シスルナ圏における時空間同期

2024/2/6
情報通信研究機構
グローバル推進部⾨、時空標準研究室
志賀 信泰、安⽥ 哲
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⾃⼰紹介• 1993-1997 U. of Tokyo Applied Physics B.S.（⼗倉研 物性実験）• 1998-2004 U.C. San Diego Ph.D in Physics Ph.D（プラズマ実験）• 2004-2005 Fairbanks, Alaska （オーロラ実験）• 2005-2008 NIST Boulder （イオントラップ 量⼦情報実験）• 2008-2015 NICT Tokyo （イオン原⼦時計 さきがけ⼤挑戦型）

U.C. San Diego• 2015-2018 NICT Tokyo （無線時刻同期 さきがけ②）• 2020-now NICT at Silicon Valley research hub（時空間同期 国際連携） アラスカNIST

イオントラップ

NICT

Sr光格⼦時計

NICT Ybイオン時計

NICT

プラズマ実験

オーロラ実験

無線時空間同期2

多様な⽇本標準時供給サービス

推定累計出荷台数:
1.3億台以上 (⽇本時計協会資料)

Tel-JJY
光Tel-JJY
光Tel-JJY

専⽤線NTP
公開NTP

ﾀｲﾑﾋﾞｼﾞﾈｽへ ﾀｲﾑﾋﾞｼﾞﾈｽへ
時刻供給
時刻供給

公開NTP

アナログ回線
光電話回線

ｱｸｾｽ数 > 13万/⽉ (ｱﾅﾛｸﾞ)> 5万/⽉ (光)アクセス数 30〜60億/⽇
過去4年間(2016/04〜2020/03)のサービス停⽌時間

時刻は社会インフラであり、「あって当たり前」を継続的な努⼒で実現

標準電波

5時間15分

専⽤線NTP

0分

テレホンJJY

59分

公開NTP

40分

光テレホンJJY

0分

タイムビジネス0分

3

時空標準研究室ー⽇本の時計を管理=+振り⼦++カウンター＆表⽰器

時刻合わせ

時空標準研究室
究極の振り⼦(原⼦時計)Cs Atomic
clock

Sr Optical
Atomic clock

⽇本標準時（JST）の発⽣と供給

Generationof JST

Radio Clock

時刻⽐較

TWSTFT

Wi-Wi4時空間同期とは？
時空間同期とはローカルにデバイスが時刻同期し、さらに位置情報が(通信ノード間で)同期している状態

離れたデバイスの時刻と位置は同期されてない前提→時空間同期ができている前提への移⾏管理5

ヒト・モノ・コト連携への道
時空間同期による
ヒト・モノ・コト連携••

時空間情報の上位レイヤ（認証、セキュリティ、プライバシー）
サービス展開

STEP

03

〜2040

バーティカル ヒト・モノ・コト流

時空間同期インフラ

STEP

02

•
•
•

〜2035

電波距離→空間距離
基準局設置
絶対位置計測雨雲観察と豪雨予想

ネットワーク化された治水ネットワーク

搬送ド ロ ーン

分散化されたマイクロ水路とスマート水門

同期ロ ボッ ト 群によ る
協調作業

無人運搬車両搬送ド ロ ーン

間伐ロ ボッ ト
無人ト ラ ク タ

時刻同期技術•••時刻同期技術の完成
時刻同期ネットワーク
時刻同期通信プロトコル

Core CloudServer

クラウド同期STEP

01

分散化されたマイクロ水力発電機

レジリエント⾥⼭

〜2025

現
在

時刻と位置を把握せずに成⽴する情報通信••

プリアンブル
ロジカルクロック6

シスルナ圏への時空間同期の貢献
時空間同期圏空間ナビ
⽉⾯探査測位• 地上の時刻を⽉まで拡張するというビジョン
シスルナ時空間同期 を持ちつつ、• 即席ナビシステム（へ⾄る要素技術）を本⽇はご紹介します。

7

時空間同期〜時刻と空間は切り離せない〜
どれくらいの精度で彼らの時刻を合わせられるでしょうか？

１ｍの距離→3ナノ秒遅れ

２ｍの距離→6ナノ秒遅れ• 時刻を合わせるには距離が必要
8無線双⽅向⽐較技術
Wireless two-way interferometry（Wi-Wi）
術
既存技
衛星双方向
時刻比較技術時刻差

時刻差と伝播時間を高精度に計測

距離

ΔTG=(TJ-TG)+D
ΔTJ= (TG-TJ)+D
D =(ΔTG + ΔTJ)/2（伝搬時間＝両計測の和）TJ - TG =(ΔTG - ΔTJ)/2（時刻差＝両計測の差）
9

Wireless two-way interferometry（Wi-Wi）
術
既存技
衛星双方向
時刻比較技術

時刻差と伝播時間を高精度に計測

術
技
規
新
無線双方向
時刻比較技術（Wi-Wi）

時刻差と距離を高精度に計測

標準時の双方向時刻比較技術を転用して時刻同期（ピコ秒精度）と距離計測（mm精度）の同時計測を安価、簡便、高精度に実現する技術10ピコ秒レベルの時間⽐較
コードによる⽐較

code

Code
100kHz

10μs

modulation

搬送波位相による⽐較
1GHz

1ns

Carrier wave

位相を使えば⾼精度な⽐較ができる
11

PoP実験(2.4GHz ZigBee)

*論⽂1
12

Wi-Wiモジュールできました
特注PC
市販の無線機Wi-Wi機能追加付き
無線チップ

ワイワイモジュール試作機

汎⽤

USRP

ARMマイコン特注

Rb原⼦時計

周波数調整機能付き
⾼安定⽔晶発振器

価格、サイズ、消費電⼒、⼤幅減︕
13

ワイワイモジュール

０号機（2016年）、２号機（2017年）、３号機（2017年）• 搬送波︓920MHz• IEEE 802.15.4準拠（普通に通信しつつ時刻同期）• レンジ︓500m(2号機)/5km(3号機)ベストエフォート

安⽥ 哲 研究員
Wi-Wiモジュールをほぼ⼀⼈で実現
14

ワイワイデモ（時刻同期）

2017年作成15

ワイワイコア（位置計測）

1対1で時刻同期（ピコ秒）と距離変動計測（mm）を実現

2018年作成

16

7台の時刻同期デモ動画

2017年作成
17

フィールドヘルメット測位実験

2018年作成18

ヘルメット測位実験の課題• 固定局およびヘルメットの初期位置を計測する必要がある。
Ø東北⼤のグラフ最適化ソリューション（次スライド）• 反射波対策が必要
19

東北⼤⽥所研究室• RSJ2021
東北⼤学⽥所研究室
奈良さんの発表資料

20グラフ最適化による初期計測不要な位置計測

東北⼤学⽥所研究室

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奈良さん提供本技術のポイント、課題と展望ポイント• 搬送波位相情報を活⽤して基地局の位置とロボットの軌跡を⼀括推定。
• リアルタイム処理• 基地局の⼤体の初期位置がわかっていれば良い。（3m誤差ほど）
課題と展望• 反射波への対応• ロボットの移動パターンの最適化
22シスルナ圏への時空間同期の貢献
時空間同期圏空間ナビ
⽉⾯探査測位• 時空間同期はシスルナ時空間同期

Ø⽉⾯探査機測位
Øコンステレーションの精密時空間同期
Ø空間ナビに役⽴つ！（はず）
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まとめ• ⾼精度時刻が当たり前のように⼿に⼊る世界を⽬指しています• 精密時刻同期と精密位置計測は同じコインの表裏• シスルナ圏にも貢献できる要素技術• システムにするためにやることがたくさん（研究開発、標準化、ビジネス化、国際連携）• 「本技術のTRLを⼀緒に⾼めたい！」と思ってくださる⽅はshiga@nict.go.jp
までご連絡ください！
• 「使ってみたい！」でもOKです。
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