JP6455873B2 - 振動測定方法及び振動検出装置及び振動測定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、振動検出装置、特にＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）受信機を用いた振動測定方法及び振動検出装置及び振動測定プログラムに関するものである。

一般的な振動検出装置としては、加速度センサを用いた振動検出装置が知られている。

斯かる振動検出装置では、加速度センサから得られる信号を積分して、変位（振幅）、更に振幅の時間的な変動から振動周波数等を求めていた。

又、振動検出装置で方向を求める場合には、３軸方向の振動を検出する様に、加速度センサを設置し、３軸の加速度信号から振動方向、振幅、振動周波数を求めていた。

加速度センサを用いた振動検出装置により得られた加速度データから変位を得る為には、例えば２階積分する必要があり、その過程で精度が低下する。又、積分処理過程でドリフト現象が生じる為、一般的にはハイパスフィルター通過処理を併用する。従って、ハイパスフィルター通過処理でカットされる長周期成分の計測は実用上不可能となる。即ち、加速度センサより求めた変位に含まれる長周期成分は、振幅量の信頼性が低くなるという問題があった。

例えば、振動検出装置をビル等に設置し、地震が発生した場合の振動、振動方向、振幅等を測定する場合、地震は何時発生するか分らないので、振動検出装置を設置し、長期に亘る測定を行わなければならないが、上記した様に、加速度センサを用いた振動検出装置では、ドリフトが存在する為、精度を持った変位を計測することは事実上不可能であった。

特表２０１３−５３４６２３号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、精度を保持した変位に関する振動測定を可能とする振動測定方法及び振動検出装置及び振動測定プログラムを提供するものである。

本発明は、測定点に設置され、衛星からの信号を受信する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻で前記ＧＮＳＳ受信部からの受信信号を取得し、２つの受信信号からドップラー変動の時間差分を演算し、演算結果に基づき変位量を求め、該変位量の差分量を積分して振動を求める様構成した演算処理装置とを具備する振動検出装置に係るものである。

又本発明は、前記時間間隔は、衛星から発信される信号が１０ｍｓから更新される時間間隔の１／２の範囲で選択され、更に被測定体の予想振動周期の１／１０以下に設定される振動検出装置に係るものである。

又本発明は、測定点に設置された１つのＧＮＳＳ受信部からの受信信号を所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻で取得した受信信号に基づきドップラー変動の時間差分を演算し、演算結果に基づき２つの時刻での測定点の変位量を求め、該変位量の差分量を積分して振動を求める振動測定方法に係るものである。

更に又本発明は、測定点に設置され、衛星からの信号を受信し受信信号を出力する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を所定時間間隔で取得する演算処理装置を具備する振動検出装置に於いて、前記演算処理装置に、隣接する２つの時刻で取得した２つの受信信号からドップラー変動の時間差分を演算し、演算結果に基づき２つの時刻での測定点の変位量を求め、該変位量の差分量を積分して振動を演算させる振動測定プログラムに係るものである。

本発明によれば、測定点に設置され、衛星からの信号を受信する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻で前記ＧＮＳＳ受信部からの受信信号を取得し、２つの受信信号からドップラー変動の時間差分を演算し、演算結果に基づき変位量を求め、該変位量の差分量を積分して振動を求める様構成した演算処理装置とを具備するので、ドリフト等の影響がなく、長期に亘る振動測定が可能となる。

又本発明によれば、前記時間間隔は、衛星から発信される信号が１０ｍｓから更新される時間間隔の１／２の範囲で選択され、更に被測定体の予想振動周期の１／１０以下に設定されるので、被測定体の振動状況に対応した最適な振動測定が実施可能である。

更に又本発明によれば、測定点に設置された１つのＧＮＳＳ受信部からの受信信号を所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻で取得した受信信号に基づきドップラー変動の時間差分を演算し、演算結果に基づき２つの時刻での測定点の変位量を求め、該変位量の差分量を積分して振動を求めるので、ドリフト等の影響がなく、長期に亘る振動測定が可能という優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る振動検出装置の概略構成を示すブロック図である。 該振動検出装置の作用を示すフローチャートである。 該振動検出装置で得られた振動波形を示す図である。 測定された振動の周波数特性を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

本発明では、ＧＮＳＳ受信部が複数の衛星からの信号を受信した際に、得られる各衛星のドップラー変動を利用し、その変動値から物体の変位を検出し、更に検出した変位に基づき振動を検出している。尚、以下の説明ではＧＮＳＳの１つであるＧＰＳを用いた場合を説明する。

通常、ドップラー変動を利用した測位方式は、相対測位と呼ばれており、２つの点で同時に共通のＧＰＳ衛星のドップラー周波数を観察することでその差分からそれらの２点間の斜距離を精密に求められる。

振動する物体の一点にＧＰＳ受信部を設置し、所定時間間隔で前記ＧＰＳ受信部によりＧＰＳ衛星からの信号を受信することで、変位前、変位後の２点のドップラー変動を取得することができる。更に、前記所定時間間隔を同時と見なせる時間間隔に設定することで、変位前、変位後の２点の距離（所定時間での変位）を精密に求めることができる。

更に、所定時間間隔毎に、継続して２点間の変位を求め、該変位の差分量を積分することで、前記ＧＰＳ受信部を設置した点の振動を測定することができる。

本発明に係る実施例は、上記振動の測定原理を利用した振動検出装置に係るものである。

先ず、図１に於いて、本実施例に係る振動検出装置の概略を説明する。

図１中、１は複数のＧＰＳ衛星からの電波を受信し、各ＧＰＳ衛星毎の受信信号を出力するＧＰＳ受信部であり、測定点に１つ設けられる。２は演算処理装置であり、例えばＰＣが用いられる。又、３は前記演算処理装置２で演算した結果、例えば振動波形、振動周波数等を表示する表示部を示す。

更に、前記演算処理装置２の概略構成を説明する。

該演算処理装置２は、主にタイミング制御部５、信号取込み部６、演算部（ＣＰＵ）７、記憶部８を具備している。

前記タイミング制御部５は、前記ＧＰＳ受信部１が受信するＧＰＳ衛星からの信号の取込み時期を制御し、或は同期制御用のタイミング信号を発する。例えば、前記タイミング制御部５は、前記信号取込み部６に対し、設定された時間間隔Δｔで前記受信信号を取込む為のタイミング信号を発する。

前記信号取込み部６は、前記ＧＰＳ受信部１から入力される受信信号を、前記タイミング制御部５からのタイミング信号に従って取込み、更に受信信号を増幅、Ａ／Ｄ変換する等の信号処理を行うと共に、受信信号から位置情報の信号、時刻情報の信号等に分離する。

前記演算部７は、前記信号取込み部６からの信号に基づき、ＧＰＳ衛星の高度を演算し、或は基準ＧＰＳ衛星を設定し、更に、前記ＧＰＳ受信部１の座標位置を演算し、更に、前記ＧＰＳ受信部１の座標位置の時間変位を演算し、更に演算結果を基に振動波形、振動周波数等を演算する。

前記記憶部８は、プログラム格納部８ａ、データ格納部８ｂを有し、前記プログラム格納部８ａには受信信号からＧＰＳ衛星の位置、高度を演算するプログラム、或は更に前記ＧＰＳ受信部１の位置を演算する測位プログラム、所定時間毎に測位プログラムで演算し得られた位置の時間的偏差を求め、更に時間的偏差を積分して、振動波形、振動周波数を演算する振動検出プログラム、前記演算部７で演算された結果、例えば振動波形等を前記表示部３に表示する為のプログラム等のプログラムが格納されている。

更に、前記データ格納部８ｂには、前記信号取込み部６から出力される受信信号、前記演算部７で時間間隔Δｔで演算された結果等のデータが、前記タイミング制御部５からの同期信号に対応して格納されている。又、前記データ格納部８ｂには、前記演算部７で演算された振動波形等の振動検出結果も同様に格納される。

以下、本実施例に於ける作用について説明する。

１つの点でＧＰＳ衛星を観測すると、その観測量は以下の様な未知数の和として表される。

ここで、
Φ（ｔ） ：時刻ｔの搬送波位相［ｃｙｃｌｅ］
ρ（ｔ） ：時刻ｔのＧＰＳ衛星までの距離［ｍ］
Ｔｒｏｐ（ｔ） ：時刻ｔの対流圏遅延量［ｍ］
Ｉｏｎｏ（ｔ） ：時刻ｔの電離層遅延量［ｍ］
ｃｌｏｃｋ（ｔ）sat ：時刻ｔのＧＰＳ衛星クロックオフセット［ｓ］
ｃｌｏｃｋ（ｔ）rcv ：時刻ｔの受信機クロックオフセット［ｓ］
Ｗ（ｔ） ：ｗｉｎｄ−ｕｐ［ｃｙｃｌｅ］
ｎ（ｔ） ：観測ノイズ［ｃｙｃｌｅ］
ｆ ：搬送波周波数［Ｈｚ］
ｃ ：光速［ｍ／ｓ］
Ｎ ：アンビギュイティ［ｃｙｃｌｅ］
又、式中、ｓａｔはＧＰＳ衛星を示す添字、ｒｃｖは受信機を示す添字である。

然し乍ら、隣合う観測時間（時間間隔Δｔ）が短い場合、上記式の多くの未知数は殆ど変化しない。

又、ＧＰＳ衛星クロックの変動量及び受信機クロックの変動量は、数〜数十ナノ秒（ｎｓ）程度となる。この変動量を長さに換算すると、数百ｍに相当する。

更に、ＧＰＳ衛星クロックオフセットは、航法暦により与えられており、これが正しいと仮定すると、ノイズ以外の殆どのオフセット量を消去することができる。一方、受信機クロックオフセットは、その様な情報がないので、正確に予測することが難しい。その為、特定のＧＰＳ衛星を基準ＧＰＳ衛星として、その他のＧＰＳ衛星との観測値の差分を取ることで、受信機クロック誤差を消去する。下記式２では、１番ＧＰＳ衛星にして、２番ＧＰＳ衛星との差分を取ったものとしている。これを３番ＧＰＳ衛星以降にも、順次適用し、受信ＧＰＳ衛星一個の式を作成できる。

ただし
ΔΦsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の搬送波位相の差分［ｃｙｃｌｅ］
Δρsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の距離差分［ｍ］
Δｃｌｏｃｋsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の衛星クロックオフセット差分［ｍ］
ΔＴｒｏｐsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の対流圏遅延量の差分［ｍ］
ΔＩｏｎｏsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の電離層遅延量の差分［ｍ］

上記処理を他の時間（例えばｔ２）の観測値でも行い、各測定時間間の差分を取得する。ここで、対流圏遅延、電離層遅延及びアンビギュイティ、ＧＰＳ衛星の見かけ上の位相変化から成るＷｉｎｄｕｐ効果は、短い時間で略同量と仮定できる為、下記式３では消去される。又、クロックオフセットは、同じ航法暦を使用している場合、同一の多項式により推定可能である。

ここで、ＧＰＳ衛星ｉとＧＰＳ受信部１との距離をρｉとすると、下記の様に表せる。

ここで、
Ｘsat(i)：ＧＰＳ衛星ｉのＸ座標、Ｘrcv ：ＧＰＳ受信部１のＸ座標、
Ｙsat(i)：ＧＰＳ衛星ｉのＹ座標、Ｙrcv ：ＧＰＳ受信部１のＹ座標、
Ｚsat(i)：ＧＰＳ衛星ｉのＺ座標、Ｚrcv ：ＧＰＳ受信部１のＺ座標

式４を式３に適用すると、ＧＰＳ衛星の組合わせが３つ以上あれば、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間に変化した受信機移動座標の解法可能となる。

この解法を行う条件として、基準ＧＰＳ衛星は、異なる時間間（ｔ１，ｔ２）でも同一のＧＰＳ衛星であること、基準ＧＰＳ衛星の他に観測されている共通のＧＰＳ衛星が３つ以上必要であることが要求される。

更に、２つの異なる時間に受信された各ＧＰＳ衛星のデータの間にサイクルスリップがないこと、ＧＰＳ受信部の電源断により、位相カウンタがリセットされたことがないことが条件とされる。

尚、サイクルスリップがあった場合、位相カウンタがリセットされた場合等では、位相変動量の連続性を確保する処理（整数値バイアスの推定）を行い、或は位相の断絶部分のデータを排除すればよい。

上記解法により得られるデータは、基準となる観測時間での位置とその後の観測時間での位置の差分量である。従って、実際の移動量は、それぞれの差分量を積分することで得られる。

ここで、前記ＧＰＳ受信部１から取込む受信信号の取得時間間隔Δｔについて、最少時間間隔としては、実用上１０ｍｓ（１００Ｈｚ）程度である。

又、最大時間間隔としては、以下の制限を受ける。ＧＰＳ衛星から発せられる電波は、２時間おきに最新のものに更新される。本実施例に於ける解法では、計算上のパラメータが同一であることが必要であり、更に少なくとも２点必要である。この為、２時間内に少なくとも２点のデータの取得が必要となり、最大時間間隔は１時間となる。

従って、設定される時間間隔は、１０ｍｓから衛星からの信号が更新される時間間隔の１／２の範囲であり、更に被測定体の予想される振動周期の１／１０程度に設定される。

図２を参照して、本実施例の作用を説明する。

ＳＴＥＰ：０１ 測定を開始し、前記ＧＰＳ受信部１が時刻ｔ１で、複数のＧＰＳ衛星から電波を受信し、受信信号として前記ＧＰＳ受信部１から取得する。更に、Δｔ後の時刻ｔ２での複数のＧＰＳ衛星から受信した受信信号を前記ＧＰＳ受信部１から取得する。

ＳＴＥＰ：０２ 時刻ｔ１、時刻ｔ２での受信信号よりそれぞれのＧＰＳ衛星の位置を計算する。

ＳＴＥＰ：０３ 時刻ｔ１でのそれぞれのＧＰＳ衛星の高度角を計算し、高度角の最も大きいＧＰＳ衛星を基準ＧＰＳ衛星とする。

ＳＴＥＰ：０４ 時刻ｔ１で受信された受信信号について基準ＧＰＳ衛星とその他のＧＰＳ衛星の受信信号の差分を作成する。

ＳＴＥＰ：０５ 時刻ｔ２で受信された受信信号について基準ＧＰＳ衛星とその他のＧＰＳ衛星の受信信号の差分を作成する。

ＳＴＥＰ：０６ 時刻ｔ１、時刻ｔ２での各ＧＰＳ衛星と受信位置（測定点）との距離を、受信信号と同様のＧＰＳ衛星の組合わせで計算する。

ＳＴＥＰ：０７ ＳＴＥＰ：０６で得られたデータ（ＧＰＳ衛星と測定点迄の距離）に基づき、時刻ｔ１を基準とした時刻ｔ２での測定点を測位（座標（ｘ，ｙ，ｚ）測定）する。

ＳＴＥＰ：０８ 時刻ｔ１を基準とした時刻ｔ２での座標から、偏差Δｘ、Δｙ、Δｚを求め、移動量（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を全体移動量に加算する（積分する）。

ＳＴＥＰ：０９ 時刻ｔ２の受信信号を保存し、時刻ｔ３でのＧＰＳ衛星からの電波を受信し、受信信号として取得する。時刻ｔ２の受信信号、時刻ｔ３の受信信号について、ＳＴＥＰ：０２〜ＳＴＥＰ：０８の処理を実行する。

所定時間間隔で、継続的にＧＰＳ衛星からデータを取得し、隣接する時間毎に、偏差Δｘ、Δｙ、Δｚを求め積分を実行することで、継続した振動測定が可能となる。

又、上記した様に、１０ｍｓから衛星からの信号が更新される時間間隔の１／２の範囲で、データの取得時間間隔を被測定体の振動状況に対応して設定できる。従って、被測定体の振動状況に対応した最適な振動測定が実施可能である。

実験で得られた観測データを図３に示す。

実験の条件としては、前記ＧＰＳ受信部１が設置されている振動検知対象物を、±５ｍｍの振幅で、且つ１Ｈｚで振動させ、前記ＧＰＳ受信部１の受信信号を０．０５秒間間隔で取込む様に設定している。

図３では、略±５ｍｍの振幅で、規則正しく振動している状態が観察できる。尚、図３に於いて横軸はＧＰＳタイム、縦軸の単位はｍである。

更に、周期性を確認する為、観測データをＦＦＴによる周波数分解を行った。その結果は、図４に示されている。

図４より、実験で設定した１Ｈｚの位置にパワースペクトルが現れており、本実施例で測定した振動が、実験で設定した条件を反映していることが確認された。

本実施例では、ＧＰＳ受信部１によりＧＰＳ衛星からの信号を受信し、前記ＧＰＳ受信部１が設置されている点（測定点）の時間的変位を求め、時間的変位を積分することで振動を測定している。時間的変位を求める過程では、ドリフト等の影響を受けることはない。更に、積分過程で誤差の累積等が考えられるが、前記ＧＰＳ受信部１自体の座標を測定することも可能であり、測定した前記ＧＰＳ受信部１の座標に基づき、振動中心を補正する等を行えば、正確な振動測定が長期に亘って実施することができる。尚、ＧＰＳ受信部１と演算処理装置２とを一体とし、ＧＰＳ受信機として構成してもよい。

１ ＧＰＳ受信部
２ 演算処理装置
３ 表示部
５ タイミング制御部
６ 信号取込み部
７ 演算部
８ 記憶部

Claims (4)

1. 振動する被測定体の１点に設置され、衛星からの信号を受信する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を被測定体の予想振動周期の１／１０以下の所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻に位置する２点で前記ＧＮＳＳ受信部からの受信信号を取得し、２つの受信信号の搬送波位相の時間差分を演算し、演算結果に基づき２点間の斜距離を求め、該斜距離を積分して振動を求める様構成した演算処理装置とを具備することを特徴とする振動検出装置。
2. 前記時間間隔は、衛星から発信される信号が１０ｍｓから更新される時間間隔の１／２の範囲で選択される請求項１の振動検出装置。
3. 振動する被測定体の１点に設置された１つのＧＮＳＳ受信部からの受信信号を被測定体の予想振動周期の１／１０以下の所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻に位置する２点で取得した受信信号の搬送波位相の時間差分を演算し、演算結果に基づき２点間の斜距離を求め、該斜距離を積分して振動を求めることを特徴とする振動測定方法。
4. 振動する被測定体の１点に設置され、衛星からの信号を受信し受信信号を出力する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を被測定体の予想振動周期の１／１０以下の所定時間間隔で取得する演算処理装置を具備する振動検出装置に於いて、前記演算処理装置に、隣接する２つの時刻に位置する２点で取得した２つの受信信号の搬送波位相の時間差分を演算し、演算結果に基づき２点間の斜距離を求め、該斜距離を積分して振動を演算させることを特徴とする振動測定プログラム。

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