海面から海底まで、海を調べて情報を取得することは、水産資源の調査や気象研究のみならず、地震予知や鉱物などの資源調査などでも欠かせないことだ。こうした調査には、これまで大型船舶やブイが用いられてきたが、大型船舶は移動に時間がかかるうえ、膨大な人員やコストがかかるため、調査の頻度を上げるのが難しかった。また、ブイも海面位置の保持能力に限界があった。
その一方で、近年は地震メカニズムの解明や地震災害対策のため、海底の微小な地殻変動を高頻度かつ精度高く計測することへのニーズが高まっている。
こうした中で「（船舶やブイの）“代替手法”になるのでは」と注目を集めているのが、東京大学 生産技術研究所 准教授の横田裕輔氏と株式会社ハマ（本社：福島県南相馬市）が共同開発している「飛行艇型UAV（Unmanned Aerial Vehicle：無人航空機）を使った深海底観測システム」だ。海面に着水できる飛行艇型UAVを用いることで、船舶やブイに依存しない低コストかつ高頻度な調査が可能になるという。
横田氏の取り組みについては以前「より多くのデータを海から 「海洋観測用ドローン」活用の試み」という記事でも紹介した。その際には「ドローン」を用いていたが、今回は「飛行艇型UAV」を使い「センチメートル級の高精度測位」にも成功したという。同研究の内容や意義を横田氏に聞いた。
「飛行艇型UAV」を採用した理由は
今回「ドローン」を採用せず、「飛行艇型UAV」を用いたのはなぜだろう（※注記）。横田氏はその理由として、バッテリーの問題を上げた。
横田氏らが開発する海底観測システムでは、飛行体は「陸から50km以上の長距離を飛ぶ」ことになる。加えて「海面でも長時間航行する能力」が求められるため、現存するドローンでは「バッテリーがもたない」と判断したという。
「もちろんバッテリーを大きくすれば“もち”は良くなりますが、バッテリーが重たくなると、今度は飛行距離が減ってしまいます。そうしたバランスを突き詰めていくと、やはりドローンでは難しいかなと」
そこで今回は、一度飛び立ってしまえば使用するエネルギーを抑えられるガソリンエンジンを搭載した飛行艇型UAVを使うことに決めたとのことだ。「現時点ではこれが最適解だと考えています」（横田氏）
※注記 UAVは「無人航空機」の略称なので、ドローンもUAVに含まれるが、本記事では、一般に想起されるプロペラ型のマルチコプターを「ドローン」とし、「飛行艇型UAV」と区別して表記した。
では「飛行艇型UAVを使った深海底観測システム」とはどのようなものか。
試行錯誤を繰り返し、最適な形へ
海上保安庁では、海底地殻変動を観測するために日本海溝や南海トラフ沿いに海底地殻変動観測網を設置している。横田氏らの海底観測システムは、まずそうした観測網で使われる「海底音響基準局（ミラートランスポンダ）」が沈められている海面までUAVを飛ばす。
着水したUAVは、人工衛星と通信しながら高精度な即位ができるGNSS（Global Navigation Satellite System）アンテナを用いて位置情報を取得する。さらにUAVは搭載した海底通信装置（音響ソナー）を使って、通信と測距を繰り返しながら、海底音響基準局の位置データを取得していく。
「事前に海底に置かれた基準局があり、その置いてあるものが年間数cmずつ動くので、その動きを計測しています。それが位置（地殻変動の）計測ということになります」
横田氏の説明を聞く限り、UAVを用いれば、簡単かつ高頻度に海底調査を行えそうだ。しかし、学術的に求められる精度を出すことは、簡単ではなかったという。
「UAVは浮くだけでなく、飛ぶ必要があります。ここがすごく制限が強くなってしまった点です」
UAVに搭載する通信装置の精度を上げると、当然ながら装置の大きさや重さが大きくなる。しかし、そうなると重量制限のあるUAVには搭載できなくなる。このトレードオフと格闘しながら、横田氏らは最適な形になるまで試行錯誤を繰り返し、ようやく求める精度のものが完成したという。
横田氏らは、できあがったUAVを用いて、まず東京大学生産技術研究所の海洋工学水槽にて、模擬海底基準局を使って実験を行った。すると「約2cm以内の精度」で計測できた。この結果を受け、今度は相模湾（静岡県の伊東港沖）において、大きな波や風がない環境下で実験を行い、「センチメートル精度の深海底位置計測」に成功した。
「今回の実験結果により、UAVを使って、船舶による位置計測と同程度の性能を実現できることが実証されました。これにより、従来よりも低コストかつ高頻度な海底観測を実現できる可能性が高まったと言えます」
まずは完全無人化 さらに応用も
当面の目標として「UAVの着水・観測機能を完全無人化し、運用ベースに乗せていくことを目指す」という。
「私が所属する東京大学 生産技術研究所は、その名の通り、生産技術を研究するところなので、やはり最後はお客様（海洋研究開発機構：JAMSTECや海上保安庁などの国の機関）の運用レベルまで落とし込むことが重要です」
さらにその先には「UAVの海洋での応用方法を探ること」にも尽力したいという。
「たとえば、洋上風力発電の監視などに活用できる可能性があります。遠浅の海に洋上風力発電を設置している海外の国とは違い、日本では海面下100m、200mのところにケーブルを敷設する必要があり、これを監視するのが難しい。自律型無人潜水機（AUV）を使う手もありますが、現時点では実現できていない。そこで我々のUAV観測システムに注目が集まっているのです」
このほかにも「船舶事故での人命救助やオイル漏れなど、緊急対応しなければならないケースにもUAVを活用することが考えられる」という。
「今まで私たちは、船舶と同じ能力が出せるようにと頑張ってきたのですが、それができるようになってくると、今度は船舶では不可能なことができるようになってくるのではないかと。そんな期待が高まっています」
「飛行艇型UAVを使った深海底観測システム」の1日も早い実用化を期待したい。
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