９船体運動測定装置の開発
高岡俊輔*・村田航**・久保雅義***

Development of Ship Motion Measurement System
Shunsuke Takaoka*, Kou Murata** and Masayosi Kubo***

１．はじめに地球環境保全を目的とする海洋環境及び海上輸送分野の研究がここ数年めざましい発展をとげている。この研究分野において，著者らは環境対応型港湾と環境対応型船舶の研究を進めて来た。特に環境対応型船舶について
は，風力というクリーンエネルギーの利用が行える帆装船を対象船舶として広範な基礎調査の結果（１（）２）を踏まえ，来るべき時代に対応できる帆装船の制御法やその制御による船体運動をコンピュータによるシミュレーションで表現（３）〜（６）できるまでに進展させてきた。研究の進展に伴い，現在までに開発してきたシミュレーションとの比較に実船での正確な実測データが不可欠のものとなっていた。このような折，神戸商船大学，弓削商船高等専門学校，三井造船とで船体の運動を精密に測定できる装置の開発を行う機会が得られ，その装置による測定実験をすることができたので，ここに装置開発の概要とテストラン的に行った実験の状況を報告する。

 装置は船舶への取り付けが簡単である可搬式のコン３パクトなシステムであること
 船体運動等においては，船位及び重心回りの６自由４度の運動が正確に時間同期が取れて計測できること
 計測時に全計測データの波形概要等の表示ができ，５かつデータを時系列でテキスト収録できること
 可能な限り維持費の必要のないシステムであること
６２．２ システム構築に関する検討
先に述べた基本条件を満たすシステムの検討を行った
ところ，次の２案が捻出された。
１ Seapath２００採用システム
２ RTK 採用システム
Seapath２００採用システムは図１に示したシステムであり，その中で取り出されるデーターの流れは図２に示す。
このシステムは船首方位検出部と位置／速力検出部及び船体運動検出部の３つの部分に分かれており，船首方位検出は２個の GPS アンテナによるキネマチック測定方式
で計測，位置及び速力情報は DGPS 方式，ヒーブ，ロール，ピッチ等の船体運動の検出はサーボ式加速度計と光

２．システム設計の要件
２．１ 基本条件
今回開発したシステムは，洋上において船舶の運動（重心周りの６自由度の運動）を非常に正確な位置で，さらに従来の装置よりもより高精度に測定できることを目標に設計を行った。
本システムの基本設計のコンセプトは以下に示す条件とした。
１ 波浪周期約４秒〜１２０秒の波浪中で，対地速力３０ノット以下で航走中の船舶の動揺，船首方位及び船位の計測が精度良く測定できること
２ 小型船は元よりあらゆる船舶の船体運動を測定できること



＊商船学科
＊＊三井造船株式会社＊＊＊神戸商船大学

図１ シーパス２００採用システムの構成

平成１３年９月２８日受理

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弓削商船高等専門学校 紀要 第２４号（平成１４年）

図２ シーパス２００のデータフロー

ファイバージャイロを内蔵した MRU（Motion ReferenceUnit）と呼ばれる装置で計測されるシステムである。特徴としてはヒーブ及び船首方位の検出の精度（０．
０５°）が高いことや計測周期が非常に高速（０．
０１秒）でおこなえる点である。
これに対し，RTK 採用システムは船舶側と陸上側とのユニットから成り，図３及び図４に示すシステムである。
計測装置部分においては，動揺計測部，ジャイロコンパス部に加え，非常に高精度な測位位置センサーである
RTKGPS を用いて船体の運動を計測できるシステムである。
両者を比較すると，前述した必要条件は両方とも満たしており，検出する項目で多少精度が異なる程度で全体的な精度はほとんど変わらない。しかし，Seapath２００採用システムは船への設置時にジャイロコンパスとの比較校正が厄介なことやアンテナ部の取り付け精度が計測精度に大きく影響することから設置業者が必要となり，セットアップに約８時間を要する欠点がある。また，RTK採用システムは陸上局の設置及び人員が必要となるため，船単体での計測ができないという欠点を持っている。
この両者の得失を考え合わせた場合，Seapath２００採用システムは定時運行されている船への設置に長時間を要すという致命傷ともいうべき欠点が判明したため，このシステムの採用を断念し RTK 採用システムで構築することとした。

図３ RTK 採用システム（船舶側ユニット）の構成

図４ RTK 採用システム（陸上側ユニット）の構成
表１ 各装置の単体性能
要素名

分 解 能

３軸角速度 ±１００度／秒
０．
４度／秒
±４５度
０．
１度
（ロール・ピッチ）角 度
０〜３６０度（絶対方位角）３軸加速度 ±２G
０．
０１G
移動速度

３．装置の概要
変 位
RTK 時

３．１ 装置の構成
本装置は図３，図４に示したように，「船上側ユニット」と「陸上側ユニット」とに分かれている。このユニット間でのデータ計測及び収録の信号系統を図５に示す。
また，データ解析時に関しての信号系統は図６となっており，RS２３２C を介して PC（Personal Computer）及び光磁気ディスク間でやり取りができると共に光磁気ディスクに全データをテキストファイル形式で保存できるよ

レ ン ジ

変 位
DGPS 時計測間隔精度（１σ）±３％＋１度／秒±０．
２度
±０．
５度
±０．
０２G

３０ノット以下±０．
０２m＋２ppm（上下）±０．
０１m＋２ppm（緯度・経度）
±２．
０m
（上下）
±１．
０m
（緯度・経度）
最低０．
２秒（５回／秒以上）

うになっている。
以下に装置の構成と用途を記し，表１に各測定量に対船体運動測定装置の開発（高岡・村田・久保）

図５ データ計測・収録時のデータフロー

図６ データ解析時のデータフローしての性能（装置単体性能）を示す。
（船上側ユニットの構成）
１．動揺計測ユニット
２．ジャイロコンパス，ジャイロ制御ユニット
３．RTKGPS 受信機及び受信アンテナ
４．RTK 補正情報受信機及びアンテナ
５．ビーコン受信機及びアンテナ
６．信号切換器
７．データ管理ユニット

８．データ収録／表示用 PC
９．光磁気ディスク
１０．電源ユニット
１１．プリンター（陸上側ユニットの構成）
１．RTKGPS 受信機及びアンテナ
２．RTKGPS 補正情報送信機及びアンテナ
３．電源ユニット１１１２

弓削商船高等専門学校 紀要 第２４号（平成１４年）

３．２ 装置の機能
３．２．１ 船体運動計測機能
船の運動を計測する場合に用いた座標系を図７に示す。
また，座標系に示す各要素は以下である。
００−X０Y０Z０は空間固定座標系であるため００は原点であり，Z０は００から鉛直上向きになる
G−XYZ は船体固定座標系であり，G は船の重心。
Y 軸は船首方向としているため X は船横方向
ψ０は船首方位で矢印の向きを正とする
ψはヨー角で矢印の向きを正とする
船体固定座標系部分において，X 軸及び Y 軸の取り扱いが造船関係で使われている座標系と異なっているため留意しておく必要がある。
船上の重心位置付近に設置した動揺計測ユニットから３軸加速度，３軸角速度，ロール角，ピッチ角，ヨー角を計測する。このデータを元にデータ管理ユニットにより３軸速度を算出する機能となっている。また，ジャイロコンパスより船首方位角の計測も同時に行われ，このデータから偏角がデータ管理ユニットで計算される。
この他，RTKGPS よりアンテナ設置位置の位置情報（緯度・経度）並びに船体上下変位量 Z０が計測され，計

図７ 船体運動計測の座標系

表２ データ収録項目一覧
デ ー タ 名信号種類

GPS 時刻（年）RS２３２Cデ ー タ 範 囲
００００〜９９９９単 位
年

デ ー タ 元RTKGPS

GPS 時刻（月）RS２３２C０１〜１２月

RTKGPS

GPS 時刻（日）RS２
３２C０１〜３１日

RTKGPS

GPS 時刻（時）RS２３２C

００〜２３時RTKGPS

GPS 時刻（分）RS２３２C

００〜５９分RTKGPS秒

GPS 時刻（秒）RS２３２C

００．
０〜５９．
０

GPS 測位状態

RS２３２CR, D, N（R : RTK, D : DGPS, N : Normal）

GPS 緯度（N/S）

RS２３２C

N, S（N：North, S：South）

GPS 緯度（度）RS２３２C０〜９０度

GPS 緯度（分）RS２３２C００．
０００００〜５９．
９９９９９分

GPS 経度（W/E）

RS２３２CW， E（W：West， E：East）

RTKGPSRTKGPSRTKGPSRTKGPSRTKGPSRTKGPSGPS 経度（度）RS２３２C

０〜１７９度RTKGPSGPS 経度（分）RS２３２C００．
０００００〜５９．
９９９９９分RTKGPSGPS 変位（x０）−９９９９９９９．
９９〜＋９９９９９９９．
９９m

計算

GPS 変位（y０）−９９９９９９９．
９９〜＋９９９９９９９．
９９m

計算

−９９．
９９〜＋９９．
９９mRTKGPSRTKGPSGPS 変位（z０）RS２３２CGPS 移動方向

RS２３２C０．
０〜３５９．
９deg

GPS 速度

RS２３２C０．
０〜３０．
０kt

x 軸方向速度

−１５．
００〜＋１
５．
００m/sec

RTKGPS計算

y 軸方向速度

−１５．
００〜＋１
５．
００m/sec

計算

z 軸方向速度−１５．
００〜＋１５．
００m/sec

計算

x 軸方向加速度

RS２３２C−２．
０００〜＋２．
０００G

y 軸方向加速度

RS２３２C−２．
０００〜＋２．
０００G

動揺計測ユニットz 軸方向加速度

RS２３２C−２．
０００〜＋２．
０００G

動揺計測ユニット

船首方位角RS２３２C０．
０〜３５９．
９deg

ジャイロコンパス−１８０．
０〜＋１８０．
０deg

ジャイロコンパス（計算）
動揺計測ユニット

偏角

動揺計測ユニット

Roll 角RS２３２C−４５．
００〜＋４５．
００deg

Pitch 角RS２３２C

−４５．
００〜＋４
５．
００deg

動揺計測ユニット

Yaw 角

RS２３２C−１８０．
０〜＋１８０．
０deg

動揺計測ユニット
ジャイロコンパス（計算）−１８０．
０〜＋１８０．
０deg

Roll 角速度

Yaw 角
RS２３２C−３０．
００〜＋３０．
００deg/sec

Pitch 角速度

RS２３２C−３０．
００〜＋３０．
００deg/sec

動揺計測ユニット

Yaw 角速度RS２３２C−１８０．
０〜＋１８０．
０deg/sec

動揺計測ユニット−１８０．
０〜＋１８０．
０deg/sec

ジャイロコンパス（計算）Yaw 角速度

動揺計測ユニット

船体運動測定装置の開発（高岡・村田・久保）

算により船位の変位量 X０，Y０が算出される。
３．２．２ データ収録機能
表２に本装置で収録できる項目等を示す。RTKGPS，ジャイロコンパス，動揺計測ユニットから得られた各データを０．
２，０．
５，１．
０，２．
０，５．
０，１０，３０，６０秒に分かれている８個の収録間隔の中から選択してデータを収録できるようになっている。収録されたデータは PC に取り込まれ，光磁気ディスクに保存される。
３．２．３ データ表示機能
データ収録機能により収録されたデータは船上において PC 上でモニタ表示できるようになっているため，データの収録状況を確認できる。このモニタ表示できる画面はトレンド画面と呼ばれ，次の８画面がある。
位置トレンド画面
速度トレンド画面
角速度トレンド画面
角度トレンド画面
角速度トレンド画面
船首方位トレンド画面
航跡プロット画面
警報表示画面
上記トレンド画面中，速度トレンド画面の表示例を図８に示す。






図９ データ解析時の表示画面

図１０ 航跡プロット画面（舟形重畳）の表示例
図８ 速度トレンド画面の表示例

３．２．４ データ解析機能
光磁気ディスクに保存されている各種データの重心補
正やロール，ピッチ補正及びスペクトル解析を行い，これらをグラフィック表示できるようになっている。また，船位の変位量の表示には船首方位データから舟形を重畳表示できるようになっているため，運動中の船体挙動がわかるようになっている。
この他に，解析結果の表示機能としては図９に示すように１４種類の表示が可能となっている。解析画面の例として，図１０に舟形を重畳させた航跡プロット画面の例を，
図１１にスペクトル解析を行った空間固定座標系速度デー

図１１ 空間固定座標系速度スペクトル画面の表示例

１３

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弓削商船高等専門学校 紀要 第２４号（平成１４年）

図１２ 振れ回り運動の一周期

タ画面の例を示す。
４．本装置による計測例
本装置を使用して錨泊時の船体運動を計測する機会を得たのでその結果のみを簡単に紹介しておく。
計測した船は弓削商船高等専門学校，練習船「弓削丸」（２４０トン）で，実験海域は弓削島北端沖の燧灘（水深１４．
８m）で行った。実験時の風速は７〜１２m/s と風速が弱かったため，錨泊の運動を見るためには良好な実験状態ではなかったが，キネマチック測位の状態が多くつづいたことから精度の良い計測ができたものと思われる。
本装置で得られた錨泊運動の測定結果の一例を図１２，図１３に示す。
５．本装置の有効性と今後の課題
５．１ 装置の有効性
本装置を用いて錨泊運動の計測を行った結果，次の有効性が確認された。
船舶へ搬入する各機器はポータブルなものが多い
ため，搬入時間も含め１時間程度で設置が完了する。
そのため装置設置に対して船舶の定時性に影響を与えることが少ない
上記ゆえ，大型船，小型船を問わず，電源供給のできる船舶ならばあらゆる船舶で計測が可能
装置の設置後は，装置に対して重心位置やアンテナ位置及び高さの入力程度でよく，装置自体の調整等は不必要であるため短時間で測定に入れる
陸上側の設置においては，船舶側よりも更に簡便

図１３ 錨泊時の船体動揺（PITCHING，ROLLING の状況）であるため，装置の設置に時間がかからない

 装置の安定性は高く，また，ユーザーインターフェースが良いため計測に対しての特別な技術訓練等は必要がない。
５．２ 今後の課題装置の設置時の状況や錨泊海域到着までの航行時と錨泊時及び計測終了後の解析の状況から，本装置の課題を挙げると以下である。
KGPS 測位での計測は陸上局側との距離が２km以内であるため，長距離におよぶ測定には陸上局側を移動させる必要が生じる
GPS 衛星との受信状態の関係でキネマチックでの測定状態が DGPS 状態又は GPS 状態に切り換わる場合がある
時間同期が GPS の時間で行われるため，PC の時間を GPS の時間に合わせていないと事後解析時に新船体運動測定装置の開発（高岡・村田・久保）

たな整合が必要となる 無線または携帯電話等で，船舶と陸上側との連絡手段を確保しておく必要がある
 測定後，解析のためにスペクトル解析等の各種ソフトが添付されているが，装置が全て繋がっている状態でないとできないため，PC 単体での手軽な事後解析ができない
６．おわりに
本装置は神戸商船大学，弓削商船高専及び三井造船との共同研究により開発されたものである。錨泊実験などの状況から，幾つかの運用上の問題点が挙げられるが，装置の精度及び汎用性においては十分に設計の理念にかなった物と考える。今後は本装置を用いて本論文の冒頭で述べたように，波浪の厳しい港湾への入港船の運動や帆装船舶の運動に対して各種のデータの取得に活用して行きたいと考えている。
参考文献（１）久保雅義，高岡俊輔：帆装商船の運航実態とその問題点について，日本航海学会誌，第１２０号，pp．６９〜７７，１９９４年（２）久保雅義，高岡俊輔：帆装商船の日本海航路適用性について，日本航海学会論文集，第９２号，pp．２３１〜２３９，１９９５年（３）高岡俊輔，村山雄二郎，久保雅義：帆装型船舶の帆の利用による操船能力について，日本航海学会論文集，第９８号，pp．２６５〜２７６，１９９８年（４）高岡俊輔，村山雄二郎，久保雅義：帆装型船舶の帆を利用した錨泊法について，日本航海学会論文集，
第９９号，pp．２１５〜２２６，１９９８年（５）高岡俊輔，村山雄二郎，久保雅義：帆装型船舶の制御 と そ の 評 価，日 本 航 海 学 会 論 文 集，第１００号，
pp．９１〜１０１，１９９９年（６）高岡俊輔，村山雄二郎，久保雅義：帆装型船舶の機帆走時の船体運動特性，日本航海学会論文集，第１０１号，pp．１２１〜１３０，１９９９年（７）久保雅義，水井真治他：波浪下における出入港時の船体運動測定装置の開発，日本航海学会誌，第１３４号，pp．１〜８，１９９７年（８）三井造船株式会社：船体運動・環境分析装置取扱説
明書，２０００年

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