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Caractéristiques des signaux modulés en amplitude
Modulation d’amplitude
Il est nécessaire ici de rappeler les fondements de la modulation d’amplitude, car ce principe est utilisé lors de l’émission des signaux ILS.
La modulation (d’amplitude, de fréquence, de phase) permet de transmettre par voie hertzienne des signaux qui seraient masqués par le bruit ambiant s’ils étaient émis directement (signaux de fréquences faibles). De plus, comme les antennes ont une dimension de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde, elles seraient irréalisables (en effet, pour un signal de fréquence f = 1 KHz , la formule λ = fc donne = 300 Km ). On va ainsi utiliser un signal porteur de fréquence élevée qui va être modulé par le signal à transmettre (signal modulant) [2].
Plus la fréquence de la porteuse est grande, plus la taille de l’antenne est petite et plus la portée du signal est grande.
Considérons une porteuse d’équation : pt = PM × cos2πf p t + (1.01)
La modulation d’amplitude consiste à faire varier l’amplitude PM de cette porteuse sans changer sa fréquence fp et sa phase φ, au rythme de l’information à transmettre (Signal modulant) [3]. Le signal modulant d’amplitude EM et de fréquence fm a pour équation : et = EM ×cos2πf mt (1.02)
Il faut que f p fm .
Ces deux signaux vont être acheminés vers un multiplieur qui va réaliser l’opération (cf. figure 1.01) : st = K ×et×pt (1.03).
Présentation générale de l’I.L.S
Généralités sur l’I.L.S
Le Système d’atterrissage aux instruments ou Instrument Landing System (ILS) fut créé en 1932 par Standard Elektric Lorenz (SEL) en Allemagne. Le développement de l’ILS était nécessaire afin de pouvoir voler et atterrir indépendamment du moment de la journée, surtout en cas de mauvaise visibilité ou de visibilité nulle. Utilisé depuis 1947 pour des applications civiles, l’ILS est un système automatique d’aide à l’atterrissage, le moyen de radionavigation le plus fiable utilisé lors d’approches en condition météorologiques dégradées (atterrissage nocturne, présence de brume, brouillard, pluie…), fournissant au pilote un guidage de précision dans les plans verticaux et horizontaux jusqu’au point d’impact sur la piste [5] [6] [7].
Principe de fonctionnement
Définition de la trajectoire d’approche et d’atterrissage
On peut définir la trajectoire d’approche et d’atterrissage comme l’intersection du plan vertical passant par l’axe de la piste avec le plan oblique qui passe par le point d’impact et fait avec le plan horizontal de la piste l’angle utilisé par l’avion pour effectuer sa descente [8] [9].
Infrastructure de l’I.L.S
L’infrastructure ILS se compose de 3 composants essentiels [1] :
• Le Radioalignement de piste (RAP) : dit encore LOCALIZER, qui fournit au pilote des informations continues d’écarts par rapport à un plan vertical contenant l’axe de la piste ;
• Le radioalignement de descente (RAD) : dit encore GLIDE PATH qui fournit au pilote des informations continues d’écarts par rapport à un plan oblique de descente aboutissant à la piste ;
• Les Markers ou radiobornes qui fournissent au pilote des informations discontinues de distances par rapport au seuil de la piste.
Plan de fréquence et polarisation
• Le Localizer fonctionne dans la bande de fréquence VHF de 108 à 112 MHz. Cette bande autorise 40 canaux centrés sur tous les 1/10 de MHz impairs.
• Le Glide occupe la bande de fréquence UHF de 329 à 335 MHz et 40 canaux de cette bande sont directement appariés aux 40 canaux Localizer.
• Les radiobornes fonctionnent tous sur la fréquence 75 MHz
Le récepteur de l’avion reçoit en continu deux signaux : un signal du Localizer et un signal du Glide. Quand le récepteur est réglé sur la fréquence du Localizer, la fréquence du Glide est automatiquement accordée sur le deuxième récepteur. Le signal d’un radioborne n’est reçu qu’en des endroits très précis sur la trajectoire d’approche et d’atterrissage. [1]
Polarisation : L’émission du Localizer et celle du Glide seront polarisées horizontalement [10].
Indicatif
Séparer l’identification de l’ILS Localizer et du Glide Path n’est pas nécessaire étant donné que leurs fréquences sont directement appariées : la sélection de la fréquence VHF du Localizer alimente automatiquement les circuits du récepteur du Glide. L’ILS est caractérisé par un indicatif propre à la piste et à la direction d’approche. Cet indicatif se compose de 2 ou 3 lettres, en code morse, transmis en type de modulation A2A (modulation d’amplitude avec porteuse), avec une fréquence de modulation 1020 Hz et commence généralement par la lettre « I ». L’indicatif est transmis toutes les 10 secondes, en code morse, audible ; s’il n’y a pas d’identification, l’ILS ne doit pas être utilisé et est considéré comme hors service [9].
Exemple : I-TOU, pour l’identification de l’ILS de la piste de l’aéroport de Toulouse.
L’indicatif du radioborne dépend du type de radioborne utilisé.
Principe de fonctionnement du Localizer
Emission du signal
Afin de faciliter l’étude du système, on considère deux antennes directives situées de part et d’autre de l’axe de la piste qui émettent des signaux modulés en amplitude (avec porteuse) à des fréquences différentes dans le prolongement de l’axe de la piste. L’antenne située sur le côté droit de la piste rayonne un signal porteur modulé par un signal sinusoïdal de 150 Hz et l’antenne située sur le côté gauche émet un signal porteur de même fréquence modulé par un signal sinusoïdal de fréquence 90 Hz. La distance séparant les deux antennes et l’angle entre les deux faisceaux sont relativement faibles (cf. figure 2.01). Le système utilisé est dit « équisignal » [2] [11].
Chaque porteuse est modulée à 40 % ( m loc 0.4 ) par son signal sinusoïdal. Les amplitudes des deux porteuses et leurs phases sont identiques [2].
Interprétation du spectre et calcul du DDMloc (différence de modulation du Localizer)
Les spectres des signaux émis par chacun des antennes ont la forme suivante (cf. figure 2.02) : Afin de comprendre le phénomène mis en jeu, on va considérer un avion pouvant se trouver à trois endroits différents par rapport à l’axe de la piste lors d’une approche et analyser le spectre du signal reçu par le récepteur Localizer de l’avion.
1er cas (cf. figure 2.01) : L’avion est aligné sur l’axe de piste (point A). Le récepteur ILS reçoit autant d’énergie des deux signaux à cause de la symétrie. Les amplitudes des deux porteuses s’additionnent (elles sont en phase) mais pas les bandes latérales de 90 Hz et 150 Hz.
L’amplitude de la porteuse ayant doublé, son taux de modulation passe de m loc 0.440% à m ,loc 0.220%.
Diagramme de rayonnement
Le diagramme de rayonnement du Localizer est un diagramme de rayonnement double comprenant [1] :
• Un diagramme directif (lobe principale) qui définit l’axe d’alignement de la piste (angle d’ouverture de100 de part et d’autre de l’axe de piste).
• Un diagramme de couverture qui masque les faux axes créés par les lobes secondaires. Le signal principal directif du Localizer s’appelle le signal directionnel et le signal servant à masquer les lobes secondaires est dit signal de couverture ou signal Clearance.
Antennes d’alignement d’un diagramme directif :
En réalité l’émission du Localizer est réalisée par un réseau d’antennes disposées en ligne et alimentées avec des amplitudes et des phases définies générant ainsi une modulation d’espace, de façon à créer un diagramme très directif [12].
• D : envergure du réseau d’antennes ;
• ϴ : ouverture angulaire du faisceau Localizer ( 30 ) ;
• d : espacement entre chaque antenne ( d ) ;
• E : valeur du champ électromagnétique au point considéré ;
Chaque antenne émet une partie du 90 Hz et du 150 Hz afin de réaliser la génération d’un faisceau de guidage latéral dans l’espace. Aussi, utilise-t-on plutôt des antennes moyennement directives, mais précisément espacées les unes des autres et couplées en réseau afin de créer un diagramme de rayonnement commun, suffisamment étroit. Le récepteur reçoit ainsi de l’énergie des deux antennes principales et le champ électromagnétique combiné reçu par l’aéronef possède les deux amplitudes de modulation du 150 Hz et du 90 Hz.
Le gain diminue très vite avec l’azimut, d’où la création d’un lobe principal du diagramme dont on définit « l’ouverture à 3 dB » entre mi- densité de puissance (correspondant au secteur compris entre les points à E ). La plus grande partie de la puissance rayonnée se trouve dans ce lobe, son ouverture angulaire est d’environ 3° et varie proportionnellement avec l’inverse de l’envergure D du réseau.
Le réseau d’antennes, situé derrière la piste, rayonne une porteuse VHF modulée en amplitude par 2 fréquences BF 90 Hz et 150 Hz de telle façon que les taux de modulation soient fonctions de l’azimut avec des variations opposées de part et d’autre de l’alignement et tel que leur différence (DDM) soit proportionnelle à l’écart angulaire.
Le système utilisé est constitué de 12 antennes d’une longueur chacune de λ/2 et espacée de λ/2 avec réflecteur, fournissant un diagramme de rayonnement très directif dans un secteur de 10o de part et d’autre de l’axe de piste. Le diagramme obtenu a des lobes parasites qui vont être masquées par le diagramme de couverture (Clearance).
Emplacement des antennes : les antennes sont disposées à une distance l = 300 m derrière la piste d’atterrissage [9].
Antennes de couverture :
Cependant, même émis avec un diagramme étroit dans l’axe, les signaux Localizer ne garantissent pas une sécurité suffisante. En effet, il est toujours possible de voir un aéronef se diriger vers le seuil de la piste en suivant une direction différente de celle de son axe. Ceci est dû à l’inévitable présence des lobes secondaires (cf. figure 2.06) sur les diagrammes de rayonnement des antennes différentielles. Ces lobes se situent de part et d’autre de l’axe de la piste et sortent largement de l’enveloppe comprise entre200 souhaitée. Un pilote pourrait donc suivre un faisceau secondaire qui, en apparence, semble tout à fait normal [12].
Pour remédier à ce problème, une zone de couverture appelée Clearance, en forme de haricot (cf.
figure 2.09), créée par un ensemble d’antennes directionnelles a été mise en place.
Cette zone couvre les faisceaux incorrects (faisceaux latéraux et arrières) par l’émission d’un signal dont la fréquence est décalée (si ces signaux étaient à une fréquence identique, ils s’ajouteraient et accentueraient le phénomène). Le signal de couverture est modulé en amplitude à 90 Hz et à 150 Hz avec un taux de modulation m 0.4 (modulation AM avec porteuse). Cette émission supplémentaire ne fournit pas d’indication de guidage, mais uniquement une information du type « tout à gauche » ou « tout à droite ». L’émetteur du signal de couverture émet une fréquence de 4,75 KHz en dessous du signal de guidage.
Fréquence et taux de modulation
Elles sont situées dans la bande de fréquence de 108 à 112 MHz, décimal impair.
Les taux de modulation 90 Hz et du 150 Hz sont de 20%. En plus de ces signaux, le signal du Localizer est aussi modulé par le signal BF de 1020 Hz d’identification de la piste utilisée. Le taux de modulation pour l’identification de la station est de 5 à 15% pour le 1020 Hz. L’identification sera transmise au moins 6 fois par minute, elle sera constitué de lettre I suivi de la station 2 ou 3 lettres [1] [2] [5].
Exemple : I-TOU.
L’émetteur du signal de couverture Clearance émettra sur une fréquence de 4,75 kHz en dessous du signal de guidage.
Sources d’erreurs
Erreurs relatives à l’environnement et à l’installation sol
Erreurs de réflexion parasite :
Les effets des obstacles peuvent être atténués en :
• Plaçant un écran absorbant entre les aériens et les obstacles
• Disposant d’aériens d’émission très directive
• Déplaçant définitivement l’obstacle.
Erreurs de stations (fixe) : dues au déséquilibre du taux de modulation et aux déréglages des antennes qui requièrent un calibrage régulier.
Erreurs relatives à l’aéronef
• Erreur du récepteur de bord : erreur de centrage de l’instrument.
• Erreur de pilotage (variable suivant le mode automatique ou manuel)
Principe de fonctionnement du Glide Path
Emission du signal
Le principe est identique à celui du Localizer. Un système d’aérien directif dans le plan vertical rayonne de façon différente des porteuses modulées à 90Hz et 150Hz. La mesure de la différence de taux de modulation permet de connaître l’écart par rapport au plan de descente, celui-ci étant matérialisé par l’égalité des modulations. Le principe de fonctionnement est quasiment identique à celui du Localizer : c’est un système Localizer tourné virtuellement sur le côté dont le diagramme de rayonnement est semblable (cf. figure 3.01). La pente de descente définie par le Glide Path est généralement comprise entre 2o et 4o [2] [9].
Les variations des taux de modulation 90 Hz et 150 Hz sont symétriques par rapport au plan oblique de descente à suivre pour atterrir sans risque.
Chaque porteuse est modulée à 80 % ( m gd 0.8 ) par son signal sinusoïdal. Les amplitudes des deux porteuses sont identiques ainsi que leurs phases [2].
Interprétation du spectre et calcul du DDMgd (Différence de modulation du Glide)
Les spectres des signaux émis par chacun des antennes ont la forme suivante (cf. figure 3.02) : On va considérer un avion pouvant se trouver à trois positions différentes par rapport à la pente de descente lors d’une approche et analyser le spectre du signal reçu par le récepteur.
1er cas (cf. figure 3.01) : L’avion suit la pente de descente. Le récepteur ILS reçoit autant d’énergie des deux signaux à cause de la symétrie. Les amplitudes des deux porteuses s’additionnent (elles sont en phase) mais pas les bandes latérales de 90 Hz et 150 Hz.
L’amplitude de la porteuse ayant doublé, son taux de modulation passe de m gd 0.880% à m ,gd 0.440% .
Caractéristiques de l’installation sol
Secteur de descente – sensibilité d’écart angulaire de la norme OACI
Le secteur d’alignement de descente est défini comme la zone centrée sur la pente de descente idéale et dans laquelle, l’avion reçoit correctement le signal Glide. On peut ainsi y distinguer la variation de la DDMgd traduit par le déplacement d’une aiguille indicatrice d’écart en degré, et hors de cette zone, l’aiguille reste en butée, indiquant une position de l’avion trop haut ou trop bas. Ce secteur est défini comme suit [1]:
L’indicateur d’écart provoque une mise en butée inférieure ou supérieure correspondant à un DDM gd0.175 qui délimite les bords supérieurs et inférieurs du secteur d’alignement de descente.
Principe de fonctionnement
Fréquence d’utilisation
Les trois radiobalises émettent des signaux directifs verticaux sur une fréquence porteuse unique de 75 MHz modulé par une fréquence BF caractéristique au type de marker utilisé [1] [2] [4] [9].
Fonctionnement et caractéristiques des différents markers
Chaque station sol émet un signal modulé en amplitude sur une fréquence de 75 MHz avec une puissance variant de 3 à 5 W. Les faisceaux d’émission sont à rayonnement vertical et ils forment des cônes verticaux étroits de telle sorte à ce que leurs pointes soient situées vers le bas. La puissance de sortie diminue pour le Middle Marker et l’Inner Marker car l’altitude de l’avion est plus basse quand il les survole.
Le survol de l’un de ces balises déclenche des signaux d’alertes :
• visuelles (clignotement des lampes de différents couleurs).
• auditives tonalité en code morse.
Chaque MARKER a sa propre particularité en ce qui concerne le taux de modulation, la couleur des lampes témoins, la longueur de la durée d’interception ainsi que le code morse auditif d’identification. On peut ainsi dresser le tableau détaillant les caractéristiques de chaque balise [2].
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LES TECHNIQUES UTILISEES ET PRESENTATION DE L’I.L.S
1.1 Introduction
1.2 Généralités
1.3 Caractéristiques des signaux modulés en amplitude
1.3.1 Modulation d’amplitude
1.3.2 Modulation d’amplitude à porteuse supprimée
1.3.3 Modulation d’amplitude avec porteuse
1.4 Présentation générale de l’I.L.S
1.4.1 Généralités sur l’I.L.S
1.4.2 Principe de fonctionnement
1.4.3 Plan de fréquence et polarisation
1.4.4 Indicatif
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 LE RADIOALIGNEMENT DE PISTE OU LOCALIZER
2.1 Introduction
2.2 Principe de fonctionnement du Localizer
2.2.1 Emission du signal
2.2.2 Interprétation du spectre et calcul du DDMloc (différence de modulation du Localizer)
2.3 Diagramme de rayonnement
2.3.1 Antennes d’alignement d’un diagramme directif
2.3.2 Antennes de couverture
2.3.3 Spectre totale du signal Localizer
2.4 Caractéristiques de l’installation sol
2.4.1 Sensibilité d’écart – Norme OACI (Organisation de l’Aviation Civile Internationale)
2.4.2 Fréquence et taux de modulation
2.4.3 Couverture volumétrique et puissance
2.5 Equipements de bord
2.5.1 Constitution
2.5.2 Synoptique d’un récepteur Localizer
2.5.3 Dispositif d’affichage
2.6 Utilisation du Localizer
2.7 Sources d’erreurs
2.7.1 Erreurs relatives à l’environnement et à l’installation sol
2.7.2 Erreurs relatives à l’aéronef
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 LE RADIOALIGNEMENT DE DESCENTE OU GLIDE PATH
3.1 Introduction
3.2 Principe de fonctionnement du Glide Path
3.2.1 Emission du signal
3.2.2 Interprétation du spectre et calcul du DDMgd (Différence de modulation du Glide)
3.3 Diagramme de rayonnement
3.3.1 Diagramme nulle référence
3.3.2 Caractéristiques du Glide nulle référence
3.4 Caractéristiques de l’installation sol
3.4.1 Secteur de descente – sensibilité d’écart angulaire de la norme OACI
3.4.2 Fréquence et taux de modulation
3.4.3 Couverture volumétrique et puissance
3.5 Equipements de bord
3.5.1 Constitution
3.5.2 Synoptique du récepteur Glide
3.5.3 Dispositif d’affichage
3.6 Utilisation du Glide
3.7 Sources d’erreurs
3.8 Particularités du Glide
3.8.1 Apparition de faux axes du Glide
3.8.2 Limite d’utilisation du Glide
3.9 Conclusion
CHAPITRE 4 LES RADIOBORNES ET PERFORMANCES GLOBALES DE L’ILS
4.1 Introduction
4.2 Caractéristiques générales
4.3 Principe de fonctionnement
4.3.1 Fréquence d’utilisation
4.3.2 Fonctionnement et caractéristiques des différents markers
4.4 Equipements au sol pour une balise
4.4.1 Constitution
4.4.2 Disposition spatiale des Markers
4.5 Equipements de bord
4.5.1 Constitution
4.5.2 Synoptique du récepteur de bord
4.5.3 Dispositif d’affichage.
4.6 Utilisation des informations ILS
4.6.1 Calcul du taux de descente de l’avion
4.6.2 Calcul de la distance d’écart par rapport à l’axe de la piste
4.6.3 Anticipation de l’affichage de l’indication du Glide
4.7 Catégories d’approches ILS
4.8 Informations globales et précisons du système ILS
4.8.1 Erreurs globales du système ILS
4.8.2 Norme OACI sur la précision du système ILS
4.9 Conclusion
CHAPITRE 5 SIMULATION SOUS MATLAB
5.1 Introduction
5.2 Présentation du logiciel de simulation « MATLAB »
5.3 Présentation de la simulation
5.4 Paramétrage
5.5 Simulation
5.6 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE 1 : CANAUX D’ACCORD DU RECEPTEUR ILS
ANNEXE 2 : CODE SOURCE D’UNE SIMPLE INTERFACE UTILISATEUR
BIBLIOGRAPHIE
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