ブイ式波高計
【課題】ＧＰＳブイによる波高・波向計測において、水粒子運動とブイの運動が一致しないため、正しく計測されない問題および、ブイの水平位置とブイの垂直位置の共分散で波向が計測できない問題および、周期帯別波高、波向も計測されてない問題があった。
【解決手段】第１の問題は、水粒子位置とブイの位置のずれが存在する周波数領域の運動成分を除去するディジタルフィルターを通過させる方法と、ブイ位置と水粒子位置との位置ずれをディジタルフィルターで補正する方法で解決した。第２の問題は、水平位置を微分し、水平速度を求め、水平速度と垂直位置の共分散で求める方法で解決した。第３の問題は、ブイの位置データまたは、推測水粒子位置データを、あらかじめバンドパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、上述の処理をすることで解決した。
【解決手段】第１の問題は、水粒子位置とブイの位置のずれが存在する周波数領域の運動成分を除去するディジタルフィルターを通過させる方法と、ブイ位置と水粒子位置との位置ずれをディジタルフィルターで補正する方法で解決した。第２の問題は、水平位置を微分し、水平速度を求め、水平速度と垂直位置の共分散で求める方法で解決した。第３の問題は、ブイの位置データまたは、推測水粒子位置データを、あらかじめバンドパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、上述の処理をすることで解決した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブイの位置データを用いた高波計と波向計に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ブイに高精度のＧＰＳ（衛星測位システム）を搭載し、ブイの位置情報から、波高を測定することができるようになってきた。しかし、ブイの位置情報の単純な処理では、精度の高い波高計が得られなく、また、精度の高い波向計測も難しい。この主な理由は、ブイには、固有振動が存在し、水粒子運動とブイの動きが、必ずしも一致しないからである。ＧＰＳブイ式波高計の場合は、直接水の粒子運動を計測するのではなく、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することによるからである。
【特許文献１】波高の測定方法、特開平１０−１８５５６４
【０００３】
一般に、波がある状態では、水の粒子は、楕円運動をしている。水粒子の水平方向速度の絶対値は、水粒子が楕円の最も上にきたとき（時計で１２時の位置）と最も下にきたとき（時計で６時の位置）で大きくなる。波向は、水粒子の楕円運動の面の方向と粒子の回転方向で定義されるが、簡単には、水粒子が楕円の最も上にきた時の水平方向流速の方向ということができる。したがって、波向計は、水粒子の楕円上の位置と、水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測する機能を有している。水粒子の楕円上の位置は、水面の位置を計測することで求められる。これには、水圧計や、海底に設置した機器から水面までの距離を超音波で計測する手法がとられる。また、水平方向流速は、超音波を用いた流速計、超音波を用いたドプラー式流速計や電磁流速計が用いられる。
【０００４】
波向は、水粒子の垂直位置最上点での水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測し、その方向を波向とするか、水粒子の垂直位置最下点での水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測し、その逆方向を波向とすればよいことになる。しかし、この方法は、波向きの考え方示すもので、実用的には共分散法が用いられている。共分散法は、水粒子運動楕円の中心をゼロとした座標系で水粒子の位置を表し、その位置に水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を乗じたものの積分値を、Ｘ，Ｙ方向別々に求め、その合成成分の方向を波向とする方法である。この方法によれば、例えば、２０分間の平均波向を求めることができる。このような計算が可能であるのは、水粒子位置変動と水平流速変動の位相が一致しており、位相のずれはゼロか１８０度であるからである。すなわち、水粒子位置が最上点と最下点の位置で、水平流速の絶対値も最大となる。
【非特許文献１】「共分散法を用いた波向推定方式の数値的検討」港研報告、第２０巻第３号、１９８１年９月、ｐｐ５３〜９２
【非特許文献２】「波を測る」、沿岸開発技術センター、２００１年、ｐｐ１３４〜１３６、ｐ．６６、ｐ．６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＧＰＳブイ式波高計の場合は、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することになる。ブイは、慣性質量を有し、水の抵抗があり、さらに固有振動を有している。固有振動は、ヒービング（上下動揺）、ローリング、ピッチングの動揺が存在する。例えば、ヒービングの場合、水粒子の上下運動の周波数が、ブイのヒービングの固有振周波数より大きい場合は、ブイの垂直位置は、水粒子の位置に追従できなく位相がおくれ、水粒子運動に対しブイの上下運動が小さく現れる。また、ブイの固有振動周波数に近い水粒子運動の場合、同調して、ブイが水粒子より大きく運動する場合があり、位相も大きくずれる。このブイの運動と水粒子運動のずれは、波高と共分散による波向の計算に障害となる。
【０００６】
ＧＰＳブイ式波高計の場合、水平位置と垂直位置の位相は、９０度ずれている。例えば、波の運動楕円の垂直位置が頂点の位置（１２時の位置）では、水平位置は、０となっている。従って、水平位置と垂直位置の共分散では、波向が計算できない。この方法を適用するには、位相ずれがゼロか１８０度の関係にある量を用いる必要がある。また、ブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測するブイでの波向計測が行われた例がない。最近、船の係留における長周期問題のために、長周期の波高、波向が求められ、周期帯別波向、長周期波高がリアルタイムに発表されている。しかし、ブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測するブイでの周期帯別波高、波向計測は、なされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
波高の計測と波向の計測で、ブイの固有振動による水粒子位置とブイの位置のずれの影響の回避は、位置のずれが存在するブイの固有振動近辺から高い周波数領域の運動成分を除去することで解決できる。このためには、この領域の成分を含まないようにするディジタルフィルターを通過させる方法で解決できる。さらに、ブイの位置を入力、水粒子の位置を出力とした伝達関数を求め、その伝達関数から利得または利得と位相を補正するディジタルフィルターを作成し、作成したディジタルフィルターを用いてブイの位置から水粒子の位置を推定し、推定した水粒子の位置を用いる方法でも解決できる。
【０００８】
また、水平位置と垂直位置の共分散で波向が求められない問題では、理論的に位相ずれがゼロか１８０度にすれば良いことから、水平位置を微分し、水平速度を求め、水平速度と垂直位置の共分散から求める方法で解決できる。同様に、垂直位置を微分し、水平位置と垂直速度の共分散から求める方法でも解決できる。一般に、微分は、微分のディジタルフィルターで処理できるが、前述の固有振動による高域での不要な信号がある場合、高域遮断付きの微分ディジタルフィルターを用いることもできる。
【０００９】
また、ブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測するブイでの周期帯別波高、波向計測がなされていない問題では、ブイの位置データまたは、推測した水粒子位置データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、上述の処理を行うことで解決できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、ＧＰＳを用いたブイの位置を計測するブイシステムで、波高と波向の高精度な計測が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ブイの形状として、筒形を用いる。これは、ローリングとピッチングをおさえる働きがある。また、ブイのヒービングの固有振動数を計測したい波の周波数より下になるようブイを設計してある。このブイにＲＴＫ（リアルタイムキネマチック）ＧＰＳの位置出し装置と、得られたブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を陸上局に送くる送信装置が搭載されている。陸上にある観測局には、データ受信装置、データ処理装置と表示装置が設けられている。
【００１２】
データ処理装置は、受信したブイのＸ方向水平位置の時系列データとブイのＹ方向水平位置の時系列データを高域遮断の微分ディジタルフィルターを通過させる。さらに、ブイの垂直（Ｚ方向）位置の時系列データを高域遮断のディジタルフィルターを通過させ、固有振動の影響を除去する。このようにして、推定された水粒子の運動に関する３個（Ｘ方向移動速度，Ｙ方向移動速度，Ｚ方向位置）の時系列データが求められる。この新しい時系列データのＺ方向位置で、波高を計算し、（Ｘ方向移動速度とＺ方向位置）との共分散と（Ｙ方向移動速度とＺ方向位置）との共分散から、波向を求める。
【００１３】
また、水粒子の運動に関する３個（Ｘ方向移動速度，Ｙ方向移動速度，Ｚ方向位置）の時系列データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、周期帯別波高、波向きを求める。さらに、特許文献２で示されている、津波分離のディジタルフィルターを通し、津波の検知を行う。
【特許文献２】津波計、特許 第２９０８３５８号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブイの位置データを用いた高波計と波向計に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ブイに高精度のＧＰＳ（衛星測位システム）を搭載し、ブイの位置情報から、波高を測定することができるようになってきた。しかし、ブイの位置情報の単純な処理では、精度の高い波高計が得られなく、また、精度の高い波向計測も難しい。この主な理由は、ブイには、固有振動が存在し、水粒子運動とブイの動きが、必ずしも一致しないからである。ＧＰＳブイ式波高計の場合は、直接水の粒子運動を計測するのではなく、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することによるからである。
【特許文献１】波高の測定方法、特開平１０−１８５５６４
【０００３】
一般に、波がある状態では、水の粒子は、楕円運動をしている。水粒子の水平方向速度の絶対値は、水粒子が楕円の最も上にきたとき（時計で１２時の位置）と最も下にきたとき（時計で６時の位置）で大きくなる。波向は、水粒子の楕円運動の面の方向と粒子の回転方向で定義されるが、簡単には、水粒子が楕円の最も上にきた時の水平方向流速の方向ということができる。したがって、波向計は、水粒子の楕円上の位置と、水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測する機能を有している。水粒子の楕円上の位置は、水面の位置を計測することで求められる。これには、水圧計や、海底に設置した機器から水面までの距離を超音波で計測する手法がとられる。また、水平方向流速は、超音波を用いた流速計、超音波を用いたドプラー式流速計や電磁流速計が用いられる。
【０００４】
波向は、水粒子の垂直位置最上点での水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測し、その方向を波向とするか、水粒子の垂直位置最下点での水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を計測し、その逆方向を波向とすればよいことになる。しかし、この方法は、波向きの考え方示すもので、実用的には共分散法が用いられている。共分散法は、水粒子運動楕円の中心をゼロとした座標系で水粒子の位置を表し、その位置に水平方向流速（Ｘ，Ｙ方向）を乗じたものの積分値を、Ｘ，Ｙ方向別々に求め、その合成成分の方向を波向とする方法である。この方法によれば、例えば、２０分間の平均波向を求めることができる。このような計算が可能であるのは、水粒子位置変動と水平流速変動の位相が一致しており、位相のずれはゼロか１８０度であるからである。すなわち、水粒子位置が最上点と最下点の位置で、水平流速の絶対値も最大となる。
【非特許文献１】「共分散法を用いた波向推定方式の数値的検討」港研報告、第２０巻第３号、１９８１年９月、ｐｐ５３〜９２
【非特許文献２】「波を測る」、沿岸開発技術センター、２００１年、ｐｐ１３４〜１３６、ｐ．６６、ｐ．６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＧＰＳブイ式波高計の場合は、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することになる。ブイは、慣性質量を有し、水の抵抗があり、さらに固有振動を有している。固有振動は、ヒービング（上下動揺）、ローリング、ピッチングの動揺が存在する。例えば、ヒービングの場合、水粒子の上下運動の周波数が、ブイのヒービングの固有振周波数より大きい場合は、ブイの垂直位置は、水粒子の位置に追従できなく位相がおくれ、水粒子運動に対しブイの上下運動が小さく現れる。また、ブイの固有振動周波数に近い水粒子運動の場合、同調して、ブイが水粒子より大きく運動する場合があり、位相も大きくずれる。このブイの運動と水粒子運動のずれは、波高と共分散による波向の計算に障害となる。
【０００６】
ＧＰＳブイ式波高計の場合、水平位置と垂直位置の位相は、９０度ずれている。例えば、波の運動楕円の垂直位置が頂点の位置（１２時の位置）では、水平位置は、０となっている。従って、水平位置と垂直位置の共分散では、波向が計算できない。この方法を適用するには、位相ずれがゼロか１８０度の関係にある量を用いる必要がある。また、ブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測するブイでの波向計測が行われた例がない。最近、船の係留における長周期問題のために、長周期の波高、波向が求められ、周期帯別波向、長周期波高がリアルタイムに発表されている。しかし、ブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測するブイでの周期帯別波高、波向計測は、なされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
波高の計測と波向の計測で、ブイの固有振動による水粒子位置とブイの位置のずれの影響の回避は、位置のずれが存在するブイの固有振動近辺から高い周波数領域の運動成分を除去することで解決できる。このためには、この領域の成分を含まないようにするディジタルフィルターを通過させる方法で解決できる。さらに、ブイの位置を入力、水粒子の位置を出力とした伝達関数を求め、その伝達関数から利得または利得と位相を補正するディジタルフィルターを作成し、作成したディジタルフィルターを用いてブイの位置から水粒子の位置を推定し、推定した水粒子の位置を用いる方法でも解決できる。
【０００８】
また、水平位置と垂直位置の共分散で波向が求められない問題では、理論的に位相ずれがゼロか１８０度にすれば良いことから、水平位置を微分し、水平速度を求め、水平速度と垂直位置の共分散から求める方法で解決できる。同様に、垂直位置を微分し、水平位置と垂直速度の共分散から求める方法でも解決できる。一般に、微分は、微分のディジタルフィルターで処理できるが、前述の固有振動による高域での不要な信号がある場合、高域遮断付きの微分ディジタルフィルターを用いることもできる。
【０００９】
また、ブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を計測するブイでの周期帯別波高、波向計測がなされていない問題では、ブイの位置データまたは、推測した水粒子位置データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、上述の処理を行うことで解決できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、ＧＰＳを用いたブイの位置を計測するブイシステムで、波高と波向の高精度な計測が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ブイの形状として、筒形を用いる。これは、ローリングとピッチングをおさえる働きがある。また、ブイのヒービングの固有振動数を計測したい波の周波数より下になるようブイを設計してある。このブイにＲＴＫ（リアルタイムキネマチック）ＧＰＳの位置出し装置と、得られたブイの３次元位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を陸上局に送くる送信装置が搭載されている。陸上にある観測局には、データ受信装置、データ処理装置と表示装置が設けられている。
【００１２】
データ処理装置は、受信したブイのＸ方向水平位置の時系列データとブイのＹ方向水平位置の時系列データを高域遮断の微分ディジタルフィルターを通過させる。さらに、ブイの垂直（Ｚ方向）位置の時系列データを高域遮断のディジタルフィルターを通過させ、固有振動の影響を除去する。このようにして、推定された水粒子の運動に関する３個（Ｘ方向移動速度，Ｙ方向移動速度，Ｚ方向位置）の時系列データが求められる。この新しい時系列データのＺ方向位置で、波高を計算し、（Ｘ方向移動速度とＺ方向位置）との共分散と（Ｙ方向移動速度とＺ方向位置）との共分散から、波向を求める。
【００１３】
また、水粒子の運動に関する３個（Ｘ方向移動速度，Ｙ方向移動速度，Ｚ方向位置）の時系列データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、周期帯別波高、波向きを求める。さらに、特許文献２で示されている、津波分離のディジタルフィルターを通し、津波の検知を行う。
【特許文献２】津波計、特許 第２９０８３５８号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブイの位置を計測する波高または波向計測システムにおいて、ブイの位置と水粒子の位置が大きくずれる周波数帯域の成分を、ブイの位置データから、ディジタルフィルターで除去して水粒子の位置を推定し、推定した水粒子の位置を用い波高または波向を求める手法。
【請求項２】
ブイの位置を計測する波高または波向計測システムにおいて、ブイの位置を入力、水粒子の位置を出力とした伝達関数を求め、その伝達関数から利得または利得と位相を補正するディジタルフィルターを作成し、作成したディジタルフィルターを用いて水粒子の位置を推定し、推定した水粒子の位置を用い波高または波向を求める手法。
【請求項３】
ブイの位置から推定した水粒子の垂直位置と水粒子の水平方向移動速度との共分散を用いて波向を求める手法。
【請求項４】
ブイの位置から推定した水粒子の垂直方向移動速度と水粒子の水平方向位置との共分散を用いて波向を求める手法。
【請求項５】
請求項３、請求項４で規定する波向きを求める手法において、ブイの位置データを数値微分、微分ディジタルフィルターまたは、高周波成分除去機能をもつ微分ディジタルフィルターを通過させ、水粒子の移動速度を推定し、波向を求める手法。
【請求項６】
水粒子の水平運動に追従しやすく設計されたブイを用い、ブイの水平方向位置を計測するブイシステムにおいて、ブイの水平方向（Ｘ、Ｙ）の位置データに対して、Ｘ，Ｙデータの平均値をゼロとする座標で、Ｙ＝ａＸと近似し、最小二乗法を適用することにより、ａを求め、波向方位を求める手法。
【請求項７】
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６で規定する波向を求める手法において、ブイの位置データ、または、推定した水粒子の位置データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、周期帯別波向きを求める手法、および、請求項１、請求項２で規定する波高を求める手法において、ブイの位置データ、または、推定した水粒子の位置データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、周期帯別波高を求める手法。
【請求項１】
ブイの位置を計測する波高または波向計測システムにおいて、ブイの位置と水粒子の位置が大きくずれる周波数帯域の成分を、ブイの位置データから、ディジタルフィルターで除去して水粒子の位置を推定し、推定した水粒子の位置を用い波高または波向を求める手法。
【請求項２】
ブイの位置を計測する波高または波向計測システムにおいて、ブイの位置を入力、水粒子の位置を出力とした伝達関数を求め、その伝達関数から利得または利得と位相を補正するディジタルフィルターを作成し、作成したディジタルフィルターを用いて水粒子の位置を推定し、推定した水粒子の位置を用い波高または波向を求める手法。
【請求項３】
ブイの位置から推定した水粒子の垂直位置と水粒子の水平方向移動速度との共分散を用いて波向を求める手法。
【請求項４】
ブイの位置から推定した水粒子の垂直方向移動速度と水粒子の水平方向位置との共分散を用いて波向を求める手法。
【請求項５】
請求項３、請求項４で規定する波向きを求める手法において、ブイの位置データを数値微分、微分ディジタルフィルターまたは、高周波成分除去機能をもつ微分ディジタルフィルターを通過させ、水粒子の移動速度を推定し、波向を求める手法。
【請求項６】
水粒子の水平運動に追従しやすく設計されたブイを用い、ブイの水平方向位置を計測するブイシステムにおいて、ブイの水平方向（Ｘ、Ｙ）の位置データに対して、Ｘ，Ｙデータの平均値をゼロとする座標で、Ｙ＝ａＸと近似し、最小二乗法を適用することにより、ａを求め、波向方位を求める手法。
【請求項７】
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６で規定する波向を求める手法において、ブイの位置データ、または、推定した水粒子の位置データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、周期帯別波向きを求める手法、および、請求項１、請求項２で規定する波高を求める手法において、ブイの位置データ、または、推定した水粒子の位置データを、あらかじめローパス、バンドパス、ハイパス等のディジタルフィルターを通し、周期帯別に分別しておき、周期帯別波高を求める手法。
【公開番号】特開２００７−６４９５７（Ｐ２００７−６４９５７Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８２９６４（Ｐ２００５−２８２９６４）
【出願日】平成１７年８月３０日（２００５．８．３０）
【出願人】（５９３０７９６５６）社団法人海洋調査協会 (5)
【出願人】（３０３０５７０４４）株式会社カイジョーソニック (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３０日（２００５．８．３０）
【出願人】（５９３０７９６５６）社団法人海洋調査協会 (5)
【出願人】（３０３０５７０４４）株式会社カイジョーソニック (17)
【Ｆターム（参考）】
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