水中音響測位システム

水中音響測位システム^{[ 1 ] [ 2 ]}は、音響距離および/または方向測定とそれに続く位置三角測量によって水中車両またはダイバーを追跡および航行するためのシステムです。水中音響測位システムは、石油およびガス探査、海洋科学、サルベージ作業、海洋考古学、法執行および軍事活動など、さまざまな水中作業で一般的に使用されています。

音響測位システムの一般的な動作方法は、 ROV用の長基線（LBL）測位システムの例で説明されています^{[ 3 ]。}

ベースラインステーションの設置と調査

音響測位システムは、運用前に設置する必要のあるベースラインステーションのフレームワークに対する相対位置を測定します。ロングベースライン（LBL）システムの場合、3つ以上のベースライントランスポンダのセットが海底に設置されます。ベースライントランスポンダの位置は、互いの位置関係またはグローバル座標で正確に測定する必要があります。一部のシステムは、自動音響自己調査によってこの作業を支援し、他のシステムでは、各ベースライントランスポンダの設置時または設置後にGPSを使用して位置を確立します。 ^{[ 3 ]}

水中音響測位システムは一般的に3つの大まかなタイプまたはクラスに分類されます^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。}

ロングベースライン（LBL）システムは、海底ベースライントランスポンダネットワークを使用します。トランスポンダは通常、作業現場の隅に設置されます。LBLシステムは、一般的に1mより優れ、場合によっては0.01mという非常に高い精度と非常に堅牢な位置情報を提供します^{[ 7 ] [ 8 ]。}これは、トランスポンダが作業現場自体（つまり海底）の基準フレームに設置されていること、トランスポンダの間隔が広いため位置計算に理想的な形状になること、そしてLBLシステムが（潜在的に遠い）海面への音響経路なしで動作することによるものです。

超短基線（USBL）システム および関連する超短基線（SSBL）システムは、小型（例えば、 幅230 mm）で密接に統合されたトランスデューサアレイに依存しており、これは通常、水上船舶の側面または場合によっては底面に設置された、頑丈で剛性のあるトランスデューサポールの先端に取り付けられます。^{[ 9 ] [ 10 ]}複数の距離を測定することによって位置を決定するLBLおよびSBLシステムとは異なり、USBLトランスデューサアレイは、信号実行時間を使用してトランスデューサポールからのターゲット距離を測定し、トランスデューサアレイの個々の要素によって観測される応答信号の位相シフトを測定することによってターゲットの方向を測定するために使用されます。距離と方向の組み合わせにより、追跡対象の位置が水上船舶に対して固定されます。GPS、ジャイロまたは電子コンパス、垂直基準ユニットなどの追加のセンサーは、水上船舶とそのトランスデューサポールの位置と向き（ピッチ、ロール、ベアリング）の変化を補償するために使用されます。USBLシステムの利点は、海底トランスポンダアレイを必要としないことです。欠点としては、測位精度と堅牢性がLBLシステムほど高くないことが挙げられます。その理由は、USBLシステムでは固定角度でしか測位できないため、距離が離れるほど位置誤差が大きくなるからです。また、USBLトランスデューサの極位置と方位補正に必要な複数のセンサーも、それぞれ追加の誤差を生じさせます。さらに、水中音響環境の不均一性により信号の屈折と反射が発生し、LBL方式の場合よりもUSBL測位に大きな影響を与えます。

短基線 (SBL) システムは、中央制御ボックスにワイヤで接続された 3 個以上の個別のソナー トランスデューサで構成される基線を使用します。精度は、トランスデューサの間隔と取り付け方法に依存します。大型作業バージから作業する場合や、ドックやその他の固定プラットフォームから作業する場合のように、間隔が広い場合は、LBL システムと同様の性能を発揮します。トランスデューサの間隔が狭い小型ボートから作業する場合は、精度が低下します。USBL システムと同様に、SBL システムはボートや船によく取り付けられますが、特殊な展開方法も一般的です。たとえば、ウッズホール海洋研究所は、 SBL システムを使用して、関連するMEDEA減圧ウェイトに対するJason深海 ROV の位置を特定し、9 cmの精度を報告しています^{[ 11 ] 。} 

GPSインテリジェントブイ（GIB）システムは、トランスデューサをGPSで自己位置決めする浮遊ブイに置き換えた逆LBLデバイスです。追跡位置は、水中デバイスから送信されブイによって取得された音響信号の到着時間（TOA）から水面でリアルタイムに計算されます。このような構成により、LBLシステムと同様の精度で、迅速かつ校正不要の展開が可能になります。LBL、SBL、USBLシステムとは反対に、GIBシステムはエミッターからブイへの一方向の音響信号を使用するため、水面や壁面の反射の影響を受けにくくなっています。GIBシステムは、AUV、魚雷、ダイバーの追跡に使用され、航空機のブラックボックスの位置特定に使用でき、兵器の試験や訓練目的で不活性または実弾の兵器の着弾座標を決定するために使用できます^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]。}

水中音響測位システムの初期の用途で、現代のシステムの開発のきっかけとなったとされる事例^{[ 15 ]}は、1963年4月10日に水深2560mで沈没したアメリカの原子力潜水艦USS Thresherの喪失に関するものであった^{[ 16 ]} 。音響短基線（SBL）測位システムが海洋調査船USNS Mizar に設置された。このシステムは、深海潜水艇Trieste 1を沈没現場まで誘導するために使用された。しかし、当時の技術水準は依然として低く、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回だけであった^{[ 17 ]} 。音響測位は1966年にも再び使用され、スペイン沖の海上でB-52爆撃機が墜落した際に失われた核爆弾の捜索と回収に役立てられた。

^{1970年代には、より深い海域での石油・ガス探査では、地震計器[ 18 ]}によって先に参照した正確な位置にドリルストリングを配置し、その他の水中建設作業を行うために、水中位置決め精度の向上が必要とされた。

この技術は他の用途にも使われた。1998年、サルベージ業者ポール・ティドウェルの会社ケープ・ベルデ・エクスプロレーションズは、大西洋中部にある第二次世界大戦中の日本の貨物潜水艦I-52の沈没現場への探査を率いた。 ^{[ 19 ]}水深5240メートルに沈んでいるこの潜水艦は、1995年にサイドスキャンソナーと水中曳航そりを使って発見され、その後特定された。戦時中の記録によると、I-52はドイツに向かっており、49個の金属製の箱に146個の金塊を含む貨物を積んでいた。ティドウェルの会社は、ロシアの海洋調査船アカデミック・ムスティスラフ・ケルディシュ号と、その2隻の有人深海潜水艇MIR-1とMIR-2をチャーターした。残骸地帯を正確な航行で横断し、徹底的な捜索を確実にするため、MIR-1は最初の潜水で長基線トランスポンダネットワークを展開した。各潜水艇による7回の潜水を通して、残骸地帯は段階的に捜索された。LBLの測位記録は、潜水ごとに捜索範囲が拡大していることを示しており、チームは次の潜水で未捜索区域に集中することができた。金は発見されなかったが、測位システムは捜索範囲を記録していた。

近年、水中音響測位においていくつかのトレンドが出現している。その一つは、LBLとUSBLを組み合わせたいわゆるLUSBL ^{[ 20 ]}構成のような複合システムの導入で、性能が向上している。これらのシステムは、一般的にオフショア石油・ガス部門やその他のハイエンド用途で使用されている。もう一つのトレンドは、さまざまな特殊な目的に合わせた、コンパクトでタスク最適化されたシステムの導入である。例えば、カリフォルニア州魚類野生生物局は、トロール中に魚類サンプリングネットの開口面積と形状を継続的に測定するシステムを導入した。この情報は、同局がサクラメント川デルタの魚類資源評価の精度を向上させるのに役立っている。

Apple Watch UltraやGarmin Descentのような防水スマートデバイスは、ダイブコンピュータとして機能するように導入されました。これらのデバイスには深度計センサーがあり、深度データを使用して、ダイビングプロファイルと、高速浮上や減圧停止に対する安全アラートを提供します。2023年、ワシントン大学の研究者は、ブイなどのインフラストラクチャのサポートを必要としない、これらのスマートデバイス向けの第4のクラスの3D水中測位を実証しました。^{[ 21 ]代わりに、ダイバーデバイスのネットワーク間のペアワイズ距離を計算して結果として得られるネットワークトポロジの形状を決定する分散型位置特定技術[ 22 ]}を使用します。これをこれらのデバイスからの深度センサーデータと組み合わせることで、リードダイバーは他のすべてのダイバーデバイスの相対的な3D位置を計算できます。

• サフラン・エレクトロニクス＆ディフェンス海軍ソリューションズ
• IXBLUE 海底ナビゲーションおよび測位システム(2015年7月2日にWayback Machineにアーカイブ)
• ACSA水中GPS