FR3044401A1

FR3044401A1 - Procede de calcul et de representation des ecarts a la trajectoire d'un aeronef en vol

Info

Publication number: FR3044401A1
Application number: FR1502481A
Authority: FR
Inventors: Bruno Aymeric; Xavier Servantie; Matthieu Claybrough
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-02
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: CN107036601A; US10018482B2; FR3044401B1; US20170153120A1

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des procédés de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d'un aéronef en vol, ledit procédé étant mis en œuvre dans un système de pilotage et de navigation d'un aéronef comportant un système de visualisation permettant l'affichage d'images synthétiques, le plan de vol de l'aéronef comportant une trajectoire prédite dépendant d'une consigne de vol non géoréférencée, l'affichage de ladite trajectoire prédite ayant la forme d'une route (R) représentée par deux limites séparées d'une largeur déterminée. Dans le procédé selon l'invention, la route comporte deux bras (B), chaque bras étant disposé du côté d'une des deux limites, chaque bras étant représenté par un segment droit, ayant pour origine (B0) un point situé sur la route à l'instant courant et pour terminaison (BE) un point situé à une distance déterminée du point d'origine, l'inclinaison du segment droit étant représentative de la tangente à la trajectoire prédite à l'instant courant.

Description

Procédé de calcul et de représentation des écarts à la trajectoire d’un aéronef en vol

Le domaine de l’invention est celui de la représentation graphique de la trajectoire tridimensionnelle d’un aéronef en vol dans un système de visualisation synthétique, encore appelé « SVS ». Plus particulièrement, le domaine de l’invention est celui de la représentation des écarts à la trajectoire d’un aéronef en vol.

Sur les aéronefs modernes, les écrans primaires de pilotage incluent maintenant une représentation synthétique tridimensionnelle du monde extérieur. Ces représentations peuvent comporter une indication du plan de vol suivi par l’aéronef. Les plus anciennes représentations sont de type « highway in the sky ». La trajectoire à suivre est alors représentée au pilote sous la forme d’une route tridimensionnelle superposée sur le paysage synthétique. La largeur de la route est représentative des tolérances de positionnement de l’aéronef dans un plan horizontal. Ces tolérances font l’objet de normes aéronautiques.

Un des inconvénients de ces représentations est que la route représentée ne comporte pas d’indications claires sur les écarts angulaires tant latéraux que verticaux que fait la position réelle de l’aéronef avec la route à suivre. Par conséquent, le pilote manque d’informations précises pour corriger la trajectoire de l’appareil.

Le procédé selon l’invention ne présente pas ces inconvénients. Il affiche, sur la représentation tridimensionnelle de la route, les écarts à la trajectoire sous forme de deux segments droits ou « bras ». Les longueurs et les inclinaisons de chaque bras lui donnent des informations sur les écarts latéraux et verticaux à la trajectoire. Des symboles supplémentaires permettent de préciser les valeurs de ces écarts. Plus précisément, l’invention a pour objet un procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol, ledit procédé étant mis en œuvre dans un système de pilotage et de navigation d’un aéronef, ledit système de pilotage et de navigation comprenant au moins un système de navigation, une base de données cartographiques représentatif du terrain survolé, un calculateur d’images tridimensionnelles et un système de visualisation permettant l’affichage des images synthétiques calculées, le plan de vol de l’aéronef comportant au moins une trajectoire de consigne dépendant d’une consigne de vol géoréférencée, l’affichage de ladite trajectoire de consigne ayant la forme d’une route représentée par deux limites disposées de part et d’autre de ladite trajectoire de consigne et séparées d’une largeur déterminée, la trajectoire affichée différant de la trajectoire de consigne par un offset vertical vers le bas ; caractérisé en ce que la dite trajectoire affichée comporte au moins deux bras, chaque bras étant disposé du côté d’une des deux limites, chaque bras étant représenté par un segment droit, ayant pour origine un point situé sur la route résultant de la projection de la position courante de l’avion sur cette route et pour terminaison un point situé à une distance déterminée du point d’origine, suivant la tangente exacte à la trajectoire affichée, rehaussé de l’offset entre la trajectoire affichée et la trajectoire de consigne.

Avantageusement, chaque bras comporte un premier symbole représentatif de la pente théorique de la trajectoire de consigne.

Avantageusement, le premier symbole représentatif de la pente théorique de la trajectoire de consigne comporte une échelle d’écart vertical et un index d’écart vertical.

Avantageusement, chaque bras comporte un second symbole de l’écart latéral de l’aéronef entre sa position et la position théorique déterminée par la trajectoire de consigne.

Avantageusement, le second symbole représentatif de l’écart latéral de l’aéronef comporte une succession de dots, le dot correspondant à la position théorique étant de forme ou de couleur différente des autres dots, la distance entre deux dots étant égale à la largeur déterminée ou à une fraction de ladite largeur déterminée.

Avantageusement, l’écart vertical et l’écart latéral sont exprimés en unités dimensionnelles ou angulaires.

Avantageusement, la largeur déterminée de la route est constante.

Avantageusement, la largeur déterminée de la route est variable et augmente de façon linéaire à partir d’une origine déterminée en amont ou en aval de la trajectoire.

Avantageusement, le calculateur d’images tridimensionnelles calcule deux premiers bras dont l’origine est située à la projection de la position courante sur la trajectoire de consigne et deux seconds bras, les seconds bras étant construits comme les premiers mais avec une origine située à une distance déterminée de l’origine des premiers bras le long de la trajectoire de consigne, la route affichée comporte les deux premiers bras, chaque premier bras comportant une indication concernant la position de la seconde terminaison du second bras. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

La figure 1 représente une vue en perspective des trajectoires calculées et affichées d’un aéronef en vol ;

La figure 2 représente une vue simplifiée d’une trajectoire affichée par le procédé selon l’invention sur l’écran d’un dispositif de visualisation ;

La figure 3 représente une vue de coupe dans un plan vertical d’un bras selon l’invention ;

La figure 4 représente les symboles d’écart latéral et d’écart vertical selon l’invention ;

La figure 5 représente une variante du symbole d’écart vertical selon l’invention ;

La figure 6 représente en vue de dessus une route de largeur variable représentative d’une trajectoire affichée ;

La figure 7 représente le principe du calcul de deux paires de bras à deux instants de vol différents ;

La figure 8 représente un premier mode d’affichage de la seconde paire de bras ;

La figure 9 représente un second mode d’affichage de la seconde paire de bras.

Le procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon l’invention est mis en œuvre dans un système de pilotage et de navigation d’un aéronef.

Ce système de pilotage et de navigation comprend au moins un système de navigation, une base de données cartographique représentative du terrain survolé, un calculateur d’images tridimensionnelles et un système de visualisation permettant l’affichage des images synthétiques calculées. Généralement, comme on le voit sur la figure 1 qui est une vue en perspective d’un terrain survolé par un aéronef A, la trajectoire affichée TA représentée par un ruban blanc sur cette figure 1 a la forme d’une route. Comme on le verra, cette route n’est pas nécessairement de largeur constante. Cette trajectoire affichée ne se confond pas nécessairement avec la trajectoire calculée TC de l’aéronef qui est représentée en pointillés sur la figure 1. Il peut être intéressant de la décaler dans le plan vertical pour des raisons ergonomiques. Sur la figure 1, le tracé ombré TO indique la trace au sol de la trajectoire de l’aéronef.

Une trajectoire aéronautique d’un aéronef comporte une composante latérale située dans un plan horizontal et une composante verticale située dans un plan vertical. Le plan de vol de l’aéronef comporte des parties de trajectoires géoréférencées dites imposées et des parties de trajectoires non géoréférencées dites prédites. Bien entendu, chaque composante latérale ou verticale de la trajectoire peut être imposée ou prédite.

Lorsque la trajectoire dépend d’une consigne imposée ou géoréférencée, comme il a été dit, il est important de présenter au pilote d’éventuels écarts entre la trajectoire imposée de l’aéronef et sa position réelle. Dans le procédé selon l’invention, ces écarts sont représentés par des bras. Plus précisément, comme représenté sur la figure 2, la route R comporte deux bras B, chaque bras étant disposé du côté d’une des deux limites, chaque bras étant représenté par un segment droit, ayant pour origine un point situé sur la route résultant de la projection de la position courante de l’avion sur cette route et pour terminaison un point situé à une distance déterminée du point d’origine, suivant la tangente exacte à la trajectoire affichée, mais rehaussé de l’offset entre la trajectoire affichée et la trajectoire de consigne afin de le rendre visible du pilote.

La figure 3 représente le calcul d’un desdits bras dans un plan vertical. Il est à noter que les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle réelle, pour des raisons de clarté. A l’instant T, l’aéronef A occupe une position déterminée. La ligne TC en pointillés indique la trajectoire de consigne qui doit être suivie par cet aéronef. Elle suit une pente inclinée d’un angle a comme indiqué sur la figure 3. La ligne TA indique la trajectoire affichée. Elle est calculée à partir d’un point situé juste sous l’aéronef A, à une distance H de celui-ci. Cette distance H vaut, à titre d’exemple, 200 pieds ou 60 mètres. L’origine du bras Bo est située en ce point. Son extrémité BE est disposée à une distance déterminée suivant la tangente exacte à la trajectoire affichée. Cette distance déterminée est de l’ordre du kilomètre. Il faut noter que si la trajectoire de consigne n’est pas rectiligne dans le plan vertical, par exemple, si une stabilisation à une altitude particulière est effectuée après un segment de descente, le point BE peut se trouver au dessus ou au dessous de la trajectoire de consigne.

Pour compléter la représentation par les bras, chaque bras peut comporter des symboles permettant de représenter les écarts entre la position réelle de l’aéronef et la position qu’il devrait occuper sur sa trajectoire calculée. A titre d’exemples non limitatifs, ces écarts sont représentés sur la figure 4 qui comporte deux symboliques.

Le premier symbole SV est représentatif de l’écart de position verticale de l’aéronef existant entre sa position réelle et la position théorique déterminée par la trajectoire de consigne. Sur la figure 4, ce symbole a la forme d’un trapèze isocèle, les bases du trapèze étant verticales. Il est traversé par une ligne horizontale P positionnée à la pente de la trajectoire de consigne ou pente imposée. Sur la grande base, les écarts sont affichés de façon à être plus visibles. Sur la figure 4, une ligne E en pointillés s’étend horizontalement de la terminaison d’un bras vers le symbole SV et le traverse en subissant un effet de loupe. La distance entre le repère P et l’extrémité de la ligne E sur l’échelle de SV est pratiquement proportionnelle à un écart vertical métrique entre la position de l’avion et la trajectoire de consigne. La longueur du bras, en relation avec les écarts verticaux concernés, de l’ordre de 500 pieds et les pentes théoriques habituellement volées, inférieure à 5° rendent l’approximation habituelle de la fonction arctangente d’une valeur par la valeur elle-même suffisante. Des jalons ou dots disposés sur la grande base et représentés par des cercles blancs permettent à l’utilisateur de connaître approximativement la valeur de l’écart. Par exemple, les deux dots les plus proches de P correspondent à un écart de 250 pieds, les deux plus éloignés correspondent à un écart de 500 pieds. Les valeurs de ces écarts sont habituellement données par le système de navigation qui fixe habituellement la valeur d’une dot par ce que l’on appelle, en terminologie anglo-saxonne, le « vertical scale factor ».

Le second symbole SL est représentatif de l’écart latéral de l’aéronef existant entre sa position et la position théorique déterminée selon la trajectoire de consigne. Comme on le voit sur la figure 4, il comprend deux sous-ensembles, chaque sous-ensemble est situé près de l’origine d’un des bras. Chaque sous-ensemble comprend un tiret symbolisé par un « I » sur la figure 4 et des dots, symbolisées par des « 0 » sur cette même figure. Les dots sont disposés à une position telle que, si l’écart latéral est égal à une fois le facteur d’échelle latéral, le bras du coté de l’écart traverse le premier dot, si l’écart latéral est de deux fois ce facteur d’échelle, le bras traverse le deuxième dot. Comme pour le facteur d’échelle vertical, le facteur d’échelle latéral est généralement donné par le système de navigation. La largeur de la route peut aussi être de deux fois ce facteur d’échelle. La position des bras à la traversée de ces sous-ensembles de symboles est représentative de l’écart latéral de l’appareil par rapport à sa position imposée.

Sur la figure 4, les petits traits de l’échelle SL sont inclinés vers l’intérieur, l’angle théorique étant celui qu’auraient les bras si l’écart de position latérale était nul. De plus, si un écart d’une demi-route est représenté par un dot, alors, si un bras est vertical, l’écart vaut une demi-route et le bras traverse le premier dot.

Il est possible d’adapter les symboles précédents pour représenter des écarts angulaires dans certaines phases du plan de vol où cette représentation est mieux adaptée. Par exemple, lorsque l’aéronef est en phase d’approche d’une piste, mode connu sous la terminologie « Glide Slope » et que, dans ce mode, il est guidé par un système d’approche de type « ILS », acronyme signifiant « Instrument Landing System ». Les écarts affichés et contrôlés ne sont alors plus exprimés en valeurs métriques mais en valeur angulaire par rapport à la source d’un signal géolocalisé. Typiquement un faisceau glide est centré sur un plan de descente de pente théorique de l’ordre de 3°. L’équipement de bord annonce à l’équipage un écart nul si la pente entre l’avion et l’émetteur du signal est de 3°. L’écart affiché si cette pente est de 3,2° est deux fois plus grand que si cette pente est de 3,1°. Dans ce cas, au lieu de prolonger la terminaison du bras dans le symbole SV comme indiqué sur la figure 4, on prolonge la position théorique de l’origine du signal. Ceci est représenté sur la figure 5 qui représente un paysage extérieur comportant une piste d’atterrissage PA vue en perspective et une balise de Glide Slope représentée par un cercle. La balise Glide est sur le bord de la piste, à gauche de la figure, proche du début de la piste. La ligne E en pointillés représente toujours un écart entre la position imposée et la position réelle de l’aéronef. Cependant, dans ce cas, la distance entre E et P varie linéairement par rapport à la différence entre la pente théorique de l’approche et la pente de l’avion.

Il faut noter que plutôt d’utiliser la position théorique de la balise de Glide, qui n’est pas nécessairement connue dans les bases de données usuelles, on peut utiliser une donnée calculée à partir de la position du seuil de piste, de la pente théorique d’approche qui sont elles incluses dans les bases de données, en utilisant le fait que l’axe de glide est toujours calé pour passer à une hauteur de 50 pieds au seuil de piste. On obtient ainsi la position sur la piste d’un point de toucher « idéal » qui peut avantageusement être représenté sur l’image et être la source de la ligne E.

Les écarts représentés sont des écarts théoriques basés sur une localisation de l’avion par une source de type « GPS », acronyme de « Global Positioning System » et une base de donnée indiquant la position théorique des sources de guidage de type antennes « GS » et antenne « LOC », pour « LOCalizer ». Dans le cas d’un guidage effectif de l’avion en utilisant ces signaux, les échelles de déviations sont complétées par une indication d’écart dit « brut » issues des récepteurs radios de l’avion qui captent ces signaux. Sur la figure 5, cet écart est représenté par un losange ou « diamant » D.

Dans ce type d’approche, pour continuer de représenter correctement l’écart latéral lorsqu’il est angulaire, il suffit de prendre une taille de route R se rétrécissant et ayant pour origine la source de guidage comme on le voit sur la figure 6 qui représente une vue de dessus de la piste d’atterrissage PA. On peut alors continuer à utiliser les bras B pour la représentation des écarts latéraux en utilisant les principes définis précédemment.

Dans tout ce qui précède, les bras sont calculés et affichés avec une origine à la projection de la position courante. Il est possible d’utiliser la représentation par bras comme une aide au guidage de l’avion. Le principe est de calculer la terminaison du bras pour un aéronef projeté à une certaine distance en avant sur sa trajectoire. Cette distance peut être fixe, de l’ordre de 250 mètres ou variable. Dans ce dernier cas, elle représente un temps de vol déterminé, de l’ordre de quelques secondes.la distance est alors fonction de ce temps de vol et de la vitesse de l’appareil. La figure 7 représente en vue de dessus la route suivie R et les bras Bto et B-π calculés à deux instants différents T0 etT1.

Dans ce cas, les moyens d’affichage ajoutent alors sur la terminaison de chaque bras une indication de la position de la terminaison du bras « projeté ». A titre de premier exemple, sur la figure 8, chaque extrémité de bras comporte un cercle représentatif de la position future du bras et une flèche blanche indiquant l’évolution du bras. A titre de second exemple, la figure 9 montre une seconde représentation possible du bras projeté. Dans ce dernier cas, cette seconde représentation ajoute à la terminaison du bras une indication de roulis à prendre en compte pour rester correctement positionné au centre de la route. Cette indication de roulis est indiquée par deux segments orientés en sens opposé.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol, ledit procédé étant mis en oeuvre dans un système de pilotage et de navigation d’un aéronef, ledit système de pilotage et de navigation comprenant au moins un système de navigation, une base de données cartographiques représentatif du terrain survolé, un calculateur d’images tridimensionnelles et un système de visualisation permettant l’affichage des images synthétiques calculées, le plan de vol de l’aéronef comportant au moins une trajectoire de consigne dépendant d’une consigne de vol géoréférencée, la représentation de la trajectoire de consigne ayant la forme d’une route (R) représentée par deux limites disposées de part et d’autre de ladite trajectoire de consigne et séparées d’une largeur déterminée, la trajectoire affichée différant de la trajectoire de consigne par un offset vertical vers le bas ; caractérisé en ce que la dite trajectoire affichée comporte au moins deux bras (B), chaque bras étant disposé du côté d’une des deux limites, chaque bras étant représenté par un segment droit, ayant pour origine (Bo) un point situé sur la route résultant de la projection de la position courante de l’avion sur cette route et pour terminaison (Be) un point situé à une distance déterminée du point d’origine, suivant la tangente exacte à la trajectoire affichée, rehaussé de l’offset entre la trajectoire affichée et la trajectoire de consigne.
2. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bras comporte un premier symbole (Sv) représentatif de la pente théorique de la trajectoire de consigne.
3. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier symbole représentatif de la pente théorique de la trajectoire de consigne comporte une échelle d’écart vertical et un index d’écart vertical.
4. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bras comporte un second symbole (Si.) de l’écart latéral de l’aéronef entre sa position et la position théorique déterminée par la trajectoire de consigne.
5. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second symbole représentatif de l’écart latéral de l’aéronef comporte une succession de dots, le dot correspondant à la position théorique étant de forme ou de couleur différente des autres dots, la distance entre deux dots étant égale à la largeur déterminée ou à une fraction de ladite largeur déterminée.
6. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon l’une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l’écart vertical et l’écart latéral sont exprimés en unités dimensionnelles ou angulaires.
7. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur déterminée de la route est constante.
8. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la largeur déterminée de la route est variable et augmente de façon linéaire à partir d’une origine déterminée en amont ou en aval de la trajectoire.
9. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur d’images tridimensionnelles calcule deux premiers bras (Bto) dont l’origine est située à la projection de la position courante sur la trajectoire de consigne et deux seconds bras (B-π), les seconds bras étant construits comme les premiers mais avec une origine située à une distance déterminée de l’origine des premiers bras le long de la trajectoire de consigne, la route affichée comporte les deux premiers bras, chaque premier bras comportant une indication concernant la position de la seconde terminaison du second bras.