神奈川県温泉地学研究所観測だより，第 70 号，2020．

GNSS を用いた総合防災ブイシステム
加藤照之（神奈川県温泉地学研究所）■ はじめに位置を㎝精度で計測し、それを繰り使った応用研究をやりたいのだが何「GPS 津波計」という名前を聞い返すことで地面の動きを知ることをか良い考えはないか、と相談を持ちたことがあるでしょうか。海に GPS

研究課題としていました。これは研かけられました。造船会社と言えば受信機を搭載したブイを浮かべてお究を始めた 1980 年代の当時として海で使うものがよい、と考えその時いて、津波が沿岸に襲来する前に検は大変新しい技術で、日本列島やプふと上記のアイデアを思い出して提知して住民の早期避難に役立てよう

レートの動きが日々計測できるとい案してみました。この時訪ねてこらとする装置です。これは私が 20 年

うことで大変注目されてきました。

れた方は現在に至るまで私と共同で以上前にアイデアを思いつき、共同

そんな研究をしていたある日、こ研究を続けられている寺田幸博さん

研究者と共に開発してきたものでの GPS 受信機を海に浮かべたブイ

す。本稿ではこの装置の開発の歴史に搭載すれば海面の動きがわかるだ

大変良いアイデアと賛同していたを振り返り、今後どのような可能性

ろう、それなら津波が来たらそれをだき、すぐに実験に取り掛かりましがあるのか、検討したいと思います。

検出して海岸にいる人々にデータをた。また開発の体制として会社内でGPS は Global Positioning System

リアルタイムに伝送すれば津波から数名の方のチームが発足しました。

の略で、米国で開発された、衛星をの避難に役立てられるのではないか、

このような機動力は大学ではなかな用いて地上の位置を精度よく決めると思い立ちました。ですが、自力でか実現できません。こうして、まず装置です。1970 年代から開発が始

ブイを設置するなど思いもよらない試作機が作られ、神奈川県三崎市にめられ、日本でも 1980 年代に入っことだったので、このアイデアは単ある東大の臨海実験場敷地内の地震て受信機の導入が進みました。そなる思い付きですぐに忘れしてしま

研観測所を基地として小網代湾にブの後、ロシアや EU、中国なども安うくらいのものでした。それから何イを浮かべました。図１がその時の全保障の観点からそれぞれ独自の衛年かたった 1996 年頃のある日、日写真です。数名で持ち上げられるく星測位システムが開発され、日本で立造船株式会社技術研究所の方が私らいの大きさです。小さいながらもも「みちびき」という名称で知られの研究室を訪ねてこられて、GPS を

このブイに GPS 受信機・アンテナ、という方です。

る衛星測位システムが導入されています。そこで、これらの衛星測位システムを総称して GNSS（Global
Navigation Satellite System） と い
う名称が改めて付けられました。タ
イ ト ル 及 び 次 節 以 下 で は GPS と
GNSS を混在させていますが、同じものと考えてください。
■「GPS 津波計」開発の歴史～三崎市での実験～
私 は 2018 年 4 月 か ら 温 泉 地 学
研究所に在籍していますが、それまでは東京大学地震研究所で GPS を用いた地殻変動の研究を行っていま

図 1 1997 年 1 月小網代湾で最初に使われた GPS ブイ。左：陸上で調整した。最初は津波のことは考えておしているところ。右：湾内に浮かべたブイ。長い棒は無線送信アンテナ。短らず、地上に置いた GPS 受信機のい棒の先についている平たい物体は GPS アンテナ。

観測だより 70 号，202011

バッテリー、無線機などを搭載してするスペースがとれません。そこで、含む三陸沿岸一帯は津波の常襲地域

います。このブイを湾内に浮かべて、これらを搭載するブイを別途用意し、です。地元の方々も津波の災害対策ブイから送られてくるデータを観測

２つのブイを少し離して設置する、に対する意識は大変高く、早速大船所で受けてパソコン上で海面変動をというシステムを考えました。図２

渡市の協力の下、大船渡市沖で試験モニターすることに成功しました。

がそれです。アンテナを搭載した縦観測をすることとなりました。津波

この成功で、我々は大いに自信がわ

長のブイをセンサーブイ、その他のをいち早くとらえて沿岸住民の避難いてきました。

機材を搭載したブイをサポートブイに役立てるためにはできるだけ沖合と呼び、これらをケーブルと浮きでに設置する必要がありますが、まだ保持しています。これを用いた実験

試験観測ということもあり、海岸か

図１で示したようなブイですと、も同じく小網代湾で行い、成功を収ら 1.6㎞程度のところに設置するこ海面の変動に伴ってブイが揺れます。

めました（Kato et al., 2000）。個人ととしました。

ブイの上に GPS のアンテナが設置

的にはこれでよいと思ったのですが、ところで、データ解析の方法です

されているとブイの揺れに伴ってア

他の方に言わせると、このシステム

が、いわゆる RTK（リアルタイム

ンテナの位置も揺れてしまいます。

は複雑すぎ、これを外洋などに設置

キネマティック）と呼ばれる方式を

津波の計測で最も重要なのは海面のすると高波などであっという間にダ採用しました。これは、カーナビな上下変動です（横方向の流れも重要

メージを受けてしまうと言われ、あどで使われている単独測位とよばれなのですが、ここではとりあえず考

えなく却下となりました。

る方法と異なり、地上でもブイ上と～採用されなかったブイ～

同時に GPS 観測を実施し、データ

えません）が、ブイの揺れが上下動の誤差になってしまっては困ります。
そこで、考えられたのはスパー型の～最初の本格的な実験と最初の津波計測～をリアルタイムで比較することにより、地上の位置に対するブイの相対

ブイと言って、縦長の形状を持つもそこで、単独のブイシステムで開的な位置を決定するというやり方でのです。これは釣り好きの方ならわ

発を進めることにしましたが、機器す。このような方法によってブイのかると思いますが、縦長の形状を持開発のためには資金が必要です。そ3 次元的な位置、特に上下成分を 1

つブイで重心位置が海面下のなるべこで文部科学省科学研究費補助金の秒ごとに数㎝の精度で決定すること

く深いところにあるとブイの先端だ

支援を受けることになりました。幸ができます。

けが海面上に出ていることになり、い申請が採択されて、はじめて自前

図３は大船渡に設置されたブイの海面が揺れてもブイはそれほど揺れの本格的なブイシステムを作ること写真です。全高は８ｍくらいあり、ません。釣りであれば、魚の微妙なができました。同時に、これを用いブイの直径は 2.8m で重さ 12ton と、食いつきがわかるようにするためにた試験観測をどこで実施するかとい

図１のプロトタイプのブイと比べた浮きがそのような形状になっていまうことで考えましたが、たまたま日らはるかに大きなブイになっています。ところが、ブイを細長い縦長に立造船 OB の方で大船渡市出身の方す。外洋ではこのくらいの大きさでしてしまうと受信機や無線機を搭載がおいでになりました。大船渡市をないとだめなのだということがわか

図 2a 1999 年 3 月の実験で用いられた GPS ブイシステム。センサーブイ（Sensor Buoy）の先端に GPS アンテナが装着され、サポー
トブイ（Support Buoy）に GPS 受信機や無線送信装置が搭載されている。
（Kato et al., 2000）

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観測だより 70 号，2020

図 2b 小網代湾に浮かべた図 2a の実験機。

としました。こうして、はじめての外洋実験がはじまりましたが、たま
たま同年 6 月にペルーで発生した地震による津波を捉えることに成功しました。図４にその時のデータを示します。図４a は計測されたブイ
上のアンテナ変位データの上下成分です。ブイは津波だけでなく通常の風による波（波浪）によっても動きますから、両方の影響が含まれています。なお、ゆるやかに一日に 2回程度変動する成分は月や太陽による潮汐成分です。この時、ペルー地
震による津波の振幅は 10cm 程度でしたが、波浪による変動成分は 1m
近くにもなっているので元のデー

図 3 2001 年 1 月に大船渡湾に設置された GPS 津波計。

タでは津波を目視することができまります。当然のことですが、海は沖に行くほど深くなります。海底に大きなコンクリートブロックを置いて錨とし、鉄製のチェーンによってブイを係留することになります。係留索が短すぎると、海流によって引っ張られたブイが傾いてしまうことも考えられます。ある程度の長さをもってブイと結び、係留索がゆるや
かなカテナリー（懸垂線）を描くよ
うにします。こうすることによりブイが直立するようになります。浮力

図 4a 大船渡実験で得られた 2001 年 6 月ペルー沖地震に伴う、地震による津波の変動を含んだ時間の GPS 津波計の原記録。大きくて緩やかな変動
は潮汐、ぎざぎざとした細かい変動は風などによる波浪。

があるとはいえ、鎖は重いのでブイ＋係留索の重心はかなり海面より低いところに来ますので、大きな波が来てもブイはほとんど傾かないことがわかりました。
ブイは 2001 年１月に設置されました。ブイからは 1 秒ごとにデー
タが無線で地上局に送られ、地上局で同時に観測されたデータと比較することで、毎秒のブイの位置が計測されます。このデータは誰でも見ることができるように Web 上で公開されました。地元大船渡市にもご協

図 4b （上）図 4a の記録から 60 秒移動平均をとることによって風による力いただき、市役所や消防署にもモ

波浪の成分を取り除いた記録。（下）大船渡検潮場で得られた海面変動記録。

ニターを設置して見ていただくこと

日本時間 2001 年 6 月 25 日 4 時 10 分頃に津波の到着が見て取れる。

観測だより 70 号，2020

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せん。しかしながら、波浪と津波でを行うことになりました。場所も、どを探るために数値シミュレーショ

は波の周期が異なります。津波の周三陸と同じように大きな津波被害をンが使われます。計算がうまく行っ

期は数分から長いもので１時間以上受けてきた四国の室戸岬沖に設置すているかどうかを検証するために、の周期帯を持っています。一方、波ることとしました。ここでも、地元それまでは港に設置されている潮位浪の周期はせいぜい数十秒程度です。

の室戸市の多大なる協力をいただく計を主に使っていましたが、このよ

そこで、得られた上下動成分のデーことができました。ブイの設置場所

うな海岸付近の観測データには津波

タに短周期をカットするようなフィとしては室戸岬の沖合 13㎞程度とが海底の摩擦によって減衰するなど、ルターを作用させたものを図４b にしました。これによって、より早い

数値計算に使われていた線形長波近示します。同図にはブイの近くの大津波検出が期待され、有効な津波災

似では表しきれない誤差や複雑な海船渡港に設置されている潮位計の記

害軽減効果が期待されました。なお、岸線の影響などが含まれてうまくい録も示してあります。この図を見る

この実験から、我々のプロジェクト

きません。一方、沖合で津波を計測と、振幅が 10cm 程度の波が明瞭に波浪観測の立場から大きな興味をすると、そのような影響を受けずにに見て取れます。また、その波形は持ってくださった港湾空港技術研究済みますので発生原因として与え潮位計の記録とよく似ていることが所の永井紀彦さんにも研究チームにたモデルがよいものであれば計算値わかります。これがブイに搭載した

加わっていただきました。

と観測値がよく一致するということ

GPS 装置によって計測されたはじめ

図５a が室戸沖に設置した GPS 津がわかった、ということになります。

ての津波記録となりました。“GPS波計です。全高 16.0m、全幅 3.4m、こうして、我々の GPS 津波計が学

津波計 ” の誕生です。

重量 16ton と大船渡のブイから一術的にも意義のある計測データを提回り大きくなっています。2004 年

供できるということが認識されるよから観測が始まったのですが、早速うになりました。また、最上段には

その年の 9 月 4 日に紀伊半島沖で室戸港の検潮記録が示されています

大 船 渡 市 沖 で の 成 功 に よ っ て、発生した地震による津波を捉えるこが、津波の到来時刻がブイの記録よ

我々は大いに勇気づけられました。

とができました（Kato et al., 2005）。

りも 10 分程度遅れていることがわ

この実験は 3 年程度で終了し、そ図５b にその時の記録を示します。

かります。これでブイの記録を津波の間に発生した 2003 年十勝沖地震

この時系列には数値シミュレーショ

の早期警戒に使えそうだということ

による津波なども検出することがでンによる結果も示されていますが、がわかりました。

きました。
そこで、
我々は次のステッ

両者がよく合っていることが見て取

このような成功を受けて永井紀彦

プとして、より遠くの沖合に設置しれると思います。津波の発生原因なさんのご尽力により国土交通省の～ “GPS 津波計 ” の実用化へ～たブイでの実用化に向けた試験観測

図 5b 室戸岬沖で取得された紀伊水道沖地震による津波記録。上から、室戸験潮場で得られた海面変動記録、数値シミュレーションで予測された GPS
ブイ位置の海面変動推測値、GPS ブイで取得された上下変位記録（原記録

図 5a 2004 年 4 月年室戸岬沖に設に 150 秒の移動平均操作後のデータ）、及び前記の原記録に 150 ～ 1800 秒

置された GPS 津波計。

のバンドパスフィルターをかけたデータ。

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観測だより 70 号，2020

全国港湾海洋波浪情報網ナウファ

局からあまり遠くにおけない、といという事実はあまりにも重いものでス（英語名 NOWPHAS : Nationwide

う制限が出てきます。㎝精度で海面した。しかし、ここで立ち止まって

Ocean Wave information network

高さを決定するにはブイの陸からのはいけないと思いました。なぜうまfor Ports and HArbourS）に取り入

距離はせいぜい十数㎞に設置する必

くいかなかったのか、を検証し、本れてくださることとなりました。こ

要があります。もちろん、これでも当に役に立つものに改良していかなのシステムは我が国の沿岸の波浪を津波がブイを通過してから陸に到達

くてはなりません。

観測してリアルタイムで情報を発信するまで 10 分くらいはかかります

図６はこの時取得された三陸沖のするシステムです。それまでは主とので、情報が効率的に伝達できればGPS 波浪計データの一部です。デー

して海底に置かれて機器によって超沿岸の人の避難には役に立つと考え

タは津波が沿岸に到達するかなり前

音波を用いて波高等を計測していまられました。また、波浪を測る目的に捉えられていたことがわかりましたが、保守の容易さ等から GPS

なので、沿岸で漁業や工事などを営す。地震が発生したのが 14 時 46

ブイを一部に導入することになりまむ方への情報としては十分遠い沖合

分、津波警報の第一報が出たのがした。設置は 2008 年頃より開始さだということも考慮に入れられてい14 時 50 分でこの時は宮城 6m、岩れました。但し、その目的は波浪監ると考えられます。

手 3m というものでした。ところが、視にありましたので名称は “GPS 波
浪計 ” と呼ばれることとなりました。

15 時過ぎになって沖合の GPS 波浪■ 2011
年東北地方太平洋沖

計に津波が到達し、数 m を超える

前節で紹介したように、ブイで計測

地震・津波の教訓

ような津波が観測され始めました。

される海面高変化は波浪も当然含ま2011 年 3 月 11 日に発生した東津波を監視していた気象庁の職員れます。むしろ波浪は常に観測され北地方太平洋沖地震では、東日本

が 15 時 10 分に気づくことになり、ていて、津波は波浪に比べれば極めの太平洋沿岸を巨大な津波が襲い 1

15 時 14 分に津波警報が宮城 10mて稀に観測されるだけですから、両万 8000 人を超える多くの死者・行

以上、岩手 6m に更新されました。

方を兼ね備えたシステムとして活用

方不明者を出すことになりました。

岩手県の沿岸に津波が到達したのはできれば費用対効果が大きくなるとこのことは GPS ブイを使えば津波

15 時 18 分です。しかしながら時期待されるところです。

の被害を防げるだろうと考えていた

すでに遅く、1 万 8 千人を超える多

このようにして、GPS 津波計、い私にとってはとてつもないショック

くの方の命が失われました。確かに、や、GPS 波浪計は 2011 年頃までにでした．役に立てると思っていたも津波は海岸への到達よりかなり前に全国の沿岸に 15 点程度まで設置さのが実は全然役に立てなかったのだ、

捉えられていたのですが、それが沿れました。そして、このナウファス
によって配信されるデータは気象庁
による津波の監視にも取り入れられることとなりました。なお、このGPS 波浪計はほとんどの場合沿岸から十数㎞程度のところに設置されています。これには理由があります。
前に述べられていますが、このシステムで用いられているのは RTK と呼ばれるシステムです。これは陸地におかれた基準局に対するブイの位置をリアルタイムかつ相対的に決定する方式ですが、リアルタイムで解析を行うため誤差や雑音の影響を取り除くことが十分には行えません。
そのため、位置の決定精度は基準局からの距離に依存し、高精度で位置

図 6 三陸沖の GNSS 波浪計で記録された 2011 年 3 月 11 日東北地方太平を推定するためにはブイを陸の基準

洋沖地震による津波。

観測だより 70 号，202015

岸住民の避難行動にはつなげられな式としてはそれまで相対測位方式が通信を介してブイ上の計算機に送かったのです。

主流だったのですが、1990 年代のり、ブイ上の GPS 機器から出力さこの原因は、ブイが沿岸から十数終わりころから単独測位でも㎝の精れる生データを精密暦を用いて解析㎞程度と十分沖合には設置していな

度で測位ができるようになってきま

し、結果のブイ位置データのみを衛かったことが挙げられます。もっとした。この方式では、衛星の精密な星通信で陸に送り返す、という方式

沖合にブイが設置されていればそれ位置と時計のデータ（精密暦と呼ぶ）

をとることにしました。これですと、だけ早く津波が捉えられ、より早いが必要になります。それを即時的に双方向の衛星通信が必要になるもの

避難行動につなげられた可能性があ

入手することは難しかったのですが、の、通信データの量は GPS の生デーります。なお、ここでは示していま

衛星データを即時的に解析すること

タを送るよりもはるかに少なくて済せんが、実はもう一つの問題がありやそこから求められた衛星の位置とむのです。

ました。それはリアルタイムでモニ

時計のデータをインターネットから実験は、当時使われていた技術試ターしていたデータが最初の津波の即時的にユーザが入手することが次験衛星「きく 8 号」という通信用ブイへの到来を記録した直後に途切

第に可能になってきました。そこで、の衛星を使わせていただくことにしれてしまいました。
これは多分、デー

我々はこれらのことが可能な、米国ました。これは JAXA が打ち上げた

タ伝送の経路上の電源かあるいはイで開発された PPP-AR という手法を衛星通信用の試験衛星でそろそろ退ンターネット回線が切れたことによ用いることにしました。

役しようとしていたものです。このるのではないかと思います。という

また、沿岸からの距離が遠くなる

最後のミッションとして我々の GPSのも、現地では観測が続けられておと、データの伝送のために地上の無津波計の双方向データ通信の実験をり、後日データを現地から回収して線を使うことができません。そこで行ったのです。図７がその時に取図６のように津波記録を復元できた

衛星通信を導入することにしました。

得できたデータです。多少の遅れのです。

衛星通信を用いれば震源からの影響（多分 1 秒以内程度）はあるものの、

これらのことから、２つの教訓をを受けない遠くの場所で受けること比較的安定して解を得ることができ、得ることができました。一つはブイが可能になり、データ断の恐れがな

この結果をホームページ上でも公開を沿岸からもっと遠くに、例えばくなります。測位はブイ上で行うのすることができました。この実験の50㎞以上に、離さないといけない、が良いか、生データを陸上に送って成功に力を得て、我々は次のステッということです。また、海上からの

そこで測位を行うのが良いか、とい

プに進むこととしました。

データを受ける地上局が震源の近く

う問題がありますが、ブイで取得しで電源断の影響を受けてはならない、

た生データを 24 時間リアルタイムということです。これらのことから、で陸に送って解析するとなると商用

イへの挑戦

２つの改善点が考えられました。

衛星ではデータ通信料が極めて高価

幸いなことに我々はふたたび科研

まず、測位の方式をそれまでの相になります。そこで、我々はまず陸費の採択を得て平成 28 年度（2016

対測位から精密単独測位に替えるこ

上で精密測位に必要な衛星の位置と年）から 5 か年計画で開発を進めとです。GPS で精密な測位をする方

時計のデータを生成し、それを衛星ることになりました。あいにくこの■新 たな展開と総合防災ブ

図 7 技術試験衛星「きく 8 号」で取得された GNSS ブイの記録（2014 年 6 月 18 日 6 時から 36 時間）。上段：高周波成分＋潮汐。下段：低周波成分＋潮汐。

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観測だより 70 号，2020

技術試験衛星は最初の年度で基礎的を入れ替えたりなど様々な手を尽く

ダーから戻ってくる音波を記録しまな実験を行った後、軌道を離れて退しましたが、本質的な解決に至ります。それぞれのトランスポンダーへ役することとなりました。そこで、せんでした。どうやら太陽電池が当の音波の送信時刻と受信時刻の差か

商用衛星による衛星通信を導入す初の想定通りの発電ができていないら、船からトランスポンダーまでのることとしました。幸い、Softbankのではないか、ということになりま

距離が計測できます。この計測値か社には大変なご協力をいただき、格した。そこで、再度電源部分を再検

らトランスポンダー３個で構成され

安での衛星通信を提供していただく

討し、太陽光パネルをさらに増強する三角形の形が決まります（図８）。

ことになりました。この新たな実験

るなどの対策をとりました。ようや

なお、船の位置を正確に決めておく

では、高知県のご協力を得て、県がく、観測が順調にいくようになったことが必要ですがこれは GNSS を使

高知県沖に設置している漁礁用のブようです。

えばできます。ただ、音響を用いたイである海洋牧場と呼ばれるいくつ

ところで、これまでは GNSS ブイ

距離の計測では海中の水温や塩分なかのブイのうち一基をお借りするこを用いた津波早期警戒の可能性だけ

どが時間的に変わることによって見とになりました。最近、海上にブイを検討してきたのですが、もし、そかけの距離がメートルの桁で大きくを設置するとそこに魚が集まってくの観測が海洋のどこでも可能になる変わります。そうすると、海面からるという習性を利用して、外洋にいとしたらもっと多くの応用技術につ海底を見た場合、距離が長く計測さくつかのブイを敷設しその周囲で漁ながっていくのではないか、と考えれれば、トランスポンダーで構成さ業を行う方式が沿岸漁業のために自るようになりました。その第一の応れる三角形がより遠くに大きく見治体で次第に導入されつつあるよう用というのは、海底地殻変動観測へ

え、距離が短く計測されれば、三角です。これらのブイに GPS 装置をの応用です。

形は近くに小さく見えることになり搭載すれば、日本沿岸に相当高密度

これには少し説明が要るようでます。ですが、海中の水温や塩分がな GPS 津波計測網ができあがりそす。1980 年代の初めころ、米国のその領域内でそれほど大きく変わらうに思うのですがどうでしょうか。

大学研究者が開発した手法ですがなければ大きい三角形でも小さい三

ともあれ、我々は足摺岬沖約 40(Spiess et al.、1998)、 海 底 に 音 響

角形でもその重心の位置は変わりま㎞のところに敷設されている海洋牧を送受信できる装置（トランスポン

せん。このような手法を繰り返し観場 No.18 のブイを科研費の期間中ダーなどと呼びます）を３基、だい測することで三角形の水平位置の変借用することとなりました。このブたい正三角形になるように配置しま化を cm 精度で計測することができ

イに GPS 装置一式と衛星通信用のす。海上の船からトランスデューサるのです。GNSS と音響を組み合わ設備及び太陽電池と蓄電池を入れたと呼ばれる送受波装置で音波を送せる方式なので、このような手法を箱などを搭載し、2018 年の 11 月

出し、海底の３基のトランスポン

GNSS- 音響結合による海底地殻変動からこのシステムを稼働しはじめま
した。
ところが、
開始してすぐにデー
タが止まってしまいました。どうやら電力不足であったようです。狭い
ブイの上に GNSS 機器の他、解析用の小型計算機、衛星通信のための装置などを搭載したため、電力が不足したようです。このあと、我々のプ
ロジェクトはいろいろな悪状況が生じてなかなか進まなくなりました。
例えば、ブイの周辺の潮流が思いのほか速く、作業しようとしてもなか
なか船をつけることができません。
そのために数か月も待ってしまうよ

図 8 GNSS －音響システムによる海底地殻変動観測の原理。船の位置をうなこともありました。また、太陽

GNSS で計測し、船の位置を基準にして海底に置かれたトランスポンダー 3

電池を増設したり、充放電制御装置基で構成される三角形の重心位置を音波を用いて計測する。

観測だより 70 号，202017

観測などと呼ぶことがあります。こ

音響結合による海底地殻変動観測で

れは、海上でのデータ収集には船の方式の応用について次の節で説明す。原理は米国で開発されたのです舶が用いられていることです。こします。

が、日本の海上保安庁海洋情報部やのため、船がその場所に行く場合に東北大学、東京大学、名古屋大学なだけ観測が行われますので、年間で～海底地殻変動連続観測への挑戦～

どの研究者が大変な努力を重ねて精

せいぜい数回しか（最近では頑張っ

度が向上し、プレート境界地震の地て 10 回程度まで）観測ができない、

日本列島ではよく知られているよ

震時変動や地震の余効変動を検出すという点です。もし、観測を連続的

うに、太平洋沿岸の沖合いでプレーることに成功しました。このようなに（例えば毎日）行うことができれ

ト境界型の巨大地震が繰り返し発生ことから、日本列島の太平洋沿岸でば、より詳細な地殻変動のデータをします。震源域は海底ですので、海は既に 60 箇所の GNSS- 音響システ得ることができ、プレート間で発生

底での観測はプレート間固着の状態

ムを用いた海底地殻変動観測点がでする地震やゆっくりすべる現象など

や地震時あるいは地震後の地殻変動きています。2011 年 3 月に発生しが詳しく明らかになるに違いありまを推定するのに極めて重要です。こた東北地方太平洋沖地震の際にはせん。そこで、もし船でなくブイをれまで海底での地殻変動観測は水圧

このシステムで海底の 30m を超え

海上のデータ収集基地に用いること観測による上下変動など極めて限らる変位が観測されました。陸の観測ができればこのような連続観測が可れたものしかありませんでした。一網では最大で 6m 程度の変位でした

能になるのではないでしょうか。

方、陸では国土地理院による GNSSので（これでも大変大きいですが）、

もちろん、これを可能にするため観測網が全国に１２００点以上はり海底にある震源域直上のデータが得には技術的にも解決しなくてはならめぐらされていて詳細な地殻変動がられたことで地震の震源の姿がこれない点が多々あります。現在我々は、日々監視されています。このようなまでになく詳しく明らかにされまし足摺岬沖のブイを用いてこのような陸と海の観測網の違いは大きな問題た。これだけでも、もちろん世界に応用研究も進めています。

となってきました。

誇れる素晴らしい観測網だと思いま

そこに登場したのが前節の GNSS-

すが、一つの問題点があります。そ図 9 2016 年から開始した足摺岬沖の GNSS ブイを用いた実験のシステム。衛星通信には Thuraya という衛星を用
いている。

18

観測だより 70 号，2020

～その他の応用～

興味深い研究結果が出ています。日

要な研究者等に伝達されて応用研究

前節にあげた海底地殻変動の連続

本では情報通信研究機構が世界のに使われます。

観測への応用にとどまらず他にもGNSS 観測局からインターネットをもし、このプロジェクトがうまく

様々な応用が期待されます。例え

通じて取得できるすべてのデータをいけば、海底地殻変動から津波を含

ば、GNSS 衛星と受信機の間の電波用いた TEC を算出して電離層の擾

む海面の変動、大気、電離層といっの伝搬媒質、すなわち大気と電離層乱を監視する事業を行っています

た、様々な地球科学的なデータを算に関する応用です。GNSS による測（Tsugawa et al.、2018）。ところが、出すことができます（図 10）。これ位においては衛星と受信機の間の距

これも大気の場合と同じように、観まで取得することの難しかった海上離を正確に計測することが重要です

測点が地上にしかないので、太平洋で多くの新しいデータが地球科学者

が、距離を正確に測るための誤差要などの上空の電離層の状況がよくわに提供できると期待できます。

因として伝搬媒質の影響があります。

かりません。海上に GNSS 観測局が電磁波は光の速度で進みますが、伝多数あれば海洋の上空の電離層の状

搬媒質すなわち大気と電離層の影響

況もよくわかるようになると期待さで遅延します。これが距離の計測のれます。

■ 解決すべき課題と将来像
これまで述べてきた技術については、既にその原理がわかっていて解以上のようなことから、我々の決することはそう難しいことではな

大気の影響は電磁波の行路上の水GNSS ブイのプロジェクトでも気象

いと楽観しています。ただ、それで蒸気量に比例します。従ってこれをの研究者や電離層の研究者の協力ももまだ多くの課題がのこっていま補正する必要がありますが、逆にそ得ながら研究を進めています。課題

す。とりわけ、ブイを長い間海面上のために求めた水蒸気量は気象学に

はブイ上のデータをいかにリアルタ

で安定に保持して各種の機器を運用とって大変重要な量である可降水量

イムに精度の良い可降水量や総電子することにはいろいろな困難が伴い（PWV; Precipitable Water Vapor）

数を推定して研究者の元に遅延なくます。例えば電力は太陽電池を用いに変換することができます。日本列届けられるか、というところにあて発電した電気をブイ上の蓄電池に島の GEONET ではこの可降水量をります。こうしたことを考えなが貯めて使いますが、多くの電子機器

リアルタイムに計測して気象庁に送ら、今我々は図 9 に示すようなシを搭載したブイ上で余裕をもった電り、天気予報の精度向上に役立てらステムを構築して研究を進めていま

力確保が大変困難です。電力供給シれています（小司他、2009）。もしす。まず、陸上のデータセンター

ステムのどこかに不具合が発生すれ海上で可降水量を計測できれば天気

で GNSS 解析に必要な GNSS 衛星のば観測やデータ伝送ができなくなり予報の精度向上に寄与することと思

精密暦を生成します。それを通信衛ます。より効率の高い太陽電池が望います。特に西方海上に起因する線

星経由でブイに送ります。ブイでまれますが、これはブイだけでなく状降水帯の発生予想や夏季の台風のは GNSS 観測が行われていますので世界的にも開発が進められていま

降水予測などにも役立てられるのでそのデータに精密暦を適用してブイすので遠くない将来には解決ができはないでしょうか。

の精密な位置を決定します。その際ることを期待しています。また、電電離層での遅延量は GNSS が用いの副産物としてブイ上空の可降水量

子機器にとって厳しい環境での連続る電磁波の周波数によって異なりま（PWV）や総電子数（TEC）も推定稼働が必要とされますので、機器のす。 そ こ で GNSS で は 2 つ の 周 波

します。一方、ブイに取付けられた

故障への対応も課題です。機器が故数の電磁波を用いることで遅延量を音響送受信機（トランスデューサ）

障しても遠い海上にあるものをすぐ推定して補正しています。この遅から海底に置かれた 3 台のトラン

延量は電波が伝播してくる行路上

スポンダーに音響を送出して返っての電子の総数（TEC; Total Electron

くる音波を捉え、ブイとトランスポ

Content）に比例します。こうしてンダーの距離を推定します。以上のGNSS を用いて TEC が計測できるこ

データを再度通信衛星を用いて陸上とになります。これまでの研究で大の基地局に送ります。陸上の基地局

きな地震が発生すると電離層に乱れからは海面変化データをリアルタイが生じそれが上空に向かって伝播し

ムで Web 表示して津波の早期検出

図 10 GNSS ブイを用いた応用研ていく様子が捉えられるなど、大変を行うと共に、その他のデータは必究の事例。

誤差となります。

観測だより 70 号，2020

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に修理することはできないので、欠測が長く続くことになります。そのため、例え故障したとしても自律的に修復できるシステムが必要になります。また、ブイそのものも耐久性の問題や海賊、盗難、船舶等の衝突などによるブイの破壊・亡失からの安全性保持などの課題もあると思います。一方、このようなブイを海上に多数設置して運用する場合には衛星通信の費用をどうするのか、また、陸上で集めたデータをどう処理して国民に対する情報提供を行うのか、等の運用体制についても考えておかなくてはなりません。我々は基礎的な技術開発を行っていますので、これを社会に役立つようにするためには別途システム全体の安定的運用を実現する体制を整える必要があります。すぐには解決できない課題が

図 11 西太平洋の日本の排他的経済水域に設置する GNSS ブイアレイの概念図。
号 16H06310）の支援を受けました。

2018, J. Disaster Res., 13 (3),460-471.

多いと思いますが、これらを少しずつ解決していけば日本を取り巻く広■ 参考文献大な海洋に多数のブイを配置するこKato, T., Y. Terada, M. Kinoshita,

瀬古 弘・ 市川 隆一・大谷 竜・とでこれまでにない優れた地球科学

H . Ka k i m o t o , H . I s s i k i , M .

萬納寺 信崇，GPS 気象学：GPS

インフラになるのではないでしょう

Matsuishi, A. Yokoyama, and T.

水蒸気情報システムの構築とか。例えば図 11 に示すような西太Tanno, Real Time Observation

気象学・測地学・水文学への応

平洋の日本の排他的経済水域に多数

of Tsunami by RTK-GPS, Earth,

用に関する研究，測地学会誌，のブイを並べてデータをリアルタイ

Planets and Space, 52(10),55(1)，17-38, 2009．

ムに必要な人に提供できるようなシ

841-845, 2000

小司 禎教・岩淵 哲也・畑中 雄樹・

Spiess, F. N., C. D. Chadwell, J.

ステムを構築してはどうでしょう

Kato, T., Y. Terada, K. Ito, R. Hattori,

A. Hildebrand, L. E. Young,か（Kato et al., 2018）。我々はこれT. Abe, T. Miyake, S. Koshimura,

G. H. Purcell Jr., and H.

を、陸の GEONET になぞらえて “ 海and T. Nagai, Tsunami due toDragert, Precise GPS/Acousticの GEONET” と呼んでいます。今は

the 2004 September 5th off

positioning of seafloor

まだ夢物語の世界ですが、いつかこ

the Kii peninsula earthquake,reference points for tectonicのようなシステムができ、我々の安Japan, recorded by a new GPS

studies, Pys. Earth Planet. Inter.,

全・安心な社会の構築の一助になる

buoy, Earth Planets Space, 57,

108, 101-112, 1998.

ことを願っています。

297-301, 2005.

Ts u g a w a , T. , M . N i s h i o k a , M .

Kato, T., Y. Terada, K. Tadokoro,

Ishii, K. Hozumi, S. Saito, A.

N. Kinugasa, A. Futamura, M.

Shinbori, Y. Otsuka, A. Saito, S.

高知工業高等専門学校の寺田幸博

Toyoshima, S. Yamamoto, M.

M. Buhari, M. Abdullah, and P.

客員教授と名古屋大学大学院環境学

Ishii, T. Tsugawa, M. Nishioka,

Supnithi, Total Electron Content

研究科の田所敬一准教授には本稿を

K. Takizawa, Y. Shoji, and H.

observations by dense regional

呼んでいただき有益なコメントをいSeko, 2018, Development ofand worldwide international

ただきました。本稿を執筆するにあGNSS Buoy for a Synthetic

networks of GNSS, J. Disaster

たっては科学研究費補助金（課題番

Geohazard Monitoring System,Res., 13(3), 535-545, 2018.

■ 謝辞

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観測だより 70 号，2020