研究ノート
海洋情報部研究報告 第 46 号 平成 22 年 3 月 23 日
REPORT OF HYDROGRAPHIC AND OCEANOGRAPHIC RESEARCHES No.46 March, 2010

海底地殻変動観測の KGPS 解析における速報暦の有効性について
齋藤宏彰＊１，関由貴子＊１，梅原直人＊１，浅倉宜矢＊２，佐藤まりこ＊３
Effectiveness of rapid orbit in KGPS analysis of seafloor geodetic observation
Hiroaki SAITO＊１，Yukiko SEKI＊１，Naoto UMEHARA＊１，Takaya ASAKURA＊２，Mariko SATO＊３

Abstract
We evaluated the effectiveness of using the rapid orbit in KGPS analysis in seafloor geodetic observation by comparing the positions of the seafloor reference points obtained with rapid orbit against the ones obtained with finalorbit. Results show that the root!mean!square of the horizontal distances between the two positions was３mm,
which is within the precision of seafloor positioning using final orbit. Therefore, seafloor positioning results utilizing rapid orbit in KGPS analysis can be used as quick solution for seafloor geodetic observation.

１ はじめに位置解析（藤田・他，２００４；Fujita et al., ２００６）

海上保安庁海洋情報部では，東京大学生産技術から成る（Fig．
２）．最終的にはそれら複数の海底研究所との技術協力の下，キネマティック GPS

局の重心位置（平均位置）を海底基準点の局位置（以下，KGPS）と音響測距の組み合わせ方式に解とする．

よ る 海 底 地 殻 変 動 観 測 の 技 術 開 発（浅 田・矢観測時における測量船の位置を算出するために吹，２００１；矢吹，２００２）及び海底基準点の展開を行う KGPS 解析では，衛星の軌道情報として，IGS行っている．我々の海底基準点は，これまで主に（International GNSS Service；国際 GNSS 事業）

日本海溝及び南海トラフ沿い陸側に約１００km 間から提供される精密暦を通常使用している．精密隔で設置しており（Fig．
１），測量船による観測を暦は観測の約３週間後に提供されるため，KGPS繰り返し実施している（Mochizuki et al., ２００３；

解析を行い，その後局位置解析を終えるまでには

藤田，２００６；佐藤・他，２００８）．

少なくとも１ヶ月程度の時間が必要である．しか海底地殻変動観測のデータ解析は，船上の GPSしながら，この場合，地震発生時等において海底アンテナの位置座標を決定する長基線 KGPS 解

地殻変動についての迅速な情報提供ができないと析（Colombo，１９９８），船に設置した音響トランいう欠点がある．

スデューサと海底基準点（海底局）間の音波走時

一方，観測の１７時間後に IGS から提供されるを求め る 音 響 解 析（浅 田・矢 吹，２００１；冨 山，

速報暦を使用した場合，観測からの帰港後，直ち２００３），そして，これら２つの結果を結合して海に解析することによって，観測から数日後には暫底に設置した３〜４台の海底局の位置を求める局定結果を得ることが可能である（Fig．
３）．

＊１ 航法測地室 Geodesy and Geophysics Office＊２ 測量船「明洋」Survey Vessel “Meiyo”＊３ 海洋研究室 Ocean Research Laboratory− 32 −

Effectiveness of rapid orbit in KGPS analysis of seafloor geodetic observation

他方で，速報暦以外に，観測の６時間後に提供される超速報暦やリアルタイムの衛星の軌道情報として放送暦を取得することも可能である．しかしながら，測量船を使用する現行の観測システムにおいては，観測終了後，船が帰港するまでの回航に最低でも一日程度要することを考慮すると，陸上で解析作業を行う時点で放送暦や超速報暦よりも精度の良い速報暦が利用可能となる．
そこで，本稿では地震時等における海底地殻変動についての迅速な情報提供を行うための取組みの一環として，速報暦の使用による KGPS 解析への影響について評価を行った．
２

KGPS 解析の概要と衛星軌道暦

２．１

KGPS 解析の概要

KGPS 解析では，陸上基準局のデータ，測量船で取得した船上データ，および IGS から提供さFig．
１ Distribution of seafloor reference points.

れる衛星軌道暦を使用し，沿岸から１００km 程度㫊㪼㪸㪽㫃㫆㫆㫉㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㫀㫅㪾㪸㫅㪸㫃㫐㫊㫀㫊㪸㪺㫆㫌㫊㫋㫀㪺㩷㪸㫅㪸㫃㫐㫊㫀㫊㪸㪺㫆㫌㫊㫋㫀㪺㩷㫎㪸㫍㪼㩷㪻㪸㫋㪸

離れた測量船のマスト部に設置されている GPSアンテナ（以下，船上局）の０．
５秒毎の位置を求㫊㪼㪸㪽㫃㫆㫆㫉㩷㫊㫋㪸㫋㫀㫆㫅㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㫉㫆㫌㫅㪻㪄㫋㫉㫀㫇㩷㫋㫉㪸㫍㪼㫃㩷㫋㫀㫄㪼

めている．陸上基準局には，当庁の GPS 観測点及び国土地理院の電子基準点を使用しており，船㪢㪞㪧㪪㩷㪻㪸㫋㪸㪸㫅㫋㪼㫅㫅㪸㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㫋㫉㪸㫅㫊㪻㫌㪺㪼㫉㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㫄㫆㫋㫀㫆㫅㩷㪺㫆㫉㫉㪼㪺㫋㫀㫆㫅

上 局 と の 基 線 長 は 概 ね１００〜３００km で あ る．

㫊㫆㫌㫅㪻㩷
㫍㪼㫃㫆㪺㫀㫋㫐㩷㫊㫋㫉㫌㪺㫋㫌㫉㪼

KGPS 解析に必要となる陸上基準局の位置の算出には，Bern 大学が開発した精密基線解析ソフト
ウェア「Bernese㪢㪞㪧㪪㩷㪸㫅㪸㫃㫐㫊㫀㫊

Ver４．
２」を使用し，船上局の位置の算出には NASA/GSFC の Colombo 博士がFig．
２ Flowchart of analysis for seafloor positioning.

長距離基線解析用に開発したソフトウェア「IT」

㪦㪹㫊㪼㫉㫍㪸㫋㫀㫆㫅（for Interferometric Translocation : Colombo andEvans,１９９８；Colombo et al.,２０００）を使用してい㪘㫉㫉㪸㫅㪾㪼㫄㪼㫅㫋㩷㫆㪽㩷㪻㪸㫋㪸る．
㪩㪸㫇㫀㪻㩷㫆㫉㪹㫀㫋㩿㪈㪎㪿㫆㫌㫉㫊㪀㪬㫊㪼㩷㫉㪸㫇㫀㪻㩷㫆㫉㪹㫀㫋㪖㪰㪼㫊㪥㪦㪝㫀㫅㪸㫃㩷㫆㫉㪹㫀㫋㩿㪉㪈㪻㪸㫐㫊㪀

KGPS 解析においては，これまでに観測精度向㪘㫅㪸㫃㫐㫊㫀㫊

上のための取組みとして，船での GPS アンテナ㪧㫉㪼㫃㫀㫄㫀㫅㪸㫉㫐㩷㪩㪼㫊㫌㫃㫋䋨㫊㪼㫍㪼㫉㪸㫃㩷㪻㪸㫐㫊䋩の設置位置を，マスト上と船体後部とで変えた場㪘㫅㪸㫃㫐㫊㫀㫊

合の測位結果の比較（河合・他，２００５a），陸上基準局の GPS アンテナの機種の違いによる測位㪝㫀㫅㪸㫃㩷㪩㪼㫊㫌㫃㫋䋨㪈㩷㫄㫆㫅㫋㪿䋩

結果の比較（河合・他，２００５b），基線長の異なFig．
３ Flowchart to obtain the two results due to thedifference of the two time periods of GPS orbit
to be provided.

る陸上基準局データによる測位結果の比較（河合・他，２００６），および複数の KGPS ソフトウェアを使用した測位結果の評価（杉本・他，２００９）− 33 −

Hiroaki SAITO, Yukiko SEKI, Naoto UMEHARA, Takaya ASAKURA, Mariko SATO
Table１ GPS Satellite Ephemerides distributed by theInternational GNSS Service（IGS）and specification of them.

Table２ List of sites and dates of campaign observations whose data were used in this study.

等が行われている．また，観測手法の高度化及び迅 速 化 の た め の 研 究 と し て は，リ ア ル タ イ ム
KGPS 観 測 に つ い て，精 度 検 証（木 元・他，２００８）や津波観測への適用（Kato et al.,２００５）などが行われている．
いて陸上基準局の位置の算出と KGPS 解析を行
２．
２

衛星軌道暦

い，得られた各々の場合の船上局の位置について

IGS から提供される衛星軌道暦には，精密暦比較を行った．

（Final orbit：３週間遅れで提供），速報暦（Rapid

検討に使用したデータは２００８年７月〜２００９年orbit：１７時間遅れで提供），超速報暦（Ultra rapid

６月に取得した航走観測によるデータ（Table２）

orbit：６時間 遅 れ で 提 供，予 報 値 を 含 む）が あである．本期間では当庁の全ての海底基準点におる．Table１に，これらの衛星軌道暦についてのいて，網羅的に各１〜２回ずつ観測を実施してい諸元（２００９年１１月現在）を示す．これらの衛星る．

軌道暦は世界の観測局網から得られたデータを使用し，後処理の精密解析を行うことによって計算

４

結果および考察され，特に使用データ数の多い精密暦の精度が最４．１

KGPS 解析結果も良いとされている．ただし，近年衛星軌道暦の速報暦を使用した場合の KGPS 解析結果を東精度が向上してきており，Table１に示されるよ

西，南 北，上 下 の 成 分 別 に プ ロ ッ ト し た 例 をうに，速報暦と精密暦については時計の精度につFig．
４，Fig．
５に 示 す．Fig．
４，Fig．
５の プ ロ ッ ト

いて SD（標準偏差）がわずかに異なるものの，は，精密暦による KGPS 解を基準（ゼ ロ）と しほぼ同精度の値となっている．て表示している．また，Fig．
４は「東海沖１」海底基準点における２００８年７月の観測，Fig．
５は

３

検討方法と使用データ「熊野灘」海底基準点における２００８年９月の観測

速報暦を使用した場合と精密暦を使用した場合についての図である．とで，KGPS 解析から得られる船上局の位置は異Fig．
４に示すように，「東海沖１」海底基準点になる値を取ることが予想される．本稿では，速報おける２００
８年７月の観測では，速報暦と精密暦暦を使用した場合と精密暦を使用した場合とにつによる KGPS 解の乖離はほとんど見られず，東− 34 −

Effectiveness of rapid orbit in KGPS analysis of seafloor geodetic observation

᧲⷏ᣇะ(E as t-W es t)4ධർᣇะ(N o rth -S o u th )4

਄ਅᣇะ(U p -D ow n )22Ꮕಽ㪛㫀㪽㪽㪼㫉㪼㫅㪺㪼㪲㪺㫄㪴 00-2-2-4-4

7/15
7/16
19:00 21:00 23:00 1:00

3:00

5:00 7:00

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

ᤨ㑆㪫㫀㫄㪼㩿㪡㪪㪫㪀Fig．
４ Time series of the difference of the ship positions obtained with rapid orbit and final orbit．
（green : EW components, red : NS components, blue : UD components ; observation on July１
５−１
６，２００
８at the seafloor reference point off Tokai１）᧲⷏ᣇะ(E as t-W es t)

44

ධർᣇะ(N o rth -S o u th )਄ਅᣇะ(U p -D ow n )22Ꮕಽ㪛㫀㪽㪽㪼㫉㪼㫅㪺㪼
0
㪲㪺㫄㪴

0-2-2

-4-4

9/22
9:00

12:00

15:00

18:00

21:00

9/23
0:00

3:00

6:00

ᤨ㑆㪫㫀㫄㪼㩿㪡㪪㪫㪀Fig．
５ Time series of the difference of the ship positions obtained with rapid orbit and final orbit．
（green : EW components, red : NS components, blue : UD components ; observation on September２２−２３，２００８at theseafloor reference point at Kumano−Nada）− 35 −

Hiroaki SAITO, Yukiko SEKI, Naoto UMEHARA, Takaya ASAKURA, Mariko SATO
Table３ RMS of the difference of the ship positions obtained with rapid orbit and final orbit while acoustic ranging
was made in each campaign observation.

西，南 北，上 下 成 分 共 に１〜２mm の 差 で あ っ４．２

考察た．一方，Fig．
５に示される「熊野灘」海底基準

ここで，今回求められた KGPS 解析結果を基点における結果では，速報暦と精密暦の KGPSに局位置解析によって得られた海底局の水平位置解の乖離は東西および南北成分では２〜３mm，プロットを Fig．
６に示す．Fig．
６では精密暦によ上下成分では最大で１cm 程度であった．この結る局位置解を基準（原点）としてプロットしてい果は，Fig．
４に示した「東海沖１」の結果よりも比較的大きな値であるものの，KGPS 解析の精度㪉㪅㪇（数 cm）よりも小さく，速報暦と精密暦の結果次に，解析の対象とした Table２に示すデータ
における速報暦と精密暦の KGPS 解の差について，東西，南北，上下の成分別に，音響測距を行った時間帯での RMS を計算したものを Table３に示す．Table３より，音響測距時における速㩿㪧㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㩷㪛㫀㪽㪽㪼㫉㪼㫅㪺㪼㪀に有意な差は見られない．

㪲㪺㫄㪴㪄㪈㪅㪇ධ㪄㪈㪅㪌㪪㫆㫌㫋㪿

報暦と精密暦の KGPS 解の差の RMS は，東西，㬍㪈㪺㫄㪄㪉㪅㪇㪄㪉㪅㪇 㪄㪈㪅㪌㪄㪄㪄㪈㪅㪇㪄㪄㪄㪇㪅㪌 㪇 㪇㪅㪌 㪈㪅㪇⷏ዪ૏⟎⸃䈱Ꮕ㪮㪼㫊㫋㩿㪧㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㩷㪛㫀㪽㪽㪼㫉㪼㫅㪺㪼㪀㩷㪲㪺㫄㪴

南 北，上 下 成 分 と も に 最 大 で も１cm 程 度 で あり，KGPS 解析における速報暦と精密暦の結果に有意な差は見られなかった．

ർ 㪈㪅㪌㪥㫆㫉㫋㪿㪈㪅㪇ዪ㪇㪅㪌૏⟎㪇⸃䈱㪄㪇㪅㪌Ꮕ㪉㪺㫄㪈㪅㪌 㪉㪅㪇᧲
㪜㪸㫊㫋

Fig．
６ Difference of horizontal positions of seafloor reference points obtained with rapid orbit and finalorbit.

− 36 −

Effectiveness of rapid orbit in KGPS analysis of seafloor geodetic observation

観測精度に比べて十分小さく，有意な差は見られ㪈㪅㪇㩿㪘㪹㫊㫆㫃㫌㫋㪼㩷㫍㪸㫃㫌㪼㩷㫆㪽㩷㫍㪼㫉㫋㫀㪺㪸㫃㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㩷㪻㫀㪽㪽㪼㫉㪼㫅㪺㪼㪀ዪ ਄૏ 㪬㫇⟎⸃䈱Ꮕ䈱⛘ኻ୯㪲㪺㫄㪴なかった．これらのことから，今後，例えば海溝軸の海側など，さらに基線長の長い KGPS を必㪇㪅㪏㪈㪺㫄要とする観測を実施する場合には留意する必要が㪇㪅㪍あるが，現行の観測点において地震時等に迅速な情報提供を必要とする場合には，速報暦は有効で㪇㪅㪋あると考えられる．
㪇㪅㪉ਅ
㪛㫆㫎㫅

５㪇㪇

㪇㪅㪉㪇㪅㪋㪇㪅㪍㪇㪅㪏

㪈㪅㪇

まとめ

今回，２００８年７月〜２００
９年６月に取得した航ዪ૏⟎⸃䈱Ꮕ㩿᳓ᐔ〒㔌㪀㩿㪟㫆㫉㫀㫑㫆㫅㫋㪸㫃㩷㪻㫀㫊㫋㪸㫅㪺㪼㩷㫆㪽㩷㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㫊㪀㩷㪲㪺㫄㪴

走観測によるデータを使用し，海底地殻変動観測

Fig．
７ Absolute value of the difference of vertical positions of seafloor reference points obtained with
rapid orbit and final orbit.の KGPS 解析において速報暦を使用した場合の影響について評価を行った．その結果，観測時にお け る 速 報 暦 と 精 密 暦 の KGPS 解 の 差 の RMSは，東西，南北，上下の３成分ともに最大でも１cm 程度の値であった．さらに，最終成果となる

る．
Fig．
６に示されるように，速報暦による局位置局位置解の比較では，速報暦と精密暦による局位解と精密暦による局位置解の差は水平距離で０〜置解の差は，水平距離の RMS で約３mm と，現５mm の 範 囲 で あ り，そ れ ら の RMS は 約３mm

行の観測精度に比べて十分小さく，有意な差は見であった．これらの値は精密暦を使用した場合のられなかった．また，上下成分についても水平成現行の観測精度（水平成分で約２〜３cm）に比べ分と同程度の結果が得られた．これらのことかて十分小さく，速報暦を使用した場合でも精密暦ら，速報暦は地震時等における速報値として有効を使用した場合と比較して遜色ない結果が得られであると考えられる．

たことを示している．
謝次に，上下成分について速報暦による局位置解

辞をプロットした図を Fig．
７に示す．Fig．
７では，本研究は，海底地殻変動観測に関わっている航横軸を速報暦と精密暦による局位置水平成分の差法測地室職員，測量船「明洋」および「海洋」乗（水平距離），縦軸を上下成分の差の絶対値とし，組員並びに東京大学生産技術研究所浅田研究室のFig．
６と同様に精密暦による局位置解を基準（ゼ方々，KGPS 解析のソフトウェア IT を提供してロ）としている．

頂いた NASA/GSFC の Colombo 氏ほか，多くのFig．
７に示されるように，速報暦と精密暦によ方々の協力の下に行われました．KGPS 陸上基準

る局位置上下成分の差の絶対値は最大でも９mm

点の一部は，国土地理院より電子基準点１秒デー

程 度 で あ り，そ れ ら の RMS は 約３mm で あ っタを提供頂いています．また，本稿の改訂にあた．上下成分については海中の音速構造の誤差のたっては，本論文の査読者から多くの大変有益な影響を受けるため，これまで海底地殻変動の検出コメントをいただきました．記して感謝いたしまには至っていないが，Fig．
６の水平位置と同程度す．の結果が得られた．
要

今回解析対象としたデータは，基線長が最長で旨

２７０km 程度であったが，いずれのデータについ

当庁の海底地殻変動観測における KGPS 解析ても速報暦と精密暦による局位置水平成分の差はにおいて速報暦を使用した場合の影響について評− 37 −

Hiroaki SAITO, Yukiko SEKI, Naoto UMEHARA, Takaya ASAKURA, Mariko SATO価を行った．その結果，速報暦と精密暦の各々か

nami due to the２００
４September５th off theら得られる局位置解の差は，水平距離の RMS で

Kii peninsula earthquake, Japan, recorded by

約３mm と現行の観測精度の範囲内であった．速a new GPS buoy, Earth Planets Space ，５７，２９７

報暦による結果は地震時等における速報値として３０１．
‐有効であると考えられる．

河合晃司，藤田雅之，石川直史，松本良浩，望月将志（２００５a），長距離 KGPS の精度評価に７回研究成果
ついて，海洋調査技術学会第１参考文献
浅田

発表会講演要旨集 ，３１‐３２．

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，地学雑河合晃司，成田誉孝，藤田雅之，石川直史，淵之誌，１１０（４），５２９‐５４３．

上紘 和，長 岡 継（２００５b），長 基 線 KGPS 測位精度の機種（アンテナ）依存性について，

Colombo, O.L.（１９９８）, Long−Distance KinematicGPS, in “GPS for Geodesy ２ nd edition”, editedby Teunissen, P. J. G. and Kleusberg, A,

海洋情報部技報，２３，６６‐７２．
河合晃司，藤田雅之，石川直史，松本良浩，望月pp．
５３７‐５６８，Springer, Berlin.

将志（２００６），長基線 KGPS の精度評価について，海洋情報部技報，２４，８０‐８８．

Colombo, O. L., and A. G. Evans（１９９８）, Precise,decimeter−level differential GPS over great

木元章典，渡部豪，杉本慎吾，奥田隆，田所敬

distances at Sea and on Land, Proc. ION GPS‐一，武藤大介（２００８），海底地殻変動観測に９８，Nashville, Tennessee.

おける長基線リアルタイムキネマティック
GPS の精度検証，日本地球惑星科学連合２００８

Colombo, O. L., A. G. Evans, M. I. Vigo−Aguiar, J.

年大会予稿集， J １６４‐P ００２．

M. Ferrandiz, and J. J. Benjamin（２０００）, Long−baseline（＞１０００km）, sub−decimeter kine-Mochizuki, M., M. Sato, M. Katayama, T. Yabuki,

matic positioning of buoys at sea, with poten-

Z. Yoshida and A. Asada（２００３）, Construction

tial application to deep sea studies, Proc. IONof Seafloor Geodetic Observation NetworkGPS ２０００，Salt Lake City, U.S.A.

Around Japan, Recent Advances in Marine Science and Technology ，２００２，５９１‐６００．

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

佐藤まりこ，木戸元之，田所敬一（２００８），GPS/（レビュー）〜，海洋情報部研究報告，４２，音響測距結合方式による海底地殻変動観測〜

１‐１
４．

観測成果と新たな取り組み〜，測地学会誌，
５４（３），１１３‐１２５．

藤田雅之・佐藤まりこ・矢吹哲一朗（２００４），海底地殻変動観測における局位置解析ソフト

杉本慎吾，長田幸仁，石川直史，浅倉宜矢，田所ウ ェ ア の 開 発，海 洋 情 報 部 技 報，２２，５０‐

敬一，渡部 豪，奥 田 隆，高 谷 和 典，生 田 領

５６．

野，安藤雅孝（２００９），基線長別移動体測位実験によるキネマティック GPS ソフトウェ

Fujita, M., T. Ishikawa, M. Mochizuki, M. Sato, S.
Toyama, M. Katayama, Y. Matsumoto, T.

アの評価，測地学会誌，５５（１），６５‐８５．

Yabuki, A. Asada and O. L. Colombo（２００６）,

冨山新一（２００３），海底地殻変動観測における音

GPS/Acoustic seafloor geodetic observation :響解析，海洋情報部技報，２１，６７‐７２．

method of data analysis and its application,

矢吹哲一朗（２００２），海底地殻変動観測を目指し

Earth Planets Space ，５８，２６５‐２７５．

た音響技術開発，水路部研究報告，３８，４７‐

Kato, T., Y. Terada, K. Ito, R. Hattori, T. Abe, T. Miyake, S. Koshimura and T. Nagai（２００５）, Tsu− 38 −５８．