14:30 〜 14:45
[SCG45-16] ウェーブグライダーによるGNSS-A観測データの準リアルタイム伝送
キーワード：GNSS音響観測、ウェーブグライダー、リアルタイム、自律観測、海底測地
GNSS音響（GNSS-A）観測による海底の地殻変動データは、海溝型巨大地震の長期評価および地震発生時の断層破壊域の把握に欠かせないものとなり、2011年東北沖地震後に急速に観測網が整備された。しかし、１観測点で１日程度の観測が必要とされるため、観測点数が増える中、船舶による観測では十分な頻度での観測が困難になってきている。そこで海洋研究開発機構と東北大学では、ウェーブグライダー（WG）と呼ばれる長期自律航行可能な海上プラットフォームを用いて、無人でのGNSS-A観測を開始した（Iinuma et al., 2021, Frontiers in Earth Science）。無人観測中に事後解析と同等の品質のデータを陸上で入手できれば、緊急時には状況の即時把握に繋がり、平時でもデータの品質や観測された変動データに応じて臨機応変に観測プランを修正できるメリットがある。これまでの４回のWGによる観測を通して、陸上からの命令により任意のタイミングで必要なデータを取得できるよう、システムの改良を重ね実用に達したので、自動観測の流れと併せて報告する。
WGと陸上との通信は、本体のナビゲーション関係はイリジウム衛星通信、GNSS-Aを含むペイロード関係はスラーヤ衛星通信経由で行っている。WGが目標観測点付近に到着し陸上からペイロードの電源を入れるとGNSS測位が始まる。登録されているいずれかの観測点にWGが一定距離まで近づくと、GNSSおよび姿勢データの収録が開始され、音響船上装置はスリープ解除等の音響コマンドを各海底局に送信する。コマンドが正常認識されたか否かを海底局からの返信をみて自動判定し、認識されるまで繰り返す。以降、各海底局への同時音響測距を1分間隔で繰り返し、音響波形を記録する。WGを観測点から離脱させることで自動で計測・データ収録が終了し、各機器はシャットダウンされ、最終的に陸上から電源を切る。
GNSS-Aの解析に必要なデータは、GNSSアンテナの座標、WG本体の姿勢、音響信号の往復走時の３つである。このうちGNSS測位は、Trimble CenterPoint RTXによる補正情報を受信することで、受信機のボード上でキネマティック精密単独測位解析をリアルタイムで行い、地殻変動検出に必要な精度の座標を10Hzで出力し記録する。姿勢は9軸MEMSセンサーによる20Hzの値の他、冗長系としてWGの前後に取り付けられたGNSSデュアル・アンテナによる10Hzの2成分の姿勢を記録する。さらに音響信号は100kHzで測距毎に約10秒間記録され、この時間窓の中に同時測距された全ての海底局の返信測距波形が収まる。
限られた通信帯域で陸上にデータを送るため、１測距毎に、測距波形送信時および理論走時に基づく各海底局からの予想受信時のアンテナ位置と姿勢を記録データから切り出す。送信時は正秒なので該当エポックの値をそのまま、受信時は任意の時刻のため各予想受信時直近の３エポックからのラグランジュ補間で求める。走時については波形の歪みにより単純な相互相関法によるピーク検出では不正確なため、相関波形の最大ピーク前後5波長分だけを切り出し陸上に送ることで、一連の測距での相関波形形状の連続性を考慮した正確な走時検出を可能にした。なお、WG上での相関処理に、位相情報のみを抽出することでサイドローブを抑制できるPhase Only Correlation (Honsho et al., 2021, Frontiers in Earth Science)を導入し、走時検出の正確性が大幅に改善された。これらの送信データ作成を測距間隔である1分以内に処理し保存しておくことで、陸上から任意のタイミングでの吸い上げが可能となる。送信データのサイズは、標準的な４局観測点で１測距あたり約570 bytes (gzip圧縮)、１時間分で34 KBにまで抑えられた。GNSSアンテナ位置と姿勢からトランスデューサの位置にまで変換してから送信することで、通信量を半分以下に減らすことも可能であるが、データに異常値があった場合に陸上からの問題の切り分けが難しくなるので、得策とは言えない。
2020年12月に実施したWGによる青森県東方沖の臨時観測では、陸上から取得したデータを解析し、WG回収後の事後解析や、通常の船舶による観測データと比較して遜色のない精度であることを実証し、臨時観測の目的を達することができた。今後自動観測およびリアルタイム処理の完成度を高めるため、海底局が想定範囲を超えて応答しない場合の処理や、陸上に送られてきたデータの完全自動処理アルゴリズムを改善する。講演では、システムの詳細のほか、実データで検証した各処理段階での精度についても紹介する。
WGと陸上との通信は、本体のナビゲーション関係はイリジウム衛星通信、GNSS-Aを含むペイロード関係はスラーヤ衛星通信経由で行っている。WGが目標観測点付近に到着し陸上からペイロードの電源を入れるとGNSS測位が始まる。登録されているいずれかの観測点にWGが一定距離まで近づくと、GNSSおよび姿勢データの収録が開始され、音響船上装置はスリープ解除等の音響コマンドを各海底局に送信する。コマンドが正常認識されたか否かを海底局からの返信をみて自動判定し、認識されるまで繰り返す。以降、各海底局への同時音響測距を1分間隔で繰り返し、音響波形を記録する。WGを観測点から離脱させることで自動で計測・データ収録が終了し、各機器はシャットダウンされ、最終的に陸上から電源を切る。
GNSS-Aの解析に必要なデータは、GNSSアンテナの座標、WG本体の姿勢、音響信号の往復走時の３つである。このうちGNSS測位は、Trimble CenterPoint RTXによる補正情報を受信することで、受信機のボード上でキネマティック精密単独測位解析をリアルタイムで行い、地殻変動検出に必要な精度の座標を10Hzで出力し記録する。姿勢は9軸MEMSセンサーによる20Hzの値の他、冗長系としてWGの前後に取り付けられたGNSSデュアル・アンテナによる10Hzの2成分の姿勢を記録する。さらに音響信号は100kHzで測距毎に約10秒間記録され、この時間窓の中に同時測距された全ての海底局の返信測距波形が収まる。
限られた通信帯域で陸上にデータを送るため、１測距毎に、測距波形送信時および理論走時に基づく各海底局からの予想受信時のアンテナ位置と姿勢を記録データから切り出す。送信時は正秒なので該当エポックの値をそのまま、受信時は任意の時刻のため各予想受信時直近の３エポックからのラグランジュ補間で求める。走時については波形の歪みにより単純な相互相関法によるピーク検出では不正確なため、相関波形の最大ピーク前後5波長分だけを切り出し陸上に送ることで、一連の測距での相関波形形状の連続性を考慮した正確な走時検出を可能にした。なお、WG上での相関処理に、位相情報のみを抽出することでサイドローブを抑制できるPhase Only Correlation (Honsho et al., 2021, Frontiers in Earth Science)を導入し、走時検出の正確性が大幅に改善された。これらの送信データ作成を測距間隔である1分以内に処理し保存しておくことで、陸上から任意のタイミングでの吸い上げが可能となる。送信データのサイズは、標準的な４局観測点で１測距あたり約570 bytes (gzip圧縮)、１時間分で34 KBにまで抑えられた。GNSSアンテナ位置と姿勢からトランスデューサの位置にまで変換してから送信することで、通信量を半分以下に減らすことも可能であるが、データに異常値があった場合に陸上からの問題の切り分けが難しくなるので、得策とは言えない。
2020年12月に実施したWGによる青森県東方沖の臨時観測では、陸上から取得したデータを解析し、WG回収後の事後解析や、通常の船舶による観測データと比較して遜色のない精度であることを実証し、臨時観測の目的を達することができた。今後自動観測およびリアルタイム処理の完成度を高めるため、海底局が想定範囲を超えて応答しない場合の処理や、陸上に送られてきたデータの完全自動処理アルゴリズムを改善する。講演では、システムの詳細のほか、実データで検証した各処理段階での精度についても紹介する。