(57)【要約】【課題】  単独ＧＰＳ受信機をブイに搭載しておき、単独ＧＰＳ受信機で受信したＧＰＳ信号に基づいて、ブイの揺れ動きから海洋波浪の周期、更にその周期から波長、波速を得るＧＰＳ式海洋波計測方法を提供する。【解決手段】  ブイ１に搭載した単独ＧＰＳ受信機２で受信したＧＰＳ信号に基づいてＧＰＳ式ブイの上下方向運動データを得て、その上下方向運動データのスペクトル解析によって、例えば、海洋波の波高パワーのピーク値に応じた振動数を特定し、振動数に応じた海洋波の周期が求められる。周期から更に、スペクトル別の波長・波速を近似式から求めることができる。【選択図】  図１
2005083998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブイに搭載した単独ＧＰＳ受信機が受信したＧＰＳ信号に基づいて前記ブイが海洋波によって揺れ動くときの前記ブイの上下方向運動データを生成し、前記上下方向運動データにスペクトル解析を施すことによって前記海洋波の周期を求めることから成るＧＰＳ式海洋波計測方法。
【請求項２】
前記海洋波の前記周期を、前記スペクトル解析によって得られる振動数の領域における波高パワーにおいて、前記波高パワーがピーク値を付ける前記振動数に対応した周期として求めることから成る請求項１に記載のＧＰＳ式海洋波計測方法。
【請求項３】
前記海洋波の波長を、前記周期と水深との間で成り立つ下記の関係式から前記海洋波の周期毎に推定することからなる請求項１に記載のＧＰＳ式海洋波計測方法。
【数１】
2005083998.tif 000006
ここで、Ｔは周期、Ｌは波長、ｈは水深である。
【請求項４】
前記海洋波の波速を、前記海洋波の周期毎に前記周期と前記波長とから求めることからなる請求項２に記載のＧＰＳ式海洋波計測方法。
【請求項５】
前記スペクトル解析によって求められた前記周期を用いた前記関係式の右辺において水深が無限大であるとしたときの前記波長の初期値を求め、前記周期と実際の水深を用いた前記関係式の右辺において前記波長に前記初期値を代入して前記波長の更新値を求め、その後、前記波長に前記更新値を代入して前記波長の更なる更新値を求める計算を繰り返し、収束したと判定される前記更新値を前記水深の海洋上における前記周期を持つ海洋波の波長であると推定することから成る請求項１に記載のＧＰＳ式海洋波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＧＰＳシステムを利用して、海洋波の特に周期を計測するＧＰＳ式海洋波計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海難救助等のために海難救命艇が海上に着水する際には、海洋波浪の波高、周期、波長及び波向が海難救命艇の着水を可能にする範囲にあるか否かが、重要なファクターとなっている。しかしながら、こうした海洋波浪の特徴については、航空機からのパイロットの目視による経験的、直感的な分析に頼っているのが現状である。一般的には、海上を上空から撮影した画像に基づいて、海洋波浪の波長を分析している。
【０００３】
ＧＰＳシステムを利用して海洋波の周期等の計測方法の一例として、ディファレンシャルＧＰＳ方式を用いた計測がある（特許文献１参照）。この計測方法においては、各波浪観測海域毎の浮遊物標にＧＰＳ受信機及びトランスポンダ子局を含む波浪観測装置を搭載し、また陸上にトランスポンダ親局及び波浪データ処理装置を設置し、トランスポンダ子局はＧＰＳ受信機が測定した浮遊物標の緯度、経度、高度の各データ及び測定時刻データをトランスポンダ親局に送信し、トランスポンダ親局はトランスポンダ子局から受信した浮遊物標の受信データを波浪データ処理装置に供給し、波浪データ処理装置は、供給される各波浪観測海域毎の波浪観測データに基づいて波浪解析を行っている。
【特許文献１】特開２００１−２７６６５号公報（［００１３］〜［００１９］、図１，図２）
【０００４】
ＧＰＳを用いた従来の波浪観測は、位置が正確に判明している地上局にＧＰＳ衛星からの電波を受信する受信機を配置して、ＧＰＳ信号の時間誤差等の誤差情報（ディファレンシャルデータ）をＵＨＦ帯の電波を発信しておき、浮遊物標は、ＧＰＳ衛星からの電波と同時にディファレンシャルデータを受信して、ＧＰＳ衛星から得るデータを補正することで測位精度を向上している。しかしながら、ディファレンシャルデータを発信する地上局施設を設ける必要がある外、ディファレンシャルデータを受信するには、専用の受信機を搭載する必要があり、システムが複雑化して費用も高価になる等の問題も含んでいる。
【０００５】
本発明者らは、先に、ＧＰＳを用いて、海洋上又は湖沼上での任意の位置で、波高と流向流速を正確に測定することを可能にするＧＰＳ式波高・流向流速計測装置及びそれを用いたシステムを提案している（特願２００２−１０３５９３号）。海洋上又は湖沼上に浮遊する浮体に設けた１台のＧＰＳ受信機で受信したＧＰＳ信号に対して高域濾過フィルタとスムージング処理とを行うことによって、ＧＰＳ信号に含まれる誤差を取り除いているので、波高・流向流速を精度良く計測することを可能としている。
【０００６】
また、本発明者らは、ＧＰＳ測位データに基づいた波向解析アルゴリズムを持つＧＰＳ式波向計測方法を提案している（特願２００２−３６２８０６号）。この提案の中で、ＧＰＳ測位によるＺ軸方向の時系列データ（時間領域データ）である高度データから、ゼロアップクロス法によって波の１周期を取り出すこと、及びその周期で取り出したデータの最大ピーク点の前後の数点における横方向変位から波向を推定することを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、ディファレンシャルデータのような他の信号に依ることなく、ブイに搭載した単独ＧＰＳ受信機で受信したＧＰＳ信号に基づいて、ブイの揺れ動きから海洋波の周期、更にはそうして得られた周期に基づいて海洋波の波長、波速を得る点で解決すべき課題がある。
【０００８】
この発明の目的は、ディファレンシャルデータのような他のシステムからの信号に依ることなく、ブイに搭載された単独ＧＰＳ受信機が受信するＧＰＳ信号に基づいて、低コストで、海洋波の周期、更にはそうして得られた周期に基づいて波長、波速を求めることができるＧＰＳ式海洋波計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、この発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法は、ブイに搭載した単独ＧＰＳ受信機が受信したＧＰＳ信号に基づいて前記ブイが海洋波によって揺れ動くときの前記ブイの上下方向運動データを生成し、前記上下方向運動データにスペクトル解析を施すことによって前記海洋波の周期を求めることから成っている。
【００１０】
このＧＰＳ式海洋波計測方法によれば、ブイに搭載される単独ＧＰＳ受信機が受信したＧＰＳ信号に基づいて、ブイが海洋波によって揺れ動くときのブイの上下方向運動データを生成し、上下方向運動データにスペクトル解析を施すことによって、ブイが浮遊する海洋波の周期が求められる。上下方向運動データのスペクトル解析によれば、周波数領域で分布した特性が得られるので、一例としてその分布のピーク値を付ける周波数に対応する周期を、海洋波の周期とすることができる。周波数領域において、ピークは単一のピークに限らず、複数のピーク（極大値）を付ける場合もある。
【００１１】
このＧＰＳ式海洋波計測方法において、前記海洋波の前記周期を、前記スペクトル解析によって得られる振動数の領域における波高パワーにおいて、前記波高パワーがピーク値を付ける前記振動数に対応した周期として求めることができる。上下方向運動データのスペクトル解析によって振動数の領域において分布した波高パワーが得られるが、波高パワーが極大となるピーク値（複数あってもよい）を付ける海洋波の振動数が求められ、その振動数に対応して海洋波の周期が求められる。
【００１２】
このＧＰＳ式海洋波計測方法において、前記海洋波の波長を、前記周期と水深との間で成り立つ下記の関係式から前記海洋波の周期毎に推定することができる。
【数２】
2005083998.tif 000003
ここで、Ｔは周期、Ｌは波長、ｈは水深である。
上記関係式は、海洋波の周期と波長、及びその海洋波が水面に存在する海洋の水深を関係づける海洋工学上の式である。水深は、海図又は実測で求めることができる。したがって、求めた海洋波の周期に基づいて、或いはスペクトル別に、関係式を満たすような波長を求めることができる。
【００１３】
このＧＰＳ式海洋波計測方法において、前記海洋波の周期毎に前記海洋波の波速を、前記海洋波の前記周期と前記波長とから求めることができる。具体的には、波長をその周期で除することで海洋波の波速を求めることが可能である。波長は周期に応じて異なる値を示すので、海洋波の波速は各周期に応じて、或いはスペクトル別に求められる。
【００１４】
このＧＰＳ式海洋波計測方法において、前記スペクトル解析によって求められた前記周期Ｔを用いた前記関係式の右辺において水深ｈが無限大としたときの前記波長の初期値を求め、前記周期Ｔと水深ｈを用いた前記関係式の右辺において、前記波長Ｌに前記初期値を代入して前記波長の更新値を求め、その後、前記波長Ｌに前記更新値を代入して前記波長Ｌの更なる更新値を求める計算を繰り返し、収束したと判定される前記更新値を前記水深ｈの海洋上における前記周期Ｔを持つ海洋波の波長であると推定することができる。上記関係式は、超越方程式であるので一般的には解析的な解析解を求めることはできないが、左辺と右辺に波長Ｌを含んでおり、しかも左辺が波長Ｌそれ自体であるという式構造を利用して、繰り返し計算法が適用可能である。こうした繰り返し計算法によって、更新値が収束したと判定されるときにその更新値を方程式の解に十分近似した近似解とすることができる。なお、実際の水深としては、海図又は実測によって求めた水深が用いられる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法は、海洋波の周期、更にはその周期に基づいた波長及び波速を推定する方法を提案している。単独ＧＰＳ受信機が受信したＧＰＳ信号に基づいて単独ＧＰＳ受信機を搭載したブイの揺れ動き運動の上下方向運動データを生成し、その上下方向運動データについてスペクトル解析を施すことによって、海洋波の振動数が特定される。また、その振動数から海洋波の周期が求められ、その結果から、近似式を用いてスペクトル別の波長が計算され、更には波速も計算される。海難救助の際には、航空機から単独ＧＰＳ受信機を搭載した投下型のブイを海難位置に投下することで、このＧＰＳ式海洋波計測方法を適用することができる。海難位置の海面の波浪状況は直ちに定量的数値で把握でき、海難救助艇のパイロットや沿岸陸地に送信することが可能となって、救助の成功率の向上や二次的遭難・災害の防止に役立つことが期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付した図面に基づいて、この発明によるＧＰＳ式海洋波速計測方法の実施例を説明する。図１は、この発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法を適用することができるシステムの概要を示す図である。単独ＧＰＳ受信機２を搭載した投下型ブイ（以下、「ＧＰＳ式ブイ」と略す。）１が海洋に浮遊せられ、単独ＧＰＳ受信機２は軌道を周回する複数のＧＰＳ衛星３からのＧＰＳ信号を逐次切り替えて受信可能である。ＧＰＳ式ブイ１は、図示しないが、その近海を航行する船舶や上空を飛行する航空機との間で通信が可能である。符号ｈは海面から海底４までの水深を、符号Ｌは海洋波５の波長を示す。
【００１７】
図２は、この発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法の全体流れを示すフローチャートである。このＧＰＳ式海洋波計測方法は、ＧＰＳ式ブイ１を用いて海洋波の周期・波長及び波速を測定する方法であって、図２に示す全体流れによれば、先ず、ＧＰＳ式ブイ１に搭載されている単独ＧＰＳ受信機２が受信したＧＰＳ信号に基づいて、海洋上に浮遊するＧＰＳ式ブイ１の３次元位置情報（正確にはＧＰＳ受信機２の３次元位置情報）が取得される（ステップ１、「Ｓ１」と略す。以下同じ）。Ｓ１で取得されたＧＰＳ式ブイ１の３次元位置情報に基づいて、ＧＰＳ式ブイ１の高度方向（Ｚ軸方向）、即ち、上下方向運動のデータが生成され、その上下方向運動データについてスペクトル解析が行われる（Ｓ２）。十分な時間にわたって３次元位置情報が得られれば、上下方向運動データについて周波数毎に解析が可能である。Ｓ２におけるスペクトル解析において、波の振動数毎の波高パワーが計算される（Ｓ３）。Ｓ３で計算された波高パワーについては、例えば振動数領域でグラフ化することで、波高パワーの振動数分布を得ることができる。波高パワーのピーク値に対応した波の振動数が海洋波の代表的な振動数とみなされ、その代表的な振動数の逆数として海洋波の周期が求められる（Ｓ４）。
【００１８】
予め波長と周期との間で判明している関係式に基づいて、Ｓ４で求めた周期を用いて海洋波の波長及び波速が求められる（Ｓ５）。関係式は、水深ｈと、海洋波の周期及び波長Ｌとの関係を定める式であり、波長を求める解析フローチャートとともに後述する。波長が求まれば、波長を周期で除算することで波速を求めることができる。海洋波について得られた情報は、海洋波浪情報として航空機や沿岸基地局へ伝送される（Ｓ６）。伝送手段としては、特小無線や携帯電話のパケット通信機能を利用することができる。
【００１９】
図３はＧＰＳ式ブイの上下方向の運動から波の周期を求める一例を示すデータ図、図４はＧＰＳ式ブイの上下方向運動データの波高スペクトル解析による振動数の求め方の一例を示すグラフである。図３に示すデータ図において、（Ａ）は図１に示すＧＰＳ式ブイ１に搭載されている単独ＧＰＳ受信機２が受信するＧＰＳ衛星３の数の変化を示す連続データ図、（Ｂ）はＧＰＳ信号から求めたＧＰＳ式ブイ１の高さ（Ｚ方向）の変化を示す生データ（生の上下方向運動データ）図、（Ｃ）は（Ｂ）に示す連続データ図からＧＰＳ衛星３の数の変化に基づくジャンプを取り除いたときのＧＰＳ式ブイ１の高さの変化を示す連続修正データ（修正上下方向運動データ）図、（Ｄ）は（Ｃ）に示す連続修正データに対してフィルタ処理を施したときのＧＰＳ式ブイ１の高さの変化を示すフィルタ処理データ図である。
【００２０】
図３（Ａ）から判るように、この例では、時間２６４秒の付近で受信するＧＰＳ衛星３の数は、８から７に減少している。図２（Ｂ）に示すＧＰＳ信号から求めたＧＰＳ式ブイ１の生の上下方向運動データから判るように、ＧＰＳ式ブイ１は海洋波によって絶えず上下方向に動いており、しかも、ＧＰＳ衛星３の数が変化するときに対応して、ＧＰＳ式ブイブイ１の高さの変動の水準が変化（ジャンプ現象）することが判る。こうした変動水準の不連続な変化を取り除いたときの修正上下方向運動データが図２（Ｃ）に示されており、図２（Ｃ）のデータに対してフィルタ処理（超長周期のうねりのような波をカットする高域フィルターによる処理）を施すことによって、図２（Ｄ）に示すようなフィルタ処理後の上下方向運動データが得られ、このデータから波の１周期を測定することができる。周期Ｔの定義としては、一般には、上下方向運動の中立点を下から上に通過してその後再び下から上に通過するまでにかかった時間とする、所謂、ゼロアップクロス法が適用されるが、ここでは、以下のスペクトル解析法を適用して求められる。
【００２１】
フィルタ処理後の上下方向運動データ（波高データ）についてスペクトル解析を施すことによって、周波数領域における波高パワーの分布が得られる。即ち、図４に示すように、横軸に振動数を縦軸に波高パワーを目盛ることにより、振動数に応じた波高パワーの分布が得られる。図４に示す例では、０．２２Ｈｚ付近に最も高い第１ピーク（周期４．５秒）が現れており、０．１７Ｈｚ付近に次に高い第２ピーク（周期５．８秒）、更に０．１２Ｈｚ付近に次に高い第３ピーク（周期８．４秒）が現れているのが判る。この場合、波高パワーが最も大きい周期４．５秒の波が代表する海洋波として定められる。
【００２２】
周期が求められると、波長と周期、水深とを関係付ける関係式から波長を求めることができる。即ち、水深が十分深く、波動現象を微小振幅表面波と仮定できる場合、その波長Ｌ（図１に示す）と周期Ｔ、水深ｈとの間には、ｇを重力加速度として、式（１）として示す関係式が存在する。
【数３】
2005083998.tif 000004
【００２３】
式（１）は超越方程式であって解析的には解くことができないが、以下のような本発明による繰り返し計算によって数値的に解くことが考えられる。式（１）には、右辺と左辺の両方に波長Ｌが含まれており、特に、左辺は波長Ｌそれ自体である。そこで、波長Ｌを未知数ｘと書き直すと、式（１）は次の（２−１）と（２−２）とから成る式（２）で表されるような連立方程式、即ち、一つの直線と一つの曲線との交点を求める問題に帰着する。
【数４】
2005083998.tif 000005
【００２４】
図５はこの発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法において用いられる数値解析手法を表す解析フローチャートであり、図６は図５に示される解析フローチャートによって実行される繰り返し計算の収束性を示す図である。図５に示す解析フローチャートにおいて、計算が開始される（ステップ１１、「Ｓ１１」と略す。以下同様）と、先ず、海図又は実測によって水深ｈが求められる（Ｓ１２）。求めた水深ｈが、式（２−２）に与えられる（Ｓ１３）。上記した波高スペクトル解析によって求められた振動数の逆数を求めることで周期が算出される（Ｓ１４）。算出された周期Ｔが、式（２−２）に与えられる（Ｓ１５）。式（２−２）を演算することによって、波長Ｌの初期値ｘ０が計算される（Ｓ１６）。初期値ｘ（０）を式（２−２）の下式の右辺に代入して、得られたｙを波長の更新値ｘ（１）とする（Ｓ１７）。前回求めた波長（最初では、初期値ｘ（０））と今回求めた更新値（最初の場合、更新値ｘ（１））との差（誤差）を評価する（Ｓ１８）。誤差が定められた値以上であるときには、Ｓ１７に戻って、更新値ｘ（１）を再び式（２−２）の下式の右辺に代入し、得られたｙを波長の更なる更新値ｘ（２）とし、Ｓ１８において更新値ｘ（１）と更新値ｘ（２）との誤差を評価する。以下、同様の更新値計算と誤差評価計算を繰り返し，ｘ（ｎ＋１）とｘ（ｎ）との差が十分小さくなったとき、波長Ｌを求める計算は収束したものとして終了する（Ｓ１９）。
【００２５】
一般に、ＧＰＳ式ブイでは、測定可能な周期Ｔは３〜１６秒である。図６には、例として、Ｔ＝１６とＴ＝８としたときの超越方程式の解の収束性の様子が示されている。各周期Ｔに対して３本の線が示されているが、各線は、それぞれ水深ｈを５０，１００，５００ｍに変化させたときに対応している。図６において、実際の水深ｈが実測又は海図から５０ｍであるとし、海洋波の周期Ｔは１６秒とする。波長Ｌの初期値ｘ（０）として、ｈ＝∞としたときの各式の交点が利用される。即ち、ｘ（０）は、式（２−２）においてｈ＝∞と置くことにより、Ｌ＝ｇＴ2 ／（２π）として求められる。図６においては、ｈ＝５００が十分深い水深であるとして周期Ｔが１６秒のとき、直線（ｙ＝ｘ）と、ｈ＝５００ｍのときの曲線との交点（Ａ）のｘ座標として求められる（ｘ（０）＝４００ｍ）。水深ｈを５０ｍとするときに、初期値ｘ（０）（＝４００ｍ）を式（２−２）に代入することによって、交点（Ｂ）のｙ座標としてｙ（１）（＝２６０ｍ）が得られる。式（２−１）により、ｙ（１）をｘ（０）の更新値ｘ（１）とする（交点（Ｃ））。更新値ｘ（１）と元のｘ（０）との差｜ｘ（１）−ｘ（０）｜（＝１４０ｍ）が評価される。十分収束していないと判断されると、水深ｈが５０ｍであるときに、更新値ｘ（１）（＝２６０ｍ）を式（２−２）に代入することによって、交点（Ｄ）のｙ座標としてｙ（２）（＝３３０ｍ）が得られる。式（２−１）により、ｙ（２）をｘ（１）の更新値ｘ（２）とする（交点（Ｅ））。更新値ｘ（２）と更新前の値ｘ（１）との差｜ｘ（２）−ｘ（１）｜（＝７０ｍ）が評価される。以下、同様に繰り返し計算をしていき、更新値ｘ（ｎ＋１）と更新前の値ｘ（ｎ）との誤差が予め設定された設定値よりも小さくなったとき、波長の計算は収束したと判断してそのときの更新値を波長Ｌと近似する。図６の例では、波長の初期値ｘ（０）＝４００ｍから繰り返し計算を開始して、８回目で誤差１％以内に収束した。
【００２６】
このような繰り返し計算では、計算の収束性は図６における式（２−１）に示されるｙ＝ｘと、式（２−２）に示される曲線の交点での曲線側の傾きに依る。一般には、曲線側の傾きが−１以上、０以下であれば問題がないことが判っているが、本問題では、Ｔ＝１６（最大）で水深ｈが５０ｍの場合でも、曲線の傾きは−０．５８で収束性が保証される。水深ｈは一般的にはこれ以上であると考えられ、水深ｈが深くなればなるほど、グラフはフラットになる、即ち、傾きは０に近づくため、収束性が崩れることはない。また、周期Ｔが小さくなると、図６に示すグラフでは更に傾きが減少する方向にあるので、やはり収束性は保証されるが、今回のように、ＧＰＳ式ブイは十分に水深のある海域に投入されることを考えると、本手法による繰り返し計算で問題がないことが判かる。
【００２７】
波数毎の波長分布データの一例及び波数毎の波速分布データの一例が、それぞれ図７又は図８に示されている。図７及び図８において、横軸は、ブイの上下運動から計測できる１周期（中立点を下から上に通過してその後再び下から上に通過するまでにかかった時間）の波が基準時間間隔、例えば１０分間で存在する数としての「波数」である。図７及び図８においては、それぞれ、個々の波に対応した波長又は波速が実線で示され、スペクトル解析によって現れる第１ピークから第３ピークまでのピークに対応する波の波長又は波速が区別して示されている。なお、有義波長とは、波の周期を大きい順に並べて大きい方から３分の１の平均を取った際の周期から計算した波長である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法が適用される海洋波計測システムの一例を示す概略図である。
【図２】この発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法の全体流れを示すフローチャートである。
【図３】ＧＰＳ式ブイの上下方向の運動から波の周期を求める一例を示すデータ図である。
【図４】ＧＰＳ式ブイから送信された信号からの波高スペクトル解析による振動数の求め方の一例を示すグラフである。
【図５】この発明によるＧＰＳ式海洋波計測方法において用いられる数値解析手法を表す解析フローチャートである。
【図６】図４に示される解析フローチャートによって実行される繰り返し計算の収束性を示す図である。
【図７】波数毎の波長分布データの一例を示す図である。
【図８】波数毎の波速分布データの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ＧＰＳ式ブイ
２  単独ＧＰＳ受信機
３  ＧＰＳ衛星
４  海底
５  海洋波
Ｔ  海洋波の周期
Ｌ  海洋波の波長
ｈ  水深
【図１】
2005083998.tif 000007
【図２】
2005083998.tif 000008
【図３】
2005083998.tif 000009
【図４】
2005083998.tif 000010
【図５】
2005083998.tif 000011
【図６】
2005083998.tif 000012
【図７】
2005083998.tif 000013
【図８】
2005083998.tif 000014