VOR : son fonctionnement

Cet article vous présente le fonctionnement du VOR, et non pas son utilisation. Les principes du VOR ne sont pas au programme du PPL, mais une bonne compréhension de son fonctionnement aide à la maitrise de son utilisation.

Le principe du radiophare

VOR est l’acronyme de VHF Omnidirectional Range. Une expression intraduisible (littéralement « portée omnidirectionnelle VHF »), que l’on exprime parfois en français sous le terme de radiophare. .

L’image est parfaite, il s’agit bien d’un phare dont le signal radioélectrique tourne et guide les avions comme des navires. C’est le moyen de radionavigation le plus utilisé depuis 50 ans pour les courtes distances.

Rappel : Formule de la portée optique VHF
1.23 \sqrt{hauteur avion}

avec la portée en nautiques et la hauteur en pieds.

Le principe est donc le suivant :

Imaginez qu’une ile est équipée de deux lumières. Il y a un phare, et son faisceau qui tourne. Au sommet du phare, une autre lumière éclaire dans toutes les directions mais son intensité oscille. Elle s’allume de plus en plus fort, visible depuis toutes les directions en même temps, puis elle diminue jusqu’à s’éteindre, puis le cycle reprend. Cliquez pour agrandir l’image :

phareetomni

L’association du phare et de la lumière oscillante est prévue de sorte que le faisceau du phare pointe vers le nord quand la lumière oscillante éclaire à son maximum.

Ainsi, un avion qui voit les deux lumières à leur intensité maximum en même temps, se trouve forcément au nord de l’ile. C’est exactement le principe du VOR. Sauf qu’au lieu de lumières, la balise VOR émet des ondes VHF.

Le Principe appliqué au VOR

Le récepteur embarqué dans l’avion « écoute » le signal de référence, envoyé de façon omnidirectionnelle par le VOR. Ce signal oscille, et tous les avions l’entendent en même temps, avec la même intensité, où qu’ils se trouvent.

La balise VOR émet un second signal, qui lui est d’intensité constante mais tourne autour de la balise. C’est le faisceau tournant de notre phare. Auparavant, sur les balises VOR de première génération, il y avait réellement une antenne qui, montée sur un moteur électrique, tournait dans la balise ! Aujourd’hui ce mécanisme est remplacé par des systèmes fixes, plus fiables.

Quand le faisceau du « phare » passe devant l’avion, le récepteur entend son signal au plus fort, puis le faisceau s’éloigne et le récepteur l’entend de moins en moins. Le récepteur dans l’avion écoute, et mesure la phase (le décalage) entre le signal tournant et le signal de référence. De cette mesure de phase, il en déduit le radial sur lequel se trouve l’avion.

Phase

En physique, la phase est la situation instantanée d’un phénomène cyclique, par rapport à une référence. Elle peut se mesurer en degrés. Facilement matérialisable avec le phare : quand son faisceau pointe vers le nord, sa phase est nulle. Quand il pointe vers l’est, sa phase est de 90°. Quand il pointe vers le sud, sa phase est de 180°, etc.. On parle bien de phase par rapport à une référence, ici par rapport au nord.

Dans le cas du VOR, on mesure la phase du signal tournant en référence au signal omnidirectionnel.

Signaux en phase

Dans l’exemple ci dessous, les deux signaux sont en phase. La réception du signal tournant (bleu) correspond exactement au signal de référence omnidirectionnel (rouge) : l’avion se trouve au nord de la balise.

phase0

Signaux en opposition de phase

Sur la courbe ci dessous, c’est exactement l’inverse : les signaux sont en opposition de phase, ou déphasés de 180°. Quand le récepteur reçoit l’intensité maximum du signal tournant (bleu), il ne recoit plus le signal de référence (rouge). L’onde radioélectrique tournante est passée devant l’avion au moment où le signal omnidirectionnel était le plus faible : l’avion se trouve au sud de la balise

phase180

Autres déphasages

Dans ce troisième cas ci dessous, le signal tournant (bleu), est en retard par rapport au signal de référence (rouge). Quand le signal tournant (le faisceau du phare) arrive, le signal omnidirectionnel a déjà passé son maximum et son intensité rediminue. Dans notre exemple, ce retard est de 90°, l’avion se trouve donc plein est par rapport à la balise.

phase90

Dans ce dernier exemple ci dessous, à l’inverse le signal tournant (bleu), est en avance par rapport au signal de référence (rouge). Le signal tournant (le faisceau du phare) arrive à son maximum d’intensité avant le maximum du signal de référence. Dans l’exemple ci dessous ce déphasage est de 270°, donc l’avion est à l’ouest de la balise.

phase270

L’application réelle

A bord, le pilote sélectionne la fréquence de la balise VOR. Le pilote souhaite connaitre sa position par rapport à la balise, et en particulier son écart par rapport à un radial qu’il a choisi.

Sur avions d’aéroclubs, l’indicateur du VOR est le plus souvent un OBI (Omnidirectional Bearing Indicator ) :

OBI2

Cet indicateur est en réalité un phasemètre qui indique le déphasage, en degrés, entre le signal de référence omnidirectionnel et le signal tournant. Si les deux signaux sont en phase, l’aiguille est centrée. Sinon, l’aiguille se déplace, indiquant en degrés la valeur du déphasage (2 degrés par point de déviation).

Oui mais, me direz vous, le signal de référence est calé de sorte que les deux signaux sont en phase lorsque l’avion se trouve au nord de la balise. C’est là l’objet du bouton OBS, qui permet de faire tourner la couronne de l’instrument. On choisit le radial de référence (ici un radial 171). L’instrument décale lui même le signal de référence reçu afin de se créer une nouvelle référence, qui sera comparée au signal « tournant ».

Pour aller plus loin

J’ai bien conscience de la complexité de cet article pour les néophytes. Si vous avez eu du mal avec ce qui précède, n’allez pas plus loin. Sinon, vous pouvez lire la suite.

Donc voici quelques précisions pour les curieux.

Fréquences

Le VOR utilise une gamme de fréquences VHF allant de 108 à 118 MHz. Toutefois il partage les fréquences de 108 à 112 MHz avec les ILS. Sur cette plage de fréquence partagée, les VOR n’utilisent que les fréquences dont les centaines de kHz sont paires (108.0, 108.2, 108.4, etc.). Les autres fréquences (108.1, 108.3, 108.5,..) étant réservées aux ILS.

Signaux

Comme nous l’avons vu précédemment, la balise émet deux signaux que j’avais nommés « référence » et « signal tournant ». En réalité, ce signal tournant porte le nom de variphase.

Ces deux signaux ont une fréquence de 30 Hz (le variphase effectue 30 tours par minute, et donc la référence 30 oscillations pour suivre le variphase). Sur un VOR traditionnel (ancienne génération) variphase est modulé en amplitude (AM), tandis que le signal de référence est modulé en fréquence (FM). Sur un VOR doppler, plus récent, c’est l’inverse. Après démodulation des deux signaux, leur déphasage est mesuré par le récepteur afin de connaitre le radial sur lequel se trouve l’avion.

Diagramme Polaire

Le diagramme polaire d’émission du variphase est un limacon. Voilà une phrase à retenir pour la placer au bon moment lors de votre prochain diner mondain.

561px-CardioidCircleEnvelope.svg

On parle parfois de cardioïde.. en raison de sa forme de coeur. Je ne rentrerai pas ici dans des considérations mathématiques qui me dépassent, sachez simplement que les VOR émettent bien un limacon, l’équation d’une cardioïde étant différente.

Donc ce limacon tourne autour de la balise. Quand le récepteur se trouve face au « creu » du limacon (ici à droite), il ne reçoit aucun signal. Quand à l’inverse il se trouve de l’autre côté, il reçoit l’intensité maximum du signal.

Cône de silence

Appelé cône de confusion en anglais. C’est un volume conique situé au dessus du VOR dans lequel le signal n’est pas reçu. Dans le cône de silence, le VOR n’est plus utilisable !

cône of silence

L’angle formé entre les bords de ce cône et la verticale est typiquement de 40° à 50°, l’OACI fixant une limite réglementaire de 50°.

On peut donc facilement calculer le rayon de la zone de silence en fonction de l’altitude : rayon = altitude (en nm) x tan(angle). Le calcul peut être simplifié par rayon ) altitude (ft) x2 /10’000

Considérant un cône de silence de 50° d’angle, on trouve donc les rayons suivants :

AltitudeRayon de la zone de silence
1'000 ft0.2 nm
2'000 ft0.4 nm
3'000 ft0.6 nm
4'000 ft0.8 nm
5'000 ft1 nm
8'000 ft1.6 nm
10'000 ft2 nm
15'000 ft3 nm
20'000 ft4 nm
25'000 ft5 nm
30'000 ft6 nm

Aux altitudes volées en avion léger, le rayon du cône de silence est très limité. Plus on s’approche de la balise, plus l’indication devient imprécise et difficile à utilisée. Ne soyez pas surpris de perdre totalement le signal à environ 1 nautique de la balise. Conservez votre cap actuel et attendez d’être sorti du cône de silence avant de considérer de nouveau l’indication VOR.

En formation IFR, on apprend à voler au cap dès lors que l’on s’approche de la verticale du VOR. Une fois passée la verticale, on lance un chrono et on attend au minimum une minute avant de considérer de nouveau les indications du VOR.

Sur avion équipé d’un pilote automatique assez élémentaire, il faut penser à utiliser le mode de maintient de cap (heading) à l’approche de la balise. Sur les pilotes automatiques les plus sophistiqués, le cône de silence est automatiquement détecté et l’appareil passe en mode « dead reckoning » (le guidage VOR reste le mode activé mais le pilote automatique maintient un cap jusqu’à sortir du cône de silence). Cela qui évite une action du pilote.  Et bien évidemment, cette utilisation du pilote automatique en guidage VOR se fait de plus en plus rare (hormis en approche) puisqu’en règle général, les avions suivent des routes GPS ou FMS.

Erreurs et précision

La réglementation impose aux balises VOR une précision de plus ou moins 5° dans 95% du temps.

L’instrument, affiche une précision de plus ou moins 3° dans le pire cas. La précision moyenne du VOR en utilisation réelle est d’environ 1.5°.

Un VOR de navigation en route, d’une puissance de 200 watts, possède une portée maximum d’environ 200 nautiques. Les VOR courte portée, tels qu’utilisés pour les approches aux instruments, ont une portée d’une cinquantaine de nautiques. Comme dit précédemment, cette portée est optique, d’autant plus grande que l’altitude est grande, et limitée par les obstacles physiques.

Les VOR/D (doppler) sont plus modernes, plus fiables, mais aussi plus complexes et plus couteux. Ils ont l’avantage de réduire par facteur 5 les erreurs de propagation.

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