海面における中周期波の計測方法および計測装置
【課題】ＧＰＳ単独測位方式を用いた場合でも中周期波を精度良く計測し得る海面における中周期波の計測方法を提供する。
【解決手段】海面に係留された浮体Ｆに設けられたＧＰＳ受信機31にて観測される搬送波位相を用いた精密変動観測法（ＰＶＤ法）により、浮体の変動量を検出して海面の中周期波を計測する際に、ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を精密に算出し、そしてこれらの誤差成分を上記求められた搬送波位相距離から除去した後、バンドパスフィルタをかけることにより、上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する方法である。
【解決手段】海面に係留された浮体Ｆに設けられたＧＰＳ受信機31にて観測される搬送波位相を用いた精密変動観測法（ＰＶＤ法）により、浮体の変動量を検出して海面の中周期波を計測する際に、ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を精密に算出し、そしてこれらの誤差成分を上記求められた搬送波位相距離から除去した後、バンドパスフィルタをかけることにより、上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳ単独測位方式を用いた海面における中周期波の計測方法および計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海面の波については、周期が短いものから長いものが種々重なり合っている。例えば、波には、周期が数秒〜３０秒までの短周期の波浪、周期が３０秒〜２分までの中周期のうねり、２分以上の長周期のものが含まれている。特に、中周期波であるうねりは、港に係留された船舶のロープの切断や荷役作業の障害に繋がるため、中周期波の検出が望まれている。しかし、海面を見ているだけでは、中周期波を感じることが難しく、港湾関係者を悩ませている。
【０００３】
ところで、近年、ＧＰＳ測位システムを用いて波を検出する試みが行われているが、ＧＰＳ測位システムにより中周期波を観測するものとして、特許文献１に示された津波検知システムがある。
【０００４】
この津波検知システムは、頂部にＧＰＳアンテナを搭載したブイを沖合に浮かべ、海面変位に正確に追従するブイの位置をリアルタイムキネマティック方式（以下、ＲＴＫ−ＧＰＳと称す）にて計測することで、陸上に津波が到達する前に警報を出すことを目指したシステムである。このシステムによれば、周期が数秒程度の波浪から、周期が数１０分〜数時間の津波および周期が数時間〜数日の潮汐まで、あらゆる周期帯の波の計測が可能であり、時系列解析によって周期が数分の長周期波だけを抽出することができる。
【０００５】
しかし、ＲＴＫ−ＧＰＳによるため、観測点とは別に基準点を設け、ＧＰＳ受信機、無線設備などを設置する必要があり、システムが高価になるとともに、基線長を２０ｋｍ以内としなければ必要な計測精度を確保できず、海岸から遠く離れた海域に設置できないという問題があった。
【０００６】
このような問題に対して、ＧＰＳ単独測位方式によって短周期の波浪のみを計測し得るＰＶＤ法が特許文献２に提案されている。
この特許文献２に記載されたＰＶＤ法を使えば、ＧＰＳ受信機が設置された計測対象の変位を、基準点すなわち基準局を必要としない単独測位方式により数ｃｍ程度の誤差で検出することができる。
【０００７】
このＰＶＤ法は、Ｃ／Ａコードよりも波長がはるかに短い搬送波の位相を用いることで、相対測位法の一つで搬送波位相を用いて計測するＲＴＫ−ＧＰＳによる測位結果の変位とほぼ同等の精度でもって短周期の変動成分を計測できるもので、すなわち、単独測位にも拘わらず、非常に精度の高い計測結果が得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３８０３１７７号公報
【特許文献２】特許第３７５８９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このＰＶＤ法では、基準局を設置する必要がないため安価にシステムを構成できる。また、ＲＴＫ−ＧＰＳのようにアンビギュイティを決定する必要がないため、ＲＴＫ−ＧＰＳと比較して、はるかに計算量を減らせるというメリットがある。このように、風波のような短周期波（周期数秒〜２０秒程度）の計測には大変有効なＰＶＤ法ではあるが、基本的に単独測位方式であるため、ＲＴＫ−ＧＰＳのように２重差（衛星間１重差と受信機間１重差の差分）によるＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量等の誤差成分の除去を行うことができない。
【００１０】
すなわち、３０秒から数分を超えるような中周期の波を検出する場合には、電離層や対流圏の影響を受けることになり、計測精度が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、ＧＰＳ単独測位方式を用いた場合でも中周期波を精度良く計測し得る海面における中周期波の計測方法および計測装置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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の海面における中周期波の計測方法は、ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する方法であって、
ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を算出して上記搬送波位相距離から除去した後、フィルタを用いて上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する工程を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して行い、
次にＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求めて海面の中周期波を計測する際に、
上記電離層遅延量については、単独測位方式の測位用コードにより求められた擬似距離に係る電離層遅延量と、搬送波位相距離に係る電離層遅延量とを重み係数を用いて平滑化して求め、
且つ上記対流圏遅延量については、公開された精密暦である衛星情報および電子基準点からの補正用データに基づき、浮体設置位置での天頂方向の対流圏遅延量を求めるとともに、この対流圏遅延量をＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量に補正する方法である。
【００１２】
また、本発明の海面における中周期波の計測装置は、ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する装置であって、
所定海域の海面に係留される浮体と、
この浮体に設けられたＧＰＳ受信機と、
このＧＰＳ受信機に設けられてＧＰＳ衛星までの測位用コードによる擬似距離および搬送波位相による搬送波位相距離を計測する距離計測部と、
この距離計測部で求められた擬似距離および搬送波位相距離に関する各電離層遅延量を重み係数を用いて平滑化して補正用の電離層遅延量を求める電離層遅延量演算部と、
公開されたＧＰＳ衛星の精密暦である衛星情報および少なくとも３箇所の電子基準点から補正用データを入力して浮体設置位置における天頂方向での対流圏遅延量を求める第１対流圏遅延量演算部と、
この第１対流圏遅延量演算部で求められた対流圏遅延量を入力するとともにＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での補正用の対流圏遅延量を求める第２対流圏遅延量演算部と、
上記距離計測部で求められた搬送波位相距離に対して、ＧＰＳ衛星における時計誤差、上記補正用の電離層遅延量および上記補正用の対流圏遅延量を除去した搬送波位相距離を求める衛星・受信機間距離演算部と、
この衛星・受信機間距離演算部で求められた搬送波位相距離にフィルタをかけることにより周期が３０秒〜２分の中周期変動成分を抽出する中周期変動成分抽出部と、
ＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求める変位検出部とを具備したものである。
【発明の効果】
【００１３】
上記計測方法および計測装置によると、単独測位方式により海面に浮遊する浮体の変位をＰＶＤ法により計測する際に、搬送波位相距離からＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などの誤差成分を除去するようにしたので、例えばＲＴＫ−ＧＰＳを用いなくても、簡便なＰＶＤ法を用いるとともに、このＰＶＤ法による搬送波位相距離に対してフィルタを通すことにより、安価な構成で且つ精度良く、３０秒〜２分程度の中周期波を計測することができる。当然ながら、ＲＴＫ−ＧＰＳのように、基準局を設ける必要がないとともに、基準局と観測局との距離を２０ｋｍ以下にする必要がなく、したがって陸から離れた海域でも、精度良く中周期波を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る海面の中周期波の計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】同計測装置の対流圏遅延量の算出方法を説明する模式図である。
【図３】同計測装置による計測原理を説明する座標系の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る海面の中周期波の計測方法および計測装置を具体的に示した実施例に基づき説明する。
本発明に係る海面の中周期波とは、３０秒〜数分程度（例えば２分程度）の周期の波をいう。また、この中周期波の計測に際しては、ＧＰＳ（全地球測位システム）が用いられ、ＧＰＳ衛星から送信される電波、すなわちＬ１帯およびＬ２帯の電波すなわち搬送波による単独測位方式が用いられるとともに、この単独測位方式による場合でも、精度よく計測を行い得るＰＶＤ（Point precise Variance Detection）法が用いられる。これは単独ＧＰＳ受信機にて観測される片道搬送波位相を用いた精密変動観測法であり後述する。
【００１６】
この単独測位方式では、両搬送波に乗っている測位用コードにより計測される擬似距離ρＬ１およびρＬ２と、搬送波の波数すなわち搬送波位相をカウントすることにより計測される搬送波位相距離λＬ１φＬ１およびλＬ２φＬ２とが計測される。
【００１７】
ところで、本発明の要旨は、上記ＰＶＤ法を用いて中周期波の計測（検出）を行うことを目的とする。すなわち、ＰＶＤ法により求められるＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機との間の計測距離に対して、中周期波の計測精度を上げるために、ＧＰＳ衛星の位置の誤差、ＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などの各種誤差成分を除去するようにしたものである。
【００１８】
このため、本発明の計測装置は、図１に示すように、大きく分けて、陸上の施設Ｋ側に設けられる補正データ取得手段１と、海面の変位を計測するための浮体Ｆ側に設けられる海面変位演算手段２とから構成されており、以下、図面に基づき説明する。
【００１９】
この補正データ取得手段１には、ＧＰＳ衛星の精密な軌道情報および時計情報（所謂、精密暦であり、以下、これらを衛星情報とも称す）を公開している衛星情報公開機関Ｅからこれらの衛星情報を取得する衛星情報取得部１１と、全国に設けられた電子基準点Ｄで求められた補正用の基準点データを取得する基準点データ取得部１２と、上記衛星情報取得部１１および基準点データ取得部１２から衛星情報および基準点データを入力して電子基準点Ｄにおける天頂方向（鉛直方向）での対流圏遅延量を求める第１対流圏遅延量演算部１３と、上記衛星情報取得部１１で得られたＧＰＳ衛星の軌道情報および時計情報並びに第１対流圏遅延量演算部１３で求められた対流圏遅延量を入力してこれら補正用のデータを浮体Ｆ側に設けられた海面変位演算手段２に送信するデータ送信部１４とが具備されている。
【００２０】
上記第１対流圏遅延量演算部１３は、各電子基準点Ｄにおける天頂方向の対流圏遅延量を求める基準点側対流圏遅延量算出部２１と、この基準点側対流圏遅延量算出部２１で求められた対流圏遅延量から浮体Ｆ（予め、設置位置が分かっている）における天頂方向での対流圏遅延量を求める浮体側対流圏遅延量算出部２２とから構成されている。
【００２１】
上記基準点側対流圏遅延量算出部２１では、衛星情報取得部１１で得られた衛星情報および基準点データ取得部１２で得られた基準点データが入力されて各基準点における対流圏遅延量が算出される。
【００２２】
電子基準点の座標は事前の測量によって既知であり、ＧＰＳ衛星の軌道も衛星情報公開機関Ｅから衛星情報が得られるため既知である。したがって、ＧＰＳ衛星から電子基準点までの正確な距離が既知ということになる。また、電離層遅延量は後述する２周波線形結合を用いた式（３）により推定可能である。
つまり、ＧＰＳ受信機で計測（カウント）したＧＰＳ衛星から電子基準点の距離（搬送波位相距離）から電離層遅延量を除去した値、すなわち電離層フリー結合を観測量とし、対流圏遅延量、時計誤差、アンビギュイティを未知数とする三元一次連立方程式が立てられる（ＧＰＳ衛星の数だけ方程式が立てられる）。
【００２３】
この三元一次連立方程式は、周知の方法であるカルマンフィルタを用いれば、未知数である対流圏遅延量、時計誤差、アンビギュイティを逐次的に推定できる。ある期間のカルマンフィルタ計算の後、アンビギュイティが一定値に収束すれば、同時に対流圏遅延量も推定されており、このようにして各電子基準点における対流圏遅延量を求める事が出来る。
【００２４】
一方、上記浮体側対流圏遅延量算出部２２では、図２に示すように、浮体Ｆを囲むように選択された３つの電子基準点（４つまたはそれ以上の基準点であってもよい）Ｄ（Ｄ１〜Ｄ３）での対流圏遅延量Ｔ１〜Ｔ３から、浮体Ｆでの対流圏遅延量Ｔを例えば内挿法により算出する。浮体Ｆが電子基準点Ｄで囲む領域（図２では三角形で囲まれる領域）の外側に位置している場合には、外挿法により求められる。なお、電子基準点Ｄで囲まれる領域について、対流圏遅延量を示す二次元マップを作成し、この二次元マップから浮体Ｆの位置における対流圏遅延量を求めるようにしてもよい。この場合、対流圏遅延量の二次元マップ作成部が設けられる。
【００２５】
次に、海面変位演算手段２について説明する。
この海面変位演算手段２は、浮体Ｆに設けられるとともに距離計測部３２を有するＧＰＳ受信機３１と、補正データ取得手段１から送信される補正用データを受信するデータ受信部３３と、ＧＰＳ受信機３１の距離計測部３２で得られた擬似距離、搬送波位相距離、データ受信部３３で得られたコードバイアスなどを入力して電離層遅延量を求める電離層遅延量算出部３４と、上記データ受信部３３で受信されたＧＰＳ衛星の衛星情報および浮体側対流圏遅延量を入力して浮体Ｆにおける衛星方向での対流圏遅延量を求める第２対流圏遅延量算出部３５と、上記距離計測部３２で得られた擬似距離、搬送波位相距離、および上記電離層遅延量算出部３４で求められた電離層遅延量、第２対流圏遅延量算出部３５で求められた対流圏遅延量、並びにデータ受信部３３で受信された補正用データであるＧＰＳ衛星の時計誤差を入力し各種誤差成分を除去した搬送波位相による衛星・受信機間距離を求める衛星・受信機間距離演算部３６と、この衛星・受信機間距離演算部３６で求められた衛星・受信機間距離にバンドパスフィルタをかけて（勿論、ローパスフィルタとハイパスフィルタとを別々にかけるようにしてもよい）中周期変動成分を抽出する中周期変動成分抽出部３７と、この中周期変動成分抽出部３７で抽出された中周期変動成分を入力するとともに、この中周期変動成分から中周期波を検出する変位検出部３８とから構成されている。なお、中周期変動成分抽出部３７と変位検出部３８とでＰＶＤ法が実行される。
【００２６】
上記電離層遅延量演算部３４では、２種類の周波数の搬送波Ｌ１，Ｌ２による擬似距離から得られる電離層遅延量Ｉρと、同じく２つの搬送波Ｌ１，Ｌ２による搬送波位相距離から得られる電離層遅延量Ｉφとが求められ、さらにこの２つの電離層遅延量Ｉρ，Ｉφを用いて平滑化された精密な電離層遅延量Ｉが求められる。
【００２７】
擬似距離に基づく電離層遅延量Ｉρは下記（１）式により、また搬送波位相距離に基づく電離層遅延量Ｉφは下記（２）式により求められる。
【００２８】
【数１】
上記式中、ρＬ１，ρＬ２はＬ１，Ｌ２による擬似距離、φＬ１，φＬ２はＬ１，Ｌ２による搬送波位相（単位はサイクル）、ＤＰ１Ｐ２はコードハイアス差（Ｐ１−Ｐ２），ＤＰ１Ｃ１はコードハイアス差（Ｐ１−Ｃ１）、λＬ１，λＬ２はＬ１，Ｌ２の波長、ｆＬ１，ｆＬ２はＬ１，Ｌ２の波長、ΔＮｉｏｎはＬ１，Ｌ２の搬送波位相に含まれるアンビギュイティである。
【００２９】
なお、ＧＰＳ衛星からのＬ１搬送波とＬ２搬送波の送信タイミングのずれによって発生するバイアスＤＰ１Ｐ２およびＤＰ１Ｃ１はコードバイアス差と呼ばれ、これらについては、衛星情報公開機関Ｅから得ることができる。
【００３０】
また、平滑化される電離層遅延量Ｉは下記（３）式により求められる。
この電離層遅延量Ｉは、観測ノイズの大きい擬似距離から求めた電離層遅延量Ｉρを、観測ノイズの小さい搬送波位相距離から求めた電離層遅延量Ｉφで平滑化されるもので、高精度で且つ逐次的に求められる。また、（３）式のＭは平滑化定数で、Ｍを大きくすると、搬送波位相距離から求めた電離層遅延量の重みが増えるため、平滑化が強まる。なお、ｋは時刻（エポック）を示す。
【００３１】
【数２】
次に、上記衛星・受信機間距離演算部３６および中周期変動成分抽出部３７で、単独測位方式に基づくＰＶＤ法を用いて衛星・受信機間距離を求める手順について説明する。
【００３２】
ここでは、海面の変位（変動）に長周期変動成分と短周期変動成分とが含まれており、この短周期変動成分を抽出する場合について説明する。しかし、本発明では、３０秒〜２分程度の中周期波、すなわち中周期変動成分を抽出することになるが、これについては後述する。
【００３３】
なお、海面の変位を計測する所定海域には浮体が係留されており、この浮体には、上述したように、ＧＰＳ受信機が設けられるとともに、当該ＧＰＳ受信機には、測位用コードによる擬似距離と、搬送位相波をカウントしてＧＰＳ衛星までの搬送波位相距離を測定するための距離計測部が備えられているものとする。また、浮体に設けられているＧＰＳ受信機の設置位置を観測点と称して説明する。
【００３４】
まず、ＧＰＳ衛星（ｉ）と観測点であるＧＰＳ受信機との距離をρｉ、長周期変動成分をρｉ１、短周期変動成分をρｉ２とすると、下記（４）式の関係が成立する。なお、以下の式中においては、長周期変動成分（ρｉ１）は「ハットρｉ」で、また短周期変動成分（ρｉ２）は「チルダρｉ」で表わしている。
【００３５】
【数３】
したがって、ＧＰＳ受信機の設置位置である観測点の変動量（ｘ，ｙ，ｚ）を、長周期変動成分（ｘ１，ｙ１，ｚ１；１はハットを示す）および短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２；２はチルダを示す）で表わすと、下記（５）式のようになる。
【００３６】
【数４】
そして、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は、観測点とＧＰＳ衛星との間の距離ρｉに比べて、十分に小さいので下記（６）式が成立する。
【００３７】
【数５】
上記（６）式の（ｅｉｘ，ｅｉｙ，ｅｉｚ）は観測点からＧＰＳ衛星へのベクトルの三次元座標成分つまり単位ベクトルであり、図３に示すように、観測点から見たＧＰＳ衛星（ｉ）の仰角θｉおよび方位角ψｉを用いて表わすと下記（７）式のようになる。
【００３８】
【数６】
したがって、仰角θｉおよび方位角ψｉが分かれば、（ｅｉｘ，ｅｉｙ，ｅｉｚ）は既知となる。なお、これらの角度θｉ，ψｉについては、ＧＰＳ衛星から送られる軌道情報（正確には、軌道情報から得られる位置データである）から知ることができる。
【００３９】
そして、（４）式と（６）式、および（７）式から、下記（８）式が成立する。
【００４０】
【数７】
したがって、３つのＧＰＳ衛星を利用することにより、上記（８）式で表わされる三元一次方程式が３個得られることになり、これら３個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を求めることができる。この短周期変動成分の上記単位ベクトル方向の３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、上下方向のｚ成分が海面の変位に相当する。すなわち、観測点とＧＰＳ衛星との間の短周期変動成分ρｉ２が分かれば、海面変位である波の高さが求められることになる。
【００４１】
次に、上述した距離ρによる波の高さの求め方を搬送波位相φによる距離（λφ）に適用した場合について説明する。
すなわち、ＧＰＳ受信機で受信したＧＰＳ衛星（ｉ）からの搬送波位相φｉ（サイクル数）を長周期変動成分φｉ１（ハット）と短周期変動成分φｉ２（チルダ）とで表わすと、下記（９）式のようになる。
【００４２】
【数８】
一方、Ｌ１搬送波の波長をλ１とすると、下記の（１０）式のようになる。
【００４３】
【数９】
この（１０）式を上記（８）式に適用すると下記（１１）式が得られる。
【００４４】
【数１０】
したがって、上述したように、３個以上のＧＰＳ衛星について、φｉ２がそれぞれ求まれば、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を得ることができる。
【００４５】
そして、短周期変動成分φｉ２は、観測値である搬送波位相距離φｉに適切なフィルタ、例えばハイパスフィルタを通すことにより求めることができる。
すなわち、フィルタとして３０秒〜２分程度の中周期変動成分を通過させ得るバンドパスフィルタを用いることにより、本発明の目的とする中周期波を検出することができる。
【００４６】
ところで、本発明の要旨は、搬送波位相距離λ１φｉから各種誤差成分を除去するようにしたものであり、以下、その除去について説明する。
すなわち、ＧＰＳによる観測値である搬送波位相距離λ１φｉ（ｔ）は下記（１２）式にて表わされる。
【００４７】
λ１φｉ（ｔ）＝ρ０＋ｃ（ｄｔ−ｄＴ）−Ｉ＋Ｔ＋λ１Ｎ＋ε ・・・（１２）
但し、ρ０は衛星と受信機の真の距離、ｃは光速、ｄｔは受信機時計誤差、ｄＴは衛星時計誤差、Ｉは電離層遅延量、Ｔは対流圏遅延量、λ１Ｎはアンビギュイティ（一定）、εはマルチパスを含む不確定誤差を示す。
【００４８】
上記（１２）式中には、衛星時計誤差、受信機時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などがあるが、これらを除去することにより計測精度が向上する。
すなわち、ＧＰＳ衛星の精密な軌道情報および時計情報については衛星情報取得部１１にて得られるとともに、電離層遅延量および対流圏遅延量については演算により求められる。また、ＧＰＳ受信機の時計誤差ｄｔは、各衛星のデータに共通に含まれる成分であるため、衛星間一重差によって消去される。
【００４９】
なお、（１２）式中には、マルチパスによる誤差εが含まれているが、観測点が海面上であるため、周囲に反射物体がないので、無視することができる。
すると、上記（１２）式から精密に推定し得る誤差成分を除去すると、下記の（１３）式が得られる。
【００５０】
λ１φｉ＝ρ０＋λ１Ｎ ・・・（１３）
なお、アンビギュイティλ１Ｎは定数であるため、上述したバンドパスフィルタを通すことにより除去することができる。
【００５１】
このように、浮体からＧＰＳ衛星までの計測距離に含まれている各種誤差成分を精密に推定して除去するようにしたので、搬送波位相を用いた単独測位方式つまりＰＶＤ法でも、中周期波を精度良く計測することができる。
【００５２】
すなわち、ＲＴＫ−ＧＰＳのように、基準局を別途必要とすることがないので、設備コストの低減化を図ることができるとともに、送信データ量も少なくすることができる。
なお、上述した演算部、算出部などの各構成部における演算については、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
【００５３】
次に、上記計測装置による中周期波の計測方法を概略的に説明する。
すなわち、浮体Ｆが所定海域に係留されている状態でしかもＧＰＳ受信機３１が作動しているものとし、且つ衛星情報機関ＥからＧＰＳ衛星の精密暦である衛星情報が衛星情報取得部１１にて取得されているとともに、浮体Ｆ近傍の各電子基準点Ｄから補正用データが基準点データ取得部１２にて取得されており、また、時々刻々（エポック毎に）ＧＰＳ受信機３１の距離計測部３２にて擬似距離ρｉおよび搬送波位相距離λ１φｉが求められるものとする。
【００５４】
この状態で、衛星情報および補正用データが第１対流圏遅延量演算部１３に入力されて、浮体Ｆを囲む領域を形成する電子基準点Ｄ１〜Ｄ３での対流圏遅延量が求められるとともに、これらの対流圏遅延量Ｔ１〜Ｔ３から内挿法（または、外挿法）により、浮体Ｆにおける天頂方向での対流圏遅延量Ｔが求められる。
【００５５】
そして、この対流圏遅延量Ｔおよび衛星情報がデータ送信部１４から海面変位演算手段２のデータ受信部３３に送信され、第２対流圏遅延量演算部３５に入力され、ここで、ＧＰＳ受信機３１で得られたＧＰＳ衛星の軌道情報に基づき、そのＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量Ｔが求められる。
【００５６】
一方、電離層遅延量演算部３４には、擬似距離、搬送波位相距離、コードバイアスなどが入力されて、電離層遅延量Ｉが求められる。
そして、衛星受信機間距離演算部３６では、搬送波位相距離λ１φｉ、電離層遅延量Ｉ、対流圏遅延量Ｔなどが入力されて、搬送波位相距離から各種誤差成分が除去されて精度の良い搬送波位相距離が求められる。
【００５７】
そして、この搬送波位相距離は中周期変動成分抽出部３７に入力され、ここで、バンドパスフィルタにより、中周期変動成分だけが抽出される。
次に、この抽出された中周期変動成分は変位検出部３８に入力されて、ｚ方向（鉛直方向）での成分、つまり中周期波が抽出される。
上記計測方法を纏めると、以下のようになる。
【００５８】
この計測方法は、ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する方法であって、
ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を算出して上記搬送波位相距離から除去した後、フィルタを用いて上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する工程を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して行い、
次にＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求めて海面の中周期波を計測する際に、
上記電離層遅延量については、単独測位方式の測位用コードにより求められた擬似距離に係る電離層遅延量と、搬送波位相距離に係る電離層遅延量とを重み係数を用いて平滑化して求め、
且つ上記対流圏遅延量については、公開された精密暦である衛星情報および電子基準点からの補正用データに基づき、浮体設置位置での天頂方向の対流圏遅延量を求めるとともに、この対流圏遅延量をＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量に補正する方法である。
【００５９】
上述した計測方法および計測装置によると、単独測位方式により海面に浮遊する浮体の変位をＰＶＤ法により計測する際に、搬送波位相距離からＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などの各種誤差成分を除去するようにしたので、例えばＲＴＫ−ＧＰＳを用いなくても、簡便なＰＶＤ法を用いるとともに、このＰＶＤ法における搬送波位相距離に対してフィルタを通すことにより、安価な構成で且つ精度良く、３０秒〜２分程度の中周期波を計測することができる。当然ながら、ＲＴＫ−ＧＰＳのように、基準局を設ける必要がないとともに、基準局と観測局との距離を２０ｋｍ以下にする必要がなく、したがって陸から離れた海域でも、精度良く中周期波を計測することができる。
【符号の説明】
【００６０】
Ｄ 電子基準点
Ｅ 衛星情報公開機関
Ｆ 浮体
Ｋ 基地
１ 補正データ取得手段
２ 海面変位演算手段
１１ 衛星情報取得部
１２ 基準点データ取得部
１３ 対流圏遅延量演算部
１４ データ送信部
２１ 基準点側対流圏遅延量算出部
２２ 浮体側対流圏遅延量算出部
３１ ＧＰＳ受信機
３２ 距離計測部
３３ データ受信部
３４ 電離層遅延量演算部
３５ 第２対流圏遅延量演算部
３６ 衛星・受信機間距離演算部
３７ 中周期変動成分抽出部
３８ 変位検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＰＳ単独測位方式を用いた海面における中周期波の計測方法および計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海面の波については、周期が短いものから長いものが種々重なり合っている。例えば、波には、周期が数秒〜３０秒までの短周期の波浪、周期が３０秒〜２分までの中周期のうねり、２分以上の長周期のものが含まれている。特に、中周期波であるうねりは、港に係留された船舶のロープの切断や荷役作業の障害に繋がるため、中周期波の検出が望まれている。しかし、海面を見ているだけでは、中周期波を感じることが難しく、港湾関係者を悩ませている。
【０００３】
ところで、近年、ＧＰＳ測位システムを用いて波を検出する試みが行われているが、ＧＰＳ測位システムにより中周期波を観測するものとして、特許文献１に示された津波検知システムがある。
【０００４】
この津波検知システムは、頂部にＧＰＳアンテナを搭載したブイを沖合に浮かべ、海面変位に正確に追従するブイの位置をリアルタイムキネマティック方式（以下、ＲＴＫ−ＧＰＳと称す）にて計測することで、陸上に津波が到達する前に警報を出すことを目指したシステムである。このシステムによれば、周期が数秒程度の波浪から、周期が数１０分〜数時間の津波および周期が数時間〜数日の潮汐まで、あらゆる周期帯の波の計測が可能であり、時系列解析によって周期が数分の長周期波だけを抽出することができる。
【０００５】
しかし、ＲＴＫ−ＧＰＳによるため、観測点とは別に基準点を設け、ＧＰＳ受信機、無線設備などを設置する必要があり、システムが高価になるとともに、基線長を２０ｋｍ以内としなければ必要な計測精度を確保できず、海岸から遠く離れた海域に設置できないという問題があった。
【０００６】
このような問題に対して、ＧＰＳ単独測位方式によって短周期の波浪のみを計測し得るＰＶＤ法が特許文献２に提案されている。
この特許文献２に記載されたＰＶＤ法を使えば、ＧＰＳ受信機が設置された計測対象の変位を、基準点すなわち基準局を必要としない単独測位方式により数ｃｍ程度の誤差で検出することができる。
【０００７】
このＰＶＤ法は、Ｃ／Ａコードよりも波長がはるかに短い搬送波の位相を用いることで、相対測位法の一つで搬送波位相を用いて計測するＲＴＫ−ＧＰＳによる測位結果の変位とほぼ同等の精度でもって短周期の変動成分を計測できるもので、すなわち、単独測位にも拘わらず、非常に精度の高い計測結果が得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３８０３１７７号公報
【特許文献２】特許第３７５８９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このＰＶＤ法では、基準局を設置する必要がないため安価にシステムを構成できる。また、ＲＴＫ−ＧＰＳのようにアンビギュイティを決定する必要がないため、ＲＴＫ−ＧＰＳと比較して、はるかに計算量を減らせるというメリットがある。このように、風波のような短周期波（周期数秒〜２０秒程度）の計測には大変有効なＰＶＤ法ではあるが、基本的に単独測位方式であるため、ＲＴＫ−ＧＰＳのように２重差（衛星間１重差と受信機間１重差の差分）によるＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量等の誤差成分の除去を行うことができない。
【００１０】
すなわち、３０秒から数分を超えるような中周期の波を検出する場合には、電離層や対流圏の影響を受けることになり、計測精度が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、ＧＰＳ単独測位方式を用いた場合でも中周期波を精度良く計測し得る海面における中周期波の計測方法および計測装置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】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の海面における中周期波の計測方法は、ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する方法であって、
ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を算出して上記搬送波位相距離から除去した後、フィルタを用いて上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する工程を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して行い、
次にＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求めて海面の中周期波を計測する際に、
上記電離層遅延量については、単独測位方式の測位用コードにより求められた擬似距離に係る電離層遅延量と、搬送波位相距離に係る電離層遅延量とを重み係数を用いて平滑化して求め、
且つ上記対流圏遅延量については、公開された精密暦である衛星情報および電子基準点からの補正用データに基づき、浮体設置位置での天頂方向の対流圏遅延量を求めるとともに、この対流圏遅延量をＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量に補正する方法である。
【００１２】
また、本発明の海面における中周期波の計測装置は、ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する装置であって、
所定海域の海面に係留される浮体と、
この浮体に設けられたＧＰＳ受信機と、
このＧＰＳ受信機に設けられてＧＰＳ衛星までの測位用コードによる擬似距離および搬送波位相による搬送波位相距離を計測する距離計測部と、
この距離計測部で求められた擬似距離および搬送波位相距離に関する各電離層遅延量を重み係数を用いて平滑化して補正用の電離層遅延量を求める電離層遅延量演算部と、
公開されたＧＰＳ衛星の精密暦である衛星情報および少なくとも３箇所の電子基準点から補正用データを入力して浮体設置位置における天頂方向での対流圏遅延量を求める第１対流圏遅延量演算部と、
この第１対流圏遅延量演算部で求められた対流圏遅延量を入力するとともにＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での補正用の対流圏遅延量を求める第２対流圏遅延量演算部と、
上記距離計測部で求められた搬送波位相距離に対して、ＧＰＳ衛星における時計誤差、上記補正用の電離層遅延量および上記補正用の対流圏遅延量を除去した搬送波位相距離を求める衛星・受信機間距離演算部と、
この衛星・受信機間距離演算部で求められた搬送波位相距離にフィルタをかけることにより周期が３０秒〜２分の中周期変動成分を抽出する中周期変動成分抽出部と、
ＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求める変位検出部とを具備したものである。
【発明の効果】
【００１３】
上記計測方法および計測装置によると、単独測位方式により海面に浮遊する浮体の変位をＰＶＤ法により計測する際に、搬送波位相距離からＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などの誤差成分を除去するようにしたので、例えばＲＴＫ−ＧＰＳを用いなくても、簡便なＰＶＤ法を用いるとともに、このＰＶＤ法による搬送波位相距離に対してフィルタを通すことにより、安価な構成で且つ精度良く、３０秒〜２分程度の中周期波を計測することができる。当然ながら、ＲＴＫ−ＧＰＳのように、基準局を設ける必要がないとともに、基準局と観測局との距離を２０ｋｍ以下にする必要がなく、したがって陸から離れた海域でも、精度良く中周期波を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る海面の中周期波の計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】同計測装置の対流圏遅延量の算出方法を説明する模式図である。
【図３】同計測装置による計測原理を説明する座標系の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る海面の中周期波の計測方法および計測装置を具体的に示した実施例に基づき説明する。
本発明に係る海面の中周期波とは、３０秒〜数分程度（例えば２分程度）の周期の波をいう。また、この中周期波の計測に際しては、ＧＰＳ（全地球測位システム）が用いられ、ＧＰＳ衛星から送信される電波、すなわちＬ１帯およびＬ２帯の電波すなわち搬送波による単独測位方式が用いられるとともに、この単独測位方式による場合でも、精度よく計測を行い得るＰＶＤ（Point precise Variance Detection）法が用いられる。これは単独ＧＰＳ受信機にて観測される片道搬送波位相を用いた精密変動観測法であり後述する。
【００１６】
この単独測位方式では、両搬送波に乗っている測位用コードにより計測される擬似距離ρＬ１およびρＬ２と、搬送波の波数すなわち搬送波位相をカウントすることにより計測される搬送波位相距離λＬ１φＬ１およびλＬ２φＬ２とが計測される。
【００１７】
ところで、本発明の要旨は、上記ＰＶＤ法を用いて中周期波の計測（検出）を行うことを目的とする。すなわち、ＰＶＤ法により求められるＧＰＳ衛星とＧＰＳ受信機との間の計測距離に対して、中周期波の計測精度を上げるために、ＧＰＳ衛星の位置の誤差、ＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などの各種誤差成分を除去するようにしたものである。
【００１８】
このため、本発明の計測装置は、図１に示すように、大きく分けて、陸上の施設Ｋ側に設けられる補正データ取得手段１と、海面の変位を計測するための浮体Ｆ側に設けられる海面変位演算手段２とから構成されており、以下、図面に基づき説明する。
【００１９】
この補正データ取得手段１には、ＧＰＳ衛星の精密な軌道情報および時計情報（所謂、精密暦であり、以下、これらを衛星情報とも称す）を公開している衛星情報公開機関Ｅからこれらの衛星情報を取得する衛星情報取得部１１と、全国に設けられた電子基準点Ｄで求められた補正用の基準点データを取得する基準点データ取得部１２と、上記衛星情報取得部１１および基準点データ取得部１２から衛星情報および基準点データを入力して電子基準点Ｄにおける天頂方向（鉛直方向）での対流圏遅延量を求める第１対流圏遅延量演算部１３と、上記衛星情報取得部１１で得られたＧＰＳ衛星の軌道情報および時計情報並びに第１対流圏遅延量演算部１３で求められた対流圏遅延量を入力してこれら補正用のデータを浮体Ｆ側に設けられた海面変位演算手段２に送信するデータ送信部１４とが具備されている。
【００２０】
上記第１対流圏遅延量演算部１３は、各電子基準点Ｄにおける天頂方向の対流圏遅延量を求める基準点側対流圏遅延量算出部２１と、この基準点側対流圏遅延量算出部２１で求められた対流圏遅延量から浮体Ｆ（予め、設置位置が分かっている）における天頂方向での対流圏遅延量を求める浮体側対流圏遅延量算出部２２とから構成されている。
【００２１】
上記基準点側対流圏遅延量算出部２１では、衛星情報取得部１１で得られた衛星情報および基準点データ取得部１２で得られた基準点データが入力されて各基準点における対流圏遅延量が算出される。
【００２２】
電子基準点の座標は事前の測量によって既知であり、ＧＰＳ衛星の軌道も衛星情報公開機関Ｅから衛星情報が得られるため既知である。したがって、ＧＰＳ衛星から電子基準点までの正確な距離が既知ということになる。また、電離層遅延量は後述する２周波線形結合を用いた式（３）により推定可能である。
つまり、ＧＰＳ受信機で計測（カウント）したＧＰＳ衛星から電子基準点の距離（搬送波位相距離）から電離層遅延量を除去した値、すなわち電離層フリー結合を観測量とし、対流圏遅延量、時計誤差、アンビギュイティを未知数とする三元一次連立方程式が立てられる（ＧＰＳ衛星の数だけ方程式が立てられる）。
【００２３】
この三元一次連立方程式は、周知の方法であるカルマンフィルタを用いれば、未知数である対流圏遅延量、時計誤差、アンビギュイティを逐次的に推定できる。ある期間のカルマンフィルタ計算の後、アンビギュイティが一定値に収束すれば、同時に対流圏遅延量も推定されており、このようにして各電子基準点における対流圏遅延量を求める事が出来る。
【００２４】
一方、上記浮体側対流圏遅延量算出部２２では、図２に示すように、浮体Ｆを囲むように選択された３つの電子基準点（４つまたはそれ以上の基準点であってもよい）Ｄ（Ｄ１〜Ｄ３）での対流圏遅延量Ｔ１〜Ｔ３から、浮体Ｆでの対流圏遅延量Ｔを例えば内挿法により算出する。浮体Ｆが電子基準点Ｄで囲む領域（図２では三角形で囲まれる領域）の外側に位置している場合には、外挿法により求められる。なお、電子基準点Ｄで囲まれる領域について、対流圏遅延量を示す二次元マップを作成し、この二次元マップから浮体Ｆの位置における対流圏遅延量を求めるようにしてもよい。この場合、対流圏遅延量の二次元マップ作成部が設けられる。
【００２５】
次に、海面変位演算手段２について説明する。
この海面変位演算手段２は、浮体Ｆに設けられるとともに距離計測部３２を有するＧＰＳ受信機３１と、補正データ取得手段１から送信される補正用データを受信するデータ受信部３３と、ＧＰＳ受信機３１の距離計測部３２で得られた擬似距離、搬送波位相距離、データ受信部３３で得られたコードバイアスなどを入力して電離層遅延量を求める電離層遅延量算出部３４と、上記データ受信部３３で受信されたＧＰＳ衛星の衛星情報および浮体側対流圏遅延量を入力して浮体Ｆにおける衛星方向での対流圏遅延量を求める第２対流圏遅延量算出部３５と、上記距離計測部３２で得られた擬似距離、搬送波位相距離、および上記電離層遅延量算出部３４で求められた電離層遅延量、第２対流圏遅延量算出部３５で求められた対流圏遅延量、並びにデータ受信部３３で受信された補正用データであるＧＰＳ衛星の時計誤差を入力し各種誤差成分を除去した搬送波位相による衛星・受信機間距離を求める衛星・受信機間距離演算部３６と、この衛星・受信機間距離演算部３６で求められた衛星・受信機間距離にバンドパスフィルタをかけて（勿論、ローパスフィルタとハイパスフィルタとを別々にかけるようにしてもよい）中周期変動成分を抽出する中周期変動成分抽出部３７と、この中周期変動成分抽出部３７で抽出された中周期変動成分を入力するとともに、この中周期変動成分から中周期波を検出する変位検出部３８とから構成されている。なお、中周期変動成分抽出部３７と変位検出部３８とでＰＶＤ法が実行される。
【００２６】
上記電離層遅延量演算部３４では、２種類の周波数の搬送波Ｌ１，Ｌ２による擬似距離から得られる電離層遅延量Ｉρと、同じく２つの搬送波Ｌ１，Ｌ２による搬送波位相距離から得られる電離層遅延量Ｉφとが求められ、さらにこの２つの電離層遅延量Ｉρ，Ｉφを用いて平滑化された精密な電離層遅延量Ｉが求められる。
【００２７】
擬似距離に基づく電離層遅延量Ｉρは下記（１）式により、また搬送波位相距離に基づく電離層遅延量Ｉφは下記（２）式により求められる。
【００２８】
【数１】
上記式中、ρＬ１，ρＬ２はＬ１，Ｌ２による擬似距離、φＬ１，φＬ２はＬ１，Ｌ２による搬送波位相（単位はサイクル）、ＤＰ１Ｐ２はコードハイアス差（Ｐ１−Ｐ２），ＤＰ１Ｃ１はコードハイアス差（Ｐ１−Ｃ１）、λＬ１，λＬ２はＬ１，Ｌ２の波長、ｆＬ１，ｆＬ２はＬ１，Ｌ２の波長、ΔＮｉｏｎはＬ１，Ｌ２の搬送波位相に含まれるアンビギュイティである。
【００２９】
なお、ＧＰＳ衛星からのＬ１搬送波とＬ２搬送波の送信タイミングのずれによって発生するバイアスＤＰ１Ｐ２およびＤＰ１Ｃ１はコードバイアス差と呼ばれ、これらについては、衛星情報公開機関Ｅから得ることができる。
【００３０】
また、平滑化される電離層遅延量Ｉは下記（３）式により求められる。
この電離層遅延量Ｉは、観測ノイズの大きい擬似距離から求めた電離層遅延量Ｉρを、観測ノイズの小さい搬送波位相距離から求めた電離層遅延量Ｉφで平滑化されるもので、高精度で且つ逐次的に求められる。また、（３）式のＭは平滑化定数で、Ｍを大きくすると、搬送波位相距離から求めた電離層遅延量の重みが増えるため、平滑化が強まる。なお、ｋは時刻（エポック）を示す。
【００３１】
【数２】
次に、上記衛星・受信機間距離演算部３６および中周期変動成分抽出部３７で、単独測位方式に基づくＰＶＤ法を用いて衛星・受信機間距離を求める手順について説明する。
【００３２】
ここでは、海面の変位（変動）に長周期変動成分と短周期変動成分とが含まれており、この短周期変動成分を抽出する場合について説明する。しかし、本発明では、３０秒〜２分程度の中周期波、すなわち中周期変動成分を抽出することになるが、これについては後述する。
【００３３】
なお、海面の変位を計測する所定海域には浮体が係留されており、この浮体には、上述したように、ＧＰＳ受信機が設けられるとともに、当該ＧＰＳ受信機には、測位用コードによる擬似距離と、搬送位相波をカウントしてＧＰＳ衛星までの搬送波位相距離を測定するための距離計測部が備えられているものとする。また、浮体に設けられているＧＰＳ受信機の設置位置を観測点と称して説明する。
【００３４】
まず、ＧＰＳ衛星（ｉ）と観測点であるＧＰＳ受信機との距離をρｉ、長周期変動成分をρｉ１、短周期変動成分をρｉ２とすると、下記（４）式の関係が成立する。なお、以下の式中においては、長周期変動成分（ρｉ１）は「ハットρｉ」で、また短周期変動成分（ρｉ２）は「チルダρｉ」で表わしている。
【００３５】
【数３】
したがって、ＧＰＳ受信機の設置位置である観測点の変動量（ｘ，ｙ，ｚ）を、長周期変動成分（ｘ１，ｙ１，ｚ１；１はハットを示す）および短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２；２はチルダを示す）で表わすと、下記（５）式のようになる。
【００３６】
【数４】
そして、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は、観測点とＧＰＳ衛星との間の距離ρｉに比べて、十分に小さいので下記（６）式が成立する。
【００３７】
【数５】
上記（６）式の（ｅｉｘ，ｅｉｙ，ｅｉｚ）は観測点からＧＰＳ衛星へのベクトルの三次元座標成分つまり単位ベクトルであり、図３に示すように、観測点から見たＧＰＳ衛星（ｉ）の仰角θｉおよび方位角ψｉを用いて表わすと下記（７）式のようになる。
【００３８】
【数６】
したがって、仰角θｉおよび方位角ψｉが分かれば、（ｅｉｘ，ｅｉｙ，ｅｉｚ）は既知となる。なお、これらの角度θｉ，ψｉについては、ＧＰＳ衛星から送られる軌道情報（正確には、軌道情報から得られる位置データである）から知ることができる。
【００３９】
そして、（４）式と（６）式、および（７）式から、下記（８）式が成立する。
【００４０】
【数７】
したがって、３つのＧＰＳ衛星を利用することにより、上記（８）式で表わされる三元一次方程式が３個得られることになり、これら３個の三元一次連立方程式を解くことにより、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を求めることができる。この短周期変動成分の上記単位ベクトル方向の３つのｘ，ｙ，ｚ成分のうち、上下方向のｚ成分が海面の変位に相当する。すなわち、観測点とＧＰＳ衛星との間の短周期変動成分ρｉ２が分かれば、海面変位である波の高さが求められることになる。
【００４１】
次に、上述した距離ρによる波の高さの求め方を搬送波位相φによる距離（λφ）に適用した場合について説明する。
すなわち、ＧＰＳ受信機で受信したＧＰＳ衛星（ｉ）からの搬送波位相φｉ（サイクル数）を長周期変動成分φｉ１（ハット）と短周期変動成分φｉ２（チルダ）とで表わすと、下記（９）式のようになる。
【００４２】
【数８】
一方、Ｌ１搬送波の波長をλ１とすると、下記の（１０）式のようになる。
【００４３】
【数９】
この（１０）式を上記（８）式に適用すると下記（１１）式が得られる。
【００４４】
【数１０】
したがって、上述したように、３個以上のＧＰＳ衛星について、φｉ２がそれぞれ求まれば、短周期変動成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）を得ることができる。
【００４５】
そして、短周期変動成分φｉ２は、観測値である搬送波位相距離φｉに適切なフィルタ、例えばハイパスフィルタを通すことにより求めることができる。
すなわち、フィルタとして３０秒〜２分程度の中周期変動成分を通過させ得るバンドパスフィルタを用いることにより、本発明の目的とする中周期波を検出することができる。
【００４６】
ところで、本発明の要旨は、搬送波位相距離λ１φｉから各種誤差成分を除去するようにしたものであり、以下、その除去について説明する。
すなわち、ＧＰＳによる観測値である搬送波位相距離λ１φｉ（ｔ）は下記（１２）式にて表わされる。
【００４７】
λ１φｉ（ｔ）＝ρ０＋ｃ（ｄｔ−ｄＴ）−Ｉ＋Ｔ＋λ１Ｎ＋ε ・・・（１２）
但し、ρ０は衛星と受信機の真の距離、ｃは光速、ｄｔは受信機時計誤差、ｄＴは衛星時計誤差、Ｉは電離層遅延量、Ｔは対流圏遅延量、λ１Ｎはアンビギュイティ（一定）、εはマルチパスを含む不確定誤差を示す。
【００４８】
上記（１２）式中には、衛星時計誤差、受信機時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などがあるが、これらを除去することにより計測精度が向上する。
すなわち、ＧＰＳ衛星の精密な軌道情報および時計情報については衛星情報取得部１１にて得られるとともに、電離層遅延量および対流圏遅延量については演算により求められる。また、ＧＰＳ受信機の時計誤差ｄｔは、各衛星のデータに共通に含まれる成分であるため、衛星間一重差によって消去される。
【００４９】
なお、（１２）式中には、マルチパスによる誤差εが含まれているが、観測点が海面上であるため、周囲に反射物体がないので、無視することができる。
すると、上記（１２）式から精密に推定し得る誤差成分を除去すると、下記の（１３）式が得られる。
【００５０】
λ１φｉ＝ρ０＋λ１Ｎ ・・・（１３）
なお、アンビギュイティλ１Ｎは定数であるため、上述したバンドパスフィルタを通すことにより除去することができる。
【００５１】
このように、浮体からＧＰＳ衛星までの計測距離に含まれている各種誤差成分を精密に推定して除去するようにしたので、搬送波位相を用いた単独測位方式つまりＰＶＤ法でも、中周期波を精度良く計測することができる。
【００５２】
すなわち、ＲＴＫ−ＧＰＳのように、基準局を別途必要とすることがないので、設備コストの低減化を図ることができるとともに、送信データ量も少なくすることができる。
なお、上述した演算部、算出部などの各構成部における演算については、プログラムによりその機能が実現されるものである。勿論、必要に応じて、各構成部は同一のプログラムに組み込まれているが、ここでは、説明を分かり易くするために、機能に応じた構成部でもって説明を行っている。
【００５３】
次に、上記計測装置による中周期波の計測方法を概略的に説明する。
すなわち、浮体Ｆが所定海域に係留されている状態でしかもＧＰＳ受信機３１が作動しているものとし、且つ衛星情報機関ＥからＧＰＳ衛星の精密暦である衛星情報が衛星情報取得部１１にて取得されているとともに、浮体Ｆ近傍の各電子基準点Ｄから補正用データが基準点データ取得部１２にて取得されており、また、時々刻々（エポック毎に）ＧＰＳ受信機３１の距離計測部３２にて擬似距離ρｉおよび搬送波位相距離λ１φｉが求められるものとする。
【００５４】
この状態で、衛星情報および補正用データが第１対流圏遅延量演算部１３に入力されて、浮体Ｆを囲む領域を形成する電子基準点Ｄ１〜Ｄ３での対流圏遅延量が求められるとともに、これらの対流圏遅延量Ｔ１〜Ｔ３から内挿法（または、外挿法）により、浮体Ｆにおける天頂方向での対流圏遅延量Ｔが求められる。
【００５５】
そして、この対流圏遅延量Ｔおよび衛星情報がデータ送信部１４から海面変位演算手段２のデータ受信部３３に送信され、第２対流圏遅延量演算部３５に入力され、ここで、ＧＰＳ受信機３１で得られたＧＰＳ衛星の軌道情報に基づき、そのＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量Ｔが求められる。
【００５６】
一方、電離層遅延量演算部３４には、擬似距離、搬送波位相距離、コードバイアスなどが入力されて、電離層遅延量Ｉが求められる。
そして、衛星受信機間距離演算部３６では、搬送波位相距離λ１φｉ、電離層遅延量Ｉ、対流圏遅延量Ｔなどが入力されて、搬送波位相距離から各種誤差成分が除去されて精度の良い搬送波位相距離が求められる。
【００５７】
そして、この搬送波位相距離は中周期変動成分抽出部３７に入力され、ここで、バンドパスフィルタにより、中周期変動成分だけが抽出される。
次に、この抽出された中周期変動成分は変位検出部３８に入力されて、ｚ方向（鉛直方向）での成分、つまり中周期波が抽出される。
上記計測方法を纏めると、以下のようになる。
【００５８】
この計測方法は、ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する方法であって、
ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を算出して上記搬送波位相距離から除去した後、フィルタを用いて上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する工程を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して行い、
次にＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求めて海面の中周期波を計測する際に、
上記電離層遅延量については、単独測位方式の測位用コードにより求められた擬似距離に係る電離層遅延量と、搬送波位相距離に係る電離層遅延量とを重み係数を用いて平滑化して求め、
且つ上記対流圏遅延量については、公開された精密暦である衛星情報および電子基準点からの補正用データに基づき、浮体設置位置での天頂方向の対流圏遅延量を求めるとともに、この対流圏遅延量をＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量に補正する方法である。
【００５９】
上述した計測方法および計測装置によると、単独測位方式により海面に浮遊する浮体の変位をＰＶＤ法により計測する際に、搬送波位相距離からＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量、対流圏遅延量などの各種誤差成分を除去するようにしたので、例えばＲＴＫ−ＧＰＳを用いなくても、簡便なＰＶＤ法を用いるとともに、このＰＶＤ法における搬送波位相距離に対してフィルタを通すことにより、安価な構成で且つ精度良く、３０秒〜２分程度の中周期波を計測することができる。当然ながら、ＲＴＫ−ＧＰＳのように、基準局を設ける必要がないとともに、基準局と観測局との距離を２０ｋｍ以下にする必要がなく、したがって陸から離れた海域でも、精度良く中周期波を計測することができる。
【符号の説明】
【００６０】
Ｄ 電子基準点
Ｅ 衛星情報公開機関
Ｆ 浮体
Ｋ 基地
１ 補正データ取得手段
２ 海面変位演算手段
１１ 衛星情報取得部
１２ 基準点データ取得部
１３ 対流圏遅延量演算部
１４ データ送信部
２１ 基準点側対流圏遅延量算出部
２２ 浮体側対流圏遅延量算出部
３１ ＧＰＳ受信機
３２ 距離計測部
３３ データ受信部
３４ 電離層遅延量演算部
３５ 第２対流圏遅延量演算部
３６ 衛星・受信機間距離演算部
３７ 中周期変動成分抽出部
３８ 変位検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する方法であって、
ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を算出して上記搬送波位相距離から除去した後、フィルタを用いて上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する工程を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して行い、
次にＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求めて海面の中周期波を計測する際に、
上記電離層遅延量については、単独測位方式の測位用コードにより求められた擬似距離に係る電離層遅延量と、搬送波位相距離に係る電離層遅延量とを重み係数を用いて平滑化して求め、
且つ上記対流圏遅延量については、公開された精密暦である衛星情報および電子基準点からの補正用データに基づき、浮体設置位置での天頂方向の対流圏遅延量を求めるとともに、この対流圏遅延量をＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量に補正することを特徴とする海面における中周期波の計測方法。
【請求項２】
ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する装置であって、
所定海域の海面に係留される浮体と、
この浮体に設けられたＧＰＳ受信機と、
このＧＰＳ受信機に設けられてＧＰＳ衛星までの測位用コードによる擬似距離および搬送波位相による搬送波位相距離を計測する距離計測部と、
この距離計測部で求められた擬似距離および搬送波位相距離に関する各電離層遅延量を重み係数を用いて平滑化して補正用の電離層遅延量を求める電離層遅延量演算部と、
公開されたＧＰＳ衛星の精密暦である衛星情報および少なくとも３箇所の電子基準点から補正用データを入力して浮体設置位置における天頂方向での対流圏遅延量を求める第１対流圏遅延量演算部と、
この第１対流圏遅延量演算部で求められた対流圏遅延量を入力するとともにＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での補正用の対流圏遅延量を求める第２対流圏遅延量演算部と、
上記距離計測部で求められた搬送波位相距離に対して、ＧＰＳ衛星における時計誤差、上記補正用の電離層遅延量および上記補正用の対流圏遅延量を除去した搬送波位相距離を求める衛星・受信機間距離演算部と、
この衛星・受信機間距離演算部で求められた搬送波位相距離にフィルタをかけることにより周期が３０秒〜２分の中周期変動成分を抽出する中周期変動成分抽出部と、
ＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求める変位検出部とを具備したことを特徴とする海面における中周期波の計測装置。
【請求項１】
ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する方法であって、
ＧＰＳ受信機の距離計測部で求められた搬送波位相距離に含まれているＧＰＳ衛星の時計誤差、電離層遅延量および対流圏遅延量を算出して上記搬送波位相距離から除去した後、フィルタを用いて上記搬送波位相距離から３０秒〜２分までの中周期変動成分を抽出する工程を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して行い、
次にＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求めて海面の中周期波を計測する際に、
上記電離層遅延量については、単独測位方式の測位用コードにより求められた擬似距離に係る電離層遅延量と、搬送波位相距離に係る電離層遅延量とを重み係数を用いて平滑化して求め、
且つ上記対流圏遅延量については、公開された精密暦である衛星情報および電子基準点からの補正用データに基づき、浮体設置位置での天頂方向の対流圏遅延量を求めるとともに、この対流圏遅延量をＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での対流圏遅延量に補正することを特徴とする海面における中周期波の計測方法。
【請求項２】
ＧＰＳ衛星から送信される搬送波を海面に浮遊する浮体に設けられたＧＰＳ受信機にて受信するとともに、当該ＧＰＳ受信機で単独測位方式により計測された搬送波位相距離に基づき所定海域での海面の中周期波を計測する装置であって、
所定海域の海面に係留される浮体と、
この浮体に設けられたＧＰＳ受信機と、
このＧＰＳ受信機に設けられてＧＰＳ衛星までの測位用コードによる擬似距離および搬送波位相による搬送波位相距離を計測する距離計測部と、
この距離計測部で求められた擬似距離および搬送波位相距離に関する各電離層遅延量を重み係数を用いて平滑化して補正用の電離層遅延量を求める電離層遅延量演算部と、
公開されたＧＰＳ衛星の精密暦である衛星情報および少なくとも３箇所の電子基準点から補正用データを入力して浮体設置位置における天頂方向での対流圏遅延量を求める第１対流圏遅延量演算部と、
この第１対流圏遅延量演算部で求められた対流圏遅延量を入力するとともにＧＰＳ衛星の位置データに基づきＧＰＳ衛星方向での補正用の対流圏遅延量を求める第２対流圏遅延量演算部と、
上記距離計測部で求められた搬送波位相距離に対して、ＧＰＳ衛星における時計誤差、上記補正用の電離層遅延量および上記補正用の対流圏遅延量を除去した搬送波位相距離を求める衛星・受信機間距離演算部と、
この衛星・受信機間距離演算部で求められた搬送波位相距離にフィルタをかけることにより周期が３０秒〜２分の中周期変動成分を抽出する中周期変動成分抽出部と、
ＧＰＳ受信機のＧＰＳ衛星に対する仰角および方位角を係数とするＧＰＳ受信機の三次元座標軸方向での変位を未知数とする式が上記抽出された中周期変動成に等しいとする三元一次方程式を少なくとも３個のＧＰＳ衛星に対して作成するとともに、この三元一次連立方程式を解くことにより中周期変動成分の高さ方向の変位を求める変位検出部とを具備したことを特徴とする海面における中周期波の計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２１１７９５（Ｐ２０１２−２１１７９５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７６９３８（Ｐ２０１１−７６９３８）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５１１９）日立造船株式会社 (764)
【Ｆターム（参考）】
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