Systèmes de navigation
Introduction
Les systèmes de navigation fournissent des informations précieuses aux pilotes sur leur position, leur cap, leur vitesse, leur altitude et bien plus encore. Ces systèmes de navigation sont basés sur des technologies variées, telles que les radios, les satellites, les ordinateurs de bord, des antennes, ect. Les pilotes peuvent utiliser ces systèmes pour créer des plans de vol détaillés, suivre des itinéraires précis et éviter les obstacles. Dans cet article, nous allons examiner les différents systèmes de navigation utilisés dans les avions, afin de mieux comprendre comment ces systèmes fonctionnent et comment ils aident les pilotes à maintenir leur cap et à arriver à destination en toute sécurité.
GPS
Le GPS (Global Positioning System) est un système de navigation par satellite qui permet de fournir des informations de positionnement précis à bord d'un avion. Composé d'une trentaine de satellites répartit dans six plans orbitaux, le GPS utilise des signaux radio pour déterminer la position exacte de l'avion par rapport aux satellites.
Les satellites GPS envoient des signaux radio codée à des intervalles réguliers, qui sont reçus par les récepteurs GPS à bord de l'avion. Les récepteurs GPS décodent ces signaux pour déterminer la position de l'avion par rapport aux satellites. Le positionnement est basé sur la triangulation, c'est-à-dire que le récepteur à bord de l'avion reçoit des signaux de plusieurs satellites en même temps.
Pour déterminer la position de l'avion en 3 dimensions (latitude, longitude et altitude), au moins 4 satellites sont requis. En revanche, lorsque l'altitude est connue, la plupart des récepteurs GPS peuvent fonctionner avec 3 satellites.
Le GPS peut être utilisé pour la navigation en suivant des trajectoires pré programmé ou pour la navigation en direct vers des points de passage (waypoints) préalablement définis. Les informations de positionnement fournies par le GPS peuvent également être utilisées pour d'autres systèmes à bord de l'avion, tels que le pilote automatique.
Centrale inertielle
La centrale inertielle (INS) est un système de navigation qui mesure les mouvements de l'avion pour déterminer sa position, sa vitesse et son orientation. Contrairement au GPS qui utilise des signaux satellites, l'INS fonctionne en utilisant des capteurs internes à l'avion pour mesurer les changements de mouvement et de direction. Ce système est autonome et ne nécessite aucune information extérieure pour fonctionner. L'INS est capable de fournir ces données à d'autres systèmes, tels que le directeur de vol et le pilote automatique.
L'INS utilise un ensemble de gyroscopes et d'accéléromètres pour mesurer les mouvements de l'avion. Ces capteurs sont montés sur une plate-forme stabilisée et en fonction des mesures de mouvement de l'avion, l'INS est capable d'estimer son orientation, sa vitesse linéaire et sa position. Il détermine sa position en connaissant la position de départ et en estimant le trajet parcouru.
Il existe deux types de centrales inertielles : la centrale à cadran et la centrale inertielle liée à l'avion. La centrale à cadran est montée dans un cadre fixe, tandis que la centrale liée à l'avion est montée sur la structure de l'avion elle-même. Le choix dépend du type d'avion et de la précision requise.
L'INS est particulièrement utile lorsque les signaux GPS ne sont pas disponibles ou ne sont pas fiables, par exemple lors de vols dans des zones de conflit ou lorsque l'avion est à proximité de sources d'interférences électromagnétiques.
Cependant, l'INS nécessite une calibration régulière pour garantir des résultats précis, notamment en raison des erreurs générées au fil du temps. Pour cette raison, l'INS est souvent couplé à d'autres systèmes de navigation, tels que le GPS, pour fournir une navigation plus précise et plus fiable. En effet, une combinaison de systèmes de navigation offre une redondance de système qui améliore la sécurité et la fiabilité de la navigation aérienne.
L'alignement de la centrale
L'alignement est un processus d'initialisation du système. Il s'agit d'aligner les axes de référence du système avec la référence géographique (position et orientation). L'alignement peut s'auto-effectuer ou s'aider des données GPS, de saisie manuelle ou d'autres systèmes pour accélérer le processus. Il nécessite généralement que l'avion soit à l'arrêt. L'alignement contient trois points :
- l'alignement vertical, en prenant la gravité comme point de référence
- la position, si l'avion n'a pas bougé après son dernier vole, l'INS peut s'aider de sa mémoire interne pour déterminer la dernière fois où elle s'est arrêtée.
- le nord vrai, si la latitude est connue, en détectant la rotation de la Terre, le système est capable de s'aligner sur le nord vrai.
Radio-navigation
La radionavigation permet aux pilotes de naviguer en utilisant des signaux radio émise depuis le sol ou depuis d'autres avions. Les pilotes peuvent créer une route de navigation précise en suivant une combinaison de différentes balises (antennes au sol) pour atteindre leur destination. Les pilotes programment les fréquences des balises à suivre dans leur récepteur radio et suivent les informations fournies pour naviguer. Il existe 2 grand type de balise, la balise VOR et ADF. D'autres équipements de radio-navigation servent par exemple à atterrir sous mauvais temps ou encore à prévenir les collisions en vol.
Vocabulaire
Pour mieux comprendre la suite, il convient de faire le point sur quelques termes concernant les différents angles lus ou calculés en vol par le pilote, qui sert à se repérer par rapport à une balise (antennes au sol servant de repère) :
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LE QDM (Quadrant de Distance Mesurée) indique l'angle entre la balise et la position de l'avion, en prenant l'avion comme référence. En d'autres termes, le QDM indique la direction que le pilote doit suivre pour atteindre la balise. Par exemple, si le QDM est égal à 50, le pilote doit se diriger à un cap de 50° sur sa boussole pour rejoindre la balise.
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Le gisement est l'angle entre la direction dans laquelle l'avion se déplace et la ligne droite reliant la balise à l'avion. Il est utilisé pour déterminer la direction à suivre pour se diriger vers la balise.
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Enfin, il convient de noter que le QDM est égal à la somme du cap et du gisement. Cela signifie que si l'on connaît le cap de l'avion et le gisement par rapport à la balise, on peut calculer facilement le QDM pour se diriger vers la balise.
VDF (ou gonio)
Le VDF (VHF Directionnal Finder) ou gonio est un système qui nécessite un opérateur au sol pour fournir les informations de navigation. Ce système consiste à mesurer l'angle d'une réception VHF émit par l'avion depuis une antenne au sol. Cette information est ensuite utilisée pour calculer le cap à prendre pour rejoindre la balise (QDM). L'opérateur de l'aéroport peut ensuite donner cette information au pilote de l'avion sur demande.
Pour résumer, ce système permet au pilote de demander à un opérateur de l'aéroport équipé de ces antennes le cap à suivre pour rejoindre l'aéroport.
VOR (VHF Omnidirectional Range)
Le système VOR (VHF Omnidirectional Range) utilise des signaux radio pour guider les avions vers une balise spécifique. Les stations VOR émettent des signaux radio VHF dans toutes les directions. Le récepteur VOR à bord de l'avion capte ces signaux et utilise les informations pour guider l'avion vers la balise. Pour utiliser le système VOR, le pilote doit entrer la fréquence de la balise VOR vers laquelle il veut se diriger.
Le système VOR permet de naviguer de balises en balises jusqu'à la destination finale. Cela permet aux pilotes de suivre une route précise et de s'assurer qu'ils sont sur la bonne voie. Il est important de noter que le système VOR nécessite un équipement au sol pour émettre les signaux radio. Les stations VOR sont donc souvent placées près des aéroports ou dans des zones stratégiques pour aider à la navigation aérienne.
Le TACAN, ou TACTICAL AIR NAVIGATION, est la version militaire du système VOR. Il est souvent utilisé en conjonction avec le VOR pour une navigation plus précise.
Le système VOR est souvent utilisé avec le système DME, ou Distance Measuring Equipment, qui permet de mesurer la distance entre l'avion et la balise VOR. Cela permet au pilote de savoir exactement où il se trouve par rapport à la balise.
DME (Distance Measuring Equipment)
Le DME, ou Distance Measuring Equipment, est un équipement de radionavigation qui permet aux pilotes de mesurer la distance entre leur avion et une balise terrestre. Le DME est toujours utilisé en conjonction avec d'autres équipements de radionavigation, tels que le VOR et l'ILS (Instrument Landing System) pour fournir des informations de positions précises aux pilotes.
Le fonctionnement du DME est le suivant : l'avion envoie un signal UHF à la balise terrestre (T0), qui est ensuite renvoyé par la balise à l'avion (T1). La distance entre l'avion et la balise est calculée en utilisant la différence de temps entre les signaux T0 et T1, et en prenant en compte la vitesse de la lumière.
Le DME fournit également des informations sur la vitesse sol de l'avion et le temps nécessaire pour atteindre la balise. Ces informations sont affichées sur les écrans de navigation de l'avion, permettant aux pilotes de suivre leur progression. Ce sont les fréquences UHF qui sont utilisées pour les communications DME, avec une plage de fréquences allant de 962 à 1213 MHz. Les pilotes doivent saisir manuellement la fréquence de la balise sur leur instrument de bord pour accéder à ses informations.
En somme, le DME est un équipement de radio navigation permet aux pilotes de mesurer leur distance par rapport à une balise terrestre, d'obtenir des informations sur leur vitesse et leur temps d'arrivée, et de naviguer en toute sécurité de balise en balise jusqu'à leur destination finale.
ILS (Instrument Landing System)
L'ILS (Instrument Landing System) est un système de navigation qui permet aux avions de se poser en toute sécurité par mauvaise visibilité. Il fournit un guidage précis pour suivre une trajectoire horizontale et verticale préétablie.
Le système ILS est composé de deux antennes placées au sol : le Glide Path (GP) et le Localizer (LLZ). Le GP est placé sur le côté de la piste et émet en UHF pour fournir une trajectoire verticale à l'avion. Le LLZ est situé à l'extrémité de la piste et émet en VHF pour fournir une trajectoire horizontale à l'avion. Le système utilise également trois balises appelées "markers" placées le long de la piste, servant d'indicateurs de distance. Elles émettent toutes à la même fréquence verticale de 75 MHz, faisant apparaître des signaux lumineux et audio à bord de l'avion.
Pour fonctionner, l'avion est équipé d'antennes, d'un récepteur VHF et UHF, ainsi que d'un indicateur de déviation pour afficher les informations de guidage.
ADF (Automatic Direction Finder)
L'ADF ressemble au système VOR, mais a une portée beaucoup plus grande, car contrairement au VOR, les signaux de l'ADF suivent la courbure de la Terre. Le système fonctionne avec une antenne au sol appelée NDB (balise non directionnelle). Le NDB émet un signal dans toutes les directions en basse fréquence (LF) ou en fréquence moyenne (MF). Les fréquences sont comprise entre 190 et 1750 kHz.
Il existe deux types de NDB : les Locator, utilisés pour les procédures d'approche, et les NDB En Route, utilisés pour l'attente, la navigation en route et dans les voies aériennes.
Le pilote doit rentrer la fréquence de la balise vers laquelle il veut se diriger. L'ADF capte ensuite les signaux émis par la balise NDB et utilise ces informations pour guider l'avion dans la bonne direction. Le cap (QDM) s'affichera alors sur les écrans de navigations de l'avion.
TCAS (Traffic Collision Avoidance System)
Le TCAS (Traffic Collision Avoidance System) est un système qui permet de surveiller le trafic aérien à proximité et d'éviter les collisions. Le TCAS communique avec les autres avions via des transpondeurs, en s'envoyant des signaux pour identifier les avions environnants.
Il existe deux types de TCAS : le TCAS I, qui identifie le trafic sur une distance de 35 à 40 milles et émet aux pilotes des avis de trafic, est obligatoire sur les avions de 10 à 30 sièges. Le TCAS II, quant à lui, est obligatoire sur les avions de plus de 30 sièges ou de plus de 15 000 kg. Il fournit les mêmes informations que le TCAS I, mais analyse également la trajectoire de vol des avions en approche. En cas de collision imminente, il émet un avis de résolution, une commande sonore au pilote lui demandant d'effectuer une action d'évitement.
Le TCAS permet également d'afficher la position et l'altitude des avions à proximité qui sont équipés de TCAS. Différentes couleurs et formes sont utilisées pour représenter les avions en fonction de leur menace potentielle. Par exemple, un avion en montée peut être représenté par un triangle vert, tandis qu'un avion en descente peut être représenté par un cercle rouge.
Radioaltimètre
Le radioaltimètre est un équipement de navigation qui permet de mesurer la distance entre l'avion et le terrain en dessous de lui. C'est un instrument principalement utilisé pour l'approche aux instruments et le vol à basse altitude ou de nuit en dessous de 2500 pieds.
Le pilote peut régler une altitude limite qui crée un avertissement visuel et sonore lorsque l'avion atteint cette altitude, ce qui peut aider à prévenir les collisions avec le sol. Le radioaltimètre utilise un émetteur-récepteur et une antenne directionnelle pour mesurer cette distance.
Pour mesurer la distance, le radioaltimètre diffuse une onde vers le sol qui se déplace à une vitesse connue. Cette onde frappe le sol et rebondit sur l'avion, où une deuxième antenne reçoit le signal du retour. En déterminant le temps écoulé pendant lequel le signal a voyagé et la modulation de fréquence qui s'est produite, l'affichage indique la hauteur au-dessus du terrain.
FMS (Flight Management System)
Le système FMS (Flight Management System) est un système de gestion de vol très utilisé sur les avions modernes. Il fournit des informations sur la navigation, les estimées, la consommation de carburant et bien plus encore. L'interface utilisateur du FMS est composée d'un écran, d'un clavier, de boutons, etc.
Le FMS sert à élaborer un plan de vol en incluant les voies aériennes, les waypoints, les aéroports, les pistes, les procédures d'approche et de départ, les données radio et de navigation et autres. Avant le départ, le pilote peut entrer son plan de vol dans le système FMS, ce qui est essentiellement un « contrat » passé avec les autorités de contrôle du trafic aérien décrivant la façon dont le vol va se dérouler. En vol, le système détermine précisément la position de l'appareil en utilisant plusieurs sources telles que VOR, GPS, DME, ADF, ect. Le FMS est généralement couplé avec le pilote automatique.
