La Radionavigation

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La Radionavigation
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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 laéronautique
• Conclusion

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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 lorigine ce type de positionnement était
  utilisé par les navires en Atlantique Nord pour
  se positionner en utilisant les radiophares. La
  détermination dun point se fait par
  triangulation en mesurant les différentes
  direction des émetteurs.
• Evolution majeure à la fin de la seconde guerre
  mondiale avec larrivée du DECCA, système de
  positionnement hyperbolique.
• Apparition du GPS, depuis plusieurs années vient
  progressivement remplacer les moyens de
  navigation classiques.

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Approche théorique sur la propagation des ondes 

• Utilisation dondes radioélectriques, qui sont
  des ondes électromagnétiques dont
• Fréquence lt 3000GHz
• Ondes radios classées en fonction de leur
  fréquence

Appellation Gamme de fréquence Application
Ultra Haute Fréquence 300MHz et 3 GHz G.P.S / D.M.E
Très Haute Fréquence 30 et 300 MHz V.O.R
Basse et Moyenne Fréquences 30 KHz et 3MHz A.D.F
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• Vitesse et mode de propagation
• Les ondes radio se propagent dans lespace vide
  à la vitesse de la lumière. Dans latmosphère
  elles subissent des atténuations liées aux
  précipitations et peuvent être réfléchies ou
  guidées par la partie haute de latmosphère
  appelée ionosphère.

Onde de sol BM 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
lionisation de la couche E de lionosphère
(110km daltitude)
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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 lordre de 5
• Portée est dite optique (antenne réceptrice soit
  en  vue 
• de lémetteur pour obtenir le signal, il ne faut
  pas quil y ait dobstacles.)
• Type de signal
• Composé dune porteuse (signal de référence)
• Et dune 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 limage directe du
  relèvement de la balise

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• 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 relèvement est 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 sagit du
  code morse indicatif de la station.

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• Le positionnement se fait par rapport à la
  station émettrice et est exprimé par rapport au
  Nord magnétique. A tout moment lavion est
  capable de savoir sur quel radial il se trouve
  par rapport à la balise. Il est également
  capable de savoir sil est en rapprochement ou en
  éloignement de la balise.  TO   FROM 

Cône de silence à la verticale balise
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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 dinfo
• 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.

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• L A.D.F (Automatic Direction Finder)
• balise NDB (Non Directionnal Beacon) 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 denviron 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 londe au voisinage des côtes
  (Exemple au
• Havre) et des montagnes
• Lidentification 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 dautres NDB lointaines ayant la même
  fréquence.
• Durant cette phase de réception du code morse le
  signal est
• également perturbé.

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• 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 démission en toute
  transparence pour lutilisateur.
• La balise au sol émet un message omnidirectionnel
  contenant un signal et un indicatif.
• Linstrument à bord, saccorde 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, lADF ?
  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.

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• Pour éviter les calculs il est possible de
  superposer linformation lue sur lADF à celle du
  conservateur de cap, ce qui permet dobtenir
  directement la lecture du relèvement de la
  balise.
• Exemple 
• En superposant linformation de lADF à celle du
  directionnel on voit donc directement que le
  relèvement est le 265 environ ( soit un gisement
  de 60 à gauche). Cest donc cette route quil
  faudrait prendre pour se diriger vers la balise.
  La notion de radial existe également et nous
  lirons le radial sur la queue de laiguille soit
  le 085 dans cet exemple

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• Attention aux effets du vent
• Ne pas négliger laffichage de la dérive.

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• Le D.M.E (Distance Measuring Equipment)
• Mesure la distance oblique entre lavion 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 lémission
• et à la réception.
• Lindicatif Morse de la station DME est transmis
  toutes les 30s sur la
• fréquence 1350 Hz. La puissance démission par
  la station terrestre
• est généralement aux environs d1 kW, mais cela
  peut être inférieur dans
• les cas du DME de lILS.
• 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 dun 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 F163MHz

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Réception, F2 F1 /- 63 MHz
Temps mesuré Tm (2D/c) 50µs Avec c 3108
Emission F1
DME
Délai de 50µs
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• Généralement, le DME ne nécessite pas daction
  particulière pour sa mise en fonctionnement, soit
  laffichage de la fréquence sur le récepteur VOR
  (Fonction Remote sur Nav 1 par exemple) lui
  suffit, soit celle-ci doit être sélectionnée à
  partir dun 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 dutilisation 
• La précision du DME est de lordre de 0,2 NM
  1,25  de la distance. Il ne peut répondre quà
  un nombre limité davion 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.

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• Les indications de vitesse sol et de temps pour
  rejoindre la station ne sont valables que si
  lavion se dirige vers le DME ou sen éloigne. Si
  lavion passe à travers le DME, la distance à
  lémetteur 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 lavion.

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• Le G.P.S (Global Positioning System)
• Origine
• 1960 Projet de larmée américaine
• 1978 Premiers satellites GPS envoyés dans
  lespace
• 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 lURSS.

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• Composition
• Le segment spatial 
• Le segment de contrôle 
• Le segment utilisateur

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• Principe de fonctionnement 
• Mesure de distance entre satellite et récepteur.
• Satellites constitués d1 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 démission 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

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Mesure de la pseudo-distance
Le calcul ne prend pas en compte les erreurs
dhorloge distance inexacte, doù le
nom de pseudo distance ( 1 micro-seconde 300
mètres)
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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 dobtenir une
  précision
• dans la position.
• Le système déquation permettant lobtention de
  la position est
• (X-a)² (Y-ß)² (Z-d)² (R-CB)²

X,Y,Z position du satellite a,ß, d
coordonnées du récepteur (inconnues) R
pseudo-distance CB écart dû à lécart horloge
récepteur par rapport au temps GPS
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• Récapitulatif sur les sources derreurs

Ephémérides 2,5m
Traversée atmosphérique 5m pour lionosphère 0,5m pour la troposphère
Multi-trajet 0,6m
Bruit interne du récepteur 0,3m
Horloge interne du satellite 1,5m
Dilution de précision Configuration géométrique des satellites
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• WGS 84
• Référentiel utilisé par le récepteur GPS pour
  fournir la position
• Terre nest pas une sphère doù
• 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 léllipsoïde 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
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Application à laéronautique 

• Utilisation du VOR sur une Navigation VFR à
  destination de Blois
• Lutilisation judicieuse des moyens radios permet
  de lever le doute sur la position réelle de
  lavion 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)

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D 16 Nm
Axe2
Axe 1
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D 24 Nm
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Possibilité davoir les deux informations sur un
même un instrument, le R.M.I
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Anticipation des moyens de contrôle au moment de
la préparation
Log de Navigation
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Utilisation du GPS
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Il est possible de voyager en régime VFR au
dessus dune couche soudée de nuage, donc sans
voir le sol, mais en demeurant hors des
nuages. Le vol VFR ON TOP nest possible quau
dessus de la surface S (Cf. visibilité et
distance minimales par rapport aux
nuages). Lavion doit être équipé  dun moyen
de radionavigation (VOR, ADF ou GPS de classe A B
ou C), dun 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.
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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.

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Bibliographie

• Wikipédia
• http//www.americanflyers.net/aviationlibrary
• http//www.f6ddr.fr/aero/navigation/radio_nav.htm
• Radionavigation, Institut Mermoz, Daniel Dubuis