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WO2025141119A1 - Procédé amélioré de calcul d'une trajectoire de vol pour un aéronef; système de navigation, aéronef et produit programme d'ordinateur associés - Google Patents

Procédé amélioré de calcul d'une trajectoire de vol pour un aéronef; système de navigation, aéronef et produit programme d'ordinateur associés Download PDF

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Publication number
WO2025141119A1
WO2025141119A1 PCT/EP2024/088505 EP2024088505W WO2025141119A1 WO 2025141119 A1 WO2025141119 A1 WO 2025141119A1 EP 2024088505 W EP2024088505 W EP 2024088505W WO 2025141119 A1 WO2025141119 A1 WO 2025141119A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
term
trajectory
aircraft
long
short
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/088505
Other languages
English (en)
Inventor
Baptiste LEFEVRE
Baptiste IDIART
François Michel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of WO2025141119A1 publication Critical patent/WO2025141119A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
    • G08G5/30—Flight plan management
    • G08G5/32—Flight plan management for flight plan preparation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G—PHYSICS
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    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
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    • G08G5/76—Arrangements for monitoring traffic-related situations or conditions for monitoring atmospheric conditions
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    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
    • G08G5/50—Navigation or guidance aids
    • G08G5/55—Navigation or guidance aids for a single aircraft

Definitions

  • TITLE Improved method for calculating a flight trajectory for an aircraft; Navigation system, aircraft and associated computer program product.
  • the invention relates to the field of navigation systems for an aircraft and methods, implemented by such a navigation system, for calculating a flight trajectory of the aircraft.
  • Document FR 3 131 956 presents a method for calculating a flight trajectory implemented by the computer of an aircraft navigation system.
  • a set of trajectories is calculated by uncertified algorithms. This set of trajectories includes a nominal trajectory and several diversion trajectories.
  • the nominal trajectory is calculated from, for example, an aircraft flight plan and allows the aircraft to carry out the mission assigned to it, such as reaching a destination airport.
  • Each diversion trajectory is calculated to respond to one or more particular hazards occurring during the flight of the aircraft, while the latter is guided along the nominal trajectory.
  • a trajectory from this set of trajectories is selected as a flight trajectory, and is transmitted, as an instruction, to an aircraft guidance system.
  • the corresponding diversion trajectory is selected as a new flight trajectory and allows the aircraft to leave the nominal trajectory and land on the nearest runway.
  • the architecture of the navigation system presented in this state-of-the-art document is interesting because it allows the generation of trajectories, including diversion trajectories, by non-certified algorithms, then their validation by a certified algorithm.
  • the flight path followed by the aircraft guidance system meets end-to-end safety criteria, this flight path is not always optimal. Indeed, the trajectories of all trajectories, including the nominal trajectory, may be suboptimal if they are not updated in real time based on current flight conditions.
  • the invention therefore aims to improve the navigation system according to the state of the art.
  • the invention relates to a method for calculating a flight trajectory for an aircraft, characterized in that the method comprises a short/medium term loop, the steps of which are iterated at a high frequency, nested in a long-term loop, the steps of which are iterated at a low frequency, the long-term loop leading to the calculation of a long-term trajectory, the long-term trajectory being calculated to meet safety criteria, and the short/medium term loop leading first to the calculation of a short-term trajectory, then to the calculation of a medium-term trajectory, the short-term trajectory being calculated to meet optimality criteria, the medium-term trajectory joining the short-term trajectory with the long-term trajectory.
  • a medium-term trajectory is calculated making it possible to link the short-term and long-term trajectories calculated separately.
  • the set E(t) comprises a nominal trajectory Tn(t) and a plurality of diversion trajectories T d(t), whose starting points are located along the nominal trajectory Tn(t). In both cases, these are long-term trajectories.
  • the navigation system 10 includes a database 11 making it possible to record the set of trajectories at the current time E(t) validated by the module 8.
  • the navigation system 10 includes a module 17 for updating the operational constraints at the current time COp(t).
  • This module takes as input in particular the mission objectives specified by the aircraft operator and any geographical constraints (authorized airspace, relief, obstacles) and technical constraints (performance of the payload) influencing the success of the mission.
  • the medium-term trajectory connects the short-term trajectory and the long-term trajectory. This connection must ensure continuity in aircraft position and speed. Flight constraints are taken into account to make each connection.
  • the navigation system 10 comprises an aggregation module 18 which, from the short-term trajectories at the current time, TC(t), medium-term trajectories at the current time, TM(t), and long-term trajectories at the current time, TL(t), calculates a single object or flight trajectory at the current time T'(t).
  • the navigation system 10 also comprises a validation module 19, in accordance with the state of the art, making it possible to validate the safety of the flight trajectory T'(t) before transmitting it, as flight trajectory T(t), to the guidance module 20.
  • the validation module 19 may take into account the validation of the entire trajectory E(t) possibly carried out beforehand by the validation module 8.
  • the trajectory calculation modules 12, 14 and 16 each execute an algorithm known to those skilled in the art to calculate the long-term, short-term and medium-term trajectories respectively.
  • the following may be implemented: algorithms of the same type as those of a state-of-the-art FMS, if the aircraft must follow aeronautical procedures (particularly for long-term trajectories); conventional trajectory and/or path calculation algorithms for missions such as surveillance, tracking, rescue, etc.; algorithms based on machine learning.
  • Figure 2 represents a preferred embodiment of the flight trajectory calculation method according to the invention.
  • the short/medium term loop 120 is iterated every 1 second, while the long term loop is iterated every 60 seconds.
  • Step 111 consists of executing the module 15. These are, for example, constraints linked to: the terrain (the safety altitude); the weather (winds and dangerous weather phenomena); the regulations (authorized or prohibited geographical zones, procedures to be respected); the landing strips (closure of an airport for example); the aircraft (autonomy and performance).
  • a safety constraint vector is provided at the current time, CS(t). This vector includes, in the mission area, the prohibited zones and the authorized zones, the procedures to be followed and the available landing runways as well as the performance parameters of the aircraft.
  • step 112 a set of long-term trajectories is calculated and then validated.
  • This step consists of executing modules 12 then 8.
  • the aim of this step is to update all the long-term trajectories at the current time E(t) stored in the database 11.
  • step 112 for example, not only the current position P(t) of aircraft 1, the mission M to be carried out, the Cap capabilities of the aircraft, but also the safety constraint vector CS(t) are considered.
  • a nominal trajectory at the current time Tn(t) is calculated between the current position P(t) of the aircraft and the end of mission position indicated by the mission M (landing runway of the destination point for example).
  • Each trajectory Td(t) is associated with one or more hazards to which it responds.
  • Each trajectory Td(t) starts from the nominal trajectory at the current time Tn(t) towards alternative landing runways present near the nominal trajectory.
  • a diversion path is calculated so that if a hazard occurs along the nominal path, the aircraft leaves the nominal path and follows the diversion path in order to return the aircraft to the ground safely given the hazard.
  • step 112 the set of trajectories at the current time E(t) calculated is validated from the security point of view by the validation module 8, then stored in the database 11 to be used during the iterations of the short/medium term loop 120.
  • the content of the database 11 will be updated during the following iteration of the long term loop 110.
  • the short/medium term loop 120 includes the following steps:
  • Step 121 is used to test a condition on the aircraft state. Step 121 corresponds to the execution of module 13.
  • the other steps of the short/medium term loop 120 are implemented only during nominal operation of the aircraft, i.e. when the nominal trajectory has been selected as the long term trajectory at the current time TL(t).
  • Step 122 consists of consolidating the current operational constraints. Module 17 is executed for the current time step.
  • the objective of the aircraft's mission M is updated at the current time step. This is the case, for example, when the mission objective is to pursue a target, then the position and speed of this target (delivered, for example, by a radar system on board the aircraft) are updated during step 122.
  • step 122 the vector of operational constraints at the current time COp(t) is obtained.
  • Step 124 consists of calculating a short-term trajectory at the current time, TC(t).
  • module 14 is executed.
  • This step takes for example as input the current position of the aircraft P(t), the mission M to be carried out, the characteristic Cap capabilities of the aircraft, the operational constraint vector COp(t), and the safety constraints at the current time CS(t).
  • the calculation of the short-term trajectory is such that it leads to an optimal trajectory, taking into account the nominal capabilities of the aircraft. For example, if the objective is to climb to a certain level, the short-term trajectory makes it possible to go towards this objective with a climb according to the optimal slope of the aircraft 1.
  • step 126 a medium-term trajectory at the current time, TM(t), is calculated.
  • Step 128 then consists of associating the short, medium and long term trajectories at the current time in a single flight trajectory usable by the guidance system 20 of the aircraft.
  • the aggregation module 18 is executed.
  • a trajectory T'(t) is thus obtained from TL(t), TM(t) and TC(t).
  • Figure 3 illustrates the implementation of the invention.
  • An aircraft A carries the device 10 and implements the method 100.
  • Figure 3 illustrates the flight path followed by the aircraft A over a period of 60 s.
  • the long loop 110 completes a first iteration allowing the calculation of the set of long-term trajectories E(0). It includes a nominal trajectory Tn(0) and several diversion trajectories Td(0).
  • the long term trajectory will be selected from this set E(0). Barring any random event, the long term trajectory is therefore equal to Tn(0).
  • the long-term loop 110 completes a second iteration allowing the calculation of a new set of long-term trajectories E(60), which includes the long-term trajectories (Tn(60) or Td(60)) which will be used during the following 60 iterations of the short/medium-term loop 120.
  • the trajectory Tf actually followed by aircraft 1 is ultimately the association of the portions of the short-term trajectories TC(t) actually traveled by the aircraft between two iterations of loop 110. This trajectory is therefore optimal, at least in portions.
  • the present invention has many advantages.
  • the short-term trajectory allows for efficiency gains while the long-term trajectory is conservative.
  • Decoupling calculations between short-term, medium-term and long-term trajectories allows for parallel calculations, thus reducing the workload on the on-board computer.
  • the performance constraints on the computer are also reduced thanks to the long-time loop which makes it possible to reduce the frequency at which all the long-term trajectories are updated, which is, in the calculation of the flight trajectory, the part requiring the most computing resources.
  • the navigation function according to the invention provides the aircraft with a safe, optimized flight path adapted to the operational conditions, on which the aircraft can guide itself.
  • the invention is applicable to any navigation function, in particular for autonomous aircraft, primarily drones.

Landscapes

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
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Abstract

La présente invention concerne un procédé (100) de calcul d'une trajectoire de vol (T(t)) pour un aéronef comportant une boucle court / moyen terme (120), dont les étapes sont itérées à une fréquence élevée, imbriquée dans une boucle long terme (110), dont les étapes sont itérées à une fréquence faible, la boucle long terme conduisant au calcul d'une trajectoire long terme (TL(t)), la trajectoire long terme étant calculée pour répondre à des critères de sécurité, et la boucle court / moyen terme (120) conduisant d'abord au calcul d'une trajectoire court terme (TC(t)), puis au calcul d'une trajectoire moyen terme (TM(t)), la trajectoire court terme étant calculée pour répondre à des critères d'optimalité, la trajectoire moyen terme raboutant le trajectoire court terme avec la trajectoire long terme.

Description

TITRE : Procédé amélioré de calcul d’une trajectoire de vol pour un aéronef ; Système de navigation, aéronef et produit programme d’ordinateur associés.
L’invention a pour domaine celui des systèmes de navigation pour un aéronef et des procédés, mis en œuvre par un tel système de navigation, pour calculer une trajectoire de vol de l’aéronef.
Le document FR 3 131 956 présente un procédé de calcul d’une trajectoire de vol mis en œuvre par le calculateur d’un système de navigation de l’aéronef.
Ce procédé est exécuté périodiquement en utilisant par exemple un plan de vol de description de la mission, la position courante de l’aéronef, et des conditions opérationnelles courantes.
Dans un premier temps, un ensemble de trajectoires est calculé par des algorithmes non certifiés. Cet ensemble de trajectoires comporte une trajectoire nominale et plusieurs trajectoires de déroutement.
La trajectoire nominale est calculée à partir, par exemple, d’un plan de vol de l’aéronef et permet à l’aéronef de réaliser la mission qui lui a été attribuée, comme de rallier un aéroport de destination.
Chaque trajectoire de déroutement est calculée de manière à répondre à un ou plusieurs aléa(s) particulier(s) survenant au cours du vol de l’aéronef, alors que ce dernier est guidé suivant la trajectoire nominale.
Dans un second temps, l’ensemble des trajectoires calculé est validé quant à sa sécurité par un algorithme certifié.
Enfin, dans un troisième temps, à chaque instant du vol, une trajectoire de cet ensemble de trajectoire est sélectionnée en tant que trajectoire de vol, et est transmise, en tant que consigne, à un système de guidage de l’aéronef. Lors de la survenue d’un aléa, la trajectoire de déroutement correspondante est sélectionnée en tant que nouvelle trajectoire de vol et permet à l’aéronef de quitter la trajectoire nominale et d’atterrir sur la piste la plus proche.
La trajectoire de vol suivie permet donc d’assurer la sécurité du vol de bout en bout.
L’architecture du système de navigation présentée dans ce document de l’état de la technique est intéressante, car elle permet la génération de trajectoires, y compris des trajectoires de déroutement, par des algorithmes non certifiés, puis leur validation par un algorithme certifié.
Ceci va à l’encontre de l’architecture des systèmes de navigation - FMS (« Flight Management System) classiques, dans lesquelles un algorithme de calcul de la trajectoire de vol à partir des informations du plan de vol est régulièrement exécuté au cours du vol de l’aéronef pour calculer une seule trajectoire nominale. Et, pour être certain que la trajectoire de vol ainsi calculée est valide, c’est l’algorithme lui-même qui doit être préalablement certifié. De plus, cet algorithme doit être exécuté sur un calculateur qui est également certifié (ou calculateur critique).
On comprend donc que le principe exposé dans le document FR 3 131 956 soit particulièrement prometteur.
Cependant, si la trajectoire de vol suivie par le système de guidage de l’aéronef respecte des critères de sécurité de bout en bout, cette trajectoire de vol n’est pas toujours optimale. En effet, les trajectoires de l’ensemble des trajectoires, notamment la trajectoire nominale, peuvent être sous-optimales si elles ne sont pas mises à jour en temps réel en fonction des conditions actuelles du vol.
De plus, l’adaptabilité de cette trajectoire de vol aux contraintes opérationnelles reste faible. En effet, le calcul de l’ensemble de trajectoires est coûteux en termes de ressources informatiques et de temps de calcul. Or, la puissance des calculateurs à bord d’un aéronef, notamment s’il s’agit d’un drone, est fortement contrainte, et ne permet pas une mise à jour très fréquente de ces trajectoires.
L’invention a donc pour but d’améliorer le système de navigation selon l’état de la technique.
Pour cela l’invention a pour objet un procédé de calcul d’une trajectoire de vol pour un aéronef, caractérisé en ce que le procédé comporte une boucle court / moyen terme, dont les étapes sont itérées à une fréquence élevée, imbriquée dans une boucle long terme, dont les étapes sont itérées à une fréquence faible, la boucle long terme conduisant au calcul d’une trajectoire long terme, la trajectoire long terme étant calculée pour répondre à des critères de sécurité, et la boucle court / moyen terme conduisant d’abord au calcul d’une trajectoire court terme, puis au calcul d’une trajectoire moyen terme, la trajectoire court terme étant calculée pour répondre à des critères d’optimalité, la trajectoire moyen terme raboutant le trajectoire court terme avec la trajectoire long terme.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la boucle long terme comporte les étapes consistant à : consolidation d’une pluralité de contraintes de sécurité ; calcul, en fonction de la pluralité de contraintes de sécurité, d’une position courante de l’aéronef, d’une pluralité de capacités techniques caractéristiques de l’aéronef, et d’une mission affectée à l’aéronef, d’un ensemble de trajectoires long terme à l’instant courant, ledit ensemble comportant une trajectoire nominale et une pluralité de trajectoires de déroutement ; et, Sélection, en tant que trajectoire long terme à l’instant courant, dans l’ensemble de trajectoires long terme à l’instant courant, de la trajectoire nominale ou d’une des trajectoires de déroutement.
- la boucle court / moyen terme comporte les étapes consistant à : consolidation d’une pluralité de contraintes opérationnelles et d’une pluralité de contraintes de sécurité ; calcul, en fonction de la pluralité de contraintes opérationnelles, de la pluralité de contraintes de sécurité, d’une position courante de l’aéronef et d’une mission, d’une trajectoire court terme à l’instant courant ; calcul, en fonction de la pluralité de contraintes de sécurité, de la trajectoire court terme et de la trajectoire long terme, d’une trajectoire moyen terme.
- à chaque pas de temps, les trajectoires long, moyen et court termes sont agrégées dans une trajectoire de vol, la trajectoire de vol étant transmise à un système de guidage de l’aéronef.
- une fois les trajectoires long, moyen et court termes agrégées dans une trajectoire de vol, la trajectoire de vol est validée selon des critères de sécurité avant d’être transmise au système de guidage de l’aéronef.
- un pas de temps étant égal à une seconde, la boucle court / moyen terme est itérée avec une période d’une seconde, et la boucle long terme est exécutée avec une période de 60 secondes.
- la mission est un plan de vol.
L’invention a également pour objet un système de navigation destiné à être embarqué à bord d’un aéronef, caractérisé en ce qu’il est adapté pour mettre en œuvre le procédé de calcul d’une trajectoire de vol précédent.
L’invention a également pour objet un aéronef embarquant un système de navigation conforme au système de navigation précédent.
L’invention a également pour objet un produit programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur de bord d’un aéronef, mettent en œuvre un procédé de navigation conforme au procédé précédent.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donnée uniquement à titre d’exemple illustratif et non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 est une représentation schématique, sous forme de modules fonctionnels, du système de navigation selon l’invention ;
- La figure 2 est une représentation sous forme de blocs du procédé de calcul de trajectoire mis en œuvre par le système de navigation de la figure 1 ; et, - La figure 3 est une représentation de l’évolution temporelle de la trajectoire de vol calculée par le système de navigation de la figure 1.
De manière générale, le procédé selon l’invention consiste à combiner une navigation long terme, permettant d’assurer la sécurité du vol jusqu’à l’atterrissage, et une navigation court terme, permettant une réalisation optimale de la mission.
Conformément à l’état de la technique, la navigation long terme s’appuie sur un ensemble de trajectoires, parmi lesquelles est sélectionnée la trajectoire sûre. Mais, ces trajectoires ne sont ni optimales, ni particulièrement adaptables dynamiquement.
La navigation court terme permet de répondre aux critères d’optimalité et de forte adaptabilité, dans la mesure où la trajectoire court terme est construite au fur et à mesure du vol. Cependant, cette trajectoire court terme ne permet pas à elle seule d’assurer la sécurité de vol, car elle ne couvre pas l’intégralité du vol jusqu’à l’atterrissage.
Enfin, selon l’invention, une trajectoire moyen terme est calculée permettant de relier les trajectoires court terme et long terme calculées séparément.
La trajectoire de vol résulte alors de la concaténation des trajectoires court, moyen et long termes.
La trajectoire de vol est avantageusement validée quant à sa sécurité avant d’être transmise au système de guidage de l’aéronef.
Dans ce qui suit, les qualificatifs de court, moyen et long termes sont plutôt à voir selon une échelle de distance, plutôt qu’une échelle de temps, bien que ces deux échelles soient corrélées à travers le paramètre de vitesse de l’aéronef.
Les contraintes opérationnelles sont les contraintes liées à la mission (objectif de mission, critères de performance, etc.). Les contraintes de sécurité sont les contraintes liées à la sécurité du vol (obstacles, zones interdites de survol pour des raisons de sécurité, performances de l’aéronef à respecter pour éviter un crash).
La figure 1 représente un mode de réalisation préféré d’un système de navigation selon l’invention, destiné à être embarqué à bord d’un aéronef.
Le système de navigation 10 est adapté pour calculer une trajectoire de vol périodiquement et la transmettre à un système de guidage 20 de l’aéronef, en tant que consigne, afin de piloter l’aéronef sur cette trajectoire. Usuellement, le système de guidage est en fait intégré au système de navigation.
Le système de navigation 10 est un ordinateur comportant des moyens de calcul, tels qu’un processeur, et des moyens de mémorisation, tels qu’une mémoire. La mémoire stocke notamment les instructions de programmes d’ordinateurs, en particulier un programme dont l’exécution permet la mise en œuvre du procédé de calcul d’une trajectoire de vol selon l’invention. L’exécution de ce programme permet de munir le système de navigation 10 d’une pluralité de fonctionnalités, représentées schématiquement sous forme de modules fonctionnels sur la figure 1.
Le système de navigation 10 comporte ainsi un module 15 de mise à jour des contraintes de sécurité à l’instant courant CS(t). Ce module prend notamment en entrée les capacités techniques Cap de l’aéronef telles que prévues par son concepteur (comme autonomie, puissance, finesse, etc.), les informations météorologiques fournies par l’organisme météorologique local, et les espaces aériens et les altitudes autorisés pour le vol afin de garantir sa sécurité, fournis par les services d’information aéronautique.
Le système de navigation 10 comporte un module de calcul de trajectoires long terme, 12. Conformément à l’état de la technique, le module 12 prend par exemple en entrée la mission M à réaliser, qui peut prendre par exemple la forme d’un plan de vol, la position courante P(t) de l’aéronef, les capacités Cap caractéristiques de l’aéronef, et les contraintes de sécurité à l’instant courant CS(t). Le module 12 délivre en sortie un ensemble de trajectoires à l’instant courant t. Cet ensemble est noté E(t).
L’ensemble E(t) comporte une trajectoire nominale Tn(t) et une pluralité de trajectoires de déroutement T d(t), dont les points de départ se situent le long de la trajectoire nominale Tn(t). Il s’agit dans les deux cas de trajectoires long terme.
Avantageusement, le système de navigation 10 comporte également un module de validation 8, conforme à l’état de la technique, permettant de valider la sécurité de l’ensemble de trajectoires E(t).
Le système de navigation 10 comporte une base de données 11 permettant d’enregistrer l’ensemble de trajectoires à l’instant courant E(t) validé par le module 8.
Le système de navigation 10 comporte un module de sélection 13 permettant de sélectionner, dans la base de données 11 , une trajectoire long terme à l’instant courant TL(t) parmi l’ensemble des trajectoires E(t).
Le système de navigation 10 comporte un module 17 de mise à jour des contraintes opérationnelles à l’instant courant COp(t). Ce module prend notamment en entrée les objectifs de la mission spécifiés par l’opérateur de l’aéronef et les éventuelles contraintes géographiques (espaces aériens autorisés, relief, obstacles) et techniques (performance de le charge utile) influant sur la réussite de la mission.
Le système de navigation 10 comporte un module de calcul de trajectoires court terme 14. Le module 14 prend par exemple en entrée les conditions opérationnelles à l’instant courant Cop(t), la mission M, les capacités Cap caractéristiques de l’aéronef, les contraintes de sécurité à l’instant courant CS(t), et la position P(t) à l’instant courant de l’aéronef. Le module 14 délivre en sortie une trajectoire court terme à l’instant courant, TC(t).
Le système de navigation 10 comporte un module de calcul de trajectoires moyen terme, 16. Le module 16 prend en entrée la trajectoire court terme à l’instant courant, TC(t) en sortie du module 14, la trajectoire long terme à l’instant courant, TL(t) en sortie du module 13 (essentiellement le point de départ de la trajectoire long terme nominale Tn(t) sélectionnée), les capacités Cap caractéristiques de l’aéronef et, de préférence, les contraintes de sécurité à l’instant courant CS(t) en sortie du module 15. Le module 16 délivre en sortie une trajectoire moyen terme à l’instant courant, TM(t).
La trajectoire moyen terme connecte la trajectoire court terme et la trajectoire long terme. Cette connexion doit assurer une continuité en position et en vitesse de l’aéronef. Des contraintes de vol sont prises en compte pour réaliser chaque connexion.
Le système de navigation 10 comporte un module d’agrégation 18 qui, à partir des trajectoires court terme à l’instant courant, TC(t), moyen terme à l’instant courant, TM(t), et long terme à l’instant courant, TL(t), calcule un objet unique ou trajectoire de vol à l’instant courant T’(t).
Avantageusement, le système de navigation 10 comporte également un module de validation 19, conforme à l’état de la technique, permettant de valider la sécurité de la trajectoire de vol T’(t) avant de la transmettre, en tant que trajectoire de vol T(t), au module de guidage 20. Le module de validation 19 pourra tenir compte de la validation de l’ensemble de trajectoire E(t) éventuellement réalisée préalablement par le module de validation 8.
Les modules de calcul de trajectoire 12, 14 et 16 exécutent chacun un algorithme connu de l’homme de métier pour calculer respectivement les trajectoires long terme, court terme et moyen terme. Par exemple, peuvent être mis en œuvre : des algorithmes de même type que ceux d’un FMS de l’état de la technique, si l’aéronef doit suivre des procédures aéronautiques (particulièrement pour les trajectoires long terme) ; des algorithmes de calcul de trajectoire et/ou de chemin classique pour des missions du type surveillance, suivi, sauvetage, etc. ; des algorithmes basés sur de l’apprentissage automatique (« machine learning »).
La figure 2 représente un mode de réalisation préféré du procédé de calcul de trajectoire de vol selon l’invention.
Le procédé 100 est mis en œuvre par le système de navigation 10 de la figure 1 , au cours du vol de l’aéronef 1. Le procédé 100 comporte une boucle court / moyen terme 120 imbriquée dans une boucle long terme 110. Ces deux boucles sont en fait exécutées en parallèle, les calculs de la boucle long terme permettant d’obtenir un ensemble de trajectoires prenant plus de temps.
Par exemple, la boucle court / moyen terme 120 est itérée toutes les 1 secondes, alors que la boucle long terme est itérée toutes les 60 secondes.
Une itération de la boucle long terme 110 va maintenant être présentée.
Dans une étape 111 de la boucle 110, des contraintes de sécurité sont consolidées à l’instant courant. L’étape 111 consiste à exécuter le module 15. Il s’agit par exemple de contraintes liées : au terrain (l’altitude de sécurité) ; à la météo (vents et phénomènes météos dangereux) ; à la réglementation (zones géographiques autorisées ou interdites, procédures à respecter) ; aux pistes d’atterrissage (fermeture d’un aéroport par exemple) ; à l’aéronef (autonomie et performance).
En sortie de l’étape 111 est fourni un vecteur de contrainte de sécurité à l’instant courant, CS(t). Ce vecteur comprend, dans l’aire de mission, les zones interdites et les zones autorisées, les procédures à suivre et les pistes d’atterrissage disponibles ainsi que les paramètres de performance de l’aéronef.
Puis, dans l’étape 112 un ensemble de trajectoires long terme est calculé puis validé. Cette étape consiste à exécuter les modules 12 puis 8.
Cette étape a pour but de mettre à jour l’ensemble des trajectoires long terme à l’instant courant E(t) stocké dans la base de données 11 .
Pour l’étape 112, sont par exemple considérés non seulement la position courante P(t) de l’aéronef 1 , la mission M à réaliser, les capacités Cap de l’aéronef, mais aussi le vecteur de contrainte de sécurité CS(t).
Une trajectoire nominale à l’instant courant Tn(t) est calculée entre la position courante P(t) de l’aéronef et la position de la fin de mission indiqué par la mission M (piste d’atterrissage du point de destination par exemple).
Différentes trajectoires de déroutement (ou de contingence) à l’instant courant Td(t) sont calculées. Chaque trajectoire Td(t) est associée à un ou plusieurs aléa(s) auquel(s) elle permet de répondre. Chaque trajectoire Td(t) part de la trajectoire nominale à l’instant courant Tn(t) vers des pistes d’atterrissage alternatives présentes à proximité de la trajectoire nominale. Une trajectoire de déroutement est calculée de sorte que, si un aléa survient le long de la trajectoire nominale, l’aéronef quitte la trajectoire nominale et suit la trajectoire de déroutement afin de ramener l’aéronef au sol en sécurité compte tenu de l’aléa.
Les différentes trajectoires de l’ensemble E(t) sont des trajectoires long terme potentielles qui peuvent être sous-optimales. Elles prennent en compte des paramètres de performance conservatifs de l’aéronef (faible taux de montée et grand rayon de virage par exemple) permettant à l’aéronef de voler la trajectoire calculée même dans des conditions peu favorables : panne moteur, panne de certaines gouvernes, vent fort, etc.
En sortie de l’étape 112, l’ensemble de trajectoires à l’instant courant E(t) calculé est validé du point de vue de la sécurité par le module de validation 8, puis stocké dans la base de données 11 pour être utilisé au cours des itérations de la boucle court / moyen terme 120. Le contenu de la base de données 11 sera mis à jour lors de l’itération suivante de la boucle long terme 110.
La boucle court / moyen terme 120 comporte les étapes suivantes :
L’étape 121 permet de tester une condition sur l’état de l’aéronef. L’étape 121 correspond à l’exécution du module 13.
En fonction de l’état courant S(t) de l’aéronef, est sélectionné dans la base de données 11 , soit la trajectoire nominale, soit l’une des trajectoires de déroutement. La trajectoire sélectionnée devient la trajectoire long terme à l’instant courant, TL(t).
Les autres étapes de la boucle court / moyen terme 120 sont mises en œuvre uniquement en fonctionnement nominal de l’aéronef, c’est-à-dire lorsque la trajectoire nominale a été sélectionnée en tant que trajectoire long terme à l’instant courant TL(t).
La boucle court / moyen terme se poursuit par l’étape 122.
L’étape 122 consiste à consolider les contraintes opérationnelles courantes. Le module 17 est exécuté pour le pas de temps courant.
Par exemple, l’objectif de la mission M de l’aéronef est actualisé au pas de temps courant. C’est le cas par exemple lorsque l’objectif de la mission est de poursuivre une cible, alors la position et la vitesse de cette cible (délivrées par exemple par un système radar embarqué à bord de l’aéronef) sont mises à jour au cours de l’étape 122.
En sortie de l’étape 122, le vecteur de contraintes opérationnelles à l’instant courant COp(t) est obtenu.
L’étape 124 consiste à calculer une trajectoire court terme à l’instant courant, TC(t).
Pour ce faire, le module 14 est exécuté.
Cette étape prend par exemple en entrée la position courante de l’aéronef P(t), la mission M à réaliser, les capacités Cap caractéristiques de l’aéronef, le vecteur de contrainte opérationnelle COp(t), et les contraintes de sécurité à l’instant courant CS(t). Avantageusement, le calcul de la trajectoire court terme est tel qu’il conduit à une trajectoire optimale, compte tenu des capacités nominales de l’aéronef. Par exemple, si l’objectif consiste à monter à un certain palier, la trajectoire court terme permet d’aller vers cet objectif avec une montée selon la pente optimale de l’aéronef 1.
Dans l’étape 126, une trajectoire moyen terme à l’instant courant, TM(t), est calculée.
Celle-ci doit permettre de rallier la trajectoire court terme TC(t) calculée en sortie de l’étape 124 et la trajectoire long terme TL(t) en sortie de l’étape 121.
L’étape 126 consiste à exécuter le module 16.
Une condition pour calculer la trajectoire moyen terme est par exemple de minimiser la distance entre le point d’extrémité de la trajectoire court terme TC(t) et le point de départ de la trajectoire long terme TL(t), tout en respectant des critères pour rabouter ces deux trajectoires. Ces critères sont fondés sur les capacités nominales Cap de l’aéronef 1 , par exemple sur un rayon de courbure minimal de l’aéronef, une vitesse continue au point de jonction, etc.
De préférence les contraintes de sécurité à l’instant courant CS(t) sont également prises en compte dans l’étape 126.
L’étape 128 consiste ensuite à associer les trajectoires court, moyen et long terme à l’instant courant dans une unique trajectoire de vol exploitable par le système de guidage 20 de l’aéronef. Pour cela, le module d’agrégation 18 est exécuté. Une trajectoire T’(t) est ainsi obtenue à partir de TL(t), TM(t) et TC(t).
Eventuellement, dans l’étape 129, la sécurité de la trajectoire de vol T’(t) en sortie du module 18 est vérifiée. Cette étape correspond à l’exécution du module 19.
Cela permet de vérifier a posteriori, c’est-à-dire une fois la trajectoire de vol calculée, qu’elle est sûre de bout en bout.
Un fois validée, la trajectoire de vol à l’instant courant T(t) est transmise au module de guidage 20. En cas d’invalidation de la nouvelle trajectoire calculée, la mise à jour de la trajectoire n’est pas poursuivie, et la dernière trajectoire validée est conservée.
Ainsi, la mise à jour de la trajectoire court terme tout en conservant la trajectoire nominale en tant que trajectoire long terme, permet de construire une trajectoire de vol pour l’aéronef qui soit très réactive à l’évolution des contraintes opérationnelles Cop(t), en particulier la survenue d’évènements inopinés. Par rapport à l’état de la technique où l’évolution des contraintes opérationnelles n’est prise en compte qu’à travers le calcul d’un nouvel ensemble de trajectoires long terme, l’invention permet un temps de réaction bien plus court.
De plus la trajectoire court terme étant optimale, la trajectoire effectivement suivie à chaque instant par l’aéronef devient optimale. La figure 3 illustre la mise en œuvre de l’invention. Un aéronef A embarque le dispositif 10 et met en œuvre le procédé 100. La figure 3 illustre la trajectoire de vol suivie par l’aéronef A sur une période de 60 s.
A l’instant t=0, la boucle longue 110 achève une première itération permettant de calculer l’ensemble de trajectoires long terme E(0). Il comporte une trajectoire nominale Tn(0) et plusieurs trajectoires de déroutement Td(0).
Pendant les 60 itérations suivantes de la boucle court / moyen terme 120, entre t=0 et t=59, la trajectoire long terme sera sélectionnée dans cet ensemble E(0). Sauf aléa, la trajectoire long terme est donc égale à Tn(0).
L’itération de la boucle court / moyen terme 120 à t=0 permet de calculer une trajectoire court terme TC(0), puis une trajectoire moyen terme TM(0) connectant TC(0) et Tn(0).
L’itération de la boucle court / moyen terme 120 à t=1 permet de calculer une trajectoire court terme TC(1), puis une trajectoire moyen terme TM(1) connectant TC(1) et Tn(0).
L’itération de la boucle court / moyen terme 120 à t=2 permet de calculer une trajectoire court terme TC(2), puis une trajectoire moyen terme TM(2) connectant TC(2) et Tn(0)...
L’itération de la boucle court / moyen terme 120 à t=59 permet de calculer une trajectoire court terme TC(59), puis une trajectoire moyen terme TM(59) connectant TC(59) et Tn(0).
A t=60, la boucle long terme 110 achève une seconde itération permettant de calculer un nouvel ensemble de trajectoires long terme E(60), qui comporte les trajectoires long terme (Tn(60) ou Td(60)) qui seront utilisées pendant les 60 itérations suivantes de la boucle court / moyen terme 120.
L’itération de la boucle court / moyen terme 120 à t=60 permet de calculer une trajectoire court terme TC(60), puis une trajectoire moyen terme TM(60) connectant TC(60) et Tn(60).
La trajectoire Tf effectivement suivie par l’aéronef 1 est finalement l’association des portions des trajectoires court terme TC(t) effectivement parcouru par l’aéronef entre deux itérations de la boucle 110. Cette trajectoire est par conséquent optimale, au moins par portions.
La présente invention présente de nombreux avantages.
En particulier, la trajectoire court terme permet de gagner en efficacité alors que la trajectoire long terme est conservatrice. Le découplage des calculs entre trajectoires court terme, moyen terme et long terme permet une parallélisation des calculs, et ainsi de réduire la charge de travail sur le calculateur embarqué.
Par ailleurs, les contraintes de performance sur le calculateur sont également allégées grâce à la boucle temps long qui permet de réduire la fréquence à laquelle est mis à jour l’ensemble des trajectoires long terme, qui est, dans le calcul de la trajectoire de vol, la partie nécessitant le plus de ressources de calcul.
Ainsi, la fonction de navigation selon l’invention fournit à l’aéronef une trajectoire de vol sûre, optimisée et adaptée aux conditions opérationnelles, sur laquelle l’aéronef pourra se guider.
L’invention est applicable à toute fonction de navigation, en particulier pour les aéronefs autonomes, en premier lieu les drones.
Elle s’applique au transport aérien (passagers ou fret), en particulier pour des aéronefs autonomes (drones et avions sans pilote).
Lorsque le procédé est réalisé sous forme d’un ou plusieurs logiciels, c’est-à-dire sous forme d’un programme d’ordinateur, également appelé produit programme d’ordinateur, il est en outre apte à être enregistré sur un support, non représenté, lisible par ordinateur. Le support lisible par ordinateur est par exemple un medium apte à mémoriser des instructions électroniques et à être couplé à un bus d’un système informatique. A titre d’exemple, le support lisible est un disque optique, un disque magnéto-optique, une mémoire ROM, une mémoire RAM, tout type de mémoire non-volatile (par exemple FLASH ou NVRAM) ou une carte magnétique. Sur le support lisible est alors mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions logicielles.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (100) de calcul d’une trajectoire de vol (T(t)) pour un aéronef (A), caractérisé en ce que le procédé comporte une boucle court / moyen terme (120), dont les étapes sont itérées à une fréquence élevée, imbriquée dans une boucle long terme (110), dont les étapes sont itérées à une fréquence faible, la boucle long terme (110) conduisant au calcul d’une trajectoire long terme (TL(t)), la trajectoire long terme étant calculée pour répondre à des critères de sécurité, et la boucle court / moyen terme (120) conduisant d’abord au calcul d’une trajectoire court terme (TC(t)) , puis au calcul d’une trajectoire moyen terme (TM(t)), la trajectoire court terme étant calculée pour répondre à des critères d’optimalité, la trajectoire moyen terme raboutant le trajectoire court terme avec la trajectoire long terme.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la boucle long terme (110) comporte les étapes consistant à : consolidation (111) d’une pluralité de contraintes de sécurité ; calcul (112), en fonction de la pluralité de contraintes de sécurité, d’une position courante de l’aéronef, d’une pluralité de capacités techniques caractéristiques de l’aéronef, et d’une mission affectée à l’aéronef, d’un ensemble de trajectoires long terme à l’instant courant (E(t)), ledit ensemble E(t) comportant une trajectoire nominale (Tn(t)) et une pluralité de trajectoires de déroutement (Td(t)) ; et, Sélection (121), en tant que trajectoire long terme à l’instant courant (TL(t)), dans l’ensemble de trajectoires long terme à l’instant courant (E(t)), de la trajectoire nominale ou d’une des trajectoires de déroutement.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la boucle court / moyen terme (120) comporte les étapes consistant à : consolidation (122) d’une pluralité de contraintes opérationnelles et d’une pluralité de contraintes de sécurité ; calcul (124), en fonction de la pluralité de contraintes opérationnelles, de la pluralité de contraintes de sécurité, d’une position courante de l’aéronef et d’une mission, d’une trajectoire court terme à l’instant courant (TC(t)); calcul (126), en fonction de la pluralité de contraintes de sécurité, de la trajectoire court terme et de la trajectoire long terme, d’une trajectoire moyen terme.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à chaque pas de temps, les trajectoires long, moyen et court termes sont agrégées (128) dans une trajectoire de vol, la trajectoire de vol étant transmise à un système de guidage (20) de l’aéronef.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel, une fois les trajectoires long, moyen et court termes agrégées dans une trajectoire de vol, la trajectoire de vol est validée (129) selon des critères de sécurité avant d’être transmise au système de guidage de l’aéronef.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, un pas de temps étant égal à une seconde, la boucle court / moyen terme (120) est itérée avec une période d’une seconde, et la boucle long terme (110) est exécutée avec une période de 60 secondes.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mission est un plan de vol.
8. Système de navigation (10) destiné à être embarqué à bord d’un aéronef (A), caractérisé en ce qu’il est adapté pour mettre en œuvre un procédé de calcul d’une trajectoire de vol selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Aéronef (A) embarquant un système de navigation (10), caractérisé en ce que le système de navigation est conforme au système de navigation de la revendication 8.
10. Produit programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur de bord d’un aéronef, mettent en œuvre un procédé de navigation conforme au procédé selon l’une quelconque des revendications
PCT/EP2024/088505 2023-12-29 2024-12-27 Procédé amélioré de calcul d'une trajectoire de vol pour un aéronef; système de navigation, aéronef et produit programme d'ordinateur associés Pending WO2025141119A1 (fr)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20200074867A1 (en) * 2018-09-05 2020-03-05 Airbus Operations (S.A.S.) Method and system for generating and following an optimized flight trajectory of an aircraft
FR3131956A1 (fr) 2022-01-14 2023-07-21 Thales Système de sélection de trajectoire d'un aéronef muni d'un système de navigation et guidage automatique sur une trajectoire.

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