Brevet FR2845170A1 — publié le 20040402

PROCEDE D'AIDE A LA NAVIGATION D'UN AERONEF ET DISPOSITIF CORRESPON DANT L'invention concerne un procédé et un dispositif d'aide à la navigation. Le domaine de l'invention est celui de l'aide à la navigation et à la sécurité aériennes et concerne plus particulièrement l'aide au contrôle du 5 guidage d'un aéronef le long d'une trajectoire dans le cadre d'une conduite de vol automatique. Il peut s'agir d'une trajectoire en descente ou en montée. Dans la suite, on prendra comme exemple de trajectoire, une trajectoire en descente et un avion comme exemple d'aéronef. Une telle trajectoire 1 représentée 10 figure 1, et appelée profil vertical est constituée d'une succession de segments rectilignes et est décomposée en deux parties: une première partie 10 pendant laquelle l'avion est relativement libre et qui peut donc être optimisée en adoptant une vitesse de consigne et une poussée permettant de minimiser la consommation de carburant et une seconde partie 11 de 15 préparation de l'avion à l'approche et à l'atterrissage sur une piste 12 au cours de laquelle l'avion doit respecter certains paramètres d'altitude, de vitesse et de route horizontale en adoptant une vitesse et une pente contraintes. Une trajectoire de descente d'avion se calcule à rebours à partir 20 de la configuration dans laquelle se trouve l'avion à l'atterrissage puis en remontant et en établissant de point 2 en point 2 les consignes de vitesse et de poussée correspondantes jusqu'au point de début de la descente ou " TOD ", acronyme anglo-saxon de " Top Of Descent ". Une fois ce profil établi parle système de gestion de vol (" 25 FMS ", acronyme anglo-saxon de " Flight Management System ") à partir de contraintes données par les contrôleurs aériens, le système de gestion de vol va donner des ordres au pilote automatique pour rejoindre ce profil et s'y maintenir, ces ordres étant établis en fonction de lois de commande et des consignes de vitesse et de poussée spécifiques du segment de profil. On distingue les lois qui déterminent la commande des gouvernes de profondeur en fonction de consignes de vitesse (" SPD " comme speed en anglais), de chemin vertical (" VPATH " comme Vertical PATH en anglais) ou de vitesse verticale (" VS " comme Vertical Speed en anglais) et les lois qui déterminent la commande de poussée et qui sont établies en fonction de consignes de poussée (" THR " comme Thrust en anglais) ou de vitesse (" SPD "). Ces lois sont combinées entre elles et les couples de lois en résultant et qui sont associés à des sous-modes de guidage, permettent 5 d'établir les ordres qui permettront à l'aéronef de rejoindre (on dit aussi capturer) le segment de profil ou de s'y maintenir tout en respectant certaines contraintes. A partir de ce qui précède, on désigne par zone de capture autour du profil, la zone dans laquelle il est possible de capturer le profil en 10 appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'avion et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil à capturer. En dehors de cette zone, on applique un sous-mode de guidage permettant de rejoindre au plus vite cette zone de capture. On peut définir cette zone de capture 3 représentée figure 2, 15 comme une bande de diamètre D, fixe ou ne dépendant que de la vitesse, centrée sur le profil 1. Mais ces définitions ne prennent pas en compte les différences notamment entre un vol à haute altitude et grande vitesse sol (en début de descente par exemple) et un vol à basse altitude et basse vitesse sol (lors 20 par exemple de la préparation de la procédure d'approche), ainsi que les corollaires tels que les vols à basse altitude et grande vitesse sol. Ainsi pour un vol à haute altitude et/ou à grande vitesse, la zone de capture est trop réduite et la capture du segment de profil visé est trop rapide en particulier pour le confort des passagers; de même pour un vol à 25 basse altitude et/ou à basse vitesse, la zone de capture est trop large et la capture du segment de profil visé est trop longue en ce sens qu'une partie de ce temps de capture aurait pu être consacré à un autre mode de vol et notamment à une capture plus rapide avec un mode de vol plus économique en carburant comme par exemple le mode " dans la masse d'air " ou 30 " airmass " en anglais. Finalement, l'exécution des ordres par le pilote automatique ne permettent pas toujours d'assurer le confort des passagers ou d'adopter un mode de vol adapté, pendant la capture du profil. Il est connu que pour assurer le confort des passagers, les 35 mouvements de l'aéronef ne doivent pas conduire à ce que le facteur d'accélération verticale dépasse un certain seuil, par exemple égal à 0.1 g, g étant l'accélération terrestre (g= 9.81 m/s2 = 32.1725 ft/s2). Ce facteur ne doit pas non plus être dépassé pendant la capture. Il en résulte que pour assurer le confort des passagers, il faut 5 forcer la capture du profil par des trajectoires soumises à des facteurs de charge contraints. La forme de la trajectoire permettant de conserver un facteur d'accélération verticale constant pendant la capture est une parabole qui vient tangenter le profil. Pour assurer le confort des passagers, il faut aussi éviter les fortes 10 variations de poussée. Un but important de l'invention est donc de choisir une zone de capture mieux adaptée au confort des passagers et à la rapidité de capture que dans l'art antérieur. Pour atteindre ces buts, l'invention propose un procédé d'aide à la 1 5 navigation automatique d'un aéronef, principalement caractérisé en ce qu'une zone de capture étant une zone dans laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil vertical à capturer, il comprend 20 l'étape consistant à déterminer la largeur de la zone de capture en fonction de la hauteur du profil vertical à capturer et de la vitesse qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil. L'invention a également pour objet un dispositif d'aide à la 25 navigation automatique d'un aéronef comportant au moins une mémoire de programme, caractérisé en ce que la mémoire de programme comporte un programme de calcul de la largeur d'une zone de capture, une zone de capture étant une zone dans laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en appliquant une transition entre le sous-mode 30 de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil à capturer, la largeur de la zone de capture étant calculée en fonction de la hauteur du profil vertical à capturer et de la vitesse qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil. 35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 déjà décrite représente schématiquement un profil vertical, la figure 2 déjà décrite représente schématiquement une zone de capture selon l'état de la technique, la figure 3 représente schématiquement une zone de capture selon l'invention, la figure 4 représente schématiquement un dispositif d'aide à la navigation selon l'invention. Le problème posé est de déterminer la zone de capture et plus précisément de la déterminer de manière optimale en fonction de la 15 dynamique de l'avion et du confort des passagers. Il s'agit plus précisément de déterminer cette zone de capture de manière à ce qu'elle soit plus large pour un vol à haute altitude et/ou à grande vitesse et moins large pour un vol à basse altitude et/ou à basse vitesse. Le procédé selon l'invention est basé sur le calcul de la largeur de la zone de capture aussi dénommée marge, en fonction de la hauteur du profil vertical à capturer et de la vitesse sol qu'a l'avion à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on détermine cette fonction à partir de la loi sur l'énergie mécanique totale, telle que Et= E0+Ep Et, Ec et Ep étant respectivement l'énergie totale, l'énergie cinétique et l'énergie potentielle de l'avion. En désignant comme représenté figure 3 par v, la vitesse sol qu'a l'avion sur le profil à la hauteur h ou à l'aplomb de cette hauteur, m sa masse, h' la hauteur de la borne supérieure de la zone de capture et h" la hauteur de la borne inférieure, et en définissant la hauteur totale ht équivalente issue de l'énergie totale, on pose: 35 Et =mgh --mv 2+mgh, soit ht -+h 2g Selon un mode de réalisation de l'invention, on exprime alors la marge selon une fonction de la hauteur totale en considérant une hauteur de sécurité hs et une constante d'adaptation K variant selon les caractéristiques de l'avion Ah=h'-h=h-h"=h, + ht =hS+h+ L]i K 2 K permet à Ah de varier entre hs, pour un vol à basse altitude et basse vitesse, et une hauteur limite pour un vol à haute altitude et grande vitesse, quelles que soient la vitesse sol v et la hauteur h. Le procédé décrit est mis en oeuvre dans un dispositif embarqué 15 d'aide à la navigation d'un aéronef. Un exemple de ce dispositif 100 est représenté figure 4. Il comporte de manière classique un ou plusieurs microprocesseurs 101 couplés à une mémoire de programme 102 de type ROM par exemple, à une mémoire de travail 103 de type RAM par exemple et à une ou plusieurs mémoires 104 de type ROM par exemple pour le 20 stockage du profil vertical à capturer, ainsi que des circuits 105 de transfert de données entre ces divers éléments. La mémoire de programme 102 contient le programme exécutoire du procédé, sous forme de code source, alors que la mémoire de travail 103 comporte des registres pouvant être mis à jour pour le stockage de résultats des calculs. Cet équipement 100 25 comporte aussi une interface de communication 106 pour permettre l'échange de données avec des dispositifs comme par exemple avec une interface utilisateur 107, avec des capteurs, etc. Ces éléments sont par exemple inclus dans un système de gestion de vol, (" FMS "). Ils peuvent aussi être inclus sous forme de circuits 30 intégrés dédiés, conçus pour mettre en oeuvre le procédé. REVENDICATIONS 1. Procédé d'aide à la navigation automatique d'un aéronef, caractérisé en ce qu'une zone de capture étant une zone dans laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en 5 appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil vertical à capturer, il comprend l'étape consistant à déterminer la largeur de la zone de capture en fonction de la hauteur h du profil vertical à capturer et de la vitesse v qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque 10 l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur de la zone de capture est déterminée en fonction de la hauteur 15 h et du carré de la vitesse v. 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur de la zone de capture est égale à environ 2Lh avec Ah = h'-h = hi +[h 2]I h' étant la hauteur de la borne supérieure de la zone de capture, hs une hauteur de sécurité, g l'accélération terrestre et K une constante d'adaptation. 4. Dispositif (100) d'aide à la navigation automatique d'un aéronef comportant au moins une mémoire de programme (102), caractérisé en ce que la mémoire de programme (102) comporte un programme de calcul de la largeur d'une zone de capture, une zone de capture étant une zone dans 30 laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil à capturer, la largeur de la zone de capture étant calculée en fonction de la hauteur h du profil vertical à capturer et de la vitesse v qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil. 5. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la mémoire de programme comporte un programme de calcul de la largeur d'une zone de capture en fonction de la hauteur h et du carré de la vitesse v.