技報海底基準局の識別信号の追加について
佐藤まりこ：海洋研究室

Extension of acoustic signal patterns for identifying the seafloor stations
in seafloor geodetic observation
Mariko SATO : Ocean Research Laboratory

Abstract
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 acoustic mirror−type transponders called “seafloor stations” being installed on the seafloor. Each seafloor station has an acoustic signal pattern for identifying itself. In this report,
I summarize the background and technical overview of the extension of acoustic signal patterns for identifying the seafloor stations in seafloor geodetic observation.

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「キネマティック GPS（KGPS）観測」で決定し，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との間の距離を「音響第１図 海底地殻変動観測の概念図
Fig.１ Schematic picture of seafloor geodetic observation.

測距観測」で測り，それらを組み合わせて海底基準点の位置をセンチメートルの精度で求めるものであ

今般，さらに５種類の信号を追加したので，その背る（第１図）．

景とともに技術的検討の概要について報告する．

各海底基準点には，安定した観測結果を得るた
め，３または４台の海底基準局が設置されている

２

識別信号追加の背景が，音響測距観測の際にこれら複数の基準局を区別

現在の海底基準局は１９９９年から２００４年にかけて設するため，それぞれ異なる識別信号が設定されてい置されたもので，設置から既に５年以上，初期に投る（浅田・矢吹，２００１；冨山，２００３）．この識別信号

入した海底基準点にあっては９年が経過している．

としては，これまで５種類の信号を使用してきたが，海底基準局はリチウムイオン電池で動作していて，− 108 −

仕様では海底基準局の寿命は８年となっていることから，観測の継続性を確保するためにも早急に海底

３

音響測距観測に使用する音響信号

基準局を更新する必要がある．海底基準局の更新

音響測距観測で使用する音響信号については，浅は，既設の海底基準局のところに新たに海底基準局

田・矢吹（２００１），冨山（２００３）にも書かれているを設置し，併行して観測を行うことによって新旧海が，ここでもう一度整理しておく．

底基準点の位置を関係づけることを意味しており，音響測距観測における音響信号の流れを第２図に

これによりこれまでに得られた観測データを有効に示す．まず，船上の音響トランスデューサから音響活かすことができる．海洋情報部では，海底基準局測距を行う海底基準局の識別信号（各海底基準局にの電池切れが迫っているという現状を鑑み，平成２１割り当てられた音響信号で，M １〜M ５の５種類（２００９）年度から既設の海底基準局を年２箇所ずつがある）と測距信号を送信する．各海底基準局は自更新していくこととした．

身の識別信号が送信されたことを認識すると，続け海底基準局の更新にあたり，１つの問題が浮上して送信される測距信号をバッファに蓄え，約１秒後た．それは，海底基準局の識別信号が５種類しかなに返信用トリガー信号（全海底基準局共通）を先頭く，新旧の海底基準局に独立した識別番号を付与すに付けて船上の音響トランスデューサへ返信する．

ることができないことである．新旧海底基準局に対船上では，AD コンバータを通して，それら一連のし，併行観測を行うためには少なくとも８種類の海音響信号を２００kHz サンプリングで収録する．これ

底基準局の識別信号が必要となる．

が１回（１ショット）の音響測距観測の流れである．

そこで，今般，識別信号を新たに５種類追加し，この観測を M１，M２，M３，M４，M１，……とそれ最大１０台までの併行観測が行えるようにした．次節

ぞれの海底基準局に対して順番に１０秒間隔（水深が以降で，海底基準局の識別信号の詳細と追加した信大きい観測点は１２秒間隔）で繰り返し行い，１回の号の選定経緯について述べる．

観測で合計約５０００ショットの音響測距データを取得

第２図 M 系列音響信号による音響測距システム
Fig.２ Ranging system using M-sequence acoustic signals.
− 109 −

佐藤まりこする．これらの音響測距データは，陸上に持ち帰った後，理論送信波形と相互相関が取られ，船上の音響トランスデューサと海底基準局との間の音響信号の往復時間が決定される．
音響測距観測で使用している音響信号は，M 系列というコード化されたパルス信号（０，１）のビットに応じて搬送波（１０kHz の正弦波）を位相変調させたものである．音響信号には，トリガー信号（識別信号，返信用トリガー信号）と測距信号があり，そ れ ぞ れ８次４波（信 号 長：１０２ms），９次４波（信号長：２０４ms）の M 系列音響信号が使われている．ここで，８次，９次は M 系列の次数を示し，４波は M 系列信号の０，１のビットに応じて搬送波が４波長ごとに位相変調されることを意味する．
トリガー信号として使用している８次 M 系列の第３図 ８次 M 系列の原始多項式
Fig.３ Primitive polynomials of 8 th-order M-sequence.

コードパターンは全部で１６種類あるが，このうち５種類（M１〜M５）を識別信号として各海底基準局に１〜M６にそれぞれ対応），未使用の原始多項式を便割り当て，１種類（M６）を海底基準局から返信する

宜上 M０
７〜M１６と名付けることとする．

際のトリガー信号（返信用トリガー信号）として利用している．残りの１０種類の信号は現在使用してい４．
２ ８次 M 系列信号の相互相関ないため，本稿では，これらの信号を識別信号とし４．
２．
１ 相互相関て使用することができないか検討した．

本稿では，相関により M 系列信号の類似性を評価

４

し，新たに追加する識別信号を決定した．ここで，新たに追加する海底基準局の識別信号の検討

信号処理でよく使われる相互相関について簡単に触れておく．

４．
１ ８次 M 系列信号
まず，８次 M 系列信号について具体的に記す．なお，M 系列信号の発生原理については冨山（２００３）

相互相関関数は，２つの関数の類似度を示す指標で，次式で表わされる．に書かれているので，本稿では省略する．

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$!$!#

８

８次 M 系 列 信 号 は，信 号 長 が２ −１＝２５５ビ ット，すなわち２５５個の０，１の組み合わせで構成されこれは，２つの関数 （f t），g（t）を時間差 τ だけずており，それぞれ自己相関は大きく，相互相関が小らして乗算し，時間軸についての積分を行うことをさい独立した１６種類（＝原始多項式の数）の信号が示していて，２つの関数の重なり具合を表す．特ある．さらに，
２５５個の数字の羅列のどこを初期値にに，f（t）と g（t）の関数が同じ場合を自己相関関数取るかによって，全部で１６種類×２５５（初期値の選という．相互相関関数の値が大きいほど２つの関数択）＝４０８０通りの信号ができる．なお，我々の観測が似ていることを示し，識別信号のように個々の信では，２５５個のビットの最後に「０」を加えた２５６号を区別する目的で使う場合には，相互相関関数のビットの信号を使用している．

値は小さいほど望ましい．

第３図に，８次の M 系列の１６個の原始多項式を示

参考として，M０１の信号波形の自己相関波形を第す．現在，識別信号及び返信トリガー信号として使４図に示す．中央のピークの両側に徐々に小さく用している原始多項式は M０１〜M０６で（２節の Mなっていく３つのピークが見られるが，これは信号− 110 −海底基準局の識別信号の追加について第１表使用しているM系列信号の相関関数のピーク値
Table１ Peak values of cross-correlation functionsof M-sequence signals using in our observation.
第４図 識別信号 M０１の自己相関波形例Fig.４ An example of autocorrelation function ofidentification signal "M 01."

まず，１６種類の８次 M 系列信号の相関特性を調べるため，ビット相関を取った結果を示す（第２表）．
第２表は相関関数のピーク値を示しており，ある特波形の１ビットが４つの波形で構成されることによ定の組み合わせのときに相互相関関数のピーク値はるもので，それぞれのピークは時間差 τ＝±１，比較的大きな値（０．
３７）を取ることが分かる．その±２，±３波長に相当する．

組み合わせは，現在使用している M０１〜M０６の信号波形の相互・M０１ ×

M１４

相関関数のピーク値を第１表に示す．なお，表は，

・M０２ ×M１６

自己相関関数のピーク値が１となるよう正規化して・M０３ ×M０７いる．表から，相互相関関数のピーク値は M０４×M

・M０４ ×M０６０６の組み合わせで最も大きく，０．
３４となっている．

・M０５ ×M１５

これまでの観測で海底基準局が誤認識したという事

・M０８ ×M１２

例はないことから，相互相関関数のピーク値が０．
３・M０９ ×M１３程度であれば特に問題なく音響測距を行うことがで

・M１０ ×M１１

きると考えられる．

である．
先述したように，識別信号として採用する場合に

４．
２．
２ ビット相関は，相互相関関数のピーク値はできるだけ小さい信

第２表 ビット相関関数のピーク値
Table２ Peak values of bit correlation functions.
− 111 −

佐藤まりこ号の組み合わせを選ぶ必要があるため，現在使用し号の初期値依存性があることを示している．ている M０１〜M０６を含まない組み合わせ（M０８×

そこで，さらに詳しく M 系列信号の初期値依存性

M１２，M０９×M１３，M１０×M１１）から１つずつ採を調べるため，ビット相関が強い組み合わせ（M用するのが良いと思われる．この場合，識別信号は０１×M１４）と，強くない組み合わせ（M０１×M０２）８種類となるが，予備となる信号がないため，何らについて，全ての初期値（１〜２５５）に対する相関をかの原因で信号が弱くなって再設置する場合に識別調べた．その結果を第５図に示す．横軸は初期値の信号が割り当てられず不都合が生じる．このため，ビット相関が強い組み合わせの信号も利用するべく，次節でより詳細な検討を行った．

４．
２．
３ 波形相関
観測では，１０kHz の搬送波を使用し，４波長ごとに M 系列信号のビットに応じて位相変調した音響信号を使用しているため，１６種類の擬似波形を作って相関を調べた．M 系列信号の初期値は全て１とし，１周期のみの相関を取った．ここで１周期の相関を取ったのは，実際の識別信号が繰り返し波形ではなく１周期のみの波形であるためである．得られた相関関数のピーク値を第３表に示す．なお，表では自己相関関数のピーク値が１となるよう正規化している（以下，第４表及び第５表についても同じ．
）．
また，グレーの網掛けで示したところは，ビット相関で相関が強かった組み合わせを示している．

第５図第３表から，M０３×M０７，M０８×M１２のようにビット相関が強くても波形の相関関数は大きくならない場合があることが分かる．これは，１周期の疑似波形で相関を取ったためで，相関関数に M 系列信相互相関関数ピーク値の初期値依存性（（a）ビット相関が小さい場合，（b）ビット相関が大きい場合）
Fig.５ Initial-value dependencies on peak valuesof cross-correlation functions :（a）weak bitcorrelation，（b）strong bit correlation.

第３表 波形相関関数のピーク値（初期値１）
Table３ Peak values of waveform correlation functions（initial value : 1）.
− 112 −

海底基準局の識別信号の追加について組み合わせ（２５５×２５５＝６５０２５通り），縦軸は相関関の結果を第４表（a）に示す．なお，M０１〜M０６の信数のピーク値を示している．第５図より，ビット相号の初期値は，現在使っている識別信号と同一であ関が強くない組み合わせ（M０１×M０２）の相関関る．これにより，現在使用している M０４×M０６を除数，ビット相関が強い場合の組み合わせ（M０１×M

く全ての組み合わせについて相互相関関数を０．
３未１４）の 相 関 関 数 の ピ ー ク 値 は そ れ ぞ れ０．
１２５〜満にすることができた．

０．
２８５，０．
２１９〜０．
３９５となった．全体的に，ビット相関が強い場合の方がビット相関が強くない場合よ４．
３ 新たに追加する識別信号

りも相関関数のピーク値が０．
１程度大きいが，ここ波形相関結果から，新たに追加する識別信号は予で注目すべきことは，ビット相関が強い組み合わせ備も考慮して M１１〜M１５の５種類とすることにしでも M 系列信号の初期値により０．
２２程度で収まるた．第４表（a）から新旧識別信号の部分だけ切り出場合があるということである．このことは，M 系列したものを第４表（b）に示す．新旧識別信号，新識信号の初期値を適切に選ぶことにより，相関関数の別信号どうしの相互相関関数は最大でも０．
２５程度でピーク値を小さくすることができることを意味すある．
また，今回使用しなかった M 系列信号 M０７〜Mる．
そ こ で，M０７〜M１６の M 系 列 信 号 に つ い て，

１０，M１６についても，新旧識別信号（M０１〜M０５，ビット相関が強い組み合わせの相関関数のピーク値M１１〜M１５）との相互相関関数のピーク値は０．
２５ができるだけ小さくなるよう初期値を選択した．そ以下であり，将来，更なる拡張が必要になった時に第４表 初期値調整後の波形相関関数のピーク値（（a）全信号，（b）識別信号のみ（抜粋））
Table４ Peak values of waveform correlation functions after adjustment of each initial value :（a）all signals,（b）only identification signals for seafloor stations.
− 113 −

佐藤まりこ第６図 ８次 M 系列信号
Fig.６ 8 th-order M-sequence signals.

− 114 −

海底基準局の識別信号の追加について利用できることを言及しておく．これらの信号は，
参識別信号として利用できるほか，例えば，全ての海底基準局を一斉に起こしたり，電池節約のために一浅田考文献昭・矢吹哲一朗：熊野トラフにおける長期地斉に待機モードにしたりといった海底基準局のユー

殻 変 動 観 測 技 術 の 高 度 化，地 学 雑 誌，１１０

ティリティコマンドとしても利用できると期待され

（４）
，５２９‐
５４３，２００１．
藤田雅之：GPS/音響測距結合方式による海底地殻る．
最後に，現在の識別コードを含む M０
１〜M１６の変 動 観 測〜海 上 保 安 庁 の 取 り 組 み（レM 系列信号を第６図に示す．
５ビュー）〜，海洋情報部研究報告，４２，１‐
１４，（２００６）．

おわりに

冨山新一：海底地殻変動観測における音響解析，海本稿では，海底基準局の更新に関連して新たに追加した識別信号の概要についてまとめた．
識別信号の追加に伴って，船上の音響トランスデューサの改良も実施した．２００９年１０月には，最も初期（１９９９年〜２０００年）に設置した「熊野灘」海底基準点において，新海底基準局を設置し，新旧海底基準局に対する併行観測を実施した．その結果，改良後の音響トランスデューサ及び新識別信号を付与した海底基準局は問題なく動作していることが確認された．
なお，音響トランスデューサの改良にあたっては，今回識別信号として使用しなかった５種類の M系列信号も発信できるよう改良しており，将来，設置する海底基準局側の改良により４．
３に述べたような機能拡張が可能となる．
今後は，既設の海底基準局の更新作業を順次進めていくとともに，長期にわたる観測により，より信頼性の高い海底地殻変動観測データの提供をめざしていきたい．
謝辞
冨山新一氏には，本検討に着手する糸口を与えていただいた上，M 系列信号の相関処理に関して多大なる技術的なサポートをいただきました．また，藤田雅之氏には，本稿を取りまとめる上で大変有益な助言をいただきました．識別信号の決定に際しては，東京大学生産技術研究所の浅田昭教授及び株式会社 SEA にご協力をいただきました．記して感謝いたします．

− 115 −

洋情報部技報，２１，６
７‐７２，（２００３）．