地 学 雑 誌
Journal of Geography 110(4) 529 - 543 2001
熊 野 トラフにおける長期地殻変動観測技 術の高度化
浅 田 昭* 矢 吹 哲 一 朗**
Progress in the Long-term Seafloor Geodesy on the Kumano Trough Akira ASADA * and Tetsuichiro YABUKI * *
Abstract
With a view toward understanding the mechanism of interplate earthquakes at subduction plate boundaries around Japan, remarkable progress was made in the long-term observation system of seafloor crustal deformation. The method for the seafloor geodesy has been exploited in order to overcome several difficulties. The position of the sea-bottom transponders on the Kumano Trough was repeatedly observed using a GPS/Acoustic measurement system in May and August 2000. Early results from processed data show about 2 cm differences between May and August with a scatter of 4 to 10 cm in horizontal positioning. This paper describes techniques developed to realize precise acoustic ranging, automatically detecting and correcting the Doppler shift of acoustic propagation signal due to ship's drifting and attitude motion, and theoretically forming a pulse of one wavelength in cross correlation between transmission and reception of long-coded signals. Furthermore, by using GPS surface positioning, acoustic ranging and sound speed profiling data , the temporal changes of sound speed profile were estimated with sufficient accuracy for acoustic positioning .
Key words : seafloor geodesy, crustal deformation, GPS, acoustic ranging キ ー ワ ー ド : 海 底 測 地, 地 殻 変 動, GPS, 音 響 測 距 I . は じ め に 海 底 音 響 基 準 点 ネ ッ トワ ー ク の 構 築 と そ れ を 利 用 し た 海 底 地 殻 変 動 観 測 手 法 は,プ レ ー ト運 動 に と も な う 海 底 地 殻 の 移 動 と海 底 地 殻 の ひ ず み の 蓄 積 を 推 定 す る の に 有 効 な 手 法 と し て 期 待 さ れ 研 究 開 発 が 行 わ れ て い る(Spiess and Hildebrand, 1995; Spiess et al.,1998; Obana,1998;Asada and Yabuki,
1999; Osada et al.,2000)。 南 海 ト ラ フ 付 近 で は, トラ フ に 沿 っ て プ レ ー ト境 界 が 存 在 し,推 定 で 年 に3cm∼5cmの 速 さ(Mivazaki and Hatanaka,
1997) で 大 陸 プ レ ー ト下 に フ ィ リ ピ ン海 プ レー ト が 沈 み 込 み,100年 か ら数100年 間 隔 で繰 り返 し 地 震 が 発 生 して い る と考 え られ て い る。 東 京 大 学 生 産 技 術 研 究 所 と海 上 保 安 庁 水 路 部 で は,海 上 GPS 測 位 と音 響 測 距 と を組 み 合 わせ た海 底 地 殻 変 動 監 視 観 測 を実 施 す る た め に,こ れ まで 長 年 に わ た って 研 究 開発 を積 み重 ね て きた 。 最 近 に な っ て 観測 シス テ ム が確 立 され た の で,2000年7月 に は, 三 陸 沖 の水 深2300m程 度 の 海 溝 陸 側 斜 面 に2シ ス テ ム(8台),ま た,11月 に は三 宅 島西 方 の 海 底 に 3シ ス テ ム(10台),現 在 日本 海 溝 陸棚 斜 面 に5シ * 東京 大学 生産技 術研 究所 海 中工学 研 究セ ンター * * 海上 保安 庁水 路部 *
Institute of Industrial Science, University of Tokyo
* *
ス テ ム を 設 置 中 で,5年 ∼10年 の 長 期 観 測 用 の 海 底 音 響 基 準 ネ ッ トを 展 開 し観 測 を 実 施 して い る 。 海 底 の 測 地 精 度 を 向 上 させ る た め,3∼4台 の 海 底 局 で1シ ス テ ム の サ ブ ネ ッ ト を構 築 し,サ ブ ネ ッ トを 一 つ の 基 準 点 とす る 海 底 測 地 手 法 を 採 用 し て い る 。 そ れ に 先 立 ち,研 究 開 発 用 の 実 験 局 を 三 重 県 の 南,熊 野 灘 の 水 深2000mの 場 所 に 設 置 し, フ ィ ー ル ドデ ー タ の 取 得 と,そ の デ ー タ 解 析 手 法 の 開 発 研 究 を 実 施 し て き た(図1,2)(浅 田 ・矢 吹,2000a, b;Asada and Yabuki, 2001)。2000 年5月 と8月 に 熊 野 トラ フ で 観 測 し た デ ー タ を も と に 研 究 を 進 め て い く過 程 で 数 々 の 問 題 点 が 浮 か び 上 が っ て き た 。 そ れ ら を 克 服 す る た め の 解 析 手 法 の 開 発 へ の 取 り組 み と こ れ ま で の 研 究 成 果 に つ い て 報 告 す る 。 II . 観 測 シ ス テ ム の 概 要 海 底 音 響 基 準 局 は 搬 送 周 波 数10kHz,計 測 信 号 は255,511,1023ビ ッ トのM系 列(そ れ ぞ れ1 ビ ッ ト を8,4,2波 で 形 成 し信 号 幅 は204ms,一 つ を 選 択 し て 使 用),そ の 前 段 に102ms,4波255 ビ ッ トの 海 底 局 識 別 用 のM系 列 信 号 を付 帯 し た2 個1組 の 信 号 を 受 信 し,計 測 受 信 信 号 そ の も の を 約1.062s後 に 返 送 す る 方 式 を 採 用 し て い る も の で ミ ラ ー 方 式 トラ ン ス ポ ン ダ ーMT(Mirror Trans-ponder)と 呼 称 し て い る 。 受 信 し た 信 号 自体 を 返 送 す る 方 式 は 音 響 距 離 計 測 の 精 度 を 向 上 させ る 有 効 な 手 法 と し て 考 案 ・使 用 さ れ て き た(Spiesset α1.,1980)が,こ の 機 能 を 拡 張 し204msと い う 長 い 信 号 幅 に 対 応 で き る よ う に す る と と も に 周 波 数 帯 域 幅 を 拡 張 す る な ど 幾 つ か の 計 測 上 の 利 点 を 引 き 出 す 計 測 シ ス テ ム に し た 。 海 底 音 響 基 準 局 用 の MTは 米 国 のLinkQest,日 本SEA社 と 我 々3者 に よ り 共 同 開 発 し た も の で,耐 圧 ガ ラ ス 球1個 に 組 み 込 ん だ 小 型 で あ り な が ら,年 間12日 程 度 の 観 測 想 定 で5年 か ら10年 の 長 期 観 測 仕 様 で 設 計,製 作 さ れ て い る 。 ほ と ん ど の も の が 出 荷 状 態 そ の ま ま 設 置 し た に も か か わ らず 順 調 に 作 動 し て お り, 開 発 当 初 の 海 底 観 測 機 器 と し て は 驚 くほ ど に 安 定 し た,信 頼 性 の 極 め て 高 い 装 置 で あ る 。 船 上 局 は,音 響 測 距 信 号 の 送 受 信 器,船 尾 舷 に 取 り付 け る8mの 中 折 れ 支 柱,キ ネ マ テ ィ ッ ク GPS受 信 器,GPS方 位 セ ン サ,ダ イ ナ ミ ッ ク モ ー シ ョ ン セ ン サ,送 信 パ ル ス のGPS時 刻 計 測 器,送 信 パ ル ス ・音 響 受 信 信 号 ・GPS-1pps(pulseper sec.)信 号 をPC(personalcomputer)に 記 録 す る 3ch × 200kHzの16ビ ッ ト A/D 変 換 器, CTD
(conductivity, temperature and depth), XBT 図 1 沈 み 込 み プ レー ト境 界 に お け る GPS/ 音 響 計 測 シ ス テ ム に よ る海 底 地殻 変動 観 測
の 概 念 図.
Fig . 1 Schematic image formed through the observation of sea bottom crustal deformation with the GPS/Acoustic measurement system at the vicinity of convergence plate boundary.
(expendable bathythermograph),音 速 プ ロ フ ァ イ ラ か ら構 成 さ れ て い る。 設 置 海 域 か ら100km程 度 離 れ た陸 上 に は2局 の GPS固 定 基準 局 を設 置 し,後 処 理 に よ る超 ロ ン グ ベ ー ス ラ イ ンの キ ネ マ テ ィ ッ ク GPS (KGPS)測 位 を行 っ て きた。 III . 長距 離 KGPS 手法 に よ る海 上 音 響 基 準 局 の 軌 跡 の 測 定 海 上 GPS 測 位 と音 響 測 距 と を組 み 合 わ せ た 精 密 海 底 測 位 手 法 で は,海 上 の 音 響 基 準 局 の位 置 が ど れ く らい正 確 に求 め られ るか が 非 常 に重 要 で あ る 。 こ の た め,後 処 理 方式 の キ ネ マ テ ィ ックGPS解 析 を用 い て そ の軌 跡 を推 定 した 。 こ の方 法 で は測 量 等 で 用 い られ るGPS受 信 機 を用 い,衛 星 コー ド信 号 か ら計 測 す る擬 似 距 離 の み な らず 搬 送 波 位 相 追 跡 を行 って 正 確 に位 置 を決 め る こ とが 要 求 され る 。 デ ー タ は船 上 の移 動 点 と陸 上 の 固 定 観 測 点 で 同 時 に収 録 し,陸 上 の 固 定観 測 点 の 位 置 を既 知 と して GPS受 信 デ ー タ の 誤 差 要 因 を 後 処 理 で 解 析 し て 移 動 点 の 軌 跡 を 精 度 よ く求 め た 。 GPS固 定 観 測 点 は,5月 と8月 の 観 測 ど ち ら も 和 歌 山 県 下 里 と三 重 県 大 王 崎 に 設 営 さ れ,前 者 で 1s 間 隔,後 者 で は0.5s間 隔 で 収 録 し た 。 下 里 か ら 観 測 海 域 ま で は,お よ そ 東 に100km,大 王 崎 か ら は 南 に お よ そ70km離 れ て い る 。 和 歌 山 県 下 里 は,人 工 衛 星 レ ー ザ ー 測 距 に よ り世 界 的 な 観 測 基 準 位 置(緯 度 経 度)と し て 使 用 さ れ て い る の で, そ の 値 に 点 を 固 定 し,ま た 大 王 崎 の 位 置 は,GPS 測 量 の 手 法 で こ の 下 里 観 測 点 か ら求 め て い る 。 解 析 は,固 定 点 と 移 動 点 の 距 離 が 比 較 的 長 い こ と を 考 慮 し て,米 国NASAGoddardSpaceFlight
Center のDr.O.L. Colombo が 開 発 し た,IT(lnter-ferometric Translocation)Program (Colombo,
1998; Colombo et al., 2000)を 用 い た 。 こ の プ ロ グ ラ ム は,今 回 の 観 測 デ ー タ の 処 理 に 適 し た 次 の よ う な 特 徴 を 有 す る 。 1) GPS の L1/L2 の2 周 波 を 用 い て,電 離 層 の 影 図 2 2000 年 2 月 に熊 野 トラ フに構 築 され た3台 の トラ ンス ポ ン ダか ら な る 海 底 音 響 基 準 シ ス テ ム (▽) の 位 置 と 陸 上 の GPS固 定 基 準 局 (○印).
Fig. 2 Positions of the sea bottom geodetic reference system with three transponders on the Kumano Trough in the vicinity of the Nankai Trough established in February 2000 (triangle) , and GPS reference stations (circles).
(a ) (b ) 響 を推 定 し取 り除 く キ ネ マ テ ィ ッ クGPS解 析 を 行 う 。 2 ) サ ン プ リ ン グ 間 隔 の 異 な る 複 数 の 固 定 観 測 点 の 観 測 デ ー タ か ら,移 動 点 の 軌 跡 を 求 め る こ と が で き る 。 3 ) 大 気 中 を 電 波 が 通 過 す る と き の 遅 延 を,推 定 し ほ ぼ 除 去 で き る 。 な お, GPS 衛 星 の 軌 道 情 報 は, IGS (lnternatio-nal GPS Service)の 精 密 暦 を 用 い た 。 測 定 し た 結 果 の 正 確 さ の 評 価 の た め,2000年5月14日 の デ ー タ に つ い て,下 里 と 大 王 崎 の 二 つ の 固 定 点 か ら求 め た 位 置(軌 跡)を 基 準 と し て,図3(a)に 下 里, 図3(b)に 大 王 崎 の ど ち ら か 一 つ の 固 定 点 に 対 し て 求 め た 軌 跡 の ず れ を,時 系 列 で 表 示 し た 。 い う ま で も な く こ の ず れ は,観 測 機 器 に 起 因 す る 計 測 誤 差 と,伝 搬 誤 差 の モ デ リング の エ ラー に 起 因 す る。 図 3 使用 す る 陸 上GPS固 定 点 を変 え る こ と に よ り,GPS干 渉 法 か ら求 め た 測 量 船 の 軌 跡 に 生 じる 差. 2つ の 固定 点 を 同時 に使 用 した と きの 軌 跡 解 を基 準 と し,1つ の 固 定 点 を 使 用 して 求 め た 軌 跡 解 に生 じた 差.(a)下 里 局 の み を用 い た 場 合,(b) 大 王 崎 局 の み を固 定 点 と して用 い た場 合 の軌 跡解 の ず れ.
Fig . 3 Dependence of the ship's trajectory solution of GPS interferometric technique on the selections of fixed GPS stations on land.
The difference between the reference trajectory solution obtained by using two fixed stations on land and solutions by using only one station. (a) is the departure from two-fixed-station-solution of the solution with Shimosato station only, while (b) is with Daiosaki station only.
図3 (a), (b) か ら, ず れ は,水 平 成 分 で ほ ぼ 5cm以 内 に,上 下 成 分 で ほ ぼ10cm以 内 に収 ま っ て い る こ とが わか る。 なお 図 のず れ は ラ ン ダ ムで は な く,あ る傾 向(ト レ ン ド)を 持 って い る こ と, そ の トレ ン ドが と き ど き変 化 す る様 子 が 見 られ, 軌 跡 の 推 定 にお い て伝 搬 誤 差 を説 明 す る モ デ ルが まだ 不 完 全 で あ る こ とが わ か り,そ の モ デ ル を よ くす る こ と に よ りよ り正 確 な軌 跡 を求 め られ る と 期 待 で き る。 GPS 受 信 器 の 不 安 定 さ,観 測 点 の 電 波 の マ ル チ パ ス な どが 可 能 性 と して 考 え られ る。 GPSに よ る海 上 移 動 点 の 測 位 精 度 向 上 は極 め て重 要 な 要 素 で あ る の で,さ らに解 析 を進 め る と と も に3局 以 上 の 陸 上 固 定 観 測 を行 う こ と に よ り精 度 を高 め る こ と と した い 。 IV . 精 密 海 底 測 地 実 現 に 向 け た 音 響 測距 計 測 の 問 題 点 と解 決 法 海 上 移 動 点 の位 置 が精 密 に決 まれ ば,次 に,海 上 局 と海 底3局 と の 問 の正 確 な 音 響 測 距,海 底 局 の 位 置 決 め,海 底 局 側 を 固定 した 海 上 移 動 点 の音 響 測 位 の 高 精 度 化 の手 法 開発 が 必 要 と な る。 こ の た め,海 上 局 と海 底 局 との 問 の往 復 伝 搬 を経 験 し た 音 響 受 信 信 号 を精 密 に解 析 し,海 上 局 の ド リフ トと動 揺 に と もな う送 ・受 信 時 の水 中 音 響 信 号 の 伸 縮(ド ップ ラ シ フ ト),マ ル チパ ス の重 畳 に よ る M系 列 受 信 信 号 のパ ル ス変 換 処 理 に お け る ひず み を考 慮 した最 適 なパ ル ス変 換 と精 密 な往 復 伝 搬 時 間 計 測 法,音 速 構 造 の 時空 間 変 動 の 把 握 な どを解 析 し,精 密 な測 地 計 測 手 法 の 実 現 を 目指 した解 析 手 法 の 開発 研 究 を行 っ て きた。 さ ら に,MT海 底 基 準 局 の 応 答 遅 れ 時 間 の水 槽 で の 計 測 実 験,送 受 波 器 の 音 響 中心 計 測,つ ま り海底 局 と海 上 局 の送 受 波 器 の 向か い合 う角 度 の違 い に よ る計 測 距 離 の 変 化 の 計 測 を行 い,そ の補 正 値 を求 め る こ とに よ り音 響 測 距 精 度 を 高 め て きた 。 海 上 局 で は音 響 信 号 をA/D変 換 して ハ ー ドデ ィス クに収 録 し,各 種 解析 法 を 開発 しなが ら後 処 理 に よ り音 響 測 距 計 測 の 精 度 を 向 上 させ て きた。 同 時 に 時 刻 精 度50ns のGPS-1pps信 号 をA/Dコ ンバ ー タlchを 使 っ て 収 録 す る こ と に よ りサ ンプ リ ン グ時 間の 誤 差 計 測 と修 正 を行 っ て い る 。 1 ) M 系 列 音 響 信 号 の パ ル ス変 換 法 の 改 良 一 般 に, 10 kHz の 周 波 数 正 弦 波 を位 相 変 調 した 204ms(8波 長 ×255ビ ッ ト)のM系 列 測 距 信 号 を相 関処 理 に よ りパ ル ス変 換 す る場 合,15波 長 の 幅 を持 つ 菱 形状 の バ ー ス ト波 を形 成 して 受信 時 間 点 を計 測 す る。 こ の場 合,15波 長 の バ ー ス ト波 の 中心 位 置 の最 大 ピー ク点 が 受 信 時 間 点 に相 当 す る わ け で あ る が,実 際 に は水 中伝 搬 の過 程 で信 号 は ひず み,マ ル チ パ ス や ノ イズ の影 響 も受 け,最 大 ピ ー ク 点 が 本 来 の 位 置 か らず れ る こ とに よっ て サ イ ク ル ス リ ップ を生 じる こ とが懸 念 され る。 この た め,こ の形 成 され るバ ー ス ト波 の 幅 を1波 長 分 図 4 音 響 距 離 計 測 に 使 用 し た 搬 送 周 波 数10kHz, 8波 変 調 の255 ビ ッ ト,204 msのM 系 列 送 信 信 号 の 先 頭 部(上)と,標 準 的 な パ ル ス 変 換 結 果 を 表 す そ の 自 己 相 関 処 理(中),よ り鋭 い パ ル ス が 得 ら れ る よ う に 参 照 信 号 を 改 善 し た 相 互 相 関 処 理(下)の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン (Asada and Yabuki, 2001).
Fig . 4 Demonstration of the pulse modulation improvement.
Top: The head part of ranging signal of 204 ms width consisting of 255 bits of maximum length sequence code (M-se-quence code) . Each M-se(M-se-quence chip is modulated with eight carrier waves at 10 kHz carrier frequency.
Middle : The result of a standard pulse using the signal's auto-correlation. Bottom : The result of a narrow pulse obtained from an improved method for computing cross correlation between the transmitted signal and modified replica of the transmitted signal (Asada and Yabuki, 2001) .
(7.5 mm 距 離相 当)の 幅 に ま で せ ば め る手 法 を工 夫 し,採 用 した 。 この 手 法 は,最 大 ピ ー ク 点 の 両 側 波 の振 幅 を低 く抑 え,変 調 波 の サ イ ク ル ス リ ッ プ誤 差 を著 し く軽 減 す る効 果 を持 つ 。 海 上 局 と海 底 局 問の 音 波 の 往 復 伝 搬 時 間 は,送 信 時 のM系 列 信 号 と受 信 時 のM系 列 信 号 をパ ル ス 変 換 して,両 パ ル ス の 時 間 差 か ら計 測 さ れ る。 こ の と き,パ ル ス 変 換 結 果 が単 一 パ ル ス に近 い ほ ど精 度 よ く計 測 で き,パ ル ス 内 を さ らに 高分 解 能 で計 測 で きる(図 4)。 実 際 に は,こ の パ ル ス 圧 縮 効 果 は 送 ・受 信 の 電 気 ・音 響 変 換 に お け る 信 号 の 周 波 数 帯 域 幅 に依 存 す る。 つ ま り,10kHzの 単 一 周 波 数 信号 を位 相 変 調 した場 合,位 相 変 調 した 個 所 にお い て周 波 数 拡 散 現 象 が生 じ,電 気 ・音響 変 換 にお け る周 波 数 帯 域 幅 が 広 い ほ ど,位 相 変 調 を鋭 い 波 形 で よ り正 確 に現 す こ とが で き る。 当 初 のMTシ ス テ ム は, M系 列 波 を10kHzの 搬 送波 で12.5%の 帯域 幅 で位 相 変 調 し て い た た め,単 一 パ ル ス よ り膨 らん だ バ ー ス ト波 が 形 成 され た が,通 常 の 相 関処 理 結 果 の3分 の1程 度 に縮 め られ て お り計 測 精 度 を高 め る効 果 が 得 られ た 。 さ ら に,2001年4月 か ら は 25.0%∼50.0%帯 域 幅 に電 気 ・音 響 変換 系 を改 良 し, LinkQuest 社 は湖 上 試 験,我 々 は水 槽 試 験 を行 い そ の 性 能 を確 認 した 。 現 在,1023ビ ッ ト ・2波 長 変 調 に よ るM系 列 信 号 を使 え ば,本 解 析 手 法 を使 わ な くて も通 常 の相 関処 理 に よ り狭 パ ルス 化 さ れ た 相 関 処 理 結 果 が 得 られ る もの と期 待 さ れ る。 さ ら に,バ ー ス ト波 をせ ば め る に は 送 受 波 器 の 音 響 変換 構 造 を改造 す る 必 要 が あ る。 2) M 系 列 音 響信 号 の ドップ ラ シ フ ト補 正 船 の ドリ フ トと動 揺 に と もな い,船 上 局 の 送 信 時 と受信 時 に ドップ ラ効 果 に よ りM系 列 音 響 信 号 が伸 び 縮 み す る現 象 が 生 じる 。 この 現 象 を考 慮 し て 往 復 伝 搬 時 間 を計 算 す る 際 に,信 号 自体 か ら ドッ プ ラ シ フ ト量 も 自動 検 出 す る よ う に解 析 法 を 工 夫 した 。 これ に よ り,海 面 で の 反 射 波 な ど誤 差 要 因 と な る余 計 な マ ル チパ ス を的確 に分 離 す る と と も に,理 想 に近 い 良 質 な相 関 処 理 結 果 を得 る こ とが で きる。 図5(a)は,最 上 段 に受 信 さ れ た信 号 波 形,そ の 下 に こ れ と,想 定 され る範 囲 の ドッ プ ラ シ フ トの 変 動 幅 に 対 応 し て 予 め 用 意 さ れ た 204msM系 列 送 信 信 号 を伸 縮 させ た7種 の参 照 信 号 との 相 関 処理 結 果例 を示 す(浅 田 ・矢 吹,2000b)。 実 際 の解 析 で は20分 の1波 長(5μs)問 隔 で 伸 縮 させ た 参 照信 号 を使 用 して い る。 こ の 図 の例 で は, 最 初 に受 信 され た直 接 往 復 伝 搬 バ ー ス ト波 グ ルー プ の 後 に二 つ のバ ー ス ト波 グ ル ー プが 見 え る。 直 後 の バ ー ス ト波 グ ル ー プ は 送信 時,あ るい は受 信 時 に一 回 海 面 で 反 射 した もの,後 ろ の バ ー ス ト波 グ ル ー プ は送 ・受 信 時 と も海 面 で 反 射 した もの と 考 え られ る。 船 上 局 の送 受 波 器 は 海 面 か らお よそ 3.5m沈 め て い る の で,海 上 局 か ら海 底 局 に直 接 伝 搬 す る信 号 波 に対 し,海 面 で反 射 す る 信 号 波 は送 受 波 器 の 上 下 動 に対 し逆 の ドップ ラ シ フ トを受 け る 。送 信 と受 信 時 に上 ・下 逆 向 きに 送 受 波 器 が 動 く と,海 面 の 一一回 反 射 波 は 図 の よ うに ドップ ラ シ フ ト量 の 広 い 範 囲,つ ま り縦 方 向 の 広 い 範 囲 で 相 関 を持 つ こ と に な る。 こ の よ う に ドップ ラ シ フ ト を処 理 す る こ と に よ り,マ ル チパ ス を 適切 に 識 別 す る こ とが で きる。 ま た,図5(b)は ドッ プ ラ シ フ トの 自動検 出 に前 項 の狭 パ ル ス 変換 法 を 組 み 合 わせ た 例 を示 す 。 通 常 は,こ の よ うに組 み 合 わ せ て処 理 を行 って い る。 こ の例 で は,非 常 に接 近 し た二 つ の パ ス 信 号 が 存 在 した もの で,通 常 の8波 のM系 列 の相 関処 理 で は,完 全 に重 な って 区 別 不 可 能 で あ るが,狭 パ ルス 変 換 法 に よ り識 別 で き る よ うに な っ た こ とを示 す 。 ドップ ラ シ フ トにつ い て は,計 測 信 号 の 時 間 幅 を 数ms程 度 に縮 め れ ば 回 避 で きる が,逆 に,信 号 対 雑 音 比 の著 しい劣 化,数1000mの 伝 搬 媒 体 で あ る海 水 の流 れ や ゆ ら ぎ に と もな う信 号 波 形 の ひ ず み に よる 受 信 信 号 の 劣 化 が 増 進 され る 。 この た め,204msの 長 いM系 列 信 号 を あ え て 使 用 し, 相 関処 理 に よ り長 い 時 間幅 の 平 均 効 果 に よ り この 波 形 の ひず み を元 に戻 す こ と を狙 った もの で あ る。 MT海 底 基 準 局 で は受 信 した 信 号 を一 旦 メ モ リに 記 憶 し,そ の信 号 を一 定 時 間 を空 け て送 信 して い る の で,海 上 局 の 送 信 時 の ドッ プ ラ シ フ トの 影響 を損 な う こ とな くそ の ま ま海 上 局 が 受 信 す る まで 保 ち,受 信 時 の ド ップ ラ シ フ トが 加 わ る。 この 後, 自動 検 出 さ れ た ドップ ラ シ フ ト量 は,海 上 のGPS 測 位 と動 揺 計 測 結 果 か ら推 定 さ れ る ドップ ラ シ フ
(a )
(b )
図 5 (a) ド リ フ ト ・動 揺 に 伴 い 海 上 局 の 送 受 波 器 位 置 に お い て 距 離 計 測 の 音 響 信 号 は ド ッ プ ラ シ フ トを 受 け る の に 対 し,予 め 用 意 し た 多 数 の 参 照 信 号 を 使 っ て 最 初 の 到 達 パ ル ス の 検 出 と,高 精 度 の パ ル ス 変 換 波 を 得 る こ と が で き る.こ れ は 広 い 範 囲 の ド ッ プ ラ シ フ トに 対 応 し た 中 か ら 受 信 ご と に 最 適 な 参 照 信 号 を 探 り出 す 手 法 で あ る(Asada and Yabuki, 2001).こ の 図 で は,最 初 の 到 達 波,海 面 の 一
回 反 射 波,二 回 反 射 波 が 続 い て い る 状 況 が 見 え る.
(b ) 図 4 に 示 し た 狭 パ ル ス 変 換 法 を 組 み 入 れ た ド ッ プ ラ シ フ ト の 自 動 検 出 処 理 例.通 常 は こ の 処 理 が 行 わ れ る.接 近 し た2つ の パ ス 信 号 が 存 在 し た 場 合 に お い て,普 通 の 相 関 処 理 で は 形 成 さ れ た バ ー ス ト波 が 重 な っ て 区 別 不 能 で あ る が,狭 パ ル ス 化 に よ り識 別 で き る よ う に な っ た.
Fig . 5 (a ) The ranging signal is Doppler shifted due to heaving and drifting of the transducer at the sea surface. A primary pulse can be detected and accurate short bursts can be obtained by preparing many replicas of the signal. This is equivalent to having a wide range of hypothetical Doppler-shifts that allows one to search for the best pre-fitted replica at every reception (Asada and Yabuki, 2001) . Primary burst, one time surface-reflected burst and two time surface-reflected burst arrived in turn.
(b ) In effect, both the improved pulse modulation shown in Fig.4 and the automatic Doppler detection in Fig.5 (a) is jointly used. Although the automatic Doppler detection without the improved pulse modulation cannot resolve two closely-arrival waves, the joint technique can resolve this successfully.
ト量 と比 較 さ れ,音 響 計 測 の 不 良,測 位 の 不 良 の 判 別 に も有 効 に 利 用 さ れ る 。熊 野 トラ フ の5,8 月 の 音 響 距 離 計 測 の お よそ80%以 上 の もの は,204 msの 信 号 幅 に対 し両 ドップ ラ シ フ ト量 の差 は20 μsに 入 っ て お り非 常 に精 度 よ く計 測 で きた こ と を示 して い た 。 ま た,M系 列 信 号 は 単 一 周 波 数 の 正 弦 波 を位 相 変 調 して い る の で,ド ップ ラ シ フ トに対 して 非 常 に敏 感 で,204msの 信 号 に対 し,0.1msの 伸 縮 を 受 け る と もは や 送 信 信 号 と の 相 関 処 理 に よ っ て バ ー ス ト波 を 形 成 しな くな る。 逆 に,ド ップ ラ シ フ トを極 め て 正 確 に計 測 で き,ド ップ ラ シ フ トを 補 正 す れ ば サ イ ク ル ス リ ップ を起 こ りに く くで き る とい う メ リ ッ トが 生 じる。 海 底 固 定 局 問 同 士 の 精 密 距 離 計 測 の場 合(長 屋, 1995;矢 吹 ほか, 1995) に は ドップ ラ シ フ トが 生 じな い の で,往 復 伝 搬 の 距 離 計 測 に周 波 数 を直 線 的 に 変化 させ るチ ャー プ 波 を使 用 して きた。 3 ) 海 底 位 置 解 析 に お け る海 水 音 速 構 造 の 地 球 楕 円 体 近 似 得 られ た 海 上 の 位 置 情 報 と水 中 の 音 響 測 距 情 報 を使 って 海 底 局 の位 置 を決 め る。 逆 に,そ の 位 置 を既 知 と して 海 上 移 動 点 の音 響 測 位 を行 う に は精 密 な レ イ レー シ ン グ解析 が 必要 で あ る。 こ の た め, 正 確 に地 球 楕 円 体 モ デ ル(WGS84)に 適 合 させ た 1m層 厚 の 多 層 海 水 構 造 モ デ ル を作 り,音 波 の伝 搬 屈 折 経 路 を精 密 に レ イ レー シ ング解 析 す る よ う に した。 従 来,そ の簡 便 さの 理 由 に よ り水 中測 位 計 算 に使 わ れ て い る 海 面 か ら海 底 ま で完 全 な平 行 平 面 と仮 定 した 海 水 構 造 モ デ ル(以 下,平 行 平 面 近 似 構 造 と よぶ)に お い て は,2000.00mの 海 底 に あ る海 底 局 と,海 面 に お い て横 に2000.00m離 れ た 海 上 局 の2点 問 を結 ぶ距 離 はRs = 2828.43mと な る。 図6に 示 す よ う に,地 球 表 面 が 半 径Ra = 6378137.00mの 円 弧 状 と な る場 所 に 海底 と海 上 局 を配 置 した とす る と,Rs = 2828.21mと な る。 こ の こ とか ら,平 行平 面 近似 構 造 は実 に0.22mの 距 離 誤 差 が 生 じて い る こ とが わ か る。 さ ら に,水 深 2000.00mで の横 距 離Rcは1999.37mと な り0.63 mも の 誤 差 が生 じて い る こ とが わ か る。WGS84地 球 楕 円 体 モ デ ルで は,地 球 表 面 に 引 い た 局 所 的 な 円 弧線 の 半径 は そ の線 の方 角 に よ り異 な り,ま た, これ らの 半 径 は緯 度 に よ り異 な る。 例 示 と して, 表 1 に WGS84地 球 楕 円体 モ デ ル を基 準 に して, 熊 野 トラ フの 海 底 基 準 局 の 計 測 位 置 ・距 離 範 囲 に 対 応 し た平 行 平 面 近 似 構 造 に お け る距 離 誤 差 を示 す 。 この 表 は,さ らに,海 底 円 弧 の 線 長 が 南 北 と 東 西 方 向 で異 な る こ と を示 し,海 面 上 で 円弧 の線 長 が2000mの 場 合 に は海 底 で3mm,海 面 円 弧 線 長 が4000mの 場 合 には6mmの 差 が 生 じ る こ と が わか る。 ま た,海 上 と海 底 局 を結 ん だ直 線 距 離 にお い て も,小 さ い け れ ど1mmと3mmの 差 が 生 じて い る。 つ ま り,こ れ ら方 角 に と もな う誤 差 は 局所 的 に球 面 近 似 を した場 合 の誤 差 を現 す もの で,球 体 モ デ ル で も不 十 分 で あ り楕 円体 モ デ ルが 必 要 で あ る こ と を指 し示 して い る 。 海底 を含 め た 水 中 で の 位 置 計 算 を数10cmも し くはcm精 度 で 図 6 海 上 局 と 横 方 向 に 2000 m 離 れ た 水 深 2000 m の 海 底 局 の 配 置 図. WGS84 楕 円 体 を 基 に し た1m層 厚 の 多 層 音 速 構 造 は 正 確 な 空 間 配 置 を 提 供 す る だ け で な く 正 確 な 音 線 ト レ ー シ ン グ 解 析 を 可 能 に す る. 図 は,曲 率 半 径R = 6378137 m の 断 面 例. Fig . 6 Layout depicting a sea-surface station
that is 2000m horizontally away from a sea bottom station at a depth of 2000m. Multi-layer seawater structure based on WGS84, each with 1 m thickness and a different sound speed, can provide not only accurate spatial arrangement but also accurate acoustic ray tracing. Curva-ture radius Ra is 6378137 m.
(A ) (B ) (C ) 計 算 し よ う とす る 場 合 には,海 水 音 速 構 造 を地 球 楕 円体 に 近似 す る こ と は必 要 不 可 欠 で あ る と言 え る。 こ こ で使 用 した 平 行 平 面 近 似 構 造 は,も と も とは海 図作 成 の た め に 地 球 楕 円 体 表 面 を平 面 の紙 上に投 影す る 各 種 計 算 手 法 を代 表 す る もの と して 例 示 した もの で あ るが,精 密 な水 中 の位 置 計 測 に は こ の よ うな平 行 平 面 近似 構 造 は適 さ な い こ とが わか る。 熊 野 トラ フ で は 平 均 海 面 の 高 さ はWGS84楕 円 体 面 上36mに な っ て い た。 この よ う に,場 所 に よ 表 1 海 面 上 の 距 離 が2kmお よ び4kmの 場 合 に,海 面 か ら 海 底 ま で 完 全 な 平 行 平 面 と仮 定 し た 海 水 構 造 モ デ ル(こ こ で は 平 行 平 面 近 似 構 造 と よ ぶ)を 使 っ た 時 の 距 離 誤 差 表 。 熊 野 ト ラ フ 位 置(北 緯33.67度,來 経137.00度)で の 計 算 値 で あ り,N-Sは 南 北 方 向 に 海 上 局 と 海 底 局 を 展 開 し た 場 合,E-Wは 東 西 方 向 に 展 開 し た 場 合 を 示 す.
Table 1 Error table by using a seawater oblong structure model supposed as a complete parallel plane form.
The error in the distance on the sea surface is negligible also in the oblong-formed structure. The WGS-84 ellipsoidal structure is made at the Kumano Trough position, Lat. 33.67 degrees North
and Long. 137.00 degrees East. N-S and E-W show the cases in which two acoustic stations are deployed along north-south line and east-west line, respectively.
図 7 2000 年 5 月, 8 月 の 熊 野 ト ラ フ 海 底 基 準 点 (St. 1, St. 2, St. 3) 観 測 に お け る 送 受 波 器 の 軌 跡 (水 平 面 投 影),
音 響 測 距 計 測 は 船 を 漂 流 さ せ な が ら 行 っ た.海 底 基 準 局 の 位 置 は 赤 円 で 標 記.
Fig . 7 The horizontal trajectory of the sea-surface transducer in the acoustic ranging in May and August 2000, at the Kumano Trough.
The measurement of acoustic ranging was carried out while the ship was drifting . Circles are the position of acoustic transponders at sea-bottom.
(a ) (b ) り平均 海 面 つ ま りジ オ イ ド面 とず れ て い る の で こ の ず れ を考 慮 した海 水 断面 構 造 を 使 用 しな け れ ば な らな い。 海水 音 速 構 造 を多 層 の楕 円体 形 状 に 近 似 す る と 分 か りや す い が,横 下 方 に音 波 が 伝 搬 す る につ れ 曲 率 半 径 に対 応 す る 円弧 角 に対 応 して 音 線 の 円 弧 層 に対 す る グ レー ジ ング 角 は徐 々 に減 り,屈 折 効 果 を大 き くす る。 海 水 音 速 構 造 や 音 の伝 搬 傾 斜 角 に よ って 影 響 は複 雑 に 変化 す る。 また,地 球 が 楕 円 体 形 状 で あ る た め,例 え ば 東 西 に配 置 した2局 間 の 音 波 の 伝 搬 経 路 は,北 半 球 で は 東 西 方 向 よ り 北 方 向 が 幾 分 平 坦 に近 い形 状 に な るた め 北 に"迂 回"す る方 が 直 進 に近 くな る。 こ れ らの 理 由 の た め,地 球 楕 円体 形 状(WGS84)に 適 合 させ た海 水 多 層 音 速 構 造 モ デ ル で の音 波 の伝 搬 経 路 解 析 法 を 厳 密 に使 用 して い る。 具体 的 に は,時 間 と と もに 変 化 す る 船 局 の 位 置 に 対 応 して 海 面 と海 底 局 の2 点 問 を伝 搬 す る音 波 の伝 搬 断 面 を,そ の 片 道 伝 搬 パ ス の 解 析 の 都 度作 成 す る 必 要 が あ る。 ま た,実 際 に は平 均 海 水 面 で あ る ジ オ イ ド面 は完 全 な楕 円 体 形 状 と は異 な る た め,さ らに 正確 に計 算 す る た め,ジ オ イ ド面 を考 慮 した 海水 構 造 の 形 状 モ デ ル を使 用 した。 ジ オ イ ド面 は 海底 地 形 に よ る重 力 変 化 の 影 響 を受 け る た め,海 底 地 形 が 平 坦 な地 域 で は ジ オ イ ド面 は地 球 楕 円体 モ デ ル と平 行 に な り影 響 が 少 な い。 こ の理 由 もあ り,平 坦 な海 底 地 域 を 選 ん で 海 底 基 準 局 を設 置 して い る。 また,潮 汐 等 に よ り変 化 す る,音 速 プ ロ フ ァ イル に影 響 を与 え 図 8 音 速 プ ロ フ ァ イ ル の 時 間 変 化. (a ) 2000 年 5 月 14 日 の 音 響 測 距 観 測 と 音 線 解 析 か ら,16時35分 のCTD観 測 で 得 ら れ た 音 速 プ ロ フ ァ イ ル の 修 正 値 と 修 正 曲 線 を 求 め た も の. (b ) 2000 年 5 月 15 日 の 音 響 測 距 観 測 と音 線 解 析 か ら,08時11分 のCTD観 測 で 得 ら れ た 音 速 プ ロ フ ァ イ ル の 修 正 値 と 修 正 曲 線 を 求 め た も の.St.1と 海 上局 の 測 距 は 赤,St,2は 緑,St.3は 青 表 示.
Fig. 8 Temporal change of sound speed profile.
(a ) Correction values and their approximation curves of the sound speed profile, obtained from the CTD observation at 16:35: results estimated from differences between the acoustic ray tracing and the ranging data on May 14, 2000.
(b ) Correction values and their approximation curves of the sound speed profile, obtained from the CTD observation at 08:11: results estimated from the data on May 15, 2000. Range data between St.1 and Surface are colored by red, St.2 - Surface by green, St.3 - Surface by blue.
(a ) (b ) (c ) る 圧 力 項 の ゼ ロ レ ベ ル 面(ダ イ ナ ミ ッ ク ・ジ オ イ ド面)を キ ネ マ テ ィ ッ ク 測 位 の 高 さ 情 報 か ら0.001 Hz以 下 の 低 周 波 成 分 を 取 り 出 す こ と に よ り計 測 し,ゼ ロ レ ベ ル 面 の 調 整 を 行 う 。 送 受 波 器 位 置, 音 速 プ ロ フ ァ イ ル は 正 確 に,WGS84測 地 シ ス テ ム に 整 合 さ せ こ の 問 題 に 対 処 し て い る 。 音 速 プ ロ フ ァ イ ル の 水 圧 ゼ ロ の 基 準 面 を1m間 違 え る と水 深2000mの 海 底 測 地 に お い て は,そ れ だ け で 数 cmの 誤 差 が生 じる こ とが 計 算 され た。 4) 音 速 構 造 の 時 ・空 間 的 変 化 海 水 中 の音 速構 造 は 時 間 と と も に 変化 し,精 密 な海 底 測 地 に 及 ぼ す 影 響 は大 き く,海 底 地 殻 変 動 観 測 の 大 きな 障 害 と な っ て い る。 こ の た め,図7 に示 す5,8月 の 観 測 の 各 測 線 ご とに複 数 の 音響 基 準 局 か らの 全 音 響 測 距 デ ー タを使 い,複 数 の 音 響 基 準 局 の位 置 と時 間 と と も に変 化 す る音 速構 造 図 9 2000 年 5 月 14 お よ び 15 日 の 熊 野 ト ラ フ 海 底 基 準 点 (St.1, St2, St.3)観 測 に お け る,こ の 時 の 推 定 位 置 に 対 す る 音 響 測 定 距 離 の 残 差. 往 復 伝 搬 時 間 が3.Osec.以 下 の デ ー タ は 黒,そ の 他 は 赤 表 示.
Fig . 9 Horizontal residuals of St.1 (a), St.2 (b) and St.3 (c) on the Kumano trough observed on May 14 and 15, 2000.
The position of each sea bottom station was estimated by the observation data in May 2000. Data with two-way travel time less than 3.0 sec. colored by black. others by red.
(a ) In positioning St.1, standard deviation 6.8 cm of range-residuals, horizontal S.D. 3.9 cm, vertical S.D.5.5 cm.
(b ) In positioning St.2, standard deviation 7.3 cm of range-residuals, horizontalS.D. 4.1 cm, vertical S.D.6.1 cm.
(c ) In positioning St.3, standard deviation 6.5 cm of range-residuals, horizontal S.D. 3.0 cm, vertical S.D.5.7 cm.
の変 化 を 同 時 に 求 め る解 析 手 法 を 開発 し取 り入 れ た。 海 面 局 と海 底 局 間 の斜 距 離 が2100m∼5000 mに 及 ぶ 同 じ時 間 の音 響 測 距 デ ー タ を使 え ば,図 8に 示 す よ うに,音 速 構 造 の 時 間 的 な 変 動 をモ ニ タ リ ン グ で き る 可 能 性 が 高 くな る。 ま た,XBT, CTDな どは 計 測 ご との 誤 差 が 生 じる。 正 確 と い われ て い るCTDで も,実 際 の 観 測 にお い て 数10 cm/s程 度 の 音 速 計 測 誤 差 を除 去 す る こ と は非 常 に難 しい のが 実 情 で あ る。 海 底 局 と船 上 局 の位 置 が 数cmの 精 度 で 決 ま るの で あ れ ば,本 手 法 は 数 cm/sの 精 度 で 音 速構 造 を補 正 で きる 。今 の とこ ろ, 海 水 音 速 構造 の 時 間 的 な変 動 は,計 測 した音 速 プ ロ フ ァイ ル を基 準 と して,こ れ に時 間 と と もに変 化 す る シ フ ト量 を加 え る こ と に よ り,計 測 した海 上 局 の 位 置 と海 底3局 との音 波 の 往 復 伝 搬 時 間が 整 合 す る よ うに 求 め て い る。 今 後,必 要 に応 じて 上 下 方 向 の変 化,水 平 方 向 の 変 化 とい う要 素 を検 討 して い きた い 。逆 の 意 味 で は図8か ら5,8月 の 海 水 音 速 構造 は水 平 方 向 は均 一 とい う仮 定 で 十 分 整 合 が とれ た の で,水 平 方 向 の均 質 性 が 良 か っ た と言 え る。 本 手 法 を使 え ば,海 水 中 の 音 速 変 動 ば か りで な くCTDで 計 測 した 音 速 の 絶 対 値 補 正 に 大 き な効 果 が 期 待 で きる と と も に,今 まで 海 底 地 殻 変 動 の 高 さ方 向 の検 出 は無 理 と され て き たが, 後 に 記述 す る よ うに5cm∼10cm程 度 の精 度 で 検 出 で きる可 能性 が 高 まっ て きた。 5) 送 受 波器 固定 支 持 パ イ プ の傾 斜 バ イ ア ス計 測 長 さ8mの パ イ プ の 上 端 に 測 位 と 方 位 計 測 の GPSア ンテ ナ,下 端 に送 受 波 器,パ イプ に添 わ せ て ダ イ ナ ミ ッ ク モ ー シ ョ ンセ ンサ を装 備 して, GPSア ンテ ナ位 置 か ら送 受 波 器 の 位 置 を導 い て 海 底 測 位 の解 析 を行 っ た。5月 の計 測 試 験 時 に は こ のパ イ プ の 中 間 に取 り付 け た 回転 関節 部 の 固 定 部 に ゆ る みが 生 じてい た。 さ らに,測 位 のGPSア ン テ ナ と送 受 波 器 を結 ん だ線 とモ ー シ ョ ンセ ンサ の 鉛 直 軸 の 問 に お い て,取 り付 け具 の精 度 の 悪 さ, パ イ プ を 固 定 す るた め の 張 りロ ー プ に よるパ イ プ の しな り,パ イ プ の ドリ フ トに よ る しな り,な ど に よ り観 測 時 に ず れ が 生 じて い た こ とが わ か っ て い た。 こ の 問 題 を解 決 す る た め,3局 の 海 底 局 と 測 距 を行 っ た 結 果 か ら,ロ ー ル,ピ ッチ 角 のバ イ ア ス値 の計 測 を行 え る よ う に解 析 プ ロ グ ラ ム を 改 善 した。 ロ ー ル 角,ピ ッチ 角 方 向 と海 底 局 の位 置 関 係 に大 きな変 化 が あ るほ ど正 確 にバ イ ア ス を計 測 で きる の で,こ の 両 角 方 向 の 変 化 と位 置 関係 を 考 慮 してバ イ ア ス を慎 重 に決 め た。 ま た,傾 斜 角 の バ イ アス がGPS海 上 測位 の水 平 方 向 の誤 差 を吸 収 しな い よ うに,水 平 方 向 の 位 置 変 化 に よ っ てバ イ ア ス が 変 化 しな い こ と を確 認 し なが ら解 析 を 行 っ た。 こ の結 果,海 底3局 の 位 置 と,音 速 の 時 間 変 動 と,GPSア ンテ ナ ・送 受 波 器 ラ イ ンの傾 き の バ イ ア ス を 同 時 に解 析 す る こ とが で きた。 将 来 的 に は船 底 に 送 受 波 器 部 を 固 定 装 備 す る こ と に よ って,バ イ ア ス の変 動 を な くす と と も にバ イ ア 図 10 2000 年 5 月 14 日 の 熊 野 ト ラ フ 海 底 基 準 点 (St.1, St.2, St.3)観 測 に お け る,KGPS計 測 に よ る1つ の 音 響 測 距 測 線 で の 送 受 波 器 の 上 下 動 揺. Fig . 10 Ship's vertical motion measured by the long base line kinematic GPS
(a ) (b ) (c ) ス 計 測 の 精 度 向 上 を図 っ て い くこ と と した い。 5月 の 観 測 で 得 られ た音 響 測 距 デ ー タ を, GPS に よ る測 位 デ ー タ,船 の動 揺 の 測 定 デ ー タ と も合 わせ て解 析 した結 果 を図9に 示 す 。 うね りの 影 響 で 測 量 船 が ±2m上 下 動 す る とい う厳 しい 海 況 (図10)で あ った に もか か わ らず,3台 の音 響 基 準 局 の 測 地 学 的3次 元 位 置(緯 度,経 度,高 さ)を 最 小 自乗 法 で 求 め た結 果,音 響 計 測 の 残 差 の ば ら つ きの 標 準 偏 差 が3台 と もお よ そ7cmに な っ た 。 さ ら に,従 来 はあ き らめ て い た 高 さ方 向 の 信 頼 度 が 向 上 し,高 さ計 測 の 残 差 の ば らつ き は6cmほ ど に な っ た 。 6) 海 底 音 響 基 準 局 の 繰 り 返 し計 測 の 評 価 5月 の 解 析 結 果 か ら,正 確 な 海 底 位 置 の 計 測 の た め に は 多 数 の 海 底 局 を 配 置 し,同 時 に い ろ い ろ な 方 向 か ら,ま た,様 々 な レ ン ジ で 観 測 す る こ と が 非 常 に 効 果 的 で あ る こ と が わ か っ た 。 図11の 2000年8月 の 熊 野 トラ フ 海 底 基 準 点(St.1, St.2, St.3) 観 測 で 得 ら れ た 音 響 測 距 値 を5月 の 音 響 基 準 局 推 定 位 置 で 説 明 し た と き の 残 差 結 果 は,非 常 図 11 2000 年 8 月 10 日 の 熊 野 トラ フ 海 底 基 準 点 (St.1, St.2, St.3)観 測 で 得 ら れ た 音 響 測 距 値 を 5 月 の 音 響 基 準 局 推 定 位 置 で 説 明 し た と き の 残 差. 往 復 伝 搬 時 間 が3.0s以 下 の デ ー タ は 黒,そ の 他 は 赤 表 示.
Fig . 11 Horizontal residuals in positioning St.1, St.2 and St.3 on the Kumano Trough from the observation data on August 10, 2000.
The position of each sea-bottom station was estimated from the observation data in May 2000. Data with two-way travel time less than 3.0 sec. colored by black, others by red. (a ) In ranging from the surface to St.1, standard deviation 2.7 cm of horizontal residuals.
(b ) In ranging from the surface to St.2, standard deviation 1.7 cm of horizontal residuals.
に 好 結 果 と見 え るが,3局 の外 側 の 測 線 を 東 西1 組 しか 計 測 し なか っ た のが 残 念 で あ る。現 在 まで の研 究 結 果 か らす る と,2日 間 で 時 間 を空 け て4 回程 度 は 外 側 を観 測 し,そ の 間 は 内側 を通 る 測 線 に すべ きで あ った と思 う。 そ うす れ ば 日変 動 を よ り効 果 的 に解析 ・除 去 で き た の で は な い か と考 え られ る。 ま た,8月 の 観 測 時 に は風,流 れ が ほ と ん ど無 か っ た た め,当 初 考 え て い た測 地 手 法,つ ま り, もっ と も音 速 変 動 の 影 響 を受 け な い3局 の 中 心 付 近 で の 観 測 に専 念 した。 しか しな が ら,こ の 中 心 付 近 は逆 の意 味 で,8月 の 海 底 局 の 位 置 が 変 化 し て い る と想 定 した 場 合 に は音 速 の絶 対 値 の 補 正 量 を正 確 に 捉 え に くい場 所 で あ る 。 つ ま り,高 さ方 向 の 変 化 は検 出 で きな い。 当初,様 々 な測 距 デ ー タか ら音 速 変 動 を計 測 す る こ とは考 え て い な か っ た た め の 処 置 で あ っ た 。 図11は2000年8月 の 熊 野 トラ フ海 底 基 準 点(St1, St2, St.3)観 測 に お け る,5月 の 推 定 位 置 に対 す る音 響 測 距 の残 差 を プ ロ ッ トした もの で,距 離 残 差 の視 点 か ら見 る と非 常 に 好 結 果 に見 え る。 こ の観 測 結 果 か ら,海 底3局 の5月 の 観 測 位 置 に対 す る8月 の位 置 変 化 を 問 単 に解 析 して み た(表2)。 そ の 結 果 は,5つ の測 線 ご とに行 っ た。 図11が 示 す よ うに,5月 の 海 底 局 の 推 定 位 置 に 対 す る水 平 面 に投 影 した距 離 の残 差 は標 準 偏 差 で 2∼3cmの 結 果 を示 して い る が,表2に 示 す よ う に この デ ー タ全 て か ら8月 に お け る 水 平 位 置 の 変 化 を測 線 ご と に簡 単 に解 析 して み る と平 均 値 が2 cm,ば らつ きが ±10cmで あ っ た。 こ れ らの 結 果 か ら言 え る こ と は,距 離 の残 差 は そ の ま ま位 置 計 測,距 離 変 化 計 測 の 精 度 の 目安 とは な らな い とい う こ とで あ る。 当然 で は あ る が,海 底 局 に 対 す る 海 上 局 の 位 置 配 置 が 中心 点 に 集 中 した た め,各 音 響 測 距 の 線 が海 上 局 で どの よ うに交 錯 して い るか, これ らの 線 の 交 錯 角 度 に よ り測 距 誤 差 に較 べ 位 置 決 め 精 度 は劣 化 し,少 しば らつ きが 大 きい 結 果 と な った 。 た だ し,海 底 局 の有 効 作 動 年 数 は5年 ∼ 10年 あ るの で,次 回 か ら適 切 な海 上 局 の 位 置 配 置 を取 っ て 計測(様 々 な方 向 と様 々 な 距 離 か ら計 測) す れ ば,さ ら に良 い 結 果 が得 られ る もの と期 待 さ れ る。 また,位 置 の 変 化 を解 析 す る 手 法 を改 善 す る 必 要 もあ る と思 わ れ る。 V . ま と め 東 京 大 学 生 産 技 術 研 究 所 と海 上保 安 庁水 路 部 が 構築 した 計 測 シ ス テ ム は か な り満足 の い くもの で あ り,ま た,自 作 の 解 析 手 法 の ソ フ トも適 切 に開 発 で きた と思 わ れ る。 自作 の解 析 ソ フ トで あ るの で,解 析 を行 い なが ら気 のつ い た 問 題 点 を直 ぐに 改 良,確 認 す る こ とが で きた。 大 きな 成 果 と して は,5,8月 と3ヶ 月 隔 て て,3台 か らな る 海 底 基 表 2 2000 年 5, 8 月 間 の3台 の 海 底 基準 点 の計 測 位 置 変化. 各 海 底 基準 点 の推 定位 置 は5月 の観 測 で 得 られ たGPS測 位 と音 響 測 距 デ ー タか ら 求 め た もの を使 い,8月 の5測 線 に よ る観 測 結 果 か ら海 底 基 準 点 の 位 置 変 化 を計 算.
Table 2 Position change of the reference system consisting of three sea-bottom transponders between May and August 2000.
On the basis of the positions of each bottom station estimated from GPS positioning and acoustic ranging data in May 2000, the position change of the sea-bottom reference system was calculated by using five observation lines on August 10, 2000.
準 点 シ ス テ ム の 位 置 の 変 化 を 現 状 の 解 析 法 で は2 cm程 度,ば らつ き を4か ら10cm程 度 で 計 測 で き た 点 で あ る 。 今 回 は,海 上 局 の 移 動 に と も な う と い う 意 味 の 空 間 的 な 変 化 を 含 め た 海 水 中 の 音 速 構 造 の 時 間 的 な 変 化 を,計 測 し た 音 速 プ ロ フ ァ イ ル を 基 準 と し て こ れ に 一 つ の シ フ ト量 の み で 捉 え 補 正 す る こ とが で き た け れ ど も,も う 少 し大 き な 空 間 的 な 変 化,つ ま り海 上 局 か ら 見 て 方 向 に よ り容 認 で き な い 変 化 が 生 じ る 事 象 も 起 こ り得 る の で, こ の よ う な 空 間 的 に 大 き な 変 化 に も 対 応 で き る よ う,解 析 手 法 を 改 良 す る 研 究 が 必 要 で あ る と思 慮 さ れ る 。 ま た,上 述 さ れ た よ り 良 い 観 測 方 法 を と る こ と に よ り,長 期 間 の 繰 り返 し 計 測 精 度 を さ ら に 向 上 さ せ る 研 究 を 続 け る こ と が 重 要 で あ る 。 特 にGPSの 測 位 結 果 が 正 し い と い う想 定 の も と に 解 析 し て い る の で, GPS の 測 位 精 度 を 向 上 さ せ る こ と に 努 め て い き た い 。 海 底 局 の 有 効 作 動 年 数 は5 年 ∼10年 あ る の で,こ れ ら既 設 の 海 底 局 を 有 効 に 運 用 し て い く こ と と し た い 。 ま た,こ れ ま で5力 年 の 研 究 に よ り,我 々 の 海 底 測 地 技 術 の 進 展 を 図 る こ と が で き た が,海 底 の 地 殻 変 動 は 様 々 な 形 態 を と っ て い る の で,今 後 は,実 際 に 各 種 の 地 殻 変 動 サ イ トを タ ー ゲ ッ トに し た 観 測 の 実 用 化,観 測 ・ 解 析 手 法 の 高 度 化 を 図 っ て い く こ と と し た い 。 謝 辞 海 底 音 響 基 準 局 シス テ ム の 開 発 に あ た っ て,(株) SEA の 中 川 拓 郎 氏,米 国 LinkQuest 社 のDr. xiaolong Yu , Dr.Nigg Xiao に は多 くの 有 意 義 な助 言 と協 力 を得 た 。 米 国NASA Goddard Space Flight Center のDr. O. L. Colombo に は,長 距 離 キ ネ マ テ ィ ック GPS処 理 プ ロ グ ラ ム を使 用 させ て 頂 い た 。海 上 保 安 庁 水 路 部 の 測 量 船 「明 洋 」 「海 洋 」 「天 洋 」,海 洋科 学技 術 セ ン ター の海 洋 調 査 船 「か い れ い 」 の 船 長 な らび に乗 組 員 の 方 々 に は 開発 まで の 試 験,基 準 局 の 設 置,観 測 に お い て協 力 を頂 い た。 また,2名 の査 読 者 の 方 に は 内 容 の 不 明 確 ・表 現 の 不 具 合 な 個 所 を指摘 ・修 正 して 頂 くな ど有 意義 な コ メ ン トを 頂 い た 。 本研 究 は科 学技 術 振 興 調 整 費 に よ る 「南 海 トラ フに お け る 海溝 型 巨大 地 震 災 害 軽 減 の た め の地 震 発 生 機 構 の モ デ ル化 ・観 測 シ ス テ ム の 高 度 化 に 関 す る総 合 研 究」 の 一 環 と して行 わ れ た もの で あ る。 以 上 の 皆 様,関 係 機 関 の 方 々 に記 して感 謝 い た します 。 文 献
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