特集 技術研究開発

高度な国土管理のための複数の衛星測位システム（マルチGNSS）による高精度測位技術の開発―平成２３年度新規総合技術開発プロジェクトの取り組み―
国土交通省国土地理院測地観測センター

衛星測地課長つじひろみち辻宏道

１． はじめに

２． GPS測量

米国が１９７０年代に開発を始めたGPS（Global Po-!

カーナビとの違い

sitioning System；全地球測位システム）は，１９８０

GPSというとカーナビでの利用が有名だが，こ年代から時刻管理や測量等の民生分野に利用されの方式では１台の受信機で四つ以上の衛星までのるようになり，２１世紀に入るとカーナビをはじめ距離を測り，衛星の位置を頼りに受信機の位置をとする航法や位置情報サービスを支える世界規模１０m程度の精度で瞬時に求めている。現在では携の社会基盤となっている。このGPSに，当初から帯電話にも標準的に装備されるようになっている

ソ連（ロシア）が追随し，２０００年頃からは欧州・が，この精度では測量に使うことは難しい。

中国等も独自の測位システムの開発を計画し，日

このため，測量分野では，一回り大きい測量用本も２０１
０年９月１１日に準天頂衛星初号機「みちびのGPS受信機を２台以上用意し，四つ以上の衛星き」を打ち上げるなど，近い将来，多数の衛星測までの距離を正確に測り，そのデータを組み合わ位システムが利用できる環境の実現が期待されてせて処理することで，受信機間の相対的な位置関いる。これらのGNSS（Global Navigation Satellite係（距離，方向）を求めている。例えば１時間程System）と総称される衛星測位システムは，国度の観測で１０km先の点の位置を２cm程度の精度土管理のさまざまな局面で必要となる高精度測位で決めることができる。今回の技術開発の対象と（測量）においても活用が期待される。

なるのは後者である（図―１）。

本稿では，その活用に向けた課題を整理するとともに，今年度から４カ年計画で始まる表題の総"合技術開発プロジェクトの概要を述べる。複数の国土管理の各工程，例えば，公共工事の用地取衛星測位システムを統合的に利用することで，現得や施工，地図作成等においては，従来，距離・在のGPS測量が抱える課題の解決を目指している

角度を求める測量機器（トータルステーション）

こ と か ら，プ ロ ジ ェ ク ト の 名 称 は「マ ル チによる測量技術が主流であったが，現在ではGPSGNSS」としている。

測量が主流となっている。また地震や火山噴火がGPS測量の現状と課題多発する日本ではGPSは地殻変動の観測にも利用

１
８ 建設マネジメント技術

2011 年 5 月号

技術研究開発 特集

今回の技術開発対象

高精度測位技術【参考】測位（カーナビ方式）

衛星

衛星

電波受信で距離測定（m精度）

電波受信で距離測定（cm精度）

受信機（アンテナ）

受信機（アンテナ）

受信機（アンテナ）
位置の精度
数m〜数十mベクトルの精度
数cm程度

一つの受信機でその位置を求める

同時に別々の場所に受信機を設置し相対的な位置（ベクトル）を求める

測量

低速移動体

高速移動体

20cm

高精度 ２cm

図―１

カーナビ等

１m10m 低精度

測量とカーナビにおけるGPSの利用方法の違いされており，国土地理院はGPSを常時観測する電（断層運動，マグマ上昇）について情報を取り出子基準点を全国に設置し，地震・火山噴火があっし，災害の推移予測や避難の判断に用いることがた場合は速やかに地殻変動情報を提供して防災にできる。しかし広い地域で正確な変動量を出すに貢献している。

は，観測に十分な時間が必要となり，現在のとこ

このようにGPS測量は，国土管理上不可欠な測ろ，結果が出るまでに５時間程度を要している。

量技術の一つとなっているが，現場で困っているGPS測量をリアルタイムで行う技術も開発されてことが二つある。

いるが，やや誤差が大きいために広域の地殻変動一つ目の課題は，都市部や山間部ではビルや山を安定的に把握するまでには至っていない。

等の障害物によって衛星からの電波が遮断され，このようなGPS測量が抱える課題を解決するのGPS測量が実施できない場所があることだ。このに必要な環境が，今整備されようとしている。マような場所ではトータルステーションを用いた地

ルチGNSSの登場である。

上測量を行わざるを得ないが，かなりの手間がかかる上，実務的には両方の測量機材を用意する必!

要があり，経費もかかる。

各国の計画が順調に進展すると，２０１４年頃までマルチGNSSへの期待

二つ目の課題は，さらなる短時間化への対応でには，近代化GPS（米国），準天頂衛星（日本），ある。通常の測量でもそうだが，特に必要性が高GLONASS（ロシア），Galileo（EU）といった７０いのが，災害時である。大きな地震や火山噴火が機程度のGNSS衛星が利用可能になる見込みでああった場合，電子基準点のデータから地殻変動をり，これらの衛星が同時に利用できれば都市部や把握し，地震・噴火を引き起こした地下の現象

山間部などでの測位で問題となる衛星の可視性は建設マネジメント技術

2011 年 5 月号 １
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特集 技術研究開発

格段に向上する（図―２）。また，従来のL１，L２帯の信号に加え，L５（E５b）等の新たな周波数帯の信号も送信されるため（図―３），三つの周波数で観測されたデー
タの組み合わせにより，GPS測量の効率化の鍵を握るデータ処理（いわゆる搬送波位相のアンビギュイティ決定）を効率的に行うことが期待される。つまり，衛星数および周波数帯が増えることにより，衛星測量の実施可能地域を広げ，観測に必要な時間を短縮することが可能になるわけである。
一方，電子基準点での地殻変動監視で
は，２４時 間 観 測 デ ー タ と 国 際GNSS事 業（IGS）の作る精密暦（衛星軌道情報）の利用により，現在のGPSでも１cmを切る水平精度が得られており，マルチGNSSデ図―２ ２０
１
３年７月２１日に銀座上空で見える衛星の予測GPSのみでは衛星数が不足するが，マルチGNSSが利用できれば克服できる。

ータを利用しても，この精度が大幅に向上することはあまり期待できない。しかし，1278.75MHz
1176.45MHz
1227.60MHz

地震等の緊急時の解析では，マルチGNSS

1575.42MHzデータの利用で，より短い時間で安定的なL５解析結果を出すことが期待される。

L２L１GPS
L５ L３

３． マルチGNSS測量の課題

L１

L２

GLONASSE５

マ ル チGNSSを 測 量 分 野 で 利 用 す る には，各システムが整備され，相互運用性のあE６（商用）

L１

Galileoる信号が送信されることが前提となるが，

L５

L２

L１：現行：次世代／近代化

測量分野側にも次のような課題がある。
!

GNSSに対応した測量用受信機，解析ソフトウェアの普及"

GNSSの正確な軌道情報の確保#

電子基準点のマルチGNSS対応化$

マルチGNSSに対応した公共測量作業

準天頂衛星図―３ 各GNSSの周波数帯（簡略化したもの）
これらの信号を賢く組み合わせ，衛星測位の効率化を図ることを目指す。

規程（準則）の作成
これらの課題のうち，!は基本的には測量機器メーカーの，"は各衛星の運用者や国際GNSS事

土地理院で は 受 信 機 等 の 年 次 更 新 に 合 わ せ て
GNSS対応を図ることにしている。

業の対応を待つことになる。#は電子基準点がさ$は公共測量での利用に必須であり，そのためまざまなGPS測量の出発点（既知点）として利用にはさまざまな実証実験を行って手法を標準化すされるインフラであることを踏まえたもので，国る必要がある。この際，新たな衛星系と周波数帯

２０ 建設マネジメント技術

2011 年 5 月号

技術研究開発 特集に対応できる解析ソフトウェアが必要だが，現時真の意味でのマルチGNSS解析を行う た め に

点では，大学等の学術用解析ソフトウェアも含

は，課題１において，異なる衛星系間のさまざまめ，現行のGPSおよびGLONASSの２周波データな周波数データの組み合わせによる統合解析の実に対応したものしか公開されていない。

現が鍵になる（図―４）。このため，宇宙航空研
究開発機構（JAXA），大学・研究機関，測量機器メーカー，衛星測位関連団体等との共同研究や４． 技術開発の概要

連携を通し，オールジャパンの体制で技術開発に当たる。マルチGNSS解析技術を産学官で共同開以上の状況を踏まえ，国土地理院では，国土交発することによりわが国の技術力の底上げが図ら通省総合技術開発プロジェクトの枠組みにより，れ，今後の国際展開を優位に進めることが期待さ

マルチGNSSによる高精度測位技術の開発と標準れる。また，JAXAが提唱している「マルチGNSS化を行うことを提案し（表―１），今年度から４カアジア地域等実証実験」と連携し，開発した解析年計画でこの課題に取り組むことが認められた。

技術の普及を図ることも視野に入れている。

本技術開発は，!マルチGNSSの統合解析手法

国土地理院においては，衛星測位に関連する測を開発し，"シミュレーションや現地実証実験で地観測センター・地理地殻活動研究センター，標検証を行って最適な観測・解析手法を確立の上，準化を担当する企画部（公共測量担当）の関係者#同手法を公共測量作業規程の準則に盛り込むとからなるチームを設けて技術開発を実施する。４

いう三つの課題から構成される（表―２）。

年間の開発スケジュールの概要を図―５に示す。

表―１

技術開発の概要名称

高度な国土管理のための複数の衛星測位システム（マルチGNSS）による高精度測位技術の開発（H２３〜２６）

目的

これまでGPS測量が困難であったビル街等を含め，国土管理に必要な高精度測位の効率的な実施のため，GPS，準天頂衛星，GLONASS，Galileoの衛星測位システム（マルチGNSS）を統合的に利用し，短時間に高精度の位置情報を取得し，測量等に適用するための技術開発および標準化を行う。
※「新成長戦略」（H２２．
６閣議決定）に位置付けられた「宇宙開発利用の促進」「衛星データ利用促進」に寄与。

効果

・従来のGPSでは困難であったビル街等での高精度な測量等を常時実現
・GPS測量に比べ現地での観測時間を約半分に短縮して測量が可能
・地殻変動量の提供時間（約５時間）を約半分に短縮し，災害時対応を迅速化
・マルチGNSS解析・利用技術のアジア地域等への国際展開に寄与

表―２

技術開発の内容

課題１．マルチGNSSの解析技術等の開発
・マルチGNSSデータを組み合わせ，cm級の精度で位置情報を短時間に取得可能とするためのマルチGNSS解
析手法を開発課題２．解析技術の検証
・マルチGNSS解析のシミュレーション実験や現地実証実験の実施
・上記の結果を定量的に分析し，現地条件に応じた最適な衛星の組み合わせやデータ補正といった観測・解析方法を検証の上，確立
課題３．高精度測位技術の標準化
・「公共測量作業規程の準則」改正案
・地震時等の地殻変動把握等への適用指針案の作成

建設マネジメント技術

2011 年 5 月号 ２１

特集 技術研究開発

５． おわりに
周波数

L１

L２

L５E６

本稿では，今年度から開始されるマルチGNSS

現行GPS〇〇による高精度測位技術の開発について，その背景

GLONASS〇〇

現在の組み合わせ近代化GPS〇〇〇

準天頂衛星〇〇〇

Galileo〇を中心に紹介した。国土地理院では，本プロジェ〇

クトや電子基準点のGNSS化対応等の施策を通〇し，現在のGPS測量の課題を克服したマルチGNSS測量が早期に実用化されるよう，必要な環境整備

図―４

マルチ衛星，マルチ周波数対応により，GPS測量の課題克服を狙う

図―５

２
２ 建設マネジメント技術

2011 年 5 月号に努めていきたい。

４年間の開発計画

技術研究開発 特集

SAR干渉解析を活用した地盤沈下監視
国土交通省国土地理院測地部宇宙測地課調査係長

すず きあきら鈴木啓

１． はじめに

２． 地盤沈下監視の現状

国土地理院は，宇宙航空研究開発機構（JAXA）

地盤沈下被害が増加した背景としては，戦後のによって平成１８年１月２４日に打ち上げられた陸域経済復興時に地下水採取量を増加したことが挙げ

観測技術衛星「だいち」（ALOS）に搭載されてられます。そこで，国や地方自治体が，地下水採いるLバンド合成開口レーダー（SAR）の観測デ取を制限する法律や条例を定めた結果，地盤沈下ータを用いて，SAR干渉解析を定常的に実施しは長期的に沈静化の傾向を辿るようになりましています。SAR干渉解析は，衛星からの信号をた。

用いて地表面の変動を捉える技術で，主に地震や地盤沈下量を監視する代表的な手法としては，火山活動に伴う地殻変動の把握，地盤沈下や地す水準測量が挙げられます。環境省から公表されたべりで発生する地表変動の監視を目的として行わ「平成２１年度 全国の地盤沈下地域の概況」では，れています。

２２都道府県の３２地域で地盤沈下監視のための水準

特に地盤沈下の監視では，平成４〜１０年まで運測量が実施されています。近年の水準測量の結果用されていた「ふよう１号」（JERS―１）や「だいからは，最大で年間数cm程度の沈下量が観測さち」（ALOS）のSARデータの解析からも検出事れています。

例が報告され，検出された変動量は，水準測量とも高い相関が得られています。そこで，国土地理院では，SAR干渉解析の特徴を生かした効率的３． SAR干渉解析の原理な地盤沈下監視の手法についての取り組みを行っています。

SAR（「サー」と発音する）とは，英語のSynthetic

この取り組みの一環として，SAR干渉解析にAperture Radarの頭文字で，日本語では「合成よって検出した地盤沈下地域において，効率的な開口レーダー」になります。SAR観測では，人水準路線を選定して観測した結果，少数の地上観工衛星や飛行機などから地表へ電波（マイクロ測点で地盤沈下域を詳細に把握できたことについ波）を照射し，反射された電波から対象物の性質て報告します。などが計測できます。この電波は雲なども通過す

建設マネジメント技術

2011 年 5 月号 ５３

特集 技術研究開発

図―１

SAR干渉解析の原理るため，夜間や雨天でも観測できます。SAR干表―１

SAR干渉解析と水準測量の特徴

渉解析は，地表の同一地点に対してある一定の期SAR干渉解析

水準測量

計測精度

〜数cm〜数mm計算される変動量

面状（幅約７０km）

点（線）状

観測頻度

４６日回帰
最大８回／年

１回／年（標準）

地上の観測機器不要

要間を挟んだ２時期にSAR観測を実施し，反射波の位相差を取ること（干渉）によって，その期間内に起きた地表面の変動を捉える技術です（図―１）。
この変動量は，人工衛星などに搭載されたSARアンテナと地表の間に生じた距離の変化であり，この変化を地表面の変動として捉えるため，レーダーを発するアンテナから地表を結ぶ方向（電波なりません。

照射方向）の一次元的な変動量が計測されます。

一方，SAR干渉解析の結果から得られる計測

SAR干渉解析で捉えられた変動 量（位 相 変 化）

精度は数cm程度ですが，地上に観測機器も不要

は，SAR干渉画像では，色の違いで表現されまであり，面的かつ広範囲の変動を把握することがす。SAR干渉解析により，地表面の変動を面的可能です。近年，地盤沈下量が沈静化してきたこかつ広範囲に検出することができます。とから，一部地方公共団体では，費用対効果を考慮した監視手法を検討するなど，効率化した監視４． 水準測量とSAR干渉解析

水準測量とSAR干渉解析の特徴をまとめた結に期待が高まっています。

５． SAR干渉解析を利用した地盤沈下監視の実用例

果を表―１に示します。水準測量は，計測の精度が数mmと非常に高く，沈下量を精密に計測することができます。しかし，長期間にわたり広い範!

SAR干渉解析により検出された地盤沈下地域での水準測量実施への試み

囲の上下変動を捉えるためには，対象となる地域平 成１８年４月２７日 と 平 成１
９年４月３０日 のSARに数多くの水準点を設置し，観測を行わなくては観測データを用いて解析した結果，津軽平野の一５４ 建設マネジメント技術

2011 年 5 月号

技術研究開発 特集（破線部に地盤沈下と思われる変動が見られる）

図―２

SAR干渉画像
図―３

路線図（図―２の変動地域を拡大）

部で約２km四方地域にわたる地盤沈下（最大の沈 下 量 は４〜５cm）が 検 出 さ れ ま し た（図―２）。原因は，融雪のための地下水くみ上げと考!

えられていますが，現地調査の結果，特段被害も水準路線は，SAR干渉解析の結果から沈下がなく，水準測量等による地盤沈下監視も実施され認められない場所にある一等水準点５９５１を始点とていない地域であることが分かりました。

し，沈下域の中心である仮"を通過し，沈下が認そこで，同地域においてSAR干渉解析の結果を参考に水準路線を選定し，平成１９年１１月，平成

水準測量の実施

められない地点である仮$を終点として選点しました（図―３）。

２０年４月，および平成２１年５月に水準測量を実施

また，沈下域を詳細に把握するため，沈下域周し，水準測量とSAR干渉解析によって得られた辺の仮!〜仮"〜仮#の間隔を約１km程度とし変動量の比較を行いました。て，密に配点することに留意しました。このような水準路線の選定は，SAR干渉解析による面的な情報があって初めて可能になります。
表―２

水準測量

北行
SAR観測日南行

水準測量とSAR観測日
短期

長期観測日

平成１９年１１月１４日
平成２０年４月２２日

平成１９年１１月１４日
平成２１年５月２６日

間隔日数

１６０日

５５９日

観測日

平成１９年６月２１日
平成２０年６月２３日

平成１９年１２月２２日
平成２１年６月２６日

間隔日数３６８日

５５２日

観測日

平成１９年９月１５日
平成２０年５月０２日

平成１９年１１月１７日
平成２１年５月２２日

間隔日数

２３０日

５５２日

建設マネジメント技術

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特集 技術研究開発

３回の水準測量により，不動点を一等水準点５９５１とした平成１９年１１月〜平成２０年４月の変動（短期間）と平成１９年１１月〜平成２１年５月の変動（長期間）を求めました。

解析を北行軌道と南行軌道の２方向それぞれで実施しました（表―２）。
また，水準測量と間隔日数を同一とするため，
SAR干渉解析によって得られた変動量に対して間隔日数に応じた係数を乗算しました。

! SAR干渉解析と上下方向の変動量の算出

そして，２方向（北行軌道と南行軌道）の結果

SAR干渉解析は，水準測量実施日に近い観測を合成する解析（図―４）を行い，電波照射方向日のデータを用いて，短期間と長期間の２期間のの変動量から上下方向の変動量を分離しました

図―４

上下方向へ分離するための概念図

図―５

短期間のSAR干渉解析の結果と水準路線（数字は等変動量線における変動量（cm））

図―６

水準測量とSAR干渉解析の上下変動量の比較（平成１９年４月の水準測量において，仮!は未観測）

５
６ 建設マネジメント技術

2011 年 5 月号

技術研究開発 特集

SAR干渉解析によって地盤沈下を検出

yes

no

水準測量が実施中である

SAR干渉解析の結果と水準路線を比較効率的な水準路線である

noyes
水準測量を継続図―７

SAR干渉画像を活用して効率的な水準路線を新設・変更

SAR干渉画像と水準測量を併用した地盤沈下監視の実施手順例（図―５）。また，各水準点上の変動量は，不動点し水準測量を実施した結果，水準測量とSAR干を一等水準点５９５１として変動量を算出しました。

渉解析の双方で地盤沈下の進行が検出できました。よって，SAR干渉解析結果の面的な情報と!

水準測量とSAR干渉解析結果の比較

高精度な水準測量を併用することによって，図―変動量の比較では，地盤沈下の進行が水準測量，７のような地盤沈下監視実施手順が考えられま

SAR干渉解析ともに捉えられており，沈下の傾向す。

や領域については，よく一致しています（図―６）。

現時点では，津軽平野ほど明瞭な地盤沈下が検出された地域は少ないため，全国の地盤沈下地域

各水準点上における水準測量とSAR干渉解析

でSAR干渉解析を活用した効率的な水準測量をによる変動量の差の標準偏差は，短期間の比較で実施するためには，検討する時間が必要です。

０．
９cm，長期間の比較で１．
４cmとなり，SAR干渉解析の計測精度の範囲内と考えられます。
SAR干渉解析の結果を利用することにより，少数の水準点で地盤沈下域を面的に捉えることが今後もSAR干渉解析によって地盤沈下検出事例を増やすことにより，SAR干渉解析が有効であることを広く一般的に理解していただくことも重要と感じています。

可能になるため，効率的な水準測量が実施できていることが分かります。

謝辞
ここで使用した「だいち」のPALSARデータ

６． 新たな地盤沈下監視体制へ向けての所有権は，JAXAおよび経済産業省にあります。また，これらのデータは，宇宙航空研究開発機構との共同研究協定に基づいて，提供を受けてSAR干渉解析の結果を参考に水準路線を選定います。この場を借りて，御礼申し上げます。

建設マネジメント技術

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