Les radiobalises aéronautiques

Que ce soit pour aider à se repérer, y compris par temps clair, ou pour permettre de naviguer alors que l’on n’a plus aucune visibilité des repères au sol, les instruments de radio-navigation embarqués sont vite devenus quasi incontournables. Aujourd’hui, les avions modernes exploitent principalement le GNSS (Global Navigation Satellite System) … qui est un GPS, comme celui que chacun utilise dans son auto, mais un peu plus sophistiqué et dont la précision a été augmentée. Cependant, avant que l’homme soit capable de placer des satellites en orbite, d’autres moyens radioélectriques ont été exploités … Et le sont toujours ! Ce sont les radiobalises aéronautiques.

Partant du principe que l’on utilise bien mieux un instrument quand on sait « comment ça marche », l’objectif de cet article est de vous décrire, de façon simplifiée mais néanmoins assez complète, le fonctionnement de ces dernières.

Nous ne parlerons ici que de leur description et de leur fonctionnement. L’utilisation détaillée des différents systèmes de radio navigation faisant l’objet d’articles distincts.

Nous n’exposerons pas, non plus, le fonctionnement de l’ILS (Instrument Landing System) puisque, comme son nom l’indique, c’est avant tout un système d’aide à l’approche et à l’atterrissage. Ce n’est donc pas une balise à proprement parler. D’autre part L’ILS fait l’objet d’un article distinct, disponible au format PDF :

ILS v3.3 by Fox Papa

La lecture de l’article Radioélectricité Applications aéronautiques n’est pas totalement indispensable, mais peut s’avérer une bonne entrée en matière pour une meilleure compréhension du texte qui suit.

Le NDB (Non Directional Beacon)

Un NDB n’est en fait qu’un simple émetteur rayonnant un signal hertzien à 360°, grâce à une antenne dite « omnidirectionnelle ».

Radiobalises : Antenne NDB

C’est le second plus ancien système utilisé. En France, on parlait alors de radiophare, terme qui est toujours approprié mais tombé en désuétude.

Ce n’est pas tant le NDB (l’émetteur) lui-même qu’il fallait inventer, mais le système automatique embarqué, permettant de l’exploiter. Car le principe de base de son utilisation repose uniquement sur la radiogoniométrie.

Un peu d’histoire

Avec la radio, les propriétés des antennes directives furent vite découvertes. Comme le nom l’indique, ces antennes favorisent l’émission et/ou la réception dans certaines directions. Ceci a logiquement été exploité afin d’émettre des signaux vers des directions choisies (pour éviter le brouillage entre émetteurs, par exemple) mais aussi et surtout afin de repérer la direction d’un émetteur, fixe ou mobile… C’est cette dernière application que l’on nomme radiogoniométrie. A noter que les dimensions des antennes cadres de réception sont énormément plus petites que leurs homologues d’émission. Heureusement, sinon, il eut été impossible de manipuler des antennes de plusieurs centaines de mètres d’envergure. Malgré tout, les premiers cadres de radiogoniométrie étaient tout de même assez imposants.

Donc, dès le début du XXème siècle, les navires maritimes, puis, plus tard, les premiers aéronefs possédant des émetteurs embarqués, pouvaient alors demander à des stations de radiogoniométrie implantées au sol, un relèvement de leur émission radio, constituant ainsi les toutes premières aides radio à la navigation. Voici à quoi ressemblait une station de radiogoniométrie avec son antenne « cadre » :

 Opérateur de radiogoniométrie

De nos jours

La radiogoniométrie au sol a été grandement modernisée depuis et est toujours utilisée. En effet, nombre de tours d’aérodromes en sont équipées, offrant ainsi au contrôleur la possibilité de détecter la direction d’un appel radio lui parvenant. Sur les grandes plateformes, la VDF (VHF Direction Finder), puisque c’est ainsi qu’elle est désormais principalement désignée, permet de matérialiser directement par un trait sur l’écran du radar secondaire, l’avion qui émet une communication. Et sur de plus petits aérodromes, là où il n’y a pas de service radar, cela permet toujours à un pilote égaré de pouvoir demander un cap vers les installations.

Antenne doppler d'un VHF Direction Finder

Antenne de Goniomètre VDF à effet Doppler-Fizeau, en usage sur bon nombre de plateformes

Installation VDF dans une tour de contrôle

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Installation VDF dans une tour de contrôle d’un petit aérodrome

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De la Gonio à l’ADF

Exploiter un NDB constitue exactement l’opération inverse. L’émetteur (la balise NDB) est fixe, au sol et c’est la station de radiogoniométrie qui est embarquée à bord de l’aéronef. Pour que cela soit possible, il a fallu commencer par réduire la taille des antennes cadres. On s’est aperçu qu’une antenne en forme de boucle (loop) avait les mêmes propriétés. Les premiers temps un opérateur orientait cette antenne directive à la main. La photo ci dessous montre un opérateur radio-navigant  à l’entrainement. Le matériel embarqué était bien entendu identique. L’antenne « loop » était placée à l’extérieur, son axe traversait la cabine pour être manœuvrée depuis l’intérieur.

Opérateur Gonio navigant

C’était encore encombrant, lourd et peu rapide, mais ça représentait néanmoins un gros progrès. Puis vint l’invention de l’ADF (Automatic Direction Finder), permettant de lire directement la direction du radiophare sur un cadran fixé au tableau de bord et dont nous détaillerons le fonctionnement un peu plus bas. A partir de là, les balises NDB vont se généraliser.

Caractéristiques générales des NDB

Les NDB émettent sur des fréquences officiellement comprises entre 190 KHz et 1750 KHz, avec un espace ménagé entre 495 kHz et 505 kHz, afin de protéger la fréquence d’appel de détresse internationale maritime qui est de 500 kHz. Cette longueur d’onde possède l’avantage particulier de permettre au signal de suivre la courbure terrestre et ainsi, d’offrir un rayon d’action relativement étendu. Cependant, elle est très sensible aux perturbations climatiques, ainsi qu’à l’environnement géographique. De plus, la nuit, elle est sujette à des phénomènes de propagation ionosphérique étendue (voir article sur la Radioélectricité en Aéronautique), ce qui devient alors très compromettant.

La portée active d’un NDB dépend aussi et avant tout de sa puissance. Celle de certains NDB dits « enroute » atteint et même dépasse un kilowatt (jusqu’à 5 kW dans certaines régions du monde). Leur portée est alors de plusieurs centaines de miles nautiques (peut même atteindre ou dépasser le millier de Nm). Mais en règle plus générale les puissances utilisées s’étalent de 25 Watts à 500 Watts, permettant de couvrir ainsi des utilisations allant de la balise enroute de moyenne portée (une centaine de miles nautiques) à la balise d’alignement en approche (une vingtaine de miles nautiques) que l’on désignait auparavant par le terme « Locator« , expression désormais sortie du langage car faisant confusion avec le « localizer » d’un ILS. On préconise aujourd’hui l’appellation : Approche NDB.

Un NDB n’étant, somme toute, qu’un basique émetteur rayonnant une simple onde porteuse, il est tout à fait possible d’exploiter cette dernière, par le truchement de différents types de modulation, afin de transmettre des informations. La première de toute étant, bien évidemment, l’indicatif de la balise.

Les NDB sont souvent identifiés par le nom de la localité où ils sont implantés. Cependant ce nom est codé sur une, deux ou trois lettres car l’identification se fait en code Morse. Au tout début, cette identification en Morse était uniquement transmise par interruption de la porteuse (on parle alors de modulation par « tout ou rien », aussi codifié par l’UIT sous le terme A1A). Ce procédé simple nécessite cependant la présence d’un oscillateur de battement BFO (Beat Frequency Oscillator) intégré au récepteur ADF, (bouton BFO, parfois aussi appelé Tonalité). Mais de plus en plus souvent (devenu une quasi généralité aujourd’hui) la porteuse est tout simplement modulée en amplitude (A2A) par une note de 400 Hz ou de 1 KHz. Nul besoin alors de BFO pour entendre, la note qui est spontanément diffusée par le haut parleur intégré à l’ADF.

NB : L’identification d’une balise par son code est indispensable à son utilisation. D’une part cela permet de clairement indiquer qu’elle fonctionne, mais aussi de lever toute équivoque avec d’autres balises. Ce serait, en effet, ennuyeux de se diriger dans une mauvaise direction, parce que l’on a suivi le mauvais signal !

Accessoirement on peut aussi exploiter la porteuse pour transmettre d’autres informations que l’indicatif. Ainsi, certains NDB transmettent  en phonie (A3E):

  • ATIS         : Automatic Terminal Information Service.
  • AWIS        : Automatic Weather Information Service.
  • AWOS      : Automated Weather Observation System.
  • ASOS       : Automated Surface Observation System
  • VOLMET  : Meteorological Information Broadcast
  • TWEB       : Transcribed Weather Broadcast
  • PIP            : Code morse supplémentaire indiquant une mal fonction du NDB

Enfin, il est aussi possible de pouvoir utiliser un micro afin de moduler la porteuse en amplitude et de transmettre en phonie (A3E), constituant par là un système de secours « one way », à disposition du contrôle aérien, en cas de panne des communications VHF. Le pilote peut entendre les consignes au travers du haut parleur du boitier ADF.

 

L’ADF : Automatic Direction Finder.

Concrètement ce dernier est constitué de quatre ensembles : Deux antennes, un appareil de contrôle et un indicateur visuel.

Antennes ADF 1

ADF REC          ADF RBI

Fonctionnement de l’ADF

Le récepteur utilise deux antennes. L’une, de type « cadre » (ou loop), hautement directive, orientée par un moteur et une seconde, fixe, omnidirectionnelle et appelée « antenne de lever de doute ». Ci dessous, une antenne double loop dont le boitier de protection a été ôté :

Radiobalises : Antenne loop ADF : Automatic Direction Finder 

Alors qu’une antenne de réception classique utilise principalement la composante électrique d’une onde électromagnétique, un cadre ou une loop sera plutôt sensible à sa composante magnétique (voir chapitre sur la radioélectricité).

La réception est maximale quand les spires de la loop ou du cadre sont alignées dans l’axe de direction de l’émetteur et  totalement nulle dans le plan du cadre. C’est cette dernière propriété qui est exploitée, car la position angulaire du « zéro » est beaucoup plus sensible que celle des maxima. Le diagramme de rayonnement ci dessous illustre bien le phénomène :

Radiobalises : Loop diagram 2

La tension induite dans le cadre par l’énergie de l’onde captée est appliquée au moteur qui permet de l’orienter. Quand la loop présente son plan dans l’axe de direction de l’émetteur, la tension chute à zéro et le moteur s’arrête. Seulement, on voit qu’il existe deux positions, opposées à 180°, où la tension est nulle. Seule une des deux indique la bonne direction de la balise. Comment les différencier ?

En fait c’est assez simple : la phcardioid 1ase du courant induit pour chacune des deux directions s’opposant à 180°, il suffit d’ajouter la phase d’une tension émanant d’une seconde antenne « antenne de lever de doute » qui, quant à elle, n’a aucune propriété directionnelle, mais dont la sensibilité est calibrée en relation avec la tension  de la loop. Le diagramme combiné obtenu est dit cardioïde (parce qu’en forme de cœur). 

Il n’existe  plus  qu’une unique position, sur les 360° de rotation de la loop, où toutes les tensions collectées par les deux antennes, s’annulent (zéro tension). Il n’y a plus d’ambiguïté et le moteur d’orientation ne s’arrête plus que pour cette seule direction. Un synchro-transmetteur, solidaire du cadre-loop, transmet sa position à l’indicateur fixé sur le tableau de bord.

Les ADF modernes n’utilisent plus de loop ou de cadre rotatif, mais des groupes de petits dipôles ou d’uni-pôles, dont on analyse la phase ou l’amplitude des signaux reçus (les deux principes coexistent). La direction est calculée et transmise à l’indicateur par le biais de microprocesseurs. Ne plus avoir de pièces en mouvement apporte un gros avantage sur la fiabilité dans le temps et la maintenance. Mais nombre d’appareils sont toujours équipés avec des loop mobiles et on en verra certainement encore dans les années qui viennent (tant que ça fonctionne … et tant qu’il restera des NDB !).

NDBSymbole universel du NDB (toutes cartes confondues)

Le VOR (VHF Omnidirectional Range)

Généralités

Radiobalises : VOR Conventionnel

Comme son nom l’indique, ce type de balise fonctionne dans une portion de la bande VHF (Very High Frequency = qui regroupe toutes les fréquences comprises entre 30MHz et 300 MHz) du spectre hertzien. La particularité de cette bande de fréquences est d’être insensible aux effets de propagation ionosphérique. Les ondes émises se propagent en ligne droite, sans suivre la courbure terrestre. Elles peuvent être stoppées et/ou réfléchies par de gros obstacles (bâtiments massifs, collines, montagnes) et absorbées partiellement par la végétation. On peut dire qu’elles se comportent un peu comme un faisceau lumineux et d’ailleurs, leur portée correspond, à peu de chose près, à la distance « visuelle » (en ayant une très bonne vue .. ça va de soi !). Il apparait donc clairement que la hauteur des antennes (d’émission comme de réception) influence directement cette portée. Un VOR étant systématiquement situé relativement près du sol, la distance de réception sera donc principalement en relation avec l’altitude de l’avion. Une formule simple permet d’évaluer cette distance théorique :

VOR portée

Tout rayonnement électromagnétique subissant une atténuation proportionnelle à la distance d’éloignement de la source, l’autre facteur qui va relativement influencer la portée de réception est la puissance rayonnée par la balise.

Comme les NDB, les VOR sont utilisés, pour offrir des repères utiles  sur de longs trajets, mais aussi pour aider à l’approche des aérodromes.

Les VOR « enroute » ont des puissances de l’ordre de 200 watts. Leur portée correspond tout à fait à la formule présentée plus haut (c’est à dire, environ 200 Nm pour les avions de ligne à leur niveau de croisière).

Les VOR « terminaux » ou T-VOR, ont des puissances plus restreintes, de l’ordre d’une cinquantaine de watts et leur portée est théoriquement plus limitée, de l’ordre de 25 Nm.

 NB : Sur FSX, la portée des VOR est simulée et ne respecte pas vraiment la réalité à la lettre. Ils sont « idéaux » !

Ils émettent sur des fréquences situées entre 108.00 et 117.95 MHz. avec un espacement de 5 KHz. Dans la plage de fréquence allant de 108,00 à 111,85 MHz, leur décimale sera toujours paire. Exemple : 108.00, 108.05, 108.20, 108.25, 108.40 … etc. A partir de 112 MHz et en montant, tous les espacements sont exploités. Il y a donc 158 canaux VHF disponibles pour les VOR.

roseUn VOR ne se contente pas, tel un NDB, d’émettre un simple signal dans toutes les directions. Il transmet une information spécifique pour chaque degré d’azimut de son rayonnement. Imaginez une roue de bicyclette avec 360 rayons, dont le moyeu est le VOR. Chaque rayon sera appelé un radial (au masculin) et chaque radial sera « étiqueté » de 0 à 359. Ces degrés d’orientation sont magnétiques … Ce qui veut dire qu’un VOR doit être périodiquement calibré en fonction de la variation du pôle magnétique.

Le développement et l’usage des VOR aura dû attendre plusieurs développement technologiques. Pour commencer, la génération d’ondes VHF est plus difficile à maitriser que celle des longueurs d’ondes plus élevées (comme les ondes moyennes ou longues). ensuite, il fallait également que la taille des composants électroniques diminue. Les premiers VOR datent d’avant le dernière guerre mondiale, mais leur développement démarre vraiment après 1947, avec l’invention du transistor et  leur généralisation ultérieure devra beaucoup à l’industrialisation des semi conducteurs au début des années 50.

Fonctionnement

Il existe deux systèmes de VOR. Le premier, est dit conventionnel, parce qu’il est le premier à avoir été imaginé et mis en œuvre (VOR-C ou CVOR) et le second est appelé VOR Doppler (VOR-D ou DVOR), tout simplement parce qu’il utilise les propriétés de l’effet Doppler-Fizeau. Ce VOR de seconde génération a été mis au point ultérieurement pour palier certains problèmes de perturbations du signal dues à l’environnement proche (bâtiments en béton ou métalliques, collines) des VOR-C. Sa technologie est plus sophistiquée et il demande plus d’espace au sol. Le coût global est aussi plus élevé. Mais l’amélioration est conséquente. Bien que de technologies différentes, les deux modèles sont basés sur le même principe de comparaison de phase entre deux signaux modulants : l’un fixe, dit « de référence » et donc appelé REF, l’autre variable selon l’azimut et pour cela, appelé VAR. Le même récepteur de bord est capable d’interpréter, sans distinction, les signaux de l’un comme de l’autre type de VOR.

VOR Conventionnel (VOR-C ou CVOR)

Imaginez une antenne très directive (une seule direction de rayonnement), alimentée par une onde porteuse et tournant sur elle même à une vitesse de 1800 tours par minute. Pour un récepteur distant, la puissance (donc l’amplitude) du signal reçu va varier en permanence, atteignant un maximum quand l’antenne émettrice est braquée vers lui et un minimum quand elle lui tournera le dos. 1800 variations par minute cela veut dire 30 variations par seconde. C’est ainsi que le simple fait de faire tourner l’antenne produit une modulation d’amplitude (AM) de 30 Hz, dont les maximums d’amplitude (et donc, la phase) seront toujours fonction de l’orientation de l’antenne. C’est le signal VAR.

Pour que l’information en azimut soit correctement interprétée, il faut une référence fixe. Un second signal de 30 Hz, est donc transmis simultanément dans toutes les directions par une antenne omnidirectionnelle. C’est le signal REF. Signaux REF et VAR sont parfaitement en phase quand l’antenne VAR pointe au nord magnétique, mais, de par la rotation de l’antenne rotative, la phase du signal VAR va se décaler d’autant de degrés d’angle que l’angle formé par le faisceau de l’antenne et le nord géographique. Ce décalage de phase est alors l’image directe du relèvement magnétique, de l’appareil (du récepteur), vu par la balise (QDR).

PhaseA

Phase de signaux de même fréquence :

Si l’onde noire est prise comme référence, l’onde bleue est en phase et l’onde rouge est en opposition de phase.

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.VORDiagrammeFreq

Ceci est pour la théorie, car en pratique, il n’est pas possible de mélanger directement deux modulations identiques sur une même porteuse : Le récepteur serait incapable de différencier l’une de l’autre ! On va donc utiliser une « sous porteuse » de 9960 Hz (9.960 KHz), que l’on va moduler en fréquence (FM).  L’indice de modulation fixé par l’OACI étant de 16, la déviation sera donc 16 X 30 = 480 Hz . Cette sous porteuse modulera, à son tour, la porteuse VHF en amplitude

VOR Ref

Reste à adjoindre l’identification sur deux ou trois lettres en code Morse, par une note de 1020 Hz modulant également en amplitude la porteuse VHF et enfin, certains VOR sont utilisés pour transmettre des informations telles que la météo, un Notam, des paramètres pour l’atterrissage, voire des informations directes du contrôleur aérien (système de secours en phonie) etc… par l’intermédiaire d’une bande phonie (300 à 3000Hz) modulant toujours en amplitude la porteuse VHF.

Ci dessous, le schéma du spectre de fréquence complet de l’émission d’un VOR :

VOR Spectre

Et voici, en noir, à quoi ressemble le signal d’un VOR, vu à l’oscilloscope, en fonction de la position du récepteur. Sont représentés, juste au dessus, en rouge, le signal REF démodulé et en bleu, le signal VAR démodulé :

VORnord                 VORest 

VORsud                 VORouest

  • En haut à gauche : REF et VAR sont en phase, le récepteur est au Nord.
  • En haut à droite : Le VAR retarde de 90° sur le REF, on est à l’Est
  • En bas à gauche : Au sud, le VAR et le REF sont en opposition de phase
  • En bas à droite : Le VAR retarde de 270° sur le REF, le récepteur est à l’Ouest.

L’antenne VAR rotative, bien utile à l’invention du VOR, comme à la compréhension aisée de son principe, tel qu’exposé ici, n’est plus exploitée de nos jours. Cela posait trop de problèmes de tenue dans le temps et donc de maintenance. Aujourd’hui, le signal VAR est généré par addition dans l’espace du rayonnement séparé de deux doublets d’antennes verticales, l’un orienté nord-sud et l’autres est-ouest, croisés et alimentés par deux générateurs de bandes latérales, (f+30 et f-30 Hz) soit un par doublet. C’est un procédé complexe, difficile à expliquer autrement qu’avec des équations mathématiques. La compréhenion du fonctionnement de base étant acquise, ce ne sera donc pas notre propos. Sachez seulement que ceci est rendu possible grâce à la maîtrise des systèmes d’asservissement de niveaux, de phase et de fréquence. En voici néanmoins le détail de construction :

Radiobalises : Ant VOR

L’antenne référence et l’antenne variable sont distinctes et mécaniquement superposées.

L’antenne référence est constituée de deux boucles octogonales couplées, qui assurent une distribution de courant uniforme et permet ainsi de rayonner un diagramme omnidirectionnel en azimut.

L’antenne variable comporte quatre tubes cylindriques (les deux doublets) disposés entre les boucles octogonales. Un tel ensemble a le même diagramme de rayonnement dans le plan horizontal qu’un dipôle.

Ci dessous, le diagramme de rayonnement d’un VOR-C à antennes fixes :

Diag R VOR fixe

VOR Doppler (VOR-D ou DVOR)

L’effet Doppler est en fait bien connu de tous. C’est ce phénomène qui fait que quand on se trouve au bord d’une route, on entend le son généré par un véhicule, passant devant nous, baisser de tonalité. Ceci est dû au fait que la vitesse du véhicule s’additionne à la fréquence sonore qu’il produit quand il vient vers nous et qu’elle s’en soustrait quand il s’éloigne. Ce principe s’applique à tous le modèles ondulatoires, les sons, les ondes radio, la lumière. Et c’est ce principe qui va être utilisé pour générer le signal VAR dans un VOR Doppler.

Pour la petite histoire, ce phénomène a été décrit pour la première fois, en 1842, dans un article intitule : « Sur la lumière colorée des étoiles doubles », par le physicien autrichien Christian Doppler. En 1845, un météorologue néerlandais, Christoph Buys, confirme les équations de Doppler avec des ondes sonores, en engageant un groupe de musiciens pour jouer une note bien précise sur le train Utrecht-Amsterdam. Finalement, le physicien français Hippolyte Fizeau démontra, en 1848, le même phénomène pour les ondes électromagnétiques. Pour ces dernières on devrait donc normalement parler d’effet Doppler-Fizeau. Mais il est notoire que la nature n’aime pas les seconds … et encore moins les troisièmes. S’il est souvent oublié, Fizeau restera néanmoins célèbre pour ses expériences sur la mesure de la vitesse de la lumière et Buys, quant à lui, est considéré comme le père de la météorologie moderne. Mais revenons en à notre VOR Doppler.

Imaginez un grand rail en forme de cercle avec un chariot sur lequel est placé une antenne. Le chariot tourne à grande vitesse sur ce rail circulaire. Pour un récepteur distant, par effet Doppler, la vitesse du chariot va s’additionner à la fréquence d’émission de l’antenne quand le chariot viendra vers le récepteur et se soustraire quand il s’en éloignera. Voila une façon très simpliste mais néanmoins efficace de faire comprendre comment on compte générer un signal VAR dans un VOR Doppler. L’autre aspect de cette démonstration c’est aussi de mettre l’accent sur le fait que l’on parle bien alors de variation de fréquence et non plus d’amplitude. Et tout est là ! Dans un VOR-D, c’est le signal VAR qui est modulé en fréquence, alors que le signal REF sera, lui, modulé en amplitude. C’est exactement l’inverse d’un VOR-C

La modulation de fréquence étant beaucoup moins sujette aux parasites et interférences que la modulation d’amplitude, la précision d’indication des VOR-D s’en trouve nettement améliorée comparativement à un VOR-C. Et c’est ce qu’il faut retenir.

Maintenant si le principe décrit plus haut est bien adapté pour faire comprendre le principe de base, il est totalement inapplicable dans la réalité. Cela supposerait une vitesse tangentielle, impossible à atteindre, de 1260 mètres seconde pour le déplacement du chariot. Dans les faits un VOR-D est composé de 48 antennes disposées sur un cercle de 13,4 m de diamètre. Les paires d’antennes diamétralement opposées sont alimentées simultanément par des générateurs de bandes latérales, opposés en phase et chaque paire est commutée électroniquement en pour créer un mouvement circulaire artificiel.

DVOR schem

Tout comme dans le cas de l’antenne VAR fixe du VOR-C, leurs champs électriques s’additionnent dans l’espace. On obtient alors une enveloppe AM de 9960 Hz modulée en fréquence de +/- 480Hz. Souvenez-vous, l’indice de modulation FM préconisé par l’UIT est de 16…. 480 / 16 = 30 Hz : Voici donc notre signal VAR, dépendant de l’azimut, modulé en fréquence. Ne reste plus qu’à émettre le signal de référence en AM, sur la porteuse générale du VOR et par le truchement de l’antenne à rayonnement omni directionnel située au centre du cercle … La balise est opérationnelle.

VOR Doppler

Tout comme pour les VOR-C, la porteuse d’un VOR-D supportera également une modulation d’identification et il restera assez de bande passante pour y ajouter des signaux de phonie afin de transmettre diverses informations utiles (METAR, NOTAM, etc) et même pouvoir servir de système de communication de secours « one way » pour le contrôle aérien.

Le spectre d’émission d’un VOR-D est quasi identique à celui présenté plus haut pour le VOR-C. Seule petite différence, mis à part l’inversion de des signaux REF et VAR : des bandes latérales un tout petit peu plus étendues (c’est dû au principe d’addition dans l’espace des bandes latérales pour générer ce signal VAR) :

VOR-D Spec

Mais ceci n’a aucun impact sur la réception. Comme déjà expliqué, le même récepteur de bord lit aussi bien les signaux d’un VOR-C que d’un VOR-D.

VORSymbole du VOR sur carte SIA

symb vor jep   Symbole du VOR sur les cartes Jeppesen

 

Le récepteur

Ce schéma synoptique d’un récepteur VOR se suffit à lui même :

Synoptic VOR recepteur

Que le VAR soit modulé en AM et le REF en FM, ou que ce soit l’inverse n’a aucune importance … Ce qui compte, c’est de pouvoir différencier les deux signaux 30 Hz l’un de l’autre et d’exploiter leur comparaison. Ce sera le rôle de l’indicateur, ce dernier pouvant prendre différentes formes: CDI (Course Dviation Indicator), RMI (Radio Magnétic Indicator), HSI (Horizontal Situation Indicator, ou encore sur un ND (Navigation Display). Charge à ces différents afficheurs d’exploiter, par des moyens électromécaniques ou 100% électroniques, les informations de comparaison de phase du récepteur et de fournir :

  • Une indication de déviation « gauche/droite » par rapport à une route magnétique sélectionnée (fonction Course, CRS ou OBS)
  • Une indication de position pour savoir si l’aéronef se rapproche ou s’éloigne de la station  (le TO/FROM)
  • Une indication permanente du relèvement magnétique de la station par l’aéronef (chaine automatique de relèvement d’un RMI, HSI ou d’un ND)
  • Une indication de mauvais fonctionnement (drapeau Flag alarm).

 

Cône de silence

Au passage à la verticale d’un VOR, il y a ce que l’on nomme un cône de silence. En effet, l’antenne VAR, n’ayant plus aucun effet directionnel, c’est comme si le signal VAR n’existait plus. Le récepteur ne recevant plus d’informations cohérentes considère la balise comme indisponible et le drapeau Flag Alarm apparaît alors dans une fenêtre de l’afficheur, pour signaler l’indisponibilité d’information. Une fois dépassé cette zone et le positionnement de l’avion suffisant pour permettre de recouvrer les propriétés directives du signal VAR, tout rentre dans l’ordre.

cône de silence du VOR

La relation entre diamètre du cône de silence et hauteur de survol représente à peu près 1 Nm par 2000ft.

Chez les militaires

La variante militaire du VOR, s’appelle le TACAN (TACtical Air Navigation). Un TACAN fournit les mêmes indications qu’un VOR, à savoir, direction, déviation, TO/FROM et Flag Alert, plus un système de mesure de la distance. Il a également en commun avec le VOR-C d’utiliser des éléments rayonnants qui tournent (tambours).

Antenne TACAN

En dehors de ça, leur fonctionnement est totalement différent. Déjà, ils émettent sur une plage de fréquences de la bande UHF (300MHz à 3GHz) allant de 960 à 1215 MHz. Mais surtout, le TACAN dialogue avec l’appareil en vol (ce qui n’est pas le cas des VOR) et il va moduler en amplitude la pulsation qu’il transmet à un appareil donné. Puisqu’il n’y a d’impulsions que lorsqu’il y a interrogation, des impulsions dites de remplissage seront émises par la station sol afin d’affiner la mesure d’azimut. Ils ont un rayonnement de 200 à 300 Nm. Nous ne détaillerons pas, ici,  leur fonctionnement plus avant. D’un usage avant tout militaire, ceci mériterait un article bien distinct qui sera peut-être écrit un jour. Pour l’heure, sachez simplement que, plus petits en taille que les VOR, ils peuvent être embarqués sur des navires et même sur des avions ravitailleurs, qu’ils sont plus précis que les VOR et permettent d’informer les avions de la distance les séparant de la balise mais aussi de la distance les séparant entre eux.

Radiobalises : TACAN

Sachez surtout que leur système de mesure de la distance est totalement compatible avec les DME (Distance Measuring Equipment) utilisés par l’aviation civile et qu’à cette fin le cartouche d’un TACAN précise toujours la fréquence VHF appariée sur les cartes de navigation civiles. Exemple ci dessous avec le TACAN d’Avord : Channel  43X (pour les militaires), Fréquence 110.6 MHz (pour les civils).

Symbole TACAN et son cartouche sur carte aéronautique

Les TACAN ont cependant un inconvénient, c’est que, basés sur un système interrogation / réponse, il ne peuvent prendre en charge simultanément qu’un nombre limité (environ une centaine) d’appareils.

TACANSymbole du TACAN sur une carte SIA

symb TACAN & DME jepSymboles du TACAN sur cartes Jeppesen

Systèmes mixtes

Pour des raisons diverses (disponibilité d’emplacements, partage de budget, etc) aussi d’efficacité, il arrive qu’un VOR-D soit associé à un TACAN. On parle alors de VORTAC et pour l’aviation civile, ce dernier doit être considéré comme VOR DME

radiobalises : VORTAC

VORTACSymbole du VORTAC sur les cartes SIA

 

Tout TACAN peut et doit être considéré comme un DME par les appareils civils.

Tout VORTAC est, pour les civils, comme un VOR-DME. Seul le symbole sur la carte est différent.

 

Sécurité

Sur la photo juste au dessus, on distingue très bien, à droite du VORTAC, un mât vertical qui émerge au dessus de la haie. C’est l’une des antenne de contrôle. Il y en a deux : l’une au nord magnétique et l’autre, soit à l’opposée, soit à 90°.

Dès que la moindre défaillance est détectée, la balise est arrêtée. Mieux vaut pas de balise qu’une information erronée !  Mais juste pour votre connaissance générale, sachez que le dispositif de contrôle automatique interrompra les modulations des signaux de navigation, voire le rayonnement et transmettra une signalisation à distance pour :

  • Un décalage de l’information d’azimut supérieur à 1° à l’endroit du détecteur.
  • Une baisse de plus de 15% du niveau du signal « 30 VAR » et « 30 REF ».
  • Une baisse de 2 dB de la puissance de la porteuse.
  • Une absence ou chute de plus de 50% du niveau de modulation de l’indicatif.
  • Une panne du dispositif de contrôle.

Dans tous les cas, pour le pilote, ça se traduit par un drapeau « flag alarm » sur l’instrument de lecture à bord.

 

Le DME (Distance Measuring Equipment)

Un DME est un transpondeur au sol qui permet, en répondant aux interrogations d’un émetteur-récepteur embarqué, de calculer avec précision la distance séparant les deux équipements radio.Ce système utilise une portion de bande UHF comprise entre 962 MHz et 1.213 GHz et fonctionne sur le principe d’un dialogue émetteur-récepteur-transpondeur.

L’interrogateur (émetteur avion) transmet une paire d’impulsions espacées de 12 µs (codage X) ou 36 µs (codage Y). En réponse, le transpondeur au sol transmet, avec un retard constant de 50 µs et sur une fréquence de réception offset ± 63 MHz de la fréquence d’émission, une paire d’impulsion dont l’espacement est de 12 µs (codage X) ou 30 µs (codage Y). A partir du moment où 50% des signaux envoyés sont identifiés en retour par le récepteur dans l’avion, ce dernier peut alors mesurer le temps pris par le signal pour parcourir l’aller-retour et de là, calculer la distance.

Cette nécessité de dialogue entre les deux appareillages distants implique qu’un DME ne peut être utilisé simultanément que par un nombre limité d’aéronefs ! En gros, une centaine. Pour que ça fonctionne, en plus du codage imposé pour l’identification de son propre signal en retour, chaque émetteur embarqué interroge la station à un rythme fort (mode de recherche) ou faible (mode de suivi), avec des écarts aléatoires entre paires et ceci afin d’éviter les collisions avec les signaux des autres avions. Le gain du récepteur (sensibilité) s’ajuste également pour ne pas dépasser la limite du nombre d’avions que la station au sol peut gérer. Les avions les plus éloignés sont ainsi ignorés en cas de saturation.

La précision d’un DME est d’environ 0,25 Nm + 1,25 % de la distance. Il faut aussi tenir compte de l’altitude de l’avion, car le DME mesure la ligne oblique directe séparant l’appareil de la station au sol et non la distance réelle de l’avion à la station à hauteur du sol.

Distance Measuring Equipement

En ayant des indications de distance en temps réel, on peut alors en déduire la vitesse réelle (vitesse sol), tout comme le temps nécessaire pour atteindre l’émetteur. Mais attention, ces indications ne sont valables que si l’on vole effectivement sur un axe de rapprochement ou d’éloignement.

DME 2   DME 1

Un DME n’est pas vraiment une balise, mais un complément bien utile. En dehors des TACAN qui peuvent être implantés seuls et se suffisent à eux mêmes, un DME sera, lui, systématiquement et principalement associés à un VOR. On parle alors de VOR-DME. Leur symbole sur les carte est spécifique, afin de les distinguer des VOR sans DME. Le DME est aussi de plus en plus associés aux ILS.

VORDMESymbole du  VOR-DME sur une carte SIA

DMESymbole du DME sur carte SIA, quand associé à un ILS

Enfin il arrive parfois qu’un DME soit associé à un Locator (NDB terminal), comme c’est le cas à Narsarsuaq, par exemple. Dans ce cas, une fréquence VHF est spécifiquement indiquée.

Approche NDB - DME à Narsarsuaq

En effet, les fréquence de travail UHF du DME ne se syntonisent pas directement (d’ailleurs peu de récepteurs ont un bouton syntoniseur). Le plus souvent, le DME est directement couplé avec les récepteurs NAV de bord. Dans tous les cas, pour l’aviation civile, la sélection se fait systématiquement en référence à une fréquence VHF, par  « appariement » et dans le cas d’un VOR ou d’un ILS, la question ne se pose pas. Un NDB étant un équipement HF, on indique tout simplement une fréquence VHF « fictive » qui permettra au DME d’entrer en communication avec le transpondeur au sol.

Seuls les équipements militaires permettent une sélection directe des fréquences DME.A toute fin utile, ce document PDF vous donne la correspondance entre fréquences VOR,  ILS  (VHF) et les fréquences / canaux TACAN – DME (UHF)

VOR Frequencies to TACAN Channel list

Bien que n’indiquant pas d’information d’azimut, les DME sont néanmoins exploités par les systèmes de navigation des « gros avions ». Leurs calculateurs de bord utilisent les données des DME pour augmenter la précision de leurs systèmes RNP (Required Navigation Performance).

Conclusion

Cet article, bien que relativement dense, ne couvre malheureusement pas tout ce que l’on pourrait techniquement dire sur les radiobalises. Ce n’était pas, son but. J’espère néanmoins qu’il aura apporté, au lecteur, des bases utiles a une exploitation efficace des moyens de radio navigation. Au delà, qu’il aura fourni quelques connaissances de culture générale technologique, sympathiques à connaître pour tout aviateur virtuel. C’est l’objectif de cette rubrique « aller plus loin ».

Pour toute question complémentaire, n’hésitez pas à utiliser le forum interactif.

À propos de l'auteur: Fox Papa

C'est à l'été 2009, au détour d'un incident de santé, qu'il découvre la démo de FSX. Alors que l'aviation était un monde qui lui était totalement inconnu auparavant, il se pique au jeu. C'est fait ! Il vient de contracter le virus et il n'y a pas d'antidote. Depuis, il n'a de cesse d'étudier et de se perfectionner dans tous les domaines de l'aéronautique. Il est devenu, au fil du temps, un bon pilote virtuel d'aviation générale, avec une certaine expérience (ou une expérience certaine !) à partager. Il a aussi d'autres talents : Radioamateur, passionné d'électronique, il aime la technologie de façon assez polyvalente, incluant le matériel informatique. C'est un fouineur, un animateur, un ... "catalyseur", comme il aime à se qualifier lui-même. Restituer les connaissances acquises lui apparait une démarche à la fois naturelle, spontanée et enrichissante.