Préambule : Il me semble indispensable de lire d'abord le document traitant des Centrales à Inertie "Classique" avant d'aborder celui-ci ; une bonne partie des principes généraux de navigation évoqués est identique et y est plus précisément décrite.

La particularité des centrales à inertie à gyro-laser tient à la technologie des gyromètres et à l'absence de plate-forme stabilisée.
Tous les éléments de la plate-forme des centrales classiques sont remplacés par un support rigide pour les capteurs et une plate-forme virtuelle obtenue par calcul remplace celle des centrales classiques.
L'obligation d'une importante puissance de calcul est négligeable devant les bénéfices procurés par l'absence de pièces en mouvement et l'accessibilité du bloc capteur. De plus, par conception, les mesures angulaires et accélérométriques sont effectuées selon les axes du trièdre avion et peuvent être utilisées à des fins de pilotage, en remplacement des traditionnels boîtiers gyros-métriques et accélérométriques.

Les centrales à inertie déterminent la position de l'avion en connaissant la position de départ et en estimant le trajet parcouru en grandeur et en direction.
Le trajet parcouru est estimé en mesurant l'accélération dans le plan horizontal et en l'intégrant par rapport au temps :


Des accéléromètres fournissent l'accélération de l'avion. Dans les systèmes à plate-forme (Centrale à Inertie Classique), ils sont disposés sur un support qui est maintenu horizontal pendant tout le vol. On obtient ainsi directement l'accélération horizontale.

Dans les Centrales à Gyro Laser, les accéléromètres sont montés sur un support LIÉ à l'avion (SYSTEME LIÉ ou STRAP-DOWN SYSTEM).
En l'absence d'accélération avion, un accéléromètre lié mesure sur son axe sensible une composante de l'accélération de la pesanteur. Cette composante varie avec l'assiette instantanée de l'avion. En présence d'accélération de l'aéronef, celle-ci s'ajoute à la composante de l'accélération de la pesanteur.

Pour mesurer l'accélération avion, on utilise un bloc capteur composé de trois accéléromètres à 90° qui définissent un trièdre orienté selon les trois axes : roulis, tangage et lacet. L'accélération horizontale est déterminée en fonction de la somme vectorielle des trois accélérations mesurées et de l'assiette instantanée.
REMARQUE : Les accéléromètres utilisés sont du type asservi, c'est-à-dire sans déplacement car un moteur couple contre en permanence le déplacement de la masse sensible pour la maintenir au "zéro". Le courant fourni au moteur couple représente alors l'accélération.

DÉTERMINATION DE L'ASSIETTE INITIALE
L'accéléromètre x est situé dans l'axe latéral et mesure les accélération "droite gauche"
L'accéléromètre y est situé dans l'axe longitudinal et mesure les accélération "avant-arrière"
L'accéléromètre z est situé dans l'axe vertical et mesure les accélérations "haut-bas"

Pendant l'alignement au parking, les avions sont dans une position quelconque et l'accélération de la pesanteur se décompose selon les axes sensibles des accéléromètres tel que :

Vecteur accélération de la pesanteur = Somme Vectorielle des accélérations x, y et z

Un calcul trigonométrique permet de connaître la direction de l'accélération de la pesanteur donc l'horizontale locale. Pendant l'alignement, on détermine la position du trièdre avion par rapport à l'horizontale ce qui donne l'assiette initiale. Les accélérations mesurées dans le trièdre avion x, y, z peuvent être projetées sur un trièdre XT, YT, ZT, lié à la terre. Les axes XT, YT étant dans le plan horizontal et ZT vertical. Ce trièdre constitue en fait une plate-forme calculée. (Ce trièdre pourra être, par calcul, orienté par rapport au NORD VRAI)

DÉTERMINATION DES VARIATIONS D'ASSIETTE
Elles sont obtenues en mesurant les VITESSES angulaires d'assiette.

VITESSE ANGULAIRE D'ASSIETTE x TEMPS = VARIATION D'ASSIETTE

Pour mesurer cette vitesse on utilise un gyromètre. (Un gyromètre précessionne en fonction de la vitesse angulaire sur son axe sensible). Dans la pratique, on place un gyromètre sur chacun des axes avions x, y, z.

On peut donc obtenir des vitesses angulaires également utilisables par des équipements périphériques.
GYRO x : VITESSE DE TANGAGE
GYRO y : VITESSE DE ROULIS (Amortissement de lacet, associé à la vitesse de lacet)
GYRO z : VITESSE DE LACET (Amortissement de lacet, fonction cap sur PA/DV).

Nota : Les gyromètres classiques à toupies utilisés sur les plate-formes ne sont pas adaptés pour cette application si l'on veut obtenir une bonne précision sur le temps de vol correspondant aux étapes d'un avion commercial. De plus ces gyromètres comportent un nombre important de pièces mécaniques de précision. (Près de 200). Cependant, des centrales liées, munies de gyromètres classiques sont utilisées pour des applications utilisées sur des temps relativement courts. (Exemple : Guidage de missile).

On utilise maintenant des gyro-lasers qui ne comprennent qu'une vingtaine de pièces et qui de plus fournissent un signal de sortie de type numérique bien adapté aux calculateurs modernes. Ces gyromètres utilisent une propriété particulière de la lumière, le laser.

LE LASER
L.A.S.E.R. est l'acronyme de :
LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATIONS
autrement dit
AMPLIFICATION DE LUMIERE PAR EMISSION STIMULEE DE RADIATIONS.
L'ANNEXE (1) détaille ce qu'est la lumière et le LASER.

GYROMÈTRE LASER
La fréquence de la lumière LASER est étroitement dépendante de la longueur du trajet parcouru dans le résonateur optique. Le principe consiste à détecter les variations du trajet apparent de la lumière dues à des variations d'attitude. La VITESSE ANGULAIRE D'ATTITUDE est alors mesurée par l'écart de fréquence provoqué par la variation du trajet apparent des photons.

Le gyro-laser est constitué d'un résonateur optique de forme carrée ou triangulaire dont le "centre" constitue l'axe sensible de mesure des vitesses de rotations. Le gyro-laser est LIÉ à l'avion. L'enceinte contient un mélange de gaz hélium-néon sous faible pression. Une source à haute tension fournit l'énergie pour exciter le gaz. À chaque angle, un miroir permet le changement de direction de la lumière.
La longueur du résonateur doit correspondre à un nombre entier de longueur d'onde (0,63µ) quelles que soient les variations des dimensions géométriques de la cavité dues aux dilatations thermiques. Un des miroirs est donc monté sur un dispositif piézo-électrique pour adapter la longueur du trajet optique à ce nombre entier de longueur d'onde. Un autre miroir est semi-transparent pour envoyer une partie de la lumière vers le dispositif optique de mesure de fréquence. La puissance consommée par le gyro est de l'ordre de 2W et le courant dans le gaz de l'ordre de 1 mA.

Pour l'explication du fonctionnement du gyro-laser, on devrait faire appel à la formulation mathématique de 1a Relativité Générale, néanmoins, on peut donner une image plus simple du phénomène.

La lumière est composée de photon. La cavité étant liée à l'avion, une rotation autour de l'axe sensible du gyromètre va provoquer une modification du trajet apparent du photon.

Un mouvement de l'avion selon l'axe sensible va entraîner la cavité et les miroirs et le trajet parcouru par le photon s'en trouve modifié et la fréquence de la lumière change. Ce changement de fréquence est très faible, quelques Hertz par rapport à 4,74 x (10 puissance 14) Hz.
Afin d'augmenter la sensibilité et la précision du système, on utilise un deuxième rayonnement circulant en sens inverse dans la même cavité. Quand le gyro est fixe les deux parcours apparents sont égaux. Quand le gyro est déplacé autour de son axe sensible, le parcours s'allonge pour les photons qui circulent dans le même sens que le déplacement et se raccourcit pour ceux qui circulent en sens inverse.

Ainsi quand la fréquence d'un rayonnement diminue, celle de l'autre augmente.

Le dispositif optique (interféromètre) permet d'obtenir la différence de fréquence des deux rayonnements. Cette différence est fonction de la valeur de la vitesse de rotation ; pour une vitesse de l'ordre de la rotation terrestre (15°/h) l'écart de fréquence est de 8 Hz.
REMARQUE : En 1925, Michelson a mesuré la vitesse de rotation terrestre en utilisant la lumière. Cependant, en l'absence de LASER, pour obtenir une sensibilité d'un quart de longueur d'onde, il a utilisé un gyromètre optique équivalent à un carré de 450 mètres de côté.

ZONE dite AVEUGLE
Les deux rayons se partageant la même cavité, il y a fatalement des interactions et des couplages entre eux. La cause principale est la rétrodiffusion des miroirs. Comme le rayon se propage de miroirs en miroirs dans la cavité, une petite fraction (environ 10 puissance -5) du rayon est renvoyée dans celui circulant en sens inverse. Un seuil de vitesse de rotation est nécessaire pour que les deux faisceaux se différencient. La conséquence est une zone aveugle dans la mesure des faibles vitesses angulaires avant que les deux rayons retrouvent leurs identités.
La zone aveugle est déterminée par plusieurs facteurs, mais le principal est la qualité des miroirs et les pertes dans la cavité.
Un moyen de supprimer la zone aveugle est de séparer les fréquences des deux rayons. Ceci peut être réalisé de différentes façons, par champs magnétiques, par rotation des gyromètres à vitesse constante, ou en faisant osciller mécaniquement le gyromètre.
La précision du gyromètre est fonction de la longueur du trajet optique ; de l'ordre de 28 cm pour les applications sur avions civils, soit un carré d'un peu plus de 5 cm de côté.

ÉVALUATION DES COMPOSANTES DE LA ROTATION TERRESTRE DANS LES PLANS HORIZONTAL ET VERTICAL
Le vecteur vitesse de rotation angulaire peut être translaté à la surface du globe et projeté dans les plans horizontal et vertical. Ces composantes verticale et horizontale sont fonctions de la latitude. Pour évaluer la LATITUDE de l'avion, on mesure la composante verticale de la rotation terrestre. Afin de simplifier les calculs, on suppose que le gyromètre z est dans le plan vertical et on obtient :
Gyromètre z = 15° par heure * sinus Latitude d'où
Sinus Latitude = (Gyromètre z) / 15° par heure.
La latitude calculée sera comparée avec la latitude insérée par l'opérateur. L'écart entre la latitude calculée et la latitude insérée ne doit pas dépasser un seuil prédéterminé. (30 minutes d'arc par exemple). La centrale ne peut estimer sa longitude. Aussi pour se protéger d'une erreur d'insertion, le calculateur compare la position insérée (latitude et longitude) à la position d'arrivée du vol précédent conservée en mémoire. Un désaccord déclenche une alarme indiquant qu'il faut vérifier la position insérée.

ÉVALUATION DU CAP INITIAL
Les accéléromètres ont permis, au moment de l'alignement, de déterminer la verticale locale, et de créer un trièdre lié à la terre. Ce trièdre sera orienté par rapport au NORD et, pour simplifier les calculs on suppose que les gyromètres x et y ont leurs axes sensibles dans le plan horizontal.

(Gyro x / Gyro y) = (15°/h cos Lat sin CAP) / (15°/h cos Lat cos CAP) ou
(Gyro x / Gyro y) = sin CAP / cos CAP d'où
Tangente CAP initial = Gyro x / Gyro y

En réalité, les gyros x et y ne sont pas dans le plan horizontal. Le calculateur doit projeter, par calcul trigonométrique, sur le trièdre terrestre XT, YT, ZT les vitesses mesurées par les gyro-lasers x, y, z.

Le CAP INSTANTANÉ en vol est obtenu en rajoutant au cap initial, les variations de cap obtenues par la mesure des vitesses de rotation autour de l'axe vertical.
Le cap magnétique est calculé à partir du cap vrai, de la position présente et de la déclinaison. Une loi de calcul permet d'obtenir la déclinaison à partir de la position présente. La déclinaison varie lentement en fonction du temps. Une mise à jour des coefficients employés dans les équations tous les 10 ans, suffit à conserver une bonne précision sur la valeur de la déclinaison.

Bilan des avantages indéniables des Centrales à Inertie Laser par rapport aux Centrales à Inertie à Plate-forme

- Pas de mécanique délicate.
- Pas de chauffage de la centrale.
- Pas de batterie spéciale centrale à inertie en tampon sur l'alimentation.
- Pas de vannes de flux, ni de coupleur compas car les centrales fournissent le cap magnétique.
- Pas de capteurs tels que :
- Alignement rapide.

En plus des avantages susmentionnés, les Centrales à Inertie laser permettent de fournir, par calcul, des informations importantes comme le VECTEUR TRAJECTOIRE et la PENTE TOTALE

VECTEUR TRAJECTOIRE
La centrale fournit le vecteur trajectoire obtenu à partir des accéléromètres LIÉS à l'avion. Cette information de trajectoire ne pouvait être obtenue dans les centrales à PLATE-FORME dont les accéléromètres étaient maintenus dans le plan horizontal. La position du vecteur trajectoire par rapport à l'horizon permet de mesurer la pente.
En supposant de faibles valeurs de vent on peut assimiler la trajectoire SOL à la trajectoire AIR et dans ce cas l'angle entre le fuselage et le vecteur trajectoire représente l'incidence.

Le vecteur trajectoire est présenté sur les écrans de pilotage par un symbole :

La position du symbole vecteur trajectoire par rapport à l'horizon permet d'apprécier la valeur de la pente sur l'échelle de tangage. L'angle entre la maquette avion et le symbole vecteur trajectoire permet d'apprécier l'incidence sur l'échelle de tangage. (En supposant le vent nul). L'angle lu sur l'échelle des caps entre la maquette avion et le symbole vecteur trajectoire représente la dérive.

Un index GLIDE indique un écart de POSITION RELATIVE, tandis que le déplacement du vecteur trajectoire indique une VARIATION DE PENTE. C'est-à-dire que ce symbole indique une trajectoire prévisible et fournit donc une information d'écart de trajectoire plus précoce qu'un GLIDE.
- La surveillance de ce symbole peut permettre de détecter immédiatement un écart de pente due par exemple à un cisaillement de vent en approche.
- La pente de décollage peut être également surveillée à l'aide de ce symbole en cas d'obstacle critique dans la trajectoire.

Un autre symbole, la CIBLE, permet d'afficher une pente désirée ; lorsque le vecteur trajectoire est au centre de la cible, la pente instantanée est égale à la pente sélectée.
La cible permet d'afficher également la route désirée ; lorsque le vecteur trajectoire est au centre de la cible, l'avion a une pente égale à la pente sélectée et une route égale à la route sélectée.

ATTENTION : Ces symboles sont très différents des barres de tendances des DIRECTEURS DE VOL. Ces symboles montrent des ÉCARTS INSTANTANÉS.

L'utilisation du vecteur trajectoire et de la cible est intéressante pour des approches visuelles avec de mauvaises conditions (brume, soleil), ou pour des approches sans GLIDE SLOPE. Dans les autres cas, l'usage du Directeur de Vol est généralement préférable. À partir d'une altitude donnée au-dessus d'un repère, le maintien du vecteur trajectoire centré dans la cible assure une arrivée au seuil de piste.

PENTE TOTALE
La PENTE DE LA TRAJECTOIRE permet de connaître la trajectoire à court terme et est la tangente à la trajectoire instantanée.
La PENTE TOTALE permet de prévoir la trajectoire à long-terme et est fonction du bilan énergétique total de l'avion. Un avion en vol possède deux sortes d'énergies
- Une énergie cinétique due à sa vitesse.
- Une énergie de position, ou énergie potentielle due à son altitude Z. L'énergie totale de l'avion est donc la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle.

Énergie Totale (ET) = Énergie Potentielle (EP) + Énergie Cinétique (EC)

En partant de l'équation ET = mgZ + 1/2 mV² et par simplifications et calculs de dérivées, la centrale calcule : la Pente Totale, rapport de la vitesse verticale totale sur la vitesse d'évolution de l'avion, -(VZT/V) ; la Pente de la Trajectoire, rapport de la vitesse verticale sur la vitesse d'évolution, -(VZ/V) ; l'Accélération sur la Trajectoire -(gamma/g).

Pente Totale = Pente sur la Trajectoire + Accélération sur la Trajectoire

La centrale à inertie, en connaissant la pente de la trajectoire et l'accélération sur la trajectoire, peut calculer facilement la pente totale qui reflète le bilan énergétique de l'avion.
Remarques : La terminologie peut prêter à confusion. La pente totale est différente de la pente de la trajectoire. La pente totale n'est égale à la pente de la trajectoire que si l'avion a une accélération nulle. Dans ce cas, la trajectoire court terme et long-terme sont confondues. Dans les autres cas, la pente totale représente l'énergie de l'avion ce qui permet de prévoir la trajectoire à long-terme.

Utilisation de la PENTE TOTALE
Ce paramètre peut être présenté sur un écran de pilotage, ou encore être utilisé dans le FMS (Flight Management System) pour une tenue de trajectoire dans le plan vertical.
La comparaison de la PENTE TOTALE et de la PENTE DE LA TRAJECTOIRE permet d'ajuster le bilan énergétique de l'avion (action sur la poussée). En supposant l'avion stabilisé sur une pente sélectée et que la pente totale reste égale à la pente de la trajectoire, l'avion atteindra le point visé. Si la pente totale devient supérieure à la pente sélectée, cela signifie que l'avion accélère et il faut donc réduire la poussée.



La lumière est émise sous forme de PHOTONS par les atomes lorsqu'ils passent d'un état excité (peu stable) à un état stable.
Un atome est constitué d'un noyau central autour duquel gravitent des électrons sur des orbites différentes. Les orbites correspondent toutes à des états d'énergie différents lorsque l'atome n'est pas excité, les électrons occupent des orbites de moindre énergie. L'atome est stable et ne peut pas perdre d'énergie.
Lorsque cet atome reçoit de l'énergie par un moyen quelconque (chaleur, lumière, décharge électrique, choc d'un autre atome), cette énergie est récupérée par ses électrons. Si l'apport d'énergie est suffisant, un ou plusieurs électrons peuvent être arrachés de l'atome qui est alors IONISÉ. Un gaz contenant un grand nombre d'atomes ionisés et d'électrons libres conduit très bien l'électricité. C'est cette propriété qui est utilisée dans les tubes au néon, les lampes à vapeur de sodium ou de mercure, et dans les lasers à gaz.

Si l'apport d'énergie est insuffisant pour provoquer l'ionisation, il peut néanmoins faire passer un électron sur une orbite d'énergie supérieure. On dit alors que l'atome est dans un état EXCITÉ.Cet état n'est pas stable et l'électron revient presque immédiatement et spontanément sur son orbite initiale en libérant l'énergie qu'il avait acquise sous forme de PHOTON. Le photon est de l'énergie sous forme électromagnétique.
L'énergie et la fréquence du photon sont directement proportionnelles au changement de niveau effectué pour certaines fréquences le rayonnement est visible par l'oeil humain ; du rouge, 4*(10 puissance 14) Hz au violet, 8,3*(10 puissance 14) Hz.

Pour la plupart des atomes, il existe plusieurs changement de niveaux d'énergie possibles. Chaque changement produit un photon de longueur d'onde correspondante. Plus l'atome est complexe plus le nombre de fréquences est important. Ainsi l'atome d'hydrogène avec un seul électron fournit cinq fréquences de lumière visible. Le XÉNON avec 54 électrons présente un si grand nombre de changements de niveaux possibles que son spectre de fréquences est quasiment continu et très proche de la lumière naturelle. On l'utilise pour cela dans les flashs électroniques.

EMISSION SPONTANEE
Les sources habituelles de lumière émettent dans un spectre étendu de fréquences. Tous ces photons sont émis dans toutes les directions et à des instants quelconques. On dit que la lumière obtenue est INCOHÉRENTE. C'est-à-dire qu'il n'existe aucune relation de phase entre tous les rayonnements électromagnétiques émis. L'émission des photons est SPONTANEE.

ABSORPTION DES PHOTONS
Lorsqu'un électron passe de l'état excité E2 à l'état stable El, il émet un photon de fréquence fl. Mais ce photon de fréquence fl peut être absorbé par un atome à l'état stable El qui passe alors à l'état excité E2. On dit qu'il y a eu ABSORPTION.

ÉMISSION STIMULÉE
Un atome à l'état excité E2 peut émettre un photon de fréquence fl s'il est stimulé par un photon de même fréquence fl. Dans ce cas, l'atome excité retourne à l'état El en émettant DEUX photons (le principe de conservation de l'énergie est respecté). Ces DEUX photons se propagent dans la même direction que le photon "stimulateur" et avec la MÊME PHASE. Ils peuvent à leur tour désexciter d'autres atomes qui émettront à leur tour d'autres photons qui conserveront avec les premier la MÊME relation de phase. Albert EINSTEIN a donné en 1917 à ce phénomène le nom d'ÉMISSION STIMULÉE.
S'il y a suffisamment d'atomes à l'état EXCITÉ, on pourra obtenir un faisceau de photons ayant la même fréquence et la même phase, c'est-à-dire un faisceau de lumière COHÉRENTE.
S'il n'y a pas suffisamment d'atome à l'état excité le phénomène d'absorption peut l'emporter sur le phénomène d'émission stimulée. Or l'état naturel est d'avoir un niveau d'énergie stable plus peuplé que le niveau excité. Il est donc nécessaire pour obtenir l'émission stimulée d'INVERSER LES POPULATIONS entre les deux niveaux.
Un photon émis aura ainsi une plus grande chance de rencontrer un atome à l'état excité qu'un atome à l'état stable qui alors l'absorberait.

Pour augmenter la probabilité qu'un photon rencontre un atome à l'état excité, on place des miroirs aux extrémités du milieu amplificateur, ainsi les photons sont réfléchis dans un sens puis dans l'autre ce qui multiplie les chances d'obtenir d'autres photons.
Cette cavité optique, constituée avec les miroirs, joue le rôle de résonateur et seul les photons dont la longueur d'onde est un sous-multiple de la longueur de la cavité participent au processus d'amplification. La lumière obtenue est quasi-monochromatique.

L'INVERSION DE POPULATION
L'énergie à fournir pour réaliser l'inversion de population s'appelle l'énergie de POMPAGE. Dans le cas des lasers HÉLIUM-NÉON utilisés pour les gyromètres, cette énergie est fournie principalement par les atomes d'hélium.
Une décharge électrique dans le gaz excite l'hélium qui cède son énergie par chocs aux atomes de néon, créant ainsi l'inversion de population entre les deux niveaux d'énergie du néon correspondant à l'émission stimulée.

Remarques : Le laser à rubis est le premier laser qui a fonctionné en 1959. La barreau de rubis reçoit son énergie sous forme lumineuse. Le premier laser à gaz qui a fonctionné est le laser hélium-néon en 1961. Aujourd'hui, il existe différents types de lasers selon la longueur d'onde, la puissance, ou le mode de fonctionnement continu ou impulsionnel : les lasers à gaz carbonique qui émettent dans l'infrarouge, les lasers à semi-conducteurs (lecture de disque optique), les lasers à colorants avec réglage de la longueur d'onde, les lasers à argon qui peuvent produire deux longueurs d'onde, les lasers au krypton qui peuvent en produire trois, ceux à l'azote qui émettent dans l'ultraviolet.

Le rendement énergétique des lasers est assez mauvais, mais leurs propriétés de cohérence les rendent indispensables pour certaines applications comme l'interférométrie utilisée dans les gyromètres.

LES INTERFERENCES
Lorsque deux ondes cohérentes se superposent, elles INTERFÈRENT. Si les deux ondes sont en phase, il en résulte un maximum d'intensité. Si elles sont en opposition de phase, il en résulte un minimum d'intensité. Entre ces maximum et minimum, il existe une variation graduelle d'intensité due à la phase relative des deux ondes.
Dans le gyromètre laser, la combinaison dans le dispositif de mesure des deux ondes qui n'ont pas parcouru le même trajet produit des franges d'interférences alternativement sombres et claires. Des cellules photo-électriques en comptant le nombre de franges obtenues fournissent la différence de fréquence des deux ondes qui est proportionnelle à la vitesse de rotation du gyromètre. Ces franges se déplacent dans un sens ou dans l'autre fournissant ainsi le sens de rotation du gyromètre.

Bibliographie
CMM's (Component Maintenance Manual) des différentes centrales à inertie laser.
Documents de cours du CIV (Centre d'Instruction de Vilgénis) d'Air France.