FR2826110A1

FR2826110A1 - Procede pour determiner une route aerienne optimale pour un avion se deplacant suivant une courbe orthodromique

Info

Publication number: FR2826110A1
Application number: FR0107830A
Authority: FR
Inventors: Pierre Zmuda; Xavier Baudasse
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-12-20
Anticipated expiration: 2021-06-15
Also published as: FR2826110B1

Abstract

Le procédé selon l'invention comprend les étapes consistant à :a) déterminer au moins une zone de recherche le long de la courbe orthodromique; b) sélectionner dans chaque zone de recherche une succession de segments définis chacun comme un tronçon de route aérienne délimité par deux points et défini notamment par des altitudes plancher et plafond et par un sens de parcours pouvant être un sens aller, un sens retour ou un sens aller-retour, les segments successifs constituant un graphe orienté et étant susceptibles d'être empruntés parmi plusieurs segments potentiels déterminant la route aérienne reliant les points de décollage et d'atterrissage ;c) choisir parmi les segments sélectionnés un ensemble de segments jointifs décrivant la route optimale du point de décollage au point d'atterrissage; etd) créer des segments complémentaires nécessaires pour rendre le graphe continu.

Description

La présente invention concerne un procédé pour déterminer une route aérienne optimale pouvant être empruntée par un avion se déplaçant entre un point de décollage et un point d'atterrissage en suivant une courbe orthodromique.

L'objet de l'invention est de définir une route aérienne valide entre les points de décollage et d'atterrissage, en tenant compte des contraintes d'environnement de l'avion (météo, réglementations aériennes), de ses caractéristiques techniques (performances, capacités), tout en respectant un temps minimum de vol, avec ou sans conditions de minima d'altitude (MEA).

Les routes aériennes définissent des minima d'altitudes audessus desquels l'avion doit passer en cas de perte d'un moteur, le non respect de ces minima étant soumis à autorisation.

En effet, l'espace aérien est divisé en deux sous-espaces : - l'espace inférieur allant du sol à une altitude fonction du pays, l'espace supérieur situé au-dessus de l'espace inférieur et allant à une altitude maximale, l'espace au dessus de l'espace supérieur n'étant pas contrôlé, car accessible par très peu d'aéronefs, par exemple le Concorde.

Chacun de ces espaces comporte des routes aériennes ; chaque route aérienne est constituée d'un ou plusieurs segments dont chaque extrémité correspond à : une balise de radio navigation, un aéroport, un point appelé point de report identifié par un nom.

L'ensemble des routes aériennes forme un réseau dont les noeuds sont constitués par ces balises, ces aéroports, ou ces points de report. Tout avion, dès lors qu'il fait une navigation aux instruments par opposition à la navigation à vue, devra emprunter les routes aériennes.

Chacun des segments de route aérienne est défini par des règles de navigation : - parcours en sens unique ou bidirectionnel, - niveau de vol minimal et maximal,

- niveaux pairs (par exemple 100 120 140 etc...) ou impairs (par exemple 110 130 150 etc...) autorisés en fonction du cap afin d'éviter les collisions d'avions circulant sur le même segment mais dans une direction opposée.

De plus, le réseau de routes aériennes n'atteint généralement pas les aérodromes. En fait, c'est le contrôle de l'aérodrome qui guide l'avion jusqu'à sa phase d'approche.

D'autre part, il faut noter que les zones océaniques ne sont pas couvertes par le réseau de routes aériennes, mais que les avions peuvent y circuler.

D'autres zones ne sont pas couvertes pour des raisons de sécurité de survol, par exemple des régions montagneuses.

D'autres considérations sont à prendre en compte : les étapes effectuées par les avions de transport sont généralement très longues (de quelques centaines de kilomètres à plusieurs milliers de kilomètres) et donc coûteuses en carburant. C'est pourquoi, bien que ce ne soit pas une règle absolue, les avions croisent à ce que l'on appel le niveau d'accrochage (altitude d'accrochage), qui est l'altitude à laquelle les avions ont des performances optimales en terme de consommation. Cette altitude d'accrochage dépend aussi des conditions atmosphériques locales (pressions notamment) ainsi que de la masse de l'avion. La masse de l'avion variant à chaque instant du vol, la croisière idéale type, en terme de rendement de l'avion, serait une ligne d'altitude croissante ; on assisterait donc à des croisières ascendantes permanentes. Pour un contrôle plus sûr des vols, la réglementation interdit ce type de croisière et n'autorise le changement de niveau de vol (altitude) que par paliers ou pas. De plus, la réglementation impose certains niveaux de vol en fonction du cap, comme on l'a vu précédemment. Dans ces conditions, une croisière optimale a plutôt une allure en forme de paliers successifs.

On rappelle aussi quelques notions de navigation ; les avions modernes possèdent aujourd'hui tous les calculateurs de bord leur permettant de suivre l'orthodromie pendant leur trajet.

L'orthodromie sur une sphère est le chemin le plus court entre deux points A et B de cette sphère.

En général, le cap sur une route orthodromique change à chaque instant.

Par opposition, la loxodromie est la projection sur la sphère d'une route qui consiste à aller du point A au point B en conservant un cap constant égal au cap initial entre A et B.

La flèche entre la loxodromie et l'orthodromie peut être très importante, lorsque les écarts en longitudes deviennent importants.

De plus, toutes les distances en aéronautique sont exprimées en Nm, ou nautical mile (s) ; le Nm est égal à 1852 mètres.

Sur Terre, un angle ayant pour sommet le centre de la Terre et qui intercepte à la surface un segment de 1 Nm à un angle de 1 mn (1/60ème de degré).

Toutes les formules de navigation donnent des distances sous forme d'angle entre les deux points par rapport au centre de la terre. Ensuite, pour avoir la distance en miles nautiques, il suffit d'appliquer la conversion suivante : distance~nm = (180*60/pi) *distance~radians.

Il arrive, lors des traversées océaniques notamment, que le réseau de routes aériennes ne soit pas défini.

Dans ce cas, la réglementation impose que le pilote fasse une navigation passant par les croisements entre les latitudes et les longitudes rondes.

Le procédé objet de l'invention doit donc prendre en compte cette contrainte, lorsque la route à optimiser traverse ces zones.

De plus, il a été convenu que les segments de routes hors route aérienne auraient un point tous les deux degrés, de latitude et de longitude.

Par ailleurs, une information météo est donnée à chaque degré carré. Pour chaque degré carré, on dispose de 5 quadruplets : direction du vent, intensité du vent, température, pression ; chaque quadruplet correspond aux conditions météo régnant à une altitude/pression en atmosphère standard. Le vent est lui même défini par une intensité et une direction exprimée en degrés par rapport au nord géographique.

Les méthodes actuelles ne permettent pas de prendre en compte tout ou partie des paramètres ci-dessus pour déterminer une route aérienne optimale.

De plus, on a vu que dans certaines zones, non seulement au dessus des mers ou des océans, mais également à proximité des aéroports, il n'existe pas de route aérienne, de sorte qu'il faut en générer en fonction de la mission particulière et des conditions spécifiques du jour.

La présente invention a donc pour but principal de remédier à ces inconvénients et, pour ce faire, elle a pour objet un procédé ayant le but susmentionné et qui se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) déterminer au moins une zone de recherche le long de la courbe orthodromique ; b) sélectionner dans chaque zone de recherche une succession de segments définis chacun comme un tronçon de route aérienne délimité par deux points et défini notamment par des altitudes plancher et plafond et par un sens de parcours pouvant être un sens aller, un sens retour ou un sens aller-retour, les segments successifs constituant un graphe orienté et étant susceptibles d'être empruntés parmi plusieurs segments potentiels déterminant la route aérienne reliant les points de décollage et d'atterrissage ; c) choisir parmi les segments sélectionnés un ensemble de segments jointifs décrivant la route optimale du point de décollage au point d'atterrissage ; et d) créer des segments complémentaires nécessaires pour rendre le graphe continu.

Ainsi, il est possible de déterminer une route aérienne tenant compte des contraintes de la mission et des segments aériens existants ou à créer.

De préférence, la détermination de chaque zone de recherche comprend la définition d'un carré orienté au nord, centré sur un point P1 de la courbe orthodromique et orienté selon la tangente à celle-ci en ce point, les points P1 étant régulièrement espacés le long de la courbe entre les points de décollage et d'atterrissage.

La présente invention ne se limite pas à des zones de recherche ayant une forme carrée, ni ayant la dimension indiquée.

Avantageusement, le carré orienté au nord englobe une zone carrée de 1000 km de coté.

A titre de variante, la zone carrée peut être de 100 km de côté, par exemple autour des points de décollage ou d'atterrissage.

Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé conforme à l'invention, l'étape de sélection comprend : (i) la suppression des segments doublons (ii) la suppression des segments dont le sens de parcours n'est pas celui de l'axe général de progression de l'avion ; (iii) la suppression des segments à impasse qui ne sont reliés au graphe que par une extrémité et qui ne sont pas situés dans la zone de recherche.

De préférence, l'étape de création des segments complémentaires consiste à construire dynamiquement des segments jointifs.

Avantageusement, les segments jointifs sont définis par des points sur des latitudes et des longitudes rondes et permettant de rendre le graphe continu, en particulier dans les zones océaniques.

Selon une variante, les segments complémentaires sont extraits d'une zone de 100 km de côté autour des points de départ et/ou d'arrivée si ceux-ci sont en dehors du réseau de routes aériennes.

Selon une disposition particulière de l'invention, le procédé est mis en oeuvre par l'utilisation d'un algorithme choisi parmi les algorithmes de recherche opérationnelle ou d'analyse numérique et par exemple par l'utilisation de l'algorithme A*.

La présente invention ne se limite pas à l'utilisation de l'algorithme A*, mais peut être aussi mise en oeuvre au moyen d'autres algorithmes mentionnés ci-après à titre d'exemples non limitatifs : algorithme de BELLMAN, algorithme de BELLMAN coûts dynamiques, algorithme de DISKSTRA, algorithme de FLOYD, algorithme de FORD, algorithme de recherche tabou, algorithme du recuit simulé, algorithme du réseau neuronal, méthode du gradient, méthode du balayage planaire, etc....

Les caractéristiques de la présente invention ressortiront plus clairement de la description d'un mode de réalisation présenté cidessous en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique du globe terrestre représentant entre deux points A et B, une pluralité de zones de recherche Z1 carrées, centrées sur les points P1 de la courbe orthodromique, de 1000 km de côté ;

- les figures 2 à 5 sont des représentations schématiques d'une zone de recherche Z1 carrée centrée sur un point Pi de la courbe orthodromique, de 1000 km de côté, aux différentes étapes du processus ; chaque zone de recherche Z1 comporte un point de départ A1 et un point d'arrivée Bi, le point de départ étant également le point d'arrivée Bol de la zone de recherche précédente et le point d'arrivée étant également le point de départ AHl de la zone de recherche suivante.

Il convient de déterminer une route aérienne optimale pouvant être empruntée par un avion se déplaçant entre un point de décollage A et un point d'atterrissage B, représentés figure 1.

On y voit le segment droit [AB], qui représente le tracé rectiligne entre A et B, en conservant le même cap par rapport au nord, selon la ligne de loxodromie.

On y voit aussi l'arc de cercle (AB) qui est le plus court chemin entre A et B sur la sphère terrestre, en suivant la courbe orthodromique.

Le procédé objet de l'invention est mis en oeuvre par l'utilisation de l'algorithme A*, à titre d'exemple non limitatif.

Cet algorithme est implanté sur un ordinateur, par exemple également non limitatif une station de marque SUN, de type SS20, sous UNIX en langage C, comportant notamment des moyens de calcul et des moyens de stockage et de visualisation de données et de résultats, les moyens de stockage de données comportant les informations géographiques, météorologiques et techniques, par exemple les routes aériennes mondiales, les temps de vol, les temps de vol minimal, les minima d'altitude en fonction des MEA (Minimum Enroute Altitude), les latitudes, longitudes, les données sur les vents, du type intensité, direction, les vents cisaillants, la pression atmosphérique, les températures, les données sur l'avion, du type masse, consommation, carburant, vitesse, etc..., les exemples partiels ci-dessus n'étant fournis qu'à titre indicatif.

Pour une mission aérienne donnée, le système informatique comprendra les modules suivants : - le module d'initialisation des données du problème, - le module de réception des données de la mission, - le module de traitement des données brutes,

- le module moteur de l'optimisation, - le module de calcul du coût, - le module de calcul des transitions d'états, - le module de formatage du résultat pour envoi à la mission.

Le long de la courbe orthodromique, sur l'arc de cercle (AB), on détermine une succession de zones de recherche, en définissant pour chaque zone de recherche un carré de 1000 km de côté, orienté au nord, centré sur un point Pi de la courbe orthodromique et orienté selon la tangente à celle-ci en ce point, les points P1 étant régulièrement espacés le long de la courbe entre les points de décollage et d'atterrissage.

Chaque zone de recherche Z1 comporte un point de départ A1 et un point d'arrivée Bl, le point de départ étant également le point d'arrivée B1-1 de la zone de recherche précédente et le point d'arrivée étant également le point de départ Ai+l de la zone de recherche suivante.

Dans chaque zone de recherche, l'algorithme employé extrait l'ensemble des segments potentiels pouvant déterminer la route aérienne, et procède au calcul et à l'affichage des étapes consistant à : a) déterminer au moins une zone de recherche le long de la courbe orthodromique ; b) sélectionner dans chaque zone de recherche une succession de segments définis chacun comme un tronçon de route aérienne délimité par deux points et défini notamment par des altitudes plancher et plafond et par un sens de parcours pouvant être un sens aller, un sens retour ou un sens aller-retour, les segments successifs constituant un graphe orienté et étant susceptibles d'être empruntés parmi plusieurs segments potentiels déterminant la route aérienne reliant les points de décollage et d'atterrissage ; c) choisir parmi les segments sélectionnés un ensemble de segments jointifs décrivant la route optimale du point de décollage au point d'atterrissage ; et d) créer des segments complémentaires nécessaires pour rendre le graphe continu.

L'étape de sélection comprend les étapes suivantes : (i) la suppression des segments doublons ;

(ii) la suppression des segments dont le sens de parcours 1 n'est pas celui de l'axe général de progression de l'avion ; (iii) la suppression des segments à impasse qui ne sont reliés au graphe que par une extrémité et qui ne sont pas situés dans la zone de recherche.

L'étape de création des segments complémentaires consiste à construire dynamiquement des segments jointifs, qui sont définis par des points sur des latitudes et des longitudes rondes et permettant de rendre le graphe continu, et de créer une zone de recherche supplémentaire de 100 km de côté autour des points de départ et d'arrivée si ceux-ci sont en dehors du réseau de routes aériennes.

Quelques définitions permettront d'appréhender les figures suivantes, qui servent d'illustration du procédé objet de l'invention.

Entre le point de décollage A ou sommet source et le point d'atterrissage B ou sommet terminal, on cherche une route optimale passant par une succession de sommets reliés par des chemins aériens appelés arcs ; si la route aérienne comporte plus d'une zone de recherche, la route optimale est une succession d'arcs reliant le sommet source A au sommet terminal de la première zone de recherche, lequel est aussi le sommet source de la seconde zone de recherche, etc....

Chaque zone de recherche Zi comporte un point de départ Al et un point d'arrivée Bl, le point de départ étant également le point d'arrivée Bl-1 de la zone de recherche précédente et le point d'arrivée étant également le point de départ A1+1 de la zone de recherche suivante.

Le graphe valué sur lequel travaille l'algorithme A* est donné par les extrémités des segments de routes aériennes dans une zone allant du point de départ au point d'arrivée, sur une zone carrée de 100 km de côté.

La figure 2 représente schématiquement une zone de recherche Zl carrée centrée sur un point Pl de la courbe orthodromique, de 100 km de côté.

Dans le cas où le graphe n'est pas continu entre les points de départ et d'arrivée d'une zone de recherche, l'algorithme génère, en particulier dans les zones océaniques, des segments complémentaires

jointifs, définis, par des points de départ et d'arrivée chacun sur des latitudes et des longitudes rondes, permettant de rendre le graphe continu.

On remarque des arcs fléchés qui représentent des segments de routes aériennes qui sont en sens unique.

Enfin, on remarque également des segments en sens unique orientés dans le sens contraire de la direction départ/arrivée.

On remarque également des segments qui n'ont qu'une seule extrémité car l'autre n'est pas comprise dans la zone d'interrogation de la base de données.

Un traitement est effectué pour supprimer ces arcs à un seul sommet, ainsi que les segments doublons qui figurent à l'identique dans deux zones de recherches successives et pour lesquels un seul segment est à conserver.

L'algorithme A* fonctionne sur des graphe orientés, ce qui n'est pas le cas de celui présenté figure 2.

On effectue un traitement sur le graphe, afin de le rendre orienté.

Les segments retenus devront se trouver dans l'axe de progression de l'avion à plus ou moins 900, ce qui correspond en fait, à ne pas revenir sur ses pas, sauf impératif particulier pouvant survenir dans des cas ponctuels ou autour des aéroports.

La figure 3 donne le résultat d'un tel traitement.

On constate que le graphe contient des sommets qui ne sont reliés qu'à un seul arc.

Ces sommets constituent des impasses qu'il convient d'éliminer de la solution.

La suppression d'un segment à impasse peut en créer d'autres, ainsi qu'il apparaît figure 4.

On adopte un processus récursif sur la totalité du graphe, afin d'éliminer tous les segments à impasse.

La figure 5 donne le graphe final à l'issue du dernier traitement des segments à impasse.

Il ne reste plus qu'à exécuter l'algorithme A* pour retenir la meilleure solution parmi celles proposées, en fonction du temps de trajet par exemple, ou de la meilleure consommation.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour déterminer à l'aide d'un ordinateur une route aérienne optimale pouvant être empruntée par un avion se déplaçant entre un point de décollage et un point d'atterrissage en suivant une courbe orthodromique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) déterminer au moins une zone de recherche le long de la courbe orthodromique ; b) sélectionner dans chaque zone de recherche une succession de segments définis chacun comme un tronçon de route aérienne délimité par deux points et défini notamment par des altitudes plancher et plafond et par un sens de parcours pouvant être un sens aller, un sens retour ou un sens aller-retour, les segments successifs constituant un graphe orienté et étant susceptibles d'être empruntés parmi plusieurs segments potentiels déterminant la route aérienne reliant les points de décollage et d'atterrissage ; c) choisir parmi les segments sélectionnés un ensemble de segments jointifs décrivant la route optimale du point de décollage au point d'atterrissage ; et d) créer des segments complémentaires nécessaires pour rendre le graphe continu.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination de chaque zone de recherche comprend la définition d'un carré orienté au nord, centré sur un point Pi de la courbe orthodromique et orienté selon la tangente à celle-ci en ce point, les points Pi étant régulièrement espacés le long de la courbe entre les points de décollage et d'atterrissage.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le carré orienté au nord englobe une zone carrée de 1000 km de cote.

4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape de sélection comprend : (i) la suppression des segments doublons ; (ii) la suppression des segments dont le sens de parcours n'est pas celui de l'axe général de progression de l'avion ;

(iii) la suppression des segments à impasse qui ne sont reliés au graphe que par une extrémité et qui ne sont pas situés dans la zone de recherche.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de création des segments complémentaires consiste à construire dynamiquement des segments jointifs.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les segments jointifs sont définis par des points sur des latitudes et des longitudes rondes et permettent de rendre le graphe continu.

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les segments complémentaires sont extraits d'une zone de 100 km de côté autour des points de départ et/ou d'arrivée si ceux-ci sont en dehors du réseau de routes aériennes.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par l'utilisation d'un algorithme choisi parmi les algorithmes de recherche opérationnelle ou d'analyse numérique.

9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par l'utilisation de l'algorithme A*.