Brevet FR2916541A1 — publié le 20081128

Dispositif de visualisation Tête Haute pour aéronef comprenant des moyens d'affichage d'une symbologie dédiée à l'évitement d'obstacles Le domaine de l'invention est celui des systèmes de gestion de vol pour aéronef comprenant un système d'anti-collisions avec le terrain et un dispositif de visualisation collimaté pouvant présenter des symbologies dédiées à l'évitement d'obstacles. Dans le domaine aéronautique, les collisions avec le sol sans perte de contrôle, communément appelées CFIT, acronyme anglais signifiant Controlled Flight Into Terrain sont la première cause d'accident catastrophique des avions civils. L'industrie aéronautique concentre ses efforts sur les moyens de réduire et au final d'éliminer tous les accidents CFIT futurs. Depuis maintenant trente ans, pour résoudre ce problème, l'industrie aéronautique a développé un outil appelé GPWS signifiant "Ground Proximity Warning System". Cependant, le GPWS n'a pas de systèmes de reconnaissance de la situation du terrain et ne connaît pas la trajectoire relative de l'avion par rapport au terrain. L'augmentation toujours croissante du trafic aérien a entraîné une nouvelle croissance des CFIT malgré l'utilisation quasi généralisée des GPWS. Aujourd'hui les CFIT représentent encore plus de 40% des accidents. Les avancées technologiques obtenues notamment dans le développement de fichiers de terrain numérisés, dans la précision de positionnement grâce à la localisation GPS et dans l'augmentation de puissance de traitement ont permis le développement de nouveaux concepts permettant de se prémunir de ces risques de collision avec le sol. Ces concepts s'appuient essentiellement sur une extrapolation de la trajectoire courante de l'avion et sur une base de données terrain correspondant au relief survolé permettant de prédire ces risques. Ces concepts se concrétisent sous la forme d'une nouvelle génération d'équipements destinée aux avions de transport ou d'affaires appelés TAWS pour Terrain Awareness and Warning System. Ce système est, par exemple, commercialisé par la société THALES AVIONICS sous la marque GCAM signifiant Ground Collision Avoidance Module. Le système GCAM est décrit en figure 1. II comprend essentiellement un calculateur électronique central relié d'une part au réseau de capteurs et de senseurs de l'aéronef et d'autre part, aux différentes visualisations de la planche de bord ainsi qu'aux alarmes sonores disposées en cockpit au moyen d'un bus de transmission de données. Les capteurs sont essentiellement des senseurs permettant de déterminer la position de l'appareil par rapport au sol, son attitude et sa vitesse. Les visualisations concernées sont le viseur Tête Haute ainsi que les écrans Tête Basse de pilotage et de navigation comme les Navigation Display et les Primary Flight Displays , écrans notés HUD, ND et PFD sur la figure 1. Le fonctionnement dynamique du GCAM est le suivant. II surveille l'environnement géographique de l'aéronef. S'il trouve qu'il n'y a aucun risque de menace terrain, proche ou éloigné, les figurations présentées au pilote et éventuellement au copilote sont standards et représentatifs d'une mission de type IFR, acronyme de Instrument Flight Rules ou VFR, acronyme de Visual Flight Rules. Le système est dans un mode dit "NORMAL". Lorsque le système détermine qu'il y a une possibilité de terrain dangereux dans l'axe de l'aéronef et/ou latéralement, le système passe dans un mode dit "LATERAL PROXIMITY". Dans ce mode, les figurations doivent permettre au pilote d'assurer les tâches de navigation et de comprendre sans ambiguïté la situation. La distance de l'aéronef aux obstacles est de l'ordre de quarante Milles Nautiques. Dans ce cas, si le pilote ne réagit pas, l'avion se rapproche dangereusement du terrain, sa trajectoire touchant le relief. Dès que le temps avant la collision devient inférieur à douze secondes environ, le système passe dans un mode dit "CAUTION". L'alarme sonore "TERRAIN TERRAIN" retentit. Des messages d'alarme sont aussi affichés sur les écrans. Le pilote a compris la situation: Il doit maintenant agir en pilotant manuellement. Lorsqu'il ne dispose plus que de huit secondes environ pour effectuer une manoeuvre correcte d'évitement, le système passe dans un mode dit "WARNING". La manoeuvre d'évitement proposée est soit verticale de type "PULL-UP" soit en virage de type "PULL UP - TURN RIGHT" ou "PULL UP - TURN LEFT". Les alarmes sonores retentissent. Les messages d'alarme sont aussi affichés sur les écrans. La situation redevient saine. L'obstacle est évité. Le système repasse dans le mode "NORMAL" ou dans le mode "LATERAL PROXIMITY" s'il subsiste aux alentours des terrains potentiellement dangereux. L'alarme sonore "CLEAR OF TERRAIN" retentit. Ce retour à la normale s'accompagne d'un retour à un affichage classique dans les modes courants de fonctionnement. Le GCAM permet notamment la génération d'une alarme sonore ou warning spécifique appelée Avoid Terrain en plus du warning classique appelée Pull Up qui correspond à une manoeuvre d'évitement vertical. Cette alarme est enclenchée quand une manoeuvre d'évitement par Pull-Up ne permet plus d'assurer un dégagement sans collision. L'alarme Avoid Terrain du GCAM, bien que représentant une avancée significative, ne répond pas complètement aux attentes des pilotes. Ces derniers souhaiteraient disposer d'une indication de manoeuvre d'évitement latéral lorsque plus aucune manoeuvre d'évitement vertical n'est possible. Pendant les manoeuvres d'évitement, le pilote doit essentiellement naviguer et piloter sa machine en manuel dans les plans vertical et horizontal. Ces tâches sont détaillées ci-dessous : • Naviguer : o Identifier/Classer les obstacles dangereux ; o Analyser la situation pour se protéger des menaces ; o Comprendre les nouvelles trajectoires proposées par le système. • Piloter la machine dans le plan vertical : o Maintenir l'attention sur la vitesse verticale courante ; o Maintenir l'attention sur l'altitude courante ; o Maintenir l'attention sur la proximité du sol ; o Etre conscient de l'attitude de l'avion par rapport au monde réel ; o Maintenir l'attention sur le vecteur vitesse de l'avion ; o Maintenir l'attention sur l'incidence afin d'éviter le décrochage ; o Maintenir une pente de montée. • Piloter la machine dans le plan horizontal : o Maintenir l'attention sur la route courante suivie par l'avion ; o Maintenir l'attention sur le roulis courant de l'avion ; o Effectuer une mise en virage correcte ; o Effectuer une tenue de virage correcte ; o Effectuer une sortie de virage correcte ; o Maintenir une trajectoire correcte par rapport à une trajectoire d'évitement prédéfinie. Lorsque l'aéronef dispose d'un viseur Tête Haute, celui-ci affiche classiquement des informations concernant le pilotage ou la navigation. Dans un viseur Tête Haute, ces informations sont collimatées à l'infini et projetées en superposition sur le paysage extérieur. Un exemple de ce type de figurations est représentée en figure 2. On retrouve classiquement à droite de la figure une échelle d'altitude en pieds, à gauche une échelle de vitesse en noeuds, au centre, l'horizon, le directeur de vol et en bas de la figure la rose des caps avec l'indication du chemin à suivre. Comme on le voit, cette figure comprend un grand nombre de symboles qui varient constamment en fonction de la position de l'appareil. En mode NORMAL , cette symbologie est parfaitement adaptée au pilotage et à la navigation. Cependant, si une possibilité de collision se présente, elle peut se révéler trop complexe pour permettre au pilote de faire les manoeuvres indispensables à la survie de l'appareil. L'objet de l'invention est de présenter, dans le viseur Tête Haute, 30 une symbologie ergonomique simplifiée permettant : • D'améliorer la perception par l'équipage de sa situation vis à vis du terrain ; • De faire comprendre les manoeuvres possibles d'évitement ; • De mettre à disposition du pilote les informations de guidage 35 nécessaires à l'exécution d'une manoeuvre d'évitement latéral lorsque plus aucune manoeuvre d'évitement vertical de type "Pull-Up" n'est possible. Cette manoeuvre est réalisée en pilotage manuel. Les informations nécessaires à la génération de cette symbologie sont issues des algorithmes de calcul . développés dans le cadre des fonctionnalités mises en oeuvre dans le système GCAM. Ces algorithmes permettent de calculer les informations nécessaires pour présenter en temps réel les informations sur le viseur Tête Haute. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de visualisation dit Tête Haute ou HUD pour aéronef comprenant des moyens de générer, de collimater et de superposer des symboles sur le paysage extérieur destinés à aider au pilotage de l'aéronef dans les plans horizontal et vertical, caractérisé en ce que lesdits symboles sont au moins deux barres parallèles verticales identiques de dimension angulaire sensiblement égale au champ angulaire vertical du dispositif de visualisation Tête Haute, les positions desdites barres dans le plan horizontal étant représentatives des limites du chemin de dégagement de l'aéronef. Avantageusement, une barre horizontale est disposée entre les deux barres parallèles verticales de façon à former un H, la position dans le plan vertical de ladite barre horizontale étant représentative de l'altitude plancher que doit maintenir l'aéronef. Avantageusement, lorsque les limites du chemin de dégagement de l'aéronef sont situées dans le champ angulaire du dispositif de visualisation Tête Haute, les barres sont représentées en traits pleins, lorsque les limites du chemin de dégagement de l'aéronef sont situées hors du champ angulaire du dispositif de visualisation Tête Haute, les barres sont représentées en traits pointillés. Avantageusement, la distance angulaire séparant les deux barres parallèles est d'environ cinq degrés et chaque barre est symbolisée par deux traits parallèles distants d'environ un milliradian, la valeur de l'altitude plancher étant indiquée au niveau de la barre horizontale. Avantageusement, une flèche horizontale ou verticale disposée 35 dans l'axe du dispositif de visualisation Tête Haute indique la direction de la manoeuvre à effectuer, la flèche étant clignotante tant que la manoeuvre à effectuer est en cours. Avantageusement, le symbole représentant le vecteur vitesse comporte deux indications représentant respectivement les pourcentages des poussées maximales possibles des réacteurs situés à gauche et à droite de l'aéronef. Avantageusement, les valeurs du facteur de charge subit par l'aéronef et de l'angle d'incidence sont également affichées et lorsque les limites autorisées desdites valeurs sont atteintes, celles-ci sont présentées encadrées. 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 1 représente le synoptique général d'un système GCAM ; - la figure 2 représente une symbologie classique de viseur tête haute selon l'art antérieur ; - les figures 3 à 5 représentent la symbologie selon l'invention 20 dans différentes configurations de vol. A titre d'exemples non limitatifs, la nouvelle symbologie allégée selon l'invention est représentée sur les figures 3, 4 et 5. Elle est représentée telle que vue par le pilote. Les figures 3 et 4 représentent la symbologie dans 25 les modes LATERAL PROXIMITY ou CAUTION , la figure 5 représente la symbologie dans le mode WARNING . Les nouveaux symboles selon l'invention sont représentés en traits gras. Les limites du champ du viseur sont représentées par un rectangle à pans coupés. 30 Cette symbologie comprend essentiellement des symboles permettant au pilote de piloter l'appareil dans les plans horizontal et vertical. Les symboles d'aide au pilotage dans le plan horizontal sont : • Des symboles de position du chemin de dégagement ; • Des symboles d'ordre de virage à droite ou à gauche. 35 Les symboles d'aide au pilotage dans le plan vertical sont : • Un symbole d'altitude plancher ; • Un symbole d'ordre de montée ; • Des symboles de poussées de moteur ; • Un symbole de facteur de charge ; • Un symbole d'angle d'incidence. Ces symboles sont détaillés ci-dessous. Le symbole de position du chemin de dégagement indique où se trouve le secteur de virage préconisé par rapport à l'axe de l'avion. Il est symbolisé par deux barres ou poteaux parallèles verticaux occupant la quasi-totalité du champ visuel vertical du viseur Tête Haute. Ces traits sont représentés sous les références 102A, 102B, 102C, 102D sur les figures 3 à 5. Préférentiellement, l'écart minimum de cap entre les deux poteaux est de cinq degrés de façon à permettre une bonne lisibilité et de bonnes performances de pilotage. Chaque barre peut être représentée par deux traits rapprochés parallèles. L'écart entre les deux traits d'une barre est, dans ce cas, d'un milliradian. Lorsque le secteur de virage se trouve dans le champ du viseur, comme indiqué sur les figures 3 et 5, les poteaux 102A et 102B sont représentés en traits pleins, lorsque le secteur de virage se trouve hors du champ du viseur, comme indiqué sur la figure 4, les poteaux 102C et 102D sont représentés en traits pointillés. Lorsque l'avion amorce son virage, les poteaux se translatent horizontalement et regagnent progressivement le centre du champ du viseur. Les symboles d'ordre de virage à droite 100 ou à gauche 101 indiquent la direction du secteur de virage. Ils sont représentés par une flèche droite horizontale disposée dans l'axe de visée et dont la direction indique la direction de virage. Ils sont représentés sous les références 100 et 101 sur les figures 3 et 4. Ces symboles peuvent clignoter tant que le virage n'est pas terminé, la période de clignotement pouvant être de la seconde. Le symbole d'altitude plancher indique, de manière angulaire, la position de l'obstacle à franchir par rapport au porteur. Ce symbole indique dans le secteur défini par le symbole de position du chemin de dégagement l'altitude de franchissement minimum fournie par le système GCAM. Il est symbolisé par une barre horizontale située entre les poteaux précédents et délimitée par eux. Elle est représentée sous les références 103A et 103B sur les figures 3 à 5. Lorsque l'altitude est fournie par le système GCAM, elle est donnée en pieds par rapport au niveau moyen de la mer par un compteur à cinq chiffres située au-dessus de la barre horizontale. Si la valeur de l'altitude n'est pas fournie, la barre horizontale représente alors une pente minimum à tenir. En dynamique, la barre horizontale accompagne le mouvement des poteaux indiquant la position du chemin de dégagement et se translate également dans le plan vertical en fonction des variations de l'altitude plancher. Le symbole d'ordre de montée indique au pilote qu'il faut impérativement monter, manoeuvre dite de pull-up. II est représenté par une flèche droite verticale disposée dans l'axe de visée. II est représenté sur la figure 5 sous la référence 200. Ce symbole peut clignoter tant que la montée n'est pas terminée, la période de clignotement pouvant être de la seconde. Les symboles poussée moteur gauche référencés 201 et 202 sur les figures 3 à 5 représentent les poussées respectives des réacteurs situés à gauche et à droite de l'appareil. Ils sont figurés par des compteurs à trois chiffres représentant le pourcentage de la poussée maximale possible des réacteurs. Ces compteurs sont disposés sous les ailes du symbole représentant le vecteur vitesse, classiquement représenté par un cercle prolongé de deux traits horizontaux et surmonté d'un trait vertical sensé représenté l'appareil. Ces informations permettent au pilote de ne pas avoir à tourner la tête pendant les manoeuvres délicates d'évitement. Le symbole facteur de charge référencé 203 sur les figures 3 à 5 représente le facteur de charge courant subit par l'avion. Cette information est importante pour les avions classiques non protégés par des commandes de vol électriques. Il est représenté par un compteur à deux chiffres, indiquant le nombre de g relatifs subi par l'appareil. Lorsque la limite avion autorisée est atteinte, la valeur est encadrée. Le symbole d'angle d'incidence représente l'angle d'incidence courant de l'avion. Il est référencé 204 sur les figures 3 à 5. Cette information est également importante pour les avions classiques non protégés par des commandes de vol électriques. Il est représenté par un compteur à deux chiffres, indiquant l'angle en degrés décimaux. Lorsque la limite avion autorisée est atteinte, la valeur est encadrée. Le pilotage à l'aide de cette nouvelle symbologie est simple. En cas d'alerte, le pilote doit déconnecter le pilote automatique et/ou l'auto-manette - piloter au vecteur vitesse et le positionner entre les "poteaux de rugby" déterminés par les deux barres verticales du symbole de position du chemin de dégagement et au-dessus de la barre horizontale de l'altitude plancher - surveiller dans le HUD l'incidence, le facteur de charge, l'assiette, le roulis et le taux d'accélération - surveiller la poussée des moteurs. Cette symbologie peut s'appliquer à un grand nombre d'aéronefs. Les types d'aéronefs concernés sont aussi bien des aéronefs à voilure tournante qu'à voilure fixe dans des conditions météorologiques de type VMC/IMC, acronymes signifiant Visual Meteorological Conditions et Instrumental Meteorological Conditions et sous des règles de vol de type IFRNFR. Cependant, elle s'applique tout particulièrement à l'aviation commerciale avec transports de passagers et aux avions cargo dans les conditions de vol en croisière avec départ et arrivée sur des aérodromes aménagés avec une altitude suffisante au-dessus des obstacles ou basse par rapport aux obstacles naturels environnants. Elle s'applique également aux missions spéciales de sécurité civile ou d'incendie dans les conditions de vol en basse altitude avec départ et arrivée sur des aérodromes aménagés ainsi que sur des terrains de fortune. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation dit Tête Haute ou HUD pour aéronef comprenant des moyens de générer, de collimater et de superposer des symboles sur le paysage extérieur destinés à aider au pilotage de l'aéronef dans les plans horizontal et vertical, caractérisé en ce que lesdits symboles sont au moins deux barres (102A, 1026, 102C, 102D) parallèles verticales identiques de dimension angulaire sensiblement égale au champ angulaire vertical du dispositif de visualisation Tête Haute, les positions desdites barres dans le plan horizontal étant représentatives des limites du chemin de dégagement de l'aéronef. 2. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une barre horizontale (103A, 103B) est disposée entre les deux barres parallèles verticales de façon à former un H, la position dans le plan vertical de ladite barre horizontale étant représentative de l'altitude plancher que doit maintenir l'aéronef. 3. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lorsque les limites du chemin de dégagement de l'aéronef sont situées dans le champ angulaire du dispositif de visualisation Tête Haute, les barres (102A, 102B) sont représentées en traits pleins, lorsque les limites du chemin de dégagement de l'aéronef sont situées hors du champ angulaire du dispositif de visualisation Tête Haute, les barres (102C, 102D) sont représentées en traits pointillés. 4. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance angulaire séparant les deux barres parallèles (102A, 102B) est d'environ cinq degrés et que chaque barre est symbolisée par deux traits parallèles distants d'environ un milliradian. 5. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la valeur de l'altitude plancher est indiquée au niveau de la barre horizontale. 6. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une flèche (100, 101, 200) horizontale ou verticale disposée dans l'axe du dispositif de visualisation Tête Haute indique la direction de la manoeuvre à effectuer. 7. Dispositif de visualisation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la flèche (100, 101, 200) est clignotante tant que la manoeuvre à effectuer est en cours. 8. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce le symbole représentant le vecteur vitesse comporte deux indications (201, 202) représentant respectivement les pourcentages des poussées maximales possibles des réacteurs situés à gauche et à droite de l'aéronef. 9. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les valeurs du facteur de charge (203) subit par l'aéronef et de l'angle d'incidence (204) sont également affichées. 10. Dispositif de visualisation selon la revendication 9, caractérisé en ce que lorsque les limites autorisées desdites valeurs sont atteintes, celles-ci sont présentées encadrées.20