Onde radio Aviation

Les ondes radio, ça nous concerne ?

Nous sommes tous utilisateurs quotidiens d'appareils fonctionnant grâce aux ondes electro-magnétiques : télévision, téléphone portable, four micro-ondes, etc... Nous, pilotes du dimanche et des autres jours, en somme encore plus dépendants à bord de nos engins volants.
Les deux premiers exemples qui viennent naturellement à l'esprit sont les communications VHF et les équipements de radionavigation, mais les transpondeurs et GPS sont aussi concernés. Voici une description sommaire (très résumée !) des applications qui nous intéressent.

Mais au fait, c'est quoi une onde électromagnétique ?

Un peu d'histoire.
Huygens, puis plus tard Fresnel ont tout d'abord élaboré et défini la théorie ondulatoire de la lumière.
Maxwell (dont les équations ont provoqué les cauchemars de nombreux étudiants) a quant à lui défini les lois de l'élecromagnétisme et démontra que la lumière était une onde électromagnétique.
Grâce à lui les notions de vitesse de propagation furent introduites.
Les ondes radio à basse fréquence, comparée à celle de la lumière, d'onde furent découvertes ensuite par Popov et Hertz.

Aux ondes électromagnétiques on associera plusieurs phénomènes :

Propagation :

Ceci est la façon dont l'onde se propage dans un milieu, celui qui nous concerne étant les basses couches de l'atmosphère. La portée d'un signal radio dépend de la façon dont il se propage.

Réflexion :

Lorsque le milieu change, une partie de l'onde électromagnétique repart vers le milieu d'origine. Le radar primaire exploite ce phénomène.

Réfraction

Lorsque le milieu change, l'onde se propage dans le second milieu mais avec une direction différente. Ceci a une grande influence sur la propagation des ondes radio.

Diffusion

Dans certains cas, lorsqu'une onde rencontre un corps dont le milieu est différent, la diffusion influe sur la longueur d'onde et la fait augmenter ou diminuer. Ce phénomène est exploité par les radars cinémométriques (effet Doppler).

Interférences

Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques sont sujettes aux interférences. Elles ont pour conséquences les parasites lors des transmissions radio, ou encore les indications folles de l'ADF à proximité d'un CB, les exemples sont nombreux.

Diffraction

Ceci nous concerne peu, car concerne essentiellement les micro-ondes.

Par quoi est caractérisée une onde électromagnétique ?

Une onde radio est caractérisée par sa polarisation et sa longueur d'onde.
La polarisation de l'onde radio correspond à la direction du champ électrique de l'onde. Pour simplifier, une antenne positionnée verticalement donnera lieu à une polarisation verticale, et ça marche aussi pour l'horizontale.
A noter qu'il est nettement préférable que l'antenne d'émission et l'antenne de réception aient la même polarisation. C’est pourquoi les antennes de nos avions sont verticales dans la mesure du possible, tout comme les antennes des stations au sol. Dans le cas contraire, les pertes sont importantes.
Lorsqu'une onde se propage dans le vide, sa vitesse est de 3.10E8 m/s.
La longueur d'onde est définie comme le rapport : Vitesse de propagation / fréquence en Hz
Pour simplifier les calculs, on posera l'équation : Longueur d'onde en mètres = 300 / Fréquence en MHz

Classification des ondes

Les ondes radio sont classifiées en fonction de leur fréquence, donc de leur longueur d'onde. On parlait avant de Grandes Ondes, Moyennes Ondes, Petites Ondes, etc... Leur classification standardisée est la suivante :

ELF (extremely low frequency) de 3 Hz à 30 Hz
SLF (super low frequency) de 30 Hz à 300 Hz
ULF (ultra low frequency) de 300 Hz à 3 000 Hz
VLF (very low frequency) de 3 kHz à 30 kHz
LF (low frequency) de 30 kHz à 300 kHz
MF (medium frequency) de 300 kHz à 3 MHz
HF (high frequency) de 3 MHz à 30 MHz
VHF (very high frequency) de 30 MHz à 300 MHz
UHF (ultra high frequency) de 300 MHz à 3 GHz
SHF (super high frequency) de 3 GHz à 30 GHz
EHF (extremely high frequency) de 30 GHz à 300 GHz

L'utilisation des ondes radio dans l'aéronautique couvre une grande partie de ce spectre, cela va des balises NDB (à partir de 190 kHz donc MF) à la détection radar (bande X, 10 GHz donc SHF) en passant par la VHF pour les communications et VOR et par l'UHF pour les transpondeurs.

Les ondes radio ont des comportements différents selon leur longueur d’onde, leur portée en dépend.
On distinguera trois types d'ondes radio :

    1. Les ondes de sol, LF et MF

L'onde de sol est une onde de surface qui se propage en suivant la surface du sol. S'il est bon conducteur (océan, marais...) l'affaiblissement du champ électrique sera modéré et la portée importante, s'il est isolant (désert, sol sec...), l'onde de sol sera atténuée très rapidement.
Au dessus de 1 MHz, il arrive que l'onde de sol interfère avec l'onde réfléchie par l'ionosphère, nous verrons que ceci peut poser problème avec les NDB.

    2. Les ondes réfléchies par l'ionosphère

Les ondes HF permettent de couvrir de grandes distances car elles se réfléchissent sur le sol et sur l'ionosphère. En plusieurs rebonds, elles permettent donc de couvrir des milliers de kilomètres, voire de faire le tour de la terre. Elles sont utilisées (de plus en plus rarement suite à l'arrivée du datalink qui lui fonctionne par satellite) sur les liaisons transatlantiques.
La propagation par réflexion est très dépendante de la fréquence et du rayonnement solaire. Les conditions de propagation sur une même bande seront très différentes de jour ou de nuit.

    3. Les ondes à portée optique

Les ondes VHF et au delà sont, à quelques exception près, des ondes à portée optique. Leur trajectoire est directe, donc elle ne suit pas le sol, et elles sont absorbées par l'ionosphère. Une transmission ne pourra être effectuée que si le récepteur "voit" l'émetteur.
La formule de la portée optique en NM est : 1,23 x racine carrée (hauteur en pied)
Si vous volez à 5000 ft vous recevrez un VOR ou un ATS qui se trouve à moins de 1.23 x racine(5000) = 87 NM

Modulation

Le but d’un signal radio étant avant tout la transmission d’informations, on module la fréquence porteuse. Il existe différents types de modulation dont Modulation d'Amplitude (AM), la Modulation de Fréquence (FM), la Modulation de Phase (PM) et d’autres plus complexes.
La principale modulation utilisée en aéro est l'AM, tant pour les NDB que pour les comms et navs VHF. Les comms HF sont modulées en SSB (Single Side Band), également connue sous le nom de BLU (Bande Lattérale Unique).

Les moyens radio que nous utilisons en aviation

ADF
L'Automatic Direction Finder, qui donne la direction d’une balise NDB (Non Directional Beacon) dont on a affiché la fréquence, utilise la bande de 190 kHz à 1750 kHz, majoritairement MF.
Comme nous l'avons vu plus haut, les balises NDB émettent des ondes dites de sol, elle suivent la courbure de la terre et ceci explique que l'ADF puisse fonctionner au delà de la portée optique.
La portée d'un ADF sera par contre totalement différente en fonction du type de terrain survolé, la propagation étant bien plus importante au dessus de la mer qu'au dessus des terres. Il convient également de préciser que ces ondes sont légèrement sujettes à la réflexion sur l'ionosphère, ce qui peut engendrer des problèmes : un ADF peut par exemple devenir inopérant car la fréquence de la porteuse est légèrement modifiée à cause de la diffusion (fading).
Une autre source de perturbation de l'ADF est l'orage. Un éclair couvre un très large spectre, des VLF aux VHF. La puissance du signal d'un NDB, surtout si on en est loin, étant faible par rapport à la puissance électromagnétique émise par un éclair, le récepteur sera perturbé par les orages.
A noter qu'en affichant la fréquence d'une radio Moyennes Ondes sur l'ADF, non seulement on pourra écouter la radiodiffusion puisque le démodulateur de l'ADF est AM, mais en plus l'ADF nous indiquera la direction de l'émetteur. Pratique non ? (bof)

Communications VHF
Les communications entre ATS et appareils sont effectuées entre 118 et 136 MHz en VHF, modulation d'amplitude. Il n'y a pas trop de surprises en terme de propagation, leur portée est la portée optique dont tout le monde connaît la formule.

Communications UHF
Les militaires (et peut-être aussi certains appareils civils ?) utilisent la bande 225 – 400 MHz, majoritairement UHF. Leur comportement est sensiblement le même que pour les liaisons VHF.

Communications HF (pas très courant sur nos coucous)
Les communications HF sont effectuées sur de nombreuses fréquences situées entre 3 et 18 MHz. Leur portée étant dépendante du soleil, il y en a toujours une qui passe mieux que les autres en fonction de l’heure, et c’est celle-ci qu’on choisit. La qualité des communication est assez mauvaise (rappelez-vous, les ondes se réfléchissent sur le sol et l’ionosphère mais, en fonction de l’angle d’incidence au départ elles n’arrivent pas toutes au même moment), et tout le monde parle sur la même fréquence. Un dispositif d’appel sélectif (SELCAL) permet au récepteur à bord d’être muet lorsque le contrôle ne s’adresse pas à lui. Leur portée peut atteindre plusieurs milliers de kilomètres, pratique pour garder le contact au dessus de l’atlantique.

VOR
Les VOR (VHF Omni Range) utilisent la gamme de fréquence 108-118 MHz (donc VHF) en modulation d'amplitude. Leur portée est celle de la portée optique.

ILS
L’ILS (Instrument Landing System) est composé de deux émetteurs utilisant des bandes différentes.
Le localizer qui permet l’alignement latéral émet sur la bande 108-112 MHz (VHF), le glide qui permet l’alignement vertical émet sur la bande 329-335 MHz (UHF). Les deux ont une portée optique.

DME
Les DME (Distance Measuring Equipement) utilisent la bande de 960 à 1215 MHz, soit UHF. Leur portée est la portée optique.
Au fait, ça marche comment un DME ?
On a vu que la vitesse de propagation dans le vide était de 3.10E8 m/s. On va dire que c'est pareil dans l'air.
Si j'envoie une impulsion pour dire coucou au DME, et qu'il me répond coucou (après un délai de 50 µs), je mesure le temps entre l'émission de mon coucou et la réception de son coucou, ça me donne une distance que je divise par deux (aller-retour) et le tour est joué.

Transpondeur
Les transpondeurs utilisent la fréquence 1030 MHz, soit UHF. Leur portée est la portée optique.

GPS
Les satellites GPS (Global Positioning System) utilisent la gamme 1200 - 1600 MHz, soit UHF, leur portée est également optique. Si un satellite est invisible du récepteur GPS, il ne sera pas reçu…

Et si on parlait radio ?
Les ondes radio, ça nous concerne ? Nous sommes tous utilisateurs quotidiens d'appareils fonctionnant grâce aux ondes electro-magnétiques : télévision, téléphone portable, four micro-ondes, etc... Nous, pilotes du dimanche et des autres jours, en somme encore plus dépendants à bord de nos engins volants. Les deux premiers exemples qui viennent naturellement à l'esprit sont les communications VHF et les équipements de radionavigation, mais les transpondeurs et GPS sont aussi concernés. Voici une description sommaire (très résumée !) des applications qui nous intéressent. Mais au fait, c'est quoi une onde électromagnétique ? Un peu d'histoire. Huygens, puis plus tard Fresnel ont tout d'abord élaboré et défini la théorie ondulatoire de la lumière. Maxwell (dont les équations ont provoqué les cauchemars de nombreux étudiants) a quant à lui défini les lois de l'élecromagnétisme et démontra que la lumière était une onde électromagnétique. Grâce à lui les notions de vitesse de propagation furent introduites. Les ondes radio à basse fréquence, comparée à celle de la lumière, d'onde furent découvertes ensuite par Popov et Hertz. Aux ondes électromagnétiques on associera plusieurs phénomènes : Propagation : Ceci est la façon dont l'onde se propage dans un milieu, celui qui nous concerne étant les basses couches de l'atmosphère. La portée d'un signal radio dépend de la façon dont il se propage. Réflexion : Lorsque le milieu change, une partie de l'onde électromagnétique repart vers le milieu d'origine. Le radar primaire exploite ce phénomène. Réfraction Lorsque le milieu change, l'onde se propage dans le second milieu mais avec une direction différente. Ceci a une grande influence sur la propagation des ondes radio. Diffusion Dans certains cas, lorsqu'une onde rencontre un corps dont le milieu est différent, la diffusion influe sur la longueur d'onde et la fait augmenter ou diminuer. Ce phénomène est exploité par les radars cinémométriques (effet Doppler). Interférences Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques sont sujettes aux interférences. Elles ont pour conséquences les parasites lors des transmissions radio, ou encore les indications folles de l'ADF à proximité d'un CB, les exemples sont nombreux. Diffraction Ceci nous concerne peu, car concerne essentiellement les micro-ondes. Par quoi est caractérisée une onde électromagnétique ? Une onde radio est caractérisée par sa polarisation et sa longueur d'onde. La polarisation de l'onde radio correspond à la direction du champ électrique de l'onde. Pour simplifier, une antenne positionnée verticalement donnera lieu à une polarisation verticale, et ça marche aussi pour l'horizontale. A noter qu'il est nettement préférable que l'antenne d'émission et l'antenne de réception aient la même polarisation. C’est pourquoi les antennes de nos avions sont verticales dans la mesure du possible, tout comme les antennes des stations au sol. Dans le cas contraire, les pertes sont importantes. Lorsqu'une onde se propage dans le vide, sa vitesse est de 3.10E8 m/s. La longueur d'onde est définie comme le rapport : Vitesse de propagation / fréquence en Hz Pour simplifier les calculs, on posera l'équation : Longueur d'onde en mètres = 300 / Fréquence en MHz Classification des ondes Les ondes radio sont classifiées en fonction de leur fréquence, donc de leur longueur d'onde. On parlait avant de Grandes Ondes, Moyennes Ondes, Petites Ondes, etc... Leur classification standardisée est la suivante : ELF (extremely low frequency) de 3 Hz à 30 Hz SLF (super low frequency) de 30 Hz à 300 Hz ULF (ultra low frequency) de 300 Hz à 3 000 Hz VLF (very low frequency) de 3 kHz à 30 kHz LF (low frequency) de 30 kHz à 300 kHz MF (medium frequency) de 300 kHz à 3 MHz HF (high frequency) de 3 MHz à 30 MHz VHF (very high frequency) de 30 MHz à 300 MHz UHF (ultra high frequency) de 300 MHz à 3 GHz SHF (super high frequency) de 3 GHz à 30 GHz EHF (extremely high frequency) de 30 GHz à 300 GHz L'utilisation des ondes radio dans l'aéronautique couvre une grande partie de ce spectre, cela va des balises NDB (à partir de 190 kHz donc MF) à la détection radar (bande X, 10 GHz donc SHF) en passant par la VHF pour les communications et VOR et par l'UHF pour les transpondeurs. Les ondes radio ont des comportements différents selon leur longueur d’onde, leur portée en dépend. On distinguera trois types d'ondes radio : 1. Les ondes de sol, LF et MF L'onde de sol est une onde de surface qui se propage en suivant la surface du sol. S'il est bon conducteur (océan, marais...) l'affaiblissement du champ électrique sera modéré et la portée importante, s'il est isolant (désert, sol sec...), l'onde de sol sera atténuée très rapidement. Au dessus de 1 MHz, il arrive que l'onde de sol interfère avec l'onde réfléchie par l'ionosphère, nous verrons que ceci peut poser problème avec les NDB. 2. Les ondes réfléchies par l'ionosphère Les ondes HF permettent de couvrir de grandes distances car elles se réfléchissent sur le sol et sur l'ionosphère. En plusieurs rebonds, elles permettent donc de couvrir des milliers de kilomètres, voire de faire le tour de la terre. Elles sont utilisées (de plus en plus rarement suite à l'arrivée du datalink qui lui fonctionne par satellite) sur les liaisons transatlantiques. La propagation par réflexion est très dépendante de la fréquence et du rayonnement solaire. Les conditions de propagation sur une même bande seront très différentes de jour ou de nuit. 3. Les ondes à portée optique Les ondes VHF et au delà sont, à quelques exception près, des ondes à portée optique. Leur trajectoire est directe, donc elle ne suit pas le sol, et elles sont absorbées par l'ionosphère. Une transmission ne pourra être effectuée que si le récepteur "voit" l'émetteur. La formule de la portée optique en NM est : 1,23 x racine carrée (hauteur en pied) Si vous volez à 5000 ft vous recevrez un VOR ou un ATS qui se trouve à moins de 1.23 x racine(5000) = 87 NM Modulation Le but d’un signal radio étant avant tout la transmission d’informations, on module la fréquence porteuse. Il existe différents types de modulation dont Modulation d'Amplitude (AM), la Modulation de Fréquence (FM), la Modulation de Phase (PM) et d’autres plus complexes. La principale modulation utilisée en aéro est l'AM, tant pour les NDB que pour les comms et navs VHF. Les comms HF sont modulées en SSB (Single Side Band), également connue sous le nom de BLU (Bande Lattérale Unique). Les moyens radio que nous utilisons en aviation ADF L'Automatic Direction Finder, qui donne la direction d’une balise NDB (Non Directional Beacon) dont on a affiché la fréquence, utilise la bande de 190 kHz à 1750 kHz, majoritairement MF. Comme nous l'avons vu plus haut, les balises NDB émettent des ondes dites de sol, elle suivent la courbure de la terre et ceci explique que l'ADF puisse fonctionner au delà de la portée optique. La portée d'un ADF sera par contre totalement différente en fonction du type de terrain survolé, la propagation étant bien plus importante au dessus de la mer qu'au dessus des terres. Il convient également de préciser que ces ondes sont légèrement sujettes à la réflexion sur l'ionosphère, ce qui peut engendrer des problèmes : un ADF peut par exemple devenir inopérant car la fréquence de la porteuse est légèrement modifiée à cause de la diffusion (fading). Une autre source de perturbation de l'ADF est l'orage. Un éclair couvre un très large spectre, des VLF aux VHF. La puissance du signal d'un NDB, surtout si on en est loin, étant faible par rapport à la puissance électromagnétique émise par un éclair, le récepteur sera perturbé par les orages. A noter qu'en affichant la fréquence d'une radio Moyennes Ondes sur l'ADF, non seulement on pourra écouter la radiodiffusion puisque le démodulateur de l'ADF est AM, mais en plus l'ADF nous indiquera la direction de l'émetteur. Pratique non ? (bof) Communications VHF Les communications entre ATS et appareils sont effectuées entre 118 et 136 MHz en VHF, modulation d'amplitude. Il n'y a pas trop de surprises en terme de propagation, leur portée est la portée optique dont tout le monde connaît la formule. Communications UHF Les militaires (et peut-être aussi certains appareils civils ?) utilisent la bande 225 – 400 MHz, majoritairement UHF. Leur comportement est sensiblement le même que pour les liaisons VHF. Communications HF (pas très courant sur nos coucous) Les communications HF sont effectuées sur de nombreuses fréquences situées entre 3 et 18 MHz. Leur portée étant dépendante du soleil, il y en a toujours une qui passe mieux que les autres en fonction de l’heure, et c’est celle-ci qu’on choisit. La qualité des communication est assez mauvaise (rappelez-vous, les ondes se réfléchissent sur le sol et l’ionosphère mais, en fonction de l’angle d’incidence au départ elles n’arrivent pas toutes au même moment), et tout le monde parle sur la même fréquence. Un dispositif d’appel sélectif (SELCAL) permet au récepteur à bord d’être muet lorsque le contrôle ne s’adresse pas à lui. Leur portée peut atteindre plusieurs milliers de kilomètres, pratique pour garder le contact au dessus de l’atlantique. VOR Les VOR (VHF Omni Range) utilisent la gamme de fréquence 108-118 MHz (donc VHF) en modulation d'amplitude. Leur portée est celle de la portée optique. ILS L’ILS (Instrument Landing System) est composé de deux émetteurs utilisant des bandes différentes. Le localizer qui permet l’alignement latéral émet sur la bande 108-112 MHz (VHF), le glide qui permet l’alignement vertical émet sur la bande 329-335 MHz (UHF). Les deux ont une portée optique. DME Les DME (Distance Measuring Equipement) utilisent la bande de 960 à 1215 MHz, soit UHF. Leur portée est la portée optique. Au fait, ça marche comment un DME ? On a vu que la vitesse de propagation dans le vide était de 3.10E8 m/s. On va dire que c'est pareil dans l'air. Si j'envoie une impulsion pour dire coucou au DME, et qu'il me répond coucou (après un délai de 50 µs), je mesure le temps entre l'émission de mon coucou et la réception de son coucou, ça me donne une distance que je divise par deux (aller-retour) et le tour est joué. Transpondeur Les transpondeurs utilisent la fréquence 1030 MHz, soit UHF. Leur portée est la portée optique. GPS Les satellites GPS (Global Positioning System) utilisent la gamme 1200 - 1600 MHz, soit UHF, leur portée est également optique. Si un satellite est invisible du récepteur GPS, il ne sera pas reçu… comment fonctionne une antenne Un courant circulant dans un conducteur crée autour de lui un champ magnétique dont les lignes de forces s'étendent sur un plan perpendiculaire au conducteur. Si on envoie de l'énergie haute fréquence dans un conducteur, cette énergie va atteindre l'extrémité, puis rétrograder et ainsi de suite, un régime d'onde stationnaires va s'établir. Le champ électromagnétique sera proportionnel au courant envoyé dans le conducteur. Si la longueur du conducteur est telle que les ventres et noeuds de tension se retrouvent au même endroit à l'aller et au retour, le conducteur sera "accordé" sur la fréquence. L'immense majorité des antennes est basée sur le doublet demi-onde, deux sections de conducteur de longueur L/4 alimentées en leur centre. Quand le sol est bon conducteur, il agit comme un réflecteur et peut jouer le rôle du second demi-doublet. C'est le principe de fonctionnement de l'antenne Ground Plane (1/4 d'onde dont le second 1/4 est constitué par le sol). Le sol peut (avantageusement) être remplacé par une surface métallique, ou quelques conducteurs perpendiculaires au brin rayonnant appelés radians. L'antenne la plus courante sur ce principe est celle de l'autoradio : le brin 1/4 d'onde est (devrait être...) vertical, et la toiture de la voiture forme un plan de masse créant "l'image" du second 1/4 d'onde. On applique le même principe aux avions. La seule relation a retenir c'est : "plus c'est puissant, plus la portée est importante, mais pas toujours" La portée va dépendre de : - La fréquence - La puissance d'émission - Des pertes dans la ligne de transmission entre l'émetteur et l'antenne - Du gain de l'antenne d'émission - Du gain de l'antenne de réception - Des pertes dans la ligne de transmission entre l'antenne et le récepteur - De la sensibilité du récepteur Difficile de tirer une relation simple. Il existe des modèles mathématiques ...
Voir aussi : Antennes VFR - ULM
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