JP4030088B2

JP4030088B2 - 海底物理探査における潜水艇の制御方法およびシステム

Info

Publication number: JP4030088B2
Application number: JP2001321403A
Authority: JP
Inventors: 一輝星島; 憲明木村
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP2003127982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、着底ケーブルと潜水艇を用いて音波により海底下の物理探査を行う海底物理探査における潜水艇の制御方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
海底下の地中の物理探査を行う方法の一つとして、海底に向けて音波を発振し、海底に到達した音波や地中から反射して返ってくる反射波を解析することにより、海底下の地中の物理情報を得る方法が知られている。このような物理探査方法においては、海上を航行する母船から、海底に向けて音波を発振し、海底に敷設された音波を受信するためのセンサが数珠繋ぎになった着底ケーブル（以下ＯＢＣ：ＯｃｅａｎＢｏｔｔｏｍＣａｂｌｅという。）により音波を受信する方法が用いられている。
【０００３】
このような方法において、通常用いられる音源から発振される音波は波長が長く、天然ガス層のように層の薄いものを探査するには十分な分解能を得ることができない。また、音源とＯＢＣが備えるセンサの距離が遠くなると解析の分解能が低下してしまうため、深海での探査には用いることはできず、浅海での使用のみに限られていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、短波長の音波を発振することができる音源を海中に航行させ、音源をＯＢＣの上方数十メートルに近づけることにより、分解能を高くする方法が考えられる。この方法においては、探査を行う際には音源をＯＢＣに沿って移動させる必要がある。しかしながら、海上を航行する母船からはＯＢＣの敷設位置を正確に捕捉することが困難なため、音源をＯＢＣに沿って一定の距離を保って移動するよう制御することは難しかった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に着目し、ＯＢＣに近接させて音源を搭載した潜水艇を航行させることにより、海底物理探査精度を向上させることができるようにした海底物理探査における潜水艇の制御方法およびシステムを提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するため、本発明にかかる海底物理探査における潜水艇の制御方法は、海底に敷設され物理探査用信号を受信する複数のセンサを備えてなる着底ケーブルに沿わせて潜水艇を移動させ、当該潜水艇から物理探査音を発振させることにより探査信号を検出する海底物理探査における潜水艇の制御方法において、前記潜水艇装備のソナーにより当該潜水艇と海底との距離を測定し、前記潜水艇の音源から発振させた音の発振時刻と、前記音が前記ケーブルに備えられた複数のセンサのうちから選択された２つのセンサに到達した時刻とにより前記潜水艇と前記２つのセンサそれぞれとの距離を求め、前記２つのセンサそれぞれと前記潜水艇との距離と、予め定められた前記２つのセンサ間の距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と、前記２つのセンサのうちの一方のセンサとの距離を求め、前記潜水艇と前記一方のセンサとの距離と、前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と前記一方のセンサとの距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さを算出し、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さと、前記潜水艇と海底との距離とに基づいて、前記潜水艇を上方から見た場合の前記着底ケーブルと、前記潜水艇との偏差を求め、前記偏差をゼロに近付けるとともに、前記海底高さ位置を一定に保つよう前記潜水艇を移動制御して航行させることを特徴とする。この場合、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さは、前記音源から発振させた音の発振時刻のデータと前記２つのセンサが前記音を受信した時刻のデータとを海上航行母船に備えられた演算処理端末に取り込むことで算出し、前記偏差は、当該母船にて算出した前記垂線の長さのデータを海中交信手段を介して前記潜水艇に送信し、前記潜水艇が前記垂線の長さのデータを受信した後に求めるようにすると良い。
【０００７】
また、本発明にかかる海底物理探査における潜水艇の制御システムは、海底に敷設され物理探査用信号を受信する複数のセンサを備えてなる着底ケーブルと、当該着底ケーブルに沿って海中を移動可能とされソナー及び音波発振源を有する潜水艇と、前記センサからの信号を入力可能な第１の演算手段を有するとともに前記潜水艇と交信可能な母船とを有してなり、前記第１の演算手段は、前記潜水艇の音波発振源から音が発せられた時刻データと、前記音が前記ケーブルに備えられた複数のセンサから選択された２つのセンサに到達した時刻のデータとに基づいて、前記潜水艇と前記２つのセンサそれぞれとの距離を求めると共に、前記潜水艇と前記２つのセンサそれぞれとの距離と、予め定められた前記２つのセンサ間の距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と、前記２つのセンサのうちの一方のセンサとの距離を求め、前記潜水艇と前記一方のセンサとの距離と、前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と前記一方のセンサとの距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さを算出するものとし、前記潜水艇には、前記母船との交信により受信した当該潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さと、前記ソナーによって求められた当該潜水艇と海底との距離とに基づいて、当該潜水艇を上方から見た場合の着底ケーブルと、潜水艇との偏差を求める第２の演算手段を備え、前記偏差をゼロに近付けるとともに、前記海底高さ位置を一定に保つよう前記潜水艇を移動制御して航行させる制御手段を有することを特徴とする。
【０００８】
【作用】
上記構成によれば、潜水艇をＯＢＣに近接させた状態で航行させる際に、潜水艇に搭載の音源から音を発振させ、これをＯＢＣ上のセンサが検出してＯＢＣに対する潜水艇の位置情報が得られる。このＯＢＣに対する位置情報と潜水艇自身が備えているソナーによる深度情報からＯＢＣの直上に沿って航行させるための補正信号を演算することができる。これにより潜水艇の航路の補正が可能となり、コントローラによりスラスタなどの推進制御手段を制御し、潜水艇を着底ケーブルに沿うように制御することで目的航行ラインに倣った一定の位置関係を保って確実に移動させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る海底物理探査における潜水艇の制御方法およびシステムの具体的実施形態について、図面を参照して詳述する。図１は、本発明に係る海底物理探査における潜水艇の制御システムの実施形態を示す構成図、図２はその要部ブロック図である。
【００１０】
図１および図２において、１０は潜水艇であるＡＵＶ（ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅ）、１２は母船、１４はＯＢＣを示している。この構成において、ＡＵＶ１０は水中を自走可能な無人潜水艇である。このＡＵＶ１０は、スクリューにより推進力を得ると同時に、回動自在とすることにより鉛直方向および水平方向の方向制御および姿勢制御を行うスラスタ１１と、海底を探査用の音波および位置検出・制御用の音を発振する音源１３と、海底との距離を測定するソナー１５とを備えている。これらはＡＵＶ１０と母船１２間の交信を可能とする超音波通信装置１７ａ、１７ｂを通じ制御手段であるコントローラ１９を介して制御される。ＡＵＶ１０は後述する移動制御方法によりＯＢＣ１４に沿って１０メートルから数十メートル上方を移動し、音波を海底１６に向けて発振することにより、探査を行う。なお、母船１２からのＡＵＶ１０の制御は、有線通信により行ってもよい。
【００１１】
上記システム構成による物理探査方法は、一般的に次のように行われる。ＡＵＶ１０から発振された音波は、海中を経て海底１６に到達する。音波は異なる物質の境界面で反射する性質を持っているため、一部は海底１６で反射するとともに、一部は海底下の地中を伝播し、地中に例えば地層や天然ガス層が存在するとその境界面で反射して戻ってくる。この反射された音波と、海底に到達した音波を水平方向に連続的に捉えて解析することにより、海底下の地中についての情報を得ることができる。
【００１２】
海底１６に到達した音波と、反射された音波はＯＢＣ１４により捉えられる。ＯＢＣ１４は海底１６に敷設され、ケーブル長手方向に一定間隔に物理探査用信号を受信するジオホン（物理センサ）とハイドロホン（水中マイク）からなる物理センサ１８を備えている。この物理センサ１８が備えるジオホンにより海底１６に到達した音波と、地中からの反射波を受信し、これを送信可能としている。本実施形態では、ＯＢＣ１４は１０００ｍ程度以上の深海に敷設される場合を想定している。ＯＢＣ１４は、海面２０に浮かべられ母船１２に信号を送信することができる送信アンテナ２１を備えたブイ２２に接続されており、音波を受信することにより生じた信号はケーブルを通じ、ブイ２２を経由して母船１２に送信される。母船１２では、受信アンテナ２３でこの信号を受信し解析することにより、地中の情報を得る。このようにして、海底１６および海底下の地中から反射して返ってくる音波を解析することにより、海底下の物理探査が可能である。
【００１３】
このように、ＡＵＶ１０から音波を発振し、海底１６に到達した音波と地中で反射された音波を水平方向に連続的に捉えることにより地中の情報を得る方法においては、音波の発振源と受信部が離れていると、分解能が低くなってしまうため、より精密な探査を行うには音波の発振源と海底１６はなるべく接近していなければならない。すなわち、ＡＵＶ１０はＯＢＣ１４から離れないようにＯＢＣ１４に沿って海底近くを移動する必要がある。
【００１４】
そこで、本発明に係る海底物理探査における潜水艇の制御方法を実施するための本実施形態に示す制御システムでは、以下に述べるような方法でＯＢＣ１４に対する目的航行ラインに倣って移動するようにＡＵＶ１０の移動制御を行う。
【００１５】
ＡＵＶ１０は、音源１３から発振される音とソナー１５を利用して得られるＯＢＣ１４との位置情報に基づいて移動制御される。詳細は後述するが、図２に示すように、まず音源１３から位置検出・制御用のための音が発振され、この発振音はＯＢＣ１４が備える物理センサ１８のハイドロホンで受信される。ＯＢＣ１４は、海面２０に浮かべられ母船１２に信号を送信することができる送信アンテナ２１を備えたブイ２２に接続されており、発振音を受信することにより生じた信号はケーブルを通じ、ブイ２２を経由して母船１２に送信される。母船１２は、ＯＢＣ１４の送信アンテナ２１から送信される信号を受信する受信アンテナ２３を有しており、受信された信号は演算処理端末２５に入力され演算処理される。演算結果のデータは、超音波通信装置１７ｂを通じてＡＵＶ１０に送信され、ＡＵＶ１０では超音波通信装置１７ａによりこのデータを受信する。受信されたデータは、ソナー１５により測定された海底との距離のデータとともに演算処理モジュール２７で演算処理され、この演算処理結果に基づいてコントローラ１９はスラスタ１１を制御し、ＯＢＣ１４に対する目的航行ラインに倣ってＡＵＶ１０を移動制御する。
【００１６】
次に、ＡＵＶ１０をＯＢＣ１４に対する目的航行ラインに倣って移動制御する手順について詳述する。
ＡＵＶ１０が海底付近を音波により物理探査する時、ＡＵＶ１０とＯＢＣ１４は図４に示すような位置関係にある。図４において、ｄはＡＵＶ１０とＯＢＣ１４との距離、ｚはＡＵＶ１０と海底１６との距離（深度）、ｘはＡＵＶ１０の航行ラインを上方から見た場合のＯＢＣ１４との偏差、Ｌは物理センサ１８の間隔である。
【００１７】
ここで、ＡＵＶ１０をＯＢＣ１４の直上をケーブルラインに沿って移動させるには、ＡＵＶ１０とＯＢＣ１４との平面上の偏差ｘをゼロに近づけるとともに、海底と衝突しない程度の深度を保てばよい。すなわちｘの値を常にゼロに近づけるとともに、ｚの値を衝突の危険性のない許容範囲内の任意の値で一定に保つよう移動制御すれば、容易にＡＵＶ１０をＯＢＣ１４に対する目的航行ラインに倣って移動させることが可能である。
【００１８】
以下、ＡＵＶ１０、ＯＢＣ１４および母船１２における動作について、図２および図３のフロー図を参照して説明する。
はじめに、ステップ１００において、ＡＵＶ１０は音源１３より位置検出・制御用のための音を発振するとともに、発振時刻のデータを超音波通信装置１７ａを通じて母船１２に送信し、母船１２では超音波通信装置１７ｂでこれを受信する。また、これと同時にソナー１５により海底１６との距離ｚを測定する。発振音は、ステップ１０１において、ＯＢＣ１４が備える物理センサ１８のハイドロホンで受信される。発振音を受信したＯＢＣ１４では、ステップ１０２で送信アンテナ２１を介して受信時刻のデータを母船１２に送信する。ステップ１０３で、母船１２は受信アンテナ２３で受信した物理センサ１８の発振音受信時刻のデータと、ステップ１００でＡＵＶ１０から送られてきた発振音発振時刻のデータから、ＡＵＶ１０が発振音を発振してから物理センサ１８に到達するまでの所要時間を第１の演算手段である演算処理端末２５により算出する。次にステップ１０４で、ＡＵＶ１０とＯＢＣ１４との距離ｄを、ステップ１０３で得られた発振音が物理センサ１８に到達するまでの所要時間と、物理センサ１８の間隔Ｌより後述する方法で算出する。続いてステップ１０５において母船１２は、算出されたｄの数値データを超音波通信装置１７ｂによりＡＵＶ１０に送信する。ステップ１０６で、ＡＵＶ１０は超音波通信装置１７ａによりｄの数値データを受信し、このｄの値とステップ１００においてソナー１５により測定したｚの値から、ＡＵＶ１０に組み込まれた第２の演算手段である演算処理モジュール２７により後述する方法によりｘの値を算出する。そしてステップ１０７において、ｘの値がゼロに、ｚの値が任意の値に近づくように母船１２から超音波通信装置１７ａ、１７ｂおよびコントローラ１９を介してスラスタ１１を制御し、ＡＵＶ１０を移動制御する。
【００１９】
以上のような手順でＡＵＶ１０の移動制御を航行中に随時繰り返して行うことにより、母船１２からＯＢＣ１４の敷設位置を捕捉できない場合であっても、ＡＵＶ１０をＯＢＣ１４に対する目的航行ラインに倣って移動させることが可能である。
【００２０】
次に、上述したＡＵＶ１０の移動制御に必要なｘの値の算出方法について説明する。
ｘの値は、直接測定することはできないので、ＡＵＶ１０とＯＢＣ１４との距離ｄと、ＡＵＶ１０と海底１６との距離ｚの値より三平方の定理を用いて次の数式１から求める。
【数１】

ここでｚの値は、前述のようにＡＵＶ１０が備えるソナー１５により得ることが可能である。したがって、ｄの値が得られればｘの値を求めることができる。そこで、以下のような方法でｄの値を求める。
【００２１】
ｄの値は、ＡＵＶ１０から発振音を出し、その発振音がＯＢＣ１４の物理センサ１８に到達するのにかかった時間からＡＵＶ１０と物理センサ１８との距離を求め、この値をもとに算出する。
ＡＵＶ１０から発振された発振音は、ＡＵＶ１０に最も近い場所に位置する物理センサ１８から遠くにある物理センサ１８に順次受信される。このとき、異なる二つの物理センサ１８に発振音が到達するまでにかかった時間が分かれば、ｄの値を求めることができる。
【００２２】
ここでは、図４のように、ＡＵＶ１０に最も近い場所に位置するセンサ１８ａと、二番目に近い場所に位置するセンサ１８ｂに発振音が到達するまでにかかった時間をもとに算出する。
図４において、ｄ_aはＡＵＶ１０と物理センサ１８ａの距離、αはＡＵＶ１０からＯＢＣ１４に降ろした垂線の交点Ｐと物理センサ１８ａとの距離である。このとき、ｄは三平方の定理より次の数式で表される。
【数２】

ここで、αは、
【数３】

である。ただし、ｄ_bは、ＡＵＶ１０と物理センサ１８ｂとの距離である。この数式３を数式２に代入すると、
【数４】

と表される。ここで、ＡＵＶ１０と物理センサ１８ａおよび物理センサ１８ｂとの距離ｄ_a、ｄ_bは、発振音は音であるので、海水中の音速νとそれぞれの物理センサ１８ａ、１８ｂに発振音が到達するのにかかった時間の積で求めることができる。すなわち、ＡＵＶ１０から発せられた発振音が物理センサ１８ａおよび物理センサ１８ｂに到達するまでにかかった時間をそれぞれｔ_a、ｔ_bとすると、数式４は、
【数５】

と表される。ここで、Ｌは物理センサ１８の間隔であるので一定である。また、ＡＵＶ１０から発せられた発振音が物理センサ１８ａおよび１８ｂに到達するまでにかかった時間ｔ_a、ｔ_bは、前述のように、発振音の発振時刻と物理センサ１８ａ、１８ｂの受信時刻の差から得ることができる。よって、これらの値を数式５に代入すればｄの値を算出することができ、これにより算出されたｄの値を数式１に代入すればｘの値を得ることができる。
【００２３】
こうして算出したｘをゼロにするようにＡＵＶ１０を移動制御すると同時に、ソナーにより得られたｚの値を任意の一定値に保つよう移動制御することにより、ＡＵＶ１０をＯＢＣ１４に対する目的航行ラインに倣わせて移動させることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、潜水艇の音源から発振させた音の発振時刻と、前記音が前記ケーブルに備えられた複数のセンサのうちから選択された２つのセンサに到達した時刻とにより前記潜水艇と前記２つのセンサそれぞれとの距離を求め、前記２つのセンサそれぞれと前記潜水艇との距離と、予め定められた前記２つのセンサ間の距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と、前記２つのセンサのうちの一方のセンサとの距離を求め、前記潜水艇と前記一方のセンサとの距離と、前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と前記一方のセンサとの距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さを算出し、潜水艇装備のソナーにより当該潜水艇と海底との距離を測定し、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さと、前記潜水艇と海底との距離とに基づいて、前記潜水艇を上方から見た場合の前記着底ケーブルと、前記潜水艇との偏差を求め、前記偏差をゼロに近付けるとともに、前記海底高さ位置を一定に保つよう前記潜水艇を移動制御することにより、前記潜水艇を前記着底ケーブルに対する目的航行ラインに倣わせて移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る海底物理探査における潜水艇の制御システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】同制御システムの一実施形態を示す要部ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るＡＵＶの移動制御の手順を示すフロー図である。
【図４】ＡＵＶとＯＢＣの位置関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０………ＡＵＶ、１１………スラスタ、１２………母船、１３………音源、１４………ＯＢＣ、１５………ソナー、１６………海底、１７ａ、１７ｂ………超音波通信装置、１８………物理センサ、１９………コントローラ、２０………海面、２１………送信アンテナ、２２………ブイ、２３………受信アンテナ、２５………演算処理端末、２７………演算処理モジュール。

Claims

海底に敷設され物理探査用信号を受信する複数のセンサを備えてなる着底ケーブルに沿わせて潜水艇を移動させ、当該潜水艇から物理探査音を発振させることにより探査信号を検出する海底物理探査における潜水艇の制御方法において、
前記潜水艇装備のソナーにより当該潜水艇と海底との距離を測定し、
前記潜水艇の音源から発振させた音の発振時刻と、前記音が前記ケーブルに備えられた複数のセンサのうちから選択された２つのセンサに到達した時刻とにより前記潜水艇と前記２つのセンサそれぞれとの距離を求め、
前記２つのセンサそれぞれと前記潜水艇との距離と、予め定められた前記２つのセンサ間の距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と、前記２つのセンサのうちの一方のセンサとの距離を求め、
前記潜水艇と前記一方のセンサとの距離と、前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と前記一方のセンサとの距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さを算出し、
前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さと、前記潜水艇と海底との距離とに基づいて、前記潜水艇を上方から見た場合の前記着底ケーブルと、前記潜水艇との偏差を求め、
前記偏差をゼロに近付けるとともに、前記海底高さ位置を一定に保つよう前記潜水艇を移動制御して航行させることを特徴とする海底物理探査における潜水艇の制御方法。
前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さは、前記音源から発振させた音の発振時刻のデータと前記２つのセンサが前記音を受信した時刻のデータとを海上航行母船に備えられた演算処理端末に取り込むことで算出し、前記偏差は、当該母船にて算出した前記垂線の長さのデータを海中交信手段を介して前記潜水艇に送信し、前記潜水艇が前記垂線の長さのデータを受信した後に求めることを特徴とする請求項１に記載の海底物理探査における潜水艇の制御方法。
海底に敷設され物理探査用信号を受信する複数のセンサを備えてなる着底ケーブルと、当該着底ケーブルに沿って海中を移動可能とされソナー及び音波発振源を有する潜水艇と、前記センサからの信号を入力可能な第１の演算手段を有するとともに前記潜水艇と交信可能な母船とを有してなり、
前記第１の演算手段は、前記潜水艇の音波発振源から音が発せられた時刻データと、前記音が前記ケーブルに備えられた複数のセンサから選択された２つのセンサに到達した時刻のデータとに基づいて、前記潜水艇と前記２つのセンサそれぞれとの距離を求めると共に、前記潜水艇と前記２つのセンサそれぞれとの距離と、予め定められた前記２つのセンサ間の距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と、前記２つのセンサのうちの一方のセンサとの距離を求め、前記潜水艇と前記一方のセンサとの距離と、前記着底ケーブルへ降ろした垂線の交点と前記一方のセンサとの距離とに基づいて、前記潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さを算出するものとし、
前記潜水艇には、前記母船との交信により受信した当該潜水艇から前記着底ケーブルへ降ろした垂線の長さと、前記ソナーによって求められた当該潜水艇と海底との距離とに基づいて、当該潜水艇を上方から見た場合の着底ケーブルと、潜水艇との偏差を求める第２の演算手段を備え、
前記偏差をゼロに近付けるとともに、前記海底高さ位置を一定に保つよう前記潜水艇を移動制御して航行させる制御手段を有することを特徴とする海底物理探査における潜水艇の制御システム。