EP1546830A1 - Procede d'aide a la navigation d'un aeronef et dispositif correspondant - Google Patents

Procede d'aide a la navigation d'un aeronef et dispositif correspondant

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EP1546830A1
EP1546830A1 EP03773810A EP03773810A EP1546830A1 EP 1546830 A1 EP1546830 A1 EP 1546830A1 EP 03773810 A EP03773810 A EP 03773810A EP 03773810 A EP03773810 A EP 03773810A EP 1546830 A1 EP1546830 A1 EP 1546830A1
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EP
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aircraft
height
profile
capture
speed
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Withdrawn
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EP03773810A
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German (de)
English (en)
Inventor
Guy THALES Intellectual Property DEKER
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/04—Control of altitude or depth
    • G05D1/06—Rate of change of altitude or depth
    • G05D1/0607—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft
    • G05D1/0653—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft during a phase of take-off or landing

Definitions

  • the invention relates to a navigation aid method and device.
  • the field of the invention is that of aid to navigation and air safety and relates more particularly to aid in controlling the guidance of an aircraft along a trajectory in the context of flight control. automatic.
  • trajectory 1 shown in FIG. 1 consists of a succession of rectilinear segments and is broken down into two parts: a first part 10 during which the plane is relatively free and which can therefore be optimized by adopting a speed setpoint and thrust to minimize fuel consumption and a second part 11 of preparing the aircraft for approach and landing on a runway 12 during which the aircraft must respect certain altitude parameters , speed and horizontal route by adopting a constrained speed and slope.
  • An airplane descent trajectory is calculated backwards from the configuration in which the airplane is landing, then ascending and establishing from point 2 to point 2 the corresponding speed and thrust instructions until start point of the descent or "TOD", English acronym of "Top Of Descent".
  • the capture zone around the profile is used to designate the zone in which it is possible to capture the profile by applying a transition between the guidance sub-mode in which the aircraft is located and the guidance mode suitable for monitoring the profile segment to be captured. Outside this zone, a guidance sub-mode is applied which makes it possible to reach this capture zone as quickly as possible.
  • This capture zone 3 represented in FIG. 2 can be defined as a strip of diameter D, fixed or dependent only on speed, centered on the profile 1.
  • the capture zone is too small and the capture of the targeted profile segment is too fast, in particular for the comfort of the passengers; similarly for a flight at low altitude and / or at low speed, the capture zone is too wide and the capture of the targeted profile segment is too long in the sense that part of this capture time could have been devoted to another flight mode and in particular to a faster capture with a flight mode more economical in fuel such as for example the mode "in the air mass” or "airmass" in English.
  • An important object of the invention is therefore to choose a capture zone which is better suited to the comfort of the passengers and to the speed of capture than in the prior art.
  • the invention proposes a method for assisting the automatic navigation of an aircraft, mainly characterized in that a capture zone being an area in which the aircraft can capture a segment of predetermined vertical profile in applying a transition between the guidance sub-mode in which the aircraft is located and the guidance sub-mode suitable for monitoring the vertical profile segment to be captured, it comprises the step of determining the width of the capture zone as a function of the height of the vertical profile to be captured and of the speed of the aircraft plumb with this height when the aircraft is not on the profile or at this height when the aircraft is on the profile .
  • the invention also relates to an automatic navigation aid device for an aircraft comprising at least one program memory, characterized in that the program memory comprises a program for calculating the width of a capture zone , a capture zone being a zone in which the aircraft can capture a segment of predetermined vertical profile by applying a transition between the guidance sub-mode in which the aircraft is located and the guidance sub-mode suitable for monitoring the profile segment to be captured, the width of the capture zone being calculated as a function of the height of the vertical profile to be captured and of the speed that the aircraft plumbs over this height when the aircraft is not on the profile or at this height when the aircraft is on the profile.
  • the program memory comprises a program for calculating the width of a capture zone , a capture zone being a zone in which the aircraft can capture a segment of predetermined vertical profile by applying a transition between the guidance sub-mode in which the aircraft is located and the guidance sub-mode suitable for monitoring the profile segment to be captured, the width of the capture zone being calculated as a function of the height of the vertical profile to be captured and
  • FIG. 1 already described schematically represents a vertical profile
  • FIG. 2 already described diagrammatically represents a capture zone according to the state of the art
  • FIG. 3 diagrammatically represents a capture zone according to the invention
  • FIG. 4 diagrammatically represents a navigation aid device according to the invention.
  • the problem posed is to determine the capture area and more precisely to determine it optimally as a function of the dynamics of the aircraft and the comfort of the passengers.
  • this capture zone it is more precisely a question of determining this capture zone so that it is wider for a flight at high altitude and / or at high speed and less wide for a flight at low altitude and / or at low speed.
  • the method according to the invention is based on the calculation of the width of the capture area also called margin, as a function of the height of the vertical profile to be captured and of the ground speed that the aircraft plumb with this height when the aircraft is not on the profile or at this height when the aircraft is on the profile. According to a particular embodiment of the invention, this function is determined from the law on total mechanical energy, such
  • E t , E c and E p being respectively the total energy, the kinetic energy and the potential energy of the airplane.
  • the margin is then expressed as a function of the total height by considering a safety height h s and an adaptation constant K varying according to the characteristics of the aircraft:
  • K allows ⁇ h to vary between h s , for a flight at low altitude and low speed, and a height limit for a flight at high altitude and high speed, whatever the ground speed v and the height h.
  • FIG. 4 An example of this device 100 is shown in FIG. 4. It conventionally comprises one or more microprocessors 101 coupled to a program memory 102 of ROM type for example, to a working memory 103 of RAM type for example and to one or more memories 104 of ROM type for example for the storage of the vertical profile to be captured, as well as circuits 105 for transferring data between these various elements.
  • the program memory 102 contains the executable program of the method, in the form of source code, while the working memory 103 includes registers which can be updated for the storage of results of the calculations.
  • This equipment 100 also includes a communication interface 106 to allow the exchange of data with devices such as for example with a user interface 107, with sensors, etc.
  • FMS flight management system

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  • Navigation (AREA)

Abstract

L’invention concerne un procédé d’aide à la navigation automatique d’un aéronef. Une zone de capture étant une zone dans laquelle l’aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en applicant une transition entre le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil vertical à capturer, il comprend l’étape consistant à déterminer la largeur de la zone de capture en fonction de la hauteur h du profil vertical à capturer et de la vitesse v qu’a l’aéronef à l’aplomb de cette hauteur lorsque l’aéronef n’est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l’aéronef est sur le profil.

Description

PROCEDE D'AIDE A LA NAVIGATION D'UN AERONEF ET DISPOSITIF
CORRESPONDANT
L'invention concerne un procédé et un dispositif d'aide à la navigation.
Le domaine de l'invention est celui de l'aide à la navigation et à la sécurité aériennes et concerne plus particulièrement l'aide au contrôle du guidage d'un aéronef le long d'une trajectoire dans le cadre d'une conduite de vol automatique.
Il peut s'agir d'une trajectoire en descente ou en montée. Dans la suite, on prendra comme exemple de trajectoire, une trajectoire en descente et un avion comme exemple d'aéronef. Une telle trajectoire 1 représentée figure 1 , et appelée profil vertical est constituée d'une succession de segments rectilignes et est décomposée en deux parties : une première partie 10 pendant laquelle l'avion est relativement libre et qui peut donc être optimisée en adoptant une vitesse de consigne et une poussée permettant de minimiser la consommation de carburant et une seconde partie 11 de préparation de l'avion à l'approche et à l'atterrissage sur une piste 12 au cours de laquelle l'avion doit respecter certains paramètres d'altitude, de vitesse et de route horizontale en adoptant une vitesse et une pente contraintes.
Une trajectoire de descente d'avion se calcule à rebours à partir de la configuration dans laquelle se trouve l'avion à l'atterrissage puis en remontant et en établissant de point 2 en point 2 les consignes de vitesse et de poussée correspondantes jusqu'au point de début de la descente ou « TOD », acronyme anglo-saxon de « Top Of Descent ».
Une fois ce profil établi par le système de gestion de vol (« FMS », acronyme anglo-saxon de « Flight Management System ») à partir de contraintes données par les contrôleurs aériens, le système de gestion de vol va donner des ordres au pilote automatique pour rejoindre ce profil et s'y maintenir, ces ordres étant établis en fonction de lois de commande et des consignes de vitesse et de poussée spécifiques du segment de profil. On distingue les lois qui déterminent la commande des gouvernes de profondeur en fonction de consignes de vitesse (« SPD » comme speed en anglais), de chemin vertical (« VPATH » comme Vertical PATH en anglais) ou de vitesse verticale (« VS » comme Vertical Speed en anglais) et les lois qui déterminent la commande de poussée et qui sont établies en fonction de consignes de poussée (« THR » comme Thrust en anglais) ou de vitesse (« SPD »). Ces lois sont combinées entre elles et les couples de lois en résultant et qui sont associés à des sous-modes de guidage, permettent d'établir les ordres qui permettront à l'aéronef de rejoindre (on dit aussi capturer) le segment de profil ou de s'y maintenir tout en respectant certaines contraintes.
A partir de ce qui précède, on désigne par zone de capture autour du profil, la zone dans laquelle il est possible de capturer le profil en appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'avion et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil à capturer. En dehors de cette zone, on applique un sous-mode de guidage permettant de rejoindre au plus vite cette zone de capture.
On peut définir cette zone de capture 3 représentée figure 2, comme une bande de diamètre D, fixe ou ne dépendant que de la vitesse, centrée sur le profil 1.
Mais ces définitions ne prennent pas en compte les différences notamment entre un vol à haute altitude et grande vitesse sol (en début de descente par exemple) et un vol à basse altitude et basse vitesse sol (lors par exemple de la préparation de la procédure d'approche), ainsi que les corollaires tels que les vols à basse altitude et grande vitesse sol.
Ainsi pour un vol à haute altitude et/ou à grande vitesse, la zone de capture est trop réduite et la capture du segment de profil visé est trop rapide en particulier pour le confort des passagers ; de même pour un vol à basse altitude et/ou à basse vitesse, la zone de capture est trop large et la capture du segment de profil visé est trop longue en ce sens qu'une partie de ce temps de capture aurait pu être consacré à un autre mode de vol et notamment à une capture plus rapide avec un mode de vol plus économique en carburant comme par exemple le mode « dans la masse d'air » ou « airmass » en anglais.
Finalement, l'exécution des ordres par le pilote automatique ne permettent pas toujours d'assurer le confort des passagers ou d'adopter un mode de vol adapté, pendant la capture du profil.
Il est connu que pour assurer le confort des passagers, les mouvements de l'aéronef ne doivent pas conduire à ce que le facteur d'accélération verticale dépasse un certain seuil, par exemple égal à 0.1 g, g étant l'accélération terrestre (g= 9.81 m/s2 = 32.1725 ft/s2 ). Ce facteur ne doit pas non plus être dépassé pendant la capture.
Il en résulte que pour assurer le confort des passagers, il faut forcer la capture du profil par des trajectoires soumises à des facteurs de charge contraints. La forme de la trajectoire permettant de conserver un facteur d'accélération verticale constant pendant la capture est une parabole qui vient tangenter le profil.
Pour assurer le confort des passagers, il faut aussi éviter les fortes variations de poussée.
Un but important de l'invention est donc de choisir une zone de capture mieux adaptée au confort des passagers et à la rapidité de capture que dans l'art antérieur.
Pour atteindre ces buts, l'invention propose un procédé d'aide à la navigation automatique d'un aéronef, principalement caractérisé en ce qu'une zone de capture étant une zone dans laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil vertical à capturer, il comprend l'étape consistant à déterminer la largeur de la zone de capture en fonction de la hauteur du profil vertical à capturer et de la vitesse qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil.
L'invention a également pour objet un dispositif d'aide à la navigation automatique d'un aéronef comportant au moins une mémoire de programme, caractérisé en ce que la mémoire de programme comporte un programme de calcul de la largeur d'une zone de capture, une zone de capture étant une zone dans laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil à capturer, la largeur de la zone de capture étant calculée en fonction de la hauteur du profil vertical à capturer et de la vitesse qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement un profil vertical, la figure 2 déjà décrite représente schématiquement une zone de capture selon l'état de la technique, la figure 3 représente schématiquement une zone de capture selon l'invention, la figure 4 représente schématiquement un dispositif d'aide à la navigation selon l'invention.
Le problème posé est de déterminer la zone de capture et plus précisément de la déterminer de manière optimale en fonction de la dynamique de l'avion et du confort des passagers.
Il s'agit plus précisément de déterminer cette zone de capture de manière à ce qu'elle soit plus large pour un vol à haute altitude et/ou à grande vitesse et moins large pour un vol à basse altitude et/ou à basse vitesse. Le procédé selon l'invention est basé sur le calcul de la largeur de la zone de capture aussi dénommée marge, en fonction de la hauteur du profil vertical à capturer et de la vitesse sol qu'a l'avion à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on détermine cette fonction à partir de la loi sur l'énergie mécanique totale, telle
Et, Ec et Ep étant respectivement l'énergie totale, l'énergie cinétique et l'énergie potentielle de l'avion. En désignant comme représenté figure 3 par v, la vitesse sol qu'a l'avion sur le profil à la hauteur h ou à l'aplomb de cette hauteur, m sa masse, h' la hauteur de la borne supérieure de la zone de capture et h" la hauteur de la borne inférieure, et en définissant la hauteur totale h équivalente issue de l'énergie totale, on pose : 1 Et = mght = — mv +mgh ,
soit -+h
2g
Selon un mode de réalisation de l'invention, on exprime alors la marge selon une fonction de la hauteur totale en considérant une hauteur de sécurité hs et une constante d'adaptation K variant selon les caractéristiques de l'avion :
Δh = h'-h = h -h* = hs . +— κ h. t = hs s + h + --
2g K
K permet à Δh de varier entre hs, pour un vol à basse altitude et basse vitesse, et une hauteur limite pour un vol à haute altitude et grande vitesse, quelles que soient la vitesse sol v et la hauteur h.
Le procédé décrit est mis en œuvre dans un dispositif embarqué d'aide à la navigation d'un aéronef. Un exemple de ce dispositif 100 est représenté figure 4. Il comporte de manière classique un ou plusieurs microprocesseurs 101 couplés à une mémoire de programme 102 de type ROM par exemple, à une mémoire de travail 103 de type RAM par exemple et à une ou plusieurs mémoires 104 de type ROM par exemple pour le stockage du profil vertical à capturer, ainsi que des circuits 105 de transfert de données entre ces divers éléments. La mémoire de programme 102 contient le programme exécutoire du procédé, sous forme de code source, alors que la mémoire de travail 103 comporte des registres pouvant être mis à jour pour le stockage de résultats des calculs. Cet équipement 100 comporte aussi une interface de communication 106 pour permettre l'échange de données avec des dispositifs comme par exemple avec une interface utilisateur 107, avec des capteurs, etc.
Ces éléments sont par exemple inclus dans un système de gestion de vol, (« FMS »). Ils peuvent aussi être inclus sous forme de circuits intégrés dédiés, conçus pour mettre en oeuvre le procédé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'aide à la navigation automatique d'un aéronef, caractérisé en ce qu'une zone de capture étant une zone dans laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil vertical à capturer, il comprend l'étape consistant à déterminer la largeur de la zone de capture en fonction de la hauteur h du profil vertical à capturer et de la vitesse v qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur de la zone de capture est déterminée en fonction de la hauteur h et du carré de la vitesse v.
3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur de la zone de capture est égale à environ 2Δh avec
h' étant la hauteur de la borne supérieure de la zone de capture, hs une hauteur de sécurité, g l'accélération terrestre et K une constante d'adaptation.
4. Dispositif (100) d'aide à la navigation automatique d'un aéronef comportant au moins une mémoire de programme (102), caractérisé en ce que la mémoire de programme (102) comporte un programme de calcul de la largeur d'une zone de capture, une zone de capture étant une zone dans laquelle l'aéronef peut capturer un segment de profil vertical prédéterminé en appliquant une transition entre le sous-mode de guidage dans lequel se trouve l'aéronef et le sous-mode de guidage adapté au suivi du segment de profil à capturer, la largeur de la zone de capture étant calculée en fonction de la hauteur h du profil vertical à capturer et de la vitesse v qu'a l'aéronef à l'aplomb de cette hauteur lorsque l'aéronef n'est pas sur le profil ou à cette hauteur lorsque l'aéronef est sur le profil.
5. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la mémoire de programme comporte un programme de calcul de la largeur d'une zone de capture en fonction de la hauteur h et du carré de la vitesse v.
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