Brevet FR2716028A1 — publié le 19950811

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF POUR LA PREYENTION DES COLLISIONS ENTRE AÉRODYNES. La présente invention concerne un procédé mis en oeuvre à bord d'un aérodyne pour détecter et déterminer les risques de collision avec les aérodynes avoisinant ce dernier. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, au transport aérien moyen et long courrier. Avec l'accroissement du trafic aérien, il est apparu de plus en plus indispensable d'équiper les aérodynes de systèmes anti-collision. A cet effet, on a tout naturellement proposé un dispositif anti-collision complet et autonome TCAS (Traffic Collision Avoidance System) destiné à détecter tous les aérodynes situés dans un certain rayon autour de lui. Ce dispositif met en oeuvre des algorithmes de calcul de trajectoire qui détermine la trajectoire des aérodynes détectés à partir de leurs positions successives. Ces trajectoires permettent ensuite d'identifier les aérodynes qui peuvent constituer une menace. Certains dispositifs plus élaborés mettent en oeuvre des algorithmes d'évitement destinés à indiquer aux pilotes les manoeuvres d'évitement, soit uniquement dans un plan vertical, soit à la fois dans un plan vertical et horizontal. Ces dispositifs comprennent chacun, en plus des organes de traitement du signal, un ensemble d'émission et de réception radiofréquence et deux ensembles d'antennes d'émission et de réception, à installer respectivement en partie supérieure et en partie inférieure de l'aérodyne. Ces ensembles antennes et émetteurslrécepteurs sont d'un coat élevé et les antennes TCAS viennent se rajouter aux multiples antennes équipant déjà les aérodynes de transport moyen et long courrier. Ces dispositifs présentent donc les inconvénients de faire intervenir un système radar équivalent complet supplémentaire. Par ailleurs, les aérodynes de transport moyen et long courrier à 1 'heure actuelle sont équipés de nombreux moyens de communication dont les principaux sont les suivants - les transmissions par ondes hertziennes (VHF et HF), - les systèmes radar (mode S), et - les réseaux de satellites de télécommunication (SATCOM), de plus en plus utilisés. En outre, les aérodynes de ce type s'équiperont d t un système ADS (Automatic Dependent Surveillance) dont le rôle est de regrouper les informations de position, de vitesse et de route fournies par les instruments de navigation, de les associer à des informations d'identification de l'aérodyne, et d'émettre périodiquement ces informations par voie hertzienne sous forme d'un message vers une station de contrôle aérien située au sol. Cette station traite ces informations pour détecter les risques potentiels de collision entre les aérodynes. Gracie aux moyens de communication précédemment cités et notamment SATCOM, elle peut contrôler le trafic au dessus des zones océaniques et désertiques. L'inconvénient de cette solution reside dans le fait que seule(s) la ou les stations de contrôle connaissent la position des aérodynes les uns par rapport aux autres. C'est pourquoi à l'heure actuelle, de nombreux aérodynes devront être équipes à la fois d'un dispositif anticollision autonome TCAS et d'un système ADS. De plus, en cas de survol d'une zone surveillée par radar et contrôlée par une station, les ordres d'évitement fournis par le dispositif anti-collision TCAS peuvent diverger ou être différents de ceux donnés par le contrôleur de la station. La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle propose un procédé pour la prévention des collisions entre plusieurs aérodynes. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend à bord dé chaque aérodyne - périodiquement, la lecture d'informations de navigation propres à cet aérodyne, l'élaboration d'un message de localisation comprenant un code d'identification dudit aérodyne et lesdites informations de navigation, et l'émission omnidirectionnelle de ce message de localisation par voie hertzienne à destination d'éventuels aérodynes avoisinants qui se trouvent à portée radio, - l'écoute en permanence et la réception de messages de localisation émis par lesdits aérodynes avoisinants, et - l'identification des aérodynes avoisinants et la détermination de leurs trajectoires respectives et des collisions potentielles, élaborés à partir du code d'identification et des informations de navigation contenus dans chaque message de localisation reçu et des informations de navigation dudit aérodyne. De cette manière, tous les aérodynes peuvent connaître la position des aérodynes voisins, ainsi que leurs intentions sans système de détection sophistiqué, simplement en utilisant les moyens de communication existants. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'installer à bord de nouvelles antennes et un dispositif radiofréquence coûteux. Par ailleurs, comme les messages de localisation sont également émis aux stations de contrôle aérien, les risques d'incohérences entre les ordres d'évitement transmis par la station et ceux émis par les aérodynes avoisinants sont supprimés. La présente invention permet ainsi d'aboutir à un bonne coordination entre un système autonome et un système dépendant d'une station au sol. De plus, on dispose d'informations beaucoup plus complètes sur les aérodynes avoisinants, que celles que l'on obtiendrait avec un radar. En effet, non seulement on dispose de toutes les informations de type "radar", mais aussi, des informations concernant par exemple, le plan de vol de l'aérodyne, ou encore l'état des équipements de navigation. Selon une particularité de l'invention, l'émission des messages de localisation est effectuée par voie vHF qui offre une portée d'environ 200 milles nautiques. Cette portée est largement suffisante pour détecter les risques de collision, la portée requise étant de 30 milles nautiques. Avantageusement, ce procédé fait appel au procédé décrit dans la demande de brevet nO 93 04103 déposée au nom de la Demanderesse, pour étendre cette portée au delà de 200 milles nautiques en utilisant les aérodynes avoisinants comme relais, et ainsi permettre une prédiction des collisions à moyen et long terme. Il n'est pas possible de réaliser une telle fonction de prédiction dans les systèmes de type TCAS qui, par constitution, ont une portée limitée et ne permettent pas de déterminer le plan de vol suivi par les aérodynes détectés. Avantageusement, afin d'obtenir un système anti-collision complet, le procédé selon l'invention comprend l'exécution d'algorithmes d'évitement, l'échange de messages de coordination d'évitement entre les aérodynes concernés, et l'information aux pilotes des manoeuvres d'évitement à effectuer. Un mode de réalisation du procédé selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est un schéma synoptique d'un système anti-collision selon l'invention, installé & bord d'un aérodyne la figure 2 représente schématiquement l'archi- tecture fonctionnelle d'un système anti-collision selon l'invention. Dans l'exemple représenté figure 1, le système anti-collision comprend un système ADS (Automatic Dependent Surveillance) 1, des instruments de navigation 11,12,13 connectés au système ADS, un émetteur 2 et un recepteur 3 VHF ayant la capacité de transmettre des données, un calculateur 4 comportant un processeur 5 et des mémoires 6, un moyen de visualisation tel qu'un écran 7, un moyen d'alerte sonore 8, et un bloc d'identification dé l'aérodyne et du plan de vol ID raccordé au système ADS. Le calculateur 4 reçoit des informations du système ADS et du récepteur 3, tandis qu'il contrôle l'émetteur 2, et les moyens de visualisation 7 et d'alerte sonore 8. Par ailleurs le système ADS envoie et reçoit directement des informations de l'ensemble émetteur 2 et récepteur 3. Le processeur 5 exécute un programme conçu pour effectuer les opérations suivantes - la lecture périodique des informations de navigation en provenance des instruments de navigation I1,I2,I3, et du bloc d'identification ID, - à chaque lecture, la constitution d'un message de localisation de l'aérodyne comprenant le code d'identification de l'aérodyne et les informations de navigation, et le transfert de ce message à destination de l'émetteur 2, - l'écoute en permanence et la réception de messages de localisation émis par les aérodynes situés à portée radioélectrique, et - la lecture des messages de localisation reçus par le récepteur 3 et leur stockage en mémoire 6, - l'identification des aérodynes avoisinants et la détermination de leurs trajectoires respectives et des collisions potentielles, à partir du code d'identification et des informations de navigation contenus dans chaque message de localisation stocké et des informations de navigation dudit aérodyne. L'échange d'un message entre deux aérodynes, qui s'effectue automatiquement, implique une séquence d'actions définie ci-apres. Le récepteur 3 est en permanence à l'écoute sur le canal de transmission VHF et il détecte les intervalles de temps pendant lesquels le canal est libre. Dès qu'il détecte qué le canal est. libre, il informe l'émetteur 2 qu'il peut émettre. Pendant que l'émetteur 2 émet, le récepteur 3 reste à l'écoute pour surveiller la transmission et s'assurer que celle-ci n'est pas perturbée par un autre utilisateur du canal. Si tel n'est pas le cas, le récepteur avertit l'émetteur que son message n'a pas été émis correctement et qu'il doit l'émettre a nouveau. L'existence d'une connexion physique entre les circuits émetteurs-récepteurs radiofréquence de deux aérodynes ne signifie par pour autant que la connexion avec échange d'informations entre les deux aérodynes est établie. En effet, en l'absence de disposition particulière, aucun des deux aérodynes n'a conscience d'être raccordé à l'autre. Pour établir cette connexion, chaque système doit transmettre un message d'adressage contenant des données spécifiques, notamment des données d'adressage de son système. Ainsi, lorsque la connexion est réalisée au niveau des circuits émetteurs-récepteurs, les deux systèmes entament une transmission périodique de messages d'adressage respectifs. La réception par l'un des systèmes d'un message d'adressage transmis par l'autre système provoque l'émission d'un message d'accusé de réception par le premier système à destination de l'autre. Une fois ces messages d'accusé de réception reçus, les deux systèmes savent qu'ils disposent de leurs adresses respectives et peuvent donc communiquer. L'échange périodique de messages d'adressage peut alors être interrompue et le transfert des messages de localisation commencer. Ces messages contiennent les informations suivantes concernant l'aérodyne émetteur, regroupées sur 76 octets - des informations sur son altitude, à savoir, son altitude barométrique, son altitude inertielle et sa variation d'altitude, - son cap magnétique et son cap vrai, - sa position en longitude et latitude, - ses angles de tangage et de roulis, - sa vitesse en Mach, sa vitesse sol et air, - la température de l'air, - l'heure en temps universel et en temps fourni par le système de navigation par satellite, - des informations sur sa route, à savoir, sa route magné tique et vraie, son taux d'angle de route et les points de route suivis, - des informations concernant le vent, à savoir, son angle, sa direction vraie et sa vitesse, - des données d'identification comme son type et le vol effectué, - des informations sur le type et l'état de ses équipements de navigation, de radio-communication et d'anti-colli sion. Les techniques nouvelles de transmission "HF autorisent des vitesses de transmission de 64 kilo-bits/s. Un tel message de localisation est donc transmis en environ 10 nis. Or les densités de trafic d'aérodynes sont estimées à 30 appareils maximum dans un rayon de 30 milles nautiques, ce qui implique que la transmission des messages de localisation pour ces 30 appareils dure 0,3 s. Cette durée est tout à fait compatible avec les normes actuellement en vigueur applicables aux systèmes anti-collision selon lesquelles il est nécessaire que la phase de localisation soit répétée toutes les 8 secondes. Pour atteindre une telle périodicité, il suffit de pouvoir émettre à la vitesse de 1700 bits/s. On dispose donc d'une marge importante et le canal "HF utilisé ne risque pas d'être saturé. Sur la figure 2, le processeur 5 du système anti-collision effectue tout d'abord une fonction de surveillance 10 de l'environnement de l'aérodyne en interceptant tous les messages de localisation émis par les aérodynes avoisinants. Ces messages sont stockés en mémoire 6 dans l'ordre de leur arrivée. Le processeur 5 effectue ensuite une fonction 11 de suivi des aérodynes détectés. Cette fonction consiste à trier les messages de position stockés en comparant la position 13 lue dans le message avec celle 12 de l'aérodyne récepteur; et en ne conservant que les messages dont l'information position indique que 1'aérodyne émetteur se situe à une certaine distance (30 milles nautiques) de l'aérodyne récepteur. Les messages ainsi conservés sont regroupés par émetteur en associant les informations d'identification de l'aérodyne émetteur aux informations de navigation reçues successivement. Les aérodynes sélectionnés sont traités par une fonction 14 de détection de trafic qui consiste à faire une analyse plus fine des positions respectives de ces aérodynes en termes d'azimut et d'altitude par rapport à celle de l'aérodyne récepteur. En particulier, cette fonction détermine si un aérodyne se trouve à une distance inférieure à un certain seuil de distance 15 et si la différence entre son altitude et celle de l'aérodyne récepteur est inférieure à un certain seuil d'écart d'altitude 16. Si tel est le cas, une fonction d'avertissement 21 est activée pour avertir le pilote qu'au moins un aérodyne se trouve à proximité. Les trajectoires respectives des aérodynes sélectionnés sont également analysées par une fonction 17 de détection de menace qui effectue sensiblement le même traitement que la fonction précédente, mais avec des seuils de distance et d'écart d'altitude plus réduits. Cette fonction a principalement pour but d'identifier tous les aérodynes avec lesquels il y a une menace de collision. Chaque aérodyne repéré comme constituant une menace est traité par une fonction 18 d'analyse de menace qui consiste à faire appel d'une part, à une fonction d'analyse 19 de cap et de route pour établir des estimations de trajectoire, et d'autre part, à faire appel à une fonction d'analyse 20 de vitesse pour déterminer en combien de temps la collision est susceptible de survenir. Cette fonction a également pour but d'élaborer des stratégies d'évitement qui sont exploitées par la fonction d'avertissement 21. Cette fonction constitue des messages de coordination d'évitement à destination des aérodynes constituant une menace, contenant les codes d'identification de l'émetteur et du destinataire, ainsi que les commandes d'évitement respectives. Ces messages sont transférés à l'émetteur 2 pour être diffusés sur le meme canal VHF, ou à l'aide d'un autre moyen de transmission si celui-ci est saturé, vers les aérodynes avoisinants et éventuellement vers le sol, si une coordination avec une station de contrôle de trafic aérien est nécessaire. Ces commandes d'évitement sont également présentées au pilote au moyen par exemple, de l'écran de visualisation 7 ou par un message vocal. Bien entendu, le système anti-collision décrit peut utiliser tout autre moyen de communication utilise à l'heure actuelle par les aérodynes de transport pour transférer des données numériques & laide du protocole "DATA LINK", comme par exemple les réseaux de satellites de télécommunication (SATCOM), les transmissions par ondes hertziennes HF, et les systèmes radar (mode S). En particulier, si le canal "HF est saturé, l'émetteur 2 peut utiliser l'un de ces autres moyens. Par ailleurs, en utilisant la portée maximum des transmissions VHF, soit 200 milles nautiques, et en appliquant le procédé pour la transmission par voie hertzienne qui utilise des systèmes relais installés à bord de chaque aérodyne, il est possible de recevoir des messages de localisation émis par des aérodynes se trouvant hors de portée, c'est-à-dire au delà des 200 milles nautiques. A l'aide des informations contenues dans ces messages, le procédé selon l'invention met en oeuvre des algorithmes de prédiction qui déterminent tous les risques de collision possibles à moyen ou long terme, en précisant l'heure à laquelle chaque collision est susceptible de survenir. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la prévention des collisions entre plusieurs aérodynes, caractérisé en ce qu'il comprend à bord de chacun desdits aérodynes - périodiquement, la lecture d'informations de navigation propres à cet aérodyne, 1'élaboration d'un message de localisation comprenant un code d'identification dudit aérodyne et lesdites informations de navigation, et l'émission omnidirectionnelle de ce message de localisation par voie hertzienne à destination d'éventuels aérodynes avoisinants qui se trouvent à portée radioélectrique, - l'écoute en permanence et la réception (10) de messages de localisation émis par lesdits aérodynes avoisinants, et - l'identification des aérodynes avoisinants et la détermination (11) de leurs trajectoires respectives et (14) des collisions potentielles, élaborées à partir du code d'identification et des informations de navigation (13) contenus dans chaque message de localisation reçu et des informations de navigation (12) dudit aérodyne. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émission et la réception des messages de localisation sont effectués par voie VHF. 3. Procédé selon lune des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'exécution (18) d'algorithmes d'évitement, l'échange (21) de messages de coordination entre les aérodynes susceptibles d'entrer en collision, et l'indication aux pilotes des commandes de pilotage à effectuer pour supprimer tout risque de collision. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission des messages de localisation reçus et l'exécution d'algorithmes de prédiction de manière à prévoir les risques de collision à moyen et à long terme. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un message de localisation d'un aérodyne comprend - un code d'identification de l'aérodyne, - des informations sur son altitude, - des informations sur sa route et son cap, - sa position, - ses angles de tangage et de roulis, et - sa vitesse. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les messages de localisation comprennent en outre des informations sur le type et l'état des instruments de navigation. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les messages de localisation contiennent 76 octets d'informations et sont transmis à la vitesse de 64 kilo-bits par seconde. 8. Procédé selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la transmission des messages de localisation est effectuée par une autre voie si la voie "HF est saturée. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur (4) comportant un processeur (5) et des mémoires (6), équipant 1 'aérodyne et assurant la transmission de données entre les différents équipements électroniques de l'aérodyne, tels que les instruments de navigation (I1,I2,I3), des moyens de visualisation (7) et des moyens émetteurs (2) et récepteurs (3) hertziens, ledit calculateur étant conçu pour traiter les messages reçus et constituer les messages à émettre.