Bureau de l’Heure

Introduction

Parmi les nombreux objets d’études des scientifiques de l’Observatoire, la réalisation de l’heure exacte constitue une tradition plus que séculaire. Lors de la création de l’Observatoire, l’un des objectifs principaux d’ailleurs était d’établir un catalogue d’étoiles par des observations méridiennes; un tel programme imposait ipso-facto l’installation des meilleures horloges disponibles à l’époque et des déterminations de l’heure aussi précises que possible. Au début du vingtième siècle de nouvelles horloges à balancier ont été installées dans des caves spécialement préparées à cet effet; les caves étaient maintenues à une température constante à quelques dixièmes de degré et les horloges étaient accrochées à des piliers de pierre enfoncés dans le sol et indépendants de la structure du bâtiment. Les horloges, dites fondamentales, étaient quatre pendules Rieffler dont deux pour conserver le temps solaire moyen et deux pour conserver le temps sidéral. L’heure était déterminée par des observations méridiennes et déjà diffusée, par téléphone, en des lieux publics comme le port d’Anvers par exemple. Plus tard et jusque vers 1980 l’heure de l’Observatoire synchronisait l’horloge parlante ainsi que les signaux horaires émis par la radio.

Lorsque les premières horloges à quartz firent leur apparition vers 1950, les développements technologiques ont suivi de manière très rapide que ce soit au niveau des horloges ou des techniques d’observation et de comparaison d’horloges à distance. L’Observatoire suivit cette évolution technologique en installant ses premières horloges à quartz en 1955, puis en 1968, les horloges atomiques et les techniques modernes de comparaison (Loran-C, puis GPS).

Le temps atomique

Jusqu’en 1960, l’unité de temps se référait à la rotation de la Terre sur elle-même. La seconde était définie comme une fraction (1/86400) du jour solaire moyen (intervalle de temps entre deux passages successifs du soleil au méridien d’un même lieu d’observation); depuis 1967, la seconde est définie à partir d’une propriété quantique de l’atome de césium, offrant une précision bien meilleure à l’unité de mesure de temps.

On savait depuis le début du XXème siècle que la rotation de la Terre n’était pas stable, des variations de rotation ayant été mises en évidence par l’étude des mouvements orbitaux de la lune et des planètes. Puisque la durée du jour est variable, la seconde définie comme une fraction du jour avait également une durée variable, ce qui est inadéquat pour une unité de mesure. Cependant, aucune horloge ne permettait de générer une échelle de temps plus stable que la rotation de la Terre; la détermination la plus précise de l’heure s’obtenait avec les observations astronomiques.

Les choses ont changé lorsque les horloges atomiques firent leur apparition. La communauté scientifique disposa alors d’un standard de fréquence dont la stabilité était de loin supérieure à la rotation de la Terre. La seconde reçut une nouvelle définition en 1967 lors de la 13ème Conférence Générale des Poids et Mesures: la seconde est la durée de 9 162 631 770 périodes de radiation de la transition entre deux niveaux hyperfins d’énergie de l’état fondamental de l’atome de Césium 133.

Le principe d’une horloge atomique est le suivant. Les atomes peuvent se trouver dans plusieurs niveaux d’énergie, et les transitions entre ces différents niveaux se font par absorption ou émission d’un rayonnement à une fréquence bien précise, propre à chaque transition.

Pour générer ces secondes, les horloges atomiques au césium «excitent» les atomes avec un rayonnement dont la fréquence correspond à la fréquence de la transition. Dans la pratique, la fréquence d’excitation est ajustée de façon à obtenir un maximum d’atomes dans l’état excité; la fréquence ainsi obtenue est utilisée pour générer les impulsions-secondes. Dans le cas d’une horloge au césium, chaque fois que l’on a compté 9 192 631 770 cycles, on génère une impulsion seconde.

La réalisation du Temps Atomique International (TAI) est sous la responsabilité du BIPM (Bureau International des Poids et Mesures, Paris). Le TAI correspond à une moyenne pondérée d’environ 250 horloges atomiques réparties de par le monde dans une quarantaine de laboratoires. L’un de ces laboratoires est à l’Observatoire Royal de Belgique (ORB).

La seconde atomique étant légèrement plus courte que la seconde obtenue comme une fraction du jour, le TAI est en avance par rapport à l’échelle de temps basée sur la rotation de la Terre (appelée Temps Universel). Pour des raisons pratiques, il est nécessaire de maintenir l’échelle de temps officielle aussi proche que possible de la rotation de la Terre. Pour cette raison, on a introduit en 1971 le Temps Universel Coordonné (UTC), qui est obtenu en ajoutant au TAI des «secondes intercalaires» si nécessaire, de sorte que l’écart entre le UTC et l’échelle de temps déduite de la rotation de la Terre reste inférieur à 0.9 secondes. L’heure locale s’obtient alors en ajoutant le décalage du fuseau horaire du lieu, et une éventuelle correction saisonnière pour l’heure d’été.

Réalisation de UTC

Chaque laboratoire maintient une réalisation physique de UTC, c’est-à-dire une horloge (ou un ensemble d’horloges atomiques) synchronisée sur UTC et dont la fréquence est ajustée sur celle de UTC. Cette réalisation est appelée UTC(k), où k est l’acronyme du laboratoire; la réalisation de UTC faite à l’Observatoire est appelée UTC(ORB).

Les horloges participant au TAI doivent pouvoir être comparées entre elles. Dans un même laboratoire, les horloges seront régulièrement comparées à UTC(k) à l’aide d’un compteur d’intervalle de temps qui mesure le décalage entre les impulsions (une impulsion par seconde) de l’horloge et les impulsions de UTC(k). Pour des horloges situées dans des laboratoires différents, on utilise deux techniques: la mesure de double trajet d’une onde transitant par un satellite géostationnaire (appelée «Two-Way») et la vue commune des satellites GPS (appelée «common view»). Seule cette seconde technique est utilisée à l’ORB; elle peut se résumer comme suit:

  1. Dans un premier temps, on observe à instants précis déterminés par le BIPM tous les satellites GPS visibles, et de ces observations on déduit l’erreur de synchronisation entre UTC(k) et le temps GPS. Chaque laboratoire de temps envoie une fois par mois au BIPM les données du mois précédent concernant la différence entre son horloge UTC(k) et le temps GPS, et les différences entre les autres horloges locales et UTC(k).
  2. Dans un deuxième temps, le BIPM combine les stations deux par deux, et pour chaque instant d’observation des satellites GPS, élimine le temps GPS qui est commun, et en déduit les erreurs de synchronisation entre les UTC(k). Les erreurs de synchronisation entre les différentes horloges des différents laboratoires s’obtiennent alors aisément.

Ensuite, pour calculer le Temps Atomique International, le BIPM calcule, à partir de toutes les horloges locales comparées par les méthodes de two-way ou de common view, une «Echelle Atomique Libre (EAL)» basée sur un algorithme d’ensemble, dans lequel le poids attribué à chaque horloge locale est déterminé par sa stabilité à long terme. Cette moyenne pondérée est alors combinée avec un ensemble de standards primaires de fréquences(*) développés dans quelques laboratoires, de façon à obtenir la seconde TAI la plus proche possible de la définition officielle de la seconde.

Le TAI est calculé a posteriori: il faut laisser les horloges fonctionner pour en collecter les lectures, et ensuite les transmettre au BIPM qui effectue le calcul a posteriori. Le BIPM renvoie alors, pour chaque mois écoulé, l’évolution de l’écart entre UTC et UTC(k) , ce qui permet à chaque laboratoire d’estimer la qualité de sa prédiction UTC(k) et d’en réajuster la fréquence si nécessaire, c’est-à-dire si UTC(k) s’écarte trop de UTC.

International

L’Observatoire Royal de Belgique a pour mission d’intégrer la Belgique dans les systèmes de références spatio-temporels internationaux par la détermination de l’Heure, et le positionnement de précision.

Les échelles de temps dans lesquelles l’Observatoire est inclus sont : UTC(ORB), soit la réalisation de UTC faite à l’Observatoire, TAI (la base du temps légal) et IGS (International GPS Service), donnant une échelle de temps en quasi-temps réel. Actuellement, l’ORB participe à la réalisation du TAI, en envoyant les mesures de 4 horloges (3 Césium et 1 Maser à hydrogène) au Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Outre les horloges atomiques, le laboratoire de temps renferme également tous les instruments de mesure qui s’y rapportent et en particulier les récepteurs GPS qui servent à la fois au transfert de temps (comparaisons d’horloges à distance) et à la géodésie. Ainsi l’Observatoire est une des rares stations européennes qui soit à la fois incluse dans le TAI et dans le réseau IGS (International GPS Service).

La responsabilité scientifique du bureau de l’heure de l’ORB est d’envoyer des données aussi précises que possible au BIPM. Pour cette raison, nos horloges sont placées sous haute surveillance : un logiciel les contrôle en permanence en comparant les «impulsions seconde» des horloges, les unes par rapport aux autres ainsi que par rapport à UTC(ORB). Nos horloges sont installées dans des caves stabilisées en température à 0.1°C et dont l’accès est restreint afin de garder la température et l’humidité aussi stables que possible. La seconde de temps est ainsi réalisée avec une précision de 2 10-12, et une stabilité à long terme, (c’est à dire si on néglige les variations aléatoires à court terme inférieures à quelques jours), meilleure que 2 10-14.

Les recherches menées par les scientifiques de l’Observatoire en matière d’Heure sont centrées sur le transfert de temps par «common view». Elles visent à en raffiner la précision afin de pouvoir comparer les horloges atomiques les plus précises au monde.

National

C’est à l’Observatoire Royal de Belgique qu’est réalisée l’heure la plus précise pour la Belgique, c’est-à-dire la plus proche du TAI. Cette échelle de temps est UTC(ORB). Elle est obtenue au départ du signal généré par notre maser à hydrogène, dont la fréquence est ajustée pour obtenir une dérive minimale par rapport à UTC. De plus, afin de détecter tout comportement anormal de UTC(ORB), son signal est continuellement comparé à l’échelle de temps du US Naval Observatory, UTC(USNO) en utilisant la méthode de vue commune des satellites GPS, avec la procédure développée a l’Observatoire, utilisant la combinaison «ionosphere-free» des codes P1 et P2 et les éphémerides rapides produites par l’IGS. Tout ce système est contrôlé par ordinateur. La vérification de la qualité de notre horloge de référence se fait en permanence pour garder une précision telle que la différence entre UTC(ORB) et UTC n’excède pas 100 milliardièmes de seconde. Actuellement, le programme de contrôle permet de détecter toute anomalie de fonctionnement de nos horloges, qu’elle soit subite ou progressive. La stabilité à long terme de UTC(ORB) est inférieure à 10-14 sec/sec.

Notre responsabilité au niveau national en ce qui concerne l’heure comporte aussi un rôle de transmission dans l’information concernant les secondes intercalaires appliquées si nécessaire les 31 décembre et 30 juin de chaque année. Ces secondes intercalaires répondent d’une part au biais introduit par la définition de la seconde (la seconde atomique est très légèrement plus courte que la seconde déterminée par la vitesse actuelle de rotation de la Terre) et d’autre part aux variations de la vitesse de rotation de la Terre sur elle-même (variations de la longueur du jour). Le TAI est un temps très stable. Par contre, la Terre ne tourne pas toujours exactement sur elle-même en 24 heures car sa rotation est perturbée par des échanges d’énergie entre l’atmosphère et la Terre solide, de même qu’entre le noyau liquide interne et la coquille solide, appelée manteau. Le Service International de la Rotation de la Terre (IERS) détermine dès lors en permanence la différence entre le temps UTC et le temps déduit de la rotation de la Terre sur elle-même. Le IERS décide si une seconde intercalaire est nécessaire pour que cette différence reste inférieure à 0.9 seconde. La combinaison du TAI et des secondes intercalaires génère le temps légal appelé Temps Universel Coordonné (UTC), qui est donc un temps atomique proche du temps rotationnel de la Terre. C’est ce temps, aux corrections de fuseaux horaires près, qu’affichent nos montres.

En Belgique, la seule réalisation de UTC est celle de l’Observatoire. Le bureau de l’heure de L’ORB distribue l’heure exacte, c’est à dire l’horloge de référence UTC(ORB), par ligne télephonique (en se connectant à l’aide d’un PC et d’un modem) et par Internet (NTP). La précision de l’heure reçue par les utilisateurs est de l’ordre de deux à trois dizaines de millisecondes.

Cependant, on peut aussi capter une autre réalisation de UTC qui est celle de la PTB (Physikalish-Technische Bundesanstalt, Allemagne) émise à travers le signal DCF-77. Ce signal radio est émis à Mainflingen, en Allemagne, à proximité de Frankfort, sur une fréquence porteuse de 77.5 kHz. Il contient la date et l’heure précise dans l’échelle de temps UTC(PTB).

De plus, les satellites GPS possèdent à leur bord une horloge atomique et transmettent, dans leur message de navigation, l’écart entre cette horloge et UTC(USNO), la réalisation de UTC faite par l’US Naval Observatory. De cette information, les utilisateurs GPS peuvent connaître UTC(USNO) et il leur reste à tenir compte du fuseau horaire où ils se trouvent et d’un éventuel décalage d’heure été pour connaître l’heure locale.

NTP

Le bureau de l’heure dispose d’un service public permettant de synchroniser les horloges des ordinateurs via internet par le protocole NTP (Network Time Protocol). Ce service est composé de deux serveurs de temps primaire stratum 1 synchronisés sur trois sources indépendantes: (1) UTC(ORB), notre réalisation locale d’UTC; (2) UTC(USNO), transmise par le système GPS; et (3) UTC(PTB), transmise par le système DCF-77.

La précision de la synchronisation de nos serveurs de temps primaire sur les différentes sources de temps UTC est de l’ordre de quelques microsecondes (10-6 secondes). Une synchronisation via internet par ce service, utilisant le protocole NTP, fournit une précision de l’ordre de quelques millisecondes (10-3 secondes) par rapport à UTC lorqu’elle est réalisée dans des conditions optimales.

Le protocole NTP est le protocole de synchronisation de l’heure via internet le plus utilisé, et celui qui fournit les meilleures performances. La majorité des systèmes d’exploitation offrent la possibilité de synchroniser l’horloge de l’ordinateur via ce protocole.