EP3899429A1 - Dispositif et procede de gestion de systemes d'aeronefs - Google Patents

Dispositif et procede de gestion de systemes d'aeronefs

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EP3899429A1
EP3899429A1 EP19828273.3A EP19828273A EP3899429A1 EP 3899429 A1 EP3899429 A1 EP 3899429A1 EP 19828273 A EP19828273 A EP 19828273A EP 3899429 A1 EP3899429 A1 EP 3899429A1
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EP
European Patent Office
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aircraft
points
flight plan
point
trajectory
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Ceased
Application number
EP19828273.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Michel Roger
Hervé GOUTELARD
Christophe Pierre
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP3899429A1 publication Critical patent/EP3899429A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01C21/26—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for navigation in a road network
    • G01C21/34—Route searching; Route guidance
    • G01C21/3446—Details of route searching algorithms, e.g. Dijkstra, A*, arc-flags or using precalculated routes
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G08G5/50—Navigation or guidance aids
    • G08G5/59—Navigation or guidance aids in accordance with predefined flight zones, e.g. to avoid prohibited zones
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    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
    • G08G5/70—Arrangements for monitoring traffic-related situations or conditions
    • G08G5/76—Arrangements for monitoring traffic-related situations or conditions for monitoring atmospheric conditions

Definitions

  • the invention relates to the field of aircraft systems management.
  • the invention relates to a device and a method for optimizing an mission of an aircraft.
  • This task is mainly performed on the ground in preparation for a mission, and sometimes during the course of the mission, via the airline's operations center when it has one.
  • TAP Traffic Aware Planner
  • GUI graphical interface
  • An object of the present invention is a method generally making it possible to optimize the mission of an aircraft, and more particularly to optimize a flight plan during a mission.
  • the term aircraft in the present description is understood to be a means of transport capable of evolving within the Earth's atmosphere.
  • an aircraft may be an airplane or a helicopter.
  • the aircraft comprises a cockpit or a cockpit in which there are piloting equipment (called avionics equipment, certified by the aeronautical regulator) and optional equipment (called non-avionics or "open world").
  • Avionics systems can in particular include HMI human-machine interfaces or IHS human-system interfaces, one or more aircraft flight management systems, one or more mission management systems.
  • Another object of the present invention is a device for assisting in the optimization of the mission of an aircraft.
  • the present invention provides a method allowing the automatic search for shortcuts constituted by segments between any type of waypoints belonging to a flight plan and / or belonging to a trajectory. reference.
  • a method implemented by computer for optimizing an mission of an aircraft, the aircraft having a predefined flight plan 5 between a starting point and an arrival point, the flight plan comprising a set of waypoints.
  • the method comprises steps consisting in:
  • the reference trajectory comprising a set
  • a shortcut which can take into account any type of waypoint, points of the flight plan and / or intermediate points of the reference trajectory;
  • the step of determining all the shortcuts consists in constructing a graph comprising a set of nodes and arcs, the nodes representing crossing points between the initial position and the final position of the search area, the arcs representing possible shortcuts.
  • the initial position of the search area is the current position of the aircraft.
  • the step of constructing a graph comprises at least one step of discretizing the reference trajectory on the search area and a step of deleting all the shortcuts which are at intersection with areas to be avoided.
  • the optimal path identification step consists in applying on the 35 graph a shortest path algorithm.
  • the shortest path algorithm is a Dijkstra type algorithm.
  • the search zone is a space corresponding to an air traffic control sector or a zone defined between two characteristic points of the flight plan or a space between two points chosen by an operator.
  • the method further comprises a step of calculating the costs 5 generated by the different paths.
  • the optimization criterion is a single criterion, in particular an optimization criterion for fuel consumption or a time optimization criterion or a distance optimization criterion.
  • the optimization criterion is a multiple criterion taking into account 10 different costs.
  • the method further comprises a step of displaying the optimal path.
  • the invention also covers a computer program product, said computer program comprising code instructions making it possible to carry out the steps of the claimed method, when the program is executed on a computer.
  • the invention further covers a device for optimizing a mission of an aircraft, the aircraft having a predefined flight plan between a departure point and an arrival point, the flight plan comprising a set of waypoints , the device comprising:
  • the reference trajectory comprising a set
  • Another object of the invention is a flight management system for an aircraft comprising a device as claimed.
  • FIG. 1 illustrates the types of shortcuts with waypoints of the flight plan and intermediate points of a reference trajectory, on a portion of a lateral trajectory between an initial position of an aircraft (PPOS) and a position final (WPT f );
  • FIG. 2 shows general steps of the trajectory optimization method of the invention according to an embodiment
  • FIGS. 3a to 3e illustrate the construction of a path graph according to an embodiment
  • FIG. 4 illustrates the steps of determining the optimal path according to one embodiment
  • FIG. 5 illustrates a structure of a flight management system making it possible to implement the device and the method of the invention.
  • a flight plan 30 (FPLN) is filed, to inform the air navigation services. This contains all of the information specified about the intended flight or part of the flight, including:
  • the flight plan between a starting point and a destination point to reach contains a set of waypoints (in English "waypoints" 5 (WPT)) ordered in a predetermined manner, where at each waypoint, a change of heading or altitude or speed must take place.
  • a waypoint is defined by a geographic position, latitude, and longitude coordinates. All these points can be chosen from predefined points in a navigation database, which can correspond to airports, radio navigation beacons, etc.
  • the FMS is an on-board navigation aid system, which incorporates information on aircraft performance and position, information from navigation sensors, 15 from the flight plan that is stored, and manual entries. Its purpose is to assist pilots, by providing via a suitable man-machine interface, piloting instructions, or to allow automatic guidance of the aircraft along the trajectory when it is coupled with the autopilot.
  • the FMS uses different sensors 20 to determine the current position of the aircraft (PPOS) and the accuracy of this position. Precision is defined as the degree of conformity between the estimated, measured or desired position and the actual position of the aircraft at a given time.
  • the FMS also allows the pilot to modify the flight plan, during the flight, for various reasons such as a delay induced by bad atmospheric conditions to be avoided, or by requests imposed by the air traffic control units (ATM).
  • ATM air traffic control units
  • the FMS calculates a lateral trajectory. From the cruising level and the altitude constraints, the FMS also calculates a vertical profile. From the speed constraints and the optimized speeds of each flight phase and according to a cost index which is chosen by the airline, the FMS calculates a speed profile. Taking into account the flight plan and the position of the aircraft, the FMS calculates the reference trajectory to follow, which is a succession of straight and curved segments. The points connecting the segments of the reference trajectory may correspond to waypoints of the flight plan 35 or be different.
  • Figure 1 illustrates a portion of a lateral trajectory between a position initial, illustrated in the example by a point corresponding to the current position (PPOS) of the aircraft, and a final position, illustrated by a final waypoint WPT f .
  • Each point of the flight plan (WPT ! , WPT 2 , ..., WPT ,, ..., WPT f ) is represented on the portion considered by a diamond.
  • the intermediate points 5 (T 1; T 2 , ..., T ,, ..., T m ) of the reference trajectory are represented by solid circles.
  • Optimizing a trajectory consists in finding a trajectory that minimizes costs by considering the price of fuel, operating costs, delay in arrival costs, overflight costs, 10 weather conditions (temperature, atmospheric pressure, wind speed and direction, disturbances, etc.), prohibited areas (military areas, turbulence, etc.) and speed and altitude limits in certain regions.
  • the present invention provides a method allowing an automatic search for shortcuts taking into account any type of point, points on a reference trajectory and / or points on a flight plan. , and allowing to determine the combination of several shortcuts making the trajectory optimal.
  • 25 - R3 illustrates a shortcut between a point of the flight plan WPT 8 and an intermediate point Ti of the reference trajectory
  • a shortcut of type R1 between the current PPOS position of the aircraft and a point in the flight plan corresponds to a segment which can be activated by the functionality known as the “DIRTO” of an FMS, allowing direct joining from the current position to the waypoint located downstream.
  • An R2 shortcut between two points in the flight plan corresponds to a segment which can be activated by the functionality known as “NEXT WPT” of an FMS, making it possible to fly directly from one waypoint to another. waypoint located downstream.
  • the general method of the invention as illustrated in FIG. 2, allows in a first step (202) to determine all the paths existing between an initial point and an end point by considering the combination of all 15 possible shortcuts; then to calculate (204) the costs generated by the different paths; and then to determine (206) the path ("optimal path") minimizing the cost of the trajectory according to a chosen optimization criterion.
  • the method displays (208) the 20 results - the optimal path and the gains obtained.
  • the results are displayed on an interface on board the aircraft in the form of a trajectory, for example for the optimal path.
  • a display interface may include one or more display screens.
  • the invention makes it possible to take advantage of modern, reliable, robust man-machine interaction systems, and according to embodiments, the display means can be touch screens, force feedback, augmented reality. and / or virtual.
  • the display means may include or implement one or more devices such as virtual reality headsets and / or augmented reality glasses (eg "head-mounted 30 display”, “wearable computer”, “glasses” or a head-mounted display) and / or projection devices (eg holographic).
  • a virtual reality headset worn by a pilot can be opaque or semi-transparent or with configurable transparency.
  • the display can be "high sight”.
  • the information can be displayed in one or more virtual and / or augmented reality headset (s).
  • the information can therefore be entirely virtual (displayed in an individual helmet), entirely real (for example projected on the flat surfaces available in the real environment of the aircraft cockpit) or a combination of the two (partly a virtual display superimposed or merged with reality and partly a real display via projectors).
  • the display can also be characterized by the application of predefined location rules and display rules.
  • human-machine interfaces or information
  • can be "distributed" can be "distributed" (segmented into separate portions, possibly partially redundant, then distributed) between the different virtual or real screens.
  • the pilot or operator can select the new proposed trajectory.
  • the pilot can choose either a single optimization criterion (Fuel; Time; Distance) or a more complex function taking into account different costs (Fuel + Cost x Time Index).
  • An optimal trajectory must avoid existing obstacles in an airspace, taking into account one or more given metrics (time, distance, fuel consumption, etc.). It is generally considered that an airspace contains critical areas such as areas with bad weather or congested areas, that is to say areas 20 with heavy traffic.
  • the optimization of a trajectory according to the method of the invention permanently takes into account all the constraints which will impact a mission, whether these are fixed constraints (criteria of an airline company or a customer, aircraft characteristics and performance), constraints linked to ATM (taxes, characteristics, structures, rules 25 of air traffic control organizations (ATC) in the various sectors, etc.) or evolutionary constraints such as those linked to the environment (weather conditions, traffic congestion, overflight zones prohibited) and the uncertainties about the forecast of its evolution.
  • the method of the invention makes it possible to calculate and propose optimized trajectories which are:
  • FIGS. 3a to 3e detail the step (202) of determining all the possible paths in a search area (302), for a portion of a lateral trajectory between an initial position, taken as the current position of a aircraft (PPOS) for the example described, and a final position WPT f .
  • a search area can correspond to different spaces, such as for example:
  • FIGS. 3a to 3e they illustrate the steps for the construction of a path graph, the graph comprising a set of nodes and arcs representative of all the paths with possible shortcuts, calculated from the data of the flight plan. , a reference trajectory and 20 fixed constraints.
  • the graph makes it possible to represent all the possible paths which are composed of combinations of shortcuts.
  • the input data of step (202) consist of a list of waypoints from the initial flight plan, a list of segments (straight and curves) of the reference trajectory, a step of 25 discretization to apply and static constraints.
  • the static constraints to take into account generally include:
  • starting point latitude, longitude, altitude, time, weight
  • arrival point latitude, longitude, altitude, time, 30 weights
  • Such areas can be represented by 35 3D polygons (which can represent closed areas, for example).
  • the method of the invention in the initial step (202) makes it possible to generate a graph the nodes of which represent crossing points between a starting point and an ending point.
  • the nodes can be either points of the flight plan, or intermediate points of the reference trajectory.
  • the arcs of the 5 graph represent the possible shortcuts between the points, in the search area. In one embodiment, it is possible to select and limit the types of shortcuts to take into account for the construction of the graph.
  • the method begins for an initial search area (302) between an initial position, here the current position of an aircraft (PPOS) and a final position WPT f by considering the set static constraints.
  • PPOS current position of an aircraft
  • the method allows the search area to be discretized, to discretize the trajectory according to a (pre) defined discretization step, and to calculate the geographical position of the intermediate points of the trajectory corresponding to the discretization step.
  • a discretized trajectory (304) is generated comprising the points of the flight plan and the intermediate points of the trajectory.
  • the method makes it possible to determine, for the discretized trajectory, all the possible paths (306), firstly without excluding paths from the zones to be avoided.
  • the method makes it possible, starting from the first point of the discretized trajectory, to create a first shortcut to the next point of the discretized trajectory and corresponding to one of the types of possible shortcuts. 25
  • the method repeats the search for shortcuts from the first point to each of the other following points of the discretized trajectory, and this up to the final point, thus making it possible to generate for the first point, a first in seemingly paths with all type of shortcuts, connecting the first point to all the following points of the discretized trajectory.
  • the method then makes it possible to pass to the next point of the discretized trajectory, and to apply the same iterative process of connecting the second point to all the other following points of the discretized trajectory, making it possible to generate a second set of paths connecting the second point at all the following points of the discretized trajectory.
  • the process is repeated for all points (except the end point) of the discretized path.
  • the method makes it possible to delete all the paths which intersect with areas to be avoided (308) (ie taking into account the evolutionary constraints), and thus generate as illustrated in FIG. 3e, a graph which includes only possible paths with shortcuts (310 ) between the start point and the end point WPT f .
  • FIG. 4 details the step (206) of determining the optimal path among all the possible paths which were identified in the previous step (202).
  • this step consists in applying a shortest path algorithm with propagation of predictions on the graph 10 generated in the previous step. Prediction calculations are made during the course of the graph, and a predictive state of the aircraft and an associated cost at each point are estimated at each point.
  • the algorithm applied can be one of the shortest path algorithms known as Dijkstra or A * or Bellman-Ford to name only these examples.
  • the proposed solution makes it possible to consider a set of paths defined by a graph and to propose the optimal path for an aircraft from one node to another node in this graph, that is to say the least expensive path according to the chosen optimization criteria (flight time or distance or fuel consumed 20 or a combination of these criteria), while considering the dynamic constraints.
  • the dynamic constraints can be:
  • 25 tives eg ATC sector saturation, military threat zones such as radar detection
  • the general principle is that at each iteration, the method attempts to approach the end point of the destination and will favor the possibilities which are directly closer in terms of the cost of the destination, putting aside all the others. All other path possibilities which do not allow you to approach the destination are set aside, but are not deleted. They are put into a list of possibilities to explore if the solution currently explored turns out to be bad. Indeed, it is not possible to know in advance if a path will succeed or be the least costly. If this path leads to an impasse, the solution becomes unusable.
  • the algorithm implemented will first analyze the least expensive paths. If these paths do not succeed or else prove to be unusable subsequently, the method makes it possible to examine the solutions put aside. Advantageously, by going back to examine the solutions put aside, it is guaranteed that the algorithm will travel all the possible paths to find an optimal solution "said solution path"
  • the method uses two lists which contain graph nodes as well as associated cost and prediction values.
  • the first list called “open list” will contain all the nodes of the graph to be studied. As soon as the algo rithm operates on a node of the graph, the latter is put in the open list (unless it is already there).
  • the second list called “closed list”, contains all the nodes which, at one time or another, were considered to be part of the solution path. This closed list is used to reconstruct the path of the solution chosen. Before going into the closed list, a node must first go into the open list, because indeed, it must first be studied before being considered as a good candidate for the optimal solution.
  • each node has a parent, which in this case is the ‘optimal ’node by which the algorithm arrived before the current node considered.
  • a parent node represents the best path between two nodes.
  • the parent node is very important at the end of the algorithm, in order to find the optimal path by going backwards through the closed list of parent nodes.
  • a current node is the grouping of the following information:
  • 35 - attributes of the current node fixed attributes (3D position, distance, etc.) and predicted attributes (fuel, time, etc.).
  • the method To determine if a node is likely to be part of the solution path, the method must quantify the three values G, H and F as well as the predicted attributes. The method makes it possible to analyze each of the nodes neighboring the current node to determine which one is more likely to be part of the solution path.
  • the search for the path begins with a first node by studying all of its neighbors; by calculating the different costs G, H and F, and choosing the best one to continue.
  • Each node studied is put in the open list and the best of this list goes into the closed list; it will be used as a base (parent node) for the next search.
  • the process makes it possible to look among all the nodes which have been studied (and which have not yet been chosen) which one has the best quality (minimum cost ‘F ’).
  • the algorithm stops when the destination has been reached with the lowest cost value 'F' among all the nodes or when all the solutions put aside (open list) have been studied and none of them 'has been shown to be good (if there is no optimal solution).
  • the method will reconstruct the path each time following the parent nodes present in the closed list, and go up the thread until arriving at the starting parent node.
  • Step (406) select the lowest cost node as the node to be studied
  • Step (410) calculate for each next node of the node to be studied, the predictions and the different costs G, Fl, F;
  • Step (415) update the cost and prediction information for the node of the open list, and update the parent of this node by
  • Step (422) when all the nodes have been studied (empty open list), the process ends with no optimal solution found.
  • FIG. 5 illustrates a structure of a flight management system making it possible to implement the method of the invention.
  • the system can be an FMS type flight management system (500), comprising the components adapted to achieve the known functionalities and additionally integrating a trajectory optimization system (540) making it possible to implement the method of the invention.
  • FMS type flight management system 500
  • a trajectory optimization system 540
  • a known FMS type system has a man-machine interface (520) comprising for example a keyboard and a display screen, or simply a touch display screen, as well as at least modules making it possible to carry out the following functions:
  • LOCNAV 25 - Navigation
  • geolocation means such as geo-positioning by satellite or GPS, GALILEO, VHF radio navigation beacons, inertial units.
  • This module communicates with the aforementioned geo-location devices;
  • FPLN Flight plan
  • NAVDB Navigation database
  • PERFDB Performance database
  • TRAJ Trajectory
  • GUID Guidance
  • the present invention can be implemented on the basis of hardware and / or software elements. It may be available as a computer program product on computer readable media.
  • the support can be electronic, magnetic, optical or electromagnetic.
  • the computer making it possible to operate the process described can be implemented on a tablet or portable computer (or on any other means of calculation external to avionics, for example via remote accesses). It can also be based on computational infrastructure on the ground, based on distributed or massively parallel architectures.
  • the method is implemented by computer comprising code instructions making it possible to carry out one or more of the steps of the method, when said program is executed on a computer.
  • the system for implementing the invention comprises a computer-readable storage medium (RAM, ROM, flash memory or other memory technology, for example disc medium or other storage medium.
  • computer-readable non-transient storage encoded with a computer program (i.e., several instructions executed in tables) which, when executed on a processor or several processors, performs the functions of the embodiments described above .
  • a device may include a communication bus to which a central processing unit or microprocessor (CPU, acronym for "Central Pro cessing Unit") is connected.
  • CPU central processing unit
  • CPU Central Pro cessing Unit
  • processor can be “multi-core” or “many-core” a read only memory (ROM, acronym for “Read Only Memory” in English) which may include the programs necessary for the implementation of the invention ; a random access memory or cache memory (RAM, acronym of "Random / Access Memory "in English) comprising registers adapted to save variables and parameters created and modified during the execution of the aforementioned programs; and a communication or I / O interface (I / O acronym for "Input / ouput” in English) suitable for transmitting and receiving data.
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory or cache memory
  • I / O interface I / O acronym for "Input / ouput” in English
  • the corresponding program (that is to say the sequence of instructions) can be stored in or on a medium of removable storage (for example an SD card, or mass storage such as a hard disk eg an SSD) or non-removable, volatile or non-volatile storage, this storage medium being partially or totally readable by a computer or a processor.
  • the computer-readable medium can be transportable or communicable or mobile or transmissible (i.e. by a 2G, 3G, 4G, Wifi, BLE, fiber optic or other telecommunications network).
  • the reference to a computer program which, when executed, performs any of the functions described above, is not limited to an application program running on a single host computer.
  • the terms computer program and software are used here in a general sense to refer to any type of computer code (for example, application software, firmware, microcode, or any other form 20 d computer instruction, such as web services or SOA or via API programming interfaces) which can be used to program one or more processors to implement aspects of the techniques described here.
  • IT resources or resources can in particular be distributed (“Cloud computing"), possibly with or according to peer-to-peer and / or virtualization technologies.
  • the software code can be executed on any suitable processor (for example, a microprocessor) or processor core or a set of processors, whether provided in a single computing device or distributed among several computing devices (for example example as possibly accessible in the environment of the device).
  • processors for example, a microprocessor
  • processor core or a set of processors whether provided in a single computing device or distributed among several computing devices (for example example as possibly accessible in the environment of the device).
  • Security technologies crypto-processors, possibly biometric authentication, encryption, smart card, etc. can be used.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

La présente invention concerne un procédé mis en œuvre par ordinateur pour optimiser une mission d'un aéronef, l'aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d'arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement. Le procédé comprend des étapes consistant à : - calculer pour l'aéronef une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d'arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence; - définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone; - déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence; et - identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d'optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l'aéronef sur ladite zone de recherche.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE GESTION DE SYSTEMES
D’AERONEFS
Domaine de l’invention
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L’invention concerne le domaine de la gestion de systèmes d’aéronefs. En particulier, l’invention concerne un dispositif et un procédé pour optimiser une mission d’un aéronef.
10 Etat de la Technique
Dans les systèmes de gestion d’aéronefs embarqués actuels, il n’existe pas de procédé permettant la gestion et l’optimisation de la mission d’un aéronef de manière automatique.
15 Cette tâche s’effectue principalement au sol en préparation de mission, et parfois lors du déroulement de la mission via le centre des opérations de la compagnie aérienne lorsqu’elle en dispose d’un.
Des solutions d’aide à la gestion et l’optimisation de mission sont propo sées comme :
20 - le service « Direct Routes » de Boeing qui permet de communiquer pendant une mission des informations directement au centre des opérations et à l’équipage chaque fois qu’une route alternative plus économique en termes de consommation est disponible ;
- le système TAP (« Traffic Aware Planner ») de la NASA qui permet de propo
25 ser une route alternative plus économe en fuel et en temps à partir de l’analyse de la position courante de l’aéronef et de son plan de vol ;
- le brevet US6314362 B1 de H. Erzberger et al propose un système automa tique d'aide au contrôle du trafic aérien pour les contrôleurs aériens. Le principe consiste à identifier tous les aéronefs en vol sur des routes inefficaces, puis à
30 déterminer s'il est possible de gagner du temps en contournant certains seg ments de route, et à déterminer si des routes optimisées sont disponibles sans conflit avec d’autres aéronefs. Une interface graphique (GUI) est utilisée pour permettre au contrôleur de la circulation aérienne d'envoyer l'avion directement à un point de cheminement ou de le rapprocher de l'aéroport de destination par une simple action de type "pointer et cliquer".
- le brevet US20100198433 du demandeur propose une solution embarquée d’optimisation de la route latérale, s’appuyant sur la fonction « DIR TO » du sys- 5 tème de gestion de vol pour proposer une modification locale du plan de vol.
Cette solution se limite aux données disponibles à bord (base de données de navigation, performances avion) et aux conditions atmosphériques (vents).
Cependant, quelque soit la solution, l’ensemble des impératifs d’une mis sion ne sont pas considérés tous à la fois pour optimiser une trajectoire. Il existe 10 alors le besoin d’une solution d’optimisation de plan de vol d’aéronef qui prenne en compte en permanence toutes les contraintes fixes et évolutives existant sur les points de cheminement du plan de vol et qui impactent la mission de l’aéronef. La présente invention répond à ce besoin.
15 Résumé de l’invention
Un objet de la présente invention est un procédé permettant généralement d’optimiser la mission d’un aéronef, et plus particulièrement optimiser un plan de vol au cours d’une mission. Le terme aéronef dans la 20 présente description est compris comme étant un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. Par exemple, un aéronef peut être un avion ou un hélicoptère. L'aéronef comprend une cabine de pilotage ou un cockpit au sein duquel se trouvent des équipements de pilotage (dits équipements avioniques, certifiés par le régulateur aéronautique) et des 25 équipements optionnels (dits non-avioniques ou « monde ouvert »). Les systèmes avioniques peuvent notamment comprendre des interfaces homme- machine IHM ou interfaces homme-système IHS, un ou plusieurs systèmes de gestion du vol de l’aéronef, un ou plusieurs systèmes de gestion de mission.
Un autre objet de la présente invention est un dispositif d’aide à 30 l’optimisation de la mission d’un aéronef.
Dans un mode de réalisation pour le domaine de l’avionique, la présente invention propose un procédé permettant la recherche automatique de raccourcis constitués par des segments entre tout type de points de cheminement appartenant à un plan de vol et/ou appartenant à une trajectoire 35 de référence.
Ainsi pour obtenir les résultats recherchés, il est revendiqué des procédés, dispositifs et produit programme d’ordinateur selon différents modes de réalisation.
En particulier, il est proposé un procédé mis en oeuvre par ordinateur pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini 5 entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement. Le procédé comprend des étapes consistant à :
- calculer pour l’aéronef une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble
10 de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ;
- définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ;
- déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles
15 entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points de cheminement, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et
- identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission
20 de l’aéronef sur ladite zone de recherche.
Selon des modes de réalisation du procédé, alternativement ou en combinaison :
- l’étape de détermination de tous les raccourcis consiste à construire un 25 graphe comprenant un ensemble de noeuds et d’arcs, les noeuds représentant des points de passage entre la position initiale et la position finale de la zone de recherche, les arcs représentant les raccourcis possibles.
- la position initiale de la zone de recherche est la position courante de l’aéronef.
30 - l’étape de construction d’un graphe comprend au moins une étape de discrétisation de la trajectoire de référence sur la zone de recherche et une étape de suppression de tous les raccourcis qui sont en intersection avec des zones à éviter.
- l’étape d’identification du chemin optimal consiste à appliquer sur le 35 graphe un algorithme de plus court chemin.
- l’algorithme du plus court chemin est un algorithme de type Dijkstra. - la zone de recherche est un espace correspondant à un secteur de contrôle aérien ou à une zone définie entre deux points caractéristiques du plan de vol ou à un espace entre deux points au choix d’un opérateur.
- le procédé comprend de plus une étape consistant à calculer les coûts 5 engendrés par les différents chemins.
- le critère d’optimisation est un critère unique, notamment un critère d’optimisation de la consommation de fuel ou un critère d’optimisation du temps ou un critère d’optimisation de la distance.
- le critère d’optimisation est un critère multiple prenant en compte 10 différents coûts.
- le procédé comprend de plus une étape consistant à afficher le chemin optimal.
L’invention couvre aussi un produit programme d’ordinateur, ledit 15 programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé revendiqué, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.
L’invention couvre de plus un dispositif pour optimiser une mission d’un 20 aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement, le dispositif comprenant :
- des moyens pour calculer une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble
25 de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ;
- des moyens pour définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ;
30 - des moyens pour déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et
- des moyens pour identifier la combinaison de raccourcis correspondant 35 à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche. Un autre objet de l’invention est un système de gestion de vol pour aéronef comprenant un dispositif tel que revendiqué.
5 Description des figures
Différents aspects et avantages de l’invention vont apparaître en appui de la description d’un mode préféré d’implémentation de l’invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :
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La figure 1 illustre les types de raccourcis avec des points de cheminement du plan de vol et des points intermédiaires d’une trajectoire de référence, sur une portion d’une trajectoire latérale entre une position initiale d’un aéronef (PPOS) et une position finale (WPTf) ;
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La figure 2 montre des étapes générales du procédé d’optimisation de trajectoire de l’invention selon un mode de réalisation ;
Les figures 3a à 3e illustrent la construction d’un graphe de chemins selon un 20 mode de réalisation ;
La figure 4 illustre les étapes de détermination du chemin optimal selon un mode de réalisation ;
25 La figure 5 illustre une structure d’un système de gestion de vol permettant d’implémenter le dispositif et le procédé de l’invention.
Description détaillée de l’invention
Lorsqu’un avion effectue un trajet entre deux aéroports, un plan de vol 30 (FPLN) est déposé, afin d’en informer les services de la navigation aérienne. Ce dernier contient tous les renseignements spécifiés au sujet du vol projeté ou d’une partie du vol, et notamment :
- le type d’avion ;
- l’heure de départ ;
35 - le premier niveau de vol demandé pour la croisière ; - l’équipement de bord ;
- la route prévue.
Le plan de vol entre un point de départ et un point d’arrivée à atteindre contient un ensemble des points de cheminement (en anglais « waypoints » 5 (WPT)) ordonnés de façon prédéterminée, où à chaque point de cheminement, un changement de cap ou d’altitude ou de vitesse doit avoir lieu. Un waypoint est défini par une position géographique, des coordonnées de latitude, et de longitude. Tous ces points peuvent être choisis parmi des points prédéfinis dans une base de données de navigation, et qui peuvent correspondent à des 10 aéroports, à des balises de radionavigation, etc...
Pour suivre son plan de vol, un avion utilise un système de gestion de vol (« Flight Management System » (FMS) en anglais). Le FMS est un système embarqué d’aide à la navigation, qui intègre des informations sur la performance de l’avion et sur sa position, informations provenant de capteurs de navigation, 15 du plan de vol qui est stocké et de saisies manuelles. Son but est d’assister les pilotes, en fournissant via une interface homme-machine adaptée, des instructions de pilotage, ou de permettre un guidage automatique de l’avion le long de la trajectoire lorsqu’il est couplé avec le pilote automatique. Afin de guider l’aéronef pour suivre son plan de vol, le FMS utilise différents capteurs 20 pour déterminer la position courante de l’avion (PPOS) et la précision de cette position. La précision est définie comme le degré de conformité entre la position estimée, mesurée ou souhaitée et la position réelle de l’aéronef à un instant donné. Le FMS permet aussi au pilote de modifier le plan de vol, pendant le vol, pour diverses raisons comme un retard induit par de mauvaises conditions 25 atmosphériques à éviter, ou par des requêtes imposées par les organes de contrôle aérien (ATM). De manière régulière, à partir des points du plan de vol, le FMS calcule une trajectoire latérale. À partir du niveau de croisière et des contraintes d’altitude, le FMS calcule aussi un profil vertical. À partir des contraintes de vitesse et des vitesses optimisées de chaque phase de vol et en 30 fonction d’un indice de coût qui est choisi par la compagnie aérienne, le FMS calcule un profil de vitesse. Compte tenu du plan de vol et de la position de l’avion, le FMS calcule la trajectoire de référence à suivre qui est une succession de segments droits et courbes. Les points reliant les segments de la trajectoire de référence peuvent correspondre à des points de cheminement du plan de vol 35 ou être différents.
La figure 1 illustre une portion d’une trajectoire latérale entre une position initiale, illustrée dans l’exemple par un point correspondant à la position courante (PPOS) de l’aéronef, et une position finale, illustrée par un point de cheminement final WPT f. Chaque point du plan de vol (WPT ! , WPT 2, ..., WPT,, ..., WPTf) est représenté sur la portion considérée par un losange. Les points 5 intermédiaires (T1 ; T2,..., T,, ..., Tm) de la trajectoire de référence sont représentés par des cercles pleins.
L’optimisation d’une trajectoire consiste à chercher une trajectoire qui minimise les coûts en considérant le prix du carburant, les coûts d’opération, les coûts de retard à l’arrivée, les coûts de survol des territoires aériens, les 10 conditions météorologiques (température, pression atmosphérique, vitesse et direction des vents, perturbations, etc.), les zones interdites (zones militaires, turbulences, etc.) et les limitations de vitesse et d’altitude dans certaines régions.
Pour y parvenir, d’une manière générale la présente invention propose 15 un procédé permettant une recherche automatique de raccourcis en prenant en compte tout type de points, des points d’une trajectoire de référence et/ou des points d’un plan de vol, et permettant de déterminer la combinaison de plusieurs raccourcis rendant la trajectoire optimale.
Ainsi par exemple sur la figure 1 , il est montré différents types de 20 raccourci (R1 à R5) tels que:
- R1 illustre un raccourci entre la position initiale (dans l’exemple la position courante PPOS) de l’aéronef et un point du plan de vol WPT4;
- R2 illustre un raccourci entre deux points du plan de vol, WPT5 et
WPT7 ;
25 - R3 illustre un raccourci entre un point du plan de vol WPT8 et un point intermédiaire Ti de la trajectoire de référence ;
- R4 illustre un raccourci entre un point intermédiaire Tk de la trajectoire de référence et un point du plan de vol WPTk;
- R5 illustre un raccourci entre deux points intermédiaires de la trajectoire 30 de référence, T, et Tm .
L’exemple illustré n’est pas limitatif et les principes de l’invention s’appliquent à toute variante de portion de vol en termes de nombre de points de cheminement du plan de vol, de points de la trajectoire de référence, de position initiale et de position finale.
35 Un raccourci de type R1 entre la position courante PPOS de l’aéronef et un point du plan de vol correspond à un segment qui peut être activé par la fonctionnalité connue sous le nom de « DIRTO » d’un FMS, permettant une rejointe directe depuis la position courante vers le point de cheminement situé en aval.
Un raccourci de type R2 entre deux points du plan de vol correspond à 5 un segment qui peut être activé par la fonctionnalité connue sous le nom « NEXT WPT » d’un FMS, permettant de voler directement d’un point de cheminement vers un autre point de cheminement situé en aval.
L’homme du métier comprend que des raccourcis autres que des segments, comme par exemple des arcs de cercle, sont aussi des raccourcis 10 utilisables pour mettre en oeuvre l’invention. On parlera de segments droits ou courbes.
Le procédé général de l’invention tel qu’illustré par la figure 2, permet dans une première étape (202) de déterminer tous les chemins existants entre un point initial et un point final en considérant la combinaison de tous les 15 raccourcis possibles ; puis de calculer (204) les coûts engendrés par les différents chemins ; et ensuite de déterminer (206) le chemin (« chemin optimal ») minimisant le coût de la trajectoire selon un critère d’optimisation choisi.
Dans une étape ultérieure, le procédé permet d’afficher (208) les 20 résultats - le chemin optimal et les gains procurés. De préférence les résultats sont affichés sur une interface à bord de l’aéronef sous la forme d’une trajectoire par exemple pour le chemin optimal.
Une interface de visualisation peut comprendre un ou plusieurs écrans d’affichage. Avantageusement, l’invention permet de tirer parti de systèmes 25 d’interaction homme-machine modernes, fiables, robuste, et selon des modes de réalisation, les moyens d’affichage peuvent être des écrans tactiles, à retour de force, à réalité augmentée et/ou virtuelle. Les moyens d’affichage peuvent comprendre ou mettre en oeuvre un ou plusieurs dispositifs tels que des casques de réalité virtuelle et/ou des lunettes de réalité augmentée (ex. "head-mounted 30 display", "wearable computer", des "glasses" ou un visiocasque) et/ou des dispositifs de projection (ex. holographique). Un casque de réalité virtuelle porté par un pilote peut être opaque ou semi transparent ou à transparence configurable. L’affichage peut être à « visée haute ». Les informations peuvent être affichées dans un ou plusieurs casque(s) de réalité virtuelle et/ou 35 augmentée. Les informations peuvent donc être entièrement virtuelles (affichées dans un casque individuel), entièrement réelles (par exemple projetées sur les surfaces planes disponibles dans l'environnement réel du cockpit de l’aéronef) ou une combinaison des deux (en partie un affichage virtuel superposé ou fusionné avec la réalité et en partie un affichage réel via des projecteurs). L'affichage peut également se caractériser par l'application de règles 5 d'emplacements et de règles d'affichage prédéfinies. Par exemple, les interfaces homme-machine (ou les informations) peuvent être "distribuées" (segmentées en portions distinctes, éventuellement partiellement redondantes, puis réparties) entre les différents écrans virtuel ou réels.
Une fois affichée, le pilote (ou opérateur) peut sélectionner la nouvelle 10 trajectoire proposée.
Selon les modes de réalisation, pour la détermination du chemin optimal, le pilote peut choisir soit un critère d’optimisation unique (Fuel ; Temps ; Distance) ou une fonction plus complexe prenant en compte différents coûts (Fuel + Indice Coût x Temps).
15 Une trajectoire optimale doit éviter des obstacles existants dans un espace aérien, en tenant compte d’une ou plusieurs métriques données (temps, distance, consommation de carburant, etc.). On considère généralement qu’un espace aérien contient des zones critiques telles que des zones avec une mauvaise météo ou des zones congestionnées, c’est-à-dire des zones 20 parcourues par un trafic important. L’optimisation d’une trajectoire selon le procédé de l’invention prend en compte en permanence toutes les contraintes qui vont impacter une mission, qu’il s’agisse de contraintes fixes (critères d’une compagnie aérienne ou d’un client, caractéristiques et performances de l’aéronef), de contraintes liées à l’ATM (taxes, caractéristiques, structures, règles 25 des organismes de contrôle aérien (ATC) des différents secteurs, ...) ou de contraintes évolutives comme celles liées à l’environnement (conditions météo, congestion de trafic, zones de survol interdites) et les incertitudes sur les prévisions de son évolution.
Avantageusement, le procédé de l’invention permet de calculer et 30 proposer des trajectoires optimisées qui sont :
- Efficaces vis-à-vis des attentes d’une compagnie / d’un client;
- Volables;
- Acceptables par l’ATC;
- Sûres ;
35 - Faciles à exploiter dans le cockpit ; et
- Associées à un indice de confiance vis-à-vis des incertitudes sur les données utilisées (notamment les prévisions).
Les figures 3a à 3e détaillent l’étape (202) de détermination de tous les chemins possibles dans une zone de recherche (302), pour une portion d’une 5 trajectoire latérale entre une position initiale, prise comme la position courante d’un aéronef (PPOS) pour l’exemple décrit, et une position finale WPTf. Une zone de recherche peut correspondre à différents espaces, tels que par exemple :
un secteur de contrôle aérien ;
10 - des zones définies entre deux points caractéristiques du plan de vol (cela pourrait être entre deux points contraints en position, vitesse et/ou temps, de manière à garantir au procédé de considérer toutes les contraintes de la mission) ;
- un espace entre deux points selon le choix de l’opérateur.
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Revenant aux figures 3a à 3e, elles illustrent les étapes pour la construction d’un graphe de chemins, le graphe comprenant un ensemble de noeuds et d’arcs représentatifs de tous les chemins avec raccourcis possibles, calculés à partir des données du plan de vol, d’une trajectoire de référence et de 20 contraintes fixes. Le graphe permet de représenter tous les chemins possibles qui sont composés de combinaisons de raccourcis.
De manière plus précise, les données d’entrée de l’étape (202), consistent en une liste des points de cheminement du plan de vol initial, une liste des segments (droits et courbes) de la trajectoire de référence, un pas de 25 discrétisation à appliquer et des contraintes statiques.
Les contraintes statiques à prendre en compte regroupent en général :
- des conditions initiales : point de départ (latitude, longitude, altitude, temps, poids) ;
- des conditions finales : point d’arrivée (latitude, longitude, altitude, temps, 30 poids) ;
- des contraintes sur la zone de recherche de trajectoire optimale : soit il n’y a pas de contrainte, soit la recherche peut être faite par morceaux ou sur un secteur de contrôle par exemple ; et
- des zones à éviter fixes : de telles zones peuvent être représentées par des 35 polygones 3D (qui peuvent représenter par exemple des secteurs fermés). Le procédé de l’invention dans l’étape initiale (202) permet de générer un graphe dont les noeuds représentent des points de passage entre un point de départ et un point d’arrivée. Les noeuds peuvent être soit des points du plan de vol, soit des points intermédiaires de la trajectoire de référence. Les arcs du 5 graphe représentent les raccourcis possibles entre les points, dans la zone de recherche. Dans un mode de réalisation, il est possible de sélectionner et limiter les types de raccourcis à prendre en compte pour la construction du graphe.
Comme illustré sur la figure 3a, le procédé débute pour une zone de re- 10 cherche initiale (302) entre une position initiale, ici la position courante d’un aé ronef (PPOS) et une position finale WPTf en considérant l’ensemble des con traintes statiques.
Comme illustré sur la figure 3b, le procédé permet sur la zone de re cherche, de discrétiser la trajectoire selon un pas de discrétisation (pré)défini, et 15 de calculer la position géographique des points intermédiaires de la trajectoire correspondant au pas de discrétisation. A l’issue de cette étape, il est généré une trajectoire discrétisée (304) comprenant les points du plan de vol et les points intermédiaires de la trajectoire.
Ensuite, comme illustré sur la figure 3c, le procédé permet de déterminer 20 pour la trajectoire discrétisée, tous les chemins possibles (306), dans un premier temps sans exclure de chemins de zones à éviter. Pour déterminer l’ensemble de tous les chemins possibles, le procédé permet en partant du premier point de la trajectoire discrétisée de créer un premier raccourci vers le point suivant de la trajectoire discrétisée et correspondant à l’un des types de raccourci possible. 25 Puis le procédé réitère la recherche de raccourcis à partir du premier point vers chacun des autres points suivants de la trajectoire discrétisée, et ce jusqu’au point final, permettant ainsi de générer pour le premier point, un premier en semble de chemins avec tout type de raccourcis, reliant le premier point à tous les points suivants de la trajectoire discrétisée. Le procédé permet ensuite de 30 passer au point suivant de la trajectoire discrétisée, et d’appliquer le même pro cessus itératif de relier le second point à tous les autres points suivants de la trajectoire discrétisée, permettant de générer un second ensemble de chemins reliant le second point à tous les points suivants de la trajectoire discrétisée. Le procédé est répété pour tous les points (sauf le point final) de la trajectoire dis- 35 crétisée. Une fois tous les points de la trajectoire traités selon ce principe, dans une étape ultérieure illustrée en figure 3d, le procédé permet de supprimer tous les chemins qui sont en intersection avec des zones à éviter (308) (i.e. prise en compte des contraintes évolutives), et ainsi de générer tel qu’illustré sur la figure 3e, un graphe qui ne comprend que des chemins possibles avec raccourcis (310) entre le point initial et le point final WPT f.
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La figure 4 détaille l’étape (206) de détermination du chemin optimal parmi tous les chemins possibles qui ont été identifiés à l’étape précédente (202). Dans un mode de réalisation préféré, cette étape consiste à appliquer un algorithme de plus court chemin avec propagations de prédictions sur le graphe 10 généré à l’étape précédente. Des calculs de prédictions sont faits lors du par cours du graphe, et il est estimé en chaque point un état prédictif de l’avion et un coût associé en chaque point.
Selon des variantes d’implémentation, l’algorithme appliqué peut être l’un des algorithmes de plus court chemin connus comme Dijkstra ou A* ou Bellman- 15 Ford pour ne citer que ces exemples.
La solution proposée permet de considérer un ensemble de chemins dé finis par un graphe et de proposer le chemin optimal pour un aéronef d'un nœud à un autre nœud dans ce graphe, c’est-à-dire le chemin le moins coûteux selon les critères d’optimisation choisis (temps de vol ou distance ou fuel consommé 20 ou une combinaison de ces critères), tout en considérant les contraintes dyna miques. Les contraintes dynamiques peuvent être :
- des zones interdites évolutives (ex : évènements météorologiques, zones de vol interdites) ;
- des zones poreuses (valeurs de probabilités / coûts associées) évolu-
25 tives (ex : saturation de secteur ATC, zones de menaces militaires type détection radar) ;
- la performance de l’avion ;
- des conditions atmosphériques courantes.
Le principe général est qu’à chaque itération, le procédé tente de se 30 rapprocher du point final de la destination et va privilégier les possibilités direc tement plus proches en termes de coût de la destination, en mettant de côté toutes les autres. Toutes les autres possibilités de chemin ne permettant pas de se rapprocher de la destination sont mises de côté, mais ne sont pas suppri mées. Elles sont mises dans une liste de possibilités à explorer si jamais la solu- 35 tion explorée actuellement s'avère mauvaise. En effet, il n’est pas possible de savoir à l'avance si un chemin va aboutir ou sera le moins coûteux. Si ce che min amène à une impasse, la solution devient inexploitable.
L'algorithme mis en oeuvre va analyser d’abord les chemins les moins coûteux. Si ces chemins n'aboutissent pas ou bien s'avèrent inexploitables par la 5 suite, le procédé permet d’examiner les solutions mises de côté. Avantageuse ment, par ce retour en arrière pour examiner les solutions mises de côté, il est garanti que l'algorithme va parcourir la totalité des chemins possibles pour trou ver une solution optimale « dit chemin solution »
Le procédé utilise deux listes qui contiennent des noeuds du graphe ainsi 10 que des valeurs de coûts et de prédictions associées. La première liste, appelée « liste ouverte », va contenir tous les noeuds du graphe à étudier. Dès que l'algo rithme opère sur un nœud du graphe, ce dernier est mis dans la liste ouverte (sauf s'il y est déjà). La seconde liste, appelée « liste fermée », contient tous les nœuds qui, à un moment ou à un autre, ont été considérés comme faisant partie 15 du chemin de la solution. Cette liste fermée sert à reconstituer le chemin de la solution retenue. Avant de passer dans la liste fermée, un nœud doit d'abord passer dans la liste ouverte, car en effet, il doit d'abord être étudié avant d'être considéré comme un bon candidat pour la solution optimale.
Comme pour tout graphe, chaque nœud a un parent, qui dans le cas 20 présent est le nœud‘optimal’ par lequel l’algorithme est arrivé avant le nœud courant considéré. Ainsi, un nœud parent représente le meilleur chemin entre deux nœuds. Le parent nœud est très important à la fin de l'algorithme, afin de retrouver le chemin optimal en parcourant à rebours la liste fermée des nœuds parents.
25 Ainsi, dans le graphe, un nœud courant est le regroupement des informa tions suivantes :
- le coût réel‘G’ du nœud courant pour aller du point de départ au nœud cou rant, ce coût étant la somme du coût du parent et du coût du nœud courant ;
- le coût Ή’ estimé et conservateur (autrement dit d’une ligne directe qui ne 30 tient pas compte des contraintes), pour aller du nœud courant au point de destination ;
- le coût‘F’ estimé comme étant la somme des précédents coûts Ή’ et‘G’ ;
- son nœud parent ;
- les nœuds voisins définis par les définitions du graphe ; et
35 - des attributs du nœud courant : attributs fixes (position 3D, distance...) et attributs prédits (fuel, temps...). Pour déterminer si un nœud est susceptible de faire partie du chemin so lution, le procédé doit quantifier les trois valeurs G, H et F ainsi que les attributs prédits. Le procédé permet d’analyser chacun des nœuds voisins du nœud cou rant pour déterminer celui qui a le plus de chance de faire partie du chemin solu- 5 tion.
La recherche du chemin commence par un premier nœud en étudiant tous ses voisins ; en calculant les différents coûts G, H et F, et en choisissant le meilleur pour continuer.
Chaque nœud étudié est mis dans la liste ouverte et le meilleur de cette 10 liste passe dans la liste fermée ; il va servir de base (nœud parent) pour la re cherche suivante.
Ainsi, à chaque itération le procédé permet de regarder parmi tous les nœuds qui ont été étudiés (et qui n'ont pas encore été choisis) celui qui a la meilleure qualité (coût‘F’ minimum). L'algorithme s'arrête quand la destination a 15 été atteinte avec une valeur de coût‘F’ la plus faible parmi tous les nœuds ou bien lorsque toutes les solutions mises de côté (liste ouverte) ont été étudiées et qu'aucune ne s'est révélée bonne (cas où il n'y a pas de solution optimale).
Une fois que la destination a été atteinte, le procédé va reconstruire le chemin en suivant à chaque fois les nœuds parents présents dans la liste fer- 20 mée, et remonte le fil jusqu'à arriver au nœud parent de départ.
Ainsi pour déterminer le chemin optimal prenant en compte l’ensemble des chemins avec raccourcis, le procédé illustré par les étapes de la figure 4 consiste à :
Etape (402) : initialisation:
25 - de la liste ouverte avec le nœud de départ;
- du coût de tous les nœuds du graphe avec un coût‘MAX’ ;
Etape (404) : classer la liste ouverte par ordre de coût croissant ;
Etape (406) : sélectionner le nœud à coût le plus faible comme nœud à étudier ;
30 - Etape (408) : déterminer si le nœud à étudier est le nœud final. Si oui, la solution optimale est trouvée (409) ; si non, le procédé poursuit ;
Etape (410) : calculer pour chaque nœud suivant du nœud à étudier, les prédictions et les différents coûts G, Fl, F ;
Etape (412) : Pour chaque nœud suivant, déterminer si le nœud est pré- 35 sent ou non dans la liste ouverte et avec quel coût ; - Etape (414) : si le nœud suivant est déjà dans la liste ouverte, et si le coût F calculé est plus faible que celui déjà présent dans la liste ouverte ;
- Etape (415) mettre à jour les informations de coûts et de prédictions pour le nœud de la liste ouverte, et mettre à jour le parent de ce nœud en le
5 remplaçant par le nœud à étudier;
- Etape (416) : si le nœud suivant n’est pas présent dans la liste ouverte, il y est ajouté avec ses informations de coûts et prédictions ;
- Etape (418) : mettre le nœud à étudier dans la liste fermée et le retirer de la liste ouverte ;
10 - Etape (420) : déterminer s’il reste des nœuds dans la liste ouverte. Le procédé itère tant que la liste ouverte n’est pas vide ;
Etape (422) : quand tous les nœuds ont été étudiés (liste ouverte vide), le procédé se termine avec aucune solution optimale trouvée.
15 La figure 5 illustre une structure d’un système de gestion de vol permettant d’implémenter le procédé de l’invention. Par exemple, le système peut être un système de gestion de vol de type FMS (500), comprenant les composants adaptés pour réaliser les fonctionnalités connues et intégrant de plus un système d’optimisation de trajectoire (540) permettant de mettre en 20 œuvre le procédé de l'invention.
Un système connu de type FMS dispose d'une interface homme-machine (520) comprenant par exemple un clavier et un écran d'affichage, ou bien sim plement un écran d'affichage tactile, ainsi qu'au moins des modules permettant de réaliser les fonctions suivantes:
25 - Navigation (LOCNAV) (501 ), pour effectuer la localisation optimale de l’aéronef en fonction des moyens de géo-localisation (530) tels que le géo positionnement par satellite ou GPS, GALILEO, les balises de radionaviga tion VHF, les centrales inertielles. Ce module communique avec les disposi tifs de géo-localisation précités ;
30 - Plan de vol (FPLN) (502), pour saisir les éléments géographiques constituant le squelette de la route à suivre, tels que les points imposés par les procé dures de départ et d’arrivée, les points de cheminement, les routes aé riennes ou airways selon la dénomination anglo-saxonne ;
Base de données de navigation (NAVDB) (503), pour construire des routes 35 géographiques et des procédures à partir de données incluses dans les bases relatives aux points, balises, legs d’interception ou d’altitude... ; - Base de données de performance, (PERFDB) (504), contenant les para mètres de performances aérodynamiques et moteurs de l’appareil ;
- Trajectoire (TRAJ) (505), pour construire une trajectoire 4D optimisée et con tinue, à partir des points du plan de vol et des contraintes associées, respec-
5 tant les performances de l'aéronef et les contraintes de confinement (RNP) ;
- Prédictions (PRED) (506), pour fournir les prédictions (Altitude, temps, fuel) sur tous les points du plan de vol ;
- Guidage (GUID) (507), pour fournir des commandes permettant de guider l’aéronef le long du plan latéral, du profil vertical et du profil de vitesse ;
10 - Liaison de données numériques (DATALINK) (508) pour communiquer avec les centres de contrôle et les autres aéronefs (509).
Ainsi la présente invention peut s’implémenter à partir d’éléments maté riels et/ou logiciel. Elle peut être disponible en tant que produit programme d’ordinateur sur un support lisible par ordinateur. Le support peut être électro- 15 nique, magnétique, optique ou électromagnétique. Matériellement, le calculateur permettant d’opérer le procédé décrit, peut être implémenté sur tablette ou ordi nateur portable (ou sur tout autre moyen de calcul externe à l’avionique, par exemple via des accès distants). Il peut également reposer sur des infrastruc tures de calcul au sol, reposant sur des architectures distribuées ou massive- 20 ment parallèles. Dans un mode de réalisation, le procédé est mis en oeuvre par ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer une ou plusieurs des étapes du procédé, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Dans un mode de réalisation, le système pour la mise en oeuvre de l’invention comprend un support de stockage lisible par ordinateur (RAM, ROM, 25 mémoire flash ou une autre technologie de mémoire, par exemple support à disque ou un autre support de stockage non transitoire lisible par ordinateur) codé avec un programme d'ordinateur (c'est-à-dire plusieurs instructions exécu tables) qui, lorsqu'il est exécuté sur un processeur ou plusieurs processeurs, effectue les fonctions des modes de réalisation décrits précédemment. A titre 30 d'exemple d'architecture matérielle adaptée à mettre en oeuvre l'invention, un dispositif peut comporter un bus de communication auquel sont reliés une unité centrale de traitement ou microprocesseur (CPU, acronyme de « Central Pro cessing Unit » en anglais), lequel processeur peut être "multi-core" ou "many- core" une mémoire morte (ROM, acronyme de « Read Only Memory » en an- 35 glais) pouvant comporter les programmes nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention; une mémoire vive ou mémoire cache (RAM, acronyme de « Random /Access Memory » en anglais) comportant des registres adaptés à enregistrer des variables et paramètres créés et modifiés au cours de l'exécution des pro grammes précités ; et une interface de communication ou E/S (I/O acronyme de « Input/ouput » en anglais) adaptée à transmettre et à recevoir des données.
5 Dans le cas où l'invention est implantée sur une machine de calcul reprogrammable (par exemple un circuit FPGA), le programme correspondant (c'est-à-dire la séquence d'instructions) peut être stocké dans ou sur un médium de stockage amovible (par exemple une carte SD, ou un stockage de masse tel que un disque dur ex. un SSD) ou non-amovible, volatile ou non-volatile, ce 10 médium de stockage étant lisible partiellement ou totalement par un ordinateur ou un processeur. Le support lisible par ordinateur peut être transportable ou communicable ou mobile ou transmissible (i.e. par un réseau de télécommunication 2G, 3G, 4G, Wifi, BLE, fibre optique ou autre).
La référence à un programme d'ordinateur qui, lorsqu'il est exécuté, 15 effectue l'une quelconque des fonctions décrites précédemment, ne se limite pas à un programme d'application s'exécutant sur un ordinateur hôte unique. Au contraire, les termes programme d'ordinateur et logiciel sont utilisés ici dans un sens général pour faire référence à tout type de code informatique (par exemple, un logiciel d'application, un micro logiciel, un microcode, ou toute autre forme 20 d'instruction d'ordinateur, comme des web services ou SOA ou via des interfaces de programmation API) qui peut être utilisé pour programmer un ou plusieurs processeurs pour mettre en oeuvre des aspects des techniques décrites ici. Les moyens ou ressources informatiques peuvent notamment être distribués (" Cloud computing"), éventuellement avec ou selon des technologies de pair-à-pair et/ou 25 de virtualisation. Le code logiciel peut être exécuté sur n'importe quel processeur approprié (par exemple, un microprocesseur) ou cœur de processeur ou un ensemble de processeurs, qu'ils soient prévus dans un dispositif de calcul unique ou répartis entre plusieurs dispositifs de calcul (par exemple tels qu’éventuellement accessibles dans l’environnement du dispositif). 30 Des technologies de sécurisation (crypto-processeurs, authentification éventuellement biométrique, chiffrement, carte à puce, etc.) peuvent être utilisées.

Claims

Revendications
1. Procédé mis en œuvre par ordinateur pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et
5 un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement, le procédé comprenant des étapes consistant à :
- calculer pour l’aéronef une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de
10 référence ;
- définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ;
- déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en
15 compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et
- identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche.
20
2. Le procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape de détermination de tous les raccourcis consiste à construire un graphe comprenant un ensemble de nœuds et d’arcs, les nœuds représentant des points de passage entre la position initiale et la position finale de la zone de recherche, les arcs
25 représentant les raccourcis possibles.
3. Le procédé selon la revendication 2 dans lequel l’étape de construction d’un graphe comprend au moins une étape de discrétisation de la trajectoire de référence sur la zone de recherche et une étape de suppression de tous les
30 raccourcis qui sont en intersection avec des zones à éviter.
4. Le procédé selon les revendications 2 ou 3, dans lequel l’étape d’identification du chemin optimal consiste à appliquer sur le graphe un algorithme de plus court chemin.
35
5. Le procédé selon la revendication 4, dans lequel l’algorithme du plus court chemin est un algorithme de type Dijkstra.
6. Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite zone de recherche est un espace correspondant à un secteur
5 de contrôle aérien ou à une zone définie entre deux points caractéristiques du plan de vol ou à un espace entre deux points au choix d’un opérateur.
7. Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant avant l’étape de détermination du chemin optimal, une étape
10 consistant à calculer les coûts engendrés par les différents chemins.
8. Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le critère d’optimisation est un critère unique, notamment un critère d’optimisation de la consommation de fuel ou un critère d’optimisation du
15 temps ou un critère d’optimisation de la distance.
9. Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel le critère d’optimisation est un critère multiple prenant en compte différents coûts.
20
10. Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de plus une étape consistant à afficher le chemin optimal.
1 1 . Le procédé selon l’une quelconque des revendications dans lequel la
25 position initiale est la position courante de l’aéronef.
12. Produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , lorsque ledit programme est
30 exécuté sur un ordinateur.
13. Dispositif pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement, le dispositif
35 comprenant :
- des moyens pour calculer une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ;
- des moyens pour définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour
5 cette zone ;
- des moyens pour déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et
10 - des moyens pour identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche.
14. Un système de gestion de vol pour aéronef comprenant un dispositif selon la 15 revendication 13.
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