ＶＬＢＩのしくみ

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による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。近年はＶＬＢＩを光格子時計の精度をしらべるためにも利用しています。

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高性能コンピューターで相関処理をします。コンピューター上で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。なおＶＬＢＩ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。

１９７０年代から郵政省電波研究所ではＶＬＢＩの開発に着手し、１９７７年（昭和５２）には茨城県鹿島町（現鹿嶋市）に口径２６メートルのアンテナと、横須賀の電電公社電気通信研究所に口径１２．８メートルのアンテナを設置して実験を成功しました。国土地理院では１９８１年（昭和５６）からＶＬＢＩの導入に着手し、１８８６年（昭和６１）から可搬型ＶＬＢＩによって国内を移動し、鹿島町の２６メートルアンテナとの間で観測をしました。鹿島町のアンテナは１９９２年（平成４）に国土地理院に所管換えされました。

１９９５年（平成７）からＶＬＢＩ固定観測局が茨城県鹿嶋市（旧鹿島町）のほか北海道新十津川町、東京都小笠原村、鹿児島県姶良町に設置されました。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。１９９８年（平成１０）には、つくばの国土地理院構内に大口径パラボラアンテナを有するＶＬＢＩが設置されました。２０１４年（平成２６）には、つくばの後継として茨城県石岡市に次世代型ＶＬＢIアンテナが設置され国際協力ののもとで、地球規模の測量を行なっています。

つくば国土地理院ＶＬＢＩ観測施設

１９９８年（平成１０）に、つくばの国土地理院構内に国内観測の主局として、大口径パラボラアンテナを有するＶＬＢＩが設置されました。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。つくばでは同年から観測を開始していますが、２００１年（平成１３）の世界測地系移行時には国際ＶＬＢＩ観測から決定された、つくばのＶＬＢＩアンテナの位置が基準となり、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。同年の新測量法（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。この目標点（ＶＬＢI観測点）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。

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標です。

つくばのＶＬＢＩ設置にともない、鹿嶋市のＶＬＢＩは２００３年（平成１５）に撤去されました。２０１６年（平成２８）年からは、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、翌年にはアンテナが撤去されました。

ＶＬＢＩ補助点標識

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。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

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

国土地理院石岡測地観測局（地形図：柿岡）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。本格運用開始前に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、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）と導波管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

父島ＶＬＢＩ観測施設は、東京都小笠原村父島洲崎（地形図：父島）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。

近年、電子基準点が全国に整備され、ＧＮＳＳの解析技術も向上したことから、２０１３年（平成２５）から、父島を含む各地のＶＬＢＩ施設も運用を終了し解体、撤去されました。

情報通信研究機構ＶＬＢＩ観測施設

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（平成１６）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（昭和２８）、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

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。

天体の位置は地球が公転しているため毎日すこしずつ動き、一年で元の位置に戻ります。一年周期で見られる天体の位置の変化幅を「年周視差」と、いいます。特定の天体までの距離は地球・太陽間の距離を基線、天体を頂点、頂点角度を年周視差として三角法により求めることができます。ＶＥＲＡでは２万光年以上先の天体までの距離を測定しています。

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の測地観測を行っています。地球潮汐については志田順（しだ・とし　１８７６～１９３６、測地学者）による起潮力と地球の変形の関係を表す「志田数」があります。

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。