海洋情報部研究報告 第 40 号 平成 16 年 3 月 29 日
REPORT OF HYDROGRAPHIC AND OCEANOGRAPHIC RESEARCHES No.40 March, 2004

海底地殻変動観測における局位置決定再現性の評価 †藤田雅之 ※ ，佐藤まりこ ※Examination on Repeatability of Precise Seafloor Positioning
Masayuki FUJITA※ , Mariko SATO※
Abstract

Repeatability of the precise GPS/Acoustic seafloor positioning was examined using observation dataacquired at the Off-Miyagi reference point with a water depth of 1700m located on the landward slope of theJapan Trench. Using three campaign epochs with comparatively many observation days, estimated coordinatesof the seafloor stations from various data subsets within one epoch were compared. Results from two epochs
show the subset positioning repeatability of several centimeters in the horizontal components, which satisfies
our current target precision. However, one of the epochs gives the difference of several tens of centimeters in
the estimated positions between the first and second half of the campaign period. An error source could be
attributed to the unstable condition in the underwater sound velocity structure implied by the CTD
measurement results. Comparison of the positioning results between different campaign epochs shows thatinter-epoch repeatability is within the range of error comparable to the subset repeatability obtained in thisstudy, in consideration of the possible stationary intraplate crustal deformation in this region.

Key words:

precise seafloor positioning, Off-Miyagi reference point, repeatability

１．はじめに生産技術研究所，2002；Mochizuki et al., 2003）．
これらの基準点の中には，観測時の天候条件が海洋情報部では，東京大学生産技術研究所との悪いなどの理由から，まだ精度よく位置決定を行

技術協力の下，GPS 音響結合方式による海底地殻うために十分なデータが取得されていない点も多変動観測の技術開発（浅田及び矢吹，2001；矢吹，いが，「宮城県沖」に設置した海底基準点では，同2002）及び海底基準点の展開を行っている．現在

海域における大地震の発生予測確率が高いこと，までに我々の設置した海底基準点は，主に日本海ならびに海底測地精度を検証する目的からも，何溝及び南海トラフ沿い陸側に十数点あり，各点で度か強化観測を行っており，相対的に充実したデ測量船によるキャンペーン測位観測を繰り返し実ータ量が確保されている．
本稿では，宮城県沖海底基準点で行われたキャ施している（海上保安庁海洋情報部及び東京大学†Received December 4, 2003; Accepted February 27, 2004.
※海洋調査課航法測地室 Geodesy and Geophysics Office, Hydrographic Surveys Division- 85 -

Masayuki Fujita, Mariko Sato

Fig.1 Map showing the location of the Off-Miyagi seafloor
reference point with a solid star.

Table 1

Number of data for the Off-Miyagi reference point for the 3 epochs used inthis study.

EPOCH

2002/5

2003/5

2003/7

Observation days

466

Observation lines

472960

Shots

3994

64487157

ンペーン測位観測から，特に観測日数の多いキャ正方形に配置されている．正方形の対角線の長さ

ンペーンエポック（以下エポックと呼ぶ）のデーは水深と同程度，すなわち 1700m である．

タを用いて，海底局位置決定の再現性評価を行っ

Fig.１に設置点の地図を示す．
本基準点は 2001 年に設置し，現在までに 6 回たので，その結果について報告する．のキャンペーン測位観測を実施している．今回の２．宮城県沖海底基準点における観測データ評価では，このうち 4 日間以上のデータが取得されている 3 回のエポックを用いた．それぞれのエ

宮城県沖海底基準点は，日本海溝の陸側水深約1700m の海底にあり，4 台の海底局が東西南北のポックにおける観測日数，測線数，音響測距デー
タ数を Table １に示す．
- 86 -Examination on Repeatability of Precise Seafloor Positioning
各観測日には，音響測距観測に加え，キネマテ

ァイルを改めて初期値として，各測線単位の短いィック GPS（KGPS）観測，観測支柱の動揺計測，時間ウィンドウ内で再度二次回帰するという方法

及び音速度プロファイルを求めるための CTD，を用いている．この方法により，初期値の違いにXBT 観測を行った．CTD 観測は，通常 1 日の音よる決定局位置の差異はほとんどないことが確認

響測距観測前後の朝夕２回行っているが，2003されている（藤田他，2004）．

年 5 月の観測についてのみ，観測スケジュールの都合により測距観測前の朝 1 回しか実施していな

４．データサブセットによる再現性の評価

い．また，XBT 観測は，測距観測中原則約 1 時間（１）評価方法及び結果毎に行った．

各観測エポックにおける局位置決定精度を評価するために，エポック毎に，全測距データを，1３．解析手法

日毎，2 日毎等のサブセットデータに分け，それ本観測におけるデータ解析は，大きく（１）船ぞれのサブセットから求められた局位置解を比較の位置を求める KGPS 解析，（２）船と海底局間することにより，そのエポック内再現性を吟味しの音波の往復走時を求める音響測距解析，（３）こた．
Fig.2〜4 に，上記 3 つのエポックについて，全れら二つの結果を結合して海底局の位置を求める

観測日のデータを用いた場合と，サブセットデー局位置解析の３つの段階に分けられる．
KGPS 解析には，長距離基線の解析のために開タを用いた場合の推定局位置を比較した結果を示発されたソフトウェア IT（Colombo, 1998）を，す．横軸の ALL が全観測日による解，1A 等が 1

音響測距解析は相関波形処理による手法（浅田及日毎，2A 等が 2 日毎のサブセット解を表していび矢吹, 2001）を用いている．

る．図は，それぞれ東西成分，南北成分について，

局位置解析には，藤田他（2004）によるソフト

海底局 4 局の局位置解の平均値を，全日解からのウェア SGOBS V2.5 を用いた．入力として与えた差としてプロットしている．エラーバーは，海底音速度プロファイルは，CTD 及び XBT 観測値か局 4 局それぞれについての全日解からの差の自乗

ら Del Grosso（1974）の改正式で計算したものを平均値であり，4 局間のローカルな相対位置関係基に，時間軸上で，1 日単位の時間ウィンドウ内のばらつきを表している．

を二次式で回帰することにより，各測距時の値とFig.2 及び Fig.4 に示されているそれぞれ 2002して求めたものを用いた．XBT 観測による水温プ

年 5 月及び 2003 年 7 月の局位置決定再現性の評

ロファイルを用いる場合，塩分濃度プロファイル

価結果を見ると，水平成分については，1 日毎でについては，朝夕の CTD 観測で得られたものをも 5〜10cm，3 日間以上のデータを用いると，ほ時間的に線形補間したものを与えて計算している．

ぼ 5cm 以内の再現性が得られている．またエラー

しかしながら，こうして与えた観測値に基づくバーにより示される相対位置のばらつきも，2 日

音速度プロファイルには，精密な局位置決定にと以上のデータを用いた場合には 6〜7cm 以下であって無視しえない誤差が含まれている．そのため，る．

SGOBS V2.5 では，入力値を初期値として平均音

これに対して，Fig.3 に示されている 2003 年 5

速度の時間変化係数をパラメータとして推定する

月の局位置解析結果を見ると，南北成分についてことによって，誤差の影響の軽減を図っている．

は 10cm 以内の再現性を示しているといってよい

具体的な誤差推定の手順としては，まず初期値でが，東西成分には，観測期間の前半と後半の局位ある 1 日単位の二次回帰式の各係数について補正置解の間に，数十 cm 以上に及ぶ大きな差が認め値を求める．これにより補正された音速度プロフ

られる．

−87−

Masayuki Fujita, Mariko Sato(a)0.3

OFF MIYAGI 0205 (EW)

0.2

Difference [m]Difference [m]

0.3

0.1
0OFF MIYAGI 0307 (EW)

0.1
0‑0.1

‑0.1

‑0.2

‑0.2

‑0.3

‑0.3
ALL

1A 1B 1C 1D

2A 2C

ALL

3A 3B

(b)

0.3
Difference [m]0.3
Difference [m]0.2(a)OFF MIYAGI 0205 (NS)

0.2
0.1
0‑0.1
‑0.2

0.2

2A 2C

2E

3A 3D

4A

4C

3A 3D

4A 4C

(b)
OFF MIYAGI 0307 (NS)

0.1
0‑0.1
‑0.2‑0.3
ALL‑0.3
ALL

1A 1B 1C 1D

2A 2C

Off-Miyagi reference point in (a) E-W and (b)Off-Miyagi reference point in (a) E-W and (b)N-S components at the epoch July 2003. The

N-S components at the epoch May 2002.
results

areplotted

2C 2E

Fig.4 Repeatability of seafloor positioning at theFig.2 Repeatability of seafloor positioning at thePositioning

2A

3A 3B

for

total number of observation days is 6. Seedata

the caption of Fig.2 for the detail except that

subsets from 4-day data in total relative tothe reference of comparison is not the result

those using all the data (ALL). The numberfrom all the data, but those for one of theincluded in the label on the horizontal axis

5-day solutions which is not shown.

represents the number of days for the subsets
used. The solid circle represents the averaged
location over 4 stations and an error bar（２）考察
宮城県沖海底基準点において実施した複数のキ

represents the rms of differences for eachャンペーン測位観測データを用いて，それぞれのstation.

エポック内のデータをサブセットに分けて，求め(a)Difference [m]

0.6
0.4

られた決定局位置を比較することにより，そのエOFF MIYAGI 0305 (EW)

ポック内における局位置決定の再現性を評価した．

0.20

その結果，2002 年 5 月と 2003 年 7 月の 2 つのエ‑0.2‑0.4

ポックについては，3 日間以上のサブセットデー‑0.6ALL

2A

2C 2E

3A 3D

4A 4C

Difference [m]

0.6
0.4

タを用いた場合，ほぼ 5cm レベルのエポック内再現性が得られたのに対して，2003 年 5 月につい(b)OFF MIYAGI 0305 (NS)ては，3 日間のデータを用いた場合の決定局位置0.2の比較においても，東西成分に数十 cm もの大き0‑0.2な差が生じた．この差の原因を，この測位技術の‑0.4‑0.6ALL

2A2C

2E

3A 3D4A4C

Fig.3 Repeatability of seafloor positioning at theOff-Miyagi reference point in (a) E-W and (b)N-S components at the epoch May 2003. The
total number of observation days is 6. See thecaption of Fig.2 for the other detail.

大きな誤差要因である音速度構造誤差及び KGPS測位誤差の両面から考察する．
まず海中の音速度構造について検討する．Fig.5に，CTD 観測から得られた上記 3 つのエポック観測期間内の当該海域の音速度変化を示す．図にプロットされている音速度の値は，それぞれ観測日- 88 -Examination on Repeatability of Precise Seafloor Positioning

1480

(a)
2002/50.3

1479
1478
1477
1476
5/13

5/15

5/16

0‑0.2‑0.3024GPS Time [H]6810121479
1478
1477

0.3

1476

0.2

1482

5/27

5/29

5/31

6/2

HEIGHT [m]Average of SV [m/s]

0.1

2003/51480

1483Average of SV [m/s]

5/14(b)1475
5/25

6/4(c)(b)
Corrected averaged Heightfor Off‑Miyagi 030529

0.10‑0.1

2003/7

‑0.2

1481

‑0.3

1480

468

GPS Time [H]

1479
1478

Fig.6 Variations of 1-minute averaged height of1477
7/12

Fig.5

Corrected averaged Heightfor Off‑Miyagi 020514

‑0.1

1475

1481

(a)

0.2

HEIGHT [m]Average of SV [m/s]1481

Averaged

7/13

sound

7/14

7/15

velocity

7/16

kinematic

7/17

duringGPSresults

after

makingthecorrections for the geoid, tide and solid earthobservation periods for epochs (a) May 2002,

tide for (a) May14, 2002 and (b) May 29, 2003.

(b) May 2003 and (c) July 2003.の朝夕（2002 年 5 月は朝のみ）の CTD 観測値から計算されたものについて，海面から水深 1700mまでの 1m 毎の観測値を単純平均したものである．
なお CTD 観測の最深点が 1700m に達していない理的に対応できていない．したがって，まだ定量的な議論には至らないものの，このことが，このエポック内で生じた大きな推定局位置差の原因の一つである可能性が高い．
次に，KGPS 測位誤差の観点から検討する．こものについては，最深点付近における音速度の深さ方向の勾配により線形外挿して用いている．図から，まず上の評価において局位置決定のエポッ
ク内再現性が良かった 2 つのエポック（2002 年 5月と 2003 年 7 月）については，期間中の音速度変化は小さく，変化量が 1m/sec 以下であることがわかる．しかしながら，エポック内の前半と後半で局位置解析結果に大きな差の見られた 2003
年 5 月については，8 日間で 5m/sec もの音速度変化が認められる．このような急激な変化は，時間的な変化のみならず，空間的な変化，すなわち音速度構造の空間不均質をも暗示している．現行の
局位置解析手法は，音速度構造に水平成層を仮定しているため，特にこのような空間不均質には原

こでは，藤田及び矢吹（2003）の方法を用いて，今回の局位置解析への入力として用いた KGPS測位結果の評価を行った．この方法は，船上 GPSアンテナの高さの長周期変化が海面高変化に連動していることを利用して，測位解として得られた高さ成分の１分平均値にジオイド及び潮汐モデルの補正を行い，その時間変化を評価するものである．なお，全体にわたるバイアス誤差については，補正に用いたモデルの絶対値の精度が不足しているため，十分な信頼性をもって評価することは困難である．
Fig.6 は，(a)2002 年 5 月，(b)2003 年 5 月について，それぞれのエポック中の観測日 1 日の−89−Masayuki Fujita, Mariko Sato
KGPS 測位解を，上記の方法で補正した評価図である．図を見ると，まず 2002 年 5 月については，

Difference [m]0.3

1 日の時間変化が 10cm 以内に収まっており，測位誤差は比較的小さいと評価できる．このエポッ0.2(a)OFF MIYAGI (EW)

0.1
0

‑0.1

ク内の他の観測日についての評価図を見ても，ほ‑0.2

ぼ同様の傾向を示す．

‑0.3

これに対して，Fig.6 (b)を見ると，測位時間内2002/5に 20〜30cm 程度の急激な高さのドリフトが見られる．このような急激なドリフトは、このエポッ

Difference [m]0.3クの全観測日の評価図に含まれているわけではな
いものの，他の２つのエポックと比較して、このエポックの KGPS 測位結果に含まれる測位誤差0.22003/5 2003/7(b)OFF MIYAGI (NS)0.1
0‑0.1‑0.2

は，相対的にやや大きいと考えられる．

‑0.3

Fig.6(b)に暗示される KGPS 測位のドリフト誤2002/5

2003/5 2003/7

差も，局位置決定誤差の一因となることは間違い

Fig.7 Comparison of the positioning results fromない．しかし，そのドリフト量や発生頻度に鑑み

the different epochs used in this study as

ると，KGPS 測位誤差は Fig.3 に見られる数十 cmtime series.の差の単独要因ではないと考えられる。したがって現段階では、主因は前述の音速度構造の不均質

東西成分は 10cm 程度，南北成分は 1cm 程度の差の影響であるか、あるいは二つの悪条件が重なっとなっている．これに対して 2003 年 5 月についたことによると推測される。ただし，もし KGPSては，東西成分は，2003 年 7 月よりさらに西に測位結果に大きなバイアス誤差が含まれていると数 cm，南北成分は両エポックに比べ，10cm 程度すれば，それが Fig.3 の主因となっている可能性

南に決まっている．
2002 年 5 月と 2003 年 7 月の東西成分の差は，を排除することはできない．

それぞれのサブセット間再現性に比べると若干大きいが，この地域で予測される大陸安定域に対する西向きの地殻変動を考慮すると，矛盾しない範４．エポック間の再現性について

囲に入っているといってよい．
Fig.7 に，上記３つのエポックについて，それまだこれらの結果から定量的な地殻変動の議論

ぞれ全観測日のデータを用いて求めた局位置を，はできな い が，再現 性 評価とい う 観点から は，エポック間で比較した結果を示す．図のプロット

2002 年 5 月と 2003 年 7 月について，エポック間は，2002 年 5 月の座標値を基準として，それぞにおいてもサブセット間再現性とほぼ同レベルのれのエポックとの相対値をプロットしている．た

結果が確認されたといえる．

だし，これらの座標値は，和歌山県下里の海洋測５．まとめ

地基準点を基準とした相対値であることに留意されたい．下里は，ユーラシア大陸の安定域に対して西北西に約 3cm/year でプレート内変形してい海底地殻変動観測における局位置解析精度を検ることがわかっている（例えば Sengoku, 1998）．

証するため，宮城県沖海底基準点において実施しサブセット再現性のよかった 2 つのエポック

た複数のキャンペーン測位観測について，それぞ（2002 年 5 月と 2003 年 7 月）の値を比べると，れのエポック内の全データをサブセットに分けて- 90 -Examination on Repeatability of Precise Seafloor Positioning
決定局位置を比較することにより，そのエポック

この期間の CTD 観測結果を吟味したところ，海内における局位置解析結果の再現性を評価した．

中音速度の急激な変化が認められ，現行の解析手

その結果，２つのエポックで，3 日間以上のデー法がこれに暗示される海中の不安定性に対処できタを用いることにより，水平成分で 5cm レベルのていないことが一因として示唆される．一方エポ再現性が得られることがわかった．しかしながら，ック間の再現性については，この海域で予測され１つのエポックでは，異なるサブセットからの決る定常プレート内変形速度を考慮すると，サブセ定局位置間に大きな差異が生じた．この原因につット再現性とほぼ同レベルの結果が得られた．

いて考察したところ，観測期間中に海中の急激な音速度変化が観測されており，このことが暗示す

参考

文

献

る音速度構造の時間空間変化に現行の解析手法が浅田昭，矢吹哲一朗：熊野トラフにおける長期地十分に対処できていないことが大きな要因ではな

殻変動観測技術の高度化，地学雑誌,いかと推察される．

（4）,529−543， (2001)．

110

さらにエポック間の局位置解析結果の比較におColombo, O.L.: Long-Distance Kinematic GPS,いても，サブセット間再現性と矛盾しない結果がin “GPS for Geodesy 2nd Edition”, Springer,得られた．今後，さらに事例を積み重ねることに537-568, (1998).

よって，現行の手法による局位置決定精度をさら

Del Grosso, V.A.: New Equation for the Speed ofに検証すると共に，今回局位置のサブセット再現

Sound in Natural Water (with Comparison

性の悪かったエポックのデータ等を材料に，誤差

to other Equations), The Journal of theの影響をミクロに検討することにより，解析手法

Acoustical Society of America, 56, No.4,のさらなる高度化を目指したい．

1084-1091, (1974).
藤田雅之，佐藤まりこ，矢吹哲一朗：海底地殻変

謝辞

動観測における局位置解析ソフトウェアの開本研究は，海上保安庁の海底地殻変動観測プロ

発，海洋情報部技報 ， 22，42-49，（2004）．

ジェクトに携わっている航法測地室衛星測地担当

海上保安 庁 海洋情報 部 ，東京大 学 生産技術 研究

職員，海洋研究室の矢吹哲一朗，冨山新一，片山所：海上保安庁海洋情報部の海底地殻変動観

真人の各氏，測量船「明洋」「海洋」乗組員，東京

測，地震予知連絡会会報，68，557-565，（ 2002）．

大学生産技術研究所の浅田昭，望月将志，吉田善Mochizuki, M., M. Sato, M. Katayama, T.

吾の各氏ら多くの方々の協力の下に行われた．記

Yabuki,

Z.

して感謝する．

Construction

YoshidaandofSeafloor

A.

Asada:GeodeticObservation network Around Japan, Recent
要Advances in Marine Science and Technology,

旨

2002, 591-600, (2003).

宮城県沖海底基準点において取得されたデータを用いて，海底地殻変動観測の局位置決定再現性

Sengoku, A, A plate motion study using Ajisai

に関する検討を行った．そのため，まず観測日数SLR data, Earth Planets and Space, 50,が比較的多い３つのエポックのデータを様々な日

611-627, (1998).

数のサブセットに分け，求められた局位置を比較

矢吹哲一朗：海底地殻変動観測を目指した音響技した．その結果，２つのエポックで，水平成分に術開発，水路部研究報告，38，47-58，（2002）．

ついて約 5cm レベルの再現性が得られた．しかしながら１つのエポックでは，東西成分について，エポックの前半と後半に数 10cm の差が生じた．
−91−

Masayuki Fujita, Mariko Sato

- 92 -