JP2004317182A

JP2004317182A - 波浪計測装置および波浪計測方法

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Publication number: JP2004317182A
Application number: JP2003108585A
Authority: JP
Inventors: Kenji Itani; 健二井澗
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-14
Also published as: JP4271481B2

Abstract

【課題】波浪の進行方向を高精度に計測できるようにした波浪計測装置を提供する。
【解決手段】海上を浮遊するブイにおける２つのＧＰＳ受信機２０ａ，２０ｂで、複数の測位用衛星からの電波をそれぞれ受信して、各受信点の運動を計測し、それに基づきブイ１０の姿勢変化および運動を求める。そして、このブイの姿勢変化と運動に基づいて波浪の進行方向を検知する。ブイ１０が波浪による海面の形状変化に合わせて運動する場合、例えば、ブイ１０が上昇中であれば、ブイの傾斜方向を波浪の進行方向として検知する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、比較的長周期の波浪を計測する波浪計測装置および波浪計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所定海域の波浪を計測する装置として、海底に超音波計測装置を設置するもの（非特許文献１参照）や、ブイの変位を計測するものがあった。
【０００３】
前者は海底に設置した超音波計測装置から海面方向へ超音波パルスを送波し、海面からの反射波を再び受信して、その往復に要した時間を計測することによって、波浪による海面高さの変位を計測するように構成されている。
【０００４】
後者のブイの変位を計測するものとしては、ブイに加速度計を設けたものや、ＧＰＳ受信機を備えたものがあった。
【０００５】
【非特許文献１】
気象庁「沿岸波浪計の観測方法」［ｏｎｌｉｎｅ］、２００１、［平成１５年２月６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄａｔａ．ｋｉｓｈｏｕ．ｇｏ．ｊｐ／ｍａｒｉｎｅ／ｗａｖｅ／ｏｂｓｄａｔａ／ｕｓｗｓｙｓ．ｈｔｍｌ＞
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが波浪の計測目的によっては、単に波浪の強度（振幅）だけでなく、その進行方向の情報についても重要となる場合があった。例えば周期が数十秒〜数十分に亘る長周期波によっては、湾岸内に停泊している船舶に大きな悪影響を与える危険性があるが、それを回避する上で、その波浪の進行方向の情報は重要な要素となる。
【０００７】
しかし、このように波浪の動きを二次元で捉えるために従来の超音波計測装置を利用する場合は、多数の超音波計測装置を海底に設置しなければならず、その設置やメンテナンスに要するコストが問題となる。
一方、波浪により動揺するブイの変位を加速度計で計測する方法では、周期が数十秒〜数十分に亘る長周期波に対して、加速度計のドリフト誤差が大きくなりすぎて実用的な精度で計測できない。
【０００８】
また、ブイの変位をＧＰＳを用いて高精度に測位するためには、所謂キネマティックＧＰＳ測位を要するが、ブイが大きな波を被ったりすることによってサイクルスリップが生じやすく、サイクルスリップが生じれば再初期化（整数バイアスの再決定）のために時間が掛かり、その間の計測が不能になるといった問題が生じる。
そこで、この発明の目的は、上述の問題を解消して、波浪の進行方向を高精度に計測できるようにした波浪計測装置および波浪計測方法を提供することにある。
【０００９】
また、この発明の他の目的は、キネマティック測位ができない状況でも波浪の到来方向を確実に計測できるようにした波浪計測および波浪計測方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、海上の浮体における複数の受信点で、複数の測位用衛星からの電波をそれぞれ受信して、各受信点の運動を計測する受信点運動計測手段と、前記複数の受信点の運動に基づいて前記浮体の姿勢変化を求める姿勢変化検出手段と、前記受信点の運動と前記姿勢変化に基づいて、前記浮体が存在する海域を伝搬する波浪の運動を検知する波浪運動検知手段とを備えたことを特徴としている。
このように海上の浮体の姿勢変化を検出し、その姿勢変化に基づいてその浮体が存在する海域を伝搬する波浪の進行方向などの運動を計測する。
【００１１】
また、この発明は、前記波浪運動検知手段が、浮体全体の下降時における鉛直線に対する浮体の傾斜方向を波浪の進行方向として検知することを特徴としている。これにより浮体の上下動と傾斜方向に基づいて波浪の進行方向を確実に検知する。
【００１２】
また、この発明は、海上の浮体における受信点で、複数の測位用衛星からの電波を受信して、受信点の運動を計測する受信点運動計測手段と、受信点の運動のうち、上下運動に対する水平運動の関係によって、浮体が存在する海域を伝搬する波浪の進行方向を検知する波浪進行方向検知手段とを備えたことを特徴としている。
【００１３】
このように浮体における受信点の上下運動に対する水平運動の関係に基づいて波浪の進行方向を確実に検知する。
【００１４】
また、この発明は、前記受信点運動計測手段が、前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における、測位用衛星からの電波のキャリア位相変化量ＤＲを観測する手段と、浮体の位置に対する測位用衛星の移動による、前記観測周期におけるキャリア位相の変化量ＤＲａを求め、当該キャリア位相の変化量ＤＲａおよび前記電波のキャリア周波数のドリフトによるキャリア位相変化量ＤＲｂを、前記観測によるキャリア位相の変化量ＤＲからそれぞれ差し引いて、前記浮体の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求める手段と、４つ以上の測位用衛星について求めた前記キャリア位相の変化量ＤＲ′から、前記観測周期における受信点の運動を求める手段とを備えたものとする。
このようにキャリア位相の整数バイアスを求めることなく浮体の変位を計測する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る波浪計測方法およびそれを実行する波浪計測装置について図１〜図６を基に説明する。
図１はブイを設置した所定海域の平面図である。図中の破線は波浪による海面に生じる谷と峰の位置を示している。ブイ１０はこの波浪の進行に伴って運動することになる。この例では、波浪の進行方向は「南西」、到来方向は「北東」である。
【００１６】
図２は第１のタイプのブイの形状と波浪の進行に伴う姿勢変化の例を示している。（Ａ）はブイ１０の正面図であり、比較的偏平な円板形状のフロート部１１と支柱１２、ＧＰＳ受信機２０ａ，２０ｂおよびその他の通信機（不図示）等から構成している。ＧＰＳ受信機２０ｂの受信点はフロート部１１の上面の中央部に配置している。もう１つのＧＰＳ受信機２０ａは、海面ＳＳが静止している状態で２０ｂの鉛直線上の上部に配置している。支柱１２はＧＰＳ受信機２０ａを所定位置に支持するために設けている。
【００１７】
図２の（Ｂ）は波浪の進行に伴う海面を漂うブイの姿勢変化を示している。ここで１０ａ〜１０ｄは海面に沿って張り付いたように海面の形状に合わせて運動するブイ１０の各時点での傾きを示している。波浪の進行に伴い、ブイが１０ａに示す状態から１０ｂへ上昇する。またブイが１０ｃに示す状態であれば、その後の時間経過に伴い１０ｄへ下降する。このようにブイは波浪の進行に伴ってその傾き（姿勢）と高さ（位置）が周期的に変化する。
【００１８】
図１に示したように、波浪の進行方向を示す直線に対して直角な向きに波浪の谷と峰が生じるので、ブイは波浪の進行方向の直線を含む鉛直面内で傾くことになる。また、波浪による海面上昇時にブイは波浪の進行方向に傾き、海面下降時にブイは波浪の到来方向に傾くことになる。
【００１９】
図３は第２のタイプのブイと波浪の進行に伴う姿勢変化の例を示している。（Ａ）はブイ１０の正面図である。このブイ１０は、比較的縦長な円柱形状のフロート部１１、支柱１２，１２′、ウエイト１３、ＧＰＳ受信機２０ａ，２０ｂおよびその他の通信機（不図示）等から構成している。ＧＰＳ受信機２０ａ，２０ｂは相対的に既知の位置関係に配置している。
【００２０】
図２に示した第１のタイプのブイでは、波浪に伴う海面形状に追従するように運動するが、この図３に示す第２のタイプのブイは、波浪に伴って生じる各深度における水粒子の運動の差によって姿勢変化する。すなわち、フロート１１は海面ＳＳから浅い部分での水粒子の運動に追従し、ウェイト１３は海面ＳＳより比較的深い位置での水粒子の運動に追従する。
【００２１】
図３の（Ｂ）は波浪による各深度における水粒子の運動とブイの姿勢変化について示している。波浪による海面形状の変化および水の運動は、各深度において、水粒子がその深度に対応して定まる半径の円運動を行うことで説明することができる。水粒子の円運動の半径は表面部分で最も大きく、深くなるに連れて急速に小さくなる。したがって、図３の（Ａ）に示した第２のタイプのブイは、（Ｂ）において太線で示すように傾きおよび高さを周期的に変化させることになる。そして、上記水粒子は波浪の進行方向の直線を含む鉛直面内で円運動するので、ブイは波浪の進行方向の直線を含む鉛直面内で傾くことになる。
【００２２】
さて、上述のように波浪によって運動するブイを用いて波浪の進行方向等を計測する波浪計測装置の制御部の構成をブロック図として図４に示す。ここで２１ａ，２１ｂはＧＰＳアンテナ、２２ａ，２２ｂはＧＰＳアンテナ２１ａ，２１ｂの受信信号を中間周波信号に周波数変換し、所定周期でサンプリングし、順次ディジタルデータ列に変換して受信信号処理部２３ａ，２３ｂへ与えるダウンコンバータである。受信信号処理部２３ａ，２３ｂはコード位相およびキャリア位相を求めるための相関器を複数チャンネル分備えている。プロセッサ２４ａ，２４ｂは各ＧＰＳ衛星からの受信信号のキャリア位相を観測する。通信インターフェース２５ａ，２５ｂはＧＰＳ受信機２０ａ−２０ｂ間でデータ通信を行う。またプロセッサ２４ａはＧＰＳ受信機２０ａで求めた観測データとＧＰＳ受信機２０ｂで求められた観測データを基にして波浪の計測を行い、その結果を出力する。通信装置３０はその計測データを陸上または海上の所定の受信局へ送信する。３１はその通信アンテナである。
【００２３】
図５はブイ１０に設けた２つのＧＰＳ受信機２０ａ，２０ｂの受信点の運動を求めるための処理について示している。まず２つの受信点でキャリア位相の観測値Ｒ１，Ｒ２を求める。続いて、所定の観測周期における前回のキャリア位相Ｒ０１，Ｒ０２から今回のキャリア位相Ｒ１，Ｒ２への変化量をキャリア位相変化量ＤＲ１，ＤＲ２として求める（ｓ１→ｓ２）。
【００２４】
次に，衛星の移動によって生じるキャリア位相の変化量ＤＲａ１．ＤＲａ２を算出する（ｓ３）。具体的には、所定観測周期における前回の衛星の位置、今回の衛星の位置、および基準局の位置から逆算する。また、衛星が備える基準発振器のドリフトによるキャリア位相の変化量ＤＲｂを求める。（ｓ４）。
【００２５】
その後、上記キャリア位相変化量ＤＲ１，ＤＲ２から、衛星移動によるキャリア位相変化量ＤＲａ１，ＤＲａ２と衛星の基準発振器のドリフトによるキャリア位相の変化量ＤＲｂとを差し引いて、ブイの変位に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ１′，ＤＲ２′を求める（ｓ５）。
【００２６】
その後、４つ以上の各衛星について求めたＤＲ１′，ＤＲ２′と各衛星の位置とから、各衛星からブイまでの距離変化をそれぞれ求め、これらの距離変化と、ブイから各衛星への方向余弦とから方程式を立て、ブイの３次元方向の変位量を求める（ｓ６）。すなわち、方向余弦の逆行列と、ブイ−衛星間の距離変化量の行列との積で求める。この変位量は一定観測周期毎の変位量であるので、ブイの３次元方向の速度情報として扱うことができる。
【００２７】
そして、この２つの受信点の変位量をそれぞれ積算することによって２つの受信点の現在位置を求める（ｓ７）。以上のようにして、受信点の運動を計測する。
【００２８】
なお、上記ＤＲｂは航法メッセージ中に含まれているＧＰＳ時刻補正係数から算出してもよいが、陸地に基準局を設け、基準局が実際に観測したキャリア位相、衛星位置、および基準局位置からそのキャリア位相変化量ＤＲｂを逆算して求めてもよい。そのことによって、より高精度なキャリア位相変化量の補正が可能となる。
【００２９】
図６は、このようにして求めた２つの受信点の運動に基づいて波浪の進行方向を求める手順について示している。まず上記２つの受信点の位置からブイの３次元での傾斜角を算出する（ｓ１１）。すなわち、図２の（Ａ）に示した例では、ブイが静止している時、２つの受信点は鉛直線上にあり、２つの受信点間の距離は既知であるので、この関係に基づいてその２つの受信点の位置からブイの傾斜角を算出する。
【００３０】
続いてブイの高さ方向の速度を検知する（ｓ１２）。すなわちＧＰＳ受信機２０ｂの所定観測周期における高さ方向の変位量をブイ１０の高さ方向速度として求める。そして、ブイ１０が上昇中であれば、ステップＳ１１で求めたブイの傾斜方向を波浪の進行方向として出力する（ｓ１３→ｓ１４）。ブイ１０が下降中であれば逆にブイの傾斜方向を波浪の到来方向として出力する（ｓ１５）。
【００３１】
以上のようにして、ブイの受信点の運動（ブイの運動）とブイの姿勢変化に基づいて、ブイが存在する海域を伝搬する波浪の運動を検知する。
【００３２】
次に、第２の実施形態に係る波浪計測装置について、図７および図８を基に説明する。
図７は波浪による水粒子の運動とブイの運動との関係を示している。（Ａ）に示すように、水粒子は波の振幅（Ｈ／２）に等しい半径の円運動をし、その円運動は水面下の水粒子に伝えられるが、深度が深くなるにつれて円運動の半径は急速に小さくなる。海面ＳＳに浮かぶブイ１０は（Ｂ）に示すように円運動をすることになる。この時、円運動の上昇過程後半から下降過程前半にかけて、波浪進行方向と同方向に、また下降行程後半から上昇過程前半にかけて波浪到来方向へ回る方向に円運動する。図中の直線で示す矢印はその瞬間におけるブイ１０の移動ベクトルである。
【００３３】
第１の実施形態では２つのＧＰＳ受信機を用いて、ブイにおける２点の位置からブイの姿勢を求めるようにしたが、この第２の実施形態では、単一の受信点の波浪に伴う運動に基づいて、その波浪の計測を行う。
【００３４】
図８はそのための処理手順を示すフローチャートである。まず、ブイの円運動の１サイクル分を検出する（ｓ２１）。続いてブイの上昇過程後半および下降過程前半での水平方向成分（水平方向の移動方向）を検出する（ｓ２２）。そして、その水平方向成分を波浪の進行方向を表すデータとして出力する（ｓ２３）。同様にして下降過程後半および上昇過程前半での水平方向成分を検出し、その方向を波浪到来方向を表すデータとして出力するようにしてもよい。
【００３５】
以上のようにして、ブイの運動のうち、上下運動に対する水平運動の関係によって、ブイが存在する海域を伝搬する波浪の進行方向を検知する。
【００３６】
なお、水粒子は常に同一位置で円運動する訳では無く、潮流や風の影響で水平方向に定速度で移動する成分を含む場合もある。また、波高が高くなるにつれて、表層付近の水粒子は円運動だけでなく表層流の運動（斜面を流れ落ちる運動）も生じる。そこで、水平方向の速度ベクトルについて、ブイの上昇過程後半および下降過程前半での水平方向成分と下降過程後半および上昇過程前半での水平方向成分との差を求めて、上記潮流や風の影響による定速度成分をキャンセルするようにしてもよい。
【００３７】
以上に示した例では、波浪の進行方向を計測する例について示したが、ブイの高さ方向の変位から波浪の波高を求め、高さ方向の変化の周期から波浪の周期を求め、これらを出力するようにしてもよい。また、ブイの上記円運動の大きさ（半径）からは波浪の波長を求め、それと上記波浪の周期とから波速を求め、これらを計測データとして出力するようにしてもよい。
【００３８】
また、以上に示した例では、海上の浮体としてブイを例示したが、この発明は、係留ブイと漂流ブイのいずれのタイプにも適用できる。また、ブイ以外にボート型の浮体など、他の浮体にも同様に適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
この発明によれば、海上の浮体における複数の受信点で、複数の測位用衛星からの電波をそれぞれ受信して浮体の姿勢変化を検出し、その姿勢変化に基づいてその浮体が存在する海域を伝搬する波浪の進行方向などの運動を計測するようにしたので、超音波計測装置を用いることによるコスト上昇やメンテナンス困難性の問題がなく、また、加速度計を用いることによる、長周期波に対する計測精度低下の問題もなく、所定海域を伝搬する波浪の運動を高精度に計測できるようになる。
【００４０】
また、この発明によれば、浮体全体の下降時に鉛直線に対する浮体の傾斜方向を波浪の進行方向として検知することにより、波浪の進行方向を確実に検知できる。
【００４１】
また、この発明によれば、海上の浮体における受信点で、複数の測位用衛星からの電波を受信して、浮体における受信点の上下運動に対する水平運動の関係によって波浪の進行方向を検知するようにしたので、その検知を容易且つ確実に行えるようになる。
【００４２】
また、この発明によれば、キャリア位相の変化を観測して浮体の運動を求めるようにしたので、キネマティック測位ができない場合でも、波浪の計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブイを設けた所定海域の波浪進行の様子を示す平面図
【図２】第１のタイプのブイの形状および波浪に伴うブイの姿勢変化の例を示す図
【図３】第２のタイプのブイの形状および波浪に伴うブイの姿勢変化の例を示す図
【図４】波浪計測装置の制御部の構成を示すブロック図
【図５】同波浪計測装置における２つの受信点の変位量を求める手順を示すフローチャート
【図６】ブイの運動に基づく波浪進行方向判定手順を示すフローチャート
【図７】第２の実施形態に係る波浪計測装置におけるブイの運動を示す図
【図８】同波浪計測装置における波浪進行方向検出手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１０−ブイ（浮体）
１１−フロート部
１２−支柱
１３−ウェイト
２０−ＧＰＳ受信機
ＳＳ−海面

Claims

海上の浮体における複数の受信点で、複数の測位用衛星からの電波をそれぞれ受信して、各受信点の運動を計測する受信点運動計測手段と、
前記複数の受信点の運動に基づいて前記浮体の姿勢変化を求める姿勢変化検出手段と、
前記受信点の運動と前記姿勢変化に基づいて、前記浮体が存在する海域を伝搬する波浪の運動を検知する波浪運動検知手段とを備えた波浪計測装置。
前記波浪運動検知手段は、前記浮体全体の下降時に、鉛直線に対する浮体の傾斜方向を前記波浪の進行方向として検知する請求項１に記載の波浪計測装置。
海上の浮体における受信点で、複数の測位用衛星からの電波を受信して受信点の運動を計測する受信点運動計測手段と、
前記受信点の運動のうち、上下運動に対する水平運動の関係によって、前記浮体が存在する海域を伝搬する波浪の進行方向を検知する波浪進行方向検知手段とを備えた波浪計測装置。
前記受信点運動計測手段は、前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における、測位用衛星からの電波のキャリア位相変化量ＤＲを観測する手段と、
浮体の位置に対する測位用衛星の移動による、前記観測周期におけるキャリア位相の変化量ＤＲａを求め、当該キャリア位相の変化量ＤＲａおよび前記電波のキャリア周波数のドリフトによるキャリア位相変化量ＤＲｂを、前記観測によるキャリア位相の変化量ＤＲからそれぞれ差し引いて、前記浮体の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求める手段と、
４つ以上の測位用衛星について求めた前記キャリア位相の変化量ＤＲ′から、前記観測周期における受信点の運動を求める手段とを備えた請求項１、２または３に記載の波浪計測装置。
海上の浮体における複数の受信点で、複数の測位用衛星からの電波をそれぞれ受信して、各受信点の運動を計測し、
前記複数の受信点の運動に基づいて前記浮体の姿勢変化を求め、
前記受信点の運動と前記姿勢変化に基づいて、前記浮体が存在する海域を伝搬する波浪の運動を検知することを特徴とする波浪計測方法。
海上の浮体における受信点で、複数の測位用衛星からの電波を受信して受信点の運動を計測し、
前記受信点の運動のうち、上下運動に対する水平運動の関係によって、前記浮体が存在する海域を伝搬する波浪の進行方向を検知することを特徴とする波浪計測方法。