INSTRUMENTS   DE   RADIONAVIGATION

AUTOMATIC DIRECTION FINDER



- Principe de fonctionnement de l'émetteur

- Principe de fonctionnement du récepteur

- Boîtier de commande

-Présentation de l'information

Introduction

ADF ou NDB ces deux termes bien que différents sont souvent confondus. Le terme ADF pour Automatic Direction Finder appelé également Radio-compas en français désigne le récepteur à bord de l'aéronef. Alors que le terme NDB pour Non Directional Beacon ou Locator désigne la station émettrice au sol.

Station sol

La balise NDB est le plus ancienne des moyens de radionavigation puisqu'elle fut inventée en 1920 par Fisher. Cet émetteur radioélectrique non directionnel qui diffuse son signal dans toutes les directions et avec la même puissance, est basé sur le principe de la radiogoniomètrie.
Il existe trois types d'émetteurs:
- NDB souvent de grande portée de 100 à 200 Nm, il jalonne les voies aériennes. Son indicatif est généralement composé de trois lettres.
- Locator de portée réduite entre 15 et 30 Nm à proximité d'un aérodrome il est utilisé comme aide d'approche et d'atterrissage. Son indicatif est généralement composé de deux lettres. A ne pas confondre avec le localizer de l'ILS.
- Broadcasting system émetteurs de radiodiffusion de très grande portée comme RTL 234KHz ou RMC 216 KHZ.

Caractéristiques d'un NDB ou Locator

Ces stations sol peuvent émettre dans une plage de fréquences comprise de 190 à 1 750 kHz (réglementattion OACI) c'est à dire en moyenne fréquence MF et basse fréquence LF, mais les plus utilisées sont dans la plage de 200 à 450KHz .
La porteuse est émise en continu, seulement interrompue, à intervalles réguliers environ tous les 15 à 20 secondes pour transmettre son indicatif en code Morse.
Mais depuis le début de 2010, la plupart des balises aéronautiques françaises ont changé de format d'emission. Le nouveau format est une porteuse continue sur la fréquence d’émission et la transmission de l’indicatif à +/-400Hz de cette fréquence.
Les NDB sont classés selon leur puissance de sortie (haute, moyenne ou faible) comme suit :
H puissance de sortie de 2 000 W ou plus;
M puissance de sortie de 50 W à moins de 2 000 W;
L puissance de sortie de moins de 50 W.
La plupart des NDB sont installés par paires. Un émetteur principal et un émetteur de secours. Leurs paramètres sont constamment contrôlés et si certaines tolérances ne sont pas respectées, l'émetteur est automatiquement désactivé.

Le système de l’antenne ci-dessous de type ’’Marguerite’’ est basé sur le principe de la charge sommitale, ce qui lui confère un gain important par rapport à un mât de même hauteur.

Antenne NDB marguerite

L’antenne ci-dessous est de type ’’Parapluie’’ ce qui permet d'augmenter le gain de plusieurs dB par rapport à un mât de même hauteur et une bande passante supérieure. La partie rayonnante est constituée par le mât et la partie supérieure des haubans forme la capacité sommitale de l’aérien.

Antenne NDB parapluie

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Principe de fonctionnement de l'émetteur

Onde électromagnétique

Le qualificatif d'électromagnétique d'une onde radio exprime qu'elle est formée de deux composantes : un champ électrique E et un champ magnétique H . Les deux champs sont perpendiculaires l'un à l'autre, leurs amplitudes sont en rapport constant et leurs variations sont en phase.
Ci-dessous l'onde d'électromagnétique se propage dans le sens de la fléche. Elle est composée d'une partie électrique en bleu et d'une partie magnétique en rouge. La propagation de ces ondes s’effectue à une vitesse qui dépend du milieu considéré. Dans le vide, la vitesse de propagation est égale à 3.10 8m/s.

ADF OndeElectroMagnet

La polarisation de l'onde radio correspond à la direction du champ électrique de l'onde et uniquement du champs électrique. Une antenne positionnée verticalement donnera lieu à une polarisation verticale. Les ondes radio émises par une antenne verticale isotropique peuvent être représentées par une succession de sphères concentriques. Au sommet de l'antenne, et s'étendant vers le haut, existe un cône de silence de plus ou moins 10°. A noter que si l'antenne est positionnée horizontalement la polarisation sera horizontale.

ADFRayonnement

Les ondes radioélectriques ont des caractéristiques uniques selon leurs fréquences lorsqu'elles se propagent dans l'atmosphère. Les ondes très basses fréquences (VLF), LF et moyennes fréquences (MF) ont des longueurs d'onde relativement longues. Les ondes radio produites à ces fréquences allant de 3 kHz à 3 MHz sont appelées ondes de sol ou ondes de surface. Ces ondes suivent la courbure de la terre lorsqu'elles se déplacent de l'antenne émettrice à l'antenne réceptrice. Ceci est dû à la conductivité électrique des électrolytes, contenus dans les sols et les mers. Au dessus, même si l’onde de sol existe toujours, elle devient négligeable en regard de l’onde d’espace. Les ondes au sol sont particulièrement utiles pour les transmissions longue distance.

ADFOndesSolEspace

Les ondes des NDB prennent deux chemins différents jusqu'au récepteur du radio-compas. Le premier chemin, normal, longe la surface de la Terre. Le second chemin passe par une ou plusieurs couches de réfraction des ondes au-dessus de la Terre Voir Ionosphére, puis reviennent sur Terre pour se mélanger aux ondes directes. Ces changements complets dans la nature des ondes produisent des erreurs de direction.

ADFOndesMelangees.png

Le rapport entre l'intensité des ondes indirectes et les ondes directes dans le signal reçu détermine le risque d'erreur du radio-compas. Comme la force des ondes indirectes est beaucoup plus grande la nuit, les erreurs sont plus courantes et de plus grande ampleur: on parle alors d’effet «nuit». Cet effet est souvent plus prononcé moins d’une heure après le lever ou le coucher du soleil, lorsque les changements dans l’état d’ionisation de la haute atmosphère sont particulièrement intenses.
La plage de nuit d’un NDB n’est fiable que sur les distances où prédomine la transmission des ondes directes, soit environ 110 Km au-dessus de la terre et 180 Km au-dessus de la mer dans des conditions de propagation raisonnables pour un récepteur se trouvant au sol.
Dans le cas des balises "Locator", la faible puissance limite la transmission aux ondes de sol et la portée est donc rarement supérieure à 55 km de jour ou de nuit. Par conséquent, ces balises ne sont pratiquement pas affectées par l'effet de nuit.

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Instrument de bord - ADF

L' ADF acronyme de Automatic Direction Finder ou radio-compas est un radiogoniomètre perfectionné. Inventé à la fin des années 11920, il mesure l'écart angulaire (gisement) formé par l'axe de l'aéronef et la direction de la station sur laquelle il est accordé. Les principaux composants de l' ADF sont:
a - le récepteur.
b - une antenne cadre (mobile ou fixe).
c - une antenne de lever de doute (fixe).
d - un indicateur de gisement.
e - un boitier de commande pour afficher la fréquence.

Les premiers ADF étaient manuels c'est à dire que le pilote ou le radio-navigateur devait à l'aide d'une manivelle orienté l'antenne cadre de façon à rechercher l'extinction auditive. Actuellement tous les ADF sont automatiques et fournissent en permanence le gisement de la station sur laquelle ils sont accordés.

Antenne récepteur

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»
Antenne cadre ou loop. Utilise le champ magnétique plutôt que le champ électrique de l'onde. Les propriétés de l'antenne cadre sont hautement sensibles à la direction. Une onde radio interceptant directement la boucle provoque un flux de courant égal des deux côtés de la boucle. Cependant, la polarité des flux de courant est opposée. Cela les amène à s'annuler et à ne produire aucun signal. Lorsqu'une onde radio heurte l'antenne cadre dans le plan de la boucle, le courant est généré d'abord d'un côté, puis de l'autre côté. Cela fait que les flux de courant ont des phases différentes et que le signal le plus fort peut être généré sous cet angle. La différence de phase (et la force) du courant généré varie proportionnellement à l'angle auquel l'onde radio frappe la boucle de l'antenne. Malheureusement l'antenne cadre a un diagramme de rayonnement symétrique et il y a deux directions possibles pour l'émetteur, il est impossible de déterminer si le signal provient de la position 0 ° ou 180 °, d'où la nécessité d'une antenne de détection.

ADFOndesCadre

Antenne de levée de doute. Dans sa forme de base, l'antenne de levée de doute ou antenne de direction peut être une longue antenne filaire, autrefois montée du toit de la cabine de l’avion à la dérive. Pour les types d'antennes plus modernes, l'antenne cadre et l'antenne de levée de doutes sont situées dans le même boîtier en forme de "goutte", montées aussi près que possible de l'axe de l'aéronef. Cette antenne capacitive omnidirectionnelle est couplée à la composante électrique du signal.
A gauche ancienne antenne sur DC3. A doite antenne moderne placée sous le fuselage.

ADF Antenne DC3

Antenne à double cadre sans son boitier de protection.

ADF Antenne double loop

Principe de fonctionnement du récepteur

Le champ magnétique H induit une tension dans les enroulements de l'antenne cadre (loop). L'antenne cadre se compose de deux enroulements perpendiculaires sur un noyau de ferrite plat. En mesurant la différence de phase entre ces deux enroulements, l’ ADF est capable de déterminer la direction de la balise.
Le fonctionnement de tous les ADF repose sur le fait que le signal maximum est reçu lorsqu'une antenne cadre est alignée dans la direction du signal émis (voir ci-dessus Antenne cadre). Le corollaire est qu'un signal minimum, ou nul, se produit lorsque l'antenne cadre est perpendiculaire à la direction du signal émis. En pratique, toutefois, la position du signal minimum est utilisée car elle peut être déterminée avec plus de précision qu'un signal maximum. Une compensation appropriée est apportée en ensuite à l'indicateur pour permettre un changement de 90 degrés (puissance maximum).
Si un diagramme polaire est tracé afin de montrer la force du signal produit par l'antenne cadre à différents angles sur 360 °, le résultat est un chiffre huit avec la posibilité de recevoir deux signaux nuls, l'un à 180 degrés l'un de l'autre.

DigrammeLoop

Lorsqu'une station est syntonisée, le signal est reçu à la fois par l'antenne fixe (levée de doute) et l'antenne cadre. Les signaux reçus par l'antenne cadre sont acheminés du récepteur ADF vers le moteur de commande du cadre, ce qui permet de l'aligner dans la direction du signal reçu, c'est-à-dire qu'il pointe vers le signal nul. L'antenne fixe reçoit simplement la partie électrique du champ électromagnétique et produit une tension toujours en phase avec l'émetteur, son diagramme polaire est donc un cercle. En ajoutant le signal continu de l'antenne de levée de doute au signal alternatif du signal du cadre, le diagramme polaire résultant est une figure en forme de cœur, appelée cardioïde. L’ ADF peut faire maintenant la différence entre les deux valeurs nulles.
Notez que maintenant il n'y a qu'un seul nul qui est opposé au maximum du cadre, alors qu'avant d’ajouter l’élément de levée de doute, ils étaient deux et à 90°. Lorsque la direction du nul a été déterminée, la direction du NDB est exactement dans la direction opposée.

Digramme cardioide

Schéma de principe d'un récepteur ADF

Schema Recepteur

ADF modernes

Les systèmes ADF modernes disposent de deux antennes cadre montées à 90 ° l'une de l'autre. Le signal reçu induit une tension qui est envoyée à deux stators dans un résolveur ou un goniomètre. Les stators du goniomètre induisent une tension dans un rotor qui est corrélée au signal des boucles fixes. Le rotor est entraîné par un moteur pour rechercher le nul. Le même moteur fait tourner l'aiguille de l'instrument ADF dans le poste de pilotage pour afficher le relèvement magnétique ou relatif de la station.

ADFSchemaAntCadreFixe
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Boitiers de commande

Type de boitier de commande que l'on pouvait encore trouver dans les années 1980 sur des avions de transport anciens. La recherche de la fréquence était sensible et l'écoute de l'identification était impérative.

Boitier de commande ancien

Style des nouveaux boitiers de commande. L'affichage digital de la fréquence est simple et précise.

Boitier de commande actuel

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Présentation de l'information

L'indicateur classique d'un ADF, avec la possibilité de faire pivoter le cadran (la rose des caps) avec le bouton HDG (heading). Le gisement est l'angle formé entre l'axe de l'aéronef et la pointe de l'aiguille.

ADF Instru 1 Aiguil

Exemple ci-dessus: Si le cap Nord (360°) affiché sur le cadran correspond au cap magnétique réel suivi par l'aéronef, alors celui-ci se trouve sur le QDM 020. En prenant le cap 020° et sans vent l'aéronef survolera la balise au sol.

L'ADF ou les ADF peuvent également être intégrés dans un RMI (Radio Magnétic Indicator). Celui 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 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 de façon continue.

ADF sur RMI

Les ADF peuvent être également affichés sur les écrans E.F.I.S Navigation Display en Mode ARC ou en Mode Rose. Les flèches rose et verte en Mode Rose et les traits en pointillés en Mode ARC représentent respectivement les ADF1 (rose) et ADF2 (vert).

ADF ND Mode Rose
ADF ND Mode Arc

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