Brevet FR2749933A1 — publié le 19971219

PROCEDE POUR LA GESTION DE LA VITESSE AIR EN VUE DU RESPECT DES CONTRAINTES DE TEMPS D'UN AERODYNE DANS UN ENVIRONNEMENT METEOROLOGIQUE EVOLUTIF. La présente invention concerne un procédé pour la gestion de la vitesse air en vue du respect des contraintes de temps d'un aérodyne dans un environnement météorologique évolutif. D'une manière générale, on sait que selon la tendance actuelle, les systèmes de gestion de vol des aérodynes s'intègrent de plus en plus intimement dans les mécanismes de gestion du trafic aérien, en faisant intervenir des moyens de communication sollbord numériques, des moyens de localisation plus précis et des moyens informatiques au sol plus puissants. Par tailleurs, ces aérodynes disposent d'équipements embarqués permettant la prise en compte de prévisions météorologiques de plus en plus fiables et précises. I1 devient donc possible d'améliorer le respect des contraintes de temps et donc de réduire les fenêtres temporelles admissibles associées à ces contraintes. Par ailleurs, la stratégie des contraintes de temps est différente pour chacun des partenaires du transport aérien. Habituellement, le pilote souhaite gérer ces contraintes le plus souplement possible (éventuellement les éviter) en tenant compte de l'imprécision sur les prévisions météo. En fait, il veut éviter les variations importantes de vitesse avion et de régime moteur pour des raisons de performance avion et de durée de vie des moteurs. Le contrôleur du trafic aérien souhaite, quant à lui, que les contraintes de temps soient gérées le plus en amont possible des vols de manière à bénéficier de plus de distance pour absorber la contrainte de temps en réduisant (ou augmentant) la vitesse avion tout en laissant l'avion sur sa trajectoire. En fait, le contrôleur du trafic aérien préfère donner des consignes d'heure de passage le plus tôt possible au cours du segment de croisière. Ainsi, le trafic s'écoule selon les prévisions sans créer de conflits additionnels. I1 s'avère qu'en dépit des moyens précédemment évoqués, il demeure des causes d'erreur possibles, notamment dans le domaine des prévisions météorologiques, pouvant conduire au non respect des contraintes de temps. L'invention a donc pour but un procédé de gestion permettant, par un mécanisme simple, le rattrapage de ces erreurs (résiduelles) de manière à garantir le respect des contraintes de temps tout en demeurant conforme aux aspirations des pilotes et des contrôleurs du trafic aérien. Selon l'invention, ce procédé comprend au moins deux phases successives, à savoir: - une première phase consistant à déterminer un point éventuel de la trajectoire, à partir duquel, théoriquement, il devient matériellement impossible de tenir la contrainte de temps demandée en suivant le profil de vitesse précédemment établi, et où il devient nécessaire d'adapter ce profil de vitesse sur la portion de trajectoire restant à effectuer, et - une deuxième phase comprenant le calcul d'une valeur de changement de vitesse et la détermination d'un nouveau profil de vitesse sur la portion de trajectoire restant à effectuer en vue de respecter la contrainte, ce nouveau profil étant obtenu en déterminant des corrections de vitesse segment par segment en partant du susdit point jusqu'au dernier segment modifiable, la variation de vitesse dans chacun des segments étant limitée à une valeur maximale de manière à éviter les trop grandes variations de vitesse par rapport à la vitesse optimale et à répartir la variation de vitesse nécessaire sur plusieurs segments dans le cas où cette variation de vitesse nécessaire dépasse les limites fixées. En vue d'effectuer le calcul de l'instant et de la position du point de changement de vitesse, ainsi que de la valeur de ce changement de vitesse, l'invention se base sur les relations suivantes 1). vraie=oî-Vw dans laquelle ;$vraie est la vitesse air vraie Vsol est la vitesse sol Vw est la vitesse du vent 2) . Vsol = Vvraieguid x cos (% - v) + Vwlongpred dans laquelle Vvraieguid est la vitesse air vraie de guidage de l'avion X est l'angle de route v est le cap Vwlongpred est la vitesse du vent prédite le long de la trajectoire 3) . abs (Vvraieguid - Vvraieprm) dans laquelle Vvraieprm est la vitesse vraie prix de revient minimum X est un pourcentage prédéterminé Par ailleurs, dans le cas simple d'un seul niveau de croisière avec une vitesse air prévue constante sur ce niveau, lorsqu'une contrainte de temps Trta située en un point de la trajectoire ayant une position Posrta est prise en compte par le système de navigation, cette contrainte amène à changer la vitesse vraie de prix de revient minimum Vvraieprm de la position courante Poscourante jusqu'à la position de la contrainte Posrta, d'un pourcentage X' tel que la distance D(pos Poscot te) entre la position courante et la position de la contrainte satisfasse à la relation suivante Trta D(PosttaPosoeurante) = f ((Vvraieprm x (1 + X') x cos (% - )v) + Vwlongpred)) x dt Tcourant avec: X' = (Tcstr - Teff) / Teff, et abs (X') Teff étant le temps de vol initial prix de revient minimum jusqu'à la contrainte de temps Tcstr étant le temps de vol contraint en temps jusqu'à la contrainte de temps afin de s'éloigner le moins possible de la trajectoire économique tout en restant à vitesse air constante, ce qui perturbe peu par rapport à la trajectoire non contrainte. A un instant Tcourant après le début de la prise en compte de la contrainte de temps Trta, la distance D*, entre la position de départ de prise en compte de la contrainte de temps Posdep et la position de la contrainte Posrta, se décompose de la façon suivante, en tenant compte des erreurs de prédiction météo sur le trajet déjà parcouru. Tcourant D* = = ((Vvraieprm x (1 + X') x cos (X - ) + dVwlongpred + Vwlongpred)) x dt Tdep Trta + f ((Vvraieprm x (1 + X') x cos (X - + Vwlongpred)) x dt Tcourant Cette distance étant, par définition, constante, cela signifie qu'à l'heure de la contrainte de temps Trta, la position du porteur sera décalée par rapport à la position de la contrainte de temps d'une distance D** égale à Tcourant D** = = dVwlongpred x dt Tdep Dans le cas où la valeur absolue de cette distance D** est supérieure ou égale à la distance D(dTrta) correspondant à la tolérance sur la contrainte de temps dTrta, soit: Trta abs (D**) 2 1 Vvraieprm x (1 + X') x cos (X - v)dt = D(dTrta) Trta-dTrta le respect de la contrainte de temps Trta est mis en péril. I1 devient donc nécessaire d'ajuster la vitesse sur le trajet restant en choisissant un pourcentage X" de manière à ce que la distance entre la position de ce nouveau changement de vitesse poschgvit et la position Posrta de la contrainte de temps Trta soit donnée par la formule suivante: Trta D(PosrtaPoschgvit) = f ((Vvraieprrn x (1 + X") x cos (X - w)) + Vwlongpred) x dt Tchgvit avec Trta Tchgvit (X" - X') x ( f Vvraieprm x cos(X - w) x dt) = - f dVwlongpred x dt Tchgvit Tdep soit Trta X" = X' - (DdTrta / f Vvraieprm x cos (X - ) x dt) Tchgvit Ainsi, en cas de vents contraires plus importants que prévus, la nouvelle vitesse de croisière sera plus grande que la précédente (X" > X'). Implicitement, l'objectif est ici d'arriver à la position de la contrainte Posrta exactement à l'heure de la contrainte de temps Trta. En fait, il est supposé que les erreurs de prédiction météo sur le reste du trajet sont nulles. A moins d'une certaine distance du lieu de la contrainte de temps, le changement de vitesse ne s'impose plus. Cette distance est telle que l'erreur de vent sur le trajet -restant ne puisse empêcher le respect de la contrainte de temps. Cette distance Dmin peut être estimée grâce à la formule Dmin = Vvraieprm2 x dTrta / dVwlongpred max Habituellement, cette distance est de l'ordre de 150 NM avec une tolérance en temps sur la contrainte de temps (dTrta) de 30 s, une vitesse air vraie prix de revient minimum (Vvraieprm) de 450 noeuds, et un écart entre le vent réel et le vent prédit le long de la trajectoire (dVwlongpred) de 10 noeuds. Dans le cas où le plan de vol comporte plusieurs niveaux de vol de croisière, un profil de vitesse partiellement contraint en vitesse avec des paliers imposés sur certains segments ainsi que des contraintes de temps en descente, le raisonnement précédent reste valable, à condition d'utiliser le concept de vitesse moyenne. Cette notion de vitesse moyenne signifie que lton modifie la vitesse air vraie sur tous les segments de la trajectoire (jusqu'à la contrainte de temps), où elle est modifiable d'un certain pourcentage X" de manière à respecter globalement l'heure de passage au point contraint en temps. A titre d'exemple, une expression de cette vitesse moyenne Vsolmoy en fonction de X" et de la vitesse vraie initialement prévue sur chaque segment Vvraiesegi (entre la position du changement de vitesse poschgvit et la position de la contrainte de temps poscstr) est donnée ci-dessous t = poscstr Vsolmoy = ((1 + X") x ( E Vvraiesegi x cos(X - w) x Dsegi) t = poschgvit t = poscstr + E Vwlongpredi x Dsegi) / Dposrcstr-poschgvit t = poschgvît avec X = x - (dTrta / Tposcse-poschgnt) x = (Trta - Tpnn) / Tprm Dsegi étant la distance du segment i Vvraiesegi étant la vitesse vraie sur le segment i Vwlongpredi étant la vitesse du vent prédit sur le segment i. Un mode d'organisation du processus temps réel de calcul ou de recalcul du profil vertical d'un plan de vol, afin de respecter une contrainte de temps sera décrit ci-après, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une organigramme illustrant le principe général de cette organisation; La figure 2 est un diagramme représentant le temps d'arrivée d'un aérodyne en fonction de sa vitesse sur un segment, ce diagramme illustrant le principe d'une recherche de vitesse permettant de satisfaire une contrainte de temps située en aval de ce segment; La figure 3 est un diagramme similaire à celui de la figure 2 qui illustre le principe d'une recherche accélérée de la vitesse. Dans l'exemple Illustré sur la figure 1, ce processus comprend, initialement, à partir du début indiqué par le bloc 1, une étape de calcul du profil vertical d'un plan de vol permettant de respecter une contrainte (bloc 2). A partir de l'instant T où a été calculé ce profil, il procède à un comptage du temps (bloc 3) jusqu'à ce qu'un incrément de temps dT soit atteint (instant T + dT). A cet instant, il calcule la distance D au point contraint et la compare à une distance Dmin en dessous de laquelle la contrainte pourra être respectée (bloc 4). Si la distance D est inférieure ou égale à la distance Dmin, alors le procédé s'interrompt (bloc fin 5). Par contre, si la distance D est supérieure à Dmin, le procédé compare l'écart de distance dû au vent dDvent à la tolérance sur la distance liée à la contrainte de temps D(drta) (bloc 6). Si l'écart dDvent est supérieur à D(drta) le procédé se reboucle à l'entrée du bloc 2 pour entamer un nouveau calcul de profil vertical puis exécuter un nouveau cycle. Par contre, si l'écart dDvent n'est pas supérieur à D(drta) le procédé se reboucle en sortie du bloc 2 pour exécuter les étapes 3, 4, 5 ou 6 en utilisant le même profil vertical. Bien entendu, le calcul du profil vertical exécuté dans le bloc 2 devra aboutir à un profil permettant à la fois de respecter initialement la contrainte de temps et résorber ultérieurement l'écart de temps constaté. Ce calcul est basé sur la méthode de détermination de vitesse sur un segment à vitesse air calibrée (CAS) ou à MACH constants illustrée par la courbe représentée figure 2 qui donne le temps au point contraint en fonction de la vitesse. L'équation approximative de cette courbe est: V = cl/t + c2 I t2 + c3 I t3 Les coefficients cl, c2 et c3 étant obtenus par résolution de l'équation matricielle # Vmin # # 1/tmax 1/tmax2 1/tmax3 ## c1 # Veff = 1/teff 1/teff2 1/teff3 c2 Vmax 1/tmin 1/tmin2 1/ tmin3 c3 I1 est clair qu'à partir de cette équation, la courbe peut être déterminée grâce à la connaissance de trois points particuliers présents sur cette courbe, ces trois points pouvant être déterminés parmi les trois valeurs Veff/Teff, Vmin/tmax et Vmax/tmin. Veff étant la vitesse opérationnelle Teff étant le temps de vol effectif en utilisant le profil de vitesse effectif Vmin étant la vitesse minimum tmax étant le temps maximum Vmax étant la vitesse maximum tmin étant le temps minimum Quand l'équation est définie, il est possible de connaître rapidement une valeur approchée de la vitesse Vappl permettant de satisfaire la contrainte de temps. En générant ensuite la trajectoire, on obtient un nouveau temps de vol au point contraint (tappl). Si ce temps tappl est suffisamment proche du temps contraint tcstr, le calcul s'arrête et on valide la vitesse ainsi déterminée, sinon on réitère les calculs en calculant chaque fois une nouvelle courbe avec les valeurs les plus proches du temps contraint (parmi les valeurs tmin, teff, tmax et tappl la première fois). Comme indiqué sur la figure 3, on peut accélérer la recherche en prenant comme intervalle de recherche de vitesse (Vmin, Veff) dans le cas où Teff Premier pas de calcul En supposant que teff V1 = Vmin + (Veff - Vmin) x (tmax - tcstr) I (tmax - teff) Après avoir calculé la trajectoire pour ce nouveau profil de vitesse, on peut alors déterminer le temps tl au point contraint. Dans le cas où l'écart |t1 - tcstr| est inférieur à une valeur on adopte le nouveau profil de vitesse. Dans le cas où cet écart |t1 - tcstr| est supérieur à la valeur on passe au second pas de calcul suivant: Second pas de calcul On détermine la courbe d'équation V = cl / t + c2 / t2 + c3 / t3 passant par les trois points (Vmin, tmax), (V1, t1) et (Veff, teff). On en déduit ensuite une valeur de vitesse V2 = cl / tcstr + c2 / tcstr2 + c3 / tcstr3 On calcule alors une nouvelle trajectoire qui permet de déterminer le temps t2 au point contraint. Si l'écart |t2 - tcstr j est supérieur à la valeur #, on recherche une nouvelle équation de la courbe avec les trois points les plus proches de tcstr parmi (Vmin, tmax), (V1, tl), (V2, t2) et (Veff, teff) et ainsi de suite si nécessaire jusqu'au rang n. Bien entendu, la valeur de V retenue sera celle qui permet de ramener l'écart (tn - tcstr) à une valeur inférieure à la valeur . Comme précédemment mentionné, dans le but de limiter les trop grandes variations de vitesse par rapport à la vitesse optimale et moduler l'effort sur plusieurs segments, on est amené à limiter la plage de variation de vitesse. Le processus général de calcul est alors le suivant: 1) On fixe pour chaque segment k un intervalle de vitesse [Vkmin, Vkmax] inclus dans l'enveloppe de vol avec: Vkmin=(1 -amin)xVkeff Vkmax = (1 + amax) x Vkeff Cet intervalle de vitesse représente la variation maximale de vitesse opérationnelle autorisée par la compagnie aérienne. 2) On détermine soit le coefficient a- soit le coefficient a+ tels que a- ou a+ (l+a+) x Vkeff borne la variation de vitesse sur chaque segment k. Par exemple, si teff a-: a- = (tcstr - teff) / (tcstr - tinit) + ha Tinit correspond au premier point à partir duquel la vitesse est modifiable. Aa est une valeur majorant les approximations faites. 3) On vérifie qu'il est effectivement possible de satisfaire la contrainte de temps en faisant un calcul complet sur toute la trajectoire donnant le profil de vitesse Va-. La contrainte de temps est sûre de pouvoir être satisfaite si TVa- Aa (en le doublant par exemple). 4) On applique alors l'algorithme de calcul du profil de vitesse, défini précédemment, sur le premier segment, avec l'intervalle de vitesses (Va-, Veff) en entrée de manière à avoir un profil de vitesse de sortie Vcstr ayant la précision demandée pour le respect de la contrainte de temps. Cette méthode permet d'éviter les variations trop importantes de vitesses par rapport à la vitesse opérationnelle optimale d'un point de vue performance. En présence de plusieurs contraintes de temps, celles-ci sont traitées séquentiellement, de la plus proche à la plus éloignée. Revendications 1. Procédé pour la gestion de la vitesse air pour le respect des contraintes de temps d'un aérodyne dans un environnement météorologique évolutif, caractérisé en ce qu'il comprend deux phases successives, à savoir: - une première phase consistant à déterminer un point éventuel de la trajectoire, à partir duquel, théoriquement, il devient matériellement impossible de tenir la contrainte de temps demandée Trta en suivant le profil de vitesse précédemment établi, et où il devient nécessaire d'adapter ce profil de vitesse sur la portion de trajectoire restant à effectuer, et - une deuxième phase comprenant le calcul d'une valeur de changement de vitesse et la détermination d'un nouveau profil de vitesse sur la portion de trajectoire restant à effectuer en vue de respecter la contrainte, ce nouveau profil étant obtenu en déterminant des corrections de vitesse segment par segment en partant du susdit point jusqu'au dernier segment modifiable, la variation de vitesse dans chacun des segments étant limitée à une valeur maximale de manière à éviter les trop grandes variations de vitesse par rapport à la vitesse optimale et à répartir la variation de vitesse nécessaire sur plusieurs segments dans le cas où cette variation de vitesse nécessaire dépasse les limites fixées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination du point de la trajectoire de l'aérodyne à partir duquel il devient impossible de respecter la contrainte de temps Trta comprend la détermination de l'écart de distance D qu'aurait l'aérodyne au temps de contrainte Trta, en suivant le profil vertical initial, à comparer cet écart D avec un écart minimal Dmin, puis, lorsque cet écart D est supérieur à l'écart minimal Dmin, la comparaison entre l'écart de distance dû au vent dDvent et la tolérance sur la distance liée à la contrainte de temps D(drta), ledit point de la trajectoire étant celui pour lequel l'écart de distance dû au vent devient supérieur à la tolérance liée à la contrainte de temps. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la vitesse V sur un segment donné est calculée à partir de la courbe donnant le temps de la trajectoire en fonction de la vitesse, cette courbe étant obtenue à partir de l'équation approximative: V=clIt+c2/t2+c3lt3 dans laquelle les coefficients c1, c2 et c3 sont obtenus grâce à la connaissance de trois points particuliers de la courbe choisis parmi les points suivants : tmin, teff et tmax, le calcul de la vitesse comprenant les étapes suivantes - la détermination, à l'aide de cette équation, d'une valeur approchée de la vitesse (Vappl) permettant de satisfaire la contrainte de temps, - le calcul d'un nouveau temps de vol tappl au point contraint Posrta, - la prise en compte de la vitesse si le temps de vol déterminé est suffisamment proche du temps contraint Tcstr, - la réitération des étapes précédentes en utilisant chaque fois les trois points les plus proches du temps contraint (parmi les valeurs tmin, teff, tmax et tappl la première fois) tant que le temps de vol déterminé est trop éloigné du temps contraint Tcstr. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans le cas où le temps contraint Tcstr est compris entre le temps de vol effectif Teff et le temps maximum Tmax, l'intervalle de recherche de vitesse est compris entre la vitesse minimum Vmin et la vitesse effective Veft le troisième point de la courbe étant obtenu par une séquence de calcul comprenant: - un calcul de vitesse par interpolation linéaire entre les points (Vmin, tmax) et (Veff, teff), - un calcul de trajectoire utilisant cette vitesse calculée, - la détermination du temps tl au point contraint Posrta, et dans le cas où It, -tcstrj > - la recherche de la courbe d'équation V = cl / t + c2 / t2 + c3 /t3 passant par les trois points (Vmin, tmax), (V1, tl) et (Veff, teff), - la détermination d'une valeur de vitesse V2 V2=c1 cl / tostr + c2 / tcstr 2 + C3 / tostr 3 - le calcul d'une nouvelle trajectoire permettant de déterminer un temps t2 au point contraint, - la prise en compte de la vitesse si j t2 - tcstr | les plus proches de tcstr parmi les points (Vmin, tmax), (V1, tel), (V2, t2), (Veff, Teff). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le cas où le profil comprend plusieurs segments, il comprend les étapes suivantes - la fixation pour chaque segment d'un intervalle de vitesse [ Vkmin, Vkmax ] inclus dans l'enveloppe de vol, avec: Vkmin = (1 - amin) x Vkeff Vkmax=(1 + amax) x Vkeff - la détermination soit d'un coefficient a- soit du coefficient a+ tels que a- segment k soit bornée par des vitesses Vk- = (1 - a-) x Vkeff ou Vk+ = (1 + a+) x Vkeff, avec dans le cas où teff définition de Vk- par a- = (tcstr - teff) I (tcstr - tinit) + ha - la vérification qu'il est effectivement possible de satisfaire la contrainte de temps et la redéfinition du coefficient a - dans le cas où la contrainte peut être satisfaite, la détermination du susdit nouveau profil de vitesse sur le premier segment en utilisant l'intervalle de vitesse (Va-, Veff) à l'entrée de la susdite séquence, de manière à obtenir en sortie un profil de vitesse de sortie (Vcstr) ayant la précision demandée pour le respect de la contrainte de temps Trta. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le cas où il existe plusieurs contraintes de temps Trta, ces contraintes sont traitées séquentiellement, de la plus proche à la plus éloignée.