FR2993974A1

FR2993974A1 - Procede de construction d'une trajectoire d'un aeronef par vecteur d'etat

Info

Publication number: FR2993974A1
Application number: FR1202124A
Authority: FR
Inventors: Romain Courteville; Bertrand Barnetche
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-01-31
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: US8930130B2; US20140032095A1; FR2993974B1

Abstract

L'invention porte sur procédé de construction d'une trajectoire de vol d'un aéronef, comportant une étape de calcul d'une séquence de vecteurs d'état (E ) représentant la trajectoire de l'aéronef; un vecteur d'état (E ) étant déterminé à partir du vecteur d'état (E ) le précédant au moyen : d'une étape de calcul des composantes vitesse (V ), consistant à déterminer : . une consigne de vol, par sélection d'un point de navigation objectif, . une stratégie de rejointe adaptée à la consigne de vol et au domaine de vol (D ) au moyen d'une librairie prédéfinie (L ) de stratégies de rejointe, . une manoeuvre au moyen du domaine de vol (D ), permettant de suivre la stratégie de rejointe vers la consigne de vol, d'une étape de calcul des autres composantes du vecteur d'état (E ), à partir des composantes du vecteur vitesse (V ) et du vecteur d'état précédent (E ).

Description

Procédé de construction d'une trajectoire d'un aéronef par vecteur d'état L'invention concerne un procédé de gestion de vol pour la 5 construction d'une trajectoire d'un aéronef, au moyen d'une séquence de vecteurs d'état indexés par rapport au temps, et sur un procédé de calcul de trajectoire mettant en oeuvre cette représentation vectorielle. Elle porte également sur le calcul des transitions entre les différents éléments d'un plan de vol en fonction du domaine de vol de l'aéronef ainsi que les estimations 10 en temps et en carburant relatives à cette trajectoire. Les systèmes de gestion de vol, communément appelés FMS pour l'acronyme anglo-saxon Flight Management System, ont dans leurs missions principales de fournir à l'équipage une vision stratégique de leur vol, ce qui inclut par exemple la construction d'une trajectoire entre des points de 15 passage, ou waypoints en anglais, ou une description précise des manoeuvres qu'effectuera l'aéronef pour réaliser le plan de vol. Les systèmes FMS déterminent ainsi un ensemble de points implicites et de segments entre ces points de passages. Un rôle important des systèmes FMS est la construction d'une trajectoire réalisable en fonction d'un domaine de vol de 20 l'aéronef, et incluant les transitions entre les différents segments. Une attente majeure des systèmes de gestion de vol est la prédiction des aspects temporels et consommation de carburant le long de cette trajectoire calculée. Quels seront les temps de passage aux différents points, quelle quantité de carburant sera nécessaire pour réaliser le vol, quelle manoeuvre est-il 25 préférable d'engager dans ces conditions, sont autant de questions auxquelles un système FMS doit répondre. L'augmentation constante du trafic aérien et l'émergence de fonctions complexes permettant d'économiser le carburant et de garantir la tenue des temps de passages conduisent à remettre en question les systèmes 30 existants. Une nouvelle architecture de calcul et un mode de représentation en rupture de la trajectoire sont ainsi proposés par la présente invention. Dans l'état connu de la technique, la trajectoire calculée est scindée entre une trajectoire latérale, typiquement une latitude et une longitude, et un 35 profil vertical appliqué sur cette trajectoire latérale. Ainsi, deux modules découplés produisent deux trajectoires distinctes, latérale et verticale, qui sont ensuite fusionnées pour former une définition essentiellement géométrique de la trajectoire de l'aéronef. Les aspects temporel et carburant sont calculés dans un second temps, après l'assemblage des trajectoires latérale et verticale.

La figure 1 présente l'architecture fonctionnelle d'un système FMS selon l'état connu de la technique. Conformément à la norme ARINC 702, ils assurent notamment les fonctions de : - Navigation LOCNAV, 170, pour effectuer la localisation optimale de l'aéronef en fonction des moyens de géo-localisation (GPS, GALILEO, 10 balises radios VHF, centrales inertielles, - Plan de vol FPLN, 110, pour saisir les éléments géographiques constituant le squelette de la route à suivre (procédures de départ et d'arrivée, points de passages, etc...), - Base de donnée de navigation NAVDB 130, pour construire des routes 15 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 150, contenant les paramètres aérodynamiques et moteurs de l'appareil, - Trajectoire latérale TRAJ, 120, pour construire une trajectoire continue à 20 partir des points du plan de vol, respectant les performances avion et les contraintes de confinement, - Prédictions PRED, 140, pour construire un profil vertical optimisé sur la trajectoire latérale, - Guidage, GUID 200, pour guider dans les plans latéraux et verticaux 25 l'aéronef sur sa trajectoire 3D, tout en optimisant la vitesse, - Liaison de donnée numérique DATALINK, 180 pour communiquer avec les centres de contrôle et les autres aéronefs. A partir du plan de vol FPLN défini par le pilote, une trajectoire latérale est déterminée en fonction de la géométrie entre les points de passage et/ou 30 les conditions d'altitude et de vitesse, au moyen du module TRAJ 120. A partir de cette trajectoire latérale, une fonction de prédiction PRED 140 vient greffer les éléments de plan de vol verticaux (contraintes d'altitude, de vitesse ou de vent, changement de niveau de croisière, etc...), pouvant induire la reprise de certaines parties de la trajectoire latérale.

Une difficulté de la construction de trajectoire dans les systèmes connus peut être illustrée par l'exemple de la construction du profil de descente, et notamment la détermination du point de début de descente ToD, ou « Top of Descent » en anglais, qui est le point où l'aéronef met fin à sa croisière pour entamer sa descente vers son terrain d'atterrissage. Un processus itératif spécifique détermine ce point, par une première étape « en sens inverse » qui détermine le point ToD à partir d'un état hypothétique de l'aéronef au point d'atterrissage, et une deuxième étape « en avant » de l'état de l'aéronef au point d'atterrissage partant de ce point ToD estimé ; le processus itératif étant poursuivi jusqu'à l'identification d'une trajectoire commune, en sens direct et en sens inverse. Ce calcul, qui implique un certain nombre d'itération pour converger vers le point de début de descente, est complexe et induit une forte charge sur les ressources de calcul du calculateur. Selon le même principe, la construction d'une trajectoire continument ascendante, envisagée dans le cadre de l'optimisation du trafic aérien, nécessite de développer des processus itératifs complexes et consommateurs en temps de calcul. Une autre difficulté connue réside dans la résolution de discontinuités qui peuvent apparaître lors du calcul de la trajectoire latérale. Conformément à la norme ARINC 424, une trajectoire latérale est construite entre différents points de passage par un enchainement de portions de vol normalisées, généralement appelées « leg » en anglais. Une trajectoire latérale est déterminée par des calculs à la fois en sens direct et en sens inverse, en visant une convergence ; le résultat étant une trajectoire géométrique. Le calcul des points de convergence, entre les calculs en sens direct et en sens inverse, peut mener à des discontinuités, aussi bien latérales que verticales. Cette difficulté bien connue de l'homme du métier peut être illustrée par les deux cas classiques de discontinuité présentés sur les figures 2a et 2b. La figure 2a décrit une discontinuité dite de type « Bird ». Le plan de vol défini une trajectoire squelettique, passant par deux points intermédiaires 11 et 12, formant trois segments 13, 14 et 15. Le calcul de trajectoire latérale détermine, en sens direct, un premier « leg » 16, permettant à l'aéronef de rejoindre le segment 14 à partir du segment 13. En sens inverse, le calcul de trajectoire détermine un deuxième « leg » 17 permettant à l'aéronef de rejoindre le segment 15 à partir du segment 14. Il y a discontinuité entre les deux trajectoires non sécantes 16 et 17. Le calcul de trajectoire en sens direct et inverse échoue à définir une trajectoire volable permettant d'assurer la transition entre le segment 13 et le segment 15. La figure 2b décrit une discontinuité dite de type « Fish ». Le plan de 5 vol établi une trajectoire squelettique passant par deux points intermédiaires 21 et 22, formant trois segments 23, 24 et 25. Le calcul de trajectoire latérale détermine, en sens direct, un premier « leg » 26 pour rejoindre le segment 24 à partir du segment 23. En sens inverse, le calcul de trajectoire détermine un second « leg » 27 permettant à l'aéronef de rejoindre le segment 25 à partir 10 du segment 24. Il y a discontinuité entre les deux trajectoires sécantes, 26 et 27. Le calcul de trajectoire en sens direct et inverse échoue à définir une trajectoire volable permettant d'assurer la transition entre les segments 23 et 25. Il existe également d'autres cas amenant à ce genre de discontinuités, 15 chacun d'entre eux nécessitant des éléments de code spécifiques pour les détecter et déterminer une solution afin de les résoudre. Il en résulte un système de gestion de vol complexe, nécessitant un processus de vérification et de validation long et coûteux. Pour répondre à des contraintes temps réel, il est par ailleurs 20 désirable de réaliser des calculs spécifiques sur un horizon temporel réduit pour disposer d'une trajectoire dans un laps de temps court. Pour assurer une validité permanente de la trajectoire, celle-ci doit être périodiquement entièrement recalculée, générant une charge de calcul qui monopolise une part importante des ressources de calcul dans le cas des systèmes FMS 25 connus. Enfin, la trajectoire finale obtenue n'est de plus porteuse que d'un nombre limité d'informations, typiquement le temps de passage et le carburant à bord au passage de points de navigation. L'idée générale de l'invention porte sur une méthode de représentation de la trajectoire sous la forme d'un ensemble de vecteurs 30 d'état de l'aéronef indexés par rapport au temps, et sur un procédé de calcul de trajectoire associé à cette représentation vectorielle. L'invention constitue une approche en rupture par rapport aux fonctions de construction de trajectoire de vol disponibles dans les systèmes de gestion de vol connus, en palliant les difficultés de mise en oeuvre citées ci-dessus. 35 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de construction d'une trajectoire de vol d'un aéronef, implémenté dans un système de gestion de vol, ledit système de gestion de vol disposant de moyens pour : - déterminer, à partir d'un plan de vol renseigné par le pilote, une séquence de point de navigation objectif ; un point de navigation objectif étant caractérisé au moins par une position géographique, - déterminer un domaine de vol constitué d'un ensemble de paramètres définissant le comportement aérodynamique de l'aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de calcul d'une séquence de vecteurs d'état représentant la trajectoire de l'aéronef ; lesdits vecteurs d'état ayant pour composantes, au moins un temps, une position géographique de l'aéronef et des composantes d'un vecteur vitesse de l'aéronef ; un vecteur d'état étant déterminé à partir du vecteur d'état le précédant dans la séquence au moyen : d'une étape de calcul des composantes du vecteur vitesse, consistant à: - déterminer une consigne de vol, par sélection d'un point de navigation objectif dans la séquence, - déterminer une stratégie de rejointe adaptée à la consigne de vol et au domaine de vol au moyen d'une librairie prédéfinie de stratégies de rejointe, - déterminer une manoeuvre au moyen du domaine de vol, permettant à l'aéronef de suivre la stratégie de rejointe vers la consigne de vol, d'une étape de calcul des autres composantes du vecteur d'état, à partir des composantes du vecteur vitesse et des composantes du vecteur d'état précédent. L'invention porte également sur un système de gestion de vol comprenant des instructions de codes permettant d'effectuer les étapes du procédé de construction de trajectoire ayant les caractéristiques 30 précédemment décrites. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée des modes de réalisation 35 donnés à titre d'exemple sur les figures suivantes.

La figure 1, déjà présentée, représente un système de gestion de vol connu, communément appelé FMS, les figures 2a et 2b, déjà présentées, illustrent deux cas connus de discontinuités rencontrées lors de la construction d'une trajectoire latérale. la figure 3 représente les coordonnées de position géographique d'un aéronef dans un référentiel lié à un géoïde de type WGS 84, la figure 4 représente les composantes du vecteur vitesse d'un aéronef, la figure 5 représente un organigramme simplifié du procédé de calcul 10 de trajectoire selon l'invention, les figures 6a et 6b illustrent par un premier exemple le principe de calcul de trajectoire par le procédé selon l'invention, les figures 7a et 7b illustrent par un second exemple le principe de calcul de trajectoire par le procédé selon l'invention. 15 Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. La présente invention modélise une trajectoire d'un aéronef, non pas sous forme géométrique, par ses coordonnées de position, comme c'est le 20 cas des systèmes FMS connus, mais sous la forme d'une séquence de vecteurs d'état E1 décrivant l'évolution d'un mobile au cours du temps. Le temps est la base du séquencement de ce vecteur d'état. Dans un mode de réalisation possible du procédé, le temps est utilisé indépendamment du vecteur d'état ; il constitue une référence vers une 25 instance de vecteur d'état qui n'est pas lui même daté. Dans un autre mode de réalisation du procédé, le temps est intégré au vecteur d'état, la liste de vecteur d'état ordonnée par leur composante temporelle constituant la trajectoire de l'aéronef. Ce second mode de réalisation s'avère particulièrement avantageux dans le cas où un pas de temps variable entre 30 deux instances du vecteur d'état est envisagé. Ces deux approches d'indexation du temps sont envisageables pour le procédé selon l'invention. Par ailleurs, le temps peut être exprimé de manière absolue, par exemple en date et heure, ou de manière relative à une référence, par exemple en secondes autour d'une date de référence qui devient 35 avantageusement une variable d'ajustement.

Une autre composante du vecteur d'état est la position du mobile. La position peut être exprimée de différentes manières en fonction notamment du choix du repère. A titre d'exemple, une représentation possible définie une position dans un référentiel lié à un géoïde de type WGS 84 bien connu de l'homme du métier, permettant de prendre en compte l'aplatissement de la terre aux pôles. Comme illustrée sur la figure 3, la position d'un mobile est caractérisée par trois coordonnées : Latitude 31, valeur angulaire exprimée en degrés décimaux, Longitude 32, valeur angulaire exprimée en degrés décimaux, Altitude 33, exprimable par rapport au géoïde WGS 84 en mètre ou en pied pour respecter les conventions aéronautiques. Avantageusement, la position géographique d'un vecteur d'état E1 est caractérisée par trois composantes Xi, comprenant une latitude, une longitude et altitude, définies dans un référentiel lié à un géoïde de type WGS 84. Cette représentation de la position n'est nullement limitative du procédé selon l'invention, d'autres référentiels peuvent être utilisés, par exemple en utilisant des références géocentriques. Une composante supplémentaire du vecteur d'état nécessaire au calcul de trajectoire est le vecteur vitesse du mobile. Le vecteur vitesse, qui définit l'attitude du mobile dans l'espace, peut être défini de plusieurs manières. A titre d'exemple, le vecteur vitesse est caractérisé par sa norme 41, exprimée en mètre par seconde par rapport à un référentiel au sol, et par son orientation. Comme représenté sur la figure 4, l'orientation du vecteur vitesse est préférentiellement caractérisée par une pente 42, exprimée en degrés par rapport à une trajectoire d'altitude constante, et par une route 43 exprimée en degrés par rapport au Nord géographique. Avantageusement, le vecteur vitesse d'un vecteur d'état E1 est caractérisée par trois composantes 14, comprenant une norme, un angle de pente par rapport à une trajectoire d'altitude constante, et un angle de route par rapport au Nord géographique. D'autres choix de représentation sont possibles, notamment en se basant sur les angles de la mécanique du vol d'un point de vue aérodynamique (incidence, roulis et assiette). Le choix retenu ici est guidé par la volonté de définir une attitude de la manière la moins contraignante possible, en isolant au maximum cette définition des aspects qui seraient spécifiques à un type de mobile.

Un bénéfice recherché par la représentation vectorielle de trajectoire est de disposer d'une structure flexible et facilement adaptable à une évolution des besoins, ou de la capacité de l'aéronef porteur. Des paramètres supplémentaires peuvent être ajoutés à cette liste initiale constituée du temps, de la position et du vecteur vitesse. Une autre composante possible du vecteur d'état est notamment la masse de l'aéronef sur la trajectoire. En prenant en compte dans le calcul de la trajectoire des modèles de consommation de carburant et/ou des performances de l'aéronef en fonction de sa masse, le procédé permet de représenter une trajectoire couramment appelée 5D, incluant le temps, la masse et la position 3D. Avantageusement, les vecteurs d'état E1 ont aussi pour composante une masse ini de l'aéronef. D'autres paramètres additionnels pouvant être intégrés au vecteur d'état comprennent notamment : - Des conditions locales applicables, par exemple le vent, la pression statique, et/ou la température, rencontrées par l'aéronef sur la trajectoire. Pour le vent, une mise en oeuvre possible consiste à ajouter la force et la direction du vent parmi les composantes du vecteur d'état. Une autre mise en oeuvre consiste à renseigner à la fois la vitesse aéronef par rapport au référentiel sol, et par rapport à la masse d'air traversée. Les conditions locales applicables peuvent être d'une manière générale estimées par des modèles, ou déterminées par des capteurs. - La configuration de l'aéronef, en particulier les caractéristiques ayant une influence directe sur ses performances. On pense notamment à: - La configuration aérodynamique du porteur, notamment dans le cas d'un avion équipé de dispositifs hypersustentateurs, - Des pannes affectant les performances, par exemple un moteur en panne, une surface de commande bloquée, ce qui permet de modéliser des cas de vol dégradés, - Un contexte d'utilisation qui va par exemple régir les possibilités d'évolution (catégories réglementaires d'utilisation normale, utilitaire, ...). Avantageusement, les vecteurs d'état E1 ont aussi pour composante, une grandeur caractéristique du vent dans l'environnement de l'aéronef, ou 35 une grandeur caractéristique de la configuration aérodynamique de l'aéronef.

La figure 5 représente un organigramme simplifié du procédé de calcul de trajectoire selon l'invention. La trajectoire est définie par une séquence de vecteurs d'état décrivant l'évolution de l'aéronef au cours du temps. Le procédé de construction de la trajectoire détermine un vecteur d'état Ei./ à partir du vecteur d'état Ei le précédant dans la séquence. Ainsi, une première étape 100 d'initialisation assure l'acquisition des composantes du vecteur d'état E1, cette étape peut aussi être configurée pour s'assurer que les informations extérieures nécessaires sont disponibles.

Pour déterminer le vecteur d'état Ei+i, le procédé s'appuie en effet sur plusieurs fonctions supports. En particulier, une fonction de traitement du plan de vol 101, permet de déterminer, à partir du plan de vol FPLN 110 renseigné par le pilote, une séquence de points de navigation objectif SpNo. Chacun des points de navigation objectif est caractérisé au moins par une position géographique 3D, typiquement une latitude, une longitude et une altitude. Un point de navigation objectif peut également être caractérisé par des paramètres supplémentaires, par exemple une consigne de vitesse, une consigne de montée à pente maximale, ou une consigne de suivi d'un cap. La séquence SpNo de points de navigation objectif définit ainsi une trajectoire squelettique, support du calcul de trajectoire comme cela est décrit par le suite. Ainsi, un mobile parcourant la trajectoire cherche à rejoindre successivement chacun des points de navigation objectif de la séquence SpNO. Le procédé s'appuie également sur une fonction 102 qui définit un 25 domaine de vol Dv, par exemple à partir d'une base de données PERF DB 150. Ce domaine de vol Dv comprend un ensemble de paramètres aérodynamiques de l'aéronef ; ces paramètres permettent de définir le comportement de l'aéronef et sont mis en oeuvre pour le calcul d'une trajectoire volable. Dans une mise en oeuvre préférée de l'invention, la 30 fonction 102 assure l'interface entre une base de données existante, par exemple de type PERF DB 150 d'un système FMS courant, et le calcul de trajectoire. Typiquement la fonction 102 permet de délivrer, dans un format compatible du calcul de trajectoire, des paramètres tels que : - Vitesse maximale 35 - Rayon de courbure Facteur de charge admissible Catégorie d'utilisation de l'aéronef (Utilitaire/Normale/Militaire) Roulis maximum admissible Vitesse minimale avec marge de décrochage Autrement dit, le procédé de construction d'une trajectoire de vol selon l'invention s'appuie sur plusieurs fonctions implémentées dans le système de gestion de vol hébergeant le procédé. Cela comprend en particulier des fonctions aptes à: - déterminer, à partir d'un plan de vol renseigné par le pilote, une séquence SpNo de points de navigation objectif ; un point de navigation objectif étant caractérisé au moins par une position géographique, - déterminer un domaine de vol Dv constitué d'un ensemble de paramètres définissant le comportement aérodynamique de l'aéronef.

Après l'étape d'initialisation 100, le procédé de construction de la trajectoire définit successivement les différentes composantes du vecteur E1+1. Le temps t1+1 est déterminé à partir de ti en fonction du pas de temps dt choisi pour le calcul. On peut disposer d'un pas de temps fixe ou avantageusement d'un pas de temps variable ; on peut notamment mettre en oeuvre un pas de temps variable en fonction d'un gradient de vitesse ou de position entre deux vecteurs d'état dans le but d'affiner le calcul dans les portions fortement transitoires. Les composantes du vecteur vitesse Vi+/ du vecteur d'état E1+1 sont déterminées dans une étape 103, constituée de quatre sous-étapes 104, 25 105, 106 et 107. Nous allons détailler ces quatre étapes intermédiaires. En premier lieu, l'étape de calcul 104 détermine une consigne de vol à partir du vecteur d'état courant E1 et de la séquence SpNo de points de navigation objectif. La consigne de vol est un point de navigation objectif de la séquence SPNO, elle est donc caractérisée au moins par une position 30 géographique 3D, et éventuellement par des paramètres supplémentaires tels que par exemple une consigne de vitesse, une consigne de montée à pente maximale, ou une consigne de suivi d'un cap. Un mobile parcourant la trajectoire cherche à rejoindre successivement chacun des points de navigation objectif de la séquence 35 SpNo. Au vecteur d'état E1 est associée une consigne de vol, l'étape de calcul 104 détermine si cette consigne de vol est conservée pour le calcul du vecteur d'état Ei,/ ou s'il convient de basculer sur le point de navigation objectif suivant dans la séquence SpNo. Pour cela, l'étape de calcul 104 détermine si un ensemble de conditions d'acquittement associé à la consigne 5 de vol sont satisfaites. Typiquement, une condition d'acquittement peut être une distance séparant la position du vecteur d'état Ei de la position de la consigne de vol. Si cette distance est inférieure à un seuil, généralement appelée distance d'acquittement, la consigne de vol est dite acquittée. La consigne de vol devient le point de navigation objectif suivant dans la 10 séquence SPNO. Le calcul de la consigne de vol s'appuie donc sur une liste de conditions d'acquittement. Ces conditions d'acquittement sont propres à chacun des points de navigation objectif de la séquence SpNo. Parmi ces conditions d'acquittement, une liste non limitative comprend : 15 Une distance d'acquittement en deçà de laquelle la consigne de vol est acquittée, Une altitude objectif est atteinte, Le point est dans le secteur arrière de l'aéronef, L'aéronef est orienté selon une route objectif, 20 Une combinaison logique des conditions ci-dessus. Autrement dit, pour déterminer les composantes vitesse 14,/ du vecteur d'état E1+1, le calcul de la consigne de vol comporte 25 avantageusement des étapes consistant à: associer des conditions d'acquittement à la consigne de vol du vecteur d'état précédent E1, déterminer si ces conditions d'acquittement sont satisfaites, déterminer la consigne de vol du vecteur d'état E1.1 comme étant : 30 o la consigne de vol du vecteur d'état précédent Ei dans le cas de conditions d'acquittement non satisfaites, o le point de navigation objectif suivant dans la séquence SpNo dans le cas de conditions d'acquittement satisfaites ; les conditions d'acquittement comportant au moins un seuil de distance entre la position géographique du vecteur d'état précédent E1 et de sa consigne de vol. Dans l'étape de calcul 105 est déterminée une stratégie de rejointe qui, partant de la position courante, cherche à atteindre la consigne de vol déterminée dans l'étape de calcul précédente. Pour cela, le calcul s'appuie sur l'état courant E1, sur le domaine de vol Dv, et sur une librairie prédéfinie Ls, de stratégies de rejointe. Par exemple, pour une consigne de vol définissant une position géographique située sur le cap de la trajectoire et à une altitude plus élevée, le calcul sélectionne dans la librairie Lsr les stratégies de rejointe permettant de modifier l'altitude, ces stratégies sont qualifiées et priorisées en fonction de l'état courant, de la consigne de vol (e.g. calcul d'une pente entre état courant et point objectif), et en fonction du domaine de vol (e.g. pente maximale de montée aéronef). La librairie de stratégies de rejointe LSr comprend à titre d'exemple non limitatif les stratégies de rejointe suivantes : -Stratégie de rejointe d'un point par défaut (l'aéronef cherche à viser le point au mieux de ses capacités) -Stratégie de gestion des points inatteignables (anticipation des rayons de virages et contre braquage si le point n'est pas accessible directement) -Stratégie de rejointe à 45° d'un segment -Stratégie de choix des cercles de virages pour atteindre un point avec une route donnée à courte distance en minimisant la zone de manoeuvre -Stratégie de choix des cercles de virages pour atteindre un point avec une route donnée à courte distance en évitant de croiser l'axe de sortie -Stratégie d'anticipation du vent pour maintenir une trajectoire circulaire en restant dans les limitations de l'aéronef -Stratégie d'attente stationnaire (ou stationnaire ascendant/descendant) 30 -Stratégie de choix de l'entrée d'un circuit d'attente. -Stratégie de sortie d'un circuit d'attente. -Stratégie de rejointe d'un point en minimisant la "Cross Track Error"ou CTE ; pour laquelle CTE représente l'erreur de positionnement latéral d'un aéronef par rapport à sa trajectoire idéale. Mathématiquement, il s'agit de 35 projeter orthogonalement la position courante de l'aéronef sur la trajectoire qu'il est sensé suivre. La CTE est alors la distance entre la position réelle de l'aéronef et celle de sa projection sur ta trajectoire. Avantageusement, le calcul de la stratégie de rejointe comporte des 5 étapes consistant à: élaborer une liste de stratégie de rejointe parmi une librairie prédéfinie Lsr de stratégies de rejointe, en fonction du vecteur d'état précédent E1 et de la consigne de vol, qualifier et prioriser chacune des stratégies de rejointe de la liste, 10 en fonction du vecteur d'état précédent E, de la consigne de vol et du domaine de vol Dv, sélectionner la stratégie de rejointe de plus haute priorité. L'étape de calcul 106 détermine une manoeuvre aéronef à partir de la stratégie de rejointe sélectionnée, de l'état courant E1 et du domaine de vol 15 Dv. Une manoeuvre aéronef est caractérisée par un ensemble de paramètres de manoeuvre qui dictent le comportement aérodynamique de l'aéronef à partir de l'état courant. Pour un aéronef à vocation commerciale, une manoeuvre est caractérisée par des paramètres du type tangage, roulis, lacet, poussée, etc...

20 Un avantage de ce calcul de proche en proche au moyen de la représentation vectorielle est que l'on connaît tous les détails du mobile au début de la manoeuvre. On possède donc toutes les données nécessaires au calcul de la manoeuvre de manière explicite et sans faire d'hypothèse. On a de plus le moyen de faire varier les pas de calculs en fonction du type 25 d'évolution et de la précision attendue des modèles mathématiques utilisés. Par exemple, en vol de croisière en palier, les modèles sont précis et les évolutions faibles, un pas de calcul relativement long peut être retenu, permettant de réduire le temps de calcul sans impact significatif sur la précision. Pour des manoeuvres plus dynamiques, où un petit écart initial 30 peut faire diverger la solution, un pas de calcul plus fin peut être retenu, permettant de modéliser finement les phénomènes en jeu. Enfin, dans une étape de calcul 107 sont déterminées les composantes du vecteur vitesse 14,1 du vecteur d'état E1+1, à partir des 35 paramètres définissant la manoeuvre de l'aéronef. Comme on l'a décrit, le vecteur vitesse est préférentiellement caractérisé par sa norme et son attitude, définie par un angle de pente et un angle de route. Les autres composantes du vecteur d'état E-1+1 sont déterminées après les composantes du vecteur vitesse. Dans une étape de calcul 108, les 5 composantes position géographique Xio d'un vecteur d'état E1+1 sont déterminées par intégration à partir de ses composantes de vitesse 14+1 et du vecteur d'état précédent Ei. Plusieurs méthodes d'intégration sont possibles selon l'invention. Dans une mise en oeuvre préférée, les composantes position géographique Xi-F/ d'un vecteur d'état E1+1 sont déterminées par une 10 méthode d'Euler au moyen de la relation suivante : = + * (1/2 + vi+1)* (ti+i - dans laquelle ti+1, Xi+1, Vi-Fi sont les composantes temps, position 15 géographique et vitesse du vecteur d'état E1+1; et ti, Xi, V; sont les composantes temps, position géographique et vitesse du vecteur d'état Ei précédent dans la séquence. D'autres méthodes d'intégration sont envisageables selon l'invention pour déterminer la position du mobile à partir de ses composantes de vitesse 20 et des informations de position et vitesse de l'état précédent. On pense notamment à une méthode de type Runge-Kutta. Dans une étape 109, les autres composantes du vecteur d'état Ei+1 sont déterminées. En particulier, la composante masse mi+1 est déterminée en fonction des composantes de position Xi+/ et de vitesse Vi+/. Diverses 25 modélisations sont possibles pour le calcul de la masse. Avantageusement, la composante masse m1+1 d'un vecteur d'état Eifi est déterminée par un calcul de consommation de carburant, liée au déplacement du mobile de l'état Ei à l'état Ei+1, par exemple au moyen d'une formule de Breguet.

30 Le procédé de calcul de trajectoire peut donc être mis en oeuvre selon plusieurs variantes décrites ci-dessous. Ces variantes du procédé ont en commun une étape de calcul d'une séquence de vecteurs d'état E; représentant la trajectoire de l'aéronef ; lesdits vecteurs d'état Ei ayant pour composantes, au moins un temps t, une position géographique Xi et des 35 composantes d'un vecteur vitesse Vi de l'aéronef ; un vecteur d'état Ei+1 étant déterminé à partir du vecteur d'état E1 le précédant dans la séquence au moyen : d'une étape de calcul des composantes du vecteur vitesse Vi+/ consistant à: - déterminer une consigne de vol, par sélection d'un point de navigation objectif dans la séquence SpNo, - déterminer une stratégie de rejointe adaptée à la consigne de vol et au domaine de vol Dv au moyen d'une librairie prédéfinie Lsrde stratégies de rejointe, - déterminer une manoeuvre au moyen du domaine de vol Dv, permettant à l'aéronef de suivre la stratégie de rejointe vers la consigne de vol, d'une étape de calcul des autres composantes du vecteur d'état E1+1, à partir des composantes du vecteur vitesse 14+1 et des composantes du vecteur d'état précédent Ei. Les figures 6a et 6b illustrent par un premier exemple le principe de calcul de trajectoire par le procédé selon l'invention. Cet exemple correspond au cas décrit sur la figure 2a qui conduit pour un système de gestion de vol 20 de l'art antérieur à une discontinuité dite de type « Bird ». On cherche à construire une trajectoire à partir d'un plan de vol définissant, comme décrit sur la figure 6a, un segment rectiligne 13 jusqu'au point 11 et un segment rectiligne 15 à partir du point 12. Le principe du calcul de trajectoire par le procédé selon l'invention est 25 décrit sur la figure 6b. La trajectoire est constituée d'une séquence de vecteurs d'état représentés par des croix sur la figure. La trajectoire est calculée pas à pas, d'un vecteur d'état au suivant. La fonction de traitement du plan de vol 101 détermine, à partir de ce plan de vol, deux points de navigation objectif 201 et 202; le point 201 étant caractérisé par les 30 coordonnées géographiques du point 11 ainsi que par une contrainte de suivi de cap selon le segment 13; le point 202 étant caractérisé par les coordonnées géographiques du point 12 ainsi que par une contrainte de suivi de cap selon le segment 15. Le principe du calcul est décrit au moyen des vecteurs d'état E, Ei+1, Ei et Ei÷i représentés sur la figure : - Pour le ceteur d'état E1: la consigne de vol est le point de navigation objectif 201, la stratégie de rejointe déterminée consiste simplement à assurer le suivi de cap le long du segment 13, - Pour le vecteur d'état E1+1: la distance séparant la position du vecteur E1 du 5 point de navigation objectif 201 est inférieure à une distance d'acquittement prédéterminée, la consigne de vol bascule sur le point de navigation objectif 202. La stratégie de rejointe sélectionnée est dans ce cas une consigne de virage permettant à l'aéronef de rejoindre le point de navigation objectif 202. Une manoeuvre aéronef est définie conformément au domaine de vol de 10 l'aéronef pour réaliser ce virage, le vecteur vitesse 1/14.1 est déterminé pour cette manoeuvre, la trajectoire résultante s'écarte du segment 13 en tendant vers le point 12. Le calcul de trajectoire se poursuit jusqu'au point - Pour le vecteur d'état Ei+i : la consigne de vol est toujours le point de navigation objectif 202. Parmi les stratégies de rejointe qualifiée, une 15 stratégie permettant de remplir l'objectif de suivi de cap le long du segment 15, devient prioritaire par rapport à la stratégie de rejointe précédemment retenue qui consistait à se diriger vers le point 202. Une manoeuvre est définie pour cette nouvelle stratégie de rejointe, le vecteur vitesse 1/2,1 est déterminée pour cette manoeuvre, la trajectoire s'écarte du point 12 et 20 cherche à rejoindre le segment 15. Les figures 7a et 7b illustrent par un second exemple le principe de calcul de trajectoire par le procédé selon l'invention. Cet exemple correspond au cas décrit sur la figure 2b qui conduit pour un système de gestion de vol 25 de l'art antérieur à une discontinuité dite de type « Fish ». On cherche à construire une trajectoire à partir d'un plan de vol définissant, comme décrit sur la figure 7a, un segment rectiligne 23 jusqu'au point 21 et un segment rectiligne 25 à partir du point 22. Le principe du calcul de trajectoire par le procédé selon l'invention est 30 décrit sur la figure 7b. La fonction de traitement du plan de vol 101 détermine, à partir de ce plan de vol, deux points de navigation objectif 301 et 302; le point 301 étant caractérisé par les coordonnées géographiques du point 21 ainsi que par une contrainte de suivi de cap selon le segment 23; le point 302 étant caractérisé par les coordonnées géographiques du point 22 35 ainsi que par une contrainte de suivi de cap selon le segment 25. Le principe du calcul est décrit au moyen des vecteurs d'état représentés sur la figure - Pour le vecteur d'état Ei : la consigne de vol est le point de navigation objectif 301, la stratégie de rejointe déterminée consiste simplement à 5 assurer le suivi de cap le long du segment 23, - Pour le vecteur d'état E,1: la distance séparant la position du vecteur E1 du point de navigation objectif 301 est inférieure à une distance d'acquittement prédéterminée, la consigne de vol bascule sur le point de navigation objectif 302. Plusieurs stratégies de rejointes sont qualifiées. Une première stratégie 10 qui consiste à virer vers le point objectif ne permet pas, dans les limites du domaine de vol de l'aéronef, de rejoindre le point 302. Une seconde stratégie qui consiste dans une premier temps à s'écarter du point de navigation objectif avant de virer vers ce point selon un rayon de courbure minimale définit par le domaine de vol est alors sélectionnée. Une manoeuvre aéronef 15 est définie conformément au domaine de vol de l'aéronef, le vecteur vitesse V1,1 est déterminé pour cette manoeuvre, la trajectoire résultante s'écarte du segment 23 en s'éloignant du point 22 jusqu'à atteindre un point qui permet par un virage de plus faible rayon de courbure d'atteindre le point 22. Le calcul de trajectoire se poursuit jusqu'à atteindre le point 22.

20 Comme illustré par les figures 6a, 6b, 7a et 7b, le calcul de trajectoire par le procédé selon l'invention est avantageusement réalisé en une seule passe. Contrairement aux systèmes FMS de l'art antérieur, il ne nécessite pas d'itération entre un calcul « en avant » et un calcul « à rebours ». Le 25 calcul s'effectue de proche en proche, à partir de la position courante de l'aéronef. Les avantages de cette approche sont nombreux, tout d'abord elle s'affranchit des difficultés de convergence mentionnées précédemment en s'assurant de l'absence de discontinuité au cours de la trajectoire. En limitant les calculs par un modèle de performance aéronef, le procédé permet 30 également de s'assurer que la trajectoire est volable. La position et l'attitude aéronef sont datés les uns par rapport aux autres de manière relative, permettant d'intégrer des contraintes 4D ab initio. Il est par ailleurs possible d'optimiser les calculs de la trajectoire en ne les réalisant que lorsque le mobile s'écarte au delà d'un certain seuil de cette 35 trajectoire. A titre d'exemple, si le mobile se retrouve simplement retardé sur la trajectoire, les autres paramètres restant conformes, il n'est pas nécessaire de recalculer la trajectoire, mais simplement de décaler l'origine des temps, ce qui permet d'optimiser fortement les temps de calcul. En utilisant un modèle de performances intégrant la consommation 5 carburant de l'aéronef, la méthode permet d'obtenir une définition 5D de la trajectoire en une seule passe. D'autre part, le procédé, partant de la position courante de l'aéronef, fournit, sans traitement spécifique, une trajectoire « court terme » dans un temps très réduit. Il s'agit d'un avantage significatif par rapport aux 10 approches classiques qui demandent de considérer d'une part une trajectoire court terme à des fins de disponibilité rapide, et d'autre part une trajectoire long terme pour assurer l'ensemble de la navigation. Dans le cadre de l'invention, en fonction du temps laissé pour résoudre le calcul, on aura soit très rapidement la trajectoire court terme, soit en laissant le calcul aller à son 15 terme, la trajectoire jusqu'à la destination, avec un degré de précision égal sur tout le trajet. Enfin, un autre avantage de cette approche de type simulation est qu'elle est compatible, à la fois avec un besoin de construction d'une trajectoire à des fins de prédictions (fonctions TRAJ 120 et PRED 140 des 20 systèmes FMS décrit en figure 1), mais aussi au guidage proprement dit de l'aéronef sur cette trajectoire (fonction GUID 200). On peut ainsi communaliser le code entre ces deux fonctions distinctes. L'invention porte également sur un système de gestion de vol 25 comprenant des instructions de codes permettant d'effectuer les étapes du procédé de construction de trajectoire ayant les caractéristiques précédemment décrites. 30

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de construction d'une trajectoire de vol d'un aéronef, implémenté dans un système de gestion de vol, ledit système de gestion de 5 vol disposant de moyens pour : - déterminer, à partir d'un plan de vol renseigné par le pilote, une séquence (SpNo) de point de navigation objectif ; un point de navigation objectif étant caractérisé au moins par une position géographique, - déterminer un domaine de vol (Dv) constitué d'un ensemble de paramètres 10 définissant le comportement aérodynamique de l'aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de calcul d'une séquence de vecteurs d'état (E1) représentant la trajectoire de l'aéronef ; lesdits vecteurs d'état (E1) ayant pour composantes, au moins un temps (té), une position géographique (X) de l'aéronef et des composantes d'un vecteur vitesse (Vs) 15 de l'aéronef ; un vecteur d'état (E1.1) étant déterminé à partir du vecteur d'état (Es) le précédant dans la séquence au moyen : d'une étape de calcul des composantes du vecteur vitesse (V1+1), consistant à : 20 - déterminer une consigne de vol, par sélection d'un point de navigation objectif dans la séquence (SpNo), - déterminer une stratégie de rejointe adaptée à la consigne de vol et au domaine de vol (Dv) au moyen d'une librairie prédéfinie (Lsr) de stratégies de rejointe, 25 - déterminer une manoeuvre au moyen du domaine de vol (Dv), permettant à l'aéronef de suivre la stratégie de rejointe vers la consigne de vol, d'une étape de calcul des autres composantes du vecteur d'état (E1.1), à partir des composantes du vecteur vitesse (V1,1) et des 30 composantes du vecteur d'état précédent (E1).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de la consigne de vol comporte des étapes de calcul consistant à: associer des conditions d'acquittement à la consigne de vol du vecteur 35 d'état précédent (Es), déterminer si les conditions d'acquittement sont satisfaites,déterminer la consigne de vol du vecteur d'état (Ei+/) comme étant : o la consigne de vol du vecteur d'état précédent (E1) dans le cas de conditions d'acquittement non satisfaites, o le point de navigation objectif suivant dans la séquence (SpNo) dans le cas de conditions d'acquittement satisfaites ; les conditions d'acquittement comportant au moins un seuil de distance entre la position géographique du vecteur d'état précédent (E;) et de sa consigne de vol.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul de la stratégie de rejointe comporte des étapes de calcul consistant à: élaborer une liste de stratégies de rejointe parmi une librairie prédéfinie (Lsr) de stratégies de rejointe, en fonction du vecteur d'état précédent (E1) et de la consigne de vol, qualifier et prioriser chacune des stratégies de rejointe de la liste, en fonction du vecteur d'état précédent (E1), de la consigne de vol et du domaine de vol (Dv), sélectionner la stratégie de rejointe de plus haute priorité.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position géographique d'un vecteur d'état (E1) est caractérisée par trois composantes (Xi), comprenant une latitude, une longitude et altitude, définies dans un référentiel lié à un géokle de type WGS 84.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le vecteur vitesse d'un vecteur d'état (E1) est caractérisée par trois composantes (1/1), comprenant une norme, un angle de pente par rapport à une trajectoire d'altitude constante, et un angle de route par rapport au Nord géographique.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vecteurs d'état (E1) ont aussi pour composante une 35 masse (me) de l'aéronef.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la composante masse (mi+/) d'un vecteur d'état (Ei+i) est déterminée par un calcul de consommation de carburant.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vecteurs d'état (E1) ont aussi pour composante, une grandeur caractéristique du vent dans l'environnement de l'aéronef, ou une grandeur caractéristique de la configuration aérodynamique de l'aéronef.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composantes position géographique (Xi+1) d'un vecteur d'état (Ei+/) sont déterminées par intégration à partir de ses composantes de vitesse (Vi,i) et du vecteur d'état précédent (E1).
10.Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les composantes position géographique (Xi+i) d'un vecteur d'état (Ei+1) sont déterminées par une méthode d'Euler au moyen de la relation suivante : 20 dans laquelle ti+i, V1+1 sont les composantes temps, position géographique et vitesse du vecteur d'état E1+1; et V1 sont les composantes temps, position géographique et vitesse du vecteur d'état Ei 25 précédent.
11. Système de gestion de vol comprenant des instructions de codes permettant d'effectuer les étapes du procédé de construction de trajectoire selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 30 10 15