FR3044402A1

FR3044402A1 - Procede de calcul de la representation de la trajectoire d'un aeronef en vol

Info

Publication number: FR3044402A1
Application number: FR1502485A
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: CN106969765A; US20170154534A1; US10332404B2; FR3044402B1

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des procédés de représentation tridimensionnelle de la trajectoire d'un aéronef (A0, A1) en vol, le procédé étant mis en oeuvre dans un système de navigation d'un aéronef. Le plan de vol de l'aéronef comporte des trajectoires géoréférencées imposées et des trajectoires non géoréférencées prédites. Lorsque la trajectoire de l'aéronef dépend d'une consigne de vol non géoréférencée, le procédé de représentation tridimensionnelle est un processus itératif comportant les étapes suivantes : - Calcul d'une trajectoire prédite issue d'au moins une trajectoire calculée (TCT0, TCT1) s'étendant sur une distance ou une durée déterminée ; - Calcul d'une trajectoire lissée à partir de la trajectoire prédite pour obtenir une trajectoire résultante ; - Calcul d'une trajectoire affichée (TP1), la dite trajectoire étant égale à la trajectoire résultante corrigée d'écarts (EAT1) constants ou d'écarts fonction de l'application de consignes du directeur de vol ; - Affichage de ladite trajectoire affichée.

Description

Procédé de calcul de la représentation de 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 ».

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 figure 1 montre une de ces représentations. La trajectoire de l’aéronef A est symbolisée par une route centrale 1. Cette route 1 est encadrée par une succession des rectangles 2 représentant les limites du « tunnel » représentatif de la trajectoire tridimensionnelle 1. La trace au sol de la trajectoire est représentée par l’ombre 3.

Ces représentations fonctionnent bien pour des trajectoires parfaitement définies dans un repère terre. Elles sont dites « géoréférencées ». Malheureusement, la totalité de la trajectoire d’un aéronef ne peut être parfaitement géoréférencée. Lorsque la trajectoire n’est pas parfaitement définie dans un repère terrestre, les parties du tunnel de la trajectoire non définies dans un repère terrestre créent alors des discontinuités comme on le voit sur la figure 1.

En effet, dans un plan de vol, la trajectoire peut être définie de différentes façons. Comme on l’a dit, la façon la plus simple est la trajectoire planifiée et géoréférencée, généralement calculée par le système de gestion de vol ou « Flight Management System ».

Mais, dans certaines phases du vol, les pilotes mettent en œuvre des modes de pilotage qui éloignent l’avion de cette trajectoire planifiée. A titre de premier exemple, le contrôle aérien peut demander à l’équipage de prendre un cap particulier ou de descendre vers une altitude précise. Dans ce cas, la représentation de la trajectoire n’est plus évidente. La figure 2 représente en vue de dessus une situation où l’avion est guidé en mode cap. L’aéronef A doit se diriger vers le cap C. La trajectoire T qui est effectivement suivie est une prédiction qui inclut une partie de ralliement vers le cap cible, puis la tenue du cap. Cette prédiction nécessite la prise en compte du vent puisque le cap représente la direction du nez de l’avion et non la direction de la route. Elle peut donc se révéler imprécise. La partie hachurée représente la variation T’ de la trajectoire en fonction de la force du vent. A titre de second exemple, la figure 3 qui représente une vue de dessus du terrain survolé montre la différence de trajectoire en fonction de l’armement d’un mode de navigation. En mode « armé », lorsque l’avion est proche de la trajectoire planifiée TP, cette trajectoire devient la référence du guidage. La prédiction globale de la trajectoire T de l’aéronef inclut donc une première partie prédite T1 et une seconde partie T2 définie dans un repère géoréférencé et voisine de la trajectoire planifiée Tp. Si le mode de navigation n’est pas armé, l’aéronef continue de suivre son cap initial et sa trajectoire T inclut une seconde partie T’2 différente de la partie T2. A titre de troisième exemple, certaines parties du vol peuvent être effectuées dans une mode dit « performance » où le régime des moteurs est fixé et la pente sol résultante peut varier en fonction du vent.

Les notions ci-dessus expliquées sur la trajectoire latérale sont valables également pour la trajectoire verticale. Par exemple, l’aéronef peut être guidé en mode « Vertical Speed », c’est-à-dire un mode où l’on impose la tenue d’une valeur précise de la vitesse verticale de l’appareil. Là encore, la prise en compte du vent affecte la prédiction. En règle générale, un mode vertical est engagé avec une altitude de consigne qui termine la descente ou la montée. La trajectoire prédite de l’appareil se stabilise alors à cette altitude.

Ainsi, lorsque la trajectoire n’est pas parfaitement définie dans un repère terrestre, les parties du tunnel de la trajectoire non définies dans ce repère terrestre créent des discontinuités comme on le voit sur la figure 1.

Le procédé selon l’invention ne présente pas ces inconvénients. Il permet d’afficher la totalité de la trajectoire future d’un aéronef dans une représentation tridimensionnelle. Cette trajectoire affichée est une succession de segments, chaque segment correspondant soit à une partie de trajectoire prédite, soit à une trajectoire dite imposée. Dans le premier cas, le segment est déterminé à partir d’une consigne de vol non géoréférencée. Dans le second cas, le segment est déterminé à partir d’une consigne de vol géoréférencée. De plus, le procédé selon l’invention gère les écarts à la trajectoire ainsi que les passages de segments « prédits » aux segments « imposés ». 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 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 représentative 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 des trajectoires géoréférencées dites imposées et des trajectoires non géoréférencées dites prédites, caractérisé en ce que, lorsque la trajectoire de l’aéronef dépend d’une consigne de vol non géoréférencée, le dit procédé de représentation synthétique tridimensionnelle est un processus itératif, chaque itération comportant au moins les étapes suivantes :

Calcul d’une trajectoire prédite issue d’au moins une trajectoire calculée s’étendant sur une distance ou une durée déterminée ;

Calcul d’une trajectoire lissée à partir de la trajectoire prédite pour obtenir une trajectoire résultante ;

Calcul d’une trajectoire affichée, la dite trajectoire étant égale à la trajectoire résultante corrigée d’écarts constants ou d’écarts fonction de l’application de consignes du directeur de vol ;

Affichage de ladite trajectoire affichée.

Avantageusement, la trajectoire prédite est une fonction de trois trajectoires successives de l’aéronef dites trajectoires calculées à au moins trois instants successifs dans le temps séparés d’une durée constante, chacune des trois trajectoires commençant à un desdits trois instants, chaque trajectoire s’étendant sur une distance ou une durée déterminée.

Avantageusement, la trajectoire prédite est une interpolation quadratique des trajectoires calculées.

Avantageusement, lorsque la trajectoire de l’aéronef dépend à l’instant courant d’une consigne de vol non géoréférencée et dépend à un instant du futur d’une consigne de vol géoréférencée, la durée séparant l’instant du futur de l’instant courant correspondant à une distance parcourue par l’aéronef inférieure ou égale à un seuil déterminé, la trajectoire résultante est fonction des trajectoires calculées et des conditions d’engagement de ladite consigne de vol géoréférencée.

Avantageusement, lorsqu’il existe un écart calculé entre la trajectoire résultante et la trajectoire affichée, l’écart affiché à l’instant courant est soit la somme de l’écart affiché à un instant précédent corrigé d’une fonction dépendant de la performance de suivi du directeur de vol, soit le produit de l’écart affiché à l’instant précédent par un coefficient déterminé destiné à réduire cet écart.

Avantageusement, la trajectoire affichée a la forme d’une route d’une largeur déterminée positionnée latéralement en fonction des écarts calculés et au-dessus de la trajectoire résultante d’une hauteur déterminée, ladite route étant limitée par des bornes espacées d’une distance déterminée.

Avantageusement, la forme ou la couleur ou la taille des bornes est différente selon que la trajectoire est imposée ou prédite dans un plan latéral.

Avantageusement, la forme ou la couleur ou la taille des bornes est différente selon que la trajectoire est imposée ou prédite dans un plan vertical. 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 d’une trajectoire selon l’art antérieur ;

La figure 2 représente en vue de dessus une trajectoire d’aéronef en mode cap selon l’art antérieur ;

La figure 3 représente en vue de dessus une trajectoire d’aéronef en mode « armé » selon l’art antérieur ;

La figure 4 représente en vue de dessus l’évolution en fonction du temps des trajectoires calculées et affichées selon l’invention ;

La figure 5 représente une trajectoire affichée par le procédé selon l’invention sur l’écran d’un dispositif de visualisation ;

Les figures 6 à 9 représentent des exemples de représentation des limites de la trajectoire affichée selon le type de trajectoire calculée.

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.

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, soit quatre cas de figures possibles.

Des trajectoires non géoréférencées sont parfois suivies alors que le mode de guidage correspond normalement à une trajectoire géoréférencée, par exemple, de type « navigation ». Par exemple, certains segments de procédures de départ imposent le suivi d’un cap par l’avion, même si le mode latéral autopilote est « navigation ». De même, des trajectoires géoréférencées sont suivies alors que le mode de guidage n’est pas de type « navigation ».

Le procédé selon l’invention fait la distinction entre trajectoire géoréférencée et trajectoire non géoréférencée, quelques soient les modes sous-jacents du pilote automatique.

Lorsque la trajectoire dépend d’une consigne imposée, on comprend que sa représentation graphique ne pose pas de problèmes particuliers. La trajectoire est affichée exactement là où elle doit être, de la même façon que le terrain environnant.

Lorsque la trajectoire de l’aéronef dépend d’une consigne de vol non géoréférencée, la trajectoire n’est plus imposée et doit être calculée à partir, par exemple, des consignes de vol définissant la trajectoire, par exemple un cap de consigne, du vent et de la vitesse courante de l’avion. Ce calcul conduit donc à une prédiction de trajectoire idéale. Cette trajectoire idéale ne correspond jamais tout à fait à la trajectoire effectivement suivie et doit être périodiquement calculée. Ainsi, à chaque cycle de calcul, une nouvelle trajectoire doit être calculée. Par nature, le calcul d’une trajectoire a pour origine la position courante de l’avion. Or, la représentation en permanence d’une trajectoire partant de l’avion n’est pas nécessairement souhaitable, en particulier dans le cas où le pilote ne réalise pas les commandes nécessaires au suivi de la consigne de vol.

Le procédé de représentation synthétique tridimensionnelle d’une trajectoire prédite selon l’invention est donc un processus itératif, chaque itération comportant quatre étapes détaillées ci-dessous.

Dans une première étape, le calculateur calcule une trajectoire prédite. Cette trajectoire a pour origine l’avion et correspond à la trajectoire qui serait effectivement suivie si les commandes étaient parfaitement appliquées et si la prise en compte de tous les paramètres était parfaite. Par exemple, il est difficile de parfaitement connaître la force et la direction du vent. Ce calcul est réalisé, par exemple, par la méthode suivante.

Dans un premier temps, le calculateur calcule à au moins trois instants successifs ΤΟ, T1 et T2 dans le temps séparés d’une durée constante, de trois trajectoires successives Ττο, Tti et TT2 de l’aéronef dites trajectoires calculées, chacune des trois trajectoires commençant à un desdits trois instants, chaque trajectoire s’étendant sur une distance ou une durée déterminée. A titre d’exemple, la durée moyenne séparant deux instants successifs est de l’ordre de la seconde. La trajectoire est calculée sur une distance correspondant à quelques miles nautiques. Il n’est pas nécessaire qu’à chaque instant TO, le calculateur calcule trois nouvelles trajectoires. En effet, si à l’instant précédent T-1, le calculateur a calculé trois trajectoires ΤΤ-ι, Ττο et Tn correspondant aux instants T-1, TO et T1, il peut alors calculer seulement une seule nouvelle trajectoire Tt2 correspondant à l’instant T2 et conserver les anciennes trajectoires Tro et T-π correspondant aux instants successifs TO et T1. On obtient ainsi facilement un gain de temps de calcul.

Dans un deuxième temps, le calculateur détermine une trajectoire prédite TRt, à une fréquence déterminée, pour un instant courant T situé entre le premier instant TO et le second instant T1, ladite trajectoire prédite étant fonction desdites trajectoires calculées. On appelle RT le ratio égal à (T - TO) / (T1 - ΤΟ). Il est compris entre 0 et 1. La fréquence déterminée est liée à la fréquence de rafraîchissement du système de visualisation. Typiquement, elle est d’une quinzaine d’hertz.

Il existe différentes méthodes de calcul de cette trajectoire prédite TRt. Par exemple, chaque point de la trajectoire est interpolée à partir du ou des points correspondants des trajectoires successives Tro, Tn et Tt2 avec une interpolation quadratique à partir du coefficient Rj. La formule utilisée est connue de l’homme du métier. Optionnellement, l’interpolation pour la position de la trajectoire dans le plan horizontal est totalement découplée de l’interpolation pour la position verticale pour garantir une parfaite séparation des axes. Bien entendu, d’autres méthodes que l’interpolation quadratique peuvent être mises en oeuvre pour ce calcul.

Dans une deuxième étape, le calculateur va potentiellement lissée la trajectoire prédite pour la rendre rectiligne afin d’obtenir une trajectoire résultante. On prend l’exemple d’une consigne de cap. Lorsque cette consigne devient active, l’avion commence par amorcer un virage, qui se termine lorsque le cap est égal au cap de consigne. En toute rigueur, le cap n’est jamais exactement le cap de consigne. La trajectoire résultante est donc toujours un micro virage suivi d’un segment rectiligne. Cette étape consiste à rendre la trajectoire résultante rectiligne lorsque la consigne de vol est quasiment suivie. Par exemple, lorsque le cap avion est égal au cap de consigne à une faible différence près.

Dans une troisième étape, le calculateur calcule la trajectoire affichée TPT à l’instant T, la dite trajectoire étant égale à la trajectoire résultante corrigée d’un écart fonction de l’application passée et actuelle des consignes du directeur de vol et d’un écart de position. En effet, la trajectoire prédite pourrait avoir comme origine la position courante de l’aéronef. Mais, la présentation de cette trajectoire parfaite donnerait l’impression au pilote que son appareil est toujours bien centré sur la bonne trajectoire même si le pilote ne suit pas les consignes. Par exemple, si le segment de trajectoire en cours doit être suivi sur un cap précis et que le pilote n’entreprend pas l’action de rejointe vers ce cap, la présentation doit indiquer au pilote que quelque chose n’est pas correctement réalisé. Il faut donc que la trajectoire affichée s’écarte de la position de l’aéronef. Cet écart doit suivre une évolution fluide en fonction des actions du pilote.

Dans ce cas la trajectoire affichée est décalée de la trajectoire prédite d’un écart affiché EAt au temps T. Cet écart est calculé de la façon suivante :

Au temps Ti-1, une trajectoire résultante a été calculée. On note alors Etî l’écart entre la position réelle de l’aéronef au temps Ti et la prédiction de position au temps Ti calculée au temps Ti-1. De plus, au temps Ti-1, on a calculé un écart affiché ΕΑτ,-ι qui correspond à l’écart entre la position réelle de l’aéronef et la trajectoire affichée. Au premier cycle où l’algorithme est appliqué, cet écart est nul. A l’instant Ti, on calcule l’écart affiché EA-π de la façon suivante : - Si le pilote n’a pas suivi le directeur de vol, selon un critère consistant, par exemple, à avoir intégrer les ordres du directeur de vol pour obtenir une valeur Idv, ΕΑΤ, = EAtm + f(ETi, Idv), cet écart étant limité à une valeur d’écart maximale ; - Sinon, l’écart vaut EAt, = k * EAtm * g, k étant un coefficient inférieur à 1, g une fonction de l’écart entre la valeur du paramètre de contrôle et sa consigne. Par exemple, g est une fonction de l’écart entre le cap courant et la consigne de cap si le segment est un segment en consigne de cap. Cela signifie que si le pilote suit le directeur de vol, l’écart va se réduire progressivement. De la même façon, si le paramètre contrôlé revient sur la valeur de consigne, l’écart diminue progressivement.

La figure 4 représente schématiquement les différentes trajectoires calculées par le procédé selon l’invention. Sur cette figure, l’aéronef représenté en noir AO représente la position vraie de l’aéronef à un instant ΤΟ. La courbe en pointillés issue de cet aéronef AO représente la trajectoire calculée TCTO à l'instant TO, les jalons en forme de cercles noirs représentant la position de la trajectoire à différents instants successifs. L’aéronef blanc A1 représente la position vraie de l’aéronef à un instant T1. La courbe en pointillés issue de cet aéronef A1 représente la trajectoire calculée TCT1 à l'instant T1, les jalons en forme de cercles blancs représentant la position de la trajectoire à différents instants successifs. A l’instant T1, la position réelle de l’aéronef s’est éloignée de la trajectoire calculée TCTO d’un écart ET1. Comme il a été dit, cet écart n’est pas intégralement répercuté sur l’affichage mais seule une partie EAT1 est réellement affichée comme on le voit sur la figure 4.

La courbe en pointillés marquée par des croix cerclées représente la trajectoire réellement affichée TP1 à l’instant T1.

Dans une quatrième étape, l’affichage de la trajectoire est effectué classiquement sur un des écrans de visualisation de la planche de bord. Généralement, comme illustrée en figure 5, la trajectoire affichée TP a la forme d’une route R d’une largeur déterminée positionnée latéralement en fonction des écarts calculés et située au-dessus de la trajectoire résultante d’une hauteur déterminée, ladite route étant limitée par des bornes B espacées d’une distance déterminée. Sur la figure 5, cette route R est représentée en perspective.

Avantageusement, la forme ou la couleur ou la taille des bornes est différente selon que la trajectoire est imposée ou prédite dans un plan latéral ou vertical. A titre d’exemples non limitatif, les bornes peuvent être constituées de deux segments comme on le voit sur les figures 6 à 9. Le premier segment SV est horizontal et représente la composante verticale de la trajectoire, le second segment SL est oblique et représente la composante latérale de la trajectoire. Le premier segment est raccordé au second segment en son milieu. Lorsqu’un segment représente une partie de trajectoire imposée, il est représenté par un trait continu. Lorsqu’un segment représente une partie de trajectoire prédite, il est représenté par un trait pointillé.

Les figures 6 à 9 illustrent alors les différentes représentations des bornes de la route en utilisant cette symbolique. Sur la figure 6, la route est une trajectoire prédite tant en latéral, qu’en vertical. Sur la figure 7, la route est une trajectoire prédite en horizontal et imposée en vertical. Sur la figure 8, la route est une trajectoire prédite en vertical et imposée en horizontal. Enfin, sur la figure 9, la route est une trajectoire imposée en vertical et en horizontal.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef (A, AO, A1) 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 représentative 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 des trajectoires géoréférencées dites imposées et des trajectoires non géoréférencées dites prédites, caractérisé en ce que, lorsque la trajectoire de l’aéronef dépend d'une consigne de vol non géoréférencée, le dit procédé de représentation synthétique tridimensionnelle est un processus itératif, chaque itération comportant au moins les étapes suivantes : - Calcul d’une trajectoire prédite issue d’au moins une trajectoire calculée (TCTO, TCT1) s’étendant sur une distance ou une durée déterminée ; - Calcul d’une trajectoire lissée à partir de la trajectoire prédite pour obtenir une trajectoire résultante ; - Calcul d’une trajectoire affichée (TP1), la dite trajectoire étant égale à la trajectoire résultante corrigée d’écarts (EAT1) constants ou d’écarts fonction de l’application de consignes du directeur de vol ; - Affichage de ladite trajectoire affichée.
2. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon la revendication 1, caractérisé en ce que la trajectoire prédite est une fonction de trois trajectoires successives de l’aéronef dites trajectoires calculées à au moins trois instants successifs dans le temps séparés d’une durée constante, chacune des trois trajectoires commençant' à un desdits trois instants, chaque trajectoire s’étendant sur une distance ou une durée déterminée.
3. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de là trajectoire d’un aéronef en vol selon la revendication 2, caractérisé en ce que la trajectoire prédite est une interpolation quadratique des trajectoires calculées. V.
4. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d'un aéronef en vol selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la trajectoire de l’aéronef dépend à l’instant courant d’une consigne de vol non géoréférencée et dépend à un instant dü futur d’une consigne de vol géoréférencée, la durée séparant l’instant du futur de l’instant courant correspondant à une distance parcourue par l’aéronef inférieure ou égale à un seuil déterminé, la trajectoire résultante est fonction des trajectoires calculées et des conditions d’engagement de ladite consigne de vol géoréférencée.
5. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsqu'il existe un écart calculé entre la trajectoire résultante et la trajectoire affichée, l’écart affiché à l’instant courant est soit la somme de l’écart affiché à l’instant précédent corrigé d’une fonction dépendant de la performance de suivi du directeur de vol, soit le produit de l'écart affiché à l’instant précédent par un coefficient déterminé, destiné à réduire cet écart.
6. Procédé de représentation synthétique tridimensionnelle de la trajectoire d’un aéronef en vol selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la trajectoire affichée a la forme d’une route (R) d’une largeur déterminée positionnée latéralement en fonction des écarts calculés et au-dessus de la trajectoire résultante d’une hauteur déterminée, ladite route étant limitée par des bornes (B) espacées d’une distance déterminée.