Les balises radioélectriques


ILS

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1. Introduction

L’ILS (Instrument Landing System) est un système automatique d’aide à l’atterrissage. Il permet une approche de précision compatible avec des conditions météorologiques dégradées, en offrant un guidage dans le plan vertical et horizontal (approche 3D).

2. Antennes et fonctionnement

L’ILS comprend :

La plupart des ILS en France sont couplés avec un DME.

2.1 Localizer

Le localizer émet dans la bande VHF. La fréquence est comprise entre 108,10MHz et 111,95MHz, la première décimale étant impaire (108,10 – 108,15 – 108,30...). Les antennes du localizer sont situées à environ 300m après le bout de piste.

loc.png

Le système est composé de deux antennes directives présentant des faisceaux très étroits, situées de part et d’autre de la piste et qui émettent, dans le prolongement de son axe, des signaux modulés en amplitude à des fréquences différentes. L’antenne située sur le coté droit de la piste rayonne une porteuse modulée par un signal AM de 150 Hz et l’antenne située sur le côté gauche, émet une autre porteuse, modulée par un signal AM de 90 Hz.

loc_s.png

La zone de couverture du localizer s'étend à 35° de l'axe de nominal. Elle est de 10° de part et d'autre de l'axe jusqu'à une distance de 25NM et de 25° de part et d'autre de l'axe jusqu'à une distance de 17NM.

loc_coverage1.jpg

2.2 Glide Slope

Le glideslope émet dans la bande UHF. Il fonctionne sur le même principe mais dans le plan vertical. L'antenne est situé environ 300m après le seuil de piste (au travers de la zone de toucher des roues).

glide_ant.png

glide_hz.png

Il émet des faisceaux radioélectriques dans le prolongement de l’axe de piste qui assurent une couverture en azimut de 8° de part et d’autre de l’axe ainsi qu'une couverture en site comprise entre 0,45xθ et 1,75xθ de (θ étant l’angle de la pente nominale de descente).

glide_coverage_1.png

glide_coverage_2.png

Le principe de fonctionnement de l'ILS est donc la différence du taux de modulation (DDM)
DDM = TM90 - TM150

Lorsque le récepteur reçoit plus de 90Hz que de 150Hz : l'aéronef est à gauche de l'axe de piste et trop haut
Lorsque le récepteur reçoit plus de 150Hz que de 90Hz : l'aéronef est à droite de l'axe de piste et trop bas

3. Récepteur et instrumentation de bord

Le principe est de comparer les amplitudes des deux signaux de fréquences différentes. Pour cela, après détection, les signaux sont appliqués à des filtres passe bande de 90Hz et 150Hz qui vont en effectuer la séparation. Les tensions résultantes sont envoyées à l'afficheur.

recepteur.png

Le pilote n’a plus qu’à regarder la position des aiguilles sur l’instrument pour voir sa position par rapport à l’axe d’approche idéal, représenté par le centre de l’instrument.

cdi_gs.pngCDI

hsi_ils.pngHSI

pfd-small.pngInformations regroupées sur le PFD d'un A320

4. Catégories d'ILS

La difficulté d'installation d'un ILS s'explique en partie par celles imposées par l'environnement (relief) et l'existence de réponses techniques variées.

L'OACI a donc décidé de classifier ces systèmes ILS en trois catégories distinctes, ceci en fonction des infrastructures aéroportuaires et de leurs capacités techniques :

Catégorie DH RVR
CAT I DH ≥ 200ft RVR ≥ 550m (ou Visi ≥ 800m)
CAT II 100ft < DH < 200ft RVR ≥ 300m
CAT III A DH < 100ft RVR ≥ 175m
CAT III B DH < 50ft 50m < RVR ≤ 175m
CAT III C Pas de DH minimum Pas de RVR minimum

Pour effectuer une approche, l'aéronef doit être équipé en adéquation avec la catégorie d'ILS utilisée et les pilotes doivent être qualifiés.

précision.png

DME

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1. Introduction

Un DME (Distance Measuring Equipment) est une balise au sol qui permet, en répondant aux interrogations d'un émetteur-récepteur embarqué par un aéronef, de calculer avec précision la distance les séparant.

2. Fonctionnement

2.1 Principe de fonctionnement

Le DME utilise une portion de bande UHF comprise entre 962 MHz et 1213 MHz.

Il fonctionne sur le principe d'une communication émetteur-récepteur/transpondeur :

La nécessité de dialogue constant entre l'aéronef et la station au sol implique qu'un DME ne peut être utilisé simultanément que par un nombre limité d'aéronefs (environ une centaine). Dans le cas où la station arriverait à saturation, elle ne répondra qu'aux signaux les plus forts qu'elle reçoit grâce à l'AOC (Automatic Overload Control). Les avions étant les plus éloignés seront donc ignorés.

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 d'impulsions afin d'éviter les interférences avec les signaux des autres avions.

2.2 Précision

La précision d'un DME est d'environ 0,25 Nm + 1,25 % de la distance.

Le DME mesure la distance 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. Plus l’aéronef est proche de la station, plus la différence entre la distance affichée et la distance horizontale réelle au sol grande.

A la verticale de la station, l'équipement de bord n'indiquera pas 0, mais l'altitude en nautiques.

dme.png

3. Représentation sur les cartes

Un DME est souvent co-localisé avec une autre aide de radionavigation (VOR, ILS...). Voici les symboles inscrits sur les cartes du SIA afin de les reconnaitre.

dme_seul.png
DME

vor_dme.png
VOR-DME

4. Instrumentation de bord

Si un récepteur DME est en mesure d'afficher la distance de séparation avec la station au sol et d'en effectuer le suivi permanent avec précision, il est alors également capable d'indiquer la vitesse de l'appareil ainsi que le temps de vol nécessaire pour rejoindre la balise.

Il existe différents types de récepteurs DME. En voici un que l'on retrouve dans une partie des avions légers.

dme_instru.png

Et voici l'exemple de l'affichage de la distance sur un ND d'Airbus


NDB / ADF

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1. Introduction

Un NDB (Non Directional Beacon) est une balise de radionavigation non directionnelle. Cela signifie que l'émetteur au sol émet le même signal, avec la même force, dans toutes les directions. Pour pouvoir connaître la direction vers laquelle se trouve un NDB, il faut que l'aéronef soit équipé d'un ADF (Automatic Direction Finder) qui n'est autre qu'un système de réception utilisant les principes de la radiogoniométrie.

Ne pas confondre NDB (station au sol) et ADF (équipement à bord de l'aéronef)

Les avantages du NDB sont les suivants :

Les inconvénients du NDB sont les suivants :

Jusqu'ici, les approches NDB étaient parfois les seuls disponibles sur beaucoup de petits aérodromes. Elles sont progressivement désinstallées au profit des approches RNP.

2. Station au sol (NDB)

2.1 Principe de fonctionnement

Il existe deux types de stations :

Les fréquences exploitées sont comprise entre 190 KHz et 1750 Khz (avec un espace libre entre 495kHz et 505kHz, afin de protéger la fréquence d'appel de détresse internationale maritime de 500kHz).

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 nuit, elle est sujette à des phénomènes de propagation ionosphérique.

La porteuse est émise en continu, seulement interrompue à intervalles réguliers par l'identification en code Morse de la balise. Ceci impose alors la présence d'un oscillateur interne au récepteur ("BFO" : Beat Frequency Oscillator) qui va créer la «note» de cette identification par «battement» de phase avec la porteuse. L'identité peut aussi être transmise par un signal de 400 ou de 1020Hz modulant la porteuse en amplitude. Dans ce cas, le BFO n'est pas nécessaire à l'identification du code Morse de la balise.

antenne_ndb.png

Antenne NDB

2.2 Représentation sur les cartes

Le symbole utilisé afin de représenter un NDB sur les cartes du SIA est le suivant :

ndb carte.png

Selon les cartes, sont indiqués :

ndb vac.pngSur une VAC

ndb iac.pngSur une IAC

ndb 1500000.pngSur une carte de navigation à l'échelle 1:500 000

3. Fonctionnement de la détection

Pour exploiter le signal d'un NDB, l'aéronef doit être équipé d'un récepteur ADF (Automatic Direction Finder). 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 levée de doute ».

Alors qu'une antenne accordée classique utilise principalement la composante électrique, d'une onde électromagnétique, une antenne cadre sera plutôt sensible à sa composante magnétique. La réception est maximale quand les spires de l’antenne cadre sont alignées dans l'axe de direction de l'émetteur et nulle dans le plan du cadre. Un synchro-transmetteur, solidaire du cadre, transmet sa position à l'indicateur qui affiche la direction vers laquelle se trouve l'émetteur.

antenne bord ndb.pngAntenne à double loop démontée

Les ADF modernes n'utilisent plus de cadre rotatif, mais des groupes de petits dipôles ou d'uni-pôles, dont on analyse la phase ou l'amplitude (les deux principes coexistent) des signaux reçus. 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.

4. Récepteur (ADF)

4.1 Principe de fonctionnement

Pour exploiter le signal d'un NDB, l'aéronef doit être équipé d'un récepteur ADF (Automatic Direction Finder).

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 levée de doute ». Alors qu'une antenne "classique" utilise principalement la composante électrique d'une onde électromagnétique, une antenne cadre sera plutôt sensible à sa composante magnétique. La réception est maximale quand les spires de l’antenne cadre sont alignées dans l'axe de direction de l'émetteur et nulle dans le plan du cadre. Un synchro-transmetteur, solidaire du cadre, transmet sa position à l'indicateur qui affiche la direction vers laquelle se trouve l'émetteur.

Les ADF modernes n'utilisent plus de cadre rotatif, mais des groupes de petits dipôles ou d'uni-pôles, dont on analyse la phase ou l'amplitude des signaux reçus. La direction est calculée et transmise à l'indicateur par le biais de microprocesseurs. Ne plus avoir de pièces en mouvement apporte un avantage conséquent sur la fiabilité.

4.2 Instrumentation de bord

Le boitier de commande ADF permet la mise en route, la sélection de la fréquence et des différents modes.

boitier_adf.jpg


Relèvement magnétique : Route magnétique nécessaire pour rejoindre la station
Cap magnétique : Angle entre l'axe longitudinal de l'aéronef et le nord magnétique
Gisement : Angle que fait l'axe longitudinal de l'aéronef avec la station

Il existe plusieurs instruments permettant l'affichage, en voici quelques un :

L'aiguille indique le gisement, c'est-à-dire la direction de la station au sol par rapport à l'axe longitudinal de l’avion.

rbi.png

L’instrument est entouré d’une carte de directions magnétiques, non mobile, graduée de 0 à 359°. Pour déterminer le relèvement magnétique, il faut alors effectuer le calcul suivant : Relèvement magnétique = cap magnétique + gisement

rmi1.png

Afin d'éviter les calculs en vol, la carte est une rose des vents mobile et une molette (HDG) permet de faire coïncider la carte avec le cap actuel de l'aéronef. La lecture donne alors directement le relèvement magnétique de la balise au sol

ehsi.png

L’ADF est inclus dans un EHSI, qui est un afficheur électronique qui permet de cumuler les réception des ILS, VOR, NDB, DME, la route suivie par l'aéronef et le cap de ce dernier.

5. Utilisation

5.1 Positionnement

Pour utiliser un ADF afin de se diriger sur vers NDB, il faut :

Un ADF pointe toujours en direction de la balise quelque soit le cap de l’aéronef

Le schéma suivant présente l’affichage de l’ADF tel que le pilote peut le voir en fonction de l’emplacement de l’aéronef et du NDB :

représentation_adf.png

Notez que la flèche de l’ADF suit exactement la trajectoire directe vers la balise. Le point noir représente le haut de l’instrument dans le cockpit.

Lors du survol du NDB, l'aiguille de l'ADF va tout simplement pivoter d’avant vers l’arrière

5.2 Distance à la station

Il peut arriver qu'un NDB soit associé à un DME. Ceci est assez rare et concerne principalement les approches NDB/DME. Néanmoins il est possible de calculer la distance qui sépare l'aéronef d'un NDB.

D (Nm) = t x vitesse sol / N

Le temps nécessaire pour rejoindre le NDB peut être calculé avec la formule suivante :

Temps = 60 x t / N

5.3 Utilisation avec vent de travers

Ces opérations ne posent aucun problème quand il n'y a pas de vent ou très peu. Mais en présence de vent fort de travers, il faudra corriger la dérive. Dans ce cas, procéder comme indiqué de façon générale pour le suivi de toute radiobalise, par la méthode de la « double erreur de route », afin d'estimer et d'ajuster correctement l'angle de dérive vis à vis du vent.

Quand le pilote s’aperçoit d’une dérive trop importante, il n’applique pas la correction de cap inverse mais une correction double de cap inverse.

double erreur de route.png

Représentation graphique de la méthode de la double erreur de route

Dans le cas, où le pilote se contente de recentrer l'aiguille de l'ADF en pointant dans la direction du nez de l'avion, il va suivre une courbe en spirale que l’on appelle la « courbe du chien ».

courbe du chien.png

La « courbe du chien »

Cette courbe s’éloigne de l’axe de la route initiale peu à peu pour revenir sur la balise avec un cap complètement différent. Ce genre de trajectoire est très handicapante lors d’une approche de type NDB en IFR qui permet de ne plus pourvoir continuer l’approche.

6. Utilisation alternative

L’ADF a certaines autres propriétés physiques dans le cadre d’une utilisation réelle non simulable sur nos simulateurs favoris.

6.1 Écoute de la bande grandes ondes

La bande de fréquence d'émission des NDB est la même que celle exploitée par les stations commerciales radio en « Moyennes Ondes». On peut donc facilement pointer dans la direction d'un émetteur broadcast connu. Il suffit de régler la fréquence du récepteur de l'ADF. Ceci peut s'avérer fort utile dans certaines contrées et accessoirement, permettre d'écouter des émissions radiophoniques en vol.

6.2 Détection des cellules orageuses

Les décharges d'électricité statique des orages font dévier l'aiguille de l'ADF. C'est pourquoi il a été ironiquement baptisé le « stormscope du pauvre ». Et en effet, l'ADF est tout à fait en mesure d'indiquer la direction de cellules orageuses en activité. Ce n'est pas son usage premier, mais bon nombre de pilotes de petits appareils utilisent cette propriété.

MARKER

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1. Introduction

Les MARKER sont des radiobalises à rayonnement vertical implantées le long de l'axe d'approche. Les émissions des marker forment des cônes verticaux étroits. Leur rôle est de renseigner le pilote du passage de l'appareil à leur verticale et ainsi de corréler le plan de descente.

Il y a 3 types de Marker :

Les MARKER sont de plus en plus souvent abandonnés au profit des systèmes DME. Parfois l'Outer Marker est remplacé par un NDB de faible puissance (aussi appelé LOCATOR).

2. Station au sol

2.1 Type de MARKER

La première balise appelée OM (Outer Marker) est généralement située à 3,9 Nm du seuil de piste.
Cependant cette distance peut varier, en fonction des configurations des terrains, entre 3,5 et 6 Nm.

La seconde balise appelée MM (Middle Marker) est idéalement placée à 3500 ft du seuil.

La troisième balise appelée IM (Inner Marker) est située à environ 1000 ft du seuil de la piste et en indique l'imminence d'arrivée. C'est typiquement la position du minimum de décision pour une approche ILS de catégorie II. 

2.2 Fonctionnement

Chaque station sol émet un signal modulé en amplitude sur une unique fréquence de 75 MHz avec une faible puissance variant de 3 à 5 W. La puissance de sortie est progressivement diminuée pour les Middle Marker et Inner Marker, car l’altitude de l’avion est plus basse.

Chaque marker a sa propre particularité en ce qui concerne la couleur des lampes témoins et la tonalité du signal auditif.

La première balise (Outer Marker) module son code morse spécifique en amplitude avec un signal de 400 Hz, la seconde (Middle Marker) module le sien avec un signal de 1300 Hz et enfin la troisième (Inner Marker) en fait autant avec un signal de 3000 Hz.

Sur certains aérodromes, les trois marker ne sont pas tous présents.

2.3 L'installation au sol

image.pngInstallation au sol d'un OUTER MARKER

3. Représentation sur les cartes

Les MARKER sont représentés sur les cartes comme suit :

image.png

4. Fonctionnement de la détection

Le récepteur de bord est composé d’un boîtier comportant simplement trois filtres passe bande. Il génère les signaux auditifs et visuels lors du passage à la verticale de chaque balise.

image.png

Synoptique du récepteur des MARKER

5. L'instrument de réception des MARKER

L’instrument qui permet d’afficher le signal marker est composé des 3 lettres OMI. Chaque lettre est éclairée lors de la réception du signal correspondant et possède une couleur particulière :

image.png

image.png

image.png

VOR

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1. Introduction

Un VOR (VHF Omnidirectional Range) est une balise de radionavigation qui utilise la bande VHF.

Un récepteur VOR permet de déterminer le relèvement magnétique d’un aéronef par rapport à une station au sol dont la position est connue.

Le relèvement magnétique d’un aéronef par rapport à un VOR s'exprime par le rayon ayant pour origine le VOR. Chaque rayon issu de la balise est appelé un radial. Il y a donc 360 radials.

radial.jpg

Les avantages du VOR sont les suivants :

Les inconvénients du VOR sont les suivants :

Les VOR peuvent être couplés à un DME.

2. Station au sol

2.1 Types de VOR

Il existe deux types VOR :

La bande de fréquence utilisée par les T-VOR est partagée avec les ILS

2.2 Principe de fonctionnement

Un émetteur VOR transmet une information spécifique pour chaque degré d'azimut de son rayonnement.
Pour ce faire, il émet deux informations distinces simultanément :

Les signaux sont arrangés afin qu'ils soient en phase au nord magnétique.

fonctionnement_freq_vor.png

2.3 Représentation sur les cartes

vor_vac.pngSur une VAC

tsu_rbt_epr.pngSur une IAC

dvl.pngCarte de navigation à l'échelle 1:500 000

3. Récepteur

3.1 Principe de fonctionnement

La différence de phase entre le signal de référence et le signal variable est interprétée par le récepteur à bord de l'aéronef afin d'afficher une information sur l'instrument.

3.2 Instrumentation de bord

L'aéronef doit être équipé d'un récepteur VHF de navigation. Il est fréquent qu'il y en ait deux à bord (NAV1 et NAV2).

instrument_freq.png

Le boîtier de commande permet :


Il existe plusieurs instruments permettant l'affichage, en voici quelques un :

3.2.1 CDI (Course Déviation Indicator)

Avec un CDI, l'aiguille, articulée par le sommet, représente le radial. Une rose des vents mobile et deux repères (à douze heures et à six heures) permettent la sélection de la valeur désirée (course - CRS). Pour ajuster ce faire, il suffit de tourner le bouton OBS (Omni Bearing Selector), qui va faire tourner la couronne de la rose des vents graduée.

Un petit drapeau souvent placé sur le côté droit indique si la course est ajustée en rapprochement (TO), en éloignement (FROM), ou encore s'il n'y a pas de réception (cas représenté ici).

Chaque point sur l’arc de point blanc en bas de l’instrument représente deux degrés d'écart. On ne peut donc afficher au maximum que dix degrés de déviation de chaque côté. La position de l'aéronef est représentée par le point central du cadran.

cdi_vor.png

Parfois, une barre horizontale permet de suivre un ILS, le récepteur est donc un combiné CDI/GS

3.2.2 HSI (Horizontal Situation Indicator)

Un HSI combine un conservateur de cap asservi par une vanne de flux avec un afficheur CDI/GS.

En affichant sur le même instrument des indications de cap et de route, il soulage le travail du pilote et évite les confusions toujours possibles entre éloignement et rapprochement. Mais il est plus complexe de fabrication et plus coûteux que les deux autres afficheurs.

La plus grosse différence réside dans le fait que l'aiguille de suivi de route est articulée par son centre et non par son extrémité supérieure. Elle indique donc un relèvement direct, superposable à un cap.

Elle est composée de trois parties : la flèche, la barre centrale et la queue. La barre centrale se décale à droite ou à gauche, indiquant ainsi la déviation entre la course et la position de
l'avion.

Son utilisation est beaucoup plus aisée et «instinctive» qu'un CDI.

hsi_vor.png

3.2.3 EHSI (Electronic Horizontal Situation Indicator)

Ces afficheurs de type écran LCD ne comportent plus aucun système électromécanique, augmentant ainsi leur longévité.

ehsi_vor.png