RADIO NAVIGATION  EASA/DGAC FRANCE

Théorie de base sur la propagation des ondes radios

Pour débuter ce cours purement orienté « drone », nous nous devons de connaitre deux principales fréquences :
– la fréquence généralement employée entre un drone et une station sol (radiocommande par exemple) pour le guidage, est : 2,4 GHz.
– la fréquence généralement utilisée pour la transmission vidéo entre un drone et une station sol, est : 5,8 GHz.

On retiendra également que la puissance maximale d’émission à 2,4 GHz autorisée en Europe est de 100 mW (milliWatts).

1. Les ondes :

Une onde électromagnétique est un flux d’énergie se propageant dans le vide ou dans l’air à la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Cette énergie est la composition d’un champ électrique (E) et d’un champ magnétique variable (H), d’où le nom « d’ondes électromagnétiques ».

Une onde radioélectrique est caractérisée par :
– son amplitude : la déviation maximale d’une oscillation
– sa fréquence : nombre de cycles par seconde, exprimée en Hertz (Hz)
– sa longueur d’onde : distance physique parcourue par une onde radio durant un cycle de transmission

Les ondes électromagnétiques sont classées en gammes d’ondes selon leur fréquence :
– VLF (Very Low Frequency)
– LF (Low Frequency)
– MF (Medium Frequency)
– HF (High Frequency)
– VHF (Very High Frequency) –> utilisée pour les communications.
– UHF (Ultra High Frequency) –> utilisée par les télécommandes, les satellites et les récepteurs GPS.
– SHF (Supra High Frequency) –> utilisée pour la transmission vidéo (5,8 GHz)
– EHF (Extremely High Frequency)

Pour l’examen théorique, on retiendra que les ondes VHF (Très Haute Fréquence) apparaissent dans le spectre de fréquence 30 MHz à 300 MHz.
Les ondes UHF (Ultra Haute Fréquence) apparaissent dans le spectre de fréquence 300 MHz à 3000 MHz.

Pour avoir un ordre d’idée concernant la notion de fréquence d’une onde, on peut prendre l’exemple d’une onde VHF de 30 MHz, qui va reproduire son cycle 30 millions de fois en une seconde. Les ondes de « Haute Fréquence » (HF/VHF/UHF/SHF/EHF) sont sensibles à nombres de perturbations extérieures que nous allons décrire dans le chapitre 3.

2. La propagation des ondes :

La propagation des ondes s’effectue de trois manières:
– par onde de sol (elles suivent la courbure de la surface de la terre)
– par onde directe ou d’espace (en ligne directe, en « portée optique »)
– par onde de ciel ou ionosphérique (par rebond sur l’ionosphère)

Ces différents types de propagation, en fonction de la fréquence de l’onde utilisée, entraine des anomalies nommées « interférences« , qui sont un mélange d’une onde électromagnétique avec une autre, comme par exemple le « fading » (lorsqu’un récepteur reçoit en même temps les ondes de ciel et les ondes de sol, les deux signaux vont se superposer et se soustraire, entrainant une disparition du signal).

Les ondes VHF et supérieures (UHF/SHF/EHF) qui nous concernent pour le télépilotage, se propagent uniquement par onde d’espace (en « portée optique »). La diffraction sera extrêmement faible et elles ne se réfléchissent pas sur l’ionosphère. La portée est donc relativement réduite pour nos missions, et vite perturbée par les obstacles.

3. Causes et conséquences des phénomènes affectant les ondes :

Les ondes sont affectées par différents phénomènes lors de leurs propagations, les conséquences d’un brouillage de la liaison radio sur le télépilotage peuvent être dramatiques. Voici la liste des différents effets à connaitre :
– l’atténuation
– l’absorption
– la réflexion
– la diffraction
– la réfraction
– la malveillance

a) l’atténuation : c’est la réduction de l’amplitude et de l’énergie des ondes électromagnétiques tout au long de la progression dans l’atmosphère. Si votre drone évolue trop loin de la radiocommande, les signaux de commande n’atteindrons plus le drone, vous risquez la perte de l’aéronef.

b) l’absorption : lorsque une onde rencontre un obstacle, en fonction de la nature de cet obstacle, l’évanouissement de l’onde radio est tellement important qu’aucun signal ne peut plus être reçu, on parle alors d’absorption. Le drone ne reçoit plus d’information, vous ne recevez plus d’information du drone, il y a un risque de perte de contrôle suivant le mode de pilotage utilisé.

c) la réflexion : une partie ou la totalité d’une onde « rebondie » contre la surface d’un obstacle (on parle de réfléchissement), au lieu d’être absorbée. C’est par exemple le cas de la lumière se réfléchissant sur un miroir.

d) la diffraction : lorsqu’une onde contourne un obstacle impénétrable, on parle alors de diffraction. La direction de propagation de l’onde est élargie par les contours de l’obstacle, ce qui permet de recevoir une onde derrière un obstacle réputé impénétrable (dans une certaine limite proche derrière l’obstacle et seulement à proximité de ses bords). Par exemple, vous pourrez conserver un retour vidéo de votre drone alors que celui-ci vient juste de passer derrière un immeuble, mais si vous continuez à évoluer franchement derrière l’immeuble, vous finirez par ne plus recevoir le retour, ni à transmettre vos commandes pour le faire revenir…

e) la réfraction : c’est le changement de direction d’une onde en raison du changement de sa vitesse de propagation. Lorsque une onde pénètre un obstacle, le traverse, mais voit sa direction être modifiée. Par exemple, lorsque vous mettez une paille dans un verre d’eau, elle semble se plier vue de l’extérieure.

f) la malveillance : un ou plusieurs systèmes de brouillage sont utilisés pour rendre inopérant le matériel de communication par onde radio utilisé dans leur champ d’action. Il faut être conscient que l’intervention malveillante d’un tiers est toujours possible. Il est difficile de s’en prémunir et il faut pouvoir réagir rapidement dès qu’une anomalie liée au vol est constatée (mettre fin aux évolutions notamment, essayer de trouver d’où provient le brouillage, pour envisager des poursuites et réclamer un dédommagement éventuel si vous ne pouvez pas effectuer votre travail ou si votre matériel a été endommagé).

Nous n’abordons pas ici le brouillage de fréquence dans le but de la protection de zones, d’équipements ou de personnalités (élus, hauts fonctionnaires, etc…) par les services de l’Etat. Il ne s’agit pas d’actes malveillants.

Systèmes de navigation par satellite

A l’examen théorique, les questions sur les systèmes de navigation par satellite reposent uniquement sur les GPS (Global Positioning System) des Américains (NAVSTAR), des Russes (GLONASS) et des Européens (GALILEO). Il s’agit pour chaque système d’une constellation de satellites placés en orbite terrestre.

Les sytèmes Japonais (MSAS), chinois (BEIDOU) et Indien (GAGAN) ne sont pas à connaitre.

1. Points communs aux différents systèmes :

Les 3 systèmes (NAVSTAR, GLONASS et GALILEO) utilisent la mesure du temps pour déterminer une position. Le GPS vous renseigne en tout point de la surface du globe sous réserve de réceptionner au moins 3 satellites. La réception simultanée de 4 satellites permet de déterminer à la fois l’heure, la latitude, la longitude et l’altitude.

Le GPS donne votre position sur la terre, il fournira donc une indication de vitesse de déplacement en rapport à cette référence, c’est à dire une vitesse « sol ».

La forme de la terre n’est pas un globe parfait, il a fallu définir un globe de référence, une ellipsoïde. Aussi, la valeur de hauteur initialement calculée par le récepteur d’un système GPS est la hauteur au-dessus de l’ellipsoïde de référence nommée WGS-84 (basée sur des données géodésiques collectées du début des années 1980 jusqu’en 1984).

Comme vue dans les chapitres sur les ondes électromagnétiques, la bande de fréquence utilisée par un système de navigation satellite (GNSS/GPS) pour fournir une information de position est UHF (Ultra Haute Fréquence). Pour recevoir ces ondes dites « d’espace », il faut que l’antenne du récepteur ne soit pas gênée par des éléments comme la caméra embarqué, les bras supports des moteurs, ou tout autre accessoire nécessaire à la réalisation d’une mission.

L’information de position est dans la forme de sphères, avec les satellites dans le centre des sphères, comme ceci :

2. Le système Américain NAVSTAR :

La constellation NAVSTAR se compose de 24 satellites répartis en 6 orbites à 20200 km d’altitude. La durée de la révolution d’un satellite est de 12 heures.
L’orbite des satellites de navigation est incliné de 55° par rapport au plan de l’équateur.

Les informations du message de navigation transmises par les satellites NAVSTAR sont le décalage d’horloge par rapport à l’heure UTC, les éphémérides (positions et orbites des satellites), l’état du système et le retard ionosphérique.

a) Le système NAVSTAR se compose de 3 segments :

– Le segment spatial : c’est l’ensemble des satellites
Il se compose des 24 satellites nécessaire pour obtenir une couverture mondiale. Ils sont équipés d’horloges atomiques fournissant un temps avec une très grande précision.

– Le segment de contrôle : cinq stations de contrôle réparties dans le monde
Ce segment correspond à l’ensemble des stations de contrôle (une station de contrôle maître + des stations de surveillances et des antennes sol) chargées de surveiller les satellites. Ces stations s’assurent que les données transmises par les satellites sont mises à jour de temps en temps par les stations sol.

– Le segment utilisateur : les récepteurs des utilisateurs
La principal fonction de ce segment est sélectionner les satellites appropriés automatiquement, suivre les signaux et mesurer le temps mis par les signaux des satellites pour atteindre le récepteur.
Les récepteurs disposent des données de l’almanach utilisées pour l’identification rapide des signaux reçus provenant des satellites visibles. Le récepteur identifie chaque satellite par le PRN (« Pseudo Random Noise » ou bruit pseudo-aléatoire) qui lui est propre.

b) Erreurs et précision :

Les erreurs affectant les performances de précision d’un GPS sont les erreurs d’horloges, d’éphémérides et les erreurs de propagations atmosphérique. Les erreurs d’éphémérides correspondent aux erreurs d’orbites des satellites dues au vent solaire et à la gravité du soleil, de la lune et des planètes.

3. Le système Russe GLONASS :

La constellation GLONASS se compose de 24 satellites répartis en 3 orbites à 19100 km d’altitude. La durée d’une révolution autour de la terre d’un satellite est de 11 heures 15 minutes.
L’orbite des satellites de navigation est incliné de 64,8° par rapport au plan de l’équateur.

4. Le système Européen GALILEO :

La constellation GALILEO se compose de 30 satellites répartis en 3 orbites à 23220 km d’altitude. La durée d’une révolution autour de la terre d’un satellite est de 14 heures.
L’orbite des satellites de navigation est incliné de 56° par rapport au plan de l’équateur.