Utilisation pratique de l’OST

1. Mise route et enregistrement

Après avoir effectué tous les branchements, la première chose à s’assurer est le bon fonctionnement du ntp sur le serveur de temps et sur l’ordinateur.

Vérifier la pulsation de l’étoile artificielle et donc de la présence du signal PPS sur l’écran.

De par son principe la régulation du NTP se met en place progressivement. Mettre en fonctionnement au moins une demi-heure avant tout enregistrement video.

L’enregistrement vidéo en format .SER peut alors commencer avec un logiciel d’acquisition tel que SharpCap avec le Time Stamp activé.

2. Traitement avec Tangra

Le fichier .ser obtenu est traité avec Tangra deux fois.

Une première fois sur l’étoile occultée et des étoiles de comparaison.
Paramètre « Time Source », sélectionner « Embedded UTC Time ».
La courbe de lumière obtenue OcultedStar.lc est exportée dans un fichier OcultedStar.csv.

Le deuxième traitement va porter sur l’étoile artificielle issue du signal PPS.
Paramètre « Time Source », sélectionner « Embedded UTC Time ».
Dans l’onglet « General », cocher « Untracked Measurement ».
La courbe de lumière PPS.lc est exportée dans un fichier PPS.csv.
C’est ce fichier .csv qui va être exploité pour les calculs de datation des frames.

Figure 1 : Courbe de lumière de l’étoile artificielle

3. Principe des calculs

Le front montant du signal est très rapide (quelques dizaines de nanosecondes) et peut être considéré comme vertical.
C’est ce front qui date le signal et correspond exactement à la seconde entière.

Hypothèses :
- le temps d’allumage et d’extinction de la LED est négligeable par rapport au temps de pose
- la durée entre les frames est négligeable par rapport au temps de pose
- l’horloge système de l’ordinateur d’acquisition est régulée correctement par le ntp (à mieux que 0.5 s).

Cette régulation est indispensable pour définir à quelle seconde entière correspond la date du signal PPS qui apparaît dans une frame.

Example de calcul sur un temps de pose de 40 ms et une durée du signal PPS de 100 ms

Figure 2a : Un PPS de 100 ms

Figure 2b : Principe des calculs

T1, T2, T3 et T4 sont les dates données par l'horloge du logiciel vidéo.

Le signal PPS apparaît vers la fin de la Frame 1 sur une durée de 15 ms, est présent pendant toute la durée des Frames 2 et 3, persiste pendant 5 ms au début de la Frame 4 puis disparait.

La surface en bleu correspond au Flux mesuré par Tangra pour chacune des frames. Ce flux est égal au produit de l’intensité lumineuse multiplié par le temps.
L'intensité lumineuse de la LED étant constante, ce flux est donc proportionnel à la durée de la présence du signal PPS sur les 4 frames.

Flux Total = Flux 1 + Flux 2 + Flux 3 + Flux 4
Flux Unitaire = Flux Total / 100 ms

Soit Tpps1 le temps pendant lequel le signal PPS est présent dans la Frame 1
Tpps1 = Flux 1 / Flux Unitaire

Connaissant cette durée de présence du PPS, il est possible de dater exactement la Frame 1 par rapport au temps UTC.

Un problème se pose alors, l'horloge du GPS ne donne qu'un signal 1PPS qui marque la seconde entière mais sans préciser de quelle seconde il s'agit. La datation est de la forme hh:mm:s.000. Une possibilité parmi d'autres pour contourner ce problème est d'utiliser la date de l'horloge système de Windows (via le logiciel vidéo) à condition que celle-ci ne soit pas trop décalée par raport au temps UTC.

La régulation NTP de l'horloge système du PC permet de s'assurer que celle-ci ne se décale pas trop par rapport à l'horloge UTC du GPS. Ceci peut être vérifié grace au fichier loopstats généré par le logiciel de NTP. Si le décalage est inférieur à 0.5 s, il est possible de résoudre le problème de la datation de la seconde entière.

Le problème de la seconde entière

Dans l’exemple T1 = 02:28:04,991
Le seconde entière la plus proche est 02:28:05,000
Donc la date d'apparition du signal PPS dans la Frame1 est 02:28:05,000 UTC

Si T1 = 02:28:04,384 la seconde entière la plus proche serait alors 02:28:04,000 UTC

Règle :

Si PartieDecimale(Secondes) < 0,500
   alors Secondes = PartieEntiere(Secondes)
   sinon Secondes = PartieEntiere(Secondes) + 1

Le logiciel de d'enregistrement vidéo utilisé est SharpCap. Dans ce cas le Time Stamp depuis la version 3 correspond au début de l'exposition.

Tpose = durée d'exposition de chaque frame
T1 = Time Stamp de SharpCap correspondant au début de l’exposition de la Frame 1
T1vrai = date réelle (UTC) du début de l’exposition de la Frame 1
Tgps = date d'apparition (UTC) du signal PPS dans la Frame 1

On peut alors écrire :
Tvrai de fin d'exposition de la Frame 1 = T1vrai + Tpose = Tgps + Tpps1

d'où

T1vrai = Tgps + Tpps1 - Tpose        (formule A)

Dans le cas de l’example de la Figure 2b ci-dessus :
T1 = 02:28:04,997 donc Tgps = 02:28:05,000
T1vrai = 5,000 + 0,015 -0,040 = 4,975
La date exacte du début de la Frame 1, T1vrai, est égale à 02:28:04,975

En définissant le Biais comme

Biais = T1 - T1vrai        (formule B)

Biais = 4,997 - 4,975 = 0,022 s = 22 ms
C’est de cette valeur que seront corrigées les Time Stamps de chaque frame.

4. Exemple concret d'exploitation d'un fichier PPS.csv

Dans le fichier courbe de lumière OcultedStar.lc repérer les frames correspondant au début et la fin de l’occultation. Noter leur numéro.

L’analyse de la Light Curve montre que l’occultation commence à la frame 192 et se termine à la frame 211. Le problème est donc de dater exactement ces frames.

Le fichier PPS.csv obtenu est importé dans un tableur pour effectuer les calculs. L'image Figure 3 ci-dessous présente un extrait de ce fichier PPS.csv.
Pour cet exemple le temps d'exposition est de 80 ms et la durée du signal PPS égale à 464 ms.

Figure 3 : le fichier PPS.csv

La colonne Time (UT) correspond au Time Stamp de SharpCap. La colonne SmB(1) utilisée correspond à Signal(1) – Background(1). Il faut trouver la frame où apparaît le signal PPS juste avant l’occultation, c'est à dire avant la frame 192. L’examen du fichier montre une augmentation brutale du signal SmB(1) à la frame 183. Celle-ci correspond donc à l'apparition du signal PPS. Celui-ci reste présent jusqu'à la frame 188 (partie en fond jaune). Sur la droite de l'image apparaissent les calculs effectués avec le tableur. Flux Total = 28746 + 30656 + 30113 + 30682 + 31401 + 28387 = 179985 Flux Unitaire = 179985 / 464 = 388    (flux/ms) Durée de présence du signal PPS dans la Frame 183 = Tpps(183) Tpps(183) = 28746 / 388 = arrondi à 74 ms La seconde entière la plus proche correspondant à la frame 183 est 57,000. Tgps = 02:29:57.000 En appliquant la formule (A) on déduit Tvrai(183) = 56.994. La date exacte de début d'exposition de la frame 183 est donc [02:29:56.994]. La formule (B) permet de calculer le Biais Biais = TSharpCap(183) - Tvrai(183) = 57.015 - 56.994 = 21 ms La frame correspondant au début de l'occultation est la frame 192. Tvrai(192) = TSharpCap(192) – Biais Tvrai(192) = 57.736 - 0.021 = 57.715 La date exacte de début d'exposition de la Frame 192 correspondant au début de l’occultation est donc [02:29:57.715]. Le même calcul peut être appliqué pour la Frame 211 de fin d'occultation Tvrai(211) = 59.258 - 0.021 = 59.237 La date exacte de début d'exposition de la Frame 211 correspondant à la fin de l’occultation est donc [02:29:59.237].

En faisant le même calcul de Biais pour les Frames 195 et 208 d'apparition du signal PPS, on peut calculer une valeur moyenne du Biais à appliquer.

Généralement la datation d'une occulation est pris au temps correspondant au milieu de frame. Pour une pose de 80 ms, il faudrait donc ajouter 40 ms aux dates de début de frame précédentes.

5. Améliorations

La principale critique faite à la procédure décrite vient du problème de la seconde entière et de la fiabilité de l'horloge système windows qui selon certains ne peut donner une date à mieux que 1 s, même avec une horloge régulée par NTP !
Chaque seconde, après le signal 1PPS, le GPS envoit des chaînes NMEA contenant les informations de date "aa/mm/jj hh:mm:ss". En récupérant celles-ci il est possible de régler ce problème. Solution à l'étude.

Dernière mise à jour le 22/11/2018
Mis en ligne le 10/10/2016