Brevet FR2916569A1 — publié le 20081128

Dispositif de visualisation pour aéronef comprenant des moyens d'affichage d'une symbologie de pilotage 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 capteurs permettant de déterminer la position de l'appareil par rapport au sol, son attitude et sa vitesse. Les visualisations concernées sont essentiellement le viseur Tête Haute ainsi que les écrans Tête Basse de pilotage et de navigation comme les Navigation Display et les Primary Flight Displays . 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 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. II 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 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 , 35 o Maintenir l'attention sur le vecteur vitesse de l'avion ; 30 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. Les planches de bord des aéronefs modernes comportent des visualisations dites écrans Tête Basse de pilotage et de navigation comme les Navigation Display et les Primary Flight Display . Un exemple de symbologie présente sur un Primary Flight Display est représentée en figure 2. Elle comprend classiquement : • dans sa partie supérieure, un indicateur 100 d'attitude de l'aéronef appelé encore horizon artificiel entouré des indicateurs de vitesse-air 300, de vitesse verticale et d'altitude 200 ; • dans sa partie inférieure, une rose des caps 400 avec les indications classiques de route et d'écarts de route. L'objet de l'invention est de présenter sur un écran de type Primary Flight Display une symbologie ergonomique simplifiée permettant d'améliorer la perception par l'équipage de sa situation vis à vis du terrain et de lui faire comprendre les manoeuvres possibles d'évitement. 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 l'écran de navigation. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de 35 visualisation pour aéronef comprenant des moyens de générer et d'afficher des symboles de pilotage et de navigation, caractérisé en ce que lesdits symboles sont au moins, d'une part un premier symbole représentant la direction courante du vecteur vitesse inertiel et d'autre part un second symbole représentant l'attitude que doit suivre l'aéronef, lesdits symboles étant affichés en superposition sur la représentation d'un indicateur d'attitude, de type horizon artificiel. Avantageusement, le second symbole représente soit une consigne de pente, représentée graphiquement par un U dont les branches représentent la route à suivre par l'aéronef, soit encore le directeur d'ordre en assiette et en roulis de l'aéronef, figuré graphiquement par deux barres parallèles dont l'inclinaison et la position sont représentatives du roulis et de l'assiette à tenir par l'aéronef. Avantageusement, la symbologie comporte un troisième symbole donnant la valeur de l'altitude plancher nécessaire pour passer un obstacle, et un quatrième symbole en forme de flèche située dans la zone de l'indicateur de vitesse et indiquant la vitesse optimale pour tenir une pente maximale en montée nécessaire pour passer un obstacle. Avantageusement, la couleur du premier, du second, du troisième et du quatrième symbole est le magenta. Avantageusement, la symbologie comporte un cinquième symbole qui est une échelle rapportée dans l'indicateur de vitesse verticale, comportant deux zones de couleur différente, une première zone indiquant les vitesses verticales minimales calculées pour passer un obstacle, une seconde zone indique les vitesses verticales à éviter. Avantageusement, l'indicateur de situation horizontale ou HSI est d'une part allégé de toutes les informations de radionavigation et d'autre part comporte un sixième symbole correspondant à un secteur de routes préconisé, représenté par un secteur angulaire centré sur la rose des caps. De plus, la symbologie peut comporter un septième symbole constitué par un ensemble de deux compteurs représentant les poussées des réacteurs gauches et droits de l'aéronef et également un huitième symbole constitué par un ensemble de messages permettant au pilote de comprendre les trajectoires proposées pour guider l'aéronef. 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 5 GCAM ; - la figure 2 représente une symbologie classique d'un écran de type PFD selon l'art antérieur ; - la figure 3 représente la symbologie selon l'invention représentée dans un afficheur de type PFD ; 10 - la figure 4 est un agrandissement de la partie centrale de la figure 3 ; - la figure 5 représente une variante de la symbologie représentée en figure 4. 15 A titre d'exemples non limitatifs, la nouvelle symbologie selon l'invention est représentée sur les figures 3, 4 et 5 et est détaillée ci-dessous. Bien entendu, les symbologies selon l'invention peuvent comporter tout ou partie de ces symboles et leur position et leur forme ne sont données qu'à titre indicatif. 20 La première symbologie est affichée dans la zone de l'horizon artificiel. Elle comprend deux symboles 501 et 502 représentant l'attitude que doit adopter l'aéronef. Il existe deux grandes représentations possibles de cette symbologie. 25 Dans une première représentation montrée sur les figures 3 et 4, la symbologie comprend : • un premier symbole 501 représentant la direction courante du vecteur vitesse inertiel. Le pilote utilise ce symbole pour gérer la pente de la trajectoire suivie par l'avion. Il est représenté par le 30 symbole classique du vecteur vitesse, c'est-à-dire par un cercle prolongé de deux traits horizontaux et surmonté d'un trait vertical sensé représenté l'appareil en vue arrière ; • un second symbole 502 représentant une consigne de pente et de direction à tenir calculée en temps réel. Le pilote doit maintenir son 35 appareil de façon à placer dans cette zone le vecteur vitesse. Les limites de cette zone sont représentées par un U. Si les barres du U sortent du champ de l'horizon, on les représente, dans ce cas, en pointillés. Dans une seconde représentation montrée sur la figure 5, le symbole 502 est remplacé par le symbole 503 qui indique la zone dans laquelle le pilote doit placer les ailes de l'appareil, ce symbole correspond au directeur d'ordre en assiette et en roulis. II comprend essentiellement deux barres identiques parallèles dont l'inclinaison correspond au roulis de l'appareil et la position par rapport à la ligne d'horizon à son assiette. Les dimensions de ce symbole sont calculées en fonction de marges liées au pilotage manuel. Classiquement, l'assiette et le roulis doivent être tenues au degré près. Ce symbole est utilisé pour les avions classiques non protégés par des commandes de vol électriques. Il est plus facile pour un pilote de gérer ces deux paramètres primaires. Le troisième symbole 504 donne la valeur de l'altitude plancher calculée pour passer un obstacle. Il est situé au-dessus de l'indicateur d'altitude. Le calcul tient compte des performances de l'avion et de sa configuration courante, en particulier de la position des volets et des trains d'atterrissage. L'altitude est exprimée en pieds par un compteur à cinq chiffres dont le dernier chiffre est toujours un zéro. Le quatrième symbole 509 est une flèche située dans la zone de l'indicateur de vitesse et indiquant la vitesse optimum exprimée en noeuds calculée par le système GCAM pour tenir une pente maximum en montée nécessaire pour passer un obstacle. Le calcul tient compte des performances de l'avion et de la configuration courante. La couleur de ces différents symboles 501, 502, 503, 504 et 509 est le magenta. Le cinquième symbole 505 est une échelle rapportée dans l'indicateur de vitesse verticale, exprimée généralement en pieds par minute. Cette échelle comporte deux zones de couleur différente. Une première zone indique les vitesses verticales minimales calculées pour passer un obstacle. Une seconde zone indique les vitesses verticales à éviter. Le calcul de la position de la première zone tient compte des performances de l'avion, de la configuration courante correspondant à la position des volets et des trains et des obstacles voisins. Le pilote doit mettre l'aiguille blanche 505A de l'indicateur de vitesse verticale qui représente la vitesse verticale courante de l'aéronef dans la première zone. La première zone est préférentiellement de couleur verte et la seconde zone de couleur ambre. Le sixième symbole 506 est situé dans la zone dite HSI, acronyme de Horizontal Situation Indicator ; Il correspond au secteur de routes préconisé par le système GCAM. Il est représenté par un secteur angulaire centré sur la rose des caps. L'angle au centre de ce secteur angulaire a une valeur minimale de dix degrés pour des raisons de performances de pilotage manuel permettant une tenue de cap à cinq degrés près de chaque coté de l'axe de l'aéronef. La rose des caps est allégée de toutes les informations de type radionavigation comme les indications de VOR, d'ADF et ILS. Le secteur est préférentiellement de couleur verte. Le septième symbole 507 est un ensemble de deux compteurs représentant les poussées des réacteurs gauche et droit. Les compteurs comportent trois chiffres et correspondent au pourcentage des poussées maximales possibles. Ainsi, le pilote peut avoir cette information sans avoir à la chercher sur son écran multifonction. En phase critique de dégagement qui est nécessairement stressante et qui doit se faire dans un temps court, le pilote n'a plus à tourner la tête vers les équipements moteurs et on minimise ainsi sa charge de travail. Le huitième symbole 508 est un ensemble de messages permettant au pilote de comprendre les trajectoires proposées. A titre d'exemples, Les messages suivants de type "caution" sont disponibles. Ces messages sont de couleur ambre : • CLEAR OF TERRAIN • CAUTION Les messages suivants de type "warning" sont disponibles : • PULL UP • PULL UP - TURN RIGHT • PULL UP - TURN LEFT • AVOID TERRAIN • AVOID TERRAIN - TURN RIGHT • AVOID TERRAIN - TURN LEFT Ces messages sont écrits en rouges. Tous les messages sont centrés sur la ligne exceptés ceux qui contiennent des consignes de virage comme TURN LEFT ou RIGHT. Ils sont alors positionnés à droite ou à gauche de l'écran suivant la direction de virage à effectuer. On peut les disposer au-dessous des messages de la zone de pilotage automatique. 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 I FRNFR. 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 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 pour aéronef comprenant des moyens de générer et d'afficher des symboles de pilotage et de navigation, caractérisé en ce que lesdits symboles sont au moins, d'une part un premier symbole (501) représentant la direction courante du vecteur vitesse inertiel et d'autre part un second symbole (502, 503) représentant l'attitude que doit suivre l'aéronef, lesdits symboles étant affichés en superposition sur la représentation d'un indicateur d'attitude, de type horizon artificiel. 2. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second symbole (502) représente une consigne de pente, représentée graphiquement par un U dont les branches représentent la route à suivre par l'aéronef. 3. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second symbole (503) représente le directeur d'ordre en assiette et en roulis de l'aéronef, figuré graphiquement par deux barres parallèles dont l'inclinaison et la position sont représentatives du roulis et de l'assiette à tenir par l'aéronef. 4. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la symbologie comporte un troisième symbole (504) donnant la valeur de l'altitude plancher nécessaire pour passer un obstacle. 5. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la symbologie comporte un quatrième symbole (509) en forme de flèche située dans la zone de l'indicateur de vitesse et indiquant la vitesse optimale pour tenir une pente maximale en montée nécessaire pour passer un obstacle.30 6. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couleur du premier, du second, du troisième et du quatrième symbole est le magenta. 7. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la symbologie comporte un cinquième symbole (505) qui est une échelle rapportée dans l'indicateur de vitesse verticale, comportant deux zones de couleur différente, une première zone indiquant les vitesses verticales minimales calculées pour passer un obstacle, une seconde zone indique les vitesses verticales à éviter. 8. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indicateur de situation horizontale ou HSI est d'une part allégé de toutes les informations de radionavigation et d'autre part comporte un sixième symbole (506) correspondant à un secteur de routes préconisé, représenté par un secteur angulaire centré sur la rose des caps. 9. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la symbologie comporte un septième symbole (507) constitué par un ensemble de deux compteurs représentant les poussées des réacteurs gauches et droits de l'aéronef. 10. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la symbologie comporte un huitième symbole (508) constitué par un ensemble de messages permettant au pilote de comprendre les trajectoires proposées pour guider l'aéronef.