MISSIONS ET SERVICES MÉTROLOGIQUES ET SOCIÉTAUX

Les équipes temps-fréquences des trois observatoires de Besançon, de la Côte d’Azur et de Paris travaillent de manière coordonnée au niveau national dans ce domaine de la métrologie. Une de leurs missions est d’établir les références nationales de temps et de fréquence, de les mettre à la disposition de tous les utilisateurs, de faciliter leur accès et leur utilisation et, par des études, d’améliorer ces références. Les missions et services assurés répondent d’une part aux besoins de la communauté de l’astronomie et de l’astrophysique, et remplissent d’autre part des obligations de cette communauté envers le pays, en termes de métrologie scientifique, légale, civile, etc. L’INSU (institut national des sciences de l’univers du CNRS), le Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) qui pilote la métrologie nationale dans tous les domaines, les universités et observatoires tutelles des laboratoires, les ressources propres des laboratoires sont les principales sources de financement soutenant l’exécution de ces missions.

Au niveau national, les trois laboratoires collaborent sur la réalisation et la mise à disposition permanente des références nationales de temps et de fréquence, pour les utilisateurs scientifiques, la métrologie légale, etc. Pour les applications nécessitant les performances les plus élevées ils forment le socle d’un réseau national constitué d’une petite dizaine d’organismes incluant le CNES, la DGA, Orange (ex France Telecom), des laboratoires de recherche. Pour les autres applications les références sont diffusées aux utilisateurs par de multiples méthodes (ALS162, liens GPS, GALILEO, internet, SCPTime, etc.). Par ailleurs les trois laboratoires apportent leur soutien à des projets scientifiques spécifiques.

Au niveau international, ils participent activement aux programmes et collaborations qui permettent de réaliser et de raccorder les références internationales : comparaisons d’horloges à distance par TWSTFT et GPS, fourniture des données d’horloges au Bureau International des Poids et Mesures pour contribuer au calcul du Temps universel coordonné (UTC). Ils participent aussi à des grands projets d’infrastructures ayant besoin de références temps-fréquence, comme le système européen de radionavigation par satellites, Galileo.

L’ensemble de ces activités a un fort caractère opérationnel. Ces références de temps étant diffusées, elles sont visibles en temps réel par de nombreux utilisateurs. Il est donc nécessaire de maintenir le parc d’horloges et l’instrumentation opérés par les observatoires au meilleur niveau et de disposer de redondances afin d’exclure toute interruption dans les échelles de temps. Le maintien des services au meilleur niveau n’est possible que s’il s’appuie sur une recherche dynamique.

(Note : les intervalles de temps manipulés au quotidien dans les observatoires sont généralement très courts : pour information, 1 nanoseconde -ns- est un milliardième de seconde, 1 picoseconde -ps- est un millième de nanoseconde).

À l’observatoire de Paris, le SYRTE opère le service des Références nationales de temps (RNT). Il est chargé de réaliser et de disséminer deux échelles de temps : UTC(OP) qui est la représentation temps réel pour la France de l’UTC (Temps Universel Coordonné) calculé chaque mois par le BIPM. Elle est réalisée à partir d’un maser à hydrogène dont le signal de sortie est piloté en fréquence grâce aux étalonnages des étalons primaires du laboratoire, les fontaines atomiques. UTC(OP) est la base du Temps Légal disséminé en France, et est l’une des meilleures échelles de temps au monde, se maintenant à quelques nanosecondes de l’UTC depuis plusieurs années, ce qui approche l’incertitude des moyens de transfert de temps. Le raccordement de UTC(OP) à UTC est assuré par le lien primaire TWSTFT OP-PTB, l’incertitude combinée de ce raccordement telle qu’elle est calculée et publiée par le BIPM est inférieure à 2 ns ce qui constitue l’une des plus faibles incertitudes de raccordement à l’échelle mondiale ; le Temps Atomique Français, est une échelle de temps calculée chaque mois à partir des données d’une trentaine d’horloges à césium haute performance réparties dans une dizaine de laboratoires Français et pilotée en fréquence grâce aux fontaines atomiques du SYRTE. Le TA(F) constitue une référence commune d’une exactitude de l’ordre de 10^-15 en fréquence relative normée fournie aux laboratoires contributeurs. Les données collectées sont transmises au BIPM comme contribution Française au calcul de EAL, l’échelle Atomique Libre, première étape de calcul de l’UTC, ce qui place la France parmi les 10 premiers pays contributeurs. Le maintien de l’échelle de temps TA(F) contribue à renforcer les liens entre les laboratoires Français du monde scientifique, industriel ou militaire, favorisant les bonnes pratiques en métrologie temps-fréquence. Pour mener à bien ces activités, le service des RNT opère en continu une centaine d’instruments dont en particulier 3 horloges commerciales à jet thermique de césium, 4 masers à hydrogène, des compteurs d’intervalle de temps et des comparateurs de fréquence, des générateurs d’offset de fréquence et des moyens de transfert de temps par GNSS (GPS et son homologue européen GALILEO) et par TWSTFT (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer), permettant d’effectuer quotidiennement des comparaisons de référence de temps au niveau national et international. En parallèle, de nombreuses expériences scientifiques sont développées au laboratoire (transfert de temps et de fréquence par différents moyens satellitaires, GPS PPP, TWSTFT large bande, TWCP, TWSTFT/SDR, T2L2, contributions au système de navigation par satellite Européen Galileo, future mission spatiale ACES, nouveaux transferts de temps et de fréquence par fibres optiques en cours de développement, …). Par ailleurs, le service assure le raccordement des deux autres observatoires, du TA(F) et d’autres laboratoires via le LTFB (à l’observatoire de Besançon), ainsi que le système complémentaire au GPS dénommé EGNOS. Enfin, le SYRTE diffuse ses références au grand public via SCPTime, NTP et ALS162 (anciennement dénommé France inter grandes ondes).

À l’observatoire de la Côte d’Azur, Géoazur opère une thématique forte de mesure du temps et de l’espace basée sur des instruments de télémétrie laser, des horloges et des systèmes de transfert de temps à la fois micro-onde et optique. Le laboratoire temps fréquence de l’OCA est devenu une station de référence pour le transfert de temps avec des moyens instrumentaux modernes et adaptés. Tout en maintenant une activité fondamentale autour de la réalisation des références nationales et locales, le groupe a donné au Temps Fréquence de l’OCA des horizons nouveaux en y associant des projets de transfert de temps hautes performances, des projets de physique fondamentale et des projets de métrologies des distances. L’expérience de Transfert de Temps par Lien Laser T2L2, développé au CNES et à GeoAzur, a permis de synchroniser des horloges spatiales et terrestres à l’échelle de la picoseconde. T2L2 se situe dans le domaine de la métrologie du temps à la base de nombreuses applications comme la diffusion d’échelles de temps, la navigation, les télécommunications et les expériences de physique fondamentale. Dans la continuité du projet T2L2, un nouveau laser synchronisé sur l’échelle de temps locale de l’observatoire a été acquis pour intégrer le projet ESA ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) via le lien optique ELT (European Laser Timing). De plus, plusieurs instruments de métrologie (dateur d’événement et générateur de signaux) ont été développés dans le cadre de la télémétrie laser et du transfert de temps en collaboration industrielle.

Les derniers développements en date (2019-2020) incluent des collaborations avec les laboratoires INPHYNI et Lagrange/OCA sur des expériences de corrélation d’intensité. Ce projet vise à synchroniser les télescopes de MeO et C2PU avec une précision de 10 ps, ce qui permet de réaliser des mesures de corrélations d’intensité avec une base de plus de 100 m. Ceci correspond à une résolution angulaire des étoiles similaire aux meilleurs interféromètres par interférences d’amplitude telle que le Very Large Telescope Interferometer (VLTI) ou le Center for High Angular Resolution Astronomy  (CHARA). Depuis la fin d’année 2019, nous participons à DORIS en testant la nouvelle balise 4G et nous partageons avec le SLR la même échelle de temps basée sur le maser. Cette première étape initie un travail de recherches en géodésie spatiale via la réalisation d’un Observatoire Géodésique multi techniques co-localisé et synchronisé.

À l’observatoire de Besançon, le LTFB s’appuie sur l’infrastructure commune de deux laboratoires UTINAM et FEMTO-ST. Il opère et maintient 3 horloges à césium commerciales de haute performances, 3 masers à hydrogène et des liens GPS, GALILEO et satellitaires 2-voies (TWSTFT) qui assurent la traçabilité de toutes ses références aux références nationales élaborées à l’observatoire de Paris par le SYRTE. Une réplique de l’échelle de temps nationale UTC(OP) est générée à partir de l’un des masers et des mesures d’écart de temps entre ce maser et UTC(OP) fournies par les moyens GNSS et TWSTFT ; sur l’année 2020, cette réplique a pu être maintenu à moins de 5 ns d’UTC(OP).

Le LTFB a pour mission métrologique la diffusion des références nationales par des prestations d’étalonnage sous accréditation ISO/CEI 17025-2017. Les appareils étalonnés vont du simple chronographe à quartz utilisé dans des processus industriels réglementés qui exigent la traçabilité aux références nationales des instruments utilisés, jusqu’aux horloges atomiques qui peuvent être étalonnés soit sur place dans les locaux de l’observatoire soit à distance par des liaisons GNSS (GPS/GALILEO).

Ces étalonnages distants s’appuient sur des équipements (récepteurs SYREF) développés au sein même du laboratoire. Ces systèmes compacts de raccordement via GNSS permettent la diffusion de la référence nationale de fréquence au travers d’un service de raccordement opéré depuis les années 1990. Depuis 2003, 3 versions du récepteur ont été développées pour s’adapter aux évolutions et obsolescence (rapide) des composants et aux retours des utilisateurs sur les versions successives. Au total ce sont environ 25 récepteurs qui sont déployés chez les clients et au SYRTE et à l’observatoire de Besançon ou sur le site d’émission d’ALS162.

En marge des performances ultimes des étalons atomiques, l’observatoire de Besançon reste un héritier direct de la tradition horlogère associée à la ville de Besançon et à la région Franche-Comté : sa création en 1885 a été motivée par le soutien à l’industrie horlogère locale et nationale. Il continue donc à l’heure actuelle à délivrer des bulletins de marche et des certifications (ISO 3159) de chronomètre mécanique à des fabricants horlogers désireux d’associer l’image d’excellence de l’observatoire de Besançon à leur production.