WO2006046305A1 - 衛星を用いた相対計測方法および相対計測システム - Google Patents

衛星を用いた相対計測方法および相対計測システム Download PDF

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relative displacement
mobile station
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Yukihiro Terada
Keiji Ito
Takenori Abe
Takashi Fujita
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Hitachi Zosen Corporation
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    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/51—Relative positioning

Definitions

  • the present invention relates to a relative measurement method and a relative measurement system that uses a plurality of satellite force radio waves and detects displacement by relative measurement.
  • a mobile station As a satellite positioning technology that receives and analyzes radio waves from multiple satellite powers and detects the position of the receiver (hereinafter referred to as a mobile station!), The positioning error is large but the mobile station alone There are two types: a single positioning method and a relative positioning method in which the position of the mobile station is obtained with high accuracy using the correction data of the reference station force whose position is known.
  • the positioning accuracy is limited by the linear distance between the receivers, that is, the so-called baseline length.
  • the satellite orbit information uncertainty, the error due to the ionosphere and the atmosphere For example, the baseline length is limited to about 100 km or less, and errors can be offset within this range, so it can be expected that the positioning accuracy of the relative positioning method will be improved.
  • the limit of the base line length is as short as about 10km or less, but since the carrier phase that is sufficiently shorter than the CZA code is used, Positioning accuracy is greatly improved [for example, see the revised GPS-satellite precise positioning system-(published by Japan Surveying Association)].
  • the relative positioning method and the relative measurement method described above are V, and the deviation is also from the reference station.
  • the relative positioning or relative measurement cannot be used regardless of whether the mobile station is on land, sea, or air. Therefore, the position or displacement could not be measured with high accuracy.
  • the present invention provides a relative measurement method and phase using a satellite that can use relative measurement even for a mobile station that is outside the range of the baseline length in which relative measurement is possible.
  • the purpose is to provide an anti-measurement system.
  • the relative measurement method using the satellite of the present invention comprises a relative measurement network that receives radio waves from a satellite at a reference station and a plurality of mobile stations and performs relative measurement between predetermined stations, A measurement method for measuring a reference relative displacement amount, which is a relative displacement amount of each mobile station viewed from a reference station,
  • At least one of the above mobile stations is arranged so as to exceed the base line limit length that can be measured relative to the reference station, and the distance between the predetermined mobile stations should be less than or equal to the base line limit length that can be measured relative to each other.
  • a reference relative displacement amount calculating step for calculating a reference relative displacement amount between the reference station and a predetermined mobile station
  • a mobile station relative displacement amount calculating step for calculating a mobile station relative displacement amount which is a relative displacement amount between the predetermined stations
  • the relative measurement system of the present invention configures a relative measurement network that receives radio waves from a satellite at a reference station and a plurality of mobile stations and performs relative measurement between predetermined stations.
  • At least one of the above mobile stations is arranged so as to exceed the base line limit length that can be measured relative to the reference station, and the distance between the predetermined mobile stations should be less than or equal to the base line limit length that can be measured relative to each other.
  • Each station is provided with a satellite measurement device that receives radio waves of satellite power, and each station is provided with a wireless communication device that transmits and receives data to and from a predetermined station.
  • Relative displacement amount calculation unit for calculating the relative displacement amount between the predetermined stations, and a reference relative for obtaining the reference relative displacement amount of the other mobile station based on the reference relative displacement amount of one station performing relative measurement.
  • a displacement amount calculation unit is provided.
  • the reference relative displacement amount calculation unit in the relative measurement system is arranged at the reference station, and the reference relative displacement amount of the mobile station is sequentially obtained.
  • each mobile station in the relative measurement system is provided with a reference relative displacement amount calculation unit for calculating a reference relative displacement amount.
  • the relative measurement in the relative measurement system is performed using the carrier phase.
  • a network is formed in which mobile stations are sequentially arranged to perform relative measurement in a chained manner so that the reference local force is equal to or shorter than the baseline limit length that allows relative measurement at predetermined intervals.
  • the relative displacement between these stations is calculated, and the reference relative displacement of each mobile station is calculated using the reference relative displacement, which is the amount of displacement seen from the reference station of the mobile station that performed relative displacement with the reference station.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic overall configuration of a relative measurement system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a reference station in the relative measurement system.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a schematic configuration of a mobile station in the relative measurement system.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of a displacement calculation device provided in the mobile station.
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining a relative measurement method in the relative measurement system.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a displacement measuring device in the relative measurement system.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of a reference station according to a modification of the relative measurement system.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a positioning arithmetic apparatus provided in a reference station according to a modification of the relative measurement system.
  • radio waves and signals from a so-called GPS (Global Positioning System) satellite which is one of measurement systems using satellites, are used.
  • GPS Global Positioning System
  • the relative displacement amount hereinafter referred to as the “reference relative displacement amount”
  • the relative measurement system includes a reference station 1 fixed on the land whose three-dimensional absolute position is known, and a sea area where the displacement of the sea surface viewed from the reference station 1 is to be detected. And a plurality of mobile stations 3 respectively provided on a plurality of floating bodies (buoys) 2 moored from the center of the reference station 1 offshore and sequentially moored at predetermined intervals.
  • the relative displacement of each mobile station 3 is received using the precise fluctuation measurement method (which uses the carrier phase, which will be referred to as the KVD method hereinafter). It is equipped with a function to obtain a reference relative displacement amount in the relative measurement of the reference station and a relative displacement amount between the mobile stations.
  • the one closest to the reference station 1 is the first mobile station 3A
  • the next closest is the second mobile station 3B, the third mobile station 3C,.
  • the farthest is called the nth mobile station 3Z.
  • the stations are arranged at predetermined intervals.
  • the reference station 1 and the first mobile station 3A, the first mobile station 3A and the second mobile station 3B, the second mobile station 3B and the third mobile station are arranged.
  • Mobile station 3C The distance between the n-1st mobile station 3Y and the nth mobile station 3Z is less than the baseline length that can be measured by the KVD method (hereinafter referred to as the baseline limit length, eg, 10km)
  • the baseline limit length eg, 10km
  • the intervals between the stations may be the same length or different lengths. In short, it may be less than the baseline limit length measurable by the KVD method.
  • the reference station 1 includes a GPS receiver (an example of a satellite measuring device) 11 that receives radio waves from a GPS satellite 4 via an antenna 11a and measures satellite data for measurement.
  • Each mobile station 3 includes a GPS receiver (an example of a satellite measurement device) 21 that receives radio waves from a GPS satellite 4 and measures satellite data for measurement, as shown in FIG. , A wireless communication device that transmits and receives data to and from other stations 1 and 3 (consisting of transmitter 22a and receiver 22b as shown in FIG. 4) 22 and data from other stations 1 and 3 And a displacement calculation device 23 that performs relative measurement by the KVD method based on the same time data of the own station, that is, obtains the relative displacement amount of the other station with respect to one station.
  • a GPS receiver an example of a satellite measurement device
  • the displacement calculation device 23 includes measurement satellite data (carrier phase value, distance between satellite and receiver antenna (pseudo distance), Data storage unit 31 that stores orbit information and time data (GPS time) adopted in the satellite measurement system), and satellite data for measurement obtained by the GPS receiver 21 , And the reference station 1 or the mobile station (hereinafter also referred to as the previous station) near the reference station (upstream side) of the network (hereinafter referred to as the previous station) 3 and the reference relative displacement of the previous station are received by the receiver 22b.
  • the relative displacement amount calculation unit 32 calculates the relative displacement amount with respect to the previous station using the KVD method, the relative displacement amount obtained by the relative displacement amount calculation unit 32, and the reference relative displacement of the previous station.
  • a reference relative displacement amount calculation unit 33 for calculating the reference relative displacement amount of the mobile station 3 by inputting the amount, and the mobile station 3 stored in the data storage unit 31, that is, the satellite data for measurement of the own station
  • a transmission data creation unit 34 for creating a transmission data for inputting the reference relative displacement obtained by the reference relative displacement calculation unit 33 and transmitting it to the next mobile station 3.
  • the transmission data created by the transmission data creation unit 34 is transmitted to the next mobile station 3 via the transmitter 22a.
  • the orbit information is received by the two stations that perform relative measurement. The data can be transmitted to the other side for use.
  • the satellite data for measurement of the ground reference station 1 and the reference displacement amount (if it is fixed integrally with the reference station and the ground, it will be “zero” if there is no shaking). Transmit to mobile station 3A (step 1).
  • the first mobile station 3 obtains the relative displacement amount seen from the reference station by the relative measurement based on the KVD method between the reference station 1 and the first mobile station 3A (step 2; Reference relative displacement calculation step).
  • the reference relative displacement amount of the first mobile station 3A is obtained using the reference displacement amount of the reference station 1 (step 3).
  • the reference relative displacement amount and measurement satellite data of the first mobile station 3A are transmitted to the second mobile station 3B.
  • the second mobile station 3B uses the measurement satellite data to perform relative measurement by the KVD method between the first mobile station 3A and the second mobile station 3B.
  • Second move as seen from 3A Find the relative displacement between the mobile stations in station 3B (Step 5: Relative displacement calculation step between mobile stations).
  • step 5 the inter-mobile station relative displacement force obtained in step 5 is subtracted from the reference relative displacement amount of the first mobile station 3A to obtain the reference relative displacement amount of the second mobile station 3B (step 6; conversion (Step).
  • a relative measurement network that receives radio waves from a satellite at a reference station and a plurality of mobile stations and performs relative measurement between predetermined stations. And measuring the reference relative displacement amount, which is the relative displacement amount of each mobile station as viewed from the reference station, with at least one of the above mobile stations being limited to a baseline that can be measured relative to the reference station.
  • the reference relative displacement is calculated so that the reference relative displacement amount is calculated between the reference station and the predetermined mobile station.
  • Relative displacement calculation step A conversion step of converting the mobile station between the relative displacement amount obtained Te based relative displacement is obtained by ingredients Bei.
  • the reference station 1 is placed on land, and the mobile station 3 is placed at predetermined intervals from the reference station 1, that is, so as to be equal to or shorter than the baseline limit length that allows relative measurement by the KVD method. Since they are placed sequentially on the sea surface, the relative displacement between these stations is obtained by the KVD method, and the reference relative displacement of each mobile station relative to the reference station is obtained using this relative displacement.
  • the reference relative displacement amount of the mobile station 3 that is separated from the reference station 1 by the base line limit length that can be measured relative to the base station 1 can be accurately obtained by the KVD method via the mobile station 3 arranged therebetween.
  • This KVD method is a precision variation measuring method and, as described above, disclosed in Japanese published patent publication (2001-281323).
  • the measurement accuracy of this method is close to that of the real-time kinematic method (hereinafter referred to as the RTK method), and its outline will be described in comparison with this RTK method.
  • the RTK system uses a GPS satellite force carrier phase measurement value at a reference point where the latitude, longitude, and altitude have been clarified in advance to determine the carrier phase at the measurement target point.
  • the three-dimensional coordinates of the point are obtained, and the fluctuation component is measured with the time fluctuation of these coordinate values.
  • the relative vector between the reference receiver and the observation receiver placed on the object depends on the long-period fluctuation component that does not depend on the object fluctuation and the object fluctuation.
  • the short-period fluctuation component is represented by each X, y, z-axis component of the unit vector that is directed from the reference receiver to the satellite, and at least three GPS satellites and each reception.
  • the carrier phase with the machine is measured, and this measurement data is passed through a bandpass filter to extract a short-period phase component corresponding to the short-period fluctuation component of the relative vector.
  • one of the KVD schemes is that, instead of the single difference between the receivers described above, the extracted short-period phase components are inter-receiver satellites between the receivers and the GPS satellites. Measure the displacement of the object by calculating at least three double differences between them and calculating each axis component of the short-period fluctuation component of the relative vector based on the double difference between the satellites between these at least three receivers. Is the method.
  • the short-period phase is a short-period fluctuation component of the carrier phase between both receivers and the GPS satellite.
  • Each axis component of the short-period fluctuation component of the relative vector is obtained by calculation based on the single difference between the receivers of the component or the double difference between the satellites of the short-cycle phase component, so the integer value ambiguity It is possible to measure the fluctuation of an object without obtaining the tee.
  • the KVD method uses the kinematic method, and measures vibrations of objects in the order of several tens of hertz, specifically vibrations of building structures, vibrations of mechanical structures, or sea level fluctuations. It is possible.
  • a satellite angle measurement unit 41 that receives a radio wave transmitted by GPS satellite force and measures the altitude angle ⁇ elv and azimuth angle ⁇ azm of the satellite from the data included in the navigation message, and the carrier phase (phase distance) )
  • the carrier phase measurement unit 42 that measures ⁇ and the carrier phase ⁇ measured by the carrier phase measurement unit 42 are passed through a bandpass filter to extract a short-period phase component ⁇ S that is a time-varying component.
  • the altitude angle ⁇ elv, azimuth angle ⁇ azm from unit 1 and the single difference between receivers ⁇ ⁇ S are input from unit 44 to create at least three equations and solve these simultaneous equations to obtain the relative vector ⁇ : Short-period fluctuation component And a short period fluctuation component calculation unit 45 for calculating ArS.
  • a displacement calculation device is arranged in each mobile station.
  • the reference relative displacement amount of each mobile station has been explained, but these are sent to the land station (which may also serve as the reference station) by the transmitter 22a together with the station number and managed centrally. Is done.
  • a displacement calculation device is arranged at the reference station, and the measurement satellite data measured by each mobile station is transmitted to the reference station and stored, and the reference calculation of each mobile station is performed by the displacement calculation device of the reference station. Try to find the amount of displacement.
  • transmission data between mobile stations in the above-described embodiment is transmitted to the reference station, and the data of each mobile station is stored in the reference station.
  • Relative measurement is performed using the stored data using the same functions as the relative displacement calculation unit and reference relative displacement calculation unit of the mobile station.
  • the reference station 1 is provided with a displacement calculation device 13, and the displacement calculation device 13 includes at least a signal from the GPS receiver 11 as shown in FIG.
  • a data storage unit 51 for storing the measurement satellite data and the measurement satellite data received by each mobile station 3 via the receiver 12b of the wireless communication device 12, and the measurement data stored in the data storage unit 51
  • a reference relative displacement amount calculation unit 52 for inputting satellite data and calculating a reference relative displacement amount of each mobile station 3 with respect to the reference station 1 is provided.
  • the transmission / reception of data between the stations has been described as being performed by a wireless communication device. If you use a communication satellite to send and receive data.
  • the reference station is disposed on land, but may be disposed on a floating body floating on the sea surface.
  • the reference station is arranged on land and the mobile station is arranged on the sea surface to measure waves, tsunamis, etc., but for example both the reference station and the mobile station are measured. It can also be used as, for example, a seismometer by placing it on land.
  • the satellite measurement by GPS is exemplified.
  • the satellite measurement method satellite positioning method having the same principle can be used, or any satellite measurement method that will appear in the future.
  • the relative measurement by the KVD method is performed with high accuracy. For example, by mooring a floating body equipped with a mobile station in a sea area far away from the land, it is possible to measure the tsunami offshore and predict the arrival of the tsunami and use it to reduce damage caused by the tsunami. Can do. In some cases, it can also be used as a seismometer.

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Abstract

　ＧＰＳ衛星４からの電波を、基準局１と複数の移動局３とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行うことにより各移動局３の変位量を計測する計測システムであって、各移動局３のうち少なくとも一つを、基準局１と相対計測が位可能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局３同士の間隔が相対計測可能な基線制限長以下となるようになし、上記各局１，３にそれぞれＧＰＳ衛星４からの電波を受信するＧＰＳ受信機１１，２１を設け、上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置１２，２２を設け、上記所定の局同士間の相対変位量を演算する相対変位量演算部３２、および相対計測を行う一方の局の基準相対変位量に基づき他方の局の基準相対変位量を求める基準相対変位量演算部３３を具備したものである。

Description

明 細 書
衛星を用いた相対計測方法および相対計測システム
技術分野
[0001] 本発明は、複数の衛星力 の電波を用いるとともに相対計測により変位を検出する 相対計測方法および相対計測システムに関するものである。
背景技術
[0002] 複数の衛星力もの電波を受信し解析し、その受信機 (以下、移動局と!、う）の位置を 検出する衛星測位技術としては、計測誤差が大きいが当該移動局だけで測位を行う 単独測位方式と、位置が既知である基準局力 の補正データを用いて、移動局の位 置を精度良く求める相対測位方式とがある。
[0003] ところで、相対測位方式にぉ 、ては、その測位精度は受信機間の直線距離、所謂 、基線長の制限を受けることになる。
[0004] 例えば、 GPS (全地球測位システム）における CZAコードを用いて単独で測位を 行うとともに補正データを用いて補正する相対測位方式では、衛星の軌道情報の不 確かさ、電離層と大気による誤差等がほぼ同じである場合の基線長の制限は約 100 km以下であり、この範囲についは誤差等を相殺できるので、相対測位方式での測 位精度の向上を期待し得る。
[0005] 一方、搬送波位相を用いて基線を解析し測位精度の向上を図る方式においては、 基線長の制限は約 10km以下と短いが、 CZAコードよりも十分短い搬送波位相を利 用するため、測位精度が格段に向上する [例えば、新訂版 GPS-人工衛星による精 密測位システム - (社団法人日本測量協会発行)参照]。
[0006] また、衛星力 の電波を利用して移動局の相対的な変位を計測する相対計測方式 としては、日本国特許公開公報（2001— 281323)に開示されてものがあり、これはキ ネマティック方式と同等の精度で変位を計測できるものである。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] ところで、上述した相対測位方式および相対計測方式は、 V、ずれも基準局からの 基線長の制限距離内が利用し得る範囲であって、基準局が整備されていない地域 では、移動局が陸、海、空のどこにあろうと、相対測位または相対計測を利用すること ができず、したがって精度良く位置または変位を計測することができな力つた。
[0008] そこで、上記課題を解決するため、本発明は、相対計測可能な基線長の範囲外に ある移動局にっ 、ても、相対計測を利用し得る衛星を用いた相対計測方法および相 対計測システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明の衛星を用いた相対計測方法は、衛星からの電波を、基準局と複数の移動 局とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットワークを構成し、 基準局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測する計測方法 であって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超 えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限 長以下となるようになし、
基準局と所定の移動局との間で基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算 ステップと、
上記所定の局同士間で相対変位量である移動局間相対変位量を演算する移動局 間相対変位量演算ステップと、
上記基準局での基準変位量に基づき上記移動局間相対変位量演算ステップにて 求められた移動局間相対変位量を基準相対変位量に変換する変換ステップとを具 備した方法である。
[0010] また、本発明の相対計測システムは、衛星からの電波を、基準局と複数の移動局と で受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットワークを構成し基準 局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測する計測システム であって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超 えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限 長以下となるようになし、 上記各局にそれぞれ衛星力 の電波を受信する衛星計測装置を設け、 上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置を設け、
上記所定の局同士間の相対変位量を演算する相対変位量演算部、および相対計 測を行う一方の局の基準相対変位量に基づき他方の移動局の基準相対変位量を求 める基準相対変位量演算部を具備したものである。
[0011] また、上記相対計測システムにおける基準相対変位量演算部を基準局に配置する とともに、移動局の基準相対変位量を順次求めるようにしたものである。
[0012] また、上記相対計測システムにおける各移動局に、それぞれの基準相対変位量を 演算する基準相対変位量演算部を配置したものである。
[0013] さらに、上記相対計測システムにおける相対計測を搬送波位相を用いて行うように したものである。
発明の効果
[0014] 上記相対計測方法および相対計測システムによると、基準局力 所定間隔おきに 相対計測可能な基線制限長以下となるように、移動局を順次配置し相対計測を連鎖 的に行うネットワークを形成しておき、これら各局同士間の相対変位量を求めるととも に、基準局と相対変位を行った移動局の基準局ら見た変位量である基準相対変位 置を用いて各移動局の基準相対変位量をネットワークの上流から下流まで順次求め るようにしたので、基準局から、相対計測可能な基線制限長以上離れた移動局の基 準相対変位量を、その間に配置された移動局を介して、相対計測により精度良く求 めることができる。
[0015] 例えば、各移動局を陸上の基準局から遠く離れた海域の海面上の浮体に配置して おくことにより、各移動局の基準相対変位量に基づき、海岸から遠く離れた海域にて 津波の到来を知ることができ、したがって津波による被害をできるだけ、少なくするこ とことができる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明の実施の形態に係る相対計測システムの概略全体構成を示す斜視図 である。
[図 2]同相対計測システムにおける基準局の概略構成を示すブロック図である。 [図 3]同相対計測システムにおける移動局の概略構成を示すブロック図である。
[図 4]同移動局に設けられた変位演算装置の概略構成を示すブロック図である。
[図 5]同相対計測システムでの相対計測方法を説明するフローチャートである。
[図 6]同相対計測システムにおける変位計測装置の概略構成を示すブロック図である
[図 7]同相対計測システムの変形例に係る基準局の概略構成を示すブロック図であ る。
[図 8]同相対計測システムの変形例に係る基準局に設けられた測位演算装置の概略 構成を示すブロック図である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、本発明に係る衛星を用いた相対計測システムおよび相対計測方法につ!、て 説明する。
[0018] なお、本実施の形態においては、衛星を用いた計測システムの一つである、所謂、 GPS (全地球測位システム)衛星からの電波および信号を用いるもので、その計測対 象としては、海面の変位を検出するために海面に係留されて浮遊する浮体の基準局 から見た相対変位量 (以下、基準相対変位量と称す)を計測する場合につ!ヽて説明 する。
[実施の形態]
以下、実施の形態に係る衛星を用いた相対計測システムおよび相対計測方法を、 図 1一図 6に基づき説明する。
[0019] この相対計測システムには、図 1に示すように、三次元の絶対位置が既知である陸 上に固定された基準局 1と、この基準局 1から見た海面の変位を検出したい海域で且 つ上記基準局 1の中心から沖に向力つて順次所定間隔おきに海面に係留された複 数の浮体 (ブイ) 2にそれぞれ設けられた複数の移動局 3とが具備され、またこれら各 局 1, 3には、 GPS衛星 4からの電波を受信し後述する精密変動計測方式 (搬送波位 相を用いるもので、以下、 KVD方式と称す)を利用して各移動局 3の相対変位量 (基 準局の相対計測では基準相対変位量と、移動局間では移動局間相対変位量と称す )を求める機能が具備されて 、る。 [0020] なお、上記各移動局 3については、基準局 1に一番近いものを、第 1移動局 3A、次 に近いものを、順次、第 2移動局 3B、第 3移動局 3C、 · · ·、最も遠いものを第 n移動 局 3Zと呼ぶものとする。
[0021] そして、上述したように、各局同士は所定間隔おきに配置され、例えば基準局 1と第 1移動局 3A、第 1移動局 3Aと第 2移動局 3B、第 2移動局 3Bと第 3移動局 3C、 · · ·、 第 n-1移動局 3Yと第 n移動局 3Z同士の間は、 KVD方式で計測可能な基線長 (以 下、基線制限長と称し、例えば 10kmである）以下となるように配置するとともにその 局間で相対計測を実施する基準局を上流とした相対計測ネットワークを構成し、しか も、少なくとも、基準局 1から最も遠い移動局 3については、基準局 1から基線制限長 を超える位置の浮体 2に設けられている。勿論、各局同士の間隔は同じ長さであって もよぐ互いに異なる長さであってもよぐ要するに、 KVD方式で計測可能な基線制 限長以下であればよい。
[0022] 上記基準局 1には、図 2に示すように、 GPS衛星 4からの電波をアンテナ 11aを介し て受信し計測用衛星データを計測する GPS受信機 (衛星計測装置の一例） 11と、少 なくともこの GPS受信機 11にて計測された計測用衛星データを含めて他の移動局 3 との間で種々のデータの送受信を行う無線通信装置 (送信機および受信機からなる） 12とが具備されている。
[0023] また、上記各移動局 3には、図 3に示すように、 GPS衛星 4からの電波を受信して計 測用衛星データを計測する GPS受信機 (衛星計測装置の一例） 21と、他の局 1, 3と の間でデータの送受信を行う無線通信装置（図 4に示すように、送信機 22aおよび受 信機 22bからなる） 22と、他の局 1, 3からのデータを受信して自局の同時刻のデータ とに基づき KVD方式により相対計測を行う、すなわち一方の局に対する他方の局の 相対変位量を求める変位演算装置 23とが具備されている。
[0024] ここで、移動局 3に設けられる変位演算装置 23について詳しく説明する。
[0025] この変位演算装置 23は、図 4に示すように、 GPS受信機 21にて計測された計測用 衛星データ (搬送波位相値、衛星と受信機のアンテナ間距離 (擬似距離)、衛星の軌 道情報、衛星計測システムで採用した時系データ (GPSタイム)などが含まれている） を記憶するデータ記憶部 31と、上記 GPS受信機 21にて得られた計測用衛星データ 、並びに基準局 1または一つ手前 (上記ネットワークの基準局寄り（上流側) )の移動 局 (以下、前局とも称す) 3からの計測用衛星データおよび前局の基準相対変位量を 受信機 22bを介して入力して、前局に対する相対変位量を KVD方式により演算する 相対変位量演算部 32と、この相対変位量演算部 32にて求められた相対変位量およ び前局の基準相対変位量を入力して当該移動局 3の基準相対変位量を演算する基 準相対変位量演算部 33と、上記データ記憶部 31に記憶された当該移動局 3すなわ ち自局の計測用衛星データおよび基準相対変位量演算部 33で求められた基準相 対変位量を入力し次の移動局 3に送信するための送信データを作成する送信デー タ作成部 34とから構成されている。勿論、この送信データ作成部 34で作成された送 信データは送信機 22aを介して、次の移動局 3に送信される。なお、上記計測用衛 星データの中で、軌道情報については、相対計測を行う 2つの局でそれぞれ受信す ることになるため、いずれか一方の局の GPS受信機 21のみで取得する場合は、その データを他方に送信して用いることもできる。
[0026] 次に、上記相対計測システムにおける各局間の相対変位量を求めて各移動局の 基準相対変位量を計測し、海面の変位を求める方法を、図 5のフローチャートに基づ き説明する。
[0027] まず、陸上の基準局 1の計測用衛星データおよびその基準変位量 (基準局と地盤 と一体に固定している場合など、揺れがなければ、「ゼロ」となる）を、海上の第 1移動 局 3Aに送信する (ステップ 1)。
[0028] 次に、第 1移動局 3にて、基準局 1と第 1移動局 3Aとの間で、 KVD方式に基づく相 対計測にて、基準局から見た相対変位量を求める (ステップ 2 ;基準相対変位量演算 ステップ）。
[0029] 次に、基準局 1の基準変位量を用いて第 1移動局 3Aの基準相対変位量を求める（ ステップ 3)。
[0030] 次に、第 1移動局 3Aの基準相対変位量および計測用衛星データを、第 2移動局 3 Bに送信する。
[0031] 次に、第 2移動局 3Bにて、計測用衛星データを用いて、第 1移動局 3Aと第 2移動 局 3Bとの間で、 KVD方式による相対計測を行い、第 1移動局 3Aから見た第 2移動 局 3Bの移動局間相対変位量を求める (ステップ 5；移動局間相対変位量演算ステツ プ)。
[0032] 次に、第 1移動局 3Aの基準相対変位量をステップ 5で求めた移動局間相対変位量 力も減算し、当該第 2移動局 3Bの基準相対変位量を求める (ステップ 6 ;変換ステツ プ)。
[0033] そして、第 2移動局 3Bの基準相対変位量が求まると、上述したステップ 4一 6が繰り 返されて、第 3移動局 3Cの基準相対変位量が求まり、この手順が繰り返されて、最も 離れた第 n移動局 3Zの基準相対変位量まで求める。なお、繰返しの部分 (ステップ 4 一 6)については前局を (i 1)で表し、相対計測に基づき基準相対変位量を求める 移動局を (i)で示している。
[0034] したがって、各移動局 3の基準相対変位量が求まると、浮体 2の変位すなわち海面 の所定周期毎の変位が計測されたことになり、この海面の水位変動を精度良く計測 することができ、また海面の変位力も波浪成分および潮汐成分を取り除くことにより、 例えば地震などにより津波が発生した場合には、この津波を精度良く計測することが できる。
[0035] ここで、本発明の相対計測方法を簡単に説明すると、衛星からの電波を、基準局と 複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対計測を行う相対計測ネットヮー クを構成し、基準局から見た各移動局の相対変位量である基準相対変位量を計測 する計測方法であって、上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可 能な基線制限長を超えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対 計測可能な基線制限長以下となるようになし、基準局と所定の移動局との間で基準 相対変位量を演算する基準相対変位量演算ステップと、上記所定の局同士間で相 対変位量である移動局間相対変位量を演算する移動局間相対変位量演算ステップ と、上記基準局の相対変位量に基づき上記移動局間相対変位量演算ステップにて 求められた移動局間相対変位量を基準相対変位量に変換する変換ステップとを具 備したものである。
[0036] このように、基準局 1を陸上に配置するとともに、基準局 1から所定間隔おきに、す なわち KVD方式による相対計測が可能な基線制限長以下となるように、移動局 3を 海面に順次配置しておき、これら各局同士間の相対変位量を KVD方式にて求める とともに、この相対変位量を用いて基準局に対する各移動局の基準相対変位量を求 めるようにしたので、基準局 1から、相対計測可能な基線制限長以上離れた移動局 3 の基準相対変位量を、その間に配置された移動局 3を介して、 KVD方式により精度 良く求めることができる。
[0037] したがって、各移動局を基準局力 遠く離れた海域の海面上の浮体に配置してお くことにより、津波が海岸に到来するかなり前の段階で知ることができるので、津波に よる被害をできるだけ、少なくすることことができる。
[0038] ここで、上述した KVD方式について、簡単に説明しておく。
[0039] この KVD方式は、精密変動計測方法であり、上述したように、日本国の公開特許 公報（2001— 281323)に開示されたものである。
[0040] すなわち、本方式の計測精度はリアルタイムキネマティック方式 (以下、 RTK方式と いう）に近いため、この RTK方式との比較にてその概要を説明する。
[0041] RTK方式は、予め、緯度、経度、標高を明らかにした基準点での GPS衛星力 の 搬送波位相の計測値を参照しながら、計測対象地点での搬送波位相を求めることに よって計測対象地点の 3次元の座標を求め、この座標値の時間変動をもって変動成 分の計測を行うものである。しかし、搬送波位相により、計測対象地点での受信機と 衛星との距離を求める際に、整数値アンビギュイティを決定する必要があり、この整 数値アンビギュイティを求めるためには、多量の計算を実行しなければならな力つた
[0042] これに対して、 KVD方式の一つは、基準受信機と物体に配置される観測受信機と における相対ベクトルを、物体の変動に依存しない長周期変動成分と、物体の変動 に依存する短周期変動成分とに分けるとともに、短周期変動成分を、基準受信機か ら衛星に向力う単位ベクトルの各 X, y, z軸成分にて表し、少なくとも 3個の GPS衛星 と各受信機との間の搬送波位相を計測するとともに、この計測データをバンドパスフィ ルタに通して、相対ベクトルの短周期変動成分に相当する短周期位相成分を抽出し 、この短周期位相成分について、各受信機と各 GPS衛星との間の受信機間一重差 を少なくとも 3個求めるとともに、これら少なくとも 3個の受信機間一重差に基づき相対 ベクトルの短周期変動成分の各軸成分を演算により求めて物体の変位を計測する方 法である。
[0043] また、 KVD方式の一つは、上述の受信機間一重差に代えて、これら抽出された短 周期位相成分について、上記各受信機と各 GPS衛星との間の受信機間'衛星間二 重差を少なくとも 3個求めるとともに、これら少なくとも 3個の受信機間'衛星間二重差 に基づき上記相対ベクトルの短周期変動成分の各軸成分を演算により求めて物体 の変位を計測する方法である。
[0044] 上記各 KVD方式によると、物体の変動に直接関係する短周期変動成分にだけ着 目して、両受信機と GPS衛星との間における搬送波位相の短周期変動成分である 短周期位相成分の受信機間一重差、または短周期位相成分の受信機間'衛星間二 重差に基づき、相対ベクトルの短周期変動成分の各軸成分を演算により求めるように したので、整数値アンビギュイティを求めることなぐ物体の変動を計測し得るもので ある。そして、 KVD方式はキネマティック方式を利用するものであり、数十へルツ程 度の物体の振動、具体的には、建築構造物の振動、機械構造物の振動、または海 面の変動を計測し得るものである。
[0045] ここで、この KVD方式の一つを用いた変位計測装置の概略構成を、図 6に基づき 説明しておく。
[0046] すなわち、 GPS衛星力 送信される電波を受信してその航法メッセージに含まれる データから衛星の高度角 Θ elvおよび方位角 Θ azmを計測する衛星角度計測部 41と 、搬送波位相 (位相距離） Φを計測する搬送波位相計測部 42と、この搬送波位相計 測部 42にて計測された搬送波位相 φをバンドパスフィルタを通過させて時間変動成 分である短周期位相成分 φ Sを抽出する短周期位相成分抽出部 43と、この短周期 位相成分抽出部 43にて抽出された短周期位相成分 φ Sの受信機間一重差 Δ φ Sを 求める一重差演算部 44と、上記衛星角度計測部 1から高度角 Θ elv,方位角 Θ azm および一重差演算部 44から受信機間一重差 Δ φ Sをそれぞれ入力して少なくとも 3 個の方程式を作成するとともにこの連立方程式を解いて相対ベクトル Δι:の短周期変 動成分 ArSを演算する短周期変動成分演算部 45とが具備されたものである。
[0047] ところで、上述した各実施の形態においては、各移動局に変位演算装置を配置し て、それぞれの移動局の基準相対変位量を求めるように説明したが、それらは、送信 機 22aにて陸上の観測所 (基準局と兼ねてもよい）に局番号とともに送信されて集中 的に管理される。
[0048] 一方、例えば基準局に変位演算装置を配置するとともに、各移動局で計測された 計測用衛星データを基準局に送信し蓄積しておき、当該基準局の変位演算装置で 各移動局の基準相対変位量を求めるようにしてもょ 、。
[0049] すなわち、上述した実施の形態における移動局間の送信データが基準局に送信さ れ、基準局で各移動局のデータが記憶され、
移動局の相対変位量演算部や基準相対変位量演算部と同様の機能により、記憶さ れたデータを用いて相対計測が行われる。
[0050] この場合、図 7に示すように、基準局 1には、変位演算装置 13が具備され、またこの 変位演算装置 13には、図 8に示すように、少なくとも、 GPS受信機 11からの計測用 衛星データおよび無線通信装置 12の受信機 12bを介して各移動局 3で受信した計 測用衛星データを記憶しておくデータ記憶部 51と、このデータ記憶部 51に記憶され た計測用衛星データを入力して、基準局 1に対する各移動局 3の基準相対変位量を 演算する基準相対変位量演算部 52とが具備されて 、る。
[0051] また、上記実施の形態においては、各局同士のデータの送受信については、無線 通信装置により行うように説明したが、見通しが悪く地上波による通信を行うことがで きな 、場合には、通信衛星を用いてデータの送受信を行えばょ 、。
[0052] また、上記実施の形態においては、基準局を陸上に配置したが、海面に浮遊する 浮体に配置してもよい。
[0053] さらに、上記実施の形態においては、基準局を陸上に配置するとともに移動局を海 面に配置して、波浪、津波などを計測するものとして説明したが、例えば基準局およ び移動局ともに、陸上に配置することにより、例えば地震計として利用することもでき る。
[0054] また、上記実施の形態では、 GPSによる衛星計測で例示したが、原理が同様の衛 星計測方式 (衛星測位方式)があれば、または今後登場するものでも、適用可能とな る。 産業上の利用可能性
本発明の相対計測方法および相対計測システムによると、基準局から相対計測可 能な基線制限長を超える位置に設けられた移動局に対しても、 KVD方式による相対 計測を用いて精度良く計測を行うことができ、例えば移動局を搭載した浮体を陸上か らかなり離れた海域に係留しておくことにより、沖合いで津波を計測し津波の到来を 予測して、津波による被害の軽減に利用することができる。また、場合によっては、地 震計としても用 、ることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対 計測を行う相対計測ネットワークを構成し、基準局から見た各移動局の相対変位量 である基準相対変位量を計測する計測方法であって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超 えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限 長以下となるようになし、
基準局と所定の移動局との間で基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算 ステップと、
上記所定の局同士間で相対変位量である移動局間相対変位量を演算する移動局 間相対変位量演算ステップと、
上記基準局の基準変位量に基づき上記移動局間相対変位量演算ステップにて求 められた移動局間相対変位量を基準相対変位量に変換する変換ステップと を具備したことを特徴とする衛星を用いた相対計測方法。
[2] 衛星からの電波を、基準局と複数の移動局とで受信して、所定の局同士間で相対 計測を行う相対計測ネットワークを構成し基準局力 見た各移動局の相対変位量で ある基準相対変位量を計測する計測システムであって、
上記各移動局のうち少なくとも一つを、基準局と相対計測可能な基線制限長を超 えるように配置するとともに、所定の移動局同士の間隔が相対計測可能な基線制限 長以下となるようになし、
上記各局にそれぞれ衛星力 の電波を受信する衛星計測装置を設け、 上記各局に所定の局とデータの送受信を行う無線通信装置を設け、
上記所定の局同士間の相対変位量を演算する相対変位量演算部、および相対計 測を行う一方の局の基準相対変位量に基づき他方の移動局の基準相対変位量を求 める基準相対変位量演算部を
具備したことを特徴とする衛星を用いた相対計測システム。
[3] 基準相対変位量演算部を基準局に配置するとともに、移動局の基準相対変位量を 順次求めるようにしたことを特徴とする請求項 2に記載の衛星を用いた相対計測シス テム。
各移動局に、それぞれの基準相対変位量を演算する基準相対変位量演算部を配 置したことを特徴とする請求項 2に記載の衛星を用いた相対計測システム。
相対計測を搬送波位相を用いて行うようにしたことを特徴とする請求項 2に記載の 衛星を用いた相対計測システム。
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