Navigation verticale (VNAV)

Navigation verticale (VNAV) : Contrôle de la trajectoire verticale en opérations aéronautiques

Définition et aperçu

La navigation verticale (VNAV) est une fonction centrale de l’avionique moderne qui gère automatiquement et optimise la trajectoire verticale de l’avion à toutes les phases du vol. La VNAV fonctionne de concert avec le système de gestion de vol (FMS), calculant en continu les altitudes, vitesses verticales et points de transition les plus efficaces pour satisfaire les contraintes réglementaires, opérationnelles et de l’espace aérien. En intégrant la VNAV à la navigation latérale (LNAV), l’appareil peut suivre une trajectoire tridimensionnelle (3D)—verticale et latérale—le long de la route prévue. Dans les environnements où la performance de navigation requise (RNP) et la navigation basée sur la performance (PBN) sont exigées, la VNAV prend en charge la navigation en quatre dimensions (4D) en intégrant les contraintes temporelles aux points de cheminement.

La VNAV permet l’exécution précise de profils verticaux complexes, tels que ceux des départs aux instruments normalisés (SID), des arrivées aux instruments normalisées (STAR) et des procédures d’approche, tout en respectant les contraintes telles que les altitudes et vitesses obligatoires. Le système exploite les données procédures, les données temps réel des capteurs (altitudes barométriques et GPS/SBAS, données environnementales), ainsi que les entrées du pilote ou du contrôle aérien. L’intégration de la VNAV avec le pilote automatique (pour la gestion du tangage) et l’auto-manette (pour la poussée) permet des montées, descentes et paliers automatisés, essentiels pour une navigation efficace et sûre dans l’espace aérien dense et sensible à la performance.

Avec l’évolution mondiale vers les opérations basées sur la trajectoire (TBO), les descentes et montées continues (CDO/CCO), la VNAV devient indispensable pour garantir une navigation verticale précise, répétable et optimisée pour le carburant, le bruit et la gestion de l’espace aérien.

Architecture du système VNAV

Au cœur du système, la VNAV est profondément intégrée à l’architecture du système de gestion de vol (FMS). Le sous-système VNAV interagit avec :

• Modèles de performance avion : Calculent dynamiquement les capacités de montée, croisière et descente, ajustant selon masse, centrage, poussée, traînée et conditions environnementales.
• Bases de données de navigation : Stockent points de cheminement, routes, SID, STAR, procédures d’approche et contraintes, régulièrement mises à jour pour rester conformes aux dernières procédures.
• Entrées des capteurs : Altimètres barométriques et GPS/SBAS, sondes de données air (vent, température), fournissant la position verticale en temps réel.
• Entrées pilote : Permettent la saisie manuelle ou la modification de contraintes, la sélection d’altitudes cibles et la gestion de la vitesse.
• Données environnementales : Intègrent vents prévus et observés, température et pression locale (QNH), tous intégrés dans les calculs de trajectoire verticale.

La sortie VNAV correspond aux ordres temps réel envoyés au pilote automatique et à l’auto-manette, assurant le suivi de la trajectoire verticale calculée. Cette architecture hautement interconnectée permet à la VNAV de faire le lien entre exigences réglementaires, performance avion et intentions du pilote.

Concepts et terminologie clés

Comprendre la VNAV nécessite de maîtriser plusieurs concepts essentiels :

Phases opérationnelles de la VNAV

La VNAV adapte sa logique à chaque phase du vol :

Décollage et montée initiale

L’engagement VNAV débute généralement après une altitude de sécurité post-décollage. Le système gère alors la transition en montée, appliquant les contraintes et limitations de vitesse de la procédure de départ.

Montée

En mode VCLB, la VNAV gère l’ascension, optimisant vitesse et taux de montée pour respecter les contraintes, et insérant des paliers selon SID ou instructions du contrôle. Le préselecteur d’altitude prévient toute montée au-dessus de l’altitude autorisée.

Croisière

La VNAV maintient l’altitude de croisière en mode VALT ou ALT HOLD, ajustant la vitesse optimale et insérant montées/descentes intermédiaires selon masse et espace aérien.

Descente

En mode VPTH, la VNAV calcule le TOD et commande une descente souple, généralement à poussée réduite et angle constant, s’adaptant au vent, à la température et aux contraintes. Les segments paliers sont insérés si nécessaire.

Approche

Pour l’approche (VGP ou VSBA), la VNAV assure le respect de l’angle vertical publié et des paliers intermédiaires, prenant en charge des guidages avancés type LPV ou LNAV/VNAV avec grande précision.

Remise de gaz

En cas de remise de gaz, la VNAV passe à la logique de montée, commandant une ascension sûre vers l’altitude publiée de la procédure interrompue.

Construction de la trajectoire VNAV

La VNAV construit les trajectoires verticales de façon systématique en intégrant contraintes et performance avion :

Types de contraintes

• À une altitude : Franchir à une altitude précise.
• Au-dessus/en-dessous : Franchir sans descendre/montant plus haut que l’altitude donnée.
• Fenêtre de contrainte : Franchir entre deux altitudes.
• Contrainte de vitesse : Respecter une limitation de vitesse à un point.
• Combinée : Altitude et vitesse imposées au même point.

Types de trajectoires

• Trajectoire performance : Optimisée pour le carburant, utilisant descentes à poussée réduite et angle constant.
• Trajectoire géométrique : Suivant un angle précis, importante pour les approches.

Exemple de calcul

1. Ancrer la trajectoire à la piste ou au point final.
2. Appliquer l’angle vertical en remontant les contraintes.
3. Ajouter des segments paliers aux contraintes.
4. Calculer le TOD selon l’altitude de croisière et l’angle de descente.
5. Introduire réductions de vitesse et segments de décélération selon besoin.
6. Ajuster selon les facteurs environnementaux.

Exemple de tableau :

Logique d’automatisation et lois de commande VNAV

La VNAV fonctionne via des lois de commande avancées :

Sous-modes

• VCLB : Gestion de la montée.
• VALT/VASL : Maintien d’altitude/palier.
• VPTH : Descente selon la trajectoire calculée.
• VGP : Trajectoire géométrique en approche.
• VSBA : Trajectoire verticale augmentée par satellite.

Transitions de modes

Les transitions sont déclenchées par la position, les réglages du préselecteur, les actions pilote ou la phase de vol. Toutes ne sont pas clairement annoncées, d’où la nécessité d’une vigilance accrue du pilote.

Intégration pilote automatique/auto-manette

La VNAV fournit des ordres de tangage au pilote automatique et de vitesse/poussée à l’auto-manette, assurant le suivi de la trajectoire verticale.

Particularités constructeurs

• Boeing : Sous-modes VNAV distincts, annonces claires, mais attention aux alertes « UNABLE NEXT ALT ».
• Airbus : Utilise le mode « PROF », pouvant modifier dynamiquement les cibles.
• Honeywell (EASy) : Annonces détaillées des sous-modes et logique de contrainte avancée.

Interaction pilote et cas d’usage

Programmation des contraintes

Les pilotes utilisent le CDU/MCDU du FMS pour entrer points de cheminement et contraintes associées, régler les vitesses et gérer le préselecteur d’altitude. La VNAV recalcule instantanément la trajectoire en cas de modification.

Surveillance de l’exécution

Les pilotes surveillent les indicateurs de déviation verticale, les annonces de mode et les alertes FMS afin de garantir le respect de la trajectoire et des contraintes.

Réponse au contrôle aérien

Lorsque l’ATC délivre de nouvelles autorisations, les pilotes mettent rapidement à jour le FMS et le préselecteur d’altitude. La VNAV s’adapte, mais une intervention manuelle (freinage aérodynamique, mode vertical manuel) peut être nécessaire si les conditions s’écartent des prévisions.

Facteurs humains et scénarios d’erreur

Interface et confusion des modes

• Entrées ambiguës : Un seul bouton VNAV peut activer différents modes selon le contexte.
• Annonce de mode : Certaines transitions ne sont pas explicitement affichées.
• Surprises d’automatisation : Les changements de mode dus à l’environnement ou à des conflits de contraintes peuvent passer inaperçus.

Erreurs fréquentes

• Mauvaise compréhension des contraintes actives.
• Oubli des transitions de mode, menant à des manquements aux restrictions.
• Confiance excessive en la VNAV au détriment de la conscience de la situation.

Applications pratiques et tendances sectorielles

La VNAV est essentielle pour :

• Opérations basées sur la trajectoire (TBO) : Permet des profils verticaux précis et prévisibles dans l’espace aérien dense.
• Optimisation du carburant : Favorise montées/descentes continues pour réduire la consommation.
• Réduction du bruit : Permet des profils optimisés pour l’environnement.
• PBN et RNP : Répond aux exigences de navigation avancée pour l’interopérabilité mondiale.

Résumé

La navigation verticale (VNAV) est une technologie de base de l’aviation moderne, permettant la gestion automatisée des trajectoires verticales pour l’efficacité, la sécurité et la conformité. Son intégration au FMS, au pilote automatique et à l’auto-manette, combinée à la flexibilité de l’entrée pilote et à une logique d’automatisation robuste, en fait un outil indispensable dans l’espace aérien et les opérations complexes d’aujourd’hui.

Une utilisation optimale de la VNAV nécessite une compréhension approfondie de son architecture, de sa logique opérationnelle et de ses pièges potentiels. Avec les progrès constants de l’avionique et des standards de navigation, la VNAV restera à la pointe de l’automatisation du vol et de la gestion de l’espace aérien.

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