JP2007127520A - 動揺計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
地震や風によるビルや橋、塔、樹木などの動揺を高精度に計測するための簡便な装置を提供する。
【解決手段】
計測対象物体上に単独測位方式の衛星測位装置の受信アンテナを固定し、受信アンテナの３次元の動揺速度を計測し、その速度データを用いて物体の３次元の動揺変位、周期、振幅、方向や動揺エネルギーなどを算出し、この算出結果を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地震や風によるビルや橋、塔、樹木などの動揺を高精度に計測する装置に関するものである。

近年、長周期の地震波の高層ビルに及ぼす影響が問題視されているが、この様な地震の際、エレベータを停止したり、再運転の判断を下したりするためには、ビルの動揺計測が重要である。従来、物体の動揺計測装置は機械式ジャイロや加速度センサで構成されている。

最近では、海洋ブイの上下動計測方法としてＧＰＳシステムを利用したものが公知である。これは、ブイに搭載した単独測位ＧＰＳ受信機の求めた位置情報から波高を計測するものである。ＧＰＳは公知の如く、GPS衛星から送信される電波の位相信号と搬送波に変調されている航法データとを利用して、ＧＰＳシステム時刻に同期して周期１秒から０．０１秒間隔で受信点の緯度、経度及び高さのメートル精度の位置情報と、緯度、経度及び高さのミリメートル精度の秒速度情報が得られる。
特開２００５−８３９９８号公報

従来、ビルや橋、塔などの地震や風による動揺を計測する装置は機械式ジャイロや加速度センサで構成されているが、精度を上げる為には、ジンバル機構を利用するなど複雑で大掛かりなものとなる問題点がある。また、この方式では変位を加速度の２回積分で求めるため長周期の動揺計測の場合には誤差が累積して高精度な計測が困難である。

その他、ＧＰＳシステムの測位結果を利用した物もあるが、測位に使う衛星が変わるとそれぞれの衛星信号に含まれる誤差が異なる為、位置情報の時間的連続性が崩れて動揺計測誤差の原因となっている。この欠点を取り除くためディファレンシャル方式のGPSシステムを利用したものもあるが、この場合には不動地点に基準用GPSを取り付け、そこで得られたデータをリアルタイムに伝送する必要があるため、装置として大掛かりなものとなる。

そこで本発明はビルや橋、塔、樹木などの地震や風による動揺を高精度に計測するための簡便な装置の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の動揺計測装置は、計測対象物体上に単独測位方式の衛星測位装置の受信アンテナを測位用衛星電波が直接受信できるように固定し、測位用衛星の信号とデータに基づいて受信アンテナの３次元の動揺速度を測定し、その速度データを用いて物体の３次元の動揺変位、周期、振幅、方向や動揺エネルギーなどを算出し、こ
の算出結果を出力することを特徴とする。

本発明によれば、測位用衛星電波を使った簡便な装置でビルや橋、塔、樹木などの地震や風による動揺を速度を積分する方法により高精度に計測することができ、長周期の地震波をもたらす地震の際、エレベータを停止したり、再運転の判断を下したりするためのビルの動揺情報が提供できる。

物体として、たとえば船舶の場合、ロール方向の動揺振幅や動揺周期を計測して転覆事故を未然に防ぐための動揺情報が提供できる。さらに、船舶の３箇所以上に本動揺計測装置を取り付け、それぞれの箇所の計測を行なえばロール、ピッチ、ヨー、サージ、スウェー、ヒーブなど船舶の動揺を計測することができる。さらに、この計測値から船体重心位置の上昇などを算出し転覆事故を未然に防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施形態、図２は実施形態の動揺計測装置のブロック図、図３は実施形態の動揺計測装置の処理の流れを示すフローチャートを示す。

本実施形態の動揺計測装置１は、測位用衛星受信アンテナ２と、測位用衛星受信機３と、測位用衛星受信機３に設けられた速度測定部４と、物体動揺算出部５と、動揺計測結果出力部６とから構成されている。測位用衛星受信アンテナ２は、例えばビルの屋上など測位用衛星と受信アンテナとの間に視界を妨げる物が無い空の開けた所に設置する。

なお、ここでは速度測定部４が測位用衛星受信機３内に設けられていると説明したが、測位用衛星受信機には測位用衛星から送信される電波の位相信号と搬送波に変調されている航法データを出力する受信機もある。この場合は速度測定部４を測位用衛星受信機３の外に設けたり、その機能を物体動揺算出部５に含めても良い。

次に、上記各構成部分の機能を説明する。
測位用衛星受信機３では、測位用衛星の電波を受信するために物体上の複数箇所に配置した測位用衛星受信アンテナ２からの信号を用いて位置、速度などを測定する。現在普及している衛星測位システムである単独測位方式のＧＰＳでは公知の如く、測位用衛星から送信される電波の位相信号と搬送波に変調されている航法データとを利用して、ＧＰＳシステム時刻に同期して受信アンテナの緯度、経度及び高さの位置情報と、緯度、経度及び高さ方向の速度情報が得られる。本発明では速度測定部４で測定された緯度、経度及び高さ方向の速度情報を利用して動揺を算出する。速度情報は、秒速や分速の次元で出力されても良く、測定時間間隔当たりの移動量の次元で出力されても良い。

物体動揺算出部５では、まず速度測定部４で測定した速度データに含まれる誤差を補正する。速度測定部４で測定した速度データには航法データの誤差や、電波が電離層を通過する際の誤差などのため秒速２ｍｍ程度のゆっくりと変動する誤差が含まれている。そのため、計測対象の固有周期の数倍の長さの期間より以前から現エポックまでの速度データの算術平均値を算出し、現エポックの速度データからその算術平均値を減算する事で誤差補正済速度データを算出する。

このようにして算出した３次元の誤差補正済速度データを動揺計測開始時からそれぞれ積分して東西、南北、上下の刻々の動揺変位量を算出する。その３次元動揺変位量の時系列データから振幅や周期、動揺方向を算出する。また、動揺最大速度と動揺している物体の等価質量とを演算式に代入して動揺エネルギーを算出する。

動揺計測結果出力部６では、物体動揺算出部５で求めた動揺に関する種々のデータを計測時刻と共にファイルに書き込んだり、通信インタフェースを通して他装置へ動揺情報を出力する事で、たとえば地震の際にはエレベータを停止したり、再運転の判断を下したりするためのビル管理情報として利用される。

なお、速度測定部４から出力される速度データの出力時間間隔が、物体の動揺周期に比べ長い場合には公知の様に速度データ出力値を３軸加速度センサーと組み合わせて補間しても良い。

次に、本動揺計測装置の処理の流れを図３に示すフローチャートに従い説明する。

（Ｓ１）測位用衛星受信アンテナ２で受信した電波の位相信号と搬送波に変調されている航法データとを利用して速度測定部４で３次元の速度を算出する。算出アルゴリズムは公知の様に、複数の衛星それぞれについて航法データから測位用衛星の位置と移動速度を算出し、電波の搬送波位相値の変化速度または搬送波周波数から測位衛星の位置から受信アンテナ２までの距離変化速度を測定する。この距離変化速度は衛星の移動速度と受信アンテナ２の速度が合成されたものなので、この距離変化速度から衛星の速度による成分を除いて受信アンテナ２の速度を算出する。

（Ｓ２）Ｓ１で算出された受信アンテナ２の３次元の速度データから定常誤差を除いて誤差補正済速度データを算出する。固有周期が５秒から３０秒の動揺物体の動揺計測においては、周期１５分以上の長周期の誤差は短期的には定常誤差とみなすことができる。そこで固有動揺周期の２−５倍の期間の速度データの算術平均値を求めると、ランダム誤差や固有動揺周期成分が除かれて定常誤差成分が得られる。誤差補正アルゴリズムは、動揺計測対象の固有周期の数倍の長さの期間より以前から現エポックまでの速度データの算術平均値を算出し、現エポックの速度データからその算術平均値を減算する事で誤差補正済速度データを算出する。

（Ｓ３）Ｓ２で算出された誤差補正済速度データを積分して受信アンテナ２の動揺変位量を算出する。算出アルゴリズムは、東西、南北、上下の各成分それぞれについて順次更新される誤差補正済速度データに更新周期を掛けたものを計測開始から積算していく事で算出する。

速度データについては、その更新周期は１秒から０．０５秒のものが一般的であるが、０．０１秒のものもある。３次元の速度については水平移動速さと水平移動方向、垂直移動速さで出力されるものが一般的である。このような場合、速度成分を東西、南北、上下の各成分に変換して利用する。速度の次元については時速、秒速のほか、等価な情報として更新周期当たりの移動量が出力されるものもある。この移動量は既に速度に更新周期を掛けた値に相当するので、単にこの移動量を積算する。

（Ｓ４）Ｓ３で算出された東西、南北、上下それぞれの動揺変位量を時系列的に用いて動揺振幅や周期、動揺方向を算出する。振幅の算出アルゴリズムは例えば速度の符号が変化した時点の動揺変位量と、次に速度の符号が変化した時点の動揺変位量の差の半分を算出して得る。周期の算出アルゴリズムは、例えば速度の符号が変化した時刻から、次に速度の符号が変化した時刻までの時間間隔を算出して得る。動揺方向の算出アルゴリズムは例えば、東西、南北の動揺変位量でリサージュ図形を描き、その軌跡図の中心から最大変位した位置までの方向を算出して得る。動揺エネルギーの算出アルゴリズムは、動揺最大速度の二乗に動揺している物体の等価質量を掛けた値の半分を算出して得る。

（Ｓ５）Ｓ４で算出された動揺計測値を、その用途に応じて記憶媒体に記録したり、ネットワークやシリアル通信媒体を通じて他の装置に提供する。

本発明の動揺計測装置は、長周期の地震波をもたらす地震の際、ビルの動揺を高精度に計測することができ、エレベータを停止したり、再運転の判断を下したりするための動揺情報が提供できる。さらに動揺計測装置を船舶に取り付けた場合、ロール方向の動揺振幅や動揺周期を計測して転覆事故を未然に防ぐための動揺情報が提供できる。

実施形態を示す全体構成図である。 実施形態の動揺計測装置のブロック図である 実施形態の処理に係るフローチャート図である

符号の説明

１−動揺計測装置
２−測位衛星受信アンテナ
３−測位用衛星受信機
４−速度測定部
５−物体動揺算出部
６−動揺計測結果出力部

Claims (1)

1. 測位用衛星からの信号とデータに基づいて物体の動揺を計測する装置であって、物体上に取り付けられた測位用衛星受信アンテナの３次元の速度を測定する速度測定部と、前記速度測定部で得られた速度データから定常誤差を除いて積分する事で前記物体の動揺を算出する物体動揺算出部とを備えることを特徴とする動揺計測装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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