Brevet FR2990290A1 — publié le 20131108

La présente invention concerne la prévention des collisions entre aéronefs et plus particulièrement un procédé de détermination de trajectoire d'évitement d'aéronefs compatible avec les systèmes d'évitement ACAS équipant les aéronefs commerciaux civils. L'invention a également pour objet un drone pour- vu d'un système mettant en oeuvre un procédé de détermination de trajectoire d'évitement d'un aéronef piloté. Etat de la technique Un drone aérien est un aéronef sans pilote humain à bord. Cet aéronef peut être pourvu de systèmes automatisés et réaliser son vol de façon autonome, il peut également être pourvu de capteurs et être commandé à distance par un pilote depuis le sol. Les drones aériens sont de plus en plus utilisés dans le domaine militaire, notamment pour la surveillance des champs de bataille, la reconnaissance voire l'attaque au sol. Il a été envisagé d'utiliser de tels drones dans le domaine civil pour réaliser des misions de surveil- lance ou de reconnaissance. Ces drones sont en effet in- téressants car ils disposent d'une grande autonomie de vol mais pâtissent d'une faible manoeuvrabilité, particulièrement en ce qui concerne leur capacité à monter ou descendre. L'absence de pilote à bord interdit au drone de pouvoir satisfaire aux règles de l'air en vigueur dans l'espace aérien civil, règles qui prévoient en particulier qu'un aéronef puisse assurer une fonction « voir et éviter » aux fins de l'évitement des collisions. Ainsi les drones ne sont ils pas autorisés à voler dans l'espace aérien non ségrégué, c'est-à-dire aux mêmes en- droits et mêmes moments que les aéronefs civils pourvus d'un pilote humain à bord. On connaît un système d'anti-collision qui est destiné à équiper certains aéronefs pilotés autorisés à voler aux instruments. Ce système est connu sous le nom de TCAS Et correspond à au standard ACAS défini par la convention sur l'aviation international civile. En Europe, tous les avions commerciaux avec plus de dix-neuf sièges passagers doivent être obligatoirement équipés de la version II de ce système intégrant un transpondeur de mode S. Le système est agencé pour récupérer des informations sur le cap et la position de tout aéronef situé à une distance variant entre 2,5 (4 km) et 30 miles (48 km). Ces informations comprennent principalement la dis- tance avec ces aéronefs, leur altitude pression et une information approximative d'azimut. Les aéronefs détectés sont appelés « aéronefs intrus ». Les informations sont récupérées par interrogation du transpondeur -de mode S ou de type mode S- de l'aéronef intrus et sont utilisées par le système TCAS II pour déterminer si une collision avec cet aéronef intrus est possible. Parmi les différents paramètres calculés par le système TCAS II, la détermination du temps avant collision ou « time to go » (TTG) fournit une évaluation du risque de collision. Ce paramètre correspond au temps avant collision en cas de maintien du cap et de la vitesse des deux aéronefs considérés. Par collision, on comprendra un croisement des aéronefs à des distances inférieures à des critères dont les valeurs sont entrées au préalable dans le système. La priorité est donnée au système TCAS II (nommé alors TCAS « maître ») de l'appareil qui est le premier entré en contact avec le système TCAS II (nommé alors TCAS « esclave ») de l'autre appareil. En cas de collision potentielle détectée par le système TCAS, le pilote de chaque aéronef est informé par une alerte auditive émise dans la cabine de pilotage. Une telle alerte est appelée « Traffic Advisory ». Si, suite à cette alerte, le risque de collision n'est pas réduit et que la collision semble imminente, le TCAS maître détermine la manoeuvre d'évitement à effectuer par l'avion qu'il équipe et transmet un avis de résolution contenant cette information au TCAS esclave qui détermine à son tour une manoeuvre d'évitement compatible. Chaque avis, appelé « Resolution Advisory » ou RA, est également transmis au pilote concerné par le biais d'un afficheur intégré aux instruments de navigation et est doublé d'une alerte auditive. L'avis indique l'aéronef intrus concerné par l'alerte ainsi qu'une consigne de manoeuvre au pilote : maintenir la trajectoire actuelle, monter, descendre ou surveiller la vitesse ver- ticale. Le TCAS esclave, ayant reçu le RA du TCAS maître, émet à l'intention de son pilote une consigne de manoeuvre compatible. Dans la majorité des situations, le système TCAS II préconise à l'un des aéronefs de monter et à l'autre de descendre, ce qui a pour effet d'augmenter très rapidement la distance séparant les deux aéronefs. Pour son bon fonctionnement, le système TCAS II nécessite que l'aéronef qui en est équipé dispose de performances minimales en terme de vitesse de montée et de descente. La faible manoeuvrabilité des drones en montée et 20 en descente, ainsi que l'absence de pilote capable d'interpréter les instructions du système TCAS II, ne permettent pas de faire circuler les drones aériens dans l'espace aérien non ségrégué et freine donc l'extension de leur utilisation à des domaines tels que la surveil- 25 lance civile, la prévention d'incendies ou la sécurité routière. Une amélioration de la manoeuvrabilité des drones jusqu'aux niveaux requis pour effectuer les manoeuvres d'évitement prescrites par le système TCAS II augmenterait la masse et le coût de ces aéronefs et nuirait aux 30 performances essentielles de tels appareils, particuliè- rement en terme d'autonomie, de vitesse minimale de vol, de bruit et de consommation de carburant. Objet de l'invention Un but de l'invention est de doter un drone d'une 35 fonction « voir et éviter », c'est-à-dire de le doter de la capacité d'éviter une collision avec un aéronef intrus. Exposé de l'invention A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de détermination par un drone aérien, dépourvu d'un système TCAS, d'une trajectoire pour éviter un aéronef intrus, comprenant les étapes de : -acquérir la position de l'aéronef intrus afin de déterminer la distance séparant le drone aérien de l'aéronef intrus ; -mesurer la vitesse angulaire de l'aéronef intrus dans un plan horizontal ; -déterminer si l'aéronef intrus est équipé d'un système TCAS, et le cas échéant, recevoir un avis de ré- solution émis par le système TCAS de l'aéronef intrus et déterminer une trajectoire d'évitement. Ce procédé permet ainsi à un drone aérien de détecter et éviter un aéronef intrus. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la trajectoire d'évitement pourra être déter- minée dans un plan horizontal, permettant ainsi à un drone dont la manoeuvrabilité ne lui permettrait pas d'appliquer les consignes TCAS, de pouvoir éviter en toute sécurité un aéronef équipé d'un système TCAS et ap- pliquant la consigne préconisée par celui-ci, quelle qu'elle soit. L'invention comprend également un drone pourvu d'un système de contrôle de vol programmé pour mettre en oeuvre le procédé d'évitement de l'invention. Brève description des figures Il sera fait référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une situation de croisement d'un aéronef et d'un drone selon l'invention ; - la figure 2 est un logigramme des événements déclenchés par la détection d'un aéronef intrus selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un logigramme des événements déclenchés par la détection d'un aéronef intrus selon un second mode de réalisation de l'invention. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation de l'invention En référence à la figure 1, le drone aérien selon l'invention, et généralement désigné 1, est un avion qui comprend un transpondeur mode S 2, un interrogateur de transpondeur 13, deux antennes à capacité goniométrique 3 placées chacune sur une des ailes du drone 1 ainsi qu'un système automatisé d'analyse de données 4 connecté à un système de contrôle de vol 5 comportant notamment un calculateur. Le drone 1 poursuit un cap qui croise, au point A, la trajectoire de vol d'un aéronef intrus 10 pourvu d'un système TCAS II, désigné 11 sur la figure, en lien avec le transpondeur mode S 12. La figure 1 comporte la représentation d'un plan horizontal H sur lequel sont projetées les positions des deux aéronefs 1 et 10. Le système automatisé d'analyse de données 4 com- prend une unité de calcul informatique agencé pour exécu- ter un programme informatique mettant en oeuvre un procédé de détermination d'une trajectoire d'évitement. En référence aux figures 2 et 3, le procédé de détermination par le drone 1 d'une trajectoire d'évitement de l'avion 10 est décrit. Dans ces logigram- mes, les formes oblongues désignent les instructions élaborées par le système d'analyse de données 4 du drone 1 et les losanges les opérations logiques effectuées par ce système d'analyse 4. A l'entrée de l'avion 10 dans la zone de réception du transpondeur 2 de mode S du drone 1, celui-ci reçoit des informations sur la position et le cap de l'avion intrus 10 en réponse à un message émis par son transpondeur 12. Ceci correspond à l'étape 20 du logigramme. Parallèlement à la réception de ces informa- tions, le drone 10 émet un message indiquant sa capacité à manoeuvrer (étape 21). Ici le drone indique «peu manoeuvrant». Les informations relatives à l'avion intrus 10 sont traitées par le système d'analyse de données 4 qui détermine alors la distance séparant le drone 1 de l'avion intrus 10 (étape 22) ainsi que l'existence ou non d'un risque de collision (étape 23). Si aucun risque de collision n'est détecté, le drone maintient sa trajectoire initiale (étape 24). En cas de risque de collision, le système d'analyse 4 réalise une mesure précise de la vitesse angulaire de déplacement de l'avion 10 par rap- port au drone 1 dans le plan horizontal H à l'aide des antennes à capacité goniométrique 3 (étape 25). La détermination de la position d'un engin émettant des ondes radio par des moyens radio tels que des antennes à capacité goniométrique est connue en soi. Une fois cette vitesse angulaire acquise, le système d'analyse 4 détermine si l'avion 10 dispose d'un système TCAS II (étape 26). Cette détermination se fait par réception ou non d'une réponse de l'avion 10 à la première interrogation par le trans- pondeur 12 du drone 1. Si le système détecte que l'avion 10 est équipé d'un système TCAS II, le système 4 attend alors l'émission d'un avis de résolution RA (étape 27) émis par le système TCAS II de l'avion 10 pour déterminer la trajectoire d'évitement (étape 28) et l'envoyer pour exécution au système de contrôle de vol 5 du drone 1 (étape 29). La manoeuvre correspondant à la trajectoire d'évitement déterminée par le système 4 est déclenchée après l'émission du RA par l'avion intrus 10 afin de ne pas perturber le fonctionnement du TCAS II. En effet, une manoeuvre effectuée avant que le TCAS II de l'avion intrus 10 ait déterminé une solution anti-collision est susceptible de dégrader la fonction de surveillance du système TCAS II. Ainsi, la trajectoire d'évitement déterminée par le drone 1 est exécutée en même temps que l'instruction d'évitement RA donnée par le TCAS II à l'avion 10. L'instruction RA donnée par le TCAS II de l'avion intrus 10 étant un évitement vertical (instruction de monter ou de descendre), la trajectoire d'évitement déterminée par le système d'analyse de données 4 sera avantageusement comprise dans un plan horizontal, dans une direction pre- nant en compte la vitesse angulaire de l'avion intrus 10 ainsi que sa position au moment de l'émission du RA. Cette trajectoire permet d'assurer un éloignement rapide des deux aéronefs tout en garantissant que le déroulement si- multané de ces deux manoeuvres ne puisse amener à une collision, ces manoeuvres ayant lieu selon des directions comprises dans des plans orthogonaux. Si l'avion intrus 10 n'a pas répondu à la pre- mière interrogation par le transpondeur 12 du drone 1, le système d'analyse de données 4 interprète que l'avion in- trus 10 n'est pas équipé du système TCAS II et détermine alors la trajectoire d'évitement (étape 30), pour une exécution dès que possible par le système de contrôle de vol 5 (étape 31). Cette trajectoire d'évitement peut com- prendre des manoeuvres dans un plan vertical et/ou un plan horizontal. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la trajectoire d'évitement comprend un virage à droite dans un plan horizontal. Cette manoeuvre est conforme aux règles de l'air applicables aux conditions de vol à vue et correspond à la réaction attendue d'un aéronef classique dans de telles conditions. En référence à la figure 3, un autre mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention est décrit, pour le cas où le drone 1 disposerait de capacités de manoeuvre en descente compatibles avec les exigences du système TCAS II (vitesse de descente supérieure à 500 pieds/mn - environ 150 mètres par minute- par exemple) et que cette caractéristique a été entrée dans le système d'analyse de données 4 en charge de la détermination de la trajectoire d'évitement. Selon ce mode de réalisation particulier, lorsqu'un tel drone 1 croise un aéronef intrus 10 équipé d'un système TCAS II et qu'un risque de collision est détecté par celui-ci, le drone 1, qui a préalablement détecté le fait que l'aéronef intrus 10 est équipé d'un système TCAS II, se met en attente de l'émission d'un RA par le TCAS II de l'aéronef intrus 10 (étape 27). A réception de ce RA, le système d'analyse de données 4 analyse la teneur de l'avis RA émis par le système TCAS II de l'avion intrus 10 (étape 32). Si cet avis RA comprend une consigne de montée de l'aéronef intrus 10, la trajec- toire d'évitement déterminée par le système d'analyse de données 4 est descendante (étape 33). Dans le cas contraire, la trajectoire d'évitement comprend un virage dans un plan horizontal (étape 34). Les manoeuvres d'évitement ainsi déterminées sont mises en oeuvre immé- diatement après émission du RA (étapes 35 et 36) Le procédé selon le deuxième mode de mise en oeu- vre est par ailleurs identique au procédé selon le premier mode de mise en oeuvre. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier : - bien que les moyens de mesure de la vitesse an- gulaire de l'avion intrus 10 comprennent des moyens radio sous la forme d'antennes à capacité goniométrique 3, l'invention s'applique également à d'autres moyens de mesure de la vitesse angulaire comme par exemple au moins un capteur optronique comme une caméra, un radar ou tout autre moyen permettant d'obtenir une mesure de vitesse angulaire appropriée pour permettre la mise en oeuvre du procédé; - bien que l'invention ait été décrite en rela- tion avec l'évitement d'un avion, le procédé selon l'invention s'applique également à l'évitement d'autres types d'aéronefs tels que par exemple des ballons dirigeables, des planeurs ou des ULM ; - bien que l'indication émise par le drone 1 vers l'avion intrus 10 sur sa capacité à manoeuvrer comprenne, ici, l'indication «peu manoeuvrant», le procédé selon l'invention s'applique également à l'émission d'autres messages sur la capacité du drone à manoeuvrer comme par exemple « drone », « non manoeuvrant » ou « manoeuvrant en descente exclusivement » ; le drone pourrait également n'émettre aucune indication de ce type. REVENDICATIONS1. Procédé d'évitement d'un aéronef intrus (10) par un drone aérien (1), dépourvu d'un système TCAS, com- prenant les étapes de : -acquérir la position de l'aéronef intrus (10) afin de déterminer la distance séparant le drone aérien (1) de l'aéronef intrus (10) ; -mesurer la vitesse angulaire de l'aéronef intrus (10) dans un plan horizontal ; -déterminer si l'aéronef intrus (10) est équipé d'un système TCAS, et le cas échéant, recevoir un avis de résolution émis par le système TCAS de l'aéronef intrus (10) et effectuer une trajectoire d'évitement déterminée préalablement. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la trajectoire d'évitement est déterminée dans un plan horizontal. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la trajectoire d'évitement est déterminée après réception de l'avis de résolution 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape de déterminer une trajectoire d'évitement comprend une opération préalable d'analyse de l'avis de ré- solution émis par le TCAS de l'aéronef intrus (10) de telle manière que si cet avis comprend une consigne de montée de l'aéronef intrus 10, la trajectoire d'évitement est descendante et comprend, dans le cas contraire, un virage dans un plan horizontal. 5. Procédé selon la revendication 1, comprenant l'étape supplémentaire de transmettre au TCAS de l'aéronef intrus (10) une indication sur une capacité du drone aérien (1) à manoeuvrer. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, si l'aéronef intrus (10) n'est pas équipé d'un systèmeTCAS, la trajectoire d'évitement est déterminée dès que possible. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la trajectoire d'évitement comprend un virage à droite dans un plan horizontal. 8. Drone aérien (1) équipé d'un transpondeur de mode S (2), un interrogateur de transpondeur (13), des moyens d'acquisition de la position (2) et de mesure de la vitesse angulaire (3) d'un aéronef intrus (10), le transpondeur (2) et lesdits moyens étant reliés à un sys- tème de contrôle de vol (5) apte à mettre en oeuvre le procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Drone aérien (1) selon la revendication 8, dans lequel les moyens de mesure de la vitesse angulaire (3) de l'aéronef intrus (10) dans un plan horizontal comprennent au moins un capteur optronique. 10. Drone aérien (1) selon la revendication 8, dans lequel les moyens de mesure de la vitesse angulaire (3) de l'aéronef intrus (10) dans un plan horizontal com- prennent des moyens radio. 11. Drone aérien selon la revendication 10, dans lequel les moyens radio de mesure de la vitesse angulaire de l'aéronef intrus dans un plan horizontal comprennent des antennes à capacité goniométrique (3).