Brevet FR3150860A1 — publié le 20250110

Système de gestion de vol d'un aéronef comprenant : un premier module (MO) non critique ou monde ouvert d'élaboration d'un plan de vol enrichi amélioré, le premier module (MO) étant configuré pour élaborer le plan de vol enrichi amélioré de manière itérative par les étapes suivantes : initialisation de pseudo-contraintes ; et amélioration itérative du choix de pseudo-contraintes, jusqu'à atteinte d'un objectif d'amélioration ou d'absence d'amélioration par rapport au dernier meilleur choix de pseudo-contraintes, à partir d'au moins un critère d'optimisation et d'au moins un paramètre représentatif de l'environnement du vol de l'aéronef ; le deuxième module (FMS) critique ou avionique de gestion de vol certifié pour calcul de trajectoire, comprenant au moins un calculateur critique et/ou au moins un logiciel critique pour calculer et délivrer en sortie une trajectoire sécurisée, à partir du plan de vol enrichi amélioré fourni par le premier module (MO). Figure pour l’abrégé : [Fig.1] Système de gestion de vol d'un aéronef La présente invention porte sur un système de gestion de vol d'un aéronef. L’invention concerne le domaine des systèmes embarqués, et plus particulièrement l’optimisation de la trajectoire d'un aéronef. Dans le cadre de la présente invention, les systèmes avioniques sont des systèmes embarqués sécurisés répondant à des contraintes règlementaires d’intégrité et de disponibilité. Ces systèmes avioniques sont caractérisés par un niveau de criticité, lié au niveau d’intégrité et au niveau de disponibilité, imposés par les normes réglementaires en vigueur. On entend par intégrité l’aptitude d’un système à accomplir une fonction requise de façon correcte. On entend par disponibilité l’aptitude d’un système à accomplir une fonction requise dans des conditions données, à un instant donné ou pendant un intervalle de temps donné. On entend par système "non avionique" ou "monde ouvert" des systèmes qui ne sont pas embarqués et/ou qui ne répondent pas aux mêmes contraintes réglementaires d’intégrité et de disponibilité. Les niveaux de criticité sont par exemple définis dans les normes RTCA DO178-C et EUROCAE ED-12C, par cinq niveaux de criticité (de A à E) définis comme suit : Niveau A : Un défaut du système ou sous-système étudié peut provoquer un problème catastrophique - Sécurité du vol ou atterrissage compromis - Crash de l'avion. Niveau B : Un défaut du système ou sous-système étudié peut provoquer un problème dangereux entraînant des dégâts sérieux voire la mort de quelques occupants. Niveau C : Un défaut du système ou sous-système étudié peut provoquer un problème majeur entraînant un dysfonctionnement des équipements vitaux de l'appareil. Niveau D : Un défaut du système ou sous-système étudié peut provoquer un problème mineur sans effet sur la sécurité du vol. Niveau E : Un défaut du système ou sous-système étudié peut provoquer un problème sans effet sur la sécurité du vol. Ces 5 niveaux sont aussi appelés niveaux DAL (acronyme de "Design Assurance Level" en langue anglaise). Les Niveaux sont établis par les études de sûreté de fonctionnement. Ces études fixent alors le niveau DAL pour le matériel et le logiciel conformément aux normes de sécurité (Eurocae ED-79 et SAE ARP4754 "Certification considerations for Highly-Integrated and Complex Aicraft Systems") ou directives de l'avionneur (ABD100, ABD200,...). Le niveau DAL d'un sous-système peut être différent du niveau système à la condition que le niveau DAL du système soit atteint par une architecture matérielle/logicielle adéquate. L'invention peut s'appliquer dans le domaine du transport aérien, que ce soient l’aviation de ligne, l’aviation d’affaire, le travail aérien, les aéronefs télépilotés ou les aéronefs autonomes. Actuellement, dans un système embarqué de gestion de vol d'un aéronef, ou FMS pour acronyme de "Flight Management System" en langue anglaise, une des fonctions les plus complexes est le calcul de la trajectoire et des prédictions (carburant, performances, heure d’arrivée), à partir du plan de vol de l'aéronef. Cette fonction est complexe car elle gère l’optimisation du vol et de multiples contraintes. Les traitements nécessitent une grande capacité de calcul du processeur ou CPU pour acronyme de "Central Processing Unit" en langue anglaise, et une architecture temps réel spécifique. Actuellement, la fonction de calcul de la trajectoire et des prédictions est entièrement implémentée sur des systèmes avioniques certifiés. Les étapes du calcul de cette fonction sont les suivantes : - Elaboration du plan de vol, - Calcul de la Trajectoire, et - Guidage le long de la trajectoire. Il existe de nombreux documents de brevets concernant les systèmes de gestion de vol FMS, dont certains portent sur un lien entre le domaine avionique critique et des domaines moins critiques (i.e. avionique moins critique ou non avionique également nommé monde ouvert). Il est connu par exemple le document US 10 295 349 B2 qui porte sur un système de gestion de vol pour aéronef qui sécurise des données fournies par le domaine non avionique ou monde ouvert. Ce document s’appuie sur une architecture avec deux systèmes de gestion de vol FMS, l’un validant les données non critiques du monde ouvert, pendant que l’autre poursuit la conduite du vol. Ce système nécessite le fonctionnement de deux systèmes de gestion de vol FMS en parallèle, ce qui est coûteux en termes de ressources et financièrement. L’approche traditionnelle consistant à optimiser la trajectoire dans l’avionique certifiée critique engendre des coûts de plus en plus lourds, qui ne sont pas viables économiquement. Il est également connu le document FR3019912 qui porte sur un système et un procédé de détermination des paramètres de vol et de la consommation en carburant d'au moins une phase de vol d'un avion. Ce document porte sur une solution d’optimisation du vol dans le monde ouvert. Il est également connu le document US20100191458 qui porte sur un système et un procédé d’optimisation de plan de vol dans le monde ouvert. Les solutions existantes ne font pas de lien étroit entre avionique et monde ouvert : un plan de vol optimisé est calculé dans le monde ouvert, puis le FMS calcule une trajectoire suivant ce plan de vol optimisé. Mais l’optimisation faite dans le monde ouvert ne tient pas compte des caractéristiques du FMS employé. En outre, quel que soit le niveau d’optimisation réalisé sur le plan de vol dans le monde ouvert, le degré d’optimisation de la trajectoire est limité par les capacités du FMS employé. De surcroît les procédés d’optimisation dans le monde ouvert ne tiennent pas compte des défauts connus des FMS en termes d’optimisation. Un but de l’invention est de répondre aux problèmes précédemment cités, et notamment d'augmenter la précision des calculs d’optimisation du vol d’un aéronef dans un domaine où les exigences de performances opérationnelles nécessitent des algorithmes de plus en plus complexes basés sur de plus en plus de données, tout, en maitrisant les coûts de développement qui sont importants pour la réalisation de systèmes embarqués certifiés. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de gestion de vol d'un aéronef comprenant : - un premier module non critique ou monde ouvert d'élaboration d'un plan de vol enrichi amélioré, comprenant au moins un calculateur non critique, et/ou au moins un logiciel non critique, pour, à partir d'un plan de vol de référence comprenant un premier ensemble de contraintes, de la valeur d'au moins un paramètre d'un deuxième ensemble de paramètres représentatif de l'environnement du vol de l'aéronef, et d'au moins un critère d'optimisation d'un troisième ensemble de critères d'optimisation, calculer et délivrer en sortie, un plan de vol enrichi amélioré comprenant le premier ensemble de contraintes et au moins une pseudo-contrainte d'un quatrième ensemble de pseudo-contraintes, à destination d'un deuxième module avionique critique de gestion de vol, pour lequel le plan de vol enrichi est spécifiquement optimisé, le premier module étant configuré pour élaborer le plan de vol enrichi amélioré de manière itérative par les étapes suivantes : - initialisation de pseudo-contraintes du quatrième ensemble ; - amélioration itérative du choix des pseudo-contraintes du quatrième ensemble jusqu'à atteinte d'un objectif d'amélioration d'une trajectoire calculée par le deuxième module FMS avionique critique de gestion de vol, ou d'absence d'amélioration par rapport au dernier meilleur choix de pseudo-contraintes, à partir d'au moins un critère d'optimisation du troisième ensemble et d'au moins un paramètre du deuxième ensemble. - le deuxième module critique ou avionique de gestion de vol certifié pour calcul de trajectoire, comprenant au moins un calculateur critique et/ou au moins un logiciel critique pour calculer et délivrer en sortie une trajectoire sécurisée, à partir du plan de vol enrichi amélioré fourni par le premier module. Dans un mode de réalisation, le premier module est configuré pour effectuer l'étape d'initialisation de pseudo-contraintes du quatrième ensemble de façon aléatoire, ou selon un processus prédéfini. Selon un mode de réalisation, le premier module est configuré pour mettre en œuvre l'étape d'amélioration itérative du choix de la ou des pseudo-contraintes du quatrième ensemble par itération des étapes suivantes : - calcul et mémorisation de la trajectoire que calculerait le deuxième module à partir d'un plan de vol comprenant les contraintes du plan de vol de référence et les pseudo-contraintes courantes ; - évaluation si la trajectoire courante calculée est améliorée par rapport aux trajectoires calculées dans les itérations précédentes, en fonction du ou des critères d'optimisation du troisième ensemble, de la valeur d'au moins un paramètre d'environnement d'un deuxième ensemble, et de l'objectif d'amélioration ; et - si l'objectif est atteint, sortie de l'amélioration itérative du plan de vol enrichi avec les pseudo-contraintes courantes, et sinon modification des pseudo-contraintes courantes pour l'itération suivante. Selon un mode de réalisation, le premier ensemble de contraintes comprend : - des points à survoler ; - une trajectoire latérale à suivre ; - des altitudes ou plages d’altitudes à respecter ; - des vitesses ou plages de vitesse à respecter ; et - des horaires de passage à respecter. Selon un mode de réalisation, le deuxième ensemble de paramètres représentatif de l'environnement du vol de l'aéronef comprend des informations concernant : - la météo ; - le trafic aérien ; - la masse et le centrage de l’aéronef tout le long du vol ; et/ou - l’énergie thermique et/ou électrique disponible à bord de l’aéronef. Dans un mode de réalisation, le troisième ensemble de critères d'optimisation comprend : - une minimisation du temps de trajet ; et/ou - une minimisation du carburant consommé et des trainées de condensation du vol ; et/ou - une minimisation d'un écart entre une heure d'arrivée théorique du vol et une heure d'arrivée calculée (ponctualité) ; et/ou - une minimisation des turbulences. Selon un mode de réalisation, le ou les critères d'optimisation sont sélectionnables par le pilote de l'aéronef. Dans un mode de réalisation, le quatrième ensemble de pseudo-contraintes comprend : - des points à survoler ; - une trajectoire latérale à suivre ; - des altitudes ou plages d’altitudes à respecter ; - des vitesses ou plages de vitesse à respecter ; et - des horaires de passage à respecter. Dans un mode de réalisation, le premier module est configuré pour réaliser l'amélioration itérative par une descente de gradient, ou un algorithme génétique, ou un recuit simulé. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est également proposé un aéronef muni d'un système de gestion de vol tel que précédemment décrit. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - illustre schématiquement un système de gestion de vol d'un aéronef, selon un aspect de l'invention ; - illustre schématiquement le fonctionnement du système de la , selon un aspect de l'invention. La illustre schématiquement un système de gestion de vol, selon un aspect de l'invention. Le système de gestion de vol d'un aéronef comprend un premier module MO non critique ou monde ouvert d'élaboration d'un plan de vol enrichi amélioré. Le premier module MO comprend au moins un calculateur non critique, et/ou au moins un logiciel non critique, et calcule et délivre en sortie, à partir d'un plan de vol de référence comprenant un premier ensemble de contraintes, de la valeur d'au moins un paramètre d'un deuxième ensemble de paramètres représentatif de l'environnement du vol de l'aéronef, et d'au moins un critère d'optimisation d'un troisième ensemble de critères d'optimisation, un plan de vol enrichi amélioré comprenant le premier ensemble de contraintes et au moins une pseudo-contrainte d'un quatrième ensemble de pseudo-contraintes, à destination d'un deuxième module FMS avionique critique de gestion de vol, pour lequel le plan de vol enrichi est spécifiquement optimisé. Le premier module MO est configuré pour élaborer le plan de vol enrichi amélioré de manière itérative par les étapes suivantes : - initialisation de pseudo-contraintes du quatrième ensemble ; - amélioration itérative du choix des pseudo-contraintes du quatrième ensemble, jusqu'à atteinte d'un objectif d'amélioration, ou d'absence d'amélioration d'une trajectoire calculée par le deuxième module FMS avionique critique de gestion de vol par rapport au dernier meilleur choix de pseudo-contraintes, à partir d'au moins un critère d'optimisation du troisième ensemble et d'au moins un paramètre du deuxième ensemble. Le système de gestion de vol d'un aéronef comprend également le deuxième module (FMS) critique ou avionique de gestion de vol certifié pour calcul de trajectoire, comprenant au moins un calculateur critique et/ou au moins un logiciel critique pour calculer et délivrer en sortie une trajectoire sécurisée, à partir du plan de vol enrichi amélioré fourni par le premier module MO. Le premier module MO est configuré pour effecteur l'étape d'initialisation de pseudo-contraintes du quatrième ensemble de façon aléatoire, ou selon un processus prédéfini. La représente schématiquement le fonctionnement du système de gestion de vol d'un aéronef. Le premier module MO est configuré pour mettre en œuvre l'étape d'amélioration itérative du choix de la ou des pseudo-contraintes du quatrième ensemble par itération des étapes suivantes : - calcul et mémorisation de la trajectoire que calculerait le deuxième module FMS à partir d'un plan de vol comprenant les contraintes du plan de vol de référence et les pseudo-contraintes courantes ; - évaluation si la trajectoire courante calculée est améliorée par rapport aux trajectoires calculées dans les itérations précédentes, en fonction du ou des critères d'optimisation du troisième ensemble, de la valeur d'au moins un paramètre d'un deuxième ensemble, et de l'objectif d'amélioration ; et - si l'objectif est atteint, sortie de l'amélioration itérative du plan de vol enrichi avec les pseudo-contraintes courantes, et sinon modification des pseudo-contraintes courantes pour l'itération suivante. Le premier ensemble de contraintes peut comprendre : - des points à survoler ; - une trajectoire latérale à suivre ; - des altitudes ou plages d’altitudes à respecter ; - des vitesses ou plages de vitesse à respecter ; et - des horaires de passage à respecter. Le deuxième ensemble de paramètres représentatif de l'environnement du vol de l'aéronef peut comprendre des informations concernant : - la météo (actuelle et prévisionnelle) ; - le trafic aérien (en vol et sur les aéroports) ; - la masse et le centrage de l’avion tout le long du vol ; et/ou - l’énergie disponible à bord de l’aéronef (thermique ou électrique). Le troisième ensemble de critères d'optimisation peut comprendre : - une minimisation du temps de trajet ; et/ou - une minimisation du carburant consommé et des trainées de condensation du vol ; et/ou - une minimisation d'un écart entre une heure d'arrivée théorique du vol et une heure d'arrivée calculée (ponctualité) ; et/ou - une minimisation des turbulences. Le ou les critères d'optimisation peuvent être sélectionnables par le pilote de l'aéronef. Le quatrième ensemble de pseudo-contraintes peut comprendre : - des points à survoler ; - une trajectoire latérale à suivre ; - des altitudes ou plages d’altitudes à respecter ; - des vitesses ou plages de vitesse à respecter ; et - des horaires de passage à respecter. Le premier module MO peut être configuré pour réaliser l'amélioration itérative par une descente de gradient, ou un algorithme génétique, ou un recuit simulé. En variante, l'invention propose aussi un aéronef muni d'un système de gestion de vol tel que précédemment décrit. La présente invention permet d’améliorer l’efficacité du FMS augmenté, en analysant son fonctionnement. A partir du plan de vol de référence, du plan de vol enrichi amélioré appelé aussi plan de vol optimal, de la trajectoire calculée par le deuxième module FMS, de la trajectoire réellement volée, des données sur les conditions de vols (météo, communication ATM et AOC), et des retours des pilotes, un ou plusieurs experts peuvent écrire un nouvel algorithme pour élaborer le plan de vol enrichi , en prenant en compte l’ensemble des données de plusieurs vol. La collecte de données permet de descendre les données depuis l’aéronef vers une unité de calcul au sol (cloud ou autre). La mise à jour est effectuée par un opérateur de maintenance qui télécharge le nouvel algorithme à l’intérieur de l’avion. L’analyse peut utiliser des techniques d’Intelligence Artificielle. La mise à jour peut être effectuée via un réseau informatique entre l’aéronef et l’unité de calcul au sol. La présente invention présente les avantages suivants : - Optimisation de la trajectoire : cette invention maximise la capacité d’optimisation du deuxième module FMS, en exploitant au mieux ses qualités et en évitant ses défauts. - Augmentation fonctionnelle : le premier module monde ouvert MO peut proposer des fonctions inexistantes dans le deuxième module FMS certifié, tout en veillant à être parfaitement compatible avec les interfaces du deuxième module FMS. - Réduction de la complexité du logiciel certifié : Le deuxième module FMS certifié peut rester relativement simple, par opposition au premier module monde ouvert MO, qui concentre toute la complexité algorithmique d’optimisation. La réduction de la complexité des algorithmes certifiés réduit le nombre d’exigences, de lignes de code et donc de tests. - Réduction des exigences sur le matériel (hardware) : la réduction de l’empreinte CPU des algorithmes certifiés, et donc de l’architecture temps-réel du logiciel, réduit la puissance nécessaire des calculateurs certifiés, et réduit donc les coûts par l’utilisation de hardware ancien et/ou plus "léger". Pour les calculs non certifiés, un calculateur COTS peut être employé, ce qui permet un meilleur SWaP (Size, Weight and Power). - Adaptation aux futurs besoins : traditionnellement les évolutions du deuxième module FMS portent majoritairement sur une amélioration de l’optimisation des trajectoires, et la prise en compte de contraintes de plus en plus nombreuses. Déporter ces efforts dans le monde ouvert permet une bien plus grande agilité dans les évolutions, et facilite l’adaptation aux futurs besoins. - Compatibilité avec les nouvelles technologies : le premier module monde ouvert MO offre la possibilité d’utiliser des techniques très difficilement certifiables telle que l’utilisation de l’Intelligence Artificielle. En effet, le calcul final de la trajectoire est toujours effectué par le FMS certifié et vérifiable par le pilote. - Stabilité du Cœur FMS certifié : La variabilité fonctionnelle peut être portée par l’application monde ouvert. Les algorithmes du deuxième module FMS certifiés ne sont pas impactés par de nouveaux besoins. Système de gestion de vol d'un aéronef comprenant : - un premier module (MO) non critique ou monde ouvert d'élaboration d'un plan de vol enrichi amélioré, comprenant au moins un calculateur non critique, et/ou au moins un logiciel non critique, pour, à partir d'un plan de vol de référence comprenant un premier ensemble de contraintes, de la valeur d'au moins un paramètre d'un deuxième ensemble de paramètres représentatif de l'environnement du vol de l'aéronef, et d'au moins un critère d'optimisation d'un troisième ensemble de critères d'optimisation, calculer et délivrer en sortie, un plan de vol enrichi amélioré comprenant le premier ensemble de contraintes et au moins une pseudo-contrainte d'un quatrième ensemble de pseudo-contraintes, à destination d'un deuxième module (FMS) avionique critique de gestion de vol, pour lequel le plan de vol enrichi est spécifiquement optimisé, le premier module (MO) étant configuré pour élaborer le plan de vol enrichi amélioré de manière itérative par les étapes suivantes : - initialisation de pseudo-contraintes du quatrième ensemble ; et - amélioration itérative du choix des pseudo-contraintes du quatrième ensemble, jusqu'à atteinte d'un objectif d'amélioration d'une trajectoire calculée par le deuxième module (FMS) avionique critique de gestion de vol, ou d'absence d'amélioration par rapport au dernier meilleur choix de pseudo-contraintes, à partir d'au moins un critère d'optimisation du troisième ensemble et d'au moins un paramètre du deuxième ensemble ; - le deuxième module (FMS) critique ou avionique de gestion de vol certifié pour calcul de trajectoire, comprenant au moins un calculateur critique et/ou au moins un logiciel critique pour calculer et délivrer en sortie une trajectoire sécurisée, à partir du plan de vol enrichi amélioré fourni par le premier module (MO). Système selon la revendication 1, dans lequel le premier module (MO) est configuré pour effectuer l'étape d'initialisation de pseudo-contraintes du quatrième ensemble de façon aléatoire, ou selon un processus prédéfini. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier module (MO) est configuré pour mettre en œuvre l'étape d'amélioration itérative du choix de la ou des pseudo-contraintes du quatrième ensemble par itération des étapes suivantes : - calcul et mémorisation de la trajectoire que calculerait le deuxième module (FMS) à partir d'un plan de vol comprenant les contraintes du plan de vol de référence et les pseudo-contraintes courantes ; - évaluation si la trajectoire courante calculée est améliorée par rapport aux trajectoires calculées dans les itérations précédentes, en fonction du ou des critères d'optimisation du troisième ensemble, de la valeur d'au moins un paramètre d'environnement d'un deuxième ensemble, et de l'objectif d'amélioration ; et - si l'objectif est atteint, sortie de l'amélioration itérative du plan de vol enrichi avec les pseudo-contraintes courantes, et sinon modification des pseudo-contraintes courantes pour l'itération suivante. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier ensemble de contraintes comprend : - des points à survoler ; - une trajectoire latérale à suivre ; - des altitudes ou plages d’altitudes à respecter ; - des vitesses ou plages de vitesse à respecter ; et - des horaires de passage à respecter. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième ensemble de paramètres représentatif de l'environnement du vol de l'aéronef comprend des informations concernant : - la météo ; - le trafic aérien ; - la masse et le centrage de l’aéronef tout le long du vol ; et/ou - l’énergie thermique et/ou électrique disponible à bord de l’aéronef. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le troisième ensemble de critères d'optimisation comprend : - une minimisation du temps de trajet ; et/ou - une minimisation du carburant consommé et des trainées de condensation du vol ; et/ou - une minimisation d'un écart entre une heure d'arrivée théorique du vol et une heure d'arrivée calculée ; et/ou - une minimisation des turbulences. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le ou les critères d'optimisation sont sélectionnables par le pilote de l'aéronef. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le quatrième ensemble de pseudo-contraintes comprend : - des points à survoler ; - une trajectoire latérale à suivre ; - des altitudes ou plages d’altitudes à respecter ; - des vitesses ou plages de vitesse à respecter ; et - des horaires de passage à respecter. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier module (MO) est configuré pour réaliser l'amélioration itérative par une descente de gradient, ou un algorithme génétique, ou un recuit simulé. Aéronef muni d'un système de gestion de vol selon l'une des revendications précédentes.