Tutoriels temps-fréquence


Le temps TAI, UTC, GPS

TEMPS ATOMIQUE UNIVERSEL (TAI)

Le temps Atomique Universel (TAI) est établi par le Bureau international des poids et mesures, à partir de plus de 400 horloges atomiques réparties dans plus de 70 laboratoires dans le monde. Ces horloges de référence sont majoritairement des horloges atomiques au césium, mais des masers à hydrogène et quelques horloges atomiques au rubidium sont aussi utilisées.

TEMPS UNIVERSEL COORDONNE (UTC)

UTC est une échelle de temps comprise entre le TAI qui est stable mais déconnecté de la rotation de la terre et le temps universel (TU), directement lié à la rotation de la Terre et donc lentement variable. Le terme « coordonné » indique que le temps universel coordonné est identique au temps atomique international dont il a la stabilité et l’exactitude à un nombre entier de secondes près, ce qui lui permet de coller au temps universel à moins de 0,9 s près.

Initialement, avant l’instauration du TAI, le temps atomique délivré par les horloges était modifié en fréquence pour suivre la rotation terrestre et faire en sorte que la différence UTC − UT reste dans une limite fixée. Ce système devint vite lourd et trop compliqué à mettre en œuvre. C’est pour remédier à tous ces problèmes qu’en 1972 on instaura un temps atomique international ou TAI intangible et on lia UTC à ce TAI.

Le problème du temps universel (UT) est qu’il définit le jour comme la durée moyenne de rotation de la terre autour de son axe. Or, cette rotation n’est pas constante, elle ralentit lentement sous l’effet des marées et, de plus, présente des irrégularités imprévisibles : la durée des jours UT augmente donc très lentement en moyenne. Mais dans les années 1960 et jusqu’à ces dernières années, plusieurs activités dont la navigation astronomique et le suivi de sondes spatiales, avaient toujours besoin du temps universel, c’est-à-dire se référaient toujours à la rotation terrestre, tout en nécessitant une échelle de temps la plus stable possible.

UTC a la même marche et la même fréquence que le TAI mais en diffère par un nombre entier de secondes. Pour faire en sorte que la différence entre UTC et UT reste inférieure à 0,9 s, tout en assurant un écart d’un nombre entier de secondes par rapport au temps atomique, UTC est occasionnellement incrémenté ou décrémenté d’une seconde atomique entière (seconde intercalaire ou « leap second »).

Depuis le 1er janvier 2017, jour de la dernière insertion d’une seconde intercalaire au temps universel coordonné (UTC), le TAI est en avance de 37 secondes sur le temps UTC :

              ⊗  TAI = UTC + 37 secondes

Ces 37 secondes proviennent des 10 secondes de différence initiales plus 27 ajouts de secondes intercalaires au temps UTC depuis 1972.

LE TEMPS GPS

Le temps GPS est continu; il n’est pas ajusté par des secondes intercalaires. Il a été établi le 6 janvier 1980 à 00h00 UTC afin de n’avoir aucune seconde de différence avec l’UTC. Le temps GPS est en retard de 19 secondes sur le TAI et en raison des secondes intercalaires ajoutées à l’UTC, il est au 1er janvier 2017 en avance de 18 secondes sur l’UTC.

            ⊗  TGPS = UTC + 18 secondes

Le temps GS est transmis avec 2 paramètres : un numéro de semaine, et le temps de la semaine en nombre de secondes à partir du samedi minuit. Le champ numéro de semaine n’étant transmis que sur 10 bits, il repasse à 0 toutes les 1024 semaines, c’est à dire environ tous les 20 ans. On appelle communément cet événement le « GPS week roll-over ».

Contrairement au temps GPS, le temps GLONASS suit les secondes UTC. Ce n’est donc pas une échelle de temps continue. Le temps du système Galileo (GST), qui est continu, est décompté depuis la même date de référence que le temps GPS.

Les systèmes GNSS

Systèmes de navigation satellitaires existants ou en développement

Les systèmes de positionnement satellitaires avec une couverture globale sont :

  • GPS pour les Etats-Unis (pleinement opérationnel depuis 1995) ;
  • GLONASS pour la Russie (opérationnel entre 1996 et 1999, puis de nouveau opérationnel depuis 2010) ;
  • GALILEO pour l’Europe (opérationnel depuis 2016) ;
  • COMPASS ou Beidou-2 (évolution à dimension mondiale de Beidou-1, régional) pour la Chine.

Les systèmes de positionnement avec une couverture régionale :

  • Beidou-1 pour la Chine ;
  • IRNSS pour l’Inde (en cours de déploiement en 2015) ;
  • QZSS pour le Japon (en cours de déploiement en 2015).
Comparaison des caractéristiques du segment spatial
Caractéristiques GPS GLONASS GALILEO BEIDOU
Segment spatial
Altitude 20 200 km 19 100 km 23 222 km 21 528 km
Inclinaison 55° 64,8° 56° 55°
Période orbitale 11h58 11h15 14h07 12h53
Nombre de plans orbitaux 6 3 3 3
Nombre de satellites opérationnels (en cible) 31 (31) 24 (24) 4 (27) 4 (27)

GPS

Le système GPS, se développe, à partir de 1978 (année de mise en service du premier satellite) et devient disponible librement en 1994 (avec un accès qui n’est alors plus réservé à l’armée américaine) et pleinement opérationnel en 1995 (avec une constellation de 24 satellites). Il est alors, pendant un an, le seul système de positionnement par satellite, pleinement efficace et fonctionnel.

Un an plus tard (1996), le système GLONASS russe devient, lui aussi, pleinement opérationnel. Cependant, entre 1999 et 2010 (à cause de l’obsolescence de GLONASS), le système GPS était redevenu le seul système mondial de navigation satellitaire entièrement opérationnel. En 2015, Il est constitué de 31 satellites (24 à l’origine) en orbite intermédiaire (MEO) en six plans orbitaux. Le nombre exact de satellites varie en fonction des remplacements de satellites en fin de vie.

GLONASS

Le système GLONASS de l’ex union soviétique, aujourd’hui  Russie (en russe Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), était également une constellation fonctionnelle apparue en 1995 et rendue opérationnelle dès 1996, mais avec l’écroulement de l’union soviétique, il n’était plus entretenu, provoquant des pannes matérielles dès 1997 (deux ans après son lancement), s’aggravant entre 1997 et 2000 et générant des trous de couvertures, rendant obsolète et non-fonctionnel, ce système de positionnement. Entre 2000 et 2010, la disponibilité était donc devenue partielle. En 2005, cependant, la fédération russe s’est engagée à le restaurer avant 2010, avec une collaboration indienne dans ce projet. Entre 2008 et 2010, de nouveaux satellites sont lancés, le rendant de nouveau, progressivement fonctionnel. Depuis 2010, il est enfin redevenu opérationnel et depuis 2011, sa précision s’améliore, le rendement pleinement efficace. Entre octobre et décembre 2011, pour la première fois, la constellation GLONASS couvre 100 % de la surface de la planète. L’iPhone 4S et le Samsung Wave III deviennent en 2011, les premiers smartphones grand public (en dehors du marché russe) à recevoir nativement les signaux GLONASS et à les utiliser pour évaluer le positionnement.

Galileo

L’Union européenne a signé avec l’agence spatiale européenne en mars 2002 l’accord sur le développement du système global Galileo. Le coût est estimé à environ 3 milliards d’euros. La constellation finale sera constituée de 24 satellites qui devraient être opérationnels en 2017, ainsi que de 6 satellites de secours6. Le premier satellite expérimental a été lancé le 28 décembre 2005. Un second satellite de validation a été lancé en 2008. Le 11 septembre 2015, 10 satellites étaient d’ores et déjà en orbite7. Les premiers services sont opérationnels à partir du 15 décembre 2016.

Les signaux de navigation de Galileo sont compatibles avec ceux du GPS, permettant aux récepteurs de les combiner pour augmenter la précision ainsi que la véracité du point.

Compass

La Chine a indiqué son intention d’étendre son système régional Beidou en système global. Ce programme est appelé « Compass » dans l’agence d’informations chinoises officielle Xinhua News Agency.

Le système Compass doit comporter trente satellites en orbite MEO et cinq géostationnaires. Cette annonce est accompagnée d’une invitation à d’autres pays désirant y collaborer, alors que la Chine est également engagée dans le programme Galileo.

IRNSS

Le système IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) est un projet de système autonome de navigation régionale construit et contrôlé par le gouvernement indien. Il doit permettre une précision absolue de 20 mètres sur l’Inde et s’étendrait jusqu’à 1 500 à 2 000 km à son voisinage. Le but est un système entièrement sous contrôle indien, le segment spatial, terrestre et les récepteurs étant développés par l’Inde.

Le projet a été approuvé par le gouvernement indien en mai 2006, avec un objectif de développement en six à sept ans.

QZSS

Le système QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), est développé par le Japon pour un premier lancement en 2008. Il sera constitué de trois satellites géostationnaires permettant le transfert de temps et une augmentation du GPS. Il couvrira le Japon et sa région.

Le signal DCF77

Le DCF77 est un signal radio basse fréquence émit depuis Mainflingen près de Frankfurt, en Allemagne. L’émeteur basse fréquence diffuse le temps légal de la république féderal d’Allemagne, qui est également le Central European Time, CET (en Allemand: Mitteleuropäische Zeit, MEZ) ou le Central European Summer Time, CEST (en Allemand: Mitteleuropäische Sommerzeit, MESZ). Le signal DCF77 couvre une large zone de l’Europe.

Le signal et la fréquence DCF77 sont dérivés de l’horloge atomique du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) à Braunschweig, en Allemagne. La transmission du signal est controlée par le PTB. Le message de temps codé inclut l’heure du jour, date du mois et jour de la semaine et est transmit une fois par minute codé en pulses d’une seconde.

Au commencement de chaque seconde, l’amplitude de la porteuse de 77.5kHz est réduite de 75% pour une période de 0.1 ou 0.2 sec. La durée du niveau bas indique un 0 logique pour si elle est de 0.1sec, ou un 1 logique si elle est de 0.2sec. L’information de la date et de l’heure, ainsi que les bits de parité et status sont codés entre la 15éme et la 58éme seconde de chaque minute.

SCHÉMA DE CODAGE

Le standard IRIG

Le nom d’un format IRIG est composé d’une lettre et de 3 chiffres :

Abréviations utilisées dans le tableau :

BCD – Binary Coded Decimal, coding of time (HH,MM,SS,DDD)

SBS – Straight Binary Second of day (0….86400)

CF – Control Functions depending on the user application

Pour une description détaillée du standard IRIG : documentation

Le protocole NMEA

INTRODUCTION

Voici quelques informations sur la norme NMEA tirées de la notice d’un GPS de marque MLR et du site grandzebu. La NMEA (National Marine Electronics Association) édicte des standards pour la communication des instruments de marine entre eux. Ces standards permettent un seul émetteur et plusieurs récepteurs sur un même circuit. Le standards NMEA 0180 et NMEA 0182 spécifient que la sortie de l’émetteur peut être en RS 232 ou capable de délivrer 10 mA sous 4 v. Le standard NMEA 0183 reprend cela mais recommande une sortie en RS 422. Dans ce système différentiel, l’une des lignes (Ligne A) correspond à celle du système précédent tandis que le niveau de la seconde ligne (Ligne B) est inversé. (Si A est à 5 v, B est à 0 v et vice versa) Dans la pratique seule la ligne A est connectée à une entrée RS 232. Les standards NMEA 0180 et NMEA 0182 se limitent à la connection d’un pilote automatique à un récepteur de navigation Loran ou GPS.

I – NMEA 180 SIMPLE

8 bits de données, bit D7 = 0, 1 bit de stop, 1200 bauds, parité paire, cadence 1 à 5s.
Le message comporte un seul octet avec DO à D5 écart de route en milles, D6 = 1 si données valides

Exemple :

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
0 1 1 1 1 1 1 1 – Ecart de route maximum à bâbord
0 1 1 0 0 0 0 0 – Sur la trajectoire
0 1 0 0 0 0 0 0 – Ecart de route maximum à tribord

II – NMEA 182 (OU NMEA 180 COMPLEXE)

8 bits de données, bit D7 = 1, 1 bit de stop, 1200 bauds, parité paire, cadence 2 à 8 s.
Les 37 caractères du message sont des caractères ASCII avec D7 = 1

$MP  N    X.XX    L    T    XXX    XXDXX.XX’N    XXXDXX.XX’W    S    NUL    ETX

N : unité de l’écart de route : K = kilometres, N = milles U = microsecondes
X.XX : Ecart de route
L : L = bâbord, R = tribord
T : T = vrai, M = magnétique
XXX : Azimut en degrés vers le prochain point fixe
XXDXX.XX’ : Latitude ( ou XXDXX’XX » )
N : N = Nord, S = Sud
XXXDXX.XX’ : Longitude ( ou XXXDXX’XX » )
W : E = Est, W = Ouest
S : Octet de status :
bit 0 = 1 verouillage de cycle manuel
bit 1 = 1 signal faible
bit 2 = 1 saut de cycle
bit 3 = 1 « blink »
bit 4 = 1 alarme d’arrivée
bit 5 = 1 discontinuité
bit 6 = 1 toujours à 1
NUL caractère h80
ETX caractère h83

III – NMEA 183

8 bits de données, 2 bits de stop, sans parité, 4800 Bauds.
Le format NMEA 183 est une succession de plusieurs messages composés de caractères ASCII.
Chaque message commence par le symbole $ suivi de 5 caractères puis des paramètres ; les différents champs sont séparés par des virgules sans espaces. Un champ peut être vide mais les virgules sont requises.
Le standard permet une somme de contrôle qui est précédée par le symbole * placé après le dernier paramètre. Elle est constituée par 2 caractères qui représentent en hexadécimal l’opération XOR de tous les caractères du message de $ à * inclus. Certains messages requièrent une somme de contrôle.

Exemple :

$GPGSA,A,3,,05,06,,09,,,24,,29,30,,3.9,2.5,2.9*30 [CR][LF]

+ Les messages de diffusion

Le format est :

$ttsss,par1,par2,….[CR][LF]

tt est l’identificateur de l’émetteur :

AG = Pilote automatique ( cas général )
AP = Pilote automatique ( magnétique)
CC = Ordinateur
CD = Appel sélectif ( radio)
CS = Communication par satellite
CT = Radio téléphone MF/HF
CV = Radio téléphone VHF
CX = Récepteur à scanner
DE = DECCA
DF = « direction finder »
EC = Cartographie électronique et système d’information
EP = Balise de position de détresse
ER = Système de contrôle de la salle des machines
GP = GPS
HC = Compas
HE = Gyroscope « North Seeking »
HN = Gyroscope « Non-North Seeking »
II = Instrument intégré
IN = Instrument de navigation intégré
LA = Loran A
LC = Loran C
OM = Oméga
RA =Radar
SD = Sondeur
TR = Système de positionnement
SS = Sondeur à scanner
TI = « Turn Rate Indicator «
TR = Système de navigation TRANSIT
VD = Capteur de vitesse à effet doppler
VM = Capteur de vitesse magnétic
VW = Capteur de vitesse mécanique
YX = Transducteur
ZA = Horloge atomique
ZC = Chronomètre
ZQ = Quartz
ZV = Mise à l’heure radio
WI = Station météo

sss forment le mnémonique du message.
par1, par2, parX sont les paramètres qui dépendent du message.

Exemple :

$HCHDM,238,M[CR][LF] Message « HDM » émis par le compas avec pour paramètres 238 et M.

+ Les messages d’interrogation

Le format est :

$ttllQ,sss,[CR][LF]

tt est l’identificateur du demandeur
ll est l’identificateur de l’émetteur requis
Le 5ème caractère est un Q
sss contient le mnémonique du message demandé.

Exemple :

$CCGPQ,GGA[CR][LF] Où l’appareil « CC » (ordinateur) demande à l’appareil « GP » (GPS) le message « GCA ». Le GPS enverra alors ce message toute les seconde.

+ Les messages propriétaire

Le format est :

$PmmmA,par1,par2,…,[CR][LF]

Le premier caractère est un P
mmm est le code fabriquant
GRM = Garmin
ML2 ou ML3 = MLR
MGN = Magellan
MOT = Motorola
RWI = Rockwell
SLI = Starlink
Le 5ème caractère définit le type de message (A à Z)
par1, par2, parX sont les paramètres qui dépendent du message.

Le protocole NTP

NTP est un protocole qui permet de synchroniser, via un réseau ethernet, l’horloge locale d’ordinateurs sur une référence de temps fiable. L’architecture NTP est hiérarchique et organisée en « stratum ». Par définition la source de référence (récepteur GNSS ou horloge atomique) est le stratum 0. Le serveur qui se synchronise sur cette référence sera le stratum 1. La diffusion de cette heure de référence se fera ensuite « verticalement »

Chaque nœud choisit parmi ses nœuds parents, celui qui présente les meilleures garanties de qualité et met à jour son horloge locale. Il peut ensuite devenir serveur pour ses descendants. Un nœud se synchronisant sur un parent de stratum N devient stratum N+1. Le stratum est une mesure de la distance d’un nœud aux machines racines, il est considéré comme un indicateur de la qualité de synchronisation qu’une machine donnée peut offrir à ses descendants.

Le protocole est de type « client-serveur », et toujours à l’initiative du client :

  • Le client émet un message pour interroger le serveur sur l’heure courante, et envoie un l’heure courante T1 indiquée par son horloge locale,
  • Le serveur reçoit le message, et complète aussitôt le message avec l’heure courante T’1 indiquée par son horloge locale,
  • Lorsque le serveur émet son message de réponse, il complète le message avec l’heure courante T’2 indiquée par son horloge locale,
  • Lorsque le client reçoit le message de réponse, il note aussitôt l’heure T2 de réception indiquée par son horloge locale.

Avec ces 4 « timestamps », le client est en mesure de déterminer le délai d’aller-retour ainsi que l’écart entre son horloge locale et celle du serveur.

Délai A/R :                              (T2-T1) – (T’2-T’1)

Écart entre les horloges :  (T’2+T’1)/2 – (T2+T1)/2

NTP Clustering et Port Bonding

NTP Clustering

Le cluster NTP est un regroupement de serveurs NTP qui vont échanger des informations entre eux pour déterminer lequel d’entre eux est le mieux à même d’être « MASTER » NTP. Les clients NTP prendront alors leur référence de temps sur ce MASTER. C’est un mode de redondance particulièrement intéressant lorsqu’un client ne dispose que d’une adresse IP possible pour le MASTER NTP.

Lorsque le serveur MASTER perd sa référence de temps ou est en panne, le cluster se reconfigure automatiquement et détermine un nouveau MASTER NTP.

Le MASTER est déterminé selon un algorithme avec  l’ordre suivant :

  1. NTP status (sync, not sync);
  2. Priorité (configurable par l’utilisateur, la valeur la plus basse étant la priorité la plus élevée, valeur par défaut = 0);
  3. Ref Clock Type (GNSS a la priorité la plus élevée, les autres types de source (DCF77 /PZF, MSF, WWVB or MRS- Multi Reference Source) suivent;
  4. Ref Clock Status (sync, not sync).

Si tous ces paramètres sont équivalents, alors l’équipement qui a le No de série le plus faible est choisi.

Les serveurs d’un même cluster ont une même adresse « cluster IP » à laquelle le MASTER répond aux requêtes de synchronisation des clients NTP.

Pour configurer un mode cluster avec les serveurs Meinberg, aller dans le menu « Network Interfaces », et pour l’interface physique choisie, cliquer sur « Cluster », et rentrer l’adresse « cluster IP ». Cette même adresse devra être saisie sur chaque serveur appartenant au cluster.

Si l’utilisateur souhaite qu’un serveur particulier soit le MASTER, il utilise la priorité 0 pour ce serveur et une priorité différente de 0 pour les autres serveurs du cluster.

Exemple d’architecture en cluster avec 2 réseaux physiques distincts


Port Bonding :

Le bonding permet une redondance par duplication des flux sur 2 (ou plus) ports physiques. L’objectif est d’assurer une redondance du réseau physique ou un partage/accroissement du débit.

Si un port physique ou un switch sur un des 2 LAN ne fonctionne plus, les données continuent de transiter sur l’autre LAN.

Les ports physiques sont agrégés en un “bonding group”. Pour configurer 2 ports en bonding aller dans le menu « Physical Network Interface », et pour chaque interface physique assigner chaque port sur le même « bonding » groupe.

Le protocole PTP

Precision Time Protocol (PTP) est un protocole de synchronisation Ethernet d’horloge normalisé IEEE 1588 en 2001 pour la version 1, et en juin 2008 pour la version 2. La version 2 n’est pas compatible avec la version 1.

Ce protocole PTP permet d’obtenir une meilleure précision que le protocole NTP car utilise le « hardware timestamping » évitant ainsi les temps de traitement dus aux couches logicielles réseau. Pour bénéficier des performances de ce protocole il est nécessaire d’avoir un réseau « full PTP compliant » de bout en bout, c’est-à-dire que chaque noeud doit implémenter le hardware timestamping.

Le protocole fonctionne un peu sur les mêmes principes que le protocole NTP, mais se base sur une horloge « maître » (M) qui synchronise des horloges « esclaves » (S) :

  1. (M) envoie un “Sync” message à (S) et mémorise le temps d’émission (t1)
  2. (S) reçoit le Sync message and mémorise le temps de réception (t2).
  3. (M) envoie un “Follow-up” message à (S) indiquant le temps « hardware » (t1).
  4. (S) envoie un “Delay_Req” message à (M) et mémorise le temps (t3) d’émission
  5. (M) reçoit le “Delay_Req” message et mémorise le temps de réception (t4).
  6. (M) envoie à (S) un “Delay-Resp” message indiquant le temps « hardware » (t4).

2-step-clock : 2 messages Sync et  Follow-up : le temps précis d’émission du sync packet est envoyé dans le message Follow-up

1-step-clock : 1 seul message Sync : le temps précis d’émission du sync packet est « corrigé » juste avant émission sur le port de sortie.

End-to-end delay measurement : (S) envoie delay request message à (M)

Peer-to-peer (PTPv2) delay measurement : chaque noeud PTP mesure le delay avec le noeud le plus proche

Sélection automatique de l’horloge maître : BMCA Algorithme : procédure de sélection du “Best Master” via le message “ANNOUNCE”, effectué en permanence par toutes les horloges PTP. Chaque nœud PTP compare ses propres qualités d’horloge avec celles émises par l’horloge maître.

Le protocole PTP définit 4 types d’horloge définissant le mode de fonctionnement des switches/routeurs :

  • Grandmaster Clock : horloge maître
  • Boundary Clock : fonctionne en mode esclave sur un port en entrée, et en mode maître sur les ports de sortie.
  • Transparent Clock (PTPv2) : le switch timestamps le packet à l’entrée, timestamps à la sortie, mesure le “residence time’ du packet et l’ajoute dans le champ « correction field » du packet en sortie.
  • Ordinary Clock ou Slave Clock : horloge esclave