11−３

海上保安庁海洋情報部の海底地殻変動観測
Seafloor geodetic observations of Hydrographic and Oceanographic Department

海上保安庁海洋情報部
Hydrographic and Oceanographic Department, Japan Coast Guard
東京大学生産技術研究所
Institute of Industrial Science, University of Tokyo
１．観測網展開の計画と進捗状況（１）観測の概要
海上保安庁海洋情報部（平成 14 年 3 月以前は水路部）では，海底基準局を海底に設置し，測量船と海底基準局との距離を音響的に測定するとともに，測量船の位置・姿勢をキネマティックGPSで陸上に設置された基準局から正確に測定することにより，海底基準局の位置を精密に測定する海底地殻変動観測を実施している（第１図）1）。
この海底地殻変動観測システムは，海上保安庁と東京大学生産技術研究所（生産研）が共同で開発を行ったもので，基準点網の展開と観測の実施については海上保安庁が，解析については生産研及び海上保安庁が共同で，システム開発については生産研が，それぞれ担当している。
海底基準局は，平成 12 年 1 月に熊野灘に初めて設置され，これまでに三陸沖，三宅島西方，日本海溝陸棚斜面に計 11 箇所設置されており，1 箇所当たり 2 日程度の観測を年 1，2 回行っている。
今年度は相模湾，東海沖など 3 箇所に設置する予定である（第２図）。今後，南海トラフ，三陸沖以北の日本海溝等に，ほぼ 100km 間隔で基準局を展開していく予定である。
海底基準局は，1 箇所当たり 3，4 台のミラートランスポンダーで構成され，船上の音響トランスデューサーとの間で 10 秒に 1 回の頻度で音響測距観測を行う。船上では 0.5 秒間隔で GPS 観測を行い，船位の動揺を把握する。また音響測距観測により求まった走時から船上の音響トランスデューサーと各海底基準局との距離を求めるためには，海中の音速を正確に把握する必要があるため，観測に際しては CTD，XBT を用いた水温・塩分観測を行っている（第３図）。
（２）解析の概要
海底基準局の位置を正確に測定するためには，正確な音響測距の走時の計測，キネマティックGPS
解析による船位の決定2) ，海中の音速度構造の把握が非常に重要となる。最近の解析で明らかになってきた問題点等については，（２）に述べる。
今までの解析結果から，我々の海底地殻変動観測システムが繰り返し観測を行うことで年間数 cmの地殻変動を捉えることが可能であることが示されている。
a．熊野トラフの結果
熊野灘における海底基準局は 3 台のミラートランスポンダーから構成されており，今までに 2000
年 5 月，同年 8 月，2001 年 9 月，2002 年 4 月の計 4 回観測を実施している。2000 年 5 月の観測データから，各海底基準局の推定位置を音響測距の残差のばらつきが約 5cmで求めることができた（第４図）1）。
b．三宅島の結果
2000 年 6 月末からの三宅島周辺海域での火山活動，地震活動を受けて，特に活動が活発であった−557−

三宅島から神津島にかけての海底を取り囲むように，三宅島西方の海底に約 15km の距離で３つの海底基準局を設置し（第５図），2001 年 1 月の観測を初めとして年に数回観測を実施している。第６図に 2001 年 1，2，4 月に行った海底地殻変動観測の結果を示す。図では，各海底基準局の平均位置を 2001 年 1 月の結果を基準として示している。この結果，観測を行った 2001 年 1 月〜4 月の 3ヶ月間にはほとんど地殻変動はなかったと考えられる。
２．観測の主な技術的課題とその対応観測システムとしての精度と安定性を向上させるために，ハードウェア，ソフトウェア両面における様々な工夫を行っている。観測と解析を繰り返す中でシステムの改善を行い，より理想的な観測システム構築を目指している。
（１）ハードウェア
精度の高い観測を長期間にわたって実施していかなければならない海底地殻変動観測では，測定機器の設計思想が如実に結果を左右することになる。高精度でありかつ長期安定性を念頭においた機器製作が要求される。
海底基準局を構成しているトランスポンダーには船上局から送信された測距信号を受信し，その信号をそのままの形で船上局へ送り返すという機能のみをもたせている。機能を限定することにより，長期の動作安定性と低消費電力を実現し，システム全体を 17"耐圧ガラス球 1 つに納めるという小型化を図りながらも 5 年以上の長期観測が可能な構成となっている。音響測距信号は，測距トリガー信号，GPS 時刻信号とともに 200kHz の高速サンプリングで，GPS 測位は 2Hz，姿勢データは 50Hz のサンプリングで連続収録している。GPS 時刻信号の同時収録によって，複数の観測機器データ間の正確な時刻同期が可能となる。
トランスデューサーと GPS アンテナをつなぐ支柱にたわみが生じていることが，解析の際の距離残差として観測結果より確認された。これに対し，船上システムをより堅牢なものに改良した上でなおかつ，その支柱の中心軸に対しどれだけのズレが生じているのかを，2 軸の傾斜センサー（第７図）を使って計測しつつ音響測距を実施できるように観測システムの変更を行って対処を行っている。このように観測結果を次の観測へフィードバックさせながら完成度を高めている段階である。
（２）解析手法
ハード面での高精度化だけでは，cm 精度の地殻変動の検出は不可能である。緻密なデータ処理，解析の手法無くして実現できるものではなく，いくつかの新たに開発した手法を取り入れて海底測位の精度向上を図っている。
水中音響測距における測距信号の読みとり精度を向上させる手法としては，音響測距信号のパルス圧縮法（第８図），ドップラーシフト補正法（第９図）が，測距信号の理論走時を計算する際の音速モデル構築においては，地球形状および時々刻々変化する海面状況に合わせた多層構造モデル生成法（第 10 図）が，新たに開発し導入した新手法の代表である。更に解析を繰り返していく中で必要性が見いだされ，音速構造の時間変化，船上局支柱の傾き，GPS 測位の誤差を推定する手法も開発され，海底測位の精度向上が図られている。
（３）長基線キネマティック GPS 測位
キネマティック GPS 測位では，GPS 搬送波位相の観測から，観測エポック（時刻）毎に位置を決−558−めるものである。この方法では，GPS 測地測量と同じく，搬送波の一波長よりも細かい分解能でGPS 衛星と移動点の距離を測ることから，一般のコードを用いた方法よりも詳細に位置を求められる。しかし，エポック毎の測位なので，測地測量に比べ精度が落ちるのはやむをえない。また，せいぜい 10 個程度の衛星の観測データを処理して測位を行うことから，観測数に余裕（リダンダンシー）がなく，ノイズ（マルチパス等）の混入を観測データ領域で把握し削除することが困難である。
この２つめの問題は，（時間的フィルター処理の施される）測位結果に大きなシステマティック誤差をもたらすことがあり大きな課題である。方針は２つあり，一つは，推定位置解の領域で，異常な位置を把握し処理することが重要であろう。このために慣性センサとの比較，（船舶であれば）海面高の高さとの比較などを行っていくことが考えられる。もう一つは，そもそもマルチパス等（観測環境に起因するものと観測システムに起因するもの）の実態を明らかにし，その混入を避けることである。
現在は，陸上基準点（複数点）と海上移動点の同時観測データの後処理を行っている。短い基線
では，一周波のみを使った方がよいが，実際の地殻変動観測のような長距離基線では，電離層の影響を除去しなければならない。L1/L2 の２周波の結合データ[L3 = L1 + {l1/(l22-l12)}(L1-L2); ここでL1，L2 は，それぞれの周波数の位相で測定した距離(m)]を用い，電離層の影響を補正した結果では，基線長が数百 km でも各エポックごとの再現性は 5〜10cm になる。現在，詳細を検討中であり，別の機会に詳しい報告をする予定である。
参
１）浅田考

文

献

昭・矢吹哲一朗：熊野トラフにおける長期地殻変動観測技術の高度化．地学雑誌，110，529-543，（2001）．
２）Colombo. O. L.： Long-Distance Kinematic GPS, in GPS for Geodesy． 2nd Edition, P. J. G. Teunissen
and A. Kleusberg eds, Springer-Verlag, 537-567, (1998).

−559−第１図
Fig.1

海底地殻変動観測の概念図Schematic image of the seafloor geodetic observation system.

第２図
Fig.2

海底地殻変動観測基準局設置図

The locations of the seafloor reference stations.
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第３図
Fig.3

海底地殻変動観測の機器構成図

Components of the seafloor geodetic observation system.

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第４図

2000年5月の熊野灘の海底基準局（St.1，St.2，St.3）観測における，この時の推定位置に対する音響測定距離の残差．往復伝播時間が3.0sec.以下のデータは黒，その他はグレー表
示．

Fig.4

Horizontal residuals of St. 1(a), St. 2(b) and St. 3(c) on the Kumano trough observed on May 14and 15, 2000. The position of each sea bottom station was estimated by the observation data in May
2000. Data with two-way travel time less than 3.0 sec. colored by black, others by gray.
(a) In positioning St. 1, standard deviation 6.8 cm of range-residuals, horizontal S.D. 3.9 cm,vertical S.D. 5.5 cm.
(b) In positioning St. 2, standard deviation 7.3 cm of range-residuals, horizontal S.D. 4.1 cm,vertical S.D. 6.1 cm.
(c) In positioning St. 3, standard deviation 6.5 cm of range-residuals, horizontal S.D. 3.0 cm,vertical S.D.5.7 cm.
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第５図Fig.5

The locations of the seafloor reference stations in the west off Miyake-jima.

第６図
Fig.6

三宅島西方における海底基準局設置図

各海底基準局の平均位置の時系列変化（基準値：2001年1月）

Time series of mean positions of each station compared with the values of January 2001.

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第７図 GPSアンテナとトランスデューサーをつなぐ支柱のしなり
Fig.7

Bending of the pole on which the GPS antenna and the transducer were installed.

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第８図
Fig.8

Improved pulse modulation for precise time measurement.

第９図
Fig.9

音響測距信号パルス化手法の改良

測距信号読みとり時のドップラーシフトの評価

Reading of arrival time of round-trip signal with evaluating influence of Doppler shift.

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第10図

WGS84楕円体をもとにした多層音速構造

Fig.10Multi-layer seawater structure based on WGS84.

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