Historiquement, les communications étaient le deuxième besoin le plus recherché après la navigation. Elle était utilisée pour contrôler le trafic et prévenir les collisions, diffuser les informations météorologiques et traiter les messages opérationnels.
Au début, un contrôleur aérien pouvait contacter un avion et demander sa position, qui était déterminée par l’équipage de conduite à partir de ses systèmes de navigation. Comme la position provenant de ces sources n’était pas très précise, les avions sous contrôle du trafic aérien(ATC) devaient être largement séparés des autres avions pour éviter les collisions près des grands hubs bondés. Une méthode de localisation des aéronefs ne nécessitant pas de communication vocale avec l’équipage était absolument nécessaire.
La radiodétection et la télémétrie(radar primaire) ont été développées pendant la Seconde Guerre mondiale à cette fin. L’altitude et la position de l’avion étaient calculées avec l’angle d’élévation( ε) du radar et la distance(R) entre le radar et l’avion(qui était estimée par le temps de parcours des ondes radio multiplié par la vitesse de la lumière). Il s’agit d’une formule simplifiée cependant, la formule originale prend en compte la courbure de la terre et la réfraction des ondes radio dans l’atmosphère.
Un deuxième problème était la difficulté d’identifier positivement un avion. Les réflexions du radar primaire des avions hostiles et amis étaient à peu près les mêmes. L’identification d’ami ou d’ennemi (IFF) ainsi que le radar secondaire sont développés pour résoudre ce problème.
Mode A et mode C
Le système IFF a 5 modes, du mode 1 au mode 5. Nous allons nous concentrer sur le mode 3 dans cet article car c’est le plus populaire et il est adopté par les avions civils également.
Le mode 3 a deux sous-modes différents. Le premier est le mode A, qui est est 4 chiffres, code octal(les chiffres sont entre 0-7) qui fournit une identité temporaire. Le mode C est une information sur l’altitude pression de l’avion.
L’équipementIFF est appelé transpondeur, abréviation de émetteur-répondeur. Avant ou pendant chaque vol, les pilotes peuvent être instruits par le personnel ATC de « Squawk XXXX ». XXXX dans ce contexte est le code Mode 3/A. Le code Mode 3/A est l’identité temporaire de l’avion pour cet ATC. Le pilote règle alors le code Mode 3/A de son transpondeur sur le code demandé. Ce code est ensuite envoyé en réponse aux interrogations du mode 3/A par l’ATC. Le code Mode 3/A peut être utilisé à d’autres fins que l’identification. Certains codes Mode 3/A importants utilisés à des fins autres que l’identification sont :
- 1200 : Généralement utilisé par les avions sous les règles de vol à vue(VFR)
- 7700 : Utilisé en cas d’urgence
- 7600 : Utilisé lorsque la communication radio échoue
- 7500 : Utilisé lors d’un détournement (interférence illégale) de l’avion
Le mode 3/C est une information d’altitude pression qui est utilisée avec le mode 3/A. Le mode 3/A peut être utilisé seul mais le mode 3/C ne peut être utilisé qu’avec le mode 3/A. Cette information d’altitude a des incréments de 100 pieds.
Les pilotes peuvent activer ou désactiver les réponses du mode 3/A et du mode 3/C du transpondeur. Mais s’ils sont activés, le transpondeur répond aux interrogations du mode 3/A et du mode 3/C avec des réponses du mode 3/A et du mode 3/C pour partager les informations d’identification et d’altitude.
Le radar de surveillance secondaire(SSR) est utilisé pour interroger les transpondeurs des avions. Le SSR est généralement placé au-dessus du radar primaire, ils regardent donc dans la même direction. Ce système est appelé Air Traffic Control Radar Beacon System (ATCRBS). Les deux radars tournent en même temps et dans la même direction et le SSR envoie des interrogations dans un faisceau d’ondes radio. Tout aéronef traversant ce faisceau répondra de manière appropriée. De cette façon, la direction de l’aéronef(estimée par le radar primaire) et les données d’identification/altitude du transpondeur peuvent être corrélées pour identifier positivement l’aéronef et obtenir un repère de position tridimensionnel de l’aéronef.
Inconvénients du mode 3/A et du mode 3/C
Bien que ces premiers systèmes aient aidé à résoudre le problème de l’identification et du repère tridimensionnel, ils étaient intrinsèquement insuffisants.
- Les réponses en mode 3/C n’avaient pas de détection/correction d’erreur. Pour corriger cela, de multiples interrogations sont faites pour choisir la réponse la plus « populaire » comme réponse d’altitude correcte. Cela a provoqué un gonflement de la fréquence de réponse.
- Plusieurs avions dans la même direction du radar répondaient aux interrogations simultanément. Cela crée du garble, difficile de résoudre quelle réponse appartient à quel avion.
- Les codes du mode 3/A deviennent insuffisants dans certaines régions surpeuplées car il se compose de 4 chiffres octaux seulement(8⁴ chances).
Mode S
L’administration fédérale de l’aviation(FAA) a développé un nouveau système qui permet une identité unique, une interrogation sélective et une réponse unique. Les spécifications de ce nouveau système sont les suivantes :
- Interrogation sélective : Pour réduire le brouillage, chaque avion peut être interrogé sélectivement avec son adresse Mode S unique de 24 bits.
- Ensemble de données plus important : Le système Mode S traite un ensemble de données beaucoup plus important que le simple couple identification/altitude.
- Compatibilité ascendante : Le système Mode S peut fonctionner avec les systèmes Mode 3 A/C(ATCRBS). Ils utilisent la même bande de fréquence pour l’interrogation et les réponses pour cette raison.
- Détection d’erreurs : le mécanisme CRC 24 bits est utilisé pour détecter les erreurs dans les messages Mode S, permettant une communication robuste. Cela supprime le besoin d’interrogations et de réponses multiples qui sont utilisées dans les systèmes A/C en mode 3.
- Efficacité du spectre : Grâce à l’interrogation sélective et à la détection des erreurs, le spectre est utilisé plus efficacement.
Types d’interrogation du mode S
Les systèmes du mode S a deux types d’interrogation : non sélective et sélective. Voyons leurs spécifications et leurs cas d’utilisation.
Interrogations non sélectives en mode S
Les systèmes en mode S avec leur capacité de retour en arrière a ces types d’interrogation non sélectifs.
- ATCRBS All Call : Les transpondeurs mode A/C répondent normalement à cette interrogation. Les transpondeurs mode S répondent à cette interrogation comme s’ils étaient des transpondeurs mode A/C, avec la même forme d’onde.
- ATSCRBS/Mode S All Call : Les transpondeurs Mode A/C répondent avec des données d’ID/altitude. Les transpondeurs mode S répondent avec des données d’ID/altitude et d’adresse mode S dans la forme d’onde mode S.
- ATCRBS Only All Call : Seuls les transpondeurs capables de mode A/C répondent à cette interrogation avec des données d’identification/altitude. Les transpondeurs Mode restent silencieux
- Mode S Only All Call : Seuls les transpondeurs Mode S répondent à cette interrogation. Les transpondeurs du mode A/C ne répondent pas.
Interrogation sélective du mode S
Une fois que l’adresse mode A de l’aéronef cible est connue par le système mode S, elle est ajoutée à roll-call, un pool d’adresses mode S d’aéronefs pour une interrogation sélective. L’interrogation sélective est faite pour acquérir différentes parties de l’ensemble des données Mode S.
Exemple d’utilisation des interrogations Mode S
Supposons que le système d’interrogation Mode S démarre à froid, sans aucune information préalable stockée. Il y a des transpondeurs Mode A/C et des transpondeurs Mode S sur les avions dans l’espace aérien.
- L’ATCRBS All Call est utilisé pour acquérir les identités Mode A et les altitudes de tous les avions.
- L’ATSCRBS/Mode S All Call ou Mode S Only All Call est utilisé pour acquérir toutes les adresses Mode S des avions capables de Mode S. Ces adresses Mode S sont enregistrées dans la liste d’appel pour une utilisation ultérieure. Les aéronefs enregistrés peuvent être verrouillés pour les futurs All Calls Mode S afin de réduire les réponses inutiles.
- À ce stade, le système interrogateur sait quel aéronef a quelle capacité. Les aéronefs en mode A/C sont interrogés avec le All Call ATCRBS Only. Les aéronefs ayant la capacité Mode S sont interrogés avec l’interrogation sélective Mode S à l’aide de la liste d’appel.
Mode S Dataset
Les systèmes Mode S traitent plus de données que les transpondeurs Mode A/C. Ces données sont placées dans l’un des 255 registres Mode S, chacun ayant une longueur de 56 bits. Une fois que des données valides sont placées dans ces registres, elles peuvent être sélectivement interrogées par les systèmes Mode S pour leur contenu. Les systèmes Mode S offrent deux capacités différentes : la surveillance élémentaire (ELS) et la surveillance améliorée (EHS). Les systèmes à capacité EHS fournissent la capacité ELS plus d’autres données.
- ELS : Le système doit fournir un rapport automatique sur l’identité de l’aéronef, un rapport sur la capacité du transpondeur, un statut de vol (en vol/au sol), un rapport d’altitude.
- EHS : Le système fournit la capacité ELS, plus l »altitude sélectionnée dans le registre (4,0), l »angle de roulis, le taux d »angle de piste, l »angle de piste réel, la vitesse au sol dans le registre (5,0), le cap magnétique, la vitesse indiquée/le numéro de machine, le taux vertical dans le registre (6,0).
Note : Chaque message en mode S, y compris les messages ADS-B expliqués dans la section suivante portent l »adresse en mode S de 24 bits de l »expéditeur.
ADS-B
ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast) est une fonction pour les aéronefs aéroportés ou de surface, ou d’autres véhicules de surface opérant dans la zone de mouvement de surface de l’aéroport qui transmet périodiquement son vecteur d’état (position horizontale et verticale, vitesse horizontale et verticale) et d’autres informations, selon RTCA DO-260B.
- Automatique : Aucun stimulus externe(comme les interrogations en mode S) n’est nécessaire.
- Dépendant : Il s’appuie sur les sources de navigation embarquées et les sous-systèmes de transmission(principalement GPS, ADC).
- Surveillance : Fournit des informations de surveillance pour d’autres utilisateurs
- Diffusion : Le système ADS-B peut ou non avoir la connaissance des utilisateurs qui reçoivent sa diffusion.
Les systèmes ADS-B diffusent les données regroupées dans certains registres ci-dessous;
- Registre 0,5 : Altitude, latitude et longitude aéroportées.
- Registre 0,6 : Mouvement de surface, cap, latitude et longitude.
- Registre 0,8 : Identification et catégorie de l’aéronef.
- Registre 0,9 : Vitesse est-ouest et vitesse nord-sud ou cap et vitesse air(selon le sous-type), vitesse verticale, différence de hauteur géométrique par rapport à l’altitude barométrique.
D’ici 2020, tous les aéronefs commerciaux et les aéronefs volant dans l’espace aérien de classe A, B & C doivent être équipés de transpondeurs ayant une capacité de sortie ADS-B, ce qui signifie qu’ils doivent avoir une capacité de diffusion mais pas nécessairement une capacité de réception et de décodage des messages ADS-B.
Mode S et TCAS
TCAS est l’abréviation de Traffic Alert and Collision Avoidance System. Les TCAS utilisent des interrogations air-air en mode S pour communiquer entre eux. Le système évalue les menaces de collision en fonction de la portée, de la vitesse, de la trajectoire et de l »altitude des autres avions.
Les systèmes TCAS interrogent entre 20 Nm et 40 Nm de portée. Ils utilisent les interrogations ATSCRBS/Mode S All Call. Les avions porteurs de transpondeur mode S peuvent alors être interrogés avec des interrogations sélectives pour plus de données.
L’avis de trafic(T.A.) est activé lorsqu’il y a une possibilité de collision calculée dans 40 secondes. Le choix est laissé à l’équipage dans ce cas, car il est facile de détecter l’intrus(autre avion) visuellement dans les 40 secondes. Traffic advisory est juste Traffic ! alerte vocale.
Resolution Advisory(R.A.) est activé à 25 secondes de la collision possible, lorsque l’équipage ne manœuvre pas l’avion de manière à réduire la probabilité de collision. R.A. implique qu’il n’y a pas assez de temps pour repérer visuellement l’avion intrus. L’avis de résolution peut être Montée ! ou Descente !.
Les systèmesTCAS diffusent l’A.R. par le mode S aux autres aéronefs. L’aéronef récepteur peut alors calculer son propre R.A. qui empêcherait la collision. Par exemple, si un avion décide de monter comme R.A. et le diffuse, l’avion récepteur décidera de descendre comme son R.A. de sorte qu’ils éviteraient la collision.
Conclusion
Bien que le Mode S ait été développé pour répondre au problème de l’encombrement de l’espace aérien, à certains endroits, il est devenu insuffisant. Pour citer directement M. Douwe Lambers;
L’introduction de nombreux drones avec ADS-B inondera la bande 1090 MHz de messages. Cela dégradera tous les systèmes fonctionnant sur 1090 MHz, tels que les modes A/C, 1/2/3/4/5, S et TCAS. Des interférences sont probables et dans les zones encombrées comme Francfort ou le bassin de Los Angeles, la fréquence est déjà encombrée sans le trafic de drones.
Il s’agissait de savoir si nous pouvons intégrer les drones avec la capacité ADS-B dans le système de surveillance actuel. La FAA va pour un système différent pour les drones pour atteindre le même objectif, appelé Identification à distance. Mais le problème avec les systèmes actuels en mode S reste, aura-t-il besoin d’une mise à niveau dans le futur ?
Note : Vous pouvez lire mon article sur l’intégration des drones COTS dans le réseau ATC pour plus d’informations sur le sujet.