Brevet FR2909795A1 — publié le 20080613

PROCEDE DE MISE A JOUR DE FREQUENCES DE COMMUNICATION AUDIO ENTRE AERONEFS ET STATIONS ATC AU SOL La présente invention se rapporte à un procédé de mise à jour de fréquences 5 de communication audio entre aéronefs et stations ATC (stations de contrôle aérien) au sol. La part croissante de l'automatisation depuis vingt-cinq ans dans l'avionique, tant civile que militaire, conduit de plus en plus les équipages d'aéronefs à effectuer des tâches d'anticipation et de monitoring de l'exécution de la 10 mission et des systèmes électroniques de conduite du vol, et de moins en moins à influer directement sur les commandes primaires de pilotage de l'aéronef. Cette tendance s'est accentuée ces vingt dernières années avec la généralisation des systèmes de gestion du vol (communément appelés FMS pour Flight Management System ) embarqués. 15 Ces systèmes concentrent un grand nombre de données : issues de senseurs (GPS, VHF) pour la navigation, issues de bases d,e données (bases de données de navigation) pour élaborer le plan de vol électronique, issues de bases de données de performances pour élaborer les prédictions le long 20 du plan de vol, issues d'entrées de consigne de route, de contraintes ou de stratégies effectuées manuellement par l'équipage (en général pour initialiser les calculs) ou automatiquement par liaison de données numériques ( Datalink ) venant de la compagnie ou de centres de contrôle (ATC). 25 Parmi les tâches fréquentes et répétitives effectuées par l'équipage afin de toujours bénéficier des services d'assistance et de contrôle du trafic aérien, on trouve la sélection de la fréquence vocale sur les équipements radio VHF, qui doit se faire à chaque changement de secteur de contrôle. Le transfert entre secteurs est effectué suite à la réception d'une consigne de vol, dénommée par la suite 30 clairance , reçue du contrôleur du secteur actuel pour prise de contact avec le secteur suivant, à la frontière de deux secteurs. Tant que la réassignation de fréquence n'a pas été faite par le contrôleur actuel, l'aéronef est sous sa 2909795 2 responsabilité, même s'il se trouve géographiquement dans un autre secteur. Compte tenu du nombre grandissant d'aéronefs par secteur et de la limite physique de prise en charge d'aéronefs par un contrôleur, les secteurs sont de plus en plus petits, ce qui induit un plus grand nombre de secteurs et donc de fréquences à contacter. Cela est rendu possible grâce à une augmentation récente de fréquences liée à la réduction de 25khz à 8,33 kHz des espacements entre celles-ci, malgré la taille restreinte de la bande passante disponible pour les communications aéronautiques audio. Ainsi, le travail de transfert de fréquence est de plus en plus prenant tant pour le contrôleur que pour le pilote. Par ailleurs, ces transferts de fréquence plus fréquents effectués vocalement induisent un accroissement de communications et donc mécaniquement un encombrement sur la fréquence qui peut être préjudiciable aux instructions de contrôle et aux communications de sécurité. Ceci peut engendrer des situations très dangereuses pour le contrôleur qui voit un aéronef sur son écran Radar dans son secteur, mais n'a aucune prise sur lui car il n'est pas sur sa fréquence (et ne peut donc communiquer directement et rapidement avec lui). Actuellement, ce problème est résolu en organisant les salles de contrôle ATC de sorte que les contrôleurs aériens de secteurs adjacents soient proches et puissent verbalement rappeler à un collègue qu'il a oublié de lui transférer un aéronef, voire s'il se trouve dans un autre centre, communiquer avec lui par un appel téléphonique. Des études sont actuellement menées pour lisser la charge du contrôleur, avec comme objectif d'optimiser le découpage des secteurs, leur regroupement et leur éclatement de façon dynamique. En effet, il existe, en particulier en Europe, un réel problème d'encombrement des fréquences et de densité de trafic. Les messages de transfert forment la majorité des communications entre le sol et le bord bien qu'ils n'aient pas ou peu d'impact sur la route suivie. Lors de regroupements de secteurs (la nuit par exemple, on regroupe plusieurs petits secteurs en un seul secteur), il faut rapidement avertir individuellement chaque aéronef qu'il doit modifier sa fréquence pour qu'elle corresponde à celle de ce nouveau secteur. De la même manière, lorsque le trafic dans un secteur devient trop important 2909795 3 pour un contrôleur et qu'une décision de diviser le secteur en deux ou plus a lieu, il faut très rapidement avertir les aéronefs qui arrivent dans le nouveau secteur créé qu'ils doivent changer de fréquence. Compte tenu que le nombre moyen d'aéronefs par secteur varie de 10 à 20 et 5 que les communications sont encore verbales, il peut se passer une période de flottement non négligeable entre deux changements. A cela il faut ajouter les possibilités d'oublis, d'incompréhension, d'encombrement de la ligne, toutes génératrices de problèmes potentiels. Compte tenu qu'actuellement, chaque changement de fréquence donne lieu à 10 quatre messages vocaux : un du contrôleur du secteur N pour assigner la future fréquence, suivi d'une réponse (collationnement) du pilote, suivi du contact du pilote vers le secteur N+1 suivi de l'acquiescement du contrôleur N+1, des problèmes de saturation, de répétition, d'oublis auront nécessairement une part croissante, problèmes largement amplifiés par le découpage/regroupement 15 dynamique des secteurs tel qu'il est envisagé en Europe dans les années après 2010 afin d'améliorer la flexibilité des secteurs de contrôle. La présente invention a pour objet un procédé de mise à jour de fréquences de communication audio entre aéronefs et stations ATC au sol, procédé qui permet de diminuer la charge de travail due aux changements de fréquences de communications 20 vocales, aussi bien pour les contrôleurs aériens que pour les équipages des aéronefs, Le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'on couple dynamiquement le plan de vol ou la trajectoire courante suivie par l'aéronef avec les infirmations de fréquence audio, de nom et de géométrie des secteurs de contrôle traversés par l'aéronef et que, connaissant ainsi les points d'intersection du plan de 25 vol avec les limites des polyèdres représentant les secteurs, on prépare les changements de fréquences avant chaque changement de secteur, tout en prévenant le pilote de leur imminence. Ainsi, le procédé de l'invention consiste à lier au plan de vol FMS embarqué des données sur les secteurs de contrôle (découpage, fréquences), de façon 30 dynamique, transparente pour le pilote, et à préparer les changements de fréquence, tout en prévenant, par exemple visuellement, ]e pilote de leur imminence. Cela résout 2909795 4 les problèmes de nombre de messages échangés, du temps passé à les échanger et pénalisant en charge de travail, d'erreurs sur la saisie de la nouvelle fréquence et d'oublis de transfert ou de transfert tardif. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description 5 détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1 est un schéma simplifié d'un exemple de découpage de l'espace aérien servant à expliquer les détails de mise en oeuvre du procédé de l'invention, et 10 - la figure 2 est un exemple de carte montrant des secteurs aériens sur laquelle sont représentés des point caractéristiques déterminés selon le procédé conforme à la présente invention. Le procédé de l'invention se déroule de la façon suivante. Un aéronef étant en vol dans un secteur donné pour lequel est en communication avec le centre de 15 contrôle correspondant , la fréquence et l'identificateur du prochain secteur de contrôle sont préparés et affichés en fonctiort de la position de l'aéronef par rapport au K points de transition entre les secteurs de contrôle. Les secteurs de contrôle sont des polyèdres tridimensionnels. Ils peuvent donc être définis géométriquement, connaissant les coordonnées 3D (Latitude, 20 longitude, altitude) des points caractéristiques. L'exemple schématisé en figure 1 montre de façon simplifiée le découpage de l'espace aérien, auquel correspondent des zones de contrôle. On a représenté en figure 1 plusieurs autoroutes du ciel (communément dénommées Airways ou en abrégé AWYs), à savoir deux tronçons d'autoroutes 25 supérieures ( AWY Sup ) 1 et 2, et trois tronçons d'autoroutes inférieures ( AWY Inf ) 3, 4 et 5. Les tronçons 1 à 5 sont gérés par les centres de contrôle EN ROUTE . Pour les aéronefs en montée vers cette partie EN ROUTE, ou en descente depuis cette partie EN ROUTE, la zone de contrôle est matérialisée par une zone terminale 6 ( Terminal Area ou TMA en abrégé). Pour les avions 30 au décollage/atterrissage, sous la TMA, la gestion s'opère à partir de zones dites CTR (Control Terminal Region) 8.. 2909795 5 Les CTR sont liés aux aéroports. Leurs activités sont essentiellement des activités de contrôle des départs/arrivées. Les TMA regroupent plusieurs aéroports, et effectuent un contrôle tant latéral que vertical tout en séparant les avions. Les centres EnRoute gèrent les aéronefs dans l'espace supérieur, 5 essentiellement en latéral. Le procédé de l'invention comporte tris étapes principales : 1) la définition à bord ou au sol de la portion de route où le changement de fréquence peut/doit se faire, 2) le transfert à bord de l'aéronef de cette information si elle est déterminée au sol, 10 3) la surveillance embarquée de la position de l'aéronef par rapport à ces points et l'affichage des données assorties ou non d'une alarme visuelle Dans le détail., ces trois étapes sont effectuées de la façon suivante : • 1) -Définition de la portion de route où le changement de fréquence peut/doit se faire : 15 Cette portion est limitée par deux points : point de libération (PL) et point de transfert (PT) : • PL = point au plus tôt ou point de libération (transfert libératoire) à partir duquel la trajectoire de l'aéronef ne croise plus d'autres trajectoires, permettant au contrôleur qui transfère le trafic au secteur suivant de réduire 20 sa charge de contrôle. Ce point est généralement le dernier point où il y a croisement de trajectoires connues par le centre de contrôle ATC. Il est à l'initiative du contrôleur qui peut décider ou non d'anticiper le transfert dès ce point. La définition des points de transfert libératoire est calculée au sol par le système de gestion du contrôleur aérien en fonction des plans de vol 25 passant dans son secteur tels que définis par le système de coordination des flots de trafic (CTFM). Il est ensuite envoyé à bord par data-link . Ces points sont optionnels. PT = point au plus tard ou point de transfert à partir duquel l'aéronef doit théoriquement être pris en charge par le contrôleur du secteur suivant. Ce 30 point est généralement le point d'intersection commun au plan de vol et aux 2909795 6 deux secteurs de contrôle. La définition des points de transfert est effectuée de deux façons possibles : - au sol, soit longtemps à l'avance, et ils sont alors stockés dans une base de données à bord de l'avion, soit définis par le contrôleur aérien en fonction de son 5 besoin et transmis selon le protocole CPDLC ( Controller to Pilot Data Link Communication ) sur une liaison de données numériques sol-air. Ces points sont ensuite mis à la disposition de l'équipage de l'aéronef de deux manières possibles : soit par rafraîchissement de la base de données du FMS, soit par liaison de données montante vers l'aéronef. Cette solution permet de réduire le 10 volume de données échangées entre le sol et le bord mais suppose un aéronef sur (ou proche de) son plan de vol. - à bord, par calcul à partir de données géométriques correspondant aux secteurs. Cette solution est applicable quelle que soit la position de l'aéronef mais déporte à bord le calcul des intersections (charge du calculateur de bord et 15 volume d'échanges importants) et suppose que la base de données contienne ces secteurs. Une fois ces points transférés ou calculés à bord, un dialogue entre le FMS et les systèmes de communication de l'aéronef (Radios, CMU) est établi pour préparer les données du secteur suivant (identité, fréquence du secteur suivant) mises en 20 standby (en attente) et pour détecter des anomalies et avertir le pilote en cas de changement tardif Il est à noter que l'existence d'un point de transfert possible précédant le point de transfert permet au contrôleur de déléguer au pilote dans un futur à moyen terme la charge de décider du moment opportun de changement de fréquence, ce qui 25 est particulièrement intéressant pour lisser la charge de travail du pilote et du contrôleur. Par ailleurs, cette anticipation de changement de fréquence est compatible avec une automatisation future des communications entre sol et bord. Le pilote n'aura ainsi plus à gérer physiquement l'affichage et le transfert de fréquences, mais il se contentera de parler de façon continue au changement de 30 secteur, et si besoin est, de valider ce changement de secteur, ce qui réduit sa charge de travail et limite les activités tête basse (particulièrement en approche où les 2909795 .7 changements de fréquence sont fréquents dans une phase où le pilote a besoin de surveiller l'extérieur du cockpit) • 2) -Communication montante sol-bord ( uplink ) : elle se fait à l'aide de moyens dits data-link numérique utilisant le protocole CPDLC. 5 • 3) -Surveillance de la position de l'aéronef par rapport à ces points PL et PT et affichage des données assorti ou non d'une alarme visuelle comme mentionné ci-dessus. Le but de ces points est d'anticiper la prochaine fréquence de communication : avant PL, la fréquence et l'identité du secteur suivant sont préparées (c'est-à-dire extraites de la base de données 10 dans laquelle elles ont été stockées et rendues consultables par le pilote). Entre PL et PT, ces données sont affichées sur l'interface de communication (MCDU et/ou CMU) en standby (si une fréquence est déjà affichée ou sélectionnée par le pilote, une alarme visuelle simple signale au pilote qu'une nouvelle fréquence est disponible en stand-by (signalisation par 15 exemple par un astérisque clignotant), mais c'est au pilote de décider de l'afficher et après effacement de la précédente valeur stand-by existante. Au passage de PT, ces données, si elles n'ont pas été affichées par le pilote, sont affichées en stand-by , remplaçant éventuellement la précédente valeur, mais l'alarme visuelle est plus marquée que l'alarme simple (par 20 exemple une valeur clignotante). On va maintenant décrire à l'aide de l'exemple de la figure 2 la façon dont est mis en oeuvre le procédé de l'invention. La définition des points de transition est effectuée selon l'un des deux processus exposés ci-dessous, selon que les calculs correspondants sont effectués au sol pair le calculateur du centre de contrôle 25 concerné : • Calculs au sol : Dans un premier temps, le calculateur au sol cherche les intersections entre le plan de vol déposé et les secteurs,, et il crée deux points à chaque fois (PL et PT) , comme indiqué sur la figure 2. Les secteurs sont les polyèdres 30 délimités par des traits continus 11. Ils sont représentés en 2D. Les séparations verticales sont représentées par les chiffres, par exemple 2909795 8 Bretigny Lower Airspace (BRETLO) est valide entre les niveaux 000 (0 feet) et 245 (24 500 feet) et Bretigny Upper Airspace (BRETUP) entre les niveaux 245 et 600.Les fréquences associées aux secteurs sont exprimées en MHz et représentées dans des rectangles. Par exemple pour TURIN, la 5 fréquence VHF de contact avec le contrôle est 112.25 MHz. L'aéronef est représenté en 12. Son plan de vol est figuré par un trait plein épais 13. Les points d'intersection du plan de vol avec les secteurs (transfert) sont figurés par les points PT1 à PT3, tandis que les points PL2 et PL3 indiquent chacun l'endroit où peut être initié le transfert sans risque de croisement avec la 10 trajectoire d'un autre aéronef Dans l'exemple de la figure 2, si l'on suppose l'aéronef au niveau 300, EN ROUTE, les changements de secteurs sont les points de transfert de fréquences (programmés près des frontières) suivants : - Passage de FEED SOUTH à BRETUP : Point de transfert 1 (PT1) 15 - Passage de BRETUP à HAREN : Point de transfert 2 (PT2) - Passage de HAREN à FEED NORTH : Point de transfert 3 (PT3) Ces points de transfert sont assortis des points de transferts libératoires de fréquences (programmés après le dernier croisement de trajectoire) PL2 ET PL3. Tous ces points sont envoyés à bord par une liaison de données numériques, 20 au format Lat/Long par exemple ou relativement au plan de vol (format Place/Distance par rapport au point du plan de vol qui suit l'intersection ou qui la précède). Les fréquences associées au nouveau secteur sont également ainsi transmises. Les coordonnées de points peuvent être ajustées automatiquement pour que 25 le transfert de fréquence se fasse un peu avant ou un peu après le point d'intersection, en cas de besoin. Dans l'exemple de la figure 2, lorsque le Radar du contrôleur détecte une arrivée de l'aéronef sur BRETUP en venant de FEED SOUTH, le contrôleur décide donc d'envoyer à bord tout ou partie des données suivantes: 30 - Ldentité et fréquence associées au secteur :BRETUP (pour affichage immédiat au cas où cette information ne serait pas déjà envoyée) 2909795 9 - Les coordonnées des points de transfert PL2 et PT2 (Lat/Long) et l'identité et la fréquence associées au secteur suivant (HAREN) pour affichage sous condition de passage sur les points. Pour cela, le procédé de l'invention propose d'utiliser comme moyen de 5 liaison de données numériques l'application CPDLC, telle que décrite dans les réglementations internationales (SARPS ATN, document ICAO 9705, volume II). Les messages conformes à ce protocole peuvent s'écrire ainsi : CONTACT [unitname] [frequency] (uM117) ou: AT [position] CONTACT [unitname] [frequency] (uM118) ou: 10 AT [time] CONTACT [unitname] [frequency] (uMl 19) ou: MONITOR [unitname] [frequency] (uM120) ou: AT [position] MONITOR [unitname] [frequency] (uM121) ou: AT [time] MONITOR [unitname] [frequency] (uM122) Si un message CONTACT [unitname] [frequency] ou MONITOR 15 [unitname] [frequency] est reçu, la CMU positionne la fréquence en STANDBY et affiche sur les pages MCDU un message avertissant le pilote. Si un message de CONTACT ou de MONITOR est associé à une position ou à une heure (messages 118, 119, 121, 122 ci dessus), le système de gestion du vol crée ce point à partir des coordonnées de position (fonction Insertion d'un point par 20 Lat/Long) ou à partir de l'heure (fonction Tirae Marker) et positionne sur l'écran de visualisation pilote le point ainsi créé ainsi que la fréquence correspondante.. Dans l'exemple de la figure 2, l'aéronef dans le secteur FEED SOUTH peut recevoir du sol les messages suivants: AT [PT1] CONTACT [BRETUP][115.00] 25 AT [PL2] MONITOR [HAREN] [ 11.7.50] AT [PT2] CONTACT [HAREN][117,50] AT [PL3] MONITOR [FEED NORTH][124.30] AT [PT3] CONTACT [FEED NORTH][124.30] Lorsque le FMS de l'aéronef détecte son passage sur le point mentionné dans 30 le message MONITOR, il envoie à la CMU la fréquence en Standby et affiche sur l'afficheur ( ScratchPad ) MCDU du FMS le message NEXT SECTOR 2909795 10 FREQUENCY . S'il existe déjà une fréquence standby, celle-ce se met à clignoter ou un astérisque se met à clignoter pour signaler l'arrivée d'une nouvelle fréquence standby (de façon à ne pas écraser une fréquence entrée par le pilote en standby) Lorsque le FMS détecte le passage de l'aéronef sur le point mentionné dans 5 le message CONTACT, il envoie à la CMU la fréquence en StandBy et affiche sur l'afficheur MCDU du FMS le message NEXT SECTOR : CHANGE FREQ . S'il existe déjà une fréquence standby, celle-ce est remplacée par la nouvelle fréquence standby. Selon l'invention, lorsqu'un éclatement ou un regroupement de secteurs a 10 lieu, le calculateur au sol envoie à tous les aéronefs du nouveau secteur un message du type CONTACT [unitname] [frequency] comportant le nouveau nom de secteur et la nouvelle fréquence. Dans ce cas, le FMS affiche NEW SECTOR : CHANGE FREQ sur l'afficheur MCDU et avertit le CMU qu'une nouvelle fréquence en StandBy est disponible.. 15 • Calculs à bord : Le processus mis en oeuvre à bord est proche de celui mis en oeuvre au sol, mais les données concernant les secteurs aériens sont cette fois-ci transmises intégralement à bord : chaque polyèdre représentant un secteur traversé par un aéronef est transmis au format suivant : 20 Nom du polyèdre (par exemple : BR:ETUP) Fréquence (par exemple 115.00) Nombre de points du polyèdre (par exemple 9 , pour BRETUP) Coordonnées en latitude et longitude des points (Latl/Longl, Lat2/Long2, Lat9/Long9) 25 Le FMS fabrique les intersections entre son plan de vol et les polyèdres pour détecter les entrées et sorties de chaque polyèdre (par exemple pour BRETUP : points PT1 et PT2), puis il prépare la fréquence en arrivant sur le secteur en question. Ainsi, le FMS ne surveille dans ce cas que les points de transfert de fréquence (et non pas les points libératoires qui ne peuvent être définis que par le 30 contrôleur). Le reste du processus est le même que celui du processus relatif aux calculs effectués au sol. 2909795 11 Lorsqu'un éclatement ou un regroupement de secteurs a lieu, le FMS vérifie la position de l'aéronef par rapport aux nouveaux polyèdres représentant le résultat de ce changement. Il détecte donc si la nouvelle fréquence a changé. Dans ce cas, il prépare la nouvelle fréquence en Standl3y et affiche par exemple : NEW 5 SECTOR : CHANGE FREQ sur l'afficheur du MCDU. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise à jour de fréquences de communication audio entre un aéronef et des stations ATC au sol, caractérisé en ce qu'on couple dynarniquement le plan de vol ou la trajectoire courante élaborés à bord et suivis par l'aéronef avec les informations de géométrie des secteurs de contrôle survolés par l'aéronef et que, connaissant ainsi les points d'intersection (PT 1 à PT3) du plan de vol avec les limites des polyèdres représentant les secteurs (11), on prépare les changements de fréquences avant chaque changement de secteur, tout en prévenant le pilote de leur imminence. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les informations de géométrie des secteurs de contrôle survolés par 15 l'aéronef sont élaborées à bord de l'aéronef. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les informations de géométrie des secteurs de contrôle survolés par l'aéronef sont élaborées au sol. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 20 que l'on définit une portion de route dans le plan de vol de l'aéronef pour laquelle peut ou doit se faire le changement de fréquence, cette portion étant délimitée par un point de libération (PL2, PL3) à partir duquel la trajectoire de l'aéronef ne croise plus d'autres trajectoires, et un point de transfert (PTII à PT3) à partir duquel l'aéronef doit être 25 pris en charge par le contrôleur du secteur suivant. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la définition des points de libération et des points de transfert est effectuée par un calculateur de station de contrôle au sol. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la définition 30 des points de libération et d[es points de transfert est effectuée par un calculateur de l'aéronef. 2909795 1 3 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'avant chaque point de libération, la fréquence et l'identité du secteur suivant sont extraites d'une base de données et rendues consultables par le pilote. 5 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'entre un point de libération et le point de transfert du même secteur, la fréquence et l'identité du secteur suivant sont affichées sur l'interface d'affichage du pilote en attente et une alarme visuelle simple signale au pilote qu'une nouvelle fréquence est disponible en attente. 10 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce lorsqu'un éclatement ou un regroupement de secteurs a lieu, le calculateur au sol envoie à tous les aéronefs du nouveau secteur un message (CONTACT [unitname] [frequency]) avec le nouveau nom de secteur et la nouvelle fréquence. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce lorsqu'un éclatement ou un regroupement de secteurs a lieu, le FMS de bord vérifie la position cle l'aéronef par rapport aux nouveaux polyèdres représentant le résultat de ce changement, et si la nouvelle fréquence a changé, il prépare la nouvelle fréquence en attente et affiche un message correspondant sur l'afficheur du pilote.