Radio électricité : Applications en aéronautique

Contact VHF avec le contrôle aérien, communications longues distances avec les centres de contrôles océaniques, transmission d’ACARS, data link, liaisons par satellite, radiobalises au sol, atterrissage tout temps, suivi et guidage radar … La liste n’est pas exhaustive mais démontre à quel point la radioélectricité est importante pour l’aéronautique. Sans les ondes radio, le trafic aérien n’aurait jamais pu se développer, à cette échelle, avec d’aussi hauts critères de sécurité.

Mais qu’est-ce qu’une onde radio ? « Comment « ça marche », comment ça « voyage » dans l’air et pourquoi autant de systèmes différents : HF,  VHF, « micro ondes » ? Et puis pourquoi, parfois, ça ne marche pas (ce qui fait, alors, pester les pilotes, comme le personnel au sol) ?

C’est ce que cet article va essayer de vous expliquer, de façon un peu fouillée, certes,  sans néanmoins prétendre à former des ingénieurs en radioélectricité.

Electromagnétisme

Toute circuMagnetismelation de courant dans un conducteur électrique, génère un champ magnétique, perpendiculaire, autour de ce conducteur.

Si ce courant est continu (les électrons ne se déplacent que dans un sens), le champ magnétique généré est constant. C’est un champ magnétostatique. Les Champs électriques et magnétiques sont relatifs, mais dissociés.

Ce n’est plus le cas dès que le courant varie. Les champs électriques et magnétiques sont alors liés. On parle de champ électromagnétique.

Un courant alternatif est un courant électrique qui change de polarité et transporte des quantités égales d’électricité (électrons) alternativement dans un sens, puis dans le sens opposé. Il est principalement caractérisé par sa fréquence, exprimée en hertz ou Hz (du nom du physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz), correspondant au nombre de changement de sens que le courant effectue en une seconde (on dit aussi : cycles par seconde) et par son amplitude, qui est la mesure caractérisant l’ampleur des variations.

amplitude d'une sinusoide

Pour un signal électrique, l’amplitude correspond à une tension ou à un courant. A partir du moment où ce signal rayonne dans l’espace, ce qui est typiquement le cas du rayonnement électromagnétique, l’amplitude correspond à un champ électrique.

Quand une tension alternative est appliquée à un conducteur, le flux d’électrons qui se déplace (champ électrique) induit, une variation équivalente du champ magnétique entourant ce conducteur.

Ces deux champs oscillants sont orthogonaux entre eux et indissociables l’un de l’autre.

onde électromagnétique

En général on définit l’amplitude d’une onde électromagnétique par l’amplitude de son champ électrique.

C’est également cette composante électrique qui va définir sa polarisation.

Deux modes principaux de polarisation :

  • Horizontale : Si l’antenne émettrice s’étend à l’horizontale. Moins sensible aux parasites statiques . Nécessite des précautions en regard des effets de sol.
  • Verticale     : Si l’antenne émettrice est positionnée verticalement. Plus simple à mettre en place aux grandes longueurs d’onde, mais plus sensible aux parasites.

Et deux secondaires (intermédiaires ou « mixtes »)

  • Circulaire : A droite ou à gauche. Surtout utilisé avec les VHF, UHF, SHF.
  • Oblique    : A 45° ou à 135°. Peut s’exploiter avec toutes les antennes.

La polarisation oblique s’obtient, logiquement, en inclinant l’axe de l’antenne.

Quant à la polarisation circulaire, elle implique deux antennes, disposées perpendiculairement, l’une par rapport à l’autre, et alimentées avec un déphasage de 90°. On inverse le sens de rotation en inversant le décalage de phase. Une autre façon d’obtenir une polarisation circulaire, c’est   l’antenne « hélice » (ou antenne en spirale). Dans ce cas, le sens de rotation est fixe.

antenne spi

Antenne hélice en polarisation circulaire gauche (construction « radioamateur »)

Nous reviendrons, un peu plus loin sur, l’importance de la polarisation et pourquoi il existe autant de systèmes différents.

Ondes radio … dites « hertziennes »

Tous les courants alternatifs produisent des ondes électromagnétiques. L’appellation d’onde radioélectrique dépend uniquement de la fréquence. Voici la définition « officielle » de l’UIT (Union Internationale des Télécommunications, ou ITU en anglais), dont le siège est à Genève  :

Ondes radioélectriques ou ondes hertziennes : Ondes électromagnétiques dont la fréquence est, par convention, inférieure à 300 GHz et se propageant dans l’espace sans guide artificiel ». Elles sont comprises entre 9 kHz et 300 GHz, ce qui correspond à des longueurs d’onde de 33 km à 1 mm.

La longueur d’onde

A chaque fréquence, correspond une longueur d’onde. Phénomène ondulatoire, au bout d’une période (on dit aussi un cycle, … c’est l’inverse de la fréquence et elle est désignée par la lettre T, puisqu’exprimée en temps : T = 1/f), l’onde aura parcouru une certaine distance dans l’espace. C’est cette dernière que l’on appelle la longueur d’onde (notée λ : lambda). La longueur d’onde est une caractéristique essentielle dans l’étude de la propagation. Pour une fréquence donnée, elle dépend de la vitesse de propagation de l’onde et donc du milieu dans lequel elle se propage; le vide, l’atmosphère, ou un conducteur. Et pourquoi penser en longueur d’onde plutôt qu’en fréquence ? C’est une subtilité d’ingénieur car, pour l’opérateur radio, cela ne fait aucune différence. Cependant, et nous venons juste de le dire, l’onde se propage à des vitesses différentes selon les milieux. Ceci implique donc que si la fréquence d’un signal radio ne varie jamais, sa longueur d’onde, elle, peut varier !

longueur d'onde

En radioélectricité, la relation couramment admise entre fréquence et longueur d’onde, dans l’air, s’exprime par la formule :

formule lambda

où :

  • λ   est la longueur d’onde (lambda)
  • c   est la célérité (vitesse de la lumière) volontairement arrondie à 300 000 km/s
  • ƒ   est la fréquence du signal en hertz (Hz)

Comme tous les autres phénomènes ondulatoires (son, lumière) les ondes électromagnétiques peuvent être difractées, réfractées, réfléchies, interférées, atténuées, absorbées ou diffusées (ce dernier terme ne devant pas être confondu avec l’emploi, populairement admis, comme synonyme de « distribution » ou « de mise à disposition »).

Ce qu’il est intéressant, d’ors et déjà de noter, c’est qu’en fonction de leur longueur d’onde, les ondes radio seront plus sujettes à certains de ces phénomènes, qu’à d’autres. Ceci sera démontré un peu plus loin.

Les antennes

Tant vaut l’antenne, tant vaut la station !

Pour que cet adage, cher aux radio amateurs, comme à tout bon professionnel, puisse prendre tout son sens, au fil de cet article, il faut commencer par expliquer  ce qu’est le décibel, unité permettant d’exprimer des gains ou des pertes.

Le décibel (dB)

Il s’agit d’une grandeur, sans dimension, définie comme dix fois le logarithme décimal du rapport entre deux puissances :

decibel

Très vite on constate alors que :

  • 3dB   = le double (ou la moitié) de la puissance
  • 10dB = puissance x (ou /) par 10
  • 20db = puissance x (ou /) par 100

Un gain ou une perte de « n » dB est donc toujours important et donc, vous allez vite le comprendre au fil de cet article, les antennes sont un maillon essentiel de la chaine d’émission-réception, car elles permettent de multiplier, voire décupler la puissance, sans nécessiter de consommation supplémentaire d’énergie. Au delà, avantage suprême, elles agissent aussi bien en émission qu’en réception !

Le gain des antennes est exprimé en dBi : décibels isotrope. L’antenne isotrope est une antenne fictive, irradiant une sphère parfaite et qui sert uniquement aux mesures comparatives. Son gain est égal à 1

NB : Attention à éviter la confusion. Quand on évoque le gain d’une antenne en général (par exemple sur la notice du fabriquant), c’est toujours en dBi (isotrope). Le reste du temps, quand on évoque des gains ou des pertes (et c’est le plus souvent, malheureusement, des pertes !) il n’est plus question que de décibels (tout court) dB. Ok que c’est le même décibel, mais, pour savoir de quoi on parle, la « référence » est tout de même importante.

Exemple : L’antenne a un gain annoncé de 6 dBi. Les pertes d’insertion des connecteurs sont de 2.5 dB, et la perte de la ligne de transmission représente 0.5 dB. Au final, l’installation aura un gain de 3dBi.

Une antenne .. c’est quoi ?

En émission, l’antenne convertit des grandeurs électriques (tension et courant) en grandeurs électromagnétiques (champ électrique et champ magnétique) dans l’espace. Et vice et versa en réception.

Pour rayonner correctement (on dit que l’antenne est accordée), la taille physique de l’antenne doit être en relation avec la longueur d’onde de la fréquence considérée. La dimension minimum est un brin conducteur d’une longueur de λ/4.

Ce monopôle ne fonctionne, cependant, qu’à condition de lui « opposer » un plan de masse (aussi appelé « contre-poids »), au travers duquel se formera une image électrique fictive du brin (en miroir). Généralement, c’est la terre, mais il peut être constitué de radians, ou d’une surface conductrice plus grande que λ/4 (coque, carrosserie ou fuselage).

On l’appelle communément « antenne ground plane » ou « quart d’onde »

quart d'ondemonopole vert

On peut aussi lui opposer un autre brin λ/4. On constitue alors un doublet λ/2 dénommé tout simplement « dipôle ».

Shannon

Une partie du réseau d’antennes dipôle de Shanwick Oceanic, à Shannon (Irelande)

dipoles vert

Groupe de dipôles verticaux (antenne doppler goniométrique)

Le fonctionnement du dipôle est parfaitement  symétrique. Il n’a pas besoin de contrepoids.

Les animations, ci dessous, permettent de comprendre facilement le fonctionnement de l’antenne :

En émission …

Dipole_emetteur

Comme en réception.

Dipole récepteur

 

En terme de puissance de champ irradiée, il n’y a pas de différence entre un monopôle λ/4 et un dipôle λ/2. Un monopôle devant toujours être considéré complété par son « image électrique fictive ». Par rapport à l’antenne isotrope, ces deux antennes ont un gain de 2.14 dBi. Ce n’est pas énorme, mais c’est déjà ça et en gros, ça compense les pertes de la ligne de transmission et l’insertion des connecteurs. Résultat, la puissance effective irradiée ou perçue est au moins égale à 1, au niveau des appareils (émetteur ou récepteur)  eux-mêmes.

 

La polarisation

Sur la figure qui précède, le plan du champ électrique reçu (flèches vertes) est horizontal. L’émetteur émet donc en polarisation horizontale. L’antenne de réception étant  positionnée horizontalement, le transfert d’énergie est optimal.

Mais imaginez que l’antenne d’émission soit  tournée verticalement (cas d’une antenne ground plane, par exemple). Le plan de rayonnement électrique émis serait perpendiculaire au plan électrique de l’antenne (flèches vertes en vertical) et dans ce cas, il n’y aurait quasiment pas de transfert d’énergie.

En théorie, on considère que pour un décalage de 90° de la polarisation, l’atténuation est infinie.

En réalité, elle ne l’est pas totalement. Mais elle dépasse largement les 20 dB, ce qui est énorme !

Une antenne de réception doit, en général, avoir la même polarisation électrique que l’antenne d’émission.

D’une façon générale et à l’exception des balises  de radionavigation VHF / UHF (VOR et ILS) qui émettent en horizontal, toutes les émissions sont en polarisation verticale.

 

Navcom

Dipôle horizontal, RADIO NAV

Polarisation mixte

Sans entrer dans des calculs quelques peu rébarbatifs, on peut dire que l’atténuation, entre une polarisation classique (verticale ou horizontale) et une polarisation mixte (oblique ou circulaire), sera constante, autour de -3dB.

Pour palier l’éventuel problème de positionnement physique des antennes (rencontré facilement avec des engins mobiles qui évoluent dans les trois dimensions), on peut exploiter une polarisation mixte, oblique. Il y aura une perte, certes, mais elle restera raisonnable et quasi constante.

De plus, il se trouve que l’inclinaison du  brin rayonnant d’une ground plane, par rapport à son plan de masse, relève son impédance caractéristique (normalement 36 ohms) vers celle, normalisée, des lignes coaxiales et de la sortie émetteur (50 ohms).

Enfin, c’est un positionnement aérodynamique et même … esthétique.

Tous ces avantages, conjugués, expliquent que les antennes monopôles des avions sont majoritairement inclinées vers l’arrière.

VHF com

Pour la même raison, les émetteurs de broadcasting FM émettant en polarisation horizontale,  on obtient une meilleure qualité de réception, dans une auto, si l’antenne de l’auto-radio est inclinée à 45°.

Antennes raccourcies

La taille de l’antenne étant directement proportionnelle à la longueur d’onde, on imagine bien que, pour des fréquences très basses, cela atteindrait des dimensions impressionnantes, voire inaccessibles (ondes kilométriques, par exemple).

Fort heureusement, on peut artificiellement raccourcir la taille électrique d’une antenne. On peut, pour cela, utiliser des bobinages (coil d’induction) à la base ou en tout point, des brins capacitifs aux extrémités, ou encore combiner le tout et même utiliser des systèmes d’accord, capables de faire rayonner un brin de n’importe quelle taille (cas des antennes HF sur les liners modernes, par exemple). L’antenne sera de dimension plus acceptable, mais le rayonnement effectif sera moindre, en comparaison d’une antenne naturellement accordée. C’est un compromis et il faut parfois (souvent) y avoir recours.

Vert NDB

Antenne verticale monopôle d’un NDB, raccourcie (par effet capacitif au sommet).

Les antennes en aéronautique

Il existe beaucoup de types d’antennes différents. En aéronautique et en dehors des monopôles « ground plane » et des dipôles, qui sont les plus répandus et dont nous avons déjà parlé, on rencontre assez souvent :

Le fil : Simple fil tendu, alimenté par une de ses extrémités. S’il est plus long qu’une demi longueur d’onde, on parle de « long fil ». Nécessite un système d’adaptation d’impédance (boite d’accord).

Antenne fil

Ici, l’antenne HF d’un ancien liner. De nos jours l’antenne HF est une antenne raccourcie, rigide, logée dans le bord d’attaque du plan vertical, ou au sommet de ce dernier (parfois en bout d’aile, comme sur les anciens 747). On voit encore des antennes filaires sur certains avions, même et surtout les petits : C’est alors l’antenne de « lever de doute », couplée à l’antenne loop, que nous évoquons ci après, et servant à l’ADF. 

Le cadre (ou la loop) : Antenne très directive, plutôt sensible à la composante magnétique de l’onde radio. Sur les avions, comme à terre, c’est l’antenne typique de la radiogoniométrie. Encore exploitée pour certains ADF, elle est, malgré tout, abandonnée de plus en plus au profit de systèmes plus modernes.

 

L’antenne patch (ou antenne planaire) : Conçue pour les fréquences très élevées  (haut UHF et SHF), elle consiste à coller une plaque de cuivre (patch) sur l’une des faces d’un diélectrique, l’autre face étant appliquée sur une surface conductrice, qui sert de plan de masse.

patch 1

On peut placer plusieurs patchs sur une même surface diélectrique, formant ainsi des réseaux. Ca ressemble alors beaucoup à un circuit imprimé :

patch 2

Le gain des réseaux de patchs peut être assez conséquent. De l’ordre de 15 à 25 dBi. Ce type d’antenne est notamment utilisé pour les liaisons satellite, mais aussi les radio altimètres (figure ci dessous)

patch RA

 

L’antenne à fente : Egalement conçue et adaptée aux très hautes fréquences, il s’agit tout simplement et comme son nom l’indique, d’une fente, taillée dans un matériau conducteur. La longueur de la fente correspond soit à λ/4 (fente ouverte) ou à λ/2 (fente fermée).

Antenne à fente1

La longueur d’une antenne « classique » détermine le sens de son champ électrique. Pour une antenne à fente, c’est celui du champ magnétique. Ainsi, sur la figure, ci-dessus, l’antenne n’est pas polarisée horizontalement, mais verticalement !

On peut alimenter l’antenne à fente avec des conducteurs, aux points de contact tels que décrits sur la figure, mais aussi à une extrémité. On peut aussi réaliser une fente ouverte λ/4, alimentée à l’extrémité ouverte. Enfin et surtout, on peut pratiquer des fentes dans un guide d’onde et ainsi réaliser un réseau compact, à l’instar des antennes patch. Un guide d’onde étant, tout simplement, un tube de section carrée, circulaire ou ovale, aux dimensions adaptées à la longueur d’onde et servant de ligne de transmission. l’énergie radio électrique y est contenue, de la même façon qu’un tuyau contient une pression d’eau et la guide. Le fonctionnement de ces antennes, pratiquées dans des guides d’onde, peut tout à fait s’apparenter à la pomme de douche (enfin, une douche qui fonctionne dans les deux sens !). C’est exactement le principe de l’antenne du radar météo des liners. Le gain d’une telle antenne dépasse les 40 dBi

 A a fente radar meteo Système Honeywell RDR 4000. Boeing et Airbus

 

Onde porteuse et modulation

C’est bien d’être capable de transmettre une énergie, librement dans l’espace, entre deux points éloignés de plusieurs centaines et même milliers de kilomètres, mais c’est encore mieux si cette énergie peut transporter de l’information utile.

L’onde porteuse, comme son nom l’indique, désigne le signal radioélectrique qui rayonne, via l’antenne, son énergie dans l’espace. Pour transporter un message utile, on doit moduler ce signal transporteur, c’est à dire, y injecter des « variations » qui seront exploitables.

Le première idée, qui vint à l’esprit des inventeurs, fût tout simplement d’interrompre l’émission du signal rayonnant, par intermittence. Le code Morse existait déjà et ainsi est née la télégraphie sans fil. Mais très vite, l’envie de pouvoir transmettre la voix, de la musique, voire plus, s’est faite sentir. Et bien que la télégraphie par « tout ou rien » soit classifiée par l’UIT dans les types de modulation, on ne peut, réellement, parler de modulation qu’à partir de l’invention de la radiophonie.

Modulation d’amplitude et modulation de fréquence

La façon la plus simple de moduler une porteuse est de faire varier son amplitude, en fonction d’un autre signal électrique de plus basse fréquence que la porteuse considérée et que l’on appellera signal modulant. Ce dernier peut être un  signal sinusoïdal de plus basse fréquence, mais aussi un signal complexe comme la voix ou de la musique.

En haut de l’image ci dessous le premier schéma représente une onde porteuse sinisoïdale (en vert). Ses caractéristiques (fréquence et amplitude) y sont annotées. Juste dessous, en magenta, est représenté un autre signal sinusoïdal, dont les caractéristiques sont également annotées. Ce sera notre signal « modulant »

modulations

Si l’on applique directement le signal modulant au signal de la porteuse (au niveau d’un étage de pré amplification de cette dernière, par exemple) alors l’amplitude de la porteuse va se trouver modifiée par celle du signal modulant. On obtient une porteuse modulée en amplitude (AM), comme figuré sur le troisième dessin.

Maintenant, admettons que l’on applique le signal modulant au niveau de l’oscillateur qui génère la fréquence de la porteuse. L’amplitude restera constante, mais la fréquence variera en relation avec le signal modulant. C’est le quatrième schéma : porteuse modulée en fréquence (FM).

Bande passante

En AM, l’amplitude varie en fonction de la (des) fréquence(s) injectée(s), mais aussi, cette (ou ces) fréquence(s) injectée(s) s’additionne(nt) et se soustrait(ent) à la fréquence centrale de l’onde porteuse. Ex : porteuse = 1000 KHz, signal modulant = 50KHz : résultante = porteuse située entre 950KHz et 1050 KHz.

Avec la FM, l’amplitude ne change pas, mais la fréquence de la porteuse varie de façon encore plus conséquente qu’avec la modulation d’amplitude, puisqu’on applique un facteur multiplicateur de(s) la fréquence(s) du signal modulant appelé indice de modulation.

Dans les deux cas, la plage des fréquences de l’onde porteuse se trouve augmentée (élargie). Cette « largeur » s’appelle la bande passante. Elle représente un espace authentiquement utilisé entre deux fréquences proches.

Si un signal occupe beaucoup de bande passante, on ne pourra pas utiliser d’autres signaux porteurs ayant une fréquence centrale trop proche, sous peine que les signaux modulants des deux porteuses se mélangent et se nuisent entre eux.

On a donc tout intérêt à limiter la bande passante, au strict minimum nécessaire.

De l’AM à la BLU

Un type de modulation, directement dérivé de la modulation AM, est très usité dans les communications HF; c’est la Bande Latérale Unique (BLU … ou SSB, pour Single Side Band, dans la langue de Shakespeare).

Sur la figure, ci dessous, voici une porteuse de 25 KHz, modulée par un signal de 1 KHz avec un taux de 50% (Modulation d’Amplitude). Codification ITU : A3E

BLU1

C : Représente l’amplitude de la porteuse seule (non modulée)

B : L’amplitude de la porteuse moins l’amplitude du signal modulant

A : L’amplitude de la porteuse plus l’amplitude du signal modulant

Si on regarde le spectre d’étalement en fréquence (figure suivante), on voit un pic de tension centré sur la fréquence centrale de la porteuse (25KHz) et deux pics situés de part et d’autre, l’un à 25 – 1 = 24 KHz et l’autre à 25 + 1 = 26 KHz. Ce sont les deux bandes latérales de la modulation d’amplitude … la bande passante totale est d’un peu plus de 2 KHz, soit plus du double de celle su signal modulant :

BLU4

Nous n’allons pas décrire en détail la méthode utilisée pour ce faire, mais sachez que, partant de ce signal AM, on peut le « couper en deux par le milieu » et donc ne conserver qu’une seule moitié, inférieure ou supérieure, avec une partie de la porteuse. C’est la Modulation d’amplitude à bande latérale unique à porteuse réduite (BLU à porteuse réduite). Codification ITU : R3E

BLU2

B : Représente la portion de porteuse résiduelle

On peut aussi et carrément ne conserver que l’une ou l’autre des bandes latérales. C’est la bande latérale unique à porteuse supprimée (BLU) Code ITU J3E. Sur la figure ci dessous, il ne reste que la bande latérale inférieure et il apparait clairement que l’essentiel, à savoir le signal modulant, est conservé :

BLU3

Dans ce dernier cas et bien que la porteuse soit en effet supprimée, le signal HF (haute fréquence) porteur est toujours contenu dans l’enveloppe de la bande latérale, sinon, il n’y aurait pas transmission à distance. La contre partie, c’est que pour démoduler correctement un signal BLU à porteuse supprimée, il faut reconstituer cette dernière au niveau du récepteur, avec un oscillateur local.

La BLU permet des transmissions bien plus efficaces que l’AM ou la FM car elle permet d’exploiter la totalité de l’énergie minimale requise pour émettre utilement (transporter le message). D’autre part, la bande passante exploitée étant grandement réduite, l’impact d’interférences est également proportionnellement réduit et on peut donc disposer d’un plus grand nombre de canaux, car espacés plus proches les uns des autres.

Canaux VHF AM à 8.33 KHz

Les communications aéronautiques civiles VHF, se font désormais en AM avec porteuse pleine et bande latérale unique (codification ITU H3E). Par convention, seule, la partie supérieure de la bande latérale est conservée. C’est un mode intermédiaire entre l’AM et la BLU à porteuse réduite, étudiés plus haut.

La bande passante obtenue est alors de 2,7 kHz permettant un espacement entre canaux de 8,33 kHz, au lieu de 25 KHz pour de l’AM « classique » (A3E).  Ce mode est compatible tant avec les anciens transceivers AM qu’avec les canaux d’espacement 25 KHz, puisque les nouveaux canaux s’intercalent dans les espaces libres. Exemple : 118,100 118,10833 118,11666 118,125  etc. Les anciens transceivers peuvent donc utiliser un tiers des nouveaux canaux.

En France et jusqu’au 1er janvier 2018, les communications peuvent continuer à se faire, de la surface jusqu’au FL 195, en A3E, avec des canaux espacés de 25 KHz.

 

Modulations numériques

L’objectif est de véhiculer de l’information binaire. Pour cela, il existe plusieurs  façons de faire. Juste pour vous donner une idée générale sur la question on peut moduler :

  • L’amplitude : ASK (Amplitude Shift Keying) ou modulation par déplacement d’amplitude :

ASK

 

  • La fréquence : FSK (Frequency Shift Keying) ou modulation par déplacement de fréquence :

FSK

 

  • La phase : PSK (Phase Shift keying) ou modulation par déplacement de phase

PSK

Chacun de ces modes de base comporte plusieurs évolutions, permettant d’augmenter le débit, tout en conservant ou réduisant la bande passante, ou encore de limiter les erreurs. Les décrire toutes demanderait un article à part entière, et il serait très long !

Juste un mot de plus pour préciser que les ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System), sont transmis en MSK (Minimum Shift Keying), qui est un dérivé mixte entre l’ OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying), évolution du PSK, et le CPFSK (Continuous-phase frequency-shift keying), évolution du FSK.

En gros, comme l’OQPSK, le MSK est codé en quadrature de phase (déphasage de 90° = 2x bits par symbole), avec un offset d’un bit. Cependant, au lieu des signaux carrés utilisés en OQPSK, le MSK code chaque bit sur une demi-sinusoïde. Cela se traduit par un signal modulé constant et la distorsion non linéaire est réduite. Le fait de coder sur une sinusoïde apparente aussi le MSK au CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift keying, … évolution du FSK).

MSK

la différence entre la fréquence supérieure et inférieure est identique à la moitié du débit binaire. L’indice de modulation est de 0,5 : le plus petit indice de modulation FSK pour des signaux orthogonaux.

 

Propagation des ondes hertziennes

Toutes les ondes radioélectriques se propagent en droite ligne et dans toutes les directions. Cependant, dépendamment de leur longueur d’onde, les influences du milieu (terre, eau, air, vide, bâtiments, structures) auront beaucoup, peu ou pas d’impact sur cette propagation.

On distingue principalement deux grands phénomènes :

  • les ondes de sol
  • les ondes d’espace

Onde de sol

L’onde de sol est une énergie rayonnante qui a la particularité de suivre la courbure terrestre, comme le train suit ses rails. Ceci est dû à la conductivité électrique des électrolytes, contenus dans les sols et les mers.

onde de sol 1

Cette particularité vaut essentiellement pour les grandes et moyennes longueurs d’onde, c’est à dire les fréquences relativement basses, comprises entre 10 KHz et 10MHz. Au dessus, même si l’onde de sol existe toujours, elle devient négligeable en regard de l’onde d’espace.

Le tableau, ci dessous, est un graphique, émanant de l’UIT, et donnant l’atténuation en distance d’une onde de sol, en fonction de sa fréquence et pour un sol moyennement sec :

Onde de sol P2Cliquez sur la figure pour l’agrandir

 

On voit que, pour une fréquence de 1 MHz (λ = 300m) on mesure un signal d’onde de sol de 1 μV/m (ce qui correspond à un peu plus de « S3 » sous 50 ohms, mesuré sur le S-mètre d’un récepteur = bonne réception) à seulement 300 km, alors que pour une fréquence de 100 KHz (λ = 3000m) la distance dépasse 1700 km.

Cet autre graphique donne les mesures avec une eau de mer, de salinité moyenne

Onde de sol P1Cliquez sur la figure pour l’agrandir

Et là, on obtient une distance de 1700 Km à 1MHz et plus de 2500 Km à 100 KHz

Il apparait donc clairement que :

  • La propagation de l’onde de sol est directement proportionnelle à λ
  • La conductivité du sol est le facteur essentiel de cette propagation.

Vous comprenez maintenant, pourquoi, les stations radio « pirates », en vogue dans les années 60 et qui émettaient sur « ondes moyennes », avaient d’aussi bons rendement d’écoute : Elles étaient sur des navires, en pleine mer !

 

Onde d’espace

C’est simple : Ce qui n’est plus l’onde de sol, est l’onde d’espace ! Et cette dernière se propage tout droit, dans toutes les directions. Elle « rebondit » sur le sol, l’eau et accessoirement, de grandes surfaces artificielles.

Dans le vide, rien ne l’arrêterait ou ne dévierait sa course. Seulement voila, l’atmosphère, ce n’est pas du vide. Ce sont des gaz ! Et notre planète orbite autour d’une étoile très active, le soleil, qui n’est pas sans effet sur les molécules de gaz.

 

L’ionosphère

L’ionosphère est l’atmosphère supérieure de la Terre, appelée ainsi à cause de l’ionisation partielle des gaz qui la compose. Elle est située à des altitudes comprises entre 50 et 800 km.

Le phénomène d’ionisation est dû aux rayonnements solaires, principalement les  ultraviolets (UV) et les rayons X. Ces photons sont suffisamment énergétiques pour amputer les atomes, constituants des différentes molécules de gaz atmosphériques, d’un électron. On appelle les atomes, ainsi amputés d’un électron : des ions. La charge d’un électron étant négative, celle des ions est, bien entendu, positive. Un plasma, contenant des ions et des électrons est donc ainsi créé.

Simultanément, des électrons libres sont recapturés par les ions. Ce processus s’appelle la recombinaison.

Aux très hautes altitudes, la densité est si faible qu’il y a peu de recombinaisons et que les électrons, très légers,   acquièrent une vitesse considérable. Le gaz électronique peut atteindre des températures très élevées (de l’ordre de 1000° K).

Les électrons libres, à haute énergie, sont capables d’infléchir (phénomène de réfraction, tel l’image d’un objet, plongé dans de l’eau, est déviée) la trajectoire des signaux  radioélectriques. Au fur et à mesure qu’une onde radio progresse dans des couches de plus en plus denses d’électrons libres, elle subit une série de réfractions consécutives et ce, à un point tel, qu’elle est renvoyée vers le sol. Exactement comme si elle avait été réfléchie par un miroir.

A de plus basses altitudes, la densité des gaz est bien plus importante et il y a beaucoup plus de recombinaisons. Des réfractions s’effectuent toujours, mais de façon moindre et surtout, les propriétés plasmatiques, vis à vis des ondes radio sont fondamentalement différentes.

En fonction de l’altitude et du cycle circadien, on peut observer quatre couches principales, chacune ayant des effets différents sur les ondes radio, dépendamment de la longueur d’onde considérée, de la saison et de l’activité solaire.

couches ionosphériques

Les couches ionosphériques

La couche D

La plus basse, située à des altitudes comprises entre 50 et 90 km, est très active la  journée et disparait totalement la nuit. Elle agit comme un puissant atténuateur voire même un « absorbant » pour les grandes longueurs d’onde.

Plus précisément, l’atténuation varie avec l’inverse du carré de la fréquence. Doubler la fréquence revient donc à réduire l’atténuation par un facteur quatre.

La couche E

Juste au dessus de la couche D, à des altitudes comprises entre 90 et 130 km, son activité chute  également rapidement après le coucher du soleil. Mais une quantité d’ionisation résiduelle, non négligeable, persiste la nuit. C’est alors qu’elle réfracte les ondes moyennes vers la terre, sinon, les laisse atteindre les couches plus élevées.

D’autres part, sous certaines condition durant une période allant de un à deux mois avant et suivant le solstice d’été (soit de mai à août dans l’hémisphère nord), elle s’avère capable de réfractions assez spectaculaires, sur une bande de fréquences allant de 25 MHz à 150 MHz. On parle alors de propagation E-sporadique. Le mécanisme en est mal connu. Sa probabilité d’apparition est inconnue et ses paramètres imprévisibles.  Des théories  évoquent des cisaillements des vents de niveau supérieur et l’activité géomagnétique.

La propagation E-sporadique peut impacter la bande VHF aéronautique.

La couche F

Située beaucoup plus haut, le jour,  elle se scinde en deux sous-couches F1 et F2. Les deux sous-couches se fondent en une seule couche F, la nuit.

L’altitude de la couche F varie considérablement en fonction du moment de la journée, de la saison et de l’état d’activité du soleil. L’été, la couche F1 peut se situer à 300 km, avec une couche F2 à 400 km ou plus. L’hiver, elle est plus basse, entre 150 et 200 km.

La nuit, la couche F se situe généralement autour de 250 à 300 km. Son niveau d’ionisation décroit quelque peu, mais persiste néanmoins toute la nuit.

Le jour, les couches F1 et F2 ont un haut pouvoir de réfraction sur les ondes suffisamment courtes pour avoir traversé les couches D et E. La nuit, son activité faiblit quelque peu, mais elle conserve un haut pouvoir de réfraction pour des longueurs d’onde plus grandes, normalement absorbées le jour par la couche E.

NB : Les ondes longues sont alors réfractées, mais pas suffisamment pour revenir sur terre. Leur trajet est tout simplement dévié vers l’espace

Ionisation des couches atmosphériques

En résumé et à retenir : L’ionosphère est une succession de couches, non homogène, de gaz, dont la densité varie avec l’altitude et qui s’étale sur une épaisseur de 750 km autour de la terre. Son état d’ionisation dépend totalement de l’activité solaire (cycle de 11 ans, éruptions, tempêtes) et de son exposition (cycles diurnes, saisonniers). Elle possède des propriétés capables d’influencer la propagation des ondes radioélectriques, en fonction de la longueur d’onde de ces derniers et de l’altitude considérée. Cette influence va de l’absorption à la réfraction. Au delà d’une certaine longueur d’onde, elle n’a plus aucun effet.

Zones de skip

On dit souvent que les ondes sont réfléchies par l’ionosphère. En réalité, ce n’est pas une véritable réflexion (comme le ferait un miroir avec des ondes lumineuses par exemple). Il s’agit bien d’une succession de réfractions qui aboutissent à un infléchissement important de la direction, proche de ce que serait une réflexion. Tout se passe « comme si » ! En contrepartie, le faisceau réfracté, va authentiquement se réfléchir sur le sol, pour « rebondir » vers l’ionosphère, créant ainsi des zones multiples et alternées de réception et de silence, à la surface de la terre :  Les zones de skip :

Propagation ionosphérique des ondes radio

Les distances de communications ainsi atteintes, par les ondes courtes, dépassent plusieurs milliers de kilomètres. Il est possible d’établir des communications entre deux points situés aux antipodes.

Rotation de la polarisation

La propagation ionosphérique ainsi que les rebonds sur la surface terrestre font « tourner » la polarisation du signal. De fait, la polarisation des antennes n’a plus guère d’importance quant à l’atténuation. Il y aura une atténuation globale, systématique mais stable, de 3dB.

C’est très intéressant car, de ce fait, on peut utiliser des antennes dipôles filaires, horizontales, à grand gain et moins sensibles aux parasites atmosphériques, sur terre, alors que les aéronefs peuvent très bien avoir leurs antennes « HF » orientées verticalement (ce qui est de plus en plus le cas, puisque situées dans le bord d’attaque du plan vertical) ou horizontalement (antennes long fil, ou antennes de bout d’aile ou au sommet de la dérive).

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VHF, UFH et au delà

A ces longueurs d’onde, de l’ordre de quelques mètres à quelques centimètres, il y a peu voire plus du tout d’onde de sol. Leur propagation se fait donc essentiellement par onde d’espace.

D’autre part et comme nous l’avons déjà vu, l’atténuation, dans les couches ionosphériques, varie à l’inverse du carré de la fréquence. Au delà donc d’une certaine fréquence (un peu au dessus de 50 MHz) les ondes VHF traversent les couches ionisées sans changer de trajet, pour voyager tout droit dans l’espace.

Une seule exception toutefois et nous l’avons évoqué plus haut, c’est la propagation E-sporadique. Ce phénomène est assez rarement observé aux fréquences VHF de l’aviation civile (en gros 108 à 140 MHz), mais il peut se produire. Nous allons en reparler plus bas.

Les ondes VHF sont facilement réfléchies par des surfaces de béton, des structures métalliques (grues, pylônes) et bien entendu par le relief. Elles peuvent également être absorbées par une végétation dense et humide. Malgré ces petits inconvénients, elles sont très utilisées et très utiles tant pour la radionavigation (VOR, ILS) que les communications courte distance. La portée effective de leur rayonnement est, à peu de chose près, celle de la vue. C’est juste une question de hauteur et de dégagement des antennes. Les avions volant en altitude, ils n’ont aucun problème de dégagement.

Plus la fréquence augmente et plus ce comportement se confirme. Ainsi en est il des fréquences UHF puis SHF.

Exploitation en aéronautique

ondes longues

30 KHz à 300 KHz soit λ = 10 km à 1 km (ondes kilométriques) : Seule une toute petite partie est exploitée pour les balises NDB (radiophare). Si le signal d’un NDB est modulé, c’est en télégraphie (A1A) ou en AM (A3E).

ondes moyennes

 300 KHz à 3 MHz, soit λ = 1km à 100m (ondes hectométriques) : Essentiellement exploitées par les balises NDB et accessoirement pour les communications :

Fréquences en kHzMode USB (J3E), canaux aux pas de 3 kHz.
2 182 kHzFréquence de détresse et d’appel en mer (avec dégagement d’interconnexion air/mer sur 3 023 kHz)
2 850 à 3 020 kHzContrôle du trafic aérien le long des routes, des couloirs aériens au-dessus des parties désertiques et des océans
3 023 kHzFréquence internationale d’urgence aéronautique, opérations de recherche et de sauvetage coordonnées, interconnexions (air/mer/terre)
3 026 à 3 155 kHzServices mobiles aéronautiques régional

 HF (ondes courtes)

3MHz à 30 MHz, soit λ = 100 à 10m (ondes décamétriques) :  Communications, moyenne et longue portée :

Fréquences en kHzMode USB (J3E), canaux aux pas de 3 kHz.
3 400 à 3 500 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
4 650 à 4 700 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
4 700 à 4 750 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET
5 480 à 5 677 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
5 680 kHzFréquence internationale d’urgence aéronautique, opérations de recherche et de sauvetage coordonnées
5 683 à 5 730 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET
6 525 à 6 685 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
6 685 à 6 765 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET
8 815 à 8 965 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
8 965 à 9 040 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET.
10 005 à 10 100 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
11 175 à 11 275 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET.
11 275 à 11 400 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
13 200 à 13 260 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET
13 260 à 13 360 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET, (R)
15 010 à 15 100 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET
17 900 à 17 970 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens, VOLMET.
17 970 à 18 030 kHzServices aéronautiques internationaux, compagnies, communications entre les aéronefs, VOLMET
21 924 à 22 000 kHzContrôle du trafic aérien moyen courrier et long courrier le long des routes, des couloirs aériens.
23 200 à 23 350 kHzService aéronautique, compagnies, communications entre les aéronefs

Les communications continentales et nationales par propagation ionosphérique, sont établies :

  • de nuit dans les bandes de 3,4 MHz à 9 MHz,
  • de jour dans les bandes de 5 MHz à 16 MHz.

Les communications intercontinentales par propagation ionosphérique sont établies :

  • de 6 MHz à 10 MHz : Bandes nocturnes pour lesquelles la réception n’est possible, à grande distance, que lorsqu’il fait nuit entre les lieux d’émission et de réception,
  • de 10 MHz à 15 MHz : Bandes mixtes, lorsque l’émetteur est dans le jour et le récepteur dans la nuit, ou inversement.
  • de 15 MHz à 23,5 MHz : Bandes diurnes, lorsque le parcours entre l’émetteur et le récepteur est éclairé par le soleil.

NB : En 1998, la France a fermé le service aéronautique métropolitain HF ondes moyennes et ondes courtes. Il est conservé pour les départements d’outre-mer.

VHF

30 à 300 MHz, soit λ = 10 à 1m (ondes métriques) :  ACARS, radio navigation (VOR, Localizer ILS), Communications courte portée :

Fréquences en MHzMode AM (H3E ou A3E), canaux aux pas de 8,333 kHz et 25 kHz. Mode numérique (ACARS). Mode mixte AM/FM (balises)
108,000 à 111,975ILS localizer, T-VOR (approches)
111,975 à 117,950VOR (en route)
117,975 à 121,3666Services mobiles aéronautiques nationaux et internationaux.
121,375En France : simulations des détresses aéronautiques, simulations plan SATER. Radiogoniomètre.
121,3833 à 121,450Services mobiles aéronautiques nationaux et internationaux.
Bande de garde.
121,500]Fréquence internationale d’urgence et de détresse, balises de détresse, plan SATER, radiogoniomètre VHF
Bande de garde
121,550 à 121,750Communications de surface des aérodromes
121,750Fréquence de surface de l’ISS et de Soyouz
121,750 à 121,9916Communications de surface des aérodromes
122,000 à 122,2416Services mobiles aéronautiques nationaux.
122,250Inter-ballons libres, montgolfières, clubs.
122,2583 à 122,4916Services mobiles aéronautiques nationaux.
122,500[29]Inter-vol à voile, inter-planeurs, clubs.
122,5083 à 123,0416Services mobiles hélicoptères.
123,050Inter-hélicoptères, clubs d’hélicoptères.
Bande de garde
123,100Fréquence auxiliaire d’opération mondial de recherche et sauvetage: air, terre, mer, plan SATER, interconnexion entre aéronefs et navires
Bande de garde
123,150 à 123,4416Clubs, compagnies, services mobiles aéronautiques nationaux.
123,450[Inter-pilotes, communications air/air entre les aéronefs.
123,4583 à 123,4916Clubs, compagnies, services mobiles aéronautiques nationaux.
123,500Auto-informations entre aéronefs circulant en-dessous de 500 ft, aérodrome non contrôlé dépourvu d’une fréquence assignée.
123,5083 à 123,5916Clubs, compagnies, services des essais aéronautiques, services mobiles aéronautiques nationaux.
123,600 à 123,6916Services mobiles aéronautiques nationaux.
123,700 à 129,6916Contrôle espace aérien, services mobiles aéronautiques nationaux et internationaux.
129,700 à 129,9916Compagnies aéronautiques, services mobiles aéronautiques nationaux.
130,000Auto-informations altiports et altisurfaces en montagne dépourvu d’une fréquence assignée; communications entre les aéronefs et navire à aéronef[35], (R) et (OR)
130,0083 à 130,1583Compagnies aéronautiques, services mobiles aéronautiques nationaux.
130,1666Fréquences spatiales (station spatiale internationale ISS et Soyouz) en AM/FM/numérique
130,175 à 130,5916Compagnies aéronautiques, services mobiles aéronautiques nationaux, (R) et (OR)
130,600 à 130,8916Compagnies aéronautiques, services maintenances et essais aéronautiques, (R) et (OR)
130,900 à 131,5166Contrôle espace aérien, services mobiles aéronautiques nationaux et internationaux.
131,525Fréquence secondaire Europe ACARS
131,5333 à 131,3916Contrôle espace aérien, services mobiles aéronautiques nationaux et internationaux.
131,400 à 131,525OPC: contrôle indiqué d’exploitation.
Bande de garde.
131,550Fréquence mondiale ACARS.
Bande de garde
131,575 à 131,7166OPC: contrôle indiqué d’exploitation.
131,725Fréquence primaire Europe ACARS .
131,7333 à 131,8416OPC: contrôle indiqué d’exploitation.
131,850Fréquence Europe ACARS.
131,8583 à 131,9916OPC: contrôle indiqué d’exploitation.
132,000 à 135,9916Contrôle espace aérien supérieur, Eurocontrol, services nationaux et internationaux.
136,000 à 136,6916Compagnies et services maintenances aéronautiques, contrôle espace aérien supérieur.
136,700 à 136,950ACARS en Data Link (transmission à grande capacité numérique)
136,975Fréquence mondiale sémaphore. Données en numérique.
137,100 à 137,900Transmissions des photos météo des satellites défilant par fax en FM, bande passante 40 kHz
138,000 à 143,975Armée de l’air, Canadairs, Soyouz et ISS en AM (A3E); organisations diverses (canaux au pas de 12.5 et 25 kHz)

UHF

300 MHz à 3 GHz, soit λ = 1m à 10 cm (ondes décimétriques) : Glide Slope des ILS, Transpondeur, DME, TACAN, GPS, communications militaires :

Fréquences en MHzUtilisations. Mode AM (H3E ou A3E) canaux aux pas de 25 kHz et 12.5 kHz
225,000 à 235,000Bande nationale aéronautique militaire, contrôle espace aérien
235,000 à 241,075Aéronautique militaire, contrôle espace aérien, service aérospatial
241,100En France simulations des détresses aéronautiques, simulations Plan SATER
241,125 à 242,900Aéronautique militaire, contrôle espace aérien, service aérospatial
Bande de garde.
243,000Fréquence internationale d’urgence et de détresse, balise de détresse militaire
Bande de garde
243,100 à 277,975Aéronautique militaire, contrôle espace aérien, service aérospatial
278,000Communications entre les aéronefs et navire à aéronef
278,025 à 282,775Aéronautique militaire, contrôle espace aérien, service aérospatial
Bande de garde.
282,800Fréquence auxiliaire à 243 MHz et fréquence auxiliaire des secours aéronautiques, plan SATER
Bande de garde.
282,825 à 317,475Aéronautique militaire, contrôle espace aérien, service aérospatial
317,500Fréquence information et contrôle circulation aérienne militaire
317,525 à 326,500Aéronautique militaire, contrôle espace aérien supérieur, service aérospatial
326,500 à 328,500Radioastronomie
328,500 à 328,600Aéronautique militaire
328,600 à 335,400ILS  glide slope
335,400 à 339,700Bande aéronautique militaire, contrôle espace aérien
339,725Auto-informations air/air entre les aéronefs en vol dans la tranche d’espace comprise entre 500 ft et 1 500 ft ASFC
339,750 à 358,025Bande aéronautique militaire, contrôle espace aérien
358,050Auto-informations air/air entre les aéronefs en vol au-dessus du niveau 195 (supplémentaire à 123.45 MHz)
358,075 à 360,000Bande aéronautique militaire, contrôle espace aérien
360,000 à 399,950Contrôle espace aérien partagé avec d’autres services, ACROPOL.

SHF

3 à 30 GHz, soit λ = 10 à 1 cm (ondes centimétriques) : Radars (au sol et embarqué), radio altimètre, radar météo, liaisons par satellites. La bande des SHF est subdivisée en plusieurs sous bandes.

Sous bande fréquencesλUtilisation
L1 à 2 GHz30 à 15 cmContrôle aérien de longue portée
S2 à 4 GHz15 à 7.5 cmRadars de trafic aérien local, radars météorologiques au sol.
C4 à 8 GHz7.5 à 3.75 cmRadars météorologiques au sol.
X8 à 12 GHz3.75 à 2.5 cmRadars météorologiques embarqués, radars de surveillance au sol des aéroports.

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Dysfonctionnements 

Il n’est question que des dysfonctionnements d’exploitation, qui sortent du cadre d’une panne matérielle. Peut on même parler de dysfonctionnements ? Oui, mais uniquement si on se réfère à une transmission idéale.

 

Ondes moyennes

Le plus gros problème rencontré avec l’usage des ondes moyennes en aéronautique est celui de la propagation ionosphérique nocturne, très préjudiciable à l’usage des NDB. Pour les quelques communications établies sur cette bande, cela a peu d’effet, voire apporte un certain avantage.

 

Ondes courtes

Deux problèmes essentiels affectent l’usage des ondes courtes, via la propagation ionosphérique :

Le fading

Phénomène rencontré de façon assez courante, le fading se traduit par une variation croissante et décroissante, en « vagues », du signal. Deux causes possibles :

A la base, l’ionisation n’est ni parfaite, ni égale. C’est alors un peu comme si une image était reflétée par un miroir ondulant (très ondulant).

Mais la plus courante, c’est le fait que les ondes suivent plusieurs trajets simultanés.fading

Quand les signaux de trajets différents convergent en phase, ils se renforcent mutuellement. A l’inverse, ils s’annulent s’ils sont en opposition de phase.

MUF et LUF

Ou Maximum Usable Frequency (fréquence maximale utilisable) et Lowest Usable Fréquency (fréquence la plus basse utilisable). Ce sont les limites hautes et basses des fréquences utilisables pour établir une liaison entre deux points en fonction du bond effectué qui leur est relatif (skip).

Il arrive, parfois, qu’un avion se situe dans une zone frontière où, la plus basse fréquence d’une bande dépasse la MUF, alors que la plus élevée de la bande juste en dessous, n’atteint pas la LUF. Fort heureusement c’est très exceptionnel. L’opérateur doit alors user de patience et de persévérance, en changeant de bande  de fréquence et en essayant, jusqu’à obtenir la liaison : Les joies de la HF .. quoi !

Parasites

Peuvent avoir deux principales origines :

  • Atmosphériques : QRN (Natural)
  • Industriels : QRM (Man)

Les parasites industriels sont fréquents aux abords des grosses agglomérations et des zones industrielles, c’est pour cela que les stations HF, au sol, en sont le plus éloignées possible. Malheureusement, aucun éloignement n’est possible vis à vis des nuages et des décharges électrostatiques. Dans les deux cas, il s’agit de décharges, dans l’air, de tensions de plus ou moins grands potentiels et de plus ou moins grande intensité. Les signaux modulés en amplitude (souvenez-vous, la BLU est un dérivé de l’AM) sont très affectés par ces pics de tension. La FM et les autres modes de modulation le sont beaucoup moins, mais ne sont pas, pour autant, totalement épargnés.

Changer de bande peut résoudre partiellement le problème, encore faut-il que l’on soit situé dans une zone où la MUF est assez étendue et où le changement de bande apportera un gain substantiel au signal. La seule vraie parade était l’usage du code morse, mais ce dernier est abandonné, depuis longtemps, pour les communications aéronautiques.

Black out

C’est un phénomène extrêmement gênant qui, fort heureusement, ne se produit que très rarement. Durant certaines périodes, l’activité solaire est anormalement élevée. On parle alors de tempêtes solaires et d’éruptions. L’ionisation atmosphérique qui en découle est telle que plus aucun signal onde courte n’est réfracté vers la surface de la Terre. Il n’est plus possible de communiquer par onde courte, en dehors d’une onde directe d’espace, ce qui réduit considérablement les distances de communication. Autant dire que la radio HF est inutilisable en vol.

Un black out peut s’étaler sur une période de plusieurs jours.

VHF

Réflexions parasites

La longueur d’onde des signaux VHF (autour de 2 mètres) est suffisamment courte pour que deux signaux réfléchis arrivent, simultanément, au point de réception, avec un décalage de phase de 180°. Dans ce cas, ils s’annulent ! C’est la même cause qui produit le fading en HF, à échelle de l’atmosphère, sauf que là, c’est très localisé et le problème est persistant. Le récepteur est dans une zone d’ombre (vous avez certainement déjà expérimenté ce phénomène avec vos téléphones mobiles). Cela se produit plus particulièrement au sol et encore plus particulièrement au parking.

Normalement, la hauteur des antennes de communication d’un aérodrome est suffisante pour palier tout problème du genre. Mais ça peut arriver (c’est arrivé !).

Peu de solutions, si ce n’est tenter de contacter un autre service (par exemple, l’approche, si c’est avec le sol que ça ne fonctionne pas). Il suffit souvent, en effet, de peu d’écart entre fréquences, pour que l’une passe, alors que l’autre est bloquée. Sinon, faire bouger l’avion, mais c’est normalement impossible. Passer par l’intercom avec le sol, si un agent de terrain est encore connecté au cockpit, et lui demander de relayer le problème est une alternative. La communication par data link (si disponible) en est une autre. Et sinon, utiliser son téléphone cellulaire (s’il y a du réseau .. manquerait plus que ça !).

Propagation E sporadique

Des signaux émanant de stations relativement lointaines, émettant sur la même fréquence que celle exploitée localement, parviennent, par propagation sporadique de la couche E. C’est très gênant, car ces signaux peuvent être plus puissants que l’onde de sol directe. Ce phénomène pourrait également affecter la réception de balises VHF (VOR, Localizer ILS). Fort heureusement, si la propagation E sporadique n’est pas un phénomène si rare en soi, il dure peu de temps et  le rayonnement des balises est, de toute façon, étudié pour éviter ce problème.

Pour les communications VHF, par contre et du fait de la polarisation verticale des signaux, cela pourrait plus facilement se produire.

Je n’ai pas connaissance de cas rapportés. Mais ça certainement dû se produire.

Propagation troposphérique et « couloirs d’inversion »

La troposphère est l’atmosphère la plus basse autour de la Terre. Normalement, la température y baisse régulièrement de 2°C, par 1000ft d’élévation. Une couche d’inversion est une couche d’air où la température augmente au lieu de diminuer.

Les couches d’inversion peuvent principalement survenir de quatre façons :

En altitude :

  • Inversion de subsidence : Descente et réchauffement de l’air, au dessus d’un anticyclone, par augmentation de la pression. Elle peut se situer à n’importe quelle altitude.

Près du sol :

  • Inversion par rayonnement : Due au refroidissement de l’air près du sol qui, chauffé la journée, se refroidit par rayonnement infra rouge durant la nuit, en conditions anticycloniques, sans vent.
  • Inversion d’advection : Une masse d’air chaud est poussée par un vent modéré au dessus d’un sol froid, notamment une surface enneigée ou de l’eau.
  • Inversion frontale : Quand l’air chaud remonte un front chaud, à l’approche d’une dépression, n’arrivant pas à déloger l’air froid près du sol.

A la limite de ces couches, l’indice de réfraction de l’air se modifie. Ceci affecte la propagation des ondes radio, particulièrement les VHF et UHF. Selon le type d’inversion rencontré, les ondes peuvent être réfractées assez loin derrière l’horizon.

Un couloir (ou « duct » = conduit) est un phénomène qui se manifeste quand deux inversions sont présentes simultanément, au sol et en altitude. Ces couches se comportent alors comme un véritable « guide d’onde ». Les signaux VHF peuvent parcourir de très longues distances, conservant toute leur énergie. Ils ne rejoignent le sol, qu’une fois dépassé la zone d’inversion au sol. Le phénomène, directement dépendant de la persistance des couches d’inversion, peut être relativement stable et durable dans le temps.

 

Mike Victor m’a confié, qu’une fois,  en approche sur Nice, lui et son équipage recevaient fort et clair la tour d’Alger. Le contrôle au sol de Nice n’ avait, quant à lui, aucune interférence.

Ils étaient tout simplement dans un « duct ». C’était, bien entendu (ou, en l’occurrence, « mal entendu » !) assez gênant. Descendus un peu plus bas, lors de l’approche, ils sont sortis du couloir (passant sous la couche d’inversion inférieure) et ont cessé d’être importunés par Alger.

 

Conclusion

Voila qui conclut ce très long article. Je pourrais certes dire qu’il y a encore beaucoup de détails à approfondir et ce serait vrai. En même temps, serait-ce bien utile ? J’en doute.

Déjà, là, c’est beaucoup d’informations et toutes ne sont pas utiles à une meilleure utilisation des moyens de navigation ou de communication. Ce d’autant que, sur ce site,  il est principalement question de simulation. Autant dire alors que tout ceci était parfaitement inutile !

Mais il n’est pas interdit (c’est même parfois conseillé) de sortir quelque peu du cadre et, d’autre part, la simulation aéronautique n’est elle pas une forme d’accès à la culture technologique ? C’est pleinement le but de la rubrique « aller plus loin » !

Aussi, tout en espérant ne pas avoir été trop « fouillé », je souhaite avoir satisfait les lecteurs les plus curieux.

Si vous avez des questions ou, pour les plus avides, souhaitez aller encore plus loin, n’hésitez pas à utiliser le forum interactif. Je ne dis pas que je saurais répondre à tout, mais pour le moins, j’essaierai.

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.