JP5798725B2 - 測位システム - Google Patents

Description

本発明は、天然放射線ミュオンを利用して，可動物体の正確な座標値を同定するための方法に関する。

従来，座標値が既知の複数の通信装置と，座標値が未知の可動物体に設置された通信装置との間の直線距離を，通信の過程で得られる情報をもとに算出し，三辺測量の原理により，座標値が未知の可動物体の座標値を得る技術が知られている（非特許文献１）。

海洋音響学会編、「海洋音響の基礎と応用」、ｐ．２３６−ｐ．２４５

前記の通信装置は，一般に電波，光，超音波もしくは音波を通信に利用する。

図１に例示するように、座標値が未知の可動物体に設置された通信装置９０が、座標値が既知の通信装置９１ａ、９１ｂ、９１ｃとの間で、直接波により通信可能である場合に、それら直接波の行程９２ａ、９２ｂ、９２ｃは、例えば往復の通信に要する時間を基に算出可能であり、その情報を基に、通信装置９０の座標値が算出可能である。

一方、図２に例示するように、通信装置９０および９１ａの間を結ぶ直線上に障害物９３ａが存在する場合には，電波，光，超音波もしくは音波が前記の障害物９３ａにより遮蔽されるため、直接波による通信が成立せず、通信装置９０および９１ａの間の直線距離が取得されない。この場合は、座標値が未知の可動物体の座標値が得られない。すなわち、測位不能である。

また、図３に例示するように、障害物９３ｂの存在により通信装置９０および９１ａの間で直接波による通信が成立しない場合であっても、一方の通信装置から発せられた波が障害物９３ｃ表面に位置する反射点９４ａにおける反射を経てもう一方の通信装置に到達するマルチパス波により通信が成立する場合があるが、直接波による通信と誤ってみなされることにより、マルチパス波の行程９２ａ２が、送受信装置間の直線距離として誤って取得される。すなわち、測位確度が低い。とくに、通信装置および障害物の位置関係に変化が無い場合には、前記のマルチパス波が誤って直接波とみなされる状況は再現する確率が高く、多数の試行を基に統計的に正確な測位を実現するという手段を採用することができない。

以上のように、障害物の存在する空間において、電波，光，超音波もしくは音波を利用する通信装置間の直線距離を正確に取得することが困難であり，その結果，座標値が未知の可動物体の座標値を正確に算出することが困難である。

そこで，本発明は，任意の障害物が存在する環境において，座標値が未知の可動物体の正確な座標値を得る方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本願で開示する発明の概要を説明すれば以下の通りである。

本願請求項１に記載の発明は、互いの相対位置が既知である第１乃至第４の粒子線検出装置と、前記第１乃至第４粒子線検出装置に対して相対位置が未知である第５粒子線検出装置と、前記第１乃至第５粒子線検出装置に接続された位置計算部と、前記位置計算部に接続されたクロックと、を有する測位システムであって、前記位置計算部はさらに、前記第１乃至第５粒子線検出装置からの受信信号と前記クロックからのクロック信号とを用い前記受信信号に時刻情報を付与するイベント情報生成部と、前記時刻情報から一定の時間範囲にある前記受信信号に対して関連付け処理を行う同時性比較部と、前記関連付け処理の情報から前記第１粒子線検出装置と前記第５粒子線検出装置との相対位置を算出する座標算出部と、を有することを特徴とする測位システムである。

本発明によれば、電波、光、超音波もしくは音波が遮蔽、反射、回折、屈折しうる環境においても、測位可能とし、高確度な座標値を算出できる測位システムを提供することができる。

従来の電波、光、超音波もしくは音波の直接波の行程距離を利用した測位システムの測位原理を示す図である。 従来の測位システムが障害物により測位不能となる場合を示す図である。 従来の測位システムが障害物により正しく測位できない場合を示す図である。 本発明の一実施形態の測位システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態のミュオン検出ノードの構成を示す図である。 本発明の一実施形態の測位サーバの構成を示す図である。 本発明の一実施形態のイベント情報テーブルの例を示す図である。 本発明の一実施形態の軌跡情報テーブルの例を示す図である。 本発明の一実施形態のノード座標情報テーブルの例を示す図である。 本発明の一実施形態の測位サーバがミュオン飛来イベント情報を受信した際のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図４は、本発明の一実施形態の測位システムの構成を示す図である。本実施形態の測位システム１０は、有限空間１１内に配置された５個以上のミュオン検出ノード２０と、通信手段３０と、測位サーバ４０と、表示装置７０を構成要素として含む。

有限空間１１は、長さを限定するわけではないが、例えば一辺の長さが１００ｍの立方体である。これらのミュオン検出ノード２０には、移動せず座標値が既知のノード（以後、不動ノードと表記する）が４個以上、可動物体に搭載され座標値が未知のノード（以後、可動ノードと表記する）が１個以上含まれる。

二次宇宙線ミュオンは、天然放射線の一種であり、陽子や種々の原子核を主な成分とする一次宇宙線が、地球の大気上層部の大気中の原子核と衝突し、核反応をカスケード状に起こした結果発生し、地表に達する高エネルギーの素粒子であり、太陽光のように日常的に地表に飛来している。

一般にミュオンは、電磁気力による相互作用をもつが、核力（強い相互作用）をもたないため、透過性と直進性が極めて高い。また、電荷をもつ粒子であるため、シンチレータの発光現象を利用することで、容易に検出可能である。

図４に例示したミュオン軌跡Ｍ１は、１個のミュオンの軌跡を示している。このミュオンは、上空から有限空間１１に入射し、まず不動ノード２０ａを貫通する。次に、可動ノード２０ｕと不動ノード２０ｂを順次貫通し、その後有限空間１１を離れる。

一般に二次宇宙線ミュオンのエネルギは１０ＭｅＶからＧｅＶの高いオーダーにあるため、この一連の過程におけるミュオンの進行方向の変化は無視できる。そのため、ミュオン検出ノード２０ａ、２０ｕ、２０ｂを同一のミュオンが貫通した事実を検出することにより、この３個のノードが直線状に位置している事実を検出できる。

同様に、ミュオン軌跡Ｍ２が、不動ノード２０ｃ、可動ノード２０ｕ、不動ノード２０ｄを貫通している事実から、この３個のノードが直線状に位置している事実を検出できる。一方、不動ノード２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの座標値は既知であることから、幾何学的連立方程式を解くことで、可動ノード２０ｕの未知の座標値を算出することができる。

このとき算出される座標値はシンチレータのサイズに応じた値となる。したがって、シンチレータのサイズをより小さくすることで、可動ノードが得たい座標値の分解能を向上させることができる。

また、図４のように不動ノード２０ａ、２０ｂが配置される平面または不動ノード２０ｃ、２０ｄ配置される平面がある場合、可動ノード２０ｕとこれらの平面との距離（平面に対して法線方向の距離）を事前に入手できればミュオン軌跡Ｍ１のみでも可動ノード２０ｕの未知の座標値を算出することができる。このように、事前に得られる他の情報を組み合わせることで、計算処理負荷の低減や確度向上を図ることもできる。

また、図４では不動ノード２０ａ、２０ｂが配置される平面と不動ノード２０ｃ、２０ｄ配置される平面との中間に可動ノード２０ｕがある状態を表している。しかしながら、本願はこれに限定されるわけではなく、可動ノード２０ｕが中間にない場合でも、幾何学的連立方程式を解くことで位置を特定できる。

図５は、測位システム１０におけるミュオン検出ノード２０の構成を示す図である。ミュオン検出ノード２０は、検出部２１と、制御部２２と、電源部２３を構成要素として含む。

検出部２１は、地面に水平に配置された２枚の平板状のシンチレータ２１１と、シールド２１２と、２個の光検出器２１３と、２個の導光器２１４を構成要素として含み、制御部２２は、コインシデンス回路２２１と、時計２２２と、計算機２２３と、記憶装置２２４と、通信装置２２５を構成要素として含む。

シンチレータ２１１は、ミュオンを含む放射線が通過した際に蛍光する性質を有する。シンチレータ２１１の材質は、例えばヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）が適している。ヨウ化ナトリウムはミュオンに対して良好な発光強度を得られる利点があるが、潮解性を有する。したがって、発光強度や他の特性を考慮し、有限空間ごとに適切な材質を選択しても良い。特にサイズを限定するわけではないが、本実施例のシンチレータ２１１の厚さは２０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍで、２枚のシンチレータの間隔は１０ｍｍである。

シールド２１２は、二次宇宙線ミュオン以外の放射線および環境光がシンチレータ２１１および導光器２１４に進入することを防ぐために、シンチレータ２１１および導光器１４を外部表面を覆う。これにより、ミュオンに起因するシンチレーションのみを観測することができるのでミュオン検出の信頼性が向上する。

導光器２１４は、シンチレータ２１１における蛍光を光検出器２１３に導く。光検出器２１３は、光を電気信号に変換する機能を有する。光検出器２１３には、例えば光電子増倍管が適している。

二次宇宙線ミュオンの飛来以外にも、熱雑音の影響により光検出器２１３から信号が伝達される可能性があるため、コインシデンス回路２２１は、２個の光検出器２１３から同時に信号が出力されたか否かを比較し、同時とみなされた場合にのみ、計算機２２３に信号を伝達する。これにより、ミュオン飛来イベントのみが計算機２２３に伝達される。

ここでいう、同時とみなされる場合とは、二次宇宙線ミュオンの一般的な速度を基に、２枚のシンチレータ２１１を通過するために必要な時間が考慮されている。

計算機２２３は、コインシデンス回路２２１から信号が伝達された時刻を、時計２２２から取得し、記憶装置２２４に追加登録する。計算機２２３は、通信装置２２５が送信可能か否かを常に監視し、送信可能の場合には、記憶装置２２４に登録されている時刻情報を、ミュオン検出ノード２０のＩＤとともに、イベント情報５１９として通信手段３０を介して測位サーバ４０に伝達する。計算機２２３は、送信が完了した時刻情報を記憶装置２２４から削除する。

電源部２３は、光検出器２１３と、コインシデンス回路２２１と、時計２２２と、計算機２２３と、記憶装置２２４と、通信装置２２５に必要な電力を供給する。通信手段３０は、ミュオン検出ノード２０と、測位サーバ４０との間の通信を実現する。ミュオン検出ノード２０が測位対象の可動物体に搭載されている場合は、無線通信が適している。ミュオン検出ノード２０が、位置が既知で固定されている場合は、有線通信が適している。

図６は、測位システム１０における測位サーバ４０の構成を示す図である。測位サーバ４０は、通信装置４１と、計算機４２と、記憶装置４３と、表示装置インターフェース４４と、電源部４５を構成要素として含む。計算機４２は、同時性比較部４２１と、軌跡算出部４２２と、座標算出部４２３を構成要素として含む。

記憶装置４３は、イベント記憶部４３１と、軌跡記憶部４３２と、ノード座標記憶部４３３を構成要素として含む。電源部４５は，通信装置４１と，計算機４２と，記憶装置４３と，表示装置インターフェース４４とに必要な電力を供給する。

図７は、イベント記憶部４３１に格納されるイベント情報テーブル５１の例を示す図である。イベント情報テーブル５１は、イベント情報５１９の集合である。１組のイベント情報５１９は、１個のミュオン飛来イベントに対応しており、ミュオン飛来時刻５１１、ミュオン検出ノードＩＤ５１２を含む。

図８は、軌跡記憶部４３２に格納される軌跡情報テーブル５２の例を示す図である。軌跡情報テーブル５２は、軌跡情報５２９の集合である。１組の軌跡情報５２９は、１本の直線状のミュオン軌跡に対応しており、ミュオン飛来時刻５２１、１個の可動ノードのＩＤ５２２ｕ，２個の不動ノードのＩＤ５２２ａ，５２２ｂを含む。

図９は、ノード座標記憶部４３３に格納されるノード座標情報テーブル５３の例を示す図である。ノード座標情報テーブル５３は、ノード座標情報５３９の集合である。１組のノード座標情報５３９は、１個のミュオン検出ノード２０に対応しており、ミュオン検出ノードＩＤ５３１、可動性５３２、座標値５３３を含む。

図１０は，測位サーバ４０がミュオン検出ノード２０からミュオン飛来イベント情報を受信した際のフローチャートである。

通信装置４１が、ミュオン検出ノード２０から伝達されたイベント情報５１９を受信すると、計算機４２は、イベント記憶部４３１のイベント情報テーブル５１にそのイベント情報５１９を追加登録する（ｓ６０１）。

同時性比較部４２１は、イベント情報テーブル５１を検索し，新規イベント情報５１９の時刻と同時とみなされる時刻が記載された既登録イベント情報を列挙する（ｓ６０２）。

ここでいう、同時とみなされる時刻とは、２つの不動ノードと１つの可動ノードとのミュオン飛来時刻が一定の時間範囲内にあるかで判断している。一定の時間範囲とは、二次宇宙線ミュオンの一般的な速度を基に２つの不動ノードと１つの可動ノードとを通過するために必要な時間が考慮されている。

計算機４２は，列挙されたイベント情報５１９のうち，２個ずつに着目するループを開始する（ｓ６０３）。

軌跡算出部４２２は，着目している２個のイベント情報５１９と，新規イベント情報の３個から，新規に軌跡情報５２９を算出する（ｓ６０４）。

軌跡算出部４２２は，前記新規軌跡情報５２９を，軌跡記憶部４３２の軌跡情報テーブル５２に追加登録する（ｓ６０５）。

軌跡算出部４２２は，軌跡情報テーブル５２を検索し，前記新規イベント情報５１９の時刻の前後のある一定の時間範囲内の時刻が記された軌跡情報５２９を列挙する（ｓ６０６）。

計算機４２は，列挙された軌跡情報５２９のうち，１個に着目するループを開始する（ｓ６０７）。

座標算出部４２３は，着目している軌跡情報５２９と，前記新規軌跡情報５２９を基に，ノード座標記憶部４３３のノード座標情報テーブル５３を適宜参照し，両軌跡に含まれる可動ノードの座標値の算出を試みる（ｓ６０８）。

可動ノードの座標値が新たに算出された場合は，座標算出部４２３は，ノード座標情報テーブル５３の該当箇所を更新する（ｓ６０９）。

計算機４２は，次の軌跡情報５２９に着目し，処理をステップｓ６０８に戻す（ｓ６１０）。

着目すべき軌跡情報５２９が無くなった際には，計算機４２は，次のイベント情報２個の組み合わせに着目し，処理をステップｓ６０４に戻す（ｓ６１１）。

着目すべきイベント情報２個の組み合わせが無くなった際には，計算機４２は，表示装置インターフェース４４を介して表示装置７０にノード座標記憶部４３３に格納された全ての可動ノードの座標値を伝達し，予め用意されたフロアマップ等の上に可動物体の位置を重畳表示する（ｓ６１２）。

なお，本実施例において，ミュオン検出ノード２０はミュオン飛来イベントのみを検出する機能を備えるが，単一のシンチレータに複数の光検出器を接続し，各光検出器で検出された光の強度を比較することで，ミュオンの通過点をシンチレータ内で特定する機能を備えても良い。このような構成をとることで、複数のシンチレータを並べる必要がなくなり、検出面積を減少させることなくミュオン検出ノード数を減らすことができる。

１０ 測位システム
１１ 有限空間
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 不動ノード
２０ｕ 可動ノード
３０ 通信手段
４０ 測位サーバ
７０ 表示装置

Claims (6)

1. 互いの相対位置が既知である第１及至第４粒子線検出装置を含む、複数の粒子線検出装置と、
   前記複数の粒子線検出装置に対して相対位置が未知である第５粒子線検出装置と、
   前記複数の粒子線検出装置及び第５粒子線検出装置に接続された位置計算部と、
   前記位置計算部に接続されたクロックと、
   を有する測位システムであって、
   前記位置計算部はさらに、
   前記複数の粒子線検出装置及び第５粒子線検出装置からの受信信号と前記クロックからのクロック信号とを用い前記受信信号に時刻情報を付与するイベント情報生成部と、
   前記時刻情報から一定の時間範囲にある前記受信信号に対して関連付け処理を行う同時性比較部と、
   前記関連付け処理の情報から前記第１粒子線検出装置、第２粒子線検出装置及び第５粒子線検出装置を第１の粒子線が貫通した事実、並びに、第３粒子線検出装置、第４粒子線検出装置及び第５粒子線検出装置を第２の粒子線が貫通した事実を検出して、前記第１粒子線検出装置と前記第５粒子線検出装置との相対位置を算出する座標算出部と、
   を有する測位システム。
2. 請求項１に記載の前記測位システムにおいて、
   前記粒子線検出装置は、
   ミュオンにより発光する第１シンチレータと、
   前記第１シンチレータに光学的に接続された第１導光器と、
   前記第１導光器と光学的に接続された第１光検出器と、
   を有する測位システム。
3. 請求項２に記載の前記測位システムにおいて、
   前記粒子線検出装置はさらに、
   ミュオンにより発光する第２シンチレータと、
   前記第２シンチレータに光学的に接続された第２導光器と、
   前記第２導光器と光学的に接続された第２光検出器と、
   前記第１及び第２光検出器に接続され、前記第１及び第２光検出器から受信する検出信号のタイミングを比較するコインシデンス回路と、
   を有する測位システム。
4. 請求項３に記載の前記測位システムにおいて、
   前記粒子線検出装置は、
   前記第１及び第２シンチレータと前記第１及び第２導光器との外部表面を覆うシールドを有する測位システム。
5. 請求項１に記載の前記測位システムにおいて
   前記関連付け処理は、前記同時性比較部が、
   前記第１粒子線検出装置と前記第２粒子線検出装置と前記第５粒子線検出装置とが粒子線を検出した時刻を比較する処理と、
   前記第３粒子線検出装置と前記第４粒子線検出装置と前記第５粒子線検出装置とが粒子線を検出した時刻を比較する処理と、
   を行うことを特徴とする測位システム。
6. 有限空間内に少なくとも５個配置されているミュオン検出ノードと，
   前記ミュオン検出ノードと通信手段により接続された測位サーバとを備えた測位システムであって、
   前記ミュオン検出ノードの少なくとも第１及至第４ミュオン検出ノードは位置が固定されており、かつ、その座標値が既知であり、
   前記ミュオン検出ノードの少なくとも第５ミュオン検出ノードは位置が固定されておらず、
   前記ミュオン検出ノードはシンチレータと導光器と光検出器とコインシデンス回路と時計と計算機とを有し、
   前記測位サーバは前記ミュオン検出ノードによって検出されたミュオン飛来イベントの時刻情報と該ミュオン検出ノードのＩＤとの組み合わせであるイベント情報を記憶し、
   前記測位サーバは前記イベント情報に基づいてミュオン軌跡情報を算出し、
   前記測位サーバは前記ミュオン軌跡情報から、第１ミュオン検出ノード、第２ミュオン検出ノード及び第５ミュオン検出ノードを第１のミュオンが貫通した事実、並びに、第３ミュオン検出ノード、第４ミュオン検出ノード及び第５ミュオン検出ノードを第２のミュオンが貫通した事実を基に、位置が固定されていない前記第５ミュオン検出ノードの座標値を算出することを特徴とする測位システム。

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