JP7168142B2 - 積雪特性を測定する方法及びその装置及びこの積雪特性を測定する方法を利用した融雪災害の予測監視方法及びその装置 - Google Patents
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Description
請求項17に係る発明は、請求項16に係る発明において、方向別の積雪特性の測定に利用する積雪特性を測定する方法は、請求項6に記載の積雪特性を測定する方法の代わりに請求項2~請求項5の何れかに記載の積雪特性を測定する方法である。
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
(c)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の維持または低下
(d)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の増加
(e)含水率の急激な増加
(f)含水率が高い状態の維持
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
請求項22に係る発明は、請求項21に係る発明において、方向別の積雪特性の測定に利用する積雪特性測定装置は、請求項15に記載の積雪特性測定装置の代わりに請求項8~請求項14の何れかに記載の積雪特性測定装置である。
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
(c)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の維持または低下
(d)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の増加
(e)含水率の急激な増加
(f)含水率が高い状態の維持
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
このようにして、測定した方向別の積雪特性を利用して、積雪の状態や時間的変化を監視するとともに、融雪災害の予測を行う。
図1~図4は、この発明の第1の実施例を示すもので、図1はこの発明の積雪特性測定装置を示す模式図で、(a)は積雪上部及び下部でそれぞれ受信した衛星信号のRF信号を複数RF入力端子のある受信機で受信する場合、(b)は積雪上部で受信した衛星信号のRF信号と、積雪下部で受信した衛星信号のRF信号とをそれぞれ個別に受信機で受信する場合、(c)は積雪下部で受信した衛星信号のRF信号は個別の受信機で受信し、積雪上部の衛星信号の受信データについては外部システムのデータを利用する場合の模式図である。図2はこの発明の積雪特性測定装置の演算部における積雪特性の測定の際の処理を示すフローチャートである。図3は積雪による伝搬遅延量の求め方を説明するための模式図で、積雪上部アンテナ4と積雪下部アンテナ5に入射する衛星信号の積雪による伝搬遅延を無視した場合の2つのアンテナ間の伝搬経路の幾何学的距離差を説明するための模式図であるとともに、積雪下部アンテナ5に入射する衛星信号について積雪伝搬遅延量を求める際に使用する積雪内の伝搬経路を考慮した積雪による伝搬遅延モデルである。図4は積雪による受信強度低下量の求め方を説明するための模式図で、受信強度低下量を求める際に使用する積雪内の伝搬経路を考慮した積雪による減衰モデルである。
まず、航法衛星2(2a、2b・・・)からの衛星信号を、積雪上部アンテナ4及び積雪下部アンテナ5でそれぞれ受信する。積雪上部アンテナ4では、積雪3の影響を受けない衛星信号を受信し、積雪下部アンテナ5では、積雪3内を透過することにより、航法衛星の視線方向の伝搬経路において伝搬遅延及び減衰効果を受けた衛星信号をそれぞれ受信する。積雪上部アンテナ4及び積雪下部アンテナ5でそれぞれ受信した衛星信号のRF信号が受信機6に入力され、これらの受信データは演算部7に送信される。この演算部7に入力された衛星信号の受信データをもとに、積雪3の「積雪深」及び衛星信号の周波数帯における航法衛星毎の「積雪の複素誘電率(積雪の複素誘電率の実部及び虚部)」等の測定を演算部7で行い、積雪3の積雪特性の測定を行う。
まず、同じ航法衛星2(2a、2b・・・)からの衛星信号を、積雪上部アンテナ4及び積雪下部アンテナ5でそれぞれ受信した衛星信号の受信データをもとに、衛星信号の信号処理・解析を航法衛星毎にそれぞれ行って(ステップ50)、積雪による伝搬遅延量(ステップ51)及び受信強度低下量(ステップ52)を求める。次に、求めた積雪による伝搬遅延量及び受信強度低下量を用いて、スネルの法則を利用して、伝搬遅延量についての観測方程式及び受信強度低下量についての観測方程式を航法衛星毎にそれぞれ構築する。伝搬遅延量についての観測方程式において、積雪深とともに、一旦、異方性を考慮しない(方位角に依らない)平均的な(以後、単に「平均的な」と記す。)積雪の複素屈折率の実部を未知数として解くことにより、平均的な積雪の複素屈折率の実部を推定するとともに、積雪深を求める(ステップ54)。この求めた積雪深を、航法衛星毎に構築した伝搬遅延量についての観測方程式に適用することにより、航法衛星の視線方向の伝搬経路における衛星信号の周波数帯の積雪の複素屈折率の実部(以後、単に「航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部」と記す。)を航法衛星毎にそれぞれ求める(ステップ53)。さらに、航法衛星毎にそれぞれ求めた航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部及び積雪深から、各航法衛星2(2a、2b・・・)からの衛星信号の積雪内伝搬経路長を航法衛星毎にそれぞれ求める(ステップ55)。
図3において、14は、航法衛星2(2a、2b・・・)から積雪上部アンテナ4に入射する衛星信号及びその伝搬経路を示したもの(以下、単に衛星信号14と記す。)であり、15は、積雪がない場合に航法衛星2(2a、2b・・・)から積雪下部アンテナ5に入射する衛星信号及びその伝搬経路を示したもの(以下、単に衛星信号15と記す。)である。衛星信号14及び衛星信号15の幾何学的な伝搬距離差15aは、航法衛星2(2a、2b・・・)、積雪上部アンテナ4及び積雪下部アンテナ5の位置関係に依存するが、何れも既知として求めることが出来る。したがって、積雪下部アンテナ5に入射する衛星信号15から幾何学的な伝搬距離差15aを差し引くことで、幾何学的距離差は除去可能である。また、積雪上部アンテナ4に入射する衛星信号14を参照信号として衛星信号15から差し引くことにより、衛星信号14及び衛星信号15に含まれる共通誤差(衛星時計誤差、衛星位置誤差、電離圏遅延、対流圏遅延)が除去される。
図5はこの発明の積雪特性測定装置の演算部における積雪特性を求める際の処理を示すフローチャートである。
なお、第1の実施例と同じ部分については、同一名称、同一番号を用い、その説明を省略する。
なお、第1の実施例及び第2の実施例と同じ部分については、同一名称、同一番号を用い、その説明を省略する。
図6は、67日間程度の積雪による伝搬遅延量(1重位相差(SD))及びその変化を示す図で、航法衛星2(2a、2b・・・)について、3つの仰角区分(30±0.5度、40±0.5度、65±0.5度)に分類して示した積雪による伝搬遅延量及びその変化を示す図である。図7は、一部欠損はあるが120日間の積雪による伝搬遅延量(1重位相差(SD))及びその変化を示す図で、(a)は航法衛星2(2a、2b・・・)について、3つの仰角区分(30±0.5度、40±0.5度、65±0.5度)に分類して示した積雪による伝搬遅延量及びその変化、(b)はある1日について静止衛星である1つの航法衛星2(2a、2b・・・)の積雪による伝搬遅延量を示す1重位相差(SD)の変化を示した図である。図8は、積雪による伝搬遅延量(1重位相差(SD))から積雪深と複素屈折率実部を求めた結果を示す図で、(a)は積雪深を求めた結果、(b)は複素屈折率実部を求めた結果である。図9は、積雪による伝搬遅延量(2重位相差(DD))から積雪深と複素屈折率実部を求めた結果を示す図で、(a)は積雪深を求めた結果、(b)は複素屈折率実部を求めた結果である。図10は、減衰量、即ち、衛星信号の積雪による受信強度低下量のある1日における変化を示す図で、(a)は積雪上部アンテナ4、(b)は積雪下部アンテナ5でそれぞれ受信した衛星信号の受信強度のある1日における変化を示す図である。図11は、衛星信号の単位長さあたり減衰率αに関連する受信強度低下量、即ち、航法衛星2(2a、2b・・・)からそれぞれ送信される衛星信号について積雪内伝搬経路上の単位長さあたりの受信強度低下量(前述の数式9における受信強度低下量ACNを積雪内伝搬経路長aで除したもの)を求めてそれらを平均した値及びその変化を示す図である。図12は、積雪密度及び含水率を求めた結果を示す図で、(a)は積雪密度を求めた結果、(b)は含水率を求めた結果である。なお、これらの図における1重位相差及び2重位相差は、航法衛星2(2a、2b・・・)と積雪上部アンテナ4及び積雪下部アンテナ5の幾何学的関係から求めることが出来る幾何学的距離を差し引いて幾何学補正済みの結果を示している。
なお、第1の実施例及び第2の実施例と同じ部分については、同一名称、同一番号を用い、その説明を省略する。
2(2a、2b・・・) 航法衛星
3 積雪
3a 積雪面
4 積雪上部アンテナ
5 積雪下部アンテナ
6、16(16a、16b) 受信機
7 演算部
21 融雪災害の予測監視装置
Claims (25)
- 積雪の情報である積雪特性を測定する方法であって、
積雪上部及び積雪下部にそれぞれ設置したアンテナにより航法衛星から送信される衛星信号を航法衛星毎にそれぞれ受信し、
前記積雪上部及び積雪下部で前記航法衛星毎にそれぞれ受信した衛星信号の受信信号間の時刻同期を確保出来る場合、この受信信号間の1重位相差及び受信強度低下量を前記航法衛星毎にそれぞれ求め、
2つ以上の航法衛星から送信される衛星信号について、前記衛星信号毎に得られる1重位相差を積雪による伝搬遅延量とした伝搬遅延量についての観測方程式と、前記衛星信号毎に得られる受信強度低下量を積雪による受信強度低下量とした受信強度低下量についての観測方程式とを、スネルの法則を利用して前記航法衛星毎にそれぞれ構築し、
これら前記航法衛星毎に構築した伝搬遅延量についての観測方程式により積雪深を求めるとともに、航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部を前記航法衛星毎にそれぞれ求め、
この求めた積雪深及び前記航法衛星毎にそれぞれ求めた航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部を前記航法衛星毎に構築した受信強度低下量についての観測方程式に適用することにより航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率虚部を前記航法衛星毎にそれぞれ求め、
前記航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部及び複素屈折率虚部から航法衛星の視線方向の積雪の複素誘電率を前記航法衛星毎にそれぞれ求め、
前記航法衛星毎の伝搬遅延量と受信強度低下量との組み合わせにより、積雪特性を航法衛星の視線方向毎に、即ち、方向別に、測定可能とするとともに、積雪特性を方向別に測定することにより積雪内の不均一性による異方性の観測を可能としたこと
を特徴とする積雪特性を測定する方法。 - 前記積雪上部及び前記積雪下部で前記航法衛星毎にそれぞれ受信した衛星信号の受信信号間の時刻同期を確保出来ない場合、前記1重位相差を前記航法衛星毎に求める代わりに2重位相差を2つの航法衛星の組み合わせ毎にそれぞれ求めるとともに、
2つ以上の航法衛星から送信される衛星信号について、衛星信号毎に得られる1重位相差を積雪による伝搬遅延量とする代わりに、3つ以上の航法衛星から送信される衛星信号について、2つの衛星信号の組み合わせ毎に得られる2重位相差をそれぞれ積雪による伝搬遅延量とした伝搬遅延量についての観測方程式とすること
を特徴とする請求項1に記載の積雪特性を測定する方法。 - 前記航法衛星からの衛星信号に加えて、発信位置が与えられている地上の送信局からの電波信号も含んだ信号を前記積雪上部及び積雪下部にそれぞれ設置したアンテナにより前記航法衛星及び前記送信局毎にそれぞれ受信すること
を特徴とする請求項1~請求項2の何れかに記載の積雪特性を測定する方法。 - 前記航法衛星の視線方向の積雪の複素誘電率から前記航法衛星の視線方向の積雪密度を前記航法衛星毎にそれぞれ求めるとともに、
前記航法衛星の視線方向の積雪の含水率を前記航法衛星毎にそれぞれ求めること
を特徴とする請求項1~請求項3の何れかに記載の積雪特性を測定する方法。 - 前記航法衛星の視線方向の積雪密度及び積雪の含水率から航法衛星の視線方向の積雪の複素誘電率を前記航法衛星毎にそれぞれ衛星信号の周波数帯とは異なる周波数帯ごとに求めること
を特徴とする請求項4に記載の積雪特性を測定する方法。 - 前記積雪深及び前記航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部から求められる航法衛星の視線方向の積雪内伝搬経路長と、前記航法衛星の視線方向の積雪密度とから航法衛星の視線方向の積雪水量を前記航法衛星毎にそれぞれ求め、
前記航法衛星の視線方向の積雪の含水率及び積雪水量から航法衛星の視線方向の積雪含水量を前記航法衛星毎にそれぞれ求めること
を特徴とする請求項4~請求項5の何れかに記載の積雪特性を測定する方法。 - 積雪の情報である積雪特性を測定する積雪特性測定装置であって、
航法衛星から送信される衛星信号を受信するとともに積雪上部に設置した積雪上部アンテナと、
前記航法衛星から送信される衛星信号を受信するとともに積雪下部に設置した積雪下部アンテナと、
複数のRF入力端子を備えるとともに前記積雪上部アンテナ及び前記積雪下部アンテナでそれぞれ受信した衛星信号のRF信号を時刻同期して受信する受信機と、
この受信機で受信した衛星信号の信号処理及び解析を行う演算部とからなり、
前記演算部は、
前記積雪上部アンテナ及び前記積雪下部アンテナでそれぞれ受信した衛星信号の受信信号間の1重位相差及び受信強度低下量を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段と、
2つ以上の航法衛星から送信される衛星信号について、前記衛星信号毎に得られる1重位相差を積雪による伝搬遅延量とした伝搬遅延量についての観測方程式と、前記衛星信号毎に得られる受信強度低下量を積雪による受信強度低下量とした受信強度低下量についての観測方程式とを、スネルの法則を利用して前記航法衛星毎にそれぞれ構築する手段と、
これら前記航法衛星毎に構築した伝搬遅延量についての観測方程式により積雪深を求めるとともに、航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段と、
この求めた積雪深及び前記航法衛星毎にそれぞれ求めた航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部を前記航法衛星毎に構築した受信強度低下量についての観測方程式に適用することより航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率虚部を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段と、
前記航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部及び複素屈折率虚部から航法衛星の視線方向の積雪の複素誘電率を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段とを備え、
前記航法衛星毎の伝搬遅延量と受信強度低下量との組み合わせにより、積雪特性を航法衛星の視線方向毎に、即ち、方向別に、測定可能とするとともに、積雪特性を方向別に測定することにより積雪内の不均一性による異方性の観測を可能としたこと
を特徴とする積雪特性測定装置。 - 前記複数のRF入力端子を備えるとともに前記積雪上部アンテナ及び前記積雪下部アンテナでそれぞれ受信した衛星信号のRF信号を時刻同期して受信する受信機の代わりに、前記積雪上部アンテナで受信した衛星信号のRF信号を受信する積雪上部アンテナ用の受信機と、
前記積雪下部アンテナで受信した衛星信号のRF信号を受信する積雪下部アンテナ用の受信機とからなり、
前記積雪上部アンテナ用の受信機及び前記積雪下部アンテナ用の受信機に同期信号を入力することにより前記積雪上部アンテナ及び前記積雪下部アンテナでそれぞれ受信した衛星信号のRF信号を時刻同期して受信するようにしたこと
を特徴とする請求項7に記載の積雪特性測定装置。 - 前記複数のRF入力端子を備えるとともに前記積雪上部アンテナ及び前記積雪下部アンテナでそれぞれ受信した衛星信号のRF信号を時刻同期して受信する受信機の代わりに、前記積雪上部アンテナで受信した衛星信号のRF信号を受信する積雪上部アンテナ用の受信機と、
前記積雪下部アンテナで受信した衛星信号のRF信号を受信する積雪下部アンテナ用の受信機とからなり、
前記演算部は、さらに前記積雪上部アンテナ用の受信機及び前記積雪下部アンテナ用の受信機でそれぞれ受信した受信信号間の時刻同期を確保した信号処理及び解析を行うようにしたこと
を特徴とする請求項7に記載の積雪特性測定装置。 - 前記積雪上部アンテナで受信した衛星信号のRF信号を前記積雪上部アンテナ用の受信機で受信する代わりに、外部システムによる積雪面より上で受信した衛星信号の受信データを利用し、
前記演算部は、前記積雪上部アンテナ用の受信機で受信した受信信号の代わりに、前記外部システムによる積雪面より上で受信した衛星信号の受信データと、前記積雪下部アンテナ用の受信機で受信した受信信号との間の時刻同期を確保した信号処理及び解析を行うようにしたこと
を特徴とする請求項9に記載の積雪特性測定装置。 - 前記積雪上部アンテナ及び前記積雪下部アンテナでそれぞれ受信した衛星信号のRF信号を時刻同期して受信することが出来ない場合、または、前記演算部が受信信号間の時刻同期を確保した信号処理及び解析を行うことが出来ない場合、2つ以上の航法衛星から送信される衛星信号について、衛星信号毎に得られる1重位相差を積雪による伝搬遅延量とする代わりに、3つ以上の航法衛星から送信される衛星信号について、2つの衛星信号の組み合わせ毎に得られる2重位相差をそれぞれ積雪による伝搬遅延量とした伝搬遅延量についての観測方程式とすること
を特徴とする請求項8~請求項10の何れかに記載の積雪特性測定装置。 - 前記航法衛星からの衛星信号に加えて、発信位置が与えられている地上の送信局からの電波信号も含んだ信号を前記積雪上部アンテナ及び前記積雪下部アンテナにより前記航法衛星及び前記送信局毎にそれぞれ受信すること
を特徴とする請求項7~請求項11の何れかに記載の積雪特性測定装置。 - 前記演算部は、さらに
前記航法衛星の視線方向の積雪の複素誘電率から航法衛星の視線方向の積雪密度を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段と、
前記航法衛星の視線方向の積雪の複素誘電率から航法衛星の視線方向の積雪の含水率を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段とを備えたこと
を特徴とする請求項7~請求項12の何れかに記載の積雪特性測定装置。 - 前記演算部は、さらに
前記航法衛星の視線方向の積雪密度及び積雪の含水率から航法衛星の視線方向の積雪の複素誘電率を前記航法衛星毎にそれぞれ衛星信号の周波数帯とは異なる周波数帯ごとに求める手段とを備えたこと
を特徴とする請求項13に記載の積雪特性測定装置。 - 前記演算部は、さらに
前記積雪深及び前記航法衛星の視線方向の積雪の複素屈折率実部から求められる航法衛星の視線方向の積雪内伝搬経路長と、前記航法衛星の視線方向の積雪密度とから航法衛星毎の視線方向の積雪水量を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段と、
前記航法衛星の視線方向の積雪の含水率及び積雪水量から航法衛星の視線方向の積雪含水量を前記航法衛星毎にそれぞれ求める手段とを備えたこと
を特徴とする請求項13~請求項14の何れかに記載の積雪特性測定装置。 - 請求項6に記載の積雪特性を測定する方法を利用して測定された方向別の積雪特性のうち、監視対象とする斜面積雪の方向を選択してその積雪特性により斜面の積雪の状態を監視し、
この監視している積雪の状態から融雪災害を予測し、
斜面において衛星信号の受信に影響を与える周囲の地形や障害物件の影響を受けないように監視対象とする斜面積雪の方向を選択して積雪の状態を監視可能とするとともに、融雪災害を予測可能としたこと
を特徴とする融雪災害の予測監視方法。 - 前記方向別の積雪特性の測定に利用する積雪特性を測定する方法は、請求項6に記載の積雪特性を測定する方法の代わりに請求項2~請求項5の何れかに記載の積雪特性を測定する方法であること
を特徴とする請求項16に記載の融雪災害の予測監視方法。 - 請求項6に記載の積雪特性を測定する方法を利用して時間的に連続して測定された積雪特性のうち、積雪深と監視対象とする斜面積雪の方向の含水率及び積雪水量とを用いて積雪の状態を監視すること
を特徴とする請求項16に記載の融雪災害の予測監視方法。 - 前記積雪の状態を監視する際に用いる積雪特性が、以下の(a)~(f)の何れかの場合に、全層雪崩の危険性があると判断すること
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
(c)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の維持または低下
(d)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の増加
(e)含水率の急激な増加
(f)含水率が高い状態の維持
を特徴とする請求項18に記載の融雪災害の予測監視方法。 - 前記積雪の状態を監視する際に用いる積雪特性が、以下の(a)~(b)の何れかの場合に、融雪地すべりの危険性があると判断すること
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
を特徴とする請求項18~請求項19の何れかに記載の融雪災害の予測監視方法。 - 請求項15に記載の積雪特性測定装置を利用して測定された方向別の積雪特性のうち、監視対象とする斜面積雪の方向を選択してその積雪特性により斜面の積雪の状態を監視する手段と、
この監視している積雪の状態から融雪災害を予測する手段とを備え、
斜面において衛星信号の受信に影響を与える周囲の地形や障害物件の影響を受けないように監視対象とする斜面積雪の方向を選択して積雪の状態を監視可能とするとともに、融雪災害を予測可能としたこと
を特徴とする融雪災害の予測監視装置。 - 前記方向別の積雪特性の測定に利用する積雪特性測定装置は、請求項15に記載の積雪特性測定装置の代わりに請求項8~請求項14の何れかに記載の積雪特性測定装置であること
を特徴とする請求項21に記載の融雪災害の予測監視装置。 - 請求項15に記載の積雪特性測定装置を利用して時間的に連続して測定された積雪特性のうち、積雪深と監視対象とする斜面積雪の方向の含水率及び積雪水量とを用いて積雪の状態を監視すること
を特徴とする請求項21に記載の融雪災害の予測監視装置。 - 前記積雪の状態を監視する際に用いる積雪特性が、以下の(a)~(f)の何れかの場合に、全層雪崩の危険性があると判断する手段を備えること
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
(c)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の維持または低下
(d)積雪水量の急激な増加、含水率が高い状態、積雪深の増加
(e)含水率の急激な増加
(f)含水率が高い状態の維持
を特徴とする請求項23に記載の融雪災害の予測監視装置。 - 前記積雪の状態を監視する際に用いる積雪特性が、以下の(a)~(b)の何れかの場合に、融雪地すべりの危険性があると判断する手段を備えること
(a)積雪水量の急激な減少
(b)積雪水量の累積の減少量が高い状態
を特徴とする請求項23~請求項24の何れかに記載の融雪災害の予測監視装置。
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吉原貴之、本吉弘岐、山口悟、毛塚敦、齋藤享,"GNSS受信信号を用いた積雪関連パラメータ計測の検討",氷雪研究大会(2015・松本)講演要旨集,日本氷雪学会,2015年09月13日,[B2-8] p.53,https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcsir/2015/0/2015_53/_pdf |
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