Brevet FR2875901A1 — publié le 20060331

Système embarqué de construction d'une route aérienne La présente invention est relative â un système embarqué ou embarquable d'aide au pilotage d'un aéronef, en particulier d'un aéronef â voilure tournante, par construction d'une route aérienne sûre. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de systèmes de pilotage embarqués â bord d'un hélicoptère. Un but de l'invention est de donner au pilote les moyens de définir rapidement une route sécurisée par rapport au relief. Un système selon l'invention doit en particulier être utilisable en vol afin que le pilote, dans des missions spécifiques de type EMS (Emergency Medical Service), puisse construire en vol une partie de sa route future. Pour cela, elle doit être rapide â mettre en oeuvre et donner au pilote une complète perception de ce qu'il est en train de construire. Un objectif poursuivi par l'invention est de permettre de définir des segments d'une route d'un plan de vol, d'une façon utilisable aussi bien pour des vols VMC (Visual Meteorological Conditions), dans lesquels le pilote peut assurer visuellement sa sécurité par rapport au relief, que pour des vols IMC (Instrument Meteorological Conditions), dans lequel il n'a pas la vue du sol et où la sécurité de son vol est assurée par le suivi précis d'une route préalablement sécurisée par exploitation de bases de données de terrain. Les calculateurs de navigation connus permettent de programmer et de suivre une route composée d'une suite de segments définis en 3 dimensions. Ils sont mis en oeuvre principalement â l'aide de terminaux spécifiques (Control & Display Unit), composés d'un clavier et d'un écran permettant de saisir et d'afficher des caractères alphanumériques et de lancer des commandes â partir de pages de commandes. Ils sont parfois associés à des dispositifs de désignation permettant de positionner un curseur sur un dispositif cartographique. Pour construire un plan de vol sécurisé, un pilote peut exploiter des cartes aéronautiques sur lesquelles figurent les reliefs et, en appliquant des marges de survol, il peut en déduire des points de passage et des altitudes de vol qu'il peut ensuite saisir en aveugle. La sécurité de cette solution est faible car elle est tout à la fois liée à la qualité de la saisie des points et segments et à la qualité de l'exploitation des cartes aéronautiques. Des efforts ont été faits pour développer des systèmes d'aide au pilotage d'un aéronef qui incorporent des calculs d'interférence entre des segments d'une route aérienne et un modèle de terrain afin de prévenir les collisions avec le sol. Les brevets FR 2 697 796 et US 5 414 631 décrivent un système d'évitement de collision qui comprend des moyens de calcul d'un plancher aérien à la verticale de l'aéronef; ces moyens de calcul sont reliés à des moyens de localisation de l'aéronef et à une base de données d'altitudes de sécurité ; des moyens de prédiction fournissent une situation aérienne prédite, et une alarme est déclenchée lorsque cette situation prédite est en dessous du plancher. Les brevets FR 2 789 771 et US 6 424 889 décrivent un système de calcul d'une trajectoire horizontale d'évitement de zones dangereuses entre deux points de passage, qui respecte des contraintes de direction d'approche, route ou cap, rayons de virage. Une mémoire de masse du système contient notamment: i) des données cartographiques permettant à un calculateur d'afficher l'image d'une carte géographique de la zone survolée pendant une mission; ii) des données définissant la trajectoire prévue permettant au calculateur d'afficher cette trajectoire en surimpression sur l'image de la carte; et ni) des données relatives aux eventuelles zones dangereuses â éviter. Il est mentionné que ces données peuvent être modifiées par le pilote, sans toutefois qu'aucun moyen ne soit prévu â cet effet. Les demandes de brevet FR 2 813 963 et US 2003 107 499 décrivent un dispositif embarquable d'aide â la navigation aérienne. Le dispositif comporte un module de visualisation pour afficher une représentation bidimensionnelle du relief sur un domaine visualisé ; en phase d'atterrissage ou de décollage, on inhibe sélectivement la signalisation d'alertes sur des parties du domaine visualisé qui sont voisines de la trajectoire prédite de l'aéronef. Le brevet US 6 421 603 décrit un autre système pour détecter des interférences entre chaque segment d'un plan de vol et un modèle numérique de terrain; â chaque segment est associé un tube dont au moins une dimension est spécifiable indépendamment de celles des tubes correspondant aux autres segments; le modèle de terrain présente une structure hiérarchique; une alarme est déclenchée lorsqu'une interférence avec le sol ou un avion est détectée. Il n'existe â ce jour aucun système embarqué â bord d'un aéronef permettant â un membre de l'équipage de l'aéronef de définir et/ou modifier un plan de vol sécurisé de façon interactive. C'est à ce besoin que répond l'invention. Un objectif de l'invention est de proposer un système embarqué ou embarquable permettant de construire, de façon interactive, une route aérienne sécurisée, par rapport au sol notamment. Un objectif de l'invention est de proposer de tels procédés et systèmes qui soient améliorés et/ou qui remédient en partie au moins, aux procédés et systèmes d'aide au pilotage connus. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un système comportant des moyens de visualisation pour afficher une représentation (généralement en plan) de reliefs s'étendant sensiblement au-dessus d'une altitude ainsi qu'une représentation (généralement dans le même plan) de l'emprise d'un segment d'une route aérienne (ou plan de vol) en cours de définition ou modification; le système comporte en outre un moyen analogique d'entrée d'une donnée d'altitude dans un calculateur relié au moyen de visualisation, et un module de calcul de la représentation de reliefs en fonction de cette donnée d'altitude. L'invention permet de faire varier en temps réel la représentation des reliefs gênants susceptibles d'interférer avec un segment de route de 15 position, d'altitude et d'emprise déterminées. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un système d'aide â la définition d'une route sûre qui comporte: - un modèle numérique de terrain, - un écran de visualisation, - un organe d'introduction analogique d'une donnée d'altitude d'un segment d'une route â définir ou modifier, - un calculateur comportant des moyens de détermination d'une ou plusieurs zone(s) du modèle de terrain qui sont proches dudit segment et dont l'altitude est sensiblement supérieure â ladite donnée d'altitude, et - des moyens pour commander l'affichage sur l'écran de ladite (ou desdites) zone(s) ainsi déterminée(s). 2875901 5 Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un système embarqué ou embarquable â bord d'un aéronef pour définir une route aérienne comportant plusieurs segments, comprenant: un moyen de visualisation agencé pour afficher une image contenant une représentation de l'emprise d'un segment dans un plan ou palier, - un moyen analogique d'entrée d'une donnée d'altitude dans un calculateur relié au moyen de visualisation, - un module ou programme de calcul agencé pour déterminer une représentation de reliefs dangereux pour une altitude de vol égale â la donnée d'altitude et pour superposer (ou inclure) cette représentation â (dans) l'image. Par moyen ou organe analogique d'entrée de donnée, on entend désigner tout type d'organe actionnable manuellement par un pilote, tel que curseur, boule, bouton, molette, manche â balai, ainsi que leur simulation sur un écran d'ordinateur (par exemple un écran tactile), incluant des fenêtres â défilement et permettant de faire varier de façon continue une grandeur représentative. Par moyen ou organe analogique , on entend essentiellement exclure les claviers - et leurs simulations sur un écran - permettant d'introduire séquentiellement une donnée sous une forme numérique. De préférence, on utilise le moyen analogique d'entrée - ou organe d'introduction analogique - pour saisir non seulement l'altitude d'un segment en cours de définition ou modification, mais également aux moins deux autres coordonnées ou paramètres du segment - tels que latitude et longitude d'un point du segment au moins. A cet effet, le système comporte un organe de positionnement - de préférence un manche â balai - â trois dimensions ou composantes de mouvement indépendant(e)s; alternativement, on utilise une boule ( track-ball ) permettant d'introduire/modifier simultanément deux dimensions ou coordonnées -telles que la latitude et la longitude d'un point de passage (du segment â définir) -, ainsi qu'un second organe analogique tel qu'une molette pour l'introduction sensiblement simultanée dans le calculateur d'une troisième dimension ou coordonnée, telle que l'altitude du segment. Un bouton ou interrupteur - simulé ou non - permet la validation d'une ou plusieurs donnée(s) correspondant â la position de l'organe (ou des organes) analogique(s). En superposant â l'écran un segment et son emprise ainsi que les reliefs émergeant â l'altitude du segment et s'étendant â proximité du segment, l'invention permet â l'opérateur manipulant l'organe d'introduction de données de percevoir visuellement les risques d'interférence entre cette emprise et ces reliefs; l'invention permet ainsi â l'opérateur de modifier l'altitude et/ou la position ou direction du segment, ce qui peut être fait sensiblement instantanément par l'usage du moyen ou organe analogique d'introduction de donnée(s). L'invention permet ainsi â cet opérateur de construire une route sécurisée par rapport au relief de la zone survolée, de façon manuelle interactive et visuelle. L'emprise (ou surface d'une bande recouvrant le segment) présente une largeur qui est déterminée en fonction d'une marge (horizontale) de contournement, d'une erreur possible de positionnement de l'aéronef et d'une erreur possible du modèle de terrain dans un plan horizontal ou palier d'altitude constante. Le contour et l'étendue de chaque zone dangereuse de relief émergeant au-dessus du palier correspondant â l'altitude d'un segment, sont déterminés en fonction d'une marge (verticale) de survol, d'une erreur possible de positionnement de l'aéronef dans un plan vertical et d'une erreur possible d'altitude des données d'élévation de la base de données terrain. Ainsi, selon un autre aspect de l'invention, la définition de la route est faite â l'aide d'un dispositif de désignation qui permet, â l'aide de commandes intégrées, de positionner en trois dimensions (x, y et z), de façon interactive, sur un écran cartographique, la suite de points de passage et de segments définissant une route. Le système affiche interactivement les zones qui sont dangereuses pour l'élément en cours de définition. Le pilote assure visuellement la sécurisation de sa route en positionnant les éléments de la route dans des zones sûres par rapport â leurs caractéristiques. Il a ainsi la capacité a' construire une route sûre sans itérations. Ces éléments de sécurisation sont définis â l'aide des données d'élévation de terrain embarquées dans une base donnée couvrant la zone où se déroule la mission. Le dispositif de sécurisation permet de prendre en compte facilement des marges de survol et de contournement associées â la route en cours de définition, ainsi que des erreurs de positionnement horizontal et vertical; ces erreurs peuvent avoir des valeurs constantes prédéterminées. En variante, elles peuvent être calculées en fonction de la qualité des informations fournies par les capteurs utilisés, par exemple utilisation d'un système de positionnement par satellite, par rapport â un système de positionnement par balises de radionavigation (VOR, DME, ...). De façon similaire, les marges peuvent être constantes au cours du vol; alternativement, elles peuvent avoir une valeur différente suivant la phase de vol: large en phase de croisière et étroite en phase d'approche finale. Selon des modes préférentiels de réalisation de l'invention: - le système comporte un module d'extraction de données cartographiques d'une base cartographique et d'intégration de ces données â l'image; - le système comporte des moyens de détermination d'au moins un premier contour (Cl) de reliefs dangereux et d'au moins un second contour (C2) de reliefs dangereux qui entoure au moins le premier contour, â partir d'une erreur (EPV) de positionnement vertical et d'une marge (MS) de survol. - les zones de l'image délimitées par les contours (Cl) et (C2) sont de couleurs et/ou textures différentes. - la représentation de l'emprise d'un segment comporte une bande correspondant â une erreur de positionnement horizontal (EPH) et une bande correspondant â une marge de contournement (MC). l'image comporte une représentation de deux segments (S 1, S2) successifs d'une route, et la représentation d'un relief dangereux traversé par la bissectrice (BI) de l'angle formé par les axes des deux segments, est délimitée par des contours ouverts (C11, C21, C12, C22) et par la bissectrice. L'invention permet au pilote de construire et de sécuriser une route sans itérations successives: il peut définir et positionner du premier coup ses segments de route dans des zones sécurisées. Le dispositif décrit permet au pilote de bien percevoir la route qu'il est en train de définir et le relief environnant; il peut maîtriser parfaitement la définition de sa route. Le système permet également de matérialiser les notions de marge de survol et de marges de contournement. Le système selon l'invention de détection d'interférence avec le relief n'est pas basé sur des algorithmes complexes de calcul d'interférence, mais sur un simple affichage de coupe horizontale, superposé â l'environnement géographique affiché. L'invention peut être utilisée indépendamment de tout autre système pour bâtir une route sécurisée sans itérations successives. Elle peut être aussi associée â un système de calcul d'interférence tel que ceux décrits dans les brevets précédemment cités; l'invention permet alors d'éviter la phase d'itérations successives nécessaires pour trouver une trajectoire sécurisée, et/ou permet de réduire le nombre de ces itérations. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante, qui se réfère aux dessins annexés et qui illustre, sans aucun caractère limitatif, des modes préférés de réalisation de l'invention. La figure 1 est un schéma synoptique illustrant les principaux composants d'un système selon l'invention. La figure 2 illustre schématiquement la définition d'une erreur de positionnement vertical et d'une marge de survol qui sont prises en compte dans le calcul de contours de reliefs dangereux â une altitude donnée. La figure 3 illustre schématiquement la définition d'une erreur de positionnement horizontal et d'une marge de contournement pour la 20 détermination de la largeur d'une emprise d'un segment d'un plan de vol. La figure 4 illustre schématiquement, en vue en coupe, une portion de données de terrain et la détermination de parties hautes du relief correspondant qui sont dangereuses pour un segment d'altitude donnée, compte tenu d'une marge et d'une erreur verticales, ainsi que la projection dans un plan horizontal ou palier situé â l'altitude considérée, de ces parties de relief dangereuses. Io La figure 5 est une vue en plan comportant un segment de route et son emprise en cours de création, ainsi que l'emplacement et l'étendue des trois zones de relief dangereuses s'étendant â proximité du segment. La figure 6 est une vue en plan similaire â la figure 5 comportant 5 deux segments successifs d'une route aérienne en cours de modification, qui ne sont ni alignés ni situés dans un même palier. Le dispositif illustré figure 1 est composé des éléments suivants: - un écran 10 de visualisation affichant une vue cartographique 11 de la zone de travail, la route 12 en cours de modification, composée d'une suite de segments rectilignes et la symbologie représentant les zones dangereuses; - un calculateur cartographique 13 générant les images cartographiques â partir de la base de données cartographiques 14 et générant la vue des zones dangereuses â partir du modèle numérique de terrain 15; - une base de données cartographique 14 comprenant la description numérique de l'environnement géographique de la zone de travail; - un modèle numérique de terrain 15 comprenant la description numérique de l'environnement hypsométrique de la zone de travail; - un calculateur de navigation 16 assurant la gestion et le stockage des routes et des objets les décrivant; - un désignateur 17 permettant de manipuler de façon interactive les routes et les objets les décrivant. Il permet de faire varier en même temps la position (x, y) et l'altitude (z) d'un objet sur la cartographie. Le désignateur 17 comporte un boîtier 17d; une boule 17a, une mollette 17b et deux boutons 17c sont saillants sur une face 17e du boîtier. Quand une action de création ou modification d'un segment est en cours, le dispositif superpose, sur une vue cartographique de la zone comportant le segment, les zones géographiques dont l'altitude est dangereuse pour le(s) segment(s) en cours de modification. Des textures superposées â la cartographie, calculées pour toute la surface de l'écran de visualisation viennent apparaître au-dessus de la cartographie, sans toutefois la masquer. Ces textures prennent le nom de terres émergées ou zone ou relief dangereux, dans la suite du document. Le pilote voit ainsi en temps réel apparaître, sur l'écran 10, les zones inaccessibles ou dangereuses pour le segment qu'il est en train de définir. Il peut ainsi éviter ces zones et positionner son segment dans une zone sécurisée ou modifier l'altitude de son segment pour diminuer la taille de ces terres émergées. La définition, introduction, modification et/ou manipulation des segments de la route est faite avec le désignateur permettant de faire varier 3 axes, paramètres ou coordonnées, â la fois (par exemple joystick + molette, trackball + molette) ; le pilote modifie en temps réel la position et l'altitude de son segment. Le calcul et l'affichage des terres émergées étant fait en temps réel, il peut facilement mettre â jour son segment de façon interactive et voir les conséquences d'un changement d'altitude d'un point ou segment sur la position et l'étendue des terres émergées pour l'altitude considérée. La sécurisation d'un segment de route est faite en appliquant des marges de survol et de contournement par rapport au terrain. Ces marges peuvent être matérialisées par un volume entourant l'hélicoptère ou le segment de route tel que défini figures 2 et 3; on distingue une erreur de position verticale, une erreur de position horizontale, une marge de survol, et une marge de contournement. Par référence à la figure 2, l'erreur de positionnement vertical EPV correspond à une hauteur s'étendant à partir du palier d'altitude A du segment de vol considéré pour l'hélicoptère H, sous ce palier; la marge de survol MS correspond à une hauteur minimale de survol d'un obstacle (sol ou relief), et s'ajoute à l'erreur EPV. De façon similaire (cf. figure 3), l'erreur de positionnement horizontal EPH correspond à une demi largeur d'une première bande 22 à bords parallèles s'étendant selon l'axe 21 du segment considéré ; la marge de contournement MC correspond à une largeur de bande supplémentaire s'étendant de part et d'autre de la première bande, de sorte que la largeur totale 23 de l'emprise du segment (le long de son axe 21) correspond à la somme du double de EPH et du double de MC, et définit un couloir de sécurité. Les marges de survol et les erreurs de positionnement vertical sont prises en compte pour calculer les coupes horizontales représentant les terres émergées en référence à l'altitude du segment en cours de création/ modification, tel que représenté figure 4. Le segment considéré et son axe longitudinal 21 s'étendent dans un plan ou palier d'altitude A qui coupe le sommet d'une portion de relief PR extraite de la base de données de terrain 15. La projection dans un plan horizontal de la partie culminante PR1 du relief PR qui s'étend entre l'altitude A et l'altitude A diminuée de l'erreur EPV, et qui est représentée avec une texture ou couleur contrastant avec le fond, s'étend, dans la vue en plan - en partie basse de la figure - à l'intérieur d'un contour fermé Cl, qui coupe l'axe 21. De la même façon, la projection de la partie PR2 du relief qui s'étend entre l'altitude (A - EPV) et cette altitude diminuée de la marge de survol MS, s'étend, en vue en plan, à l'intérieur d'un contour fermé C2 encerclant le contour Cl. Les zones délimitées par ces contours Cl, C2 sont des zones dangereuses ou terres émergées au sens de la présente demande; sur la figure 5, trois zones PR1, PR2 dangereuses s'étendent à proximité du segment S à l'altitude considérée. Un symbole SY comportant quatre équerres identiques est superposé au point PES d'extrémité du segment S en cours de modification et identifie l'extrémité du segment en cours de modification; par modification de l'altitude de ce point et du segment S qui lui est attaché, à l'aide d'une action manuelle sur l'organe analogique d'entrée, extraction des zones de relief, dessins du contour de leur projection et visualisation des zones dangereuses correspondantes, un pilote ou opérateur peut voir l'élargissement ou le rétrécissement de ces zones, et leur éventuelle intersection avec l'emprise d'un segment. L'extraction des "terres émergées" est effectuée sur toute la surface de cartographie présentée à l'écran. Les erreurs de positionnement horizontal et les marges de contournement sont prises en compte en attachant le couloir de sécurité (23) au segment en cours de définition: un(e) premier(e) couloir ou bande central(e) matérialise l'erreur de position EPH du segment; un(e) deuxième couloir (ou bande) matérialisé(e) par un trait pointillé, identifie la marge de contournement MC. Le but pour le pilote qui fait varier la position du point PES est d'éviter les interférences entre le couloir de sécurité (23) et les zones dangereuses. Il a ainsi la garantie de passer à hauteur et distance suffisante des obstacles. La sécurisation est uniquement faite visuellement par le pilote, grâce à l'affichage des terres émergées. Quand un seul segment est modifié, dans les cas de création de route, d'insertion de segment, d'effacement de point, de changement d'altitude, les zones inaccessibles ou dangereuses sont définies par rapport à l'altitude du segment. Si deux segments sont concernés et sont à des altitudes différentes (cas du changement de la position d'un point de passage qui modifie le segment précédent et le segment suivant), les zones inaccessibles ou dangereuses sont définies pour partie par rapport â l'altitude du segment précédent et pour partie par rapport â l'altitude du segment suivant. L'extraction des "terres émergées" est effectuée sur toute la surface de cartographie présentée â l'écran. Le partage entre la zone dédiée au segment précédent et la zone dédiée au segment suivant est effectué suivant la bissectrice entre les deux segments passant par le point de passage en cours de modification. Dans la configuration illustrée figure 6, la route comprend deux segments rectilignes S1 et S2 qui, en vue en plan, se rejoignent au point de 10 passage PES entouré du symbole SY. L'altitude du segment S1 est inférieure â celle du segment S2; leurs axes respectifs 211 et 212 forment un angle dont la bissectrice est repérée BI. La représentation d'un massif ou relief dangereux coupant la 15 bissectrice BI, comporte deux parties: - une première partie qui s'étend du même côté de BI que le segment S1, est délimitée par cette bissectrice et par des contours ouverts C11 et C21 qui sont déterminés comme décrit précédemment en liaison avec la figure 4, pour l'altitude du segment S1; une seconde partie qui s'étend du côté opposé de BI (par référence â la première partie) est délimitée par cette bissectrice et par des contours ouverts C12 et C22 qui sont déterminés comme décrit précédemment en liaison avec la figure 4, pour l'altitude du segment S2. REVENDICATIONS 1. Système (20) pour définir de façon interactive une route aérienne comportant plusieurs segments, caractérisé en ce qu'il comporte: - un moyen (10) de visualisation agencé pour afficher une image (11) 5 contenant une représentation de l'emprise d'un segment (S, S1, S2) dans un plan ou palier, - un moyen ou organe (17) analogique d'entrée d'une donnée d'altitude (A) dans un calculateur (13) relié au moyen de visualisation, un module ou programme de calcul agencé pour déterminer une représentation (Cl, C2, PR1, PR2) de reliefs dangereux pour une altitude de vol égale â la donnée d'altitude (A) et pour superposer cette représentation â l'image (11). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen ou organe analogique d'entrée permet l'entrée sensiblement simultanée de deux paramètres d'un point ou segment de la route, tels que latitude et longitude. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen ou organe analogique d'entrée permet l'entrée sensiblement simultanée de trois paramètres d'un point ou segment de la route, tels que latitude, altitude et longitude. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel le moyen ou organe analogique d'entrée comporte un organe de positionnement tel qu'un manche â balai ou une boule et une molette, et un organe de validation, tel qu'un bouton ou interrupteur de validation de données correspondant â la position de l'organe de positionnement. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel le ou les organe(s) est (sont) simulé(s). 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, qui comporte en outre un module d'extraction de données cartographiques d'une base cartographique (14) et d'intégration de ces données à l'image (11). 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, qui comporte des moyens de détermination d'au moins un premier contour (Cl) de reliefs dangereux et d'au moins un second contour (C2) de reliefs dangereux qui entoure au moins le premier contour, à partir d'une erreur (EPV) de positionnement vertical et d'une marge (MS) de survol. 8. Système selon la revendication 7, dans lequel les zones de l'image (11) délimitées par les contours (Cl) et (C2) sont de couleurs et/ou textures différentes. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la représentation de l'emprise d'un segment comporte une bande correspondant à une erreur de positionnement horizontal (EPH) et une bande correspondant à une marge de contournement (MC). 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l'image comporte une représentation de deux segments (S 1, S2) successifs d'une route, d'axes respectifs (211) et (212), et dans lequel la représentation d'un relief dangereux traversé par la bissectrice (BI) de l'angle formé par lesdits axes, est délimitée par des contours ouverts (C11, C21, C12, C22) et par la bissectrice. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, qui est embarqué ou embarquable à bord d'un aéronef, en particulier un aéronef à 25 voilure tournante.