技術報告
海洋情報部研究報告 第 52 号 平成 27 年 3 月 2 日

REPORT OF HYDROGRAPHIC AND OCEANOGRAPHIC RESEARCHES No.52 March, 2015

海底局マルチ測距手法による海底地殻変動観測の効率化に向けた検討†
横田裕輔＊，奥村雅之＊
Study for improving efficiency in seafloor geodetic observation by means of multi acoustic ranging†
Yusuke YOKOTA＊ and Masayuki OKUMURA＊

Abstract
Japan Hydrographic and Oceanographic Department（JHOD）has been deploying a seafloor geodetic
observation network with the GPS Acoustic combination technique. In order to shorten an observation
time, we are considering a new acoustic ranging method. In this new method, we conduct the acousticranging for multiple seafloor transponders not alternately but sequentially. We report feasibility and detailsof this new multi acoustic ranging method and discuss how much efficiency will be improved by theintroduction of the new method.
1

はじめに
海洋情報部では，東京大学生産技術研究所の技術協力の下，GPS−音響測距結合方式による海底地殻変動観測の技術開発及び海底基準点（以下，基準点）の展開を行い，測量船による繰り返し観測を実施している（浅田・矢吹，2001；藤田，2006）．
海底地殻変動観測は，時々刻々と変化する測量船の位置を「GPS 観測」によって決定し，測量船に装備された音響トランスデューサと海底に設置された海底基準局（以下，海底局）との間の距離を「音響測距観測」で測り，それらを組み合わせて海底局の位置をセンチメートルの精度で求めるものである（Fig. 1）．
各基準点には，安定した観測結果を得るため，3 または 4 台の海底局が設置されており，各局のFig. 1．A schematic picture of seafloor geodeticobservation system.
図 1．海底地殻変動観測の概念図．

† Received September 22, 2014; Accepted November 10, 2014
＊ 海洋調査課 海洋防災調査室 Geodesy and Geophysics Office, Hydrographic Surveys Division− 79 −

Yusuke YOKOTA and Masayuki OKUMURA

位置を平均することで，安定して基準点の移動を求めることができる．現在は，これら複数の海底局に対して異なる識別信号によって音響測距観測を行っている（浅田・矢吹，2001；冨山，2003；
佐藤，2010）．
本観測は様々な地震や地殻変動現象による海底の変動を捉えることに成功してきたが（Sato etal., 2011 など），将来の南海トラフ巨大地震の際に巨大津波発生源とされるトラフ軸近傍やマグニチュード 8 クラスの地震が想定されている千島海溝，南西諸島海溝において未観測地域が多数残っており，将来の大規模地震への防災推進の観点から，十分な観測点展開が未だになされてはいな
い．しかしながら，現在の観測手法では観測時間とシップタイムの制約によって更なる観測点の展開が難しい状況である．また，地震発生に際して，緊急観測が必要な場合においても，多大な観測時間は足枷となっている．
そこで今後の更なる展開に備えるため，本報告

Fig. 2．Seafloor geodetic observation network deployedby Japan Coast Guard.
図 2．海上保安庁の海底地殻変動観測網．

では，海底地殻変動観測の効率化に向けて，現在サから音響測距の対象となる海底局の識別信号との観測手法を高速化した新たな音響発信の仕組み測距信号を送信する（Fig. 3 中の①）．識別信号について検討する．

は各海底局に異なる信号が割り当てられているが，測距信号は全局に対して同一の信号が使われ2現在の音響測距手法ている．

2014 年現在，日本の太平洋側のプレート沈みこれら識別・測距のための音響信号は，M 系込み帯近傍には，日本海溝沿い，南海トラフ沿い列というコード化されたパルス信号（0，1）のビッにそれぞれ基準点が設置されている（Fig. 2）．こトに応じて搬送波（10 kHz の正弦波）を位相変れらの基準点において，移動速度を 1 cm/y 程度調させたものである（Fig. 4）．識別信号と測距信の精度を保って導出するためには，1 海底局につ号には，それぞれ 8 次 4 波（信号長：102.2 ms），き 1300 ショット程度，1 基準点に 4 台設置され9 次 4 波（信号長：204.4 ms）の M 系列音響信号ている場合は合計 5000 ショット程度の音響測距が使われている．ここで，8 次，9 次は M 系列の観測を 3−5 年かけて年間 3 回程度実施すること次数を示し，4 波は M 系列信号の 0，1 のビットが必要である．に応じて搬送波が 4 波長ごとに位相変調される

次に，音響測距観測で使用している音響信号にことを意味している．識別信号には，8 次 4 波 M

ついて紹介する．音響信号については，浅田・矢系列信号のうち，我々が定めた M1 〜 M5，M11

吹（2001），冨山（2003），佐藤（2010）にまとめ〜 M15 という 10 種類の信号が使用されているられているが，2014 年時点の手法について整理（佐藤，2010 など）．M 系列信号は，他の M 系列する．

信号との相関が極めて低く，自己相関においては音響測距観測における音響信号の発信の流れを鋭いピークを持つという特徴があり（Takeuchi,Fig. 3 に示す．まず，船上の音響トランスデュー

1991 など），海中音響工学において活用されてい− 80 −Study for improving efficiency in seafloor geodetic observation by means of multi acoustic ranging

Fig. 3．Ranging system using M sequence acoustic signals.（after Sato（2010））
図 3．M 系列音響信号による音響測距システム（佐藤（2010）を改変）．

データを取得するまで繰り返す．測線の移動時間

る．
各海底局は自身の識別信号を受信すると，0.1や音波の伝播速度を決めるための音速観測時間も秒後に続けて送信される測距信号をバッファに蓄含めると，4 局設置されている場合，概ね 1 日程

え，1.06 秒後に返信用トリガー信号である M6 と度の観測時間が必要となっている．これらの音響呼ばれる信号（全海底局共通の 8 次 4 波 M 系列測距データは，理論送信波形と相互相関が取られ，信号）を先頭に付けて返信する（Fig. 3 中の②）．

船上の音響トランスデューサと海底局との間の音

船上では，AD コンバータを通して，返信された響信号の往復時間を求めて距離の情報に変換され一連の音響信号を 200 kHz サンプリングで収録する．

る．この際，信号の振幅が振りきれないようにオー

このような 1 局ごとに送受信を繰り返す手法

トゲインコントローラー（AGC）によって振幅を，複数局まとめて送受信する手法に変更するこを調整している．これが 1 回（1 ショット）の音とで大幅に観測時間を短縮することができる．ま響測距観測となる．この観測を M1，M2，M3，た，この手法であれば船上局の改修のみで済むた

M4，M1，…とそれぞれの海底局に対して順番にめ，既存の海底局に対しても使用できる．そこで繰り返し行う（Fig. 5（a））．海底局の深度にもよ

今般，識別信号と測距信号を改めることによってるが，1 局ごとに 10−16 秒程度の間隔で行い，1観測を効率化する検討を行った．次節では，その基準点の観測で合計約 5000 ショットの音響測距手法について述べる．

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Yusuke YOKOTA and Masayuki OKUMURA

Fig. 4．Detail of 8th and 9th order 4 wave M sequence signals.
図 4．8 次 4 波 M 系列信号と 9 次 4 波 M 系列信号の詳細．

Fig. 5．Comparison of（a）a present acoustic ranging system and（b）a multi acoustic ranging system.
図 5．（a）従来の音響測距手法と（b）マルチ測距手法の発信順の比較．

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Study for improving efficiency in seafloor geodetic observation by means of multi acoustic ranging

3

新たに導入するマルチ測距手法

3.1

0.3 以下であれば，8 次 4 波 M 系列信号を用いた

概要

実際の観測でも問題なく音響測距が行えることを

これまでの音響信号の発信は 10 秒以上の間隔確認している．9 次 M 系列についても相互相関を開けて行っていたが，新しい手法では海底局か係数が小さいことが確認できたため，実際の観測らの応答を待つことなく 1 秒程度の間隔で音響信において重複受信が発生したとしても，9 次 4 波号を発信し，海底局からの返信波をまとめて受信M 系列信号が識別できないという事態は発生しする（Fig. 5（b））．本報告では，この送受信手法ないものと考えられる．のことを，新しくマルチ測距手法と呼ぶこととす

また，9 次 M 系列同士のビット相関のほかに，る．この場合，Fig. 5（b）に示すように，仮に測8 次 M 系列と 9 次 M 系列のビット相関，並びに距信号（船上局から発信する 9 次 4 波 M 系列信号）

数値的に作成した擬似 9 次 4 波 M 系列信号の相が各局で同一である場合，重なった受信波を相関互相関も同様に確認したところ，いずれの相関係処理の際に識別できなくなる．これに対応するた数のピーク値も 0.3 を上回ることはなかった．実め，船上局から送信する 9 次の測距信号を，各局際の搭載段階では，初期値を 511 種類の中から選に対して 1 種類ずつ新規に設定する．

ぶことで，さらに相関係数を下げることができる

このように 9 次 4 波 M 系列信号の受信波が重ので，より識別しやすく設計できる．

なる場合，相関処理が可能かどうか，あらかじめ加えて，数値的に作成した別々の擬似 9 次 4 波数値的に確認する必要がある．次項では，数値的M 系列信号を完全に重ね合わせた波形に対して，な確認について述べる．

実際の解析に使用している相関処理を行う試験も
実 施 し た．Fig. 7 は，m01 と m03 の 9 次 4 波 M

3.2

重複受信に関する確認

系列信号を重ね合わせて，m01 との相関処理をまず，9 次 4 波 M 系列信号の元となる 9 次 M行ったものである．完全に重ね合わせているため，系列について具体的に記す．なお，M 系列の発振幅が 0 になっている部分があるにも関わらず，

生原理については冨山（2003），8 次 M 系列につ相関処理によって受信時刻を正確に決定することいては佐藤（2010）にまとめられているので，本ができている．重ね合わせ時刻をずらして同様の報告では省略する．

試験を行ったが，結果は良好であった．このよう99 次 M 系列は，信号長が 2 −1 ＝ 511 ビット，すなわち 511 個の 0，1 の組み合わせで構成されに 9 次 4 波 M 系列信号は，実用に耐えうると判断できる．ている．それぞれ自己相関は大きく，相互相関が小さい独立した 48 種類の原始多項式に基づいて

3.3

海底局の呼び出し順の制御

実際の観測において，受信時には，1 波目の返いる．信号の種類も 48 である．
Fig. 6 に，9 次 M 系列の 48 個の原始多項式を

信信号の振幅に依存して AGC が受信強度を調整示す．現在，測距信号として使用している原始多する．ほとんどの場合，1 波目は近傍の海底局か

項式は m01，未使用の原始多項式は便宜上 m02

らの返信波であるため，2 波目以降の振幅よりも〜 m48 と名付けることとした．これらの原始多大きくなり，2 波目以降の受信は AGC がかかっ項式から生成されるビット信号の相互相関を取るても問題なく行われる．しかしながら，何らかのことにより M 系列の類似性を評価した結果，い理由で近傍の海底局の発信強度が下がっている場

ずれの信号の相互相関関数のピーク値も 0.21 を合，2 波目以降の振幅が 1 波目よりも大きくなり上回ることはなかった．

うる．この場合は AGC が相対的に弱くかかるた佐藤（2010）では，8 次 M 系列について同様に確認を行っている．相互相関係数のピーク値がめ，稀に 2 波目以降の受信波の振幅が飽和して振りきれてしまう場合が考えられる．

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Yusuke YOKOTA and Masayuki OKUMURA

Fig. 6．Primitive polynomials of 9th order M sequence.
図 6．9 次 M 系列の原始多項式．

このようなケースに備えて，あらかじめ海底局4

観測時間の短縮率の呼び出し順を船上で制御できるように設計して重複した 9 次 4 波 M 系列信号の識別が可能でおく必要がある．呼び出し順の制御さえ出来れば，あることが確認できたため，マルチ測距手法の実強い受信波を返す海底局から順に呼び出すことで現性は確認された．本報告では最後に，現在展開2 波目以降の振幅が飽和することを防ぎ，上記のされている観測点における観測時間の実際の短縮問題は回避可能である．

率について検討する．
トランスデューサの仕様上は信号間の間隔が，0.5 秒程度でも問題ないため，ここでは 0.6 秒間− 84 −

Study for improving efficiency in seafloor geodetic observation by means of multi acoustic ranging

Fig. 7．Comparison of an overlapped numerical signal（9th 4 wave M sequence: m01 and m03）
（black）
and a waveform determined by cor relation
processing for m01（red）.
図 7．数値的に生成した 2 つの 9 次 4 波 M 系列信号（m01と m03）が重なりあった波形（黒）と m01 に対して相関処理を行った波形（赤）の比較．

Fig. 8．（a）Transmission times and（b）a function of
the shortest round trip time for depth in multi
acoustic ranging system.
図 8．（a）マルチ測距手法における発信時間と（b）それに対する最短受信時間．

隔で発信し，1 局につき約 1 秒ごとに発信することを想定する．実際のマルチ測距信号は Fig. 8（a）

1800 m 以深の基準点については 4 局全てを連に示すように，4 局に対しては約 3.4 秒の信号と続発信することが可能である．しかし，1000 mなり，3 局に対しては約 2.4 秒，2 局に対しては〜 1800 m 程度の深さの場合，3 連続発信が限界約 1.4 秒の信号となる．となる．すなわち，この深さでは 4 局の基準点

この観測で使用するトランスデューサは信号をに対して，（M1 ＋ M2 ＋ M3）→（M4 ＋ M1 ＋発信している状態では受信することができない．

M2） →（M3 ＋ M4 ＋ M1） →（M2 ＋ M3 ＋海底局の返信信号がマルチ測距信号全体の発信終M4）→…と発信する必要がある．また，1000 m了より前に船上局に返ってくる場合には，返信信以浅の基準点では 2 連続発信が限界である．

号を受信し損なうことになるため，避けなければこの計算を基に，既存の基準点での観測時間のならない．この問題は，最初に発信する海底局の短縮率の一例を Table 1 に示す（基準点の位置は直上で観測している場合に最も発生しやすい．発Fig. 2 を参照）．計算には，測線の移動時間は含

信中に返信信号が船上トランスデューサまで返っんでいるが，CTD などによる音速観測時間は含てくるかどうかを，深さに応じて計算したものがめていない．最も効率化されるのは 1800 m 以深Fig. 8（b）である．海水中の音速は全て 1500 m/の基準点であり，最大 35％程度まで観測時間をs，海底局の保持時間は 1.06 秒とし，最初に呼び短縮することができる．1000 m 程度の深さの基出す海底局の直上で発信するものとして計算して準点で 2 連続発信する場合でも，50％程度まで短いる．

縮することができる．0.6 秒としている信号間隔− 85 −

Yusuke YOKOTA and Masayuki OKUMURA
Table 1．Shortening coefficient of observation time for four seafloor sites due to multi acoustic ranging system.
表 1．深さの違う海底基準点におけるマルチ測距手法による観測時間の短縮率．

をさらに短くすることで，浅い基準点でも観測時変化要素の影響の検証である．短時間観測のメ間をさらに短縮することが可能である．

リットとして，水温構造の日周期変化などの時定数の長い水温変化に影響されないため，適切な間

5

今後の課題

隔で水温を観測すれば，水温構造の時間変化によ本報告では，海底地殻変動観測の観測時間短縮る最終測位解への誤差を減らすことができる点がを図るため，2014 年現在まで使われてきた個別挙げられる．一方，デメリットとして，水塊構造に発信する音響測距手法をマルチ測距手法に変更や傾斜構造など，ごく短い時間内に発生する特徴する検討を行った．本検討の結果として，技術的的な水温構造は，観測時間が短いほど誤差としてな問題は生じないと考えられ，実現可能な技術と最終解に影響する可能性がある．この短時間観測言える．のデメリットは過去の観測データや数値シミュ残された検討課題は，2 点ある．1 点目は，本レーションなどから影響を確認する必要がある．

稿では 0.6 秒間隔としたトランスデューサの連続本稿で検討したマルチ測距手法の実用化によっ発信間隔の限界の検証である．連続発信によるトて，更なる観測網の拡張をめざしていきたいと考

ランスデューサ自体の発熱や，直前の発信によるえている．

振動が，音響発信にどの程度の影響を与えるかに謝

ついて未検証であり，またこれらによるトランス辞デューサの劣化の進行程度についてもこれまで検佐藤まりこ氏には，本検討に着手する糸口を与証されていない．発信間隔を短くすることができえていただいた上，M 系列信号の相関処理に関れば，さらに観測時間を短くすることができる．

して多大なる技術的なサポートをいただきまし

浅い海域においては，2 連続発信が 3 連続や 4 連た．また，冨山新一氏には，本論文の改善に資す続発信になることで，さらに効率を 2 〜 3 割程度る有益なコメントをいただきました．記して感謝上げることができる．この検証には実機を用いたいたします．

試験が必要となる．
もう 1 点は，短時間観測による音速構造の時間− 86 −

Study for improving efficiency in seafloor geodetic observation by means of multi acoustic ranging

文浅田献

昭・矢吹哲一朗（2001）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（4），529 543．

藤田雅之（2006）GPS/ 音響測距結合方式による海底地殻変動観測〜海上保安庁の取り組み（レビュー）〜，海洋情報部研究報告，42，1
14．
佐藤まりこ（2010）海底基準局の識別信号の追加について，海洋情報部研究報告，46，108
115．
Sato, M., T. Ishikawa, N. Ujihara, S. Yoshida, M.
Fujita, M. Mochizuki, and A. Asada（2011）
Displacement above the hypocenter of the2011 Tohoku oki earthquake, Science, 332,
1395, doi: 10.1126/science.1207401.
Takeuchi, T.（1991）A Long Range and High
Resolution Underwater Acoustic Positioning
System, Marine Geodesy, 14, 225 231.
冨山新一（2003）海底地殻変動観測における音響解析，海洋情報部技報，21，67 72．
要旨海上保安庁海洋情報部で実施している海底地殻変動観測の観測時間短縮に向けた新しい音響測距手法について検討した．現在用いられている個別に音響測距する手法から，まとめて送受信するマルチ測距手法への変更について，実現性を示すと同時に，実際の観測時間の短縮率について考察した．今後，本手法を導入し，海底地殻変動観測網の拡張や，緊急観測の際の短時間観測などに活用していきたいと考えている．

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