短基線音響測位システム

短基線（SBL）音響測位システム^[1]は、水中車両やダイバーを追跡するために使用される水中音響測位システムの 3 つの大まかなクラスの 1 つです。他の 2 つのクラスは、超短基線システム（USBL）と長基線システム（LBL）です。USBL システムと同様に、SBL システムは海底に取り付けられたトランスポンダーや機器を必要としないため、停泊中または航行中のボートや船舶から水中のターゲットを追跡するのに適しています。ただし、固定精度を提供する USBL システムとは異なり、SBL の測位精度はトランスデューサーの間隔に応じて向上します。^[2]そのため、大型船舶やドックから操作する場合など、スペースが許せば、SBL システムは海底に取り付けられた LBL システムと同様の精度と位置の堅牢性を実現できるため、高精度の調査作業に適したシステムになります。トランスデューサーの間隔が限られている小型船舶から操作する場合（つまり、基線が短い場合）、SBL システムの精度は低下します。

ショート ベースライン システムは、ROV などの追跡対象の位置を、たとえば追跡操作が行われる水上船の側面に下げられた 3 つ以上のトランスデューサーから対象までの距離を測定することによって特定します。これらの距離測定は、圧力センサーからの深度データによって補完されることが多く、対象の位置を三角測量するために使用されます。図 1 では、ベースライン トランスデューサー (A) が信号を送信し、追跡対象のトランスポンダー (B) がこれを受信します。トランスポンダーが応答し、その応答が 3 つのベースライン トランスデューサー (A、C、D) によって受信されます。信号実行時間測定によって、距離 BA、BC、および BD が得られます。結果として得られる対象の位置は、常にベースライン トランスデューサーの位置を基準とします。移動中のボートから追跡を行うが、対象の位置を緯度/経度または UTM などの地球座標で知る必要がある場合は、SBL 測位システムをボートに搭載された GPS 受信機および電子コンパスと組み合わせます。これらの機器はボートの位置と方向を判定し、SBL システムからの相対位置データと組み合わせて、追跡対象の位置を地球座標で確定します。

ショートベースラインシステムという名前は、ベースライントランスデューサーの間隔（例えばボート上）が、ロボット車両やボートから遠く離れた場所にいるダイバーなどのターゲットまでの距離よりもはるかに短いことに由来しています^[3] 他の音響測位システムと同様に、ベースラインが大きいほど測位精度が向上します。SBLシステムは、トランスデューサーの間隔を調整して最良の結果を得るというこの概念を活用しています^[4]トランスデューサーの間隔を大きくできる大型船、ドック、海氷から操作する場合、SBLシステムは海底に設置されたLBLシステムに迫る測位精度と堅牢性を実現できます。

SBL システムは、さまざまな、多くの場合特殊な用途で使用されています。おそらく、水中音響測位システムの最初の実装は、米国海軍の海洋調査船USNS Mizarに搭載された SBL システムでした。1963 年、このシステムは、潜水艇Trieste 1 を米国の原子力潜水艦USS Thresherの残骸現場まで誘導しました。しかし、パフォーマンスはまだ非常に低く、Trieste 1 による 10 回の捜索潜水のうち、残骸を目視で確認できたのは 1 回だけでした。

ウッズホール海洋研究所は、SHARPS SBL システムを使用して、JASON テザー深海ロボット車両を、車両に付属する MEDEA減圧器とドッキング ステーションに対して誘導しています。両方の車両を水面から測位システムで追跡するのではなく、SBL ベースライン トランスデューサーを MEDEA に取り付けます。これにより、システムの展開深度に関係なく、JASON と MEDEA の相対的な位置を良好な精度で算出できます。報告されている精度は 0.09 m です^[5]

SBLシステムは、小型ROVやその他の海中車両や機器の位置決めにも市販されています。^[6]

SBL 技術の一例が現在 (2007 年以降) 南極で進行中で、モス ランディング海洋研究所が PILOT SBL システムを使用して SCINI 遠隔操作車両を誘導しています。SCINI (図 2) は、ヒールド島、エバンス岬、セイルズ湾など南極周辺の遠隔地に迅速かつ簡単に展開および探査できるように設計された、小型の魚雷型係留車両 ( ROV )です。SCINI システムは、ヘリコプター、無限軌道車両、さらには人が牽引するそりによる迅速な展開を容易にするために、小型で軽量に設計されています。現場に到着すると、魚雷型の本体により、海氷にドリルで開けた小さな穴 (直径 20 cm) から海にアクセスできます。しかし、このミッションの科学的目標^[7]では、10メートルのビデオトランセクト（直線）の実行、底生生物の分布と個体群密度を記録するための静止画像の正確な位置の提供、さらなる調査のために場所をマークして再訪問するなどのタスクをサポートするために、ナビゲーションに高い精度が求められています。

SBL ナビゲーション システム (図 3) は、ケーブルでコントロール ボックス (D) に接続された 3 つの小型の 5 cm 直径ソナー ベースライン トランスデューサー (A、B、C) で構成されています。小型 (長さ 13.5 cm x 奥行き 4 cm) の円筒形トランスポンダーが SCINI 車両に搭載されています。平らな海氷を利用してベースライン トランスデューサーを十分な間隔 (ほとんどの SCINI 展開で約 35 m) で配置することで精度が最適化されます。

図 4 は、SBL システムによって誘導される SCINI 操作を概観しています。図 4A は即席の ROV 制御室で、この場合はケープ アーミテージの氷の穴の上に引き上げられたキャビンにあります。ディスプレイは左から、ROV 制御画面 (A)、メイン カメラ ビュー (B)、ナビゲーション画面 (C)、科学ディスプレイ (D) です。ROV パイロットは通常、メイン カメラ ビューを監視します。パイロットは、方向を確認したり、科学者が指示した場所に ROV を誘導したりするために、現在の ROV の位置とトラックがチャート上に重ねて表示されるナビゲーション画面 (C) をちらっと見ます。右側に座っている科学者には、科学ディスプレイ (D) が提供されます。これは、ROV 画像と位置、深度、および時間データをリアルタイムで組み合わせます。科学者は、データのコンテキストを提供したり、興味のあるオブジェクトやイベントを書き留めたり、ビデオ トランセクトの開始または終了を指定したりするために、コンピューターに手書きまたは音声で観察結果を入力

サイトの典型的な調査は、初期調査、静止画像の取得、ビデオトランセクトなどのタスクが徐々に完了するため、数回のダイビングにまたがります。これらのダイビングシリーズの重要な要素は、以前のダイビングの探索範囲を示し、次のダイビングで以前に訪問していないエリアをターゲットにできるようにすることです。これは、ダイビングサイトの累積カバレッジプロットを作成することによって行われます (図 4C)。ダイビングのたびに更新されるプロットは、ナビゲーション画面の背景マップとして表示され、進行中のダイビングのガイドとなります。以前の ROV トラックが、深度を示す色とともに表示されます。ここに表示されるトラック データを分析すると、測定の誤差範囲を提供するための位置決めの品質が得られます。この場合、一般的な精度は 0.54 m に設定されています。

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  図3: ケープエバンスにおけるSBL測位システムの展開。ベースラインソナートランスデューサー（A、B、C）の間隔を最大化し、正三角形に配置することで最高の精度が得られます。
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  図4A: ROV制御(A)、メインカメラビュー(B)、SBLナビゲーションディスプレイ(C)、画像注釈または科学画面(D)用の4つのディスプレイ画面を備えたSCINI制御室
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  図4B: 画像、関連する位置、時間、科学者の観察または発言が1つの記録にまとめられている
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  図4C: ケープアーミテージにおけるSCINIの複数回の潜水によるサイトカバレッジプロット。色付きの点は、潜水艇の深度コード化された位置トレースです。