FR3090977A1

FR3090977A1 - Dispositif et procédé de gestion de système d’aéronefs

Info

Publication number: FR3090977A1
Application number: FR1873498A
Authority: FR
Inventors: Michel Roger; Hervé Goutelard; Christophe Pierre
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: FR3090977B1; EP3899429A1; US20220068148A1; WO2020127841A1; US12198557B2

Abstract

La présente invention concerne un procédé mis en œuvre par ordinateur pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement. Le procédé comprend des étapes consistant à : - calculer pour l’aéronef une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ; - définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ; - déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et - identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche. Figure 2

Description

Titre de l'invention : Dispositif et procédé de gestion de système d’aéronefs

Domaine de l’invention

[0001] L’invention concerne le domaine de la gestion de systèmes d’aéronefs. En particulier, l’invention concerne un dispositif et un procédé pour optimiser une mission d’un aéronef.

Technique antérieure

[0002] Dans les systèmes de gestion d’aéronefs embarqués actuels, il n’existe pas de procédé permettant la gestion et l’optimisation de la mission d’un aéronef de manière automatique.

[0003] Cette tâche s’effectue principalement au sol en préparation de mission, et parfois lors du déroulement de la mission via le centre des opérations de la compagnie aérienne lorsqu’elle en dispose d’un.

[0004] Des solutions d’aide à la gestion et l’optimisation de mission sont proposées comme : - le service « Direct Routes » de Boeing qui permet de communiquer pendant une mission des informations directement au centre des opérations et à l’équipage chaque fois qu’une route alternative plus économique en termes de consommation est disponible ;

- le système TAP (« Traffic Aware Planner ») de la NASA qui permet de proposer une route alternative plus économe en fuel et en temps à partir de l’analyse de la position courante de l’aéronef et de son plan de vol ;

- le brevet US6314362 BI de H. Erzberger et al propose un système automatique d'aide au contrôle du trafic aérien pour les contrôleurs aériens. Le principe consiste à identifier tous les aéronefs en vol sur des routes inefficaces, puis à déterminer s'il est possible de gagner du temps en contournant certains segments de route, et à déterminer si des routes optimisées sont disponibles sans conflit avec d’autres aéronefs. Une interface graphique (GUI) est utilisée pour permettre au contrôleur de la circulation aérienne d'envoyer l'avion directement à un point de cheminement ou de le rapprocher de l'aéroport de destination par une simple action de type pointer et cliquer.

- le brevet US20100198433 du demandeur propose une solution embarquée d’optimisation de la route latérale, s’appuyant sur la fonction « DIR TO » du système de gestion de vol pour proposer une modification locale du plan de vol. Cette solution se limite aux données disponibles à bord (base de données de navigation, performances avion) et aux conditions atmosphériques (vents).

[0005] Cependant, quelque soit la solution, l’ensemble des impératifs d’une mission ne sont pas considérés tous à la fois pour optimiser une trajectoire. Il existe alors le besoin d’une solution d’optimisation de plan de vol d’aéronef qui prenne en compte en permanence toutes les contraintes fixes et évolutives existant sur les points de cheminement du plan de vol et qui impactent la mission de l’aéronef. La présente invention répond à ce besoin.

Résumé de l’invention

[0006] Un objet de la présente invention est un procédé permettant généralement d’optimiser la mission d’un aéronef, et plus particulièrement optimiser un plan de vol au cours d’une mission. Le terme aéronef dans la présente description est compris comme étant un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. Par exemple, un aéronef peut être un avion ou un hélicoptère. L'aéronef comprend une cabine de pilotage ou un cockpit au sein duquel se trouvent des équipements de pilotage (dits équipements avioniques, certifiés par le régulateur aéronautique) et des équipements optionnels (dits non-avioniques ou « monde ouvert »). Les systèmes avioniques peuvent notamment comprendre des interfaces homme-machine IHM ou interfaces homme-système IHS, un ou plusieurs systèmes de gestion du vol de l’aéronef, un ou plusieurs systèmes de gestion de mission.

[0007] Un autre objet de la présente invention est un dispositif d’aide à l’optimisation de la mission d’un aéronef.

[0008] Dans un mode de réalisation pour le domaine de l’avionique, la présente invention propose un procédé permettant la recherche automatique de raccourcis constitués par des segments entre tout type de points de cheminement appartenant à un plan de vol et/ ou appartenant à une trajectoire de référence.

[0009] Ainsi pour obtenir les résultats recherchés, il est revendiqué des procédés, dispositifs et produit programme d’ordinateur selon différents modes de réalisation.

[0010] En particulier, il est proposé un procédé mis en œuvre par ordinateur pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement. Le procédé comprend des étapes consistant à :

- calculer pour l’aéronef une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ;

- définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ;

- déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points de cheminement, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et

- identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche.

[0011] Selon des modes de réalisation du procédé, alternativement ou en combinaison :

- l’étape de détermination de tous les raccourcis consiste à construire un graphe comprenant un ensemble de nœuds et d’arcs, les nœuds représentant des points de passage entre la position initiale et la position finale de la zone de recherche, les arcs représentant les raccourcis possibles.

- la position initiale de la zone de recherche est la position courante de l’aéronef.

- l’étape de construction d’un graphe comprend au moins une étape de discrétisation de la trajectoire de référence sur la zone de recherche et une étape de suppression de tous les raccourcis qui sont en intersection avec des zones à éviter.

- l’étape d’identification du chemin optimal consiste à appliquer sur le graphe un algorithme de plus court chemin.

- l’algorithme du plus court chemin est un algorithme de type Dijkstra.

- la zone de recherche est un espace correspondant à un secteur de contrôle aérien ou à une zone définie entre deux points caractéristiques du plan de vol ou à un espace entre deux points au choix d’un opérateur.

- le procédé comprend de plus une étape consistant à calculer les coûts engendrés par les différents chemins.

- le critère d’optimisation est un critère unique, notamment un critère d’optimisation de la consommation de fuel ou un critère d’optimisation du temps ou un critère d’optimisation de la distance.

- le critère d’optimisation est un critère multiple prenant en compte différents coûts.

- le procédé comprend de plus une étape consistant à afficher le chemin optimal. [0012] L’invention couvre aussi un produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé revendiqué, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur.

[0013] L’invention couvre de plus un dispositif pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement, le dispositif comprenant :

- des moyens pour calculer une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ;

- des moyens pour définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ;

- des moyens pour déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et

- des moyens pour identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche.

[0014] Un autre objet de l’invention est un système de gestion de vol pour aéronef comprenant un dispositif tel que revendiqué.

Description des figures

[0015] Différents aspects et avantages de l’invention vont apparaître en appui de la description d’un mode préféré d’implémentation de l’invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous :

[0016] [fig. 1] illustre les types de raccourcis avec des points de cheminement du plan de vol et des points intermédiaires d’une trajectoire de référence, sur une portion d’une trajectoire latérale entre une position initiale d’un aéronef (PPOS) et une position finale (wpt<) ;

[0017] [fig.2] montre des étapes générales du procédé d’optimisation de trajectoire de l’invention selon un mode de réalisation ;

[0018] [fig.3a] et

[0019] [fig.3b] et

[0020] [fig.3c] et

[0021] [fig.3d] et

[0022] [fig.3e] illustrent la construction d’un graphe de chemins selon un mode de réalisation ;

[0023] [fig.4] illustre les étapes de détermination du chemin optimal selon un mode de réalisation ;

[0024] [fig.5] illustre une structure d’un système de gestion de vol permettant d’implémenter le dispositif et le procédé de l’invention.

Description détaillée de l’invention

[0025] Lorsqu’un avion effectue un trajet entre deux aéroports, un plan de vol (FPLN) est déposé, afin d’en informer les services de la navigation aérienne. Ce dernier contient tous les renseignements spécifiés au sujet du vol projeté ou d’une partie du vol, et notamment :

- le type d’avion ;

- l’heure de départ ;

- le premier niveau de vol demandé pour la croisière ;

- l’équipement de bord ;

- la route prévue.

[0026] Le plan de vol entre un point de départ et un point d’arrivée à atteindre contient un ensemble des points de cheminement (en anglais « waypoints » (WPT)) ordonnés de façon prédéterminée, où à chaque point de cheminement, un changement de cap ou d’altitude ou de vitesse doit avoir lieu. Un waypoint est défini par une position géographique, des coordonnées de latitude, et de longitude. Tous ces points peuvent être choisis parmi des points prédéfinis dans une base de données de navigation, et qui peuvent correspondent à des aéroports, à des balises de radionavigation, etc...

[0027] Pour suivre son plan de vol, un avion utilise un système de gestion de vol (« Flight Management System » (FMS) en anglais). Le FMS est un système embarqué d’aide à la navigation, qui intègre des informations sur la performance de l’avion et sur sa position, informations provenant de capteurs de navigation, du plan de vol qui est stocké et de saisies manuelles. Son but est d’assister les pilotes, en fournissant via une interface homme-machine adaptée, des instructions de pilotage, ou de permettre un guidage automatique de l’avion le long de la trajectoire lorsqu’il est couplé avec le pilote automatique. Afin de guider l’aéronef pour suivre son plan de vol, le FMS utilise différents capteurs pour déterminer la position courante de l’avion (PPOS) et la précision de cette position. La précision est définie comme le degré de conformité entre la position estimée, mesurée ou souhaitée et la position réelle de l’aéronef à un instant donné. Le FMS permet aussi au pilote de modifier le plan de vol, pendant le vol, pour diverses raisons comme un retard induit par de mauvaises conditions atmosphériques à éviter, ou par des requêtes imposées par les organes de contrôle aérien (ATM). De manière régulière, à partir des points du plan de vol, le FMS calcule une trajectoire latérale. A partir du niveau de croisière et des contraintes d’altitude, le FMS calcule aussi un profil vertical. A partir des contraintes de vitesse et des vitesses optimisées de chaque phase de vol et en fonction d’un indice de coût qui est choisi par la compagnie aérienne, le FMS calcule un profil de vitesse. Compte tenu du plan de vol et de la position de l’avion, le FMS calcule la trajectoire de référence à suivre qui est une succession de segments droits et courbes. Les points reliant les segments de la trajectoire de référence peuvent correspondre à des points de cheminement du plan de vol ou être différents.

[0028] La figure 1 illustre une portion d’une trajectoire latérale entre une position initiale, illustrée dans l’exemple par un point correspondant à la position courante (PPOS) de l’aéronef, et une position finale, illustrée par un point de cheminement final WPT_f. Chaque point du plan de vol (WPT_b WPT₂, ..., WPT_;, ..., WPT_f) est représenté sur la portion considérée par un losange. Les points intermédiaires (Tl, T2,..., Tj, ..., T_m) de la trajectoire de référence sont représentés par des cercles pleins.

[0029] L’optimisation d’une trajectoire consiste à chercher une trajectoire qui minimise les coûts en considérant le prix du carburant, les coûts d’opération, les coûts de retard à l’arrivée, les coûts de survol des territoires aériens, les conditions météorologiques (température, pression atmosphérique, vitesse et direction des vents, perturbations, etc.), les zones interdites (zones militaires, turbulences, etc.) et les limitations de vitesse et d’altitude dans certaines régions.

[0030] Pour y parvenir, d’une manière générale la présente invention propose un procédé permettant une recherche automatique de raccourcis en prenant en compte tout type de points, des points d’une trajectoire de référence et/ou des points d’un plan de vol, et permettant de déterminer la combinaison de plusieurs raccourcis rendant la trajectoire optimale.

[0031] Ainsi par exemple sur la figure 1, il est montré différents types de raccourci (RI à R5) tels que:

- RI illustre un raccourci entre la position initiale (dans l’exemple la position courante PPOS) de l’aéronef et un point du plan de vol WPT₄;

- R2 illustre un raccourci entre deux points du plan de vol, WPT₅ et WPT₇ ;

- R3 illustre un raccourci entre un point du plan de vol WPT₈ et un point intermédiaire Ti de la trajectoire de référence ;

- R4 illustre un raccourci entre un point intermédiaire T_k de la trajectoire de référence et un point du plan de vol WPT_k;

- R5 illustre un raccourci entre deux points intermédiaires de la trajectoire de référence, Tj et T_m.

[0032] L’exemple illustré n’est pas limitatif et les principes de l’invention s’appliquent à toute variante de portion de vol en termes de nombre de points de cheminement du plan de vol, de points de la trajectoire de référence, de position initiale et de position finale.

[0033] Un raccourci de type RI entre la position courante PPOS de l’aéronef et un point du plan de vol correspond à un segment qui peut être activé par la fonctionnalité connue sous le nom de « DIRTO » d’un LMS, permettant une rejointe directe depuis la position courante vers le point de cheminement situé en aval.

[0034] Un raccourci de type R2 entre deux points du plan de vol correspond à un segment qui peut être activé par la fonctionnalité connue sous le nom « NEXT WPT » d’un LMS, permettant de voler directement d’un point de cheminement vers un autre point de cheminement situé en aval.

[0035] L’homme du métier comprend que des raccourcis autres que des segments, comme par exemple des arcs de cercle, sont aussi des raccourcis utilisables pour mettre en œuvre l’invention. On parlera de segments droits ou courbes.

[0036] Le procédé général de l’invention tel qu’illustré par la figure 2, permet dans une première étape (202) de déterminer tous les chemins existants entre un point initial et un point final en considérant la combinaison de tous les raccourcis possibles ; puis de calculer (204) les coûts engendrés par les différents chemins ; et ensuite de déterminer (206) le chemin (« chemin optimal ») minimisant le coût de la trajectoire selon un critère d’optimisation choisi.

[0037] Dans une étape ultérieure, le procédé permet d’afficher (208) les résultats - le chemin optimal et les gains procurés. De préférence les résultats sont affichés sur une interface à bord de l’aéronef sous la forme d’une trajectoire par exemple pour le chemin optimal.

[0038] Une interface de visualisation peut comprendre un ou plusieurs écrans d’affichage. Avantageusement, l’invention permet de tirer parti de systèmes d’interaction hommemachine modernes, fiables, robuste, et selon des modes de réalisation, les moyens d’affichage peuvent être des écrans tactiles, à retour de force, à réalité augmentée et/ou virtuelle. Les moyens d’affichage peuvent comprendre ou mettre en œuvre un ou plusieurs dispositifs tels que des casques de réalité virtuelle et/ou des lunettes de réalité augmentée (ex. head-mounted display, wearable computer, des glasses ou un visiocasque) et/ou des dispositifs de projection (ex. holographique). Un casque de réalité virtuelle porté par un pilote peut être opaque ou semi transparent ou à transparence configurable. L’affichage peut être à « visée haute ». Les informations peuvent être affichées dans un ou plusieurs casque(s) de réalité virtuelle et/ou augmentée. Les informations peuvent donc être entièrement virtuelles (affichées dans un casque individuel), entièrement réelles (par exemple projetées sur les surfaces planes disponibles dans l'environnement réel du cockpit de l’aéronef) ou une combinaison des deux (en partie un affichage virtuel superposé ou fusionné avec la réalité et en partie un affichage réel via des projecteurs). L'affichage peut également se caractériser par l'application de règles d'emplacements et de règles d'affichage prédéfinies. Par exemple, les interfaces homme-machine (ou les informations) peuvent être distribuées (segmentées en portions distinctes, éventuellement partiellement redondantes, puis réparties) entre les différents écrans virtuel ou réels.

[0039] Une fois affichée, le pilote (ou opérateur) peut sélectionner la nouvelle trajectoire proposée.

[0040] Selon les modes de réalisation, pour la détermination du chemin optimal, le pilote peut choisir soit un critère d’optimisation unique (Fuel ; Temps ; Distance) ou une fonction plus complexe prenant en compte différents coûts (Fuel + Indice Coût x Temps).

[0041] Une trajectoire optimale doit éviter des obstacles existants dans un espace aérien, en tenant compte d’une ou plusieurs métriques données (temps, distance, consommation de carburant, etc.). On considère généralement qu’un espace aérien contient des zones critiques telles que des zones avec une mauvaise météo ou des zones congestionnées, c’est-à-dire des zones parcourues par un trafic important. L’optimisation d’une trajectoire selon le procédé de l’invention prend en compte en permanence toutes les contraintes qui vont impacter une mission, qu’il s’agisse de contraintes fixes (critères d’une compagnie aérienne ou d’un client, caractéristiques et performances de l’aéronef), de contraintes liées à ΓΑΤΜ (taxes, caractéristiques, structures, règles des organismes de contrôle aérien (ATC) des différents secteurs, ...) ou de contraintes évolutives comme celles liées à l’environnement (conditions météo, congestion de trafic, zones de survol interdites) et les incertitudes sur les prévisions de son évolution.

[0042] Avantageusement, le procédé de l’invention permet de calculer et proposer des trajectoires optimisées qui sont :

- Efficaces vis-à-vis des attentes d’une compagnie / d’un client;

- Volables;

- Acceptables par l’ATC;

- Sûres ;

- Eaciles à exploiter dans le cockpit ; et

- Associées à un indice de confiance vis-à-vis des incertitudes sur les données utilisées (notamment les prévisions).

[0043] Les figures 3a à 3e détaillent l’étape (202) de détermination de tous les chemins possibles dans une zone de recherche (302), pour une portion d’une trajectoire latérale entre une position initiale, prise comme la position courante d’un aéronef (PPOS) pour l’exemple décrit, et une position finale WPT_f Une zone de recherche peut correspondre à différents espaces, tels que par exemple :

- un secteur de contrôle aérien ;

- des zones définies entre deux points caractéristiques du plan de vol (cela pourrait être entre deux points contraints en position, vitesse et/ou temps, de manière à garantir au procédé de considérer toutes les contraintes de la mission) ;

- un espace entre deux points selon le choix de l’opérateur.

[0044] Revenant aux figures 3a à 3e, elles illustrent les étapes pour la construction d’un graphe de chemins, le graphe comprenant un ensemble de nœuds et d’arcs représentatifs de tous les chemins avec raccourcis possibles, calculés à partir des données du plan de vol, d’une trajectoire de référence et de contraintes fixes. Le graphe permet de représenter tous les chemins possibles qui sont composés de combinaisons de raccourcis.

[0045] De manière plus précise, les données d’entrée de l’étape (202), consistent en une liste des points de cheminement du plan de vol initial, une liste des segments (droits et courbes) de la trajectoire de référence, un pas de discrétisation à appliquer et des contraintes statiques.

[0046] Les contraintes statiques à prendre en compte regroupent en général :

- des conditions initiales : point de départ (latitude, longitude, altitude, temps, poids) ;

- des conditions finales : point d’arrivée (latitude, longitude, altitude, temps, poids) ;

- des contraintes sur la zone de recherche de trajectoire optimale : soit il n’y a pas de contrainte, soit la recherche peut être faite par morceaux ou sur un secteur de contrôle par exemple ; et

- des zones à éviter fixes : de telles zones peuvent être représentées par des polygones 3D (qui peuvent représenter par exemple des secteurs fermés).

[0047] Le procédé de l’invention dans l’étape initiale (202) permet de générer un graphe dont les nœuds représentent des points de passage entre un point de départ et un point d’arrivée. Les nœuds peuvent être soit des points du plan de vol, soit des points intermédiaires de la trajectoire de référence. Les arcs du graphe représentent les raccourcis possibles entre les points, dans la zone de recherche. Dans un mode de réalisation, il est possible de sélectionner et limiter les types de raccourcis à prendre en compte pour la construction du graphe.

[0048] Comme illustré sur la figure 3a, le procédé débute pour une zone de recherche initiale (302) entre une position initiale, ici la position courante d’un aéronef (PPOS) et une position finale WPT_f en considérant l’ensemble des contraintes statiques.

[0049] Comme illustré sur la figure 3b, le procédé permet sur la zone de recherche, de discrétiser la trajectoire selon un pas de discrétisation (pré)défini, et de calculer la position géographique des points intermédiaires de la trajectoire correspondant au pas de discrétisation. A l’issue de cette étape, il est généré une trajectoire discrétisée (304) comprenant les points du plan de vol et les points intermédiaires de la trajectoire.

[0050] Ensuite, comme illustré sur la figure 3c, le procédé permet de déterminer pour la trajectoire discrétisée, tous les chemins possibles (306), dans un premier temps sans exclure de chemins de zones à éviter. Pour déterminer l’ensemble de tous les chemins possibles, le procédé permet en partant du premier point de la trajectoire discrétisée de créer un premier raccourci vers le point suivant de la trajectoire discrétisée et correspondant à l’un des types de raccourci possible. Puis le procédé réitère la recherche de raccourcis à partir du premier point vers chacun des autres points suivants de la trajectoire discrétisée, et ce jusqu’au point final, permettant ainsi de générer pour le premier point, un premier ensemble de chemins avec tout type de raccourcis, reliant le premier point à tous les points suivants de la trajectoire discrétisée. Le procédé permet ensuite de passer au point suivant de la trajectoire discrétisée, et d’appliquer le même processus itératif de relier le second point à tous les autres points suivants de la trajectoire discrétisée, permettant de générer un second ensemble de chemins reliant le second point à tous les points suivants de la trajectoire discrétisée. Le procédé est répété pour tous les points (sauf le point final) de la trajectoire discrétisée. Une fois tous les points de la trajectoire traités selon ce principe, dans une étape ultérieure illustrée en figure 3d, le procédé permet de supprimer tous les chemins qui sont en intersection avec des zones à éviter (308) (i.e. prise en compte des contraintes évolutives), et ainsi de générer tel qu’illustré sur la figure 3e, un graphe qui ne comprend que des chemins possibles avec raccourcis (310) entre le point initial et le point final WPT_f.

[0051] La figure 4 détaille l’étape (206) de détermination du chemin optimal parmi tous les chemins possibles qui ont été identifiés à l’étape précédente (202). Dans un mode de réalisation préféré, cette étape consiste à appliquer un algorithme de plus court chemin avec propagations de prédictions sur le graphe généré à l’étape précédente. Des calculs de prédictions sont faits lors du parcours du graphe, et il est estimé en chaque point un état prédictif de l’avion et un coût associé en chaque point.

[0052] Selon des variantes d’implémentation, l’algorithme appliqué peut être l’un des algorithmes de plus court chemin connus comme Dijkstra ou A* ou Bellman-Ford pour ne citer que ces exemples.

[0053] La solution proposée permet de considérer un ensemble de chemins définis par un graphe et de proposer le chemin optimal pour un aéronef d'un nœud à un autre nœud dans ce graphe, c’est-à-dire le chemin le moins coûteux selon les critères d’optimisation choisis (temps de vol ou distance ou fuel consommé ou une combinaison de ces critères), tout en considérant les contraintes dynamiques. Les contraintes dynamiques peuvent être :

- des zones interdites évolutives (ex : évènements météorologiques, zones de vol interdites) ;

- des zones poreuses (valeurs de probabilités / coûts associées) évolutives (ex : saturation de secteur ATC, zones de menaces militaires type détection radar) ;

- la performance de l’avion ;

- des conditions atmosphériques courantes.

[0054] Le principe général est qu’à chaque itération, le procédé tente de se rapprocher du point final de la destination et va privilégier les possibilités directement plus proches en termes de coût de la destination, en mettant de côté toutes les autres. Toutes les autres possibilités de chemin ne permettant pas de se rapprocher de la destination sont mises de côté, mais ne sont pas supprimées. Elles sont mises dans une liste de possibilités à explorer si jamais la solution explorée actuellement s'avère mauvaise. En effet, il n’est pas possible de savoir à l'avance si un chemin va aboutir ou sera le moins coûteux. Si ce chemin amène à une impasse, la solution devient inexploitable.

[0055] L'algorithme mis en œuvre va analyser d’abord les chemins les moins coûteux. Si ces chemins n'aboutissent pas ou bien s'avèrent inexploitables par la suite, le procédé permet d’examiner les solutions mises de côté. Avantageusement, par ce retour en arrière pour examiner les solutions mises de côté, il est garanti que l'algorithme va parcourir la totalité des chemins possibles pour trouver une solution optimale « dit chemin solution »

[0056] Le procédé utilise deux listes qui contiennent des nœuds du graphe ainsi que des valeurs de coûts et de prédictions associées. La première liste, appelée « liste ouverte », va contenir tous les nœuds du graphe à étudier. Dès que l'algorithme opère sur un nœud du graphe, ce dernier est mis dans la liste ouverte (sauf s'il y est déjà). La seconde liste, appelée « liste fermée », contient tous les nœuds qui, à un moment ou à un autre, ont été considérés comme faisant partie du chemin de la solution. Cette liste fermée sert à reconstituer le chemin de la solution retenue. Avant de passer dans la liste fermée, un nœud doit d'abord passer dans la liste ouverte, car en effet, il doit d'abord être étudié avant d'être considéré comme un bon candidat pour la solution optimale.

[0057] Comme pour tout graphe, chaque nœud a un parent, qui dans le cas présent est le nœud ‘optimal’ par lequel l’algorithme est arrivé avant le nœud courant considéré. Ainsi, un nœud parent représente le meilleur chemin entre deux nœuds. Le parent nœud est très important à la fin de l'algorithme, afin de retrouver le chemin optimal en parcourant à rebours la liste fermée des nœuds parents.

[0058] Ainsi, dans le graphe, un nœud courant est le regroupement des informations suivantes :

- le coût réel ‘G’ du nœud courant pour aller du point de départ au nœud courant, ce coût étant la somme du coût du parent et du coût du nœud courant ;

- le coût Ή’ estimé et conservateur (autrement dit d’une ligne directe qui ne tient pas compte des contraintes), pour aller du nœud courant au point de destination ;

- le coût ‘F’ estimé comme étant la somme des précédents coûts Ή’ et ‘G’ ;

- son nœud parent ;

- les nœuds voisins définis par les définitions du graphe ; et

- des attributs du nœud courant : attributs fixes (position 3D, distance...) et attributs prédits (fuel, temps...).

[0059] Pour déterminer si un nœud est susceptible de faire partie du chemin solution, le procédé doit quantifier les trois valeurs G, H et F ainsi que les attributs prédits. Le procédé permet d’analyser chacun des nœuds voisins du nœud courant pour déterminer celui qui a le plus de chance de faire partie du chemin solution.

[0060] La recherche du chemin commence par un premier nœud en étudiant tous ses voisins ; en calculant les différents coûts G, H et F, et en choisissant le meilleur pour continuer.

[0061] Chaque nœud étudié est mis dans la liste ouverte et le meilleur de cette liste passe dans la liste fermée ; il va servir de base (nœud parent) pour la recherche suivante.

[0062] Ainsi, à chaque itération le procédé permet de regarder parmi tous les nœuds qui ont été étudiés (et qui n'ont pas encore été choisis) celui qui a la meilleure qualité (coût ‘F’ minimum). L'algorithme s'arrête quand la destination a été atteinte avec une valeur de coût ‘F’ la plus faible parmi tous les nœuds ou bien lorsque toutes les solutions mises de côté (liste ouverte) ont été étudiées et qu'aucune ne s'est révélée bonne (cas où il n'y a pas de solution optimale).

[0063] Une fois que la destination a été atteinte, le procédé va reconstruire le chemin en suivant à chaque fois les nœuds parents présents dans la liste fermée, et remonte le fil jusqu'à arriver au nœud parent de départ.

[0064] Ainsi pour déterminer le chemin optimal prenant en compte l’ensemble des chemins avec raccourcis, le procédé illustré par les étapes de la figure 4 consiste à :

- Etape (402) : initialisation:

- de la liste ouverte avec le nœud de départ;

- du coût de tous les nœuds du graphe avec un coût ‘MAX’ ;

- Etape (404) : classer la liste ouverte par ordre de coût croissant ;

- Etape (406) : sélectionner le nœud à coût le plus faible comme nœud à étudier ;

- Etape (408) : déterminer si le nœud à étudier est le nœud final. Si oui, la solution optimale est trouvée (409) ; si non, le procédé poursuit ;

- Etape (410) : calculer pour chaque nœud suivant du nœud à étudier, les prédictions et les différents coûts G, H, F ;

- Etape (412) : Pour chaque nœud suivant, déterminer si le nœud est présent ou non dans la liste ouverte et avec quel coût ;

- Etape (414) : si le nœud suivant est déjà dans la liste ouverte, et si le coût F calculé est plus faible que celui déjà présent dans la liste ouverte ;

- Etape (415) mettre à jour les informations de coûts et de prédictions pour le nœud de la liste ouverte, et mettre à jour le parent de ce nœud en le remplaçant par le nœud à étudier;

- Etape (416) : si le nœud suivant n’est pas présent dans la liste ouverte, il y est ajouté avec ses informations de coûts et prédictions ;

- Etape (418) : mettre le nœud à étudier dans la liste fermée et le retirer de la liste ouverte ;

- Etape (420) : déterminer s’il reste des nœuds dans la liste ouverte. Le procédé itère tant que la liste ouverte n’est pas vide ;

- Etape (422) : quand tous les nœuds ont été étudiés (liste ouverte vide), le procédé se termine avec aucune solution optimale trouvée.

[0065] La figure 5 illustre une structure d’un système de gestion de vol permettant d’implémenter le procédé de l’invention. Par exemple, le système peut être un système de gestion de vol de type FMS (500), comprenant les composants adaptés pour réaliser les fonctionnalités connues et intégrant de plus un système d’optimisation de trajectoire (540) permettant de mettre en œuvre le procédé de l'invention.

[0066] Un système connu de type FMS dispose d'une interface homme-machine (520) comprenant par exemple un clavier et un écran d'affichage, ou bien simplement un écran d'affichage tactile, ainsi qu'au moins des modules permettant de réaliser les fonctions suivantes:

- Navigation (LOCNAV) (501), pour effectuer la localisation optimale de l’aéronef en fonction des moyens de géo-localisation (530) tels que le géo-positionnement par satellite ou GPS, GALILEO, les balises de radionavigation VHF, les centrales inertielles. Ce module communique avec les dispositifs de géo-localisation précités ;

- Plan de vol (FPLN) (502), pour saisir les éléments géographiques constituant le squelette de la route à suivre, tels que les points imposés par les procédures de départ et d’arrivée, les points de cheminement, les routes aériennes ou airways selon la dénomination anglo-saxonne ;

- Base de données de navigation (NAVDB) (503), pour construire des routes géographiques et des procédures à partir de données incluses dans les bases relatives aux points, balises, legs d’interception ou d’altitude... ;

- Base de données de performance, (PERFDB) (504), contenant les paramètres de performances aérodynamiques et moteurs de l’appareil ;

- Trajectoire (TRAJ) (505), pour construire une trajectoire 4D optimisée et continue, à partir des points du plan de vol et des contraintes associées, respectant les performances de l'aéronef et les contraintes de confinement (RNP) ;

- Prédictions (PRED) (506), pour fournir les prédictions (Altitude, temps, fuel) sur tous les points du plan de vol ;

- Guidage (GUID) (507), pour fournir des commandes permettant de guider l’aéronef le long du plan latéral, du profil vertical et du profil de vitesse ;

- Liaison de données numériques (DATALINK) (508) pour communiquer avec les centres de contrôle et les autres aéronefs (509).

[0067] Ainsi la présente invention peut s’implémenter à partir d’éléments matériels et/ou logiciel. Elle peut être disponible en tant que produit programme d’ordinateur sur un support lisible par ordinateur. Le support peut être électronique, magnétique, optique ou électromagnétique. Matériellement, le calculateur permettant d’opérer le procédé décrit, peut être implémenté sur tablette ou ordinateur portable (ou sur tout autre moyen de calcul externe à l’avionique, par exemple via des accès distants). Il peut également reposer sur des infrastructures de calcul au sol, reposant sur des architectures distribuées ou massivement parallèles. Dans un mode de réalisation, le procédé est mis en œuvre par ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer une ou plusieurs des étapes du procédé, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. Dans un mode de réalisation, le système pour la mise en œuvre de l’invention comprend un support de stockage lisible par ordinateur (RAM, ROM, mémoire flash ou une autre technologie de mémoire, par exemple support à disque ou un autre support de stockage non transitoire lisible par ordinateur) codé avec un programme d'ordinateur (c'est-à-dire plusieurs instructions exécutables) qui, lorsqu'il est exécuté sur un processeur ou plusieurs processeurs, effectue les fonctions des modes de réalisation décrits précédemment. A titre d'exemple d'architecture matérielle adaptée à mettre en œuvre l'invention, un dispositif peut comporter un bus de communication auquel sont reliés une unité centrale de traitement ou microprocesseur (CPU, acronyme de « Central Processing Unit » en anglais), lequel processeur peut être multi-core ou many-core; une mémoire morte (ROM, acronyme de « Read Only Memory » en anglais) pouvant comporter les programmes nécessaires à la mise en œuvre de l'invention; une mémoire vive ou mémoire cache (RAM, acronyme de « Random Access Memory » en anglais) comportant des registres adaptés à enregistrer des variables et paramètres créés et modifiés au cours de l'exécution des programmes précités ; et une interface de communication ou E/S (RO acronyme de « Input/ouput » en anglais) adaptée à transmettre et à recevoir des données.

[0068] Dans le cas où l'invention est implantée sur une machine de calcul reprogrammable (par exemple un circuit FPGA), le programme correspondant (c'est-à-dire la séquence d'instructions) peut être stocké dans ou sur un médium de stockage amovible (par exemple une carte SD, ou un stockage de masse tel que un disque dur ex. un SSD) ou non-amovible, volatile ou non-volatile, ce médium de stockage étant lisible partiellement ou totalement par un ordinateur ou un processeur. Le support lisible par ordinateur peut être transportable ou communicable ou mobile ou transmissible (i.e. par un réseau de télécommunication 2G, 3G, 4G, Wifi, BLE, fibre optique ou autre).

[0069] La référence à un programme d'ordinateur qui, lorsqu'il est exécuté, effectue l'une quelconque des fonctions décrites précédemment, ne se limite pas à un programme d'application s'exécutant sur un ordinateur hôte unique. Au contraire, les termes programme d'ordinateur et logiciel sont utilisés ici dans un sens général pour faire référence à tout type de code informatique (par exemple, un logiciel d'application, un micro logiciel, un microcode, ou toute autre forme d'instruction d'ordinateur, comme des web services ou SOA ou via des interfaces de programmation API) qui peut être utilisé pour programmer un ou plusieurs processeurs pour mettre en œuvre des aspects des techniques décrites ici. Les moyens ou ressources informatiques peuvent notamment être distribués (Cloud computing), éventuellement avec ou selon des technologies de pair-à-pair et/ou de virtualisation. Le code logiciel peut être exécuté sur n'importe quel processeur approprié (par exemple, un microprocesseur) ou cœur de processeur ou un ensemble de processeurs, qu'ils soient prévus dans un dispositif de calcul unique ou répartis entre plusieurs dispositifs de calcul (par exemple tels qu’éventuellement accessibles dans l’environnement du dispositif). Des technologies de sécurisation (crypto-processeurs, authentification éventuellement biométrique, chiffrement, carte à puce, etc.) peuvent être utilisées.

Claims

Revendications [Revendication 1] Procédé mis en œuvre par ordinateur pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement, le procédé comprenant des étapes consistant à : - calculer pour l’aéronef une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ; - définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ; - déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et - identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche. [Revendication 2] Le procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape de détermination de tous les raccourcis consiste à construire un graphe comprenant un ensemble de nœuds et d’arcs, les nœuds représentant des points de passage entre la position initiale et la position finale de la zone de recherche, les arcs représentant les raccourcis possibles. [Revendication 3] Le procédé selon la revendication 2 dans lequel l’étape de construction d’un graphe comprend au moins une étape de discrétisation de la trajectoire de référence sur la zone de recherche et une étape de suppression de tous les raccourcis qui sont en intersection avec des zones à éviter. [Revendication 4] Le procédé selon les revendications 2 ou 3, dans lequel l’étape d’identification du chemin optimal consiste à appliquer sur le graphe un algorithme de plus court chemin. [Revendication 5] Le procédé selon la revendication 4, dans lequel l’algorithme du plus court chemin est un algorithme de type Dijkstra. [Revendication 6] Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite zone de recherche est un espace correspondant à un secteur de contrôle aérien ou à une zone définie entre deux points caractéristiques du plan de vol ou à un espace entre deux points au choix d’un

opérateur. [Revendication 7] Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant avant l’étape de détermination du chemin optimal, une étape consistant à calculer les coûts engendrés par les différents chemins. [Revendication 8] Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le critère d’optimisation est un critère unique, notamment un critère d’optimisation de la consommation de fuel ou un critère d’optimisation du temps ou un critère d’optimisation de la distance. [Revendication 9] Le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel le critère d’optimisation est un critère multiple prenant en compte différents coûts. [Revendication 10] Le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de plus une étape consistant à afficher le chemin optimal. [Revendication 11] Le procédé selon l’une quelconque des revendications dans lequel la position initiale est la position courante de l’aéronef. [Revendication 12] Produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. [Revendication 13] Dispositif pour optimiser une mission d’un aéronef, l’aéronef ayant un plan de vol prédéfini entre un point de départ et un point d’arrivée, le plan de vol comprenant un ensemble de points de cheminement, le dispositif comprenant : - des moyens pour calculer une trajectoire de référence entre le point de départ et le point d’arrivée, la trajectoire de référence comprenant un ensemble de segments et de points intermédiaires reliant les segments de la trajectoire de référence ; - des moyens pour définir une zone de recherche sur la trajectoire de référence entre une position initiale et une position finale à atteindre pour cette zone ; - des moyens pour déterminer sur ladite zone de recherche, tous les raccourcis possibles entre la position initiale et la position finale, un raccourci pouvant prendre en compte tout type de points, des points du plan de vol et/ou des points intermédiaires de la trajectoire de référence ; et - des moyens pour identifier la combinaison de raccourcis correspondant à un chemin optimal selon un critère d’optimisation, ledit chemin

optimal optimisant la mission de l’aéronef sur ladite zone de recherche.

[Revendication 14] Un système de gestion de vol pour aéronef comprenant un dispositif selon la revendication 13.