態による水中音響通信システムについて説明する。なお、第１の実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。

図４は本発明の第２の実施形態による水中音響通信システムの概略構成図である。
本実施形態は、洋上中継器（ＡＳＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ）１１を備え、船舶（調査母船）１０には浮体音響通信手段３０として船舶音響通信手段３１が設けられ、洋上中継器１１には浮体音響通信手段３０として洋上中継器音響通信手段３２が設けられている点において、第１の実施形態と異なる。船舶１０と洋上中継器１１との通信は、電波による無線通信により行われる。洋上中継器１１を用いることで、水中航走体２２の活動範囲をさらに拡げることができる。

船舶１０及び洋上中継器１１は、ＧＮＳＳ衛星１からのＧＮＳＳ信号を受信することにより自己位置を把握できる。
洋上中継器１１は、本体１１Ａが水中に没して水深約１．５ｍの位置にあり、アンテナ１１Ｂの上部が水面Ａよりも上に出た半潜水状態で用いられる。
船舶１０、洋上中継器１１は、探索に関する指令等を船舶音響通信手段３１、洋上中継器音響通信手段３２から水中ロボット２０に送信し、水中ロボット２０から送信された観測データ等を船舶音響通信手段３１、洋上中継器音響通信手段３２で受信する。

中継体２１、水中航走体２２は、観測により得られた観測データ等を中継体音響通信手段４１、航走体音響通信手段４２から船舶１０及び洋上中継器１１に送信し、船舶１０及び洋上中継器１１から送信された指令等を中継体音響通信手段４１、航走体音響通信手段４２で受信する。
中継体２１に搭載された音響通信中継手段５０は、船舶１０と水中航走体２２との音響通信を中継する。これにより、船舶１０と水中航走体２２とは、中継体２１の音響通信中継手段５０を介した間接通信を行うことができる。

中継体２１は、水面Ａから下方であって、船舶１０からの音響信号が到達しやすい所定領域Ｘに配置され、所定領域Ｘを超えて航走しないように制御されている。
水中航走体２２は、水面Ａから下方であって、洋上中継器１１からの音響信号が到達しやすい所定領域Ｙに配置されている。
船舶１０と水中航走体２２との音響通信は、少なくとも水中航走体２２が所定領域Ｘ及び所定領域Ｙを超えて航走している場合には、中継体２１に搭載された音響通信中継手段５０を介した間接通信を行うことで、通信途絶を回避できる。これにより、船舶１０と水中航走体２２との音響通信が可能な範囲が拡がり、ひいては水中航走体２２が探索できる範囲が拡大する。

なお、中継体２１は、所定領域Ｙに配置し、所定領域Ｙを超えて航走しないように制御してもよい。この場合、中継体２１と船舶１０との通信は洋上中継器１１を経由して行われるため、船舶１０は、船舶音響通信手段３１を省略できると共に、中継体２１の位置に左右されることなく航走できる。

次に、図５及び図６を用いて、音響通信中継手段５０の中継制御の例について説明する。なお、第１の実施形態を中心に説明するが、第２の実施形態も基本的に同様である。

図５は、船舶から水中航走体に対して音響通信の確立を求める際の音響通信中継手段の中継制御を示すフロー図である。
船舶１０は、水中航走体２２に対して音響通信の確立を求める場合、水中航走体２２に対して返答を求める第１の音響信号を浮体音響通信手段３０から発信する。音波は無指向のため、浮体音響通信手段３０が発信した第１の音響信号は、所定領域Ｘにある中継体２１の中継体音響通信手段４１でも受信される。中継体音響通信手段４１が第１の音響信号を受信すると、音響通信中継手段５０の中継制御がスタートする（ステップ１）。なお、第２の実施形態においては、船舶１０は、水中航走体２２に対して返答を求める信号を、無線通信で洋上中継器１１に対して発信すると共に、第１の音響信号として船舶音響通信手段３１から発信する。無線通信による信号は、洋上中継器１１で音響信号に変換されて第１の音響信号として洋上中継器音響通信手段３２から発信される。
ステップ１で発信された第１の音響信号を航走体音響通信手段４２が受信すると、水中航走体２２は、第１の音響信号を受信したことを知らせる第２の音響信号を航走体音響通信手段４２から発信する。音響通信中継手段５０は、ステップ１で発信された第１の音響信号を受信した後、水中航走体２２から発信されるはずの第２の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したか否かを判断する（ステップ２）。
ステップ２において、第２の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したと判断した場合には、音響通信中継手段５０はそのまま中継制御を終了する（ステップ３）。船舶１０と水中航走体２２との間で直接通信が可能な状態と判断できるためである。この場合は、船舶１０と水中航走体２２との間の音響通信は、中継体２１を介さない直接通信により行われる。
ステップ２において、第２の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信していないと判断した場合には、音響通信中継手段５０は、ステップ１で受信した第１の音響信号を中継体音響通信手段４１から発信する（ステップ４）。ステップ１で発信された第１の音響信号が航走体音響通信手段４２には届いていないと判断できるためである。
ステップ４で発信された第１の音響信号を航走体音響通信手段４２が受信すると、水中航走体２２は、第１の音響信号を受信したことを知らせる第２の音響信号を航走体音響通信手段４２から発信する。音響通信中継手段５０は、ステップ４で第１の音響信号を発信した後、水中航走体２２から発信されるはずの第２の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したか否かを判断する（ステップ５）。
ステップ５において、第２の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したと判断した場合には、音響通信中継手段５０は、通信切替手段６０によって間接通信への切り替を行う（ステップ６）。船舶１０と水中航走体２２との間で間接通信は可能な状態と判断できるためである。この場合は、船舶１０と水中航走体２２との間の音響通信は、中継体２１を介した間接通信により行われる。
ステップ５において、第２の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信していないと判断した場合には、音響通信中継手段５０はそのまま中継制御を終了する（ステップ７）。船舶１０と水中航走体２２との間で間接通信も不可能な状態と判断できるためである。中継体２１を浮上させて回収してもよい。なお、第２の実施形態においては、この場合であっても、船舶１０と水中航走体２２とは、洋上中継器１１を経由した通信ができている可能性がある。そこで、洋上中継器１１で電波に変換された第２の音響信号を船舶１０が受信したか否かを伝える音響信号を、船舶音響通信手段３１から中継体２１に対して発信するようにしてもよい。

なお、船舶１０では、浮体音響通信手段３０が第２の音響信号を受信しない場合、第１の音響信号を送信したか（ステップ４の動作を行ったか）否かの返答を求める音響信号を浮体音響通信手段３０から中継体２１に対して送信するか、ステップ４で中継体音響通信手段４１から発信される第１の音響信号を浮体音響通信手段３０で受信するようにしてもよい。

図６は、水中航走体から船舶に対して音響通信の確立を求める際の音響通信中継手段の中継制御を説明するフロー図である。
水中航走体２２は、船舶１０に対して音響通信の確立を求める場合、船舶１０に対して返答を求める第３の音響信号を航走体音響通信手段４２から発信する。航走体音響通信手段４２が発信した無指向の第３の音響信号は、中継体音響通信手段４１でも受信できる可能性がある。中継体音響通信手段４１が第３の音響信号を受信すると、音響通信中継手段５０の中継制御がスタートする（ステップ１１）。なお、第２の実施形態においては、洋上中継器１１に到達した第３の音響信号は、電波に変換されて船舶１０に向けて無線通信でも送信される。
ステップ１１で発信された第３の音響信号を浮体音響通信手段３０が受信すると、船舶１０は、第３の音響信号を受信したことを知らせる第４の音響信号を浮体音響通信手段３０から発信する。音響通信中継手段５０は、ステップ１１で発信された第３の音響信号を受信した後、船舶１０から発信されるはずの第４の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したか否かを判断する（ステップ１２）。なお、第２の実施形態においては、船舶１０は、第３の音響信号を受信したことを知らせる信号を、無線通信で洋上中継器１１に対して発信すると共に、第４の音響信号として船舶音響通信手段３１から発信する。無線通信による信号は、洋上中継器１１で音響信号に変換されて第４の音響信号として洋上中継器音響通信手段３２から発信される。
ステップ１２において、第４の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したと判断した場合には、音響通信中継手段５０はそのまま中継制御を終了する（ステップ１３）。船舶１０と水中航走体２２との間で直接通信が可能な状態と判断できるためである。この場合は、船舶１０と水中航走体２２との間の音響通信は、中継体２１を介さない直接通信により行われる。
ステップ１２において、第４の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信していないと判断した場合には、音響通信中継手段５０は、ステップ１１で受信した第３の音響信号を中継体音響通信手段４１から発信する（ステップ１４）。ステップ１１で発信された第３の音響信号が浮体音響通信手段３０には届いていないと判断できるためである。
ステップ１４で発信された第３の音響信号を浮体音響通信手段３０が受信すると、船舶１０は、第３の音響信号を受信したことを知らせる第４の音響信号を浮体音響通信手段３０から発信する。音響通信中継手段５０は、ステップ１４で第３の音響信号を発信した後、船舶１０から発信されるはずの第４の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したか否かを判断する（ステップ１５）。なお、第２の実施形態においては、船舶１０は、第３の音響信号を受信したことを知らせる信号を、無線通信で洋上中継器１１に対して発信すると共に、第４の音響信号として船舶音響通信手段３１から発信する。無線通信による信号は、洋上中継器１１で音響信号に変換されて第４の音響信号として洋上中継器音響通信手段３２から発信される。
ステップ１５において、第４の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信したと判断した場合には、音響通信中継手段５０は、受信した第４の音響信号を中継体音響通信手段４１から発信すると共に、通信切替手段６０によって間接通信への切り替えを行う（ステップ１６）。船舶１０と水中航走体２２との間で間接通信は可能な状態と判断できるためである。この場合は、船舶１０と水中航走体２２との間の音響通信は、中継体２１を介した間接通信により行われる。
ステップ１５において、第４の音響信号を中継体音響通信手段４１が受信していないと判断した場合には、音響通信中継手段５０はそのまま中継制御を終了する（ステップ１７）。船舶１０と水中航走体２２との間で間接通信も不可能な状態と判断できるためである。中継体２１を浮上させて回収してもよい。また、この場合は、航走体音響通信手段４２にも第４の音響信号が届かないため、水中航走体２２に対して第４の音響信号を所定時間受信しない場合には浮上する指令を予め与えておくことで、水中航走体２２を浮上させて回収することができる。なお、第２の実施形態においては、この場合であっても、船舶１０と水中航走体２２とは、洋上中継器１１を経由した通信ができている可能性がある。そこで、洋上中継器１１で電波に変換された第３の音響信号を船舶１０が受信したか否かを伝える音響信号を、船舶音響通信手段３１から中継体２１に対して発信するようにしてもよい。

本発明の水中音響通信システムは、海洋や湖沼等における水中探査の際の、水面近くの船舶等と水中ロボットとの音響通信が可能な範囲を拡げることができるため、より広範囲にわたって効率的に水中探査を行うことができる。

２２ 水中航走体
３０ 浮体音響通信手段
４０、４２ 航走体音響通信手段
５０ 音響通信中継手段
６０ 通信切替手段
７０ 記憶手段
Ａ 水面
Ｘ 所定領域

Claims (13)

1. 水中音速が１４９０ｍ／ｓ以下の前記水中音速が遅い層と前記水中音速が１４９０ｍ／ｓを超える前記水中音速が速い層とを有する海域で用いられ、水面の近傍に配置した前記水面を移動可能な浮体音響通信手段と、水の中を航走する水中航走体に設けた航走体音響通信手段との間で音響信号を利用して通信を行う水中音響通信システムにおいて、前記水面から下方であって前記浮体音響通信手段が発信する前記音響信号の到達し易い略円錐状の範囲の所定領域であって、かつ前記所定領域を水温、塩分、及び水深により影響を受ける前記水中音速に応じて、前記水中音速が速い層と前記水中音速が遅い層とに区分したうちの前記水中音速が１４９０ｍ／ｓ以下の前記水中音速が遅い層に配置した前記水の中を移動可能な音響通信中継手段を備え、前記浮体音響通信手段の前記水面における移動に追随して前記音響通信中継手段を前記水中音速が遅い層の中で前記所定領域から外れないように移動させ、かつ前記水中航走体が前記所定領域を超えて航走するときに、前記音響通信中継手段を前記所定領域のうち前記水中音速が遅い層の中で、前記音響通信中継手段と前記所定領域を超えて航走する前記水中航走体の前記航走体音響通信手段との通信状況が良好な位置に移動させ、前記音響通信中継手段を介して前記浮体音響通信手段と前記所定領域を超えて航走する前記水中航走体の前記航走体音響通信手段が音響通信を行うことを特徴とする水中音響通信システム。
2. 前記音響通信中継手段は、横方向に前記音響信号を送信して前記航走体音響通信手段と前記音響通信を行うことを特徴とする請求項１に記載の水中音響通信システム。
3. 前記所定領域に前記水中航走体が存在する場合は、前記浮体音響通信手段と前記航走体音響通信手段で直接通信を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水中音響通信システム。
4. 前記浮体音響通信手段と前記航走体音響通信手段の前記直接通信と、前記音響通信中継手段を介した間接通信を切り替える通信切替手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の水中音響通信システム。
5. 前記音響通信に供するデータとして位置データを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の水中音響通信システム。
6. 前記位置データは、ＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信して前記浮体音響通信手段の自己位置を把握したデータであることを特徴とする請求項５に記載の水中音響通信システム。
7. 前記浮体音響通信手段を複数有し、複数の前記浮体音響通信手段の各々が前記ＧＮＳＳ衛星からの前記ＧＮＳＳ信号を受信し各々の前記自己位置を把握することを特徴とする請求項６に記載の水中音響通信システム。
8. 前記水中航走体及び/又は前記音響通信中継手段に前記音響通信に供するデータを記憶する記憶手段を有したことを特徴とする請求項１から請求項７のうちの１項に記載の水中音響通信システム。
9. 前記水中航走体を複数台有し、前記音響通信中継手段は複数台の前記水中航走体の前記音響信号を中継することを特徴とする請求項１から請求項８のうちの１項に記載の水中音響通信システム。
10. 複数台の前記水中航走体がそれぞれ前記音響通信中継手段を搭載し、前記所定領域に存在する前記水中航走体が前記音響通信の中継を行うことを特徴とする請求項９に記載の水中音響通信システム。
11. 前記音響通信中継手段の移動速度は前記水中航走体の航走速度よりも遅いものであることを特徴とする請求項１から請求項９のうちの１項に記載の水中音響通信システム。
12. 前記航走体音響通信手段と前記音響通信中継手段との間の前記音響通信ができなくなった場合に、前記水中航走体及び／又は前記音響通信中継手段を前記水面に浮上させることを特徴とする請求項１から請求項１１のうちの１項に記載の水中音響通信システム。
13. 前記水中航走体及び／又は前記音響通信中継手段が前記水面に浮上した後は、前記浮体音響通信手段と前記水中航走体及び／又は前記音響通信中継手段との通信を空間を利用した無線通信に切り替えることを特徴とする請求項１２に記載の水中音響通信システム。

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