JP2011145139A

JP2011145139A - 海面変位計測システム

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Publication number: JP2011145139A
Application number: JP2010005378A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Miyake; 寿英三宅; Yasuhiro Matsushita; 泰弘松下; Takashi Fujita; 孝藤田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: JP5455663B2

Abstract

【課題】基準局の位置が地震で変動しても、ＲＴＫ法による計測データの連続性を保ち、地震による津波を支障なく検出できる海面変位計測システムを提供する。
【解決手段】第１観測局１１での計測データと、観測施設２０に設置の第１基準局２１での計測データとに基づきＲＴＫ法で第１観測局１１での海面位置の変動を計測する海面変位計測システム１であって、観測施設２０に第２観測局２２が設置され、観測施設２０とは異なる基準施設３０に設置された第２基準局３２を基準にＲＴＫ法で第２観測局２２の位置データを計測し、海面位置データから潮位データを抽出する潮位抽出部４３と、潮位データから潮位偏差を算出する潮位偏差演算部４６と、潮位偏差と第２観測局２２の位置データの各変動に基づき第２観測局２２の位置の異常を判断する異常判断部５９と、異常判断部５９での異常時に海面位置データを補正するデータ補正部４２とを具備させたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、海面変位計測システムに関するものである。

近年、海洋観測ブイによる津波・波浪の観測などに、リアルタイム性を確保しつつセンチメートルオーダーの精度で計測し得るリアルタイム・キネマティック（以下、ＲＴＫという）法が用いられている。

このＲＴＫ法は、ＧＰＳ衛星から発信される測位用電波の搬送波位相を用いて計測するもので、より具体的には、緯度、経度、高さが既知である基準局（受信機である）からのデータを用いて計測対象点（津波・波浪の観測においては、海面に浮遊されたブイに搭載された受信機である）の変位を求めるものである。

このＲＴＫ法を応用したものとして、観測データに誤差が生じないようにした観測システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、所望の複数の固定基準点のデータまたは当該固定基準点のデータに基づき生成された仮想基準点のデータを用いて、観測点の位置・変位を求めるものである。

特開２００２−２４３８３３号公報

ところで、上記の観測システムを津波の計測用に適用しても、津波を引き起こす要因となる地震が大規模になると、固定基準点（基準局）データおよび当該固定基準点データに基づき生成された仮想基準点データが変動し、その結果、これらのデータを用いて求められた観測点の位置・変位にも誤差が生じて、津波の検出に支障をきたすおそれがある。

そこで、本発明では、実在する基準局の位置が地震で変動しても、ＲＴＫ法により計測されるデータの連続性を保つことにより、地震による津波を支障なく検出を行うことができる海面変位計測システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る海面変位計測システムは、所定海域に係留された観測ブイに搭載された第１観測ＧＰＳ受信機にて得られた計測データと、地上に設けられた観測施設に設置された第１基準ＧＰＳ受信機にて得られた計測データとに基づいてリアルタイム・キネマティック法により第１観測ＧＰＳ受信機における海面位置の変動を計測する海面変位計測システムであって、
上記観測施設に第２観測ＧＰＳ受信機が設置されて、観測施設とは異なる基準施設に設置された第２基準ＧＰＳ受信機を基準としてリアルタイム・キネマティック法により当該第２観測ＧＰＳ受信機の位置データを計測し、
計測された海面位置データから潮位データを抽出する潮位抽出部と、抽出された潮位データと予測される潮位との差である潮位偏差を算出する潮位偏差演算部と、潮位偏差の変動および第２観測ＧＰＳ受信機の位置データの変動に基づいて第２観測ＧＰＳ受信機の位置の異常を判断する異常判断部と、異常判断部により異常と判断された際に海面位置データを補正するデータ補正部とを具備させたものである。

また、請求項２に係る海面変位計測システムは、請求項１に記載の海面変位計測システムにおいて、異常判断部が、潮位偏差の変動および第２観測ＧＰＳ受信機の位置データの変動のそれぞれに対して閾値が予め設定されて、第２観測ＧＰＳ受信機の位置データがこれに対応する閾値を越えて且つ潮位偏差の変動がこれに対応する閾値を超えた場合に異常と判断するものである。

上記海面変位計測システムによると、基準局の位置が地震で変動しても、ＲＴＫ法により計測されるデータは、基準局の変動に応じた海面水位の変動分を補正データとして適切に補正されるので、ＲＴＫ法により計測されるデータの連続性を保つことができる。したがって、地震による津波が到来し、且つ基準局の位置が変動した場合でも、支障なく津波の検出を行うことができる。

本発明の実施例１に係る海面変位計測システムの概略構成を示す模式図である。同海面変位計測システムの概略構成を示すブロック図である。同海面変位計測システムにおいてＲＴＫ法により計測されたデータの補正を説明するフローチャートである。同海面変位計測システムの潮位抽出部にて用いられるローパスフィルタの特性図で、（ａ）はインパルス応答、（ｂ）は振幅応答を示す。

以下、本発明の実施例１に係る海面変位計測システムを図面に基づき説明する。
本発明の実施例１に係る海面変位計測システムは、ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）を利用して、リアルタイム性を確保しつつセンチメートルオーダーの精度で計測し得るリアルタイム・キネマティック（ＲＴＫ）法により、沖合いの海面変位を計測するものである。沖合いの海面変位を計測する目的は、沖合いで地震による津波の到来を検知し、早期に警報を発して被害を未然に防ぐためである。

このＲＴＫ法を簡単に説明すると、位置が既知である基準局からのデータを用いて観測局の位置を計測する相対測位方式で、詳しくは動的干渉測位方式である。このＲＴＫ法は、ＧＰＳ衛星からの搬送波の位相を計測することで、高精度な計測を行うことができる。

まず、海面変位計測システムの全体構成について説明する。
この海面変位計測システムは、図１に示すように、所定海域に係留された海洋観測ブイ１０に搭載された第１観測ＧＰＳ受信機（以下、第１観測局１１という）および地上に設けられた観測施設２０に設置された第１基準ＧＰＳ受信機（以下、第１基準局２１という）にて得られた計測データに基づいて所定海域での海面変位を計測し、また当該観測施設２０に設置された他の第２観測ＧＰＳ受信機（以下、第２観測局２２という）および当該観測施設２０から離れた位置（地上）での基準施設３０に設置された第２基準ＧＰＳ受信機（以下、第２基準局３２という）にて得られた計測データに基づいて第２観測局２２の位置を計測するものである。

すなわち、この海面変位計測システム１は、海洋観測ブイ１０に搭載された第１観測局１１と、当該海洋観測ブイ１０近辺の海岸に設けられた観測施設２０に設置されて第１観測局１１の位置を計測するための基準となる第１基準局２１と、この観測施設２０に設置された第２観測局２２と、この観測施設２０から離れた位置に設けられた基準施設３０に設置されて第２観測局２２の位置を計測するための基準となる第２基準局３２とから構成される。なお、基準施設３０は、観測施設２０が地震などにより地盤が隆起または沈降した場合でも、基準施設３０の位置が変動しないような場所に、例えば異なる岩盤上に配置されている。

また、これらの第１観測局１１の位置データ（海面位置データ）および第２観測局２２の位置データ（基準局位置データ）は、観測施設２０内に設置された解析サーバ４０に送信されて入力される。

上記解析サーバ４０は、図２に示すように、海面位置データが入力される海面位置データ入力部４１と、補正データ出力部（後述する）５２により当該海面位置データが補正されるデータ補正部４２と、データ補正部４２の海面位置データを有限インパルス応答（ＦＩＲ）型のローパスフィルタ（インパルス応答と振幅応答を図４に示す）で平滑化して潮位データを抽出する潮位抽出部４３と、潮位抽出部４３で抽出された潮位データを順次記憶するハードディスク（データベース部）４４と、ハードディスク４４に記憶された過去の潮位データに基づいて予測される潮位（以下、予測潮位という）を算出する予測潮位演算部４５と、潮位抽出部４３で抽出された潮位データと予測潮位演算部４５で算出された予測潮位との差である潮位偏差を算出する潮位偏差演算部４６と、この潮位偏差の１計測ステップあたりの差である潮位偏差変動を算出する潮位偏差変動演算部４７と、データ補正部４２の海面位置データと潮位抽出部４３で抽出された潮位データとの差である波浪データを算出する波浪抽出部４８とが具備される。

ここで、上記予測潮位演算部４５において予測潮位を算出する式を説明しておく。
地球上の或る点（λ、φ）における潮位ηは、一般に、下記式（１）により表される。

但し、（１）式中、ｉは分潮の番号、Ａ_ｉ（λ、φ）は振幅、ω_ｉは角周波数（２π＝／Ｔｉ_ｉ：Ｔ_ｉは分潮の周期）、θ_ｉ（λ、φ）は位相（遅角）を示す。

ａ_ｉ＝Ａ_ｉ（λ、φ）・ｃｏｓθ_ｉ（λ、φ），ｂ_ｉ＝Ａ_ｉ（λ、φ）・ｓｉｎθ_ｉ（λ、φ）とすると、上記（１）式は下記（２）式のように表される。

ところで、分潮の周波数ω_ｉは既知であり、したがって上記（２）式の左辺に過去の実測海面位置データを代入し最小二乗法を用いることにより、ａ_ｉおよびｂ_ｉを求めれば、下記（３）式により振幅および位相を求めることができる。

この（３）式で求められたＡ_ｉ（λ、φ）およびθ_ｉ（λ、φ）を用いれば、予測潮位を算出することができる。

また、上記解析サーバ４０は、基準局位置データが入力される基準局位置データ入力部５１と、基準局位置データの１計測ステップあたりの差である基準局位置データ変動を算出する基準局位置データ変動演算部５７と、算出された潮位偏差変動および基準局位置データ変動に基づいて第２観測局２２の位置の異常（海面位置データを正確に計測できない程度に第１基準局２１の位置が変動したか）を判断する異常判断部５９と、異常判断部５９により異常と判断された際に潮位偏差変動を補正データとしてデータ補正部４２へ送信する補正データ出力部５２とから構成される。この潮位偏差変動は第１基準局２１の位置の変動分であるから、補正データとして用いられることで、適切な補正が行われる。また、上記異常判断部５９では、潮位偏差変動および基準局位置データ変動のそれぞれに対して閾値が予め設定されており、潮位偏差変動がこれに対応する閾値を越えて且つ、基準局位置データ変動がこれに対応する閾値を超えた場合に、異常判断部５９において異常、すなわち、海面位置データを正確に計測できない程度に第１基準局２１の位置が変動したと判断される。ここで、基準局位置データに対応する閾値は、第２観測局２２（観測施設２０）の地盤が津波の原因となる地震などにより隆起または沈降したと判断できる程度の値とし、また潮位偏差変動に対応する閾値は、上記地盤の隆起または沈降により潮位偏差の算出に異常があると判断できる程度の値とする。すなわち、これらの値はいずれも計測誤差の範囲を超えるものである。なお、第２観測局２２（観測施設２０）の位置が変動しても、第２基準局３２（基準施設３０）は影響を受けない程度に十分に離れているので、ＲＴＫ法により正確に第２観測局２２の位置変動を計測できる。

また、上記解析サーバ４０には、解析サーバ４０で算出された海面位置データ、波浪データ、潮位データおよび潮位偏差を表示するデータ表示装置４９が具備されている。
さらに、図示しないが、上記潮位偏差演算部４６にて算出された潮位偏差に基づいて津波を検出する津波検出部も具備されている。

この構成において、海面位置データは、観測施設２０での第１基準局２１を基準として、海洋観測ブイ１０に搭載された第１観測局１１にて得られた計測データにより、ＲＴＫ法で計測され、解析サーバ４０へ送られる。また、基準局位置データは、基準施設３０に設置された第２基準局３２を基準として、観測施設２０に設置された第２観測局２２にて得られた計測データにより、ＲＴＫ法で計測され、同様にして解析サーバ４０へ送られる。

解析サーバ４０では、図２および図３に示すように、海面位置データが海面位置データ入力部４１に入力されて、データ補正部４２へ送られる。データ補正部４２において、海面位置データは、異常判断部５９で異常と判断された際に補正データ出力部５２により補正されるが、異常と判断されなければ、補正が行われない。この海面位置データは、潮位抽出部４３において、ローパスフィルタで短周期成分、すなわち波浪成分が除去され、潮位データが抽出されるとともに、ハードディスク４４に順次記憶されていく。そして、予測潮位演算部４５では、ハードディスク４４に記憶された過去の潮位データに基づいて、予測潮位が算出される。

そして、潮位偏差演算部４６では、潮位抽出部４３から潮位データが入力されるとともに、予測潮位演算部４５から予測潮位が入力され、この潮位データから予測潮位を減じて潮位偏差が算出される。また、潮位偏差変動演算部４７では、潮位偏差演算部４６の潮位偏差が入力され、現在における潮位偏差から１計測ステップ前の潮位偏差を減じて潮位偏差変動が算出される。

一方、ＲＴＫ法で計測された第２観測局２２の位置データ、すなわち基準局位置データは、解析サーバ４０の基準局位置データ入力部５１に入力される。そして、基準局位置データ変動演算部５７では、基準局位置データが入力され、現在における基準局位置データから１計測ステップ前の基準局位置データを減じて基準局位置データ変動が算出される。

また、異常判断部５９では、基準局位置データ変動および潮位偏差変動が入力される。そして、基準局位置データ変動および潮位偏差変動に対応する各閾値が予め適切に設定されており、基準局位置データ変動が対応する閾値を越え且つ潮位偏差変動が対応する閾値を超えると、異常判断部５９において異常、すなわち、海面位置データを正確に計測できない程度に第１基準局２１の位置が変動したと判断される。一方、補正データ出力部５２では、潮位偏差変動が入力されており、異常判断部５９で異常と判断された際に、当該潮位偏差変動を補正データとしてデータ補正部４２に入力させ、海面位置データに加算させて補正する。

なお、波浪抽出部４８では、データ補正部４２から海面位置データが入力されるとともに、潮位抽出部４３から潮位データが入力され、この海面位置データから潮位データを減じて波浪データが算出される。そして、データ表示装置４９では、データ補正部４２での海面位置データ、波浪抽出部４８での波浪データ、潮位抽出部４３での潮位データおよび潮位偏差演算部４６での潮位偏差が表示される。

このように、観測施設２０（第１基準局２１）の位置が変動しても、ＲＴＫ法により計測される海面位置データはデータ補正部４２にて補正されるので、観測施設２０（第１基準局２１）の位置が地震で変動しても、海面位置データの連続性を保つことにより、正確に海面位置データを計測することができる。したがって、地震による津波が到来し、且つ第１基準局２１の位置が変動した場合でも、支障なく津波の検出を行うことができる。

ところで、上記実施例１においては、観測施設２０に設置された第１基準局２１および第２観測局２２を、それぞれ別個のＧＰＳ受信機として説明したが、１基のＧＰＳ受信機を、第１基準局２１および第２観測局２２として用いてもよい。

また、観測施設２０において、第１基準局２１を基準として第２観測局２２の位置をＲＴＫ法で計測するようにしてもよい。この場合は、第１基準局２１と第２観測局２２の相対ベクトルを計測し、この相対ベクトルが変動すれば、異常判断部５９にて異常と判断されないようにする。これにより、第２観測局２２が故障することにより基準局位置データが大きく変動しても、データ補正部４２で不適切な補正が行われることを防ぐことができる。

１海面変位計測システム
１０海洋観測ブイ
１１第１観測局
２０観測施設
２１第１基準局
２２第２観測局
３０基準施設
３２第２基準局
４０解析サーバ
４１海面位置データ入力部
４２データ補正部
４７潮位偏差変動演算部
５１基準局位置データ入力部
５２補正データ出力部
５７基準局位置データ変動演算部
５９異常判断部

Claims

所定海域に係留された観測ブイに搭載された第１観測ＧＰＳ受信機にて得られた計測データと、地上に設けられた観測施設に設置された第１基準ＧＰＳ受信機にて得られた計測データとに基づいてリアルタイム・キネマティック法により第１観測ＧＰＳ受信機における海面位置の変動を計測する海面変位計測システムであって、
上記観測施設に第２観測ＧＰＳ受信機が設置されて、観測施設とは異なる基準施設に設置された第２基準ＧＰＳ受信機を基準としてリアルタイム・キネマティック法により当該第２観測ＧＰＳ受信機の位置データを計測し、
計測された海面位置データから潮位データを抽出する潮位抽出部と、抽出された潮位データと予測される潮位との差である潮位偏差を算出する潮位偏差演算部と、潮位偏差の変動および第２観測ＧＰＳ受信機の位置データの変動に基づいて第２観測ＧＰＳ受信機の位置の異常を判断する異常判断部と、異常判断部により異常と判断された際に海面位置データを補正するデータ補正部とを具備させたことを特徴とする海面変位計測システム。
異常判断部が、
潮位偏差の変動および第２観測ＧＰＳ受信機の位置データの変動のそれぞれに対して閾値が予め設定されて、第２観測ＧＰＳ受信機の位置データがこれに対応する閾値を越えて且つ潮位偏差の変動がこれに対応する閾値を超えた場合に異常と判断すること
を特徴とする請求項１に記載の海面変位計測システム。