Ishizaki Lab@Science Tokyo

モバイル原子時計ネットワークによる超高精度分散型時刻同期技術の研究開発

私たちの現代生活に不可欠な日本標準時（JST: Japan Standard Time）は、国立の研究機関である情報通信研究機構（NICT）が生成して日本各地に供給しています。日本標準時は、水素メーザ原子時計やセシウムビーム型原子時計、光格子時計などの高精度な原子時計を20台ほど集約化することによって生成されます。現在の原子時計は大型であるため持ち運びはできませんが、2030年を過ぎた頃の近未来にはスマートフォンなどのモバイル端末に安価で小型な原子時計チップを搭載することが想定されています。

本研究室では、NICTや群馬大学との共同研究プロジェクトとして、原子時計チップの普及を見据えた分散型時刻同期技術の研究開発を行っています。この研究プロジェクトでは、先端的なシステム制御理論を駆使することによって、時々刻々とネットワーク構造が変化する原子時計群に対して超高精度な時刻同期を達成する分散アルゴリズムを開発します。具体的には

時刻比較情報の遅延を考慮した最尤時刻推定アルゴリズムの開発
多数原子時計により時系生成するための分散協調制御アルゴリズムの開発
原子時計の劣化を検出する異常検知アルゴリズムの開発
時刻比較頻度の最適化アルゴリズムの開発

などに取り組んでいます。これらの研究開発には、分散協調制御、確率システム、カルマンフィルタ、最尤推定、信号処理、機械学習、イベントトリガー制御などのシステム制御分野の幅広い技術や知見の統合が不可欠です。

本研究グループが開発する分散型時刻同期アルゴリズムは、NICTが所有する総合テストベッド環境（StarBED）を用いたエミュレーションによって有効性を検証した後で、セイコーソリューションズやレイドリクスが開発する原子時計チップ搭載の有無線モジュールに実機実装を目指す計画となっています。モバイル原子時計ネットワークによる超高精度な時刻同期は、Beyond 5Gを実現する基礎にも位置づけられています。展開領域はスマートグリッド、金融取引、放送、自動運転など多岐に渡ります。本研究開発を通して、未来の高度情報通信社会にシステム制御理論で貢献することを目指します。

（参考情報）

『原子時計のチップ化が導く、超高精度デジタルツイン』 [⎋ 日経クロステック]
『最も正確に時を刻む「原子時計」をめぐる研究開発の今』 [⎋ ニュースイッチ]
『IoT時代の総合的なエミュレーションを実現するStarBED5プロジェクト』 [⎋ NICT]
『セイコーソリューションズ、精度数十ピコ秒レベルの自律分散型時刻同期システムを研究開発』 [⎋ IT Leaders]

総務省：周波数資源の有効活用に向けた高精度時刻同期基盤の研究開発 [⎋ 総務省]

研究開発課題：小型原子時計を搭載した有無線時刻・周波数同期技術の研究開発（2022.08.01-2026.03.31）
技術課題：分散時刻同期アルゴリズムに関する研究開発
研究機関：NICT、東京工業大学、群⾺⼤学、セイコーソリューションズ株式会社、株式会社レイドリクス

本プロジェクトのポスドクや特任教員に興味がある方は石崎までお問い合わせください。

定員に達したためポスドク等の募集を締め切りました。たくさんのご応募ありがとうございました。

研究成果

原子時計の多様な時刻ゆらぎを評価する数学的基礎を構築〜次世代無線通信Beyond 5G/6Gに不可欠な高精度時刻同期に貢献〜

東工大ニュース（2023.12.20）『T. Ishizaki, T. Ichimura, T. Kawaguchi, Y. Yano, Y. Hanado: Higher-Order Allan Variance for Atomic Clocks of Arbitrary Order: Mathematical Foundation. Metrologia, 60(1), 2024』の研究成果について解説しています。[⎋]

国際会議論文

Priyanka Dey, Sathishkumar Murugesan, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado, Takayuki Ishizaki: Clock Steering Techniques for Atomic Clocks of Arbitrary Order. 2024 European Control Conference (ECC). to appear.
Yuyue Yan, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado, Takayuki Ishizaki: Spectral Decomposition in Kalman Filter Algorithm for Homogeneous Atomic Clock Ensembles. Proc. of The 62nd IEEE Conference on Decision and Control (CDC 2023), to appear.
Yuyue Yan, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado, Takayuki Ishizaki: Equivalence of JST Algorithm and Kalman Filtering Algorithm for Time Scale Generation. Proc. of The 2023 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS 2023), to appear.
Takayuki Ishizaki, Taichi Ichimura, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado: Analytical Expression of Higher-Order Allan Variance for Atomic Clock Models. The 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium & European Frequency & Time Forum (IFCS-EFTF 2023), to appear.
Takahiro Kawaguchi, Yuto Kakinuma, Takayuki Ishizaki, Yuichiro Yano, Yuko Hanado: State Estimation of Atomic Clocks by Kalman Filter Using Time-Delayed Observation. The 2023 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium & European Frequency & Time Forum (IFCS-EFTF 2023), to appear.
Taichi Ichimura, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado, Takayuki Ishizaki: Evaluation of Stability of Higher-Order Atomic Clocks by Higher-Order Allan Variance. Proc. of The 22nd IFAC World Congress (IFAC WC 2023), to appear.
Yuyue Yan, Nicholas John Jensen, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado, Takayuki Ishizaki: Possibility of Prediction Improvements for Atomic Clock Ensembles: Basis Selection in Undetectable Systems. Proc. of The 22nd IFAC World Congress (IFAC WC 2023), to appear.

学術雑誌論文

Murugesan Sathishkumar, Takayuki Ishizaki, Yen-Chen Liu: Sampled-Data-Based Synchronization of Complex Networks Under Scaling Attacks. Mathematical Methods in the Applied Sciences. in press.
Takayuki Ishizaki, Taichi Ichimura, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado: Higher-Order Allan Variance for Atomic Clocks of Arbitrary Order: Mathematical Foundation. Metrologia, 60(1), 2024. (DOI: 10.1088/1681-7575/ad02fe) [arXiv] 東工大ニュース/NICT・群馬大プレスリリース
Yuyue Yan, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado, Takayuki Ishizaki: Structured Kalman Filter for Time Scale Generation in Atomic Clock Ensembles. IEEE Control Systems Letters. 8, 2023, pp.187-192. [arXiv]
市村太一, 川口貴弘, 矢野雄一郎, 花土ゆう子, 石崎孝幸: 高階アラン分散による高次原子時計の安定度評価. 電気学会論文誌C, in press.
Murugesan Sathishkumar, Takayuki Ishizaki, Yen-Chen Liu: Resilient Annular Finite-Time Synchronization for Master-Slave Systems Under Scaling Attacks. IET Control Theory & Applications. in Press.

投稿中

Yuyue Yan, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado, Takayuki Ishizaki: Relations Between Generalized JST Algorithm and Kalman Filtering Algorithm for Time Scale Generation. [arXiv]

ポスター発表

Takayuki Ishizaki, Takahiro Kawaguchi, Yuichiro Yano, Yuko Hanado: Mathematical Approach To High Precision Distributed Time Synchronization. International Timing and Sync Forum 2023.

国内会議発表

川口貴弘, 持田峻佑, 柿沼優人, 宇賀神悠資, 矢野雄一郎, 倉田陽介, 小池雅和, 石崎孝幸: 不可観測部分空間をもつシステムに対するカルマンフィルタと小型原子時計群の状態推定への実適用, 第11回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム, 2024.
小池雅和, 川口貴弘, 矢野雄一郎, 花土ゆう子, 倉田陽介, 石崎孝幸: クラスタ原子時計の分散時刻同期に向けたGNSS受信機搭載隣接ノードの制御周期解析, 第11回制御部門マルチシンポジウム, 2024.
柿沼優人, 石崎孝幸, 矢野雄一郎, 花土ゆう子, 橋本誠司, 川口貴弘: 観測値の遅延に対応可能なカルマンフィルタによる原子時計の状態推定法, 第10回制御部門マルチシンポジウム, 2M8-6, 2023.

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