Technologies de géolocalisation aéronautique

Présentation

L'objet de cette page est de présenter :

• les différentes solutions technologiques de géolocalisation pour l'aéronautique en terme :
  • de transmission de données
  • d'installation à bord d'un aéronef
• les avantages et inconvénients de chaque type de solution
• les ordres de grandeur des coûts d'achat (hors main d’œuvre pour l'installation) et d'exploitation

Principe de la géolocalisation

• Un appareil mobile (dans notre cas un aéronef) est équipé d'un récepteur de position par satellite (GPS, GLONASS, GALILEO, ...) lui permettant de connaitre sa position géographique en 3 dimensions
• D'un dispositif de transmission permettant d'envoyer cette position à une station au sol
• Cette station au sol renvoie les données de géolocalisation à un serveur accessible depuis le réseau internet permettant son exploitation par des solutions logicielles notamment sur des applications de cartographie permettant d'afficher la position de l'aéronef.

Réception de la position par GNS

Deux réseaux de système de navigation global sont opérationnels

• GPS: gérè par les États Unis
• GLONASS: gèré par les Force Spatiales de la Fédération Russe

La constellation GALILEO lancée par un consortium Européen est prévu d'être disponible en 2016

La réception à bord d'un aéronef se fait par le biais d'une antenne incluse dans un équipement ou extérieure à cet équipement et reliée à un boitier incluant l’électronique de décodage et de calcul de position.

Les combinaisons possibles sont les suivantes :

• Équipement aéronautique certifié, fixé à l’intérieur de l'aéronef et relié à une antenne extérieur

Il est préférable d'avoir une antenne GPS extérieure à l'aéronef afin de garantir une meilleure réception des signaux satellites.

• Antenne extérieure à l'aéronef certifiée et reliée à un équipement non certifié installé dans l'aéronef grâce à un support prévu à cet effet
• Boitier de réception connecté à une tablette ou à un smartphone par liaison sans fil (Bluetooth, wifi, ...)
• Boitier autonome incluant l'antenne

Modes de transmission de données adaptés à l'aéronautique

Transmission ACARS

Le mode de communication ACARS date de la fin des années 70. Il utilise plusieurs modes de transmission : VHF, HF ou Satellite. C'est un module dénommé Management Unit (MU) ou Communication Management Unit (CMU) qui détermine le meilleur mode de transmission selon la situation de l'aéronef. Les autres équipements électroniques de l'aéronef peuvent se connecter sur le MU/CMU pour échanger des données avec l'extérieur de l'aéronef. Ce mode de communication permet d'échanger tout type de données et non pas uniquement la position de l'aéronef. De plus, c'est un mode de communication bidirectionnel : l'aéronef peut aussi bien émettre que recevoir des données. Il est communément déployé sur les avions de lignes.

Les successeurs de cette technologie au travers du projet FANS et de l'ATN constituent sans doute le futur de la transmission d'information depuis et vers un aéronef car ils permettent d'envisager des échanges basés sur le protocole TCP/IP.

Avantages de la transmission ACARS

Ce mode de transmission permet d'adapter le mode réel de transmission en fonction du réseau disponible et ainsi d'augmenter les chances d'avoir une couverture de disponible.

Inconvénients de la transmission ACARS

Il nécessite l'implémentation d'un composant coûteux, volumineux (prévu pour être dans un ou plusieurs racks de soute avionique) et lourd (de l'ordre de 5kg).

Coût de la transmission ACARS

• Installation : non chiffré.
• Transmission : 5 € à 50 € par Heure de vol.

Transmission ADS-B

L'ADS-B (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast) est une technologie en cours de déploiement en Europe. A l'origine, l'ADS était uniquement utilisée dans certains espaces aériens ou l'implémentation de radars sols étaient impossible comme en Atlantique Nord dans les espaces aériens océaniques de Gander et Shanwick.

Il s'agit d'un protocole d'émission radio envoyé par les aéronefs pour indiquer leur position aux contrôleurs aérien. On parle alors d'ADS-B out. D'un point de vu cockpit, l'ADS-B est totalement transparent pour le pilote. Il peut simplement le désactiver au travers d'une interface spécifique mais normalement l'émission doit être permanente.

Ultérieurement, l'ADS-B devrait servir à une nouvelle génération de TCAS pour l'ATSAW (Airborne Traffic Situational AWareness). On parlera alors d'ADS-B in.

La législation européenne devrait rendre son installation et son usage obligatoire sur les aéronefs de plus de 5,7T à partir de 2017 pour les anciens aéronefs et 2015 pour les nouveaux aéronefs.

Certaines activités particulières, comme les activités militaires, peuvent être exclues de l'obligation d'emport.

Le signal n'étant pas crypté, il peut être récupéré par n'importe quelle antenne de réception. Il faut donc juste un réseau d'antenne ADS-B permettant de recevoir les émissions des aéronefs. Ce réseau peut être un réseau tiers ouvert. Il est possible de construire son propre réseau. Une antenne de réception ADS-B peut recevoir les émissions des aéronefs dans un rayon de 200Nm.

Avantages de la transmission ADS-B

L'avantage de cette solution réside dans son obligation : si l'aéronef doit règlementairement être équipé d'un transpondeur ADS-B alors il n'y pas besoin d'ajouter d'autre équipement pour transmettre la position.

Inconvénients de la transmission ADS-B

Les inconvénients sont les suivants :

• S'il n'a pas d'obligation d'installation de dispositif ADS-B, l'exploitant peut, pour des raisons de confidentialité, interdire son usage.
• Il n'existe pas, à notre connaissance, de serveur officiel ouvert permettant de récupérer la position d'un aéronef. Il faut donc :
  • soit construire son propre réseau d'antennes.
  • soit utiliser des réseaux "libres" privés.

Coûts de la transmission ADS-B

• Installation dans l'aéronef : 0 € si on considère que l'installation d'un transpondeur ADS-B répond à une obligation réglementaire. Sinon il faut compter 3000 € pour le transpondeur ADS-B.
• Transmission : 0 €.
• Installation au sol : 1 € par Heure de vol pour l'usage d'un réseau de réception de position ADS-B.

Transmission GSM

La position peut être envoyée grâce au réseau GSM utilisé par les téléphones portables. L'équipement qui envoie la position doit être doté d'un modem GPRS incluant une carte SIM. Il nécessite un abonnement data appelé "M2M" auprès d'un opérateur de téléphonie. En général l'équipement peut fonctionner avec le réseau GSM partout dans le monde en fonction de l'abonnement (prise en compte ou non du roaming). Par contre la transmission en temps réel des données est soumise à l'existence d'une couverture GSM au niveau de la région survolée et à la réglementation applicable en matière d'utilisation des appareils GSM (cf. Inconvénients de la transmission GSM). Dans le cadre de l'aéronautique, le GSM est une solution peu onéreuse dans le cas de la transmission des OOOI ou si la trajectoire n'a besoin d'être transmise qu'à l'issue du vol.

Avantages de la transmission GSM

• La transmission GSM passe sans problème à travers le fuselage d'un aéronef. Cela permet d'envisager une installation d'un boitier indépendant de l'aéronef et donc ne nécessitant pas de certification ou encore même l'utilisation d'une tablette dotée d'une carte SIM ou d'un smartphone.

Inconvénients de la transmission GSM

• Interdiction d'utilisation du GSM en l'air du fait de la réglementation locale ou de l'exploitant.
• Perte de transmission :
  • Ne fonctionne pas au delà de 3000ft à 5000ft sol dans la plupart des pays car les antennes de réception GSM sont dirigées vers le sol. Les pertes de transmission sont systématiques au delà de 5000ft, très fréquentes au delà de 3000ft.
  • Les vitesses de déplacement élevées peuvent rendre difficile l'appariement entre une antenne de réception et le module émetteur : l'émetteur saute alors d'antenne en antenne sans avoir le temps d'envoyer les données.
  • La région survolée peut ne pas être équipée d'antenne GSM. C'est notamment le cas dans certaines régions boisées et non peuplées ou au-dessus de la mer. Ainsi les pertes de transmission dépassent fréquemment les 5 minutes sur les zones non habitées.

Coût de la transmission GSM

• Installation :
  • Matériel non certifié :
    • Solution smartphone : 0 € si on considère que le smartphone est déjà acheté
    • Solution tablette : coût de la tablette (environ 1000 €)
    • Solution boitier : l'AeroBox proposée par OpenFlyers est à 990 €. Il existe des boitiers offrant moins de fonctionnalités que l'AeroBox pour 100 à 200 €.

  Il est possible de connecter une antenne GPS externe à certaines tablettes ou à du matériel non certifié. L'idéal étant que l'antenne soit à l'extérieur de l'aéronef. Dans ce cas, l'antenne doit être certifiée et le coût de l'installation varie entre 1.000 € et 10.000 € selon la nature de l'installation et du boitier auquel elle est reliée.

  • Matériel intégralement certifié : 10.000 € à 100.000 €
• Transmission : 0,1 € à 1 €. Le prix dépend de la couverture géographique souhaitée et de la quantité de données à transmettre, c'est à dire de la fréquence d'envoi de la position.

Transmission Satellite

Les transmissions satellite depuis des aéronefs repose en général sur la constellation satellite Iridium. La couverture est mondiale.

Il existe 2 types de matériel embarqué :

• le matériel indépendant de l'aéronef : il s'agit de boitiers autonomes qui reçoivent également les signaux GPS et transmettent l'émission par satellite. Cela peut également être une tablette reliée à un modem satellite.
• le matériel monté dans l'aéronef : les antennes sont alors situées à l'extérieur de l'aéronef et qu'il n'y a par conséquent pas de problème réception et de transmission des signaux sauf dans le cas des hélicoptères où la transmission satellite peut poser problème.

Avantages de la transmission Satellite

• Couverture mondiale

Inconvénients de la transmission Satellite

• Coût

Coût de la transmission Satellite

• Installation :
  • Matériel non certifié :
    • Solution boitier : environ 2.000 €
    • Solution tablette : coût de la tablette (environ 1.000 €) + coût du modem satellite (environ 300 €).
  • Matériel certifié :
    • Module de tracking simplement fixé sur le fuselage de l'aéronef : environ 1.000 €
    • Il est possible de connecter une antenne GPS externe à certaines tablettes ou à du matériel non certifié. L'idéal étant que l'antenne soit à l'extérieur de l'aéronef. Dans ce cas, l'antenne doit être certifiée et le coût de l'installation est de l'ordre de 8.000 €.
    • Il existe également des solutions conçues pour le montage de tablette utilisée comme EFB classe 2 et permettant une connexion sur le bus ARINC. Nous n'avons pas étudié le chiffrage.
    • Matériel intégralement certifié : 15.000 € à 60.000 €
• Transmission : 5 € à 50 € par Heure de vol. Le prix dépend de la fréquence de rafraichissement de la position, du volume d'heures de vol et également du volume des données dans le cas où en plus de la position d'autres données sont échangées. Dans le cadre d'une activité saisonnière l'abonnement peut être réduit sur les seuls mois utiles.

Interface Homme Machine (IHM)

Désormais les Interface Homme Machine de type Electronic Flight Bag (EFB) reposent sur un écran tactile.

Elle permet à l'équipage d'obtenir des informations en temps réel durant le vol et également d'envoyer des informations vers un opérateur sol.

Il existe 2 types de solution :

• le matériel non certifié. Désormais seules les tablettes, type iPad, Android ou encore Windows 8RT sont réellement présents sur le marché. Les avantages des tablettes sont indéniables :
  • Ils apportent une grande valeur ajoutée en terme de fonctionnalités grâce à une multitude d'applications dédiées à l'aéronautique.
  • Leur installation est facilitée par le biais de supports dédiés
  • Mises à jour simplifiées des applications embarquées
• le matériel certifié. Il existe notamment les EFB classe 3. Cependant le prix et la lourdeur d'une certification en font des appareils qui paraissent obsolètes par rapport aux tablettes. Ainsi, nombre de compagnies aériennes renoncent à s'équiper en EFB classe 3 onéreux, voir même font démonter leurs EFBs pour rétrofiter leur flotte avec des supports pour iPad certifiés EFB classe 1 ou 2. C'est ainsi que Delta a annoncé le 30 septembre 2013 l'équipement en tablette Surface 2 pour ses 11.000 pilotes.

Certification

Dès qu'un équipement est fixé à l'aéronef, il doit être homologué. (Boitier, antenne, ...) C'est la "fixité" du produit ou des parties du produit qui définit s'il doit bénéficier d'un agrément de matériel autorisé sur un aéronef ETSO (European Technical Standard Order)

L'équivalent américain de l'ETSO est le TSO mais il n'est pas valide pour une installation conforme à l'EASA. Une demande doit être faite, le procédé est toutefois allégé

Chaque modification sur un aéronef doit être approuvée par un Supplementary Type Certificat STC La plupart ne sont pas génériques pour ce type de matériel, à chaque type d'installation il en faut un.

La liste des ETSO et des STC est mise à jour mensuellement sur le site de l'EASA.

Ensembles autonomes

Les ensembles autonomes sont posés dans l'aéronef. Dans ce cas les antennes sont soient internes au produit soit externes mais toujours à l'intérieur de l'aéronef. Le produit nécessite alors une alimentation et doit donc disposer d'une batterie pour assurer son autonomie. Le produit n'est pas certifié aéronautique. 2 exemples de produits :

• L'AeroBox que fournit la société OpenFlyers : il s'agit d'un boitier totalement autonome avec une batterie interne et des antennes GPS et GSM internes.
• l'iPad d'Apple : il s'agit d'une tablette qui dispose de sa propre antenne GPS et de sa propre antenne GSM. L'iPad peut également être relié à une antenne GPS externe pour améliorer la réception.

Il existe d'autres produits proposant des récepteurs GPS et des émetteurs Iridium par exemple.

Il est possible de relier le produit au circuit électrique de l'avion via une prise électrique. Une prise allume-cigare peut être utilisée mais une prise dédiée protégée par fusible est recommandée. Dans ce cas il faudra que la câblage soit approuvé par un STC.

Ensembles partiellement fixés sur l'aéronef

Dans ce cas, seules les interfaces doivent être approuvées, (câblage, alimentation, antennes, ...). L’équipement est considéré comme dé-connectable sans outillage FSIMS 8200-1

C'est typiquement le cas de la transformation d'un iPad en EFB classe 2 relié à un bus ARINC.

Ensembles totalement certifiés

Il existe 2 types de produits correspondant à cette classification :

• les "boites noires" qui ne disposent pas d'IHM. Dans ce cas le produit peut être installé n'importe où dans l'aéronef, notamment dans la soute électronique lorsqu'il y en a une.
• les produits avec une IHM accessible pour le pilote. Le produit peut être alors complètement intégré dans le poste de pilotage ou une partie peut être déportée ailleurs dans l'aéronef.

Ensembles totalement certifiés sans IHM

Ensemble totalement certifié fixé dans l'aéronef

Ensembles totalement certifiés avec IHM

CS-STAN

Dans le cadre du CS-STAN (CS-SC106b), un boitier enregistreur ne nécessite pas de certification particulière pour les ELA2 (European Light Aircraft) car :

• Il ne contient pas de batterie (pas de risque de feu de batterie)

Pour plus de précisions, voir le chapitre Standard Change CS-SC106b pages 119 et120 du document EASA CS-STAN / Issue 4 concernant INSTALLATION OF FLIGHT TIME RECORDERS.

Si le boitier transmet des données pendant le vol, alors il faut un certificat EMI.

Si le boitier contient une batterie, alors il faut qu'il respecte la CS STAN.47.

Synthèse des coûts des solutions matérielles

Schéma de principe	Type de solution matérielle	IHM	Transmission	Coût d'installation	Coût mensuel des transmissions par Heure de Vol
	certifié	-	ACARS	non chiffré	5 € à 50 €
	certifié	-	ADS-B	0 € si requis Sinon 3.000 € pour le transpondeur	1 €
	autonome	-	GSM	0 à 1.000 €	0,1 € à 1 €
	branché sur antenne GPS extérieure certifiée, amovible et non certifié			~1.000 €
X	certifié intégral, fixé extérieurement sur l'aéronef			non étudié
	autonome	OUI		~1.000 €
	branché sur antenne GPS extérieure certifiée, amovible et non certifié			~8.000 €
X	certifié intégral			non étudié
	autonome	-	Satellite	~2.000 €	5 € à 50 €
	certifié intégral, fixé extérieurement sur l'aéronef			non chiffré
	autonome	OUI		~1.300 €
	branché sur antenne GPS extérieure certifiée, amovible et non certifié			~8.000 €
	branché sur bus ARINC, certifié, tablette amovible et certifiée EFB classe 2			non chiffré
	certifié intégral			15.000 à 60.000 €