Contexte

Le système T2L2 devait permettre une amélioration d'un à deux ordres de grandeur des performances des systèmes de comparaison à distance des horloges terrestres et spatiales. Une telle amélioration a ouvert des perspectives nouvelles non seulement pour la métrologie temps / fréquence mais aussi en physique fondamentale et dans bien d'autres domaines.

T2L2 a autorisé la synchronisation d'horloges distantes réparties tout autour de la Terre, le suivi de l'horloge embarquée sur le satellite et la réalisation de transferts de temps bord-sol et sol-sol, dans ce dernier cas que les stations soient en vue commune ou non.

Son principe était basé sur la propagation d'impulsions lumineuses entre les horloges à synchroniser.

Les objectifs de la mission T2L2 sur Jason-2 pouvaient être classés en 3 catégories :

• Les objectifs technologiques liés à la validation fonctionnelle et des performances de T2L2.
• Les objectifs scientifiques liés à l'utilisation des mesures de comparaison d'horloges réalisées par T2L2.
  Les principaux domaines concernés étaient la métrologie temps/ fréquence (constitution d'échelles de temps, étalonnages des autres dispositifs de comparaison...) et la physique fondamentale.
• Les objectifs complémentaires liés à l'apport de T2L2 à la mission Jason-2.
  Il s'agissait de la caractérisation indépendante de l'OUS DORIS en particulier vis-à-vis de l'anomalie de l'Atlantique Sud (radiations), de permettre une amélioration de la localisation des balises sol dans cette même région et de participer à la télémétrie laser en autorisant des mesures même en l'absence d'écho retour.

Le caractère expérimental de cette première mission T2L2 faisait que la priorité était donnée aux objectifs technologiques et à ceux liés directement à la mission Jason-2.

Priorités principales :

• Objectifs technologiques : validation du transfert de temps ; validation des performances, stabilité et exactitude (performance : 10^-15 sur un passage) ; télémétrie laser ultra précise (performance : 10^-16 sur un jour) ; Télémétrie unidirectionnelle.
• Objectifs complémentaires : caractérisation de l’oscillateur DORIS (Jason-2) (performance : 10^-15 sur un passage).

Priorités secondaires :

• Objectifs scientifiques en métrologie temps/fréquence : étalonnage des liens Temps/Fréquence ; caractérisation d’horloges embarquées ; comparaison d’horloges sol ; échelles de temps. Pour tous, performance de 10^-16 sur un jour.
• Objectifs scientifiques en physique fondamentale : dérive de la constante de structure fine α ; Décalage vers le rouge ; Isotropie de la vitesse de la lumière. Pour tous, performance de 10^-16 sur un jour.
• Objectifs scientifiques en observation de la Terre : propagation atmosphérique.
• Objectifs scientifiques en géodésie.
• Objectifs scientifiques, VLBI.
• Objectifs complémentaires : amélioration de localisation des balises/SAA (performance : 10^-15 sur un passage) ; contribution à la télémétrie laser.

Déroulé du projet

L'instrument T2L2 était embarqué en tant que passager technologique sur le satellite Jason-2 dont la mission s’est terminée le 10 octobre 2019. Celui-ci se trouvait sur la même orbite que Jason-1, dont il a assuré la continuité, à une altitude de 1336 km avec une inclinaison de 66°. À cette altitude, l'orbite a une période de 113 minutes. Le satellite repassait à la même position tous les 10 jours et l'écart entre deux traces consécutives était de 250 km.

Dans le cas de Jason-2, satellite à défilement en orbite basse, la durée de visibilité pour une station laser était typiquement 15 à 20 minutes. Les périodes de visibilité ont été regroupées en séquences de plusieurs passages espacés d'une période orbitale (environ 120 mn). Selon la latitude de la station, ces séquences contenaient : soit 6 passages et étaient espacées d'environ 24h, soit 3 passages et étaient espacées d'environ 12h. Selon la position des stations, des vues communes étaient possibles (essentiellement à l'échelle d'un continent), ainsi que des vues "proches" (stations sur le même arc d'orbite avec un temps mort entre les deux de quelques minutes).

Le nombre d'utilisateurs simultanés, qui pouvait atteindre 20 stations dans les zones à forte densité (Europe), n'était limité que par la capacité de stockage à bord des données de télémesure.

Une session d'observation type pouvait être décrite par les éléments suivants :

• Les tirs se faisaient préférentiellement de nuit (heure locale de la station utilisatrice) ; les tirs de jour ne devaient cependant pas être exclus car il n'y avait aucune impossibilité technique à priori.
• Dès que le satellite était visible depuis la station laser, le télescope le pointait (sa position étant estimée grâce aux éphémérides prévisionnelles du satellite) et les tirs étaient réalisés sur la durée la plus longue possible (les performances du transfert de temps se sont améliorées avec l'accumulation des données qui ont été utilisées dans les analyses statistiques).

Organisation

L'expérience T2L2 a été développée par le CNES en partenariat avec le laboratoire GéoAzur de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA).

Phase de développement

Le CNES a assuré les rôles de maître d'œuvre système et instrument. Outre l'activité scientifique proprement dite, l'Observatoire de la Côte d'Azur a joué un rôle important dans la définition de l'instrument. En effet, la conception des fonctions métrologiques de détection et de datation a repris des développements de prototypes réalisés et validés par l'OCA.

La réalisation de l'instrument de vol a été confiée à 3 industriels pilotés par le CNES :

• EREMS avait la charge de la réalisation de la composante électronique. À ce titre, EREMS a mené l'industrialisation des fonctions de détection et de datation, la conception et la réalisation des fonctions de gestion et d'alimentation de l'instrument puis a piloté les activités de qualification et de validation du Boîtier Electronique.
• SESO était responsable de la réalisation de la composante optique et de la qualification de l'ensemble boîtiers optiques intégrés sur la platine d'interface.
• Le groupe BTS / Coriolis était chargé de l'étude et de la validation du Contrôle Thermique Actif (CTA) installé sur les boîtiers optiques.

Après qualification et essais métrologiques d'étalonnage et de caractérisation fine, l'instrument a été livré à Thalès Alenia Space pour intégration sur le satellite Jason-2.

Phase d'exploitation

L'exploitation de l'expérience T2L2 était sous la responsabilité conjointe du CNES et des scientifiques et notamment du PI de l'expérience (membre du laboratoire GéoAzur de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA)). Elle était animée via un groupe de travail T2L2.

Le CNES assurait l'exploitation opérationnelle de l'instrument, c'est-à-dire le suivi de son fonctionnement en orbite, l'envoi des télécommandes et la collecte, traitement et diffusion de la télémesure.

L'Observatoire de la Côte d'Azur a développé et mis en œuvre l'ensemble des traitements scientifiques permettant de passer de la donnée brute à une date réelle en picoseconde, de rassembler et trier les données fournies par l'instrument et celles délivrées par les stations laser au sol, et de calculer les transferts de temps entre l'horloge à bord et les horloges au sol.

Le groupe de travail T2L2 a assuré la promotion, a organisé et coordonné l'activité scientifique autour de la mission T2L2.
Il était présidé par le PI de la mission T2L2et comprenait un responsable mission qui représentait le CNES et avait la charge de l'interface entre le groupe de travail T2L2 et la composante sol opérationnelle.
Le groupe de travail T2L2 était organisé autour de 5 thèmes :

• Réseau des stations sol et ILRS au sein duquel était organisée et supportée (assistance technique) la participation des stations de télémétrie laser, de leur mise au "standard T2L2" à la programmation des passages, ainsi que l'utilisation des stations laser transportables ;
• Centre de Mission Scientifique (CMS) regroupait tout ce qui relevait de la recette en vol de l'instrument puis de son suivi et de son exploitation qui va de la mise à jour des tables d'étalonnage et des traitements des données de datations bord à l'expertise en cas d'anomalie ;
• Validation du Transfert de temps T2L2 en charge de l'élaboration (définition des algorithmes de traitement, prise en compte des effets atmosphériques, relativistes, ...) et de la diffusion du "produit" transfert de temps ;
• Transfert Micro-onde et Echelles de Temps qui organisait les activités autour de l'utilisation du transfert de temps T2L2, comparaisons d'étalons primaires de fréquence, échelles de temps et étalonnage de liens GPS / Two Way ;
• DORIS centré autour de la caractérisation en vol de l'OUS DORIS.