JP2024081960A - Acoustic positioning method and system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のピンガーの位置又は当該ピンガーを搭載した移動体の位置を当該ピンガーが送信する音響パルスに基づいて測位する音響測位方法及びシステムに係り、特に、ピンガーを搭載した複数の水中ロボット、ドローンあるいはダイバーの位置を同時測位するのに好適な音響測位方法及びシステムに関する。 The present invention relates to an acoustic positioning method and system that determines the positions of multiple pingers or the position of a moving object equipped with the pingers based on acoustic pulses transmitted by the pingers, and in particular to an acoustic positioning method and system that is suitable for simultaneously determining the positions of multiple underwater robots, drones, or divers equipped with pingers.
非特許文献1には、図5に示すように、空中ドローンが水中ドローンを抱えて飛び、目的水域にて着水後、水中ドローンを分離・潜航させ、作業終了後に回収・離水する「水空合体ドローン」が開示されている。
Non-Patent
水空合体ドローンの1つの特徴として、水中ドローンに装着した発信器(ピンガー)から音響パルスを送信し、空中ドローン側の水中マイク(ハイドロフォン)で受信、それを自動解析して水中ドローンの位置を算出する「音響測位」の技術を搭載していることが挙げられる。音響測位技術は、例えば非特許文献2のP.236-245に開示されている。
One of the features of the combined water-air drone is that it is equipped with "acoustic positioning" technology, which transmits acoustic pulses from a transmitter (pinger) attached to the underwater drone, receives them with an underwater microphone (hydrophone) on the aerial drone, and automatically analyzes them to calculate the position of the underwater drone. Acoustic positioning technology is disclosed, for example, on pages 236-245 of Non-Patent
水空合体ドローンでは音響測位にSSBL(Super Short Base Line)方式が採用されており、3個以上のハイドロフォンで受信した音響パルスの時間差をまず求め、そこから発信元の位置を計算する。また、これとは別にSBL(Short Base Line)という音響測位方式もあり(非特許文献2)、SSBLよりも測位精度が高い。水空合体ドローンでは、特許文献1が開示するように、音響測位にSBL方式を採ることも可能である。
The combined water-air drone uses the SSBL (Super Short Base Line) method for acoustic positioning, which first calculates the time difference between acoustic pulses received by three or more hydrophones, and then calculates the position of the transmitter from that. There is also another acoustic positioning method called SBL (Short Base Line) (Non-Patent Document 2), which has higher positioning accuracy than SSBL. As disclosed in
非特許文献3には、水空合体ドローンに搭載されているSSBL音響測位方式の事例が開示されている。SSBL音響測位方式では、ある一定期間(例えば、1秒間)内に音響パルスが1組発射される。1組のパルスは一定個数(例えば、2個のパルス)からなり、これらをハイドロフォンで受信して信号処理することにより測位を行う。
Non-patent
2個のピンガーの位置を同時測位する方法として、非特許文献2のP.125やP.177には、音響パルスを一方のピンガーからは上りチャープで送信させ、他方のピンガーからは下りチャープで送信させることにより、各音響パルスが衝突する場合でも相互相関の計算時に各音響パルスを分離させる技術が開示されている。
As a method for simultaneously locating the positions of two pingers, Non-Patent
測位対象が1個だけではなく複数個ある場合を考える。チャープ信号パルスは、パルスの持続時間内で周波数が連続的に変化している信号である(例えば、50kHzを中心として40kHzから60kHzまで等)。変化の形態には上りと下り(上り:はじめ40kHz・おわり60kHz、下り:はじめ60kHz・おわり40kHz)とがあるため、測位対象が2個の場合、それぞれで上り及び下りのチャープ信号を発生するようにすれば、たとえ受信時にそれら2信号が同時に受信されたとしても、相関計算時に分離が可能である。 Consider the case where there is not just one positioning target, but multiple targets. A chirp signal pulse is a signal whose frequency changes continuously within the duration of the pulse (for example, from 40 kHz to 60 kHz, with 50 kHz as the center). There are uplink and downlink change forms (uplink: start 40 kHz, end 60 kHz, downlink: start 60 kHz, end 40 kHz), so if there are two positioning targets, if an uplink and downlink chirp signal is generated for each, they can be separated during correlation calculations even if the two signals are received simultaneously.
しかしながら、測位対象が3個以上の場合、例えば同じ上りのチャープ信号が2個同時に受信されると、それらを分離することは困難となり、測位ができなくなるという課題がある。これを避けるためには、各ピンガーの発信タイミングを適切にずらし、ハイドロフォンでの受信タイミングが重ならないようにするのが一つの解決法である。ただし、ピンガーの発信タイミングをずらすためには各ピンガーの時計を共通の時計に合わせこむ同期処理が必要となるために事前処理が煩雑となる。 However, when there are three or more positioning targets, for example when two of the same upstream chirp signals are received simultaneously, it becomes difficult to separate them, making positioning impossible, which is an issue. One solution to avoid this is to appropriately shift the emission timing of each pinger so that the reception timing at the hydrophone does not overlap. However, shifting the emission timing of the pingers requires synchronization processing to set the clocks of each pinger to a common clock, which makes pre-processing complicated.
更に、衝突した音響パルスを分離するためにチャープ信号を採用する場合でも、衝突する音響パルスのレベルが大きく異なっていると相互相関の計算時に精度よく分離できないという技術課題があった。 Furthermore, even when chirp signals are used to separate colliding acoustic pulses, there is a technical challenge in that accurate separation is not possible when calculating cross-correlation if the levels of the colliding acoustic pulses differ significantly.
本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、複数の物体の位置をそのピンガーが送信する音響パルスに基づいて、煩雑な事前処理を極力排除しながら同時即位できる音響測位方法及びシステムを提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above technical problems and provide an acoustic positioning method and system that can simultaneously determine the positions of multiple objects based on acoustic pulses transmitted by their pingers while minimizing cumbersome pre-processing.
上記の目的を達成するために、本発明は、複数のピンガーが所定の周期で送信する音響パルスに基づいて各ピンガーの位置を測位する音響測位方法において、以下の構成を具備した点に特徴がある。 To achieve the above object, the present invention is an acoustic positioning method for determining the position of each pinger based on acoustic pulses transmitted by multiple pingers at a predetermined period, and is characterized by having the following configuration.
(1) 各ピンガーに周期が相互に異なるタイムスロットをそれぞれ設定し、各ピンガーがタイムスロット毎に音響パルスを送信するようにした。 (1) Each pinger is assigned a time slot with a different period, and each pinger transmits an acoustic pulse during each time slot.
(2) 各ピンガーのタイムスロット周期をタイムスロット長の前記ピンガー毎に異なる素数倍に設定した。 (2) The time slot period of each pinger is set to a different prime number multiple of the time slot length for each pinger.
(3) 複数のピンガーを、その音響パルスを符号分割多重方式に対応した2種類の符号化方式に基づいて分類し、群毎に各ピンガーのタイムスロットを時分割多重化し、各ピンガーに設定されるタイムスロット周期を群毎に異ならせた。 (3) Multiple pingers are classified based on two types of encoding methods for their acoustic pulses that correspond to the code division multiplexing method, and the time slots of each pinger are time-division multiplexed for each group, with the time slot period set for each pinger being different for each group.
(4) 複数のピンガーを、その音響パルスを符号分割多重方式に対応した2種類の符号化方式に基づいて分類し、各群からピンガーを1個ずつ選択して組み合わせたペア毎に各ピンガーのタイムスロットを時分割多重化し、各ピンガーに設定されるタイムスロット周期をペア毎に異ならせた。 (4) Multiple pingers are classified based on two types of encoding methods for their acoustic pulses that correspond to the code division multiplexing method, and one pinger is selected from each group and combined into pairs, in which the time slots of each pinger are time-division multiplexed, and the time slot period set for each pinger is made different for each pair.
なお、本発明はこのような特徴的な処理をステップとする音響測位方法として実現することができるのみならず、かかるステップをハードウェアで構成する音響測位システムとして実現したりすることもできる。 The present invention can be realized not only as an acoustic positioning method that includes these characteristic processing steps, but also as an acoustic positioning system that configures these steps with hardware.
(1) 各ピンガーに周期が相互に異なるタイムスロットをそれぞれ設定し、各ピンガーがタイムスロット毎に音響パルスを送信するようにしたので、各ピンガーが送信する音響パルス同士の衝突機会が減ぜられるのみならず、衝突相手が固定化することを防止できる。したがって、測位不能となるピンガーの出現確率を低く抑えられるようになる。 (1) Each pinger is assigned a time slot with a different period, and each pinger transmits an acoustic pulse for each time slot. This not only reduces the chance of collisions between acoustic pulses transmitted by each pinger, but also prevents the collision target from becoming fixed. This reduces the probability of a pinger causing positioning failure.
(2) 各ピンガーのタイムスロット周期をタイムスロット長の前記ピンガー毎に異なる素数倍に設定したので、各ピンガーが送信する音響パルス同士が衝突する頻度を更に低く抑えられるようになる。 (2) The time slot period of each pinger is set to a different prime multiple of the time slot length for each pinger, which further reduces the frequency of collisions between acoustic pulses transmitted by each pinger.
(3) 複数のピンガーを、その音響パルスを符号分割多重方式に対応した2種類の符号化方式に基づいて分類し、群毎に各ピンガーのタイムスロットを時分割多重化し、各ピンガーに設定されるタイムスロット周期を群毎に異ならせたので、各ピンガーが送信する音響パルスが衝突する機会を減じることができ、また衝突する場合でも衝突相手が固定化されない。したがって、時分割多重方式及び符号分割多重方式の組み合わせによる効率的な同時測位を実現できるようになる。 (3) The acoustic pulses of multiple pingers are classified based on two types of encoding methods corresponding to the code division multiplexing method, and the time slots of each pinger are time division multiplexed for each group. The time slot period set for each pinger is different for each group. This reduces the chance of collision between acoustic pulses transmitted by each pinger, and even if a collision does occur, the collision partner is not fixed. Therefore, efficient simultaneous positioning can be achieved by combining the time division multiplexing method and the code division multiplexing method.
(4) 複数のピンガーを、その音響パルスを符号分割多重方式に対応した2種類の符号化方式に基づいて分類し、各群からピンガーを1個ずつ選択して組み合わせたペア毎に各ピンガーのタイムスロットを時分割多重化し、各ピンガーに設定されるタイムスロット周期をペア毎に異ならせたので、各ピンガーが送信する音響パルスが衝突する機会を減じることができ、また衝突した場合でもその分離が可能となる。したがって、時分割多重方式及び符号分割多重方式の組み合わせによる効率的な同時測位を実現できるようになる。 (4) Multiple pingers are classified based on two types of encoding methods for their acoustic pulses corresponding to the code division multiplexing method, and one pinger is selected from each group and combined into a pair, and the time slots of each pinger are time division multiplexed for each pair. The time slot period set for each pinger is made different for each pair, thereby reducing the chance of collision between acoustic pulses transmitted by each pinger, and making it possible to separate them even if a collision does occur. Therefore, it becomes possible to realize efficient simultaneous positioning by combining the time division multiplexing method and the code division multiplexing method.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明を適用した音響測位システム1の構成を示した機能ブロック図であり、音響パルスを送信する複数のピンガー10と、各ピンガー10の位置をその音響パルスに基づいて測位するレシーバ20とを主要な構成としている。本発明が水空合体ドローンへ適用される場合、レシーバ20は空中ドローンに搭載され、ピンガー10の少なくとも1個は水中ドローンに搭載される。
Below, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of an
前記各ピンガー10は、周期設定部101、圧力センサ102,深度計測部103,パルス発生部104及びパルス送信部105を主要な構成とし、前記周期設定部101には音響パルスを送信する時間枠(タイムスロット)及びその周期が登録される。各ピンガー10に予め設定されるタイムスロット周期は相互に異なっており、各ピンガー10は自身の周期設定部101に設定された固有のタイムスロット周期毎に音響パルスを送信する。
Each
レシーバ20は、少なくとも3つのハイドロフォン201を備えたパルス受信部202及び測位部203を主要な構成としている。測位部203は方向算出部203a及び深度算出部203bを含み、各ハイドロフォン201がそれぞれ受信した音響パルスに基づいて各ピンガー10の方向及び深度を算出し、当該算出結果に基づいて各ピンガー10の位置を測位する。
The receiver 20 mainly comprises a
このようなレシーバ20は、CPU、ROM、RAM、バス、インタフェース等を備えた汎用のコンピュータやサーバに、以下に詳述する各機能を実現するアプリケーション(プログラム)を実装することで構成できる。あるいはアプリケーションの一部をハードウェア化またはソフトウェア化した専用機や単能機としても構成できる。 Such a receiver 20 can be configured by implementing applications (programs) that realize the functions detailed below on a general-purpose computer or server equipped with a CPU, ROM, RAM, bus, interface, etc. Alternatively, it can be configured as a dedicated machine or a single-function machine in which part of the application is implemented as hardware or software.
図2は、本発明の第1実施形態に係る音響パルスの送信方法を示した図であり、複数のピンガー10が相互に異なるタイムスロット周期で音響信号(パルス)APを繰り返し送信するようにした点に特徴がある。
Figure 2 shows a method for transmitting acoustic pulses according to a first embodiment of the present invention, characterized in that
本実施形態では、各ピンガー10が音響パルスAPとして測位パルスAP1及び深度パルスAP2を当該順序でタイムスロット毎に送信する。測位パルスAP1は、レシーバ20に3つのハイドロフォン201での受信時刻の差分に基づいて当該ピンガー10の方向を算出させる目的で送信される。深度パルスAP2は、レシーバ20に前記測位パルスAP1との時間差に基づいて当該ピンガー10の深度を算出させる目的で送信される。
In this embodiment, each
前記測位パルスAP1及び深度パルスAP2の持続時間はいずれも1.6msに設定されている。また、本実施形態ではピンガー10からレシーバ20までの最大距離を50m,音速を1500 [m/s]として想定した音響パルスの最大到達時間50/1500=0.033 [s] =33msに基づいて、各パルスAP1,AP2の送信間隔及びタイムスロット長が設定されている。
The duration of the positioning pulse AP1 and the depth pulse AP2 are both set to 1.6 ms. In this embodiment, the transmission interval and time slot length of each pulse AP1 and AP2 are set based on the maximum arrival time of the acoustic pulse, 50/1500=0.033 [s] = 33 ms, assuming that the maximum distance from the
各ピンガー10において、周期設定部101にはタイムスロット長(150ms)の素数倍の時間がタイムスロット周期として予め登録されている。本実施形態では各ピンガー10のタイムスロット周期が、そのタイムスロット長の前記ピンガー毎に異なる素数倍に設定されるように、ピンガー10ごとに異なる素数をタイムスロット長に乗じた時間がタイムスロット周期として予め登録されている。
For each
前記パルス発生部104は、タイムスロットごとに持続時間が1.6msの測位パルスAP1を発生させる。パルス発生部104は更に、測位パルスAP1の送信時刻から50msが経過した時刻を深度0mとして、前記圧力センサ102の出力に基づいて深度計測部103が計測した深度に比例した時間間隔を加えた時刻に深度パルスAP2を発生させる。 The pulse generating unit 104 generates a positioning pulse AP1 with a duration of 1.6 ms for each time slot. The pulse generating unit 104 further generates a depth pulse AP2 at a time that is a time interval proportional to the depth measured by the depth measuring unit 103 based on the output of the pressure sensor 102, with the time 50 ms after the transmission time of the positioning pulse AP1 being set as a depth of 0 m.
例えば、計測深度が10mであれば測位パルスAP1の送信時刻から50+10=60msが経過した時刻で深度パルスAP2を発生させる。計測深度が最大深度の50mであれば、50+50=100msが経過した時刻で深度パルスAP2を発生させる。パルス送信部105は、前記測位パルスAP1及び深度パルスAP2をその発生時刻において送信する。 For example, if the measurement depth is 10 m, the depth pulse AP2 is generated when 50 + 10 = 60 ms have elapsed since the transmission time of the positioning pulse AP1. If the measurement depth is the maximum depth of 50 m, the depth pulse AP2 is generated when 50 + 50 = 100 ms have elapsed. The pulse transmitting unit 105 transmits the positioning pulse AP1 and depth pulse AP2 at their generation times.
本実施形態では、タイムスロット長が150msに設定されているので、ピンガー10の位置がレシーバ20から最大距離かつ最大深度であっても各パルス信号AP1,AP2の送信から受信までの伝達時間をタイムスロット内に納めることができる。
In this embodiment, the time slot length is set to 150 ms, so even if the
レシーバ20において、3つのハイドロフォン201は各ピンガー10が送信した音響パルスAPを受信する。本実施形態では測位開始前に、例えばピンガー10とレシーバ20とを接触させた距離ゼロの状態で音響パルスの送信タイミングをピンガー10毎に学習(記録)させておく。これにより、レシーバ20は各ピンガー10から音響パルスAPを受信する可能性のあるタイムスロットを予測できるので、各ピンガー10を切り分けて音響パルスを受信処理することが可能となる。なお、このような事前処理は全てのピンガー10及びレシーバ20の時計を時刻合わせする処理に較べて簡単であり、かつ短時間で処理を完了できる。
In the receiver 20, the three
測位部203において、方向算出部203aは各ハイドロフォン201が測位パルスAP1を受信した時刻の差分に基づいて当該ピンガー10の方向を算出する。深度算出部203bは、測位パルスAP1と深度パルスAp2との受信時間の差分に基づいて当該ピンガー10の深度を算出する。測位部203は、前記方向及び深度の各算出結果に基づいて当該ピンガー10の位置を測位する。
In the
本実施形態では各ピンガー10のタイムスロット周期が、相互に異なる素数をタイムスロット長に乗じた長さにそれぞれ設定されている。図2の例では、一方のピンガー10aのタイムスロット周期はタイムスロット長(150ms)に素数5を乗じた時間(750ms)に設定されるのに対して、他方のピンガー10bのタイムスロット周期はタイムスロット長に素数7を乗じた時間(1050ms)に設定される。
In this embodiment, the time slot period of each
各ピンガー10のタイムスロット周期を上記のように設定すれば、例えば最初にピンガー10a,10bのタイムスロットが重なっていたとすると、次に重なるのは素数3,5の最小公倍数15にタイムスロット長の150msを乗じた時間(15×150ms=5250ms)後となる。すなわち、ピンガー10aが送信する音響パルスについては7回に1回、ピンガー10bが送信する音響パルスについては5回に1回の割合でしか他の音響パルスと衝突しない。したがって、衝突する周期のみ欠測とすれば、実質的に問題なく各ピンガー10の位置を正確に同時測位できるようになる。
If the time slot period of each
なお、ピンガー10が3個(10a,10b,10c)であれば、ピンガー10cのタイムスロット周期は、そのタイムスロット長に更に異なる素数11を乗じた時間(150×11=1650ms)に設定することができる。 If there are three pingers 10 (10a, 10b, and 10c), the time slot period of pinger 10c can be set to the time obtained by multiplying the time slot length by a different prime number 11 (150 x 11 = 1650 ms).
この場合、ピンガー10b,10cが送信した音響パルスの衝突頻度は素数5,11の最小公倍数55にタイムスロット長の150msを乗じた時間(55×150ms=8250ms)毎となり、ピンガー10a,10cが送信した音響パルスの衝突頻度は素数3,11の最小公倍数33にタイムスロット長の150msを乗じた時間(33×150ms=4950ms)毎となり、いずれも実質的に無視できる。
In this case, the collision frequency of acoustic pulses transmitted by
また、上記の例では各タイムスロットにおいて2つの音響パルス(測位パルスAP1及び深度パルスAP2)を送信するためにタイムスロット長を150msとしたが、例えば深度パルスAP2を省略して測位パルスAP1のみを送信するようにして良い。その場合はタイムスロット長を50ms(最大距離を50メートル程度と想定)程度に短縮できるので、タイムスロット周期を1秒程度に設定するのであれば、5個のピンガー10の位置を同時測位する場合でも各タイムスロット周期をそれぞれ以下のように設定できる。
In the above example, the time slot length is set to 150 ms in order to transmit two acoustic pulses (positioning pulse AP1 and depth pulse AP2) in each time slot, but it is also possible to omit the depth pulse AP2 and transmit only the positioning pulse AP1. In that case, the time slot length can be shortened to about 50 ms (assuming a maximum distance of about 50 meters), so if the time slot period is set to about 1 second, the time slot period can be set as follows even when simultaneously positioning the positions of five
1個目:50 ms×13=650ms
2個目:50 ms×17=850ms
3個目:50 ms×19=950ms
4個目:50 ms×23=1150ms
5個目:50 ms×29=1450ms
1st: 50 ms x 13 = 650 ms
2nd: 50 ms x 17 = 850 ms
3rd: 50 ms x 19 = 950 ms
4th: 50 ms x 23 = 1150 ms
5th: 50 ms x 29 = 1450 ms
このように、本実施形態によれば各ピンガー10に周期が相互に異なるタイムスロットをそれぞれ設定し、各ピンガー10がタイムスロット毎に音響パルスを送信するようにしたので、各ピンガー10が送信する音響パルス同士の衝突機会が減ぜられるのみならず、衝突相手が固定化することを防止できる。したがって、測位不能となるピンガーの出現確率を低く抑えられるようになる。
In this way, according to this embodiment, time slots with different periods are set for each
また、各ピンガー10のタイムスロット周期をタイムスロット長の前記ピンガー毎に異なる素数倍に設定すれば、各ピンガー10が送信する音響パルス同士が衝突する頻度を更に低く抑えられるようになる。
Furthermore, by setting the time slot period of each
図3は、 発明の第2実施形態に係る音響測位方法を10個のピンガー10が音響パルスを送信するタイミングに注目して示した図であり、多数のピンガーの同時測位を時分割多重方式及び符号分割多重方式の組み合わせにより実現する。
Figure 3 shows an acoustic positioning method according to a second embodiment of the invention, focusing on the timing at which ten
本実施形態では符号分割多重方式としてチャープ信号を採用し、多数のピンガー10を、その音響パルスをパルス周波数が徐々に高くなる上りチャープ方式で変調して送信する群と、パルス周波数が徐々に低くなる下りチャープ方式で変調して送信する群とに分類する。本実施形態は、群毎に各ピンガーのタイムスロットを時分割多重化し、各ピンガーに設定されるタイムスロット周期を前記群毎に異ならせた点に特徴がある。
In this embodiment, a chirp signal is used as the code division multiplexing method, and a large number of
同図(a)は、音響パルスを上りチャープで送信するA群のチャネルに設定するタイムスロットの例を示した図であり、送信フレーム(1000ms)が5つのタイムスロットに等分割され、5つのピンガー(0,1,2,3,4)に各タイムスロットが割り当てられている。当該チャネルにおける各タイムスロットの周期はタイムスロット長(200ms)の素数倍(ここでは、5倍の1000ms)に設定されている。 Figure (a) shows an example of time slots set for channels in group A that transmit acoustic pulses as upstream chirps. The transmission frame (1000 ms) is divided equally into five time slots, and each time slot is assigned to one of five pingers (0, 1, 2, 3, 4). The period of each time slot in the channel is set to a prime multiple of the time slot length (200 ms) (here, 5 times 1000 ms).
同図(b)は、音響パルスを下りチャープで送信するB群のチャネルに設定するタイムスロットの例を示した図であり、送信フレーム(1000ms)が5つのタイムスロットに等分割され、5つのピンガー(5,6,7,8,9)に各タイムスロットが割り当てられている。当該チャネルにおける各タイムスロットの周期は、タイムスロット長(200ms)の前記A群とは異なる素数倍(ここでは、7倍の1400ms)に設定されている。 Figure (b) shows an example of time slots set for group B channels that transmit acoustic pulses in downstream chirps. The transmission frame (1000 ms) is divided equally into five time slots, and each time slot is assigned to five pingers (5, 6, 7, 8, 9). The period of each time slot in the channel is set to a prime multiple of the time slot length (200 ms) different from that of group A (here, 7 times, or 1400 ms).
このように、本実施形態によればA群の各タイムスロットの周期及びB群の各タイムスロットの周期が、タイムスロット長に異なる素数を乗じた時間に設定されているので、衝突するタイムスロットの組み合わせを周期ごとに異ならせることができる。 In this way, according to this embodiment, the period of each time slot in group A and the period of each time slot in group B are set to a time obtained by multiplying the time slot length by a different prime number, so that the combination of colliding time slots can be made different for each period.
例えば、ピンガー5のタイムスロット及びピンガー6のタイムスロットは、最初の周期ではそれぞれピンガー0のタイムスロット及びピンガー1のタイムスロットと衝突しているが、次の周期ではそれぞれピンガー2のタイムスロット及びピンガー3のタイムスロットと衝突することになる。
For example, the time slots of
したがって、例えばピンガー0やピンガー1が送信する音響パルスのレベルが特異的に低く、ピンガー5やピンガー6が送信する音響パルスのレベルと同じではないために相関信号処理による分離が困難であっても、次の周期ではピンガー0,1のタイムスロットはいずれも他のタイムスロットと衝突しないので測位可能となる。
Therefore, even if the level of the acoustic pulses transmitted by, for example,
更に、ピンガー5,6のタイムスロットはピンガー2,3のタイムスロットと衝突するので、ピンガー2,3が送信する音響パルスのレベルとピンガー5,6が送信する音響パルスのレベルとが同等であれば、相関信号処理による分離によって測位可能となる。
Furthermore, since the time slots of
このように、本実施形態によれば、複数のピンガー10の音響パルスを符号分割多重方式に対応した2種類の符号化方式に基づいて分類し、群毎に各ピンガー10のタイムスロットを時分割多重化し、各ピンガーに設定されるタイムスロット周期を群毎に異ならせたので、各ピンガーが送信する音響パルスが衝突する機会を減じることができ、また衝突する場合でも衝突相手が固定化されない。したがって、時分割多重方式及び符号分割多重方式の組み合わせによる効率的な同時測位を実現できるようになる。
As described above, according to this embodiment, the acoustic pulses of
図4は、本発明の第3実施形態に係る音響測位方法を10個のピンガー10が音響パルスを送信するタイミングに注目して示した図であり、多数のピンガーの同時測位を時分割多重方式及び符号分割多重方式の組み合わせにより実現する。
Figure 4 shows an acoustic positioning method according to a third embodiment of the present invention, focusing on the timing at which ten
本実施形態では多数のピンガーを、その音響パルスを上りチャープ方式で変調して送信するA群と下りチャープ方式で変調して送信するB群とに分類する。本実施形態は、A群から選択した1個のピンガーのタイムスロットとB群から選択した1個のピンガーのタイムスロットとを組み合わせたペア毎に各ピンガーのタイムスロットを時分割多重化し、各ピンガーに設定されるタイムスロット周期を前記ペア毎に異ならせた点に特徴がある。 In this embodiment, a large number of pingers are classified into Group A, which modulates and transmits acoustic pulses using the upstream chirp method, and Group B, which modulates and transmits using the downstream chirp method. This embodiment is characterized in that the time slots of each pinger are time-division multiplexed for each pair, combining the time slot of one pinger selected from Group A with the time slot of one pinger selected from Group B, and the time slot period set for each pinger is made different for each pair.
同図(a)の第1チャネルでは、送信フレーム(100ms)が2つのタイムスロットに均等分割され、先行のタイムスロットにA群から選択したピンガー0のタイムスロットが割り当てられ、後行のタイムスロットにB群から選択したピンガー5のタイムスロットが割り当てられている。
In the first channel in the figure (a), the transmission frame (100 ms) is divided equally into two time slots, with the leading time slot being assigned to the time slot of
同様に、同図(b)の第2チャネルでは先行のタイムスロットにA群から選択したピンガー1のタイムスロットが割り当てられ、後行のタイムスロットにB群から選択したピンガー6のタイムスロットが割り当てられている。
Similarly, in the second channel in the same figure (b), the leading time slot is assigned to the time slot of
以下同様に、第3チャネルでは先行のタイムスロットにA群から選択したピンガー2のタイムスロットが割り当てられ、後行のタイムスロットにB群から選択したピンガー7のタイムスロットが割り当てられる。第4チャネルでは先行のタイムスロットにA群から選択したピンガー3のタイムスロットが割り当てられ、後行のタイムスロットにB群から選択したピンガー8のタイムスロットが割り当てられる。
Similarly, in the third channel, the time slot of
そして、同図(c)の第5チャネルでは先行のタイムスロットにA群から選択したピンガー4のタイムスロットが割り当てられ、後行のタイムスロットにB群から選択したピンガー9のタイムスロットが割り当てられている。
In the fifth channel in the figure (c), the leading time slot is assigned to the time slot of
ここで、第1チャネルにおけるタイムスロット周期はタイムスロット長(50mm)に素数13を乗じた時間長(650mm)に設定されている。第2チャネルではタイムスロット長に素数17を乗じた時間長(850ms)に設定されている。同様に、第3チャネルでは素数19の倍数を乗じた時間長(950ms)に、第4チャネルでは素数23を乗じた時間長(1150ms)に、第5チャネルでは素数29を乗じた時間長(1450ms)に、それぞれ設定されている。 Here, the time slot period in the first channel is set to a time length (650mm) obtained by multiplying the time slot length (50mm) by the prime number 13. In the second channel, it is set to a time length (850ms) obtained by multiplying the time slot length by the prime number 17. Similarly, in the third channel, it is set to a time length (950ms) multiplied by a multiple of the prime number 19, in the fourth channel to a time length (1150ms) multiplied by the prime number 23, and in the fifth channel to a time length (1450ms) multiplied by the prime number 29.
本実施形態によれば、タイムスロットの周期がチャネルごとに相互に異なる素数をタイムスロット長に乗じた時間に設定されているのでタイムスロットの衝突頻度を低く押されられるようになる。 In this embodiment, the time slot period is set to a time obtained by multiplying the time slot length by a prime number that is different for each channel, which makes it possible to reduce the frequency of time slot collisions.
加えて、各チャネルの送信フレームが上りチャープのタイムスロットと下りチャープのタイムスロットとのペアで構成されているので、タイムスロット同士が衝突する場合でも上りチャープのタイムスロットと下りチャープのタイムスロットとの衝突であれば相関信号処理による分離により測位が可能となる。 In addition, since the transmission frame of each channel is composed of a pair of an uplink chirp time slot and a downlink chirp time slot, even if the time slots collide, if it is an uplink chirp time slot and a downlink chirp time slot, positioning is possible by separating them using correlation signal processing.
そして、上記の各実施形態によれば、多数の移動体の位置を煩雑な事前処理を省略しながら同時測位できるので、国連が主導する持続可能な開発目標(SDGs)の目標9「レジリエントなインフラを整備し、包括的で持続可能な産業化を推進する」や目標11「都市を包摂的、安全、レジリエントかつ持続可能にする」に貢献することが可能となる。
Furthermore, according to each of the above-mentioned embodiments, the positions of a large number of moving objects can be determined simultaneously without cumbersome pre-processing, which makes it possible to contribute to
10…ピンガー,20…レシーバ,101…周期設定部,102…圧力センサ,103…深度計測部,104…パルス発生部,105…パルス送信部,201…ハイドロフォン,202…パルス受信部,203…測位部,203a…方向算出部,203b…深度算出部 10...pinger, 20...receiver, 101...period setting unit, 102...pressure sensor, 103...depth measurement unit, 104...pulse generation unit, 105...pulse transmission unit, 201...hydrophone, 202...pulse reception unit, 203...positioning unit, 203a...direction calculation unit, 203b...depth calculation unit
Claims (16)
各ピンガーに周期が相互に異なるタイムスロットをそれぞれ設定し、
各ピンガーは前記タイムスロット毎に音響パルスを送信することを特徴とする音響測位方法。 1. An acoustic positioning method in which a computer locates the position of each pinger based on acoustic pulses transmitted from a plurality of pingers at a predetermined period, comprising:
Each pinger is assigned a time slot with a different period.
4. The acoustic positioning method according to claim 1, wherein each pinger transmits an acoustic pulse in each of said time slots.
群毎に各ピンガーの時計を時刻合わせし、
群毎に各ピンガーのタイムスロットを前記時計の時刻に基づいて時分割多重化し、
各ピンガーに設定されるタイムスロット周期が群毎に異なることを特徴とする請求項1に記載の音響測位方法。 classifying the plurality of pingers into a first group whose acoustic pulses are modulated by a first coding scheme corresponding to a code division multiplexing scheme and a second group whose acoustic pulses are modulated by a second coding scheme;
The clocks of each pinger are synchronized for each group.
time-division multiplexing the time slots of each pinger for each group based on the time of the clock;
2. The acoustic positioning method according to claim 1, wherein the time slot period set for each pinger is different for each group.
各群からピンガーを1個ずつ選択して組み合わせたペア毎に時計を時刻合わせし、
ペア毎に各ピンガーのタイムスロットを前記時計の時刻に基づいて時分割多重化し、
各ピンガーに設定されるタイムスロット周期が前記ペア毎に異なることを特徴とする請求項1に記載の音響測位方法。 classifying the plurality of pingers into a first group whose acoustic pulses are modulated by a first coding scheme corresponding to a code division multiplexing scheme and a second group whose acoustic pulses are modulated by a second coding scheme;
One pinger is selected from each group and the clocks are set for each pair.
time-division multiplexing the time slots of each pinger for each pair based on the time of said clock;
2. The acoustic positioning method according to claim 1, wherein a time slot period set for each pinger is different for each pair.
タイムスロット毎に測位パルス及び深度パルスを当該順序で送信し、
前記測位パルスと深度パルスとの間隔が深度の測位結果に応じて可変であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の音響測位方法。 each pinger includes a pressure sensor for determining depth;
Transmitting a positioning pulse and a depth pulse in that order for each time slot;
7. The acoustic positioning method according to claim 1, wherein an interval between the positioning pulse and the depth pulse is variable depending on a result of depth positioning.
各ピンガーが、
周期が相互に異なるタイムスロットを設定する手段と、
前記タイムスロット毎に音響パルスを送信する手段とを具備したことを特徴とする音響測位システム。 In an acoustic positioning system in which a receiver receives acoustic pulses transmitted from a plurality of pingers at a predetermined period and determines the position of each pinger,
Each pinger
A means for setting time slots having mutually different periods;
means for transmitting an acoustic pulse for each of said time slots.
各ピンガーは、
群毎に各ピンガーの時計を時刻合わせする手段と、
群毎に各ピンガーのタイムスロットを前記時計の時刻に基づいて時分割多重化する手段とを具備し、
各ピンガーに設定されるタイムスロット周期が群毎に異なることを特徴とする請求項9に記載の音響測位システム。 classifying the plurality of pingers into a first group whose acoustic pulses are modulated by a first coding scheme corresponding to a code division multiplexing scheme and a second group whose acoustic pulses are modulated by a second coding scheme;
Each pinger is
a means for synchronizing the clocks of each pinger for each group;
means for time-division multiplexing the time slots of each pinger for each group based on the time of said clock;
10. The acoustic positioning system according to claim 9, wherein a time slot period set for each pinger is different for each group.
各ピンガーは、
各群からピンガーを1個ずつ選択して組み合わせた君合わせたペア毎に時計を時刻合わせする手段と、
ペア毎に各ピンガーのタイムスロットを前記時計の時刻に基づいて時分割多重化する手段とを具備し、
各ピンガーに設定されるタイムスロット周期が前記ペア毎に異なることを特徴とする請求項9に記載の音響測位システム。 classifying the plurality of pingers into a first group whose acoustic pulses are modulated by a first coding scheme corresponding to a code division multiplexing scheme and a second group whose acoustic pulses are modulated by a second coding scheme;
Each pinger is
a means for selecting one pinger from each group and pairing them to set the clock for each pair;
means for time-division multiplexing the time slots of each pinger for each pair based on the time of said clock;
10. The acoustic positioning system according to claim 9, wherein a time slot period set for each pinger is different for each pair.
前記送信する手段は、タイムスロット毎に測位パルス及び深度パルスを当該順序で送信し、
前記測位パルスと深度パルスとの間隔が深度の測位結果に応じて可変であることを特徴とする請求項9ないし14のいずれかに記載の音響測位システム。 each pinger includes a pressure sensor for determining depth;
The transmitting means transmits a positioning pulse and a depth pulse in that order for each time slot;
15. The acoustic positioning system according to claim 9, wherein an interval between the positioning pulse and the depth pulse is variable depending on a result of depth positioning.
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