FR3106216A1

FR3106216A1 - Procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement, dispositif régénérateur, dispositif récepteur et serveur de temps correspondants.

Info

Publication number: FR3106216A1
Application number: FR2000301A
Authority: FR
Inventors: Guy Richard; Philippe Bataille
Original assignee: Syrlinks SAS
Current assignee: Syrlinks SAS
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2040-01-14
Also published as: FR3106216B1

Abstract

Il est proposé un procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement. Au moins un dispositif régénérateur (1) effectue les actions suivantes : calcul d’un temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des signaux GNSS reçus ; génération d’un signal de position et de temps (signal SPT) véhiculant des informations de temps, relatives au temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur ; et transmission du signal SPT. Au moins un dispositif récepteur (2) effectue les actions suivantes : réception et traitement d’au moins un signal SPT (transmis par un dispositif régénérateur) pour en extraire des informations de temps, relatives à un premier temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur ; et calcul d’un deuxième temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des informations extraites. Figure d’abrégé : figure 1

Description

Procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement, dispositif régénérateur, dispositif récepteur et serveur de temps correspondants.

1. DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine de l’invention est celui des systèmes de temps et/ou de positionnement, c'est-à-dire des systèmes configurés pour fournir un service de temps et/ou de positionnement à des récepteurs.

Plus précisément, l’invention concerne un procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement, ainsi qu’un dispositif régénérateur, un dispositif récepteur et un serveur de temps correspondants.

L’invention a de nombreuses applications, telles que notamment, mais non exclusivement, assurer des fonctions de synchronisation dans des serveurs de temps.

2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

En France, une première solution connue pour fournir un service de temps s’appuie sur le «signal horaire». Selon l’Agence nationale des fréquences (ANFR), qui gère l’ensemble des fréquences radioélectriques en France, le signal horaire est un signal de référence élaboré à partir d’horloges atomiques. Depuis 1977, il est transmis sur la fréquence 162 kHz, qui servait jusqu’à la fin de l’année 2016 à diffuser le programme de France Inter sur les grandes ondes. Ce signal est inaudible mais, lorsqu’il est capté par un appareil récepteur approprié, il fournit l’heure légale française. Certaines entreprises assurant une mission de service public ont recours à ce signal, ainsi que des collectivités locales. Souvent appelé « signal horaire France Inter », ce service est largement utilisé dans des secteurs clés de l’industrie française pour synchroniser plus de 200 000 horloges. Ce service fournit une référence de temps d’une précision très élevée et d’une grande fiabilité. Il a l’avantage de pouvoir être mieux reçu dans des espaces intérieurs que d’autres bases de temps, comme celles du GPS (voir discussion ci-dessous) ou des réseaux de téléphonie mobile.

Un inconvénient de la première solution connue est que la pérennité de la diffusion de l’heure par le « signal horaire France Inter » n’est pas garantie. Un autre inconvénient est que la précision, bien qu’elle soit très élevée et d’une grande fiabilité, est inadaptée aux évolutions technologiques qui demandent une précision sans cesse plus grande.

Une deuxième solution connue pour fournir un service de temps et de positionnement est basée sur un ou plusieurs systèmes de positionnement par satellites, également désignés sous le sigle GNSS (pour «Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites»). Un système GNSS est un ensemble de composants reposant sur une constellation de satellites artificiels (appelés ci-après satellites GNSS) tournant en orbite autour de la Terre et émettant en permanence des signaux (appelés ci-après signaux GNSS) vers celle-ci. Les satellites GNSS possèdent des horloges atomiques extrêmement précises et synchronisées entre elles, permettant de définir ainsi une horloge universelle dénommée «temps GNSS». Tous les signaux GNSS sont émis à un même instant connu. Chaque satellite GNSS inclut dans son signal des informations donnant son identité (numéro de satellite) ainsi que les paramètres de son orbite (nécessaires au récepteur pour que ce dernier puisse estimer précisément et en temps réel la position du satellite GNSS dans le référentiel géocentrique RG). Les signaux GNSS sont reçus et décodés par un récepteur (appelé ci-après récepteur GNSS) que porte l'utilisateur. Ce récepteur GNSS fournit à l’utilisateur une solution dite «PVT» :

P (pour «Position») : position de l'antenne du récepteur (trois coordonnées) ;
V (pour «Vitesse») : vitesse de l'antenne du récepteur (trois coordonnées) ;
T (pour «Temps») : référence de temps du récepteur, synchronisée avec le «temps GNSS» (c'est-à-dire avec les horloges atomiques extrêmement précises des satellites GNSS). La référence de temps du récepteur (aussi appelée par la suite «temps synchronisé sur le temps GNSS») comprend par exemple un signal de synchronisation PPS (pour «Pulse Par Seconde») et des informations de datation.

Il existe actuellement plusieurs systèmes GNSS: GPS (développé par les Etats-Unis), GALILEO (développé par la Union Européenne), GLONASS (développé par la Russie), etc.

La deuxième solution connue bénéficie des avantages des systèmes GNSS, notamment une couverture mondiale «terre-air-mer», une précision de temps forte (10 à 20 ns avec des récepteurs GNSS professionnels) et un faible coût des récepteurs. Mais elle en subit également les inconvénients, notamment:

un faible niveau de réception (-160 dBm par exemple) rend les récepteurs GNSS sensibles aux conditions de réception (phénomène de masquage) : il n’y a ainsi pas de réception à l’intérieur des bâtiments (« indoor ») ni en milieu couvert (forêt dense par exemple) ou dans des lieux couverts (stationnement souterrain, parking, tunnels, etc.);
des difficultés de réception entre des bâtiments élevés (canyon urbain) avec, de plus, le risque de recevoir des signaux réfléchis sur des obstacles (bâtiments, montagne) donnant alors une mauvaise détermination du trajet, donc une mauvaise localisation et un transfert de temps erroné;
le faible niveau de réception rend également les récepteurs GNSS faciles à occulter (il est possible de les rendre sourds et aveugles en les arrosant avec un signal de brouillage de forte puissance dans la bande de réception) ou, pire, facile à leurrer (en envoyant au récepteur GNSS un signal de leurrage de forte puissance dans la bande de réception, contenant des informations «pseudo-satellitaires» prenant la place de vraies informations satellitaires (provenant d’un satellite GNSS réel) et fournissant des valeurs de référence de localisation et de temps local erronées, conduisant ainsi le récepteur GNSS à déduire sa position et son temps local de manière erronée.

Par exemple, dans les cas où les signaux GNSS ne sont plus accessibles en raison de masquage, brouillage ou leurrage, il n’est plus possible d’exploiter la référence de temps GNSS pour réaliser un service de synchronisation.

Comme expliqué plus haut, la fragilité des signaux GNSS est en partie liée à leur faible niveau de réception. Ce dernier est induit en particulier par l’éloignement des satellites GNSS qui sont en orbite terrestre moyenne (MEO, pour «Medium Earth Orbit» en anglais)à une altitude comprise entre 19 000 et 23 000 km(19100 km pour le système GLONASS, 20200 km pour le système GPS, 23222 km pour le système GALILEO, etc.).

Partant de ce constat, deux fournisseurs de services de télécommunication aux Etats-Unis proposent chacun, depuis quelques mois, un service de temps et de positionnement (aussi appelé service PNT, pour «Positioning, Navigation and Timing» en anglais) en s’appuyant sur leur infrastucture satellitaire en orbite terrestre basse (LEO pour «Low Earth Orbit» en anglais):

l’offre «STL» (pour «Satellite Time and Location») a été développée par la société américaine Satelles; elle fournit une solution de temps et de positionnement complètement indépendante du GPS (ou autre système GNSS); cette solution est basée sur la constellation Iridium de 66 satellites en orbite terrestre basse (LEO) et fournit un signal 1000 fois plus fort qu’un signal GNSS, pénétrant profondément dans les bâtiments et capable de contrer un brouillage GNSS sans l'aide d'une infrastructure locale; en cas d’interruption de réception du signal GNSS ou de brouillage, cette solution permet de basculer sur le temps de référence de la constellation Iridium, avec une précision du temps de l’ordre de 200 ns, soit une précision dix fois inférieure à celle du GPS; et
l’offre «Echo Ridge / Globalstar» a été développée par les sociétés américaines Echo Ridge et Globalstar; elle fournit une solution de temps et de positionnement complètement indépendante du GPS (ou autre système GNSS); elle est basée sur la technologie APS («Augmented Positioning System» en anglais) qui utilise les signaux ordinaires des satellites de communication (et non les signaux GNSS) pour produire des informations de position et de synchronisation précises dans les récepteurs compatibles; aucune nouvelle infrastructure n'est nécessaire car elle repose sur la constellation de 24 satellites en orbite terrestre basse (LEO) de Globalstar et sur le logiciel «Echo Ridge».

Un inconvénient commun aux deux offresprécitées est que leur précision est bien inférieure à celle d’un système GNSS (GPS ou autre) du fait qu’elles utilisent les signaux ordinaires des satellites de télécommunication(de la constellation Iridium ou de la constellation Globalstar), qui sont complètement indépendants des signaux GNSS.

3. OBJECTIFS

L’invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l’état de la technique.

Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un objectif est de fournir une solution permettant de fournir un service de temps et/ou de positionnement, avec une précision du même ordre de grandeur que les systèmes GNSS actuels (GPS, GALILEO, etc.), même lorsque les signaux GNSS ne sont pas exploitables par les récepteurs GNSS (et ce quelle qu’en soit la raison: masquage, réception à l’intérieur des bâtiments, réception en milieu couvert, réception dans un lieu couvert, réception entre des bâtiments élevés, brouillage, leurrage…).

Un autre objectif d’au moins un mode de réalisation de l’invention est de fournir une telle solution, de manière complémentaire ou alternative aux systèmes GNSS actuels.

Un autre objectif d’au moins un mode de réalisation de l’invention est de fournir une telle solution qui permette d’assurer des fonctions de synchronisation dans des serveurs de temps ou tout autre équipement (appareil) devant bénéficier d’un service de fourniture de temps et/ou de positionnement.

Un autre objectif d’au moins un mode de réalisation de l’invention est de fournir une telle solution permettant de fournir un service de temps et/ou de positionnement, qui soit robuste, fiable et de couverture mondiale.

Un autre objectif d’au moins un mode de réalisation de l’invention est de fournir une telle solution qui s’appuie sur un segment spatial constitué d’une constellation comprenant un nombre peu élevé de satellites, réduisant ainsi le coût de l’infrastructure.

Un autre objectif d’au moins un mode de réalisation de l’invention est de fournir une telle solution qui s’appuie sur un segment spatial constitué d’une constellation de satellites construite progressivement.

Un autre objectif d’au moins un mode de réalisation de l’invention est de fournir une telle solution qui s’appuie sur un segment spatial constitué d’une constellation de satellites pouvant ne pas être dédiés à cette solution, réduisant ainsi le coût du déploiement du segment spatial.

Un autre objectif d’au moins un mode de réalisation de l’invention est de fournir une telle solution qui s’appuie sur des récepteurs simples à réaliser, peu coûteux et ne nécessitant pas d’infrastructure complémentaire au sol.

4. RÉSUMÉ

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, il est proposé un dispositif régénérateur appartenant à un système de temps et/ou de positionnement; le dispositif régénérateur est embarqué sur un support se trouvant plus proche de la terre que les satellites GNSS et il comprend:

un module de réception, de type récepteur GNSS et configuré pour recevoir des signaux GNSS provenant de satellites GNSS d’au moins une constellation GNSS et calculer un temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des signaux GNSS reçus;
des moyens de génération d’un signal de position et de temps (SPT) différent desdits signaux GNSS et véhiculant des informations de temps, relatives audit temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur; et
des moyens de transmission du signal de position et de temps (SPT).

La solution proposée repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive consistant à associer deux composantes:

au moins un dispositif régénérateur tel que précité, c'est-à-direembarqué sur un support se trouvant plus proche de la terre que les satellites GNSS, et configuré pour générer et transmettre des signaux d’un nouveau type, appelés «signaux de position et de temps (SPT)», contenant des informations de temps (relatives à un (premier) temps synchronisé sur le temps GNSS et calculées à partir de signaux GNSS reçus) et des informations de position (relatives à la position du dispositif régénérateur et, dans une implémentation particulière, également calculées à partir de signaux GNSS reçus); et
au moins un dispositif récepteur tel que détaillé plus bas, c'est-à-dire configuré pour recevoir les signaux du nouveau type précité (SPT) et en extraire les informations de temps et de position précitées pour calculer un (deuxième) temps synchronisé sur le temps GNSS et, dans une implémentation particulière, calculer également une position du dispositif récepteur.

Dans une implémentation particulière, il y a une pluralité de dispositifs régénérateurs et une pluralité de dispositifs récepteurs.

Un avantage de la solution proposée est de fournir un service de temps et/ou de positionnement, avec une précision du même ordre de grandeur que les systèmes GNSS actuels, même lorsque les signaux GNSS ne sont pas exploitables par les récepteurs GNSS (et ce quelle qu’en soit la raison: voir liste non exhaustive plus haut), du fait que:

les signaux de position et de temps (SPT) ne sont pas complètement indépendants des signaux GNSS, mais au contraire basés sur ceux-ci (les signaux de position et de temps (SPT) contiennent des informations de temps calculées à partir de signaux GNSS reçus et, dans une implémentation particulière, des informations de position du dispositif régénérateur également calculées à partir de signaux GNSS reçus). Ainsi, le dispositif récepteur peut calculer un (deuxième) temps synchronisé sur le temps GNSS ; et
les signaux de position et de temps (SPT) sont reçus par le dispositif récepteur avec une puissance plus élevée que les signaux GNSS puisque le dispositif régénérateur est embarqué sur un support se trouvant plus proche de la terre (et donc du dispositif récepteur) que les satellites GNSS. Ainsi, le service de temps et/ou de positionnement qui est fourni est robuste et fiable.

Un autre avantage de la solution proposée est de fournir un service de temps et/ou de positionnement pouvant être complémentaire ou alternatif du service de même nature fourni par les systèmes GNSS actuels.

Selon une caractéristique particulière, le module de réception de type récepteur GNSS est configuré pour calculer également la position du dispositif régénérateur, en fonction des signaux GNSS reçus.

Ainsi, on tire pleinement profit des signaux GNSS reçus par le dispositif régénérateur pour calculer la position de ce dernier.

Selon une caractéristique particulière, ledit temps synchronisé sur le temps GNSS comprend un signal de synchronisation PPS et/ou des informations de datation.

Selon une caractéristique particulière, les moyens de transmission sont configurés pour transmettre ledit signal de position et de temps (SPT) sur au moins deux fréquence distinctes.

Ceci permet, grâce à la diversité de fréquences, des corrections de temps liées par exemple à la propagation des ondes dans l’atmosphère (ionosphère, troposphère…).

Selon une caractéristique particulière, les moyens de transmission sont configurés pour transmettre ledit signal de position et de temps (SPT) de manière synchrone par rapport au temps GNSS et sur une seconde entière du temps GNSS.

De cette façon, la solution proposée bénéficie de la précision du ou des systèmes GNSS sur le(s)quel(s) elle s’appuie (c'est-à-dire dont le dispositif régénérateur utilise les signaux GNSS).

Selon une caractéristique particulière, ledit support est fixe ou mobile, sur terre, dans l’atmosphère ou dans l’espace.

De cette façon, de nombreuses implémentations peuvent être envisagées pour fournir des signaux de position et de temps (SPT) à un maximum de dispositifs récepteurs.

Selon une caractéristique particulière, ledit support est un satellite positionné sur une première orbite terrestre possédant une altitude inférieure à celle d’une deuxième orbite terrestre sur laquelle sont positionnés lesdits satellites GNSS.

Ainsi, on optimise la couverture terrestre du signal de position et de temps (SPT) transmis par le dispositif régénérateur. Si le système de temps et/ou de positionnement comprend un nombre suffisant de satellites embarquant chacun un dispositif régénérateur, on peut obtenir une couverture mondiale pour fournir des signaux de position et de temps (SPT) à des dispositifs récepteurs sur terre. En outre, les différents dispositifs régénérateurs fonctionnent de manière indépendante entre eux, par conséquent le segment spatial (c'est-à-dire la constellation de satellites embarquant les dispositifs régénérateurs) peut être construit progressivement et de manière opportuniste en fonction des satellites lancés. La constellation de satellites embarquant les dispositifs régénérateurs peut même ne pas être dédiée (chaque dispositif régénérateur est dans ce cas une charge utile secondaire, considérée comme un «passager secondaire» par rapport à une charge utile principale du satellite), réduisant ainsi le coût du déploiement du segment spatial. Une solution intermédiaire peut également être envisagée, avec un ou plusieurs satellites dédiés (c'est-à-dire dont la charge utile principale est un dispositif régénérateur) et un ou plusieurs satellites non dédiés (c'est-à-dire dont la (ou une des) charge(s) utile(s) secondaire(s) est un dispositif régénérateur).

Selon une caractéristique particulière, la première orbite terrestre est une orbite terrestre basse (LEO) ou une orbite terrestre moyenne (MEO).

De cette façon, on optimise encore la couverture terrestre du signal de position et de temps (SPT) transmis par le dispositif régénérateur.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un dispositif récepteur appartenant à un système de temps et/ou de positionnement, caractérisé en ce qu’il comprendun premier module de réception («récepteur SPT») comprenant lui-même :

des moyens de réception, configurés pour recevoir au moins un signal de position et de temps (SPT) transmis par un dispositif régénérateur et véhiculant des informations de temps, relatives à un premier temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur;
des moyens de traitement, configurés pour extraire les informations de temps et de position véhiculées par ledit au moins un signal de position et de temps (SPT) ; et
des moyens de calcul, configurés pour calculer un deuxième temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des informations de temps et de position extraites dudit au moins un signal de position et de temps (SPT).

Comme expliqué plus haut, le dispositif récepteur est, avec le dispositif régénérateur, une des deux composantes associées dans l’approche nouvelle et inventive sur laquelle repose la solution proposée. La solution proposée s’appuie donc sur un récepteur simple à réaliser et peu coûteux. En outre, les signaux de position et de temps (SPT) étant reçus par le dispositif récepteur avec une puissance plus élevée que les signaux GNSS, il n’est pas nécessaire d’ajouter au sol une infrastructure complémentaire (notamment, pas d’infrastructure onéreuse dans les bâtiments pour pallier habituellement le fait que les signaux GNSS ne sont pas exploitables en réception «indoor» à l’intérieur de ces bâtiments).

Selon une caractéristique particulière, les moyens de réception sont configurés pour recevoir au moins quatre signaux de position et de temps (SPT) transmis chacun par un dispositif régénérateur différent. Les moyens de traitement sont configurés pour extraire des informations de temps et de position véhiculées par chacun desdits au moins quatre signaux de position et de temps (SPT). Les moyens de calcul sont configurés pour calculer ledit deuxième temps et une position du dispositif récepteur, en fonction des informations de temps et de position extraites desdits au moins quatre signaux de position et de temps (SPT).

Ainsi, le dispositif récepteur fournit à la fois le deuxième temps (synchronisé sur le temps GNSS) et la position du dispositif récepteur, même lorsque les signaux GNSS ne sont pas exploitables par les récepteurs GNSS (et ce quelle qu’en soit la raison: voir liste non exhaustive plus haut).

Selon une caractéristique particulière, le deuxième temps calculé comprend un signal de synchronisation PPS (PPS_SPT) et/ou des informations de datation.

Selon une caractéristique particulière, le dispositif récepteur comprend:

un oscillateur local délivrant un signal d’horlogeau premier module de réception («récepteur SPT») ; et
des moyens d’asservissement de l’oscillateur localsur au moins une référence de fréquence appartenant au groupe comprenant :
- une première référence de fréquence, qui est le signal de synchronisation PPS (PPS_SPT) compris dans le deuxième temps calculé; et
- une deuxième référence de fréquence, qui est un autre signal de synchronisation PPS externe audit dispositif récepteur.

De cette façon, dans le cas où chaque support embarquant un dispositif régénérateur est mobile (satellite en orbite LEO par exemple), l’asservissement permet à l’oscillateur local de délivrer un signal d’horloge présentant la stabilité de temps requise dans le premier module de réception («récepteur SPT») entre deux temps de survol d’un support embarquant un dispositif régénérateur. Le nombre de supports (satellites en orbite LEO par exemple) et de dispositifs régénérateurs embarqués sur ceux-ci peut ainsi être fortement réduit et le coût de l’infrastructure est donc minimisé. Par exemple, avec vingt satellites en orbite LEO et embarquant chacun un dispositif régénérateur, il est possible de fournir un service de temps (synchronisation) avec l’hypothèse d’une position connue du dispositif récepteur et l’asservissement de l’horloge disposant de bonnes propriétés de stabilité. La fourniture de la position nécessite plus de vingt satellites car il faut au moins quatre satellites en visibilité. Un service de positionnement mondial est possible avec une constellation plus importante, par exemple d’au moins cent satellites LEO (le chiffre exact reste à déterminer).

Selon une caractéristique particulière, le dispositif récepteur comprend:

un deuxième module de réception, de type récepteur GNSS et configuré pour recevoir des signaux GNSS provenant de satellites GNSS d’au moins une constellation GNSS et calculer un troisième temps synchronisé sur le temps GNSS et une position du dispositif récepteur, en fonction des signaux GNSS reçus; et
des moyens de décision d’au moins une première information de sortie du dispositif récepteur, configurés pour effectuer une sélection entre au moins une information de sortie du premier module de réception («récepteur SPT») et au moins une information de sortie du deuxième module de réception de type récepteur GNSS, en fonction d’au moins un critère de sélection.

De cette façon, le service de temps et/ou de positionnement de la solution proposée est complémentaire du service de même nature fourni par les systèmes GNSS actuels.

Selon une caractéristique particulière, le critère de sélection est fonction d’une comparaison entre au moins une première information d’intégrité fournie par le premier module de réception («récepteur SPT») et au moins une deuxième information d’intégrité fournie par le deuxième module de réception de type récepteur GNSS.

De cette façon, la sélection est simple à mettre en œuvre.

Selon une caractéristique particulière, ladite au moins une première information de sortie du dispositif récepteur appartient au groupe comprenant:

un signal de synchronisation PPS;
au moins une information de datation;
au moins une information de position; et
un signal d’horloge asservi sur le temps GNSS.

Selon une caractéristique particulière, les moyens de décision sont également configurés pour générer au moins une deuxième information de sortie appartenant au groupe comprenant:

au moins une information d’état du dispositif récepteur; et
au moins une information indiquant une qualité de ladite au moins une première information de sortie.

Selon une caractéristique particulière, lesdits moyens d’asservissement sont configurés pour asservir ledit oscillateur localsur au moins une référence de fréquence appartenant au groupe comprenant :

ladite première référence de fréquence, qui est le signal de synchronisation PPS (PPS_SPT) compris dans le deuxième temps calculé;
ladite deuxième référence de fréquence, qui est un autre signal de synchronisation PPS (PPS_EXT) externe audit dispositif récepteur; et
une troisième référence de fréquence, qui est un signal de synchronisation PPS (PPS_GNSS) compris dans le troisième temps calculé.

De cette façon, le troisième temps calculé (très précis puisque synchronisé sur le temps GNSS et calculé par le deuxième module de réception de type récepteur GNSS) peut lui aussi servir à asservir l’oscillateur local.

Selon une caractéristique particulière, le dispositif récepteur comprend des moyens d’interface configurés pour fournir à un premier équipement, externe audit dispositif récepteur, un service de temps et/ou de positionnement.

Ainsi, tout premier équipement (notamment mais non exclusivement un serveur de temps) configuré pour coopérer avec le dispositif récepteur peut bénéficier du service de temps et/ou de positionnement.

Selon une caractéristique particulière, le dispositif récepteur est intégré dans un deuxième équipement pour fournir audit deuxième équipement un service de temps et/ou de positionnement.

Ainsi, tout deuxième équipement (notamment mais non exclusivement un serveur de temps) intégrant le dispositif récepteur peut bénéficier du service de temps et/ou de positionnement.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un serveur de temps qui intègre ou coopère avec un dispositif récepteur, et qui est configuré pour recevoir un service de temps et/ou de positionnement fourni par le dispositif récepteur et distribuer ledit service de temps et/ou de positionnement au sein d’un réseau.

Le serveur de temps proposé bénéficie de tous les avantages (discutés plus haut) du dispositif récepteur qu’il intègre ou avec lequel il coopère.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement, dans lequel au moins un dispositif régénérateureffectue les étapes suivantes :

réception de signaux GNSS provenant de satellites GNSS d’au moins une constellation GNSS;
calcul d’un temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des signaux GNSS reçus;
génération d’un signal de position et de temps (SPT) véhiculant des informations de temps, relatives audit temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur; et
transmission du signal de position et de temps (SPT).

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement, dans lequel le au moins un dispositif récepteureffectue les étapes suivantes :

réception d’au moins un signal de position et de temps (SPT) transmis par un dispositif régénérateur et véhiculant des informations de temps, relatives à un premier temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur;
traitement dudit au moins un signal de position et de temps (SPT) pour en extraire les informations de temps et de position ; et
calcul d’un deuxième temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des informations de temps et de position extraites dudit au moins un signal de position et de temps (SPT).

5. LISTE DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :

illustre un système de temps et de positionnement selon un mode de réalisation particulier de l’invention, comprenant notamment un dispositif régénérateur embarqué sur un satellite LEO et un dispositif récepteur;

illustre une première manière de transmettre le signal de position et de temps (signal SPT) généré par le dispositif régénérateur;

illustre une deuxième manière de transmettre le signal de position et de temps (signal SPT) généré par le dispositif régénérateur;

présente un exemple de schéma-bloc du dispositif régénérateur ;

présente un exemple de schéma-bloc du dispositif récepteur;

illustre un exemple d’architecture matérielle du bloc 202 (récepteurSPT) de la figure 4 ;

présente un exemple de fonctions réalisées par le bloc 202 (récepteur SPT) de la figure 4 ;

illustre un premier exemple d’asservissement d’un oscillateur local au sein du dispositif récepteur, dans le cas où l’oscillateur local est une micro-horloge atomique;

illustre un deuxième exemple d’asservissement d’un oscillateur local au sein du dispositif récepteur;

illustre un serveur de temps intégrant un dispositif récepteur;

illustre un système de temps et de positionnement selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention, comprenant un serveur de temps coopérant avec un dispositif récepteur;

présente un organigramme d’un mode de réalisation particulier du procédé exécuté par le dispositif régénérateur; et

présente un organigramme d’un mode de réalisation particulier du procédé exécuté par le dispositif récepteur.

6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique.

6.1 Principe général

On présente maintenant, en relation avec la figure 1 , un système de temps et de positionnement selon un mode de réalisation particulier de l’invention, comprenant notamment:

au moins un dispositif régénérateur 1 embarqué sur un satellite LEO 6(orbite terrestre basse) et configuré (au moins) poureffectuer les actions suivantes (correspondant aux étapes référencées 110 à 113 sur la figure 11 ) :
- recevoir (110) des signaux GNSS 4 provenant de satellites GNSS 3 d’au moins une constellation GNSS et calculer (111) d’une part un temps synchronisé sur le temps GNSS et d’autre part la position du dispositif régénérateur, en fonction des signaux GNSS reçus ;
- générer (112) un signal de position et de temps (SPT) 5 différent des signaux GNSS 4 et véhiculant des informations de temps, relatives à un premier temps synchronisé sur le temps GNSS (comprenant par exemple un signal de synchronisation PPS (appelé par la suite «PPS_GNSS») et/ou des informations de datation), et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur; et
- transmettre (113) le signal de position et de temps (SPT) 5 (dans une implémentation particulière détaillée par la suite, cette transmission est effectuée sur au moins deux fréquences distinctes et de manière synchrone par rapport au temps GNSS et sur une seconde entière du temps GNSS) ; et
au moins un dispositif récepteur 2 placé au sol (c'est-à-dire sur la terre 8) et configuré (au moins) poureffectuer les actions suivantes (correspondant aux étapes référencées 121 à 123 sur la figure 12 ) :
- recevoir (121) un ou plusieurs signaux de position et de temps (SPT) transmis par un ou plusieurs dispositifs régénérateurs (chaque signal de position et de temps (SPT) véhiculant chacun des informations de temps, relatives au premier temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à la position du dispositif régénérateurqui l’a transmis) ;
- extraire (122), de chaque signal de position et de temps (SPT), les informations de temps et de position ; et
- calculer (123) au minimum un deuxième temps synchronisé sur le temps GNSS (comprenant par exemple lui aussi un signal de synchronisation PPS (appelé par la suite «PPS_SPT») et/ou des informations de datation), en fonction des informations de temps et de position extraites. Si le dispositif récepteur 2 est configuré pour recevoir au moins quatre signaux de position et de temps (SPT) transmis par au moins quatre dispositifs régénérateurs différents, il peut également être configuré pour calculer une position du dispositif récepteur en fonction des informations de temps et de position extraites des au moins quatre signaux de position et de temps (SPT).

Dans l’exemple de la figure 1, le dispositif régénérateur 1 est embarqué en tant que charge secondaire, à côté d’une charge utile principale 8, sur un satellite LEO 6 qui n’est donc pas dédié à la présente solution.

Dans une variante, le système comprend au moins un satellite LEO dédié (c'est-à-dire dont la charge utile principale est le dispositif régénérateur 1).

Dans une autre variante, au moins un dispositif régénérateur 1 est embarqué sur un satellite positionné sur une première orbite terrestre (par exemple MEO (orbite terrestre moyenne)) possédant une altitude inférieure à celle d’une deuxième orbite terrestre (elle aussi de type MEO) sur laquelle sont positionnés les satellites GNSS.

Dans une autre variante, au moins un dispositif régénérateur 1 est embarqué sur un support, autre qu’un satellite, et qui est fixe ou mobile, sur terre, dans l’atmosphère ou dans l’espace. Tous types de supports mobiles peuvent être envisagés: aéronefs, ballons, etc.

Le dispositif récepteur 2 comprend un premier module de réception, appelé par la suite «récepteur SPT», configuré pour effectuer les actions précitées: réception (121) des signaux de position et de temps (SPT), extraction (122) des informations de temps et de position et calcul (123) d’un deuxième temps synchronisé sur le temps GNSS et d’une position du dispositif récepteur.

Dans une implémentation particulière détaillée par la suite, le dispositif récepteur 2 comprend en outre:

un deuxième module de réception, appelé par la suite «récepteur GNSS», configuré pour recevoir directement les signaux GNSS 4 provenant des satellites GNSS 3 et calculer d’une part un troisième temps synchronisé sur le temps GNSS (comprenant par exemple le signal de synchronisationPPS_GNSSet/ou des informations de datation) et d’autre part la position du dispositif récepteur, en fonction des signaux GNSS reçus; et
des moyens de décision fournissant au moins une première information de sortie du dispositif récepteur 2 (par exemple un signal de synchronisation PPS(appelé par la suite «PPS_OUT»), au moins une information de datation, au moins une information de position, un signal d’horloge asservi sur le temps GNSS, etc.). Ces moyens de décision tirent profit de la présence de deux récepteurs différents (à savoir le récepteur SPT et le récepteur GNSS) au sein du dispositif récepteur 2, pour effectuer une sélection entre au moins une information de sortie du récepteur SPT et au moins une information de sortie du récepteur GNSS, en fonction d’au moins un critère de sélection. Le critère de sélection est par exemple fonction d’une comparaison entre au moins une première information d’intégrité fournie par le récepteur SPTet au moins une deuxième information d’intégrité fournie par le récepteur GNSS. Optionnellement, les moyens de décision sont également configurés pour générer au moins une deuxième information de sortie (par exemple au moins une information d’état du dispositif récepteur2, au moins une information indiquant une qualité de la (ou les) première(s) information(s) de sortie.

Dans une implémentation particulière détaillée par la suite, le dispositif récepteur 2 comprend en outreun oscillateur local ultra-stable, délivrant un signal d’horlogeau récepteur SPT, et des moyens d’asservissement de cet oscillateur localsur au moins une référence de fréquence. L’oscillateur asservi (formant une horloge locale stable) est préférentiellement capable de maintenir une référence de temps pendant au moins 30 minutes avec une précision meilleure que 200 ns. Comme détaillé par la suite, la référence de fréquence est par exemple choisie parmi:

une première référence de fréquence, qui est le signal de synchronisation PPS_SPT (compris dans le deuxième temps calculé par le récepteur SPT); et
une deuxième référence de fréquence, qui est un autre signal de synchronisation PPS (noté par la suite PPS-EXT) externe au dispositif récepteur et disposant de bonnes propriétés de stabilité ; et
une troisième référence de fréquence, qui est le signal de synchronisation PPS_GNSS (compris dans le troisième temps calculé par le récepteur GNSS).

Dans une implémentation particulière, le dispositif récepteur 2 est intégré seul dans un boîtier. Il comprend des moyens d’interface configurés pour fournir à un autre équipement (placé à proximité du dispositif récepteur) un service de temps et/ou de positionnement. Dans une autre implémentation particulière, le dispositif récepteur 2 est intégré à un autre équipement pour lui fournir un service de temps et/ou de positionnement. Dans les deux implémentations précitées, on entend par «autre équipement» tout équipement nécessitant et/ou distribuant un service de temps et/ou de positionnement. Comme détaillé par la suite, il peut notamment, mais non exclusivement, s’agir d’un serveur de temps configuré pour recevoir un service de temps et/ou de positionnement fourni par le dispositif récepteur 2 et distribuer ce service au sein d’un réseau.

6.2 Exemples de c onfigurations possibles du système

Dans une première configuration, le système de temps et de positionnement proposé offre un service diffusion du temps GNSS. Le dispositif récepteur 2 voit au moins un satellite LEO 6 embarquant un dispositif régénérateur 1. Dans cette configuration, un prérequis est que le dispositif récepteur 2 connaît sa position: soit parce qu’il s’agit d’un dispositif récepteur fixe dont la position est connue, soit parce que le système comprend des moyens de réaliser une localisation grossière du dispositif récepteur. La localisation grossière est par exemple effectuée en exploitant la mesure de fréquence Doppler. En effet, l’utilisation de satellites LEO dont la vitesse est élevée permet d’exploiter de manière efficace les mesures de fréquence Doppler. Il est ainsi possible de réaliser une estimation de la position à quelques centaines de mètres près sur deux passages. Ce principe reprend le concept de localisation utilisé dans les systèmes ARGOS et COSPAS/SARSAT et le système DORIS (positionnement précis de satellites). Dans le cas d’un récepteur fixe, plusieurs mesures sur un nombre de passages plus élevé permettent d’améliorer la précision de position si nécessaire.

Dans une deuxième configuration, le système de temps et de positionnement proposé permet d’offrir un service de localisation et de temps GNSS pour un dispositif récepteur 2 mobile. Le dispositif récepteur doit être en visibilité d’au moins quatre satellites LEO 6 embarquant chacun un dispositif régénérateur 1, pour déterminer sa position et déterminer le temps avec précision. Le temps sera basé sur le temps GNSS.

Selon le type de constellation de satellites LEO (embarquant chacun un dispositif régénérateur 1) et la couverture associée, l’une et/ou l’autre des première et deuxième configurations est (sont) possible(s). Par exemple, une première phase d’implémentation est de mettre à disposition un service de temps sécurisé exploitable par des serveurs de temps fixe (première configuration avec par exemple 20 satellites LEO) puis de fournir un service de temps sécurisé pour des serveurs mobiles et un service de localisation qui pourrait fonctionner en intérieur (indoor) grâce à l’utilisation de signaux en UHF plus pénétrants (comparativement aux signaux GNSS en bande L émis par des satellites MEO à 20000 km). Dans la deuxième configuration, une constellation de l’ordre de 200 satellites LEO, pour des altitudes comprises entre 600 km et 800 km, est par exemple envisageable car il faut un minimum de quatre satellites LEO en visibilité du dispositif récepteur 2 avec une diversité de plans orbitaux.

6.3 Exemple de d étails du dispositif régénérateur

Les f ig ures 2a et 2b illustrent deux manières de transmettre le signal de position et de temps (SPT) généré par le dispositif régénérateur1 embarqué sur un satellite LEO 6. On suppose que le satellite LEO 6 est du type «CUBESAT» et comprend:

une plateforme 61, 62 permettant au satellite de fonctionner (elle comprend notamment les éléments suivants: structure mécanique, ordinateur de bord (OBC), système de production et de stockage d’énergie (EPS), système de télécommunication (antennes, émetteur, récepteur…), etc.);
une charge utile principale 63 générant et transmettant un signal RF de mission 68sur une fréquence F3 avec une antenne référencée 65 ; et
le dispositif régénérateur1 qui constitue une charge utile secondaire et qui génère et transmet un signal de position et de temps (SPT) 69a/69b sur deux fréquences avec deux antennes.

Dans le premier exemple illustré sur la figure 2a, la fonction de génération du signal de position et de temps (SPT) 69a/69b par le dispositif régénérateur1 est entièrement indépendante et basée sur le propre front-end RF du dispositif régénérateur. Le dispositif régénérateur 1 utilise par exemple deux fréquences d’émission autorisées, F1 et F2, pouvant être choisies dans les bandes libres ISM pour peu qu’elles offrent les caractéristiques suffisantes de puissance d’émission et de bande exploitable avec un minimum de 1 MHz. Les deux fréquences F1 et F2 sont émises par deux antennes référencées 64a et 64b.

Dans le deuxième exemple illustré sur la figure 2b, la fonction de génération du signal de position et de temps (SPT) par le dispositif régénérateur1 utilise un front-end disponible sur la plateforme du satellite. Le signal de position et de temps (SPT) 69a/69b généré par le dispositif régénérateur1, est transmis sur deux fréquences F1 et F3. Pour la fréquence F3, le signal de position et de temps (SPT) 69b est superposé (grâce à l’élément 611) au signal RF de mission 68 disponible sur la liaison descendante et présentant des caractéristiques satisfaisantes en termes de bande passante (comme par exemple les signaux Argos génération 4 de la constellation de 20 nano-satellites Argos en cours de développement). Le signal résultant 610 est transmis sur la fréquence F3 avec l’antenne référencée 65.

Le signal de position et de temps (SPT) est transmis sur deux fréquences distinctes pour transmettre un temps précis vers le sol (compensation des effets ionosphériques en exploitant la diversité de fréquence).

La f ig ure 3 présente un exemple de schéma-bloc du dispositif régénérateur.

Le bloc 101 est une antenne de réception large bande couvrant l’ensemble des fréquences GNSS (L1/E1, L5/E5, L2, G1/G2, E6, B1, B3).

Le bloc 102 est une tête RF permettant de recevoir les signaux GNSS pour différentes constellations (GPS, GALILEO, BEIDOU, GLONASS, etc.). Il intègre des filtres et un amplificateur faible bruit (LNA).

Le bloc 103 réalise une fonction de transformation du signal RF en fréquence intermédiaire (FI) ou en bande de base (BdB).

Le bloc 104 réalise une fonction de conversion analogique/numérique des signaux RF en fréquence intermédiaire ou en bande de base. Cette fonction peut comprendre plusieurs voies de numérisation séparées mais parfaitement synchronisées entre elles.

Le bloc 106 réalise une fonction de traitement GNSS comprenant : la démodulation des signaux GNSS, les mesures de fréquence et de temps par rapport au référentiel GNSS, la production d’un signal PPS (PPS_GNSS), le calcul de la position courante du dispositif régénérateur en instantané («snapshot»).

Le bloc 107 réalise une fonction de navigation comprenant le calcul de la position précise du dispositif régénérateur. Elle inclut un modèle d’orbite et un filtre de navigation.

Le bloc 108 réalise une fonction de génération de messages avec les informations de temps et de position calculées par les blocs 106 et 107.

Le bloc 109 réalise une fonction de génération d’un signal de position et de temps (SPT), en bande de base ou en fréquence intermédiaire, à partir des messages générés par le bloc 108.

Le bloc 112 réalise une fonction de conversion numérique/analogique du signal de position et de temps (SPT) à émettre.

Le bloc 113 reçoit le signal de position et de temps (SPT) après sa conversion par le bloc 112 et réalise une fonction de transposition en fréquence RF pour l’émission, ainsi qu’une fonction d’amplification du signal RF résultant de la transposition.

Le bloc 114 est une antenne d’émission du signal de position et de temps (SPT) généré par le bloc 113.

Le bloc 105 délivre un signal d’horloge locale ultra stable aux blocs 102, 103 et 104, pour la réception des signaux GNSS.

Le bloc 111 délivre un signal d’horloge locale ultra stable au bloc 109, pour l’émission du signal de position et de temps (SPT).

Le bloc 110 réalise une fonction de calcul des paramètres de dérive d’horloge locale par rapport à l’horloge GNSS de référence. Le bloc 110 reçoit les sorties des blocs 106 et 111. La sortie du bloc 110 est fournie au bloc 108.

Les blocs 101 à 114 peuvent être réalisés de manière matérielle (hardware) et/ou logicielle (software), indifféremment sur une machine de calcul reprogrammable (ordinateur PC, processeur DSP ou microcontrôleur) exécutant un programme comprenant une séquence d’instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel).

Les caractéristiques du signal RF de position et de temps (SPT), transmis par le bloc 114, sont par exemple les suivantes:

les deux fréquences de porteuse choisies pour transmettre (chacune) le signal de position et de temps (SPT) sont dans une bande libre ou non contrainte;
le signal de position et de temps (SPT) est transmis simultanément sur les deux fréquences porteuses suffisamment séparées l’une de l’autre pour permettre les corrections de temps liées à la propagation des ondes dans l’atmosphère (ionosphère, troposphère…);
la modulation du signal de position et de temps (SPT) est de type BPSK ou QPSK;
dans un mode préférentiel, le signal de position et de temps (SPT) est étalé en fréquence via un code d’étalement de type CDMA (Code Division Multiple Access) permettant de séparer plusieurs sources émettant à la même fréquence. Dans un mode simplifié, le signal de position et de temps (SPT) est modulé sans code d’étalement, ce qui ne permet pas de séparer les signaux de position et de temps (SPT) émis par plusieurs dispositifs régénérateurs dans le cas où les fréquences sont identiques (collisions); la séparation des sources s’effectue alors grâce aux écarts de fréquence Doppler entre celles-ci;
dans le cas de l’utilisation d’un code d’étalement, chaque dispositif régénérateur génère un signal de position et de temps (SPT) avec son propre code CDMA permettant de l’identifier de manière unique;
les codes CDMA utilisés sont orthogonaux entre eux pour minimiser les interférences entre les signaux de position et de temps (SPT) émis simultanément à la même fréquence par plusieurs dispositifs régénérateurs en visibilité du dispositif récepteur;
les signaux de position et de temps (SPT) sont émis de manière synchrone par rapport au temps GNSS et sur la seconde entière du temps GNSS;
les messages portés par le signal de position et de temps (SPT) contiennentau minimum, les informations de temps GNSS, les éphémérides du satellite porteur du dispositif régénérateur, les paramètres de correction d’horloge, le temps d’émission, des paramètres d’état du signal de position et de temps (SPT) (fiable, non fiable, en maintenance...).

6.4 Exemple de d étails du dispositif récepteur

La figure 4 présente un exemple de schéma-bloc du dispositif récepteur.

Le bloc 201 (aussi appelé plus haut «récepteur GNSS») réalise une fonction de réception et de traitement des signaux GNSS, avec production par exemple du signal PPS_GNSS (référence de synchronisation basée sur la seconde entière du signal GNSS), d’informations PVT (Position, Vitesseet Temps), des mesures brutes, des informations d’intégrité, etc. Le bloc 201 dispose, dans un mode préférentiel, d’algorithmes réduisant la sensibilité aux perturbations d’origine électromagnétique et d’algorithmes de mesure d’intégrité permettant d’évaluer la qualité et la fiabilité des données (i.e. temps, position et vitesse) produites. Le récepteur GNSS peut être un récepteur du commerce ou bien un récepteur logiciel fonctionnant sur une électronique de type radio logicielle et intégré sur une même unité de traitement que le récepteur SPT (bloc 202).

Le bloc 202 (aussi appelé plus haut «récepteur SPT») réalise une fonction de réception et de traitement des signaux de position et de temps (SPT), avec production par exemple du signal PPS_SPT, d’informations PVT (Position, Vitesseet Temps), des mesures brutes, des informations d’intégrité, etc.

La figure 5 illustre un exemple d’architecture matérielle du bloc 202 (récepteurSPT). Il comprend deux antennes 2021, deux amplificateurs (LNA) 51, un bloc RF 52 et un bloc de type machine de calcul reprogrammable (par exemple sous forme FPGA/CPU (SoC)).

La figure 6 présente un exemple de fonctions réalisées par le bloc 202 (récepteur SPT).

Le bloc 2021 est une antenne de réception compatible avec les signaux RF de position et de temps (SPT) émis par les dispositifs régénérateurs.

Le bloc 2022 est une tête RF permettant de recevoir les signaux de position et de temps (SPT). Il intègre des filtres et un amplificateur faible bruit (LNA).

Le bloc 2023 réalise une fonction de transformation du signal RF en fréquence intermédiaire (FI) ou en bande de base (BdB).

Le bloc 2024 réalise une fonction de conversion analogique/numérique des signaux RF en fréquence intermédiaire ou en bande de base.

Le bloc 2025 réalise une fonction d’acquisition et de démodulation des signaux de position et de temps (SPT): mesure de la fréquence doppler, mesure de la pseudo-distance Récepteur/Emetteur, extraction des messages SPT (messages contenus dans les signaux de position et de temps (SPT)), etc.

Le bloc 2026 réalise une fonction de calcul de la position vitesse et temps du récepteur SPT. Il fournit notamment le signal PPS_SPT (PPS dérivé du signal de position et de temps (SPT) après estimation du biais d’horloge entre le récepteur et l’émetteur).

Le bloc 2027 réalise une fonction de communication externe.

Le bloc 2028 fournit un signal d’horloge locale ultra stable.

Nous revenons maintenant à la description de la figure 4.

Le bloc 203 (aussi appelé plus haut «oscillateurlocal ») délivre un signal d’horloge locale ultra-stable (signal PPS_OL), asservi sur une référence de fréquence (qui est l’un des signaux PPS_SPT, PPS_GNSS et PPS_EXT discutés plus haut) grâce au bloc 204. L’oscillateur local constitue la référence de fréquence de la fonction de synchronisation et de positionnement (bloc 205) lorsqu’aucune autre référence de fréquence n’est disponible. L’oscillateur local est réglé sur une fréquence f_OLet doit présenter de bonnes caractéristiques de stabilité et de bruit de phase. Dans une implémentation préférentielle, cette fréquence prend la valeur 10 MHz, mais n’est pas limitée à cette valeurs L’oscillateur local est contrôlable en fréquence via l’application d’une tension d’alimentation fournie pas une fonction externe. La fréquence de l’oscillateur local peut être contrôlée via une tension analogique calculée par le bloc 204. Cette tension analogique est directement calculée par une boucle d’asservissement de l’oscillateur local sur une référence de fréquence pouvant être extraite du signal GNSS ou du récepteur SPT, voire d’une référence de fréquence externe au dispositif récepteur et disposant des propriétés de stabilité, court et moyen terme, satisfaisantes.

La figure 7 illustre un premier exemple d’asservissement d’un oscillateur local au sein du dispositif récepteur, dans le cas où l’oscillateur local est une micro-horloge atomique. Le même principe peut être appliqué à tout autre type d’oscillateur (OCXO par exemple) pourvu que ses performances intrinsèques de stabilité de fréquence soient suffisamment bonnes pour maintenir le temps avec une précision inférieure à 200 ns sur 30 minutes sans aide externe.

Ce système permet d'asservir le signal de synchronisation généré par la micro-horloge, nommé PPS_out, sur un signal de synchronisation entrant, nommé PPS_in. Cet asservissement consiste à annuler l'intervalle de temps présent entre les deux fronts montants des signaux PPS_in et PPS_out.

Le fonctionnement est le suivant. Il nécessite l'imbrication de deux boucles d'asservissement:

- première boucle d'asservissement: Un signal radiofréquence (noté «RF signal») (typiquement 10 MHz) est généré par un oscillateur local (72). Ce signal est multiplié dans une boucle à verrouillage de phase (77) puis comparé (78) à la fréquence de résonance de la transition hyperfine d'un atome alcalin (71). Le résultat de cette comparaison est appliqué sur l’entrée «commande» de l'oscillateur local (72) de sorte à en asservir la fréquence. Il faut noter que si le coefficient multiplicateur (77) est modifié (N augmenté ou diminué), l'asservissement entraîne une variation de la fréquence de l'oscillateur local. C'est cette fonction qui sera utilisée par la suite;

- deuxième boucle d'asservissement: Le signal PPS_out est généré par un compteur (73) à partir du signal radiofréquence. L'intervalle de temps présent entre les deux fronts montants des signaux PPS_in et PPS_out est calculé par un soustracteur (74). (cet intervalle est nommé φ err.). L'intervalle de temps est transformé en correction de fréquence par un correcteur (75) (typiquement, un proportionnel intégrateur). Un interrupteur (76) permet d'appliquer ou non la correction sur le coefficient multiplicateur de la boucle à verrouillage de phase. Si l'interrupteur (76) est fermé, une correction est appliquée au multiplicateur. La première boucle d'asservissement étant activée, cette correction fait varier la fréquence de l'oscillateur local (72), ce qui entraîne une modification du signal PPS_out (la modification consiste à augmenter ou réduire la durée entre deux impulsions de ce signal PPS_out). L 'intervalle de temps présent entre les deux fronts montants des signaux PPS_in et PPS_out est alors réduit, et tend vers zéro après quelques temps de fonctionnement. Le signal PPS_out est alors synchronisé sur le signal PPS_in. Si l'interrupteur (76) est ouvert, alors l'asservissement est coupé et le signal PPS_out n'est plus asservi sur le signal PPS_in.

De manière générale ce système permet de palier à une indisponibilité temporaire du signal PPS_in. En effet, tant qu'un signal PPS_in est disponible, le signal PPS_out s'asservit dessus (il le recopie). Lorsque le signal PPS_in est temporairement indisponible, le signal PPS_out continue de fournir un signal dont la qualité est celle de la référence de fréquence atomique.

La figure 8 illustre un deuxième exemple d’asservissement d’un oscillateur local au sein du dispositif récepteur. Le dispositif récepteur comprend des éléments référencés 81a à 87, qui sont détaillés ci-après.

Elément 81a: Oscillateur ultra stable asservi sur une référence de fréquence précise et fiable. L’oscillateur est asservi via une commande en tension 88 générée par l’élément 86.

Elément 81b: Compteur de périodes d’horloge générées par l’oscillateur 81a permettant de produire un signal sous forme d’une impulsion de durée courte à chaque seconde (signal PPS_OL).

Elément 82a: Référence de fréquence externe fiable et stable pouvant provenir d’une source de type horloge atomique, rubidium ou tout autre source de fréquence ayant de bonnes propriétés de stabilité et asservie sur le temps GNSS.

Elément 82b: Compteur de périodes d’horloge de l’élément 82a permettant de générer un signal sous forme d’une impulsion de durée courte à chaque seconde (signal PPS_EXT).

Elément 83a: Référence de fréquence construite à partir du signal GNSS.

Elément 83b: Compteur asservi sur la référence de fréquence GNSS 83a et permettant de générer une impulsion de durée courte toutes les secondes (signal PPS_GNSS). Le front montant de cette impulsion correspond à une seconde entière du temps GNSS. D’un point de vue implémentation, ce compteur est intégré directement dans le module de réception GNSS global.

Elément 84a: Référence de fréquence provenant de l’exploitation du signal SPT portant l’information de temps GNSS.

Elément 84b: Compteur asservi sur la référence de fréquence issue de l’exploitation du signal SPT, et permettant de générer une impulsion de durée courte toutes les secondes (signal PPS_SPT). Le front montant de cette impulsion correspond à une seconde entière très proche de la seconde entière du temps GNSS. D’un point de vue implémentation, ce compteur est intégré directement dans le module de réception du signal SPT comme dans le cas du récepteur GNSS.

Elément 85: Ce module permet de construire un signal de comparaison entre les signaux PPS_EXT, PPS_GNSS et PPS_SPT générés par les différentes références de fréquence et le signal PPS_OL généré par l’oscillateur local.

Elément 86: Ce module exploite le signal de comparaison généré par l’élément 85, afin de construire le signal de commande 88 pour l’asservissement de l’oscillateur local. Les informations de comparaison sur plusieurs sources de signal permettent de monitorer d’éventuelles altérations des signaux (signaux GNSS et signaux SPT en particulier) reçus. Le module 86 délivre également un ensemble de paramètres, noté PARAM_OUT, décrivant le comportement de l’horloge locale 81a du dispositif récepteur 2. Ces paramètres sont déterminés pendant un certain temps de comparaison entre les horloges GNSS et l’horloge locale du dispositif régénérateur 1 (embarqué sur le satellite 6). Ces paramètres sont susceptibles d’être intégrés dans les messages transmis via les signaux SPT (signal de position et de temps) 5, pour permettre au dispositif récepteur 2 de corriger des biais ou dérives d’horloge du dispositif régénérateur 1 (embarqué sur le satellite 6) par rapport aux horloges des satellites GNSS.

Elément 87: Ce module permet de sélectionner le signal PPS_OUT à fournir en sortie. Le sélecteur est commandé par le bloc d’analyse d’intégrité des différents signaux PPS produits et/ou utilisés (bloc référencé 205 sur la figure 4).

Dans le cas où les signaux PPS_SPT, PPS_GNSS et PPS_EXT ne sont pas disponibles ou non intègres (détection via le bloc référencé 205 sur la figure 4), seul le signal PPS_OL issu de l’oscillateur local est sélectionné en sortie pour produire le signal PPS_OUT.

Nous revenons maintenant à la description de la figure 4.

Le bloc 204 réalise une fonction permettant de déterminer les paramètres d’horloge (biais, dérive…) pour l’asservissement précité. Cette fonction peut prendre en entrée un ou plusieurs des signaux PPS précités : PPS_OL, PPS_SPT, PPS_GNSS et PPS_EXT. En d’autres termes, le bloc 204 évalue la correction de fréquence à appliquer sur l’oscillateur local (bloc 203) en comparant les signaux PPS produits par l’oscillateur local et la référence de fréquence (PPS_GNSS, PPS_SPT, PPS_EXT). L’utilisation d’une référence de fréquence externe ultra-stable (PPS_EXT) est possible via une interface spécifique. Les paramètres de corrections d’horloge sont par exemple mis à jour en permanence et sont dans une configuration préférentielle mis à jour en fonction des propriétés propres de l’oscillateur (telles que le vieillissement par exemple) et des contraintes extérieures (telles que la température par exemple). Des algorithmes de filtrage sont appliqués pour permettre une meilleure stabilité long terme.

Le bloc 205 réalise une fonction disposant d’un algorithme de décision pour sélectionner des informations de temps fiables (plusieurs sélections sont possibles, parmi par exemple: uniquement les informations fournies par le bloc 201 (récepteur GNSS), uniquement les informations fournies par le bloc 202 (récepteur SPT), à la fois les informations fournies par le bloc 201 et celles fournies par le bloc 202, uniquement les informations fournies par le bloc 203 (horloge locale). En d’autres termes, le bloc 205 (fonction de décision) utilise un algorithme permettant de sélectionner les données utilisables pour la fonction de datation, de synchronisation et de position. Les sorties principales du bloc 205 sontpar exemple: le signal PPS sélectionné (PPS_OUT), des informations de datation, des informations de position, des informations d’état du dispositif récepteur, des informations indiquant la qualité des mesures de temps et de position, un signal d’horloge asservi sur le temps GNSS, etc.

Le bloc 206 réalise une fonction de communication avec l’extérieur (c'est-à-dire une fonction d’interface de communication), par exemple avec un serveur de temps disposant d’une interface compatible. Il permet d’interfacer le dispositif récepteur avec un équipement externe pouvant être un serveur de temps ou bien un équipement nécessitant une synchronisation sur une référence connue et stable. L’interface est par exemple constituée d’une partie physique de type bus pour les échanges de données et d’une interface discrète pour la transmission du signal PPS_OUT généré.

6.5 Exemple de c as d’usage avec un serveur de temps

La figure 9 illustre un serveur de temps intégrant un dispositif récepteur. Dans ce mode de réalisation, le dispositif récepteur 2 décrit plus haut est intégré dans un serveur de temps pour des applications de distribution de temps et d’un signal de synchronisation. Le serveur de temps comprend donc :

le dispositif récepteur 2 pour la génération de l’information de temps (datation, PPS, référence de fréquence dans un mode préférentiel réglée à 10 MHz). Il dispose d’une capacité décisionnelle pour fournir un signal PPS_OUT et un signal d’horloge à 10 MHz fiables; et
un module serveur de temps 901 dont la fonction consiste à diffuser (via des interfaces 902 et 903) l’information de temps dans un réseau privé via les protocoles dédiés NTP, PTP. Il a également la charge de vérifier la validité des informations de temps fournies par différentes sources comme le récepteur GNSS, le récepteur SPT etc…) pour produire des signaux de timing PPS_OUT, de fréquence 10MHz ou des messages dans différents formats (NMEA, IRIG-B, NTP, PTP…). Ce module comprend un cœur de traitement propre (CPU/FPGA) indépendant du dispositif récepteur 2.

La figure 10 illustre un système de temps et de positionnement selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention, comprenant un serveur de temps 100 coopérant avec (et donc n’intégrant pas) un dispositif récepteur 2.

Comme dans le mode de réalisation de la figure 9, il s’agit de proposer un système capable de fournir un service de synchronisation permettant d’offrir une continuité de service lorsque les signaux GNSS (GPS, GALILEO, etc.) ne sont pas exploitables (fort masquage, indoor, brouillage et leurrage…). Il s’agit donc de développer un système complémentaire aux systèmes GNSS pour la fourniture d’un temps de référence sécurisé. Le dispositif récepteur 2 est ajouté en amont du serveur de temps 100 afin de sécuriser la fourniture d’un temps à un système critique.

Le dispositif récepteur 2 fonctionne par exemple nominalement dans un mode de réception des signaux GNSS, mais en cas de perturbation (masquage ou interférence radio par exemple) bascule dans un autre mode («mode SPT») dans lequel seuls les signaux de position et de temps (SPT) émis par le dispositif régénérateur 1 (embarqué par exemple sur un satellite LEO, comme décrit plus haut) sont exploités pour maintenir le temps avec une précision de l’ordre de 100ns de précision, soit une précision du même ordre de grandeur que le temps GNSS. Lorsque les signaux GNSS et les signaux SPT sont simultanément indisponibles, c’est le temps local qui est utilisé (fourni par l’oscillateur local asservi) pour fournir l’information de synchronisation. La précision de synchronisation est dépendante de la stabilité de l’oscillateur local.

Le dispositif récepteur 2 peut fonctionner à l’intérieur d’un bâtiment car la puissance des signaux de position et de temps (SPT) reçus à partir d’un satellite LEO est beaucoup plus importante que les signaux GNSS et la fréquence en bande UHF des signaux de position et de temps (SPT) est beaucoup plus pénétrante que celle des signaux GNSS. Dans certains cas (cela peut dépendre de la configuration du bâtiment), une simple antenne patch placée à l’intérieur d’un local est suffisante. Il n’est alors pas nécessaire de mettre en place une antenne sur le toit et d’engager des frais d’infrastructure dans le bâtiment.

La fourniture du dispositif récepteur 2 peut être adossée à une licence. Cette licence permet de sécuriser le service fourni, grâce à une clé d’authentification diffusée via un réseau filaire ou cellulaire.

Les dispositifs régénérateurs 1 embarqués à bord des satellites LEO peuvent fonctionner sans avoir besoin de dialoguer avec les autres charges utiles de la constellation. Cette indépendance unitaire des dispositifs régénérateurs 1 vis-à-vis des autres éléments du segment spatial permet de construire progressivement la constellation en étant si besoin passager secondaire de nano-satellites lancés.

Claims

Dispositif régénérateur (1) appartenant à un système de temps et/ou de positionnement, caractérisé en ce qu’il est embarqué sur un support (6) se trouvant plus proche de la terre que les satellites GNSS (3) et en ce qu’il comprend:
un module de réception (101 à 107), de type récepteur GNSS et configuré pour recevoir des signaux GNSS provenant de satellites GNSS d’au moins une constellation GNSS et calculer un temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des signaux GNSS reçus;

des moyens (108 à 111) de génération d’un signal de position et de temps (SPT) différent desdits signaux GNSS et véhiculant des informations de temps, relatives audit temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur; et

des moyens (112 à 114) de transmission du signal de position et de temps (SPT).
Dispositif régénérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de réception de type récepteur GNSS est configuré pour calculer également la position du dispositif régénérateur, en fonction des signaux GNSS reçus.
Dispositif régénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit temps synchronisé sur le temps GNSS comprend un signal de synchronisation PPS et/ou des informations de datation.
Dispositif régénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de transmission sont configurés pour transmettre ledit signal de position et de temps (SPT) sur au moins deux fréquence distinctes.
Dispositif régénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de transmission sont configurés pour transmettre ledit signal de position et de temps (SPT) de manière synchrone par rapport au temps GNSS et sur une seconde entière du temps GNSS.
Dispositif régénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit support est fixe ou mobile, sur terre, dans l’atmosphère ou dans l’espace.
Dispositif régénérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit support est un satellite positionné sur une première orbite terrestre possédant une altitude inférieure à celle d’une deuxième orbite terrestre sur laquelle sont positionnés lesdits satellites GNSS.
Dispositif régénérateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première orbite terrestre est une orbite terrestre basse (LEO) ou une orbite terrestre moyenne (MEO).
Dispositif récepteur (2) appartenant à un système de temps et/ou de positionnement, caractérisé en ce qu’il comprendun premier module de réception (202) comprenant lui-même:
des moyens de réception (2021, 2022), configurés pour recevoir au moins un signal de position et de temps (SPT) transmis par un dispositif régénérateur et véhiculant des informations de temps, relatives à un premier temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur;

des moyens de traitement (2023 à 2025), configurés pour extraire les informations de temps et de position véhiculées par ledit au moins un signal de position et de temps (SPT) ; et

des moyens de calcul (2026), configurés pour calculer un deuxième temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des informations de temps et de position extraites dudit au moins un signal de position et de temps (SPT).
Dispositif récepteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de réception sont configurés pour recevoir au moins quatre signaux de position et de temps (SPT) transmis chacun par un dispositif régénérateur différent,
en ce que les moyens de traitement sont configurés pour extraire des informations de temps et de position véhiculées par chacun desdits au moins quatre signaux de position et de temps (SPT),
et en ce que les moyens de calcul sont configurés pour calculer ledit deuxième temps et une position du dispositif récepteur, en fonction des informations de temps et de position extraites desdits au moins quatre signaux de position et de temps (SPT).
Dispositif récepteur selon l’une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le deuxième temps calculé comprend un signal de synchronisation PPS (PPS_SPT) et/ou des informations de datation.
Dispositif récepteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’il comprend:
un oscillateur local (203) délivrant un signal d’horlogeau premier module de réception (202) ; et

des moyens (85, 86) d’asservissement de l’oscillateur localsur au moins une référence de fréquence appartenant au groupe comprenant :

une première référence de fréquence, qui est le signal de synchronisation PPS (PPS_SPT) compris dans le deuxième temps calculé; et

une deuxième référence de fréquence, qui est un autre signal de synchronisation PPS externe audit dispositif récepteur.
Dispositif récepteur selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu’il comprend:
un deuxième module de réception (201), de type récepteur GNSS et configuré pour recevoir des signaux GNSS provenant de satellites GNSS (3) d’au moins une constellation GNSS et calculer un troisième temps synchronisé sur le temps GNSS et une position du dispositif récepteur, en fonction des signaux GNSS reçus; et

des moyens (205) de décision d’au moins une première information de sortie du dispositif récepteur, configurés pour effectuer une sélection entre au moins une information de sortie du premier module de réception («récepteur SPT») et au moins une information de sortie du deuxième module de réception de type récepteur GNSS, en fonction d’au moins un critère de sélection.
Dispositif récepteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le critère de sélection est fonction d’une comparaison entre au moins une première information d’intégrité fournie par le premier module de réception («récepteur SPT») et au moins une deuxième information d’intégrité fournie par le deuxième module de réception de type récepteur GNSS.
Dispositif récepteur selon l’une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que ladite au moins une première information de sortie du dispositif récepteur appartient au groupe comprenant:
un signal de synchronisation PPS;

au moins une information de datation;

au moins une information de position; et

un signal d’horloge asservi sur le temps GNSS.
Dispositif récepteur selon l’une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que les moyens de décision sont également configurés pour générer au moins une deuxième information de sortie appartenant au groupe comprenant:
au moins une information d’état du dispositif récepteur; et

au moins une information indiquant une qualité de ladite au moins une première information de sortie.
Dispositif récepteur selon la revendication 12 et l’une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que lesdits moyens d’asservissement sont configurés pour asservir ledit oscillateur localsur au moins une référence de fréquence appartenant au groupe comprenant :
ladite première référence de fréquence, qui est le signal de synchronisation PPS (PPS_SPT) compris dans le deuxième temps calculé;

ladite deuxième référence de fréquence, qui est un autre signal de synchronisation PPS (PPS_EXT) externe audit dispositif récepteur; et

une troisième référence de fréquence, qui est un signal de synchronisation PPS (PPS_GNSS) compris dans le troisième temps calculé.
Dispositif récepteur selon l’une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’interface (206) configurés pour fournir à un premier équipement (100), externe audit dispositif récepteur, un service de temps et/ou de positionnement.
Dispositif récepteur selon l’une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisé en ce qu’il est intégré dans un deuxième équipement (90) pour fournir audit deuxième équipement un service de temps et/ou de positionnement.
Serveur de temps (90, 100), caractérisé en ce qu’il intègre ou coopère avec un dispositif récepteur (2) selon l’une quelconque des revendications 9 à 17, ledit serveur de temps étant configuré pour recevoir un service de temps et/ou de positionnement fourni par le dispositif récepteur et distribuer ledit service de temps et/ou de positionnement au sein d’un réseau.
Procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement, caractérisé en ce qu’au moins un dispositif régénérateur(1) effectue les étapes suivantes:
réception (110) de signaux GNSS provenant de satellites GNSS d’au moins une constellation GNSS;

calcul (110) d’un temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des signaux GNSS reçus;

génération (112) d’un signal de position et de temps (SPT) véhiculant des informations de temps, relatives audit temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur; et

transmission (113) du signal de position et de temps (SPT).
Procédé de fourniture d’un service de temps et/ou de positionnement, caractérisé en ce qu’au moins un dispositif récepteur(2) effectue les étapes suivantes :
réception (121) d’au moins un signal de position et de temps (SPT) transmis par un dispositif régénérateur et véhiculant des informations de temps, relatives à un premier temps synchronisé sur le temps GNSS, et des informations de position, relatives à une position du dispositif régénérateur;

traitement (122) dudit au moins un signal de position et de temps (SPT) pour en extraire les informations de temps et de position ; et

calcul (123) d’un deuxième temps synchronisé sur le temps GNSS, en fonction des informations de temps et de position extraites dudit au moins un signal de position et de temps (SPT).