(57)【要約】ＧＰＳ衛星４からの電波を、基準局１と複数の移動局３とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行うことにより各移動局３の変位量を計測する計測システムであって、各移動局３のうち少なくとも一つを、基準局１と相対計測が位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局３同士の間隔が相対計測可能な基線制限長以下となるようになし、上記各局１，３にそれぞれＧＰＳ衛星４からの電波を受信するＧＰＳ受信機１１，２１を設け、上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置１２，２２を設け、上記所定の局同士間の相対変位量を演算する相対変位量演算部３２、および相対計測を行う一方の局の基準相対変位量に基づき他方の局の基準相対変位量を求める基準相対変位量演算部３３を具備したものである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットワークを構成し、基準局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測する計測方法であって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限長以下となるようになし、
基準局と所定の移動局との間で基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算ステップと、
上記所定の局同士間で相対変位量である移動局間相対変位量を演算する移動局間相対変位量演算ステップと、
上記基準局の基準変位量に基づき上記移動局間相対変位量演算ステップにて求められた移動局間相対変位量を基準相対変位量に変換する変換ステップと
を具備したことを特徴とする衛星を用いた相対計測方法。
【請求項２】
衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットワークを構成し基準局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測する計測システムであって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限長以下となるようになし、
上記各局にそれぞれ衛星からの電波を受信する衛星計測装置を設け、
上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置を設け、
上記所定の局同士間の相対変位量を演算する相対変位量演算部、および相対計測を行う一方の局の基準相対変位量に基づき他方の移動局の基準相対変位量を求める基準相対変位量演算部を
具備したことを特徴とする衛星を用いた相対計測システム。
【請求項３】
基準相対変位量演算部を基準局に配置するとともに、移動局の基準相対変位量を順次求めるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の衛星を用いた相対計測システム。
【請求項４】
各移動局に、それぞれの基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算部を配置したことを特徴とする請求項２に記載の衛星を用いた相対計測システム。
【請求項５】
相対計測を搬送波位相を用いて行うようにしたことを特徴とする請求項２に記載の衛星を用いた相対計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、複数の衛星からの電波を用いるとともに相対計測により変位を検出する相対計測方法および相対計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  複数の衛星からの電波を受信し解析し、その受信機（以下、移動局という）の位置を検出する衛星測位技術としては、計測誤差が大きいが当該移動局だけで測位を行う単独測位方式と、位置が既知である基準局からの補正データを用いて、移動局の位置を精度良く求める相対測位方式とがある。【０００３】  ところで、相対測位方式においては、その測位精度は受信機間の直線距離、所謂、基線長の制限を受けることになる。【０００４】  例えば、ＧＰＳ（全地球測位システム）におけるＣ／Ａコードを用いて単独で測位を行うとともに補正データを用いて補正する相対測位方式では、衛星の軌道情報の不確かさ、電離層と大気による誤差等がほぼ同じである場合の基線長の制限は約１００ｋｍ以下であり、この範囲についは誤差等を相殺できるので、相対測位方式での測位精度の向上を期待し得る。【０００５】  一方、搬送波位相を用いて基線を解析し測位精度の向上を図る方式においては、基線長の制限は約１０ｋｍ以下と短いが、Ｃ／Ａコードよりも十分短い搬送波位相を利用するため、測位精度が格段に向上する［例えば、新訂版ＧＰＳ−人工衛星による精密測位システム−（社団法人日本測量協会発行）参照］。【０００６】  また、衛星からの電波を利用して移動局の相対的な変位を計測する相対計測方式としては、日本国特許公開公報（２００１−２８１３２３）に開示されてものがあり、これはキネマティック方式と同等の精度で変位を計測できるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  ところで、上述した相対測位方式および相対計測方式は、いずれも基準局からの基線長の制限距離内が利用し得る範囲であって、基準局が整備されていない地域では、移動局が陸、海、空のどこにあろうと、相対測位または相対計測を利用することができず、したがって精度良く位置または変位を計測することができなかった。【０００８】  そこで、上記課題を解決するため、本発明は、相対計測可能な基線長の範囲外にある移動局についても、相対計測を利用し得る衛星を用いた相対計測方法および相対計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明の衛星を用いた相対計測方法は、衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットワークを構成し、基準局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測する計測方法であって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限長以下となるようになし、
基準局と所定の移動局との間で基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算ステップと、
上記所定の局同士間で相対変位量である移動局間相対変位量を演算する移動局間相対変位量演算ステップと、
上記基準局での基準変位量に基づき上記移動局間相対変位量演算ステップにて求められた移動局間相対変位量を基準相対変位量に変換する変換ステップとを具備した方法である。【００１０】  また、本発明の相対計測システムは、衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットワークを構成し基準局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測する計測システムであって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限長以下となるようになし、
上記各局にそれぞれ衛星からの電波を受信する衛星計測装置を設け、
上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置を設け、
上記所定の局同士間の相対変位量を演算する相対変位量演算部、および相対計測を行う一方の局の基準相対変位量に基づき他方の移動局の基準相対変位量を求める基準相対変位量演算部を具備したものである。【００１１】  また、上記相対計測システムにおける基準相対変位量演算部を基準局に配置するとともに、移動局の基準相対変位量を順次求めるようにしたものである。【００１２】  また、上記相対計測システムにおける各移動局に、それぞれの基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算部を配置したものである。【００１３】  さらに、上記相対計測システムにおける相対計測を搬送波位相を用いて行うようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】  上記相対計測方法および相対計測システムによると、基準局から所定間隔おきに相対計測可能な基線制限長以下となるように、移動局を順次配置し相対計測を連鎖的に行うネットワークを形成しておき、これら各局同士間の相対変位量を求めるとともに、基準局と相対変位を行った移動局の基準局ら見た変位量である基準相対変位置を用いて各移動局の基準相対変位量をネットワークの上流から下流まで順次求めるようにしたので、基準局から、相対計測可能な基線制限長以上離れた移動局の基準相対変位量を、その間に配置された移動局を介して、相対計測により精度良く求めることができる。【００１５】  例えば、各移動局を陸上の基準局から遠く離れた海域の海面上の浮体に配置しておくことにより、各移動局の基準相対変位量に基づき、海岸から遠く離れた海域にて津波の到来を知ることができ、したがって津波による被害をできるだけ、少なくすることことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る相対計測システムの概略全体構成を示す斜視図である。
【図２】同相対計測システムにおける基準局の概略構成を示すブロック図である。
【図３】同相対計測システムにおける移動局の概略構成を示すブロック図である。
【図４】同移動局に設けられた変位演算装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】同相対計測システムでの相対計測方法を説明するフローチャートである。
【図６】同相対計測システムにおける変位計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】同相対計測システムの変形例に係る基準局の概略構成を示すブロック図である。
【図８】同相対計測システムの変形例に係る基準局に設けられた測位演算装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】  以下、本発明に係る衛星を用いた相対計測システムおよび相対計測方法について説明する。【００１８】  なお、本実施の形態においては、衛星を用いた計測システムの一つである、所謂、ＧＰＳ（全地球測位システム）衛星からの電波および信号を用いるもので、その計測対象としては、海面の変位を検出するために海面に係留されて浮遊する浮体の基準局から見た相対変位量（以下、基準相対変位量と称す）を計測する場合について説明する。
［実施の形態］
以下、実施の形態に係る衛星を用いた相対計測システムおよび相対計測方法を、図１〜図６に基づき説明する。【００１９】  この相対計測システムには、図１に示すように、三次元の絶対位置が既知である陸上に固定された基準局１と、この基準局１から見た海面の変位を検出したい海域で且つ上記基準局１の中心から沖に向かって順次所定間隔おきに海面に係留された複数の浮体（ブイ）２にそれぞれ設けられた複数の移動局３とが具備され、またこれら各局１，３には、ＧＰＳ衛星４からの電波を受信し後述する精密変動計測方式（搬送波位相を用いるもので、以下、ＫＶＤ方式と称す）を利用して各移動局３の相対変位量（基準局の相対計測では基準相対変位量と、移動局間では移動局間相対変位量と称す）を求める機能が具備されている。【００２０】  なお、上記各移動局３については、基準局１に一番近いものを、第１移動局３Ａ、次に近いものを、順次、第２移動局３Ｂ、第３移動局３Ｃ、・・・、最も遠いものを第ｎ移動局３Ｚと呼ぶものとする。【００２１】  そして、上述したように、各局同士は所定間隔おきに配置され、例えば基準局１と第１移動局３Ａ、第１移動局３Ａと第２移動局３Ｂ、第２移動局３Ｂと第３移動局３Ｃ、・・・、第ｎ−１移動局３Ｙと第ｎ移動局３Ｚ同士の間は、ＫＶＤ方式で計測可能な基線長（以下、基線制限長と称し、例えば１０ｋｍである）以下となるように配置するとともにその局間で相対計測を実施する基準局を上流とした相対計測ネットワークを構成し、しかも、少なくとも、基準局１から最も遠い移動局３については、基準局１から基線制限長を超える位置の浮体２に設けられている。勿論、各局同士の間隔は同じ長さであってもよく、互いに異なる長さであってもよく、要するに、ＫＶＤ方式で計測可能な基線制限長以下であればよい。【００２２】  上記基準局１には、図２に示すように、ＧＰＳ衛星４からの電波をアンテナ１１ａを介して受信し計測用衛星データを計測するＧＰＳ受信機（衛星計測装置の一例）１１と、少なくともこのＧＰＳ受信機１１にて計測された計測用衛星データを含めて他の移動局３との間で種々のデータの送受信を行う無線通信装置（送信機および受信機からなる）１２とが具備されている。【００２３】  また、上記各移動局３には、図３に示すように、ＧＰＳ衛星４からの電波を受信して計測用衛星データを計測するＧＰＳ受信機（衛星計測装置の一例）２１と、他の局１，３との間でデータの送受信を行う無線通信装置（図４に示すように、送信機２２ａおよび受信機２２ｂからなる）２２と、他の局１，３からのデータを受信して自局の同時刻のデータとに基づきＫＶＤ方式により相対計測を行う、すなわち一方の局に対する他方の局の相対変位量を求める変位演算装置２３とが具備されている。【００２４】  ここで、移動局３に設けられる変位演算装置２３について詳しく説明する。【００２５】  この変位演算装置２３は、図４に示すように、ＧＰＳ受信機２１にて計測された計測用衛星データ（搬送波位相値、衛星と受信機のアンテナ間距離（擬似距離）、衛星の軌道情報、衛星計測システムで採用した時系データ（ＧＰＳタイム）などが含まれている）を記憶するデータ記憶部３１と、上記ＧＰＳ受信機２１にて得ら���た計測用衛星データ、並びに基準局１または一つ手前（上記ネットワークの基準局寄り（上流側））の移動局（以下、前局とも称す）３からの計測用衛星データおよび前局の基準相対変位量を受信機２２ｂを介して入力して、前局に対する相対変位量をＫＶＤ方式により演算する相対変位量演算部３２と、この相対変位量演算部３２にて求められた相対変位量および前局の基準相対変位量を入力して当該移動局３の基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算部３３と、上記データ記憶部３１に記憶された当該移動局３すなわち自局の計測用衛星データおよび基準相対変位量演算部３３で求められた基準相対変位量を入力し次の移動局３に送信するための送信データを作成する送信データ作成部３４とから構成されている。勿論、この送信データ作成部３４で作成された送信データは送信機２２ａを介して、次の移動局３に送信される。なお、上記計測用衛星データの中で、軌道情報については、相対計測を行う２つの局でそれぞれ受信することになるため、いずれか一方の局のＧＰＳ受信機２１のみで取得する場合は、そのデータを他方に送信して用いることもできる。【００２６】  次に、上記相対計測システムにおける各局間の相対変位量を求めて各移動局の基準相対変位量を計測し、海面の変位を求める方法を、図５のフローチャートに基づき説明する。【００２７】  まず、陸上の基準局１の計測用衛星データおよびその基準変位量（基準局と地盤と一体に固定している場合など、揺れがなければ、「ゼロ」となる）を、海上の第１移動局３Ａに送信する（ステップ１）。【００２８】  次に、第１移動局３にて、基準局１と第１移動局３Ａとの間で、ＫＶＤ方式に基づく相対計測にて、基準局から見た相対変位量を求める（ステップ２；基準相対変位量演算ステップ）。【００２９】  次に、基準局１の基準変位量を用いて第１移動局３Ａの基準相対変位量を求める（ステップ３）。【００３０】  次に、第１移動局３Ａの基準相対変位量および計測用衛星データを、第２移動局３Ｂに送信する。【００３１】  次に、第２移動局３Ｂにて、計測用衛星データを用いて、第１移動局３Ａと第２移動局３Ｂとの間で、ＫＶＤ方式による相対計測を行い、第１移動局３Ａから見た第２移動局３Ｂの移動局間相対変位量を求める（ステップ５；移動局間相対変位量演算ステップ）。【００３２】  次に、第１移動局３Ａの基準相対変位量をステップ５で求めた移動局間相対変位量から減算し、当該第２移動局３Ｂの基準相対変位量を求める（ステップ６；変換ステップ）。【００３３】  そして、第２移動局３Ｂの基準相対変位量が求まると、上述したステップ４〜６が繰り返されて、第３移動局３Ｃの基準相対変位量が求まり、この手順が繰り返されて、最も離れた第ｎ移動局３Ｚの基準相対変位量まで求める。なお、繰返しの部分（ステップ４〜６）については前局を（ｉ−１）で表し、相対計測に基づき基準相対変位量を求める移動局を（ｉ）で示している。【００３４】  したがって、各移動局３の基準相対変位量が求まると、浮体２の変位すなわち海面の所定周期毎の変位が計測されたことになり、この海面の水位変動を精度良く計測することができ、また海面の変位から波浪成分および潮汐成分を取り除くことにより���例えば地震などにより津波が発生した場合には、この津波を精度良く計測することができる。【００３５】  ここで、本発明の相対計測方法を簡単に説明すると、衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットワークを構成し、基準局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測する計測方法であって、上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限長以下となるようになし、基準局と所定の移動局との間で基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算ステップと、上記所定の局同士間で相対変位量である移動局間相対変位量を演算する移動局間相対変位量演算ステップと、上記基準局の相対変位量に基づき上記移動局間相対変位量演算ステップにて求められた移動局間相対変位量を基準相対変位量に変換する変換ステップとを具備したものである。【００３６】  このように、基準局１を陸上に配置するとともに、基準局１から所定間隔おきに、すなわちＫＶＤ方式による相対計測が可能な基線制限長以下となるように、移動局３を海面に順次配置しておき、これら各局同士間の相対変位量をＫＶＤ方式にて求めるとともに、この相対変位量を用いて基準局に対する各移動局の基準相対変位量を求めるようにしたので、基準局１から、相対計測可能な基線制限長以上離れた移動局３の基準相対変位量を、その間に配置された移動局３を介して、ＫＶＤ方式により精度良く求めることができる。【００３７】  したがって、各移動局を基準局から遠く離れた海域の海面上の浮体に配置しておくことにより、津波が海岸に到来するかなり前の段階で知ることができるので、津波による被害をできるだけ、少なくすることことができる。【００３８】  ここで、上述したＫＶＤ方式について、簡単に説明しておく。【００３９】  このＫＶＤ方式は、精密変動計測方法であり、上述したように、日本国の公開特許公報（２００１−２８１３２３）に開示されたものである。【００４０】  すなわち、本方式の計測精度はリアルタイムキネマティック方式（以下、ＲＴＫ方式という）に近いため、このＲＴＫ方式との比較にてその概要を説明する。【００４１】  ＲＴＫ方式は、予め、緯度、経度、標高を明らかにした基準点でのＧＰＳ衛星からの搬送波位相の計測値を参照しながら、計測対象地点での搬送波位相を求めることによって計測対象地点の３次元の座標を求め、この座標値の時間変動をもって変動成分の計測を行うものである。しかし、搬送波位相により、計測対象地点での受信機と衛星との距離を求める際に、整数値アンビギュイティを決定する必要があり、この整数値アンビギュイティを求めるためには、多量の計算を実行しなければならなかった。【００４２】  これに対して、ＫＶＤ方式の一つは、基準受信機と物体に配置される観測受信機とにおける相対ベクトルを、物体の変動に依存しない長周期変動成分と、物体の変動に依存する短周期変動成分とに分けるとともに、短周期変動成分を、基準受信機から衛星に向かう単位ベクトルの各ｘ，ｙ，ｚ軸成分にて表し、少なくとも３個のＧＰＳ衛星と各受信機との間の搬送波位相を計測するとともに、この計測データをバンドパスフィルタに通して、相対ベクトルの短周期変動成分に相当する短周期位相成分を抽出し、この短周期位相成分について、各受信機と各ＧＰＳ衛星との間の受信機間一重差を少なくとも３個求めるとともに、これら少なくとも３個の受信機間一重差に基づき相対ベクトルの短周期変動成分の各軸成分を演算により求めて物体の変位を計測する方法である。【００４３】  また、ＫＶＤ方式の一つは、上述の受信機間一重差に代えて、これら抽出された短周期位相成分について、上記各受信機と各ＧＰＳ衛星との間の受信機間・衛星間二重差を少なくとも３個求めるとともに、これら少なくとも３個の受信機間・衛星間二重差に基づき上記相対ベクトルの短周期変動成分の各軸成分を演算により求めて物体の変位を計測する方法である。【００４４】  上記各ＫＶＤ方式によると、物体の変動に直接関係する短周期変動成分にだけ着目して、両受信機とＧＰＳ衛星との間における搬送波位相の短周期変動成分である短周期位相成分の受信機間一重差、または短周期位相成分の受信機間・衛星間二重差に基づき、相対ベクトルの短周期変動成分の各軸成分を演算により求めるようにしたので、整数値アンビギュイティを求めることなく、物体の変動を計測し得るものである。そして、ＫＶＤ方式はキネマティック方式を利用するものであり、数十ヘルツ程度の物体の振動、具体的には、建築構造物の振動、機械構造物の振動、または海面の変動を計測し得るものである。【００４５】  ここで、このＫＶＤ方式の一つを用いた変位計測装置の概略構成を、図６に基づき説明しておく。【００４６】  すなわち、ＧＰＳ衛星から送信される電波を受信してその航法メッセージに含まれるデータから衛星の高度角θｅｌｖおよび方位角θａｚｍを計測する衛星角度計測部４１と、搬送波位相（位相距離）φを計測する搬送波位相計測部４２と、この搬送波位相計測部４２にて計測された搬送波位相φをバンドパスフィルタを通過させて時間変動成分である短周期位相成分φＳを抽出する短周期位相成分抽出部４３と、この短周期位相成分抽出部４３にて抽出された短周期位相成分φＳの受信機間一重差ΔφＳを求める一重差演算部４４と、上記衛星角度計測部１から高度角θｅｌｖ、方位角θａｚｍおよび一重差演算部４４から受信機間一重差ΔφＳをそれぞれ入力して少なくとも３個の方程式を作成するとともにこの連立方程式を解いて相対ベクトルΔｒの短周期変動成分ΔｒＳを演算する短周期変動成分演算部４５とが具備されたものである。【００４７】  ところで、上述した各実施の形態においては、各移動局に変位演算装置を配置して、それぞれの移動局の基準相対変位量を求めるように説明したが、それらは、送信機２２ａにて陸上の観測所（基準局と兼ねてもよい）に局番号とともに送信されて集中的に管理される。【００４８】  一方、例えば基準局に変位演算装置を配置するとともに、各移動局で計測された計測用衛星データを基準局に送信し蓄積しておき、当該基準局の変位演算装置で各移動局の基準相対変位量を求めるようにしてもよい。【００４９】  すなわち、上述した実施の形態における移動局間の送信データが基準局に送信され、基準局で各移動局のデータが記憶され、
移動局の相対変位量演算部や基準相対変位量演算部と同様の機能により、記憶されたデータを用いて相対計測が行われる。【００５０】  この場合、図７に示すように、基準局１には、変位演算装置１３が具備され、またこの変位演算装置１３には、図８に示すように、少なくとも、ＧＰＳ受信機１１からの計測用衛星データおよび無線通信装置１２の受信機１２ｂを介して各移動局３で受信した計測用衛星データを記憶しておくデータ記憶部５１と、このデータ記憶部５１に記憶された計測用衛星データを入力して、基準局１に対する各移動局３の基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算部５２とが具備されている。【００５１】  また、上記実施の形態においては、各局同士のデータの送受信については、無線通信装置により行うように説明したが、見通しが悪く地上波による通信を行うことができない場合には、通信衛星を用いてデータの送受信を行えばよい。【００５２】  また、上記実施の形態においては、基準局を陸上に配置したが、海面に浮遊する浮体に配置してもよい。【００５３】  さらに、上記実施の形態においては、基準局を陸上に配置するとともに移動局を海面に配置して、波浪、津波などを計測するものとして説明したが、例えば基準局および移動局ともに、陸上に配置することにより、例えば地震計として利用することもできる。【００５４】  また、上記実施の形態では、ＧＰＳによる衛星計測で例示したが、原理が同様の衛星計測方式（衛星測位方式）があれば、または今後登場するものでも、適用可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】  本発明の相対計測方法および相対計測システムによると、基準局から相対計測可能な基線制限長を超える位置に設けられた移動局に対しても、ＫＶＤ方式による相対計測を用いて精度良く計測を行うことができ、例えば移動局を搭載した浮体を陸上からかなり離れた海域に係留しておくことにより、沖合いで津波を計測し津波の到来を予測して、津波による被害の軽減に利用することができる。また、場合によっては、地震計としても用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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