LES SERIES DE L'ANFR - Saison 1 - épisode 2 : les systèmes de radionavigation utilisés par l’aviation civile

En janvier dernier nous annoncions le début d’une série d’articles dédiée aux équipements de radiocommunication utilisés dans les avions. Ce second épisode s’intéresse à la navigation, qui a pour fonction de permettre au pilote de connaître sa localisation et son altitude.
 Après la Première guerre mondiale, des phares ont été installés sur le territoire français pour que les avions puissent naviguer comme les marins. Mais les conditions météorologiques rendant souvent impossible le vol à vue, la radio est rapidement apparue comme un outil indispensable. C’est en 1925 que la première balise NDB (non directional beacon) est installée sur le site d’Orly. Depuis, la radionavigation s’est considérablement développée, notamment après la Seconde guerre mondiale, avec le boom de l’aviation commerciale. 

Aujourd’hui,  les moyens communément utilisés dans l’aviation civile sont :

1. Le couple balise non directionnelle et radiogoniomètre (NDB locator/ADF)

Les balises non directionnelles (NDB) constituent la composante sol et le radiogoniomètre (ADF) la partie embarquée. Ils servent à la radionavigation à courte et moyenne portée.

Les NDB transmettent des signaux non directionnels contenant l’identifiant de la station dans les bandes de fréquences basses et moyennes (LF / MF), qui permettent une bonne réception même lorsque l’avion est à basse altitude et en dehors de la ligne de vue de la balise. Ces signaux sont reçus par l’équipement de radiogoniomètre automatique (ADF)  à bord d'un aéronef qui utilise des antennes cadre permettant le relèvement de la station.

Les NDB sont largement déployés dans les aérodromes pour l'aviation générale. Ils sont des aides à la navigation relativement peu coûteuses et simples à installer et à maintenir.  Mais les informations déduites des NDB ne sont pas très précises car sensibles à beaucoup de phénomènes météorologiques, les orages notamment. Le système fonctionne sur des portions de la plage de fréquence 190 – 1 750 kHz, principalement sous 535 kHz, sous le service de radionavigation aéronautique, parfois en partage avec d’autres services, voire en secondaire.

Antenne balise non directionnelle (NDB) (source DGAC)

Radiogoniomètre ADF (source : korizonvfr.com)

2. Le relèvement magnétique omnidirectionnel très haute fréquence - VHF omnidirectional range (VOR)

Le VOR est une aide à la navigation plus précise (précision d’environ ± 3,0 degrés) mais à moins grande portée que le NDB. Le principe de fonctionnement du VOR est l’émission de deux signaux, l’un avec une phase indépendante de l’azimut, l’autre avec une phase qui varie avec l’azimut. Le récepteur de bord mesure la différence entre ces deux phases situer le VOR par rapport à l’appareil. Une évolution du système, le VOR Doppler, s’avère moins sensible aux phénomènes de multi trajets et est donc principalement implanté à proximité des zones urbaines. Le VOR utilise des canaux de 50 kHz (100 kHz dans d’autres régions du monde) dans la bande de fréquence 108-117,95 MHz sous le service de radionavigation aéronautique.

VOR conventionnel surmonté d’une antenne DME omnidirectionnelle (source : DGAC)

VOR Doppler (source : DGAC)

3. L’équipement de mesure de la distance - Distance measuring equipment  (DME)

Les DME sont des radiobalises qui répondent à une interrogation de l’avion pour lui indiquer la distance qui l’en sépare grâce à la mesure du temps entre l’interrogation et la réponse. Ils sont très souvent associés à un VOR. Le DME utilise des fréquences dédiées à l’interrogation et à la réponse dans la bande de fréquence 960-1 164 MHz sous le service de radionavigation aéronautique.

Antenne DME installé à côté d’un VOR Doppler (source DGAC)

Exemple d’indicateur DME (source : aeroexpo.online)

4. Les markers

Les markers émettent dans la plage de 75 MHz sous le service radionavigation aéronautique. Ils matérialisent les points d’approche d’une piste selon le mode de fonctionnement expliqué dans la figure ci-après.

Fonctionnement des « markers » (source : myelectronicnote.blogspot.com)

5. Le système d’atterrissage aux instruments -  Instrument landing system (ILS)

L’ILS est constitué d’une part, d’un radiophare d’alignement de piste (RAP ou Localizer) qui fournit l'écart de l'avion par rapport à l'axe de la piste et, d’autre part, d’un radiophare d’alignement de descente (RAD ou Glide) qui fournit l'écart de l'avion par rapport à la pente d'approche. Les radiophares d’alignement de piste émettent dans la plage de fréquence 108-111,975 MHz sous le service de radionavigation aéronautique. Les radiophares d’alignement de descente émettent dans la plage de fréquences 328,6-335,4 MHz sous le service de radionavigation aéronautique.

Radiophare d’alignement de descente type 3 – 3 antennes et radiophare d’alignement de piste (source DGAC)

6. Les radioaltimètres

Les radioaltimètres  fonctionnent dans la plage de fréquence 4 200- 4 400 MHz sous le service de radionavigation aéronautique. Ils permettent d’obtenir la hauteur de l’avion par rapport au sol, en utilisant les principes du radar. La technologie utilisée est celle des radars à onde entretenue à modulation de fréquences.  

(source : Garmin)

7. Le système de positionnement par satellites 

Divers systèmes sont disponibles pour fournir aux avions  le positionnement par satellite. Les constellations offrant aujourd’hui une couverture mondiale sont :

• GPS (Global positioning system) déployé par les Etats-Unis ;
• Galileo déployé par l’Union Européenne ;
• GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) déployé par la Russie ;
• COMPASS/Beidou déployé par la Chine.

Elles relèvent toutes du service de radionavigation par satellite. Les signaux de positionnement sont dans les bandes 1164-1300 MHz et 1559-1610 MHz. Chaque satellite envoie ses informations de localisation et de temps ce qui permet, lorsqu’au moins 4 satellites sont en visibilité, de déterminer par trilatération sa propre localisation. La réception sur plusieurs fréquences permet de corriger les effets de propagation atmosphériques. Les signaux sont fortement étalés, pour permettre une mesure précise du temps, et donc de la localisation. Dans le cas de Galileo, la diversité de ces signaux permet d’offrir plusieurs services :

• Le service ouvert et gratuit (OS) à 1575,42 MHz, la même fréquence que le GPS, complété par des signaux dans la bande 1164-1215 MHz ;
• Le service de haute précision (HAS) qui utilise en plus un signal 1260-1300 MHz pouvant être crypté ;
• Le service gouvernemental (PRS) qui utilise des signaux spécifiques dans la bande 1260-1300 MHz et autour de 1575,42 MHz ;
• Galileo contribue aussi au système de recherche et de sauvetage Cospas-Sarsat (Balise à 406 MHz).

Satellite Galileo (source ESA)

Exemple de signaux GNSS (source : ESA)

8. Le système d’amélioration de la vision du pilote  - Enhanced Flight Vision System (EFVS)

Destiné aux phases finales de l’atterrissage, pour que le pilote puisse « voir » la piste dans de mauvaises conditions de visibilité, l’EFVS présente au pilote, à travers une visualisation tête haute (Head-Up Display, HUD), une image de l’environnement et de la piste issue aujourd’hui de capteurs optroniques, et demain de radars. Dassault Aviation développe actuellement une solution utilisant un capteur radar fonctionnant dans la bande à 32 GHz (31,8-33,4 GHz) attribuée à la radionavigation aéronautique. D’autres technologies sont étudiées dans la gamme 95-100 GHz. Cette « solution bord » dotera les avions d’une capacité tout-temps permettant de rendre accessibles la plupart des aéroports dans les conditions météo les plus sévères (brouillard, plafond bas, neige, vent de sable, fumées…) sans  nécessiter les lourdes infrastructures au sol requises par les autres moyens de navigation. Ce système, en permet de détecter des véhicules ou des avions traversant la piste, accroît en outre la sécurité.

Image radar à 32 GHz (source Dassault Aviation)