Horloges atomiques et GNSS

Journée GNSS & Science 29 janvier 2015 Horloges atomiques et GNSS Noël DIMARCQ SYRTE Systèmes de Référence Temps-Espace Remerciements aux collègues de FEMTO-ST, µquans, SYRTE, Thales «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 1

Horloges atomiques et GNSS Horloges pour le segment spatial Horloges pour le segment sol Conclusion «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 2

Horloges pour le segment spatial Horloges installées dans les satellites GNSS : - performances / stabilité (court/moyen terme, prédiction des dérives) «1 ns au bout de XXXX secondes» - masse / conso / volume - environnement spatial (radiations) - compromis dimensionnement segments sol et spatial + Possibilité d installer une/des horloge(s) de bien meilleures performances dans satellite(s) géostationnaire(s) + liens intersatellites amélioration de l autonomie et performance du segment spatial future référence de temps moins perturbée par le décalage gravitationnel (1 cm = 10-18 ) «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 4

Horloges à rubidium en cellule «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 5

Horloges à rubidium en cellule de GALILEO Spectratime «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 6

Maser H - Actif «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 7

Maser H - Actif Horloge «active» Amélioration de la stabilité en 1/t «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 8

Maser H Passif pour GALILEO Spectratime «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 9

Autres types d horloges spatiales envisageables Horloges en cellule «améliorées» Remplacement de la lampe spectrale par un laser : 1.4 10-13 t -1/2 jusqu'à 100s (LTF, 2014) Fonctionnement pulsé : 1.6 10-13 t -1/2, 2. 10-15 à 10 000 s (INRIM, 2012) Utilisation du piégeage cohérent de population (CPT) pulsé : 3.2 10-13 t -1/2 jusqu à 100 s (SYRTE, 2014) «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 10

Autres types d horloges spatiales envisageables Maser H actif de type SHM (mission ACES) «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 11

Autres types d horloges spatiales envisageables Horloges Cs à jets thermiques Sélection de l état atomique et détection du signal d horloge par : Déflexion magnétique (plutôt pour marché «sol», laboratoires de métrologie, télécoms) ~ 10-11 t -1/2 Pompage optique ~ 3. 10-12 t -1/2 HP-Agilent-Symmetricom-Microsemi Thales-Oscilloquartz «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 12

Fontaines à atomes froids LNE-SYRTE s y (t) = ~ qqs 10-14 t -1/2 avec oscillateur ultrastable ~ 10-13 t -1/2 avec oscillateur à quartz Inexactitude de = qq 10-16 PTB «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 13

Autres types d horloges spatiales envisageables Horloges à atomes froids de type PHARAO (sur ISS) s y (t) < 10-13 t -1/2 Inexactitude de au niveau de 10-16 «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 14

Autres types d horloges spatiales envisageables Horloges à atomes froids compactes Toutes les interactions (refroidissement, interrogation, détection) dans la même zone s y (t) = 2. 10-14 t -1/2 Inexactitude de = qq 10-16 «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 15

Autres types d horloges spatiales envisageables Horloges à atomes froids compactes : Mu-Clock Objectifs de performance : Paramètre Objectif Stabilité court terme < 2.10-13 sur 1 s Stabilité long terme < 4.10-15 (@ 5000 s) Exactitude < 5.10-15 Autres caractéristiques : Paramètre Objectif Durée de vie > 10 ans Encombrement 120 x 50 x 50 cm 3 Masse 80 kg Consommation 250 W max «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 16

Intérêt de la microgravité pour les horloges à atomes froids T R = 200 ms T R = 250 ms T R = 400 ms «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 17 Prototype SYRTE-µQuanS en vols 0-g

Autres types d horloges spatiales envisageables : Horloges à atomes froids piégés sur puces s y (t) = 2. 10-14 t -1/2 Inexactitude de = qq 10-16 SYRTE-LKB Expérience CAL (USA) prévue sur ISS en 2016-2017) «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 18

Autres types d horloges spatiales envisageables : Horloges à ions micro-ondes JPL «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 19

Horloges pour segment sol («GNSS» system time) Situation actuelle : Horloges commerciales (Masers-H actifs + Horloges Cs à jets thermiques à déflexion magnétique) + fontaines à atomes froids utilisées en référence de fréquence stable à long terme et exacte (labos européens participant au raccordement de l échelle de temps GALILEO) ou de fréquence et temps (USNO) Evolutions envisagées / envisageables : Horloges Cs à pompage optique Horloges micro-ondes à ions Horloges compactes à atomes froids Horloges optiques «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 21

Horloges optiques Horloges à réseaux optiques d atomes neutres Horloges à ions Nbre important d atomes (S/B) Contrôle du déplacement dû au piégeage optique ( longueur d onde magique) Petit nombre d ion(s) (S/B) Bon contrôle des champs piégeants et de l environnement + raccordement optique/micro-onde des peignes laser fs «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 22

Horloges optiques Horloges à ions : Stabilité : 2. 10-15 @ 1s (Al + NIST) Exactitude : qqs10-18 qqs 10-17 (Al + NIST ; Yb + PTB ; Sr + NRC ) Horloges à atomes neutres en réseaux optiques : Stabilité : qqs 10-16 @ 1s Sr JILA, PTB, Tokyo, SYRTE Exactitude : qqs10-18 qqs 10-17 «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 23

Besoin d oscillateurs de très hautes performances Besoin commun aux horloges micro-ondes et optiques Oscillateurs à quartz très haute pureté spectrale Oscillateurs cryogéniques Lasers stabilisés sur cavités ou sur références moléculaires Autres besoins spatiaux pour oscillateurs ultrastables dans les domaines micro-onde et optique : physique fondamentale, telecoms cohérentes, orbitographie (DORIS), navigation (DSN), étude de l atmosphère (IASI), «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 24

Conclusions Type d horloge Segment spatial MEO + satellite(s) GEO Segment sol Récepteur GNSS Horloge en cellule Rb lampe spectrale Rb laser CPT pulsé Pulsed Optical Pumping Maser H Maser H passif Maser H actif CPT miniaturisé Horloges à jets thermiques Horloges micro-ondes hautes performances Jet à déflexion magnétique Jet à pompage optique Horloge compacte à atomes froids Horloge à ions Horloge sur puce atomique PHARAO Jet à déflexion magnétique Jet à pompage optique Fontaine à atomes froids Horloge compacte à atomes froids Horloge à ions Horloge optique Horloge optique Horloge optique «Les horloges atomiques et les GNSS», Journée GNSS & Science, 20/01/2015, N. Dimarcq 26