30 Juin 2022

[Quézako ?] Galileo : des horloges atomiques ultra précises

Les satellites Galileo embarquent 2 masers à hydrogène passifs, des horloges atomiques à la précision d’une nanoseconde. Jamais ce type d’horloge n’avait jusqu’alors été utilisée dans l’espace !

 

Chaque satellite Galileo embarque 2 masers à hydrogène passifs, des horloges atomiques très stables. Crédits : Leonardo.

Objectif : vibrer le plus régulièrement possible

Ce drôle d’appareil est un maser à hydrogène passif. Rassurez-vous, nous n’avons pas perdu notre rigueur : aucune faute ne s’est glissée dans cette phrase, il faut bien lire maser ! Un maser (pour microwave amplification by stimulated emission of radiation) est un type d’horloge extrêmement précise, une horloge atomique, embarquée à bord de chaque satellite du système de géolocalisation Galileo.

Pour comprendre son fonctionnement, intéressons-nous d’abord à nos montres électroniques : elles contiennent un oscillateur à quartz. Tout comme un diapason, les cristaux de quartz ont la faculté de vibrer à une fréquence régulière et stable. C’est précisément pour leur va-et-vient très régulier qu’on les utilise pour mesurer le temps qui passe ! 

Mais cette vibration manque tout de même un peu de stabilité, avez-vous déjà remarqué qu’il faut parfois remettre nos montres à l’heure ? Au sein du maser à hydrogène passif, on trouve aussi un oscillateur à quartz. Mais on cherche à le faire vibrer à une fréquence encore plus précise et stable dans le temps. On s’appuie pour cela sur des atomes d’hydrogène : eux aussi vibrent, la vibration des atomes est même la plus stable de l’Univers ! Les atomes d’hydrogène sont donc contenus dans une cavité au sein du cylindre métallique, et le but est simple : faire vibrer atomes et oscillateur à l’unisson… 

Un maser à hydrogène passif est encombrant, d'un volume de 18 litres, sa consommation d'électricité s'élève à 60 watts. Crédits : Leonardo.

Les masers du système Galileo sont placés dans le « corps » des 26 satellites de la constellation actuellement en orbite. Crédits : illustration ESA.

Un positionnement au mètre près

Grâce à l’asservissement de l’oscillateur à quartz sur les atomes d’hydrogène, on atteint des niveaux de précision très élevés. « Le maser à hydrogène passif délivre une fréquence très stable jusqu’à la nanoseconde, soit un milliardième de seconde », explique Jérôme Delporte, expert senior temps-fréquence au CNES. 

La stabilité de cette horloge est un véritable atout de la constellation de satellites Galileo. Les récepteurs GNSS mesurent le temps mis par les ondes radio émises par les satellites pour leur parvenir. Cela leur permet de déterminer la distance entre eux et les différents satellites, pour ainsi en déduire leur position géographique… Au mètre près !

Les masers à hydrogène passifs sont les horloges les plus performantes de tous les systèmes GNSS. Ils contribuent à faire de Galileo le meilleur système de positionnement par satellite.

Jérôme Delporte, expert senior temps-fréquence au CNES.

La constellation Galileo fut pionnière parmi les systèmes de positionnement par satellite : ni GPS ni Glonass n’embarquent de masers, mais d’autres horloges atomiques moins performantes. Seule la constellation chinoise Beidou emporte désormais des masers à hydrogène passifs. « Les masers de Galileo ont été les 1ers envoyés dans l’espace, ils sont le fruit d’années de développement des fabricants Leonardo et Orolia Switzerland, soutenus par l’ESA », raconte Jérôme Delporte. Depuis les 1ers satellites Galileo envoyés dans l’espace, les masers à hydrogène ont été améliorés pour accroitre leur durée de vie.

Mais attention : pas question de risquer la panne ! Si un seul maser à hydrogène passif est nécessaire, chaque satellite Galileo embarque un 2e maser pour pallier les éventuelles défaillances du 1er. Et si les 2 masers sont hors-service, 2 autres horloges atomiques – des horloges rubidium – sont là pour prendre le relais. Elles ont une performance moindre, mais sont plus petites et moins gourmandes en énergie que les masers. Un bon compromis qui assure la robustesse du système de positionnement Galileo.

Jérôme Delporte, expert senior temps-fréquence au CNES. Crédits : CNES/F. Maligne.

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En matière de navigation par satellite, la France sait être performante, innovante et résolument européenne : bonne lecture ! Crédits : CNES.