Le V.O.R.

Document rédigé en mai 2017.

Au lendemain de la seconde guerre mondiale le trafic aérien s’accroît et avec lui les nécessité de moyens de radionavigation plus précis que ne l’étaient SONNE et CONSOL. En 1946, lors de la réunion l’OPACI (Organisation Provisoire de l’Aviation Civile Internationale) les moyens de radionavigations sont définis en tenant compte de leurs mission :

  • Pour la navigation à longue distance et moyenne distance ce seront les ondes de moyennes fréquences. Les systèmes retenus sont :
  • Pour la navigation à courte distance :

En 1947 le principe de la navigation V.O.R. est validé.
En 1949, l’OACI entérine ces définitions. L’ère de la radionavigation moderne commence.
En 1953 les premières balises V.O.R. sont installées en France.

Au début les équipements étaient de fabrication US, puis, petit à petit, des sociétés françaises les ont produit également.

Rappel : Le système V.O.R. permet a l’aéronef de connaitre le QDM d’une balise VOR donnée.

Les constituants du système

La balise V.O.R. de Gaillac

Le système V.O.R. comporte deux segments :

Le segment sol

Ce sont des balises émettrices fixes, implantées en des lieux connus et dont les caractéristiques sont diffusées (Fréquence, coordonnées géographiques, indicatif, etc.).

Leur gamme de fréquence s’étend de 108 à 117,95 MHz.
On distingue 2 catégories de balises V.O.R. :

  • Les TVOR (terminal VOR), servant à l’approche des terrains qui en sont équipés. La puissance émise est de 50 Watts.
  • Les AVOR (Airways VOR), servant à la navigation sur les routes aériennes. La puissance émise est de 200 Watts.

Compte-tenu des gammes de fréquences employées, la portée des VOR ne dépasse guère l’horizon. La propagation des ondes se faisant alors en ligne droite, plus l’aéronef est haut, plus la portée est grande. Elle est estimée selon les formules ci-dessous :

Port\'ee(NM) = 1,23 \times \left( \sqrt{hauteur Em._{ft}} + \sqrt{hauteur Rec._{ft}} \right)

Avec :

hauteur Em._{ft} : hauteur de l’émetteur (en pieds),
hauteur Rec._{ft} : hauteur du récepteur (en pieds).

Plus simplement : Port\'ee(km) = 4,1 \times \sqrt{hauteur(m)}

Le segment air

Installé à bord d’un aéronef, le récepteur V.O.R. démodule les signaux reçus de la balise sélectionnée, les interprète et les affiche sur un indicateur.

Récepteur VOR type Becker NR2030

En aviation générale, le récepteur et sa boîte de commande sont rassemblés en une seule unité. Parfois l’émetteur-récepteur VHF et le récepteur VOR sont également rassemblés dans une seule unité.

Combiné ER-VHF (à G.) & Recepteur VOR (à D.)

Ils sont installés sur la planche de bord radio.

L’information est fournie au pilote par un indicateur de type OBI.
En complément, dans certains cas, le QDM peut être automatiquement affiché sur un RMI (en plus de l’information ADF) ou un HSI.

Indicateur OBI

Principe du V.O.R. Conventionnel

Signaux émis par la balise

De manière simplifiée, le rayonnement émis par les balises VOR comporte deux signaux :

  • Un signal sinusoïdal à 30 Hz servant de référence au nord magnétique. Ce signal est nommé 30 Hz de référence,
  • un deuxième signal sinusoïdal à 30 Hz, dont la phase relative par rapport au 30 Hz de référence dépend du QDM du récepteur VOR. Ce deuxième signal est nommé 30 Hz phase variable.

Pour émettre cette double modulation, la balise possède deux émetteurs :

Le premier émetteur (VHF) de la balise V.O.R. est modulé en amplitude par une sous-porteuse à 9960 Hz, elle-même modulée en fréquence par un signal à 30 Hz, c’est ce signal qui sert de référence.

  • Pour l’émetteur VHF le taux de modulation est de 30%.
  • Pour la sous-porteuse (9960 Hz) l’indice de modulation est de 16 c’est à dire \Delta F = \pm 480 Hz.
  • La VHF est émise omnidirectionnellement.

Spectre de l’émission omnidirectionnelle

Un autre émetteur VHF non modulé (porteuse pure) en phase avec l’émission VHF précédente, rayonne via un aérien directif (en forme de 8) animé d’une rotation fictive à 30 tours/s et synchrone avec le 30 Hz de référence.
C’est la variation de champ ainsi produite crée une une onde modulée en amplitude sans porteuse (bandes latérales uniquement).

Spectre de l’émission directionnelle

La phase de cette modulation est caractéristique de l’azimut de l’aéronef.
Une modulation à 1020 Hz est également émise, elle permet l’identification de la balise (code Morse) lors de son émission périodique. Le spectre résultant est le suivant :

Spectre du signal VOR émis par la balise

Synoptique simplifié d’une balise V.O.R.

Synoptique balise

Synoptique simplifié d’une balise V.O.R.

Chaîne omnidirectionnelle

Un oscillateur 30 Hz module en fréquence un signal 9960 Hz, avec un indice de modulation de 16, soit une excursion de fréquence de ± 480 Hz.
Le signal ainsi obtenu module en amplitude le signal VHF fourni par un pilote, le taux de modulation est de 30 %.

Le signal à la sortie de l’amplificateur de puissance 50 Watts a pour expression :

E_1 = E_0 [1 + K \cos(\Omega_2t - m \sin \Omega_3t)] \sin \omega t

Avec :

  • \omega = 2 \pi f, f = fréquence porteuse VHF.
  • \Omega_2 = 2 \pi F_2, F_2 = 9960 Hz.
  • \Omega_3 = 2 \pi F_3, F_3 =30 Hz.
  • m = indice de modulation (16).
  • K = taux de modulation (30 %).

Chaîne directionnelle

Initialement le diagramme tournant était réalisé par rotation mécanique d’une antenne directionnelle. La fiabilité du dispositif mécanique et les difficultés de stabilisation de la vitesse angulaire ont amené les concepteurs à réaliser un dispositif entièrement électronique, sans aucune pièce en mouvement.

Le diagramme tournant est réalisé à partir de deux couples d’antennes fixes dont les diagrammes en forme de double lobe sont perpendiculaires entre-eux.
Un couple d’antennes est exité par un signal de la forme \frac{E_0}{3} \cdot \sin \Omega_3t \cdot \sin \omega t L’autre par : \frac{E_0}{3} \cdot \cos \Omega_3t \cdot \sin \omega t. L’amplitude est de \frac{E_0}{3} pour obtenir un taux de modulation d’environ 30%.

Selon une direction \theta les champs résultants sont :

E_2 = \frac{E_0}{3} \cos \Omega_3t \cdot \cos \theta \cdot Sin \omega t + \frac{E_0}{3} \sin \Omega_3 t \cdot \sin \theta \cdot \sin \omega t

Soit :  E_2 = \frac{E_0}{3} \cos \left( \Omega_3t - \theta \right) \cdot \sin \omega t

C’est une onde modulée en amplitude, sans porteuse, dont la phase de la modulation (30 Hz) est caractéristique de la direction \theta. Le diagramme de rayonnement de l’antenne fictive ainsi réalisée est équivalent à celui obtenu par un cadre tournant à 30 tours / seconde.

Le champ total rayonné est la somme des deux champs, l’un émis par l’antenne omnidirectionnelle, l’autre émis par “l’antenne tournante”.
Le diagramme ainsi obtenu dans le plan horizontal est schématisé ci-dessous :

Pour obtenir un taux de modulation de 30 %, on ajuste respectivement la puissance des deux émetteurs dans un rapport d’environ 10 en puissance (10 dB).
Le mélange des deux expressions E_1 et E_2 donne l’expression du signal V.O.R. :

V_1 = E_0 [1 + K \cos \left( \Omega_3t - \theta \right) + K \cos \left(\Omega_2t -m \sin \Omega_3t \right)] \sin \omega t

La propagation et la précision

Pour une balise de 50 Watts, la portée est d’environ 100 à 150 km.
Le type d’aérien utilisé présente un cône de silence à la verticale de la balise d’environ 40°. Dans cette zone l’aéronef de reçois aucun signal VHF exploitable. Cet état est signalé à l’opérateur par l’apparition d’un drapeau d’alarme (Flag) sur l’indicateur.
La précision fournie par le V.O.R. est d’environ ± 1° pour un champ reçu (par le récepteur) supérieur à 10 \muV/m.

Le cône de silence d’une balise V.O.R.

 Les récepteurs V.O.R.

C’est l’autre segment du système; embarqué à bord des aéronefs, le récepteur V.O.R. reçoit le signal VOR tel que défini ci-dessus. En fonction de sa position autour de la balise les phases relatives du 30 Hz de référence et du 30 Hz phase variable seront décalées selon un angle égal au QDM.

Le principe du récepteur est relativement simple : il suffit de démoduler le 30 Hz de référence et le 30 Hz phase variable, de comparer leur phase relative pour obtenir une information proportionnelle au QDM.

Avertissement : le lecteur, qui serait peu au fait de l’utilisation en radionavigation de l’OBS et du RMI, peut trouver ici une page décrivant leur principe et leur utilisation en vol.

La réception

Synoptique récepteur VOR

Synoptique de principe d’un récepteur V.O.R.

Un récepteur superhétérodyne assure la réception des signaux VOR selon le radial sur lequel il se trouve. après ses étages de FI (Fréquence Intermédiaire) un étage de détection AM démodule le signal reçu. Son spectre est le suivant :

Le récepteur reçois ses ordres soit d’une boîte de commande située sur la planche radio, soit du panneau de commande si ce dernier est incorporé à l’unité VOR.

En aviation générale, les antennes VOR sont souvent positionnées sur la dérive de l’aéronef.

La chaîne phase variable

Dans le spectre décrit ci-dessus, se trouve la phase variable. C’est la composante 30 Hz résultant de la modulation d’amplitude apparente créée par le diagramme tournant de la balise VOR.

Un filtre passe-bande centré sur 30 Hz isole cette composante et un amplificateur lui donne une tension suffisante pour attaquer les étages suivants. Le signal est injecté dans les étages :

  • comparateur de phase pour piloter l’aiguille de déviation,
  • déphaseur 90° et ensuite le comparateur de phase TO-FROM,
  • le calculateur analogique pour fournir, après comparaison avec le 30 Hz phase de référence, les signaux pour piloter le RMI.
  • Le circuit de commande du drapeau d’alarme.

La chaîne phase de référence

Après l’étage de détection AM un deuxième filtre passe-bande centré sur 9960 Hz isole cette composante du signal BF VOR démodulé. Cette sous-porteuse, modulée en fréquence par le 30 Hz phase de référence, est injectée dans un discriminateur FM pour en extraire le 30 Hz phase de référence. Le signal est injecté dans les étages :

  • l’OBS,
  • le comparateur de phase TO-FROM,
  • le calculateur analogique pour fournir, après comparaison avec le 30 Hz phase de référence, les signaux pour piloter le RMI.
  • Le circuit de commande du drapeau d’alarme.

La chaîne manuelle

C’est cette chaîne qui va piloter la déviation de l’aiguille et le drapeau To-From en fonction du réglage de l’OBS par le pilote.

Le 30 Hz référence est injecté sur le rotor de l’OBS. Comme décrit ici, l’OBS va effectuer un déphasage proportionnel au radial sélectionné.
Un amplificateur compense les pertes d’insertion dues à l’OBS.

Un comparateur de phase reçois le 30 Hz variable et le 30 Hz référence déphasé par l’OBS.
Le déphasage entre ces deux signaux va commander la déviation de l’aiguille.

  • Si les deux signaux sont en phase le décalage entre \phi variable et \phi référence après OBS est nul. Le récepteur se trouve sur le radial sélectionné, l’aiguille est au centre de l’OBI.
  • Dans le cas contraire un décalage de phase existe entre \phi variable et \phi référence après OBS. Le récepteur ne se trouve pas sur le radial sélectionné, l’aiguille dévie (à droite ou à gauche selon l’avance ou le retard de phase), indiquant l’amplitude de l’écart du QDM par rapport au radial sélectionné sur l’OBS.

A ± 90° du radial sélectionné sur l’OBS, se trouve la séparation To – From.
Le 30 Hz phase variable est injecté dans un déphaseur de 90°. Ainsi il peut être comparé avec le 30 Hz phase de référence après OBS.
Le même comportement que celui décrit pour l’aiguille de déviation se produit, mais pour une valeur angulaire de ±90° par rapport au radial sélectionné sur l’OBS.?

L’étage de commande du drapeau d’alarme (Flag) reçoit les signaux :

  • 30 Hz phase variable,
  • 30 Hz phase de référence
  • 30 Hz phase de référence après OBS.

En cas d’anomalie (signaux déformés, brouillage, absence, etc.) l’étage commande le drapeau d’alarme de l’OBS.

La chaîne automatique

Les signaux 30 Hz phase de référence et 30 Hz phase variable sont injectés dans un calculateur analogique.
Ce dernier reçois également du 26 V/400 Hz et les signaux X, Y, Z issus de la centrale de cap.
A partir de ces éléments le calculateur analogique élabore les signaux X’, Y’, Z’ qui sont ensuite utilisés dans le RMI pour assurer la rotation de l’aiguille VOR.
Le RMI reçoit également les signaux X, Y, Z de la centrale de cap pour afficher le cap sur sa couronne graduée.

Ainsi, par lecture directe, l’aiguille VOR indique, en plus du cap, le QDM réel, même si celui-ci change.

La commande du drapeau d’alarme

A partir des signaux 30 Hz phase de référence,  30 Hz phase de référence après OBS et 30 Hz phase variable, un ensemble de vérifications de cohérences est effectué dans un étage spécifique : la commande de drapeau d’alarme ou Flag.
En cas d’anomalie l’étage commande :

  • Le drapeau d’alarme de l’OBI,
  • Selon les types de RMI :
    • L’apparition du drapeau d’alarme (Flag) du RMI.
    • La mise à 9 heures de l’aiguille VOR du RMI.

Evolution des récepteurs V.O.R.

Dans son principe de fonctionnement le V.O.R. C (conventionnel) n’a pratiquement pas changé. Seuls les récepteurs ont suivi les évolutions technologiques. S’il faut toujours extraire les deux signaux à 30 Hz, les méthodes employées pour les obtenir ont évolué en fonction des technologies : le traitement du signal s’est taillé une belle part, car, en plus d’obtenir les deux signaux de base, il permet d’améliorer leur extraction dans des conditions de réception de plus en plus difficiles.

L’arrivée des bus (ARINC-429, MIL STD 1153,etc.) a nécessité le développement des interfaces numériques pour permettre aux VOR de communiquer avec ces nouvelles instrumentations de bord.

Evolution des balises V.O.R.

Si cette page décrit le VOR-C, il existe également des balises VOR-D (V.O.R. Doppler). Pour ne pas alourdir ce chapitre, une page spécifique leur est destinée.
Les gourmands devront attendre, il faut que je l’écrive…:-P / Ca y est, la page est écrite vous pouvez y accéder ici.


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