ナビゲーション・プロセッサ、該ナビゲーション・プロセッサを備えた処理構成、該ナビゲーション・プロセッサを備えた測定システム及び水中システムの位置及び姿勢を測定する方法
【課題】水中の装置の位置を測定するにつき、水中での音波の屈曲により測定値の不正確が生ずる。
【解決手段】音響アレイに音速メータを備え、音響アレイによる出力データを処理構成で計算して水中の装置の位置を求めるとともに、船の直下の流体層内の音の速度を音速メータで測定して、これにより、処理構成が水中の装置の位置の計算を補正して、正確な位置を検出する。
【解決手段】音響アレイに音速メータを備え、音響アレイによる出力データを処理構成で計算して水中の装置の位置を求めるとともに、船の直下の流体層内の音の速度を音速メータで測定して、これにより、処理構成が水中の装置の位置の計算を補正して、正確な位置を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナビゲーション・プロセッサ、該ナビゲーション・プロセッサを備えた処理構成、該ナビゲーション・プロセッサを備えた測定システム、該ナビゲーション・プロセッサを用いて水中システムの位置及び姿勢を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際特許第９９／６１３０７号は、標的を水中標的位置に配備する装置に関し、装置には、音線を送信するビーコン、および水中標的位置に対して装置の配置を制御する複数のスラスタを設けた例を開示している。
【０００３】
先行技術の装置が、例えば最大３，０００メートル以上の深い海底で最大１０００トン以上の負荷を配備および／または回収するのに使用されている。配備中に、装置は海面に浮かぶ船上の制御機器によって制御される。制御機器は、装置の正確な位置を可能な限り正確に知る必要がある。そのため、装置の板上にあるビーコンが、海水を通して船に音線を送信する。適切な音波受信器がこの音線を受信し、これを、船に対する装置の位置の計算に使用する電気信号に変換する。
【０００４】
しかし、海水中で装置の深度が増加するにつれ、海水中での音波の屈曲により、位置測定の正確度が低下することが分かっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、海水中または他の流体中で使用中に、このような装置の位置測定の正確度をさらに向上させることである。さらに、このような位置測定がオンライン（実時間）で必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するため、本発明によれば、船舶上の、音響プロセッサ（２２４）と、表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続されたナビゲーション・プロセッサ（２０２）であって、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するナビゲーション・プロセッサが提供される。
【０００７】
また、本発明によれば、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）を備え、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続された処理構成で、
該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信し、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）は１つ又は複数のコンピュータによって実現される、処理構成が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）と水中システム（５０）を備える測定システムであって、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続され、前記水中システム（５０）は光ファイバ・ジャイロコンパスとドップラー・ログ・ユニットと深度センサを備え、前記光ファイバ・ジャイロコンパスは上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含み、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信する測定システムが提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、船舶上の、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）を用いて水中システム（５０）の位置及び姿勢を測定する方法であって、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データを受信するステップと、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータを受信するステップと、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データを受信するステップと、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データを受信するステップと、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するステップとを備える方法が提供される。
【００１０】
他の実施例は従属請求項に記載されている。
【００１１】
以下で、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。図面は、本発明を例示するだけであって、その範囲を制限するものではなく、その範囲は添付の請求の範囲によってのみ規定される。
【００１２】
（好ましい実施形態の説明）
図１を参照すると、レイアウトは、ライザ２の起点である旋回式採集スタック１１を伴うＦＰＳＯ１を表し、前記ライザは海底４にあるライザ・ベース３に接続される。採集の寿命において、許容可能な動的偏位範囲内に留まることがＦＰＳＯ１にとって最も重要であり、したがってＦＰＳＯ１は、錨６によって、あるいはパイルによって保持される係留脚５によって海底４に係留される。
【００１３】
採集船１によって石油またはガスを採掘するには、幾つかの比較的重い物体を高い正確度で海底４に配置する必要がある。
【００１４】
係留脚５によって適切で安全な錨を固定するには、その係留脚５がほぼ同じ長さを有する必要がある。この用途では、実際には５０トン以上の重量の錨を使用することができ、これを数メートル以内の正確度で海底４に配置する。さらに、錨６自体が非常に重いばかりでなく、錨６に取り付けた係留脚も、錨６自体の重量の数倍に等しい重量を有する。
【００１５】
また、「テンプレート」、「重力ライザ・ベース」、「採集マニホルド」など、他の物体も、比較的高い正確度で海底４に配置する必要がある。
【００１６】
図１に図示され、海で石油およびガスの採掘に必要であり、海底に配置しなければならない物体は、非常に重量があるばかりでなく、非常に高価でもある。
【００１７】
図２は、先行技術の船舶２０を示し、自身上にクレーン２１のような巻き上げ手段を有する。クレーン２１には巻き上げワイヤ２２を設け、これによって物体または負荷２３を海底４に配置することができる。負荷２３を配置するためには、表面支持体をクレーン２１とともに移動させる必要がある。
【００１８】
その結果、任意の時に負荷２３の慣性が克服されるが、負荷２３の加速のため、制御不可能な状況が発生し、それによって標的区域を飛び越してしまう。巻き上げワイヤ２２および負荷２３は海流などの影響を受けやすいという事実から、巻き上げワイヤ２２を下降させた場合、負荷２３は下方向に直線移動しない。船舶２０の上下浮動、横揺れおよび縦揺れも、達成できる正確度にマイナスの影響を与える。
【００１９】
図３は、海底４に負荷４３を配備する水中装置またはシステム５０を設けたクレーン船４０を示す。船舶４０は、第１巻き上げワイヤ４２を設けた第１巻き上げ手段、例えばウィンチ４１を備える。この巻き上げワイヤ４２によって、例えばテンプレートなどの負荷４３を海底に配備し、配置することができる。
【００２０】
上述したように、浮採集プラットフォームを使用する油田およびガス田の採掘では、海底４に幾つかの重い物体を配置する必要があり、さらに物体を非常に高い正確度で海底４に配置しなければならない。現今は採掘を深い所でしなければならず、最大で３０００ｍ以上にもなり、必要な正確度を達成することがさらに困難になっている。例えば、解決すべき問題の一つは、巻き上げワイヤ４２が担持する負荷４３に発生し得る回転である。
【００２１】
配備時に負荷４３の位置を制御し、必要な正確度以内で負荷４３を海底４に配置できるようにするため、装置またはシステム５０は吊り上げワイヤ４２に固定されている。システム５０の好ましい実施形態を、図４、図５、図６ａおよび図６ｂに関して説明する。
【００２２】
システム５０は吊り上げワイヤ４２の端部に係合してよい。あるいは、システム５０は負荷４３自体に直接係合してよい。システム５０は、スラスタ５６（ｉ）（ｉ＝１、２、３・・・ＩでＩは整数である）などの駆動手段を設けた第１または主モジュール５１を備える（図４および図５）。システムはさらに第２またはカウンタ・モジュール５２を備える。このカウンタ・モジュール５２にもスラスタ５６（ｉ）を設ける。使用時には、主モジュール５１およびカウンタ・モジュール５２のスラスタを吊り上げワイヤ４２の対向する側に配置する。
【００２３】
システム５０は第２吊り上げワイヤ４５によって船舶４０に結合される。このワイヤ４５は例えば第２ウィンチ４４などの第２巻き上げ手段を使用して操作することができる。第２巻き上げワイヤ４５は、例えばＡフレーム４９によって船外へ設置される。第２ウィンチ４４および第２巻き上げワイヤ４５は通常、それぞれ第１巻き上げ手段４８および第１巻き上げワイヤ４２より軽量である。システム５０はさらに命綱４６によって船舶４０に接続される。この命綱４６は巻き上げワイヤ４５に取り付けるか、第３ウィンチ４７から別個に下降させることができる。システム５０に動力を提供する供給電力配線、さらに電気配線または光ファイバを、例えば命綱に収容する。システム５０には、通常、電力を流体動力に変換する手段を設ける。したがって、流体動力は、制御に、つまりスラスタ５６（ｉ）および補助工具の快適装備に使用される。
【００２４】
最近、作業の深度が増加しているので、負荷４３および長い巻き上げワイヤ４２の捻れおよび回転の問題が重大になってくる。重い負荷４３を巻き上げワイヤ４２の下側に取り付けるので、このような捻れおよび回転が巻き上げワイヤをかなり摩耗させることになり、巻き上げワイヤに深刻な損傷が発生することがある。この摩耗は、巻き上げワイヤ４２が破損し、負荷４３が喪失するほど深刻になることがある。別の問題は、ワイヤの多大な捻れのため、船舶にあるワイヤがシーブから外れることがあることである。
【００２５】
主モジュール５１およびカウンタ・モジュール５２それぞれのスラスタ５６（ｉ）を吊り上げワイヤ４２の対向する側に配置するという事実から、巻き上げワイヤ４２には両方向に逆トルクがかかる。この方法で、システムにより捻れ防止器具が形成される。この捻れ防止器具の能力を改善するため、主モジュール５１とカウンタ・モジュール５２間の距離を変更できることが好ましい。
【００２６】
図４は、海底４に負荷４３を配備するシステム５０に可能な実施形態の詳細な概要図を示す。図５は、図４によるシステムを上から示す。
【００２７】
システム５０は、主モジュール５１、カウンタ・モジュール５２およびアーム５３を備える。アーム５３は主モジュール５１から取り外すことができる。つまり、主モジュール５１はモジュール式システムとして別個に使用することもできる。アーム５３には窪み５４を設ける。この窪み５４の対向する側に２つのジャッキ５７、５８を設け、その少なくとも一方は他方に対して移動することができる。これらのジャッキ５７、５８の端面の間で、負荷４３のクレーン・ブロックなどの物体又はケーブル４２を締め付けることができる。ジャッキ５７、５８と物体間の接触を改善するため、ジャッキの個々の端部に、専用ゴムなどの高い摩擦材料からの摩擦要素でライニングを施した締め付けシューを設ける。
【００２８】
使用時には、スラスタ５６（ｉ）を使用して、海底４の標的区域に対してシステム５０を配置することができる。スラスタ５６（ｉ）は、主にシステム５０の内側にある第１位置から、スラスタがシステム５０から突き出した位置へと順次作動させるようにすることができる。２つの上部スラスタ５６（２）、５６（３）は、水中システム５０に対して回転可能である。これは、例えば個々の回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）に設置する。その目的については以下で説明する。スラスタ５６（２）は、図４ａでは拡大して図示されている。
【００２９】
図５には、主モジュールを第２吊り上げワイヤ４５および／または命綱４６に接続するには、主モジュール５２の頂部に２つの位置６１、６２があることが図示されている。主モジュール５１を別個に使用する場合は、位置６１を使用することができる。主モジュール６１は、モジュール６１を配備する時に、空中でも水中でもバランスをとる。
【００３０】
システム５０を使用する場合、船舶４０とシステム５０との接続は、システムを空中と水中の両方で平衡に維持するために位置６２に固定される。システムのバランスを改善するため、補助釣合錘５５をシステム５０に固定することができる。
【００３１】
使用時には、装置５０には浮力がない。水中におけるシステムの可動性を改善するため、アーム５３には、下降中に圧力増加による構造的損傷を回避し、採集段階では迅速な排水を保証するために穴５９を設ける。
【００３２】
上述したように、主モジュール５１に対してカウンタ・モジュール５２を移動できると有利である。これは、ジャック６４ａを使用することによって達成できる。
【００３３】
モジュール５１は外フレームおよび内フレーム（両方とも図示せず）を備える。内フレームは円筒形であることが好ましい。外フレームを内フレームに接続することにより、非常に強力な構造を達成することができる。構造の強度は、システムの時期尚早の疲労を回避するために必要である。
【００３４】
モジュール５１は、例えば部分的に高張力鋼で作成し、それによって第１巻き上げワイヤ４２または第２巻き上げワイヤ４５の一体部品として使用するよう設計される。つまり、モジュール５２の上側が巻き上げワイヤ４５の第１部分に接続され、モジュール５１の下側が巻き上げワイヤ４５の第２部分に接続されるか、モジュール５１の下側が負荷に直接取り付けられる。この方法で、巻き上げワイヤにかかる負荷がモジュール５１を通して伝達される。
【００３５】
前述したように、モジュール５１には、命綱４６を通って送出された電力を流体動力に変換するため、スラスタ・ドライブ２７０を設ける。このスラスタ・ドライブ２７０はモータ、ポンプ、マニホルドおよび液圧リザーバを備えることができる。このような変換手段は当業者には知られ、本明細書でさらに説明する必要はない。絶対位置と他の物体に対する相対位置との両方で、その位置に関する該当データを制御システムおよび／または船舶４０上のオペレータに通信するため、モジュール５１は、さらに、以下で詳細に説明するセンサ手段および制御手段を備える。モジュール５１は、センサ接続箱を装備する。さらに、モジュール５１は光源８７、上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含むジャイロコンパス２５６、パンあおりカラー・カメラ９７、ディジクォーツ深度センサ２５３を含むＵＳＢＬ応答器２５５、音速メータ２５８、およびソナーダイン・ミニ・ロヴナヴ２６４を備える。モジュール５１の下側には、幾つかのプラットフォーム光源９４、パンおよびＳ．Ｉ．Ｔ．カメラ９３、高度計２６２、ドップラー・ログ・ユニット２６６、および二重ヘッド・スキャニング・ソナー２６０が装着される。これらは、使用時にその下に透明な海水のみがあるよう設置される。これらは、図６ａおよび図６ｂに概略的に図示される。これはどこにでも、例えばモジュール５２の下側にでも配置してよいことを理解されたい。さらに、ロード・セル２６８はシステム５１の一部である。これらの構成要素は全て、図７ｂに概略的に図示される。
【００３６】
上述したように、負荷が所期の深度に到達したら、必要な正確度を達成するには、高解像度のソナー機器２６０をドップラー・ログ・ユニット２６６で測定した距離ログとともに使用することが重要である。ソナー機器２６０は、海底に配置された少なくとも１つの物体に対する位置を判断するために使用される。距離ログを使用すると、大きい半径内でセンチメートルのオーダーの正確度を達成しながら、海上支援からの位置決め動作を、さらにＬＢＬ（長基線）アレイ（または他のＵＳＢＬなど）のような他の音響応答器装置からの位置決め動作から解離することが可能になる。
【００３７】
図７ａは、船舶４０に設置された電子機器２００を示し、図７ｂは音速メータ２４８およびジャイロコンパス２５２を伴う配備可能な音響アレイ２５０を示す。図７ｂは、水中システム５０に設置した水中電子機器２４９も示す。
【００３８】
図７ａに示す機器は４つのプロセッサを備える。つまりナビゲーション・プロセッサ２０２、音響プロセッサ２２４、ソナー制御プロセッサ２３６、およびスラスタ制御プロセッサ２４０である。ナビゲーション・プロセッサ２０２は、相互通信および相補性のために他の３つのプロセッサ２２４、２３６、２４０とインターフェースをとる。
【００３９】
ナビゲーション・プロセッサ２０２は、表面位置決め機器ＤＧＰＳ（相対全地球測位システム）２０４、船舶のジャイロコンパス２０６、４つのディスプレイ・ユニット２０８、２１０、２１２、２１４、プリンタ・ユニット２１８、キーボード２２０、マウス２２２、光ファイバ・（デ）マルチプレクサ・ユニット２４４ともインターフェースをとる。必要に応じて、ナビゲーション・プロセッサ２０２の１つのＳＶＧＡ信号出力を２つ以上のディスプレイ・ユニットに送信するため、ビデオ・スプリッタ２１６を設けてもよい。図７ａでは、ディスプレイ・ユニット２１２、２１４はビデオ・スプリッタ２１６を介してナビゲーション・プロセッサ２０２に接続される。
【００４０】
光ファイバ（デ）マルチプレクサ・ユニット２４４は、音響プロセッサ２２４、ソナー制御プロセッサ２３６、およびスラスタ制御プロセッサ２４０にも接続される。
【００４１】
音響プロセッサ２２４はコマンドおよび制御ユニット２２６に接続され、これはキーボード２３０、マウス２３２およびディスプレイ・ユニット２２８に接続され、これが全てまとめてＵＳＢＬ表面ユニット２３４を形成する。
【００４２】
音響プロセッサ２２４は、運動センサ・ユニット２５２および速度メータ２４８を伴う配備可能な音響アレイ２５０に接続される。使用時には、音響アレイ２５０は船舶４０のキールの２．５メートル下に装着することが好ましい。
【００４３】
光ファイバ・（デ）マルチプレクサ・ユニット２４４が、さらに、水中システム５０に設置された光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４６に接続される。両方の光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４４、２４６を相互接続する光ファイバは、命綱４６に収容することが好ましい（図３）。
【００４４】
ソナー制御プロセッサ２３６はディスプレイ・ユニット２３８に接続される。スラスタ制御プロセッサ２４０はディスプレイ・ユニット２４２に接続される。
【００４５】
水中機器２４９は、図７ｂではブロック図の形態で図示される。ディジクォーツ深度センサ２５３を伴うＵＳＢＬ応答器２５５、運動センサ２５６を伴うジャイロコンパス、（着脱式）音速メータ２５８、二重ヘッド・スキャニング・ソナー２６０、高度計２６２、ソナーダイン・ミニ・ロヴナヴ２６４、ドップラー・ログ２６６、ロード・セル２６８、およびスラスタ・ドライブ・コントロール２７０が全て光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４６に接続される。
【００４６】
さらに、図７ｂは、海底に、または配備すべき負荷に（または海底に既にある構造に）設置できる２つのビーコン２７２、２７４を示す。これらのビーコン２７２、２７４は、例えばソナーダイン・ミニ・フォヴナヴ２６４（または同等の機器）により問い合わせるものであり、音響信号をシステム５０に送り返すことができ、これをシステム５０自体が使用して、これらのビーコンに対する距離および方位を判断し、測定することができる。このような音響遠隔測定リンクの結果、非常に高精度の相対位置測定ができる。このようなビーコンの数は、図７ｂに示す２個に制限されない。
【００４７】
機能
図７ａおよび図７ｂに示す構成要素の機能は次の通りである。
【００４８】
ナビゲーション・プロセッサ２０２は、船舶の姿勢およびその固定オフセットを計算するため、海上の位置決め機器のデータ（ＤＧＰＳ受信器、ＤＧＰＳ補正、船舶のジャイロコンパスおよび船舶の運動センサ２０４および２０６）を収集する。
【００４９】
ナビゲーション・プロセッサ２０２は、光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４４および２４６を介して、システム５０のナビゲーション計器、つまりドップラー・ログ２６６、高度計２６２、およびジャイロコンパスおよび運動センサ２５６に様々な設定を送信する。設定後、これはこれらの計器からデータを受信し、さらに音響プロセッサ２４４を介してシステム５０の距離／方位および深度データを受信し、システムの姿勢および絶対座標を計算して表示する。
【００５０】
ナビゲーション・プロセッサ２０２の統合ソフトウェアが開発されており、これにはシステム５０の初期の方向を決定し、多くの中間地点から選択して、初期の位置決めを実行するため、手動または自動モードで作業することができる動的位置決めコントローラ・ソフトウェアを含む。さらに、船上のオペレータは選択された中間地点に対するオフセットを入力することができ、オフセットは、システム５０の方向に対するＸＹ座標で入力される。位置を安定させ、フィルタリングするため、ディスプレイ・ユニット２０８〜２１４の画面（電子ページ）上にある特別設計のウィンドウの構成を介して幾つかの他のタイプの海中位置決め装置を選択するという、別の可能性もある。オペレータが最適な結果を獲得するために可能な限り多くの手段を有することを保証するため、ソフトウェアのその他の部分ではシステム５０の位置をオンライン（実時間）で計算するために使用中の海中計器の様々な状態を示すようになっている。
【００５１】
システム５０上の上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサ８８を含む搭載ジャイロコンパス２５６は、海底に設置されるシステム５０および負荷４３両方の正確な姿勢に関するデータを提供する。海面では、制御バン内でオペレータが、下降中に、しかし負荷４３が最終検証のために海底に配置されてからも、これらの姿勢をオンライン（実時間）でチェックすることができる。
【００５２】
船舶のジャイロコンパス２０６、さらに同じ機能のために使用できる音響アレイに設置した運動センサ２５２を伴うジャイロコンパスは、船舶の方向をナビゲーション・プロセッサ２０２に送信する。ナビゲーション・プロセッサ２０２はこの船舶の方向を使用して、様々なオフセットを計算する。
【００５３】
ディスプレイ・ユニット２０８、２１０、２１２および２１４はそれぞれ、制御バン内でオペレータのためにおよび海洋部門オペレータ用船橋上にある別の人のために、ナビゲーションの設定、海底の眺め、海面の眺めを表示するよう構成される。
【００５４】
ＵＳＢＬ命令および制御ユニット２２６は、システムの制御および構成を提供し、オペレータが制御するためのマン・マシン・インターフェースを表示するパーソナル・コンピュータで構成される。
【００５５】
音響プロセッサ２２４は、受信信号、深海速度測定および船舶の姿勢で相関プロセスを実行する１つのＶＭＥラックで構成される。さらに、これは使用するビーコンの座標を計算する。音響プロセッサ２２４は、イーサネット（登録商標）を通してナビゲーション・プロセッサ２０２に連結される。
【００５６】
音響アレイ２５０は、送信および受信手段を含む。また１つまたは複数のビーコンと音響通信する変換器として使用することができる。このような変換器のモードは、命綱４６が故障し、呼び掛け信号をシステム５０へと送信できない場合に有用である。これで、音響呼び掛け信号は海水を通して変換器から直接送信することができる。他の全てのケースで、音響アレイ２５０は受信モードで使用される。受信は、音響アレイ２５０に対するビーコンの距離および方位角を測定する２つの直交受信ベースで実行される。各受信ベースは２つの変換器を含む。各受信信号は、ディジタル信号処理のため、増幅され、フィルタリングされて、音響プロセッサ２２４に転送される。
【００５７】
音響アレイ２５０に設置された音速メータ２４８は、船舶４０のすぐ下にある重要で不安定な音速プロファイルを実時間で更新している。これは、船舶４０のすぐ下にあるこれらの層では海水の乱流が非常に激しいようであるので非常に重要である。
【００５８】
ジャイロコンパス２５２は、海中のシステム５０の位置に関するデータを修正するため、音響プロセッサ２２４に音響アレイの姿勢を送信する運動センサ・ユニットとして使用することが好ましい。
【００５９】
好ましい実施形態では、ビーコン２７４は応答器モードで作業し、以下の特徴を有する。
−音響プロセッサ２２４が生成する呼び掛け開始信号は音響信号ではなく電気信号で、船舶４０とシステム５０間のケーブル・リンクを通してビーコン２７４に送信される。
−呼び掛け頻度は、マン・マシン・インターフェースを通してオペレータにより遠隔制御される。
【００６０】
上述したように、ビーコン２７４は応答器モードで使用することもできる。これで、ビーコン２７４は、音響アレイ２５０が送信した表面音響信号によって作動し、次にコード化音響信号を通して音響アレイ２５０に音響応答信号を送出する。
【００６１】
ビーコン２７４に含まれるディジクォーツ深度センサ２５３によって、システム５０の非常に正確な深度データを音響プロセッサ２２４に送信することができる。音響プロセッサ２４４はこれらのデータを使用し、システム５０の海中位置およびその負荷の計算を改善する。
【００６２】
海中システム５０に搭載された音速メータ２５８は、下降および回収中に、海中システムの深度における海水中の音速に関するデータを音響プロセッサ２２４に送信する。音速データは、深度の関数として計算された海水中の音速プロファイルを更新して、海水中の深度の関数としてこれらのプロファイルから音線の屈曲を計算し、したがってシステム５０の海中位置の計算を補正するために使用される。
【００６３】
二重ヘッド・スキャニング・ソナー２６０は、海底の人工または天然の標的までのシステム５０の距離および方向を測定し、対応するデータをディジタル値としてナビゲーション・プロセッサ２０２に出力するために使用される。このような人工または天然の標的の位置を予め画定するか、ナビゲーション・システムが選択された標的それぞれに座標を割り当てることができる。物体に座標を与えた後、これを局所座標系のナビゲーション基準として使用することができる。その結果、相対座標の正確度が０．１メートルになる。
【００６４】
システム５０に装着された高度計２６２は、水中システム５０から海底までの垂直距離を測定し、出力測定データを音響プロセッサ２２４に送信する。
【００６５】
ドップラー・ログ・ユニット２６６は、水中システム５０の深度における海水流の値および方向に関するデータを提供する。これらのデータは２つの方法で使用される。
【００６６】
まず第１に、ドップラー・ログ・ユニット２６６および運動センサ２６６付きジャイロコンパスから受信したデータは、音響プロセッサ２２４が、ＵＳＢＬの使用に関するランダム・ノイズをオンライン（実時間）で平滑化するのに使用する。このような平滑化を獲得するため、例えばカルマン・フィルタ、サロモンセン・フィルタ、サロモンセン光フィルタ、または他の適切なフィルタなど、フィルタを主プロセッサ・ユニット２２４内で使用する。このようなフィルタは当業者には知られている。付録Ａに簡単な要約を示すことができる。
【００６７】
第２に、海流の強度、海流の方向に関するドップラー・ログ・ユニット２６６の出力データは、水中システム５０の現在の方向および所期の方向に関するデータとともに、ナビゲーション・プロセッサ２０２を介してスラスタ制御プロセッサ２４０に送信される。所期の方向に基づき、スラスタ・ドライブ・コントロール２７０は自動的に制御される。手動制御も提供することができる。
【００６８】
非常に有利な実施形態では、ドップラー・ログ・ユニット２６６（または他の適切なセンサ）を使用して、システム５０を取り巻く海水の温度および／または塩分を測定する。局所的温度および／または塩分に関するデータはナビゲーション・プロセッサ２０２に送信され、これは海水の深度の関数として温度および／または塩分を計算し、更新する。これらのデータは、海水を通る音波の屈折を判断し、したがってシステム５０の位置の計算を補正するのにも使用される。
【００６９】
ソナーダイン・ミニ・ロヴナヴ２６４はオプションであり、上記で説明したように海底の局所的ビーコンに対するシステム５０の相対位置を提供するために使用することができる。例えば、長基線（ＬＢＬ）アレイは、既に海底に設置し、その目的で使用することができる。
【００７０】
ロード・セル２６８は、水中システム５０と係合した状態の負荷４３の重量を測定するのに使用される。この重量が減少した場合、これは負荷が現在、海底（または他の標的位置）に配置され、システム５０を負荷４３から取り外せることの指標である。ロード・セルからの出力データは、（デ）マルチプレクサ２４４、２４６を通してナビゲーション・プロセッサ２０２に送信される。
【００７１】
スラスタ・ドライブ・コントロール２７０は、以下で詳細に説明するように、水中システム５０を所望の位置に運ぶため、スラスタ５６（ｉ）を駆動するのに使用する。
【００７２】
図７ａでは、４つの異なるプロセッサ２０２、２２４、２３６および２４０が本発明によるシステムの機能を実行するよう図示されている。しかし、システムは代替的に、パラレルまたはマスター・スレーブ構成の１つのメイン・フレーム・コンピュータを含め、他の適切な数の協働するプロセッサで実行できることが理解される。遠方に配置したプロセッサを使用してもよい。機能の一部を実行するため、水中システム５０上にプロセッサを設けてもよい。
【００７３】
プロセッサは、ハード・ディスク、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラマブル・リード・オンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）およびランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）などを含むメモリ・コンポーネントを含むが、積極的に図示していない。これらのメモリ・タイプの全てを必ずしも設ける必要はない。
【００７４】
キーボード２２０、２３０およびマウス２２２、２３２の代わりに、またはそれに加えて、タッチ・スクリーンなどの当業者に知られた入力手段も設けることができる。
【００７５】
図示の構成全体内の通信はいずれも無線でよい。
【００７６】
図５には、上スラスタ５６（２）および５６（３）がスラスタ５６（１）および５６（４）とは別の方向に配向された状態が図示される。スラスタ５６（２）、５６（３）は回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）に装着され、それにより、スラスタ５６（２）、５６（３）を最大３６０°回転して、これを方向転換することができる。スラスタ５６（２）、５６（３）は、それぞれが異なる方向に配向できるよう、別個に制御できることが好ましい。
【００７７】
スラスタ制御プロセッサ２４０が水中システム５０を正確に配置できるため、ナビゲーション・プロセッサ２０２とスラスタ制御プロセッサ２４０の間に共通の座標系を確立しなければならない。まず第１に、ナビゲーション・プロセッサ２０２が使用する標準的な座標系がある。しかし、水中システム５０には２つの他の座標基準系を確立することが好ましい。
【００７８】
図８は３つの異なる座標系を示す。ナビゲーション・プロセッサ２０２に関する座標系は、「ナビゲーション・グリッド」で示される。この座標系はこの「ナビゲーション・グリッド」の方向およびその垂線を使用する。
【００７９】
スラスタ５６（２）、５６（３）は、「スラスタ平均方向」と呼ばれる方向に駆動力を提供するよう制御される。この方向は垂線とともに第２座標系を画定する。
【００８０】
第３座標系は「システム方向」に対して画定され、これはスラスタ５６（１）、５６（４）を相互接続する線に直角の方向として定義される。
【００８１】
これで、水中システム５０が辿る経路の誤差は、「平均誤差」と呼ばれるスラスタ中間方向に平行な１つの成分と、「垂線平均誤差」と呼ばれるスラスタ中間方向に直角の成分とに分割できる誤差ベクトルに関して定義することができる。水中システム５０の適切なセンサは、ナビゲーション・プロセッサ２０２にスラスタ中間方向およびシステム方向を提供する。これらのデータから、ナビゲーション・プロセッサ２０２は図８に示すようなグリッドを生成する。
【００８２】
誤差は、所望の位置ＤＰからシステム位置ＴＰを引いた値と定義され、したがってナビゲーション・グリッド基準に対してベクトルＲΦENが生成される。つまり下式になる。
ＤＰ−ＴＰ＝ＲΦEN
さらに、
ΦTNはシステム方向からナビゲーション・グリッドの方向を引いた値であり、
ΦMTは平均スラスタ方向からシステム方向を引いた値である。
これで次式になる。
ＤＰ−ＴＰ＝ＲΦEM,ΦEM＝ΦEN−（ΦTN＋ΦMT）
これでＲΦEMが分かるので、平均値および平均誤差の垂線を計算することができる。
【００８３】
２つのスラスタ５６（１）および５６（４）を使用して、吊り上げケーブル４２によって与えられた捻り力、機器の抗力および位置決め制御装置の方向転換によって誘発される回転モーメントを打ち消す。方向の制御ループには、ナビゲーション・プロセッサ２０２に実際のシステム方向および所望のシステム方向を提供する必要がある。実際のシステム方向は、ジャイロコンパス２５６によって測定される。所望の方向はオペレータが手動で入力する。これらの２つの方向から、ナビゲーション・プロセッサ２０２の制御ループが、必要な方向と実際の方向間の角距離を、さらにそれに従ってシステム５０を移動するのに必要な回転方向を計算する。次に、スラスタ制御プロセッサ２４０が制御する単純な制御ループが、スラスタ５６（１）および５６（４）への動力を調節し、システム５０を適切に回転する。
【００８４】
システム５０に電源投入すると、スラスタの平均方向がシステム方向に平行に配向されるよう、両方のスラスタ５６（２）および５６（３）を配向することが好ましい。次に、スラスタ５６（２）、５６（３）に、システム方向からの小さいベクトル角度偏差が与えられ、システム５０の２つの面における位置決めを補助する。このベクトルのサイズは、好ましくは手動で調節可能であり、実際の海の状態に応じて異なる各作業に応じて構成する必要があることがある。スラスタ５６（２）および５６（３）をセンタリングし、方向転換したら、位置決めループがシステム５０の制御を引き継ぐことができる。
【００８５】
位置決めループはさらに２つの位相を備える。
【００８６】
システム５０がまだ海面付近にある間に実行される第１の次の位相では、海流方向がドップラー・ログ・ユニット２６６によって測定される。海流方向はナビゲーション・プロセッサ２０２に送信される。この方向を使用して、ナビゲーション・プロセッサ２０２から適切な命令を受信するスラスタ制御プロセッサ２４０は、スラスタ平均方向がほぼ海流方向と反対になるよう、回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）を駆動する。このように回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）が回転している間、スラスタ５６（ｉ）のいずれにも動力が供給されていない。システム方向は光ファイバ・ジャイロコンパス２５６によって測定される。深度はディジクォーツ深度センサ２５４によって、高度は高度計２６２によって絶えず測定される。次に、位置決めループが、上式にしたがって計算される平均誤差に対しての平均値および正規分布を使用し、スラスタ５６（２）および５６（３）に動力を提供して、システム５０を所望の位置へと運ぶ。
【００８７】
スラスタ５６（２）、５６（３）によって負荷４３を伴うシステム５０を所望の座標へ駆動する間、スラスタ５６（１）、５６（４）を使用して、システム５０およびその負荷４３の回転を打ち消す。これにより制御が向上する。というのは、特に重い負荷の場合に、回転運動の結果、負荷に他の望ましくない運動が生じることがあり、これは制御が困難だからである。負荷を伴うシステム５０が、所望の座標上にある場合、負荷はシステム５０とともに巻き上げワイヤ４２によって下降する。負荷４３の下降中、負荷４３はシステム５０によって絶えず制御され、これを回転させずに所望の位置に維持する。
【００８８】
次の位相では、システム５０は例えば海底４から約２００ｍ以下である。次に、ドップラー・ログ・ユニット２６６は底部トラック・モードに入る。これによって、作業は、海底４の標的位置への最終アプローチのため、より正確で高速な応答モードに変化する。次に、ドップラー・ログ・ユニット２６６および運動センサ２５６付きのジャイロコンパスを使用して、ＵＳＢＬのランダム・ノイズをフィルタリングする。フィルタリングしたら、正確なシステム５０の速度を含むナビゲーション・データの良好な読取りによって、位置制御ループが極めて迅速化かつ安定する。数センチメートルまでの動作制御が獲得される高度に微調整された制御ループが、結果として生じる。次に、ソナー・ユニット２６０およびドップラー・ログ・ユニット２６６を使用して、標的ポイントの周囲に関する情報を提供し、したがって負荷４３を適正な座標および適正な方向に配置することができる。次に、必要に応じて、スラスタ制御プロセッサ２４０によって制御されたとおり、スラスタ５６（１）、５６（４）により負荷４３に回転を与えることができる。
【００８９】
正規平均誤差を減少させるため、スラスタ５６（２）、５６（３）に２つの制御ループ、つまり平均誤差制御ループおよびさらなる制御ループを設ける。
【００９０】
平均誤差制御ループは、平均誤差を減少させるよう、両方のスラスタ５６（２）、５６（３）に合わせて動力を等しく調節する。システム５０が標的座標に到達するにつれ、スラスタ５６（２）、５６（３）への駆動出力は、システム５０が海流中でその位置を移動できるようなレベルへと減少する。つまり、駆動出力は、最初は平均誤差に比例したレベルに設定された。しかし、システム５０が標的座標に近づくにつれ、制御ループはスラスタ５６（２）、５６（３）に加わる駆動出力を徐々に減少させる。システム５０が標的座標に到達するにつれ、スラスタ５６（２）、５６（３）への駆動出力が海流の強度を打ち消す平衡に到達する。平均誤差制御ループは、両方のスラスタ５６（２）、５６（３）に等しい記号の等しい力を提供する。
【００９１】
正規平均誤差を減少させるため、さらなる制御ループを提供する。このさらなる制御ループは、海流に対して直角の運動が生成されるよう、スラスタ５６（２）、５６（３）に加えられる個々の力を調節する。さらなる制御ループは、このため、両方のスラスタ５６（２）、５６（３）に反対の記号の等しい力を加える。正規平均誤差を減少させるためにスラスタ５６（２）、５６（３）に加えられる力は、システム５０が標的座標へと移動するにつれ、ゼロへと直線に減少することが好ましい。平均誤差の垂線がゼロに達したポイントで、海流方向が変化していないと仮定すると、システム５０は正確に海底４の標的位置の上に位置し、スラスタ５６（２）、５６（３）に動力が供給されて、システム５０を適正な座標上に維持し、海流を補正する。
【００９２】
海流の方向が変化すると、上述した制御ループがスラスタに加わる力を調節し、最終的にシステムの方向を変化させる必要がある。新しい海流方向がシステム５０に作用するので、システム５０が標的座標から移動するにつれ、正規平均誤差が増加し始める。この効果を克服するため、正規平均誤差のサイズを再び制御して、ゼロへ減少させる。海流またはシステム５０の自然のドリフトを打ち消すよう、システムの方向を変更する。
【００９３】
回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）の回転方向は、垂線平均誤差の記号によって画定される。回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）を必要な位置に回転するのに必要な時間を短縮するため、スラスタ制御プロセッサ２４０がアルゴリズムを使用して、必要な方向への最短ルートを画定する。
【００９４】
例えばナビゲーション・プロセッサ２０２に接続されたジョイスティック（図示せず）などによる手動制御も配置されることが想定される。
【００９５】
システム５０の位置決め中に、速度制御も加えることが好ましい。システム５０が標的の座標に近づくにつれ、システム５０の速度が低下することが好ましい。例えば、システム５０と標的間の距離が所定の第１閾値より大きい場合、スラスタは、システム５０に最大速度を提供するよう制御される。この第１閾値と標的座標への距離の第２閾値との間に、直線に減少する速度プロファイルを使用し、第２閾値は第１閾値より小さい。第２閾値より小さい距離以内で、システムはほぼゼロの速度に維持される。
【００９６】
ＵＳＢＬの測定
ＵＳＢＬの測定原理は、２つの変換器間の正確な位相測定に基づく。１つの実施形態では、短基線（ＳＢＬ）と超短基線（ＵＳＢＬ）との組合せを使用し、それによって位相の曖昧さなく変換器間に大きい距離を使用することができる。ＵＳＢＬでは、正確度は信号対雑音比、および（干渉計測定法のように）変換器間の距離に依存する。次に、寸法に関して距離と流体力学的部品によって制限された周波数の兼ね合いをとる。
【００９７】
曖昧さは、ＳＢＬ測定値を相関データ処理と組み合わせて使用することにより、計算される。信号対雑音比は、このような相関処理の使用によって改善される。下式はＵＳＢＬの一般的正確度を画定する。
ここで、σθは標準角偏差、
Ｌは変換器の距離、
λは波長、
θは方位角である。
【００９８】
上記で与えられた式は、変換器の距離Ｌを増加することによって、つまりアレイを増加させることによって改善されることを示す。さらに、周波数が高くなると正確度が向上する。流体力学的側面および位相の曖昧さがこれらのパラメータを減少させる。信号対雑音比は、相関データ処理を使用することにより増加する。
【００９９】
距離および正確度を最適にするため、位相メータ測定には１６ｋＨｚの周波数を使用することが好ましい。相関プロセスによって、多重通路の識別のために、狭いパルス長を維持しながら、距離範囲を増加させることができる。
【０１００】
曖昧さの位相測定のため、システムはＳＢＬで作動して、範囲セクタを判断し、セクタ内のＵＳＢＬで作動して、最高の正確さを達成する。
【０１０１】
範囲は、かなり低い周波数を使用することにより、８０００ｍを上回る距離まで増加してもよい。
【０１０２】
付録Ａ
カルマン・フィルタ
カルマン・フィルタは、恐らく海洋産業で最もよく知られた技術である。これは、最新の履歴に基づいて計算された予想値に向かう比較に基づいた高速のフィルタリング方法を与える。カルマン・フィルタリングについては詳細しないが、例えばM.S. GrewalおよびA.P. Andrews Prentice Hallによる「Kalman Filtering - Theory and Practice」(ISBN 0-13-211335-X)を参照されたい。
【０１０３】
位置トラックを速度データ（ドップラー・ログ）と組み合わせることができ、各ポイントは、隣接ポイント、時間の距離および実際の速度に基づいて改善される。カルマン値と改善される速度との間の重みは、ドップラー効率係数によって決定され、値が高いほど速度を考慮に入れる。
利点： 欠点：
非常に高速である かなり「平滑でない」結果
速度で改善できる 速度と位置の最善の組合せではない
【０１０４】
単純フィルタ
単純フィルタは、全ての位置を急いで調べ、最小の二乗誤差を与える平滑な曲線を計算する。つまりある種の最小二乗適合線である。
利点： 欠点：
高速である ドップラー・ログ・データを使用しない
結果が平滑である 曲線トラックに似ていない
【０１０５】
サロモンセン・フィルタ
サロモンセン・フィルタはデンマークの数学者でオルフス大学の教授兼博士であるHans Anton Salomonsenにちなんで命名され、高統合フィルタである。これはドップラー・トラックの短期間の安定性を利用し、これを位置トラックの長期の耐性と組み合わせる。
【０１０６】
説明
フィルタは、トラックに沿って時間を付加した位置データ、さらにドップラー・データがある状況で使用する。ドップラー・データは、通常は非常に精密であるが、絶対位置に関する情報は一切与えない。これに対して、位置データは絶対位置であるが、通常はそれほど精密でない。
【０１０７】
フィルタは２組のデータを組み合わせて、絶対位置を有する精密なトラックを生成する。これは以下のように実行する。
１．ドップラー・データを使用して、トラック、つまり三次式近似として形成されるトラックの形状を構築する。
２．起点（０，０）から開始し、ドップラー・データによって画定された通りの速度を使用する。
３．次に、位置データを使用してトラックを正確に位置決めする。トラックは、最小二乗技術を使用して可能な限り良好に、位置データに適合するよう並進、回転、および直線に延伸／圧縮される。
４．主に並進となる。しかし、他の変形も、ドップラー・データにあり得る系統的誤差を補正する働きをする。
【０１０８】
位置データは、２での修正でのみ使用するという事実は、位置データがかなり平均化を課されることを意味する。これは、位置測定の不確定さを減少させる。したがって、多くの位置データがある場合は、トラックの絶対位置が単独の各位置測定よりはるかに精密になると予想される。
Ｈ．Ａ．サロモンセン
【０１０９】
数学的説明
アルゴリズムは５つのステップに分割される
ステップ１：
各ポイントの加速度を計算する
１／２ｈｋ＋１（Ｘ１”＋Ｘｋ＋１”）＝Ｘｋ＋１’−Ｘｋ’
ここで
ｈｋ＝ｔｋ−ｔｋ−１
ｔｋ＝速度測定のタイムスタンプ
Ｘｋ’＝ｔｋにおける速度測定値
Ｘｋ”＝ｔｋにおける加速度測定値
ステップ２：
加速度および速度、および（以前の速度測定値および加速度に基づいて）以前に計算した位置に基づき、次の位置を計算する。
Ｘｋ＋１＝Ｓｑｒ（ｈｋ＋１）／６（２Ｘｋ”＋Ｘｋ＋１’）＋ｈｋ＋１Ｘｋ’＋Ｘｋ
ここでＸｋ＝ｔｋにおいて計算した位置（速度タイムスタンプ）
ステップ３：
（第１速度測定値を使用して）実際のタイムスタンプで位置を計算する
X(t)=1/2hk+1{((hk+1)＾2(t-tk)+1/3(tk+1-t)＾3-1/3(hk+1)＾3)Xk+1”/3(t-tk)＾3Xk+1"}
ここで
Ｘ（ｔ）＝時間ｔにおける位置
ステップ４：
第１速度測定値の位置を位置計算値に加算する
ステップ５：
位置計算値を現実の位置線の適合度に合わせて移動、回転、延伸または圧縮する
利点： 欠点
最高のドップラーと位置を組み合わせる 複雑なマトリクスのために遅くなる
全データを考慮に入れる 良好なドップラー・ログに依存する
結果が平滑である
【０１１０】
サロモンセン光
サロモンセン・フィルタの光バージョンは、NaviBatオンライン・プログラムで最初に導入され、解決の高速化を２つの方法の良い方と組み合わせるよう考案された。
【０１１１】
オンラインの性質のため、フィルタ・ポイントの決定に履歴を使用するだけである。したがって、結果は線の開始時に比較的粗く、移動するにつれ良好になる。
【０１１２】
基本操作
フィルタは、リセット・コールから開始して、フィルタを初期化する。リセットは、第１速度測定値を使用して実行される。フィルタは速度と位置のデータ両方を使用する。三次式近似曲線は、速度記録を使用し、位置をこの曲線に可能な限り良好に適合させて生成する。
【０１１３】
フィルタは、後に処理するため、保存した位置記録を読みとる。
【０１１４】
速度記録を読み取ったら、「ノット」を作成する。以前の速度記録と現在の速度記録（単位は時間）との間に位置読取り値がある場合は、それを調節して曲線に適合させる。
【０１１５】
履歴
フィルタ利得パラメータは０から１の値で、ドップラー・ログ・データおよび履歴が流ポイントに及ぼす影響を制御する。
【０１１６】
１の値では、ライン上にあるドップラー・ログ・データおよび履歴はより大きい重みを有する。値が小さくなるのは、有効な速度記録より多くの位置記録がある場合のみである。
【０１１７】
有用な値は０．９から１の範囲、例えば０．９９である。
【０１１８】
誤差補正
位置および速度記録は、以前のデータを使用して予測した値と比較することができる。いつデータを拒否するか、制限を設定してもよい。
【０１１９】
リセット
多くの誤ったデータ・ポイントがある場合は、フィルタがトラックを失う危険がある。オペレータはフィルタを手動でリセットする、つまり履歴を抹殺することができる（自動リセットを設計するために試みられる）。
利点： 欠点
最善のドップラーと位置を組み合わせる ライン開始時に「平滑でない」
高速である
全体的結果が平滑である
ノイズの多いドップラー・データを扱える
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】沖合石油化学採収専用のＦＰＳＯ（浮遊、採集、貯蔵および荷下ろしシステム）の略図を示す。
【図２】先行技術によるクレーン船を示し、比較的長いワイヤ・ロープでクレーン・ブロックに装備された負荷を表し、それによって大きい深度では負荷の制御が事実上不可能であることを理解することができる。
【図３】先行技術により海底との間で負荷を配備および／または回収するクレーン船および水中システムを示す。
【図４】水中システムの可能な実施形態の詳細な概要図を示す。
【図４ａ】回転式スラスタの１つの詳細な概要図を示す。
【図５】上から見た水中システムを示す。
【図６ａ】幾つかの検出器を伴う主要モジュールの下側を示す。
【図６ｂ】幾つかの検出器を伴う主要モジュールの下側を示す。
【図７ａ】船舶上の電子機器の略ブロック図を示す。
【図７ｂ】音線に関する、および水中システムに関する電子機器の略ブロック図を示す。
【図８】水中システムをその標的位置へと駆動する間に使用する３つの異なる座標系の定義を示す。
【符号の説明】
【０１２１】
５０ 水中システム
５１ 主モジュール
５２ カウンタ・モジュール
５６ スラスタ
５７ ジャッキ
５８ ジャッキ
２００ 電子機器
２４９ 水中電子機器
２５０ 音響アレイ
２５２ ジャイロコンパス
２５８ 音速メータ
２６０ ソナー機器
２６６ トップラー・ログ
【技術分野】
【０００１】
本発明はナビゲーション・プロセッサ、該ナビゲーション・プロセッサを備えた処理構成、該ナビゲーション・プロセッサを備えた測定システム、該ナビゲーション・プロセッサを用いて水中システムの位置及び姿勢を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際特許第９９／６１３０７号は、標的を水中標的位置に配備する装置に関し、装置には、音線を送信するビーコン、および水中標的位置に対して装置の配置を制御する複数のスラスタを設けた例を開示している。
【０００３】
先行技術の装置が、例えば最大３，０００メートル以上の深い海底で最大１０００トン以上の負荷を配備および／または回収するのに使用されている。配備中に、装置は海面に浮かぶ船上の制御機器によって制御される。制御機器は、装置の正確な位置を可能な限り正確に知る必要がある。そのため、装置の板上にあるビーコンが、海水を通して船に音線を送信する。適切な音波受信器がこの音線を受信し、これを、船に対する装置の位置の計算に使用する電気信号に変換する。
【０００４】
しかし、海水中で装置の深度が増加するにつれ、海水中での音波の屈曲により、位置測定の正確度が低下することが分かっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、海水中または他の流体中で使用中に、このような装置の位置測定の正確度をさらに向上させることである。さらに、このような位置測定がオンライン（実時間）で必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するため、本発明によれば、船舶上の、音響プロセッサ（２２４）と、表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続されたナビゲーション・プロセッサ（２０２）であって、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するナビゲーション・プロセッサが提供される。
【０００７】
また、本発明によれば、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）を備え、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続された処理構成で、
該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信し、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）は１つ又は複数のコンピュータによって実現される、処理構成が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）と水中システム（５０）を備える測定システムであって、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続され、前記水中システム（５０）は光ファイバ・ジャイロコンパスとドップラー・ログ・ユニットと深度センサを備え、前記光ファイバ・ジャイロコンパスは上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含み、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信する測定システムが提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、船舶上の、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）を用いて水中システム（５０）の位置及び姿勢を測定する方法であって、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データを受信するステップと、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータを受信するステップと、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データを受信するステップと、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データを受信するステップと、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するステップとを備える方法が提供される。
【００１０】
他の実施例は従属請求項に記載されている。
【００１１】
以下で、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。図面は、本発明を例示するだけであって、その範囲を制限するものではなく、その範囲は添付の請求の範囲によってのみ規定される。
【００１２】
（好ましい実施形態の説明）
図１を参照すると、レイアウトは、ライザ２の起点である旋回式採集スタック１１を伴うＦＰＳＯ１を表し、前記ライザは海底４にあるライザ・ベース３に接続される。採集の寿命において、許容可能な動的偏位範囲内に留まることがＦＰＳＯ１にとって最も重要であり、したがってＦＰＳＯ１は、錨６によって、あるいはパイルによって保持される係留脚５によって海底４に係留される。
【００１３】
採集船１によって石油またはガスを採掘するには、幾つかの比較的重い物体を高い正確度で海底４に配置する必要がある。
【００１４】
係留脚５によって適切で安全な錨を固定するには、その係留脚５がほぼ同じ長さを有する必要がある。この用途では、実際には５０トン以上の重量の錨を使用することができ、これを数メートル以内の正確度で海底４に配置する。さらに、錨６自体が非常に重いばかりでなく、錨６に取り付けた係留脚も、錨６自体の重量の数倍に等しい重量を有する。
【００１５】
また、「テンプレート」、「重力ライザ・ベース」、「採集マニホルド」など、他の物体も、比較的高い正確度で海底４に配置する必要がある。
【００１６】
図１に図示され、海で石油およびガスの採掘に必要であり、海底に配置しなければならない物体は、非常に重量があるばかりでなく、非常に高価でもある。
【００１７】
図２は、先行技術の船舶２０を示し、自身上にクレーン２１のような巻き上げ手段を有する。クレーン２１には巻き上げワイヤ２２を設け、これによって物体または負荷２３を海底４に配置することができる。負荷２３を配置するためには、表面支持体をクレーン２１とともに移動させる必要がある。
【００１８】
その結果、任意の時に負荷２３の慣性が克服されるが、負荷２３の加速のため、制御不可能な状況が発生し、それによって標的区域を飛び越してしまう。巻き上げワイヤ２２および負荷２３は海流などの影響を受けやすいという事実から、巻き上げワイヤ２２を下降させた場合、負荷２３は下方向に直線移動しない。船舶２０の上下浮動、横揺れおよび縦揺れも、達成できる正確度にマイナスの影響を与える。
【００１９】
図３は、海底４に負荷４３を配備する水中装置またはシステム５０を設けたクレーン船４０を示す。船舶４０は、第１巻き上げワイヤ４２を設けた第１巻き上げ手段、例えばウィンチ４１を備える。この巻き上げワイヤ４２によって、例えばテンプレートなどの負荷４３を海底に配備し、配置することができる。
【００２０】
上述したように、浮採集プラットフォームを使用する油田およびガス田の採掘では、海底４に幾つかの重い物体を配置する必要があり、さらに物体を非常に高い正確度で海底４に配置しなければならない。現今は採掘を深い所でしなければならず、最大で３０００ｍ以上にもなり、必要な正確度を達成することがさらに困難になっている。例えば、解決すべき問題の一つは、巻き上げワイヤ４２が担持する負荷４３に発生し得る回転である。
【００２１】
配備時に負荷４３の位置を制御し、必要な正確度以内で負荷４３を海底４に配置できるようにするため、装置またはシステム５０は吊り上げワイヤ４２に固定されている。システム５０の好ましい実施形態を、図４、図５、図６ａおよび図６ｂに関して説明する。
【００２２】
システム５０は吊り上げワイヤ４２の端部に係合してよい。あるいは、システム５０は負荷４３自体に直接係合してよい。システム５０は、スラスタ５６（ｉ）（ｉ＝１、２、３・・・ＩでＩは整数である）などの駆動手段を設けた第１または主モジュール５１を備える（図４および図５）。システムはさらに第２またはカウンタ・モジュール５２を備える。このカウンタ・モジュール５２にもスラスタ５６（ｉ）を設ける。使用時には、主モジュール５１およびカウンタ・モジュール５２のスラスタを吊り上げワイヤ４２の対向する側に配置する。
【００２３】
システム５０は第２吊り上げワイヤ４５によって船舶４０に結合される。このワイヤ４５は例えば第２ウィンチ４４などの第２巻き上げ手段を使用して操作することができる。第２巻き上げワイヤ４５は、例えばＡフレーム４９によって船外へ設置される。第２ウィンチ４４および第２巻き上げワイヤ４５は通常、それぞれ第１巻き上げ手段４８および第１巻き上げワイヤ４２より軽量である。システム５０はさらに命綱４６によって船舶４０に接続される。この命綱４６は巻き上げワイヤ４５に取り付けるか、第３ウィンチ４７から別個に下降させることができる。システム５０に動力を提供する供給電力配線、さらに電気配線または光ファイバを、例えば命綱に収容する。システム５０には、通常、電力を流体動力に変換する手段を設ける。したがって、流体動力は、制御に、つまりスラスタ５６（ｉ）および補助工具の快適装備に使用される。
【００２４】
最近、作業の深度が増加しているので、負荷４３および長い巻き上げワイヤ４２の捻れおよび回転の問題が重大になってくる。重い負荷４３を巻き上げワイヤ４２の下側に取り付けるので、このような捻れおよび回転が巻き上げワイヤをかなり摩耗させることになり、巻き上げワイヤに深刻な損傷が発生することがある。この摩耗は、巻き上げワイヤ４２が破損し、負荷４３が喪失するほど深刻になることがある。別の問題は、ワイヤの多大な捻れのため、船舶にあるワイヤがシーブから外れることがあることである。
【００２５】
主モジュール５１およびカウンタ・モジュール５２それぞれのスラスタ５６（ｉ）を吊り上げワイヤ４２の対向する側に配置するという事実から、巻き上げワイヤ４２には両方向に逆トルクがかかる。この方法で、システムにより捻れ防止器具が形成される。この捻れ防止器具の能力を改善するため、主モジュール５１とカウンタ・モジュール５２間の距離を変更できることが好ましい。
【００２６】
図４は、海底４に負荷４３を配備するシステム５０に可能な実施形態の詳細な概要図を示す。図５は、図４によるシステムを上から示す。
【００２７】
システム５０は、主モジュール５１、カウンタ・モジュール５２およびアーム５３を備える。アーム５３は主モジュール５１から取り外すことができる。つまり、主モジュール５１はモジュール式システムとして別個に使用することもできる。アーム５３には窪み５４を設ける。この窪み５４の対向する側に２つのジャッキ５７、５８を設け、その少なくとも一方は他方に対して移動することができる。これらのジャッキ５７、５８の端面の間で、負荷４３のクレーン・ブロックなどの物体又はケーブル４２を締め付けることができる。ジャッキ５７、５８と物体間の接触を改善するため、ジャッキの個々の端部に、専用ゴムなどの高い摩擦材料からの摩擦要素でライニングを施した締め付けシューを設ける。
【００２８】
使用時には、スラスタ５６（ｉ）を使用して、海底４の標的区域に対してシステム５０を配置することができる。スラスタ５６（ｉ）は、主にシステム５０の内側にある第１位置から、スラスタがシステム５０から突き出した位置へと順次作動させるようにすることができる。２つの上部スラスタ５６（２）、５６（３）は、水中システム５０に対して回転可能である。これは、例えば個々の回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）に設置する。その目的については以下で説明する。スラスタ５６（２）は、図４ａでは拡大して図示されている。
【００２９】
図５には、主モジュールを第２吊り上げワイヤ４５および／または命綱４６に接続するには、主モジュール５２の頂部に２つの位置６１、６２があることが図示されている。主モジュール５１を別個に使用する場合は、位置６１を使用することができる。主モジュール６１は、モジュール６１を配備する時に、空中でも水中でもバランスをとる。
【００３０】
システム５０を使用する場合、船舶４０とシステム５０との接続は、システムを空中と水中の両方で平衡に維持するために位置６２に固定される。システムのバランスを改善するため、補助釣合錘５５をシステム５０に固定することができる。
【００３１】
使用時には、装置５０には浮力がない。水中におけるシステムの可動性を改善するため、アーム５３には、下降中に圧力増加による構造的損傷を回避し、採集段階では迅速な排水を保証するために穴５９を設ける。
【００３２】
上述したように、主モジュール５１に対してカウンタ・モジュール５２を移動できると有利である。これは、ジャック６４ａを使用することによって達成できる。
【００３３】
モジュール５１は外フレームおよび内フレーム（両方とも図示せず）を備える。内フレームは円筒形であることが好ましい。外フレームを内フレームに接続することにより、非常に強力な構造を達成することができる。構造の強度は、システムの時期尚早の疲労を回避するために必要である。
【００３４】
モジュール５１は、例えば部分的に高張力鋼で作成し、それによって第１巻き上げワイヤ４２または第２巻き上げワイヤ４５の一体部品として使用するよう設計される。つまり、モジュール５２の上側が巻き上げワイヤ４５の第１部分に接続され、モジュール５１の下側が巻き上げワイヤ４５の第２部分に接続されるか、モジュール５１の下側が負荷に直接取り付けられる。この方法で、巻き上げワイヤにかかる負荷がモジュール５１を通して伝達される。
【００３５】
前述したように、モジュール５１には、命綱４６を通って送出された電力を流体動力に変換するため、スラスタ・ドライブ２７０を設ける。このスラスタ・ドライブ２７０はモータ、ポンプ、マニホルドおよび液圧リザーバを備えることができる。このような変換手段は当業者には知られ、本明細書でさらに説明する必要はない。絶対位置と他の物体に対する相対位置との両方で、その位置に関する該当データを制御システムおよび／または船舶４０上のオペレータに通信するため、モジュール５１は、さらに、以下で詳細に説明するセンサ手段および制御手段を備える。モジュール５１は、センサ接続箱を装備する。さらに、モジュール５１は光源８７、上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含むジャイロコンパス２５６、パンあおりカラー・カメラ９７、ディジクォーツ深度センサ２５３を含むＵＳＢＬ応答器２５５、音速メータ２５８、およびソナーダイン・ミニ・ロヴナヴ２６４を備える。モジュール５１の下側には、幾つかのプラットフォーム光源９４、パンおよびＳ．Ｉ．Ｔ．カメラ９３、高度計２６２、ドップラー・ログ・ユニット２６６、および二重ヘッド・スキャニング・ソナー２６０が装着される。これらは、使用時にその下に透明な海水のみがあるよう設置される。これらは、図６ａおよび図６ｂに概略的に図示される。これはどこにでも、例えばモジュール５２の下側にでも配置してよいことを理解されたい。さらに、ロード・セル２６８はシステム５１の一部である。これらの構成要素は全て、図７ｂに概略的に図示される。
【００３６】
上述したように、負荷が所期の深度に到達したら、必要な正確度を達成するには、高解像度のソナー機器２６０をドップラー・ログ・ユニット２６６で測定した距離ログとともに使用することが重要である。ソナー機器２６０は、海底に配置された少なくとも１つの物体に対する位置を判断するために使用される。距離ログを使用すると、大きい半径内でセンチメートルのオーダーの正確度を達成しながら、海上支援からの位置決め動作を、さらにＬＢＬ（長基線）アレイ（または他のＵＳＢＬなど）のような他の音響応答器装置からの位置決め動作から解離することが可能になる。
【００３７】
図７ａは、船舶４０に設置された電子機器２００を示し、図７ｂは音速メータ２４８およびジャイロコンパス２５２を伴う配備可能な音響アレイ２５０を示す。図７ｂは、水中システム５０に設置した水中電子機器２４９も示す。
【００３８】
図７ａに示す機器は４つのプロセッサを備える。つまりナビゲーション・プロセッサ２０２、音響プロセッサ２２４、ソナー制御プロセッサ２３６、およびスラスタ制御プロセッサ２４０である。ナビゲーション・プロセッサ２０２は、相互通信および相補性のために他の３つのプロセッサ２２４、２３６、２４０とインターフェースをとる。
【００３９】
ナビゲーション・プロセッサ２０２は、表面位置決め機器ＤＧＰＳ（相対全地球測位システム）２０４、船舶のジャイロコンパス２０６、４つのディスプレイ・ユニット２０８、２１０、２１２、２１４、プリンタ・ユニット２１８、キーボード２２０、マウス２２２、光ファイバ・（デ）マルチプレクサ・ユニット２４４ともインターフェースをとる。必要に応じて、ナビゲーション・プロセッサ２０２の１つのＳＶＧＡ信号出力を２つ以上のディスプレイ・ユニットに送信するため、ビデオ・スプリッタ２１６を設けてもよい。図７ａでは、ディスプレイ・ユニット２１２、２１４はビデオ・スプリッタ２１６を介してナビゲーション・プロセッサ２０２に接続される。
【００４０】
光ファイバ（デ）マルチプレクサ・ユニット２４４は、音響プロセッサ２２４、ソナー制御プロセッサ２３６、およびスラスタ制御プロセッサ２４０にも接続される。
【００４１】
音響プロセッサ２２４はコマンドおよび制御ユニット２２６に接続され、これはキーボード２３０、マウス２３２およびディスプレイ・ユニット２２８に接続され、これが全てまとめてＵＳＢＬ表面ユニット２３４を形成する。
【００４２】
音響プロセッサ２２４は、運動センサ・ユニット２５２および速度メータ２４８を伴う配備可能な音響アレイ２５０に接続される。使用時には、音響アレイ２５０は船舶４０のキールの２．５メートル下に装着することが好ましい。
【００４３】
光ファイバ・（デ）マルチプレクサ・ユニット２４４が、さらに、水中システム５０に設置された光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４６に接続される。両方の光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４４、２４６を相互接続する光ファイバは、命綱４６に収容することが好ましい（図３）。
【００４４】
ソナー制御プロセッサ２３６はディスプレイ・ユニット２３８に接続される。スラスタ制御プロセッサ２４０はディスプレイ・ユニット２４２に接続される。
【００４５】
水中機器２４９は、図７ｂではブロック図の形態で図示される。ディジクォーツ深度センサ２５３を伴うＵＳＢＬ応答器２５５、運動センサ２５６を伴うジャイロコンパス、（着脱式）音速メータ２５８、二重ヘッド・スキャニング・ソナー２６０、高度計２６２、ソナーダイン・ミニ・ロヴナヴ２６４、ドップラー・ログ２６６、ロード・セル２６８、およびスラスタ・ドライブ・コントロール２７０が全て光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４６に接続される。
【００４６】
さらに、図７ｂは、海底に、または配備すべき負荷に（または海底に既にある構造に）設置できる２つのビーコン２７２、２７４を示す。これらのビーコン２７２、２７４は、例えばソナーダイン・ミニ・フォヴナヴ２６４（または同等の機器）により問い合わせるものであり、音響信号をシステム５０に送り返すことができ、これをシステム５０自体が使用して、これらのビーコンに対する距離および方位を判断し、測定することができる。このような音響遠隔測定リンクの結果、非常に高精度の相対位置測定ができる。このようなビーコンの数は、図７ｂに示す２個に制限されない。
【００４７】
機能
図７ａおよび図７ｂに示す構成要素の機能は次の通りである。
【００４８】
ナビゲーション・プロセッサ２０２は、船舶の姿勢およびその固定オフセットを計算するため、海上の位置決め機器のデータ（ＤＧＰＳ受信器、ＤＧＰＳ補正、船舶のジャイロコンパスおよび船舶の運動センサ２０４および２０６）を収集する。
【００４９】
ナビゲーション・プロセッサ２０２は、光ファイバ・（デ）マルチプレクサ２４４および２４６を介して、システム５０のナビゲーション計器、つまりドップラー・ログ２６６、高度計２６２、およびジャイロコンパスおよび運動センサ２５６に様々な設定を送信する。設定後、これはこれらの計器からデータを受信し、さらに音響プロセッサ２４４を介してシステム５０の距離／方位および深度データを受信し、システムの姿勢および絶対座標を計算して表示する。
【００５０】
ナビゲーション・プロセッサ２０２の統合ソフトウェアが開発されており、これにはシステム５０の初期の方向を決定し、多くの中間地点から選択して、初期の位置決めを実行するため、手動または自動モードで作業することができる動的位置決めコントローラ・ソフトウェアを含む。さらに、船上のオペレータは選択された中間地点に対するオフセットを入力することができ、オフセットは、システム５０の方向に対するＸＹ座標で入力される。位置を安定させ、フィルタリングするため、ディスプレイ・ユニット２０８〜２１４の画面（電子ページ）上にある特別設計のウィンドウの構成を介して幾つかの他のタイプの海中位置決め装置を選択するという、別の可能性もある。オペレータが最適な結果を獲得するために可能な限り多くの手段を有することを保証するため、ソフトウェアのその他の部分ではシステム５０の位置をオンライン（実時間）で計算するために使用中の海中計器の様々な状態を示すようになっている。
【００５１】
システム５０上の上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサ８８を含む搭載ジャイロコンパス２５６は、海底に設置されるシステム５０および負荷４３両方の正確な姿勢に関するデータを提供する。海面では、制御バン内でオペレータが、下降中に、しかし負荷４３が最終検証のために海底に配置されてからも、これらの姿勢をオンライン（実時間）でチェックすることができる。
【００５２】
船舶のジャイロコンパス２０６、さらに同じ機能のために使用できる音響アレイに設置した運動センサ２５２を伴うジャイロコンパスは、船舶の方向をナビゲーション・プロセッサ２０２に送信する。ナビゲーション・プロセッサ２０２はこの船舶の方向を使用して、様々なオフセットを計算する。
【００５３】
ディスプレイ・ユニット２０８、２１０、２１２および２１４はそれぞれ、制御バン内でオペレータのためにおよび海洋部門オペレータ用船橋上にある別の人のために、ナビゲーションの設定、海底の眺め、海面の眺めを表示するよう構成される。
【００５４】
ＵＳＢＬ命令および制御ユニット２２６は、システムの制御および構成を提供し、オペレータが制御するためのマン・マシン・インターフェースを表示するパーソナル・コンピュータで構成される。
【００５５】
音響プロセッサ２２４は、受信信号、深海速度測定および船舶の姿勢で相関プロセスを実行する１つのＶＭＥラックで構成される。さらに、これは使用するビーコンの座標を計算する。音響プロセッサ２２４は、イーサネット（登録商標）を通してナビゲーション・プロセッサ２０２に連結される。
【００５６】
音響アレイ２５０は、送信および受信手段を含む。また１つまたは複数のビーコンと音響通信する変換器として使用することができる。このような変換器のモードは、命綱４６が故障し、呼び掛け信号をシステム５０へと送信できない場合に有用である。これで、音響呼び掛け信号は海水を通して変換器から直接送信することができる。他の全てのケースで、音響アレイ２５０は受信モードで使用される。受信は、音響アレイ２５０に対するビーコンの距離および方位角を測定する２つの直交受信ベースで実行される。各受信ベースは２つの変換器を含む。各受信信号は、ディジタル信号処理のため、増幅され、フィルタリングされて、音響プロセッサ２２４に転送される。
【００５７】
音響アレイ２５０に設置された音速メータ２４８は、船舶４０のすぐ下にある重要で不安定な音速プロファイルを実時間で更新している。これは、船舶４０のすぐ下にあるこれらの層では海水の乱流が非常に激しいようであるので非常に重要である。
【００５８】
ジャイロコンパス２５２は、海中のシステム５０の位置に関するデータを修正するため、音響プロセッサ２２４に音響アレイの姿勢を送信する運動センサ・ユニットとして使用することが好ましい。
【００５９】
好ましい実施形態では、ビーコン２７４は応答器モードで作業し、以下の特徴を有する。
−音響プロセッサ２２４が生成する呼び掛け開始信号は音響信号ではなく電気信号で、船舶４０とシステム５０間のケーブル・リンクを通してビーコン２７４に送信される。
−呼び掛け頻度は、マン・マシン・インターフェースを通してオペレータにより遠隔制御される。
【００６０】
上述したように、ビーコン２７４は応答器モードで使用することもできる。これで、ビーコン２７４は、音響アレイ２５０が送信した表面音響信号によって作動し、次にコード化音響信号を通して音響アレイ２５０に音響応答信号を送出する。
【００６１】
ビーコン２７４に含まれるディジクォーツ深度センサ２５３によって、システム５０の非常に正確な深度データを音響プロセッサ２２４に送信することができる。音響プロセッサ２４４はこれらのデータを使用し、システム５０の海中位置およびその負荷の計算を改善する。
【００６２】
海中システム５０に搭載された音速メータ２５８は、下降および回収中に、海中システムの深度における海水中の音速に関するデータを音響プロセッサ２２４に送信する。音速データは、深度の関数として計算された海水中の音速プロファイルを更新して、海水中の深度の関数としてこれらのプロファイルから音線の屈曲を計算し、したがってシステム５０の海中位置の計算を補正するために使用される。
【００６３】
二重ヘッド・スキャニング・ソナー２６０は、海底の人工または天然の標的までのシステム５０の距離および方向を測定し、対応するデータをディジタル値としてナビゲーション・プロセッサ２０２に出力するために使用される。このような人工または天然の標的の位置を予め画定するか、ナビゲーション・システムが選択された標的それぞれに座標を割り当てることができる。物体に座標を与えた後、これを局所座標系のナビゲーション基準として使用することができる。その結果、相対座標の正確度が０．１メートルになる。
【００６４】
システム５０に装着された高度計２６２は、水中システム５０から海底までの垂直距離を測定し、出力測定データを音響プロセッサ２２４に送信する。
【００６５】
ドップラー・ログ・ユニット２６６は、水中システム５０の深度における海水流の値および方向に関するデータを提供する。これらのデータは２つの方法で使用される。
【００６６】
まず第１に、ドップラー・ログ・ユニット２６６および運動センサ２６６付きジャイロコンパスから受信したデータは、音響プロセッサ２２４が、ＵＳＢＬの使用に関するランダム・ノイズをオンライン（実時間）で平滑化するのに使用する。このような平滑化を獲得するため、例えばカルマン・フィルタ、サロモンセン・フィルタ、サロモンセン光フィルタ、または他の適切なフィルタなど、フィルタを主プロセッサ・ユニット２２４内で使用する。このようなフィルタは当業者には知られている。付録Ａに簡単な要約を示すことができる。
【００６７】
第２に、海流の強度、海流の方向に関するドップラー・ログ・ユニット２６６の出力データは、水中システム５０の現在の方向および所期の方向に関するデータとともに、ナビゲーション・プロセッサ２０２を介してスラスタ制御プロセッサ２４０に送信される。所期の方向に基づき、スラスタ・ドライブ・コントロール２７０は自動的に制御される。手動制御も提供することができる。
【００６８】
非常に有利な実施形態では、ドップラー・ログ・ユニット２６６（または他の適切なセンサ）を使用して、システム５０を取り巻く海水の温度および／または塩分を測定する。局所的温度および／または塩分に関するデータはナビゲーション・プロセッサ２０２に送信され、これは海水の深度の関数として温度および／または塩分を計算し、更新する。これらのデータは、海水を通る音波の屈折を判断し、したがってシステム５０の位置の計算を補正するのにも使用される。
【００６９】
ソナーダイン・ミニ・ロヴナヴ２６４はオプションであり、上記で説明したように海底の局所的ビーコンに対するシステム５０の相対位置を提供するために使用することができる。例えば、長基線（ＬＢＬ）アレイは、既に海底に設置し、その目的で使用することができる。
【００７０】
ロード・セル２６８は、水中システム５０と係合した状態の負荷４３の重量を測定するのに使用される。この重量が減少した場合、これは負荷が現在、海底（または他の標的位置）に配置され、システム５０を負荷４３から取り外せることの指標である。ロード・セルからの出力データは、（デ）マルチプレクサ２４４、２４６を通してナビゲーション・プロセッサ２０２に送信される。
【００７１】
スラスタ・ドライブ・コントロール２７０は、以下で詳細に説明するように、水中システム５０を所望の位置に運ぶため、スラスタ５６（ｉ）を駆動するのに使用する。
【００７２】
図７ａでは、４つの異なるプロセッサ２０２、２２４、２３６および２４０が本発明によるシステムの機能を実行するよう図示されている。しかし、システムは代替的に、パラレルまたはマスター・スレーブ構成の１つのメイン・フレーム・コンピュータを含め、他の適切な数の協働するプロセッサで実行できることが理解される。遠方に配置したプロセッサを使用してもよい。機能の一部を実行するため、水中システム５０上にプロセッサを設けてもよい。
【００７３】
プロセッサは、ハード・ディスク、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラマブル・リード・オンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）およびランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）などを含むメモリ・コンポーネントを含むが、積極的に図示していない。これらのメモリ・タイプの全てを必ずしも設ける必要はない。
【００７４】
キーボード２２０、２３０およびマウス２２２、２３２の代わりに、またはそれに加えて、タッチ・スクリーンなどの当業者に知られた入力手段も設けることができる。
【００７５】
図示の構成全体内の通信はいずれも無線でよい。
【００７６】
図５には、上スラスタ５６（２）および５６（３）がスラスタ５６（１）および５６（４）とは別の方向に配向された状態が図示される。スラスタ５６（２）、５６（３）は回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）に装着され、それにより、スラスタ５６（２）、５６（３）を最大３６０°回転して、これを方向転換することができる。スラスタ５６（２）、５６（３）は、それぞれが異なる方向に配向できるよう、別個に制御できることが好ましい。
【００７７】
スラスタ制御プロセッサ２４０が水中システム５０を正確に配置できるため、ナビゲーション・プロセッサ２０２とスラスタ制御プロセッサ２４０の間に共通の座標系を確立しなければならない。まず第１に、ナビゲーション・プロセッサ２０２が使用する標準的な座標系がある。しかし、水中システム５０には２つの他の座標基準系を確立することが好ましい。
【００７８】
図８は３つの異なる座標系を示す。ナビゲーション・プロセッサ２０２に関する座標系は、「ナビゲーション・グリッド」で示される。この座標系はこの「ナビゲーション・グリッド」の方向およびその垂線を使用する。
【００７９】
スラスタ５６（２）、５６（３）は、「スラスタ平均方向」と呼ばれる方向に駆動力を提供するよう制御される。この方向は垂線とともに第２座標系を画定する。
【００８０】
第３座標系は「システム方向」に対して画定され、これはスラスタ５６（１）、５６（４）を相互接続する線に直角の方向として定義される。
【００８１】
これで、水中システム５０が辿る経路の誤差は、「平均誤差」と呼ばれるスラスタ中間方向に平行な１つの成分と、「垂線平均誤差」と呼ばれるスラスタ中間方向に直角の成分とに分割できる誤差ベクトルに関して定義することができる。水中システム５０の適切なセンサは、ナビゲーション・プロセッサ２０２にスラスタ中間方向およびシステム方向を提供する。これらのデータから、ナビゲーション・プロセッサ２０２は図８に示すようなグリッドを生成する。
【００８２】
誤差は、所望の位置ＤＰからシステム位置ＴＰを引いた値と定義され、したがってナビゲーション・グリッド基準に対してベクトルＲΦENが生成される。つまり下式になる。
ＤＰ−ＴＰ＝ＲΦEN
さらに、
ΦTNはシステム方向からナビゲーション・グリッドの方向を引いた値であり、
ΦMTは平均スラスタ方向からシステム方向を引いた値である。
これで次式になる。
ＤＰ−ＴＰ＝ＲΦEM,ΦEM＝ΦEN−（ΦTN＋ΦMT）
これでＲΦEMが分かるので、平均値および平均誤差の垂線を計算することができる。
【００８３】
２つのスラスタ５６（１）および５６（４）を使用して、吊り上げケーブル４２によって与えられた捻り力、機器の抗力および位置決め制御装置の方向転換によって誘発される回転モーメントを打ち消す。方向の制御ループには、ナビゲーション・プロセッサ２０２に実際のシステム方向および所望のシステム方向を提供する必要がある。実際のシステム方向は、ジャイロコンパス２５６によって測定される。所望の方向はオペレータが手動で入力する。これらの２つの方向から、ナビゲーション・プロセッサ２０２の制御ループが、必要な方向と実際の方向間の角距離を、さらにそれに従ってシステム５０を移動するのに必要な回転方向を計算する。次に、スラスタ制御プロセッサ２４０が制御する単純な制御ループが、スラスタ５６（１）および５６（４）への動力を調節し、システム５０を適切に回転する。
【００８４】
システム５０に電源投入すると、スラスタの平均方向がシステム方向に平行に配向されるよう、両方のスラスタ５６（２）および５６（３）を配向することが好ましい。次に、スラスタ５６（２）、５６（３）に、システム方向からの小さいベクトル角度偏差が与えられ、システム５０の２つの面における位置決めを補助する。このベクトルのサイズは、好ましくは手動で調節可能であり、実際の海の状態に応じて異なる各作業に応じて構成する必要があることがある。スラスタ５６（２）および５６（３）をセンタリングし、方向転換したら、位置決めループがシステム５０の制御を引き継ぐことができる。
【００８５】
位置決めループはさらに２つの位相を備える。
【００８６】
システム５０がまだ海面付近にある間に実行される第１の次の位相では、海流方向がドップラー・ログ・ユニット２６６によって測定される。海流方向はナビゲーション・プロセッサ２０２に送信される。この方向を使用して、ナビゲーション・プロセッサ２０２から適切な命令を受信するスラスタ制御プロセッサ２４０は、スラスタ平均方向がほぼ海流方向と反対になるよう、回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）を駆動する。このように回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）が回転している間、スラスタ５６（ｉ）のいずれにも動力が供給されていない。システム方向は光ファイバ・ジャイロコンパス２５６によって測定される。深度はディジクォーツ深度センサ２５４によって、高度は高度計２６２によって絶えず測定される。次に、位置決めループが、上式にしたがって計算される平均誤差に対しての平均値および正規分布を使用し、スラスタ５６（２）および５６（３）に動力を提供して、システム５０を所望の位置へと運ぶ。
【００８７】
スラスタ５６（２）、５６（３）によって負荷４３を伴うシステム５０を所望の座標へ駆動する間、スラスタ５６（１）、５６（４）を使用して、システム５０およびその負荷４３の回転を打ち消す。これにより制御が向上する。というのは、特に重い負荷の場合に、回転運動の結果、負荷に他の望ましくない運動が生じることがあり、これは制御が困難だからである。負荷を伴うシステム５０が、所望の座標上にある場合、負荷はシステム５０とともに巻き上げワイヤ４２によって下降する。負荷４３の下降中、負荷４３はシステム５０によって絶えず制御され、これを回転させずに所望の位置に維持する。
【００８８】
次の位相では、システム５０は例えば海底４から約２００ｍ以下である。次に、ドップラー・ログ・ユニット２６６は底部トラック・モードに入る。これによって、作業は、海底４の標的位置への最終アプローチのため、より正確で高速な応答モードに変化する。次に、ドップラー・ログ・ユニット２６６および運動センサ２５６付きのジャイロコンパスを使用して、ＵＳＢＬのランダム・ノイズをフィルタリングする。フィルタリングしたら、正確なシステム５０の速度を含むナビゲーション・データの良好な読取りによって、位置制御ループが極めて迅速化かつ安定する。数センチメートルまでの動作制御が獲得される高度に微調整された制御ループが、結果として生じる。次に、ソナー・ユニット２６０およびドップラー・ログ・ユニット２６６を使用して、標的ポイントの周囲に関する情報を提供し、したがって負荷４３を適正な座標および適正な方向に配置することができる。次に、必要に応じて、スラスタ制御プロセッサ２４０によって制御されたとおり、スラスタ５６（１）、５６（４）により負荷４３に回転を与えることができる。
【００８９】
正規平均誤差を減少させるため、スラスタ５６（２）、５６（３）に２つの制御ループ、つまり平均誤差制御ループおよびさらなる制御ループを設ける。
【００９０】
平均誤差制御ループは、平均誤差を減少させるよう、両方のスラスタ５６（２）、５６（３）に合わせて動力を等しく調節する。システム５０が標的座標に到達するにつれ、スラスタ５６（２）、５６（３）への駆動出力は、システム５０が海流中でその位置を移動できるようなレベルへと減少する。つまり、駆動出力は、最初は平均誤差に比例したレベルに設定された。しかし、システム５０が標的座標に近づくにつれ、制御ループはスラスタ５６（２）、５６（３）に加わる駆動出力を徐々に減少させる。システム５０が標的座標に到達するにつれ、スラスタ５６（２）、５６（３）への駆動出力が海流の強度を打ち消す平衡に到達する。平均誤差制御ループは、両方のスラスタ５６（２）、５６（３）に等しい記号の等しい力を提供する。
【００９１】
正規平均誤差を減少させるため、さらなる制御ループを提供する。このさらなる制御ループは、海流に対して直角の運動が生成されるよう、スラスタ５６（２）、５６（３）に加えられる個々の力を調節する。さらなる制御ループは、このため、両方のスラスタ５６（２）、５６（３）に反対の記号の等しい力を加える。正規平均誤差を減少させるためにスラスタ５６（２）、５６（３）に加えられる力は、システム５０が標的座標へと移動するにつれ、ゼロへと直線に減少することが好ましい。平均誤差の垂線がゼロに達したポイントで、海流方向が変化していないと仮定すると、システム５０は正確に海底４の標的位置の上に位置し、スラスタ５６（２）、５６（３）に動力が供給されて、システム５０を適正な座標上に維持し、海流を補正する。
【００９２】
海流の方向が変化すると、上述した制御ループがスラスタに加わる力を調節し、最終的にシステムの方向を変化させる必要がある。新しい海流方向がシステム５０に作用するので、システム５０が標的座標から移動するにつれ、正規平均誤差が増加し始める。この効果を克服するため、正規平均誤差のサイズを再び制御して、ゼロへ減少させる。海流またはシステム５０の自然のドリフトを打ち消すよう、システムの方向を変更する。
【００９３】
回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）の回転方向は、垂線平均誤差の記号によって画定される。回転式アクチュエータ６５（１）、６５（２）を必要な位置に回転するのに必要な時間を短縮するため、スラスタ制御プロセッサ２４０がアルゴリズムを使用して、必要な方向への最短ルートを画定する。
【００９４】
例えばナビゲーション・プロセッサ２０２に接続されたジョイスティック（図示せず）などによる手動制御も配置されることが想定される。
【００９５】
システム５０の位置決め中に、速度制御も加えることが好ましい。システム５０が標的の座標に近づくにつれ、システム５０の速度が低下することが好ましい。例えば、システム５０と標的間の距離が所定の第１閾値より大きい場合、スラスタは、システム５０に最大速度を提供するよう制御される。この第１閾値と標的座標への距離の第２閾値との間に、直線に減少する速度プロファイルを使用し、第２閾値は第１閾値より小さい。第２閾値より小さい距離以内で、システムはほぼゼロの速度に維持される。
【００９６】
ＵＳＢＬの測定
ＵＳＢＬの測定原理は、２つの変換器間の正確な位相測定に基づく。１つの実施形態では、短基線（ＳＢＬ）と超短基線（ＵＳＢＬ）との組合せを使用し、それによって位相の曖昧さなく変換器間に大きい距離を使用することができる。ＵＳＢＬでは、正確度は信号対雑音比、および（干渉計測定法のように）変換器間の距離に依存する。次に、寸法に関して距離と流体力学的部品によって制限された周波数の兼ね合いをとる。
【００９７】
曖昧さは、ＳＢＬ測定値を相関データ処理と組み合わせて使用することにより、計算される。信号対雑音比は、このような相関処理の使用によって改善される。下式はＵＳＢＬの一般的正確度を画定する。
ここで、σθは標準角偏差、
Ｌは変換器の距離、
λは波長、
θは方位角である。
【００９８】
上記で与えられた式は、変換器の距離Ｌを増加することによって、つまりアレイを増加させることによって改善されることを示す。さらに、周波数が高くなると正確度が向上する。流体力学的側面および位相の曖昧さがこれらのパラメータを減少させる。信号対雑音比は、相関データ処理を使用することにより増加する。
【００９９】
距離および正確度を最適にするため、位相メータ測定には１６ｋＨｚの周波数を使用することが好ましい。相関プロセスによって、多重通路の識別のために、狭いパルス長を維持しながら、距離範囲を増加させることができる。
【０１００】
曖昧さの位相測定のため、システムはＳＢＬで作動して、範囲セクタを判断し、セクタ内のＵＳＢＬで作動して、最高の正確さを達成する。
【０１０１】
範囲は、かなり低い周波数を使用することにより、８０００ｍを上回る距離まで増加してもよい。
【０１０２】
付録Ａ
カルマン・フィルタ
カルマン・フィルタは、恐らく海洋産業で最もよく知られた技術である。これは、最新の履歴に基づいて計算された予想値に向かう比較に基づいた高速のフィルタリング方法を与える。カルマン・フィルタリングについては詳細しないが、例えばM.S. GrewalおよびA.P. Andrews Prentice Hallによる「Kalman Filtering - Theory and Practice」(ISBN 0-13-211335-X)を参照されたい。
【０１０３】
位置トラックを速度データ（ドップラー・ログ）と組み合わせることができ、各ポイントは、隣接ポイント、時間の距離および実際の速度に基づいて改善される。カルマン値と改善される速度との間の重みは、ドップラー効率係数によって決定され、値が高いほど速度を考慮に入れる。
利点： 欠点：
非常に高速である かなり「平滑でない」結果
速度で改善できる 速度と位置の最善の組合せではない
【０１０４】
単純フィルタ
単純フィルタは、全ての位置を急いで調べ、最小の二乗誤差を与える平滑な曲線を計算する。つまりある種の最小二乗適合線である。
利点： 欠点：
高速である ドップラー・ログ・データを使用しない
結果が平滑である 曲線トラックに似ていない
【０１０５】
サロモンセン・フィルタ
サロモンセン・フィルタはデンマークの数学者でオルフス大学の教授兼博士であるHans Anton Salomonsenにちなんで命名され、高統合フィルタである。これはドップラー・トラックの短期間の安定性を利用し、これを位置トラックの長期の耐性と組み合わせる。
【０１０６】
説明
フィルタは、トラックに沿って時間を付加した位置データ、さらにドップラー・データがある状況で使用する。ドップラー・データは、通常は非常に精密であるが、絶対位置に関する情報は一切与えない。これに対して、位置データは絶対位置であるが、通常はそれほど精密でない。
【０１０７】
フィルタは２組のデータを組み合わせて、絶対位置を有する精密なトラックを生成する。これは以下のように実行する。
１．ドップラー・データを使用して、トラック、つまり三次式近似として形成されるトラックの形状を構築する。
２．起点（０，０）から開始し、ドップラー・データによって画定された通りの速度を使用する。
３．次に、位置データを使用してトラックを正確に位置決めする。トラックは、最小二乗技術を使用して可能な限り良好に、位置データに適合するよう並進、回転、および直線に延伸／圧縮される。
４．主に並進となる。しかし、他の変形も、ドップラー・データにあり得る系統的誤差を補正する働きをする。
【０１０８】
位置データは、２での修正でのみ使用するという事実は、位置データがかなり平均化を課されることを意味する。これは、位置測定の不確定さを減少させる。したがって、多くの位置データがある場合は、トラックの絶対位置が単独の各位置測定よりはるかに精密になると予想される。
Ｈ．Ａ．サロモンセン
【０１０９】
数学的説明
アルゴリズムは５つのステップに分割される
ステップ１：
各ポイントの加速度を計算する
１／２ｈｋ＋１（Ｘ１”＋Ｘｋ＋１”）＝Ｘｋ＋１’−Ｘｋ’
ここで
ｈｋ＝ｔｋ−ｔｋ−１
ｔｋ＝速度測定のタイムスタンプ
Ｘｋ’＝ｔｋにおける速度測定値
Ｘｋ”＝ｔｋにおける加速度測定値
ステップ２：
加速度および速度、および（以前の速度測定値および加速度に基づいて）以前に計算した位置に基づき、次の位置を計算する。
Ｘｋ＋１＝Ｓｑｒ（ｈｋ＋１）／６（２Ｘｋ”＋Ｘｋ＋１’）＋ｈｋ＋１Ｘｋ’＋Ｘｋ
ここでＸｋ＝ｔｋにおいて計算した位置（速度タイムスタンプ）
ステップ３：
（第１速度測定値を使用して）実際のタイムスタンプで位置を計算する
X(t)=1/2hk+1{((hk+1)＾2(t-tk)+1/3(tk+1-t)＾3-1/3(hk+1)＾3)Xk+1”/3(t-tk)＾3Xk+1"}
ここで
Ｘ（ｔ）＝時間ｔにおける位置
ステップ４：
第１速度測定値の位置を位置計算値に加算する
ステップ５：
位置計算値を現実の位置線の適合度に合わせて移動、回転、延伸または圧縮する
利点： 欠点
最高のドップラーと位置を組み合わせる 複雑なマトリクスのために遅くなる
全データを考慮に入れる 良好なドップラー・ログに依存する
結果が平滑である
【０１１０】
サロモンセン光
サロモンセン・フィルタの光バージョンは、NaviBatオンライン・プログラムで最初に導入され、解決の高速化を２つの方法の良い方と組み合わせるよう考案された。
【０１１１】
オンラインの性質のため、フィルタ・ポイントの決定に履歴を使用するだけである。したがって、結果は線の開始時に比較的粗く、移動するにつれ良好になる。
【０１１２】
基本操作
フィルタは、リセット・コールから開始して、フィルタを初期化する。リセットは、第１速度測定値を使用して実行される。フィルタは速度と位置のデータ両方を使用する。三次式近似曲線は、速度記録を使用し、位置をこの曲線に可能な限り良好に適合させて生成する。
【０１１３】
フィルタは、後に処理するため、保存した位置記録を読みとる。
【０１１４】
速度記録を読み取ったら、「ノット」を作成する。以前の速度記録と現在の速度記録（単位は時間）との間に位置読取り値がある場合は、それを調節して曲線に適合させる。
【０１１５】
履歴
フィルタ利得パラメータは０から１の値で、ドップラー・ログ・データおよび履歴が流ポイントに及ぼす影響を制御する。
【０１１６】
１の値では、ライン上にあるドップラー・ログ・データおよび履歴はより大きい重みを有する。値が小さくなるのは、有効な速度記録より多くの位置記録がある場合のみである。
【０１１７】
有用な値は０．９から１の範囲、例えば０．９９である。
【０１１８】
誤差補正
位置および速度記録は、以前のデータを使用して予測した値と比較することができる。いつデータを拒否するか、制限を設定してもよい。
【０１１９】
リセット
多くの誤ったデータ・ポイントがある場合は、フィルタがトラックを失う危険がある。オペレータはフィルタを手動でリセットする、つまり履歴を抹殺することができる（自動リセットを設計するために試みられる）。
利点： 欠点
最善のドップラーと位置を組み合わせる ライン開始時に「平滑でない」
高速である
全体的結果が平滑である
ノイズの多いドップラー・データを扱える
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】沖合石油化学採収専用のＦＰＳＯ（浮遊、採集、貯蔵および荷下ろしシステム）の略図を示す。
【図２】先行技術によるクレーン船を示し、比較的長いワイヤ・ロープでクレーン・ブロックに装備された負荷を表し、それによって大きい深度では負荷の制御が事実上不可能であることを理解することができる。
【図３】先行技術により海底との間で負荷を配備および／または回収するクレーン船および水中システムを示す。
【図４】水中システムの可能な実施形態の詳細な概要図を示す。
【図４ａ】回転式スラスタの１つの詳細な概要図を示す。
【図５】上から見た水中システムを示す。
【図６ａ】幾つかの検出器を伴う主要モジュールの下側を示す。
【図６ｂ】幾つかの検出器を伴う主要モジュールの下側を示す。
【図７ａ】船舶上の電子機器の略ブロック図を示す。
【図７ｂ】音線に関する、および水中システムに関する電子機器の略ブロック図を示す。
【図８】水中システムをその標的位置へと駆動する間に使用する３つの異なる座標系の定義を示す。
【符号の説明】
【０１２１】
５０ 水中システム
５１ 主モジュール
５２ カウンタ・モジュール
５６ スラスタ
５７ ジャッキ
５８ ジャッキ
２００ 電子機器
２４９ 水中電子機器
２５０ 音響アレイ
２５２ ジャイロコンパス
２５８ 音速メータ
２６０ ソナー機器
２６６ トップラー・ログ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶上の、音響プロセッサ（２２４）と、表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続されたナビゲーション・プロセッサ（２０２）であって、
該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するナビゲーション・プロセッサ。
【請求項２】
前記共通の座標系は前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とスラスタ制御プロセッサ（２４０）の間に確立され、該スラスタ制御プロセッサは該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とインターフェース接続され、水中システム（５０）上のスラスタを制御する、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項３】
前記ナビゲーション・プロセッサは、前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データに基づいて船舶の姿勢を計算する、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項４】
前記ナビゲーション・プロセッサは、前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データに基づいて船舶の固定オフセットを計算する、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項５】
前記水中システム（５０）は少なくとも２つのスラスタを備え、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、該少なくとも２つのスラスタにより、スラスタ平均方向への駆動力を制御するように構成され、このスラスタ平均方向は垂線とともに第２座標系を画定する、請求項２に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項６】
スラスタを相互接続する線に直角の方向として定義されるシステム方向に対して画定される第３座標系を用いるように構成される、請求項５に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項７】
平均誤差方向に平行な第１の成分と、該平均誤差方向に直角の成分とに分割できる誤差ベクトルに関して定義することができる水中システム（５０）が辿る経路の誤差を計算できるように構成される、請求項５に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項８】
船舶のジャイロコンパス（２０６）から船舶の方向を受信されるように構成される、請求項１記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項９】
制御ループを実行して前記水中システム（５０）の方向及び位置を制御するとともに所望の方向及び位置をオペレータから受け取るように構成される、請求項２に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項１０】
前記音響プロセッサ（２２４）が、前記水中システム（５０）を取り巻く海水の局所的温度と塩分のうちの少なくとも１つのデータ及び該温度と塩分のうちの少なくとも１つ海水の深度の関数としてのデータを受け取り、そして、これらのデータを、海水を通る音波の屈折を判断し、したがってシステム（５０）の位置の計算を補正するためにも使用するように構成される、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項１１】
前記音響プロセッサ（２２４）が、カルマン・フィルタ及びサロモンセン・フィルタを含む群から選択された平滑用フィルタを用いるようにされる、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項１２】
ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）を備え、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続された処理構成で、
該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信し、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）は１つ又は複数のコンピュータによって実現される、処理構成。
【請求項１３】
ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）と水中システム（５０）を備える測定システムであって、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続され、前記水中システム（５０）は光ファイバ・ジャイロコンパスとドップラー・ログ・ユニットと深度センサを備え、前記光ファイバ・ジャイロコンパスは上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含み、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信する測定システム。
【請求項１４】
前記深度センサはディジクォーツ深度センサである、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項１５】
前記共通の座標系は前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とスラスタ制御プロセッサの間に確立され、該スラスタ制御プロセッサは該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とインターフェース接続され、水中システム（５０）上のスラスタを制御する、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項１６】
前記水中システム（５０）は少なくとも２つのスラスタを備え、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、該少なくとも２つのスラスタにより、スラスタ平均方向への駆動力を制御するように構成され、このスラスタ平均方向は垂線とともに第２座標系を画定する、請求項１５に記載の測定システム。
【請求項１７】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、スラスタを相互接続する線に直角の方向として定義されるシステム方向に対して画定される第３座標系を用いるように構成されている、請求項１６に記載の測定システム。
【請求項１８】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、平均誤差方向に平行な第１の成分と、該平均誤差方向に直角の成分とに分割できる誤差ベクトルに関して定義することができる水中システム（５０）が辿る経路の誤差を計算できるように構成されている、請求項１７に記載の測定システム。
【請求項１９】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、船舶のジャイロコンパス（２０６）から船舶の方向を受信されるように構成される、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項２０】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、制御ループを実行して前記水中システム（５０）の方向及び位置を制御するとともに所望の方向及び位置をオペレータから受け取るように構成される、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項２１】
前記音響プロセッサ（２２４）が、前記水中システム（５０）を取り巻く海水の局所的温度と塩分のうちの少なくとも１つのデータ及び該温度と塩分のうちの少なくとも１つ海水の深度の関数としてのデータを受け取り、そして、これらのデータを、海水を通る音波の屈折を判断し、したがってシステム（５０）の位置の計算を補正するためにも使用するように構成される、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項２２】
前記音響プロセッサ（２２４）が、カルマン・フィルタ及びサロモンセン・フィルタを含む群から選択された平滑用フィルタを用いるようにされる、請求項２１に記載の測定システム。
【請求項２３】
船舶上の、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）を用いて水中システム（５０）の位置及び姿勢を測定する方法であって、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データを受信するステップと、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータを受信するステップと、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データを受信するステップと、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データを受信するステップと、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するステップと
を備える方法。
【請求項２４】
前記共通の座標系は前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とスラスタ制御プロセッサ（２４０）の間に確立され、該スラスタ制御プロセッサは該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とインターフェース接続され、水中システム（５０）上のスラスタを制御する、請求項２３に記載の方法。
【請求項１】
船舶上の、音響プロセッサ（２２４）と、表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続されたナビゲーション・プロセッサ（２０２）であって、
該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するナビゲーション・プロセッサ。
【請求項２】
前記共通の座標系は前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とスラスタ制御プロセッサ（２４０）の間に確立され、該スラスタ制御プロセッサは該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とインターフェース接続され、水中システム（５０）上のスラスタを制御する、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項３】
前記ナビゲーション・プロセッサは、前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データに基づいて船舶の姿勢を計算する、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項４】
前記ナビゲーション・プロセッサは、前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データに基づいて船舶の固定オフセットを計算する、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項５】
前記水中システム（５０）は少なくとも２つのスラスタを備え、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、該少なくとも２つのスラスタにより、スラスタ平均方向への駆動力を制御するように構成され、このスラスタ平均方向は垂線とともに第２座標系を画定する、請求項２に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項６】
スラスタを相互接続する線に直角の方向として定義されるシステム方向に対して画定される第３座標系を用いるように構成される、請求項５に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項７】
平均誤差方向に平行な第１の成分と、該平均誤差方向に直角の成分とに分割できる誤差ベクトルに関して定義することができる水中システム（５０）が辿る経路の誤差を計算できるように構成される、請求項５に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項８】
船舶のジャイロコンパス（２０６）から船舶の方向を受信されるように構成される、請求項１記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項９】
制御ループを実行して前記水中システム（５０）の方向及び位置を制御するとともに所望の方向及び位置をオペレータから受け取るように構成される、請求項２に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項１０】
前記音響プロセッサ（２２４）が、前記水中システム（５０）を取り巻く海水の局所的温度と塩分のうちの少なくとも１つのデータ及び該温度と塩分のうちの少なくとも１つ海水の深度の関数としてのデータを受け取り、そして、これらのデータを、海水を通る音波の屈折を判断し、したがってシステム（５０）の位置の計算を補正するためにも使用するように構成される、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項１１】
前記音響プロセッサ（２２４）が、カルマン・フィルタ及びサロモンセン・フィルタを含む群から選択された平滑用フィルタを用いるようにされる、請求項１に記載のナビゲーション・プロセッサ（２０２）。
【請求項１２】
ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）を備え、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続された処理構成で、
該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信し、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）は１つ又は複数のコンピュータによって実現される、処理構成。
【請求項１３】
ナビゲーション・プロセッサ（２０２）と音響プロセッサ（２２４）と水中システム（５０）を備える測定システムであって、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は音響プロセッサ（２２４）と船舶（２０）上の表面位置決め機器ＤＧＰＳにインターフェース接続され、前記水中システム（５０）は光ファイバ・ジャイロコンパスとドップラー・ログ・ユニットと深度センサを備え、前記光ファイバ・ジャイロコンパスは上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含み、該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データ、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータ、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データ、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データ、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信する測定システム。
【請求項１４】
前記深度センサはディジクォーツ深度センサである、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項１５】
前記共通の座標系は前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とスラスタ制御プロセッサの間に確立され、該スラスタ制御プロセッサは該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とインターフェース接続され、水中システム（５０）上のスラスタを制御する、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項１６】
前記水中システム（５０）は少なくとも２つのスラスタを備え、前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、該少なくとも２つのスラスタにより、スラスタ平均方向への駆動力を制御するように構成され、このスラスタ平均方向は垂線とともに第２座標系を画定する、請求項１５に記載の測定システム。
【請求項１７】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、スラスタを相互接続する線に直角の方向として定義されるシステム方向に対して画定される第３座標系を用いるように構成されている、請求項１６に記載の測定システム。
【請求項１８】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、平均誤差方向に平行な第１の成分と、該平均誤差方向に直角の成分とに分割できる誤差ベクトルに関して定義することができる水中システム（５０）が辿る経路の誤差を計算できるように構成されている、請求項１７に記載の測定システム。
【請求項１９】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、船舶のジャイロコンパス（２０６）から船舶の方向を受信されるように構成される、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項２０】
前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）は、制御ループを実行して前記水中システム（５０）の方向及び位置を制御するとともに所望の方向及び位置をオペレータから受け取るように構成される、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項２１】
前記音響プロセッサ（２２４）が、前記水中システム（５０）を取り巻く海水の局所的温度と塩分のうちの少なくとも１つのデータ及び該温度と塩分のうちの少なくとも１つ海水の深度の関数としてのデータを受け取り、そして、これらのデータを、海水を通る音波の屈折を判断し、したがってシステム（５０）の位置の計算を補正するためにも使用するように構成される、請求項１３に記載の測定システム。
【請求項２２】
前記音響プロセッサ（２２４）が、カルマン・フィルタ及びサロモンセン・フィルタを含む群から選択された平滑用フィルタを用いるようにされる、請求項２１に記載の測定システム。
【請求項２３】
船舶上の、ナビゲーション・プロセッサ（２０２）を用いて水中システム（５０）の位置及び姿勢を測定する方法であって、共通の座標系である第１の座標系における水中システム（５０）の姿勢および絶対座標を計算するため、
ｉ． 前記表面位置決め機器ＤＧＰＳからの位置データを受信するステップと、
ｉｉ． 上下浮動、横揺れおよび縦揺れセンサを含む水中システム（５０）上の光ファイバ・ジャイロコンパス（２５６）からのデータを受信するステップと、
ｉｉｉ． 水中システム（５０）からの深度データを受信するステップと、
ｉｖ． 水中システム（５０）上のドップラー・ログ・ユニット（２６６）に基づいての水中システム（５０）の速度データを受信するステップと、
ｖ． 前記音響プロセッサ（２２４）からの、システム（５０）の距離及び方位データ
を受信するステップと
を備える方法。
【請求項２４】
前記共通の座標系は前記ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とスラスタ制御プロセッサ（２４０）の間に確立され、該スラスタ制御プロセッサは該ナビゲーション・プロセッサ（２０２）とインターフェース接続され、水中システム（５０）上のスラスタを制御する、請求項２３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図４ａ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図４ａ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【公開番号】特開２００９−４７６９９（Ｐ２００９−４７６９９Ａ）
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０９１１５（Ｐ２００８−２０９１１５）
【出願日】平成２０年８月１５日（２００８．８．１５）
【分割の表示】特願２００１−５６８７８９（Ｐ２００１−５６８７８９）の分割
【原出願日】平成１２年３月２０日（２０００．３．２０）
【出願人】（５００５４３７３１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１５日（２００８．８．１５）
【分割の表示】特願２００１−５６８７８９（Ｐ２００１−５６８７８９）の分割
【原出願日】平成１２年３月２０日（２０００．３．２０）
【出願人】（５００５４３７３１）
【Ｆターム（参考）】
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