Brevet FR2935791A1 — publié le 20100312

SYSTEME ET PROCEDE DE FUSION DES DONNEES METEOROLOGIQUES PREDITES ET MESUREES SUR UN AERONEF La présente invention appartient au domaine des systèmes de gestion de vol (FMS) embarqués sur des aéronefs. Plus précisément, elle s'applique aux modules de prédiction (PRED) et de trajectoire (TRAJ) de vol qui, pour une trajectoire horizontale de l'aéronef reliant les points caractéristiques (waypoints) d'un plan de vol (FPLN), calculent respectivement les trajectoires horizontale et verticale que doit suivre l'aéronef. Les données atmosphériques de température et de vent sont des paramètres importants des calculs. Les FMS de l'art antérieur offrent la possibilité au pilote de définir le long d'un plan de vol un profil de température via la définition de couples altitude/température en plusieurs points caractéristiques du profil d'altitude. Un profil de vent peut également être défini par des couples direction/intensité sur plusieurs niveaux de vol. Ces données sont entrées par le pilote à partir des informations qu'il reçoit en cours de vol, notamment les informations météorologiques à l'aéroport d'arrivée. Cependant, ces données sont issues de mesures par sondes qui peuvent être anciennes car les données de vent sont en général renseignées au moment de la préparation du vol et sont rarement remises à jour. Elles sont donc en décalage important par rapport aux données dynamiques mesurées par les capteurs embarqués. Les avionneurs souhaitent donc que les données météorologiques mesurées soient régulièrement intégrées dans le calcul de prédiction du plan de vol. Une intégration des données brutes à une fréquence définie, qui représente l'état de l'art, présente l'inconvénient de créer des discontinuités d'un leg à l'autre devant l'avion et de fausser notamment les calculs de transitions entre legs. L'invention résout ce problème en prévoyant une stratégie de fusion des 30 données météorologiques mesurées et reçues qui lisse les discontinuités aux bornes de zones de prédictions judicieusement choisies. A cet effet, l'invention prévoit un système de calcul des prédictions de vol d'un aéronef comprenant un module de capture de premières données atmosphériques dans le voisinage de l'avion, un module d'entrée de 35 deuxièmes données atmosphériques à des points caractéristiques devant l'aéronef, caractérisé en ce qu'un module de fusion entre lesdites premières et deuxièmes données réalise un calcul de troisièmes données atmosphériques pour être utilisées dans le calcul de prédictions par pondération des premières et deuxièmes données. Avantageusement, la pondération est linéaire de coefficient K et de formules W=WMx(1-K)+WFxK,T=TMx(1-K)+TFxK. Avantageusement, lesdites premières, deuxièmes et troisièmes données météorologiques comprennent des indicateurs de température et des indicateurs de vent. Avantageusement, le coefficient K est fonction des valeurs des distances projetées horizontale X et verticale H entre le point prédit et la position avion en relation avec des seuils choisis Da, Db, Ha, Hb. Avantageusement, les seuils Da, Db, Ha, Hb sont choisis en fonction d'au moins un des paramètres choisis dans le groupe vitesse horizontale de l'avion, taux de montée, longueur moyenne d'un legs, fiabilité et fréquence du rafraîchissement des prévisions météo en horizontal et en vertical , fréquence du rafraîchissement des PRED du FMS. Avantageusement, les seuils Da, Db, Ha, Hb peuvent être choisis à des valeurs différentes dans un même plan de vol, les critères de choix de valeurs différentes appartenant au groupe phase de vol, géolocalisation. Avantageusement, si X Da et H Ha, alors K = 0. Avantageusement, si X ? Db et H >Hb, alors K = 1. Avantageusement, si si Da Avantageusement, si Da L'invention présente l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre et offre donc des coûts de développement et de validation très réduits. Elle présente également une grande efficacité lorsque l'évolution des données est linéaire. En outre, la solution est d'une grande souplesse, permettant de faire de la fusion de données seulement en altitude ou seulement en distance ou les deux à la fois ; plusieurs lois d'évolution peuvent être facilement intégrées ; la méthode est également adaptable au cas de plusieurs profils différents de vent et/ou de température définis par phase de vol. L'invention sera mieux comprise, ses différentes caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation et de ses figures annexées dont : La figure 1 représente l'interaction des données entrées par le pilote et des données capteurs dans l'utilisation du vent dans les prédictions 15 d'un plan de vol; - La figure 2 représente les différentes parties du plan de vol dans lesquelles le procédé de fusion de données selon un mode de réalisation particulier de l'invention est appliqué ; La figure 3 représente un organigramme général du calcul des 20 prédictions utilisant les différentes valeurs du vent dans un mode de réalisation de l'invention; - La figure 4 représente la fonction de sauvegarde des données de vent en un point prédit donné pour consultation du pilote dans un mode de réalisation de l'invention. 25 Sauf mention contraire, dans la description et les figures, les sigles, acronymes et abréviations ont la signification en français et en anglais indiquée dans le tableau ci-dessous. Sigle/Abréviation Signification ADC Air Data Computer ou Calculateur des données atmosphériques Air Data Inertial Reference Unit ou Unité de référence des données atmosphériques et inertielles AFDX Avionics Full DupleX switched Ethernet ADIRU ALT Altitude CLB Climb ou Phase de montée CRZ Cruise ou Phase de croisière DES Descent ou Phase de descente i FMS Flight Management System ou Système de gestion de vol FPLN Flight Plan ou Plan de vol GNADIRS Global Navigation Air Data Inertial Reference System ou Système de référence des données de navigation, atmosphériques et inertielles GNSS Global Navigation Satellite System ou Système global de navigation par satellites IM4 In+arrraf rl iIar o"ionics ^i i n"ioni que nnnrli ilnire Intégrée IRS Inertial Reference System ou Système de référence inertiel NM PRED SAT TAT TRAJ Nautical Miles ou Milles nautiques (1 NM = 1,856 km) Prediction ou Prédiction Static Air Temperature ou Température atmosphérique statique Total Air Temperature ou Température atmosphérique totale Trajectory ou Trajectoire La figure 1 représente l'interaction des données entrées par le pilote et des données capteurs dans l'utilisation du vent dans les prédictions d'un plan de vol. Le pilote met à jour les données du plan de vol FPLN, 30 en fonction des informations en sa possession, d'une part les messages météorogiques qu'il reçoit du sol 40, d'autre part les informations en provenance du système de calcul des prédictions 10. Le pilote peut également définir et entrer dans le FPLN 30 des profils de variation du vent et de la température qui sont pris io en compte dans le calcul des prédictions par l'intermédiaire d'une interface FPLN 120. Ces profils sont des modèles simples de propagation des mesures en un point vers l'avant de l'avion en fonction de l'évolution de l'altitude. Généralement, on fera une propagation dans les deux axes vertical et horizontal en phase de croisière CRZ et uniquement sur l'axe vertical en phases de montée CLB et de descente DES. Des données de vent et de température projetées WF, TF sont passées par l'intermédiaire de l'interface 120 au système TRAJ/PRED. Le système de calcul des prédictions traite par l'intermédiaire d'une interface 110 de capture des données météorologiques les données en provenance du calculateur 20. Selon l'architecture choisie par l'avionneur, ce calculateur peut être un calculateur de données atmosphiques dans l'environnement de ~o l'avion (ADC, Air Data Computer) et ne traiter que celles-ci : vent en direction et intensité, température (SAT, Static Air Temperature, ou TAT, Total Air Temperature, qui tient compte de la dynamique). Le calculateur choisi peut traiter conjointement les données atmosphériques et les données inertielles (ADIRU, Air Data Inertial Reference Unit) ou traiter en plus les données de 15 navigation issues du GNSS (GNADIRS ou Global Navigation Air Data Inertial Reference System). Dans les trois cas, des mesures de base donnant la vitesse air sont issues d'une pluralité de capteurs comprenant des tubes de Pitot permettant de mesurer la pression dynamique et la pression statique dont la différence constitue la vitesse air. En rapprochant les mesures de 20 vitesse air et les mesures de vitesse sol fournies par la centrale inertielle et le GNSS, on en déduit le vent. Les capteurs de température mesurent la température totale (TAT) dont on déduit la température statique (SAT) par prise en compte de la vitesse air. Les données de vent et de température mesurées WM, TM sont donc passées au système TRAJ/PRED. 25 Dans l'art antérieur, la fusion opérée par le module 130 est un simple remplacement des données projetées par les données mesurées au moment où le point prédit est volé, ce qui entraîne inévitablement des discontinuités et ne permet pas d'optimiser le calcul des prédictions, notamment les transitions entre legs. 30 Selon l'invention, la fusion est opérée de manière à lisser les transitions entre données prédites et données mesurées en appliquant un modèle de propagation, également simple mais automatique, alors que la définition des profils de propagation par le pilote dans le plan de vol est laissée à l'initiative du pilote. 35 La figure 2 représente les différentes parties du plan de vol dans lesquelles le procédé de fusion de données selon un mode de réalisation particulier de l'invention est appliqué. Selon l'invention, la fusion ou � blending � entre données mesurées et 5 données projetées se fait en prenant en compte comme données prédites une pondération des données mesurées WM, TM et des données projetées W F, TF. Cette pondération est préférentiellement linéaire en raison de la simplicité de ce choix. Dans ce cas, les valeurs prédites W et T se calculent par les 10 formules suivantes : W=WMx(1-K)+WFxK (1) T = TM x (1-K) + TF x K (2) où K est un coefficient de pondération. On verra que K varie en fonction de paramètres choisis fonction de la distance entre le point de projection et la position de l'avion. On peut envisager d'autres types de pondération, par exemple une 15 pondération harmonique ou d'autres types de pondération non linéraire où le pourcentage de prise en compte des données mesurées et projetées varie lui-même en fonction de la distance du point de projection à l'avion. Dans le mode de pondération linéaire décrit ici à titre principal mais non exclusif, on définit avantageusement des zones où la pondération est 20 calculée de manières différentes. Sur la figure 2, 5 zones sont ainsi définies par deux seuils de distance horizontale Da, Db et verticale Ha, Hb auxquels on compare les distances horizontale X et verticale H entre le point prédit P et la position de l'avion A1C où les données des capteurs sont mesurées. Nous reviendrons plus loin dans la description sur le choix de ces seuils. 25 Aux deux extrémités définies respectivement par les inégalités (3) et (4) : XDa et HSHa (3) X ? Db et H ?..Hb (4) se situent deux zones (zone 1 et zone 5) où les données prédites sont prises égales aux données mesurées (zone 1) ou aux données prédites (zone 5). Dans le premier cas, K est pris égal à 0 dans les formules (1) et (2). Dans le deuxième cas, K est pris égal à 1. 30 Il y a ensuite deux zones où la pondération ne se fait qu'en altitude (zone 2) ou en distance (zone 3). Ces zones sont définies par les inégalités (5) et (6) : 7 X La première étape du processus consiste à calculer le pas d'intégration deltaD_deltaH. Celui-ci dépend des waypoints sur la route et des modalités de calcul des prédictions. Deux étapes s'exécutent ensuite en parallèle : l'une a pour but de calculer les données projetées, WF en l'espèce, à partir de celles qui ont été entrées par le pilote (données brutes sur plusieurs points, estimées par lui à partir des informations météorologiques et des données prédites des boucles antérieures à sa disposition) ; l'autre pour calculer le coefficient K de pondération entre données mesurées WM et données prédites WF. Lorsque ces deux étapes ont été calculées, il est possible de réaliser le calcul du vent prédit W par les formules indiquées en commentaire à la figure 2. On réitère alors le calcul des prédictions jusqu'à réalisation de la condition de sortie de la boucle, c'est-à-dire quand tout le plan de vol a été prédit.. La figure 4 représente la fonction de sauvegarde des données de vent en un point prédit donné pour consultation du pilote dans un mode de réalisation de l'invention. La fonction de sauvegarde des données prédites en un point est une fonction classique que le système de calcul des prédictions réalise pour la plupart des données prédites. En l'espèce, la consultation par le pilote des données prédites joue un rôle particulier puisque, au vu des données prédites, le pilote peut être amené à modifier les données projetées par le plan de vol, ce qui va entraîner une modification des données prédites elles-mêmes. L'invention peut être mise en oeuvre dans une architecture matérielle de l'art antérieur comprenant un ensemble de calculateurs de vol organisés par exemple dans une architecture modulaire intégrée (IMA) et reliés entre eux par un bus AFDX, avec les redondances permettant d'assurer la certification de l'aéronef. Au plan logiciel, l'invention permet de bien séparer les fonctions d'intégration des données des capteurs, de projection des données et de fusion des données mesurées et projetées, ce qui facilite grandement la conception et le développement des différentes couches du logiciel qui sont largement indépendantes les unes des autres. Ainsi, des évolutions des spécifications sur une de ces couches n'impose ni nouvelle conception d'ensemble ni redéveloppement complet ni nouvelle certification de l'ensemble. Les maintenances corrective et évolutive sont donc grandement facilités et le coût de ces opérations est très sensiblement réduit. De nouveaux modèles de projections dans le FPLN, tels que la possibilité de définir plusieurs profils de vent et de température pour les phases CLB et DES ou plusieurs altitudes de tropopause le long d'un même plan de vol, pourront être pris en compte sans aucune modification de la fonction de fusion elle-même. Les exemples décrits ci-dessus sont donnés à titre d'illustration de modes de 5 réalisation de l'invention. Ils ne limitent en aucune manière le champ de l'invention qui est défini par les revendications qui suivent. 10 REVENDICATIONS1. Système de calcul des prédictions de vol d'un aéronef (10) comprenant un module (110) de capture de premières données atmosphériques (WM, TM) dans le voisinage de l'avion, un module (120) d'entrée de deuxièmes données atmosphériques (WF, TF) à des points caractéristiques devant l'aéronef, caractérisé en ce qu'un module (130) de fusion entre lesdites premières et deuxièmes données réalise un calcul de troisièmes données atmosphériques (W, T) pour être utilisées dans le calcul de prédictions par pondération des premières et deuxièmes données. 2. Système de calcul des prédictions selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pondération est linéaire de coefficient K et de formules W = WM x(1-K)+WFxK,T=TMx(1-K)+TFxK. 3. Système de calcul des prédictions selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites premières, deuxièmes et troisièmes données météorologiques comprennent des indicateurs de température et des indicateurs de vent. 4. Système de calcul des prédictions selon la revendication 2 caractérisé en ce que le coefficient K est fonction des valeurs des distances projetées horizontale X et verticale H entre le point prédit et la position avion en relation avec des seuils choisis Da, Db, Ha, Hb. 5. Système de calcul des prédictions selon la revendication 2 caractérisé en ce que les seuils Da, Db, Ha, Hb sont choisis en fonction d'au moins un des paramètres choisis dans le groupe vitesse horizontale de l'avion, taux de montée, longueur moyenne d'un legs, fiabilité et fréquence du rafraîchissement des prévisions météo en horizontal et en vertical , fréquence du rafraîchissement des PRED du FMS. 6. Système de calcul des prédictions selon la revendication 2 caractérisé en ce que les seuils Da, Db, Ha, Hb peuvent être choisis à des valeurs différentes dans un même plan de vol, les critères de choix de valeurs différentes appartenant au groupe phase de vol, géolocalisation. 7. Système de calcul des prédictions selon la revendication 4 caractérisé en ce que, si X Da et H Ha, alors K = O. 8. Système de calcul des prédictions selon la revendication 4 caractérisé en ce que, si X ? Db et H >_Hb, alors K = 1. 9. Système de calcul des prédictions selon la revendication 4 caractérisé en ce que, si X 10. Système de calcul des prédictions selon la revendication 4 caractérisé en ce que si si Da 11. Système de calcul des prédictions selon la revendication 4 caractérisé en ce que, si Da 12. Procédé de calcul des prédictions de vol d'un aéronef comprenant une étape de capture de premières données atmosphériques (WM, TM) dans le voisinage de l'avion, une étape d'entrée de deuxièmes données atmosphériques (WF, TF) à des points caractéristiques devant l'aéronef caractérisé en ce qu'une étape de fusion entre lesdites premières et deuxièmes données réalise un calcul de troisièmes données atmosphériques (W, T) pour être utilisées dans le calcul de prédictions par pondération des premières et deuxièmes données.