Principe sommaire du radar secondaire

Les radars utilisés au sein de l'aviation civile à des fins de contrôle "en-route" sont des radars "secondaires" qui nécéssitent la participation active d'un système électronique installé à bord des avions pour élaborer leurs mesures. Ils "interrogent" en effet les "répondeurs" de bord situés dans leur couverture selon un rythme régulier. Ceux-ci renvoient, lorsque le faisceau radar les intercepte, une réponse codée sur laquelle s'effectue la mesure.

Le répondeur transmet son code d'identification en réponse à une interrogation de type "mode A", et son "altitude pression" à une interrogation de type "mode C". La référence d' altitude zéro", est l'isobare 1013 hPa.

Chaque passage du faisceau radar devant la cible donne lieu à plusieurs interrogations sur les deux modes afin de confirmer les réponses par corrélation. Une mesure de position est effectuée sur chaque réponse des répondeurs de bord.

Elle se décompose en :

- la distance oblique radar/cible déduite du temps qui s'écoule entre le départ de l'interrogation et l'arrivée de la réponse.

- l'azimut de la cible, angle formé par l'axe de référence zéro degré de l'antenne calée sur le nord local radar et celui du faisceau radar au moment de la mesure.

Un algorithme d'extraction et de corrélation réalise la synthèse des réponses de chaque répondeur pour constituer le "plot" radar d'un avion.

Les plots sont envoyés par transmission de données sur support filaire au système de traitement radar des centres de contrôle régionaux responsables du trafic aérien de la région.

La portée des radars est de 180 milles nautiques en espace libre. Elle se limite à l'horizon radioélectrique aux basses altitudes en raison de la rotondité de la terre ou lorsqu'un obstacle ou le relief s'interpose entre le radar et la cible. La détection est en outre volontairement atténuée le long de l'horizon radioélectrique afin de supprimer les perturbations néfastes que l'on observe en son voisinage.

Lorsque les cibles sont détectées sous sites faibles, le bilan de liaison radioélectrique varie fortement. On note alors de fréquentes ruptures de liaisons par masque d'antenne lors des changements d'assiette des l'appareils.

Le système de traitement radar

Il est chargé de reconstituer les "pistes" des avions à partir des plots reçus afin de présenter, sur les écrans de contrôle du Centre de Contrôle Régional, l'information la plus pertinente mise à jour avec les mesures multiradar les plus récentes.

Il reçoit donc en entrée les plots de toutes les sources radars, vérifie leur cohérence et les dates. Il convertit les positions reçues de façon à les placer dans un repere géographique commun indépendant des radars, après les avoir corrigées des biais systématiques et de leur erreur d'obliquité connaissant l'altitude de l'appareil.

Divers algorithmes très élaborés lui permettent ensuite de réattribuer à chaque piste radar qu'il entretient les dernières mesures radar correspondant aux avions pour lesquels il a identifié une piste. Les radars étant classés localement par ordre décroissant de performance, le système entretient, pour chaque avion, les pistes des trois meilleurs radars. Celle dont la qualité est la plus grande sera en finale envoyée sur les écrans de contrôle. A noter qu'un avion volant à haute altitude peut être détecté simultanément par six radars ou plus.

Chaque piste est encore soumise, avant transmission vers les écrans de contrôle, à un filtrage en position et en altitude mettant en oeuvre des techniques très performantes afin d'en éliminer les aberrations radar puis d'en déterminer le vecteur vitesse et la tendance verticale.

Lorsque le traitement radar identifie une nouvelle piste, il établit un dialogue avec le système de traitement des plans de vol afin de réaliser une corrélation entre la piste et son plan de vol pour lui attribuer l'identifiant de l'appareil correspondant à son indicatif d'appel (Numéro de ligne compagnie ou immatriculation de l'appareil).

Ces informations de synthèse sont enfin envoyées sur les écrans radar des contrôleurs avec une cadence de renouvellement de l'image de l'ordre de 10 secondes.

Le temps moyen qui s'écoule entre la mesure radar et la dernière mise à jour de chaque piste est sensiblement égal à la cadence de renouvellement de l'image sur les écrans de contrôle.

Le système effectue également des mesures internes qui lui permettent d'estimer et ensuite de corriger les biais systématiques des positions radar comme par exemple la convergence des nords.

Imperfections et erreurs des radars

Les mesures radar sont entachées d'un bruit" aléatoire inhérent aux imperfections de la chaine sol/bord/soi et aux principes d'"extraction" mis en oeuvre. Par exemple, la digitalisation de la vidéo est faite en divisant l'espace en

cellules azimut/distance de pas déterminés (1/8 NM et 0,1 degré). L'azimut du plot est celui de la cellule contenant l'écho mêdiant parmi les échos reçus. En cas de perte partielle des réponses, le plot est excentré voire dédoublé ; s'il change de cellule distance, la distance est modifiée de la longueur du pas.

Les erreurs les plus graves ont toutefois pour origine le recouvrement ou l'imbrication des réponses, cas fréquents dans les zones à forte densité de trafic. Ce mélange induit des erreurs aléatoires de position et de code que les techniques nouvelles mises en oeuvre en matière d'extraction et de traitement du signal ne résolvent encore qu'incomplètement. Les performances intrinsèques d'une station radar sont également fonction de ses caractéristiques matérielles et/ou de ses réglages, ce qui conduit à une certaine dispersion entre stations. On peut citer :

la puissance à l'émissîon, le gain, l'ouverture et la vitesse de rotation de l'aérien, la période d'interrogation, les caractéristiques du récepteur, les techniques d'extraction etc ...

Aujourd'hui, la Direction de la Navigation Aérienne a développé des logiciels qui permettent d'évaluer périodiquement la qualité et la précision des stations radar. Ces logiciels sont batis sur l'exploitation du trafic tout-venant, c'est à dire qu'ils sont confrontés à des situations réelles de trafic comme l'est un officier contrôleur de la circulation aérienne.

Performances des stations radars:

Elles s'expriment en terme de probabilité de détection et de précision. La probabilité de détection est le rapport, exprimé en pourcentage, du nombre total de plots reçus de tous les avions se trouvant dans la couverture du radar dans une période de temps déterminée, sur le nombre de plots qui auraient été normalement reçus s'il n'y avait pas eu de perte.

La précision est 1'"écart-type" des écarts observés entre la position réelle des plots et leur position théorique recnstituée a posteriori, au moyen de techniques modernes de reconstitution de trajectoires connaissant à chaque instant et pour chaque piste, son présent, son passé, son avenir.

NOTA: Cette mesure est indicative car elle ne tient pas compte des biais systématiques inévitables des radars comme par exemple le biais (écart de grandeur constante) en azimut. Celui-ci se révèle en effectuant des mesures absolues sur un appareil dont on connaît la position rigoureuse, ou au moyen de techniques mathématiques de minimisation des erreurs mises en oeuvre dans les traitements multiradar.

Toutefois, la distribution des erreurs radar obéissant à une loi quasi-gaussienne et centrée, on peut dire, compte non tenu des biais inconnus, que 95 % des plots détectés présentent une erreur de position inférieure ou égale à trois écarts-type.

Valeurs mesurées:

RADAR Précisions à l'écart-type (alentours de Str)	CHAUMONT	LA DOLE	DRACHENBRONN
distance radiale azimut distance absolue	0,05 NM 0.08 degré 0,06 NM	0,05 NM 0,07 degré 0,12 NM	0,06 NM 0,12 degré 0,17 NM
Probabilité de détection (vers 5000 pieds)	94,5%	0%	87,6%

NOTA : un arc de 0,1 à 60 NM est égal à 0,1 NM.

Considerations sur le traitement radar

Le traitement radar s'appuïe à tout instant sur la connaissance du passé le plus probable pour déterminer l'avenir. Au contraire du radar dont la vision d'un plot dans le temps et dans l'espace est très limitée, il examine dans une fenêtre spatio-temporelle largement ouverte, la situation de chaque plot selon approximations ses antécédents et son environnement vis à vis des plots et des pistes voisines. Il est donc à même de faire le meilleur choix sur des critères pertinents pour réattribuer chaque plot à la piste à laquelle il appartient. Un filtrage efficace lui permet ensuite de corriger certaines aberrations, sinon d'en atténuer les effets.

Ce traitement est, malgré cela, mis en défaut lorsque le système est confronté à des situations que les moyens informatiques actuels ne peuvent résoudre en raison de la limitation de la puissance de calcul. Pour cette raison le système devient à son tour générateur derreurs car il est conduit à faire des qui rendront moins précis le calcul de certains paramètres correcteurs et finalement la position calculée des pistes.

Cela se traduit dans les faits par un léger décalage, les unes par rapport aux autres, des pistes qui représentent dans le modèle interne le même avion, et sur l'écran de contrôle, par un léger saut de position chaque fois que la piste visualisée change de radar.

Compte tenu des règles de sécurité que le contrôleur doit appliquer, ces raisons ont conduit la Direction de la Navigation Aérienne à prescrire dans sa directive concernant la norme d'espacement que l'espacement radar minimal applicable par les organismes de la circulation aérienne avec ce moyen doit être de

HUIT milles nautiques.

Peter B. Ladkin, 1999-02-08
	Last modification on 1999-06-15 by Michael Blume