Brevet FR2741320A1 — publié le 19970523

PROCEDE DE PILOTAGE A BASSE ALTITUDE Le domaine de l'invention est celui des aéronefs et plus particulièrement celui des avions de transport militaire qui auront besoin pour exécuter efficacement des missions tactiques, de systèmes de vol en basse altitude (typiquement en deçà d'altitudes de 500 ft) permettant ainsi de profiter des masques du relief qu'ils survolent. Il existe à l'heure actuelle des procédés de vol à basse altitude, calculés en temps réel pour des avions d'armes et notamment un procédé décrit par la demanderesse dans la demande de brevet publiée sous le n' 2 658 636. Néanmoins, ce type de procédé de pilotage d'un aéronef en vol à très basse altitude ne peut pas être transposé au cas des avions de transport militaire qui sont soumis à des contraintes différentes de part leurs caractéristiques en terme de masse, d'inertie, de manoeuvrabilité ou bien encore de vulnérabilité. De plus, un avion de transport militaire ne peut faire subir au personnel qu'il est susceptible de transporter des changements de trajectoire trop brutaux, des trajectoires de rayons de courbure trop étroits, ou des altemrnances de piquer-cabrer trop fréquentes. C'est pourquoi l'invention propose un procédé de pilotage en temps réel, particulièrement bien adapté aux avions de transport militaire et respectant les contraintes qu'imposent ces derniers. Ce procédé permet au pilote de l'avion de déterminer en temps réel un nouveau plan de vol, lorsqu'une menace se présente rendant nécessaire le changement de plan de vol préembarqué. Ce procédé repose sur la détermination d'une trajectoire à pentes variables tangentant au maximum un relief à survoler, à partir de données permettant au préalable, l'élaboration d'une trajectoire dans un couloir horizontal défini au niveau du terrain à survoler. Il permet de définir en temps réel une trajectoire optimisée, respectant les contraintes avion, tout en permettant à l'avion de voler au plus bas par rapport à un relief donné. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de pilotage d'un aéronef en vol à basse altitude caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la détermination par le pilote de l'aéronef, de buts Bi sur un écran cartographique, de manière à définir un plan de vol découpé en segments si, chaque segment si étant défini entre un but Bi et un but Bi+1; - la détermination par un calculateur C dans raéronef, de trajectoires horizontales THi le long des segments si; - la détermination du profil de terrain à survoler, par le calculateur C, ledit profil de terrain étant défini à partir d'un ensemble de points les plus hauts Pij situés sur une trajectoire THi entre un but Bi et un but Bi+1; - la détermination d'une série de droites ZioS'il,... S'ikS'ik+l, S'inZin, de pentes Aik qui tangentent le profil de terrain; Zio étant l'altitude de l'aéronef positionné en début de segment S'il,... S'ik... S'in étant des sommets déterminants définis parmi les points Pij Zin étant une altitude de l'aéronef visée au voisinage de la fin du segment lesdites droites définissant les consignes de vol en trajectoire verticale. Il est à noter que le résultat du calcul de trajectoires à pentes variables consiste en la détermination d'une série de sommets déterminants S'i,.. . S'n répartis entre les buts Bi et Bi+1, les pentes des droites reliant deux sommets déterminants étant les pentes Aik. Pour élaborer ce type de trajectoire, il peut être particulièrement intéressant de procéder de façon itérative en définissant un premier sommet déterminant Sil sur l'ensemble du segment si, puis lorsque la distance entre le début de segment S1il ettou la distance entre Sil et la fin du segment sont suffisantes, d'autres sommets déterminants de part et d'autre du premier sommet déterminant et ainsi de proche en proche de redécouper en sous- segments, un sous-segment défini préalablement jusqu'à atteindre une distance minimale de sous-segment. C'est pourquoi, avantageusement le procédé de pilotage peut procéder successivement à: - la détermination d'un premier sommet déterminant Sil sur l'ensemble du segment de navigation considéré, donnant une trajectoire de pente Yi1; - si la distance entre le début du segment et Sil est supérieure à une distance fixée à au moins 2Dminseg, Dminseg étant une distance minimale entre deux points de changement de pente et étant définie comnme contrainte opérationnelle pour éviter les changements de pente trop fréquents, à la détermination d'un second sommet déterminant Si2, fournissant non plus une droite de pente 131 mais deux droites de pentes r2 et Yi2, de part et d'autre du point Si2; - si la distance entre Sil et la fin de segment est également supérieure à 2Dminseg, à la détermination d'un troisième sommet déterminant Si3 et donc à deux trajectoires de pentes yj3 et yi3; - l'itération de la recherche de sommets déterminants dans chaque sous-segment nouvellement défini, jusqu'à atteindre la contrainte sur 2Dminseg. Selon une première variante de l'invention, le pilote de l'avion peut agir avec une commande manuelle, type 'joystick W'pour afficher les buts à atteindre sur l'écran cartographique. Selon une seconde variante de l'invention, le pilote de l'avion peut agir sur un écran tactile. Selon une troisième variante, le pilote peut agir par commande vocale. Les consignes de vol déterminées selon le procédé de l'invention par le calculateur peuvent être présentées au pilote de différentes manières. Selon une variante de l'invention, l'écran cartograhique peut avantageusement comprendre une fenêtre dans laquelle sont présentées des consignes de vol générales, montrant l'ensemble des droites (ZoiS'il). Les consignes de vol sont également présentées sous forme ponctuelle sur un viseur tête haute qui affiche régulièrement des consignes de vol à court terme. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure I illustre un synoptique d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé proposé dans l'invention; - la figure 2 schématise un plan de vol défini dans Iè plan horizontal avec les buts fixés par le pilote; - la figure 3 schématise la coupe de terrain à survoler correspondant à un segment de navigation complété par un talon; - la figure 4a illustre un exemple de segment si dans lequel le S sommet déterminant Si1 est très proche de la fin de segment; - la figure 4b illustre le même exemple de segment si que celui décrit en figure 4a, dans lequel la position du sommet déterminant S1il est modifiée; - la figure 5 illustre un exemple de segment si long dans lequel on définit successivement plusieurs sommets déterminants. Pour mettre en oeuvre le procédé de pilotage à basse altitude selon rinvention, un synoptique de dispositif est illustré en figure 1. Le synoptique proposé sur cette figure, montre que le pilote dispose par exemple à bord de son avion d'un fichier de terrain embarqué FT, donnant une matrice en relief avec des altitudes du terrain à survoler, ce fichier de terrain étant complété par des moyens radar air-sol mR permettant d'identifier des obstacles qui n'auraient pas été intégrés au fichier de terrain. L'élaboration d'une carte de terrain encore plus précise peut être obtenue à l'aide de capteurs supplémentaires, par exemple de type radiosonde mC. Le fichier de terrain peut être présenté au pilote sous forme d'un écran cartographique sur lequel le pilote sélectionne les différents buts Bi en vue de définir un plan de vol en temps réel, tenant compte des obstacles qui se présentent à lui. Lorsque deux buts Bi et Bi+1 sont définis et délimitent un segment si, une trajectoire horizontale THi est alors définie grâce à un calculateur de navigation. Des points les plus hauts Pij sont extraits de données altimétriques embarquées. A partir de ces différentes données, les trajectoires à pente variable sont élaborées dans un calculateur C pour permettre un vol basse altitude destiné à assurer un fonctionnement en automatique ou semi- automatique en directeur de vol. Dans tous les cas, l'ensemble de la trajectoire de suivi cde terrain à pente variable et donc des consignes de pilotage à respecter, est crd'une part présentée à l'équipage au travers des moyens classiques crd'interface $ homme/machine au niveau de la planche de bord, et d'autre part envoyée au système de pilotage automatique PA La planche de bord est équipée à la fois de l'écran cartographique qui peut comprendre une fenêtre sur laquelle sont s représentées les trajectoires calculées qui tangentent le relief et ce sur des distances de plusieurs kilomètres. Un viseur tête haute donne en parallèle des consignes de vol changeant toutes les quelques millisecondes et indiquant précisément au pilote les manoeuvres à effectuer. De manière plus précise, le procédé de pilotage à basse altitude, objet de la présente invention, consiste à redéfinir le plan de vol préétabli à raide du fichier de terrain embarqué, et à découper en segments le nouveau plan de vol de navigation. Chaque segment de navigation si est ainsi délimité entre deux buts à atteindre Bi et Bi+1; les segments sont examinés un par un, suivant l'ordre de parcours du plan de vol. La trajectoire au sol le long des segments de navigation, si, est connue, ainsi que la coupe du terrain correspondant. Avantageusement dans le traitement crd'un segment on considère plus largement un segment de navigation, si en lui intégrant un talon ti correspondant à une partie du segment consécutif si+1, de manière à assurer une certaine continuité de trajectoire lorsqu'on passe crd'un segment à un autre, la recherche de sommets déterminants est donc menée sur un intervalle (si+ti). Pour le dernier segment à considérer dans le plan de vol, le talon peut correspondre à la continuité du segment, puisqu'aucun segment si+1 2s n'est alors connu. La figure 2 illustre la trace THi au sol à suivre lors du pilotage de l'avion, défini préalablement à la détermination des trajectoires à pentes variables. Pour tenir compte des erreurs de localisation, un couloir horizontal est défini autour de la trace au sol. Les points Bi et Bi+1 délimitant des segments de navigation ayant été définis par le pilote. Le profil de terrain est quant à lui issu du fichier de terrain altimétrique complété éventuellement par une carte radar. La figure 3 illustre un exemple de profil de terrain à survoler le long d'un segment de navigation si, complété d'un talon ti. Les points Pij correspondent à des points de plus haute altitude connue qui rehaussés d'une hauteur de garde HG permettent de définir un profil de garde que le pilote va chercher à survoler au plus près, en tout point. Dans la recherche du plan de vol et du calcul des trajectoires verticales, certaines contraintes doivent être en permanence respectées. Ces contraintes sont de deux natures: des contraintes opérationnelles et des contraintes dites "avion". Les contraintes opérationnelles que ron définit pour tout plan de vol sont: -une hauteur de garde HG à respecter par rapport au relief; - une distance minimale d'un sous-segment Dminseg, permettant d'éviter des changements de pente trop fréquents; - un changement de pente maximum AYmax de part et d'autre d'un point de changement de pente; - un écart minimum de pente stYmin, de part et d'autre d'un point de changement de pente, pour avoir des consignes de vol identifiables; - une distance minimum entre deux sommets déterminants Si et Si+1 pour mener une nouvelle recherche de sommet déterminant Si+2. Les contraintes "avion" sont essentiellement les pentes maximales à "cabrer": Ymax, et "à piquer": Ymin que peut subir l'avion. Dans le but de simplifier la description du procédé de pilotage à basse altitude, objet de l'invention, trois cas de figures sont envisagés et détaillés: Cas 1: le segment de navigation si est un segment court, typiquement de longueur inférieure à 2Dminseg. Cas 2: le segment de navigation si est un segment moyen avec au plus une cassure de pente, soit une distance de segment Dsegment telle que: 2Dminseg Dsegment > 3Dminseg. Cas I1: Seament de navigation si court Les segments de navigation présentent la caractéristique d'être parcourus avec une pente constante que I'on cherche à optimiser selon le procédé de l'invention. Pour cela, on recherche le sommet déterminant Sil1 qui consiste à identifier en partant de l'altitude Zio de l'avion en début de segment, la pente -i1 permettant de tangenter le relief rehaussé de la hauteur de garde HG. Pour mener à bien cette recherche, on peut utiliser l'algorithme de recherche suivant: - on initialise yi1 à - o - en chaque point Pij du segment si + ti: on calcule yij si rij > yil on sauvegarde yil (yil = Yij) - on vérifie que la contrainte de changement de pente maximum est respectée à partir de la pente yio en début de segment à l'altitude Zio soit Iri1 - Tiol > IATYmaxl alors Til = Tio + AYmax - on vérifie également que la pente ainsi calculée est encadrée par les pentes minimum et maximum: si i1 Ymax alors Yil = Ymax on est alors en mesure, sur un segment court, de déterminer une consigne de pente 7il correspondant à la droite que doit suivre l'avion entre les deux buts fixés Bi et Bi+1. Cas 2: Seament de navigation se moyen Dans un premier temps, on recherche le sommet détermirnant Sil de la même manière que dans le cas d'un segment court. On obtient ainsi selon le même type d'algorithme en vérifiant que toutes les contraintes sont bien respectées, sur l'ensemble du segment, un premier sommet déterminant S1il et une pente 1i entre le début et la fin du segment. Plusieurs cas de figures peuvent alors se présenter: 1) le sommet déterminant S1il est situé très proche de rextrémité du segment si ou du segment + talon si+tj, soit à une distance inférieure à Dminseg, il n'est donc pas possible de changer de pente entre le point Sil et la fin du segment considéré et l'on se trouve alors dans un cas de figure o le profil de vol est très peu optimisé. On préfère dans ce cas, chercher à descendre avec la pente la plus forte possible en début de segment, et ensuite chercher à rejoindre la fin du segment avec une pente "tangente" de type celle décrite précédemment dans le cas d'un segment court. Les figures 4a et 4b mettent en évidence le déplacement du premier sommet déterminant entre les points Zio et Sil on a une droite de pente telle qu'elle respecte la contrainte de changement de pente maximum AYmax de part et d'autre d'un point de cassure, en l'occurrence le point Zio correspondant à la position de l'avion en début de segment; la relation suivante doit ainsi être vérifiée, à savoir Iyil - ioI > IAymaxl, dans ce cas 1'i = yio + AYmax sinon yil = Ymin- yio étant la pente de la trajectoire de l'avion en fin de segment précédent si-1 en considérant donc que i-1,n = Yi,o- 2) le sommet déterminant Sil est situé très proche du début du segment si, soit à une distance inférieure à Dminseg, on ne remet pas en cause la position Sil tout en respectant les contraintes "avion". Dans tous les cas de figures lorsque la distance entre l'une des extrémités et le point Sil est supérieure à 2Dminseg, on procède à la recherche d'un autre sommet déterminant dans ladite distance. Ainsi, par exemple dans le cas o dSi1,fin > 2dminseg si dsi1,fin correspond à la distance entre le sommet déterminant Sil et la fin du segment si complété du talon ti, on est amené à rechercher un second sommet déterminant Si2 à partir du point Sil. On peut utiliser le même algorithme que celui décrit dans le cas du segment court, pour définir la pente qui tangente le relief entre les points Sil et Si2. Si le point Si2 ainsi déterminé est très proche du point Sil à savoir dSil,Si2 relief à partir du nouveau point Sil. Cas 3: se-ment de navigation si lona On définit un segment si comme long, s'il comprend au moins deux cassures de pentes, et donc possède une distance de segment Dsegment 2 3Dmin,seg Le principe d'élaboration du profil vertical est le suivant: - on effectue la recherche d'un sommet déterminant Sil sur l'ensemble du segment, de manière analogue à celle décrite dans le cas d'un segment court; - on effectue la recherche d'un sommet déterminant Si2 avant Sil si la distance entre le début de segment et Sil est suffisante, soit dBi,Sil > 2dminseg si cette condition est vérifiée, on obtient un sommet Si2 que vérifie les contraintes: dBi,Si2 > dminseg et dSi2Sil > dminseg comme rl'illustre la figure 5; - ayant déterminé le sommet déterminant Si2 et donc la pente YT., on en déduit la pente y'i2 entre les points Si2 et Sil; - on effectue également la recherche d'un sommet déterminant Si3 après Sil, si dsi1,fin > 2dminseg comme cela a été décrit dans le cas d'un segment moyen. Le sommet déterminant Si3 vérifie les relations: dBi,Si2 > dminseg et dSi3,fin > dminseg - ayant déterminé Si3 et donc la pente Yi3 entre les points Sil et Si3, on peut en déduire la pente 'i3 entre le point Si3 et la fin du segment; - on procède de manière itérative. Si le segment si le permet, on répète le processus précédent pour déterminer des sommets déterminants intermédiaires entre les sous- segments préalablement définis à savoir entre le début du segment et le point Si2, entre les points Si2 et Sil, entre les points Sil et Si3, entre le point Si3 et la fin du segment et ce jusqu'à atteindre la contrainte sur Dminseg entre deux sommets déterminants. Le procédé de détermination de sommets déterminants et donc de pentes tangentant le relief à survoler est conduit pour chacun des segments de navigation si. REVENDICATIONS 1. Procédé de pilotage crd'un aéronef en vol à basse altitude caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: s - la détermination par le pilote de raéronef, de buts (Bi) sur un écran cartographique, de manière à définir un plan de vol découpé en segments (si), chaque segment (si) étant défini entre un but (Bi) et un but (Bi+ 1); - la détermination par un calculateur (C) dans raéronef, de trajectoires horizontales (THi) le long des segments (si); - la détermination du profil de terrain à survoler, par le calculateur (C), ledit profil de terrain étant défini à partir d'un ensemble de points les plus hauts (Pij) situés sur une trajectoire (THi) entre un but (Bi) et un but (Bi+1); - la détermination d'une série de droites (Zio S'il), (S'ikS'ik+1), (S'inZin), de pentes (Aik) qui tangentent le profil de terrain; (Zio) étant l'altitude de l'aéronef positionné en début de segment (S'il),... (S'ik),... (S'in) étant des sommets déterminants définis parmi les points (Pij) (Zin) étant une altitude de l'aéronef visée au voisinage de la fin du segment lesdites droites définissant les consignes de vol en trajectoire verticale. 2. Procédé de pilotage d'un aéronef en vol à basse altitude selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - la détermination d'un premier sommet déterminant (Sil) sur l'ensemble du segment de navigation (si) donnant une pente (y il) tangentant le relief du segment (si); - si la distance entre le début de segment (Bi) et le point (Sil) est supérieure au double de la distance minimale séparant deux sommets déterminants soit 2(dminseg), la détermination d'un second sommet déterminant (Si2), définissant une droite de pente (yi2), entre le début de segment et (Sil) et une droite de pente (7'i2) entre les points (Sil) et la fin du segment; - si la distance entre le point S1il et la fin de segment est supérieure à 2(dminseg), la détermination d'un troisième sommet déterminant (Si3), définissant des pentes (7i3) et ('i3) tangentant le relief de part et d'autre du point (Si3); s - ritération de la recherche de sommets déterminants dans chaque sous-segment nouvellement définis, jusqu'à atteindre la distance (dminseg) entre deux sommets déterminants consécutifs. 3. Procédé de pilotage crd'un aéronef en vol à basse altitude selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que la détermination d'un sommet déterminant comprend la vérification des contraintes suivantes: le changement de pente de part et crd'autre d'un sommet déterminant est inférieure à une valeur standard (Aymax) définie pour tout plan de vol; les pentes définies (Yik) sont encadrées par les pentes (ymin) et (Ymax) de l'aéronef, soit une pente maximale de "piquage" et une pente maximale de "cabrage". 4. Procédé de pilotage d'un aéronef en vol à basse altitude selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que le pilote détermine les buts (Bi), à partir crd'une manette de jeu, type "joystick" 5. Procédé de pilotage d'un aéronef en vol à basse altitude selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le pilote détermine les buts (Bi) par action sur un écran tactile. 6. Procédé de pilotage d'un aéronef en vol à basse altitude selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le pilote détermine les buts (Bi) par commande vocale. 7. Procédé d'aide au pilotage d'un aéronef en vol à basse altitude selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que les consignes de vol en trajectoire verticale sont présentées au pilote; - d'une part sous forme de consignes de vol générales, sur une fenêtre de l'écran cartographique, montrant l'ensemble des droites (ZoiS'il); - d'autre part sous forme de consignes de vol ponctuelles, sur un viseur tête haute.