Brevet FR2910679A1 — publié le 20080627

PROCEDE D'AMELIORATION DU CALCUL PAR FMS DE ROUTE ET DE PREDICTIONS 4:D POUR DES INSTRUCTIONS ATC TACTIQUES La présente invention se rapporte à un procédé d'amélioration du calcul par FMS de route et prédictions 4D (3D + temps) dans le cadre de consignes de vol tactiques reçues de centres de contrôle aérien et communément appelées clairances ATC tactiques . Dans le domaine des systèmes de gestion du vol (FMS), le problème technique à résoudre est lié à l'utilisation par le sol des prédictions calculées par le FMS le long du plan de vol (Altitude, Vitesse, Carburant, Heure de passage, pour chaque point du plan de vol). Dans de récentes études, il est apparu qu'une amélioration significative de la capacité et de la sécurité pour les futurs systèmes ATM ( Air Traffic Management ou gestion du trafic aérien) résidait d'une part dans la collaboration entre les acteurs au sol (ATC) et à bord (aéronefs), en particulier la synchronisation des données de route et de vol, et d'autre part dans la prédictabilité déterministe de la situation 4D du trafic dans l'espace aérien contrôlé. Les acteurs au sol peuvent utiliser les prédictions issues des aéronefs pour organiser le trafic, lisser la densité d'aéronefs dans chaque secteur de contrôle, anticiper les regroupements et découpages dynamiques de secteurs de contrôle, séquencer plus efficacement les aéronefs dans les procédures terminales, et enfin pouvoir déployer un système ATM de bout en bout (concepts 4D et Gate to Gate ). Toutes ces opérations nécessitent à la fois une synchronisation régulière et une précision des prévisions de trajectoire effectuées au sol et à bord . Les systèmes actuels de gestion du vol (FMS) permettent de calculer de façon précise ces prédictions tant que l'aéronef suit son plan de vol. La problématique réside dans la qualité de ces prédictions quand l'aéronef n'est plus guidé sur le plan de vol de référence, en particulier suite à une instruction contrôleur lui enjoignant de quitter provisoirement son plan de vol initial, et n'a pas de consigne lui disant où et quand il peut ou doit retourner sur ce plan de vol initial. On parle dans ce cas d' instructions tactiques qui sont généralement ouvertes c'est à dire sans limitation dans l'espace ou le temps. 2910679 2 Ceci se produit en particulier quand le contrôleur doit gérer deux types de situation : un conflit potentiel avec un autre aéronef, assurer la séparation longitudinale avec l'aéronef précédent ou suivant en 5 rallongeant ou en raccourcissant la trajectoire de l'aéronef en vue d'un atterrissage. Le contrôleur demande alors, de façon ponctuelle, à l'aéronef de prendre un cap (cas le plus fréquent car le plus rapide à mettre en oeuvre), ou une consigne d'altitude, puis ramène l'aéronef sur trajectoire initiale dès que la situation nominale 10 (séparation) est rétablie. Il arrive aussi de réguler avec une consigne de vitesse mais dans des cas très limités car cela n'est pas toujours possible (si l'avion est aux limites de son enveloppe de vol), l'exécution prend du temps, n'est pas très perceptible par le contrôleur, et n'impacte pas significativement la trajectoire, et surtout cela peut engendrer du retard à l'arrivée. 15 Dans la très grande majorité des cas, la modification ponctuelle de trajectoire s'effectue au sein d'un seul secteur de contrôle, compte tenu de la LOA ( Letter Of Agreement ) qui impose à un secteur A de transmettre un aéronef à un secteur B en un point 3D (position/altitude) donnée, et à une vitesse donnée. Cependant, tant que l'aéronef est pris en tactique , le FMS ne sait plus 20 calculer correctement le point auquel il rejoint son plan de vol initial, car il ne sait pas quand la consigne tactique va s'arrêter et lui permettre de retourner sur la trajectoire initiale. Par défaut, les prédictions calculées par l'aéronef supposent qu'il rejoint immédiatement la route initiale. Dans le concept 4D, ces prédictions sont insuffisamment précises et peuvent perturber l'ensemble du trafic. Dans ces 25 conditions, il n'est pas possible d'améliorer les capacités de l'espace aérien comme requis par les plans de capacité futurs. La présente invention a pour objet un procédé d'amélioration du calcul par FMS de route et prédictions 4D dans le cadre de consignes de vol tactiques ATC, procédé qui permette au FMS d'un aéronef d'effectuer ses prédictions habituelles de 30 façon la plus précise possible lorsqu'il a quitté ou prévoit de quitter son plan de vol 2910679 3 initial suite à une instruction de contrôleur aérien en cours ou prévue, et n'a pas de consigne lui disant où et. quand retourner sur le plan de vol initial. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à transmettre à bord les informations permettant au système FMS de connaître les 5 points de croisement de trafic et les changements de secteur de contrôle, et d'utiliser cette information pour prédire les coordonnées du point auquel il est censé rejoindre son plan de vol initial au plus tôt après le point de croisement qui a exigé une altération de trajectoire et au plus tard sur le dernier point du secteur en cours. Compte tenu de la taille des secteurs de contrôle, ce système garantit des prédictions 10 plus fiables qu'auparavant. Selon une caractéristique de l'invention, lorsque la route d'un autre aéronef, passant par le point de croisement de trafic, est connue, tant que l'aéronef n'a pas croisé cette route, le FMS calcule une route aéronef-vers un point où l'aéronef croise ladite route en gardant son cap, suivie d'une route d'interception de sa route initiale 15 pour intercepter cette dernière en un point de convergence situé sur sa route initiale. Selon une autre caractéristique de l'invention, le point de convergence est un point du plan de vol initial, ou bien un point limite de transition calculé entre le secteur actuel et le secteur suivant. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'interception de la route 20 initiale se fait avec un angle de convergence nominal d' environ 45 ou bien avec un angle de convergence nominal d'une valeur dépendant de la procédure volée. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque le point d'interception de la route initiale se trouve en dehors du secteur dans lequel se trouve l'aéronef, l'interception de cette route initiale se fait avec un angle de convergence supérieur à 25 l'angle de convergence nominal. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque la route d'un autre aéronef est connue et que l'aéronef en question a croisé le point de croisement avec cette route, mais n'a toujours pas reçu d'instruction de retour vers le plan de vol initial, son FMS considère que l'aéronef va poursuivre son cap jusqu'à pouvoir 30 prendre le cap de convergence nominal vers un point du plan de vol initial, situé à la sortie du secteur dans lequel il se trouve. 2910679 4 Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque la route d'un autre aéronef n'est pas connue, le FMS de l'aéronef en question calcule directement le point extrapolé à partir du point de croisement avec cette route à cap sélecté constant, pour lequel l'aéronef peut revenir intercepter sa route initiale pour qu'il y 5 ait interception à l'angle de convergence nominal de la route initiale. Selon une autre caractéristique de l'invention, le point de convergence est un point de transition du plan de vol initial, ou bien un point limite entre le secteur actuel et le secteur suivant. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description 10 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 bloc-diagramme simplifié d'un système de gestion de vol classique (FMS), auquel est appliquée l'invention, et - la figure 2 est un exemple de plan de vol servant à expliquer la mise 15 en oeuvre du procédé de l'invention. L'invention est décrite ci-dessous en référence à la réception de clairances tactiques numériques, transmises par liaison de données (dite CPDLC), mais il est bien entendu qu'elle peut également être mise en oeuvre dans le cas de clairances vocales, pourvu que les messages CPDLC correspondants puissent être sélectionnés 20 par l'équipage et transmis au FMS, et dans ce cas, le système FMS détecte les consignes de cap, altitude et vitesses entrées directement par le pilote automatique (consignes dites sélectées ). Par contre, pour un vol entièrement manuel (c'est-à-dire au manche ), ce système est moins applicable car les intentions du pilote sont difficilement interprétables par un système embarqué. Dans ce cas, on effectue 25 d'autres hypothèses, comme un retour immédiat au plan de vol (hypothèse actuelle) en tenant cependant toujours compte dans les prédictions d'une rejointe nominale à environ 45 (ou moins selon besoin). Sur le bloc-diagramme simplifié d'un dispositif de gestion de vol (dit FMS) classique d'aéronef de la figure 1, qui est doté d'une interface homme-machine 30 IHM, on a représenté les fonctions suivantes du FMS, décrites dans la norme ARINC 702 (Advanced Flight Management Computer System, Dec 1996). Elles 2910679 5 assurent normalement tout ou partie des fonctions de : • Navigation LOCNAV, référencée 1, pour effectuer la localisation optimale de l'aéronef en fonction des moyens de géo-localisation (GPS, GALILEO, balises radios VHF, centrales inertielles, référencés lA dans leur ensemble) , 5 • Plan de vol FPI.N, référencé 2, pour saisir les éléments géographiques constituant le squelette de la route à suivre, à savoir : procédures de départ et d'arrivée, points de passage ( waypoints ), autoroutes du ciel ( airways ), • Base de données de navigation NAV DB, référencée 3, pour construire des routes géographiques et des procédures à partir de données incluses dans les 10 bases (points, balises, legs d'interception ou d'altitude...) , • Base de données de performance PRF DB, référencée 4, contenant les paramètres aérodynamiques et ceux des moteurs de l'appareil, • Trajectoire latérale TRAJ, référencée 5, pour construire une trajectoire continue à partir des points du plan de vol, respectant les performances de 15 l'aéronef et les contraintes de confinement (RNP) ; • Fonction de prédiction PRED, référencée 6, pour construire un profil vertical optimisé sur la trajectoire latérale, • Guidage, GUID, référencé 7, pour guider dans les plans latéraux et verticaux l'aéronef sur sa trajectoire 3D, tout en optimisant la vitesse, en liaison avec le 20 pilote automatique 8, • Liaison de données numériques DATALINK , référencée 9, pour communiquer avec les centres de contrôle et les autres aéronefs, référencés 10. Les clairances tactiques , qui font sortir l'aéronef de son plan de vol, et 25 telles que définies par les normes internationales (SARPS ATN de l'OACI) sont, par exemple : UM94 - TURN [direction] HEADING [degrees] UM95 - TURN [direction] GROUND TRACK [degrees] UM96 - CONTINUE PRESENT HEADING 30 UM98 - IMMEDIATELY TURN [direction] HEADING [degrees] UM 190 - FLY HEADING [degrees] 2910679 6 UM215 - TURN [direction] [degrees] UM221 - STOP TURN HEADING [degrees] La présente invention décrit l'utilisation de ce type de clairance, étant 5 entendu qu'il s'agit d'un exemple qui ne préjuge pas de la portée plus globale de l'invention. A la réception d'une clairance tactique numérique du centre ATC (reçue par le bloc I)ATALINK 9 du FMS), le FMS modifie le plan de vol (fonction FPLN référencée 2) pour prendre en compte la clairance. D'un autre côté, le FMS a connaissance de la géométrie des secteurs 10 (transmis sous forme de polygones) dont un exemple est représenté en figure 2, et peut donc connaître les points stratégiques du secteur sur sa route (point de croisement des routes aériennes PT2 , PT3 et PT4, et point de transition PT5 entre le secteur actuel et le suivant selon la LOA). Sur la figure 2, le plan de vol de l'aéronef est en trait noir épais. Les points 15 de passage sont symbolisés par des croix référencées PT1 à PT5. Les frontières entre secteurs sont référencées 11 et l'aéronef est représenté par un triangle référencé 12. Le plan de vol courant (juste avant la réception de la clairance tactique) est PT2 (FROM), PT3 (TO), PT4, PT5, PT6, PT7, c'est-à-dire que l'aéronef se trouve alors au point PT2 et que son prochain point de passage es PT3, les suivants étant PT4 à 20 PT7. La figure 2 a été représentée au moment où l'aéronef 12 a été sorti du plan de vol par le contrôle ATC, via une instruction de prise de cap au point PT2, en raison d'un croisement de route au point PT3. Le FMS va considérer, pour le calcul de la trajectoire servant de support aux prédictions, le processus suivant : 25 1. lorsque la route AB d'un autre aéronef, passant par le point PT3 de croisement, est connue, tant que l'aéronef 12 n'a pas croisé cette route, le FMS calcule une route Aéronef-Xi (point où l'aéronef croise la route AB en gardant son cap), suivie d'une route d'interception à un angle nominal d'environ 45 (par exemple, cet angle étant une valeur classique de rejointe 30 en aviation civile mais pouvant être adaptée selon la procédure à voler) de sa route initiale X 1-X2, puis reprise de la route initiale à partir de X2 (X2 2910679 7 étant le point du plan de vol où il rejoint la route initiale). Lorsque le point d'interception à environ 45 de la route initiale se trouve en dehors du secteur dans lequel se trouve l'aéronef 12, l'interception de cette route initiale se fera avec un angle de convergence supérieur à environ 45 , 5 permettant à l'aéronef 12 de rejoindre le point de transition vers le secteur suivant (point PT5 sur la figure, dans le secteur actuel), ou lorsqu'il n'existe pas de point de transition, on considère le point limite (point X4 sur la figure) entre les deux secteurs. 2. lorsque la route AB est connue et que l'aéronef 12 a croisé le point Xl mais 10 n'a toujours pas reçu d'instruction de retour vers le plan de vol initial, son FMS considère que l'aéronef va poursuivre son cap jusqu'à pouvoir prendre un cap de convergence à environ 45 vers un point du plan de vol initial, situé au maximum à la sortie du secteur dans lequel il se trouve (en effet, compte tenu des lettres d'agrément entre secteurs, les passages d'un secteur à 15 l'autre se font sur des points de passage préétablis. Il y a donc une forte probabilité que 1.e contrôleur du secteur en cours gère son conflit et fasse revenir l'appareil sur sa route avant qu'il ne quitte son secteur). Pour cela, le FMS calcule le segment X1-X3, X3 étant le point extrapolé à partir de Xl à cap sélecté constant pour lequel l'aéronef peut revenir intercepter la route 20 initiale. Ce point d'interception de la route initiale est calculé de façon à permettre à l'aéronef de rejoindre au point PT5 la route initiale selon un angle d'environ 45 , le point PT5 étant le point de transition vers le secteur suivant, ou s'il n'y a pas de point de transition, il s'agira du point X4, à la frontière entre les deux secteurs de contrôle. 25 3. Enfin lorsque la route AB n'est pas connue, le FMS calcule directement ce point X3 pour qu'il y ait interception à environ 45 de sa route initiale à la fin du secteur actuel, ou au point de transition de secteur PT5 (comme pour l'hypothèse 2 ci dessus). • On notera que le point de transition (correspondant à la lettre d'agrément 30 entre les secteurs) est aujourd'hui connu et utilisé au sol mais n'est pas fourni à l'aéronef (inutile pour sa navigation). Ce point de croisement est 2910679 8 donc avantageusement récupéré à bord ultérieurement (soit par uplink , soit extrait d'une base de données) . De façon avantageuse, dès la détermination de X2 ou X3, un nettoyage du plan de vol courant est effectué, consistant à effacer les point en amont de X2 5 (PT3 et PT4). Les points X1, X2, ou X1, X2 et X3 sont ajoutés au plan de vol du FMS qui devient : • Dans un premier temps : FROM, Xl, X2, PT5, PT6, PT7 .... 10 • Puis, dans un deuxième temps, si l'aéronef ne reprend pas un cap de convergence en Xl lié à une autorisation de l'ATC de rejoindre sa route initiale : FROM, X1, X3, PT5 (ou X4), PT6, PT7 .... Les prédictions calculées par le FMS de l'aéronef 12 seront effectuées sur ce 15 nouveau plan de vol. REVENDICATIONS 1. Procédé d'amélioration du calcul par FMS de route et prédictions 4D dans le cadre de consignes de vol tactiques reçues de centres de contrôle aérien, caractérisé en ce qu'il consiste à transmettre à bord depuis un centre de contrôle aérien les informations permettant au système FMS de connaître les points de croisement de trafic (Xl) et les changements de secteur de contrôle, et d'utiliser cette information pour prédire les coordonnées du point (X2) auquel il est censé rejoindre son plan de vol initial au plus tôt après le point de croisement qui a exigé une altération de trajectoire et au plus tard sur le dernier point du secteur en cours. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la route (AB) d'un autre aéronef, passant par le point de croisement de trafic (PT3), est connue, tant que l'aéronef (12) n'a pas croisé cette route, le FMS calcule une route aéronef-vers un point (Xl) où l'aéronef croise ladite route (AB) en gardant son cap, suivie d'une route d'interception de sa route initiale (X1-X2) pour intercepter cette dernière en un point de convergence (X2) situé sur sa route initiale. 20 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de convergence est un point du plan de vol initial. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de convergence est un point limite de transition (X4) calculé entre le secteur actuel et le secteur suivant. 25 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'interception de la route initiale se fait avec un angle de convergence nominal d' environ 45 . 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'interception de la route initiale se fait avec un angle de convergence 30 nominal d'une valeur dépendant de la procédure volée. 10 15 5 15 20 2910679 10 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que lorsque le point d'interception de la route initiale se trouve en dehors du secteur dans lequel se trouve l'aéronef, l'interception de cette route initiale se fait avec un angle de convergence supérieur à l'angle de convergence nominal. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la route (A B) d'un autre aéronef est connue et que l'aéronef en question a croisé le point (Xl) de croisement avec cette route, mais n'a toujours pas reçu d'instruction de retour vers le plan de vol initial, son FMS considère que l'aéronef va poursuivre son cap jusqu'à pouvoir prendre le cap de convergence nominal vers un point du plan de vol initial, situé à la sortie du secteur dans lequel il se trouve. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la route (AB) d'un autre aéronef n'est pas connue, le FMS de l'aéronef en question calcule directement le point (X3) extrapolé à partir du point (Xl) de croisement avec cette route à cap sélecté constant, pour lequel l'aéronef peut revenir intercepter sa route initiale pour qu'il y ait interception à l'angle de convergence nominal de la route initiale. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le point de convergence est un point de transition du plan de vol initial. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le point de convergence est un point limite (X4) entre le secteur actuel et le secteur suivant.