技報

海底地殻変動観測における海底音響基準局の更新
石川直史：航法測地室

Replacement of seafloor stations in seafloor geodetic observation
Tadashi ISHIKAWA : Geodesy and Geophysics OfficeAbstract
The Hydrographic and Oceanographic Department of Japan has been carrying out GPS/acoustic seafloor
geodetic observation for monitoring crustal movements around offshore plate boundary regions.
A seafloor reference point consists of three or four battery−driven acoustic transponders called“seafloorstation”. To ensure the continuity of observation, it is necessary to replace transponders before their batteries
run out and to connect the observation results before and after the replacement by using the position offsets
between old and new transponders.
In 2009, we replaced transponders at reference points KUMA and KAMN and observed new and oldtransponders simultaneously three times. This report presents the way of replacement and determines theposition offsets between the old and new transponders with enough precision.

１

つ円周上の東西南北に配置している．海底局４局のはじめに平均（重心）位置を海底基準点の位置として定義し，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その年々の変位を求めることで，海底の地殻変動を測定する．

変動観測の技術開発及び海底基準点の展開を行って本観測で使用している海底局は，測量船の音響トいる．海底基準点は，これまで主に日本海溝及び南ランスデューサから発信された計測信号を受信し，海トラフ沿い陸側に設置しており，測量船による繰約１秒後に受信した信号そのものを返信するミラーり返し観測を行っている（藤田，２００６；佐藤・他，方式トランスポンダーと呼ばれる物である（浅田・２００８）．

矢吹，２００１）．海底局は，耐圧ガラス球の中にリチウ

本観測は，時々刻々と変化する測量船の位置をム電池のバッテリーと電子回路が納められており，「キネマティック GPS（KGPS）測位」で決定するとバッテリー寿命は約１０年となっている．従って，１０

ともに，測量船に装備された音響トランスデューサ年を超えるような長期観測のためには，海底局を順と海底に設置された海底音響基準局（以下，海底局次入れ替えることで観測の継続性を確保する必要がという．）との間の距離を「音響測距観測」で測り，あり，そのため，海洋情報部では，２００９年度から年それらを組み合わせて海底基準点の位置をセンチに２地点ずつ順次海底局を更新していく計画を立てメートルの精度で求めるものである．ている．

海底基準点は，１点につき４局（一部の海底基準

本稿では，海底局の更新の前後の観測の連続性を点では３局）の海底局を，水深と同程度の直径を持確保するための手法を紹介するとともに，実際に− 44 −

２００９年度に更新した海底局の観測データの解析結果る．
なお，更新の際には，１つの海底基準点においてについて報告を行う．
２８局の海底局を観測することになる．海底局は複数海底局の更新についての局を区別するための M 系列による識別信号が設

海底の地殻変動を把握するという目的のために定されているが，既存の海底局では５種類（M０１〜は，長期間にわたって継続的にデータを取得し続けM０５）までしか設定できなかったため，あらたに５ることが重要である．そのため，海底局の入れ替え種類（M１１〜M１５）を追加し１０種類の識別信号を設

前後の観測結果の連続性を保つ必要があり，新旧の定できるように海底局を改良した（佐藤，２０１０）．ま海底局の位置座標の差（オフセット値）を正確に決た，現在使用している局位置解析ソフト SGOBS（藤定しなければならない．

田・他，２００４）では，最大５局までしか解析できな

海底局の設置は海上からの自由落下によって行われるため，設置位置を精密に制御することは出来ず，設置された海底局の位置座標値は観測データを解析して求めるほかない．

いため，最大１０局まで解析できるように改良したものを用いた．
３

熊野灘及び釜石沖２海底基準点の更新

本観測は，GPS 電波の伝播経路における大気・電２００９年には，２０００年の設置以降９年が経過した熊離層の擾乱や海中音波の伝播経路における音速度構野灘（KUMA）及び釜石沖２（KAMN）の２つの海造の擾乱などの様々な環境要因によって測位結果に底基準点について，海底局の更新を行ったので，そ系統的な誤差が生じることがあり，現在の観測におの結果について報告する．

ける繰り返し測位精度は，条件の良いときで２〜３

第１図に両基準点の位置を，第２図に新旧の海底cm，悪いときで５〜１０cm と見積もられている．そ局の位置関係を示す．新規の海底局は基本的に既存のため，既存の海底局のバッテリーが尽きて観測不海底局とほぼ同一の位置になるように投入を行う能になってから新規の海底局を投入した場合，新旧が，既 に 述 べ た よ う に 自 由 落 下 に よ る 設 置 の た

局の位置座標のオフセット値はこの測位精度内でしめ，１００m 前後のずれが生じている．なお，KUMAか求められず，さらに，最後に旧局を観測した時期については，西側が欠けた３局構成となっていたとと新局を投入した時期の違いによる地殻の変動分もころ，今回の更新で通常の海底基準点と同様に東西加わるため，新旧海底局のデータを一続きとして扱南北の４局構成にした．
第１表に両海底基準点の観測状況をまとめた．

うためには不十分な精度となってしまう．
こうした系統的な誤差を回避し，新旧局の位置座

KUMA は２００９年１０月 に，KAMN は２００９年１２月 に 新標のオフセット値を正確に求めるためには，旧局の規海底局の投入を行い，投入時を含め２０１０年８月ま寿命が尽きる前に新局を設置し，新旧局を同一の環でに，それぞれ３回の新旧局同時観測を行った．

境条件のもとで同時に観測することが望ましい．環

２００９年１０月の KUMA の観測は支柱式観測システム

境要因による系統誤差は新旧の局に同じように影響を用いての漂流観測方式によって行ったが，他の５すると考えられるため，新旧の位置座標の差分を取回の観測は全て船底装備システムによる航走観測方ることによってその影響が除去されると期待され，式である（漂流観測と航走観測については，佐藤・その結果として，海底局の絶対的な位置座標の決定他（２００９）を参照のこと．）．
本観測では，設定された測線を約４時間で回る観精度よりも高い精度で新旧局のオフセット値を求め測を１セットとし，１回の観測エポックで４セットることが可能となる．
新旧局の同時観測によって十分な精度でオフセッの観測を行うことを基本としている．取得する音響

ト値を求めることができれば，その後は旧局の観測測距データは，１セットあたり，海底局１局に対しを行わずに，新局のみの観測に移行することになて３００〜３５０ショット程度を目安としている．

− 45 −

石川直史

KAMN(Depth:2300m)

KUMA(Depth:2000m)

km

0km

1000100

第１図 ２
００９年に海底局の更新を行った熊野灘（KUMA）及び釜石沖２（KAMN）海底基準点の位置．
Fig.１ Locations of seafloor reference points KUMA and KAMN, where the transponders were replaced in
２００９.

1400

1100

North

North
1350

1050

M04

KUMA

KAMN

1000

East

Average-100-1050

M01old0new-1000-950

M12150-900200250

900

950

10001050

1100

South <-> North (m)South <-> North (m)West50

M14M011250

100-50M111300

M11950250

EastAverage

West200

M14M12

new

150

100-1200-1150

M05

old

M03
50-1250

-1100

1000

South1050

1100

1150

1200

South

M13-950

-1000

-1000

M02-1050-1100-100-1050-1100

M13-50050

M02-1150-100

100

West <-> East (m)

-50

050

100

West <-> East (m)

第２図 新旧海底局の投入位置．M０
１〜M１５の番号は海底局の ID 番号を表し，青のプロットが既存の海底局，赤のプロットが新規に投入した海底局を表す．new, old はそれぞれ新局と旧局の平均位置を表す．座標系は局地系座標系（ENU 座標）で，座標原点はそれぞれ，北緯３３°４０′１３．
３″東経１３６°５９′４３．
９″（KUMA），北緯３８°５３′１０．
８″東経１４３°２１′４６．
８″（KAMN）である．
Fig.２ Locations of transponders represented by local tangent coordinate system. 'M０１〜M１５' stand for
ID numbers of each transponder. Blue and red points stand for the old and new transponders, respectively. 'Old' and 'New' stand for the averaged position of the old and new transponders, respectively. The origins of the coordinate system are N３３°
４０１３．
３ , E１３６°
５９４３．
９ at KUMA and
N３８°
５３１０．
８ , E１４３°
２１４６．
８ at KAMN.

第１表 今回使用したデータ
Table１ Data summary used in this study− 46 −

海底地殻変動観測における海底音響基準局の更新
音響測距観測では，各海底局を１台ずつ順番に観観測については，１セットあたりのデータ数が他の測する方式のため，新旧局を同時に観測する場合，航走観測のエポックにくらべ半分となっている．

通 常 よ り も 倍 の 観 測 時 間 が 必 要 と な る．そ の た

第３図に，推定された海底局の位置座標の再現性

め，２００９年１２月，２０１０年１月及び３月の観測では，評価の結果を示す．グラフは，海底局の重心位置を，通常よりも半分の船速で観測を行い１セットあたり基準値（KUMA は２０１０年８月の全セット解，KAMNの時間を通常よりも２倍にすることで必要なデータは２０１０年７月の全セット解）からの差としてプロッ数を確保した．しかしながら，低速での観測は測量トしている．エラーバーは，東西南北に配置した各船の操船の面から好ましくなかったこともあ

海底局それぞれの位置座標の基準値からの差の自乗り，２０１０年７月及び８月の観測では通常と同じ船速平均値であり，海底局間の局所的な相対位置関係ので観測を行い，セット数を倍の８セット取得するこばらつきを表している．
第４図に，新旧局のオフセット値の再現性を示とでデータ数を確保した．
４す．グラフは，旧海底局の重心位置と新海底局の重結果の評価心位置の差を，基準値からの差としてプロットして各観測エポックにおける解の精度評価のため，全いる．エラーバーは，東西南北に配置した各海底局セット分のデータを使用した解に対する，１セットのそれぞれのオフセット値についての基準値からのごとの解（サブセット解）の再現性について評価を差の自乗平均値である．
ここで，基準値として用いているのは，松本・他行った．なお，上述のように２０１０年７月及び８月のKAMNWest <-> East (m)

0.20
0.10
0.00-0.10
RMS =4.8cm

RMS =3.4cm

RMS =2.6cm

South <-> North (m)

0.20
0.10
0.00
-0.10
RMS =6.7cm

RMS =1.7cm

RMS =4.8cm-0.30
0.30-0.20

RMS =4.8cm

RMS =2.4cm

RMS =6.6cm

RMS =2.4cm

RMS =3.0m

RMS =5.6cm

0.30
0.20
0.10
0.00
-0.10
-0.20-0.30

2009 Oct.

2010 Jan.

2010 Aug.

2009 Dec.

第３図2010 Mar.

07/14D

ALL(ref.)

07/14B

07/14C

07/14A

07/11D

07/11B

07/11C

07/11ARMS =11.1cm

RMS =20.7cm

ALL-0.20

03/07B

08/14D

-0.10

-0.30

ALL(ref.)

08/14B

08/14C

08/14A

08/06D

08/06B

08/06CRMS =11.9cm

ALL

01/15D

01/15B

01/15C

01/15A

ALL

10/30B

10/29B

RMS =6.1cm

10/30A-0.30

08/06A-0.20

RMS =14.3cm

0.00

03/07C

-0.10

0.10

03/07ARMS =7.6cm

0.20

ALL

0.10

12/20B

Down <-> Up (m)

0.30

0.20

10/29A

Down <-> Up (m)

0.00
-0.10

12/14B

South <-> North (m)

0.30

0.00

0.10

-0.30

-0.30

-0.20

0.20

12/20A

-0.20

0.30

12/14AWest <-> East (m)

KUMA
0.30

2010 Jul.

海底局位置座標のサブセット解の再現性評価の結果．赤丸は各観測エポックにおける全データを使用した全セット解，白抜きの青丸は１セット分のデータのみから求めたサブセット解で，各観測エポック内におけるサブセット解のばらつきの RMS をそれぞれ記載している．
Fig.３ Subset repeatability of the estimated positions of the transponders. Red and white circles stand forsolutions using all set data and one set data, respectively.
− 47 −

石川直史（２００８）の手法を用いて，３回のエポック全ての観測的な地殻変動は無いと思われるので，各観測エポッデータを一括解析して求めた海底局の相対位置関係

クにおいて，各海底局の相対的な位置関係は不変でから求めたオフセット値である．通常の解析では，あると考えるのが自然である．松本・他（２００８）の設置されている３〜４局の海底局の位置を観測エ

一括解析の手法は，通常，エポックごとに独立に使ポックごとに独立に求めている．しかしながら，海用しているデータを一括してまとめて解析し，複数底局が設置されている数 km 程度の範囲内では局地エポックにわたる多数のデータを使用した解析を行KAMNWest <-> East (m)0.200.100.00-0.10
RMS =1.1cm

RMS =2.0cm

RMS =1.6cm

South <-> North (m)0.200.100.00-0.10
RMS =0.4cm

RMS =1.0cm

RMS =0.5cm

-0.30

-0.20

RMS =1.5cm

RMS =1.2cm

RMS =1.1cm

RMS =1.0cm

RMS =0.7m

RMS =1.4cm

RMS =0.5cm

RMS =0.2cm

RMS =0.9cm

0.30
0.20
0.100.00-0.10
-0.20
-0.30

2009 Oct.

2010 Jan.

2010 Aug.

2009 Dec.

2010 Mar.

All epoch(ref.)

ALL

07/14D

07/14B

07/14C

07/14A

07/11D

07/11B

07/11C

07/11A

-0.30

ALL

-0.20

03/07BALL

All epoch(ref.)

08/14D

08/14B

08/14C

08/14A

08/06D

08/06B

08/06C

08/06AALL

01/15D

01/15B

01/15C

01/15A

ALL

10/30B

10/29B

10/30ARMS =0.7cm

RMS =0.5cm

RMS =1.4cm

0.00
-0.10

03/07C

-0.10

0.10

03/07A

0.00

0.20

ALL

0.10

12/20B

Down <-> Up (m)

0.30

0.20

10/29A

Down <-> Up (m)0.30-0.30

0.00
-0.10

12/14B

South <-> North (m)

0.30

-0.20

0.10

-0.30

-0.30

-0.20

0.20

12/20A

-0.20

0.30

12/14A

West <-> East (m)

KUMA
0.30

2010 Jul.

第４図 新旧海底局位置のオフセット値のサブセット解の再現性評価の結果．記号の意味は図３と同一．
Fig.４ Subset repeatability of the position offsets. Abbreviations are the same as those in Fig.３.

第２表 新旧局の同時観測で求められた新旧局のオフセット値
Table２ Position offsets between the old and new transponders obtained in this study− 48 −

RMS=0.35cm
2009OCT

2010JAN

2010AUG

West <-> East(cm)

21.5
10.5
0-0.5-1-1.5-2

RMS=0.33cm

South <-> North(cm)South <-> North(cm)

21.5
10.5
0-0.5-1-1.5-2

RMS=0.54cm

21.5
10.5
0-0.5-1-1.5-221.5
10.5
0-0.5
-1-1.5-2

Down <-> Up(cm)West <-> East(cm)

21.5
10.5
0-0.5
-1-1.5-2

Down <-> Up(cm)

海底地殻変動観測における海底音響基準局の更新

2
1.5
10.5
0-0.5
-1-1.5-2

All epoch(ref.)

RMS=0.75cm

RMS=0.81cm

RMS=0.96cm
2009DEC 2010MAR

2010JUL

All epoch(ref.)

第５図

３回の観測エポックで得られたオフセット値の再現性評価の結果．基準値（ALL）は全ての観測エポックのデータを一括して解析した結果．
Fig.５ Repeatability of the position offsets among three observation epochs. The reference value is theresult obtained by multi-epoch analysis using all epoch data.

うことで，エポック間で不変な相対位置関係の最確及び基準となる一括解析解を抜き出し，縦軸を±２値を推定するものである．従って，一括解析によっcm に拡大して描き直したものを第５図に示す．第て求められたオフセット値は取得したデータから得５図から，３回の観測エポックのオフセット値のばられるもっとも確からしい値となるため，この値をらつきは±１ cm 程度に収まっており，新旧のデー基準値として用いている．具体的な数値を第２表にタの連続性を確保するに十分な精度を持つことが分示す．

かる．

第３図，第４図から，位置座標の再現性について
は，水平方向で１０cm，鉛直方向で２０cm 以上のずれ

５まとめを見せる悪い条件のセットがあるのに対し，オフ海底地殻変動観測において使用している海底局はセット値については，１〜２ cm 以内のばらつきにバッテリー駆動のため，定期的に更新する必要があとどまっていることが分かる．特に海中音速度などる．更新前後の観測の連続性を確保するためには，の誤差の影響が大きい鉛直方向については，位置座バッテリーが尽きる前に新規の海底局を投入し，一標の再現性は水平方向にくらべて２〜３倍悪くなっ定期間新旧局の同時観測をする必要がある．ているものの，オフセット値の再現性は水平方向と今回の KAMN と KUMA の同時観測の結果では，同程度となっている．このことは，新旧局の位置座第２表のとおりに十分な精度でオフセット値を求め標の差を取ることで，共通の誤差要因が相殺されたることができた．今後は，旧局の観測は行わず，新ためと考えられる．

局のみの観測に移行することとしている．

各エポックの解のばらつきの詳細を見るため，第また，２０１０年には，宮城沖１海底基準点及び福島４図のグラフから各エポックの全セット解（ALL）沖海底基準点において更新を行ったほか，２０１１年以− 49 −

石川直史
降も順次更新を行っていく予定となっている．今後，更新を行う海底基準点においても，３回を目安に新旧同時観測を行い，オフセット値を求めていく方針で更新作業を進めていく．
謝辞

KGPS 解析には，NASA/GSFC の Colombo 博士開発のソフトウェア「IT」（Colombo，１９９８）を用いた．また，KGPS 解析の陸上基準点として，国土地理院より電子基準点１秒データを提供いただいている．記して感謝する．
参 考 文 献Colombo, O.L. (1998), Long−Distance KinematicGPS, in GPS for Geodesy 2nd Edition, ed. byP.J.E. Teunissen and A. Kleusberg, pp.537‐568, Springer.
浅田昭・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．
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１４．
松本良浩・藤田雅之・石川直史（２００８），海底地殻変動観測における複数エポック一括局位置解
析手法の導入，海洋情報部技報 ，２６，１６‐２２．
佐藤まりこ・木戸元之・田所敬一（２００８），GPS／音響測距結合方式による海底地殻変動観測〜
観測成果と新たな取り組み〜， 測地学会誌 ，

５４ ，１１３‐１２５．
佐藤まりこ・浅倉宜矢・齋藤宏彰（２００９），船底ト
ランスデューサによる航走海底地殻変動観測の評価（速報），海洋情報部技報 ，２７，５６‐６５．
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０８‐について， 海洋情報部研究報告 ，４６，１
１１５．
− 50 −