水中ナビゲーションの方法およびシステム
【課題】水中ナビゲーションの方法を提供する。
【解決手段】この方法は、ナビゲーションシステムを使用して、第１の速度測定値を、第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って投影し、第２の速度測定値は１または複数の信号ビームの少なくともひとつに関係する。この方法では、少なくとも第２の速度測定値の予測に基づいて、ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定し、このナビゲーションシステムは、第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整される。物体の位置および場所を決定する際に行われる性能調整は、１または複数の外部環境条件の故に各信号ビームを維持するナビゲーションシステムとは独立に動作可能である。
【解決手段】この方法は、ナビゲーションシステムを使用して、第１の速度測定値を、第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って投影し、第２の速度測定値は１または複数の信号ビームの少なくともひとつに関係する。この方法では、少なくとも第２の速度測定値の予測に基づいて、ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定し、このナビゲーションシステムは、第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整される。物体の位置および場所を決定する際に行われる性能調整は、１または複数の外部環境条件の故に各信号ビームを維持するナビゲーションシステムとは独立に動作可能である。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
政府権益声明
米国政府は、米国海軍および防衛高等研究企画庁（ＤＡＲＰＡ）によって与えられた契約番号Ｎ６６００１−０７−Ｃ−２００４のもと、本発明の一定の権利を有し得る。
【技術分野】
【０００２】
本明細書で開示する実施形態は、水中ナビゲーションの少なくとも１の方法およびシステムに関する。より詳細には、本明細書で論じる水中ナビゲーションは、水中の地形、または継続的かつ正確な位置決定および深度測定情報を必要とする任意の同様の地形を調査しながら、位置および速度を測定する方法に関する。例えば、本明細書で論じるナビゲーションの方法を使用するシステムは、個人のダイバまたは１もしくは複数の形態の水中車両に適した正確かつ安価なナビゲーションおよび深度測定機能を提供する。
【背景技術】
【０００３】
現在、水中ナビゲーションシステムの様々な実装形態が存在する。例えば、３以上の信号ビームを有するドップラソナー装置が、「Janus;ヤヌス」構成で動作可能である。典型的なヤヌス構成では、各信号ビームからの情報が数学的に合成され、ビームを基準とするドップラ速度測定値が直交基準座標系に変換される。しかし、このタイプのナビゲーションは、ナビゲーション・ドリフト、外部環境条件、および、放置された場合に不正確な位置、深度または距離の推定値をもたらす他のタイプの測定誤差の影響を受けやすい。例えば、単一の速度成分を計算するために２以上のビームが組み合わされるので、信号ビームの速度測定で生じる誤差が容易に検出可能ではなく、得られる基準座標系の速度の精度がより低くなる。さらに、ドップラソナーの速度帯域幅の制限は、典型的には信号ビームの消失または歪曲により、誤った速度測定値をもたらす。例えば、１または複数の信号ビームが（例えば、ビームが水界の底に「到達」できないようにする障害または大幅な姿勢の偏位によって）利用できなくなった場合、速度測定値を入手することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
完全な水中を長距離移動するダイバまたは水中車両は、水面上のナビゲーション支援手段を使用することができず、最小限のエネルギ消費で自らの目的地に到達するための正確なナビゲーションシステムを必要とする。水中ナビゲーションの改良が当技術分野で必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で以下に、水中ナビゲーションの少なくとも１の方法およびシステムを規定する。一実施形態では、水中ナビゲーションの少なくとも１の方法は、水中ナビゲーションシステムを使用して、第１の速度測定値を、第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って投影し、第２の速度測定値は１または複数の信号ビームの少なくともひとつに関係する。この方法では、少なくとも第２の速度測定値の予測に基づいて、ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定し、このナビゲーションシステムは、第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整される。物体の位置および場所を決定する際に行われる性能調整は、１または複数の外部環境条件の故に各信号ビームを維持するナビゲーションシステムとは独立に動作可能である。
【０００６】
これらおよび他の特徴、側面および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面を考慮に入れることでさらに理解される。
様々な図面における同じ参照番号および符号は、同じ要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】水中ナビゲーションシステムの一実施形態のブロック図である。
【図２】水中ナビゲーションシステムの測定処理の一実施形態のブロック図である。
【図３】水中ナビゲーションを行う方法の一実施形態の流れ図である。
【図４】信号ビームの速度予測を使用して水中ナビゲーションを行う方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
一実施形態では、このシステムは、ＧＰＳ（全世界測位システム）受信機と、１または複数の加速度計を有するＩＭＵ（慣性計測装置）と、磁力計と、圧力センサと、１または複数のソナー信号ビーム（例えば、最大４の信号ビーム）を有するドップラソナーセンサとを含む。典型的な水中ナビゲーションの応用例では、ドップラソナーセンサからの速度測定値は最大５Ｈｚのレートで入手可能であり、そのため動的振動運動を正確に追跡するのが難しくなっている。速度ベクトルの向きは急速に変わる可能性があるため、本明細書で論じる信号ビーム予測方法で速度を相対的に高い周波数（例えば、ＩＭＵの動作周波数）で積分した場合、より高い精度がもたらされる。本明細書で論じるナビゲーションシステムの一実施形態では、ＩＭＵは約１００Ｈｚで動作し、この帯域幅は動的動作条件下ではより理想的とみなされる。
【０００９】
さらに、このナビゲーションシステムは、様々なセンサ入力を少なくとも１の誤差削減処理技術でフィルタリングする（例えば、カルマンフィルタは測定データを「平滑化」することによって前のデータ点を訂正する）ように動作可能なカルマンフィルタを備える、ナビゲーション訂正機能を提供する。カルマンフィルタによって提供されるデータの平滑化は、現時点のナビゲーション支援測定値を使用して過去のナビゲーション結果を訂正することにより、ナビゲーション訂正機能を形成する。少なくとも一実装形態では、このナビゲーションシステムは、圧力センサを鉛直高さの安定化のために使用して、最大２つのドップラソナービームと共に動作可能である。
【００１０】
本明細書で論じる信号ビーム予測方法の少なくとも１の実施形態では、マルチビーム・ドップラソナーセンサをＩＭＵと統合するには、ドップラソナーセンサの各ビームが個々に独立した測定値とみなされることが必要である。例えば、ビーム速度の予測値は、ＩＭＵからの速度測定値をドップラソナービームの方向に投影することによって決定される。さらに、ビーム速度が、ビーム速度の予測値と比較され、カルマンフィルタに供給される。次いで、カルマンフィルタが、その測定値が十分に「妥当」（例えば、その測定値がナビゲーションシステムを実質的に取り囲む外部環境条件から判断して正確とみなされる）かどうかの判定を行う。加えて、外部環境条件に関係なく、信号ビームは、ビームの方向での速度の投影を維持する。例えば、魚群または植物密集領域に遭遇するなどの偏差が、少なくともひとつの測定軸で「ビームドロップアウト」を発生させる場合にも、速度の投影は影響を受けず、ナビゲーションシステムは中断なしに正確に位置を追跡し続ける。
【００１１】
図１は、ナビゲーションシステム１００のブロック図である。システム１００は、処理ユニット１１４と、処理ユニット１１４と動作的通信状態にある出力端末１１６と、処理ユニット１１４に通信可能に結合されたユーザ入力端末１１２とを含む。図１のこの例示の実施形態では、処理ユニット１１４は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、フィールドプログラマブル・オブジェクトアレイ（ＦＰＯＡ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＤ）または特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）の少なくともひとつを備える。一実装形態では、出力端末１１６は、システム１００に関連する物体（例えば、システム１００を備えるダイバまたは水中車両）の処理済みの慣性位置、姿勢および速度の測定値を表示するように動作可能である。少なくともひとつの同様の実装形態では、ユーザ入力端末１１２は、キーボード入力装置、表示入力装置、等を備えるオプションの構成要素である。
【００１２】
システム１００は、それぞれが処理ユニット１１４に通信可能に結合された、メインセンサ・ユニット１０１およびセンサ基準ユニット１１１をさらに備える。一実装形態では、メインセンサ・ユニットは、慣性計測装置（ＩＭＵ）１０２およびドップラソナー１０４を備える。ＩＭＵ１０２は、ナビゲーションシステムに関連する物体の慣性位置および進行方向を提供するように構成され、ドップラソナー１０４は、１または複数のソナー信号ビームを提供するように動作可能である。例えば、ドップラソナー１０４の少なくともひとつの信号ビーム構成は、関連する物体に隣接する表面を基準とするその物体の方位を提供する。一実施形態では、ＩＭＵ１０２は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ベースのＩＭＵである。
【００１３】
図１のこの例示の実施形態では、センサ基準ユニット１１１は、第１のナビゲーション支援手段として構成される圧力センサ１１０と、第２のナビゲーション支援手段として構成される磁力計１０６と、ＧＰＳ（全世界測位システム）受信機１０８とを含む。一実装形態では、ＧＰＳ受信機１０８は、表面（海面）において、関連する物体の初期位置および速度を提供するように動作可能である。当然のことながら、システム１００は、単一のシステム１００内で適切な何種類のタイプのナビゲーションセンサ（例えば、１または複数のＩＭＵ１０２、ドップラソナー１０４、磁力計１０６、ＧＰＳ受信機１０８、圧力センサ１１０、等）に対応することもできる。一実装形態では、第２のナビゲーション支援手段（磁力計１０６）が、表面磁界の強度および方向に基づいて方位基準を提供するように動作可能である。
【００１４】
動作において、処理ユニット１１４は、メインセンサ・ユニット１０１で測定される慣性加速度およびドップラソナー１０４の少なくともひとつのソナー信号ビームに基づいて、関連する物体の速度を予測するように構成される。以下で図２によってより詳細に論じるように、処理ユニット１１４はさらに、慣性およびソナー信号ビーム速度の測定値の共分散に基づき規定の範囲内で少なくともひとつのソナー信号ビームの方位を決定し、１または複数の外部環境条件の影響を受けずに関連する物体の速度予測を維持するように構成される。例えば、第１のナビゲーション支援手段（圧力センサ１１０）は、水中ナビゲーションの重力補償係数に基づいて鉛直基準を提供するように動作可能である。一実装形態では、システム１００は、ソナー信号ビームの少なくともひとつ、および第１のナビゲーション支援手段を使用して、規定の測定範囲内で機能するように構成される。この説明では、慣性およびソナー速度の共分散は、慣性およびソナー速度が、システム１００からの積分された信号ビームの投影と共にどのように変動するのかの測度とみなされることに留意されたい。
【００１５】
図１のこの例示の実施形態では、システム１００は、ドップラソナー１０４の各ソナー信号ビームを個々の測定値とみなす。例えば、ソナー信号ビーム速度の予測値は、ＩＭＵ１０２によって提供される慣性速度を各ソナー信号ビームに沿って投影することによって決定される。以下に図２および図３によってより詳細に論じるように、ドップラソナー１０４の各信号ビームによって提供されるソナー信号ビーム速度は、処理ユニット１１４内で、投影された速度の予測値と比較される。処理ユニット１１４は、各ソナー信号ビームの方向で積分された速度測定値を修正する。したがって、ドロップアウトまたは魚群もしくは海藻に遭遇するなど、少なくともひとつの測定軸で誤ったソナービーム情報が発生する状況でも、システム１００は中断なしに正確に位置を追跡し続ける。さらに、ひとつの信号ビームが無効であると判定された場合でも、システム１００はほぼ最小限の影響で無効な信号ビームを拒絶する。
【００１６】
図２は、ナビゲーションシステム（例えば、図１のシステム１００）における信号ビーム速度予測の処理２００のブロック図である。図２のこの例示の実施形態では、処理２００は、図１の処理ユニット１１４内で実行される。処理２００は、カルマンフィルタ２０２、ならびに誤差状態更新モジュール２０６と動作的通信状態にある測定処理モジュール２０４を含む。処理２００はさらに、カルマンフィルタ２０２と動作的通信状態にあるストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０、ならびに図１のＩＭＵ１０２およびストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０と動作的通信状態にあるセンサ補償モジュール２０８を含む。図２のこの例示の実施形態では、ストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０は、積分された慣性およびドップラソナー・ナビゲーションデータを図１の出力端末１１６に提供するように動作可能である。以下でより詳細に論じるように、センサ補償モジュール２０８は、ほぼリアルタイムで提供されるナビゲーション支援測定値を使用して、ＩＭＵ１０２、カルマンフィルタ２０２、および測定処理モジュール２０４からの以前のナビゲーション測定値を補償するように構成される。一実装形態では、測定処理モジュール２０４は、少なくとも図１のドップラソナー１０４、磁力計１０６、ＧＰＳ受信機１０８および圧力センサ１１０から測定値を受信する。誤差状態更新モジュール２０６からの補償済みセンサ測定値およびナビゲーション状態更新に基づいて、センサ補償モジュール２０８は、物体の積分された慣性データを実質的に一定なナビゲーションデータとしてストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０に提供する。以下により詳しく論じるように、例えば、カルマンフィルタ２０２は、少なくとも１のドップラソナー信号ビームの方向に沿って投影された、積分された、各慣性加速度を比較して、ナビゲーションシステム１００に速度予測値を提供するように構成される。さらに、この速度予測は、システム１００に関連する物体を実質的に取り囲む１または複数の外部環境条件によって妨げられない。
【００１７】
カルマンフィルタ２０２は、ナビゲーション状態の推定値を改善するために、図１および図２に示すセンサからの測定値を混合する。例えば、（極めて良好な短期、高帯域特性を有するが、望ましくない長期特性を有する）ＩＭＵ１０２からのナビゲーションデータを、（低帯域であるが、高い長期精度を有する）ドップラソナー１０４からのドップラ速度読取値と混合するのが有利である。カルマンフィルタ２０２は、以下に等式（Equation）１で表す典型的な形式に従う。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ただし、Ｐは、共分散行列であり、
Φは、状態遷移行列であり、
Ｑは、プロセスノイズの密度行列であり、
Ｇは、プロセスノイズの動的結合行列である。
【００２０】
等式１で、項
【００２１】
【数２】
【００２２】
および
【００２３】
【数３】
【００２４】
は、時間更新の後および前の共分散行列Ｐの値をそれぞれ区別する。右側の末項のＧＱＧＴは、時間経過に伴う共分散行列の増加に対するプロセスノイズの影響を表す。プロセスノイズの動的結合行列Ｇは、誤差状態の様々な要素を引き起こすノイズの諸成分間の相関関係を表すために使用することができる。図２のこの例示の実施形態では、標準のカルマンフィルタ・アルゴリズムの測定更新ステップは、以下に等式（Equation）２および等式（Equation）３で示すように表される。
【００２５】
【数４】
【００２６】
ただし、Ｋは、カルマンゲイン行列であり、
Ｈは、測定感度行列であり、
Ｒは、測定誤差の共分散行列である。
【００２７】
等式２および等式３において、項
【００２８】
【数５】
【００２９】
および
【００３０】
【数６】
【００３１】
は、測定更新の前および後の値をそれぞれ区別する。さらに、ゲインＫが、以下に表すように等式（Equation）４に従って誤差状態の推定値（ｘと表す）を更新するために使用される。
【００３２】
【数７】
【００３３】
ただし、Δｙは、測定残差を表す。
一実装形態では、カルマンフィルタ２０２は、測定残差Δｙを、本明細書で測定値の共分散と呼ぶ残差の期待値と比較する。例えば、単一のビーム測定値が測定値の共分散と比較されるとき、不正確な測定値を検出および拒絶する機能が、以下に等式（Equation）５および等式（Equation）６で示されるように形成される。
【００３４】
【数８】
【００３５】
ただし、
【００３６】
【数９】
【００３７】
は、予測されたビーム速度のベクトルであり、
ｖｂは、測定されたビーム速度のベクトルであり、
【００３８】
【数１０】
【００３９】
は、ナビゲーションフレームをビームフレームに関係付ける方向余弦行列であり、
ｖｎは、ナビゲーションフレームの速度であり、
ｕｘは、ビームＸ軸に沿った単位ベクトルであり、
・は、ドット積演算子である。
【００４０】
上記に等式５および等式６で示したように、測定残差では、すべてのドップラソナービームを独立した測定値として扱う。一実装形態では、処理２００は、ビーム速度を、ストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０によって予測される値と比較し、ビーム測定残差を等式３の
【００４１】
【数１１】
【００４２】
項で定量的に定義される測定値の共分散と直接比較できるようにする。例えば、統計的に期待される残差（例えば３シグマすなわち３σ）を超える偏差があっても、結果として測定値が拒絶され、ナビゲーションの信頼性および精度が高まる。さらに、図２では、各ドップラ信号ビームが、カルマンフィルタ２０２の測定感度（Ｈ）行列で独立した測定値として処理される。したがって、どんな単一のドップラ信号ビームも、ドップラソナー１０４によって提供される他のビームとは独立に個別に使用される。一実施形態では、上記に等式３で示したように、処理２００のＨ行列は、測定残差行列の一次偏導関数の行列（例えば、ヤコビ行列）として公式化される。この説明では、ヤコビ行列は、ＩＭＵ１０２およびドップラソナー１０４によって提供されるナビゲーションデータを数学的に決定する際に、慣性およびソナー測定値を積分するために使用されることに留意されたい。
【００４３】
図３は、水中ナビゲーションの方法３００の流れ図である。図３のこの例示の実施形態では、方法３００は、第１の速度測定値を、ナビゲーションシステムからの第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って投影する（ブロック３０２）。図３のこの例示の実施形態では、第２の速度測定値は１または複数の信号ビームの少なくとも１に関係する。方法３００は、少なくとも第２の速度測定値の予測に基づいて、ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定する（ブロック３０４）。一実装形態では、このナビゲーションシステムは、第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整される。方法３００は、第１および第２の速度測定値の共分散に関し、少なくともひとつの信号ビームの測定感度に基づき第１および第２の速度測定値のソース成分の二次積分を使用して物体の位置および場所を予測する（ブロック３０６）。一実施形態では、方法３００は、物体の位置および場所の予測値を、実質的に一定なナビゲーションデータとして、ナビゲーションシステムの出力端末に提供する。例えば、方法３００は、１または複数の信号ビームが規定の測定範囲内にあると判定される場合に、ナビゲーション支援測定値を使用して少なくとも１の形式のセンサ補償をほぼリアルタイムで行う（ブロック３０８）。
【００４４】
さらに、物体の位置および場所を決定する際に行われる性能調整は、１または複数の外部環境条件の故に各信号ビームを維持するナビゲーションシステムとは独立に動作可能である。一実装形態では、第１の速度測定値を、１または複数の信号ビームに沿って投影する際に、方法３００は、第１および第２の速度測定値を、慣性速度成分とソナー速度成分とに分離する。同様の、または少なくともひとつの代替実装形態では、実質的に一定なナビゲーションデータを提供する際に、方法３００は、第１および第２の速度測定値の予測値を第２の速度測定値と比較して、少なくともひとつの信号ビームの方向における第１および第２の速度測定値の共分散を調整する。
【００４５】
図４は、信号ビームの速度予測を使用して水中ナビゲーションを行う方法４００の流れ図である。図４のこの例示の実施形態では、方法４００は、図１のシステム１００を使用し、上記で図２によって論じた信号ビーム速度予測処理を組み込んだ、水中ナビゲーションに関する。一実施形態では、方法４００は、システム１００の慣性ナビゲーションおよびドップラソナー測定値を第１および第２の速度測定値として提供し、ここで、第１の速度測定値は、ナビゲーション速度の投影として、第２の速度測定値の少なくとも１の信号ビームの方位に沿って投影される。例えば方法４００は、ナビゲーションシステムからの姿勢測定値ならびにドップラビームの方向および位置の予備的情報に基づいて、ナビゲーション−ビーム回転行列を形成する（ブロック４０２）。この回転行列を使用して、方法４００は、システム１００の慣性計測装置部からの慣性速度の投影に基づいて、速度予測値を決定する。例えば、方法４００は、ナビゲーション速度の投影を少なくともひとつの信号ビームの方位と比較して、システム１００に関連する物体の速度予測値を決定する。その際、速度予測は、物体を実質的に取り囲む１または複数の外部環境条件によって妨げられない。
【００４６】
一実装形態では、ナビゲーション速度測定値を投影することは、ナビゲーションおよびソナービーム速度の測定値を、慣性（第１）速度測定値とソナー（第２）速度測定値とに分離することを含む。上記で図１および図２によって論じたように、第１および第２の速度測定値は、システム１００の規定の測定範囲内にある基準座標系の速度測定値をさらに含む。
【００４７】
物体の方位および位置を決定するために、図４に示す方法は、予測されるビーム速度およびドップラソナー速度から測定残差を決定する（ブロック４０６）。方法４００は、測定残差を、測定残差の所定の測定値の共分散と比較する（ブロック４０８）。測定残差が所定の測定値の共分散を超える場合（ブロック４１２）、方法４００は速度予測値を拒絶する（ブロック４１０）。方法４００は、再びブロック４０２から開始して別の予測を試みる。測定残差が所定の測定値の共分散の範囲内にある（例えば、測定残差が許容できるとみなされる）場合、方法４００は、信号ビーム速度予測値を使用し、許容される測定残差の測定感度に部分的に基づいて、物体の水中ナビゲーションデータを提供する（ブロック４１４）。上記に論じたように、このナビゲーションシステムは、方法４００を使用して、１または複数の外部環境条件とは独立に、少なくともひとつの信号ビームに沿って少なくとも第１の速度測定の速度予測を維持する。さらに、方法４００は、システム１００が、出力端末１１６から実質的に一定なナビゲーションデータをほぼリアルタイムで提供できるようにする。
【００４８】
本明細書で説明した方法および技術は、デジタル電子回路と、プログラマブル・プロセッサ中にあるソフトウェア（またはファームウェア）との組合せで実装することができる。これらの技術を具体化した装置は、適切な入出力装置、プログラマブル・プロセッサ、およびプログラマブル・プロセッサによって実行されるプログラム命令を有形に具体化する記憶媒体を含むことができる。これらの技術を具体化した処理は、入力データに対して操作を行い、適切な出力データを生成する命令のプログラムを実行するプログラマブル・プロセッサによって実行することができる。この技術は、データ記憶システム、少なくともひとつの入力装置、および少なくともひとつの出力装置からデータおよび命令を受信（ならびにデータ記憶システム、少なくともひとつの入力装置、および少なくともひとつの出力装置にデータおよび命令を送信）するように結合された少なくともひとつのプログラマブル・プロセッサを含むプログラマブル・システムで実行可能な１または複数のプログラムで実装することができる。一般に、プロセッサは、ＲＯＭ（読出し専用メモリ）およびＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）の少なくともひとつから命令およびデータを受信する。さらに、コンピュータプログラム命令およびデータを有形に具体化するのに適した記憶媒体には、どんな形の不揮発性記憶装置も含まれ、例として、半導体記憶装置、内蔵ハードディスクやリムーバブルディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスクおよび他のコンピュータ可読媒体が含まれる。上記のどれも、特別に設計された特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）によって補足しても、あるいは特別に設計された特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）に組み込んでもよい。
【００４９】
情報がネットワークまたは別の通信接続（ハードワイヤ式、無線、またはハードワイヤ式もしくは無線の組合せのいずれか）を介してコンピュータに転送または提供される場合、コンピュータはその接続をコンピュータ可読媒体と適切にみなす。したがって、そのようないかなる接続も、コンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。上記のものの組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００５０】
この説明は、例示の目的で示したものであり、網羅的であることまたは開示された実施形態に限定されることを意図するものではない。添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる改変形態または修正形態を思いつくかもしれない。
【符号の説明】
【００５１】
１００ ナビゲーションシステム
１０１ メインセンサ・ユニット
１０２ 慣性計測装置（ＩＭＵ）
１０４ ドップラソナー
１０６ 磁力計
１０８ ＧＰＳ（全世界測位システム）受信機
１１０ 圧力センサ
１１１ センサ基準ユニット
１１２ ユーザ入力端末
１１４ 処理ユニット
１１６ 出力端末
２０２ カルマンフィルタ
２０４ 測定処理モジュール
２０６ 誤差状態更新モジュール
２０８ センサ補償モジュール
２１０ ストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール
【発明の詳細な説明】
【０００１】
政府権益声明
米国政府は、米国海軍および防衛高等研究企画庁（ＤＡＲＰＡ）によって与えられた契約番号Ｎ６６００１−０７−Ｃ−２００４のもと、本発明の一定の権利を有し得る。
【技術分野】
【０００２】
本明細書で開示する実施形態は、水中ナビゲーションの少なくとも１の方法およびシステムに関する。より詳細には、本明細書で論じる水中ナビゲーションは、水中の地形、または継続的かつ正確な位置決定および深度測定情報を必要とする任意の同様の地形を調査しながら、位置および速度を測定する方法に関する。例えば、本明細書で論じるナビゲーションの方法を使用するシステムは、個人のダイバまたは１もしくは複数の形態の水中車両に適した正確かつ安価なナビゲーションおよび深度測定機能を提供する。
【背景技術】
【０００３】
現在、水中ナビゲーションシステムの様々な実装形態が存在する。例えば、３以上の信号ビームを有するドップラソナー装置が、「Janus;ヤヌス」構成で動作可能である。典型的なヤヌス構成では、各信号ビームからの情報が数学的に合成され、ビームを基準とするドップラ速度測定値が直交基準座標系に変換される。しかし、このタイプのナビゲーションは、ナビゲーション・ドリフト、外部環境条件、および、放置された場合に不正確な位置、深度または距離の推定値をもたらす他のタイプの測定誤差の影響を受けやすい。例えば、単一の速度成分を計算するために２以上のビームが組み合わされるので、信号ビームの速度測定で生じる誤差が容易に検出可能ではなく、得られる基準座標系の速度の精度がより低くなる。さらに、ドップラソナーの速度帯域幅の制限は、典型的には信号ビームの消失または歪曲により、誤った速度測定値をもたらす。例えば、１または複数の信号ビームが（例えば、ビームが水界の底に「到達」できないようにする障害または大幅な姿勢の偏位によって）利用できなくなった場合、速度測定値を入手することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
完全な水中を長距離移動するダイバまたは水中車両は、水面上のナビゲーション支援手段を使用することができず、最小限のエネルギ消費で自らの目的地に到達するための正確なナビゲーションシステムを必要とする。水中ナビゲーションの改良が当技術分野で必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で以下に、水中ナビゲーションの少なくとも１の方法およびシステムを規定する。一実施形態では、水中ナビゲーションの少なくとも１の方法は、水中ナビゲーションシステムを使用して、第１の速度測定値を、第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って投影し、第２の速度測定値は１または複数の信号ビームの少なくともひとつに関係する。この方法では、少なくとも第２の速度測定値の予測に基づいて、ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定し、このナビゲーションシステムは、第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整される。物体の位置および場所を決定する際に行われる性能調整は、１または複数の外部環境条件の故に各信号ビームを維持するナビゲーションシステムとは独立に動作可能である。
【０００６】
これらおよび他の特徴、側面および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面を考慮に入れることでさらに理解される。
様々な図面における同じ参照番号および符号は、同じ要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】水中ナビゲーションシステムの一実施形態のブロック図である。
【図２】水中ナビゲーションシステムの測定処理の一実施形態のブロック図である。
【図３】水中ナビゲーションを行う方法の一実施形態の流れ図である。
【図４】信号ビームの速度予測を使用して水中ナビゲーションを行う方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
一実施形態では、このシステムは、ＧＰＳ（全世界測位システム）受信機と、１または複数の加速度計を有するＩＭＵ（慣性計測装置）と、磁力計と、圧力センサと、１または複数のソナー信号ビーム（例えば、最大４の信号ビーム）を有するドップラソナーセンサとを含む。典型的な水中ナビゲーションの応用例では、ドップラソナーセンサからの速度測定値は最大５Ｈｚのレートで入手可能であり、そのため動的振動運動を正確に追跡するのが難しくなっている。速度ベクトルの向きは急速に変わる可能性があるため、本明細書で論じる信号ビーム予測方法で速度を相対的に高い周波数（例えば、ＩＭＵの動作周波数）で積分した場合、より高い精度がもたらされる。本明細書で論じるナビゲーションシステムの一実施形態では、ＩＭＵは約１００Ｈｚで動作し、この帯域幅は動的動作条件下ではより理想的とみなされる。
【０００９】
さらに、このナビゲーションシステムは、様々なセンサ入力を少なくとも１の誤差削減処理技術でフィルタリングする（例えば、カルマンフィルタは測定データを「平滑化」することによって前のデータ点を訂正する）ように動作可能なカルマンフィルタを備える、ナビゲーション訂正機能を提供する。カルマンフィルタによって提供されるデータの平滑化は、現時点のナビゲーション支援測定値を使用して過去のナビゲーション結果を訂正することにより、ナビゲーション訂正機能を形成する。少なくとも一実装形態では、このナビゲーションシステムは、圧力センサを鉛直高さの安定化のために使用して、最大２つのドップラソナービームと共に動作可能である。
【００１０】
本明細書で論じる信号ビーム予測方法の少なくとも１の実施形態では、マルチビーム・ドップラソナーセンサをＩＭＵと統合するには、ドップラソナーセンサの各ビームが個々に独立した測定値とみなされることが必要である。例えば、ビーム速度の予測値は、ＩＭＵからの速度測定値をドップラソナービームの方向に投影することによって決定される。さらに、ビーム速度が、ビーム速度の予測値と比較され、カルマンフィルタに供給される。次いで、カルマンフィルタが、その測定値が十分に「妥当」（例えば、その測定値がナビゲーションシステムを実質的に取り囲む外部環境条件から判断して正確とみなされる）かどうかの判定を行う。加えて、外部環境条件に関係なく、信号ビームは、ビームの方向での速度の投影を維持する。例えば、魚群または植物密集領域に遭遇するなどの偏差が、少なくともひとつの測定軸で「ビームドロップアウト」を発生させる場合にも、速度の投影は影響を受けず、ナビゲーションシステムは中断なしに正確に位置を追跡し続ける。
【００１１】
図１は、ナビゲーションシステム１００のブロック図である。システム１００は、処理ユニット１１４と、処理ユニット１１４と動作的通信状態にある出力端末１１６と、処理ユニット１１４に通信可能に結合されたユーザ入力端末１１２とを含む。図１のこの例示の実施形態では、処理ユニット１１４は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、フィールドプログラマブル・オブジェクトアレイ（ＦＰＯＡ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＤ）または特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）の少なくともひとつを備える。一実装形態では、出力端末１１６は、システム１００に関連する物体（例えば、システム１００を備えるダイバまたは水中車両）の処理済みの慣性位置、姿勢および速度の測定値を表示するように動作可能である。少なくともひとつの同様の実装形態では、ユーザ入力端末１１２は、キーボード入力装置、表示入力装置、等を備えるオプションの構成要素である。
【００１２】
システム１００は、それぞれが処理ユニット１１４に通信可能に結合された、メインセンサ・ユニット１０１およびセンサ基準ユニット１１１をさらに備える。一実装形態では、メインセンサ・ユニットは、慣性計測装置（ＩＭＵ）１０２およびドップラソナー１０４を備える。ＩＭＵ１０２は、ナビゲーションシステムに関連する物体の慣性位置および進行方向を提供するように構成され、ドップラソナー１０４は、１または複数のソナー信号ビームを提供するように動作可能である。例えば、ドップラソナー１０４の少なくともひとつの信号ビーム構成は、関連する物体に隣接する表面を基準とするその物体の方位を提供する。一実施形態では、ＩＭＵ１０２は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）ベースのＩＭＵである。
【００１３】
図１のこの例示の実施形態では、センサ基準ユニット１１１は、第１のナビゲーション支援手段として構成される圧力センサ１１０と、第２のナビゲーション支援手段として構成される磁力計１０６と、ＧＰＳ（全世界測位システム）受信機１０８とを含む。一実装形態では、ＧＰＳ受信機１０８は、表面（海面）において、関連する物体の初期位置および速度を提供するように動作可能である。当然のことながら、システム１００は、単一のシステム１００内で適切な何種類のタイプのナビゲーションセンサ（例えば、１または複数のＩＭＵ１０２、ドップラソナー１０４、磁力計１０６、ＧＰＳ受信機１０８、圧力センサ１１０、等）に対応することもできる。一実装形態では、第２のナビゲーション支援手段（磁力計１０６）が、表面磁界の強度および方向に基づいて方位基準を提供するように動作可能である。
【００１４】
動作において、処理ユニット１１４は、メインセンサ・ユニット１０１で測定される慣性加速度およびドップラソナー１０４の少なくともひとつのソナー信号ビームに基づいて、関連する物体の速度を予測するように構成される。以下で図２によってより詳細に論じるように、処理ユニット１１４はさらに、慣性およびソナー信号ビーム速度の測定値の共分散に基づき規定の範囲内で少なくともひとつのソナー信号ビームの方位を決定し、１または複数の外部環境条件の影響を受けずに関連する物体の速度予測を維持するように構成される。例えば、第１のナビゲーション支援手段（圧力センサ１１０）は、水中ナビゲーションの重力補償係数に基づいて鉛直基準を提供するように動作可能である。一実装形態では、システム１００は、ソナー信号ビームの少なくともひとつ、および第１のナビゲーション支援手段を使用して、規定の測定範囲内で機能するように構成される。この説明では、慣性およびソナー速度の共分散は、慣性およびソナー速度が、システム１００からの積分された信号ビームの投影と共にどのように変動するのかの測度とみなされることに留意されたい。
【００１５】
図１のこの例示の実施形態では、システム１００は、ドップラソナー１０４の各ソナー信号ビームを個々の測定値とみなす。例えば、ソナー信号ビーム速度の予測値は、ＩＭＵ１０２によって提供される慣性速度を各ソナー信号ビームに沿って投影することによって決定される。以下に図２および図３によってより詳細に論じるように、ドップラソナー１０４の各信号ビームによって提供されるソナー信号ビーム速度は、処理ユニット１１４内で、投影された速度の予測値と比較される。処理ユニット１１４は、各ソナー信号ビームの方向で積分された速度測定値を修正する。したがって、ドロップアウトまたは魚群もしくは海藻に遭遇するなど、少なくともひとつの測定軸で誤ったソナービーム情報が発生する状況でも、システム１００は中断なしに正確に位置を追跡し続ける。さらに、ひとつの信号ビームが無効であると判定された場合でも、システム１００はほぼ最小限の影響で無効な信号ビームを拒絶する。
【００１６】
図２は、ナビゲーションシステム（例えば、図１のシステム１００）における信号ビーム速度予測の処理２００のブロック図である。図２のこの例示の実施形態では、処理２００は、図１の処理ユニット１１４内で実行される。処理２００は、カルマンフィルタ２０２、ならびに誤差状態更新モジュール２０６と動作的通信状態にある測定処理モジュール２０４を含む。処理２００はさらに、カルマンフィルタ２０２と動作的通信状態にあるストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０、ならびに図１のＩＭＵ１０２およびストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０と動作的通信状態にあるセンサ補償モジュール２０８を含む。図２のこの例示の実施形態では、ストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０は、積分された慣性およびドップラソナー・ナビゲーションデータを図１の出力端末１１６に提供するように動作可能である。以下でより詳細に論じるように、センサ補償モジュール２０８は、ほぼリアルタイムで提供されるナビゲーション支援測定値を使用して、ＩＭＵ１０２、カルマンフィルタ２０２、および測定処理モジュール２０４からの以前のナビゲーション測定値を補償するように構成される。一実装形態では、測定処理モジュール２０４は、少なくとも図１のドップラソナー１０４、磁力計１０６、ＧＰＳ受信機１０８および圧力センサ１１０から測定値を受信する。誤差状態更新モジュール２０６からの補償済みセンサ測定値およびナビゲーション状態更新に基づいて、センサ補償モジュール２０８は、物体の積分された慣性データを実質的に一定なナビゲーションデータとしてストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０に提供する。以下により詳しく論じるように、例えば、カルマンフィルタ２０２は、少なくとも１のドップラソナー信号ビームの方向に沿って投影された、積分された、各慣性加速度を比較して、ナビゲーションシステム１００に速度予測値を提供するように構成される。さらに、この速度予測は、システム１００に関連する物体を実質的に取り囲む１または複数の外部環境条件によって妨げられない。
【００１７】
カルマンフィルタ２０２は、ナビゲーション状態の推定値を改善するために、図１および図２に示すセンサからの測定値を混合する。例えば、（極めて良好な短期、高帯域特性を有するが、望ましくない長期特性を有する）ＩＭＵ１０２からのナビゲーションデータを、（低帯域であるが、高い長期精度を有する）ドップラソナー１０４からのドップラ速度読取値と混合するのが有利である。カルマンフィルタ２０２は、以下に等式（Equation）１で表す典型的な形式に従う。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ただし、Ｐは、共分散行列であり、
Φは、状態遷移行列であり、
Ｑは、プロセスノイズの密度行列であり、
Ｇは、プロセスノイズの動的結合行列である。
【００２０】
等式１で、項
【００２１】
【数２】
【００２２】
および
【００２３】
【数３】
【００２４】
は、時間更新の後および前の共分散行列Ｐの値をそれぞれ区別する。右側の末項のＧＱＧＴは、時間経過に伴う共分散行列の増加に対するプロセスノイズの影響を表す。プロセスノイズの動的結合行列Ｇは、誤差状態の様々な要素を引き起こすノイズの諸成分間の相関関係を表すために使用することができる。図２のこの例示の実施形態では、標準のカルマンフィルタ・アルゴリズムの測定更新ステップは、以下に等式（Equation）２および等式（Equation）３で示すように表される。
【００２５】
【数４】
【００２６】
ただし、Ｋは、カルマンゲイン行列であり、
Ｈは、測定感度行列であり、
Ｒは、測定誤差の共分散行列である。
【００２７】
等式２および等式３において、項
【００２８】
【数５】
【００２９】
および
【００３０】
【数６】
【００３１】
は、測定更新の前および後の値をそれぞれ区別する。さらに、ゲインＫが、以下に表すように等式（Equation）４に従って誤差状態の推定値（ｘと表す）を更新するために使用される。
【００３２】
【数７】
【００３３】
ただし、Δｙは、測定残差を表す。
一実装形態では、カルマンフィルタ２０２は、測定残差Δｙを、本明細書で測定値の共分散と呼ぶ残差の期待値と比較する。例えば、単一のビーム測定値が測定値の共分散と比較されるとき、不正確な測定値を検出および拒絶する機能が、以下に等式（Equation）５および等式（Equation）６で示されるように形成される。
【００３４】
【数８】
【００３５】
ただし、
【００３６】
【数９】
【００３７】
は、予測されたビーム速度のベクトルであり、
ｖｂは、測定されたビーム速度のベクトルであり、
【００３８】
【数１０】
【００３９】
は、ナビゲーションフレームをビームフレームに関係付ける方向余弦行列であり、
ｖｎは、ナビゲーションフレームの速度であり、
ｕｘは、ビームＸ軸に沿った単位ベクトルであり、
・は、ドット積演算子である。
【００４０】
上記に等式５および等式６で示したように、測定残差では、すべてのドップラソナービームを独立した測定値として扱う。一実装形態では、処理２００は、ビーム速度を、ストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール２１０によって予測される値と比較し、ビーム測定残差を等式３の
【００４１】
【数１１】
【００４２】
項で定量的に定義される測定値の共分散と直接比較できるようにする。例えば、統計的に期待される残差（例えば３シグマすなわち３σ）を超える偏差があっても、結果として測定値が拒絶され、ナビゲーションの信頼性および精度が高まる。さらに、図２では、各ドップラ信号ビームが、カルマンフィルタ２０２の測定感度（Ｈ）行列で独立した測定値として処理される。したがって、どんな単一のドップラ信号ビームも、ドップラソナー１０４によって提供される他のビームとは独立に個別に使用される。一実施形態では、上記に等式３で示したように、処理２００のＨ行列は、測定残差行列の一次偏導関数の行列（例えば、ヤコビ行列）として公式化される。この説明では、ヤコビ行列は、ＩＭＵ１０２およびドップラソナー１０４によって提供されるナビゲーションデータを数学的に決定する際に、慣性およびソナー測定値を積分するために使用されることに留意されたい。
【００４３】
図３は、水中ナビゲーションの方法３００の流れ図である。図３のこの例示の実施形態では、方法３００は、第１の速度測定値を、ナビゲーションシステムからの第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って投影する（ブロック３０２）。図３のこの例示の実施形態では、第２の速度測定値は１または複数の信号ビームの少なくとも１に関係する。方法３００は、少なくとも第２の速度測定値の予測に基づいて、ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定する（ブロック３０４）。一実装形態では、このナビゲーションシステムは、第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整される。方法３００は、第１および第２の速度測定値の共分散に関し、少なくともひとつの信号ビームの測定感度に基づき第１および第２の速度測定値のソース成分の二次積分を使用して物体の位置および場所を予測する（ブロック３０６）。一実施形態では、方法３００は、物体の位置および場所の予測値を、実質的に一定なナビゲーションデータとして、ナビゲーションシステムの出力端末に提供する。例えば、方法３００は、１または複数の信号ビームが規定の測定範囲内にあると判定される場合に、ナビゲーション支援測定値を使用して少なくとも１の形式のセンサ補償をほぼリアルタイムで行う（ブロック３０８）。
【００４４】
さらに、物体の位置および場所を決定する際に行われる性能調整は、１または複数の外部環境条件の故に各信号ビームを維持するナビゲーションシステムとは独立に動作可能である。一実装形態では、第１の速度測定値を、１または複数の信号ビームに沿って投影する際に、方法３００は、第１および第２の速度測定値を、慣性速度成分とソナー速度成分とに分離する。同様の、または少なくともひとつの代替実装形態では、実質的に一定なナビゲーションデータを提供する際に、方法３００は、第１および第２の速度測定値の予測値を第２の速度測定値と比較して、少なくともひとつの信号ビームの方向における第１および第２の速度測定値の共分散を調整する。
【００４５】
図４は、信号ビームの速度予測を使用して水中ナビゲーションを行う方法４００の流れ図である。図４のこの例示の実施形態では、方法４００は、図１のシステム１００を使用し、上記で図２によって論じた信号ビーム速度予測処理を組み込んだ、水中ナビゲーションに関する。一実施形態では、方法４００は、システム１００の慣性ナビゲーションおよびドップラソナー測定値を第１および第２の速度測定値として提供し、ここで、第１の速度測定値は、ナビゲーション速度の投影として、第２の速度測定値の少なくとも１の信号ビームの方位に沿って投影される。例えば方法４００は、ナビゲーションシステムからの姿勢測定値ならびにドップラビームの方向および位置の予備的情報に基づいて、ナビゲーション−ビーム回転行列を形成する（ブロック４０２）。この回転行列を使用して、方法４００は、システム１００の慣性計測装置部からの慣性速度の投影に基づいて、速度予測値を決定する。例えば、方法４００は、ナビゲーション速度の投影を少なくともひとつの信号ビームの方位と比較して、システム１００に関連する物体の速度予測値を決定する。その際、速度予測は、物体を実質的に取り囲む１または複数の外部環境条件によって妨げられない。
【００４６】
一実装形態では、ナビゲーション速度測定値を投影することは、ナビゲーションおよびソナービーム速度の測定値を、慣性（第１）速度測定値とソナー（第２）速度測定値とに分離することを含む。上記で図１および図２によって論じたように、第１および第２の速度測定値は、システム１００の規定の測定範囲内にある基準座標系の速度測定値をさらに含む。
【００４７】
物体の方位および位置を決定するために、図４に示す方法は、予測されるビーム速度およびドップラソナー速度から測定残差を決定する（ブロック４０６）。方法４００は、測定残差を、測定残差の所定の測定値の共分散と比較する（ブロック４０８）。測定残差が所定の測定値の共分散を超える場合（ブロック４１２）、方法４００は速度予測値を拒絶する（ブロック４１０）。方法４００は、再びブロック４０２から開始して別の予測を試みる。測定残差が所定の測定値の共分散の範囲内にある（例えば、測定残差が許容できるとみなされる）場合、方法４００は、信号ビーム速度予測値を使用し、許容される測定残差の測定感度に部分的に基づいて、物体の水中ナビゲーションデータを提供する（ブロック４１４）。上記に論じたように、このナビゲーションシステムは、方法４００を使用して、１または複数の外部環境条件とは独立に、少なくともひとつの信号ビームに沿って少なくとも第１の速度測定の速度予測を維持する。さらに、方法４００は、システム１００が、出力端末１１６から実質的に一定なナビゲーションデータをほぼリアルタイムで提供できるようにする。
【００４８】
本明細書で説明した方法および技術は、デジタル電子回路と、プログラマブル・プロセッサ中にあるソフトウェア（またはファームウェア）との組合せで実装することができる。これらの技術を具体化した装置は、適切な入出力装置、プログラマブル・プロセッサ、およびプログラマブル・プロセッサによって実行されるプログラム命令を有形に具体化する記憶媒体を含むことができる。これらの技術を具体化した処理は、入力データに対して操作を行い、適切な出力データを生成する命令のプログラムを実行するプログラマブル・プロセッサによって実行することができる。この技術は、データ記憶システム、少なくともひとつの入力装置、および少なくともひとつの出力装置からデータおよび命令を受信（ならびにデータ記憶システム、少なくともひとつの入力装置、および少なくともひとつの出力装置にデータおよび命令を送信）するように結合された少なくともひとつのプログラマブル・プロセッサを含むプログラマブル・システムで実行可能な１または複数のプログラムで実装することができる。一般に、プロセッサは、ＲＯＭ（読出し専用メモリ）およびＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）の少なくともひとつから命令およびデータを受信する。さらに、コンピュータプログラム命令およびデータを有形に具体化するのに適した記憶媒体には、どんな形の不揮発性記憶装置も含まれ、例として、半導体記憶装置、内蔵ハードディスクやリムーバブルディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスクおよび他のコンピュータ可読媒体が含まれる。上記のどれも、特別に設計された特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）によって補足しても、あるいは特別に設計された特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）に組み込んでもよい。
【００４９】
情報がネットワークまたは別の通信接続（ハードワイヤ式、無線、またはハードワイヤ式もしくは無線の組合せのいずれか）を介してコンピュータに転送または提供される場合、コンピュータはその接続をコンピュータ可読媒体と適切にみなす。したがって、そのようないかなる接続も、コンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。上記のものの組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００５０】
この説明は、例示の目的で示したものであり、網羅的であることまたは開示された実施形態に限定されることを意図するものではない。添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる改変形態または修正形態を思いつくかもしれない。
【符号の説明】
【００５１】
１００ ナビゲーションシステム
１０１ メインセンサ・ユニット
１０２ 慣性計測装置（ＩＭＵ）
１０４ ドップラソナー
１０６ 磁力計
１０８ ＧＰＳ（全世界測位システム）受信機
１１０ 圧力センサ
１１１ センサ基準ユニット
１１２ ユーザ入力端末
１１４ 処理ユニット
１１６ 出力端末
２０２ カルマンフィルタ
２０４ 測定処理モジュール
２０６ 誤差状態更新モジュール
２０８ センサ補償モジュール
２１０ ストラップダウン・ナビゲーション処理モジュール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナビゲーションシステム（１００）からの第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って第１の速度測定値を投影するステップ（３０２）と、前記第２の速度測定値は前記１または複数の信号ビームの少なくともひとつに関係し、
少なくとも前記第２の速度測定値の予測に基づいて、前記ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定するステップ（３０４）と、前記ナビゲーションシステムは、前記第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整され、
前記物体の前記位置および場所を決定する際に行われる前記性能調整は、１または複数の外部環境条件により前記各信号ビームを維持する前記ナビゲーションシステムと独立に動作可能である、
水中ナビゲーションの方法（３００）。
【請求項２】
前記第１の速度測定値を投影するステップは、前記第１および第２の速度測定値を慣性（１０２）速度成分とソナー（１０４）速度成分とに分離するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記位置および場所を決定するステップは、
前記第１の速度測定値のソース成分の二次積分を使用して、前記物体の前記位置および場所を予測するステップ（３０６）と、
前記第１および第２の速度測定値の共分散に関し、少なくとも１の前記信号ビームの測定感度に基づいて、実質的に一定なナビゲーションデータを前記ナビゲーションシステムの出力端末（１１６）に提供するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１】
ナビゲーションシステム（１００）からの第２の速度測定値を有する１または複数の信号ビームに沿って第１の速度測定値を投影するステップ（３０２）と、前記第２の速度測定値は前記１または複数の信号ビームの少なくともひとつに関係し、
少なくとも前記第２の速度測定値の予測に基づいて、前記ナビゲーションシステムに関連する物体の位置および場所を決定するステップ（３０４）と、前記ナビゲーションシステムは、前記第１および第２の速度測定値の共分散に基づき規定の測定範囲内で機能するように調整され、
前記物体の前記位置および場所を決定する際に行われる前記性能調整は、１または複数の外部環境条件により前記各信号ビームを維持する前記ナビゲーションシステムと独立に動作可能である、
水中ナビゲーションの方法（３００）。
【請求項２】
前記第１の速度測定値を投影するステップは、前記第１および第２の速度測定値を慣性（１０２）速度成分とソナー（１０４）速度成分とに分離するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記位置および場所を決定するステップは、
前記第１の速度測定値のソース成分の二次積分を使用して、前記物体の前記位置および場所を予測するステップ（３０６）と、
前記第１および第２の速度測定値の共分散に関し、少なくとも１の前記信号ビームの測定感度に基づいて、実質的に一定なナビゲーションデータを前記ナビゲーションシステムの出力端末（１１６）に提供するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２２９４５２（Ｐ２００９−２２９４５２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−８８６９（Ｐ２００９−８８６９）
【出願日】平成２１年１月１９日（２００９．１．１９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８８６９（Ｐ２００９−８８６９）
【出願日】平成２１年１月１９日（２００９．１．１９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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