(57)【要約】【課題】  ＧＰＳブイによる波向計測において、水粒子運動とブイの運動が一致しないため、ブイの水平移動速度とブイの垂直位置の共分散で３６０度波向が安定的に計測できない問題があった。【解決手段】  波向き計算を、２つの計算に分割して計算し、結果を合わせる手法を発明し、課題を解決した。この計算の１番目の計算は、水粒子の振動（往復運動）方向（１８０度波向き）を求めることである。これは、座標変換し、１次又は２次モーメント（パワー）が最大となる方向を求める手法で、水粒子の振動方向を求めることができる。２番目の計算は、波の進行方向を求め、３６０度波向を求めることである。ブイ式の場合、共分散による、水粒子の３６０度波向きの値は、安定しない。しかし、その符号は、安定性を持っている。従って、１番目の方法で求めた１８０度波向の方向での共分散値の符号を求め、進行方向を定める。以上の２つの手法の利点を利用することで、ブイ方式の安定的な３６０度波向き計測が可能になった。【選択図】なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブイの位置を計測する波向計測手法において、波の振動する方向と、その符号（進行・逆行）を個別に求め、その２つの結果を合わせることにより、３６０度の範囲で定義される波向きを求めることを特徴とする波向き計算手法。
【請求項２】
ブイの位置を計測する波向計測手法において、ブイの水平移動動揺の中心を中心とする座標で、ブイの位置を示し、波の振動する方向を、ブイの水平位置の（Ｘ，Ｙ）の２次モーメント（パワー）が最大になる方向とすることを特徴とする請求項１で規定する波向き計算手法。
【請求項３】
ブイの位置を計測する波向計測手法において、ブイの水平移動動揺の中心を中心とする座標で、ブイの位置を示し、波の振動する方向を、ブイの水平位置の（Ｘ，Ｙ）の１次モーメントが最大になる方向とすることを特徴とする請求項１で規定する波向き計算手法。
【請求項４】
ブイの位置を計測する波向計測手法において、波の振動する方向の符号（進行・逆行）を波の振動する方向のブイの水平方向移動速度とブイの垂直方向変位の共分散値の符号、または、波の振動する方向のブイの水平方向位置とブイの垂直方向移動速度の共分散値の符号により決定することを特徴とする請求項１で規定する波向き計算手法。
【請求項５】
ブイの位置を計測する波向計測手法において、ブイの水平位置データ（Ｘ，Ｙ）と垂直位置データＺの時系列データから波向を計算する時に悪い影響を与える周波数帯を、あらかじめディジタルフィルターで削除するノイズ除去処理を行い、ノイズ除去処理されたＸ，Ｙ，Ｚデータを求めておき、そのデータを用いて波向きを求めることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４で規定する波向き計算手法。
【請求項６】
ブイの位置を計測する波向計測手法において、ブイの水平位置データ（Ｘ，Ｙ）と垂直位置データＺの時系列データをそれぞれ、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分離しておき、そのデータを用いて、周期帯波向きを求める請求項１、請求項２、請求項３、請求項４で規定する波向き計算手法。
【請求項７】
ブイの移動速度をブイの位置データを微分して求めることを特徴とする請求項４で規定する波向き計算手法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ブイの位置データを用いた波向計算手法に関する。
【背景技術】
【０００２】  ブイに高精度のＧＰＳ（衛星測位システム）を搭載し、ブイの位置情報から、波高を測定することができる。しかし、ブイの位置情報の単純な処理では、精度の高い波向計測が難しい。この主な理由は、ブイには、縦方向の固有振動が存在し、垂直方向の水粒子運動とブイの垂直の動きが、必ずしも一致しなく、位相もずれる周波数領域がある。また、波による水平方向のブイの移動も位相がずれる周波数領域がある。すなわち、ＧＰＳブイ式波高計の場合は、直接水の粒子運動を計測するのではなく、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することによるからである。【０００３】  一般に、波がある状態では、水の粒子は、楕円運動をしている。水粒子の水平方向速度の絶対値は、水粒子が楕円の最も上にきたとき（時計で１２時の位置）と最も下にきたとき（時計で６時の位置）で大きくなる。波向は、水粒子の楕円運動の長軸方向と粒子の回転方向で定義されるが、簡単には、水粒子が楕円の最も上にきた時の水平方向流速の方向ということができる。したがって、波向計は、水粒子の楕円上の垂直位置と、水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測する機能を有している。水粒子の楕円上の垂直位置は、水面の位置を計測することで求められる。これには、水圧計や、海底に設置した機器から水面までの距離を超音波で計測する手法がとられる。また、水平方向流速は、超音波を用いた流速計、超音波を用いたドプラー式流速計や電磁流速計が用いられる。【０００４】  波向は、水粒子の垂直位置最上点での水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測し、その方向を波向とするか、水粒子の垂直位置最下点での水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測し、その逆方向を波向とすればよいことになる。しかし、この方法は、波向きの考え方示すもので、実用的には共分散法が用いられている。共分散法は、水粒子運動楕円の中心をゼロとした座標系で水粒子の位置を表し、その位置に水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を乗じたものの積分値を、Ｘ，Ｙ方向別々に求め、その合成成分の方向を波向とする方法である。この方法によれば、例えば、２０分間の平均波向を求めることができる。このような計算が可能であるのは、水粒子位置変動と水平流速変動の位相が一致しており、位相のずれはゼロか１８０度であるからである。すなわち、水粒子位置が最上点と最下点の位置で、水平流速の絶対値も最大となる。
【非特許文献１】  「共分散法を用いた波向推定方式の数値的検討」港研報告、第２０巻  第３号、１９８１年９月、ｐｐ５３〜９２
【非特許文献２】  「波を測る」、沿岸開発技術センター、２００１年、ｐｐ１３４〜１３６、ｐ．６６、ｐ．６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  ＧＰＳブイ式波高計の場合は、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することになる。ブイは、慣性質量を有し、水の抵抗があり、さらに固有振動を有している。固有振動は、ヒービング（上下動揺）、ローリング、ピッチングの動揺が存在する。例えば、ヒービングの場合、水粒子の上下運動の周波数が、ブイのヒービングの固有振周波数より大きい場合は、ブイの垂直位置は、水粒子の位置に追従できなく位相がおくれ、水粒子運動に対しブイの上下運動が小さく現れる。また、ブイの固有振動周波数に近い水粒子運動の場合、同調して、ブイが水粒子より大きく運動する場合があり、位相も大きくすれる。このブイの運動と水粒子運動のずれは、波高と共分散による波向の計算に障害となる。【０００６】  ＧＰＳブイ式波高計の場合の共分散計算は、ブイのＺデータと、ブイの水平移動速度の共分散から計算される。ただし、ブイの水平移動速度は、ブイの水平位置から微分により求める。一般に、共分散計算が可能なのは、共分散計算に使う２つの物理量の位相ずれがゼロか１８０度である必要がある。上述したように、ブイの応答性のため、この関係が成立しない周波数領域が存在する。このため、この領域をフィルターで除去し、この周波数領域の波向きを求めなくすることが行われている。また、ブイの位置、または、速度のデータの位相補正を行う方法も試みられているが、ブイの垂直方向の固有運動は、波の運動と独立しているため、この補正は、難しい。従って、この領域での共分散計算単独による波向き計算は、困難である。また、ブイは、振れ回り運動等波と無関係な動きをするため、ある程度の波高がある場合にしか共分散法が適用できない問題点がある。すなわち、ＧＰＳブイ式波高計の場合は、共分散法だけでは、安定的に波向き計算ができない問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  一般に、波向き計算は、計算過程を分割することなく、行われている。このため、上述の課題を解決できなかった。しかし、波向き計算を、２つの計算に分割して計算し、結果を合わせる手法を発明し、課題を解決した。この計算の１つの計算は、水粒子の振動（往復運動）方向を求めることである。この振動方向が示す波向きを１８０度波向きと呼ぶことにする。なぜなら、この波向きは、波の進行方向が分からず、０度〜１８０度の範囲で定義される波向きである。もう１つの計算は、波の進行方向を求めることである。この進行方向が分かると、０度〜３６０度の範囲で定義される波向きが求められる。これを３６０度波向きと呼ぶことにする。一般には、３６０度波向きが要求される。【０００８】  水粒子の振動（往復運動）方向の平均波向は、次の手法で計算できる。ブイの水平移動動揺の中心を中心とする座標で、ブイの位置（Ｘｉ，Ｙｉ）がｎ個の時系列データで示されているとする。このとき、数式１で示される１次モーメントＭｘ１（θ）が最大となるθの方向が平均波向の方向となる。
【数１】
2009014697.tif 000002
ただし、Ｘｉ（θ）は、θ回転した座標系上のブイの位置のＸ方向成分で、回転前の座標値（Ｘｉ，Ｙｉ）を用いて数式２で求められる。
【数２】
2009014697.tif 000003
【０００９】  さらに、水粒子の振動（往復運動）方向の主波向は、次の手法で計算できる。数式３で示す２次モーメント（パワー）Ｍｘ２（θ）が最大となるθの方向が主波向の方向となる。
【数３】
2009014697.tif 000004
また、数式４の関係式をもちいると、
【数４】
2009014697.tif 000005
モーメントが最大になる方向である主波向きの方向θｐは、数式５で表される。非特許文献１を参照。
【数５】
2009014697.tif 000006
【００１０】  波の進行方向を求めるには、まず、上述の手法で平均波向または主波向の方向θを求めておく。この場合の波の進行方向の符号は、数式６の共分散値Ｓ１（θ）の符号を用いる。式中のＶｘｉ（θ）は、波向き方向のブイの速度で、数式２でθ方向の位置の時系列データＸｉ（θ）を求め、これを微分して求める。また、Ｚｉは、ブイの垂直位置データで、波向き方向のブイの速度Ｖｘｉ（θ）と同時刻のデータである。
【数６】
2009014697.tif 000007
【００１１】  また、共分散法による符号の決定は、ブイの水平位置とブイの垂直方向速度の共分散値Ｓ２（θ）でも可能である。この場合は、数式７で示される。ただし、Ｖｚｉは、ブイの垂直方向速度である。これは、Ｚｉを微分して求める。
【数７】
2009014697.tif 000008
【発明の効果】
【００１２】  本発明により、ＧＰＳを用いたブイの位置を計測するブイシステムで、高精度な３６０度波向きの計測が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  ブイの形状として、筒形を用いる。これは、ローリングとピッチングをおさえる働きがある。また、ブイのヒービングの固有振動数を計測したい波の周波数より下になるようブイを設計してある。このブイにＲＴＫ（リアルタイムキネマチック）ＧＰＳの位置出し装置と、得られたブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を陸上局に送くる送信装置が搭載されている。陸上にある観測局には、データ受信装置、データ処理装置と表示装置が設けられている。【００１４】  データ処理装置は、受信したブイのＸ方向水平位置の時系列データ、ブイのＹ方向水平位置の時系列データと、ブイの垂直（Ｚ方向）位置の時系列データとをディジタルフィルターを通過させ、周期帯分離また、ノイズ処理を行う。次に、周期帯分離されたブイの位置データから、数式５を用いその周期帯の主波向きを求める。この時点では、この主波向きは、波の振動方向で、１８０度の範囲で定義される波向きである。つぎに、数式６または、数式７を用いて、波の進行方向を決定し、３６０度の範囲で定義される波向きを求める。