FR2926894A1 - Procede d'estimation en tout point d'un trajet d'un aeronef des donnees atmospheriques - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé d'estimation en tout point d'un trajet d'un aéronef des caractéristiques du vent permettant de tenir compte finement des vents pour constituer les prédictions des temps de passages et de la consommation de l'aéronef le long de son plan de vol, et ce procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à recueillir autour de la trajectoire de l'aéronef une grille de valeurs de paramètres de vents en un nombre déterminé de points de l'espace, à comparer ces valeurs à celles issues de modèles d'évolution spatio-temporelle de vents, à sélectionner, tronçon de trajet par tronçon, le modèle le plus vraisemblable et à interpoler, pour chaque tronçon, les caractéristiques locales du vent de l'ensemble des points d'intérêt de la trajectoire

Description

PROCEDE D'ESTIMATION EN TOUT POINT D'UN TRAJET D'UN AERONEF DES DONNEES ATMOSPHERIQUES La présente invention se rapporte à un procédé d'estimation en tout point 5 d'un trajet d'un aéronef des données atmosphériques. A bord de beaucoup d'aéronefs, le FMS ( Flight Management System pour Système de gestion de vol) remplit, entre autres choses, la fonction de prédiction du déroulement d'un plan de vol, ce qui implique les prédictions, en chaque point de ce plan de vol, des temps de passage et des vitesses, ainsi que du carburant consommé. 10 Ces prédictions sont cependant extrêmement dépendantes des vents rencontrés et donc de la modélisation de ces vents. La base de données des vents de bord des aéronefs peut être obtenue à partir de deux sources potentielles : d'une part des stations météorologiques au sol fournissant un service pouvant couvrir la terre entière mais souvent avec un 15 échantillonnage (spatial et temporel) pauvre par rapport aux besoins du FMS, et d'autre part les fonctions météorologiques de bord apportées par le système ISS et faisant appel à un radar météorologique. Ces dernières données ont l'avantage d'être très bien échantillonnées, mais ne sont valables que dans l'environnement immédiat de l'aéronef, et sur un horizon de temps limité. 20 On a représenté sur le diagramme de la figure 1 un exemple de mesures de vents fournies par une station météorologique au sol. Sur cette figure, on a représenté les directions et intensités du vent en quelques points de l'espace, et dans le cas présent en quatre points A, B, C et D seulement, ce qui constitue, comme précisé ci-dessus un échantillonnage spatial trop faible. 25 La complémentarité des informations fournies par les deux sources précitées ne pallie cependant pas la faiblesse de l'échantillonnage spatial et temporel des vents dès lors que l'on considère des points éloignés de l'aéronef. La présente invention a pour objet un procédé d'estimation en tout point d'un trajet d'un aéronef des données atmosphériques, permettant de tenir compte finement 30 de ces données pour constituer les prédictions des temps de passages et de la consommation de l'aéronef le long de son plan de vol.

Le procédé conforme à l'invention est un procédé d'estimation en tout point d'un trajet d'un aéronef des caractéristiques de données atmosphériques, et il est caractérisé en ce qu'il consiste à recueillir autour de la trajectoire de l'aéronef une grille de valeurs de paramètres de ces données en un nombre déterminé de points de l'espace, à comparer ces valeurs à celles issues de modèles d'évolution spatio-temporelle de ces données, à sélectionner, tronçon de trajet par tronçon, le modèle le plus vraisemblable et à interpoler, pour chaque tronçon, les caractéristiques locales de ces données pour l'ensemble des points d'intérêt de la trajectoire, et à évaluer la valeur de ces données en n'importe quel point de l'espace, en utilisant le modèle le plus vraisemblable.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure 1, déjà décrite ci-dessus, est un diagramme d'un exemple simplifié de mesures de vents fournies par une station météorologique au sol, les figures 2 et 3 sont des diagrammes d'exemples de modèles de répartitions spatiales de vents tels que pouvant être mis en oeuvre par le procédé conforme à la présente invention, les figures 4 et 5 sont des blocs-diagrammes simplifiés d'un exemple de système FMS et d'un exemple de système ISS, respectivement, pouvant mettre en oeuvre le procédé de l'invention, et - la figure 6 est une vue schématisée d'une zone terrestre et de l'espace environnant, zone dans laquelle peut être mis en oeuvre le procédé de l'invention.

Le but du procédé de l'invention est de fournir une estimation des données atmosphériques , et en particulier du vent en n'importe quel point de l'espace. La description détaillée ci-dessous se réfère au vent, mais il est bien entendu qu'elle s'applique aussi bien à d'autres données atmosphériques telles que la température, l'humidité ou la pression atmosphérique. Pour cela, on procède en deux étapes à partir d'un jeu de données, telles que celles relatives à la figure 1, fournies pour un instant donné et pour une zone de l'espace donnée. D'abord, on applique le jeu de données à différents modèles mathématiques de vents. Parmi les différents modèles disponibles, on choisit celui qui convient le mieux et qui sera le modèle d'interpolation du procédé de l'invention. . L'étape 1 consiste à choisir à quel type de modèle de vent correspond le jeu de données. Sur les figures 2 et 3 sont représentés deux vents de types différents, mais il est bien entendu que dans la réalité, on se sert d'un plus grand nombre de modèles de vents. Le premier modèle, dans l'exemple de la figure 2, correspond à un vent qui tourne dans le sens anti-horaire autour d'un centre placé au point (0,0). Le second modèle (figure 3) correspond à une frontière de vents : des vents descendants sur la moitié gauche du diagramme et des vents montants sur la moitié droite du diagramme. La valeur des paramètres du vent dans les différents points de l'espace change selon le modèle choisi. Le procédé de l'invention est capable de choisir parmi les modèles celui qui correspond le mieux au jeu de données de départ. En pratique, on suppose que l'on possède une famille de modèles de vents correspondant à des modèles de vents existant réellement ou déduits de mesures. Chacun de ces modèles de vents est un modèle paramétrique ou tabulé. Dans le cas d'un modèle paramétrique, l'intensité ainsi que la direction du vent sont fonction des coordonnées 2D, 3D, 3D+ (temporelles) des points de mesure, ainsi que d'autres paramètres a, [3, 3.... déterminés de la façon décrite ci-dessous. Sur l'exemple de la figure 1, les points A et B seuls ne permettraient pas de déterminer si on est dans le cas d'un vent tournant ou d'un vent changeant de direction. Par contre, le point C qui est horizontal ainsi que le point D oblique permettent de supposer que le vent est tournant. L'étape 1 va permettre de récolter les informations qui permettront de faire le choix du modèle dans l'étape 2. On décrit d'abord un exemple de paramétrisation du vent tournant. Soit un point M de l'espace dont les coordonnées polaires sont (p,0) (p étant la distance du point M au point (0,0) et 0 étant l'angle entre 0M et l'axe des abscisses).

L'intensité du vent pvent et sa direction Avent en fonction de p et A peuvent être de la forme: Avent= a * A + Aventù ô*P Pour un vent changeant de direction, la paramétrisation peut être par exemple réalisée de la façon suivante. Soit un point M de l'espace dont les coordonnées cartésiennes sont (x,y). Le vent étant vertical dans ce modèle, il suffit de connaître sa vitesse vyvent dans la direction verticale. L'intensité vyvent en fonction de x et y peut être de la forme: Vyvent= y x En pratique, la première étape consiste à estimer les différents paramètres a, (3, S, y....pour chacun des différents modèles utilisés. Cette estimation peut être faite selon une méthode mathématique telle que celle des moindres carrés, ou une méthode statistique.

Par exemple, dans le cas de la figure 1, les coordonnées spatiales des points A à D et les coordonnées du vecteur vent associé à chacun des points sont: Point A : coordonnées du point x=1, y=0 coordonnées du vent x=0.004 y=0.2 Point B : coordonnées du point x=-1, y=0 coordonnées du vent x=0 y=-0.2 Point C : coordonnées du point x=-0.4, y=2 coordonnées du vent x=-0.3 y=0 Point D : coordonnées du point x=1, y=1 coordonnées du vent x=-0.24 y=0.24 (la norme du vecteur vent sqrt(x*x+y*y) = force du vent, et l'arc tangent de y/x donne la direction) En effectuant une estimation de paramètres par la méthode des moindres carrés, on obtient : Modèle de vent tournant : a=0.9928, (3=1.5267 et 5=0.1828 Modèle de vent changeant de direction : y=0.2025 Dans le cadre d'une modélisation tabulée de l'atmosphère, on dispose de différentes tables contenant des vecteurs unitaires de vent. On compare alors les vecteurs de mesure de vents (normés avec un module de 1) aux différentes tables, en interpolant éventuellement. Le résultat est une matrice par modèle, contenant les deltas entre les mesures et le modèle. L'étape 2 du procédé de l'invention consiste à choisir le modèle le plus approprié. La première étape étant effectuée, on possède des équations qui permettent de déterminer en chaque point de l'espace les valeurs des vents pour chacun des modèles. En pratique, on définit une fonction de coût qui permet d'évaluer l'écart entre les valeurs de vents calculées pour un modèle et les valeurs de vents existant dans la base de connaissances issue des modèles embarqués . Le modèle choisi sera celui qui obtiendra le coût le plus faible, c'est-à-dire l'erreur la plus faible entre les valeurs calculées et celles de la base de données. Cette fonction de coût peut par exemple être issue de calculs statistiques (méthode du Khi 2 par exemple) Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, pour les points A,B,C,D, on calcule la norme (par exemple le module) du vecteur obtenu en effectuant la différence entre le vecteur du vent connu et le vecteur du vent interpolé. On crée alors un vecteur de dimension N (N étant le nombre de points de mesure, ici 4) contenant les normes trouvées, et on en calcule une norme f Avec une norme d'ordre 2 (norme quadratique), on obtient : - Coût calculé pour le modèle vent tournant : 0.1227 - Coût calculé pour le modèle vent changeant de direction: 0.3945 Le coût du modèle vent tournant est 3 fois moindre que celui du vent changeant de direction, et c'est donc le modèle de vent tournant qui est le plus vraisemblable. Pour évaluer le vent en n'importe quel point de l'espace compris dans 25 l'espace à l'intérieur des points de mesure, on utilise donc pour le présent exemple le modèle vent tournant avec les paramètres trouvés dans l'étape 1.

Le procédé de l'invention, qui vise avant tout à améliorer les prédictions calculées le long d'un plan de vol est avantageusement mis en oeuvre par un FMS 30 qui remplit, entre autres, des fonctions de prédiction.

Les données d'entrée du FMS sont alors des données de vents brutes. Ces données peuvent être calculées au sol par des stations météorologiques par exemple, ou à bord de l'aéronef par un équipement de traitement de l'information météorologique (par exemple un ISS, Integrated Surveillance System).

Les fonctions météorologiques de système ISS, basées sur un Radar Météo, sont plutôt du type à court terme (le radar ayant une portée de quelques centaines de nautiques), alors que les données reçues du sol peuvent couvrir la terre entière (mais sont moins précises). Le dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention utilise donc les données ISS pour la partie plan de vol en portée Radar, et les données acheminées par liaison de donnée ou saisies par le pilote pour la partie plan de vol hors portée Radar. Sur le bloc-diagramme simplifié d'un dispositif de gestion de vol (dit FMS, pour Flight Management System ) classique d'aéronef de la figure 4, qui est doté d'une interface homme-machine IHM, on a représenté les fonctions suivantes du FMS, décrites dans la norme ARINC 702 (Advanced Flight Management Computer System, Dec 1996). Elles assurent normalement tout ou partie des fonctions de : • Navigation LOCNAV, référencée 1, pour effectuer la localisation optimale de l'aéronef en fonction des moyens de géo-localisation (GPS, GALILEO, balises radios VHF, centrales inertielles, référencés lA dans leur ensemble) , • Plan de vol FPLN, référencé 2, pour saisir les éléments géographiques constituant le squelette de la route à suivre, à savoir : procédures de départ et d'arrivée, points de passage ( waypoints ), autoroutes du ciel ( airways ), • Base de données de navigation NAV DB, référencée 3, pour construire des routes géographiques et des procédures à partir de données incluses dans les bases (points, balises, legs d'interception ou d'altitude...) , • Base de données de performance PRF DB, référencée 4, contenant les paramètres aérodynamiques et ceux des moteurs de l'appareil, • Trajectoire latérale TRAJ, référencée 5, pour construire une trajectoire continue à partir des points du plan de vol, respectant les performances de 30 l'aéronef et les contraintes de confinement (RNP) ; • Fonction de prédiction PRED, référencée 6, pour construire un profil vertical optimisé sur la trajectoire latérale, • Guidage, GUID, référencé 7, pour guider dans les plans latéraux et verticaux l'aéronef sur sa trajectoire 3D, tout en optimisant la vitesse, en liaison avec le pilote automatique 8, • Liaison de données numériques DATALINK , référencée 9, pour communiquer avec les centres de contrôle, référencés 10 et d'autres aéronefs.

On a schématisé sur le bloc-diagramme de la figure 5 un système ISS classique .I1 comporte essentiellement un processeur ISS spécialisé 11 . Ce processeur 11 comporte les éléments suivants : un dispositif 12 de présentation détaillée de la situation environnante, un dispositif 13 de consolidation des commandes ISS relié au dispositif 12 et à un dispositif 14 de détermination de priorité des alertes, et un dispositif 15 de synthèse vocale d'alertes relié à une base de données 16 de messages vocaux.

Le processeur 11 reçoit les informations des éléments suivants : un processeur de données de terrain 17 fournissant au dispositif 12 des informations sur la situation du terrain à proximité de l'aéronef comportant ce système ISS et des alertes au dispositif 14, un processeur météorologique 18, un processeur de trafic aérien 19 et un processeur XDPR 20 (XPDR : Transpondeur, équipement normalisé permettant de recevoir et d'envoyer des données numériques, actuellement issues d'avions environnants ou de stations sol, dont des informations météorologiques).. Les processeurs 18 à 20 sont reliés chacun aux éléments 12 et 14. Les informations de sortie du processeur 11 sont émises par les éléments 12, 13 et 15 de la façon suivante. Le dispositif 12 envoie les données relatives à la situation environnante à un dispositif 21 de traitement des signaux d'entrée et de sortie du processeur 11. Le dispositif 15 de synthèse vocale envoie au dispositif 14 des requêtes d'autorisation d'émission d'alertes vocales. Ce dispositif 14 détermine le rang de priorité de telles alertes et, au moment voulu, il autorise le dispositif 15 à émettre ces alertes qui sont envoyées vers le dispositif 21. Le dispositif 13 de consolidation des commandes ISS envoie d'une part des informations de statut ISS à un panneau de commande 1SS 22, et d'autre part, il envoie des signaux de commande à un processeur de terrain 23, à un processeur météorologique 24, à un processeur de trafic aérien 25 et à un processeur XDPR 26. Les équipements à gauche et à droite du schéma représentent le même équipement, avec à gauche (17 à 20) le mode `réception' et traitement et à droite (23 à 26) le mode `émission'.

On a schématisé en figure 6 la partie météorologique du système de mise en oeuvre du procédé de l'invention, et plus particulièrement ses stations au sol. Comme détaillé ci-dessous, ce système comporte essentiellement des radars, des systèmes de communication (par VHF, SATCOM, HF,...) et des centres météorologiques.

On a représenté en figure 6 un exemple de moyens utilisés (appelés ici dans leur globalité segment météorologique sol ou en abrégé SMS ) pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention pour un aéronef 27 en phase d `approche de la piste d'atterrissage 28 d'un aéroport 29, ainsi que, le cas échéant, pour d'autres aéronefs 27A se trouvant à proximité de l'aéroport 29. Au moins l'aéronef 27 comporte un équipement de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Il est surveillé par au moins un radar de surveillance secondaire 30 et il communique par VHF (vocalement et par échange de données de type DATALINK avec l'un au moins des centres de contrôle aérien d'un ensemble 31 de centres de contrôle aérien 31A à portée desquels il se trouve, ces centres étant reliés au(x) radar(s) 30 et à au moins un satellite de communication 32. Les centres de contrôle 31A reçoivent de l'aéronef des informations relatives aux conditions météorologiques environnantes (telles que mesurées par ses instruments de mesure embarqués), et en particulier les formations orageuses ou génératrices de vents forts (33), et les retransmettent via une liaison appropriée 34A à un ensemble 35 de stations météorologiques 35A faisant partie par exemple d'un service national de météorologie. Cet ensemble de stations comporte des stations terminales d'observation météorologique et des stations de traitement des informations en route qui leur parviennent via les liaisons 34A. Ces stations 35 sont par ailleurs reliées à des radars météorologiques (par exemple du type à LIDAR ('Light Detection and Ranging', système de télédétection laser) tels que le radar 36 représenté sur le dessin et à des satellites d'observation météorologique tels que le satellite 37, observant les conditions météorologiques (33A) autour de l'aéroport 29. La prise en compte des informations météorologiques se fait de la manière suivante. On se réfère ici aux figures 5 et 6.

Le FMS élabore le du plan de vol (fonction FPLN) à partir des information en base de donnée de navigation (NAV DB) Le FMS élabore un premier jeu de prédictions 4D (fonctions TRAJ et PRED) à partir du plan de vol, et de paramètres d'optimisation et de performances issus d'informations entrées par le pilote via les IHM, et issues de la compagnie propriétaire de l'aéronef ou l'affrétant (appelée ici : compagnie) via la liaison datalink et à partir des performances aéronef (PERF DB). Il utilise une valeur de vent moyen entrée par l'équipage ou transmise par la compagnie. Le FMS envoie le squelette 3D (plan de vol FPLN, trajectoire TRAJ et prédictions PRED)et les premières estimées de temps de passage à l'ISS et au SMS.

Le FMS reçoit ensuite un jeu de données météorologiques (par exemple : vents, températures, tropopauses), qui sont éventuellement fonction du temps, sous forme de grilles par exemple, du sol, le long du plan de vol, ainsi que la Fonction WIMS de l'ensemble 35. Si le radar météorologique de l'aéronef est en marche, le FMS reçoit de 1'ISS (processeur 18) des informations de vitesse et direction de vents, et éventuellement de température et de tropopause le long de la trajectoire, en portée radar. Le FMS reçoit par ailleurs en temps réel des mesures instantanées de température, vent, de la part des senseurs équipant l'aéronef (ADC, IRS, GPS) Le FMS utilise donc les données suivantes : Données mesurées pour le très court terme Données radar = court terme Données Segment Sol ensuite A partir des données reçues, le FMS raffine ses prédictions 4D en utilisant le procédé de l'invention, tel que décrit ici.

Quelques itérations peuvent être nécessaires si le plan de vol 4D issu de ce calcul est significativement différent du plan de vol 4D initial.

En variante, dans d'autres dispositifs, le FMS envoie le squelette de plan de vol (FPLN) et les prédictions à l'ISS, charge à ce dernier de calculer et de renvoyer au FMS les données de vents autour du plan de vol aux instants prédits. De même, le procédé mis en oeuvre pour la modélisation du vent peut être 5 étendu à l'identique à d'autres données météorologiques modélisables telles que le profil de température ou d'humidité.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'estimation en tout point d'un trajet d'un aéronef des caractéristiques de données atmosphériques, caractérisé en ce qu'il consiste à recueillir autour de la trajectoire de l'aéronef une grille de valeurs de paramètres de ces données en un nombre déterminé de points de l'espace, à comparer ces valeurs à celles issues de modèles d'évolution spatio-temporelle de ces données, à sélectionner, tronçon de trajet par tronçon, le modèle le plus vraisemblable et à interpoler, pour chaque tronçon, les caractéristiques locales de ces données pour l'ensemble des points d'intérêt de la trajectoire, et à évaluer la valeur de ces données en n'importe quel point de l'espace, en utilisant le modèle le plus vraisemblable.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les données atmosphériques sont l'une au moins des données suivantes : vent, température, humidité, pression atmosphérique.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sélection du modèle le plus vraisemblable consiste à estimer les différents paramètres des vents (a, (3, S, y...) pour chacun des différents modèles utilisés selon une méthode mathématique d'estimation.

4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la méthode mathématique est celle des moindres carrés, ou une méthode statistique.

5. Dispositif pour la mise en oeuvre d'au moins une partie du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte : -un calculateur et les éléments suivants qui lui sont reliés : -un système de gestion de vol (FMS) comprenant au moins un dispositif de calcul de plans de vol (2), de la trajectoire (5) et des prédictions le long de ces plans de vol (6), -un dispositif permettant de recueillir des informations météorologiques, comprenant un calculateur de type ISS (Il) etau moins l'un des éléments suivants : un processeur de données de terrain (17), un processeur météorologique (18), un processeur de trafic aérien (19) et un processeur transpondeur (20).5