Publié le 20 février 2019 - par

Une horloge atomique miniature pour les micro-satellites

Les scientifiques du Tokyo Institute of Technology, Ricoh Co. et du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ont mis au point une horloge atomique à très faible puissance (ULPAC) pour les petits satellites. Ceci afin de permettre aux futurs systèmes de communication d’aller au delà de la 5G. Le dispositif proposé surpasse toutes les normes actuelles de l’industrie en ce qui concerne la taille, la stabilité et la consommation d’énergie.

L’annonce de l’horloge atomique miniature ULPAC

Le 19 février 2019, l’Institut de technologie de Tokyo, Ricoh Co. Ltd et l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées ont annoncé ce nouveau modèle d’horloge atomique baptisé ULPAC (Ultra Low Power Atomic Clock)

Figure 1. Prototype de l’horloge atomique (33 mm x 38 mm x 9 mm) Ces ULPAC compactes seront montées sur de petits satellites, des automobiles et des smartphones, accélérant la réalisation des réseaux de communication mobile.

Une précision indispensable

Au fur et à mesure que les technologies de télécommunication continuent d’évoluer, la vitesse et la quantité de données nécessaires pour satisfaire les besoins des utilisateursne cessent d’augmenter.
Une méthode envisagée pour répondre à cette demande sans cesse croissante, consiste à déployer une constellation de micro satellites qui tourneraient autour de la planète en orbite terrestre basse.
Cependant, un tel essaim de satellites nécessite une synchronisation extrêmement précise par rapport à un temps de référence. Cette contrainte implique l’utilisation d’une horloge atomique très précise à bord de chaque équipement.

Réduire la taille des horloges atomiques

Les deux types d’horloges embarquées sur les satellites Galileo (Source ESA.)

Comme les horloges atomiques classiques sont trop volumineuses (155 à 755cm³) et consomment trop d’énergie (jusqu’à 10 W) pour être utilisées sur des micro satellites, les chercheurs ont mis au point des horloges atomiques quantiques de taille et de consommation considérablement réduites en utilisant une méthode appelée piégeage cohérent de population.
Sur cette base, des chercheurs du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), en collaboration avec Ricoh Co. Ltd. et le National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), ont récemment conçu une horloge atomique entièrement fonctionnelle qui surpasse toutes les normes actuelles de l’industrie.
En termes de consommation d’énergie, la boucle à verrouillage de phase de leur dispositif, qui est un composant essentiel des horloges atomiques quantiques, consomme un ordre de grandeur de puissance inférieur à celui des dispositifs disponibles jusqu’à ce jour.

28 dm3 pour une horloge atomique sur Galiléo!

En plus de sa faible consommation d’énergie, l’horloge atomique ULPAC surpasse tous les moyens existants par deux autres aspects critiques : le volume occupé et la variance d’Allan.
Parce que l’encombrement à bord des nano/micro-satellites est essentiel, il est important de s’assurer que le produit final sera adapté à l’utilisation dans un très petit volume.
Quant à la variance d’Allan, c’est une mesure de stabilité de la fréquence d’une horloge ; un écart d’Allan faible implique une horloge très stable et fiable.

Figure 2 : La partie quantique de l’horloge

L’horloge atomique mise au point par l’équipe est également très performante sur ces deux aspects. “Le prototype de notre horloge atomique atteint une Variance d’Allan à long terme de 2,2×10-12 à τ=105 s (la norme industrielle est de 3,0×10-10 à τ=1 s), tout en occupant un volume de seulement 15,4 cm³ (légèrement inférieur à la plus petite horloge atomique actuellement disponible), explique Kenichi Okada, professeur associé à Tokyo Tech.

Selon l’équipe de recherche, il y a place à l’amélioration. “La consommation d’énergie totale est de 59,9 mW, ce qui est principalement dû à l’unité de microcontrôleur de ce prototype et peut être encore réduite en utilisant des circuits logiques personnalisés,” explique Okada.

Comparatif

Figure 4 : Comparatif des différentes solutions existantes

TCXO (oscillateur à quartz à compensation de température)
MCXO (oscillateur à quartz de compensation pour micro-ordinateur)
OCXO (oscillateur à quartz avec thermostat)
CS (horloge atomique au Césium)
Rb (horloge atomique au Rubidium)
ULPAC en rouge (horloge atomique à ultra faible consommation)

Dans l’étalon de fréquence conventionnel, comme illustré à la Fig. 4, la consommation d’énergie et la stabilité de la fréquence étaient une affaire de compromis, mais l’horloge atomique ULPAC présente à la fois une bonne stabilité de fréquence et une faible consommation d’énergie.
Sa taille est également très petite, 15 cm³.
La stabilité de fréquence à long terme de 2,2 × 10-12 s est obtenue sur un temps moyen de 105 secondes. Comparée à une montre équipée d’un oscillateur à quartz classique, l’horloge est environ 100 000 fois plus précise.

Une photographie du produit fini est présentée aux Fig. 1 et 2. Ricoh et l’AIST ont travaillé sur l’amélioration de la variance d’Allan de l’appareil, tandis que les chercheurs de Tokyo Tech se sont concentrés sur la réduction de sa consommation électrique. Le résultat final de cette collaboration est un prototype d’horloge atomique très prometteuse qui repousse les repères actuels afin que les futurs systèmes de télécommunications, tels que ceux qui succèderont à la 5G, puissent devenir une réalité.

Conclusion

L’horloge atomique présentée ici est extrêmement petite et consomme peu d’énergie, elle peut être intégrée à divers appareils tels que les automobiles, les smartphones et les micro satellites. Elle contribuera à l’évolution vers la Société 5.0 (super smart society) soutenue par l’IoT, avec les voitures autonomes, le remplacement du GPS, la mesure de haute précision, etc.,

Il devient possible d’installer des horloges atomiques de haute précision sur divers appareils qui ne pouvaient pas être équipés auparavant. Ce produit en cours de développement devrait être commercialisé dans les 5 ans.

Le prix n’est pas communiqué mais on peut rêver à un Raspberry Pi dont l’horloge RTC serait basée sur ce type d’horloge, non ?

Sources

https://jp.ricoh.com/release/2019/0219_1.html

https://www.ricoh.com/release/2019/0219_1.html

https://docplayer.fr/76574558-Les-horloges-atomiques-et-les-mesures-de-l-espace-temps.html

https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/043524.html

An ultra-low-power atomic clock push toward intelligent IoT

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À propos François MOCQ

Électronicien d'origine, devenu informaticien, et passionné de nouvelles technologies, formateur en maintenance informatique puis en Réseau et Télécommunications. Dès son arrivée sur le marché, le potentiel offert par Raspberry Pi m’a enthousiasmé j'ai rapidement créé un blog dédié à ce nano-ordinateur (www.framboise314.fr) pour partager cette passion. Auteur de plusieurs livres sur le Raspberry Pi publiés aux Editions ENI.

6 réflexions au sujet de « Une horloge atomique miniature pour les micro-satellites »

  1. jfd_

    Bonjour,

    Mouiii…C’est quand même bien trompeur (j’ai passé ~20 ans dans le domaine des horloges atomiques). Un cpt ne pourra jamais remplacer sous l’angle performances une horloge type PHM ou à Rb comme celles présentées
    Le graphe « Calibration » est bien trompeur en mettant en abscisse la puissance absorbée et en ne normalisant pas le temps d’observation en ordonnée…
    Si on normalise le temps d’observance à 1s (mais il faut lire entre les lignes), on a un rapport de l’ordre de 1000 fois moins bon pour le cpt vs le PHM Galileo. C’est classique pour un cpt qu’il soit à usage sol ou à usage spatial.

    En encore, on ne parle pas des dérives long terme ou sensibilité thermique, sensibilité aux radiations, etc, etc, …

    Le seul point intéressant des cpt, c’est leur consommation, c’est très vrai. Mais performances limités, il faut l’avoir bien en tête.

    Répondre
  2. jfd_

    Désolé, encore moi

    J’ai oublié : des prototypes de même nature ont été réalisés à l’Observatoire de PAris et au LPMO (entité CNRS à Besançon) il y a déjà un certain nombre d’années.

    Répondre
  3. Jeff&

    Encore un oubli : faire une synchronisation d’un Raspberry avec une horloge de ce type, c’est possible dès maintenant. Des produits commerciaux existent (un peu moins bons sur l’écart type Allan toutefois).
    Produits comme le MicroSemi CSAC SA.45s par exemple.

    Répondre

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