EP1955305B1

EP1955305B1 - Dispositif et procede de mise a jour dynamique des zones de vol prohibees dans un aeronef

Info

Publication number: EP1955305B1
Application number: EP06819822A
Authority: EP
Inventors: Xavier Louis
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: WO2007063070A1; US20090012661A1; FR2894365B1; FR2894365A1; EP1955305A1

Abstract

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de mise à jour dynamique des zones de vol prohibées, à bord d'un aéronef en vol. Le procéd est caractérisé en ce qu' il comporte une phase de définition de la géométri des zones à accès restreint et de leurs conditions d' accès qui dépendent de l'aéronef, une phase de caractérisation de l'aéronef par rapport aux conditions d' accès aux zones et une phase de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès. Application : aéronautique.

Description

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de changement des zones prohibées à un aéronef. Elle s'applique dans le domaine de l'aéronautique. Par exemple, dans le cadre de l'avionique et des systèmes embarqués, elle s'applique aux systèmes destinés à éviter la planète, comme les systèmes connus sous leur dénomination anglo-saxonne de « Terrain Awareness and Warning Systems », que l'on appellera systèmes TAWS par la suite.
Les systèmes TAWS et les systèmes d'évitement de la planète en général sont des systèmes embarqués à bord des aéronefs qui visent à pallier d'éventuelles erreurs de contrôle ou de pilotage pouvant amener un aéronef à entrer en collision avec le sol ou avec ce qui est couramment désigné en aéronautique par l'expression anglo-saxonne de « Man Made Structure », que l'on appellera MMS par la suite. Les MMS sont des constructions humaines au sol constituant un obstacle potentiel au trafic aérien de par leur envergure, notamment lorsque les avions sont en phase de décollage ou de descente vers un aérodrome. Parmi ces obstacles, peuvent être cités par exemple les antennes de radio-diffusion, les lignes à haute tension ou encore les gratte-ciel.
C'est essentiellement le contrôle aérien qui assure le respect des distances de sécurité entre l'aéronef et le sol et qui signale les MMS, même si l'équipage dispose également de cartes papier ou numérisées lui fournissant les informations sur les procédures d'approche ou de décollage et sur les menaces, MMS ou autres, qu'il peut rencontrer. Le contrôleur d'approche donne des consignes de montée ou de descente au pilote par radio, qui exécute les consignes de manière totalement assistée. Mais l'exécution de ces consignes est entièrement assujettie à la volonté ou à la disponibilité du pilote. Dans le cas où le pilote n'est plus en mesure de recevoir ou d'exécuter les consignes du contrôleur, s'il y a détournement par des pirates de l'air par exemple, il n'y a aucun système à bord pouvant se substituer au contrôleur et au pilote. En effet, même si des instruments de bord permettent de mesurer avec plus ou moins de précision l'altitude de l'appareil, en se basant sur une mesure de pression et l'application d'un gradient à partir d'une pression de référence, connaître avec précision la distance avec le sol est beaucoup plus complexe. Cela nécessite notamment d'avoir une connaissance détaillée du relief, des infrastructures humaines en surface, et d'être à même de les exploiter rapidement au vu de la quantité énorme d'information que cela représente. C'est le rôle des systèmes d'évitement de la planète, de plus en plus répandus, comme les systèmes TAWS.
Par exemple, les systèmes TAWS actuels disposent d'une connexion à un système de positionnement par triangulation du type « Global Positionning System » par exemple, ou d'une connexion avec des équipements de radio-navigation au sol et à bord leur permettant de connaître leur position en trois dimensions. Ils en déduisent leur position en latitude et longitude ainsi que leur altitude par rapport au niveau de la mer. Ils disposent également d'un modèle numérique de terrain alimenté par une base de données terrain permettant, pour toute position de l'espace caractérisée par une latitude et une longitude, de connaître l'altitude du relief par rapport au niveau de la mer. En comparant l'altitude de l'aéronef à l'altitude du relief, ces systèmes déduisent la distance de l'aéronef par rapport au sol, en informent le personnel de pilotage et éventuellement lèvent des alertes sonores ou visuelles dans les cas de risque imminent de collision avec le sol. Ces systèmes comportent également un moyen de stockage des MMS, qui sont décrits par leur position en latitude et longitude, par leur altitude par rapport au niveau de la mer cohérente du modèle numérique de terrain embarqué et enfin par leur hauteur. Chaque MMS est associé à un rayon et à une incertitude parfois exprimés en kilomètres, ces deux paramètres étant sensés traduire le manque de précision quant à la localisation et l'envergure de l'obstacle. Une telle représentation des obstacles n'est adaptée qu'à des obstacles ponctuels, du type d'une antenne, d'un pylône ou d'une tour isolée, mais absolument pas à des obstacles volumiques, comme des ensembles de gratte-ciel, sauf à introduire des distances de sécurité très importantes par augmentation du rayon et de l'incertitude pour englober ces obstacles.
Or les besoins actuels tendent vers la précision dans la définition des obstacles, allant jusqu'à exiger de pouvoir tenir compte d'obstacles volumiques de grande envergure distincts mais proches et d'adapter la distance de sécurité dans certaines situations. Par exemple, une concentration de gratte-ciel peut être interdite de survol et d'approche à tout trafic d'avion de ligne à une distance importante. Mais le vol des aéronefs légers peut être autorisé à distance moyenne. Les hélicoptères peuvent être autorisés à se poser sur des infrastructures à proximité directe des gratte-ciel, ils doivent par conséquent pouvoir s'approcher à distance très courte. Par exemple encore, certains équipements qui tombent en panne peuvent rendre un appareil moins fiable ou moins sûr. Lui interdire la proximité de certains obstacles dont l'approche nécessiterait l'utilisation des équipements en panne est une mesure qui va dans le sens de la sécurité du vol. Par exemple encore, il est préférable d'empêcher l'approche de MMS à forte concentration de population comme les gratte-ciel à un avion détourné par des pirates de l'air.
Les systèmes TAWS actuels et la façon de modéliser les MMS qu'ils mettent en oeuvre ne permettent pas un tel niveau de précision et de souplesse. Ainsi, des obstacles d'assez faible envergure génèrent un vaste secteur de vol interdit à tous. Des aéronefs ne présentant aucune contre-indication à l'approche de certains obstacles s'en voient définitivement interdire l'approche ou au contraire des aéronefs dont l'approche d'un obstacle présente un réel danger s'en voient laisser le libre survol.
Les systèmes décrit dans la demande internationale WO2004/025600 (page 14 ligne 11 à page 15 ligne 3) et dans la demande française FR2830360 (page 1 ligne 33 à page 2 ligne 19) présentent notamment de tels inconvénients.
L'invention a notamment pour but d'offrir une solution générique aux problèmes d'anti-collision avec tous les types d'obstacles au sol, quelles que soient leurs dimensions. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de changement des zones prohibées à un aéronef. Il comporte une phase de définition de la géométrie des zones à accès restreint et de leurs conditions d'accès qui dépendent de l'aéronef, une phase de caractérisation de l'aéronef par rapport aux conditions d'accès aux zones et une phase de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès.
Avantageusement, l'accès aux zones peut être conditionné par le type d'aéronef ou sa situation opérationnelle de vol.
L'invention a également pour objet un système de changement des zones prohibées à un aéronef. Il comporte un moyen de stockage des zones à accès restreint décrites par leur géométrie et leurs conditions d'accès qui dépendent de l'aéronef, un module de caractérisation de l'aéronef par rapport aux conditions d'accès aux zones et un module de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès.
Avantageusement, l'accès aux zones peut être conditionné par le type d'aéronef ou sa situation opérationnelle de vol.
Les zones prohibées peuvent être fournies à un système de vol levant une alerte sonore ou visuelle quand une zone prohibée va être pénétrée ou à un système de pilotage automatique rendant impossible la pénétration de ces zones par l'aéronef.
L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle offre beaucoup de souplesse puisqu'elle est adaptable à tous les types d'aéronef, permettant par exemple d'emboîter des zones de protection d'un obstacle en fonction du type d'aéronef auquel elles s'adressent. Cette souplesse fait de l'invention une excellente base à la définition d'un nouveau standard de zones partageable par toute la communauté de l'aéronautique, qu'elle soit civile, militaire, commerciale ou de loisir, et dépassant largement le cadre de la protection des obstacles au sol. Elle permet une mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef en fonction de l'évolution de sa situation opérationnelle tout au long du vol, rompant ainsi totalement avec le caractère figé des anciennes zones. De plus, elle est facile à mettre en oeuvre sur les systèmes embarqués existants. A l'avenir, elle permettra même d'exploiter une fonction actuellement à l'étude et qui sera très délicate à utiliser, consistant à prendre la main sur le pilote dans certaines situations critiques exceptionnelles. Enfin, protéger les obstacles volumiques au sol par des zones dont la géométrie est décrite en trois dimensions est une façon simple de prendre en compte les reliefs du terrain.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :

la figure 1, par un synoptique les phases successives du procédé selon l'invention ;
la figure 2, par un synoptique un exemple d'architecture de système TAWS mettant en oeuvre le procédé selon l'invention.

La figure 1 illustre par un synoptique les phases possibles du procédé selon l'invention.
Il comporte tout d'abord une première phase 1 de définition de la géométrie des zones à accès restreint et de leurs conditions d'accès qui dépendent de l'aéronef. Il s'agit dans un premier temps de décrire des portions de l'espace aérien, chacune sous la forme d'une liste de points en latitude, longitude et hauteur au-dessus du relief. La liste de points en latitude et longitude détermine un polygone à deux dimensions, la hauteur au-dessus du relief détermine une zone à trois dimensions, dont la base est le polygone précédemment défini, zone en forme de nappe d'épaisseur variable par-dessus le relief. Il s'agit dans un deuxième temps d'établir des critères auxquels devront satisfaire les aéronefs pour être autorisés à pénétrer les zones. Avantageusement, il peut être envisagé de ne donner accès à une zone qu'à certains types d'aéronefs, en fonction de leurs performances et de leur manoeuvrabilité par exemple. Il peut être envisagé de n'autoriser l'accès à une zone qu'aux aéronefs ne présentant aucun symptôme de panne ou de défaillance d'un équipement de sécurité. Il peut être envisagé encore de n'autoriser l'accès à une zone qu'aux aéronefs n'ayant donné aucun signe laissant à penser que le vol pourrait faire l'objet d'un détournement, par exemple n'ayant jamais émis le code « hijacked » avec leur transpondeur durant le vol.
Cette façon de décrire des zones à accès réglementé amène notamment une grande souplesse. Elle permet en effet de les emboîter les unes dans les autres et ainsi d'adapter la distance de sécurité au type d'aéronef. Par exemple, un ensemble de gratte-ciel peut se voir englobé dans une première zone accessible à aucun aéronef, quel que soit son type. Cette zone interdite à tout aéronef peut elle-même être englobée dans une deuxième zone plus vaste accessible uniquement aux hélicoptères. Cette zone accessible aux hélicoptères peut elle-même être englobée dans une troisième zone plus vaste encore et accessible uniquement aux hélicoptères et aux avions légers.
Ainsi, les avions de lignes se voient interdire l'accès à la troisième zone, à grande distance des gratte-ciel, cette zone ne pouvant être pénétrée que par les avions légers et les hélicoptères. Puis, les avions légers se voient interdire l'accès à la deuxième zone, à distance moyenne des gratte-ciel, cette zone ne pouvant être pénétrée que par les hélicoptères. Enfin, les hélicoptères se voient interdire l'accès à la première zone, à proximité immédiate des gratte-ciel, cette zone ne pouvant être pénétrée par aucun aéronef.
Le procédé selon l'invention comporte également une phase 2 de caractérisation de l'aéronef par rapport aux conditions d'accès aux zones. Il s'agit, pour chacun des critères auxquels doit satisfaire un aéronef pour être autorisé à pénétrer une zone, de déterminer l'état de l'aéronef vis-à-vis de ce critère. Avantageusement, cela peut consister pour le personnel de bord à déclarer toute situation opérationnelle particulière, comme déclarer les rapports de panne ou régler leur transpondeur sur le code « hijacked » dès qu'ils soupçonnent un détournement imminent. Ou encore cela peut consister pour le personnel de contrôle au sol à désigner tout avion ayant un comportement suspect vu du sol, le silence radio par exemple, les systèmes au sol envoyant alors cette information de suspicion aux systèmes embarqués par une liaison de données hertzienne existante. Tout cela introduit une véritable dynamique. En effet, en reprenant l'exemple précédent des trois zones emboîtées, il peut être envisagé une quatrième zone englobant encore plus largement la troisième zone et qui n'est accessible qu'aux aéronefs ne présentant aucun symptôme de panne ni ne présentant aucun signe de détournement possible. Ainsi, un aéronef qui en temps normal peut approcher les gratte-ciel jusqu'à la troisième zone, la deuxième zone, voire la première zone selon son type, peut se voir dynamiquement assigner pendant le vol une distance de sécurité par rapport aux gratte-ciel bien plus grande, suite à un rapport de panne ou une suspicion de détournement.
Le procédé selon l'invention comporte enfin une phase 3 de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès. Il s'agit, sur caractérisation d'un aéronef par rapport aux conditions d'accès aux zones, de mettre à jour les autorisations d'accès de l'aéronef à chacune des zones. Dans le cas extrême du détournement, il peut être imaginé que l'espace aérien est découpé en zones restreintes de manière à ne plus autoriser un vol détourné que dans des zones bien particulières, par exemple les zones militaires déjà existantes. En effet les zones militaires présentent une très faible densité de population et un trafic aérien quasi nul en dehors des manoeuvres militaires. Elles présentent donc toutes les conditions de sécurité requises pour gérer le plus sereinement possible ce genre de situation, Et parallèlement les zones non militaires deviennent interdite aux vols détournés. Dans ce cas il est également souhaitable de coupler le système d'évitement de la planète, que ce soit un système TAWS ou autre, au système de pilotage automatique afin qu'il prenne la main d'autorité sur le pilote, ce qui sera très prochainement possible. En se basant sur les nouvelles zones interdites ou autorisées aux avions détournés, le système de pilotage automatique peut facilement empêcher l'avion d'entrer dans les zones prohibées protégeant des infrastructures humaines et diriger l'avion vers une zone militaire sécurisée. Mais on peut également envisager d'autres situations dans lesquelles le système de pilotage automatique prend la main d'autorité sur le pilote en se basant sur les zones restreintes selon l'invention. Par exemple, toujours en reprenant l'exemple des trois zones englobant l'ensemble d'immeuble, le pilotage automatique pourrait empêcher l'avion d'outrepasser l'interdiction de pénétrer la troisième zone. Dans ce cas la prise en main de l'appareil peut être précédée d'une alerte puis d'une notification au pilote par le « Flight Warning Computer », qu'on appellera FWC par la suite, qui est un système dédié à la levée des alertes. En effet, des pirates de l'air connaissant très bien les procédures de contrôle pourraient s'emparer d'un appareil sans qu'aucun signe extérieur n'en soit donné. Ainsi, même s'ils ne sont pas dirigés immédiatement vers une zone militaire sécurisée, au moins ils ne peuvent approcher les infrastructures humaines à forte densité de population. Il devient ainsi techniquement impossible de s'approcher des cibles potentielles à une attaque terroriste avec un aéronef que la taille rend susceptible de provoquer des dégâts importants s'il était utilisé comme projectile.
La figure 2 illustre par un synoptique un exemple d'architecture de système TAWS mettant en oeuvre le procédé selon l'invention.
Il comporte une base de données 20 des zones à accès restreint qui décrit chaque zone en terme de situation géographique en latitudes, longitudes et hauteur au-dessus du terrain, et en terme de conditions d'accès en fonction de l'aéronef. Idéalement, la description de ces zones peut suivre un standard reconnu par les différents acteurs de l'aéronautique, qu'il soit civil ou militaire. Idéalement également, des distributeurs agréés peuvent mettre à disposition des versions à jour de ces bases de données de zones standardisées, en fonction des constructions et des démolitions de MMS.
L'exemple de système TAWS selon l'invention comporte également une fonction 21 de détermination des zones prohibées. Cette fonction fait tout d'abord une requête de zones à la base de données 20, au décollage par exemple, pour avoir le découpage générique de l'espace aérien en zones restreintes. Puis à partir des données spécifiques à l'aéronef connues par une base de données 26 par exemple, avantageusement le type d'aéronef, cette fonction 21 détermine une première liste de zones interdites à l'aéronef en particulier et dans lesquelles celui-ci n'est pas autorisé à pénétrer, ceci dès son décollage. Puis, à chaque fois qu'elle reçoit un message susceptible de modifier cette liste, la fonction 21 reconsidère les zones prohibées à l'aéronef en tenant compte de la nouvelle situation. Avantageusement, elle peut recevoir tout message indiquant une situation opérationnelle exceptionnelle. Par exemple, ce peut être un rapport de panne du type « Built-in Test Equipment », que l'on appellera rapport BITE par la suite, émis par un « Line Replaceable Unit » 24 assurant une fonction de sécurité, que l'on appellera LRU par la suite. Les LRU sont des modules matériels et logiciels en tiroirs de type calculateurs, capteurs ou actionneurs, remplaçables aisément si nécessaire. Ils comportent une fonction de maintenance d'un type connu par sa désignation anglo-saxonne de fonction BITE. Cette fonction BITE permet aux LRU de réaliser des diagnostics sur leur état interne de fonctionnement et d'émettre des comptes-rendus que l'on appelle par extension des rapports BITE. Par exemple encore la fonction 21 peut recevoir des rapports de panne introduits manuellement sur un « Multi purpose Control Display Unit » 22, que l'on appellera MCDU par la suite. Un MCDU est un dispositif intégré d'écran et de clavier assez répandu en avionique. Il a pour principale caractéristique d'offrir des services très génériques d'affichage et de saisie de caractères alphanumériques. Ainsi il est facilement adaptable à diverses applications nouvelles et notamment à la mise en oeuvre de l'invention, par exemple l'introduction de rapports de panne lorsque celles-ci ne font pas l'objet d'un diagnostic automatique du type rapport BITE émis par un LRU. Par exemple enfin la fonction 21 peut recevoir tous les codes envoyés par le transpondeur 23 ou un autre équipement, afin de repérer l'émission possible du code « hijacked », même si elle est très brève. Tous ces messages traduisent un événement susceptible de modifier les zones interdites spécifiquement à l'aéronef.
La fonction 21 envoie par exemple les zones prohibées à un module d'affichage du type d'un « Terrain Hazard Display » 25, qui est un dispositif d'affichage graphique standard en avionique offrant des fonctions de visualisation de zones en deux dimensions. Ainsi le pilote se voit informé graphiquement et en temps réel des zones qu'il doit éviter. Avantageusement, la fonction 21 envoie également les zones prohibées à une autre sous fonction 29 du TAWS qui, connaissant en permanence la position de l'appareil, est apte à lever des alertes sonores lorsqu'une zone interdite est sur le point d'être pénétrée grâce à un FWC 30 et à un « Aircraft Audio system » 28, qui est un dispositif d'émission sonore standard en avionique. Avantageusement là encore, la fonction 21 envoie les zones prohibées à une autre sous fonction 31 du TAWS qui, connaissant également en permanence la position de l'appareil, propose des trajectoires d'évitement lorsqu'une zone interdite est pénétrée. Elle envoie les trajectoires d'évitement à un système de vol 27 qui peut par exemple avoir une fonction de pilote automatique. La fonction de pilote automatique peut, dans certaines conditions extrêmes et lorsque les zones autorisées à l'aéronef se limitent aux zones militaires par exemple, prendre la main d'autorité sur le pilote pour diriger l'appareil dans l'une des zones en question.
L'exemple de réalisation de dispositif décrit précédemment s'inscrit dans le cadre d'un système TAWS. Mais il faut bien comprendre que tout système d'évitement de la planète peut implémenter le procédé selon l'invention.

Claims

Procédé de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef en vol, comportant :
- une phase de définition de la géométrie des zones à accès restreint et de leurs conditions d'accès qui dépendent de l'aéronef (1) ;
le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte:
- une phase de caractérisation du statut de l'aéronef par rapport aux conditions d'accès aux zones (2) ;

- une phase de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès (3) ;
la phase de caractérisation du statut de l'aéronef et la phase de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès étant déclanchées dès qu'un événement est susceptible de modifier le statut de l'aéronef vis-à-vis des conditions d'accès à une zone.
Procédé de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'accès aux zones est conditionné par le type d'aéronef.
Procédé de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'accès aux zones est conditionné par les performances ou la manoeuvrabilité de l'aéronef.
Procédé de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'accès aux zones est conditionné par la situation opérationnelle de vol de l'aéronef.
Procédé de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que l'accès aux zones est conditionné par l'émission avec le transpondeur du code de détournement.
Procédé de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que des obstacles au sol sont englobés dans une première zone accessible à aucun aéronef, la première zone étant elle-même englobée dans une deuxième zone accessible uniquement aux hélicoptères, la deuxième zone étant elle-même englobée dans une troisième zone accessible uniquement aux avions légers, la troisième zone étant elle-même englobée dans une quatrième zone accessible uniquement aux avions ne présentant aucun symptôme de panne ou de détournement.
Système embarqué à bord d'un aéronef de mise à jour dynamique en vol des zones prohibées à l'aéronef comportant :
- un moyen de stockage des zones à accès restreint (20) décrites par leur géométrie et leurs conditions d'accès qui dépendent de l'aéronef ;
le système étant caractérisé en ce qu'il comporte:
- un module de caractérisation du statut de l'aéronef (22, 23, 24) par rapport aux conditions d'accès aux zones ;

- un module de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès (21) ;
le module de caractérisation du statut de l'aéronef et le module de détermination des zones auxquelles l'aéronef n'a pas accès étant activés dès qu'un événement est susceptible de modifier le statut de l'aéronef vis-à-vis des conditions d'accès à une zone.
Système de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'accès aux zones est conditionné par le type d'aéronef.
Système de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que l'accès aux zones est conditionné par les performances ou la manoeuvrabilité de l'aéronef.
Système de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 7, 8 ou 9 caractérisé en ce que l'accès aux zones est conditionné par la situation opérationnelle de vol de l'aéronef.
Système de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 7, 8, 9 ou 10 caractérisé en ce qu'il comporte un système de vol (29) levant une alerte sonore ou visuelle quand une zone prohibée est pénétrée.
Système de mise à jour dynamique des zones prohibées à un aéronef selon la revendication 7, 8, 9, 10 ou 11 caractérisé en ce qu'il comporte un système de vol (27) empêchant la pénétration d'une zone prohibée en prenant le contrôle de l'aéronef.