ＧＰＳをダイバー及び水中ビークルへ拡張するシステム及び方法
ナビゲーションシステムは、衛星ナビゲーションをダイバーまで拡張する。ナビゲーションシステムは、水上装置及び複数の水中ビーコン装置を具備する。水上装置は、地球軌道周回衛星からのナビゲーション信号を受信するための受信機と、複数の水中ビーコン装置と通信し、前記水中ビーコン装置へ位置情報を送信するための処理回路と、水中ビーコン装置へ位置情報を送信するためのソナー送信機とを含む。ビーコン装置は、水上装置から受信される位置情報に基づいてビーコン装置の位置を判定するための処理回路と、水上装置が水面で浮遊している間に水上装置から位置情報を受信し、ダイバー装置に対してナビゲーション補助を実行するためにダイバー装置へ位置情報を送信するためのソナートランシーバとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に水中ナビゲーションに関し、特に、ＧＰＳナビゲーションをダイバー及び水中ビークルへ拡張する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
全地球測位システム（ＧＰＳ）などの衛星を利用する位置測定システムは、地球上のほぼあらゆる地点においてほぼ正確に位置を判定する能力を提供する。ＧＰＳは、６つの軌道面に配置された２４個の地球軌道周回衛星を具備する。各地球軌道周回衛星は原子時計を有し、衛星の現在時間及び現在位置を示す無線信号を絶えず送信する。地表に配置された受信機はそれらの無線信号を受信し、信号の到達時間に基づいて衛星から受信機までの距離を判定できる。４つの衛星からの信号を受信することにより、地上受信機は三角測量によって受信機の位置を判定できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＧＰＳ信号は水中を伝播しない。そのため、水面下に位置するダイバー及び水中ビークルは、２つの地点の間で正確にナビゲートするためにそれらのＧＰＳ信号を利用することができない。ＧＰＳを水中のダイバー及びビークルへ拡張するために、いくつかのシステムが提案されている。例えば、Brownの米国特許第６，７０１，２５２号公報及びKucikの米国特許第６，６５７，５８５号公報は、係留綱によりダイバー又は水中ビークルに接続された浮遊ブイを開示する。浮遊ブイはＧＰＳアンテナ及び／又は受信機を有し、係留綱を介してダイバー又は水中ビークルへ信号を搬送する。この方法では、水中のダイバー又はビークルを浮遊ブイに接続する係留綱が必要であるため、有用性は限定される。Youngbergの米国特許第５，１１９，３４１号公報は、水面で自在に浮遊するブイを使用して、ＧＰＳを水面下のダイバー及びビークルへ拡張するシステムを開示する。浮遊ブイはＧＰＳ衛星からの信号を受信でき、音響信号を使用して水中のユーザと通信できる。しかし、浮遊ブイの場所は一定せず、水面を漂流している。更に、浮遊ブイは検出されやすく、秘密裏の作業には適さない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ＧＰＳを水中のユーザへ効果的に拡張する水中ナビゲーションシステムを提供する。水中ナビゲーションシステムは、海底まで沈むように設計された複数の水中ビーコン装置と、少なくとも１つの浮遊ブイ又は水上装置とを具備する。水上装置は、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信機を含む。水上装置は音響信号を介して水中ビーコン装置と通信する。ビーコン装置及び水上装置は、ナビゲーション補助が必要とされる海域に落とされる。ビーコン装置は直ちに海底まで沈むように設計される。水上装置は、ビーコン装置がビーコン装置の位置を判定するのに十分な長さの時間にわたり海面で浮遊し、その後に海底まで沈む。水上装置が海面で浮遊している間、水上装置はＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、水上装置の位置を判定する。水上装置の位置が確認された後、水上装置はその位置を各水中ビーコン装置へ送信する。ビーコン装置は、水上装置から受信される信号及び／又は他のビーコン装置から受信される信号に基づいてビーコン装置の位置を判定できる。所定の時間の後又は水上装置が所定の数のビーコン装置から位置確認を受信した後、水上装置は沈降する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図面を参照して説明すると、図１は、ダイバー又は水中ビークルに対してナビゲーション補助を実行するための水中ナビゲーションシステム１０を示す。水中ナビゲーションシステム１０は、地球軌道周回衛星１２と通信する少なくとも１つの水上装置２０と、水面下に配置され且つ水上装置２０と通信する複数のビーコン装置５０とを具備する。水上装置２０は、ＧＰＳ衛星１２からのＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信機２６を含む。水上装置２０は、音響信号を使用して水中ビーコン装置５０と通信する。
【０００６】
ビーコン装置５０及び水上装置２０は、ナビゲーション補助が必要とされる海域に落とされる。ビーコン装置５０は直ちに海底まで沈むように設計される。水上装置２０は、ビーコン装置５０が以下に説明されるようにビーコン装置の位置を判定するのに十分な長さの時間にわたり海面で浮遊し、その後海底まで沈む。水上装置２０が海面で浮遊している間、水上装置２０はＧＰＳ衛星１２からのＧＰＳ信号を受信し、水上装置の位置を判定する。水上装置２０の位置が確認された後、水上装置２０はその位置を各ビーコン装置５０へ送信する。そこで、ビーコン装置５０は、１つ以上の水上装置２０から受信される信号に基づいてビーコン装置の位置を判定できる。いくつかの実施形態においては、ビーコン装置５０は、単一の水上装置２０から受信される信号に基づいてビーコン装置の位置を判定してもよい。他の実施形態においては、ビーコン装置５０は複数の水上装置２０から信号を受信してもよい。位置計算を更に精密にするために、ビーコン装置５０は相互間で情報を交換してもよい。ビーコン装置５０の位置が判定された後、ビーコン装置５０はダイバー装置１００に対してナビゲーション補助を実行できる。
【０００７】
図２は、水上装置２０の主な構成要素を示す。水上装置２０は処理回路２２、メモリ２４、ＧＰＳ受信機２６、ソナートランシーバ２８及びリレー３０を具備する。処理回路２２は水上装置２０の動作全般を制御し、ＧＰＳ受信機２６により受信された位置信号を処理し、ソナートランシーバ２８を介してビーコン装置５０へ送信されるべき情報及び制御信号を発生する。処理回路２２は、更に、ビーコン装置５０から受信される情報及び制御信号を処理する。メモリ２４は動作に必要とされるプログラム命令及びデータを格納する。ソナートランシーバ２８はビーコン装置５０との水中通信のために使用される。リレー３０は、ビーコン装置５０がビーコン装置の位置を確定した後に水上装置２０を沈降するために処理回路２２により作動される。例えば、リレー３０の作動により浮揚装置が水上装置２０から離脱し、その結果、水上装置２０が沈んでもよい。あるいは、リレー３０が弁を開放することにより、海水がバラストタンクから溢れ、その結果、水上装置２０が沈んでもよい。
【０００８】
図３は、ビーコン装置５０の主な構成要素を示す。ビーコン装置５０は処理回路５２、メモリ５４及びソナートランシーバ５６を具備する。処理回路５２はビーコン装置５０の動作全般を制御し、水上装置２０、他のビーコン装置５０及びダイバー装置１００から受信される情報及び制御信号を処理する。メモリ５４は動作に必要とされるプログラム命令及びデータを格納する。ソナートランシーバ５６は、水上装置２０、他のビーコン装置５０及びダイバー装置１００との水中通信のために使用される。
【０００９】
ビーコン装置５０が最初に配置されたとき、ビーコン装置５０は海底まで沈んだ後にビーコン装置の位置を判定しなければならない。海底まで沈んでゆく間に、海流がビーコン装置５０を当初の落下海域からかなり離れた場所まで押し流す場合もある。従って、ビーコン装置５０が沈む前にビーコン装置の位置を判定するのは不十分である。先に述べた通り、ビーコン装置５０は、海底に到達した後、１つ以上の水上装置２０とメッセージを交換することによりビーコン装置の位置を判定する。ビーコン装置５０の位置を判定するために、２つの基本的な方式が採用されてもよい。
【００１０】
第１の方式は、ビーコン装置５０から複数の水上装置２０までの距離の計算に基づく。この方法を使用してビーコン装置５０の位置を正確に判定するためには、少なくとも４つの水上装置２０が必要とされる。各水上装置２０はＧＰＳ信号の受信に基づいて水上装置の位置を判定し、その位置をビーコン装置５０へ送信する。各水上装置２０からビーコン装置５０までの距離も判定される。距離は水上装置２０により判定され、ビーコン装置５０へ送信されてもよく、あるいはビーコン装置５０自体により判定されてもよい。水上装置２０からビーコン装置５０までの距離及び水上装置２０の位置に基づいて、ビーコン装置５０は三角測量によりビーコン装置の位置を正確に判定できる。ビーコン装置の位置は、４つの球体それぞれの中心におけるそれらの球体と水上装置２０との交点である。
【００１１】
第２の方式は水上装置２０を１つしか必要としない。第２の方式においては、水上装置２０はＧＰＳ信号の受信に基づいて水上装置の位置を判定し、その位置をビーコン装置５０へ送信する。ビーコン装置５０は水上装置２０に対する方向及び水上装置２０までの距離を判定する。水上装置の位置及び水上装置２０とビーコン装置５０との間のベクトルの知識によって、ビーコン装置５０はその位置を正確に判定できる。
【００１２】
水上装置２０からビーコン装置５０までの距離を判定するために、種々の技術を使用できる。以下に、距離判定方法の３つの例を説明する。本明細書においては、それら３つの方法を到達時間法、進行時間法及び二重音法と呼ぶ。本発明が本明細書中で挙げられる方法に限定されず、距離を判定するために他の方法が使用されてもよいことは当業者には理解されるであろう。
【００１３】
到達時間法は、水上装置２０とビーコン装置５０との間のクロック同期を必要とする。この方法においては、ビーコン装置５０は、それが認知している時間に応答メッセージ送信を水上装置２０に要求するメッセージを水上装置２０へ送出する。要求メッセージ又は応答メッセージは送信時間を指定してもよく、あるいは送信時間はプロトコルにより指定されてもよい。例えば、プロトコルは、水上装置２０のクロックのｍ個の最下位ビットが全て０になった場合にのみ水上装置２０が応答メッセージを送信することを指定してもよい。クロックが同期されるため、ビーコン装置５０は信号の到達時間を使用して、水上装置２０までの距離を計算できる。
【００１４】
進行時間法はクロック同期を必要としない。この方法においては、ビーコン装置５０は水上装置２０へメッセージを送出する。水上装置２０によりメッセージが受信されると、水上装置２０は応答メッセージを生成し、ビーコン装置５０へ送出する。応答メッセージは、第１のメッセージが水上装置２０により受信された時間から応答メッセージが送出された時間までの遅延を示す遅延値を含む。ビーコン装置５０はラウンドトリップ時間及びターンアラウンド遅延を使用して、水上装置２０までの距離を計算してもよい。
【００１５】
二重音法は、異なる周波数で送信された音響信号が水中を異なる速度で進むという事実を利用する。この方法においては、ビーコン装置５０は、二重音信号を送出することを水上装置２０に要求するメッセージを水上装置２０へ送出する。それに応答して、水上装置２０はパワーの等しい２つの明確に異なる音から構成される二重音信号を送信する。各音のパワーは、信号が進む距離の既知の関数として減衰する。音成分ごとの減衰速度がわかれば、ビーコン装置５０は音成分の受信パワーの差に基づいて水上装置２０までの距離を計算できる。
【００１６】
距離計算におけるビーコン装置５０の動作と水上装置２０の動作とを逆にできることが当業者には理解されるであろう。すなわち、水上装置２０がビーコン装置５０までの距離を計算し、その距離をビーコン装置５０へ送信できる。
【００１７】
目標に対する方向を判定するために、ビーコン装置５０のソナートランシーバはソナー変換器のアレイを具備する。水中における信号の進行速度が周知であると仮定すると、ビーコン装置５０は、水上装置２０により送信された信号が各ソナー変換器に到達する時間の差に基づいて水上装置２０に対する方向を計算できる。この技術は、ＧＰＳ受信機がその位置を判定する方法に類似している。
【００１８】
ビーコン装置５０が配置されている間、水上装置２０はマスター装置として機能し、ビーコン装置５０との通信を制御する。ビーコン装置５０は海底まで沈み、水上装置２０により起動されるまで活動しない状態を保つ。水上装置２０は、ビーコン装置５０へ起動コードを送出することにより、一度に１つずつビーコン装置５０を起動してもよい。起動後、ビーコン装置５０は、前述のように水上装置２０と信号を交換することによりビーコン装置の位置を判定する。ビーコン装置５０が位置を判定したならば、ビーコン装置５０は確認メッセージを水上装置２０へ送出してもよい。確認メッセージは、ビーコン装置５０がその位置を判定したことを水上装置２０に示す。その後、ビーコン装置５０がスリープモードに戻るように、水上装置２０は活動停止コードをビーコン装置５０へ送出できる。スリープモードにある場合、ビーコン装置５０の送信機はオフにされるが、ビーコン装置５０は、入力メッセージを監視するために定期的に受信機を起動する。ビーコン装置５０は、起動コードを受信するまで非活動モード又はスリープモードのままである。
【００１９】
ビーコン装置５０の各々から又は最小限の数の一部のビーコン装置５０からの確認メッセージを受信した後、水上装置２０は、水上装置２０を沈降させるか又は自己破壊させる制御信号を発生する。一実施形態においては、制御信号は、水上装置２０の機械系統を制御するリレー３０を起動する。例えば、リレー３０が作動された場合、水上装置２０に装着された浮揚装置が離脱し、その結果、水上装置２０が沈むようにしてもよい。別の実施形態においては、リレー３０が弁を開放し、それによりバラストタンクが水で溢れるようにしてもよい。水上装置２０の沈降又は破壊を引起こすために採用される特定の機構は、本発明の重要な面ではない。水上装置２０を沈降又は破壊するための周知の任意の方法を使用できる。
【００２０】
ビーコン装置５０が配置された後、ダイバー又は潜水船はナビゲーションのためにビーコン装置５０を使用できる。ダイバーは、先に配置されたビーコン装置５０と通信するダイバー装置１００を身に付けている。各ビーコン装置５０は、それ自体の位置を把握しており、ダイバー装置１００へその位置を送信できる。ダイバー装置１００は、ビーコン装置５０の位置を判定するために、ビーコン装置５０の位置を判定する前述の方法も使用できる。この場合、ビーコン装置５０はダイバー装置１００に対して位置基準を提供する。
【００２１】
図４及び図５は、ダイバー装置１００の一例を示す。ダイバー装置１００は、リストバンド１０４に装着された防水筐体１０２を具備する。ダイバー装置１００は、液晶ディスプレイなどの電子ディスプレイ１０６と１つ以上の入力装置１０８とを含む。図４に示される実施形態は、スクロールホイール１１０及びＳＥＮＤ／ＥＮＴＥＲボタン１１２を含む。ジョイスティックコントローラ、キーバッド又はタッチパッドなどの他の入力装置をユーザ入力部として使用できることは当業者により認識されるであろう。更に、ディスプレイ１０６は、ユーザ入力を受信するためのタッチスクリーンディスプレイを具備してもよい。
【００２２】
ディスプレイ１０６の縁部１１４は、例えば、「バディ」、「ビーコン」などのダイバー装置１００の種々の機能を説明する一連のラベル１１６を含む。機能標識１１８は現在選択されている機能を示す。図４では、機能標識１１８は、ログ機能が選択されていることを示す。更に、ユーザに状態情報を提供するために、ディスプレイ１０６は、電源標識１２０及びアラーム標識１２２などの他の状態標識を表示してもよい。スクロールホイール１１０を回し、「ＥＮＴＥＲ／ＳＥＮＤ」ボタン１１２を押すことにより、１つの機能を選択するために機能標識１１８を移動できる。機能の選択によって、ダイバー装置１００の動作モードが変更されてもよい。現在の動作モードに応じて、スクロールホイール１１０及びボタン１１２は異なる動作を実行してもよい。例えば、１つの機能が選択された後、ディスプレイ１０６に提示されたメニューオプション又はリストをスクロールするためにスクロールホイール１１０を使用できる。
【００２３】
状態標識に加えて、ディスプレイ１０６はダイバーが見るための有用な情報を出力するために使用される。本実施形態においては、ディスプレイ１０６は方向標識１２４を表示できる。以下に更に詳細に説明されるように、方向標識１２４は、水中でナビゲーションを実行するために目標に対する方向及び現在の進路を指示するために使用される。図示される実施形態においては、方向標識１２４は、現在の進路を示す第１のポインタ１２６及び目標に対する方向を示す第２のポインタ１２８を示す。ディスプレイ１０６は、ダイバーに対して数値データ及び英数字データを更に表示してもよい。図４に示される実施形態においては、ディスプレイ１０６は目標までの距離（ＤＩＳＴ）（４２０ｍ）、推定途中時間（ＥＴＥ）（６分）、目標の方位（ＢＲＧ）（３３０(）及び現在の進路（３０(）を表示している。現在の水深、現在の時間、現在の温度並びに現在の緯度及び経度などの他の情報、あるいは他の有用な情報も表示される。これらの例は、表示できる全ての情報を網羅することを意図しておらず、表示されてもよい情報の種類を例示しているにすぎない。
【００２４】
図５は、ダイバー装置１００の主な構成要素を示す機能ブロック図である。主な構成要素は、データを処理し且つダイバー装置１００の動作を制御する処理回路１５０と、処理回路１５０により使用されるコード及びデータを格納するメモリ１５２と、ディスプレイ１０６及びユーザ入力装置１０８を含むユーザインタフェース１５４と、通信インタフェース１５６とを具備する。処理回路１５０は１つ以上のプログラマブルプロセッサを具備してもよく、それらのプロセッサは汎用マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ又はそれらの組合せであってもよい。メモリ１５２はダイバー装置１００内部のメモリの階層全てを表しており、複数の別個のメモリ装置であってもよく、あるいは１つ以上のマイクロプロセッサの内部メモリであってもよい。通信インタフェース１５６は、水上で使用するための無線インタフェース１５８と、水中通信のためのソナートランシーバ６０とを具備する。無線インタフェースは、例えば、従来のBLUETOOTH、802.11b又は802.11gインタフェースであってもよい。
【００２５】
ダイバー装置１００は、ビーコン装置５０と通信するために要求／応答信号方式を使用する。トランザクションを開始するために、ダイバー装置１００はビーコン装置５０又は別のダイバー装置１００へ要求メッセージを送出する。要求メッセージに対する返答として、応答メッセージが送出される。１つの要求メッセージへの返答として２つ以上の応答メッセージが送出される場合もある。要求メッセージ及び全ての対応する応答メッセージが１回のトランザクションを構成する。本実施形態においては、ビーコン装置５０は要求メッセージを送出せず、ダイバー装置１００からの要求メッセージへの返答として応答メッセージを送出するのみである。ビーコン装置５０と複数のダイバー装置１００との通信を可能にするために、周波数分割多元接続、時分割多元接続又は符号分割多元接続などの多元接続方式が使用されてもよい。
【００２６】
ダイバー装置１００がその位置を判定する必要がある場合、ビーコン装置５０との通信を開始するために、ダイバー装置１００は起動コードを含む要求メッセージをビーコン装置５０へ送出する。無許可のユーザがビーコン装置５０を起動するのを防止するために、起動コードは暗号化されてもよい。ダイバー装置１００は２つ以上のビーコン装置５０との通信を開始してもよい。起動された後、ビーコン装置５０は応答メッセージを送出する。その後、ナビゲーション補助を得るために、ダイバー装置１００はビーコン装置５０へ要求メッセージを送出できる。要求メッセージの用途は、例えば、ビーコン装置５０とクロックを同期すること又は場所を確認することを含む。ビーコン装置５０は、一度起動されると、ダイバー装置１００からの動作停止コードを受信するまで又は通信が実行されないまま所定の時間が経過するまで起動状態のままである。活動状態又は起動状態にある間、ビーコン装置５０は要求メッセージを受信し、それに応答する。更に、ビーコン装置５０へ明示的な要求メッセージを送出する必要なくダイバー装置１００がダイバー装置の位置を定期的に更新できるように、ビーコン装置５０は活動状態にある間に周期信号を送信してもよい。例えば、ビーコン装置５０は、周期メッセージが送信された時間を示すタイムスタンプを含む周期メッセージを定期的に送信してもよい。ダイバー装置のクロックがビーコン装置のクロックと同期されている場合、ダイバー装置１００は周期メッセージを使用して、ビーコン装置５０までの距離を判定できる。また、ビーコン装置５０に対する方向を判定するために周期メッセージを使用できる。ダイバー装置のクロックが同期されていない場合には、ダイバー装置１００が音周波数の受信パワーにより距離を判定できるように、周期メッセージは二重音信号であってもよい。
【００２７】
一実施形態においては、同一の周波数を使用して複数のダイバー装置１００がビーコン装置５０と通信できるようにするために、時分割多元接続方式が使用される。ＴＤＭＡは、データを送信及び／又は受信するために使用される複数の順次タイムスロットに通信スペクトルを分割する。装置は、それに割当てられたタイムスロットにおいてのみ送信及び／又は受信する。反復しないタイムスロットの集合が１つのフレームを構成する。通常、１つのフレームは固定長である。本発明においては、フレームは、ダイバー装置１００とビーコン装置５０との間の伝播遅延に適応する可変長フレームである。
【００２８】
図６は、ｎ個のダイバー装置１００に適応するＴＤＭＡフレームのフレーム構造を示す。ダイバー装置１００の数をｎとするとき、フレームはそれぞれ２０ｍｓｅｃの持続時間を有する２ｎ個のスロットに分割される。１つのダイバー装置１００はマスターダイバー装置１００として指定され、通信を制御する。マスター装置は、例えば、最大又は最小の装置ＩＤを有する装置を選択することにより選択されてもよい。マスターダイバー装置１００は他のダイバー装置１００にタイムスロットを割当てる。フレーム中の初めの２つのタイムスロットはマスターダイバー装置１００のために予約される。各ダイバー装置１００は割当てられたタイムスロットの使用を制御する。ダイバー装置１００は、ビーコン装置５０又は他のダイバー装置１００へ要求メッセージを送信するために第１のタイムスロットを使用し、ビーコン装置５０又は他のダイバー装置１００からの応答メッセージを受信するために第２のタイムスロットを使用してもよい。
【００２９】
図６は、スロットフォーマットを更に示す。各タイムスロットの中には、タイムスロットの最初と最後にガードバンドが存在する。伝播遅延によって、１つのダイバー装置の送信が別のダイバー装置１００のタイムスロットと重なり合う事態が起こりうることは当業者により認識されるであろう。ガードバンドは伝播遅延による信号重複を十分考慮した幅であるのが好ましい。各タイムスロットの残り時間は、メッセージデータを送信するために使用される。本発明の一実施形態においては、各タイムスロットは１つのメッセージを送信又は受信するために使用される。しかし、メッセージの持続時間がスロット周期と比較して短い場合には、１つのタイムスロットで複数のメッセージを送信できることは当業者により理解されるであろう。逆に、メッセージの長さがスロット期間を超える場合には、メッセージは分割され、複数のスロットにまたがって送信される。
【００３０】
メッセージフォーマットの一例を図７に示す。メッセージはメッセージヘッダ及びメッセージ本体を含む。メッセージヘッダは同期語（８ビット）、コマンド（８ビット）、宛先アドレス（３２ビット）及び発信元アドレス（３２ビット）を含む。同期語は、メッセージの開始を示すために使用される周知のビットパターンである。コマンド要素は受信側装置に対してメッセージの型を示す。メッセージが複数のタイムスロットにまたがる場合、コマンド要素は、現在のスロットに含まれるメッセージデータが先のスロットにおいて送信されたメッセージの続きであるか否かを示すために使用される。宛先アドレスはメッセージの指定受信者を示す。発信元アドレス要素はメッセージの送信者を示す。
【００３１】
図６に示されるように、ダイバー装置１００は所定のシーケンスで送信する。本実施形態においては、ダイバー装置１００のみにスロットが割当てられている。ビーコン装置５０は、ダイバー装置１００からメッセージを受信した後、ダイバー装置にのみ応答して第２のスロットで送信する。他の実施形態においては、ビーコン装置にもスロットが割当てられ、ビーコン装置はダイバー装置１００との通信を開始できる。通信が開始される前、マスターダイバー装置１００は送信順序を確定し、他のダイバー装置１００にシーケンス中の場所を通知する。初期設定手続き中、マスターダイバー装置１００は、シーケンス中の先行するダイバー装置１００を識別する初期設定メッセージを他のダイバー装置１００へ送信する。他のダイバー装置１００は初期設定メッセージを確認する。通常の動作中、各ダイバー装置１００は、スロット１を使用して送信されたメッセージの発信元アドレス要素により判定できる先行ダイバー装置１００のアドレスと、スロット２を使用するメッセージの発信元アドレス又は宛先アドレスとをリスンする。
【００３２】
連続して送信する２つのダイバー装置１００の間で信号を阻止する障害が存在する場合、問題が起こることがある。この状況においては、第２のダイバー装置１００は第１のダイバー装置１００からの通信を「リスン」できなくなる可能性がある。その結果の１つは、第２のダイバー装置１００が送信しないことによる通信の停滞である。この状況においては、所定の期間内に信号が検出されない場合、マスターダイバー装置１００は送信シーケンスを再開してもよい。通信が停滞し続ける場合には、マスターダイバー装置１００は送信順序を変更するために初期設定手順を呼出すことができる。送信順序の変更によって問題が解決されないのであれば、通信を停滞させているダイバー装置１００を送信シーケンスから脱落させることができる。
【００３３】
ダイバー装置１００とビーコン装置５０との水中通信はソナー周波数で起こる。本実施形態においては、搬送周波数は２００ｋＨｚであり、ビット周期は．０６ｍｓｅｃ（６０μｓｅｃ）である。これにより、約１６．６７ｋｂｐｓのデータ送信速度が可能になる。メッセージは合わせて１１２ビットから構成される。すなわち、メッセージを送信するのに６．７２ｍｓｅｃを要する。
【００３４】
図８は、データがどのように搬送周波数に変調されるかを示す。図８は、クロック信号、データ信号及び変調信号を示す。クロック信号は、ビット周期に等しい６０μｓｅｃの周期を有する。データ信号は、送信される２進データを表現する。変調信号は、クロック信号と同一の周波数のパルス列から構成される。変調信号における所定の１つのパルスのパルス幅はデータ信号の状態により判定される。データ信号がローである場合、「０」ビットを示すために相対的に短いパルスが発生される。逆に、データ信号がハイである場合には、「１」ビットを示すために相対的に長いパルスが発生される。本実施形態においては、０ビットを示す短いパルスの持続時間は１５μｓｅｃであり、１ビットを示す長いパルスは４５μｓｅｃである。搬送波を変調するためにオン／オフキーイングが使用される。変調信号がハイである場合、搬送波はターンオンされ、変調信号がローである場合には、搬送波はターンオフされる。受信機は、信号を検出するためにパルスの立上がり端を検出してから３７μｓｅｃの後に信号をサンプリングする。別の実施形態においては、送信機におけるクロックレートの変化を補正するために、立上がり端の検出後に可変サンプリング時間が使用されてもよい。特に、受信装置は、送信機クロックの周期を判定するために受信信号中のパルスの立上がり端の間の時間を測定し、それに従ってサンプリング時間を調整してもよい。クロック周期の測定は、同期語が送信されているときに実行されてもよい。一実施形態においては、サンプリング時間Ｔｓは、送信クロック周期に．６２５を乗算することにより判定される。
【００３５】
言うまでもなく、本発明は、本発明の範囲及び本質的特徴から逸脱することなく本明細書中で説明された方法以外の他の特定の方法で実施されてもよい。従って、上述の実施形態は、あらゆる面において例示であり、限定的な意味を持たないと考えられるべきであり、添付の請求の範囲の趣旨及び等価性の範囲内に入る全ての変更は本発明に包含されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明に係る水中ナビゲーションシステムの一実施形態を示す図である。
【図２】図２は、水中ナビゲーションシステムの水上装置の一例を示す図である。
【図３】図３は、水中ナビゲーションシステムのビーコン装置の一例を示す図である。
【図４】図４は、水中ナビゲーションシステムのダイバー装置の一例を示す図である。
【図５】図５は、水中ナビゲーションシステムのダイバー装置の一例を示す図である。
【図６】図６は、水中通信のための時分割多元接続方式の一例を示す図である。
【図７】図７は、水中通信のためのメッセージフォーマットの一例を示す図である。
【図８】図８は、水中通信のための変調方式の一例を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に水中ナビゲーションに関し、特に、ＧＰＳナビゲーションをダイバー及び水中ビークルへ拡張する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
全地球測位システム（ＧＰＳ）などの衛星を利用する位置測定システムは、地球上のほぼあらゆる地点においてほぼ正確に位置を判定する能力を提供する。ＧＰＳは、６つの軌道面に配置された２４個の地球軌道周回衛星を具備する。各地球軌道周回衛星は原子時計を有し、衛星の現在時間及び現在位置を示す無線信号を絶えず送信する。地表に配置された受信機はそれらの無線信号を受信し、信号の到達時間に基づいて衛星から受信機までの距離を判定できる。４つの衛星からの信号を受信することにより、地上受信機は三角測量によって受信機の位置を判定できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＧＰＳ信号は水中を伝播しない。そのため、水面下に位置するダイバー及び水中ビークルは、２つの地点の間で正確にナビゲートするためにそれらのＧＰＳ信号を利用することができない。ＧＰＳを水中のダイバー及びビークルへ拡張するために、いくつかのシステムが提案されている。例えば、Brownの米国特許第６，７０１，２５２号公報及びKucikの米国特許第６，６５７，５８５号公報は、係留綱によりダイバー又は水中ビークルに接続された浮遊ブイを開示する。浮遊ブイはＧＰＳアンテナ及び／又は受信機を有し、係留綱を介してダイバー又は水中ビークルへ信号を搬送する。この方法では、水中のダイバー又はビークルを浮遊ブイに接続する係留綱が必要であるため、有用性は限定される。Youngbergの米国特許第５，１１９，３４１号公報は、水面で自在に浮遊するブイを使用して、ＧＰＳを水面下のダイバー及びビークルへ拡張するシステムを開示する。浮遊ブイはＧＰＳ衛星からの信号を受信でき、音響信号を使用して水中のユーザと通信できる。しかし、浮遊ブイの場所は一定せず、水面を漂流している。更に、浮遊ブイは検出されやすく、秘密裏の作業には適さない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ＧＰＳを水中のユーザへ効果的に拡張する水中ナビゲーションシステムを提供する。水中ナビゲーションシステムは、海底まで沈むように設計された複数の水中ビーコン装置と、少なくとも１つの浮遊ブイ又は水上装置とを具備する。水上装置は、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信機を含む。水上装置は音響信号を介して水中ビーコン装置と通信する。ビーコン装置及び水上装置は、ナビゲーション補助が必要とされる海域に落とされる。ビーコン装置は直ちに海底まで沈むように設計される。水上装置は、ビーコン装置がビーコン装置の位置を判定するのに十分な長さの時間にわたり海面で浮遊し、その後に海底まで沈む。水上装置が海面で浮遊している間、水上装置はＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、水上装置の位置を判定する。水上装置の位置が確認された後、水上装置はその位置を各水中ビーコン装置へ送信する。ビーコン装置は、水上装置から受信される信号及び／又は他のビーコン装置から受信される信号に基づいてビーコン装置の位置を判定できる。所定の時間の後又は水上装置が所定の数のビーコン装置から位置確認を受信した後、水上装置は沈降する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図面を参照して説明すると、図１は、ダイバー又は水中ビークルに対してナビゲーション補助を実行するための水中ナビゲーションシステム１０を示す。水中ナビゲーションシステム１０は、地球軌道周回衛星１２と通信する少なくとも１つの水上装置２０と、水面下に配置され且つ水上装置２０と通信する複数のビーコン装置５０とを具備する。水上装置２０は、ＧＰＳ衛星１２からのＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信機２６を含む。水上装置２０は、音響信号を使用して水中ビーコン装置５０と通信する。
【０００６】
ビーコン装置５０及び水上装置２０は、ナビゲーション補助が必要とされる海域に落とされる。ビーコン装置５０は直ちに海底まで沈むように設計される。水上装置２０は、ビーコン装置５０が以下に説明されるようにビーコン装置の位置を判定するのに十分な長さの時間にわたり海面で浮遊し、その後海底まで沈む。水上装置２０が海面で浮遊している間、水上装置２０はＧＰＳ衛星１２からのＧＰＳ信号を受信し、水上装置の位置を判定する。水上装置２０の位置が確認された後、水上装置２０はその位置を各ビーコン装置５０へ送信する。そこで、ビーコン装置５０は、１つ以上の水上装置２０から受信される信号に基づいてビーコン装置の位置を判定できる。いくつかの実施形態においては、ビーコン装置５０は、単一の水上装置２０から受信される信号に基づいてビーコン装置の位置を判定してもよい。他の実施形態においては、ビーコン装置５０は複数の水上装置２０から信号を受信してもよい。位置計算を更に精密にするために、ビーコン装置５０は相互間で情報を交換してもよい。ビーコン装置５０の位置が判定された後、ビーコン装置５０はダイバー装置１００に対してナビゲーション補助を実行できる。
【０００７】
図２は、水上装置２０の主な構成要素を示す。水上装置２０は処理回路２２、メモリ２４、ＧＰＳ受信機２６、ソナートランシーバ２８及びリレー３０を具備する。処理回路２２は水上装置２０の動作全般を制御し、ＧＰＳ受信機２６により受信された位置信号を処理し、ソナートランシーバ２８を介してビーコン装置５０へ送信されるべき情報及び制御信号を発生する。処理回路２２は、更に、ビーコン装置５０から受信される情報及び制御信号を処理する。メモリ２４は動作に必要とされるプログラム命令及びデータを格納する。ソナートランシーバ２８はビーコン装置５０との水中通信のために使用される。リレー３０は、ビーコン装置５０がビーコン装置の位置を確定した後に水上装置２０を沈降するために処理回路２２により作動される。例えば、リレー３０の作動により浮揚装置が水上装置２０から離脱し、その結果、水上装置２０が沈んでもよい。あるいは、リレー３０が弁を開放することにより、海水がバラストタンクから溢れ、その結果、水上装置２０が沈んでもよい。
【０００８】
図３は、ビーコン装置５０の主な構成要素を示す。ビーコン装置５０は処理回路５２、メモリ５４及びソナートランシーバ５６を具備する。処理回路５２はビーコン装置５０の動作全般を制御し、水上装置２０、他のビーコン装置５０及びダイバー装置１００から受信される情報及び制御信号を処理する。メモリ５４は動作に必要とされるプログラム命令及びデータを格納する。ソナートランシーバ５６は、水上装置２０、他のビーコン装置５０及びダイバー装置１００との水中通信のために使用される。
【０００９】
ビーコン装置５０が最初に配置されたとき、ビーコン装置５０は海底まで沈んだ後にビーコン装置の位置を判定しなければならない。海底まで沈んでゆく間に、海流がビーコン装置５０を当初の落下海域からかなり離れた場所まで押し流す場合もある。従って、ビーコン装置５０が沈む前にビーコン装置の位置を判定するのは不十分である。先に述べた通り、ビーコン装置５０は、海底に到達した後、１つ以上の水上装置２０とメッセージを交換することによりビーコン装置の位置を判定する。ビーコン装置５０の位置を判定するために、２つの基本的な方式が採用されてもよい。
【００１０】
第１の方式は、ビーコン装置５０から複数の水上装置２０までの距離の計算に基づく。この方法を使用してビーコン装置５０の位置を正確に判定するためには、少なくとも４つの水上装置２０が必要とされる。各水上装置２０はＧＰＳ信号の受信に基づいて水上装置の位置を判定し、その位置をビーコン装置５０へ送信する。各水上装置２０からビーコン装置５０までの距離も判定される。距離は水上装置２０により判定され、ビーコン装置５０へ送信されてもよく、あるいはビーコン装置５０自体により判定されてもよい。水上装置２０からビーコン装置５０までの距離及び水上装置２０の位置に基づいて、ビーコン装置５０は三角測量によりビーコン装置の位置を正確に判定できる。ビーコン装置の位置は、４つの球体それぞれの中心におけるそれらの球体と水上装置２０との交点である。
【００１１】
第２の方式は水上装置２０を１つしか必要としない。第２の方式においては、水上装置２０はＧＰＳ信号の受信に基づいて水上装置の位置を判定し、その位置をビーコン装置５０へ送信する。ビーコン装置５０は水上装置２０に対する方向及び水上装置２０までの距離を判定する。水上装置の位置及び水上装置２０とビーコン装置５０との間のベクトルの知識によって、ビーコン装置５０はその位置を正確に判定できる。
【００１２】
水上装置２０からビーコン装置５０までの距離を判定するために、種々の技術を使用できる。以下に、距離判定方法の３つの例を説明する。本明細書においては、それら３つの方法を到達時間法、進行時間法及び二重音法と呼ぶ。本発明が本明細書中で挙げられる方法に限定されず、距離を判定するために他の方法が使用されてもよいことは当業者には理解されるであろう。
【００１３】
到達時間法は、水上装置２０とビーコン装置５０との間のクロック同期を必要とする。この方法においては、ビーコン装置５０は、それが認知している時間に応答メッセージ送信を水上装置２０に要求するメッセージを水上装置２０へ送出する。要求メッセージ又は応答メッセージは送信時間を指定してもよく、あるいは送信時間はプロトコルにより指定されてもよい。例えば、プロトコルは、水上装置２０のクロックのｍ個の最下位ビットが全て０になった場合にのみ水上装置２０が応答メッセージを送信することを指定してもよい。クロックが同期されるため、ビーコン装置５０は信号の到達時間を使用して、水上装置２０までの距離を計算できる。
【００１４】
進行時間法はクロック同期を必要としない。この方法においては、ビーコン装置５０は水上装置２０へメッセージを送出する。水上装置２０によりメッセージが受信されると、水上装置２０は応答メッセージを生成し、ビーコン装置５０へ送出する。応答メッセージは、第１のメッセージが水上装置２０により受信された時間から応答メッセージが送出された時間までの遅延を示す遅延値を含む。ビーコン装置５０はラウンドトリップ時間及びターンアラウンド遅延を使用して、水上装置２０までの距離を計算してもよい。
【００１５】
二重音法は、異なる周波数で送信された音響信号が水中を異なる速度で進むという事実を利用する。この方法においては、ビーコン装置５０は、二重音信号を送出することを水上装置２０に要求するメッセージを水上装置２０へ送出する。それに応答して、水上装置２０はパワーの等しい２つの明確に異なる音から構成される二重音信号を送信する。各音のパワーは、信号が進む距離の既知の関数として減衰する。音成分ごとの減衰速度がわかれば、ビーコン装置５０は音成分の受信パワーの差に基づいて水上装置２０までの距離を計算できる。
【００１６】
距離計算におけるビーコン装置５０の動作と水上装置２０の動作とを逆にできることが当業者には理解されるであろう。すなわち、水上装置２０がビーコン装置５０までの距離を計算し、その距離をビーコン装置５０へ送信できる。
【００１７】
目標に対する方向を判定するために、ビーコン装置５０のソナートランシーバはソナー変換器のアレイを具備する。水中における信号の進行速度が周知であると仮定すると、ビーコン装置５０は、水上装置２０により送信された信号が各ソナー変換器に到達する時間の差に基づいて水上装置２０に対する方向を計算できる。この技術は、ＧＰＳ受信機がその位置を判定する方法に類似している。
【００１８】
ビーコン装置５０が配置されている間、水上装置２０はマスター装置として機能し、ビーコン装置５０との通信を制御する。ビーコン装置５０は海底まで沈み、水上装置２０により起動されるまで活動しない状態を保つ。水上装置２０は、ビーコン装置５０へ起動コードを送出することにより、一度に１つずつビーコン装置５０を起動してもよい。起動後、ビーコン装置５０は、前述のように水上装置２０と信号を交換することによりビーコン装置の位置を判定する。ビーコン装置５０が位置を判定したならば、ビーコン装置５０は確認メッセージを水上装置２０へ送出してもよい。確認メッセージは、ビーコン装置５０がその位置を判定したことを水上装置２０に示す。その後、ビーコン装置５０がスリープモードに戻るように、水上装置２０は活動停止コードをビーコン装置５０へ送出できる。スリープモードにある場合、ビーコン装置５０の送信機はオフにされるが、ビーコン装置５０は、入力メッセージを監視するために定期的に受信機を起動する。ビーコン装置５０は、起動コードを受信するまで非活動モード又はスリープモードのままである。
【００１９】
ビーコン装置５０の各々から又は最小限の数の一部のビーコン装置５０からの確認メッセージを受信した後、水上装置２０は、水上装置２０を沈降させるか又は自己破壊させる制御信号を発生する。一実施形態においては、制御信号は、水上装置２０の機械系統を制御するリレー３０を起動する。例えば、リレー３０が作動された場合、水上装置２０に装着された浮揚装置が離脱し、その結果、水上装置２０が沈むようにしてもよい。別の実施形態においては、リレー３０が弁を開放し、それによりバラストタンクが水で溢れるようにしてもよい。水上装置２０の沈降又は破壊を引起こすために採用される特定の機構は、本発明の重要な面ではない。水上装置２０を沈降又は破壊するための周知の任意の方法を使用できる。
【００２０】
ビーコン装置５０が配置された後、ダイバー又は潜水船はナビゲーションのためにビーコン装置５０を使用できる。ダイバーは、先に配置されたビーコン装置５０と通信するダイバー装置１００を身に付けている。各ビーコン装置５０は、それ自体の位置を把握しており、ダイバー装置１００へその位置を送信できる。ダイバー装置１００は、ビーコン装置５０の位置を判定するために、ビーコン装置５０の位置を判定する前述の方法も使用できる。この場合、ビーコン装置５０はダイバー装置１００に対して位置基準を提供する。
【００２１】
図４及び図５は、ダイバー装置１００の一例を示す。ダイバー装置１００は、リストバンド１０４に装着された防水筐体１０２を具備する。ダイバー装置１００は、液晶ディスプレイなどの電子ディスプレイ１０６と１つ以上の入力装置１０８とを含む。図４に示される実施形態は、スクロールホイール１１０及びＳＥＮＤ／ＥＮＴＥＲボタン１１２を含む。ジョイスティックコントローラ、キーバッド又はタッチパッドなどの他の入力装置をユーザ入力部として使用できることは当業者により認識されるであろう。更に、ディスプレイ１０６は、ユーザ入力を受信するためのタッチスクリーンディスプレイを具備してもよい。
【００２２】
ディスプレイ１０６の縁部１１４は、例えば、「バディ」、「ビーコン」などのダイバー装置１００の種々の機能を説明する一連のラベル１１６を含む。機能標識１１８は現在選択されている機能を示す。図４では、機能標識１１８は、ログ機能が選択されていることを示す。更に、ユーザに状態情報を提供するために、ディスプレイ１０６は、電源標識１２０及びアラーム標識１２２などの他の状態標識を表示してもよい。スクロールホイール１１０を回し、「ＥＮＴＥＲ／ＳＥＮＤ」ボタン１１２を押すことにより、１つの機能を選択するために機能標識１１８を移動できる。機能の選択によって、ダイバー装置１００の動作モードが変更されてもよい。現在の動作モードに応じて、スクロールホイール１１０及びボタン１１２は異なる動作を実行してもよい。例えば、１つの機能が選択された後、ディスプレイ１０６に提示されたメニューオプション又はリストをスクロールするためにスクロールホイール１１０を使用できる。
【００２３】
状態標識に加えて、ディスプレイ１０６はダイバーが見るための有用な情報を出力するために使用される。本実施形態においては、ディスプレイ１０６は方向標識１２４を表示できる。以下に更に詳細に説明されるように、方向標識１２４は、水中でナビゲーションを実行するために目標に対する方向及び現在の進路を指示するために使用される。図示される実施形態においては、方向標識１２４は、現在の進路を示す第１のポインタ１２６及び目標に対する方向を示す第２のポインタ１２８を示す。ディスプレイ１０６は、ダイバーに対して数値データ及び英数字データを更に表示してもよい。図４に示される実施形態においては、ディスプレイ１０６は目標までの距離（ＤＩＳＴ）（４２０ｍ）、推定途中時間（ＥＴＥ）（６分）、目標の方位（ＢＲＧ）（３３０(）及び現在の進路（３０(）を表示している。現在の水深、現在の時間、現在の温度並びに現在の緯度及び経度などの他の情報、あるいは他の有用な情報も表示される。これらの例は、表示できる全ての情報を網羅することを意図しておらず、表示されてもよい情報の種類を例示しているにすぎない。
【００２４】
図５は、ダイバー装置１００の主な構成要素を示す機能ブロック図である。主な構成要素は、データを処理し且つダイバー装置１００の動作を制御する処理回路１５０と、処理回路１５０により使用されるコード及びデータを格納するメモリ１５２と、ディスプレイ１０６及びユーザ入力装置１０８を含むユーザインタフェース１５４と、通信インタフェース１５６とを具備する。処理回路１５０は１つ以上のプログラマブルプロセッサを具備してもよく、それらのプロセッサは汎用マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ又はそれらの組合せであってもよい。メモリ１５２はダイバー装置１００内部のメモリの階層全てを表しており、複数の別個のメモリ装置であってもよく、あるいは１つ以上のマイクロプロセッサの内部メモリであってもよい。通信インタフェース１５６は、水上で使用するための無線インタフェース１５８と、水中通信のためのソナートランシーバ６０とを具備する。無線インタフェースは、例えば、従来のBLUETOOTH、802.11b又は802.11gインタフェースであってもよい。
【００２５】
ダイバー装置１００は、ビーコン装置５０と通信するために要求／応答信号方式を使用する。トランザクションを開始するために、ダイバー装置１００はビーコン装置５０又は別のダイバー装置１００へ要求メッセージを送出する。要求メッセージに対する返答として、応答メッセージが送出される。１つの要求メッセージへの返答として２つ以上の応答メッセージが送出される場合もある。要求メッセージ及び全ての対応する応答メッセージが１回のトランザクションを構成する。本実施形態においては、ビーコン装置５０は要求メッセージを送出せず、ダイバー装置１００からの要求メッセージへの返答として応答メッセージを送出するのみである。ビーコン装置５０と複数のダイバー装置１００との通信を可能にするために、周波数分割多元接続、時分割多元接続又は符号分割多元接続などの多元接続方式が使用されてもよい。
【００２６】
ダイバー装置１００がその位置を判定する必要がある場合、ビーコン装置５０との通信を開始するために、ダイバー装置１００は起動コードを含む要求メッセージをビーコン装置５０へ送出する。無許可のユーザがビーコン装置５０を起動するのを防止するために、起動コードは暗号化されてもよい。ダイバー装置１００は２つ以上のビーコン装置５０との通信を開始してもよい。起動された後、ビーコン装置５０は応答メッセージを送出する。その後、ナビゲーション補助を得るために、ダイバー装置１００はビーコン装置５０へ要求メッセージを送出できる。要求メッセージの用途は、例えば、ビーコン装置５０とクロックを同期すること又は場所を確認することを含む。ビーコン装置５０は、一度起動されると、ダイバー装置１００からの動作停止コードを受信するまで又は通信が実行されないまま所定の時間が経過するまで起動状態のままである。活動状態又は起動状態にある間、ビーコン装置５０は要求メッセージを受信し、それに応答する。更に、ビーコン装置５０へ明示的な要求メッセージを送出する必要なくダイバー装置１００がダイバー装置の位置を定期的に更新できるように、ビーコン装置５０は活動状態にある間に周期信号を送信してもよい。例えば、ビーコン装置５０は、周期メッセージが送信された時間を示すタイムスタンプを含む周期メッセージを定期的に送信してもよい。ダイバー装置のクロックがビーコン装置のクロックと同期されている場合、ダイバー装置１００は周期メッセージを使用して、ビーコン装置５０までの距離を判定できる。また、ビーコン装置５０に対する方向を判定するために周期メッセージを使用できる。ダイバー装置のクロックが同期されていない場合には、ダイバー装置１００が音周波数の受信パワーにより距離を判定できるように、周期メッセージは二重音信号であってもよい。
【００２７】
一実施形態においては、同一の周波数を使用して複数のダイバー装置１００がビーコン装置５０と通信できるようにするために、時分割多元接続方式が使用される。ＴＤＭＡは、データを送信及び／又は受信するために使用される複数の順次タイムスロットに通信スペクトルを分割する。装置は、それに割当てられたタイムスロットにおいてのみ送信及び／又は受信する。反復しないタイムスロットの集合が１つのフレームを構成する。通常、１つのフレームは固定長である。本発明においては、フレームは、ダイバー装置１００とビーコン装置５０との間の伝播遅延に適応する可変長フレームである。
【００２８】
図６は、ｎ個のダイバー装置１００に適応するＴＤＭＡフレームのフレーム構造を示す。ダイバー装置１００の数をｎとするとき、フレームはそれぞれ２０ｍｓｅｃの持続時間を有する２ｎ個のスロットに分割される。１つのダイバー装置１００はマスターダイバー装置１００として指定され、通信を制御する。マスター装置は、例えば、最大又は最小の装置ＩＤを有する装置を選択することにより選択されてもよい。マスターダイバー装置１００は他のダイバー装置１００にタイムスロットを割当てる。フレーム中の初めの２つのタイムスロットはマスターダイバー装置１００のために予約される。各ダイバー装置１００は割当てられたタイムスロットの使用を制御する。ダイバー装置１００は、ビーコン装置５０又は他のダイバー装置１００へ要求メッセージを送信するために第１のタイムスロットを使用し、ビーコン装置５０又は他のダイバー装置１００からの応答メッセージを受信するために第２のタイムスロットを使用してもよい。
【００２９】
図６は、スロットフォーマットを更に示す。各タイムスロットの中には、タイムスロットの最初と最後にガードバンドが存在する。伝播遅延によって、１つのダイバー装置の送信が別のダイバー装置１００のタイムスロットと重なり合う事態が起こりうることは当業者により認識されるであろう。ガードバンドは伝播遅延による信号重複を十分考慮した幅であるのが好ましい。各タイムスロットの残り時間は、メッセージデータを送信するために使用される。本発明の一実施形態においては、各タイムスロットは１つのメッセージを送信又は受信するために使用される。しかし、メッセージの持続時間がスロット周期と比較して短い場合には、１つのタイムスロットで複数のメッセージを送信できることは当業者により理解されるであろう。逆に、メッセージの長さがスロット期間を超える場合には、メッセージは分割され、複数のスロットにまたがって送信される。
【００３０】
メッセージフォーマットの一例を図７に示す。メッセージはメッセージヘッダ及びメッセージ本体を含む。メッセージヘッダは同期語（８ビット）、コマンド（８ビット）、宛先アドレス（３２ビット）及び発信元アドレス（３２ビット）を含む。同期語は、メッセージの開始を示すために使用される周知のビットパターンである。コマンド要素は受信側装置に対してメッセージの型を示す。メッセージが複数のタイムスロットにまたがる場合、コマンド要素は、現在のスロットに含まれるメッセージデータが先のスロットにおいて送信されたメッセージの続きであるか否かを示すために使用される。宛先アドレスはメッセージの指定受信者を示す。発信元アドレス要素はメッセージの送信者を示す。
【００３１】
図６に示されるように、ダイバー装置１００は所定のシーケンスで送信する。本実施形態においては、ダイバー装置１００のみにスロットが割当てられている。ビーコン装置５０は、ダイバー装置１００からメッセージを受信した後、ダイバー装置にのみ応答して第２のスロットで送信する。他の実施形態においては、ビーコン装置にもスロットが割当てられ、ビーコン装置はダイバー装置１００との通信を開始できる。通信が開始される前、マスターダイバー装置１００は送信順序を確定し、他のダイバー装置１００にシーケンス中の場所を通知する。初期設定手続き中、マスターダイバー装置１００は、シーケンス中の先行するダイバー装置１００を識別する初期設定メッセージを他のダイバー装置１００へ送信する。他のダイバー装置１００は初期設定メッセージを確認する。通常の動作中、各ダイバー装置１００は、スロット１を使用して送信されたメッセージの発信元アドレス要素により判定できる先行ダイバー装置１００のアドレスと、スロット２を使用するメッセージの発信元アドレス又は宛先アドレスとをリスンする。
【００３２】
連続して送信する２つのダイバー装置１００の間で信号を阻止する障害が存在する場合、問題が起こることがある。この状況においては、第２のダイバー装置１００は第１のダイバー装置１００からの通信を「リスン」できなくなる可能性がある。その結果の１つは、第２のダイバー装置１００が送信しないことによる通信の停滞である。この状況においては、所定の期間内に信号が検出されない場合、マスターダイバー装置１００は送信シーケンスを再開してもよい。通信が停滞し続ける場合には、マスターダイバー装置１００は送信順序を変更するために初期設定手順を呼出すことができる。送信順序の変更によって問題が解決されないのであれば、通信を停滞させているダイバー装置１００を送信シーケンスから脱落させることができる。
【００３３】
ダイバー装置１００とビーコン装置５０との水中通信はソナー周波数で起こる。本実施形態においては、搬送周波数は２００ｋＨｚであり、ビット周期は．０６ｍｓｅｃ（６０μｓｅｃ）である。これにより、約１６．６７ｋｂｐｓのデータ送信速度が可能になる。メッセージは合わせて１１２ビットから構成される。すなわち、メッセージを送信するのに６．７２ｍｓｅｃを要する。
【００３４】
図８は、データがどのように搬送周波数に変調されるかを示す。図８は、クロック信号、データ信号及び変調信号を示す。クロック信号は、ビット周期に等しい６０μｓｅｃの周期を有する。データ信号は、送信される２進データを表現する。変調信号は、クロック信号と同一の周波数のパルス列から構成される。変調信号における所定の１つのパルスのパルス幅はデータ信号の状態により判定される。データ信号がローである場合、「０」ビットを示すために相対的に短いパルスが発生される。逆に、データ信号がハイである場合には、「１」ビットを示すために相対的に長いパルスが発生される。本実施形態においては、０ビットを示す短いパルスの持続時間は１５μｓｅｃであり、１ビットを示す長いパルスは４５μｓｅｃである。搬送波を変調するためにオン／オフキーイングが使用される。変調信号がハイである場合、搬送波はターンオンされ、変調信号がローである場合には、搬送波はターンオフされる。受信機は、信号を検出するためにパルスの立上がり端を検出してから３７μｓｅｃの後に信号をサンプリングする。別の実施形態においては、送信機におけるクロックレートの変化を補正するために、立上がり端の検出後に可変サンプリング時間が使用されてもよい。特に、受信装置は、送信機クロックの周期を判定するために受信信号中のパルスの立上がり端の間の時間を測定し、それに従ってサンプリング時間を調整してもよい。クロック周期の測定は、同期語が送信されているときに実行されてもよい。一実施形態においては、サンプリング時間Ｔｓは、送信クロック周期に．６２５を乗算することにより判定される。
【００３５】
言うまでもなく、本発明は、本発明の範囲及び本質的特徴から逸脱することなく本明細書中で説明された方法以外の他の特定の方法で実施されてもよい。従って、上述の実施形態は、あらゆる面において例示であり、限定的な意味を持たないと考えられるべきであり、添付の請求の範囲の趣旨及び等価性の範囲内に入る全ての変更は本発明に包含されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明に係る水中ナビゲーションシステムの一実施形態を示す図である。
【図２】図２は、水中ナビゲーションシステムの水上装置の一例を示す図である。
【図３】図３は、水中ナビゲーションシステムのビーコン装置の一例を示す図である。
【図４】図４は、水中ナビゲーションシステムのダイバー装置の一例を示す図である。
【図５】図５は、水中ナビゲーションシステムのダイバー装置の一例を示す図である。
【図６】図６は、水中通信のための時分割多元接続方式の一例を示す図である。
【図７】図７は、水中通信のためのメッセージフォーマットの一例を示す図である。
【図８】図８は、水中通信のための変調方式の一例を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配置された場合に水面で浮遊する水上装置を備える水中ナビゲーションシステムであって、前記水上装置は、
地球軌道周回衛星からナビゲーション信号を受信する受信機と、
複数の水中ビーコン装置とに通信し、前記水中ビーコン装置へ位置情報を送信するソナートランシーバと、
前記ナビゲーション信号に基づいて前記水上装置の位置を判定し、１つ以上のビーコン装置へ位置情報を送信した後に前記水上装置を沈降又は破壊するための制御信号を生成する処理回路と、
配置された場合に海底まで沈降する複数のビーコン装置とを含み、前記ビーコン装置の各々は、
前記水上装置から受信される位置情報に基づいて前記ビーコン装置の位置を判定する処理回路と、
前記水上装置が水面に浮遊している間に前記水上装置から前記位置情報を受信し、ダイバー装置に対してナビゲーション補助を提供するために前記ダイバー装置へ位置情報を送信するソナートランシーバと、を含むことを特徴とする水中ナビゲーションシステム。
【請求項２】
前記受信機は全地球即位システム受信機を備えることを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項３】
前記水上装置は、前記処理回路からの前記制御信号に応答して、前記水上装置を沈降又は破壊するリレーを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項４】
各ビーコン装置は、少なくとも１つの水上装置から前記ビーコン装置までの距離に基づいて位置を判定することを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項５】
各ビーコン装置は、複数の水上装置から前記ビーコン装置までの距離に基づいて三角測量により位置を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項６】
各ビーコン装置は、少なくとも１つの水上装置からの前記ビーコン装置の方向及び距離に基づいて位置を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項７】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の到達時間に基づいて前記水上装置からの距離を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項８】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の進行時間に基づいて前記水上装置からの距離を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項９】
前記ビーコン装置は、二重音信号の受信パワーに基づいて前記水上装置からの距離を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１０】
前記ビーコン装置は複数のソナー変換器を含み、前記処理回路は、前記水上装置により送信される信号が前記複数のソナー変換器に到達する時間の差に基づいて前記水上装置に対する方向を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１１】
前記ビーコン装置は非活動動作モード及び活動動作モードを含むことを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１２】
前記ビーコン装置は、起動コードの受信に応答して非活動動作モードから活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項１１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１３】
前記ビーコン装置は、活動停止コードの受信に応答して活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項１１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１４】
前記ビーコン装置は、通信を受信せずに所定の時間が経過した後に活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項１１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１５】
水中ナビゲーションの方法であって、
水面に浮遊する水上装置により地球軌道周回衛星からのナビゲーション信号を受信する工程と、
前記水上装置のオンボード処理回路により前記水上装置の位置を判定する工程と、
前記水上装置から水中ビーコン装置へ位置情報を送信する工程と、
前記水中ビーコン装置へ位置情報を送信した後に前記水上装置を沈降又は破壊する工程と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記ビーコン装置において前記水上装置により送信された位置情報を受信する工程と、
前記水上装置から受信された位置情報に基づいて前記ビーコン装置の位置を判定する工程と、
ダイバー装置に対してナビゲーション補助を提供するために前記ダイバー装置へ位置情報を送信する工程と、を更に備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ビーコン装置は、前記ビーコン装置から前記水上装置までの距離に基づいて前記ビーコン装置の位置を判定することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ビーコン装置は、当該ビーコン装置から複数の水上装置までの距離に基づいて当該ビーコン装置の位置を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ビーコン装置は、前記水上装置に対する方向及び前記水上装置までの距離に基づいて当該ビーコン装置の位置を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の到達時間に基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の進行時間に基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記ビーコン装置は、二重音信号の受信パワーに基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信された信号が前記ビーコン装置に配置された前記複数のソナー変換器に到達する時間の差に基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記ビーコン装置は非活動動作モードと活動動作モードとの間で切替わることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ビーコン装置は、起動コードの受信に応答して非活動動作モードから活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ビーコン装置は、活動停止コードの受信に応答して活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ビーコン装置は、通信を受信せずに所定の時間が経過した後に活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記ビーコン装置は、当該ビーコン装置の位置を判定するために、前記水上装置から受信される情報に加えて別のビーコン装置から受信される情報を更に使用することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記水上装置はビーコン装置の位置を計算し、当該位置を前記ビーコン装置へ送信することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１】
配置された場合に水面で浮遊する水上装置を備える水中ナビゲーションシステムであって、前記水上装置は、
地球軌道周回衛星からナビゲーション信号を受信する受信機と、
複数の水中ビーコン装置とに通信し、前記水中ビーコン装置へ位置情報を送信するソナートランシーバと、
前記ナビゲーション信号に基づいて前記水上装置の位置を判定し、１つ以上のビーコン装置へ位置情報を送信した後に前記水上装置を沈降又は破壊するための制御信号を生成する処理回路と、
配置された場合に海底まで沈降する複数のビーコン装置とを含み、前記ビーコン装置の各々は、
前記水上装置から受信される位置情報に基づいて前記ビーコン装置の位置を判定する処理回路と、
前記水上装置が水面に浮遊している間に前記水上装置から前記位置情報を受信し、ダイバー装置に対してナビゲーション補助を提供するために前記ダイバー装置へ位置情報を送信するソナートランシーバと、を含むことを特徴とする水中ナビゲーションシステム。
【請求項２】
前記受信機は全地球即位システム受信機を備えることを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項３】
前記水上装置は、前記処理回路からの前記制御信号に応答して、前記水上装置を沈降又は破壊するリレーを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項４】
各ビーコン装置は、少なくとも１つの水上装置から前記ビーコン装置までの距離に基づいて位置を判定することを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項５】
各ビーコン装置は、複数の水上装置から前記ビーコン装置までの距離に基づいて三角測量により位置を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項６】
各ビーコン装置は、少なくとも１つの水上装置からの前記ビーコン装置の方向及び距離に基づいて位置を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項７】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の到達時間に基づいて前記水上装置からの距離を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項８】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の進行時間に基づいて前記水上装置からの距離を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項９】
前記ビーコン装置は、二重音信号の受信パワーに基づいて前記水上装置からの距離を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１０】
前記ビーコン装置は複数のソナー変換器を含み、前記処理回路は、前記水上装置により送信される信号が前記複数のソナー変換器に到達する時間の差に基づいて前記水上装置に対する方向を判定することを特徴とする請求項４に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１１】
前記ビーコン装置は非活動動作モード及び活動動作モードを含むことを特徴とする請求項１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１２】
前記ビーコン装置は、起動コードの受信に応答して非活動動作モードから活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項１１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１３】
前記ビーコン装置は、活動停止コードの受信に応答して活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項１１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１４】
前記ビーコン装置は、通信を受信せずに所定の時間が経過した後に活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項１１に記載の水中ナビゲーションシステム。
【請求項１５】
水中ナビゲーションの方法であって、
水面に浮遊する水上装置により地球軌道周回衛星からのナビゲーション信号を受信する工程と、
前記水上装置のオンボード処理回路により前記水上装置の位置を判定する工程と、
前記水上装置から水中ビーコン装置へ位置情報を送信する工程と、
前記水中ビーコン装置へ位置情報を送信した後に前記水上装置を沈降又は破壊する工程と、を備えることを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記ビーコン装置において前記水上装置により送信された位置情報を受信する工程と、
前記水上装置から受信された位置情報に基づいて前記ビーコン装置の位置を判定する工程と、
ダイバー装置に対してナビゲーション補助を提供するために前記ダイバー装置へ位置情報を送信する工程と、を更に備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ビーコン装置は、前記ビーコン装置から前記水上装置までの距離に基づいて前記ビーコン装置の位置を判定することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ビーコン装置は、当該ビーコン装置から複数の水上装置までの距離に基づいて当該ビーコン装置の位置を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ビーコン装置は、前記水上装置に対する方向及び前記水上装置までの距離に基づいて当該ビーコン装置の位置を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の到達時間に基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信される信号の進行時間に基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記ビーコン装置は、二重音信号の受信パワーに基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記ビーコン装置は、前記水上装置により送信された信号が前記ビーコン装置に配置された前記複数のソナー変換器に到達する時間の差に基づいて前記水上装置までの距離を判定することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記ビーコン装置は非活動動作モードと活動動作モードとの間で切替わることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ビーコン装置は、起動コードの受信に応答して非活動動作モードから活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ビーコン装置は、活動停止コードの受信に応答して活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ビーコン装置は、通信を受信せずに所定の時間が経過した後に活動動作モードから非活動動作モードに切替わることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記ビーコン装置は、当該ビーコン装置の位置を判定するために、前記水上装置から受信される情報に加えて別のビーコン装置から受信される情報を更に使用することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記水上装置はビーコン装置の位置を計算し、当該位置を前記ビーコン装置へ送信することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００９−５０１３４３（Ｐ２００９−５０１３４３Ａ）
【公表日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２１５５４（Ｐ２００８−５２１５５４）
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２７００５
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０１１５９９
【国際公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（５０７４１６３１１）
【氏名又は名称原語表記】ＢＡＳＩＬＩＣＯ， Ａｌｂｅｒｔ， Ｒ．
【住所又は居所原語表記】１４０２５ Ｂｉｎｇｈａｍ Ｄｒｉｖｅ， Ｒａｌｉｅｇｈ， Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ２７６１４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２７００５
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０１１５９９
【国際公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
【出願人】（５０７４１６３１１）
【氏名又は名称原語表記】ＢＡＳＩＬＩＣＯ， Ａｌｂｅｒｔ， Ｒ．
【住所又は居所原語表記】１４０２５ Ｂｉｎｇｈａｍ Ｄｒｉｖｅ， Ｒａｌｉｅｇｈ， Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ ２７６１４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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