Temps et synchronisation : IRIG-B, GPS et PTP

Pourquoi le temps ne ressemble pas aux autres mesures

Toutes les autres grandeurs d'une chaîne d'instrumentation peuvent être vérifiées, étalonnées et, s'il faut, mesurées à nouveau. Le temps, non. Une erreur de temps n'a pas l'air d'une erreur : deux courbes sont simplement décalées l'une par rapport à l'autre, toutes deux parfaitement plausibles, et la conclusion qu'on en tire est fausse d'une manière qu'aucun examen ultérieur des fichiers ne révélera.

C'est aussi la seule propriété partagée de la chaîne. Toutes les autres appartiennent à une voie : ce capteur est exact, ce filtre est bien réglé, ce convertisseur a assez de bits. Le temps appartient à l'installation, ce qui veut dire qu'aucune amélioration d'un boîtier isolé ne le corrigera.

Trois questions derrière un seul mot

L'essentiel de la confusion autour de la synchronisation vient du mélange de trois exigences qui n'ont ni les mêmes solutions ni le même prix.

1. Quelle heure était-il ? La date et l'heure absolues, pour corréler un enregistrement avec une trajectographie, un journal de centre d'essais, un autre appareil ou un relevé météo. Cela demande une référence externe traçable.
2. Mon horloge tourne-t-elle à la bonne cadence ? L'exactitude en fréquence, qui décide de la vitesse à laquelle deux équipements s'écartent et de ce que vaut réellement votre cadence d'échantillonnage. Cela demande un oscillateur stable, ou asservi.
3. Mes voies sont-elles alignées entre elles ? L'alignement relatif à l'intérieur de l'installation, dont dépend presque toute analyse. Cela demande une référence commune, pas nécessairement une référence exacte.

La conséquence pratique mérite d'être dite franchement : une installation dont le temps absolu est faux de cent millisecondes mais dont les voies sont alignées à la microseconde produira de bons résultats d'ingénierie. L'inverse, non.

IRIG-B : le classique

IRIG-B est un code temporel série à trame d'une seconde, qui porte le jour de l'année, l'heure, la minute et la seconde, plus des champs de contrôle optionnels — dont l'année, dans les révisions récentes. Une trame, cent bits, dix millisecondes par bit, et un marqueur de référence distinctif pour que le récepteur trouve le début de la seconde.

Il existe en deux saveurs qu'il ne faut pas confondre. La forme non modulée, souvent notée B000 et appelée DCLS, est un train d'impulsions à niveau logique : simple, peu coûteuse à distribuer sur une paire torsadée, et bonne à la microseconde près environ. La forme modulée en amplitude sur une porteuse à 1 kHz porte plus loin sur du coaxial et convient aux installations existantes, mais l'instant s'y récupère en interpolant une sinusoïde, ce qui situe plutôt le résultat vers la dizaine de microsecondes.

Sa grande vertu, c'est que tout le monde le parle dans le monde des essais : moyens de centre, enregistreurs anciens, stations sol, enregistreurs graphiques qui auraient dû partir à la retraite. Sa limite, c'est qu'il s'agit d'une diffusion à sens unique — le récepteur n'a aucun moyen d'apprendre à la source quelle était la longueur du câble.

GPS : la source primaire

Un récepteur GPS vous donne deux choses, et il importe qu'elles soient distinctes. Une impulsion par seconde marque l'instant avec une exactitude de quelques dizaines de nanosecondes. Un message — NMEA ou protocole binaire — indique à quelle seconde appartenait cette impulsion, et il arrive après, avec une latence variable. Servez-vous de l'impulsion pour l'instant et du message pour l'étiquette ; servez-vous du message seul et vous héritez de la gigue du port série du récepteur.

Sur un aéronef, les vrais problèmes ne concernent pas l'exactitude. Ce sont l'antenne et sa vue du ciel, le temps de réacquisition après une manœuvre qui la masque, et le comportement de l'équipement pendant le trou. Un récepteur qui a perdu le verrouillage ne se trompe pas sur l'heure : il cesse de savoir, ce qui est une défaillance différente et beaucoup plus gérable, à condition que l'équipement le dise.

PTP : le temps sur le réseau

IEEE 1588, généralement appelé PTP, distribue le temps sur Ethernet. Un maître annonce l'heure, un esclave mesure l'aller-retour, et les deux convergent sur le délai pour que l'esclave le corrige. Cet échange bidirectionnel est la différence de fond avec IRIG-B : le réseau vous dit combien de temps cela a pris, au lieu d'exiger que vous le sachiez.

Il descend largement sous la microseconde quand le matériel aide — horodatage pris au niveau physique plutôt qu'en logiciel, et commutateurs qui participent au protocole ou déclarent le temps pendant lequel ils ont retenu un paquet. Placez un commutateur ordinaire dans le chemin et son délai de file d'attente variable passe directement dans votre base de temps. C'est de loin la façon la plus courante dont une installation PTP sous-performe sans le dire.

Pour une architecture d'acquisition distribuée sur Ethernet, c'est la réponse naturelle : le même câble qui porte les données porte le temps, et ajouter un équipement ne veut pas dire ajouter un câble de temps.

Distribuer, pas seulement recevoir

Le réflexe, quand une installation grossit, est de donner une bonne horloge à chaque boîtier. C'est le mauvais réflexe, et il produit le mode de défaillance le plus coûteux : deux groupes d'équipements, chacun cohérent avec lui-même, séparés par un décalage fixe qui n'apparaît dans aucun fichier.

La question d'architecture vient donc avant la question d'équipement. Une référence, physiquement distribuée à chaque unité qui horodate quelque chose — acquisition, enregistrement, vidéo, et la station sol qui recevra la télémesure. Là où une unité ne peut pas être atteinte par la référence, c'est une exception documentée avec un décalage mesuré, pas un oubli.

Et la distribution a son propre budget d'erreur. Cent mètres de câble, c'est environ une demi-microseconde ; négligeable pour la plupart des travaux, dominant si vous traquez des latences de bus. Si le chiffre compte, mesurez-le une fois et écrivez-le.

Ce que fait réellement un équipement bien daté

• Il asservit son propre oscillateur à la référence au lieu de simplement la lire, si bien que sa cadence d'échantillonnage est juste et pas seulement ses étiquettes.
• Il horodate au point d'acquisition — l'instant où l'échantillon a été pris, pas l'instant où le paquet a été assemblé ou l'image sortie de l'encodeur.
• Il enregistre quelle source a daté la donnée et si cette source était saine, dans la donnée elle-même, pour que personne n'ait à reconstituer un décrochage de mémoire.
• Il a un comportement de holdover défini : à la perte de la référence, il continue de compter, signale qu'il le fait, et dérive à une vitesse annoncée d'avance.
• Et il ne saute jamais en silence. Une correction en marche d'escalier au milieu d'un enregistrement est pire que le décalage qu'elle corrige, parce qu'elle casse la seule hypothèse que fait toute analyse.

Le holdover mérite un nombre plutôt qu'un adjectif. Un oscillateur spécifié à deux parties par million dérive de deux microsecondes par seconde, soit un peu plus de sept millisecondes en une heure. Un composant à haute stabilité thermostaté, à un centième de partie par million, dérive de quelques dizaines de microsecondes sur la même heure. Les deux sont parfaitement utilisables, et aucun ne l'est si vous ne saviez pas lequel vous aviez.

Le contrôle qui trouve le problème avant le vol

Il existe un essai à institutionnaliser, et il prend un après-midi. Injectez un événement franc unique — une fermeture de contact, une impulsion, une tonalité — simultanément sur une voie de chaque unité d'acquisition, dans la vidéo si vous en avez, et si possible sur un bus. Enregistrez. Puis mesurez, dans le fichier, l'écart entre les horodatages de ce seul événement.

Le nombre qui en sort est l'alignement de votre installation, mesuré et non supposé. S'il correspond à votre exigence, vous avez un résultat documenté à verser au dossier de campagne. S'il n'y correspond pas, vous avez trouvé le décalage alors que l'appareil est encore au sol, ce qui est précisément l'objectif.

Refaites-le après toute modification de l'installation, et une fois en cours de campagne. C'est l'assurance la moins chère de l'instrumentation d'essais, et la seule qui paie avant l'accident plutôt qu'après.