VLBI基線観測

三角測量の基線は2点間の距離を基線尺といわれる物差しで正確に測りました。しかし大陸間など地球規模の2点間の距離となると物差しでは測れません。近年はVLBI(Very Long Baseline Interferometory、超長基線電波干渉法)による基線観測が国際活動として行われています。VLBIはもともと電波天文学の分野での計測方法であって電波天文観測用干渉計として1950年代からありましたが当時は個々のアンテナ間の観測時刻の同期をとるための通信回線が不安定であったため高精度を必要とするVLBIの開発に問題がありました。しかし1960年代から個々に独立した正確な周波数標準(時計)と高性能の磁気記録方式の採用により改善されてきました。

VLBIは数十億光年はなれた準星(クエーサーQuasar)からの電波を地球上の複数地点で同時に受信して同じ信号の受信時刻の差である遅延時間から相互の位置関係を測ります。受信する信号は周期性をもたない雑音であり複数地点での遅延時間が判定できます。準星は電波星ともいいますが強烈なエネルギーを放出している天体であり測量を目的とするVLBIにつかえるのは50個ほどです。受信時刻の測定は水素原子の共鳴周波数にもとづいて1秒の長さをきめる水素メーザ原子時計をつかいます。これによって遅延時間を1000億分の1秒の精度で測定できます。メーザーは非常に安定した周波数のマイクロ波を発信する装置でレーザーと同様に原子の誘導放出の原理を用いています。

地球表面上のA地点とB地点に受信アンテナをおき準星Sからの電波をA、B同時刻に受信します。アンテナの方向を調整する作業はポインティングといい受信電波のスペクトルの変動をしらべ正確な方向を得ます。Sは地球から見て無限遠にあるのでSからAへの電波とSからBへの電波は平行に伝搬されると考えられます。そこでSからの電波の形状と観測時刻をA、Bでそれぞれ記憶媒体に記録しておき、ついでその記録を一ヶ所に集めて大型計算機で相関処理をします。計算機上でAとBの受信電波を干渉させて受信信号がもっとも強めあう条件を導き、Sからの電波に含まれる特定信号パターンのAでの受信時刻taとBでの受信時刻tbとの差、すなわち遅延時間t(0〜0.02秒程度)が求められます、これに光速度(秒速30万キロメートル)を乗じるとA,B間の電波の到来方向からみた光路差(行路差)Dが算出できます。しかし、この光路差Dは地球表面でのA,B2点間の距離ではありません。A、B間の距離をL、準星の高度角(受信アンテナの方向)をαとすると光路差 D=Lcosα の関係がなりたちLを求めることができます。異なる3個(3方向)以上の準星S、T,U、・・・・にたいしてA,Bから観測すれば地球上の2地点A、Bの3次元的な位置関係がわかります。

VLBIによる準星からの受信観測は24時間で200から3000回程度できます。地球表面上で数千キロメートル離れている2地点間の距離を数ミリメートル程度の誤差で測定可能であり全地球的な規模でのプレート運動や海水面の変動、地殻変動の検出にも応用されます。VLBIはGNSS(GPS)のように地球の重力とのバランスで周回している人工衛星からの信号を利用するものではないので地球の重力中心からの距離(高さ)は直接、測ることはできません。

つくば国土地理院VLBI観測施設

地図:上郷

つくばの国土地理院の構内にあるVLBIのパラボラアンテナです。口径32メートル、重量450トンあり、毎秒3度の角度で回転することができます。つくばでは1998年(平成10)から観測を開始していますが測地成果2000といわれる新しい国際基準づくりに貢献しました。このアンテナは微弱な電波の受信専用で中継アンテナのように送信はしないので人体や受信障害などの影響はありません。

つくばより小型ですがVLBI固定観測局が北海道新十津川町、茨城県鹿嶋市、東京都小笠原村、鹿児島県姶良町の4地点にあります。ハワイと茨城県鹿嶋市に置かれたVLBI受信アンテナ間の距離が年間約8センチメートルずつ縮んでいることもわかりました。

VLBIの解析で計算される座標値はアンテナの駆動軸の中心(Az=Azimuth, El=Elevationの中心)の値です。これを通常の測量で容易に利用するためにVLBIの中心とアンテナ近傍に埋設された標識や電子基準点などとの位置関係を正確に測る必要があります。これをコロケーション(Collocation)といいます。VLBI観測点はコロケーションによってVLBIと三角点などの国家基準点網とを測地的に関係づけられた金属製標識です。

2001年(平成13)の新測量法(同施行令)では東京にある日本経緯度原点に対する原点方位角の目標点に定められています。この金属標は直径15センチメートルのステンレス製で大理石の基台にはめ込まれています。

つくばの観測施設は1998年(平成10)に完成しましたが、2016年(平成28)年から、つくばVLBIに替わり高性能の石岡測地観測局が本格運用になり、つくばVLBIは同年末で運用を終了、2017年(平成29)にはアンテナが撤去されました。

VLBI補助点標識

地図:上郷

つくばのVLBIのパラボラアンテナ近くの構内で見かけた「VLBI補助点」という標識です。三角点なみに保護石もありました。後日しらべたところ他にも数点あります。VLBIのパラボラアンテナの中心が変動することがないよう点検のために設置されているものです。

可搬型受信アンテナ

地図:上郷

つくばの国土地理院構内にはVLBI可搬型アンテナもあり全国に移動することができます。近畿地方では和歌山県の海南市に設置場所があります。可搬型は1986年(昭和61)に完成し固定観測局が整備される1990年代なかばまで活躍していました。アンテナの直径は5、高さ7メートル、重量は10トンあります。

国土地理院石岡VLBI観測施設

地図:柿岡

国土地理院石岡測地観測局は2014年(平成26)10月に茨城県石岡市根小屋の茨城県畜産センター敷地内に開設されました。つくば本院の北東17キロメートル、気象庁地磁気観測所の南2キロメートルに位置し標高113.8メートルの高台にあります。強固な岩盤があり、電波環境も良好なことから、この地が選ばれました。今回は日本測地学会の集会で内部を見ることができましたが観測建屋は仮設の状態でした。VLBIのほかGNSS(GPS)連続観測点2基があり、将来は重力観測室も設置される予定です。

石岡の装置は次世代型VLBIアンテナといわれ国際協力ののもとで地球規模の測量を行い地球上の位置を1ミリメートルの精度で求め、一日24時間、年間連続して観測し国際的な座標系を構築、維持します。GNSS衛星測位の精度向上にも役立っています。

アンテナの口径は13.2メートル、受信周波数帯域は2〜14ギガヘルツ、毎秒水平方向(Az)12度、垂直方向(El)6度の角度で回転することができ、24時間で3000回の天体をとらえることができます。つくばの場合は500回です。解析結果の提供も24時間以内を目標にしています。一般的にVLBIアンテナはカセグレン型で放物面の主反射器とその中央に突き出た双曲面の副反射器がありますが石岡の副反射器は先端(内部から見て最奥)に受信部が組み込まれており従来のように反射板(鏡)で内部に導く複雑な機構はありません。

VLBI観測点はVLBIのアンテナの中心位置と国家基準点網とを測地的に関係づけるために設置された金属製標識で、つくばの観測点標識と同様です。

国土地理院父島VLBI観測施設

地図:父島

父島VLBI観測施設は、東京都小笠原村父島洲崎にあります。父島の中央西側のコペペという美しい海岸の近くです。1997年(平成9)に完成しましたが、2015年(平成27)末で運用を終了しアンテナは撤去されました。現在はアンテナ支持台のみ残されていますが、構内にはGPS受信装置、重力観測室などが現用設備としてあります。かつてのパラボラアンテナは口径10メートル、重量26トンあり、毎秒3度の角度で回転することができました。

茨城県鹿嶋市(通信総合研究所が建設し国土地理院に移管)のVLBIは2002年(平成14)に運用を終了、父島VLBIのほか北海道新十津川町、鹿児島県姶良町、つくば市の国土地理院本院の計4地点と移動観測局のVLBIは2013年(平成25)から2016年(平成28)にかけ運用を終了しました。



情報通信研究機構VLBI観測施設

地図:立川

小金井市にある情報通信研究機構NICT(National Insutitute of Information and Communications Technology)は独立行政法人で2004年に設立されましたが前身は通信総合研究所、さらに遡れば1952年郵政省の電波研究所として発足しています。電波研究所では1975年(昭和50)から同所鹿島支所と電電公社(現NTT)横須賀電気通信研究所の間でVLBI基礎実験が一応成功し、これが日本で最初のVLBIといわれています。現存のVLBIアンテナは小金井の森に囲まれた北部構内にあり直径11メートルです。

国立天文台VERA観測施設

地図:水沢、父島

VLBIはもともと電波天文学の分野での計測方法であって電波天文観測用干渉計として1950年代からありました。国立天文台ではVERA(VLBI Exploration of Radio Astrometry)というプロジェクトで口径20メートルの電波望遠鏡4基を用いてVLBIの手法により銀河系のメーザー(マイクロ波)を放出する天体の位置と運動を精密に測定しています。4基の配置は岩手県奥州市の水沢局、鹿児島県薩摩川内市の入来局、東京都小笠原村父島の小笠原局、沖縄県石垣市の石垣島局です。これらの4観測局の受信データを組み合わせて口径2300キロメートルの望遠鏡に相当する性能が得られます。

VLBIによって天体の位置を決めるには、あらかじめ受信アンテナの位置を極めて正確に測っておく必要があります。ところが地球は月と太陽の引力により変形します。海面の高さは一日2回上下し海洋潮汐といわれますが、地面も同じように10〜30センチメートル変形しており地球潮汐といいます。地上の重力も潮汐によって一千万分の一程度変化しています。これらの現象を踏まえ地表面の伸縮や傾斜、重力変化の測定などによって測地観測を行っています。

水沢局はJR水沢の近く、国立天文台水沢キャンパスにあり、小笠原局は父島中央高地、夜明山の北にあり夜間照明もされ小笠原の緑色に光るキノコ「グリーンぺぺ」になぞらえた「オレンジぺぺ」の愛称で親しまれています。天体からの電波を初受信した時点を「ファーストライト」といいますが水沢局は2001年(平成13)10月、小笠原局は2002年(平成14)2月でした。なお水沢局には1992年(平成4)に完成した口径10メートルの電波望遠鏡もあります。写真右奥のアンテナです。


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