Fiche de révision : Navigation aérienne et instruments

📋 Plan du Cours

1. Distances verticales aéronautiques
2. Altimètre et calages de pression
3. Mesure de hauteur par radioaltimètre
4. Altitude mesurée par GNSS
5. Mesure et définitions des vitesses
6. Vitesses équivalente et sol
7. Mach et limites de vitesse
8. Mesure de la vitesse verticale
9. Synthèse anémobarométrique
10. Navigation avec le vent
11. Vol à vue et vol aux instruments
12. Moyens de radionavigation
13. Centrales inertielles
14. Radar aéronautique
15. Surveillance ADS-B

📖 1. Distances verticales aéronautiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Hauteur : distance verticale entre l’avion et la surface du sol, ou AGL, et se mesure directement au radioaltimètre.
• Altitude : distance verticale entre l’avion et le niveau moyen des mers, mesurée par un altimètre calé au QNH ou par un GNSS.
• Niveau de vol : altitude exprimée en centaines de pieds à partir du calage standard de 1013,25 hPa, par exemple FL 350 pour 35 000 ft.

💡 Astuce mémo

Hauteur = sol ; altitude = mer ; niveau de vol = référence standard.

📖 2. Altimètre et calages de pression

★ À maîtriser

• L’altimètre est un baromètre qui mesure la pression statique et la convertit en altitude selon la loi de pression ISA.

• La conversion de pression en altitude par l’altimètre suppose une pression de référence définissant le zéro des altitudes et une distribution de température conforme à la loi ISA, rarement vérifiée en réalité.

• Le code QNH désigne le calage permettant de connaître l’altitude par rapport au niveau de la mer.

• Le code QFE désigne le calage de la pression à l’altitude du terrain, qui permet d’obtenir la hauteur au-dessus de celui-ci.

📌 Le calage standard de 1013,25 hPa sert aux vols en niveau de vol, et le terme QNE qui lui était associé n’existe plus dans la réglementation.

Compléments

• Le calage altimétrique est une pression de référence affichée dans la fenêtre de Kollsman de l’altimètre.

• Avec le QFE, un altimètre indique zéro lorsque l’avion est posé sur l’aéroport ; ce calage n’est pas interdit de manière générale et reste utilisé dans certains pays comme la Russie.

• En vol VFR court et à basse altitude, le QNH est régulièrement recalé, tandis que les autres vols, notamment IFR, utilisent le calage standard en croisière.

• Le QNH est la pression ramenée au niveau de la mer en supposant des conditions ISA, tandis que le QFF tient compte des conditions météorologiques réelles et est utilisé en météorologie, non en aéronautique.

📐 Formule - Dans la troposphère, l’altitude indiquée vérifie $Z_i\,(\mathrm{ft})=145442{,}16\left(1-\left(\frac{P_{\mathrm{avion}}}{\mathrm{calage}}\right)^{1/5{,}25588}\right)$.

📌 La pression calculée pour une même altitude varie proportionnellement au calage altimétrique, tandis que la relation altitude-pression est non linéaire.

• La règle approximative 1 hPa = 28 ft n’est valable qu’à basse altitude et doit être évitée pour les calculs d’ingénierie.

• En descente, l’équipage affiche le QNH du terrain de destination avant le niveau de transition ; en montée, il affiche le calage standard avant l’altitude de transition.

💡 Astuce mémo

QFE ramène à la piste ; QNH au niveau de la mer ; standard aux niveaux de vol.

📖 3. Mesure de hauteur par radioaltimètre

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioaltimètre : instrument, aussi appelé altimètre radar, qui mesure la hauteur de l’avion par rapport au sol et sert notamment lors des approches aux instruments, des vols à basse altitude ou de nuit.

★ À maîtriser

• Le radioaltimètre émet vers le sol une porteuse de 4,3 GHz modulée en fréquence à 50 MHz, reçoit l’écho sur une seconde antenne et calcule la hauteur à partir du temps de trajet et de la modulation du signal.

Compléments

• Le radioaltimètre peut déclencher des annonces ou alertes de hauteur pendant l’approche, notamment à 2500, 1000, 500 et 400 ft.

💡 Astuce mémo

Émettre vers le sol, recevoir l’écho, calculer la hauteur.

📖 4. Altitude mesurée par GNSS

★ À maîtriser

📌 Le GNSS calcule une altitude géométrique indépendante de la pression et de la température, tandis que l’altimètre classique calcule une altitude barométrique.

Compléments

• Le contrôle aérien conserve l’altitude barométrique notamment pour l’homogénéité entre avions, la disponibilité du signal satellite et la moindre précision verticale du GNSS.

• EGNOS surveille et corrige le signal GNSS pour permettre des approches guidant l’avion jusqu’à 200 ft du sol.

💡 Astuce mémo

GNSS géométrique ; altimètre barométrique.

📖 5. Mesure et définitions des vitesses

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse vraie : vitesse réelle de l’avion par rapport à la masse d’air dans laquelle il évolue.
• Nombre de Mach : rapport sans dimension entre la vitesse vraie de l’avion et la vitesse du son dans l’air qui l’entoure, soit $M=\frac{\mathrm{TAS}}{a}$.
• Vitesse conventionnelle : vitesse vraie ramenée par convention au niveau de la mer en atmosphère ISA à partir de la différence entre pression totale et pression statique.
• Vitesse indiquée : CAS corrigée des erreurs de position et d’instrument.

★ À maîtriser

• La TAS sert aux calculs aérodynamiques et aux calculs de vitesse sol pour la navigation, et elle est renseignée dans le plan de vol sous forme de TAS ou de Mach.

• Le tube Pitot mesure la pression totale et la prise statique mesure la pression statique pour déterminer la vitesse affichée par l’anémomètre.

Compléments

• À haute altitude, le Mach est utilisé en croisière parce que la vitesse du son diminue avec l’altitude et que le Mach est plus pertinent que la TAS pour piloter près des limites de l’avion.

📐 Formule - La formule de Saint-Venant donne $\mathrm{CAS}=a_0\sqrt{\frac{2}{\gamma-1}\left[\left(1+\frac{\Delta P}{P_0}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}-1\right]}$, où $P_0=1013{,}25\,\mathrm{hPa}$.

• L’approximation $\mathrm{CAS}\approx\sqrt{\frac{2\Delta P}{\rho_0}}$ convient aux faibles Mach, avec une erreur restant sous 1 à 2 % jusqu’à environ M = 0,3, mais ne convient pas aux avions de ligne modernes.

• Sur les avions modernes, l’ADC calcule la CAS à partir des pressions et l’envoie au PFD, bien que la vitesse affichée soit souvent appelée vitesse indiquée.

📖 6. Vitesses équivalente et sol

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse équivalente : vitesse qui produirait au niveau de la mer la même pression dynamique que celle subie en altitude, avec $\mathrm{EAS}=\sqrt{\frac{\rho}{\rho_0}}\,\mathrm{TAS}$.
• Vitesse sol : vitesse de l’avion par rapport à la Terre et résulte de la composition de la TAS et de la vitesse du vent.

★ À maîtriser

📌 La relation entre EAS et CAS est $\mathrm{EAS}=f\,\mathrm{CAS}$, où le facteur de compressibilité f est inférieur ou égal à 1 et dépend de l’altitude-pression et de la vitesse.

📐 Formule - La vitesse sol est la somme vectorielle de la vitesse vraie et de la vitesse du vent, soit $\vec V_{sol}=\vec{TAS}+\vec V_{vent}$.

Compléments

• La pression dynamique représentée par l’EAS est liée à la portance, selon $L=\frac{1}{2}\rho S C_L v^2=\frac{1}{2}\rho_0 S C_L\mathrm{EAS}^2$.

📐 Formule - En navigation horizontale, la vitesse sol horizontale vérifie $\vec V_{sol,h}=\vec{TAS}_h+\vec V_{vent,h}$ et sert à calculer les temps de vol et les heures d’arrivée.

💡 Astuce mémo

Altitude et compressibilité réduisent l’EAS par rapport à la CAS ; le vent modifie la vitesse sol par rapport à la TAS.

📖 7. Mach et limites de vitesse

📝 Points essentiels

• En subsonique, le Mach se calcule directement à partir des pressions avec la formule de Saint-Venant ; en supersonique, une onde de choc droite précède le Pitot et le calcul utilise l’équation de Rayleigh.

• La sonde de température mesure la température totale d’impact $T_t$ et non la température statique ; connaissant le Mach et $T_t$, l’avion peut calculer la température statique.

• Le VNE est la CAS à ne pas dépasser afin de protéger l’avion contre les charges structurelles et le flutter.

• La VMO est une limite opérationnelle de CAS en basse altitude et la MMO une limite opérationnelle de Mach en haute altitude, toutes deux utilisées pour les jets.

• La VNO délimite l’utilisation normale et la zone de prudence en aviation générale, tandis que la VNE est la vitesse à ne jamais dépasser.

• La VS1 est la vitesse de décrochage en configuration lisse, tandis que la VS0 est la vitesse de décrochage en configuration d’atterrissage avec volets et train sortis, et elle est plus faible que la VS1.

• La VFE est la vitesse maximale avec les volets sortis, chaque cran de volet ayant sa propre limite, et la VLO/VLE limite respectivement la sortie du train et le vol avec le train sorti.

📖 8. Mesure de la vitesse verticale

🔑 Notions clés & Définitions

• Variomètre : instrument qui mesure le taux de montée ou de descente d’un aéronef en pieds par minute ou en mètres par seconde.

★ À maîtriser

• Le variomètre mesure la variation de pression statique et calcule la vitesse verticale selon $V_z=k\frac{dP}{dt}$.

Compléments

• Les variomètres classiques avaient un retard d’environ 6 à 9 secondes, tandis que les IVSI actuels utilisent de petits accéléromètres pour compenser ce retard.

📖 9. Synthèse anémobarométrique

★ À maîtriser

• Un avion mesure trois paramètres :
  • la pression statique
  • la pression dynamique, différence entre pression totale et pression statique
  • la température d’impact totale

Compléments

• La synthèse anémobarométrique présente la pression statique et la différence entre pression totale et pression statique comme des paramètres mesurés par l’avion pour calculer d’autres paramètres barométriques et de vitesse.

• La température réelle de l’air ne peut pas être mesurée directement en raison de la vitesse de l’avion ; la température d’impact totale est donc mesurée.

📖 10. Navigation avec le vent

🔑 Notions clés & Définitions

• Vent : Déplacement de la masse d’air par rapport au sol, caractérisé par sa direction d’où il vient et sa vitesse, généralement exprimée en nœuds.
• Route : Trajectoire réelle suivie par l’avion par rapport à la surface de la Terre.
• Cap : Direction de l’axe de l’avion vers laquelle pointe le nez de l’avion.
• Dérive : Angle entre le cap, qui correspond à l’axe de l’avion, et la route, qui correspond à la trajectoire suivie.
• Vitesse vraie : Vitesse de l’avion par rapport à la masse d’air et dont le vecteur suit l’axe de l’avion en deux dimensions.
• Vitesse sol : Vitesse réelle de l’avion par rapport au sol.
• Angle au vent : Angle entre la direction d’où vient le vent et la route vraie que l’avion veut suivre ; il est défini par $X=d_s-R_q\pm180^\circ$ et ramené dans l’intervalle $[-180^\circ,180^\circ]$.

★ À maîtriser

📐 Formule - En palier rectiligne, le triangle des vitesses exprime la relation vectorielle $\vec{GS}=\vec{TAS}+\vec{V}_{vent}$.

📐 Formule - La dérive se calcule par $d=\arcsin\left(\frac{V_s\sin(X)}{TAS}\right)$ et le cap vrai par $C_q=R_q-d$.

📐 Formule - La vitesse sol se calcule par $GS=\sqrt{TAS^2-(V_s\sin(X))^2}+V_s\cos(X)$.

Compléments

📌 La dérive est positive lorsque la route est à droite de l’axe de l’avion, ce qui correspond à un vent venant de la gauche, et négative lorsque la route est à gauche, avec un vent venant de la droite.

• Le triangle des vitesses permet d’anticiper la dérive et de calculer le cap à suivre, ainsi que d’estimer l’heure d’arrivée et le carburant nécessaire en fonction du vent.

📌 Le triangle des vitesses est une simplification valable sur de courtes distances et en palier, car la courbure de la Terre et les changements de vent limitent son exactitude.

📌 Avec la convention de l’angle au vent, un vent de face correspond à $X=180^\circ$, un vent arrière à $X=0^\circ$, et le vent est arrière lorsque $X\in(-90^\circ,90^\circ)$.

📐 Formule - La composante effective du vent dans l’axe de la route vaut $V_u=V_s\cos(X)$ ; elle est positive pour un vent arrière et négative pour un vent de face.

📐 Formule - La composante traversière du vent, perpendiculaire à la route, vaut $V_v=V_s\sin(X)$.

💡 Astuce mémo

La TAS suit l’axe de l’avion, la GS suit la route au sol.

📖 11. Vol à vue et vol aux instruments

★ À maîtriser

📌 Le VFR repose sur le principe « voir et éviter », utilise des repères visuels et s’effectue obligatoirement en conditions VMC dans les espaces aériens qui le permettent.

📌 L’IFR permet le vol dans presque toutes les conditions météorologiques, repose sur les instruments et le contrôle aérien, et exige des qualifications particulières.

• Un vol IFR comprend le dépôt obligatoire du plan de vol, l’obtention d’une clairance, un départ SID, un trajet en route sur voies aériennes ou en Free Route, une arrivée STAR et une approche vers la piste.

Compléments

📌 En France et en Europe, le VFR est possible dans les espaces non contrôlés de classe F et G ainsi que dans les espaces contrôlés de classe C, D et E.

📌 En VFR, le plan de vol est obligatoire dans les espaces C et D, lors d’un franchissement de frontière, d’un survol maritime ou d’une zone hostile, ainsi que de nuit hors vols locaux.

• En VFR, le plan de vol est conseillé lorsqu’une opération SAR pourrait être nécessaire afin de faciliter et d’accélérer la localisation de l’appareil.

• Les instruments essentiels en VFR sont :

  • l’anémomètre
  • l’indicateur de cap
  • le chronomètre
  • l’altimètre

• En IFR, les pilotes scannent les instruments selon la séquence horizon, altitude, instrument de performance, horizon et exécutent les instructions du contrôle.

💡 Astuce mémo

VFR : voir dehors ; IFR : suivre les instruments.

📖 12. Moyens de radionavigation

🔑 Notions clés & Définitions

• Radionavigation : Détermine la position, la trajectoire ou la vitesse d’un aéronef grâce à l’exploitation des ondes électromagnétiques.
• PBN : Concept qui définit les exigences de précision, d’intégrité et de continuité pour une route sans imposer un capteur spécifique.
• RNAV : Permet à l’avion de suivre une trajectoire quelconque, notamment directe, sans passer au-dessus de balises au sol, à l’aide d’un GNSS ou d’un FMS intégrant les données.
• RNP : RNAV avec surveillance permanente de la précision et alerte si celle-ci devient insuffisante.
• DME : Mesure la distance à une balise en calculant le temps entre l’interrogation de l’avion et la réponse de la balise.
• ILS : Système d’approche de précision qui guide l’avion simultanément sur les axes horizontal et vertical.
• GNSS : Désigne les systèmes de positionnement par satellites, constitués de constellations de satellites artificiels.

★ À maîtriser

• Un système est un moyen de radionavigation s’il fournit au moins une donnée d’azimut ou de relèvement, de distance, ou d’écart par rapport à une route théorique.

• Les moyens de radionavigation comprennent les systèmes au sol, dont l’ADF/NDB et le VOR pour la direction, le DME pour la distance et l’ILS pour l’atterrissage, ainsi que les systèmes par satellite GNSS.

• La classification des approches par opération distingue le type A, avec DH ou MDH d’au moins 250 ft, du type B, avec DH inférieure à 250 ft ; cette distinction ne repose pas sur un seuil de visibilité.

• Une approche NPA fournit uniquement un guidage latéral et utilise une MDA/MDH, une APV ajoute un guidage vertical sans respecter les normes ILS et utilise une DA/DH, tandis qu’une PA fournit un guidage latéral et vertical de haute précision avec une DA.

• Les catégories ILS et leurs minima sont :

  • CAT I : DH 200 ft et RVR 550 m
  • CAT II : DH 100 ft et RVR 300 m
  • CAT IIIA : DH inférieure à 100 ft et RVR 200 m
  • CAT IIIB : DH inférieure à 50 ft et RVR 75 m
  • CAT IIIC : DH 0 ft et RVR 0 m

• Le récepteur GNSS reçoit les informations de distance de quatre satellites et calcule la position par trilatération, tandis que le quatrième satellite permet de corriger la synchronisation horaire du récepteur.

• Les approches GNSS et leurs caractéristiques sont :

  • LNAV : guidage latéral uniquement et minima MDA/MDH
  • LNAV/VNAV : guidages latéral et vertical barométrique et minima DA/DH
  • LPV : guidage vertical GNSS augmenté par SBAS et minima souvent de 200 ft

Compléments

• La navigation point-à-point de 1950 à 1990 suivait les balises au sol, produisant des trajectoires en zigzag et une précision dépendant de la station et de la distance.

• En 1993, le GPS est déclaré opérationnel pour la défense, puis se généralise dans l’aviation civile dans les années 2000.

📖 13. Centrales inertielles

🔑 Notions clés & Définitions

• Centrale inertielle : Système de navigation autonome qui calcule la position de l’avion à partir des accélérations et des rotations mesurées depuis une position initiale connue.

★ À maîtriser

• En vol, la centrale inertielle intègre l’accélération pour obtenir la vitesse, puis intègre la vitesse pour obtenir la distance.

Compléments

• Une centrale inertielle comprend : trois accéléromètres mesurant les accélérations linéaires sur trois axes, trois gyromètres mesurant les vitesses de rotation en tangage, roulis et lacet, un calculateur de position et de vitesse

• À l’alignement au parking, l’avion reste immobile 5 à 10 minutes ; la centrale recherche le nord géographique et détecte la gravité pour déterminer la verticale locale, tandis que les pilotes saisissent les coordonnées GPS du parking.

• Une centrale inertielle classique dérive d’environ 1 à 2 NM par heure de vol en raison de l’accumulation des erreurs d’estime.

• En vol, les calculateurs FMS comparent la position inertielle au GPS ou aux balises DME pour recaler la position et annuler la dérive.

• Les avions de ligne incorporent deux à trois centrales inertielles dans leurs Air Data Reference Unit/System, essentielles en cas de perte du signal GNSS.

📖 14. Radar aéronautique

★ À maîtriser

• Le radar sol est un pilier du contrôle en route et en approche ; le radar secondaire interroge le transpondeur de l’avion, qui répond avec des données codées.

Compléments

• À bord, les radars servent à la météorologie et peuvent aussi assurer la détection, la navigation ou le suivi de terrain sur les aéronefs militaires.

• Les modes de transpondeur cités sont :

  • mode A : identification
  • mode C : altitude
  • mode S : identification, altitude et intentions
  • modes militaires

📐 Formule - La portée radar approximative en milles nautiques vaut $D_{max}\approx1{,}22\sqrt{H+h}$, où H et h sont les hauteurs de l’avion et de l’émetteur en pieds.

• La réfraction des ondes électromagnétiques augmente la portée de l’horizon radar d’un facteur d’environ 4/3 par rapport à l’horizon optique.

📖 15. Surveillance ADS-B

🔑 Notions clés & Définitions

• ADS-B : Système de surveillance diffusé automatiquement par l’avion, qui dépend de sa position GNSS et transmet les données aux contrôleurs et aux autres avions.

★ À maîtriser

📌 L’ADS-B dépend du GPS et son signal n’est pas crypté, ce qui le rend vulnérable au brouillage GPS et à la génération de faux avions.

Compléments

• 🔄 Le fonctionnement de l’ADS-B comprend : déterminer la position par GNSS, transmettre automatiquement les données une à deux fois par seconde, diffuser le paquet de données par le transpondeur, généralement en mode S sur 1090 MHz

• Le paquet ADS-B peut contenir :

  • la latitude
  • la longitude
  • l’altitude
  • la vitesse sol
  • le cap
  • l’identifiant de l’avion
  • l’altitude sélectionnée au pilote automatique