Les séries de l’ANFR - Saison 1, épisode 3 : la surveillance dans le monde de l’aviation civile

Les séries de l’ANFR 08 avril 2021

En février dernier, vous avez découvert la diversité des moyens de navigation dans l’aviation. Cette édition est consacrée aux moyens de surveillance. Contrairement à la navigation, il ne s’agit pas de savoir où on est et où on va, mais plutôt où sont et où vont les aéronefs dans la zone surveillée, du point de vue du gestionnaire de trafic aérien (air traffic management : ATM) ou du pilote qui doit maîtriser son environnement. Ainsi, les systèmes de surveillance aéronautique ont pour objectif de fournir la position d’un avion et d'autres informations connexes. Dans la plupart des cas, un système de surveillance aéronautique permet à son utilisateur de savoir "qui" est "où" et "quand". Les autres informations fournies peuvent inclure des données sur la vitesse horizontale et verticale, l’identifiant ou l'intention. Les données requises et leurs paramètres de performance technique sont spécifiques à l'application qui est utilisée.

Deux grandes familles de systèmes de surveillance assurent cette fonction :

Surveillance par les centres de contrôle aérien

Les systèmes de surveillance doivent alors permettre à un centre de contrôle aérien de connaitre la localisation des aéronefs indispensable pour la gestion du trafic aérien.

Centre de contrôle aérien (source THALES)

Architecture de la surveillance du contrôle de zone (source : OACI doc.9924)

De nombreux systèmes assurent cette surveillance :

les radars primaires de surveillance (PSR)

Les radars primaires de surveillance ne nécessitent pas d’équipement à bord car ils s’appuient sur la réflexion d’une onde radioélectrique sur l’avion pour pouvoir le localiser. Cette solution ne permet pas l’identification, qui doit être assurée par un autre moyen. En revanche, elle permet de détecter un avion sans équipement de radiocommunication ou avec ses équipements de communication en panne ou volontairement débranchés. Les radars utilisés pour la gestion du trafic utilisent les bandes de fréquences 1 300 à 1 350 MHz (« bande L »), 2 700-2 900 MHz (« bande S ») et 9 000-9 200 MHz (« bande X ») qui sont attribuées à la radionavigation aéronautique.

Radar primaire bande L surplombé par un radar secondaire (source : THALES)

Radar primaire bande S surplombé par un radar secondaire (source : THALES)

Les radars secondaires de surveillance (SSR)

Un radar secondaire consiste en un radar au sol « interrogeant » un transpondeur installé sur un aéronef qui lui « répond » dans une autre fréquence. L’interrogation se fait à la fréquence 1 030 MHz et la réponse de l’avion à la fréquence 1 090 MHz sous le service mobile aéronautique mobile « en route ». Le radar dit secondaire détermine la donnée de localisation par l’analyse du signal reçu et permet d’accéder à l’identification de l’avion via le contenu du message de réponse. Il existe plusieurs type de transpondeurs : A (le plus simple), C (le message de réponse inclut l’altitude de l’avion) ou S (altitude et identification plus précises).

Radar secondaire (source THALES)

Messages automatiques coopératifs de surveillance (ADS)

Le principe de l’ADS consiste à transmettre des messages contenant les informations de localisation et de vitesse obtenues à partir des moyens de navigation propres de l’avion et son identification :

soit en complétant la réponse à une interrogation d’un radar secondaire par une diffusion périodique et régulière sur la fréquence de réponse des transpondeurs avion d’informations sur la localisation des avions : ADS-B mode S (ou 1090 ES) ;
soit en utilisant un message distribué par « contrats » : ADS-C

ADS-B (Broadcast)

L’ADS-B consiste en une diffusion périodique du message depuis les avions équipés d’un transpondeur mode S. La collecte des messages émis à 1 090 MHz peut se faire par une réception au sol ou par les satellites de la constellation IridiumNext. Pour décongestionner la fréquence 1 090 MHz des radars secondaires, la diffusion périodique du message ADS-B peut aussi se faire, notamment aux Etats-Unis, sur le canal 978 MHz (universal access transceiver : UAT) uniquement dans le sens descendant ou encore avec le VDL Mode-4 en bande VHF. L’ADS-B permet aussi à un avion d’accéder aux informations diffusées par les autres avions.

Réception sol (source : aeroexpo.online)

Réception satellite (source Aireon)

ADS-C (Contract)

La gestion des messages est alors gérée par « contrats » qui peuvent transiter par une liaison avec le sol :

par l’intermédiaire de la VDL Mode 2 dans une partie de la bande VHF 117,975-137 MHz ;
ou par les satellites Inmarsat en bande L (1 525-1 559 MHz et 1 626,5-1 660,5 MHz) ;
ou encore par la constellation Iridium utilisant une autre portion de la bande L (1 610-1 626,5 MHz)

Systèmes ADS-C

La multilatération (MLAT) et multilatération large zone (WAM):

Le système a pour principe la triangulation du message de réponse à une interrogation ou de diffusion périodique pour localiser un avion. Le MLAT est utilisé pour la surveillance des surfaces de l’aérodrome ou de son environnement immédiat. Le WAM (Wide Area Mutilateration) est utilisé pour les zones ne pouvant pas être couvertes par un radar secondaire (zone montagneuse).

MLAT (source THALES)

Surveillance de l’environnement d’un avion

Les systèmes de surveillance embarqués permettent aux pilotes de disposer des informations sur son environnement pour identifier les risques aéronautiques (anticollision, météorologie)

Anticollision (traffic alert and collision avoidance system : TCAS)

Le système anticollision utilise le système d’interrogation des transpondeurs, et, le cas échéant, l’ADS-B pour obtenir les données de localisation et de vitesse des autres avions. L’anticollision calcule s’il existe un risque d’accrochage en vol entre deux avions et donne consigne au pilote d’opérer une manœuvre d’évitement si besoin sans intervention du sol.

Traffic alert and Collision Avoidance System : TCAS

Exemple d’affichage à bord basé sur les données issues de l’ADS-B via l’ATC/TCAS (source : Airbus)

Radar météorologique embarqué

Le radar météo est installé dans le nez de l’avion où il est protégé par un radome. Ce radar utilise la bande X (entre 9,3 et 9,5 GHz). Cette bande est privilégiée car elle permet d’obtenir une bonne résolution angulaire avec une taille d’antenne suffisamment raisonnable pour pouvoir être installée dans l’avion. Un autre avantage de la bande X est la bonne transparence de l’atmosphère à cette fréquence. L’antenne balaye horizontalement la zone devant l’avion. Les dernières générations de radar météo balayent sur deux axes, ce qui permet d’obtenir une mesure en trois dimensions de la situation météo.

Contrairement aux idées reçues, le radar ne détecte pas les nuages car les gouttes d’eau qui les composent sont trop petites. Pour être vues par le radar, les gouttes d’eau doivent être suffisamment grosses. Ainsi, le radar météo détecte la pluie et notamment celle contenue dans les nuages d’orages que sont les cumulonimbus, qui présentent un danger majeur pour les avions.

Radar météorologique (source : aeroexpo.online/ Collins aerospace & Dassault Aviation)

Exemple d’affichage du radar météo (source : Airbus)