Altimètre radio – Instrument mesurant la hauteur au-dessus du sol par radio (Aviation)

Qu’est-ce qu’un altimètre radio ?

Un altimètre radio est un instrument avionique spécialisé qui mesure la distance verticale entre un aéronef et le terrain situé directement en dessous, appelée hauteur au-dessus du sol (AGL). Contrairement à un altimètre barométrique—qui utilise la pression atmosphérique référencée au niveau moyen de la mer—un altimètre radio fournit une mesure directe et en temps réel de la hauteur de l’aéronef au-dessus du sol ou de la surface de l’eau. Cela est réalisé en émettant des ondes radio vers le bas, en recevant leurs réflexions et en analysant précisément le décalage temporel ou la différence de fréquence pour calculer la distance.

Les altimètres radio sont indispensables pour la sécurité des opérations de vol à basse altitude, en particulier lors de l’approche, de l’atterrissage et du décollage. Ils sont un élément clé des systèmes avioniques avancés, fournissant des données critiques aux systèmes d’alerte de proximité du sol (GPWS), aux systèmes d’alerte et de connaissance du terrain (TAWS) et à la fonction d’atterrissage automatique. Leurs indications améliorent la connaissance de la situation, soutiennent les commandes de vol automatisées et sont exigées par la réglementation aéronautique internationale dans certains contextes opérationnels, comme les atterrissages de précision aux instruments.

Termes techniques clés

• Hauteur au-dessus du sol (AGL) : Altitude mesurée par rapport au terrain directement sous l’aéronef. L’AGL est la référence principale pour les altimètres radio, cruciale pour l’approche, l’atterrissage et les opérations à basse altitude.
• Onde continue modulée en fréquence (FMCW) : La technique radar dominante utilisée dans les altimètres radio modernes ; elle balaie continuellement une fréquence radio et calcule l’altitude en analysant le décalage de fréquence entre les signaux émis et reçus.
• Radar à impulsions : Une méthode plus ancienne où des impulsions radio discrètes sont émises et le temps aller-retour est mesuré pour déterminer l’altitude.
• Hauteur de décision (DH) : Une altitude prédéfinie sur l’altimètre radio, utilisée lors des approches aux instruments, à laquelle une décision d’atterrir ou de remettre les gaz doit être prise.
• Système d’alerte de proximité du sol (GPWS) : Système de sécurité utilisant les données de l’altimètre radio pour alerter les pilotes d’une proximité dangereuse du terrain.
• Collision avec le sol en vol contrôlé (CFIT) : Scénario d’accident où un aéronef en état de fonctionnement percute involontairement le sol ou un obstacle.
• Autoland : Système d’atterrissage automatique qui s’appuie sur les données de l’altimètre radio pour contrôler l’avion lors de l’approche finale et du toucher des roues.
• NOTAM (Notice to Air Missions) : Avis réglementaires pouvant inclure des avertissements concernant une fiabilité réduite de l’altimètre radio due aux interférences RF.

Principe de fonctionnement

Un altimètre radio fonctionne en émettant de l’énergie radiofréquence—généralement dans la bande 4,2–4,4 GHz—directement vers le bas à partir de l’aéronef. Lorsque le signal se réfléchit sur le terrain, il est reçu par le système de l’avion. Le délai temporel (pour les systèmes à impulsions) ou le décalage de fréquence (pour les systèmes FMCW) entre les signaux émis et reçus est utilisé pour calculer la distance verticale au sol.

• Méthode à impulsions : Mesure le temps aller-retour d’une impulsion vers le sol et retour. Le système utilise la vitesse de la lumière pour convertir cet intervalle en distance.
• Méthode FMCW : Émet une fréquence variant continuellement ; la différence de fréquence (fréquence de battement) entre les signaux émis et reçus est proportionnelle à l’altitude.

La hauteur calculée est affichée aux pilotes et transmise à de multiples systèmes embarqués. Les performances peuvent varier selon la réflectivité du terrain, l’attitude de l’avion et les interférences RF externes.

Méthode FMCW (Onde Continue Modulée en Fréquence)

Les altimètres FMCW émettent une onde radio continue dont la fréquence varie linéairement sur une certaine plage (par exemple, 100 MHz). Le signal réfléchi, retardé dans le temps, apparaît à une fréquence différente de celle actuellement émise. En mélangeant les deux, le système mesure une « fréquence de battement » proportionnelle au délai temporel, donc à l’altitude. Les systèmes FMCW offrent :

• Haute précision (à ±0,3 à ±0,75 m à basse altitude)
• Données continues en temps réel
• Faible consommation d’énergie
• Robustesse face aux interférences multi-trajets

La FMCW est la norme pour l’aviation civile en raison de ses performances et de sa fiabilité, bien qu’elle nécessite une gestion rigoureuse du spectre pour éviter les interférences, notamment avec les transmissions 5G en bande C adjacente.

Méthode à impulsions

La méthode à impulsions consiste à envoyer de courtes impulsions puissantes vers le bas et à chronométrer leur retour. Le temps aller-retour, divisé par deux puis multiplié par la vitesse de la lumière, donne l’AGL. Cette méthode est robuste et permet de plus longues portées, ce qui la rend intéressante pour certaines applications militaires et héritées. Toutefois, elle fournit des données moins continues que la FMCW et peut être plus sensible au bruit RF.

Principaux composants du système

Un système d’altimètre radio typique comprend :

• Émetteur : Génère et module le signal radio envoyé.
• Récepteur : Détecte et analyse le signal reçu.
• Antennes : Généralement deux (émission et réception), montées sous le fuselage pour un trajet vers le sol dégagé.
• Unité de traitement : Convertit les données brutes du signal en indications d’altitude grâce au traitement numérique.
• Indicateur/affichage cockpit : Affiche les lectures AGL, souvent intégré aux écrans de vol numériques.
• Sélecteur de hauteur de décision : Permet aux pilotes de définir des altitudes critiques pour les alertes automatiques.
• Circuits d’auto-test : Permettent les vérifications de bon fonctionnement avant et pendant le vol.

Bandes de fréquences et modulation typiques

• Bande de fréquence : 4,2–4,4 GHz (allocation UIT pour l’aviation civile)
• Largeur de bande : 200 MHz, permettant des modulations avancées pour la précision et la résistance au brouillage
• Modulation : FMCW est la norme pour les systèmes civils ; les techniques à impulsions et à spectre étalé sont utilisées dans certaines applications militaires.

Une allocation stricte du spectre protège l’aviation des interférences, mais les bandes adjacentes (par ex. pour la 5G) nécessitent une vigilance réglementaire continue.

Applications en aviation

Les altimètres radio sont utilisés pour :

• Approche et atterrissage : Fournissent l’AGL en temps réel pour les approches de précision, l’autoland et les opérations en faible visibilité.
• Décollage et montée : Garantissent la séparation avec le terrain lors des phases critiques de vol à basse altitude.
• GPWS/EGPWS & TAWS : Fournissent les données d’altitude pour les systèmes d’alerte de proximité du sol et de connaissance du terrain.
• Contrôle automatique du vol & autoland : Permettent la gestion automatisée de l’arrondi, du toucher et de la logique de sécurité.
• Opérations hélicoptère : Soutiennent le vol stationnaire, l’approche et les opérations de treuil au-dessus de l’eau ou de terrains accidentés.
• Vols militaires à très basse altitude : Permettent un suivi précis du terrain à des altitudes minimales de sécurité.
• Véhicules aériens sans pilote (UAV) : Assurent des atterrissages automatisés sûrs et des missions à basse altitude.

Cas d’utilisation opérationnels

• Autoland en faible visibilité : Permet des atterrissages sûrs en l’absence de repères visuels.
• Évitement du terrain : Prévient le CFIT en alertant l’équipage d’une proximité dangereuse du sol.
• Sauvetage hélicoptère offshore : Permet le vol stationnaire et les opérations de treuillage en toute sécurité au-dessus de l’eau agitée ou en mouvement.
• Suivi du terrain militaire : Maintient un vol à très basse altitude sûr dans des environnements complexes.
• Missions de cartographie UAV : Garantit un contrôle précis de l’altitude pour la cartographie et l’inspection.

Performances, précision et limitations

• Portée : Typiquement 0–2 500 ft AGL (civil), jusqu’à 50 000 ft (militaire spécialisé)
• Précision : ±0,3 à ±0,75 m (1 à 2,5 ft) à basse altitude
• Taux de mise à jour : Continu (FMCW), plusieurs fois par seconde
• Limitations : Les performances peuvent se dégrader au-dessus de l’eau, de la neige ou de terrains accidentés ; affectées par l’attitude de l’aéronef ; sensibles aux interférences RF ; décalage possible dû à l’emplacement de l’antenne (hauteur résiduelle).

Sécurité et réglementation

• Utilisation obligatoire : Requise pour certaines approches aux instruments (OACI, FAA)
• Risque d’interférences : Notamment par la bande C 5G ; atténués par des filtres, la réglementation du spectre et des NOTAM
• Maintenance : Comprend des fonctions d’auto-test intégrées pour assurer le bon fonctionnement
• Intégration : Crucial pour le GPWS, TAWS, autoland, et plus encore

Tendances futures

• Atténuation des interférences : Améliorations continues pour contrer la 5G et d’autres sources
• Miniaturisation : Unités plus petites et plus légères pour les UAV et aéronefs avancés
• Intégration : Connexions renforcées avec le GPS, la navigation inertielle et les systèmes d’alerte avancés
• Cybersécurité : Priorité montante pour les systèmes avioniques numériques

Résumé

Un altimètre radio est un instrument essentiel à bord des aéronefs, mesurant directement en temps réel la hauteur au-dessus du sol grâce aux ondes radio. Ses données alimentent des systèmes de sécurité critiques, soutiennent l’automatisation et permettent une exploitation sûre par tous temps et dans toutes les conditions de visibilité. Avec l’évolution de la technologie aéronautique et la congestion croissante du spectre RF, l’innovation continue et une réglementation robuste sont indispensables pour garantir la fiabilité et la sécurité de cet outil incontournable.

Sources :

• ITU Recommendation M.2059-0
• Radio Altimeter Technology Overview (NIH/PMC)
• FAA Radio Altimeter Guidance
• RTCA/DO-155: Minimum Performance Standards for Airborne Radio Altimeters

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