11.5.2

1. Vol automatique (ATA 22)

a) Généralités

• Système de gestion du vol automatique (AFS) : système électronique surveillé en permanence, initialement utilisé en croisière, aujourd’hui capable de gérer la croisière complète et l’atterrissage.
• Objectifs :
  • Réduire la charge de travail des pilotes.
  • Améliorer la sécurité et la régularité des vols.
  • Économiser du carburant en maintenant une altitude optimale (1% de carburant en plus par 1000 pieds sous l’altitude optimale).
  • Permettre une réduction de la séparation entre appareils.
  • Contribuer au confort passager par des réactions instantanées aux turbulences.
• Composants de l’AFS :
  • Système de gestion du vol (FMS).
  • Systèmes de commandes automatisées : autopilot, flight director, auto-thrust.
  • Système de surveillance du domaine de vol (flight envelope).

b) Domaine (enveloppe) de vol et limitations

• Domaine de vol : ensemble des limites de vitesse, facteur de charge et altitude dans lesquelles l’avion peut voler en toute sécurité.
• Surveillance : contrôle du pilote automatique, directeur de vol, auto-manettes.
• Paramètres surveillés : masse, centre de gravité, vitesses limites, asymétrie de vol.
• Lois de protection : empêchent l’avion de sortir de son domaine de vol (ex. alpha floor max, beta max, over speed, bank hold).

c) Types de pilotage

d) Principe du pilote automatique

• Fonctions :
  • Stabilisation autour des axes roulis, tangage, lacet (yaw damper pour lacet).
  • Commande d’évolutions (piqué, cabré, virage).
  • Guidage (maintien altitude, cap, radial, plan d’atterrissage).
• Boucles d’asservissement : comparaison consigne/résultat, calcul de l’écart $\varepsilon$, correction par amplification.
• Corrections :
  • Dérivation (stabilité) : anticipe la tendance.
  • Intégration (précision) : corrige les écarts faibles persistants.
• Loi de pilotage : $$\beta = K_1 \varepsilon + K_2 \frac{d\varepsilon}{dt} + K_3 \int \varepsilon dt$$ avec $K_1$, $K_2$, $K_3$ variables selon conditions de vol.

e) Synoptique d’une chaîne de pilote automatique

• Trois chaînes contrôlent les axes :
  • Longitudinale (profondeur/tangage)
  • Latérale (roulis)
  • Verticale (lacet, yaw damper)
• Chaque chaîne comprend :
  • Calculateur (individuel ou commun)
  • Actionneurs (vérins/servomoteurs) : un pour pilotage rapide, un pour trim (correction à long terme)
  • Détecteurs (position gouvernes, données de vol)
• Yaw damper : amortit oscillations de lacet, peut être intégré ou indépendant du PA.

f) Modes du pilote automatique

• Modes latéraux :
  • HDG : maintien cap sélectionné.
  • VOR/LOC : maintien route radio ou alignement piste.
  • NAV : poursuite automatique signaux VOR, RNAV, LOC.
  • TRK : similaire à NAV avec positionnement inertiel.
• Modes longitudinaux :
  • V/S : maintien vitesse verticale.
  • IAS/MACH : maintien vitesse anémométrique ou Mach.
  • G/S : maintien plan de descente (glide slope).
  • TURBULENCE/SOFT RIDE : limite réactions excessives, maintien attitude.
  • CWS (Control Wheel Steering) : pilotage manuel sans annuler modes.

g) Loi d’engagement et désengagement

• Conditions nécessaires pour engager PA : disponibilité des informations et contrôle des commandes.
• Désengagement :
  • Manuel (bouton au manche).
  • Automatique (défaut système).

h) Auto-throttle (Auto Manette)

• Unique sous-système non redondé.
• Objectifs :
  • Maintien vitesse sélectionnée (mode SPD SEL).
  • Réduction automatique de poussée à 20 ft en approche (mode LAND).
  • Maintien vitesse de rotation moteur (mode N1).
  • Remise de gaz automatique (mode N1 GO/AROUND).
• Commandes sur chaque manette :
  • Bouton débrayage rapide (désarme mode sans couper ATS).
  • Levier d’engagement mode N1 GO/AROUND.
• Fonctionnement :
  • Calculateur reçoit signal d’écart de vitesse/altitude.
  • Transmet ordre au système de régulation carburant et manettes motorisées.
  • Possibilité de surpasser manuellement via bielles dynamométriques.

Le pilote automatique utilise des boucles d’asservissement intégrant dérivation et intégration de l’écart pour assurer un pilotage précis, stable et rapide, tout en respectant les limites de l’enveloppe de vol.

1. Antennes HF et Couplage

• Coupleur d'antenne : boîtier étanche et pressurisé (nitrogène ou air sec à 5-7 PSI) placé près de l’antenne, permettant l’accord électronique de l’antenne selon la fréquence.
• Interlock : interdit l’émission simultanée sur deux systèmes HF partageant la même antenne.

Précautions d’utilisation :

• Pas d’émission pendant les pleins de carburant.
• Pas d’émission si coupleur ou antenne débranchés.
• Distance de sécurité : 3 à 5 m de l’antenne en émission.
• Ne pas toucher l’antenne en émission.
• Emission limitée à 5 minutes maximum.

2. Communications Satellitaires (SATCOM)

• SATCOM : alternative aux liaisons HF/VHF pour communications air-sol à longue distance.
• Deux systèmes OACI approuvés :
  • Inmarsat : constellation géostationnaire, débit 1,2 à 10,5 Kbit/s, couverture ±80° latitude (pas zones polaires).
  • Iridium : 66 satellites en orbite basse, couverture mondiale y compris zones polaires, débit limité à 2,4 Kbit/s.
• Limites : coût élevé, antennes encombrantes et complexes à intégrer.

Installation SATCOM :

• SDU (Satellite Data Unit) : conversion voix/données en fréquences radio, sélection fournisseur/satellite.
• HSDU : gestion communications passagers (email, internet).
• Système antenne :
  • Diplexeur/amplificateur (D/LNA) sépare et amplifie signaux.
  • Unité de direction du faisceau (BSU) contrôle pointage.
  • Antenne faible gain adaptée aux bandes Inmarsat (1530-1660 MHz) et Iridium (1616-1626,5 MHz).

3. Communication Contrôleur/Pilote par Liaison de Données (CPDLC)

• CPDLC : communication contrôleur-pilote via liaison de données, complémentaire à la radio vocale (VHF/HF).
• Résout les problèmes de saturation des fréquences vocales en augmentant la capacité du canal.
• Utilisé pour échanges non critiques, réduit de 75% l’occupation du canal vocal.
• Messages types : assignations de niveau, contraintes, déviations, changements de route, vitesse, fréquence radio, demandes d’informations.
• Pilote peut répondre, demander, signaler ou déclarer une urgence.
• Dialogues : séquences de messages fermées par accusés (ACK/NAC).

Développements principaux :

• FANS (Boeing/Airbus) : pour routes océaniques, basé sur ACARS et Inmarsat.
• ATN/CPDLC : utilisé en Europe via VDL Mode 2, réseau Eurocontrol.

4. Systèmes Audio Internes

• Trois systèmes complémentaires :
  • Flight Interphone : communication interne équipage, accès radios et radionavigation, liaison cabine et zones techniques.
  • Service Interphone : communication au sol entre prises extérieures/intérieures, relié au Flight Interphone et cabine.
  • Interphone Cabine : communication entre PNC, système téléphonique avec combinés et gestionnaires.
• Public Address (PA) : diffusion messages passagers, annonces préenregistrées, musique, alarmes (priorités : cockpit > chef de cabine > préenregistrées > musique).

Flight Interphone :

• Composants : micros, casques, ACP (Audio Control Panel), AMU (Audio Management Unit), interrupteurs PTT.
• Fonctionnalités : sélection écoute, émission, identification balises radio navigation.

SELCAL (Selective Calling) :

• Code unique 4 lettres par aéronef.
• Scanne fréquences HF/VHF, signale appels spécifiques par son et visuel.

5. Radiobalises de Détresse (ELT)

• ELT : émet signal de détresse automatique ou manuel sur fréquences 406 MHz (localisation satellite), 121.5 MHz (repérage avion/hélicoptère), et 243 MHz (militaire).
• Code unique attribué à chaque balise, incluant immatriculation.
• Localisation via constellation COSPAS-SARSAT, précision ~1,8 km.
• Bientôt intégration au système européen GALILEO.
• Balises automatiques installées dans zones résistantes, portables pour évacuation.
• Batterie autonomie : ~100 h à +20°C, 40 h à -40°C.
• Déclenchement automatique par choc (G-switch) ou manuel cockpit/boîtier.

6. Enregistreur des Voix du Cockpit (CVR)

• Enregistreur de vol obligatoire, placé à l’arrière de l’avion, couleur orange/rouge.
• Capacité : 120 minutes, enregistrement cyclique (efface ancien).
• Résiste à : 2 tonnes de pression, 3400 G, incendie 1h à 1100°C, immersion 30 jours à 6000 m, écrasement 2,2 tonnes.
• Composé de :
  • Partie électronique d’acquisition (fragile).
  • Partie mémoire blindée (70% poids).
• Équipé d’un détecteur de force (arrêt > 2 G).
• Enregistre 4 voies : pilote, copilote, additionnelle, micro d’ambiance.
• Conversion analogique-numérique pour stockage.

Underwater Locator Beacon (ULB) :

• Balise acoustique à ultrasons (37.5 kHz, 160 dB), autonomie 30 jours.
• Aide à la localisation sous-marine.

7. Rappels de Radionavigation

• Cap magnétique (CM) : angle entre axe avion et nord magnétique, 0-360°, sens horaire.
• Gisement (Gst) : angle entre axe avion et direction d’une station radio, 0-360°, sens horaire.
• Relèvement (QDM) : angle entre nord magnétique et station radio, QDM = CM + Gst.

8. Radiocompas VHF (VOR)

• Navigation radio électromagnétique VHF (108-117,95 MHz).
• Types de VOR :
  • Terminal VOR (TVOR) : faible puissance (~50 W), portée 25-100 NM, fréquences 108-111,85 MHz.
  • En route VOR : puissance ~200 W, portée 35-200 NM, fréquences 112-117,95 MHz.
  • Broadcast VOR (BVOR) : VOR avec message audio superposé (ex : ATIS).
• Principe : émission porteuse modulée par deux signaux 30 Hz :
  • Signal de référence (phase fixe).
  • Signal variable (phase dépendante de l’azimut).
• Récepteur détermine position sur un radial (QDR), calcule relèvement QDM = QDR + 180°.
• Affichage sur instruments (RMI, HSI) avec indication de déviation latérale et zone TO/FROM.

9. Radiogoniomètre Automatique (ADF)

• Fournit en continu le gisement d’une balise sol par rapport à la ligne de foi de l’avion.
• Permet la localisation par triangulation (détails non fournis dans la portion reçue).

1. Radiogoniométrie (ADF)

• Radiogoniométrie : mesure radio de la direction de propagation d'une onde électromagnétique.
• Radiogoniomètre (ou radiocompas) : récepteur muni d'une antenne boucle (bobine plate verticale) qui induit une FEM fonction de la direction du champ magnétique.
• Antennes :
  • Antenne boucle pour la mesure principale.
  • Antenne de levé de doute pour affiner la direction.
• Système ADF :
  • Récepteur.
  • Antenne de levé de doute (cadre).
  • Boîte de commande pour sélectionner la fréquence (190 à 1750 kHz, pas 0,5 kHz).
  • Indicateurs (RMI ou système de visualisation).
• Portée : signal NDB suit la courbure terrestre, portée longue (puissance 25 W à 5 kW).

2. Système d’atterrissage aux instruments (ILS)

• Fonctions principales :
  • Localizer (RAP) : écart latéral (Gauche/Droite) par rapport à l'axe de piste (±10° à 25 NM).
  • Glide Slope (RAD) : écart vertical (Haut/Bas) par rapport au plan de descente (2.5°–3°, ±8° à 10 NM).
  • Marker : balises indiquant la distance avant seuil de piste (Outer, Middle, Inner Marker).
• Principe Localizer :
  • Deux lobes directionnels modulés en amplitude à 90 Hz (gauche) et 150 Hz (droite).
  • Barre de déviation centrée si signaux égaux.
• Principe Glide Slope :
  • Deux lobes superposés modulés à 90 Hz (lobe supérieur) et 150 Hz (lobe inférieur).
  • Plan de descente idéal à égalité des signaux (~3°).
• Balises Marker :
  • Radiobornes en route (FAN Marker, 100 W).
  • Radiobornes de position (3 à 5 W), émission verticale, signal auditif et visuel.
• Installation type :
  • 1 récepteur, 2 antennes (G/S et LOC), système d’affichage, boîte de sélection fréquence LOC.

3. Système d’atterrissage à micro-ondes (MLS)

• Offre plusieurs trajectoires d’approche (couverture volumétrique).
• Basé sur balayage par faisceaux très fins d’OEM pour calculer position angulaire.
• Peu répandu (exemple : Londres Heathrow).
• Remplacé progressivement par systèmes GPS/GNSS.

4. Système Directeur de Vol (FD) et Equipement de Mesure de Distance (DME)

a) Directeur de Vol (FD)

• Aide au pilotage manuel, affiche corrections à effectuer.
• Partage calculateur avec pilote automatique (PA).
• Affiche modes PA (maintien assiette, vitesse, cap, capture VOR/ILS, etc.).
• Composants : calculateur, sélecteurs FD, boîtier de sélection modes PA, indications sur ADI/HSI.
• Engagement/désengagement via sélecteurs FD ou automatiquement à panne PA.
• Affichage : barres de tendance (roulis/tangage) ou vecteur trajectoire (FPD/FPV).

b) Equipement de Mesure de Distance (DME)

• Mesure distance avion-balise en NM (portée max 300 NM, précision 0.2 NM).
• Mesure en ligne directe → erreur altitude (distance oblique "Slant Range").
• Types :
  • DME/N (narrow) pour navigation en route.
  • DME/P (précision) pour approche, précision ±30 m au seuil.
  • Scanning DME : acquisition multiple et automatique (jusqu’à 6 stations).
• Principe : mesure temps aller-retour impulsions entre avion (interrogateur) et balise (répondeur).
• Fréquences : 962–1213 MHz, 126 canaux espacés de 1 MHz, canaux X et Y (252 canaux).
• Portée dépend de l'altitude :
  $D(\text{km}) = 4.1 \times \sqrt{H(\text{m})} \quad ; \quad D(\text{NM}) = 1.23 \times \sqrt{Z(\text{ft})}$
• Affichage distance en NM, vitesse radiale et temps pour atteindre la balise.

5. Systèmes de navigation de surface (RNAV)

• RNAV (Area Navigation) : navigation utilisant n'importe quelle trajectoire entre waypoints définis par latitude/longitude.
• Avantages : réduction coûts, flexibilité, précision, économies, approches complexes possibles.
• Principe : calculateur résout équations géométriques pour position et trajectoire.
• Position avion : distance $\rho_1$ (DME) et angle $\theta_1$ (VOR).
• Position waypoint : $\rho_2$, $\theta_2$ (base de données NAV).
• Route RNAV calculée par triangulation : $\rho_3$, $\theta_3$.
• Distance horizontale corrigée par altitude avion et station DME :
  $\rho_H = \sqrt{\rho_S^2 - (A - E)^2}$
• Exigences RNAV définies par PBN (Performance Based Navigation) :

• $X$ = précision latérale en NM (0.3 à 10 NM).
• Installation : CDU (interface pilote), calculateur, indicateurs CDI (écarts horizontaux/verticaux).

6. Systèmes de gestion du vol (FMS)

• Combine navigation latérale (LNAV) et verticale (VNAV).
• Automatise calculs de position, sélection radionavigation, trajectoire, vitesse optimale, poids/centrage.
• Navigation en 4 dimensions : longitude, latitude, altitude, heure d’arrivée estimée.
• Cost Index (CI) : paramètre d’optimisation entre consommation carburant et temps de vol.
  • CI = 0 → profil minimisant carburant.
  • CI élevé → profil minimisant temps.
• Composants :
  • FMC (Flight Management Computer) : calculs, bases de données NAV et performance.
  • CDU/MCDU : interface homme-machine (écran, clavier, touches).
  • MFD, KCCU, CCD : interfaces modernes (curseur, clavier QWERTY).

7. Système de navigation par satellite (GPS/GNSS)

• Détermine position et vitesse en 3D via signaux de satellites à 1575.420 MHz.
• Nécessite 4 satellites pour calculer position et correction temps.
• Avantages : précision horizontale ~7 m, verticale ~30 m, couverture mondiale 24/24, système tous temps.
• Inconvénients : intégrité limitée, fiabilité variable, dépendance aux autorités américaines.
• Segments :
  • Spatial : 24 satellites sur 6 plans orbitaux à 20 178 km, rotation 12 h.
  • Contrôle : 5 stations terrestres, calculent éphémérides, almanach, corrections.
  • Utilisateur : récepteurs civils et militaires.
• Principe de positionnement : intersection de sphères centrées sur satellites, distance mesurée par temps de propagation (vitesse lumière).
• Améliorations : SBAS (satellite), GBAS (sol), ABAS (avion).

8. Transpondeur de contrôle de trafic (SSR)

• Héritier du système IFF militaire.
• Modes :
  • Mode A : identification par code.
  • Mode C : altitude.
  • Mode S : route, vitesse, autres données.
• Complète radar primaire par réponses électroniques.
• Antenne SSR au sol capte réponses, analyse et affiche aux contrôleurs.

1. Transpondeurs ATC

• Fréquences : Sol émet sur 1030 MHz, avion répond sur 1090 MHz.
• Fonction : Répond automatiquement aux interrogations sol, transmet des codes d’identification et/ou altitude.
• Modes :

  Mode	Information transmise	Usage principal
  3/A	Code d’identification (4 chiffres 0-7)	Identification radar de l’avion
  C	Mode A + altitude (±50 ft)	Identification + altitude
  S	Liaison de données, appel sélectif, immatriculation, infos navigation	Communication sélective et complète

2. Système TCAS (Traffic Collision Avoidance System)

• Objectif : Aide à l’anticollision en vol via alertes sonores/visuelles et propositions d’évitement.

• Types :

  Type	Fonctionnalités principales	Usage
  TCAS I	Avis de trafic (TA) sans directives d’évitement	Aviation générale
  TCAS II	Avis de trafic (TA) + avis de résolution (RA) vertical	Avions de ligne et d’affaires
  TCAS III	TA et RA en plan horizontal et vertical (en développement)	Futur système

• Fonctionnement :

  • Interroge transpondeurs ATC des autres avions.
  • Calcule trajectoires, distances, altitudes relatives.
  • Génère deux types d’alertes :
    • TA (Traffic Advisory) : alerte trafic convergent.
    • RA (Resolution Advisory) : ordre de manœuvre d’évitement vertical.
  • Espace aérien découpé en volumes de sécurité (OTHER, PA, TA, RA).
  • Phases : acquisition, poursuite, détermination de menace (calcul du risque TAU).

• Résolution de conflit :

  • Échange d’avis de résolution complémentaires (RAC) via transpondeurs Mode S.
  • Coordination des manœuvres entre avions.

• Affichage :

  • Avion de référence : symbole avion blanc/bleu.
  • Trafic non conflictuel : losange creux blanc/bleu.
  • Trafic proche : losange plein.
  • TA : disque orange.
  • RA : carré rouge.
  • Altitude relative indiquée tous les 100 ft (+ au-dessus, - en dessous).
  • Flèche verticale si vitesse verticale > 500 ft/min.

• Annonces audio : messages spécifiques selon type d’alerte (ex. « Traffic, traffic », « Climb, climb »).

• Obéissance : Tous les messages TCAS doivent être considérés comme réels et suivis immédiatement.

3. Radar météo

• But : Détecter perturbations météorologiques (pluie, orage, grêle, neige, givrage), mouvements verticaux (turbulences, cisaillement), et relief (Ground Mapping).

• Portées :

  • Précipitations : jusqu’à 320 NM.
  • Turbulences : 40 NM.
  • Cisaillement basse altitude : 5 NM.

• Principe : Émission d’impulsions micro-ondes, réception des échos réfléchis par hydrométéores.

• Formule puissance écho :

  $$P_{retour} = P_{émise} \times K \times \frac{1}{distance^4} \times G$$
  • $K$ : coefficient de réflexion (<1)
  • $G$ : gain de l’antenne

• Types de radar :

  Type	Fréquence	Longueur d’onde	Portée	Avantages/Inconvénients
  Bande C	5,4 GHz	5,6 cm	180 NM	Bonne pénétration, détection multi-niveaux
  Bande X	9,4 GHz	3,2 cm	320 NM	Plus grande portée, absorption élevée

• Antenne : parabolique ou plate, émission/réception alternée, balayage horizontal ±60° à ±90°, réglage d’élévation (TILT).

• Affichage : écran indépendant ou sur ND CAPT/F/O, avec nuancier couleur selon densité/type de précipitations.

• Précautions :

  • Zone interdite autour de l’antenne (ex. 1,5 m).
  • Pas d’obstacle métallique à moins de 5 m dans ±90°.
  • Pleins interdits à moins de 100 m.

4. Radio altimètre (RA)

• Rôle : Mesurer la hauteur précise au-dessus du sol (altitude radio) de 0 à 2500 ft, indépendant de la pression atmosphérique.

• Utilisation : phases décollage, approche, atterrissage, évitement d’obstacles, atterrissages automatiques.

• Principe : mesure du temps $T$ entre émission et réception d’une onde radio réfléchie par le sol.

  $$T = \frac{2 \times H}{c}$$
  • $H$ : hauteur à mesurer
  • $c$ : vitesse de la lumière

• Alarmes DH (Decision Height) : voyant + alarme sonore à hauteur présélectionnée.

• Composants :

  • 2 antennes sous l’aéronef (émission et réception)
  • Émetteur/récepteur (4200-4400 MHz)
  • Affichage (indicateurs ou EFIS)

• Test : poussoir "Test" pour vérification fonctionnelle.

5. Systèmes de navigation inertielle (INS)

• Objectif : Mesurer évolutions autour des 3 axes, calculer position instantanée sans aide extérieure.
• Informations fournies :
  • Attitude avion (roulis/tangage)
  • Position (longitude, latitude)
  • Navigation (cap stabilisé, vitesse sol, route, dérive)
• Principe :
  • Mesure des accélérations instantanées selon 3 axes via accéléromètres.
  • Intégration pour obtenir vitesse, position, attitude.
• Capteurs :
  • Accéléromètre massique (masse mobile maintenue en position nulle par ressorts)
  • Gyrolaser (variation fréquence lumière selon distance)
• Alignement : phase initiale pour déterminer références d’assiette et orientation (ex. avion au sol : X=0, Y=0, Z=accélération gravitationnelle).

6. Système ACARS (Aircraft Communication Addressing and Reporting System)

• Fonction : Échange numérique d’informations entre avion et sol (voix ou données) via radio ou satellite.
• Domaines : opérations aériennes, commercial, contrôle aérien, maintenance.
• Types de liaison :

  Sens	Contenu principal
  Descendante	Opérationnelles, maintenance, surveillance
  Montante	Infos équipage, demandes d’envoi automatique

• Architecture :
  • Boîtier calculateur embarqué (MU) gérant émission/réception (VHF, SATCOM, HF).
  • Stations sol (GSP) traitant messages, convertissant en TELEX.
  • Imprimante pour archivage.
  • Affichages (PFD, MCDU) pour gestion et lecture.
• Fonctionnement :
  • Priorité au VDR3 (VHF Data Radio 3).
  • Plusieurs fréquences VHF selon zone géographique.
  • Validation des messages via ACK (accepté) ou NAK (refusé).
  • Ré-émission jusqu’à 6 fois en cas d’erreur.

7. Équipements de test avioniques

À retenir : Les bancs de test avioniques permettent de vérifier la conformité et le bon fonctionnement des systèmes radioélectriques et électroniques embarqués, en simulant conditions réelles et en mesurant paramètres clés (fréquence, puissance, sensibilité, etc.).