INSTRUMENTS DE RADIONAVIGATION
VHF OMNIDIRECTIONAL RANGE
- Principe général
- Principe de fonctionnement du CVOR
- Principe de fonctionnement du DVOR
- Instrument de bord - Récepteur
- Présentation de l'information
Introduction
VOR abréviation de VHF Omnidirectional Range est un système de positionnement à courte et moyenne distance
utilisé en navigation aérienne et fonctionnant dans la plage des fréquences VHF. Développé aux États-Unis à partir de 1937 et déployé en 1946, le VOR fut adopté par l'OACI dès 1960.
Le récepteur à bord permet de connaître de façon continue et visuelle le relèvement magnétique de l'aéronef par rapport à une station sol et de suivre une route magnétique en rapprochement ou en éloignement par rapport à cette balise.
En 2000, il y avait environ 3000 stations VOR dans le monde, mais ce nombre à tendance à diminuer avec l'adoption généralisée du GPS pour la navigation.
Caractéristiques d'utilisation
Les VOR travaillent dans la gamme de fréquences de 108 à 117.95 MHz.
Il existe deux types de VHF Omnidirectional Range :
a) - Les TVOR ou Terminal VOR sont des balises servant aux approches des aérodromes. Elles travaillent sur la bande 108 à 111,95 MHz. L'espacement entre deux canaux est de 50 KHz ou 150 KHz la première décimale étant toujours paire 108,00 MHz - 108,05 MHz - 108,20 MHz - 108,25 MHz - 108,40 MHz etc.
Les décimales impaires étant utilisées pour le système d'atterrissage ILS (localizer).
b) - Les balises VOR des voies aériennes travaillent sur la bande 112 à 117.95 MHz, la séparation entre deux canaux est de 50 KHz. Leur fonctionnement peut être en mode conventionnel les CVOR ou à effet DOPPLER les DVOR .
Ce qui fait 160 canaux pour le système VOR et 40 canaux pour le système ILS.
Puissance
La puissance est de 50 W pour les T/VOR et 200 W pour les autres.
Portée
La propagation VHF se fait selon les lois voisines de celles de l'optique.
Mais pour le calcul de la propagation VHF on prend le rayon terrestre égal aux 4/3 de sa valeur pour compenser les effets de réfraction.
Le rayon de la terre R = 6700 Km est alors remplacé par le rayon fictif R = 4/3R = 8500 km.
Et la portée en Nm sera : ` dm= 1,23\times(\sqrtH^1ft +\sqrtH^2 ft)`
`H^1` altitude de l'avion en pieds et `H^2` altitude de l'émetteur en pieds.
Le tableau ci-dessous donne un ordre de grandeur des portées moyennes.
| Altitude en Ft | Portée en Nm |
| 1 000 | 40 |
| 5 000 | 85 |
| 10 000 | 123 |
| 15 000 | 150 |
| 20 000 | 175 |
| 25 000 | 195 |
| 30 000 | 210 |
| 35 000 | 230 |
| 40 000 | 246 |
| 45 000 | 260 |
Répartition des émetteurs en distance
Pour deux émetteurs de même fréquence, de puissance 200 w, de distance de service 200 NM à 40 000 ft, la séparation minimale en distance est de 500 Nm.
Principe général
Le principe du VOR est de créer une émission dont la phase soit caractéristique de l'azimut par rapport à l'émetteur. Pour cela il émet une fréquence porteuse sur laquelle deux modulations distinctes de 30 Hz (Référence et Variable) sont appliquées. Le fait d'avoir choisi la même fréquence de 30 Hz permet de faire une comparaison de phase entre les deux signaux informatifs. Pour distinguer à la réception la modulation Variable de la modulation Référence, l'une de ces fréquences sera transmise par l'intermédiaire d'une sous porteuse.
Une de ces modulations a une phase indépendante de la position en azimut du récepteur. C'est la phase de référence.
L'autre modulation a une phase dépendante de la position du récepteur par rapport à la balise. C'est la phase position.
La station VOR émet en polarisation horizontale ce qui permet de réduire l'influence du sol sur le diagramme de rayonnement en supprimant considérablement les ondes déformées et/ou déviées par réflexion.
Signal à phase fixe - REF
Une sous-porteuse de 9960 Hz, est modulée en fréquence par un signal de 30 Hz. L'indice de modulation fixé par l'OACI étant de 16, la déviation sera donc 16 x 30 = 480 Hz .
Cette sous-porteuse module à son tour en amplitude une porteuse VHF rayonnée par un aérien dont le diagramme, dans un plan horizontal, est circulaire.
Signal à phase variable - VAR
Le 30 Hz variable également appelé signal de position module la porteuse en amplitude et le taux de modulation est de 30 %. Voir les raies spectrales -30 à +30 de part et d'autre de la porteuse sur le schéma Spectre des fréquences ci-dessous.
Au début des VOR le diagramme de ce signal était créé par un goniomètre rotatif, puis par un ensemble d'antennes tournantes.
Actuellement quatre antennes fixes "tournent" électroniquement le diagramme.
Signaux de Phonie et d'identification
Chaque VOR est identifiable par un indicatif de trois lettres maximum, codé en morse et transmis par modulation d'amplitude de la porteuse au rythme du code par une fréquence de 1020hz.
En outre, certains VOR sont utilisés pour transmettre des informations portant sur ( la météo, les Notams, les paramètres pour l'atterrissage etc.) par l'intermédiaire d'une bande phonie (300 à 3000 Hz) modulant également en amplitude la porteuse.
En résumé : la porteuse VHF modulée en amplitude par une sous porteuse, par l'indicatif de la station, par la phonie, et par le signal variable rayonnera omnidirectionnellement dans l'espace.
La séparation de toutes ces informations à bord de l'aéronef se fera après réception et démodulation par filtrage.
Spectre de fréquences
Principe de fonctionnement d'un CVOR (conventionnel)
L'antenne VOR est généralement montée sur un plateau métallique servant de réflecteur et de toit d'abri pour l'équipement.
La comparaison de phase entre les signaux de référence (fixe) et les signaux variables (position) s'effectue sur leur modulation à 30 hz.
Que le signal variable soit émis par un système tournant ou par des antennes fixes, le résultat reste le même : un champ tournant de façon uniforme à 30 tr/sec.
Le diagramme du signal de référence étant non directionnel, la superposition de ces deux signaux donne approximativement une cardoïde tournant à 30 tr/sec.
En effet lorsque le champ VHF du signal de référence est en phase avec le champ VHF de l'un des lobes du signal tournant, il est en opposition de phase avec l'autre. Donc quand les deux champs s'ajoutent l'un des lobes est renforcé, alors que l'autre est partiellement annulé.
Le signal de référence et le signal variable sont émis de façon à être en phase au Nord magnétique de la station sol.
C'est-à-dire que le maximum positif du signal variable à lieu simultanément avec le maximum positif du signal de référence 30 hz contenu dans la modulation de fréquence.
Il suffit alors au récepteur de bord de l'aéronef de calculer le déphasage entre les deux signaux pour connaître l'azimut appelé Radial, sur lequel il se trouve par rapport à la station sol.
Le cône de confusion
A la verticale de l'émetteur se crée un cône de confusion ou d'incertitude dans lequel les indications du VOR sont peu fiables. L'aiguille de déviation de l'indicateur devient très sensible et oscille de droite à gauche et le TO/FROM passe alternativement de TO à FROM et de FROM à TO. Une fois l'aéronef sorti de cette zone l'indication redeviendra stable ce qui confirmera le passage de la station.
Le temps de traversée de cette zone dépendra de la vitesse et de l'altitude de l'aéronef.
Les différentes influences sur un CVOR
Le rayonnement des CVOR est influencé par son environnement qui doit être libre d'obstacles (bâtiments ou collines etc.). Il est également sensible aux réflexions des signaux (passage de voitures ou d'avions près de l'antenne)
Rappel sur l'effet Doppler
L'effet Doppler est le décalage de fréquence d’une onde acoustique ou électromagnétique entre la mesure à l'émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Cet effet fut découvert par le physicien allemand Christian Doppler en 1842 et fut également proposé par Hippolyte Fizeau pour les ondes électromagnétiques en 1848.
Pour comprendre ce phénomène, il s’agit de penser à une onde donnée qui est émise vers un observateur en mouvement, ou vice-versa. La longueur d’onde du signal est constante mais si l’observateur se rapproche de la source, il se déplace vers les fronts d’ondes successifs et perçoit donc plus d’ondes par seconde que s’il était resté stationnaire, donc une augmentation de la fréquence. De la même manière, s’il s’éloigne de la source, les fronts d’onde l’atteindront avec un retard qui dépend de sa vitesse d’éloignement, donc une diminution de la fréquence.
En termes mathématiques, la variation de fréquence peut être exprimée par :
` F_D` = Fréquenece Doppler (Hz)
`λ` = Longueur d'ondes (m)
`v_r `= vitesse relative source-observateur (m/s)
La vitesse vr est la composante radiale de la vitesse réelle de l’observateur car la variation de fréquence est due au déplacement relatif entre la source et l’observateur.
(Editeur : Christian Wolff, traduction en langue française et révision : Pierre Vaillant.)
Principe de fonctionnement d'un DVOR (Doppler)
L'antenne du DVOR est montée sur un plan métallique réflecteur plus imposant que sur un VOR conventionnel. Ce "contrepoids" sert également de toit d'abri de l'équipement.
Le VOR Doppler est la deuxième génération de VOR, il offre une qualité de signal et de précision supérieur au VOR conventionnel.
Le signal de référence 30 Hz est transmis omnidirectionnellement par modulation d'amplitude de l'onde VHF, et l'information d'azimut c'est-à-dire le signal variable est transmis par modulation de fréquence à 30 Hz des deux bandes latérales (9960 Hz) de l'onde porteuse.
Ceci signifie que c'est l'inverse du CVOR où le signal omnidirectionnel est modulé en fréquence et le signal directionnel est modulé en amplitude.
Le signal modulé en fréquence est moins sujet aux interférences que le signal modulé en amplitude et donc les signaux reçus sont plus précis et plus fiables.
Le DVOR est composé :
a - d'une antenne centrale omnidirectionnelle qui émet la porteuse modulée en amplitude à 30 Hz
b - d'un nombre élevé d'antennes périphériques (48 pour le DVOR Thales) disposées sur un cercle de 13,4 m de diamètre (voir photo ci-dessus).
Le rayonnement provenant de cet anneau d'antennes est constitué de deux bandes de modulation d'amplitude et diamétralement opposées, qui émettent l'une en bande latérale supérieure à +9960 Hz, l'autre sur la bande latérale inférieure à -9960 Hz. Celles-ci sont commutées d'antenne à antennes autour de l'anneau de manière à simuler une rotation de 30 tr/sec autour de l'antenne centrale, ce qui engendre une modulation de fréquence. (voir ci-dessous Spectre des fréquences)
Le signal modulé en fréquence est directionnel, donc variable et sa vitesse radiale est 1264 m /sec. Ce qui provoque une augmentation apparente de fréquence au fur et à mesure que le signal est tourné vers le récepteur et une diminution apparente de fréquence lorsque le signal "s'éloigne" du récepteur.
Schéma ci-dessus :
De 4 à 2 l'antenne se déplace dans la direction de l'avion : la fréquence augmente.
De 2 à 4 l'antenne s'éloigne de l'avion : la fréquence diminue.
Spectre de fréquences
Entouré en rouge le changement entre le signal de référence et le signal variable par rapport au CVOR.
Instrument de bord - Récepteur
Le but du récepteur à bord d'un aéronef est de mesurer l'angle de déphasage entre le signal de référence et le signal variable. À noter qu'il interprète aussi bien les signaux venant d'un CVOR que d'un DVOR et qu'il fonctionne parfaitement avec les deux.
De nombreux types d'instruments pour l'affichages du VOR sur le tableau de bord existent, cependant tous sont semblables dans l'exploitation et l'interprétation.
Le récepteur doit remplir cinq fonctions :
a - Capter les signaux VHF ;
b - Amplifier convenablement tous les signaux sur lequel il est accordé ;
c - Détecter les modulations ;
d - Séparer par ces signaux le signal de référence et le signal variable ;
e - Comparer les phases respectives de ces signaux afin de fournir des indications facilement exploitables.
Principe simplifié du récepteur
a - Après réception des ondes par l'antenne, le signal de la balise accordée au récepteur est syntonisé, amplifié et filtré.
b - Le détecteur de modulation d'amplitude (AM) effectue la démodulation de la porteuse pour récupérer les signaux la modulant : l'un des deux signaux de 30 Hz, la sous porteuse de 9960 Hz, le signal d'identification 1020 Hz et le signal de phonie 300/3000 Hz.
c - Le détecteur de modulation de fréquence (FM) récupère le 30Hz modulant la sous-porteuse.
d - Le comparateur calcule ensuite le déphasage entre les deux signaux de 30Hz et le transmet à la chaîne automatique et à la chaîne manuelle.
Les renseignements fournis sont :
a - Une indication de déviation "gauche/droite" par rapport à une route magnétique sélectionnée. Ce sera la chaine manuelle.
b - Une indication de position pour savoir si l'aéronef se rapproche ou s'éloigne de la station. Ce sera le TO/FROM.
c - Une indication permanente du relèvement magnétique de la station par l'aéronef. Ce sera la chaine automatique.
d - Une indication de mauvais fonctionnement. Ce sera un drapeau Flag alarm.
Chaine manuelle
L'indicateur VOR peut être avec une barre CDI pour Course Déviation Indicator à déviation verticale (ci-dessous à gauche) ou à déviation oblique (ci-dessous à droite). Actuellement les indicateurs à déviation oblique ne sont plus fabriqués.
L'indicateur VOR est composé de :
a - Omni Bearing Selector OBS ou sélecteur de route. En tournant ce bouton vers la droite ou vers la gauche le pilote sélectionne l'azimut Radial sur lequel l'aéronef se trouve. Simultanément une couronne de l'indicateur (rosace) graduée de 0 à 360° tourne pour afficher la valeur du radial.
b - Indicateur d'écart de route CDI. Cette barre se déplaçant vers la gauche ou vers la droite, indique au pilote quelle direction il faut suivre pour rejoindre le radial choisi avec l'OBS.
c - TO/FROM. Ce triangle indique si l'aéronef se rapproche de la station sol ou s'il s'en éloigne.
d - Drapeau FLAG. Indicateur de Marche/Arrêt. Indique également si le signal reçu est fiable ou si l'instrument est en panne.
La série de points au milieu de l'écran représente la déviation de l'aéronef par rapport au radial sélectionné par l'OBS. Chaque point représente généralement une déviation de 2° soit une déviation de 10° de part et d'autre de l'axe sélectionné.
Principe de fonctionnement
La méthode consiste à tourner le bouton OBS jusqu'à ce que la phase de référence soit égale à la phase variable. L'OBS faisant tourner en même temps une rosace, celle-ci indiquera de combien de degrés il a fallu tourner pour que les deux phases (référence et variable) soient en concordance. Cet angle ainsi obtenu représente l'angle Ø entre la direction du récepteur et le Nord magnétique. La barre verticale en se déplaçant de gauche à droite ou de droite à gauche sert d'indicateur de concordance des phases. Ceci signifie que lorsque la concordance des deux phases est réalisée la barre verticale se trouve au centre du cadran.
En réalité pour augmenter la précision dans la mesure du déphasage, au lieu de faire tourner le vecteur de l'angle Ø on le fait tourner de Ø + 90° afin de le mesurer avec un wattmètre. En effet si on compare deux signaux, l'indication sur un wattmètre est nulle si l'angle de phase est de 90°. L'aiguille du wattmètre sera tout simplement l'indicateur d'écart CDI.
Ce déphasage de 90° est effectué en amont dans les chaînes d'amplification du signal de référence.
Position relative TO/FROM
Cette relation de quadrature entre les signaux à comparer peut provoquer des confusions, les quadratures avant et arrière permettent d'obtenir une indication nulle (aiguille au centre) du CDI.
Sur le schéma ci-dessous on constate qu'il existe deux positions différentes de 90° par rapport à OP, la position OR' et la position OR lorsque l'indicateur d'écart est centré. Soit une indétermination de 180°
Ce qui signifie que l'indicateur peut fournir soit un relèvement magnétique à partir de la station vers l'aéronef QDR, soit un relèvement magnétique à partir de l'aéronef vers la station QDM. Pour lever ce doute un second déphasage de 90° est effectué. Les deux signaux (référence et variable) seront alors soit en phase soit en opposition. La comparaison s'effectue à l'aide d'un phasemètre qui indiquera si la phase de référence est en concordance ou en opposition avec la phase variable. Elle sera transmise à une indication permanente sous la forme d'un repère TO (vers la station) ou FROM (venant de la station) placé sur le cadrande l'indicateur.
Chaine automatique
Dans ce cas le déphasage doit être automatique et continu. Le chercheur est identique à la chaine manuelle, mais un phasemètre déclenche la rotation d'un moteur d'asservissement dans les deux sens.
Le branchement est conçu de façon que l'indication fournie soit toujours la trajectoire vers la station, il n'y a donc pas d'ambiguïté comme dans la chaine manuelle.
L’indication présentée par la chaine dépend uniquement de la modulation de la porteuse VHF. La direction du vol ou cap n’a aucune influence sur l’indication. Il est donc nécessaire de rajouter une information de cap magnétique.
Celle-ci est obtenue à l’aide d’un compas gyromagnétique (centrale de cap).
Ces deux informations combinées forment un RMI (Radio Magnétic Indicator).
L’aiguille du RMI est constamment pointée vers la station sol, mais cette indication est par rapport au Nord magnétique. Pour obtenir un gisement, il faudra composer l’azimut et le cap magnétique à l’aide d’un autosyn différentiel. (Appareils transducteurs qui peuvent être connectés entre eux de plusieurs manières pour former un système de mesure d'angle ou de position).
Le RMI indiquera le cap suivi par l’avion, le gisement de la station (angle entre le cap suivi et la pointe de l’aiguille) et surtout le relèvement magnétique de la station QDM de façon continue.
Présentation de l'information
Les informations d'un VOR peuvent également être affichées sur un HSI (horizontal situation indicator) ou sur le RMI (Radio Magnetic Indicator). Ci-dessous sur le HSI, le bouton Course (en bas à droite) remplace le bouton OBS et permet également de présélectionner un radial. La flèche indique la direction de la station. Le bouton HDG (en bas à gauche) affiche un cap et commande le pilote automatique.
Le RMI/DME ci-dessous peut afficher en même temps soit 2 VOR, soit 2 ADF, soit 1 VOR + 1 ADF.
Les indications des VOR sont présentées sur les écrans EFIS Navigation Display en Mode ARC ou en Mode Rose. Le Pointer indique la direction de la station sol et remplace le TO/FROM. Le Pointer disparait en cas de panne. Les flèches rose et verte en Mode Rose et les traits en pointillés en Mode Arc représentent respectivement les ADF1 (rose) et ADF2 (vert).
Les erreurs
Les erreurs susceptibles d'exister dans un système VOR sont :
- les erreurs de la station sol (antenne, alimentation etc)
- les erreurs dues aux effets de polarisation
- les erreurs dues au site topographie du terrain, bâtiments aux environs etc
- les erreurs du récepteur
