拡張エアシャワーを使用したワイヤレスで正確な時刻同期のためのコズミックタイムシンクロナイザー（CTS）

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7078 (2022) この記事を引用

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330 オルトメトリック

メトリクスの詳細

正確な時刻同期は、金融取引システム、産業用オートメーションおよび制御システム、陸上および海洋の観測ネットワークに必要な不可欠な技術です。 ただし、全地球測位システム (GPS) または全地球航法衛星システムに基づく時刻同期信号は、屋内、地下、水中の環境では利用できない場合や部分的にしか利用できない場合があります。 この研究では、拡張空気シャワー (EAS) のミューオン成分の同時性と透過性の性質が、GPS のカバー範囲がほとんどまたはまったくない環境での時刻同期のための信号として使用されました。 CTS は、以前の EAS 実験の結果と OCXO ホールドオーバー精度測定を組み合わせてモデル化されました。 結果は、CTS が 2 × 10−4 を超える仮想検出器面積範囲で 100 ns 未満の永続的なローカル時間同期レベルに到達する能力を示しました。 私たちは、消費者向けスマートフォン ネットワークや高密度の水中センサー ネットワークでの使用において、このレベルのエリア カバレッジが達成可能であり、費用対効果が高いと予想しています。

第 5 世代 (5G) モバイル/セルラー無線アクセス ネットワーク (RAN)1 システム、産業オートメーションおよび制御システム 2、陸地 3 および海洋 4 の観測ネットワークはすべて、堅牢な基準時刻情報を提供するために正確な時刻同期を備えたリアルタイム接続を必要とします。これらのネットワークにあるデバイスに共通の時間ベースで 1 マイクロ秒未満のジッター レベルで送信します1。 このような要件は通常、Time-sensitive Networking (TSN)5 などの有線テクノロジーを通じて満たされます。 TSN は、正確な時刻同期を備えた IEEE-802.1 ベースのリアルタイム データ配信を保証します。 さらに、最近の光ファイバーの時間および周波数技術の進歩により、同じ光ファイバー上で双方向に動作させる場合に時間遅延や位相変動をほぼ完全に補償できるようになり、環境に応じて 10 ps から 1 ns 未満の範囲の精度で時刻同期が可能になります。リンクの長さと使用されるテクノロジー6、7、8、9、10。 ワイヤレス技術はネットワーク通信にさまざまな利点をもたらしますが 11、12、精度は最も重要な懸念事項の 1 つです。 例えば、アレイ地震計による地震学や火山学の観測では、地震波のサンプリングレートが 1 kHz 以上である必要があるため、この場合、10 マイクロ秒未満の無線時刻同期精度が必要となります3。 ワイヤレス デバイスは、全地球測位システム (GPS)/全地球測位衛星システム (GNSS) 受信機を使用して、協定世界時 (UTC) への完璧な時刻調整を実現できます。 現在、GPS ベースの時間転送リンク 13 を使用すると 2 ns の精度レベルが達成可能であり、受信機を校正するための新しい最先端の方法を使用すると 1 ns の精度レベルも達成できます 14。 さらに、静止衛星との双方向衛星時刻周波数転送（TWSTFT）リンクにより、この精度がサブナノ秒レベルまで向上する可能性があります15。 ただし、このソリューションは、GPS 信号が利用できない場合、または GPS 信号が部分的にしか利用できない場合 (例: 極地、屋内、山岳地域、地下または水中環境)、または GPS ネットワーク ノードが誤動作している場合 (例: 異なる場所から信号を受信して​​いる場合) には機能しません。 GPS 衛星または GPS 衛星の時間的シフト）。 さらに、すべてのネットワーク ノードに GPS 受信機を装備すると、総消費電力が増加し、その結果、バッテリーの消耗が早くなります。 信頼性の高いバッテリー性能、特にバッテリー充電セッション間のパフォーマンス持続時間を長く維持することは、特にフィールド測定にとって重要な問題です。

産業用途における効果的な無線同期の要件は、数人の研究者によって要約されています16、17。 考えられるアプローチは 3 つのクラスに分類されています。 クラス (I): リモート制御とモニタリング、クラス (II): モバイル ロボット工学とプロセス制御、クラス (III): 閉ループ モーション コントロール。 クラス (I)、(II)、および (III) では、それぞれ 1 秒、1 ミリ秒、1 μ秒未満の精度の同期性が必要です。 これらの要求に応えるために、200 ns ～ 3 μs の精度を実現する基準ブロードキャスト インフラストラクチャ同期プロトコル方式 18、マルチホップ時間での適応型同期など、無線時刻同期技術に取り組む WLAN ベースのさまざまな研究アプローチが存在します。・76μs19の精度を実現したTSCH（Slotted Channel Hopping）ネットワーク方式、15μs20の精度を実現した温度支援クロック同期方式、2次線形コンセンサスアルゴリズムに基づく時刻同期方式、 1μs21の精度を実現しました。 その他の技術には、カルマン フィルター (KF) 推定器 22 を使用して約 8 μs の精度を実現した動的確率的時間同期法や、線形回帰 (LR) 推定器 23 を使用したきめ細かいネットワーク時間同期 6.29 μs が含まれます。 これらすべてのテクニックには長所と短所が存在します。 これらの前述の技術はすべて通信に電磁波を利用するため、比較的小型のデバイスを容易にすることができる。 ただし、ノイズや衝突による通信障害を回避するために、一般に自動再送要求 (ARQ) メカニズムと通信遅延をこれらの技術に組み込む必要があります。 そのため、同期品質が低下します。 一方、今回提案されている技術では、地球上に同時に到来する自然発生の複数の粒子を利用するため、このような通信障害やメッセージの衝突は発生しません。 ただし、宇宙線の束が限られているため、WLAN 技術で使用されるものと比較して、より大きなデバイス サイズが必要になる可能性があります。

水中では WLAN 技術を使用できないため、水中環境では状況はさらに厳しくなります。 一般的なコンピューティングまたはセンサー ネットワーク用の無線ベースのネットワークを短距離音響ネットワークと比較すると、光の速度 (数十万 km/s) と光の速度の差が大きいため、伝播遅延がはるかに大きいことがわかります。水中での音速（1500m/s）24． 最近、発光ダイオード (LED) バーストからの周期的な高強度光パルスを使用して 1 ns 以内に同期されるセンサー ノードで構成される、高時間分解能 (ns スケール) のワイヤレス センサー ネットワークが設計されました25。 しかし、この方式ではノード間に空きスペースが必要となるため、商業ビル内や水中、地下複合施設などの環境では実用化が困難である。 この問題を解決する 1 つの可能性は、GPS 信号が失われたときに原子時計を使用してバックアップ タイミング信号を提供することです。 たとえば、市販のセシウム発振器は、14 日間でわずか 100 ns のドリフト レベルで安定したタイミング情報を提供します。 しかし、原子時計のハードウェアは非常に高価（30万米ドル以上）であるため、広範囲での使用は制限されています26。 この問題を一時的に解決するもう 1 つの可能性は、「ホールドオーバー」です 27。 同期規格では、同期入力 (GPS/GNSS 信号など) が中断されたり一時的に利用できなくなったりした場合でも、ネットワークが確実に機能し続けることを指す「ホールドオーバー」という用語が定義されています。 この目的のために、オーブン制御水晶発振器 (OCXO) が工業化され、信頼性が高く正確なホールドオーバー測定機能が提供されています。 これは、GPS/GNSS 受信機が信号を受信しないときに利用できます。 ただし、OCXO のドリフト レベルは原子時計よりもはるかに高く、通常は 1 時間あたり 0.5 マイクロ秒に制限されています 27。これは、タイミングが 24 時間で 1 マイクロ秒以上ずれる可能性があることを意味します。 非 GPS 同期入力を OCXO に頻繁に提供できれば、ネットワーク内のデバイスをより正確かつ一貫して同期できます。

拡張空気シャワー (EAS) のミューオン成分は、その一次宇宙線のエネルギーと質量を推定するために使用されています 28,29。 EAS は、KASCADE30、GREX/COVER_PLASTEX31、AKENO32 などの 2 次元分散検出器アレイを使用して、地上で二次粒子のシャワーを複数サンプリングすることで測定できます。 一次宇宙線は光速に近い速度で到達するため、大気中で生成される二次粒子は一次宇宙線とほぼ同じ方向に進み、ほぼ同時に地表に到達する傾向があります（このときの構造は以下、EAS 時間構造と表記します）。 ただし、シャワー粒子は地表に向かって移動するときにわずかに横に広がり、地表レベルでシャワー粒子の特定の認識可能な空間範囲を生成します (この空間範囲は、今後 EAS ディスクと呼ばれます)。 シャワー粒子の 1 つであるミュオンは、一般に対流圏界面付近で生成されます。 ただし、それらの散乱は電磁 (EM) 粒子よりもはるかに少ないため、地表への経路は通常直線になります。 それに対して、EM粒子は複数の散乱過程を経て地表に到達します。 結果として、それらの経路長はミューオンの経路長よりも長くなり、したがってそれぞれの飛行時間 (TOF) が長くなります。 その結果、ミューオン成分は電磁波成分よりも早く地上に到達します。 EAS ディスクの時間構造は、10 PeV を超えるエネルギーを持つミュオンについて広範囲に研究されており、平均到着時間とディスクの厚さ (粒子到着時間分布の標準偏差) が、粒子からの距離の関数として測定されています。シャワー軸から 200 m 未満の EAS 円盤領域内では、これらのミュオンは 50 ns の時間範囲内に到達することがわかりました33。

宇宙線ミュオンは透過性の高い粒子であり、ミュオグラフィーはミュオンの特性、特にその透過性と普遍性を利用して、火山 34,35、海洋 36、鉄道トンネル 37、自然の洞窟 38 の内部構造の可視化など、幅広い用途に利用されています。 、そして世界中の文化遺産39。 同様に、宇宙線ミュオンは、その普遍性と相対論的な性質を利用することで、水中または地下のナビゲーションに使用できます40。 この論文では、EAS 粒子の特性、地表への到達が予測可能な性質 (OCXO と併用) を利用して、GPS 信号入力なしで安定した正確な時刻同期を提供する新しい無線時刻同期技術を提案します。 この提案の結果は、CTS が 100 ns 未満の永久時刻同期レベルに到達できることを示しています。 この技術は、地下や水中の領域を含む、ミューオンが到達できる地球上のあらゆる場所に適用できます。

図 1 に CTS の原理を示します。 CTS モジュールは、時間同期のために対象エリア内に空間的に分散されています。 これらの CTS モジュールは、地表、地下、水中に設置できます。 CTS モジュールは、ミューオン検出器、時間デジタル変換器 (TDC)、および OCXO で構成されます。 EAS ミュオンは、一定の測定可能な空間範囲とほぼ同時に地上に到着します。 これらのミュオンは相対論的であるため、高密度物質を透過するのに十分なエネルギーと寿命を持っています。エネルギー レベルに応じて、かなりの割合が地球と水域を通って地下および水中領域に到達します。 ミュオンの到達深さはその運動エネルギーに依存します。 たとえば、10GeV のミュオンは深さ 43 m の海底に到達することができます。 検出器は、ミュー粒子が通過すると信号を出力します。 検出器はプラスチックのシンチレーターと光検出器で構成されており、効率的な時間応答を備えた安価なコンポーネントです。 検出器からの出力信号は停止信号としてTDCに与えられます。 一方、OCXOからの信号はスタート信号としてTDCに与えられ、OCXOとミュオンの到達時間との時間差を計測することができます。 指定された時間枠 (T) 内で 3 つ以上の CTS モジュールがトリガーされた場合 (この例では、CTS モジュール 1 および CTS モジュール 2 とラベル付けされています) (以下、この一致をローカル一致 (LC) と定義します)。 CTS モジュール 1 の TDC に記録されたタイムスタンプは、CTS モジュール 2 に転送されます。CTS モジュール 2 が CTS モジュール 1 からタイムスタンプを受信すると、このタイムスタンプは CTS モジュール 2 の現地時間と比較され、CTS モジュール 2 に使用できます。 CTS モジュール 2 のローカル時刻を修正します。CTS モジュール 1 と CTS モジュール 2 の間の一致ウィンドウは、後で説明するように狭い必要はありません。 より具体的には、CTS モジュール 1 と CTS モジュール 2 は絶対時間 t0 で EAS ミュオンを受信しますが、この時間は、次の理由により、CTS モジュール 1 では t0 + δt1 + Δt1 として、CTS モジュール 2 では t0 + δt2 + Δt2 として記録される可能性があります。 EAS 時間構造と OCXO の固有ドリフト (Δt) から生じる不確実性 (δt)。 時刻情報 t0 + Δt1 を CTS モジュール 1 から CTS モジュール 2 に転送することにより、CTS モジュール 2 は、(t0 + Δt2 + δt2) − (t0 + Δt1 + δt1) = (Δt2 − Δt1) + (δt2 − δt1) を計算できます。その時計の修正。 この計算では、t0、Δt2、Δt1 を定義する必要はありません。 後で説明するように、(δt2 − δt1) は通常 50 ns 未満であり、典型的な OCXO のドリフト レート (最大数 µs/hr) よりもはるかに小さいです。 さらに、同時事象の識別に必要なデータ転送時間 (約 0.1 ミリ秒) は達成可能である可能性が高く、次のサブセクションで詳細に説明する 10 分ごとのシャワーの頻度と比較すると無視できます。

CTSの原理。 全体的な CTS システム構成は、EAS の開発結果とともに示されています (A)。 青い長方形のボックスは CTS モジュールを示します。 CTS モジュールの構成を (B) に示します。 HKMT がこの画像を描き、著作権を所有します。

CTS の同期周波数の時刻同期入力は、EAS ミュオンが検出器に到着するときにのみ時計が修正されるため、EAS 周波数に依存し、同期精度は EAS の時間構造（ミュオンの到着時間分布）に依存します。 さらに、EAS 到着間の間隔内の同期機能は、OCXO ドリフト レベルによって異なります。 各 CTS モジュールは従来の Wi-Fi または音響通信ネットワークの一部である必要がありますが、CTS の同期精度は固有のジッターや遅延から独立しています。

各 CTS モジュールの検出エリアが 1 × 1 m2 の場合、各検出器の単一ミューオン計数率は海面で 102 Hz と予想されます。 したがって、偶発的な 2 倍および 3 倍の LC レートは、100 マイクロ秒の一致ウィンドウでそれぞれ 10-2 Hz および 10-6 Hz になります。 この必要な T は、従来の WLAN3 機能よりもはるかに広い (100 マイクロ秒) です。 3 倍の LC リクエストの場合、統計的には、CTS モジュールは 10 日ごとに間違ったタイムスタンプを受信する可能性があります。 この時刻同期失敗率を減らすには、時間ウィンドウを狭めるか、LC の 3 倍より大きい同時ヒットを要求する必要があります。 より狭い時間枠を使用できるかどうかは、Wi-Fi の同期精度または使用される水中音響技術のみに依存します。 たとえば、陸上の無線通信の場合、10 マイクロ秒の同期精度を達成するのは比較的簡単です3。しかし、水中音響技術の場合、水中での予期せぬ信号伝播特性 (温度、塩分など) のため、この精度を達成するのはより困難です。 ）41． 3 倍を超える LC を要求することは、この失敗率を減らすためのより簡単な解決策である可能性があります。 たとえば、3 倍 LC の代わりに 4 倍 LC をリクエストした場合、モジュールが GPS 信号なしで動作した後、最初に間違ったタイムスタンプを受信するまでに約 3 年かかります。 その結果、高密度の CTS ネットワーク（単位エリア内に 4 つを超える CTS ノード）を使用する場合、偶発的な LC による障害率は無視できます。

平均ミューオンの横方向分布関数 (LDF) は、グライゼン関数 42 で説明できます。

as a function of lateral distance, where the lateral distance is defined as the distance from the shower axis. Here, the first exponent of r was fixed to -3/443. Several experiments have attempted to fit the parameters gamma and ρµ(r0)44,45,or=1 GeV) in large extensive air showers of energies between 1016.5 eV and 1019.5 eV observed at Akeno. J. Phys. G Nucl. Part. Phys. 21, 1101–1119 (1995)." href="/articles/s41598-022-11104-z#ref-CR46" id="ref-link-section-d42816058e836"> 46. この研究では、IceTop43 で得られた結果が使用されました。 IceTop は、125 m の間隔でグリッドを形成する 81 のステーションで構成され、約 1 km2 のエリアをカバーする検出器アレイです。 各ステーションは、10 m47 離れた 2 つの氷タンクベースのチェレンコフ検出器で構成されています。 この研究では、IceTop ρμ(600)43 に基づく Greisen 関数が初期入力として使用されました。

図2には、10 PeVのエネルギーを持つ一次宇宙線によって開始されたシャワーのグライゼン関数曲線が示されています。 これらの曲線は、6° 未満の天頂角での IceTop データと、28° から 31° の間の天頂角でのデータをフィッティングした結果です43。 この図からわかるように、10 PeV を超えるエネルギーを持つ初潮によって発生した垂直シャワーでは、シャワー軸から 140 m の範囲内で ρμ が 1 ミューオン/m2 を超えています。 ただし、すべてのシャワーの軸が垂直方向を向いているわけではありません。 図 2 からわかるように、斜めのシャワーではより小さい ρµ が観察されます。 たとえば、28°と 31°の間の天頂角で到達するシャワーの場合、ρµ が 1 ミュオン/m2 を超える領域はシャワー軸から 140 m から 100 m に減少します。

天頂角が 6° 未満の場合 (青色の実線)、および天頂角が 28° から 31° の間の場合 (オレンジ色の実線)、Greisen 関数曲線を IceTop データに当てはめた 43。

CTS の達成可能な同期精度を評価するには、プライマリ スペクトル 48 を考慮する必要があります。 10 PeV を超えるエネルギーを持つ一次星の積分磁束は 102 km−2 h−1 sr−1 ですが、その磁束はエネルギーが増加するにつれて 2 のべき乗に減少し、10 PeV の場合は 1 km−2 h−1 sr−1 になります。エネルギーが 100 PeV を超える初流。 たとえば、半径 140 m (6 × 104 m2) の領域内では、10 PeV を超えるエネルギーを持つ初潮が 10 分ごとに到達すると予想されます。 したがって、この 10-PeV EAS を同期に使用できれば、クロックを 10 分ごとに同期できます。 1 PeV 未満の一次エネルギーによって開始される EAS を使用することは、ρμ が低すぎるため現実的ではありません。 同様に、イベント周波数が低すぎるため、100 PeV を超える一次エネルギー領域を使用することも非現実的です。

KASCADE との共同研究では、平均 EAS 到達時間 (Δt) とディスク厚さ (σ) (粒子到達時間分布の標準偏差) がシャワー軸からの距離に依存することが測定されました (図 3)33。 これらの横方向距離の依存性は、次のべき乗関数 (図 3 の点線) によって当てはめられ、現在の議論に使用されました。

10 PeVを超えるエネルギーを持つ初潮によって開始された拡張空気シャワーの時間構造。 EAS の平均到着時間 (Δt) (A) とディスクの厚さ (σ) (B) がシャワー軸からの距離の関数として示されています。 黒丸は、KASCADE 実験で得られた実験結果を示します 33。

観測値からの適合値の最大偏差は 2 ns でしたが、この偏差は現在のモデリングでは無視されました。

シングルオーブン制御発振器 (SOCO) やダブルオーブン制御発振器 (DOCO) などのオーブン制御水晶発振器 (OCXO) は、長期的なタイミング安定性を向上させるために開発されました27。 OCXO は、GPS 信号が失われた場合にバックアップ タイミング信号を提供するために使用されてきました。 この研究では、PPS 信号の開始時の不正確さによる累積誤差によって引き起こされる OCXO ドリフトの速度と動作が、現在の CTS モデリングに適用できるように評価されました。 この作品で使用された OCXO は、GPS グランドマスター クロック (Trimble Thunderbolt PTP GM200) 内に存在していました。 図 4A は実験セットアップを示しています (詳細は「方法」セクションで説明します)。 GPS アンテナに接続された OCXO からの信号 (GPS-OCXO) とホールドオーバー OCXO から TDC への信号 (HLD-OCXO) の両方を供給することにより、HLD-OCXO タイミングのドリフト レベルが時間の関数として測定されました。 GPS-OCXO タイミングを参考にしてください。 HLD-OCXO は、最初は GPS アンテナを接続して GPS-OCXO と同期していましたが、これらの測定の前に切断されました。 正負両方のドリフトを測定できるように、OCXO と TDC の間に遅延回路が挿入されました。 図 4B は、切断前のさまざまな GPS 受信期間に対して取得された HLD-OCXO のタイミング プロファイルを示しています。 これら 9 回の実行では、ドリフトは順方向 (GPS-OCXO より速い) に発生する傾向がありましたが、逆方向 (GPS-OCXO より遅い) にも発生します。 OCXO の動作時間が 1 時間未満の場合、ドリフトは時間の関数としてほぼ線形になりますが、より長い動作では、動作が予測できなくなります (たとえば、図 4B の Run ID E)。

現在の OCXO 評価の結果。 現在の実験セットアップのブロック図を (A) に示します。 破線は、切断されたフローを示します。 OCXO ドリフトは、切断前のさまざまな GPS 受信期間 (B): A、0.5 時間、B、48 時間、C、72 時間、D、16 時間、GPS アンテナから切断後の時間の関数として測定されました。 E、10 分、F、0 時間 (アンテナ接続なし)、G、8.5 時間、H、16 時間、I、1 時間。 HKMT がこの画像を描き、著作権を所有します。

ここでは、同期の安定性と精度について、簡単なモデリング作業に基づいて説明します。 このモデリング作業は、CTS の達成可能な最小限のパフォーマンスを推定することに特化したものであり、正確な EAS 構造に対処することを目的としたものではありません。 今回のモデリング作業では以下の条件を使用しました。

CTS に使用できる EAS の間隔を見積もる。 このため、1 sr の垂直角度領域内に到達する 10 PeV を超えるエネルギーを持つ初潮によって発生したシャワーのみが考慮されました。 このような事象の頻度は 102 km2 hr−1 sr−1 です。 時刻同期の最小頻度を推定するには、この条件で十分です。

ρμ の推定。 この目的のために、28°から 31°の間の天頂角での 10-PeV IceTop の結果に基づくグライゼン関数曲線が使用されました。 これらの角度を選択すると、ρµ はわずかに過小評価されますが、この条件は利用可能な最小 ρµ を推定するには十分です。 10 PeV を超える範囲で積分された一次フラックスと 10 PeV EAS ミューオン横方向分布の組み合わせを使用することで、より高い一次エネルギーに対してより高いミュオン多重度が期待されるため、現在の目的には十分です。 したがって、この組み合わせにより、利用可能な ρµ の最小量に関するデータが得られます。

CTS カバレッジの前提条件。 (Case A) 5 × 10−5、(Case B) 1 × 10−4、(Case C) 2 × 10−4 の 3 つのケースを想定しました。

平均到着時間とその変動。 これらの関数はそれぞれ、式（１）に基づいて生成された。 (2) (3) と CTS モジュールとシャワー軸間の距離も 0 ～ 100 m の範囲でランダムに生成されました。

OCXO リセット。 EAS イベントが生成されるたびに、OCXO がリセットされ、CTS モジュール間の比較のために時間プロファイルが生成されました。

図 5 は、モジュール占有の異なる面積割合を想定して、CTS モジュール 1 と CTS モジュール 2 の違いを確認するための 1 週間の動作後の時間プロファイルを示しています。 ケース A、B、および C の標準偏差はそれぞれ 98 ns、56 ns、および 42 ns であることが判明し、最大偏差は 314 ns、189 ns、および 174 ns でした。 この精度は、はるかに長い動作期間にわたって維持されることが予想されます。

CTS 操作の 1 週間後の時間プロファイル。 面積範囲 5 × 10−5 (A)、1 × 10−4 (B)、および 2 × 10−4 (C) の仮想検出器アレイでの結果が示されています。

原理的には、この繰り返しの時間同期プロセスは、一次宇宙線と地球大気が存在する限り、GPS 信号なしで永久に繰り返すことができます。 この EAS ベースの非 GPS 同期入力は、地下や水中を含む世界中のほぼすべての場所に実装できます。 比較的高密度の CTS モジュールのアレイが必要ですが、CTS は、GPS 信号が利用できない、または部分的にしか利用できない極地、水中、地下の環境で新しいタイプの時刻同期ツールとして採用されることが予想されます。

時刻同期精度の低下は一般に、(A) OCXO の周波数ドリフトと (B) EAS の時間構造が原因です。 (A) については、より安定したクロック技術により提案手法の同期精度を向上させることができる。 図 5 からわかるように、同期精度は CTS のエリア カバレッジに依存します。 したがって、OCXO 補正周波数となります。 CTS エリア カバレッジの向上はクロックの安定性とのトレードオフであり、その逆も同様です。 クロックの安定性を向上させる最も簡単な解決策の 1 つは、複数の OCXO を使用することです49。 周波数ドリフトのランダムな動作は、複数の OCXO 信号出力の平均を取ることで部分的に相殺されます。 したがって、クロックの安定性が向上します。 OCXO のコストは 100 ドル程度であるため、これは合理的な選択肢と言えます。 (B) の場合、図 3 に見られるように、ミュオンの到達時間の変動は、シャワー軸に近づくにつれて抑制される傾向があります。 したがって、軸近傍のミュオンのみを使用すると時間同期精度はさらに向上しますが、この技術の実際的な限界は 10 ns の同期精度です。 さらに、同期に使用される領域が削減されるため、CTS モジュールをより高密度に配置する必要があります。

1 つの CTS アクションは、地上で EAS がカバーするエリア内でのみ機能します。 CTS 技術を、ホールドオーバー モード (クラス A)50 で 14 日間で 100 ns の最大時間間隔誤差 (MTIE) を可能にする Cs 発振器などのより安定したクロックと組み合わせると、より高いプライマリによって開始される EAS の頻度は低くなりますが、より大きな EAS が開始されます。時刻同期に利用できます。 たとえば、数百 PeV 一次粒子によって開始される EAS には、シャワー軸から 500 m 離れた場所であっても、地上で 1-m−2 よりも高い個数密度を持つ荷電粒子が含まれるため、CTS モジュールは 1 km の距離に配置される可能性があります。 -注文間隔。 しかし、現在の研究の目的は、世界的に適用可能で、安価でありながら実用的な時刻同期システムを提案することです。 Cs 発振器は依然として高価で (数十万ドル)、周囲温度の変化に敏感です。 また、図3に示すように、EAS粒子の到達時間や厚さはシャワー軸からの距離に依存するため、CTSモジュール間の間隔が長くなると同期精度が低下します。 地球上では、10 PeV を超えるエネルギーを持つ初潮によって毎秒 1,400 万個の EAS が生成されます。 したがって、多数の単一 CTS アクションのアクション チェーンにより、グローバルな時刻同期が可能になります。 これまでの CTS モデリング作業で得られた結果は、たとえば、NY に 1 つと LA に 1 つを、間に適切な数の CTS モジュールを追加することで同期できることを示しています。

屋内または地下環境では、数十億台の消費者向けスマートフォンで構成される世界規模のネットワークが、近い将来大きな役割を果たす可能性があります。 スマートフォンに取り付けられたCMOSベースのカメラがミュオンを検出するのに十分な能力を持っていることはすでに検証されています51。 各デバイスの検出効率には限界がありますが（70 ～ 90% の範囲）52、ネットワークとして組み合わせると、スマートフォンは CTS モジュールになる可能性があります。 スマートフォンで利用できる検出エリアは非常に小さい (0.2 cm2) 51 が、この問題を解決する 1 つの方法は、高層ビル内に多くの人が存在することを利用することです。 たとえば、中規模の超高層ビル（基底面積 104 平方メートル、高さ 200 メートル）は、通常 50,000 人を収容できます53。 したがって、前述の超高層ビルの例の内部の各個人が 1 台のスマートフォンを持っていると仮定すると、CTS カバレッジは 10−4 になります。 高層ビルには通常、最上部に GPS アンテナが設置されていますが、CTS は、マルチパス受信、GPS 妨害やスプーフィング、システム障害などの何らかの理由で GPS 信号が利用できない場合のバックアップ システムとして使用できます。複数のアンテナには制限があります。携帯電話のカメラの露出時間（ミリ秒から秒）によって決定される時間分解能が低いため、一致時間ウィンドウが発生します54。 しかし、スマートフォンのカメラの検出面積は十分に小さい（0.2cm2）ため、単一ミューオンの計数率は非常に低い（5分に1個のミュオン計数）ため、多重偶然の一致は起こりにくい。 このシナリオでは、建物内で必要な時刻同期を行うために、建物内のどこかに少数の CTS モジュールを配置する必要があります。 スマートフォンの複数の一致率が CTS のトリガーに使用され、生成されたタイムスタンプが別の CTS モジュールに転送されて同期されます。

CTS 時刻同期機能の恩恵を受け、共有するもう 1 つの可能性は、高密度の水中センサー ネットワーク (USN) (平方メートルあたり数百ノード以上) での時刻同期操作です。 たとえば、この種の高密度 USN は、Robotic Vessels as-a-Service (RoboVaaS) プロジェクトと関連付けることができます。これは、小型の無人水上飛行体を統合してネットワーク化することで、沿岸海域での沿岸作戦に革命を起こすことを目的とした新しいスキームです ( USV) と無人水中車両 (UUV) を効率的に組み合わせて、輸送のための新しいサービスを提供します55。 RoboVaaS を安全に運用するために、沿岸状況を監視するだけでなく、RoboVaaS への影響を検査する高密度の USN によって環境データが収集されます56。 従来、音響通信のコストが高く（約 10,000 米ドル）、高密度 USN の配備は非現実的であり、通常、これらのコストをより簡単に正当化できる重要な分野や軍事用途での使用に限定されてきました。 。 最近、この状況は大幅に改善されました。 新しい高周波 SmartPORT 音響モデム (AHOI) (600 米ドル)57 は、総コストが 1 桁安いため、民生用途での高密度 USN (> 500 ノード/km2) の採用を可能にすることが期待されていると報告されています。従来のもの。 このような高密度の USN のすべてのノードに CTS が装備されるシナリオを想定すると、必要な CTS 検出エリアは < 2000 cm2 になります。 この場合、各 CTS モジュールのサイズはおよそ ISO 216 B3 となり、コストは各モジュールあたりおよそ 600 米ドル (シンチレータ、SiPM、および WLS ファイバ) になります。 さらに、CTS モジュールと新しく開発されたミュオメトリック測位システム (muPS)40 を組み合わせることで、無線パッシブ測位も可能になります。

また、CTS は鉱山坑道、地下鉄駅構内、地下駐車場などの地下環境でも良好に機能することが期待されています。 このような環境における測位システムには、送信信号の到着時刻を正確に測定する必要があるため、正確な時間同期がもう 1 つの要件となります。 クロック同期のために地下トンネル内で送信される Wi-Fi 信号は、反射や屈折によって引き起こされる深刻なマルチパス効果によって妨げられます。 これらのシステムを Wi-Fi から CTS にアップグレードすると、この問題は解決します。

結論として、CTS は GPS を使用せず、温度に依存しない正確な時刻同期のための新しい技術として提案され、実用化の要件についても議論されました。 10 PeV を超えるエネルギーを持つ一次発電によって開始された EAS は、実際の CTS アプリケーションに利用できる可能性があります。 10-4 の CTS 航空範囲が必要です。 この航空範囲は、高密度のスマートフォン ネットワークを利用したり、RoboVaaS プロジェクトに関連する水中センサー ネットワークを共有したりするなどの戦略によって達成可能です。 達成可能な同期精度は 100 ns 未満になります。 CTS は、近い将来、5G テクノロジーなどの新興テクノロジーの導入の成功をサポートできる、次の高精度時刻同期テクノロジー標準となる可能性を秘めています。

現在のモデリング作業では、2 つの CTS モジュールが開発されました。 現在のモデリングの目的では、大規模な検出器アレイの展開は意図されていなかったため、ミュオン検出器は CTS モジュールに装備されていませんでした。 したがって、現在の CTS モジュールは、GPS グランドマスター クロック (Trimble Thunderbolt PTP GM200)、TDC (Sciosence TDC-GPX)、複雑なプログラマブル ロジック デバイス (CPLD)、および Raspberry Pi で構成されていました。 2 つの独立した PPS (パルス/秒) 信号が 2 つの GPS グランドマスター クロックによって生成され、これら 2 つのクロック間の OCXO 周波数の差が TDC によって測定されました。 GPS-OCXO および HLD-OCXO からの PPS 信号は NIM レベルに変換され、それぞれ開始信号および停止信号として TDC に転送されました。 正と負の両方のドリフトが予想されるため、HLD-OCXO と TDC の間に遅延回路 (600 ns) が挿入されました。 TDC からの信号は CPLD に転送され、その後イーサネット経由でローカル PC と通信するために Raspberry Pi に転送されました。 TDC の測定可能な時間範囲は 10 マイクロ秒、分解能は 27 ps、受信可能な最小パルス幅は 10 ns でした。

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田中、HKM 拡張エア シャワーを使用したワイヤレスで正確な時刻同期のためのコズミック タイム シンクロナイザー (CTS)。 Sci Rep 12、7078 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-11104-z

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受信日: 2021 年 12 月 22 日

受理日: 2022 年 4 月 4 日

公開日: 2022 年 4 月 30 日

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