Brevet FR2916568A1 — publié le 20081128

Dispositif de visualisation pour aéronef comprenant des moyens d'affichage d'une symbologie de navigation 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. Il 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 celles 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 environ douze secondes, 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 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 appelé 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 Displays . Un exemple de symbologie présente sur un Navigation Display est représentée en figure 2. Elle comprend classiquement une vue de dessus 100 du terrain survolé par l'aéronef représenté sur fond noir avec l'indication de la route 200 à suivre ainsi qu'un certain nombre d'indications concernant le pilotage et la navigation. L'objet de l'invention est de présenter sur un écran de type Navigation Display une symbologie ergonomique simplifiée permettant d'améliorer la perception par l'équipage de sa situation vis à vis du terrain. 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 visualisation pour aéronef comprenant des moyens de générer et d'afficher des symboles de navigation, caractérisé en ce que lesdits symboles sont au moins une flèche représentant la direction du vecteur vitesse sol par rapport à l'axe de l'avion et au moins un ensemble de segments de droite représentant les frontières limites en vue de dessus au-delà desquelles le crash de l'aéronef est inévitable. Avantageusement, la symbologie comporte également un symbole représentatif de la position future de l'aéronef dans le cas où il amorcerait un 5 virage, ledit symbole pouvant être un segment de droite terminé par un cercle, le délai séparant la position actuelle de l'aéronef de sa position future étant d'environ vingt secondes. Avantageusement, la symbologie comporte également un symbole représentatif du secteur de recherche des zones dangereuses par un 10 système de type GCAM, ledit symbole étant un secteur angulaire dont le rayon et l'angle au centre sont variables en temps réel et transmis par le système GCAM. Avantageusement, la symbologie comporte également un symbole représentant la trace au sol de la route de consigne à suivre calculée par le 15 système GCAM, symbolisé par deux ensembles de segments de droite parallèles, la distance séparant les deux ensembles représentant la largeur du chemin de dégagement, chaque ensemble pouvant comprendre au maximum dix segments de droite et la largeur du chemin de dégagement valant de l'ordre de deux Milles Nautiques. 20 De manière préférentielle, la flèche représentant la direction du vecteur vitesse sol et le symbole représentatif de la position future de l'aéronef sont constitués de traits blancs, le secteur de recherche et la trace au sol de la route de consigne sont constitués de traits magenta et les frontières limites sont constituées de traits rouges. 25 Enfin, les symboles sont affichés soit en superposition sur une représentation cartographie en vue de dessus du terrain survolé, soit en superposition sur une représentation en vue de dessus des zones dangereuses comportant un risque de collision avec le relief dans un secteur donné. 30 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 35 GCAM ; - la figure 2 représente une symbologie classique d'un écran de navigation selon l'art antérieur ; - la figure 3 représente la symbologie selon l'invention avec affichage de l'intégralité de la cartographie du terrain survolé ; - la figure 4 est un agrandissement de la partie centrale de la figure 3 ; - la figure 5 représente la symbologie selon l'invention avec affichage des zones dangereuses. A titre d'exemples non limitatifs, la nouvelle symbologie selon l'invention est représentée sur les figures 3, 4 et 5. Les figures 3 et 5 représentent la symbologie dans le mode LATERAL PROXIMITY dans deux configurations différentes. La symbologie selon l'invention est commune aux deux configurations. La figure 4 est un agrandissement de la partie centrale de la figure 3. Dans la première configuration représentée en figure 3, la symbologie selon l'invention est représentée en superposition sur l'intégralité de la cartographie du terrain survolé vu de dessus. Celui-ci est représenté classiquement en fausses couleurs avec un ombrage représentatif du relief. Les fausses couleurs apparaissent en teintes de gris sur la figure 3. Dans la seconde configuration représentée en figure 5, la symbologie selon l'invention est représentée en superposition des zones dangereuses notées 403 et comportant un risque de collision avec le relief dans un secteur donné. Sur la figure 5, le secteur exploré correspond environ au quart supérieur gauche de la figure. Ce mode est appelé TAWS. Dans les deux configurations, l'aéronef 300 est disposé au centre de la figuration afin que le pilote puisse avoir une vue sur 360 degrés de son environnement. II est symbolisé classiquement par une barre verticale coupée d'une grande et d'une petite barre horizontales symbolisant schématiquement un avion en vue de dessus. Dans les deux configurations, les changements d'échelle du terrain sont automatiques. L'échelle la plus appropriée dépend du mode courant du GCAM ( NORMAL , LATERAL PROXIMITY , CAUTION , WARNIN.G ). Le mode de représentation est aussi automatiquement changé en mode ROSE. Le mode ROSE est le seul mode permettant de voir la situation devant et derrière l'aéronef. Il est cohérent avec le fait que le pilote puisse faire un demi-tour suivant les dangers rencontrés par l'aéronef. Les symboles selon l'invention sont détaillés ci-dessous. Le premier symbole 400 est une flèche qui représente la direction du vecteur vitesse sol par rapport à l'axe de l'avion, la longueur de la flèche est indépendante de l'échelle. Elle est préférentiellement de couleur blanche et tourne en temps réel en fonction des mouvements de l'avion. Le second symbole 401 représente la position future de l'aéronef dans le cas où il amorcerait un virage. Le délai séparant la position actuelle de l'aéronef de sa position future est préférentiellement de vingt secondes. Le choix de ce délai de vingt secondes est le résultat d'un compromis entre la lisibilité et la vitesse de déplacement de l'aéronef lors d'un virage au taux standard qui correspond à une rotation complète de 360 degrés en deux minutes, soit 60 degrés en vingt secondes. Ce symbole 401 est représenté par un segment de droite terminé par un cercle. Les traits de ce symbole sont préférentiellement de couleur blanche, l'intérieur du cercle étant noire. Un trait à mi-droite représente la position de l'aéronef à dix secondes. Ce second symbole tourne en temps réel en fonction des mouvements de l'avion. Le troisième symbole 402 représente le secteur de recherche des zones dangereuses du système GCAM. Il est représenté par un secteur angulaire dont le rayon et l'angle au centre sont variables en temps réel et transmis par le système GCAM. Pour des raisons de clarté, sur les figures 3 et 4, les limites de ce secteur sont représentées par des traits blancs. Dans la réalité, la couleur de ce secteur est le magenta. La partie 403 représente la zone venant d'être balayée par le système GCAM. Le quatrième symbole 404 représente le chemin de dégagement ou encore la route de consigne à suivre calculée par le système GCAM. Il indique la trace au sol des limites de la trajectoire à suivre par l'aéronef. Il est symbolisé par deux ensembles de segments de droite parallèles, la distance séparant les deux ensembles représentant la largeur du chemin de dégagement. Chaque ensemble comprend au maximum dix segments de droite. Cette largeur représente une distance de l'ordre de deux Milles Nautiques, elle est transmise par le système GCAM. La largeur affichée dépend de l'échelle de la carte. Les segments de droite sont également de couleur magenta. Le cinquième symbole 405 correspond à l'indication des secteurs dangereux. II représente une frontière limite au-delà de laquelle le crash est inévitable. La frontière est représentée par des segments de droite qui peuvent délimiter des polygones ouverts ou fermés. Plusieurs frontières disjointes peuvent être tracées en temps réel. Ces segments sont préférentiellement de couleur rouge. 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 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 navigation, caractérisé en ce que lesdits symboles sont au moins une flèche (400) représentant la direction du vecteur vitesse sol par rapport à l'axe de l'avion et au moins un ensemble de segments de droite (405) représentant les frontières limites en vue de dessus au-delà desquelles le crash de l'aéronef est inévitable. 2. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la symbologie comporte également un symbole (401) représentatif 10 de la position future de l'aéronef dans le cas où il amorcerait un virage. 3. Dispositif de visualisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit symbole (401) représentatif de la position future de l'aéronef est un segment de droite terminé par un cercle, le délai séparant la position 15 actuelle de l'aéronef de sa position future étant d'environ vingt secondes. 4. Dispositif de visualisation • selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la symbologie comporte également un symbole (402, 403) représentatif du secteur de recherche des zones 20 dangereuses par un système de type GCAM, ledit symbole étant un secteur angulaire dont le rayon et l'angle au centre sont variables en temps réel et transmis par le système GCAM. 5. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que la symbologie comporte également un symbole (404) représentant la trace au sol de la route de consigne à suivre calculée par le système GCAM, symbolisé par deux ensembles de segments de droite parallèles, la distance séparant les deux ensembles représentant la largeur du chemin de dégagement. 30 6. Dispositif de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque ensemble comprend au maximum dix segments de droiteet que la largeur du chemin de dégagement vaut de l'ordre de deux Milles Nautiques. 7. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la flèche (400) représentant la direction du vecteur vitesse sol et le symbole représentatif de la position future de l'aéronef (401) sont constitués de traits blancs, le secteur de recherche (402) et la trace au sol (404) de la route de consigne sont constitués de traits magenta et les frontières limites (405) sont constitués de traits rouges. 8. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les symboles sont affichés en superposition sur une représentation cartographie en vue de dessus du terrain survolé. 9. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les symboles sont affichés en superposition sur une représentation en vue de dessus des zones dangereuses comportant un risque de collision avec le relief dans un secteur donné. 20