Transfert de temps spatial

Configurations pour le transfert de temps spatial

Le transfert de temps une voie permet de synchroniser deux horloges à partir d’un émetteur et vers un récepteur qui ne renverra pas l’impulsion laser mais qui datera la réception de l’événement (remarque : le lien peut être montant comme pour T2L2 ou

1.3. Transfert de temps/fréquence (micro-onde)

Figure 1.5 – Schéma du transfert de temps une voie à gauche et deux voies à droite. Dans le cas du transfert de temps une voie, le satellite n’est pas équipé de rétro-réflecteurs, mais est capable de dater l’événement à bord (le lien peut être montant ou descendant). Dans le cas du transfert de temps deux voies, les impulsions laser seront ré-émises, la station sol datera les instants d’émission et de réception et l’impulsion qui arrive au satellite sera datée également.

descendant, comme pour GPS). Dans le cas du transfert de temps deux voies, le satellite est équipé de réflecteurs et d’un dateur, les impulsions laser seront à la fois renvoyés vers la station et datés à bord. La schématisation de ces deux principes est représentée

Figure 1.5.

Le transfert de temps spatial est en général réalisé sous deux configurations. Pour la synchronisation de deux horloges au sol, dit transfert de temps sol-sol, compte tenu de l’altitude du satellite, nous pouvons être en configuration vue commune ou vue non commune. La vue commune (Figure 1.6, A) a lieu lorsque deux ou plusieurs stations sont capables d’observer le satellite au même instant. La vue non commune (Figure 1.6, B) a lieu lorsque deux stations ne peuvent pas observer le satellite au même instant. Afin d’illustrer ces configurations, nous allons considérer le cas concret de T2L2, à bord de Jason-2 à une altitude de 1336 km. Le site web de T2L22_{, développé par le CMS, permet}

de tracer les éphémérides pour une journée sélectionnée pour 1 ou 2 stations. Si nous prenons l’exemple de la journée du 6 Août 2016, pour les stations de Grasse 7845 et Herstmonceux 7840, les passages en vue commune sont représentés par les points rouges (qui représentent chaque minute du passage) de la Figure 1.7. Par contre, si pour cette même journée, nous sélectionnons deux stations sur différents continents, par exemple Grasse 7845 et Greenbelt 7105, il n’y a pas de passages en vue commune, ces deux stations ne sont accessibles qu’en vue non commune, même si nous considérons l’élévation minimale

1.3. Transfert de temps/fréquence (micro-onde)

Figure 1.6 – A : Vue commune, deux stations voient le satellite au même instant. B : Vue non commune, les deux stations ne voient pas le satellite au même instant.

à laquelle on peut observer T2L2, qui est de 5°. Observer à faible élévation permet de minimiser le temps pendant lequel T2L2 ne sera pas observé.

GNSS

Comme nous l’avons vu précédemment, le transfert de temps espace-sol fait partie du fondement de la mesure GNSS. De nombreux articles font état des performances des méthodes de transfert de temps-fréquence (vue commune, PPP notamment) en termes de stabilité et d’exactitude (étalonnages). Un service international, sous l’égide de l’Associa- tion Internationale de Géodésie (AIG), l’IGS, permet aux utilisateurs de télécharger de nombreux de paramètres et corrections, voire aussi des codes, afin d’atteindre les perfor- mances prévues.

Des expériences locales, mais le plus souvent internationales (sur des distances inter- continentales) sur les aspects métrologiques sont effectuées assez régulièrement (en plus des applications scientifiques possibles, notamment en physique fondamentale, par exemple

Wolf (1995)). Ces expériences visent à estimer les performances de telle ou telle méthode de transfert de temps, le plus souvent sol-sol, soit en vue commune soit en PPP.

D’autres techniques spatiales sont alors mises en "concurrence" afin de mieux com- prendre les limites du GPS (de la méthode en jeu) : avec le TWSTFT (micro-onde mais à deux voies) (Kirchner, 1999), ou avec le transfert de temps optique T2L2 (Exertier et al.,

2016).

C’est depuis les années 1980 que le GPS est utilisé pour la réalisation du TAI. Le code GPS est utilisé pour mesurer le décalage entre une horloge locale et l’horloge du satellite. Les GPS embarquent à leur bord des horloges atomiques de haute performance. Les erreurs et sources d’incertitudes viennent en partie du segment spatial, c’est-à-dire

1.3. Transfert de temps/fréquence (micro-onde)

Figure 1.7 – Éphémérides pour la vue commune dans le cas de Jason-2 à une altitude de 1336 km d’altitude pour une élévation minimale de 15° pour les deux stations de Grasse (7845) et Hertsmonceux (7840) le 6 Aout 2016.http://www.geoazur.fr/t2l2/en/data/ v4/

des instabilités d’horloge bord, mais aussi de la méconnaissance de l’orbite du satellite, du récepteur (sensible au bruit de mesure, aux interférences et aux erreurs liées à la position de l’antenne) et des délais dans la troposphère et la ionosphère. L’étalonnage est également un facteur essentiel pour réaliser un transfert de temps où les incertitudes sont minimisées.

Le transfert de temps par GPS existe dans deux configurations. La vue commune d’un satellite par plusieurs récepteurs, et la vue complète de plusieurs satellites (Petit and Jiang, 2008). Depuis 2006, la vue complète de plusieurs satellites est préférable, les incertitudes (type A) de la détermination de UTC sont réduites, grâce à une meilleure statistique, un meilleur étalonnage et chaque lien GPS est amélioré ; la vue complète a une géométrie plus intéressante. La vue non commune est majoritairement limitée par l’horloge bord et par l’orbite alors que la vue complète bénéficie de plus de données moyennées, la limitation venant alors des erreurs du récepteur/antenne.

L’IGS (Beutler et al., 1999) produit également une échelle de temps d’ensemble IGS time (IGST) (Senior et al., 2003) avec une stabilité à 1 j de 10≠15 (grâce à la multitude

d’horloges présentes). L’ensemble des satellites GNSS offre une véritable opportunité de construire un réseau d’horloges, c’est ainsi qu’existe le temps GPS, au même titre que le temps GLONASS, Galiléo et Beidou. Ces échelles de temps sont utilisées pour disséminer le temps au niveau mondial (Lewandowski and Arias,2011).

1.3. Transfert de temps/fréquence (micro-onde)

Figure 1.8 – Éphémérides pour la vue non-commune dans le cas de Jason-2 à une altitude de 1336 km d’altitude pour une élévation minimale de 15° en haut et 5° en bas pour les deux stations de Grasse (7845) et Greenbelt (7105) le 6 Aout 2016.http://www.geoazur. fr/t2l2/en/data/v4/

1.3. Transfert de temps/fréquence (micro-onde)

Figure 1.9 – Schématisation du transfert de temps deux voies TWSTFT entre deux récepteurs et vers un satellite géostationnaire de télécommunication.

Transfert de temps deux voies TWSTFT

Le transfert de temps deux voies radio-fréquence TWSTFT (schématisé Figure 1.9) permet de synchroniser un réseau d’horloges à l’aide de signaux émis et reçus par un satellite de télécommunications en orbite géostationnaire. Chaque station est équipée d’un transmetteur radio-fréquence et d’un récepteur. Une horloge, reliée à un dateur permet de dater les évènements, permettant un transfert de temps deux voies. L’exactitude de cette technique de transfert de temps est d’environ 1 ns, avec une répétabilité inférieure à la ns et une stabilité au niveau de 10≠15 à 1 j (Kirchner,1999;Bauch et al.,2006). Le transfert

de temps TWSTFT participe à la réalisation du TAI. Cette technique, ainsi que le GPS, permet de comparer les horloges à fontaine atomique et les H-maser mais nécessite une calibration fine et régulière (à cause des changements locaux de l’environnement) pour garantir une exactitude de 1 ns (Piester et al., 2008).

1.4. Conclusion