Techniques de traçabilité des fréquences moyennes

Le GPS en vues communes sert à comparer entre eux des étalons de fréquence situés dans plus de 50 laboratoires de temps et de fréquence de par le monde. Il est également à la disposition des clients de ces laboratoires, en documentant la traçabilité d'une manière universellement acceptable. On peut s'en servir pour montrer un contrôle statistique, comme la simple vérification habituelle d'un étalon de fréquence local ou comme méthode de validation d'autres techniques.

LeGPS en vues communes est une technique de GPS différentiel, dans laquelle on affecte à chaque région géographique un calendrier de poursuite pour l'observation des satellites GPS les mieux placés pour transférer la fréquence moyenne. Le Bureau international des poids et mesures (BIPM, situé en banlieue de Paris) attribue les calendriers de poursuite aux laboratoires des étalons nationaux. Le CNRC (Ottawa) fait des observations pour le programme de poursuite de "l'est de l'Amérique du Nord", comme le font l'USNO (Washington, DC) et le NIST (Boulder, Co).

Voici ce que vous pouvez obtenir du GPS en vues communes:

  1. Des mesures directes de la fréquence moyenne : une simple moyenne de 24 heures peut avoir une incertitude de mesure aussi bonne que 10-13 de la fréquence de référence. On peut utiliser un chevauchement de moyenne de 24 heures pour documenter le comportement d'un oscillateur à quartz.
  2. Une documentation de la traçabilité pour la fréquence moyenne avec la plus grande acceptabilité internationale.

Le CNRC peut vous aider à utiliser le GPS pour établir la fréquence moyenne traçable:

  1. avec les données du temps GPS du CNRC (mesures ionosphériques) et l'accès aux étalons primaires de fréquence du CNRC (gratuitement);
  2. en choisissant les mesures et la référence à utiliser Note de bas de page1;
  3. en évaluant l'incertitude à utiliser avec les mesures Note de bas de page1;
  4. en mesurant la stabilité de votre référence de fréquence locale et en estimant l'incertitude à utiliser pour les temps d'intégration plus courts Note de bas de page1;
  5. avec l'étalonnage et la validation de votre système (antenne, emplacement, récepteur, oscillateur local, logiciel) Note de bas de page1;
  6. avec la validation de toutes les procédures par la participation aux démonstrations de compétence interlaboratoires  Note de bas de page1.

Explication de GPS en vues communes Chaque laboratoire mesure l'échelle de temps de son étalon de fréquence local par rapport aux données temporelles des satellites GPS choisis. Chaque laboratoire recueille les données d'un satellite à la fois, choisi selon le calendrier de poursuite de la région. Les données sont recueillies pour une "poursuite" de 13 minutes et moyennées avec un filtre numérique normalisé, pour obtenir un chiffre de différence de temps unique au milieu de la poursuite : la référence temporelle de l'étalon local - le temps GPS.
Pour obtenir des conditions de mesure qui soient presque les mêmes, on mesure de nouveau chaque satellite deux orbites plus tard ou 23 heures et 56 minutes plus tard (86 160 secondes). On observe souvent une reproductibilité des mesures d'une valeur quadratique moyenne de 3 ns.

Si votre laboratoire a effectué ces mesures, vous pouvez comparer de façon traçable la fréquence moyenne de votre étalon au CNRC, pour cette période de 23 heures et 56 minutes. En appelant votre étalon "RÉF", une double différence des mesures de temps en secondes se forme : {[(RÉF - GPS)jour2 - (RÉF - GPS)jour1] - [(CNRC - GPS)jour2 - (CNRC - GPS)jour1]} / 86160 s. Les lectures du CNRC sont disponibles pour les 3 derniers jours (gratuitement) - on peut obtenir les données auprès de notre organisation sous d'autres formes, sur une base de recouvrement des coûts.

LeGPS en vues communes r\xC3\xA9duit le bruit du mode commun. La double différenciation élimine ou réduit l'incertitude causée par

  1. le bruit intentionnellement superposé à horloge ("accès sélectif" (Selective Availability, SA)) imposé pour diminuer la précision pour les utilisateurs civils, et le bruit normal de l'horloge atomique à bord des satellites, et dans la modélisation pour produire sa version du temps GPS,
  2. les erreurs dans la position de votre antenne du GPS,
  3. les erreurs dans le positionnement du satellite dans les éphémérides diffusés,
  4. un trajet multiple à l'emplacement de votre antenne et à celui du CNRC,
  5. le biais du modèle troposphérique,
  6. les variations diurnes de la température,
  7. et les variations diurnes du retard ionosphérique.

Le plus important effet qui subsiste pour les récepteurs GPS monofréquence est la variation ionosphérique d'un emplacement à un autre. Cet effet est moindre si le retard ionosphérique est le plus petit (lectures de nuit) ou si l'ionosphère est hautement corrélée entre les deux emplacements (comme c'est le cas si votre laboratoire est à quelques centaines de kilomètres du CNRC ou de l'emplacement de référence).

Le message de navigation GPS diffusé par les satellites inclut un modèle ionosphérique. Un récepteur GPS monofréquence peut réduire de moitié son incertitude temporelle de la valeur quadratique moyenne si cette correction ionosphérique est appliquée. (Le modèle ionosphérique diffusé est une estimation raisonnable de l'incertitude de deux écarts moyens quadratiques subsistant après application de la correction ionosphérique diffusée.)

On peut utiliser des récepteurs GPS à bifréquence aux deux extrémités pour mesurer la densité ionosphérique et éliminer efficacement le retard variable causé par l'ionosphère. (Les données temporelles des deux fréquences du CNRC provenant d'un récepteur géodésique sont disponibles dans la base de données de l'IGS (Service international GPS pour la géodynamique), mais ne sont pas encore disponibles comme références au UTC (CNRC) dans le format du BIPM.)

On peut mesurer des fréquences moyennes sur plusieurs jours de la même manière. La double différenciation complète devrait se faire avant tout traitement des données.

Filtre numérique de l'affichage commun GPS

Le signal d'une impulsion par seconde (1 IPS) de votre étalon de fréquence de référence sert de signal de démarrage et la marque de synchronisation du temps du système GPS à partir du satellite sélectionné est utilisée pour arrêter le compteur de l'intervalle de temps. (La marque de synchronisation a appliqué les corrections temporelles du véhicule satellite de diffusion et elle est corrigée pour le temps de vol à partir de la position diffusée du satellite pour les coordonnées établies de votre antenne GPS, telles qu'elles sont entrées dans votre récepteur. Remarquer que la synchronisation n'est pas moyennée pour tous les satellites en vue, et que la position de votre antenne n'est déterminée qui à partir des satellites en vue à ce moment.)

En commençant à l'heure donnée dans le calendrier de poursuite du BIPM, les données GPS d'une seconde sont recueillies pendant 15 secondes et un ajustement quadratique par moindres carrés est fait pour les 15 lectures. (Les données GPS de la première lecture seraient recueillies par le récepteur, mises en moyenne pour un court intervalle de temps avant le démarrage nominal de la poursuite.)

Une valeur lissée est calculée à partir de l'ajustement, au point milieu de l'intervalle de 15 secondes. Toutes les corrections diffusées (éphémérides et horloge) sont évaluées au point milieu et les corrections adéquates sont appliquées à la valeur lissée.

Le récepteur doit appliquer à chaque valeur lissée, les corrections GPS normalisées suivantes.

  1. Le retard géométrique de la position de l'antenne (donnée dans l'en-tête) et la position du satellite à partir de l'éphéméride diffusé utilisée pour cette poursuite. L'indice de cette éphéméride est donné dans les colonnes 78-80 du rapport d'enregistrement de cette poursuite, comme décrit ci-après.
  2. Le retard ionosphérique des paramètres de diffusion utilisés pour la poursuite. Même si les corrections ionosphériques mesurées sont disponibles, ce sont les corrections diffusées qui sont appliquées pour les résultats temporels REFVS (REFSV) et REFGPS.
  3. Le retard troposphérique, calculé de la manière GPS standardisée (Accord de standardisation OTAN 4294) pour le retard causé par la basse atmosphère.
  4. La correction de Sagnac. La surface de la Terre tourne, déplaçant votre antenne tandis que les signaux radio voyagent à partir du satellite GPS. Cette correction rend compte du déplacement.
  5. La correction périodique relativiste causée par l'ellipticité de l'orbite du satellite GPS.
  6. La différence de temps L1-L2des deux fréquences GPS selon la diffusion dans l'éphéméride. Cette correction élimine le biais de synchronisation de satellite à satellite qui, sans cela, serait présent dans tous les résultats des récepteurs monofréquence.
  7. Le retard du récepteur GPS, donné également à la ligne 12 de l'en-tête comme RETARD INTERNE (INT DLY) =… .
  8. Le retard du câble d'antenne moins le retard du câble de l'horloge locale, donné également dans les lignes 13 et 14 de l'en-tête comme RETARD DU CÂBLE (CAB DLY) =… et RETARD DE LA RÉFÉRENCE (REF DLY) =… .

Ce processus est répété pour la poursuite de 13 minutes en formant 52 valeurs lissées avec application des corrections (1) à (8), chaque valeur étant dérivée d'un groupe indépendant de 15 secondes de données. Un ajustement linéaire par moindres carrés est fait aux 52 valeurs lissées et corrigées et le récepteur extrait la valeur de cet ajustement linéaire au point milieu de la poursuite comme la valeur temporelle REFSV (REF - SV) de cette poursuite. La pente et la déviation de la valeur quadratique moyenne de l'ajustement linéaire sont aussi relatées.

Pour obtenir la colonne REFGPS (REF - GPS), un ajustement linéaire semblable est fait après correction du temps du véhicule satellite selon le temps GPS, en appliquant une neuvième correction en plus des corrections (1) à (8).

(9) Les corrections diffusées du temps de l'horloge du satellite sont appliquées pour obtenir l'estimation du temps GPS de ce satellite. Les corrections utilisées sont diffusées dans l'éphéméride comme coefficients et temps initial sous la forme [ a o + a 2 ( t - t o ) + a 1 ( t - t o ) 2 ] , et sont calculées pour les 52 valeurs lissées et corrigées, utilisées pour REFVS (REFSV) et lui sont appliquées.

Un ajustement linéaire par moindres carrés est fait à ces 52 valeurs lissées et corrigées et le récepteur en extrait au point milieu de la poursuite la valeur temporelle REFGPS (REF - GPS) de cette poursuite. La pente et l'écart-type de l'ajustement linéaire sont aussi relatées.

Des ajustements linéaires par moindres carrés sont également effectués et relatés pour certaines corrections. La correction (3) donne la valeur et la pente à mi-poursuite de la correction troposphérique modélisée, relatée comme MDTR et SMDT. La correction (2) donne la valeur et la pente à mi-poursuite de la correction ionosphérique modélisée, relatée comme MDIO et SMDI. Si les retards ionosphériques mesurés sont disponibles, un ajustement linéaire par moindres carrés est alors effectué à la correction ionosphérique mesurée, avec chacun des 52 points moyennés au cours des 15 secondes. La valeur à mi-poursuite de l'ajustement linéaire, sa pente et la déviation de sa valeur quadratique moyenne sont relatées comme MSIO, SMSI et ISG.

La description définitive du filtre numérique et la présentation de sortie sont publiées dans Metrologia 31, pp. 69-79 (1994).

Présentation de sortie GPS utilisée pour les calendrier de poursuite du BIPM
Un en-tête de 16 lignes donne des informations normalisées à propos du paramétrage du récepteur GPS. L'en-tête se trouve dans chaque fichier de données utilisant la présentation normalisée des données de vues communes. Les 16 lignes sont les suivantes:

ligne 1 -
GGTTS GPS DATA FORMAT VERSIO = 01
Le Group on GPS Time Transfer Standards (groupe des étalons de transfert du temps GPS) a défini cette présentation 01, publiée dans Metrologia 31, pp. 69-79 (1994). Les modifications à cette présentation recevront chacune un numéro de série différent et seront publiées dans Metrologia.

ligne 2 -
REV DATE = AAAA-MM-JJ
Ceci donne la date la plus récente de modification des données de l'en-tête, sous une forme numérique complète : année (AAAA), mois (MM, 01 à 12) et jour (JJ, 01 à 31).

ligne 3 -
RCVR = AOA TURBOROGUE 8000 123456 1994 V3.02
Données du récepteur : initiales du fabricant, type de modèle, numéro de série, date de la première mise en fonctionnement, numéro de la version du logiciel.

ligne 4 -
CH = 01
Le numéro de la voie du récepteur utilisée pour ce fichier. Pour un récepteur monovoie, CH = 01. Si plus d'une voie a été utilisée pour recueillir les données suivant l'en-tête, les indicatifs de voie peuvent s'ajouter à chaque ligne, dans la zone des commentaires.

ligne 5 -
IMS = AOA Turborogue 8000 123456 1994 V3.02
Les données du système de mesure ionosphérique : initiales du fabricant, type de modèle, numéro de série, date de la première mise en fonctionnement, numéro de la version du logiciel. Si aucune mesure locale du retard ionosphérique n'est disponible, c- à-d. pour un récepteur GPS isolé monofréquence, la ligne est alors : IMS = 99999.

ligne 6 -
LAB = NRC
Initiales du laboratoire où les mesures ont été effectuées.

ligne 7 -
X = +XXXXXX.XX m
Coordonnée X du centre de la phase de l'antenne GPS, donnée en mètres avec au moins 2 décimales. La coordonnée X de l'ITRF est le premier choix, ou WGS-84, c-à-d. une pure coordonnée X GPS.

ligne 8 -
Y = +XXXXXX.XX m
Coordonnée Y du centre de la phase de l'antenne GPS, donnée en mètres avec au moins 2 décimales. La coordonnée Y de l'ITRF est le premier choix, ou WGS-84, c-à-d. une pure coordonnée Y GPS.

ligne 9 -
Z = +XXXXXX.XX m
Coordonnée Z du centre de la phase de l'antenne GPS, donnée en mètres avec au moins 2 décimales. La coordonnée Z de l'ITRF est le premier choix, ou WGS-84, c-à-d. une pure coordonnée Z GPS.

ligne 10 -
FRAME = ITRF
L'abréviation du system de référence des coordonnées X, Y, Z de l'antenne données ci-dessus.

ligne 11 -
COMMENT =
Des commentaires concernant la méthode d'établissement de la position de l'antenne et son incertitude. On peut utiliser autant de caractères que nécessaire.
En juillet 1996, les Levés géodésiques du Canada ont établi les coordonnées ITRF avec une fidélité de la valeur quadratique moyenne de 3mm, à partir des données globales de l'IGS (Service international GPS de géodynamique).

ligne 12 -
INT DLY = 89.5 ns
Le retard interne entré dans le récepteur GPS, donné en nanosecondes avec 1 décimale.

ligne 13 -
CAB DLY = 125.7 ns
Le retard du câble de l'antenne, à partir de l'antenne jusqu'au récepteur GPS, donné en nanosecondes avec 1 décimale. Généralement, cette ligne comprendrait toutes les modifications en synchronisation du retard du groupe L1 C/A (tel que mesuré par le récepteur) de l'antenne, du préamplificateur, du filtre, du changeur abaisseur de fréquence (le cas échéant), du répartiteur (le cas échéant), des amplificateurs ou des atténuateurs et des connecteurs de ligne.

ligne 14 -
REF DLY = 45.8 ns
Le retard du câble à partir de la sortie de l'horloge de référence jusqu'à l'entrée du temps du récepteur GPS, donné en nanosecondes avec 1 décimale.

ligne 15 -
REF = XXXXXXXXXXXXXXXXXXX
Identification de l'horloge de référence utilisée par le récepteur GPS. Autant de caractères que nécessaire. Ce peut être le code d'horloge à 7 chiffres du BIPM ou le code UTC à 5 chiffres du BIPM ou une description complète de la référence temporelle.

ligne 16 -
CKSUM = XX
Total de contrôle de l'en-tête. Deux chiffres hexadécimaux du total, modulo 256, de tous les caractères (y compris les blancs) de l'en-tête (à l'exclusion des retours de chariot et des changements de ligne), en commençant avec le premier G de la ligne 1 et en incluant le blanc suivant = de la ligne 16.

ligne 17 -
Ligne en blanc À la suite de l'en-tête, une ligne de donnée est utilisé pour récapituler les résultats du récepteur GPS à partir de chaque session de poursuite de 13 minutes d'un satellite GPS. Si la ligne 5 montre que IMS = 99999, aucune mesure de retard ionosphérique n'est disponible et les colonnes MSIO, SMSI et ISG seront absentes. L'enregistrement comporte différentes zones et il est normalement imprimé avec des en-têtes normalisés.

colonne 1 - vide
colonnes 2-3 - PRN - Nombre pseudo-aléatoire du numéro du code Gold GPS utilisé pour la modulation à spectre étalé par un satellite particulier utilisé pour cette poursuite. Le PRN spécifie un satellite GPS unique. Il y a 36 codes différents.
colonne 4 - vide
colonnes 5-6 - CL - CLasse de poursuite - deux caractères hexadécimaux utilisés pour spécifier la classe géographique d'après la latitude et la longitude du véhicule satellite (SV) au point milieu de la poursuite : le premier caractère hexadécimal est la partie de l'entier de (90 - latitude du SV)/12 et le deuxième caractère hexadécimal est la partie de l'entier de (longitude du SV)/24.
colonne 7 - vide
colonnes 8-12 - MJD (JJM) - jour julien modifiée - la date du début de la poursuite exprimé en jours d'après un point de départ arbitraire (17 novembre 1858), conformément aux traditions de la mécanique des orbites. Le JJM 50 449 est le 1er janvier 1997.
colonne 13 - vide
colonnes 14-19 - STTIME - hhmmss - heure du début de la poursuite : heures, minutes et secondes en référence avec l'UTC (l'UTC est le temps universel coordonné, la mise en oeuvre moderne du temps de Greenwich).
colonne 20 - vide
colonnes 21-24 - TRKL - en secondes - durée de la poursuite en secondes. Une poursuite normale dure 780 s.
colonne 25 - vide
colonnes 26-28 - ELV- en unités de 0,1 degré - angle d'élévation apparent de ce satellite (PRN) au-dessus de l'horizon, tel que vu par ce récepteur au point milieu de la poursuite.
colonne 29 - vide
colonnes 30-33 - AZTH - en unités de 0,1 degré - angle de l'azimut apparent de ce satellite (PRN) mesuré à partir du Nord (Est = 90 degrés, etc.), tel que vu par ce récepteur au point milieu de la poursuite.
colonne 34 - vide
colonnes 35-45 - REFSV - en unités de 0,1 ns - - la différence de temps de la RÉFérence fournie et de l'horloge du Véhicule Satellite (avec application de la correction en distance GPS, mais sans celle du modèle d'horloge du véhicule satellite), évaluée en utilisant le filtre numérique du BIPM, au point milieu de la poursuite. Les corrections du retard du récepteur, du retard du câble, du retard troposphérique et du retard ionosphérique modélisé ont été appliquées. REFVS est l'intervalle de temps qui a commencé avec l'impulsion 1 par seconde de la RÉFérence et s'est arrêté avec l'impulsion 1 par seconde corrigée en distance du satellite.
colonne 46 - vide
colonnes 47-52 - SRSV- en unités de 0,1 ps/s - Pente de la différence de temps de la RÉFérence fournie et de l'horloge du véhicule satellite (avec application de la correction en distance GPS mais sans celle du modèle d'horloge du véhicule satellite), évaluée en utilisant le filtre numérique du BIPM au point milieu de la poursuite. Les corrections du retard du récepteur, du retard du câble, du retard troposphérique et du retard ionosphérique modélisé ont été appliquées.
colonne 53 - vide
colonnes 54-64 - REFGPS - en unités de 0,1 ns - la différence de temps de la RÉFérence fournie et de l'estimation du temps du système GPS de ce satellite (avec application des corrections en distance GPS et du modèle d'horloge), évaluée en utilisant le filtre numérique du BIPM au point milieu de la poursuite. Les corrections du retard du récepteur, du retard du câble, du retard troposphérique et du retard ionosphérique modélisé ont été appliquées. REFGPS est l'intervalle de temps qui a commencé avec l'impulsion 1 par seconde de la RÉFérence et s'est arrêté avec l'impulsion 1 par seconde du temps du système GPS, tel qu'estimé à partir de ce satellite.
colonne 65 - vide
colonnes 66-71 - SRGPS - en unités de 0,1 ps/s - Pente de la différence de temps de la RÉFérence fournie et de l'estimation du temps du système GPS de ce satellite (avec application des corrections en distance GPS et du modèle d'horloge), évaluée en utilisant le filtre numérique du BIPM au point milieu de la poursuite. Les corrections du retard du récepteur, du retard du câble, du retard troposphérique et du retard ionosphérique modélisé ont été appliquées.
colonne 72 - vide
colonnes 73-76 - DSG en unités de 0,1 ns - ou écart moyen quadratique des données - l'écart de la valeur moyenne quadratique de l'ajustement linéaire des données, selon la description donnée dans le filtre numérique du BIPM.
colonne 77 - vide
colonnes 78-80 - IOE - pas d'unités - Index de l'éphéméride 0 - 225 diffusé GPS, indiquant l'éphéméride utilisé pour ce calcul (vous voudrez peut-être vérifier que les deux récepteurs utilisent le même IOE pour la même poursuite, afin de rejeter, en vues communes, les erreurs communes d'éphémérides).
colonne 81 - vide
colonnes 82-85 - MDTR - en unités de 0,1 ns - retard TRoposphérique MoDélisé au point milieu de la poursuite.
colonne 86 - vide
colonnes 87-90 - SMDT - en unités de 0,1 ps/s - pente du retard Troposphérique MoDélisé au point milieu de la poursuite.
colonne 91 - vide
colonnes 92-95 - MDIO - en unités de 0,1 ns - retard IOnosphérique MoDélisé au point milieu de la poursuite.
colonne 96 - vide
colonnes 97-100 - SMDI - en unités de 0,1 ps/s - pente du retard Ionosphérique MoDélisé au point milieu de la poursuite.
colonne 101 - vide

Données optionnelles provenant du récepteur à bifréquence effectuant les mesures du retard ionosphérique. Le même filtre numérique du BIPM est appliqué aux mesures du retard ionosphérique et relaté comme :
colonnes 102-105 - MSIO - en unités de 0,1 ns - correction du retard IOnosphérique MeSuré au point milieu de la poursuite pour la pseudodistance C/A, le retard du groupe L1.
colonne 106 - vide
colonnes 107-110 - SMSI - en unités de 0,1 ps/s - pente de la correction du retard Ionosphérique MeSuré au point milieu de la poursuite pour la pseudodistance C/A, le retard du groupe L1.
colonne 111 - vide
colonnes 112-114 - ISG - en unités de 0,1 ns - écart moyen quadratique Ionosphérique mesuré - l'écart de la valeur moyenne quadratique de l'ajustement linéaire du BIPM appliquée aux corrections ionosphériques mesurées.
colonne 115 - vide
colonnes 116 et 117 - CK - deux caractères hexadécimaux du total de contrôle de 8 bits des caractères ASCII des colonnes 1-115.
colonnes 118-128 données en composition libre. Par exemple, si on utilise différentes voies du récepteur pour différentes poursuites, le commentaire CH = 02 pourrait être inséré dans cette zone pour indiquer qu'une poursuite particulière a été effectuée en utilisant la voie 2 du récepteur. Pour utiliser le GPS en vues communes pour établir la fréquence moyenne traçable, vous aurez besoin:

  1. d'un étalon de fréquence qui fonctionne en continu pour produire une échelle temporelle (idéalement avec une alimentation sans interruption). Si vous avez un étalon de fréquence de 10 MHz ou de 5 MHz, sa sortie sera normalement divisée jusqu'à un signal d'une impulsion par seconde (1 IPS), de sorte que ses marques de synchronisation de référence sont sans ambiguïté pour n'importe quel écart raisonnable de la fréquence nominale;
  2. d'un récepteur GPS (idéalement, programmé pour utiliser le calendrier de poursuite et le filtre numérique du BIPM), avec une position d'antenne établie (relevée ou moyenne à long terme GPS);
  3. d'un accès au calendrier de poursuite de l'affichage commun et aux données recueillies à un laboratoire national responsable de la fréquence moyenne (CNRC, NIST);
  4. d'une mesure de la stabilité de votre étalon de fréquence local comme fonction du temps d'intégration, s'élevant au moins jusqu'à un jour et descendant jusqu'à n'importe quel temps d'intégration minimum que vous voulez considérer.

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