Antennes DVOR

Le VOR

Généralités sur le VOR

Le VOR (VHF Omnidirectional Range) est un système à diffusion d’azimut, fournissant des signaux immédiatement exploitables à bord de l’avion. ainsi, sur toutes les routes orthodromiques convergentes sur la station.

Le VOR fonctionne sur la bande VHF (108 à 117,975 Mhz, adjacente à la bande 108 –136 Mhz des communications air-sol). Par ailleurs, son rayonnement est de polarisation horizontale, pour s’affranchir au mieux des obstacles verticaux.

En outre, et parce qu’il s’agit d’une aide de radionavigation VHF, la portée Air-Sol d’un VOR est limitée à la réception en visibilité directe, ce qui est typique à une transmission VHF.

Ainsi, l’ensemble au sol et à bord constitue un système de radionavigation-radioguidage à courte et moyenne distance.

Le VOR peut fonctionner en mode conventionnel : les CVOR ou en mode à effet DOPPLER : les DVOR, nous présentons dans ce qui suit le système CVOR en particulier. Pour ne pas alourdir cet article, un autre sera destiné au DVOR.

Une Station VOR Conventionnel
Une Station VOR Conventionnel

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement du VOR repose sur l’azimut qui est une grandeur angulaire variable de 0° à 360°. De telle sorte que, cette information angulaire ø est transmise sous forme de différence de phase entre deux signaux sinusoïdaux de fréquence 30Hz, dont la différence de phase dans un azimut ø donné, soit précisément égale à cet azimut.

Bien que, pour une direction ø qui définit le VOR :  0 ≤ ø ≤ 360°  équivaut à 0 ≤ ∆ø ≤ 360°.

Pour satisfaire à cette relation, la station VOR transmet en VHF deux signaux BF. Ces deux signaux sont de même fréquence, mais de phases différentes, en particulier :

Le Signal 30Hz référence : est transmis, avec une phase instantanée, identique dans toutes les directions.

Le signal 30Hz variable : est transmis avec une phase instantanée qui est une fonction linéaire de l’azimut.

Séparation des signaux 30 Hz à bord
Séparation des signaux 30 Hz à bord

Soit, après réception et démodulation :

E_{30} Ref = \cos (\Omega t + \theta)
E_{30} Var = \cos (\Omega t + \theta^\prime - \phi)

La comparaison des phases de ces deux signaux pour toute direction ø donne :

\theta_{Ref} - \theta_{Var} = (\theta - \theta^\prime) + \phi

L’annexe 10 de l’OACI stipule que dans la direction du Nord magnétique, les signaux 30Hz Ref et 30 Hz Var auront la même phase à l’origine. Faut faire donc un calage de phase de telle sorte que \theta = \theta^\prime :

On obtient donc:

\Delta\theta = \theta_{Ref} - \theta_{Var} = \phi

La figure suivante montre l’allure des deux signaux 30 Hz après réception, détection et séparation pour ø = 0°,  ø = 90° ,   ø = 180°  et  ø = 270° :

Allure des deux signaux 30 Hz
Allure des deux signaux 30 Hz

Transmission de l’indicatif et la phonie

Chaque station VOR est caractérisée par sa position géographique, sa fréquence et son indicatif, ce dernier est de trois lettre maximum codé en morse de façon que ça sera transmis en modulation d’amplitude par une fréquence 1020 Hz.

En outre, le VOR est utilisable pour la transmission d’un certain nombre d’informations (notamment les informations météorologiques) au moyen d’une bande phonie (de 300 Hz à 3 KHz) qui module elle aussi la porteuse en amplitude.

Elaboration des signaux REF et VAR

Le Signal REF

Ce signal 30Hz est transmis par modulation de fréquence d’une sous porteuse, de fréquence f0=9960 Hz, l’indice de modulation fixé par l’OACI étant de 16, l’excursion en fréquences sera donc 16 X 30 = ±480 Hz, cette sous porteuse module à son tour en amplitude la porteuse VHF avec un taux de modulation de 30%, en effet, cette seule modulation d’amplitude se traduirait par les deux raies f+9960 et f-9960 de part et d’autre de f.

Elaboration du signal 30 Hz Référence
Elaboration du signal 30 Hz Référence

Le Signal VAR

Ce signal module la porteuse en amplitude avec un taux de modulation de 30%, il lui correspond les deux raies spectrales f+30 et f-30 de part et d’autre de la porteuse. en réalité, cette modulation d’amplitude est obtenue par une modulation d’espace, et ce 30 Hz Var est élaboré par une rotation dans l’espace d’un diagramme de rayonnement.

Le principe de base est la combinaison d’une antenne fixe avec une antenne tournante, formant un diagramme conchoïde, obtenu par la combinaison des champs issus des diagrammes de ces deux antennes :

-Antenne fixe: omnidirectionnelle alimentée par une porteuse VHF modulée en amplitude par la sous-porteuse de fréquence 9960 Hz.

-Antenne tournante (doublet) : à 30 tours/seconde, à diagramme double cercle alimentée par une fraction de la porteuse VHF

Afin de réaliser la rotation du diagramme variable, il y a deux solutions : une solution mécanique qui correspond aux VOR de la première génération, et l’autre solution qui est électronique, dont les VOR actuels. La version mécanique consiste tout simplement à faire tourner l’antenne à 30 tours/seconds, mais cela pose des problèmes d’usure des roulements et des connexions HF. Les versions récentes du VOR exploitent donc la solution électronique qui est plus fiable.

La conchoïde tournante
La conchoïde tournante

Solution électronique à antennes fixes

Principe

La transmission du signal 30 Hz Var avec des antennes fixes est plus adéquate, on évite absolument les systèmes mécaniques qui constituent un point faible dans la fiabilité de l’équipement.

Il s’agit donc de remplacer l’antenne tournante par un groupement d’antennes fixes ayant un diagramme résultant de cercle tournant.

Le champ global E s’écrit :

E = E_{0} \cos \omega t \{ 1 + m \cos (\Omega t - \phi)\}
\hspace{2cm} = E_{0} \cos \omega t + m E_{0} \cos (\Omega t - \phi)
= (1)  \space + \space (2)

Avec :

(1): La porteuse rayonnée, issue du diagramme fixe.

(2): Signal de fréquence latérales de la modulation d’amplitude, issu d’un diagramme double cercle tournant dans le plan horizontal.

Interprétation mathématique

En développant d’avantage cette formule, le champ résultant « fréquences latérales » s’écrit :

E_{BL} = m E_{0} \cos \omega t \cos (\Omega t - \phi)
 = m E_{0} \cos \omega t (\cos \Omega t \cos \phi + \sin \Omega t \sin \phi)
 = (m E_{0} \cos \omega t \cos \Omega t \cos \phi) +  (m E_{0} \cos \omega t \sin \Omega t \sin \phi)
 = (1)  \space + \space (2)

Avec en premier lieu :

(1) = m E_{0} \cos \omega t \cos \Omega t \cos \phi

C’est le champ issu d’un diagramme double cercle de direction fixe (orienté Nord/Sud) et d’amplitude maximum de :

m E_{0} \cos \omega t \cos \Omega t  \hspace {1cm} pour \hspace {1cm}  \phi = 0^\circ

En outre:

 (2) = m E_{0} \cos \omega t \sin \Omega t \sin \phi

Est le champ issu d’un diagramme double cercle de direction fixe orthogonale au précédent (orienté Est/Ouest) et d’amplitude maximum de :

m E_{0} \cos \omega t \sin \Omega t  \hspace {1cm} pour  \hspace {1cm}  \phi = 90^\circ

La combinaison de ces deux champs en quadrature BF, est bien identique au champ fréquences latérales issu du diagramme à double cercle tournant.

Cependant, ces courant seront fournis par des modulateurs symétriques, appelés générateurs de fréquences latérales ou de bandes latérales.

Les champs rayonnés du groupement d’antennes fixes
Les champs rayonnés du groupement d’antennes fixes

Formule générale du signal VOR

Dans une direction ø l’addition spatiale donne l’expression complète du signal VOR :

Formule générale du signal VOR
Formule générale du signal VOR

Spectre de fréquences

Spectre de fréquences VOR
Spectre de fréquences VOR

Compte tenu du grand écart existant entre les deux fréquences 30Hz et 9960Hz, il est facile de les séparer à bord après réception et démodulation.

Synoptique simplifié du VOR

Synoptique simplifié du VOR
Synoptique simplifié du VOR

Seule la partie Var est différente de la première solution à doublet tournant. Décidément, le 30 Var est obtenu par rayonnement séparé de deux bandes latérales.

En effet, les deux antennes à diagrammes en 8, physiquement orthogonales, sont alimentées à partir d’un générateur de bandes latérales, délivrant :

e_{BL1} = m \cos \Omega t \cos \omega t  \
e_{BL1} = m \sin \Omega t \cos \omega t  \

Equipement VOR du bord de l’aéronef

Schéma synoptique du récepteur de bord VOR
Schéma synoptique du récepteur de bord VOR

Le circuit de bord est composé des étages suivants :

  • Une antenne VHF à polarisation horizontale, la plus omnidirectionnelle possible.
  • Un récepteur VHF à modulation d’amplitude, qui effectue la démodulation de la porteuse pour récupérer le 30Hz VAR, la sous porteuse 9960Hz, le signal d’identification 1020Hz et le signal de la phonie 300 / 3000Hz. Ces signaux sont par la suite amplifiés et filtrés.
  • Un étage discriminateur 9960 Hz pour isoler et effectuer la démodulation en fréquence du second signal 30 Hz FM.
  • Un comparateur de phase qui calcule le déphasage entre les deux signaux 30 Hz et ainsi il interprète l’angle du radial sur lequel se situe l’avion.

L’information d’azimut est ensuite envoyée vers un indicateur VOR. Bref, celui-ci fournit les renseignements suivants :

  • Une indication de déviation gauche/droite par rapport à une route magnétique sélectionnée.
  • Une position TO/FROM pour savoir si l’avion se rapproche ou s’éloigne de la station VOR.
  • Le Flag Alarm, indiquant un mauvais fonctionnement.
Exemple pratique :

A bord de l’avion, le récepteur VOR doit être calé sur la fréquence de la balise au sol, e.g: 115.8 Mhz.

Ainsi, le CDI de bord a un bouton OBS (Omni-Bearing Selector) rotatif permettant de sélectionner un radial précis.

Indicateur de Déviation VOR (CDI)
Indicateur de Déviation VOR (CDI)

L’image ci-dessus présente un exemple de récepteur VOR de bord, captant la fréquence de la balise au sol. Suite à la réception de cette fréquence, l’indicateur est vertical. En effet, celui-ci va nous indiquer la position de l’avion vis à vis du radial 0.

Etant donné que l’indicateur est vertical, l’avion n’est donc ni à gauche, ni à droite du radial, mais exactement dessus. Ainsi, Le triangle “To/From” est vers le haut, donc en suivant le radial 0, l’avion se rapproche de la station VOR.

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