Characterization of T2L2 (time transfer by laser link) on the Jason 2 ocean altimetry satellite and micrometric laser ranging
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Abstract EN:
Many aspects of our modern life rely on global networks of highly synchronized elements, such as the internet and navigation systems. Today, new generations of atomic clocks, such as atomic fountains and optical clocks push the requirements on the devices that permit the establishment of these precisely synchronized networks or time scales. The T2L2 (Time Transfer by Laser Link) scheme, based on the technology of satellite laser ranging (SLR), is a radically new means for tomorrow’s clock synchronization. The T2L2 experiment was accepted in 2005 by CNES to fly as a passenger instrument on the ocean altimetry satellite Jason 2, in order to prove the concept and the aimed performance of optical time transfer. After a short development phase, the instrument was delivered by the industrial partners beginning 2007. The main part of this work treats the thorough characterization of the T2L2 flight instrument. For this purpose, a highly complex test bed has been developed by the Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), including all important elements of the T2L2 operation scheme, such as laser and other luminous irradiation, clocks and geometry simulation. By this means, the operation of the T2L2 instrument aboard the satellite could be reproduced in a laboratory environment. This allowed the detailed characterization in two respects: First, we obtained substantial data for the calibration of the instrument which are essential for the proper operation and exploitation of T2L2. Thus, they permit on the one hand an optimum configuration of instrumental settings depending on the prevailing conditions. On the other hand, we are able to establish high fidelity correction tables or algorithms for the processing of the raw data. The second aspect is the evaluation of the performance of the T2L2 flight instrument in terms of time / frequency metrology: The performed test campaigns allowed to prove that the instrument meets the imposed requirements in all important aspects of the envisaged time transfer. Further, a detailed analysis of the whole scheme, including the performance of the space instrument as well as of the ground segment (i. E. A satellite laser ranging station) has been performed. By means of this “error budget” we could demonstrate the final performance of the whole laser-based time transfer: With a time stability of some picoseconds when integrating over a satellite pass of some hundred seconds, T2L2 will be able to compare today’s most advanced clocks such as atomic fountains. The absolute accuracy has been determined to be less than 50 ps in common view configuration. Hence T2L2 will permit, starting few weeks after its launch on June 20 of this year, to perform time transfer on a precision and accuracy level never reached before, what will allow, in its turn, remarkable scientific and technological applications. The second part of the present document is oriented to the extension of the technology used for SLR and T2L2 to another field of application, the high-resolution measurement I of absolute distances in space. Two complementary teams of the Observatoire de la Côte d’Azur started in 2005 a collaboration, named ILIADE, in order to unify their respective competences in interferometry and time of flight measurement. This goal shall be reached by the use of frequency combs that have recently gained much public attention due to the award of the Nobel Prize to its inventors in 2005. The frequency comb promises to perform time-offlight measurements on the modulated optical carrier wave (the pulses) and simultaneously interferometry on the comb frequency lines. An important step towards the feasibility of this approach is to reach the threshold of the wavelength by event timing and phase measurement at very high rates. My work comprises the characterization of some ultra-high bandwidth opto-electronic and timing equipment to be employed at that purpose. We could show that this level of performance in distance measurement is effectively coming into the reach of today’s technology. The ILIADE scheme would allow to perform distance measurements on the same level of performance as the clock connected to the used frequency comb, that is to say on the order of at least 10−15, meaning for instance a micrometer over one million kilometers, and this in an absolute manner (i. E. Giving a number with 15 significant digits). Such an advanced performance in terms of ranging will enable the search of anomalous gravity in space, new types of Earth and planetary geodesy and high-fidelity metrology of future space telescopes.
Abstract FR:
Maintes aspects de notre vie moderne reposent sur des réseaux d’une échelle mondiale et composés d’éléments synchronisés, comme l’internet et des système de navigation. Aujourd’hui, des nouvelles générations d’horloges atomiques, comme des fontaines atomiques et des horloges optiques, déterminent les exigences envers les dispositifs qui permettent l’établissement de ces réseaux synchronisés, ou échelles de temps. Le schéma de T2L2 (Transfert de Temps par Lien Laser), basé sur la technologie de la télémétrie laser sur satellite (SLR), représente un moyen radicalement nouveau pour la synchronisation d’horloges de demain. L’expérience T2L2 fut accepté par le CNES en 2005 en tant que instrument passager sur le satellite d’altimétrie des mers Jason 2, afin de prouver le concept et la performance visée d’un transfert de temps optique. Après une phase de développement courte, l’instrument spatial fut livré par les partenaires industriels début 2007. La partie majeure de ce travail de thèse traite la caractérisation intégrale de l’instrument spatial T2L2. A cette fin, un banc de test de haute complexité fut développé à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA); il inclut tous éléments importants du schéma opérationnel de T2L2, comme l’irradiation par laser et autres sources, des horloges et la simulation de la géométrie. Ce moyen rendait possible de reproduire l’utilisation de l’instrument spatial T2L2 sur le satellite, dans un environnement de laboratoire. Ceci permettait la caractérisation de l’instrument spatial à deux égards: Premièrement, on obtenait des données substantielles pour la calibration de l’instrument; elles sont essentielles pour l’utilisation et l’exploitation sans faille de T2L2 car elles permettent une configuration optimale des paramètres de l’instrument dépendant sur les conditions dominantes. D’autre part, on dispose des données pour l’établissement des tableaux ou algorithmes de correction pour le traitement des données brutes venant du satellite. Le deuxième volet est l’évaluation de la performance en métrologie temps / fréquence de l’instrument de vol T2L2: Les campagnes d’essai permettaient de prouver que l’instrument respecte les exigences dans tous les aspects importants du transfert de temps envisagé. Par ailleurs, une analyse approfondie de tout le schéma était mené, incluant la performance de l’instrument spatial ainsi que celle du segment sol (c’est-à-dire, une station de télémétrie laser). A l’aide de ce moyen, le « bilan d’erreurs », on a pu démontrer la performance finale de tout le transfert de temps: Avec une stabilité de quelques picosecondes, en intégrant sur un passage du satellite de quelques centaines de secondes, T2L2 permettra de comparer les horloges les plus avancés d’aujourd’hui, incluant les fontaines atomiques. L’exactitude absolue d’un transfert de temps fut déterminé à moins que 50 ps en configuration vue commune. Par conséquent, T2L2 permettra, quelques semaines après son lancement au 20 juin de cette année, d’effectuer des transfert de temps d’un niveau de précision et exactitude jamais atteint; ceci, en revanche, contribuera à des applications scientifiques et technologiques de haut niveau. La deuxième partie du document présent est orienté autour l’extension de la technologie de télémétrie laser et T2L2 à un autre domaine d’application, la mesure absolue et de très haute résolution de distances en espace. Deux équipes complémentaires de l’Observatoire de la Côte d’Azur avait démarré une collaboration en 2005, nommé ILIADE, afin de réunir leurs compétences respectives en interférométrie et mesure de temps de vol. Cet objectif devra être atteint en utilisant un laser de peigne de fréquences qui avait gagné de l’attention publique à cause de la remise du prix Nobel à ses inventeurs en 2005. Le peigne de fréquences devra permettre d’effectuer des mesures de temps de vol sur la porteuse optique modulée (les impulsions laser) en parallèle avec une mesure interférométrique sur les raies de fréquence. Un pas important vers la faisabilité de cet approche est d’atteindre le seuil de la longueur d’onde par la datation et la mesure de phase à haute cadence. Mon travail porte sur la caractérisation de l’équipement de détection et datation de haute bande passante qui sera employé à cette fin. On put démontrer que ce niveau de performance en mesure de distance est effectivement à la portée de la technologie d’aujourd’hui. Le schéma d’ILIADE rendra possible d’effectuer des mesures de distance au même niveau de performance que l’horloge connectée sur le peigne de fréquence, c’est-à-dire au niveau d’au moins 10−15, ainsi permettant des précisions d’un micron sur un million de kilomètres et ceci d’une façon exacte (alors donnant un nombre avec 15 chiffres significatifs). Une telle performance en télémétrie permettra la recherche de gravité anomale en espace, des nouvelles types de géodésie terrestre et planétaire et une métrologie hyperfine pour des futures télescopes spatiales.