Etude et développement de la méthode TWSTFT phase pour des comparaisons hautes performances d’étalons primaires de fréquence

Méthode de transfert de temps et de fréquence deux voies

Cette partie décrit différents systèmes de comparaisons d’horloges par la méthode deux voies en s’appuyant essentiellement sur la technique TWSTFT.

Transfert de Temps par Lien Laser (T2L2)

Ce projet commun développé par l’OCA et le CNES a pour but de réaliser, entre autres, un moyen de transfert de temps au niveau de la picoseconde. Le principe de l’expérience T2L2 [37][38][39] (figure 1.5) repose sur la propagation d’impulsions lumineuses de courte durée entre les stations laser via un satellite équipé de l’instrument embarqué T2L2 constitué d’un système de photo détection, d’un dateur et d’un dispositif de rétro-réflexion. Chaque station émet des impulsions laser vers le satellite où le dispositif de rétro-réflexion renvoie le signal reçu vers la station. La station enregistre les dates de départ et de retour des impulsions. L’instrument T2L2 date leur instant d’arrivée à bord du satellite. Il permet ainsi la comparaison de deux horloges distantes: soit l’horloge embarquée sur le satellite et l’horloge de la station au sol, soit les deux horloges des stations. Le décalage de temps entre les horloges en comparaison est alors déduit en calculant la différence entre les mesures de chaque côté. Dans le cas d’un transfert de temps en vues communes, les deux stations tirent sur le satellite dans le même intervalle de temps. Cependant, le bruit de l’horloge bord sur l’intervalle de temps séparant les observations des deux stations doit être pris en considération dans le cas de transfert de temps en vues non communes. Un des principaux objectifs de cette technique est d’achever un transfert de temps avec une stabilité de l’ordre de 1 ps à 1000 s et 10 ps à 1 d et une incertitude inférieure à 200 ps. Cependant, les premières expériences ont démontré une stabilité temporelle de 30 ps à 1000 s et de 9 ps à 1 d [37]. Un des inconvénients majeurs de la technique T2L2 se situe dans le fait que son utilisation et ses performances sont sensibles aux conditions météorologiques.

Transfert de temps et de fréquence par fibre optique

Un lien optique est constitué d’une fibre optique dans laquelle un laser stabilisé en fréquence est injecté. Le signal transféré est constitué de la phase du laser [41]. Plusieurs travaux de recherches s’appuient sur l’utilisation des réseaux publics de télécommunication par fibres optiques pour la comparaison d’horloges atomiques distantes. Cette méthode a révélé des performances prometteuses sur une distance de plusieurs centaines de kilomètres, meilleure que celle des méthodes de comparaisons d’horloges actuelles par liens satellitaires, malgré que les fibres utilisées soient dédiées aux télécommunications et que les mesures sont réalisées parallèlement à un flux d’information haut débit. Ceci a motivé la mise en place en cours d’un réseau national basé sur le même principe permettant de distribuer une fréquence ultra-stable vers les laboratoires français qui souhaitent utiliser des mesures de fréquences de grande précision (figure 1.6). Cette technique possède plusieurs applications comme la mesure de constantes fondamentales, la spectroscopie moléculaire, l’interférométrie atomique, les tests de liens satellitaires, et autres. Une application de la technique deux voies sur un lien fibré est présentée dans le chapitre 6.

Lien Micro-ondes de la mission ACES

ACES [45][46] est un instrument de l’ESA qui sera embarqué à bord de la station spatiale internationale en position externe dont le lancement est prévu en 2014. Le lien micro-ondes MWL [47] de la mission ACES constitue le moyen principal de comparaisons d’horloges atomiques ultra-stable incluses dans sa charge utile à des horloges terrestres (et en deuxième temps comparer des horloges au sol). Les deux horloges installées à bord de la station spatiale sont : PHARAO [48], une horloge à césium froid en cours de développement qui produira un signal de 100 MHz avec une exactitude de fréquence relative de 10-16 et SHM, une horloge maser à hydrogène développée par l’Observatoire de Neuchâtel (Suisse). Le transfert de temps se fait en utilisant une méthode deux voies avec trois fréquences distinctes dont deux en bande Ku. L’utilisation des signaux de fréquence montante et de fréquences descendantes entre les stations terrestres et la station spatiale permettra d’annuler l’effet Doppler du premier ordre ainsi que le délai troposphérique. Pour la comparaison des horloges sol, la stabilité du lien est prévue atteindre environ 0,3 ps à 300 s en vue commune et environ 7 ps à 1 d en vue non commune [47] avec une incertitude de l’ordre de 100 ps. 

Two Way

Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) Ce moyen de comparaison très efficace [50] est utilisé par les laboratoires qui en sont équipés afin de contribuer à la réalisation du TAI [51]. C’est grâce à ce moyen que les incertitudes des écarts (UTC-UTC(k)) sont les plus faibles, telles qu’elles sont calculées et publiées par le BIPM. Cette technique a comme avantage l’élimination des retards atmosphériques et les retards dus au répéteur de satellite ainsi que les effets dus au mouvement du satellite. Par contre, elle est plus coûteuse que les techniques GNSS. Un autre inconvénient de cette technique, est la présence d’un effet diurne qui cause des oscillations d’amplitude de 1 à 3 ns et dont l’origine n’a pas été déterminée jusqu’à présent. Cette partie décrit la technique TWSTFT actuellement  opérationnelle d’une manière plus explicite que les techniques décrites précédemment, et présente deux approches visant à améliorer ses performances.

Méthode

TWSTFT utilisant un simple code pseudo aléatoire de bruit Dans cette partie, le principe de la méthode TWSTFT utilisant un simple code pseudo aléatoire de bruit est développé mettant en évidence tous les paramètres ayant une influence sur la performance de la méthode. Nous présentons également des résultats de comparaison d’horloges distantes très intéressants montrant les capacités et les limites réelles de cette technique. Principe de la méthode Cette technique [52] permet de comparer des horloges atomiques distantes au sol par liaisons micro-ondes via un satellite géostationnaire de télécommunications, servant de relais, sans faire appel à une horloge intermédiaire. Les signaux de temps de type 1 pps sont émis par l’horloge atomique pilotant la station deux voies équipée par un modem SATRE qui génère une séquence de code pseudo aléatoire de bruit à 1 MChips/s modulant une porteuse intermédiaire de fréquence 70 MHz. Les stations émettent leur signal d’horloge en même temps, ce signal est transmis à travers le satellite aux autres stations. Les comparaisons s’effectuent en utilisant la technique CDMA qui permet à toutes les stations d’émettre un signal avec la même fréquence sur le lien microonde en attribuant à chacune un code différent. A l’aide d’un compteur d’intervalle de temps, chaque station mesure le décalage temporel entre le signal émis et le signal reçu de l’autre station. La différence de temps entre les deux horloges est calculée par combinaison des mesures effectuées de chaque côté. Le principe de la technique TWSTFT est représenté dans la figure 1.7. D’après cette figure, T1 et T2 sont les deux échelles de temps au point de référence 1 pps TX de la station 1 et la station 2 respectivement.