Brevet FR2989204A1 — publié le 20131011

Procédé de détermination d'une zone d'occupation probable instantanée ou anticipée d'un aéronef dans une zone de navigation aéroportuaire Le domaine de l'invention est celui de la navigation aéroportuaire des aéronefs et plus précisément celui des zones de sécurité entourant un appareil soit dans son environnement immédiat soit dans son environnement situé dans un futur proche. Lors des phases de roulage d'un aéronef sur un aéroport, pour éviter tout incident, toute collision avec un autre aéronef, il est important que l'équipage ait une parfaite connaissance de l'environnement de son appareil. A cet effet, le système de visualisations de cockpit leur présente la situation du trafic environnant. La position de chaque aéronef peut être récupérée grâce aux informations fournies par des systèmes de type ADS-B signifiant « Automatic Dependent Surveillance Broadcast ». Cette présentation peut se faire de différentes manières. A titre de premier exemple, elle peut être assurée dans le collimateur tête haute appelé « CTH » de l'appareil. La manière la plus intuitive de symboliser les autres aéronefs se trouvant dans l'environnement immédiat de l'appareil est de les représenter dans une vue conforme et/ou non conforme à leur emplacement exact. Le brevet US 7 342 514 intitulé « Display of automatic dependent surveillance (ADS-B) on head-up display » illustre ce type de représentation. On se reportera en particulier aux figures 1 à 5 de ce brevet. A titre de second exemple, on peut représenter, dans une visualisation dite Tête Basse, une vue aérienne de la zone aéroportuaire où se trouve l'appareil. Le brevet US 7 194 342 intitulé « Navigational instrument, method and computer program product for displaying ground traffic information » illustre ce type de représentation. On se reportera en particulier à la figure 3 de ce brevet. Ces différentes approches apportent des informations à titre indicatif permettant à l'équipage de rester vigilant. Dans certaines situations, 30 elles ne permettent pas de contrôler suffisamment précisément le comportement des avions dangereux et donc de respecter scrupuleusement les distances de séparation réglementaires imposées aux avions et aux véhicules circulant sur un aéroport. Or, un certain nombre de collisions au sol est dû à une mauvaise appréhension de l'encombrement précis des avions sur les pistes. Un pilote peut, par exemple, décidé de décoller pensant que la piste est dégagée alors qu'un avion a toujours une partie de son fuselage sur la piste ou trop proche de celle-ci. Le but de l'invention est d'offrir au pilote un moyen simple et intuitif d'éviter ce type d'incident en lui offrant des moyens de surveillance basés sur des informations ciblées et précises. La solution consiste à représenter le trafic environnant en utilisant comme données d'entrée non seulement la position des aéronefs mais aussi des informations supplémentaires qui permettent d'affiner la détection des situations conflictuelles. Ces informations supplémentaires comprennent entre autres le niveau de précision des données de localisation utilisées, le type d'aéronef, sa vitesse, son cap, son altitude. Le procédé selon l'invention est essentiel pour affiner la détection de situations conflictuelles et éviter ainsi d'éventuelles collisions. Il permet également d'éviter toute fausse alerte nuisible à la conduite de l'appareil. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de détermination de zone de sécurité entourant un aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire, la zone de sécurité étant calculée à un instant déterminé, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : - Etape 0 : Etablissement d'une enveloppe de sécurité convexe entourant l'aéronef à partir de points de référence pris sur l'aéronef ; - Etape 1 : Etablissement d'une première zone de sécurité convexe entourant l'aéronef à partir de cercles de référence pris sur l'aéronef, chaque cercle ayant comme centre un des points de référence et comme rayon la valeur de l'incertitude sur la position exacte de l'aéronef. Avantageusement, le procédé comporte une étape 2 succédant aux étapes 0 et 1, consistant en : - Etape 2: Etablissement d'une deuxième zone de sécurité convexe entourant l'aéronef, ladite deuxième zone étant égale à la première zone prolongée à l'arrière de l'aéronef d'une zone de soufflage correspondant au cône de soufflage des réacteurs de l'aéronef. Avantageusement, lorsque l'aéronef a décollé, le procédé comporte une étape 3 succédant aux étapes 0,1 et 2 consistant en : - Etape 3: Etablissement d'une troisième zone de sécurité convexe située au niveau du sol de la zone aéroportuaire, ladite troisième zone de sécurité étant égale à la zone de turbulence de sillage de l'aéronef, la taille et la forme de cette troisième zone de sécurité dépendant de l'instant déterminé situé après l'instant de décollage de l'aéronef. Avantageusement, le procédé comporte une étape 4 succédant au moins aux étapes 0 et 1, consistant en : - Etape 4: Etablissement d'une quatrième zone de sécurité convexe entourant l'aéronef, ladite quatrième zone de sécurité étant égale à au moins la première zone prolongée à l'avant de l'aéronef d'une zone de freinage correspondant à la distance de freinage de l'aéronef. Avantageusement, l'instant déterminé est le temps présent de l'aéronef. Avantageusement, l'instant déterminé étant le temps futur de l'aéronef, le procédé comporte une étape 5 succédant au moins aux étapes 1 et 2, consistant en : - Etape 5: Etablissement d'une cinquième zone de sécurité entourant l'aéronef, ladite cinquième zone de sécurité étant égale au produit de convolution de la première, de la deuxième ou de la quatrième enveloppe entourant l'aéronef par au moins un chemin potentiel pouvant être parcouru dans la zone aéroportuaire par l'aéronef à une vitesse déterminée pendant une durée commençant à l'instant présent et finissant à l'instant futur. Avantageusement, la cinquième zone de sécurité est égale au produit de convolution de la première ou de la deuxième ou de la quatrième zone de sécurité entourant l'aéronef par la totalité des chemins potentiels pouvant être parcourus dans la zone aéroportuaire par l'aéronef à une vitesse déterminée pendant une durée commençant à l'instant présent et finissant à l'instant futur. L'invention a également pour objet un système de visualisation de cockpit comportant des premiers moyens agencés de façon à mettre en oeuvre le procédé précédent et un dispositif de visualisation comportant au moins une représentation de la zone aéroportuaire, de la position de l'aéronef et d'une zone de sécurité entourant 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 15 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente une première zone de sécurité selon l'invention ; La figure 2 représente une deuxième zone de sécurité selon l'invention ; 20 La figure 3 représente une quatrième zone de sécurité selon l'invention ; Les figures 4, 5 et 6 représentent une cinquième zone de sécurité selon l'invention. 25 Le procédé selon l'invention consiste à déterminer une zone de sécurité entourant un aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire. Ce procédé nécessite bien entendu de disposer d'informations sur l'aéronef, sur la zone aéroportuaire et sur l'environnement immédiat dudit aéronef. Ces données qui sont disponibles sur la très grande majorité des 30 aéronefs modernes, sont détaillées dans la suite de la description. Le procédé nécessite également des moyens de calcul qui, là encore, sont disponibles sur les aéronefs modernes. Ces calculs ne présentent pas de difficultés particulières. Ce procédé comporte au moins deux étapes obligatoires 35 détaillées ci-dessous. Dans un premier temps dite Etape 0, on calcule l'enveloppe convexe de l'aéronef. Elle est obtenue en joignant des points de référence notés PR situés aux différentes extrémités de l'appareil et qui correspondent principalement à l'extrémité avant du fuselage, aux extrémités des ailes et à 5 l'empennage arrière de façon que l'enveloppe obtenue couvre la totalité de la surface de l'appareil sans parties concaves. Ces points de référence PR correspondent donc aux sommets d'un squelette de référence propre à chaque aéronef. Ils sont tous référencés par rapport à un point de localisation PL de l'aéronef représentant sa position dans la zone 10 aéroportuaire. Ce point peut être par exemple la position de l'émetteur ADSB situé dans l'aéronef. Ces points de référence sont issus d'une base de données contenant la position relative de chacun de ces points ainsi que celle du point de localisation PL. A titre d'exemple, la figure 1 représente une vue de dessus d'un 15 aéronef A de type quadriréacteur sur laquelle on a représenté de façon simplifiée six points de référence PR, le point de localisation PL et l'enveloppe E qui relie en traits fins les points de référence PR. Toutes les figures sont des vue de dessus et les zones de sécurité apparaissent comme des surfaces planes. Bien entendu, on peut envisager que les zones de 20 sécurité soient représentées par des surfaces tridimensionnelles. Ensuite, dans l'étape 1 du procédé selon l'invention, on établit une première zone de sécurité convexe entourant l'aéronef encore appelée zone d'occupation probable ou « ZOP ». En effet, la position de l'aéronef est connue avec une certaine précision qui n'est pas négligeable devant les 25 dimensions de l'appareil et dont il faut tenir compte pour établir la ZOP. Ainsi, les systèmes de localisation actuels de type GPS, acronyme de « Global Positioning System » ont une incertitude de mesure de plusieurs mètres. Une façon simple de faire est de remplacer chaque point de référence PR par un cercle CPR ayant comme centre le point de référence PR et comme rayon R 30 la valeur de l'incertitude sur la position exacte de l'aéronef. On calcule ensuite la ZOP en reliant les différents cercles par des segments tangents. A titre d'exemple, les points de référence PR de la figure 1 sont entourés de cercle CPR et la zone d'occupation probable ou ZOP est représentée en traits gras. L'aéronef peut également recevoir la vitesse et l'envergure des avions environnants grâce, par exemple, au système ADS-B qui est un signal d'une couverture de 200 miles nautiques et qui tend à se généraliser sur les aéronefs modernes. La distance de séparation entre deux aéronefs circulant sur une même zone aéroportuaire ne se calcule donc plus entre leurs deux points de localisation mais entre leurs deux ZOP respectives. Une fois cette première ZOP définie, il est intéressant d'ajouter une zone à l'arrière de l'avion correspondant au cône de soufflage des réacteurs, qui dépend du type d'avion, et dans lequel aucun mobile ne doit en aucun cas pénétrer. A titre d'exemple, la figure 2 représente en vue de dessus une zone d'occupation probable dite ZOP2 égale à la ZOP initiale de la figure 1 prolongée à l'arrière de l'aéronef A d'une zone de soufflage représentée en gris sur la figure 2. On retrouve la ZOP initiale en blanc et délimitée par des pointillés sur la figure 2. On remarque que l'ajout d'un cône arrière peut simplifier la forme de la ZOP et par conséquent diminuer le volume de calcul nécessaire. Lorsqu'un avion vient de décoller, des turbulences de sillage sont constatées sur la piste quelques instants après son décollage. D'autres avions ne doivent pas approcher de ces turbulences. On peut donc considérer qu'une partie de la ZOP de l'avion qui vient de décoller reste sur la piste et représente cette zone liée aux turbulences de sillage. Dans ces conditions, la ZOP d'un appareil est l'union de la zone entourant l'avion qui vient de décoller et de cette zone représentant les turbulences de sillage au sol sur la piste. Cette zone au sol disparaît une fois que les turbulences cessent. Cette durée dépend du type de l'avion et de certains paramètres du décollage. Il est également possible d'ajouter à la ZOP initiale une zone de sécurité frontale définissant, à tout instant, l'aire de freinage nécessaire pour stopper l'aéronef. On appelle cette zone frontale la zone d'occupation anticipée ou ZOA et l'union de la ZOP et de la ZOA la zone d'occupation probable et anticipée ou ZOPA. A titre d'illustration, la figure 3 représente en vue de dessus la ZOP initiale en blanc et la ZOA en gris entourant un aéronef A. La flèche blanche est représentative de la vitesse et de la direction de l'appareil. Cette ZOA dépend : - de l'anticipation de la trajectoire de l'avion rendue possible grâce à l'enregistrement de quelques positions précédentes de l'aéronef ; - de la vitesse de l'aéronef ; - et éventuellement de données météorologiques comme les risques de verglas, l'intensité de la pluie, la force du vent susceptibles de modifier cette aire de freinage. Il est à noter que la tour de contrôle signale aux pilotes l'état des pistes si besoin est. Il est possible de construire d'autres ZOA plus complexes tenant compte, par exemple, de la trajectoire courbe d'un avion comme on le voit sur la figure 4. Dans tous les cas, on obtient une ZOPA de l'avion qui permet de contrôler en permanence les distances de sécurité dites de séparation entre les avions. Pour diminuer les temps de calcul des distances de sécurité et/ou diminuer la place mémoire nécessaire au stockage des données représentant les zones d'occupation probables, il est possible d'approximer certains paramètres. Ainsi, à titre de premier exemple, lors du calcul de la zone d'occupation de l'aéronef, la trajectoire courbe de l'aéronef peut être assimilée à une trajectoire rectiligne. A titre de second exemple, la zone peut être un simple polygone constitué de segments de droites. Il suffit de choisir judicieusement les points de référence PR pris sur l'aéronef. Dans tout ce qui précède, les zones de sécurité sont essentiellement définies à l'instant présent ou dans le futur très proche de l'appareil. Il est également possible de définir une « ZOPA » pour un instant du futur de l'aéronef appelé instant T, c'est-à-dire une zone correspondant aux différentes positions possibles de l'aéronef entre l'instant présent et un instant du futur. Pour établir cette zone, il faut connaître le ou les chemins susceptibles d'être empruntés par l'aéronef. Ces chemins sont déterminés en explorant le graphe de connectivité de la zone aéroportuaire situé devant l'aéronef. Il faut également connaître la vitesse prévisible de l'aéronef. Par sécurité, il peut être intéressant de remplacer cette vitesse prévue par la vitesse maximale autorisée de circulation sur les pistes d'une zone aéroportuaire qui est voisine de trente noeuds. La zone de sécurité ou ZOPA(T) est alors égale au produit de convolution de la ZOPA entourant l'aéronef par le chemin à parcourir. La figure 5 représente un exemple de calcul d'une zone d'occupation ZOPA(T) de l'aéronef A pour un instant du futur. Si la ZOPA atteint une zone multidirectionnelle comme, par exemple, une aire de parking encore appelée « apron », la distance qui reste à parcourir est prise comme le rayon d'une partie de disque inscrite dans ladite zone. La figure 6 illustre cette configuration où un aéronef A est proche d'une aire APRON. Une fois déterminées, les différentes zones de sécurité telles qu'elles viennent d'être définies sont présentées à l'équipage de l'aéronef par les différents systèmes de visualisation présents dans le cockpit. On peut, comme sur les différentes figures, faire une représentation des ZOPAs en vue de dessus. Il est également possible de réaliser des représentations des ZOPAs en perspective en mode conforme ou non conforme. Cela dépend du type d'afficheurs utilisés. Sur ces différentes vues, il est possible d'ajouter des informations 20 concernant le trafic aéroportuaire, l'aéroport, l'aéronef ou ses conditions circulation comme les caps, les vitesses, les temps de passage... REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de zone de sécurité (ZOP, ZOPA) entourant un aéronef (A) circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire, la zone de sécurité étant calculée à un instant déterminé, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : - Etape 0 : Etablissement d'une enveloppe de sécurité convexe entourant l'aéronef à partir de points de référence (PR) pris sur l'aéronef ; - Etape 1 : Etablissement d'une première zone de sécurité (ZOP) convexe entourant l'aéronef à partir de cercles de référence (CpR) pris sur l'aéronef, chaque cercle ayant comme centre un des points de référence et comme rayon la valeur de l'incertitude sur la position exacte de l'aéronef. 2. Procédé de détermination d'une zone de sécurité entourant un 15 aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape 2 succédant aux étapes 0 et 1, consistant en : - Etape 2: Etablissement d'une deuxième zone de sécurité (ZOPA) convexe entourant l'aéronef, ladite deuxième zone 20 étant égale à la première zone prolongée à l'arrière de l'aéronef d'une zone de soufflage correspondant au cône de soufflage des réacteurs de l'aéronef. 3. Procédé de détermination d'une zone de sécurité entourant un 25 aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lorsque l'aéronef a décollé, le procédé comporte une étape 3 succédant aux étapes 0,1 et 2 consistant en : - Etape 3: Etablissement d'une troisième zone de sécurité convexe située au niveau du sol de la zone aéroportuaire, 30 ladite troisième zone de sécurité étant égale à la zone de turbulence de sillage de l'aéronef, la taille et la forme de cettetroisième zone de sécurité dépendant de l'instant déterminé situé après l'instant de décollage de l'aéronef. 4. Procédé de détermination d'une zone de sécurité entourant un 5 aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape 4 succédant au moins aux étapes 0 et 1, consistant en : - Etape 4: Etablissement d'une quatrième zone de sécurité convexe entourant l'aéronef, ladite quatrième zone de sécurité 10 étant égale à au moins la première zone prolongée à l'avant de l'aéronef d'une zone de freinage correspondant à la distance de freinage de l'aéronef. 5. Procédé de détermination d'une zone de sécurité entourant un 15 aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'instant déterminé est le temps présent de l'aéronef. 6. Procédé de détermination d'une zone de sécurité entourant un 20 aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, l'instant déterminé étant un temps futur de l'aéronef, le procédé comporte une étape 5 succédant au moins aux étapes 1 et 2, consistant en : - Etape 5: Etablissement d'une cinquième zone de sécurité 25 (ZOPA(T)) entourant l'aéronef, ladite cinquième zone de sécurité étant égale au produit de convolution de la première, de la deuxième ou de la quatrième enveloppe entourant l'aéronef par au moins un chemin potentiel pouvant être parcouru dans la zone aéroportuaire par l'aéronef à une 30 vitesse déterminée pendant une durée commençant à l'instant présent et finissant à l'instant futur. 7. Procédé de détermination d'une zone de sécurité entourant un aéronef circulant ou décollant d'une zone aéroportuaire selon la 35 revendication 6, caractérisé en ce que ladite cinquième zone de sécurité estégale au produit de convolution de la première ou de la deuxième ou de la quatrième zone de sécurité entourant l'aéronef par la totalité des chemins potentiels pouvant être parcourus dans la zone aéroportuaire par l'aéronef à une vitesse déterminée pendant une durée commençant à l'instant présent et finissant à l'instant futur. 8. Système de visualisation de cockpit caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens agencés de façon à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 7 et un dispositif de visualisation comportant au moins une représentation de la zone aéroportuaire, de la position de l'aéronef et d'une zone de sécurité entourant l'aéronef.