Définition de UTC

La réalisation du Temps Atomique International (TAI) est sous la responsabilité du BIPM (Bureau International des Poids et Mesures, Paris). Le TAI correspond à une moyenne pondérée d'environ 500 horloges atomiques réparties de par le monde dans une quarantaine de laboratoires. L'un de ces laboratoires est à l'Observatoire royal de Belgique (ORB).

La seconde atomique étant légèrement plus courte que la seconde obtenue comme une fraction du jour, le TAI est en avance par rapport à l'échelle de temps basée sur la rotation de la Terre (appelée Temps Universel). Pour des raisons pratiques, il est nécessaire de maintenir l'échelle de temps officielle aussi proche que possible de la rotation de la Terre. Pour cette raison, on a introduit en 1971 le Temps Universel Coordonné (UTC), qui est obtenu en ajoutant au TAI des secondes intercalaires si nécessaire, de sorte que l'écart entre le UTC et l'échelle de temps déduite de la rotation de la Terre reste inférieur à 0.9 secondes. L’heure locale s’obtient alors en ajoutant le décalage du fuseau horaire du lieu, et une éventuelle correction saisonnière pour l’heure d’été. 

Chaque laboratoire maintient une réalisation physique de UTC, c'est-à-dire une horloge (ou un ensemble d'horloges atomiques) synchronisée sur UTC et dont la fréquence est ajustée sur celle de UTC. Cette réalisation est appelée UTC(k), où k est l’acronyme du laboratoire; la réalisation de UTC faite à l'Observatoire est appelée UTC(ORB).

Comparaison d'horloges

Les horloges participant au TAI doivent pouvoir être comparées entre elles. Dans un même laboratoire, les horloges seront régulièrement comparées à UTC(k) à l'aide d'un compteur d'intervalle de temps qui mesure le décalage entre les impulsions (une impulsion par seconde) de l'horloge et les impulsions de UTC(k). Pour des horloges situées dans des laboratoires différents, on utilise deux techniques: la mesure de double trajet d’une onde transitant par un satellite géostationnaire (appelée «Two-Way») et la vue commune des satellites GPS (appelée «common view»). Seule cette seconde technique est utilisée à l’ORB; elle peut se résumer comme suit:

1. Dans un premier temps, on observe à instants précis déterminés par le BIPM tous les satellites GPS visibles, et de ces observations on déduit l'erreur de synchronisation entre UTC(k) et le temps GPS.  Chaque laboratoire de temps envoie une fois par mois au BIPM les données du mois précédent concernant la différence entre son horloge UTC(k) et le temps GPS, et les différences entre les autres horloges locales et UTC(k).
2. Dans un deuxième temps, le BIPM combine les stations deux par deux, et pour chaque instant d'observation des satellites GPS,  élimine le temps GPS qui est commun, et en déduit les erreurs de synchronisation entre les UTC(k). Les erreurs de synchronisation entre les différentes horloges des différents laboratoires s’obtiennent alors aisément.

Calcul de EAL et TAI

Ensuite, pour calculer le Temps Atomique International, le BIPM calcule, à partir de toutes les horloges locales comparées par les méthodes de two-way ou de common view, une «Echelle Atomique Libre (EAL)» basée sur un algorithme d’ensemble, dans lequel le poids attribué à chaque horloge locale est déterminé par sa stabilité à long terme. Cette moyenne pondérée est alors combinée avec un ensemble de standards primaires de fréquences (horloges d’une grande exactitude qui opèrent une réalisation pratique de la définition de la seconde) développés dans quelques laboratoires, de façon à obtenir la seconde TAI la plus proche possible de la définition officielle de la seconde.

Le TAI est calculé a posteriori: il faut laisser les horloges fonctionner pour en collecter les lectures, et ensuite les transmettre au BIPM qui effectue le calcul a posteriori. Le BIPM renvoie alors, pour chaque mois écoulé, l’évolution de l’écart entre  UTC et UTC(k) , ce qui permet à chaque laboratoire d’estimer la qualité de sa prédiction UTC(k) et d’en réajuster la fréquence si nécessaire, c’est-à-dire si UTC(k) s’écarte trop de UTC.