海洋情報部トップ > 海洋情報部の取り組み> 防災・環境保全のための海洋調査> 海底地殻変動観測

海底の動きを測る ~海底地殻変動観測~

TOP観測の目的|観測のしくみ|文献データ

 GNSS-音響測距結合方式による海底地殻変動観測

 陸上では、GNSSの普及により、地殻変動観測が広く、かつ密に行われています。しかし、海底での地殻変動観測は技術的に難しく、これまでほとんど実施されてきませんでした。

 例えば、GNSSの電波や光は海底までは届きませんので、ある海底の地点の位置を決定するためには、測量船を介して、GNSSで測量船の位置を決定する(GNSS測位)とともに、 音波で測量船と海底の点との距離を測る(音響測距)、というように電波と音波を組み合わせた複雑な観測システムが必要です。 音響測距では、測量船―海底間の音波の往復伝搬時間から距離を求めます。そのためには海中の音速度(音波の伝わる速さ)を知ることが必要ですが、 この音速度は水温や塩分濃度によって変化します。時々刻々と変化する海中の音速度を、時間的・空間的に正確に把握することはかなり困難です。

 このような状況の中で、海上保安庁では、「GNSS測位」と「音響測距」を結合した手法による海底地殻変動観測システムを構築し、 更なる技術開発・海底基準点の展開及び観測を実施しています(図1)。

 この観測手法のアイデアは、オリジナルには米国カリフォルニア大学サンディエゴ校にあるスクリップス海洋研究所のSpiess教授によるものです。


図1.海底地殻変動観測の概念
海底地殻変動観測の概念図

 観測システム


 海底地殻変動観測のシステムは、図2のようになっています。各観測点には、その海域の水深程度の範囲に広げて複数の海底局を設置しています。その海域で測量船を用いて観測を行います。 以下では,観測コンポーネントや機器の詳細について紹介します。


図2.観測システム
観測システム

 観測では、各海底基準点に設置した複数の海底局の位置を求めます。具体的には、海底局の地球上での位置を知るために、中継点として測量船を介し、測量船のグローバル位置決定を行う「GNSS測位」と、測量船-海底局間の距離測定を行う「音響測距」とを同時に行います。 測量船に関して複数の地点(実際は数千)でこれらの観測を行うことで、海底局のグローバルな位置を高精度で決定できます。以下の各観測を測量船で実施し、データを持ち帰って解析することによって、海底地殻変動観測に必要な情報を抽出します。


 音響測距観測


 海中ではGNSS電波が到達しないため、音波による測距観測を行います。海底局はミラートランスポンダ(図3)で、測量船の船底に装備した音響トランスデューサから発信される音響信号を受信し、約1秒後にそのまま送り返す機能を持っています。 海底から返ってきた音響信号を船底トランスデューサで捉え、記録します(図4)。理論上の送信波形と取得した受信波形を相関処理することによって、音波が測量船のトランスデューサと海底局を往復する時間を算出します(図5)。

 各海底基準点には、安定した観測結果を得るため、複数の海底局が設置されています。これらの海底局を区別するために、それぞれ異なる識別信号を設定しています。音響信号には、M系列というコード化されたパルス信号のビットに応じて搬送波(10 kHzの正弦波)を位相変調させたものを使用しています。

 海底局はバッテリーで稼動しているので、長期間の観測においては海底局の更新作業が必要になります。その際は、新旧両方の海底局の位置測定を一定期間行い、投入に伴う新局の位置のずれを測定することで連続的な観測データを得られるようにしています。


図3.海底局の投入作業
海底局の投入

図4.船内での音響測距観測の様子
音響測距観測

図5.受信信号の相関処理
相関処理


 水温・塩分測定(音速度測定)


 音響測距による音波の伝搬時間から測量船と海底局間の距離を求めるためには、海中の音波速度を精密に知ることが重要です。 この音波速度は、海水の温度や塩分によって大きく変化します。 そのため、観測中に複数回、CTD観測やXBT観測、XCTD観測を行って深さ方向の温度・塩分プロファイルを取得します。

 図6は、CTD観測の様子です。CTD観測では、ワイヤーでつないだ機器を、クレーンを使って海中に沈め、温度・塩分・水深を測定します。 精度良く測定できるのですが、音響測距中の測定はできません。 測距中の測定は、投下式のXBT・XCTD観測で行います。XBT観測は比較的安価に行えますが、塩分が測れないので、状況に応じて使い分けて測定しています。

 CTD、XBT、XCTD観測で得られた温度・塩分プロファイルを、Del Grossoの経験式を用いて音速度に換算します。 前述したように、XBT観測では塩分は測定できませんので、その前後に行ったCTDあるいはXCTD観測の結果を用いて推定しています。


図6.船尾甲板でのCTD観測の様子
GNSSアンテナ


 船の動揺計測


 動揺計測装置を用いて、常に波に揺られ続ける測量船の傾きを計測しています。船の傾きは図7のように3種類の回転で記述されます。前後を軸にした回転「ロール」、 左右を軸にした回転「ピッチ」、上下を軸にした回転「ヘディング」です。これらの回転を把握することによって、GNSSアンテナのあるマストに対する音響トランスデューサの正確な位置が決定でき、 音響信号の送受信源の位置を正確に決定することができます。

図7.船の傾きを表す3つの回転
ロール;ピッチ;ヘディング


 船上GNSS観測


 GNSS衛星と海底局とをつなぐ中継点である測量船の位置を決定するため、測量船のマストにGNSSアンテナを設置し(図8)、0.5秒サンプリングで観測を実施します。得られたGNSS観測データを適切に処理することで、船上のGNSSアンテナの時々刻々の位置を精密に決定することができます。


図8.測量船「明洋」のマストに設置されたGNSSアンテナ
GNSSアンテナ


 解析について


 音響測距で求めた船上局-海底局間の距離と、GNSS測位で求めた船上局の位置とを結合し、海底局のグローバル位置を精密に決定します。 複数設置した海底局に対して多くの回数(通常数1000回)の音響測距を行い、海底局位置だけでなく海中音速も未知数として推定します。 音速は、時間的にも空間的にも大きく変化していくので、その適切な推定は困難です。この音速度構造の正確な推定が、海底局の位置を決定する上で非常に重要な課題となっています。

図9.海底局の位置決定について
位置決定の概念図