「水中音響測位の現状と新技術」
東京大学 生産技術研究所 浅田 昭

１．LBL・SSBLの現状と先進計測技術
球面アレイを使用したダイナミック・ナロービームSSBL、GPSとINSを一体したSSBL、ブロードバンドUSBL、GPS Intelligent Buoy
２．INS（PHINS）−DVL航法の利用例と精度評価
AUVに搭載したインターフェロメトリソーナーの合成開口に使用
黒島海丘調査における、SSBLとの測位結果の比較
３．海底音響基準点ネットワーク構築と海底測地技術
M系列コード対応のミラートランスポンダー、ドップラー補正、長距離基線K-GPSと音響測距の複合、音速構造の変動推定処理、正確な海底測地解析
４．精密海底地形変動計測プロジェクトSMAPS（構想プロジェクト）における海底音響測地基準点を使用した水中航法、新しい水中音響測位法
資料提供・協力：
住友海洋開発㈱：Kongsberg Maritime、㈱オーシャンウイングス： IXSEA、㈱エス・イー・エイ： RDI, Benthos, LinkQuest 他

Kongsberg Maritime 社の水中音響測位・INS-DVLシステム
１．HPR：

標準的なLBL＆SSBL

２．HiPAP： 球面アレイによるダイナミック・ナロービームを用いてS/Nの高い高精度の方位角計測
３．HAIN： LBL/SSBL ＆ INS-DVL
AUV,ROVで理想的な高精度測位
資料提供・協力： Kongsberg Maritime, 住友海洋開発㈱３．HAIN：

LBL/SSBL ＆ INS-DVL●理想的な相互補完で誤差を最小化

水中音響と慣性航法の位置計測、それぞれの欠点を相互に補完
水中音響測位はランダム誤差を持つがドリフトの無い高い絶対測位を提供
DVLと結合した慣性航法はドリフトを持つが、高精度の相対測位を提供
両者を組み合わせることにより、ランダム誤差の少ない高精度の絶対測位を実現
AUV, ROVに有効キネマティックＧＰＳと精密音響測地を組み合わせた海底の地殻変動長期（10年）モ
ニタリング計画を実施中(日本周辺海域に６０数台設置）
海上保安庁海洋情報部と東大生研の共同観測プロジェクト

Kinematic GPS Positioning

Acoustic Ranging

Acoustic Transponder

GPS Reference Stationsntin
Colal P
entatendou
BtePlaaryxishAcnTre
Oce
Pla anicte

Long baseline kinematic GPS positioning software made by Dr. Colombo with NASA

On-board System・Controller of acoustic ranging
・Data Logger of attitude information
・Recorder of acoustic signal

Kinematic GPS Receiver
GPS Heading meter
Dynamic Motion Sensor

Data sampling

Survey Vessel

GPS logging: 2Hz

Attitude logging : 50HzTransducer
CTD Profiler

Acoustic signal
recording: 200kHzSound Speed Profiler
XBT

Acoustic Mirror Transponder
Configuration of the GPS/acoustic measurement system for precise acoustic ranging
between the sea surface transducer and seabottom transponders.

Ranging signal
10 kHz carrier wave
8th to 9th M-sequence codes

Replace with a new trigger

Sea surface transducer

Sea bottom mirror transponder

The principal of two way travel time measurement by using a mirror transponder on the sea floorA sample of accurate range processing. Top is trigger pulse signal,
2nd is signal from the surface transducer, 3rd is 1 pps from theGPS unit of POS/MV, 4th head portion of ranging signal from thetransducer and the lowest its correlated pulse.

Cross correlation between the reception signal
and stretched transmission signal

Reception signal
204ms − 30 / 192ms
204ms − 20 / 192msPrimary burst

204ms − 10 / 192ms
204ms ＋ 0 / 192ms
204ms ＋10 / 192ms

One time surface-reflected burst

204ms ＋ 20 / 192ms
204ms ＋ 30 / 192ms

0.0

Two times surface-reflected burst

time ( ms )31.25

The ranging signal is usually Doppler shifted due to heaving anddrifting of the transducer at the sea surface. A primary pulse could comeout and could be detected with cross correlation with many reference
signals prepared beforehand. The reference signals are equivalent tohaving a wide range of hypothetical Doppler-shifts so that allow one tosearch for the best pre-fitted replica at every reception. Primary burst,
one time surface-reflected burst and two times surface-reflected burst
arrived in turn on the screen.

Sound velocity structure and its changes
are not measured with sufficient accuracy
CTD and XBT measurements provide sound speed profiles to calculate travel time with raytracing. We are now estimating temporal change of sound speed structure in water.

Sound velocity profiling with CTD.

Examples of sound velocity profiles deduced from CTD andXBT measurements in two days.

2km

Average sound speed variations of the overall observation area
Black lines are approximate polynomial equations of them

2km

Ship’s trajectories with heading arrows of the observation in January 2003
and the overall and local sound speed correction curves

Multi-layer seawater structure based on WGS84.
Centimeter level seafloor geodesy can not be achieved
without seawater structure model based on reference ellipsoid.
Sea-surface station

2000m

√
–00
200.2

2000m

2xEllipsoid surface

2m

Multi-layered seawater structure
based on WGS84

2000 - 0.63m

R = 6378137m

Sea water is divided into
1m-thickness multi-layers

θrSea-bottom station

For ray refraction in spherical structure,
we must take an arc-angle into account.

θ1

C1

θ2

C2
δ

Sin (θ1 + δ)
Sin (θ2)=C2
C1

ChoshiNinomiya Kenzaki
34km 45km

Minami-izu

150km

76km
93km
Khozu

Miyake: Sagami seafloor geodetic stations 1,300m deep in depth
Composed of four Mirror Transponders: GPS reference stations
Two observations in August 2002 and January 2003,
were made.

相模灘水深1200mの海底に設置されたミラートランスポンダー4局の精密測地結果（2002年8月の計測位置に対する2003年1月の変化）.

宮城沖水深2000mの海底に設置されたミラートランスポンダー4局の精密測地結果（2001年9月から2003年4月までの計測位置変化）.

3D.S.D. 6.8 cm (4.6cm travel time < 3.0sec.) H.S.D.3.9cm (1.8 cm) V. S.D. 5.5 cm(4.3 cm)

3D.S.D. 7.3 cm(5.3 cm travel time < 3.0sec.) H.S.D. 4.1 cm(1.8 cm) V.S.D. 6.1 cm(5.0 cm)

3D.S.D. 6.5 cm (7.1cm travel time < 3.0sec.) H.S.D.3.0cm (2.6cm) V. S.D. 5.7 cm(6.6 cm)

Horizontal residuals of three stations on theKumano trough observed on May 14 and 15,

地殻変動マッピングによる海底下の地震像に迫る海底スーパー・マッピング計画

SMAPS

本プロジェクトは暫定的に“SMAPS”（ 海底スーパー・マッピング計画）と命名された。水深は1,900 から4,500 ﾒｰﾄﾙで、500 平方ｷﾛﾒｰﾄﾙ以上の海底面を、位置、水深の両方を10 ｾﾝﾁﾒｰﾄﾙの精度でマッピングすることを目標として掲げている。
この精度でのマッピングがなされれば、沈込み帯の巨大地震と強い関係のある海底の地殻変動を、これまでにない精度で監視できる。
本プロジェクトには高精度のﾏﾙﾁﾋﾞｰﾑ音響測深装置、ｻｲﾄﾞｽｷｬﾝｿﾅｰ、ｻﾌﾞﾎﾞﾄﾑﾌﾟﾛﾌｧｲ
ﾗｰ、ﾌﾟﾚｯｼｬｰセンサー、最先端の慣性ﾅﾋﾞｹﾞｰｼｮﾝｼｽﾃﾑ(INS)を搭載し、特別に製作される自走式海中ビークル(AUV)を利用する。
このＡＵＶは海底面上２０メートル以内から、測線間隔20 メートルで海底の地図を作成する。本ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄは少なくとも2 年以上に渡り、300 日以上の調査日数を要する。この意欲的なﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄにとって非常に重要なことは、ＡＵＶを10 ｾﾝﾁﾒｰﾄﾙのｽﾍﾟｯｸに合致するように運航することである。そのためには東京大学生産技術研究所（浅田氏, 他）によって開発された“音響ＧＰＳ”により位置決めされた海底ﾄﾗﾝｽﾎﾟﾝﾀﾞを使い、ＡＵＶのINS による位置を頻繁に再決定することが要求される。
さらに、正確な海洋状況のﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ、広範囲の海底面にＬＢＬナビゲーションアレーを設置すること、及び、注意深いナビゲーションデータの後処理が必要である。