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海洋情報部技報

海底地殻変動観測における機器の現状とその運用について
成田誉孝，畝見潤一郎：航法測地室
望月将志：東京大学生産技術研究所

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Yoshitaka NARITA and Junichiro UNEMI：Geodesy and Geodetic OfficeMasashi MOCHIZUKI：Institute of Industrial Science, Univ. of Tokyo

１度の観測を行っている．

はじめに

この様に多種多様な観測機材を用いてさまざまな海底地殻変動観測は平成１２年の開始以来，幾度か種類のデータを取得し，それぞれを解析した結果を取りまとめることによって初めて海底基準局の位置の観測機材の追加，更新を行ってきている．
観測の手法は，大きく分けてGPS衛星を用いて正を決定することが出来る．これら１つ１つの機器の確な船位を決定するためのキネマティック測位（以精度向上や効率向上により，より高精度のデータを下，「K-GPS」という）観測と，海底に設置した海底より多く効率的に取得することを目的に機器の更基準局と船の距離を正確に求めるための音響測距観新，追加を行ってきた．
観測機器の変遷と現状および観測の概要について

測の２つの観測手法を組み合わせることによって成は畝見（２００３）により紹介されているが，本稿ではり立っている（図１）．
更に２つの観測は揺れる船上で行っているため，海底地殻変動観測システム（以下，「本システム」と刻々と変化する船体の向きや動揺量を補正する必要いう）の内，測量船の船尾および観測準備室に設置があり，それらを動揺観測装置により計測していされている各種観測機材で平成１４，１５年度に追加，る．

一部更新された機器の更新理由及びその運用についまた，音響測距観測において正確な計測を行うたて更に掘り下げつつ紹介する．
また，海底基準局の器差計測の手法についてもこめには水中音速度の把握をする必要があり，そのためにCTD，XCTD，XBTを用いて海水温度・塩分濃の機会に併せて紹介したい．
２

観測機器の紹介

前節１に記したとおり，本システムの運用にはさまざまな機器を用いているが，本節では２１. K-GPS観測，２２. 音響測距観測，２３. 動揺観測，２４. 時計装置，２５.
水中音速度観測に分けて各機器の更新理由と問題点を紹介していく．
２.１ K-GPS観測
K-GPS観測は主に移動体の位置決定を目的とした測量技術の一つで，通常は基準点となるGPS局から
図１

海底地殻変動観測概念図

近距離（〜十数km）にある移動体の位置を数mmか─
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海洋情報部技報は改善された．
GPS観測のメリットとして測位と同時に正確な時刻を得られることが１つ挙げられる．３次元測位（GPS衛星を４衛星以上用いて緯度・経度・高さが求まっている）時の測位精度が約３０ｍの場合，時刻精度０１. μsの精度を持つ．GPS受信機の収録間隔は内部発振器により管理されており，長時間観測を行うと目標とする収録間隔に対して「ずれ」が生じる．
この様な現象をタイムシフトと呼んでいる．この「ずれ」は収録タイミングのずれであり，収録されている時刻は正確なものである．
図２

海底地殻変動観測機器構成図

例えば５７００受信機で２９時間連続観測を行ったデー
タを見ると観測開始直後はちょうど０秒に収録してら数cmの精度で求めるために用いられるが，われいるが，２４時間後を見ると０１. ５６秒収録時間のずれ

われは長距離基線解析のためにNASA/GSFCで研（この場合は進み）を生じている（資料１）．

究 開 発 さ れ たK-GPS解 析 用 ソ フ ト ウ ェ ア IT

観測時に船は漂流状態でデータ収録を行っている（Colombo，１９９８）を用いることにより陸上GPS基が，その移動速度は流れの速い黒潮流域の場合で３準 局 か ら 遠 く 離 れ た 位 置（数 十kmか ら お よ そ

ノット程である．仮に，１ノットで漂流したとする

１００km）にある移動体（ここでは測量船）の位置をと１秒間の移動速度は約５０cm/sである．
現在使用している IT ソフトウェアは観測時に数cmの精度で求めている．
本システムではK-GPS観測のためにTrimble社製想定された収録間隔（０５. 秒収録の場合，０秒と０５. 秒）GPS受信機を用いている．平成１
４年までは船上観測からずれたデータは想定された収録間隔に直すよう用として４０００シリーズ受信機とMicro Centeredア補完を行って解析する．このことと船の動揺が最大ンテナを用いていたが，新機種として発売された数mとなること及び海底地殻変動観測に必要とされ５７００受信機及びZephyr Geodeticアンテナを平成１４る測位精度（数cm以下）を合わせて考えるとタイム年度に購入，比較観測試験を行った後，同受信機・シフト量は１/１００s以下に抑えたい．

アンテナの組み合わせを用いている．これは受信感現在の一日の観測時間である約８時間で考えて度向上やマルチパス低減を目的とした最新のハードも，タイムシフト量をもう１桁良くする必要があウェアを導入したものである．

り，収録時間の基準信号を内蔵の水晶発振器に頼らK-GPS観測は０５. 秒間隔（２Hz）でデータを取得しず，より正確な発振器（例えば時計装置として運用ているためにデータ量が多く，１時間の観測で約１MBのデータ量となる．４０００シリーズ受信機は内部メモリーが少ないために長時間観測を行う場合は全てのデータをメモリーへ蓄えることが出来ず，リアルタイムでパソコンへデータを転送して収録していたが，時折データ転送エラー等によるデータ不具合があった．５７００受信機へ更新後は内部メモリー量が増えた（９６MB・１２８MB）ためリアルタイム転送の必要が無くなり，データ収録をメモリーで行った後にパソコンへ転送することによってこうした不具合

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資料１

GPS収録時刻の比較

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海洋情報部技報しているルビジューム周波数標準器）から基準信号を入力して運用できるGPS受信機の導入が必要である．
２.２ 音響測距観測
陸上測量では光波や電波を用いて距離を測定することが多いが，水中ではほとんど光波や電波が透過しない．このことから水中での距離測定には音波が用いられている．海底地殻変動観測においても船と図３海底に設置した基準局との距離測定に音波を用いて測距原理と実際の収録波形行っており音響測距観測と呼んでいる．
海底地殻変動観測では１観測点につき海底に基準局を３〜４局設置している．この基準局は１０KHzの音波に反応するように作成されているが，それぞれに誤動作やノイズによる測定不良をなくすこと及び各基準局を識別することを目的とした特殊な符号（M系列信号（冨山，２００３））を割り当てている．
計測に用いる船上音響送受信部（以下「船上局トランスデューサ」という）より海底基準局に割り振られている識別用M系列信号と測距用M系列信号を
写真１ 新旧トランスデューサ（左：３号機，右１号機）

送信すると海底基準局は自身に割り振られた符合と一 致 す るM系 列 信 号 を 受 信 後 一 定 の 反 応 時 間（１０. ６１５０６秒）後に識別用M系列信号及び受信した測距用M系列信号をコピーして発信する．このよう用している．（写真１）

な仕組みから海底基準局をミラートランスポンダー

トランスデューサは識別用，測距用波形を発信し（M/T）とも呼んでいる．この後,船上局トランスた後に受信待機状態時に入り，海底基準局の設置さデューサが海底基準局から発信された２つのM系列れている水深約３００m〜２４, ００mから戻って来るかす

信号を受信・記録することによりトランスデューサ

かな音波を受信するために受信部のゲインを上げと海底基準局との往復時間を測定することができる

る．背景雑音の中から海底基準局からの識別用M系（図３）．この音波の送信・受信をコントロールし，列信号を検出すると受信記録幅を超えてスケール一連の音響波形を時刻信号と共に正確にデジタル収オーバーとならないようにゲインを自動的に調整録するための装置を波形収録装置と言う．

し，引き続き到達した測距用M系列信号を適切な状

波形収録装置はトランスデューサ，音響送受信コ
ントローラー，A/D変換部，受信波形記録解析装置

態で受信する能力を備えている．この機能をAuto
Gain Control（AGC）という（図３）．
平成１５年度に導入した新型（トランスデューサ３からなっており，平成１５年度に音響送受信コント号機）は旧型（トランスデューサ１２, 号機）より位相ローラーを除くほとんどの装置を更新した．
２.２.１ トランスデューサ

中心特性，S/N比，角度変化による受信波形変化特２２. 項の測定原理にあるとおり，トランスデューサ性の向上を目的として開発されたものである．東京は計測用信号を発信し，海底基準局から帰ってきた大学生産技術研究所と共同で新旧の器差及び各種特信号を受信するためのものである．音響送受信部で性を測定し（望月あるトランスデューサはLinkQuest社製のものを使（相模湾）での比較観測を２００５年１月に実施するこ

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他（２００４）），実際の観測地点

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海洋情報部技報とで新旧トランスデューサの器差を把握し，本年度

ム周波数標準機）から時計装置へ標準周波数となる（平成１６年度）より運用を開始している．

１０MHz信号を入力，時計装置内部で２００KHzの信号

２.２.２ 音響送受信コントローラーを生成，この信号をA/D変換の基準周波数とするこ

トランスデューサが発信する音響信号の送信強度とにより，サンプリング周波数の安定化を図っていや送信間隔の調整，初期化などを行うのが音響送受る．これは時計装置更新と並ぶ平成１５年度更新の目

信コントローラーである（写真３）．

的の一つである．
２.２.４ 受信波形記録解析装置

音響送受信コントローラーは受信波形記録解析装
置から受け取った制御タイミングを基にトランスデジタル変換されたデータを収録すると共に音響デューサに制御コマンドを送っている．制御コマン

送受信コントローラーを制御しているのが受信波形ドが送られた後に識別用M系列信号が発信されると記録解析装置である．

音響送受信コントローラーがトランスデューサより装置本体（波形５号機）は一般的なタワー型デス信号が発信されたことを表す信号（送信トリガーパ

クトップパソコンで，O/S（オペレーションシステルス）を発生する．この信号を送受信波形データとム）も 一 般 的 製 品 の う ち 安 定 性 に 優 れ た

共に記録をしておくことにより，データ解析時に測Windows２０００を使用している．更新によりA/D変距開始位置を検出する手がかりとしている．

換部等，内蔵する拡張ボードが増えたため，更新以

２.２.３ A/D変換部

前の装置（波形３４, 号機）に比べて筐体のサイズが１

トランスデューサが送受信した音響波形は電圧変回り大きくなっている．

化で表されるアナログデータであるが，音響送受信

A/D変換されたデータは１度の音響信号収録分コントローラーから中継ボックスを経てA/D（アナのデータ量で約９MB（１０秒間収録の場合）というログ／デジタル）変換ボードによりデジタルデータ膨大な量となるため，A/D変換後に直接ディスクにへと変換している．

書き込まず，一度メモリーにバッファリングされ，A/D変換部は中継BOXに０CH〜３CHの４つの装置にSCSI接続された２４０GBのディスクアレイ２入力CHを持っているが，この内の３つを使用して号機（ディスクアレイ１号機は１００GB）へ書き込ま収録を行っている．各CHの信号測定レンジは，送れる．ディスクアレイは冗長化と高速書き込みの両受信波形記録用の０CHが±５V固定，送信トリガー立を目的にRAIDレベル５で運用しており，船舶内パルス用（１CH）及び時計信号記録用（２CH）がでの運用という過酷な環境によるデータの破損に対±１０V固定となっている．送信トリガーパルスと時して安全性を高めている．

計信号はそれぞれ音響送受信コントローラーや時計

海底地殻変動観測で行うK-GPS観測装置や動揺観装置から信号線（BNCケーブル）により中継ボック測装置，水中音速度観測等のデータも合わせて受信スへ接続され，送受信波形信号と同様にA/D変換

波形記録解析装置に接続されたディスクアレイに一ボードによりデジタルデータへ変換，収録されてい括化して管理しているが，１日に８〜１２GB程度となる．

り，普通のデータメディアでは船から事務所へ運搬

水中での音速度は約１５, ００m/sであるため，これをすることが出来ず，そのために外部接続のハード

サンプリング間隔２００KHzでA/D変換すると１サンディスク装置（現在は容量８０GB）にディスクアレイプルの間隔が約０７. ５cmとなる．更新以前のシステからコピーを行い運搬している．

ムではA/D変換部は内蔵の発振器によりサンプリ

２.３ 動揺観測装置

ング周波数を生成して収録を行っていたが，数cm本システムは船上で運用しているため，観測中はの測距精度のためにはこのサンプリング間隔が一定絶え間なく動揺している．K-GPS観測のアンテナとであることも重要となる．そこで，現在では時計装

音響測距観測のトランスデューサはステンレスとア置へ標準周波数を供給している発振器（ルビジュー

ルミで出来た長さ８mの柱の上下に設置しており，

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合わせることによりタイムサーバとし，LANで接続した受信波形記録解析装置のパソコンから１分毎にタイムサーバ側と時刻合わせを行うことにより一致させていた．この方式ではパソコンの内蔵時計の発振精度やLAN接続による通信の遅延等の要因により，ある程度以上の精度を望めなかった．
平成１５年の更新時にGPS時計を組み込んだマスタークロック（MC１号機）と標準周波数発振器（ルビジューム時計，Rb１号機）を組み合わせた時計装置を導入した（写真３）．この時計装置はGPS時計に
写真２

慣性GPSジャイロと動揺センサー残るわずかな不安定性をも取り去り，標準周波数発振器の精度で時刻を運用することができる．
試験観測ではルビジューム時計の歩度は１時間にこの動揺量を補正しなければ海底基準局の位置は正約１２. μsとなっており，海底地殻変動観測で必要と確に求まらない．
本システムでは船の動きを慣性GPSジャイロと動揺センサー（IMU）（写真２）で計測し，求めたデーされる精度約１msに対し，１日２４時間観測を行っても２桁程良い精度となっている．
こうして高い安定性を持つ時計信号を受信波形記

タは収録用パソコンによりデジタルデータとして収録解析装置と動揺データ収録装置へデジタルデータ録している．
更新以前の装置（動揺３，４号機）は，動揺観測装として送り，両収録データ間の時刻差を必要精度で置内部にGPS時計ボードを内蔵していたが（詳細は一致させることができた．この改良も平成１５年度の２４. 時計装置の項参照），平成１５年度の更新時に時計更新目的の一つである．
しかし，これによって一致したのは音響測距観測機能を分離，時計装置から時刻データを入力する方データと動揺観測データのみであり，これらとK-式に変更した（動揺４号機改）．
現在の動揺観測装置は慣性GPSジャイロと動揺セ

GPS観測装置の時刻はμ秒程度とはいえ一致していンサーを用いたものであるが，装置の特性上空中にないため，これら全てを一致させ各観測機器間の時しか設置できない．今後，光ファイバージャイロな刻同期を図ることが今後の課題である．

ど新技術を導入し柱の上のみではなく海中部分でも動揺量を計測することにより柱のしなりを補正するなど計測技術を変えていくことにより，より高精度に動揺量が観測できるものと考えている．
２.４ 時計装置
本システムで観測を行っているのは音響測距を行った送信・受信時間及び，その時の姿勢として動揺観測装置のデータ，船の位置としてK-GPS観測のデータである．これらを組み合わせることにより海底基準局の位置を求めているが，組み合わせるための基準は時刻であるため，これを高精度に一致させる必要がある．
更新以前のシステムでは，GPS時計を動揺収録装写真３置に内蔵し，パソコンのシステムタイムを１分毎に

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音響送受信コントローラー（上段），時計装置（中段），周波数発生器（下段）
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２.５ 水中音速度観測

めた観測値と比較した場合，深度にバイアスが存在

音響測距観測データを正確に求めるためには，水することが分かってきた．これを補うべく，平成１６中音速度を正確に知る必要がある．水中音速度は主年度にCTDとXCTDの同時観測を行い，時間・深度に水温・水中塩分濃度の変化に影響される．われわ

換算式の係数を見直した（社他（２００５））．XBTにつれはこの観測にSEA-BIRD ELECTRONICS社製のいてはKizu et al.（２００５） により同様の見直しが行

SBE １９及 びAPPLIED MICROSYSTEMS社 製 のわれている．見直した深度換算式を適用することにCTD-１２ Plus（写真４）のいずれかのCTDを用いてより水中音速度の精度が向上した．

電気伝導度，水温，及びその深度を計測しており，

３それぞれ年に１度メーカーに拠るキャリブレーショ

海底基準局のディレイ計測作業

海底基準局はトランスデューサからの信号を受信ンを行い，精度を維持している．
CTD観測時はCTDを吊り下げたワイヤーを垂直すると１０. ６１５０６秒の遅延の後に同じ信号を発振するに保つために船のスクリュー及びバウスラスター（図３参照）設計となっているが，実際の海底基準（船を横方向にさせるために船腹についているスク局には個体差が存在する．往復時間にはこの個体差リュー）を用いなければならない．これらの作動音も含まれるため，正確な距離を求めるためにはこのが音響測距観測時に音響ノイズとなるため測距観測

遅延時間が実際にはどの位なのかを正確に把握して中にCTD観測を行うことが出来ない．更にCTD観おく必要がある．水中音速度を約１５００m/sとして，測時にギャロスを使用するが,ギャロスアームが遅延時間の最後の桁（１０−６ 秒）が１違うとするとKGPS観測用アンテナ上に覆いかぶさることにより０１. ５cmの誤差が発生するため，海底地殻変動観測にKGPS観測データが途切れると船の位置決定を行う

必要な精度と測定限界（２００KHz収録=１サンプルことが出来ない.この様な制限があるため，CTD観０７. ５cm）から考えて，各基準局のバラツキ（器差）測は測距観測の前後にのみ行い，測距観測中はCTDが１０−５秒程度で安定しているかを把握したい．この観 測 の 代 用 と し てXBTも し く はXCTDの 観 測 をために海底基準局を海底に設置する前に発振遅延の行っている．いずれも鶴見精機社製のプローブを使個体差計測を行っており，この作業をディレイ計測用して観測を行っている．

作業と呼んでいる．ディレイ計測作業を東京大学生

XBT・XCTDの観測精度はCTDに比べて公称精度

産技術研究所浅田研究室と共同で行っている．

で１〜２桁劣っている．また，XBT，XCTDの深度計測作業の概略は次の通りである（図４）．

はプローブを投入，海面着水後の落下速度を基にし計測はトランスデューサと海底基準局にハイドロた時間経過より求められているため，CTDにより求フォンを取り付けて行う．本計測において海底基準局に取り付けたハイドロフォンがトランスデューサから受信した波形と海底基準局から受信した波形の時間差が海底基準局のディレイとなる．
投入前の海底基準局は，保管時の電池消耗を防ぐために電源はoffとなっている．海底基準局は耐圧ガラス球により中の機器を保護しているが，この表面にデータ通信及びスイッチング用のプラグが付いている．このプラグにスイッチコネクタを取り付けてある場合が電源offであり，スイッチコネクタを外すと電源onすなわち待機状態となる．実験を行う
場合や海底に設置する場合にはスイッチコネクタを

写真４ CTD観測風景

外して電源をonとした後にプラグ部の海水による

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図４

ディレイ計測概略図

写真５

ハイドロフォンの取り付け状況

ディレイ計測作業は必ず水中で行わなければなら

ショートを防ぐため，プラグにダミーコネクタを装ない．なぜなら海底基準局及びトランスデューサは着する．
海底基準局が待機状態となっている場合は２分間

発信音圧が非常に高いために空中で発振を行うと発隔で送受信部に電源を供給している．この電源供給

振器が自らの音圧により壊れてしまう恐れがあるか時にパイロットランプが点灯（約１秒）するのでこらである．このため海底基準局及びトランスデューれで確認できる．この２分に１度の電源供給時に識

サは測量船の舷側から吊り下げて計測を行ってい別用M系列信号を受信した場合には起動状態へ移る．

行，以後音響測距が可能な状態となる．この起動状吊り索にはあらかじめ海水面下のトランスデュー態にするためにトランスデューサから海底基準局へ

サと海底基準局に取り付けたハイドロフォンが一定

識別用M系列信号を２分間発信する作業をウェイクの深さになる様目印を付け，取り付けたハイドロアップと呼んでいる．ちなみに一度起動した海底基フォン同士が正面を向き合い，一定の距離を保たせ準局は１時間識別用M系列信号の呼びかけが無いるために，振れ留め索を取り付ける．これは例えば（測距が行われない）場合には待機状態に戻る．

海底基準局に設置したハイドロフォンがトランス

なお，ディレイ計測は計測と準備を並行して行う

デ ュ ー サ か ら 遠 い 方 向 に 向 い た 場 合，ト ラ ン ス

場合がほとんどであるが，計測中のものと識別用Mデューサからの信号到達が遅くなるために，正確な系列信号が同じ海底基準局の準備を同時に行うと，ディレイ計測が行えなくなるためである（図３）．

準備中の海底基準局が計測中の識別用M系列信号にこの様にして計測の準備を整えたら各ハイドロ反応して空中発振し，送受信部が破損する可能性がフォンをA/D変換部の時計信号とトリガー信号のある．したがって同じ識別用M系列信号を持つ海底代わりに接続し，海底基準局，トランスデューサを基準局を連続して計測してはいけない．

水中に沈め，ウェイクアップを行い，測距観測と同次に海底基準局とトランスデューサにハイドロ様の手順により計測作業を行っている．

フォンを取り付ける．このときに写真５の様に細索この様にして計測した結果，所期の目的であるやネット，結束バンドを用いて固定しているが，以１０−５秒以下の個体差であることが確認できている.

前，ストッキングを輪切りにして固定したところ，４ストッキングが吸音材の役割を果たし，データの質おわりにが非常に悪くなった．ハイドロフォンは確実に，し海底地殻変動観測では海底に設置した海底基準局

かし発振を妨げず，さらに信号をロスしないよう取の位置を数cmで求めるためにさまざまな機器を使り付けるよう注意する必要がある．

用して観測を行っている．観測機器にはそれぞれに──

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個体差や誤差を持ち，誤差にもデータ１つのみを見た場合の誤差や全体を見た場合の安定性，時間変化等，さまざまな側面がある．機器一つ一つの精度向上や効率向上は観測システム全体からしてみればわずかな向上でしかないが，それを積み上げることによって全体の精度が向上し，全体のデータ量が増えていく事により海底基準局の位置決定精度が上がっていく事となる．
今後も海底地殻変動観測の観測精度，効率，取得数の向上に向けてシステム全体を見回しつつ機器の運用，更新が必要と考えている．

参考

文

献

畝見潤一郎：海底地殻変動観測の現状と諸問題について，海洋情報部技法，２２，３３-４１，（２００４）
Kizu S.，H.Yoritaka and K.hanawa: A New FallRate Equation for T５

Expendable

Bathythermograph （XBT） by TSK, J.
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社泰裕，石井春雄，藤田雅之，加藤弘紀：XCTD- ２
Fの深度換算式の更正の試み，海洋情報部技法，２３，９３-９８，（２００５）
冨山新一：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，（２００３）
藤田雅之，矢吹哲一郎：海底地殻変動観測におけるK-GPS 解析結果の評価手法について，海洋情報部技報，２１，６２-６６，（２００３）
望月将志，成田誉孝，吉田善吾，石川直史，藤田雅之，浅田昭：海底地殻変動観測用新型音響船
上局トランスデューサーの導入，日本測地学会第１０２回講演会要旨集，５３-５４，（２００４）
矢吹哲一郎：海底地殻変動観測を目指した音響技術開発，水路部研究報告，３８，４７-５８，（２００２）──