La Radionavigation

1. La Radionavigation

2. Sommaire • Introduction • 1- Approche théorique sur la propagation des ondes • 2-Les instruments de la radionavigation • V.O.R • A.D.F • D.M.E • G.P.S • 3-Application à l’aéronautique • Conclusion Stage F.I Avril 2010

3. Introduction • La radionavigation : technique de navigation utilisant des ondes radioélectriques pour déterminer sa position ou un lieu de position. Les points obtenus sont indépendants des conditions de visibilité. • A l’origine ce type de positionnement était utilisé par les navires en Atlantique Nord pour se positionner en utilisant les radiophares. La détermination d’un point se fait par triangulation en mesurant les différentes direction des émetteurs. • Evolution majeure à la fin de la seconde guerre mondiale avec l’arrivée du DECCA, système de positionnement hyperbolique. • Apparition du GPS, depuis plusieurs années vient progressivement remplacer les moyens de navigation classiques. Stage F.I Avril 2010

4. Approche théorique sur la propagation des ondes : • Utilisation d’ondes radioélectriques, qui sont des ondes électromagnétiques dont : Fréquence < 3000GHz • Ondes radios classées en fonction de leur fréquence : Stage F.I Avril 2010

5. Vitesse et mode de propagation : Les ondes radio se propagent dans l’espace vide à la vitesse de la lumière. Dans l’atmosphère elles subissent des atténuations liées aux précipitations et peuvent être réfléchies ou guidées par la partie haute de l’atmosphère appelée ionosphère. Onde de sol : B&M Fréquences = A.D.F Portée ≈ 500 km Onde directe : VHF = V.O.R Portée optique, peut être augmentée par onde de ciel à titre exceptionnel en fonction de l’ionisation de la couche E de l’ionosphère (110km d’altitude) Stage F.I Avril 2010

6. Les instruments de la radionavigation: • Le V.O.R VHF Omnidirectional Range Fréquences VHF de 108 à 117,95 MHz Puissance de 200 W Précision est de l’ordre de 5° Portée est dite optique (antenne réceptrice soit en « vue » de l’émetteur pour obtenir le signal, il ne faut pas qu’il y ait d’obstacles.) Type de signal : • Composé d’une porteuse (signal de référence) • Et d’une sous-porteuse (signal de position) Ces deux émissions ont une même fréquence 30Hz ce qui permet de faire une comparaison de phases entre les deux signaux. Cet écart de phase est l’image directe du relèvement de la balise Stage F.I Avril 2010

7. Elle peut évoluer de 0 ° à 360 °. • Signal de référence omnidirectionnelle • Signal de position directionnel tournant avec une vitesse de rotation de 30 t/s. • Déphasage et relèvementest nul pour un avion situé dans le nord magnétique de la station Exemple : Si nous étions au sud du VOR, (donc à 180 degrés), le signal de référence de 30 hertz et le signal de position seraient en opposition de phase, (par conséquent déphasées de 180 degré). Rq : Toutes les 30 secondes une modulation de 1020Hz se superpose au signal VOR, il s’agit du code morse indicatif de la station. Stage F.I Avril 2010

8. Le positionnement se fait par rapport à la station émettrice et est exprimé par rapport au Nord magnétique. A tout moment l’avion est capable de savoir sur quel radial il se trouve par rapport à la balise. Il est également capable de savoir s’il est en rapprochement ou en éloignement de la balise. « TO » « FROM » Cône de silence à la verticale balise Stage F.I Avril 2010

9. Instrument à bord • A : Le pilote sélectionne le radial de référence désirée par l'OBS (Omni Bearing Selector) ce qui fait tourner la rosace autour du cadran graduée de 0 à 360 degré. • B : Le bouton sélecteur de direction, OBS, utilisé pour sélectionner le radial que l'on veut intercepter et qui fait tourner la couronne "A". • C : Indicateur "TO-FROM". Le triangle blanc pointe vers le bas pour indiquer "FROM" (venant de), il pointe vers le haut pour indiquer "TO" (aller vers). "flag" rouge si pas d’info • D : Le CDI (Course Deviation Indicator). C'est la barre verticale qui se déplace vers la gauche ou vers la droite, et qui indique au pilote quelle direction il faut suivre pour rejoindre le radial choisi avec l'OBS. • Chaque point représente 2 degrés de déviation par rapport à la course désirée. Stage F.I Avril 2010

10. L’ A.D.F(Automatic Direction Finder) • balise NDB (Non DirectionnalBeacon) au sol, émet un signal radioélectrique de basses et moyennes fréquences de 190 kHz à 1750kHz. • Portée pas uniquement optique • Puissance entre 50W et 5kW • Signal suit la courbure de la terre • Portée varie entre 50 et 300 Nm. • Précision d’environ 10° • Signal est très sensible aux charges électrostatiques et inutilisables dans les orages, tout nuage chargé en électricité perturbe la réception (Détecteur de Cb) • Forte déviation de l’onde au voisinage des côtes (Exemple au Havre) et des montagnes • L’identification de la balise est également très importante car le signal est soumis à la propagation ionosphérique des ondes principalement la nuit, ce qui peut provoquer des erreurs avec d’autres NDB lointaines ayant la même fréquence. Durant cette phase de réception du code morse le signal est également perturbé. Stage F.I Avril 2010

11. Aux abords des aérodromes, balises appelées Locator. Portée est inférieure. Support pour les procédures I.F.R sur les terrains. • Le récepteur présent à bord, ADF, permet la réception des deux types d’émission en toute transparence pour l’utilisateur. • La balise au sol émet un message omnidirectionnel contenant un signal et un indicatif. L’instrument à bord, s’accorde sur la fréquence et mesure la force du signal. La direction de la balise correspond au signal le plus fort mesuré. • Notion de gisement : Contrairement au VOR →Relèvement, l’ADF → gisement. En navigation, le gisement est l'angle formé par l'axe longitudinal d'un aéronef avec la direction d'un point extérieur (balise NDB). Il s'agit donc d'une direction relative, indépendante de la direction du nord géographique et magnétique. Le gisement est mesuré en degrés, de 0° à 180°, depuis la ligne de foi, à droite ou à gauche. (le gisement 180° indique donc l'arrière). Z = Cm + Gt Z est le relèvement, Cm étant le cap magnétique, et le gisement, Gt, étant compté positivement à droite et négativement à gauche. Stage F.I Avril 2010

12. Pour éviter les calculs il est possible de superposer l’information lue sur l’ADF à celle du conservateur de cap, ce qui permet d’obtenir directement la lecture du relèvement de la balise. Exemple : En superposant l’information de l’ADF à celle du directionnel on voit donc directement que le relèvement est le 265° environ ( soit un gisement de 60° à gauche). C’est donc cette route qu’il faudrait prendre pour se diriger vers la balise. La notion de radial existe également et nous lirons le radial sur la queue de l’aiguille soit le 085° dans cet exemple Stage F.I Avril 2010

13. Attention aux effets du vent : Ne pas négliger l’affichage de la dérive. Stage F.I Avril 2010

14. Le D.M.E (Distance Measuring Equipment) • Mesure la distance oblique entre l’avion et une station souvent co-implantée avec un VOR, un TACAN, un ILS, ou un MLS. • Signal gamme UHF sur fréquence de 960 à 1215 MHz, fonctionne en impulsions, cette bande de fréquence est divisée en 126 canaux à l’émission et à la réception. • L’indicatif Morse de la station DME est transmis toutes les 30s sur la fréquence 1350 Hz. La puissance d’émission par la station terrestre est généralement aux environs d’1 kW, mais cela peut être inférieur dans les cas du DME de l’ILS. • Mesure de la distance par mesure du temps entre interrogation et réponse. • Portée Optique, sans toutefois dépasser les 200 NM • Le DME ne peut pas se verrouiller sur ses propres interrogations réfléchies par le sol à cause d’un décalage de 63 MHz en plus ou en moins entre interrogation et réponse. • Si espace entre impulsions est de 12µs alors la réponse F2 = F1 -63MHz • Si espace entre impulsions est de 36µs alors la réponse F2 = F1+63MHz Stage F.I Avril 2010

15. Réception, F2 = F1 +/- 63 MHz Temps mesuré : Tm = (2D/c)+ 50µs Avec c = 3*10^8 Emission F1 DME Délai de 50µs Stage F.I Avril 2010

16. Généralement, le DME ne nécessite pas d’action particulière pour sa mise en fonctionnement, soit l’affichage de la fréquence sur le récepteur VOR (Fonction Remote sur Nav 1 par exemple) lui suffit, soit celle-ci doit être sélectionnée à partir d’un boîtier annexe. • Le DME fonctionne en UHF mais le pilote affiche la fréquence VHF du VOR. • La distance obtenue sera en NM par rapport à la station et grâce à un calculateur incorporé, il fournit également la vitesse sol (en kt) et le temps pour rejoindre la station. Limites d’utilisation : • La précision du DME est de l’ordre de 0,2 NM + 1,25 % de la distance. Il ne peut répondre qu’à un nombre limité d’avion en simultané (entre 100 et 200), si ce nombre est dépassé, le transpondeur sol va limiter sa sensibilité et les signaux les plus faibles seront ignorés afin de privilégier les signaux les plus forts. Stage F.I Avril 2010

17. Les indications de vitesse sol et de temps pour rejoindre la station ne sont valables que si l’avion se dirige vers le DME ou s’en éloigne. Si l’avion passe à travers le DME, la distance à l’émetteur ne varie pratiquement pas et la vitesse déterminée par le calculateur du récepteur DME sera voisine de zéro et le temps pour rejoindre la station infini. • La distance mesurée étant une distance oblique, au passage à la verticale de la balise, le DME indiquera la hauteur de l’avion. Stage F.I Avril 2010

18. Le G.P.S (Global Positioning System) Origine : • 1960 : Projet de l’armée américaine • 1978 : Premiers satellites GPS envoyés dans l’espace • 1983 : Reagan annonce que la technologie GPS sera disponible gratuitement aux civils suite à la mort des 269 passagers du vol 007 de Korean Airlines abattu par l‘URSS. Stage F.I Avril 2010

19. Composition: • Le segment spatial  • Le segment de contrôle  • Le segment utilisateur Stage F.I Avril 2010

20. Principe de fonctionnement : • Mesure de distance entre satellite et récepteur. • Satellites constitués d’1 emetteur, 1 récepteur et de 4 horloges atomiques • Descriptif du signal : • 2 fréquences, L1 : 1575,42 MHz et L2 : 1227,6 MHz , ondes UHF • Contenu du message de navigation émis par satellite : • Heure d’émission de la trame • Almanach de la constellation • Ephémérides • Coefficient du modèle ionosphérique • Niveau de performance du satellite • Ecart entre temps GPS et UTC avec précision de 0,1µs Stage F.I Avril 2010

21. Mesure de la pseudo-distance Le calcul ne prend pas en compte les erreurs d’horloge distance inexacte, d’où le nom de pseudo distance ( 1 micro-seconde = 300 mètres) Stage F.I Avril 2010

22. Comment être plus précis ? • Avec une pseudo- distance 1 lieu de position • Avec deux pseudo-distances 1 cercle • Avec trois pseudo-distances 2 points • Solution : Une quatrième mesure permet d’obtenir une précision dans la position. Le système d’équation permettant l’obtention de la position est : (X-α)² + (Y-β)² + (Z-δ)² = (R-CB)² X,Y,Z : position du satellite α,β, δ : coordonnées du récepteur (inconnues) R : pseudo-distance CB : écart dû à l’écart horloge récepteur par rapport au temps GPS Stage F.I Avril 2010

23. Récapitulatif sur les sources d’erreurs Stage F.I Avril 2010

24. WGS 84 : • Référentiel utilisé par le récepteur GPS pour fournir la position • Terre n’est pas une sphère d’où : Nécessité de standardiser le système géodésique : Avènement du WGS84, qui est le modèle conventionnel de représentation géométrique de la Terre. (données géométriques et gravitationnelles) • Indication GPS en vertical : Calcul GPS donne H, hauteur orthométrique par rapport à l’éllipsoïde de référence. Connaissant la position Lat / Long, le récepteur cherche dans la base de données le facteur N permettant de déterminer h au dessus du géoïde Relief terrestre Géoïde WGS 84 Ellipsoïde de référence Stage F.I Avril 2010

25. Application à l’aéronautique : • Utilisation du VOR sur une Navigation VFR à destination de Blois : • L’utilisation judicieuse des moyens radios permet de lever le doute sur la position réelle de l’avion : flanquement • Le moyen radio peut également servir de support au suivi de la route : VOR directeur • Importance du respect de la boucle Radio : Fréquence / Axe / Identification (Au sol) Stage F.I Avril 2010

26. D = 16 Nm Axe2 Axe 1 Stage F.I Avril 2010

27. Je ne sais plus trop où je suis ??? Me voilà recalé ! D = 24 Nm Stage F.I Avril 2010

28. Possibilité d’avoir les deux informations sur un même un instrument, le R.M.I Stage F.I Avril 2010

29. Anticipation des moyens de contrôle au moment de la préparation : Log de Navigation : Stage F.I Avril 2010

30. Utilisation du GPS : Stage F.I Avril 2010

31. Il est possible de voyager en régime VFR au dessus d’une couche soudée de nuage, donc sans voir le sol, mais en demeurant hors des nuages. Le vol VFR ON TOP n’est possible qu’au dessus de la surface S (Cf. visibilité et distance minimales par rapport aux nuages). L’avion doit être équipé : d’un moyen de radionavigation (VOR, ADF ou GPS de classe A B ou C), d’un moyen de radiocommunication (VHF), Surtout, les conditions météorologiques doivent permettre de monter et descendre sans perdre les conditions VMC. La préparation de la météo du vol doit donc être très minutieuse. Stage F.I Avril 2010

32. Conclusion • Utilisation des moyens de radionavigations en VFR ≠ Vol IFR. • Risque de négliger la carte et la surveillance des zones survolées car rassuré par : vol de VOR à VOR ou sur le trait du GPS. • Excellent moyen de lever un doute sur la position. • Couplage facile au pilote automatique. Stage F.I Avril 2010

33. Bibliographie • Wikipédia • http://www.americanflyers.net/aviationlibrary • http://www.f6ddr.fr/aero/navigation/radio_nav.htm • Radionavigation, Institut Mermoz, Daniel Dubuis Stage F.I Avril 2010