Le guidage vertical, VNAV, profil vertical, trajectoire et contraintes sont essentiels pour des opérations aériennes sûres et efficaces du décollage à l’atterrissage. Découvrez leurs rôles et systèmes.
Le guidage vertical (VG) englobe l’ensemble des informations, commandes et systèmes qui permettent un contrôle précis de la trajectoire d’altitude d’un aéronef à toutes les phases du vol. Au cœur de son principe, le VG désigne les moyens par lesquels l’équipage de conduite ou un système automatisé gère la position de l’aéronef dans la dimension verticale—changements d’altitude par rapport à une référence au sol ou à la position du plan de vol. Cela comprend les signaux électroniques (tels que ceux d’une pente d’approche ILS ou d’un plan de descente basé sur GPS), le guidage calculé par avionique intégrée (par exemple, le système de gestion de vol ou FMS), et des aides visuelles comme les indicateurs de trajectoire d’approche de précision (PAPI) et les indicateurs de pente d’approche visuelle (VASI).
Le guidage vertical est essentiel du décollage à l’atterrissage. Lors du départ et de la montée, les systèmes de VG maintiennent la séparation avec les obstacles et la conformité aux départs aux instruments normalisés (SID). En croisière, le VG assure le vol en palier à l’altitude assignée pour des performances optimales et la séparation avec le trafic. Pendant la descente et l’approche, le VG devient critique—particulièrement en conditions météorologiques de vol aux instruments (IMC) où la position verticale par rapport au terrain et aux obstacles n’est pas visible. Les systèmes automatisés utilisent le VG pour suivre des trajectoires de descente complexes, respecter les restrictions de franchissement et s’aligner sur l’angle d’approche souhaité. En approche finale, le VG—fourni par exemple par la pente d’approche d’un ILS ou une trajectoire GPS—garantit une descente à un angle sûr et stable jusqu’au seuil de piste.
L’annexe 10 de l’OACI (Télécommunications aéronautiques), l’annexe 14 (Aérodromes) et le PANS-OPS (Procédures pour les services de navigation aérienne – Exploitation des aéronefs, Doc 8168) définissent les exigences pour les systèmes de guidage vertical, leur précision, intégrité et capacités d’alerte. Le VG est catégorisé comme « de précision » s’il répond à des normes strictes de précision et d’alerte (par exemple, ILS Catégorie I, II, III), ou comme « approche avec guidage vertical » (APV) s’il fournit une trajectoire stabilisée sans répondre à tous les critères d’approche de précision (par exemple, LPV, LNAV/VNAV). Les systèmes visuels (PAPI, VASI) sont réglementés par l’annexe 14 et offrent des repères verticaux aux pilotes lors des phases d’approche et d’atterrissage.
Lors d’une approche ILS, le pilote automatique ou le directeur de vol se couple au signal de pente d’approche, guidant l’aéronef sur une trajectoire de descente précise à 3 degrés jusqu’à la piste. Sur une STAR (Standard Terminal Arrival Route), le FMS calcule le profil de descente requis et commande le guidage vertical pour respecter les contraintes d’altitude publiées, assurant une transition fluide de la croisière à l’approche.
La navigation verticale (VNAV) est une fonction de l’avionique moderne qui automatise la gestion de l’altitude, de la vitesse verticale et parfois de la vitesse propre d’un aéronef le long d’une trajectoire latérale définie. Le VNAV utilise les données de performance de l’aéronef, les conditions environnementales (vents, température) et les contraintes opérationnelles (altitudes et vitesses aux points de cheminement) pour générer un profil vertical—c’est-à-dire un plan indiquant quand et comment l’aéronef va monter, croiser, descendre et effectuer des paliers. La logique VNAV est intégrée aux systèmes de gestion de vol (FMS) avancés présents dans la plupart des avions de ligne modernes, des jets d’affaires ainsi que certains avions d’aviation générale sophistiqués.
Le VNAV est généralement engagé après le décollage, où il gère les taux de montée et accélérations, assurant la conformité aux procédures de départ. En croisière, le VNAV peut ajuster l’altitude pour optimiser la consommation de carburant ou se conformer aux demandes du contrôle aérien. L’utilisation la plus critique du VNAV intervient pendant la descente et l’approche : le système calcule le point de début de descente (T/D) et planifie un profil qui respecte toutes les contraintes d’altitude et de vitesse publiées ou imposées par le contrôle aérien. Le VNAV fonctionne selon plusieurs modes, dont le mode « trajectoire » (suivi d’un angle de descente géométrique), « vitesse » (priorisant la vitesse cible sur la trajectoire), et « maintien d’altitude » (vol en palier).
Les normes OACI et FAA (voir OACI Doc 8168, FAA AC 120-108) précisent les exigences de performance du VNAV, y compris la précision de trajectoire verticale, la réponse aux contraintes et la logique d’alerte. Le VNAV doit tenir compte des réglages barométriques, des écarts de température (surtout en Baro-VNAV) et doit fournir une indication claire des modes actifs ou armés. La conception du système garantit que les pilotes sont avertis de tout écart par rapport à la trajectoire calculée ou d’un manquement à une contrainte.
Après avoir atteint la croisière à FL350, le pilote arme le VNAV. Le FMS calcule le T/D à 120 milles nautiques de l’aéroport. À l’approche du T/D, le pilote automatique commande une descente douce au ralenti, ajustant le taux pour respecter une restriction « franchir 10 000 ft à 30 nm », en compensant les vents prévus et la pression atmosphérique.
Le profil vertical est la représentation graphique ou tabulaire des changements d’altitude prévus ou réels d’un aéronef le long de sa trajectoire, tracée en altitude en fonction de la distance au sol ou du temps. Il inclut toutes les montées, descentes, paliers et les points précis où ces transitions se produisent, comme le sommet de montée (T/C), le sommet de descente (T/D), et les reports d’étagement. Le profil vertical est le résultat du plan de vol latéral et des contraintes verticales, synthétisé par le FMS ou d’autres outils de planification du vol.
Les pilotes et équipages utilisent le profil vertical pour anticiper les changements d’altitude à venir, surveiller le respect des contraintes imposées par le contrôle aérien et les procédures, et planifier la gestion de l’énergie (manette des gaz et aérofreins). Dans les cockpits à écrans modernes, le profil vertical est généralement affiché à côté de la trajectoire latérale sur l’écran de navigation, avec les restrictions d’altitude et les paliers attendus annotés. Le FMS met à jour en temps réel le profil vertical, le recalculant selon la position de l’aéronef, le vent ou les clairances ATC.
La construction du profil vertical fait appel à des calculs en arrière et en avant : le FMS travaille souvent à partir du point d’approche finale ou du point de descente, intégrant toutes les contraintes d’altitude et de vitesse publiées, les données de performance (poids, traînée) et les entrées environnementales. Le profil doit assurer la conformité avec les critères de conception OACI et FAA pour la séparation avec les obstacles et les exigences d’approche stabilisée.
Un pilote examine l’affichage du profil vertical avant la descente, notant des segments en palier à 12 000 ft et 10 000 ft correspondant aux contraintes STAR. Le FMS montre une trajectoire de descente continue avec les paliers prévus, permettant au pilote d’anticiper les changements de puissance et l’utilisation éventuelle des aérofreins.
La trajectoire verticale est la trajectoire réelle ou calculée que l’aéronef suit dans le plan vertical, définie par une série d’altitudes, de vitesses et d’angles de montée ou de descente entre les points de cheminement ou reports. Contrairement au profil vertical—qui est une planification ou une représentation—la trajectoire verticale est la route réalisée ou effectivement suivie, souvent exprimée comme un angle géométrique (par exemple une pente de 3 degrés) ou une descente optimisée en performance (descente au ralenti).
En vol automatisé, le FMS et le pilote automatique utilisent la trajectoire verticale pour générer des commandes de tangage et de poussée, assurant le maintien de l’angle de montée ou de descente prévu. En approche, la trajectoire verticale est généralement définie par un angle de descente constant du point d’approche finale (FAF) jusqu’au seuil de piste, garantissant que l’aéronef reste dégagé des obstacles et stabilisé pour l’atterrissage. En vol manuel, les pilotes utilisent les indicateurs de trajectoire verticale (comme l’aiguille de déviation verticale sur le Primary Flight Display) pour maintenir l’angle de descente souhaité.
Le calcul de la trajectoire verticale est soumis à des exigences strictes de précision et d’intégrité, en particulier pour les approches avec guidage vertical (APV) et les approches de précision. Le FMS doit tenir compte en continu des variations de vitesse sol, de vent, de température et de performance pour maintenir la trajectoire correcte. Sur certaines approches (par exemple, Baro-VNAV), la trajectoire verticale est sensible au calage altimétrique et à la température, nécessitant des vérifications pré-vol minutieuses.
Sur une approche RNAV (GPS), le FMS calcule un angle de descente géométrique de 3 degrés du FAF à la piste, fournissant un guidage vertical continu au pilote automatique et affichant la déviation verticale au pilote.
Le système de gestion de vol (FMS) est le « cerveau » avionique intégré de la plupart des avions commerciaux et d’affaires modernes, chargé d’automatiser la navigation, le guidage vertical et latéral ainsi que la gestion des performances. Le FMS communique avec les capteurs de navigation (GPS, DME, IRS), les calculateurs de données air, et les systèmes pilote automatique/directeur de vol pour synthétiser un plan de vol complet, comprenant profils latéral et vertical.
Le FMS est programmé avant le vol avec la route prévue, l’altitude de croisière et les données de performance (poids, carburant, index de coût). Il calcule la trajectoire verticale optimale, incluant sommet de montée (T/C), croisière, sommet de descente (T/D) et tous les paliers intermédiaires pour satisfaire les contraintes publiées ou imposées par l’ATC. Pendant le vol, le FMS met à jour dynamiquement le plan de vol et le profil vertical en fonction des changements de vent, de température, des clairances ATC ou des écarts. Il génère des commandes de tangage, de poussée et de vitesse au pilote automatique et à l’auto-manette, assurant le respect du profil planifié.
La conception du FMS est régie par l’ARINC 702 (norme FMS), le Manuel PBN de l’OACI (Doc 9613) et la RTCA DO-178/DO-254 pour l’intégrité logicielle et matérielle. Le système doit fournir une indication claire des modes, une alerte robuste en cas de violation de contrainte et des interfaces intuitives pour les saisies pilotes. Les FMS des nouveaux aéronefs prennent aussi en charge les fonctions « direct-to » et de modification rapide du plan de vol et du guidage vertical associé.
Pendant la descente vers un grand aéroport, le FMS gère une descente au ralenti, ajustant le taux pour respecter une contrainte STAR « franchir 10 000 ft à 250 nœuds », en tenant compte des vents de face et des écarts de température. Le pilote automatique et l’auto-manette suivent les commandes du FMS, assurant une approche stabilisée.
Le guidage de vol regroupe les avioniques embarquées, lois de commande et interfaces homme-machine qui traduisent les informations de navigation et de profil de vol en commandes exploitables pour les gouvernes et moteurs de l’aéronef. Cela inclut le pilote automatique (AP), le directeur de vol (FD), l’auto-manette/autopoussée (AT) et les systèmes d’affichage associés.
En vol automatique, le FMS génère des commandes de guidage vertical et latéral transmises au pilote automatique et à l’auto-manette. Le pilote automatique ajuste le tangage et l’inclinaison pour suivre la trajectoire souhaitée, tandis que l’auto-manette gère la puissance moteur pour maintenir les vitesses cibles. Le directeur de vol, généralement affiché sous forme de barres de commande ou d’indications sur le Primary Flight Display (PFD), donne des repères visuels de tangage et de roulis pour le pilotage manuel—permettant au pilote de suivre précisément la trajectoire calculée.
Les systèmes de guidage de vol doivent satisfaire à des normes de certification rigoureuses en matière d’intégrité, de redondance et de gestion des pannes (voir EASA CS-25, FAA Part 25, DO-178C). Le système doit fournir une indication de mode sans ambiguïté, des alertes de panne claires et permettre une automatisation complète comme une reprise manuelle. Les logiques de guidage avancées gèrent les transitions entre montée, croisière, descente et approche, et permettent les approches couplées jusqu’aux minimas CAT III sur ILS.
Lors d’une descente gérée, le pilote automatique et l’auto-manette suivent la trajectoire verticale générée par le FMS, ajustant le tangage et la poussée pour respecter toutes les contraintes d’altitude et de vitesse. Si le pilote déconnecte le pilote automatique, le directeur de vol reste actif, permettant de suivre manuellement la même trajectoire avec des repères visuels.
Une contrainte d’altitude est une exigence publiée ou imposée par le contrôle aérien de franchir un point de cheminement, un report ou un segment d’une procédure à, au-dessus, au-dessous ou à l’intérieur d’une plage d’altitude spécifiée. Les contraintes d’altitude assurent la séparation avec les obstacles, la séparation du trafic et la fluidité des arrivées et départs.
Le FMS intègre toutes les contraintes d’altitude dans le profil vertical, assurant que la trajectoire calculée satisfait chaque exigence de séparation avec les obstacles et de gestion du flux ATC. Le système planifie des segments en palier si nécessaire pour respecter les contraintes strictes ou en fenêtre, et ajuste les taux de montée/descente en conséquence. En cockpit, les contraintes sont affichées sur la page legs du FMS, l’écran de navigation, et parfois sur la vue du profil vertical.
À l’arrivée vers un aéroport fréquenté, la STAR exige de franchir « WATER » à ou au-dessus de 7 000 ft. Le FMS veille à ce que l’aéronef ne descende pas sous 7 000 ft avant d’avoir passé le report, faisant un palier si besoin avant de poursuivre la descente.
Une contrainte de vitesse est une exigence publiée ou imposée par le contrôle aérien de franchir un report ou point de cheminement à ou en dessous, à ou au-dessus, ou dans une plage de vitesse indiquée. Les contraintes de vitesse sont essentielles pour le séquencement des arrivées, la réduction du bruit et la sécurité en espace terminal.
Les contraintes de vitesse sont programmées dans le FMS dans le plan de vol. Le FMS calcule les points de décélération et planifie les réductions de puissance ou l’utilisation des aérofreins pour garantir le respect de la contrainte au report. Le pilote automatique et l’auto-manette travaillent de concert pour gérer la vitesse, le FMS fournissant des indications de vitesse cible et des avertissements anticipés.
Le guidage vertical (VG) comprend tous les systèmes, signaux et informations qui aident les pilotes et les systèmes automatisés à contrôler précisément l’altitude de l’aéronef à toutes les phases du vol. Il garantit des transitions d’altitude sûres et la conformité aux plans de vol, en utilisant des outils comme la pente d’approche ILS, les profils verticaux FMS et les aides visuelles.
Le VNAV (Navigation verticale) automatise la gestion de l’altitude, de la vitesse verticale et parfois de la vitesse le long d’une route planifiée, en intégrant contraintes d’altitude et de vitesse, performances de l’aéronef et données environnementales. Contrairement au maintien d’altitude basique, le VNAV gère dynamiquement montées, descentes et paliers pour une efficacité et une conformité optimales.
Un profil vertical est une représentation visuelle ou tabulaire des changements d’altitude prévus ou réels d’un aéronef le long de sa trajectoire. Il aide les pilotes à anticiper les paliers, à respecter les contraintes et à gérer l’énergie. Les avioniques modernes mettent à jour et affichent en continu le profil vertical pour la conscience de la situation.
Les contraintes d’altitude et de vitesse sont programmées dans le FMS, qui calcule les points nécessaires de montée, descente et décélération. Le pilote automatique et l’auto-manette suivent les guidages verticaux et de vitesse du FMS pour respecter les restrictions publiées ou imposées par le contrôle aérien aux points de cheminement ou reports.
Le FMS est le cœur de l’avionique qui automatise la navigation, le guidage vertical et latéral ainsi que la gestion des performances. Il planifie et gère le profil vertical, intègre les contraintes et envoie des commandes au pilote automatique et à l’auto-manette pour un contrôle précis de l’altitude et de la vitesse.
Les exemples incluent le suivi d’une pente d’approche ILS lors de l’approche, l’utilisation du VNAV pour gérer les profils de descente sur les STAR, et le respect des contraintes d’altitude et de vitesse via le FMS lors des arrivées et départs.
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