FR3103178A1 - Procede d'aide a l'atterrissage d'un aeronef sur une piste d'atterrissage - Google Patents
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Abstract
Procédé d’aide à l’atterrissage d’un aéronef sur une piste d’atterrissage
La présente invention concerne un procédé d’aide à l’atterrissage d’un aéronef (12) sur une piste d’atterrissage (10), le procédé comprenant :
- la détection, par un radar (32), d’éléments caractéristiques (16) de la piste d’atterrissage (10),
- la détermination du décalage angulaire entre l’axe du radar (YR) et l’axe de la piste en fonction des coordonnées des éléments caractéristiques (16) détectés, et
- la détermination, en fonction du décalage angulaire déterminé et des coordonnées des éléments caractéristiques (16) détectés, de :
la distance de la projection orthogonale sur l’axe de la piste de la projetée horizontale du radar (32), etla distance de la projection orthogonale sur la droite passant par le seuil de piste de la projetée horizontale du radar (32).
Figure pour l'abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne un procédé d’aide à l’atterrissage d’un aéronef sur une piste d’atterrissage. La présente invention concerne aussi un dispositif d’aide à l’atterrissage associé.
Dans le domaine de l’aéronautique, il est connu d’équiper les aéronefs de dispositifs d’aide à l’atterrissage. De tels dispositifs visent notamment à déterminer la position de l’aéronef par rapport à la piste d’atterrissage.
Un dispositif d’aide à l’atterrissage connu comprend un radar permettant d’acquérir des images de la piste d’atterrissage. Pour déterminer la position relative de l’aéronef par rapport à la piste, un calculateur compare les images acquises à des images de référence issues d’une base de données d’images. La base de données comprend notamment des images de pistes d’atterrissage d’un ensemble d’aéroports. La comparaison permet d’identifier la piste d’atterrissage, ce qui permet ensuite, en fonction d’éléments caractéristiques de l’image, de calculer la position relative de l’aéronef par rapport à la piste.
Néanmoins, un tel dispositif d’aide permet une aide fiable seulement si la piste d’atterrissage est référencée dans la base de données d’images. En outre, un tel dispositif est lourd à embarquer dans l’aéronef, notamment du fait de sa base de données qui occupe un volume mémoire important.
Il existe donc un besoin pour un dispositif d’aide à l’atterrissage qui permette une aide fiable quel que soit l’aéroport d’atterrissage tout en étant moins consommateur de ressources.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé d’aide à l’atterrissage d’un aéronef sur une piste d’atterrissage, la piste d’atterrissage ayant un axe longitudinal à égal distance des bords longitudinaux de la piste, appelé axe de la piste, la piste d’atterrissage comprenant un ensemble d’éléments caractéristiques, les éléments caractéristiques étant répartis sur la piste d’atterrissage en au moins deux rangées longitudinales et au moins une rangée transversale, les rangées longitudinales étant sensiblement parallèles à l’axe de la piste, deux des rangées longitudinales étant disposées chacune le long d’un bord longitudinal distinct de la piste, la ou chaque rangée transversale étant sensiblement perpendiculaire à l’axe de la piste, la dernière rangée transversale dans le sens d’atterrissage des aéronefs sur la piste étant appelée seuil de piste, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif d’aide à l’atterrissage comprenant un radar et un calculateur, le radar ayant un axe longitudinal de détection, dit axe du radar, le procédé comprenant:
- la détection, par le radar, d’éléments caractéristiques de la piste d’atterrissage, chaque détection étant associée à des coordonnées,
- la détermination du décalage angulaire entre l’axe du radar et l’axe de la piste en fonction des coordonnées des éléments caractéristiques détectés, et
- la détermination, en fonction du décalage angulaire déterminé et des coordonnées des éléments caractéristiques détectés, de:
- la distance de la projection orthogonale sur l’axe de la piste de la projetée horizontale du radar, appelée décalage axial, la projetée horizontale du radar étant la projection orthogonale de la position du radar dans le plan horizontal de la piste, et
- la distance de la projection orthogonale sur la droite passant par le seuil de piste de la projetée horizontale du radar, appelée distance au seuil de piste.
Selon d’autres aspects avantageux de l’invention, le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles:
- l’étape de détermination du décalage angulaire comprend:
- la conversion des coordonnées de chaque détection en coordonnées cartésiennes,
- pour chaque valeur de décalage angulaire comprise dans un intervalle de valeurs prédéterminées, la détermination, pour chaque détection, d’une coordonnée cartésienne selon l’axe des abscisses, corrigée de la valeur dudit décalage angulaire,
- pour chaque valeur de décalage angulaire comprise dans l’intervalle de valeurs prédéterminées, la détermination du nombre de détections correspondant à chaque coordonnée cartésienne corrigée selon l’axe des abscisses, la valeur de décalage angulaire associée au plus grand nombre de détections étant le décalage angulaire entre l’axe du radar et l’axe de la piste.
- l’étape de détermination de distances comprend:
- le calcul des coordonnées cartésiennes de chaque détection, corrigées du décalage angulaire déterminé à l’étape de détermination, dites coordonnées cartésiennes optimales,
- la détermination d’un histogramme des positions selon l’axe des abscisses de chaque détection en fonction des coordonnées cartésiennes optimales de chaque détection, l’histogramme ayant au moins deux pics, et
- la détermination du décalage axial en fonction des coordonnées cartésiennes selon l’axe des abscisses d’au moins les deux pics de l’histogramme.
- l’étape de détermination de distances comprend:
- le calcul des coordonnées cartésiennes de chaque détection, corrigées du décalage angulaire déterminé à l’étape de détermination, dite coordonnées cartésiennes optimales,
- la détermination d’un histogramme des positions selon l’axe des ordonnées de chaque détection en fonction des coordonnées cartésiennes optimales de chaque détection, l’histogramme ayant au moins un pic, et
- la détermination de la distance au seuil de piste en fonction des coordonnées cartésiennes selon l’axe des ordonnées du ou des pics de l’histogramme.
- le procédé comprend une étape de détermination de la valeur d’au moins une grandeur de trajectoire en fonction du décalage axial déterminé et de la distance au seuil de piste déterminée, la ou chaque grandeur de trajectoire étant choisie parmi: une déviation latérale angulaire de l’aéronef, une déviation verticale angulaire de l’aéronef, une déviation latérale métrique de l’aéronef et une déviation verticale métrique de l’aéronef.
- le procédé comprend une première étape de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef par rapport à l’axe de la piste exprimée selon deux composantes en fonction de la variation au cours du temps de la distance au seuil de piste et de la variation au cours du temps du décalage axial.
- le procédé comprend une deuxième étape de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef par rapport à l’axe de la piste exprimée selon deux composantes en fonction des valeurs au cours du temps du décalage angulaire déterminé et des coordonnées cartésiennes des détections corrigées dudit décalage angulaire.
- la deuxième étape de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef comprend:
- la détermination d’un premier nuage de points représentatif des positions réellesdes détections à un premier instant, corrigées de la valeur du décalage angulaire déterminé,
- la détermination d’un deuxième nuage de points représentatif des positions réelles des détections à un deuxième instant, corrigées de la valeur du décalage angulaire déterminé, le deuxième instant étant postérieur au premier instant,
- la détermination, pour des valeurs tests des composantes de la vitesse horizontale de l’aéronef, de troisièmes nuages de points représentatifs des positions théoriques des détections au deuxième instant en fonction du premier nuage de points, et
- le calcul de la distance entre le premier nuage de points et chaque troisième nuage de points, les composantes de la vitesse horizontale étant obtenues en fonction de la distance minimale calculée et de l’écart de temps entre le premier instant et le deuxième instant.
L’invention concerne, en outre, un dispositif d’aide à l’atterrissage d’un aéronef sur une piste d’atterrissage, la piste d’atterrissage ayant un axe longitudinal à égal distance des bords longitudinaux de la piste, appelé axe de la piste, la piste d’atterrissage comprenant un ensemble d’éléments caractéristiques, les éléments caractéristiques étant répartis sur la piste d’atterrissage en au moins deux rangées longitudinales et au moins une rangée transversale, les rangées longitudinales étant sensiblement parallèles à l’axe de la piste, deux des rangées longitudinales étant disposées chacune le long d’un bord longitudinal distinct de la piste, la ou chaque rangée transversale étant sensiblement perpendiculaire à l’axe de la piste, la dernière rangée transversale dans le sens d’atterrissage des aéronefs sur la piste étant appelée seuil de piste, le dispositif d’aide à l’atterrissage comprenant un radar et un calculateur, le radar ayant un axe longitudinal de détection, dit axe du radar, le dispositif d’aide à l’atterrissage étant configuré pour mettre en œuvre un procédé d’aide à l’atterrissage tel que décrit précédemment.
L’invention concerne aussi un aéronef comprenant un dispositif d’aide à l’atterrissage tel que décrit précédemment.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement, et en référence aux dessins qui sont:
- figure 1, une représentation schématique d’un aéronef approchant d’une piste d’atterrissage,
- figure 2, une représentation schématique vue de dessus d’un exemple de piste d’atterrissage et de la projetée horizontale d’un radar de l’aéronef dans le plan horizontal de la piste d’atterrissage,
- figure 3, une représentation schématique d’un exemple du calculateur d’un dispositif d’aide à l’atterrissage,
- figure 4, un organigramme d’un exemple d’un procédé d’aide à l’atterrissage,
- figure 5, une représentation schématique vue de dessus de la piste d’atterrissage de la figure 2 sur laquelle a été ajouté des points et angles de référence,et
- figure 6, une représentation schématique vue de côté de la piste d’atterrissage de la figure 2 sur laquelle a été ajouté des points et angles de référence.
Une piste d’atterrissage 10 et un aéronef 12 en vol sont illustrés par la figure 1. Comme visible sur cette figure1, l’aéronef 12 se rapproche de la piste d’atterrissage10 en vue d’un atterrissage sur cette piste 10.
La piste d’atterrissage 10 est une surface rectangulaire destinée à l’atterrissage et au décollage d’aéronefs. La piste d’atterrissage 10 comprend des bords longitudinaux(deux) et des extrémités transversales (deux) délimitant la piste d’atterrissage 10.
La longueur de la piste d’atterrissage 10 est, par exemple, comprise entre 3 kilomètres (km) et 4 km. La largeur de la piste d’atterrissage 10 est, par exemple, comprise entre 25 m et 45 m.
Comme visible sur la figure 2, la piste d’atterrissage 10 présente un axe longitudinal dans la direction longitudinale de la piste 10 et à égal distance des bords longitudinaux de la piste 10. Cet axe longitudinal est appelé axe de la piste Y. Un axe perpendiculaire à l’axe de la piste Y est aussi représenté sur la figure 2, par la référence «X».
La piste d’atterrissage 10 comprend un ensemble d’éléments caractéristiques16. Par soucis de clarté, seuls certains éléments caractéristiques 16 sont numérotés sur la figure 2. Les éléments caractéristiques 16 sont, par exemple, des lampes, aussi appelées balises lumineuses. En variante, les éléments caractéristiques 16 sont des réflecteurs radar (type trièdres ou lentilles de Luneberg). Encore en variante, les éléments caractéristiques 16 sont d’autres éléments existants sur une piste d’atterrissage.
Les éléments caractéristiques 16 sont répartis sur la piste d’atterrissage 10 en au moins deux rangées longitudinales 18A, 18B et au moins une rangée transversale20.
Les rangées longitudinales 18A, 18B sont sensiblement parallèles à l’axe de la piste Y. Deux des rangées longitudinales 18A, 18B sont disposées chacune le long d’un bord longitudinal distinct de la piste 10. Par le terme «disposé le long», il est entendu que les rangées sont disposées à moins de trois mètre du bord longitudinal correspondant.
La ou chaque rangée transversale 20 est sensiblement perpendiculaire à l’axe de la piste Y. Dans l’exemple illustrée par la figure 1, la piste d’atterrissage 10 comprend trois rangées transversales 20A, 20B, 20C d’éléments caractéristiques 16. La dernière rangée transversale 20A dans le sens d’atterrissage des aéronefs sur la piste 10 est appelée seuil de piste (rangée 20A dans l’exemple de la figure 2).
En variante, la piste d’atterrissage 10 comprend au moins trois rangées longitudinales: les deux rangées longitudinales 18A, 18B et une troisième rangée longitudinale 18C (non représentée) disposée le long de l’axe de la piste Y et en dessous du seuil de piste.
L’aéronef 12 est, par exemple, un avion ou un hélicoptère.
Comme visible sur la figure 1, l’aéronef 12 comprend un dispositif 30 d’aide à l’atterrissage. Le dispositif 30 comprend au moins un radar 32 et un calculateur 34.
Le radar 32 définit un repère représenté sur la figure 1 par un repère cartésien de centre OR, d’abscisses XR, d’ordonnées YRet d’élévation ZR. L’axe des ordonnéesYRest l’axe longitudinal de la détection et est appelé axe du radar. Lorsque le radar32 est correctement positionné sur l’aéronef 12, l’axe du radar YRcoïncide avec l’axe longitudinal de l’aéronef 12.
Le radar 32 est avantageusement un radar à onde millimétrique. De préférence, la résolution en distance du radar est de l’ordre de quelques mètres, et la résolution angulaire du radar est fine, c’est-à-dire de l’ordre de quelques dixièmes de degrés.
Le radar 32 comprend de préférence au moins trois voies de réception permettant de mesurer, pour chaque détection, la distance radiale de la détection, l’angle circulaire dans le repère du radar 32 de la détection et l’angle d’élévation dans le repère du radar 32 de la détection. La distance radiale d’un point quelconque M est sa distance à l'origine ORdu repère. L'angle circulaire, ou la circulaire, est l'angle de la projection sur le plan (ORXRYR) de l'angle porté par l'axe (ORYR) et la droite (ORC) passant par le point visé C. L’angle d’élévation est l’angle formé entre le plan(ORXRYR) du radar 32 et la droite allant depuis le radar 32 vers le point viséC.
Le calculateur 34 est, par exemple, un ordinateur.
Dans l’exemple illustré par la figure 3, le calculateur 34 comprend un processeur40 comprenant une unité de traitement de données 42, des mémoires 44, un lecteur de support d’information 46 et, optionnellement, une interface homme-machine 48 comprenant un clavier 50 et un afficheur 52.
L’unité de traitement 42 est en interaction avec un produit programme d’ordinateur. Le produit programme d’ordinateur comporte un support d’information. Le support d’information est un support lisible par l’unité de traitement 42. Le support lisible d’information est un medium adapté à mémoriser des instructions électroniques et capable d’être couplé à un bus d’un système informatique.
A titre d’exemple, le support d’informations est une clé USB, une disquette ou disque souple (de la dénomination anglaise «Floppy disc»), un disque optique, un CD-ROM, un disque magnéto-optique, une mémoire ROM, une mémoire RAM, une mémoire EPROM, une mémoire EEPROM, une carte magnétique ou une carte optique.
Sur le support d’information est mémorisé le programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme.
Le programme d’ordinateur est chargeable sur l’unité de traitement de données42 et est adapté pour entraîner la mise en œuvre d’étapes d’un procédé d’aide à l’atterrissage qui sera décrit dans la suite de la description.
Dans un autre exemple, le calculateur 34 est réalisé sous la forme d’un ou plusieurs composants logiques programmables, tel que des FPGA (de l’anglaisField Programmable Gate Array), ou encore sous la forme d’un ou plusieurs circuits intégrés dédiés, tel que des ASIC (de l’anglaisApplication Specific Integrated Circuit). Le calculateur 34 est dans ce cas configuré pour mettre en œuvre des étapes d’un procédé d’aide à l’atterrissage comme cela sera décrit dans la suite de la description.
En variante ou en complément, le calculateur 34 est embarqué dans le radar32.
Le fonctionnement du dispositif d’aide à l’atterrissage 30 va maintenant être décrit en référence à la figure 4 qui illustre schématiquement un exemple de mise en œuvre d’un procédé d’aide à l’atterrissage.
Le procédé d’aide à l’atterrissage est mis en œuvre lors d’une approche de l’aéronef 12 de la piste d’atterrissage 10 en vue d’un atterrissage.
Le procédé d’aide à l’atterrissage est avantageusement mis en œuvre en temps réel, c’est-à-dire à chaque instant.
Le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une étape 100 de détection, par le radar 32, d’éléments caractéristiques 16 de la piste d’atterrissage 10. Chaque détection est associée à des coordonnées. Notamment, chaque détection est définie par une distance radiale, un angle circulaire dans le repère du radar 32 et un angle d’élévation dans le repère du radar 32. A l’issue de l’étape de détection, il est ainsi obtenue une image radar sur laquelle sont représentées les détections.
De façon équivalente, après changement de repère, chaque détection peut être définie parune distance radiale D, un angle de site S, défini par rapport à l’horizontal locale à l’aéronef 12 et un angle de gisement G, défini par rapport à l’axe longitudinal de l’aéronef 12.
Par exemple, Pour passer des coordonnées (élévation ,circulaire) = (E,C) vers (site, gisement) = (S,G), on commence par calculer le vecteur directeur en cartésien ux = cosE.cosC, uy = cosE.sinC et uz = sinE. On applique alors à ce vecteur la matrice de rotation correspondant à l’opposé de l’angle de calage radar en élévation, puis la matrice de rotation correspondant à l’opposé du roulis de l’avion, puis la matrice de rotation correspondant à l’opposé du tangage de l’avion. Le vecteur obtenu est en coordonnées cartésiennes dans le repère horizontal local à l’avion et les valeurs du site et gisement s’obtiennent en effectuant la transformation de cartésien vers polaire.
Une telle opération suppose de connaître l’angle de calage en élévation du radar (lié à l’installation mécanique du radar sur l’avion), du roulis et du tangage de l’avion, généralement fournis par la centrale inertielle de l’avion.
Avantageusement, le radar 32 applique un traitement de type taux constant de fausses alertes (en anglais CFAR pour «constant false alarm rate») sur l’image radar obtenue, ce qui permet une meilleure détection des éléments caractéristiques 16. Ainsi, temporellement, on commence par former une «image radar» à partir des signaux rétrodiffusés par le sol et reçus par le radar. A cette image, on applique un traitement CFAR qui permet de fournir une liste de détections avec leurs coordonnées.
Le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une étape 110 de détermination du décalage angulaire T entre l’axe du radar YRet l’axe de la piste Y en fonction des coordonnées des éléments caractéristiques 16 détectés. L’étape de détermination110 est mise en œuvre par le calculateur 34.
Dans un premier exemple, il est exploité le fait que les éléments caractéristiques16 sont alignés en rangées parallèles à l’axe de la piste Y.
Dans ce premier exemple, l’étape de détermination 110 comprend la conversion des coordonnées des éléments détectés en coordonnées cartésiennes. Les coordonnées cartésiennes sont données par les formules suivantes:
Où:
-
-
-
-
-
Ensuite, l’étape de détermination 110 comprend, pour des valeurs tests de décalage angulaire Ttest, la détermination, pour chaque détection, d’une coordonnée cartésienne selon l’axe des abscisses, corrigée de la valeur dudit décalage angulaireTtest. Les valeurs tests de décalage angulaire Ttestsont les valeurs comprises dans un intervalle de valeurs prédéterminé avec un pas prédéterminé. L’intervalle de valeurs est, par exemple, compris entre -10 degrés (°) et 10 ° et le pas prédéterminé égal au dixième de degrés. Ainsi, pour chaque valeur test de décalage angulaire Ttest, les coordonnées cartésiennes selon l’axe des abscisses des détections sont obtenues par la formule suivante:
Puis, pour chaque valeur test de décalage angulaire Ttest, l’étape de détermination 110 comprend la détermination du nombre de détections correspondant à chaque coordonnée cartésienne corrigée selon l’axe des abscisses. La valeur de décalage angulaire Ttestassociée au plus grand nombre de détections est le décalage angulaire T entre l’axe du radar YRet l’axe de la piste Y. Cela revient à réaliser, pour chaque valeur test de décalage angulaire Ttest , un histogramme des positions selon l’axe des abscisses (en x) et à compter, pour chaque intervalle suivant l’axe x, le nombre de détections dont la position en x est donnant le pic le plus haut (quelle que soit la valeur de x), ce qui traduit le fait que les détections ont été alignées au mieux par rapport à l’axe de la piste Y.
Optionnellement, le décalage angulaire T est affiné par recherche de la position du maximum de la régression d’ordre deux autour de ce pic.
Dans un deuxième exemple, le décalage angulaire T est obtenu en effectuant une analyse par composante principale (ACP) de la liste des détections. Dans ce cas, il est d’abord calculé la matrice de covariance des couples (x,y), ce qui permet d’en déduire les vecteurs propres et enfin le décalage angulaire T.
Dans un troisième exemple, le décalage angulaire T est obtenu en appliquant une transformée de Hough à la liste des détections, et le point d’accumulation donne le décalage angulaire T
Les deuxième et troisième exemples donnent toutefois des résultats moins robustes que le premier exemple, car chaque élément caractéristique ne correspond pas toujours à une détection (probabilité de détection < 1), ou certaines détections peuvent ne pas être des éléments caractéristiques 16 (autres objets à proximité de la piste pouvant conduire à une détection, ou fausse alarme).
A l’issue de l’étape de détermination 110, les coordonnées des détections en cartésien corrigées du décalage angulaire T, appelées coordonnées cartésiennes optimales, sont données parles formules suivantes:
Le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une étape 120 de détermination de la position relative de l’aéronef 12 par rapport à la piste d’atterrissage 10 en fonction du décalage angulaire T déterminé et des coordonnées des éléments caractéristiques 16 détectés. L’étape de détermination 120 est mise en œuvre par le calculateur 34.
Pour cela, il est déterminé une première distance appelée décalage axialDAet une deuxième distance appelée distance au seuil de piste DSHT. Le décalage axialDAest la distance de la projection orthogonale sur l’axe de la piste Y de la projetée horizontale PHdu radar 32. La projetée horizontale PHdu radar 32 est la projection orthogonale de la position du radar 32 dans le plan horizontal de la piste 10. La distance au seuil de piste DSHTest la distance de la projection orthogonale sur la droite passant par le seuil de piste de la projetée horizontale PHdu radar 32.
Par exemple, le décalage axialDAest obtenu par détermination d’un histogramme des positions selon l’axe des abscisses de chaque détection en fonction des coordonnées cartésiennes optimales de chaque détection. L’histogramme obtenu présente autant de pics que de rangées longitudinales d’éléments caractéristiques 16 sur la piste 10. En conséquence, l’histogramme comprend au moins deux pics latéraux correspondants aux deux rangées longitudinales 18A, 18B s’étendant le long des bords longitudinaux de la piste d’atterrissage 10. Le décalage axial DAcorrespond, par exemple, à la moyenne des cordonnées selon l’axe des abscisses (en x) des deux pics latéraux.
En variante, lorsque la piste 10 présente en outre une rangée longitudinale d’éléments caractéristiques 16 s’étendant le long de l’axe de la piste Y, l’histogramme obtenu présente aussi un pic central entre les deux pics latéraux. Dans ce cas, le décalage axial DAest, par exemple, la position en x du pic central.
Par exemple, la distance au seuil de piste DSHTest obtenue par détermination d’un histogramme des positions selon l’axe des ordonnées de chaque détection en fonction des coordonnées cartésiennes optimales de chaque détection. L’histogramme obtenu présente autant de pics que de rangées transversales d’éléments caractéristiques 16 sur la piste 10. La distance au seuil de piste DSHTest dans ce cas, la coordonnée selon l’axe des ordonnées (en y) du pic le plus éloigné, c’est-à-dire le pic ayant la plus grande coordonnée en y.
Optionnellement, le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une étape 130 de détermination de la valeur d’au moins une grandeur de trajectoire en fonction du décalage axial DAdéterminé et de la distance au seuil de piste DSHTdéterminée. L’étape de détermination 130 est mise en œuvre par le calculateur 34.
Les déviations de trajectoire (métriques et angulaires) sont, par exemple, définies par la norme DO-253C, relativement à l’outil «Final Approach Segment» (de l’anglais abrégé en FAS traduit en français par «Segment d'approche finale») défini par la norme DO-229E.
En particulier, les déviations de trajectoire sont définies par rapport à des angles et distances de référence illustrées par les figures 5 et 6 qui sont:
- le point LTP (de l’anglais «Landing Threshold Point» traduit en français par «point de seuil d’atterrissage») est le point du sol S situé à l’intersection de l’axe de la piste Y et du seuil de piste.
- le point FPAP (point d’alignement de trajectoire de vol) est un point situé par rapport au LTP. Ils sont alignés suivant l’axe de la piste Y, et l’écart entre ces deux points est donné en écart de latitude et longitude.
- le point GARP est un point situé sur l’axe de la piste Y et positionné à305mètres au-delà du FPAP.
- Le point GPIP (point d’interception de l’alignement de la descente) est situé à290m du LTP suivant l’axe de la piste Y.
- l’angle GPA (de l’anglais «Glide Path Angle» traduit en français par «angle de descente») représente l’angle de la trajectoire idéale par rapport à l’horizontale locale au LTP. Il vaut généralement 3°.
L’outil «Final Approach Segment» permet de calculer la position des points GPIP, FPAP et GARP.
La ou chaque grandeur de trajectoire est choisie parmi: une déviation latérale angulaire δhorde l’aéronef 12, une déviation verticale angulaire α de l’aéronef 12, une déviation latérale métrique de l’aéronef 12 et une déviation verticale métrique de l’aéronef 12. Une déviation latérale angulaire est une déviation relative au plan vertical terrestre passant par l’axe de la piste Y. Une déviation verticale angulaire est une déviation relative à un cône dontle sommet est le GPIP, l’axe de révolution est la verticale terrestre au GPIP et l’angle relatif au plan horizontal terrestre au GPIP est un angle appelé le GPA (de l’anglais «Glide Path Angle» traduit en français par «angle de descente»). La déviation latérale métrique est égale au décalage axial DA.
Pour déterminer les déviations de trajectoire, on nomme H, la hauteur de l’aéronef par rapport au plan horizontal terrestre au GPIP (représentée sur la figure6). La hauteur H de l’aéronef est une information extérieure au radar 32 ou, de façon préférentielle, déterminée par le radar 32.
Lors de l’étape précédente 120 de détermination de distances, il a été déterminé, la distance au seuil de piste DSHTqui est une distance dans le plan horizontal terrestre au GPIP et le décalage axial DAqui est une distance dans le plan horizontal terrestre au GPIP. La distance au seuil de piste DSHTest relié à la hauteurH de l’aéronef 12 par la formule suivante:
DS²=H²+DSHT² (6)
Où DSest la distance oblique du radar 32 par rapport à l’axe de la piste Y.
Les déviations latérales sont alors calculées par les formules suivantes:
(8)
Les déviations latérales sont de signe positif lorsque le FAS est à tribord de l’aéronef et négatif sinon. Les déviations verticales sont de signe positif lorsque l’aéronef est au-dessus du cône de référence et négatif sinon.
A partir de ces déviations de trajectoire calculées, cela permet d’effectuer un monitoring de la trajectoire réelle de l’aéronef 12 par rapport à la trajectoire théorique, ou même d’aller jusqu’à un guidage automatique de l’aéronef en vue de l’atterrissage.
Optionnellement, le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une première étape 140 de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef 12 par rapport à l’axe de la piste Y exprimée selon deux composantes Vx, Vy en fonction de la variation au cours du temps de la distance au seuil de piste DSHTet de la variation au cours du temps du décalage axial DA. La composante Vx est la composante de la vitesse projetée sur l’axe des abscisses. La composante Vy est la composante de la vitesse projetée sur l’axe des ordonnées. L’étape de détermination 140 est mise en œuvre par le calculateur 34.
En particulier, la variation au cours du temps de la distance au seuil de piste DSHTdonne la composante Vy de la vitesse, et la variation au cours du temps du décalage axial DAdonne la composante Vx de la vitesse. Par exemple, de telles variations au cours du temps sont calculées au moyen d’un filtre de Kalman.
Optionnellement, le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une deuxième étape 150 de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef 12 par rapport à l’axe de la piste Y exprimée selon les deux composantes Vx, Vy en fonction des valeurs au cours du temps du décalage angulaire T déterminé et des coordonnées cartésiennes des détections corrigées dudit décalage angulaire T. L’étape de détermination 150 est mise en œuvre par le calculateur 34.
En particulier, la deuxième étape 150 de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef 12 comprend par exemple:
- la détermination d’un premier nuage de points P1 représentatif des positions réelles des détections à un premier instant T1, corrigées de la valeur du décalage angulaire T déterminé. Le premier instant T1 est, par exemple, l’instant courant.
- la détermination d’un deuxième nuage de points P2 représentatif des positions réelles des détections à un deuxième instant T2, corrigées de la valeur du décalage angulaire T déterminé. Le deuxième instant T2 est, par exemple, l’instant suivant.
- la détermination, pour des valeurs tests des composantes Vx, Vy de la vitesse horizontale de l’aéronef 12, de troisième nuages de points P12 représentatifs des positions théoriques P12 des détections au deuxième instant T2, en fonction du premier nuage de points P1. La position théoriqueP12 du troisième nuage de points est donné par la formule suivante: P12=P1-V*(T2-T1) avec V la vitesse horizontale de l’aéronef 12, P1 la position du premier nuage de points et P2 la position du deuxième nuage de points. Les valeurs test des composantes Vx, Vy sont par exemple comprises dans un intervalle de valeurs prédéterminées.
- le calcul de la distance entre le premier nuage de points P1 et chaque troisième nuage de points P12. Les composantes Vx, Vy de la vitesse horizontale correspondant à la valeur minimale de distance sont considérées comme étant les composantes de la vitesse horizontale de l’aéronef 12. Les composantes Vx, Vy sont donc obtenues en fonction de la distance minimale calculée et de l’écart de temps entre l’instant courant T1 et le deuxième instant T2.
Par exemple, la distance calculée entre les nuages de points est la distance de chanfrein définie par :
Où :
-
La prise en compte de nuages de points et non de points seuls permet de s’affranchir du bruit de mesure.
Là encore, on peut affiner l’estimation en effectuant une régression d’ordre 2 autour de la valeur minimale de distance, et on peut effectuer un lissage de cette estimation de vitesse, par exemple par un filtre de Kalman.
Optionnellement, le procédé d’aide à l’atterrissage comprend une étape 160 de détermination d’un indicateur de confiance par comparaison des composantes (Vx, Vy) de la vitesse horizontale de l’aéronef 12 obtenues par la première et la deuxième étape de détermination. L’étape de détermination 160 est mise en œuvre par le calculateur 34.
Par exemple, lorsqu’un écart entre les composantes respectives de la vitesse horizontale obtenues entre les deux étapes est supérieur à une valeur prédéterminée, l’indice de confiance déterminé est strictement inférieur à une valeur seuil d’indice de confiance. La valeur de l’indice de confiance est supérieure à la valeur seuil dans le cas contraire. Une valeur d’indice de confiance supérieure à la valeur seuil indique que la position relative de l’aéronef 12 déterminée lors de l’étape de détermination110 est fiable, de même que les valeurs obtenues de vitesse horizontale. Dans le cas contraire, les valeurs déterminées sont susceptibles d’être erronées.
Ainsi, le dispositif et le procédé décrits permettent de déterminer différents paramètres aidant à l’atterrissage de l’aéronef 12, et ce de manière autonome, sans recourir à une base de données et sans faire d’hypothèse sur la disposition précise des éléments caractéristiques 16 de la piste d’atterrissage 10. Un tel dispositif et un tel procédé sont donc utilisables quel que soit l’aéroport et quel que soit la piste d’atterrissage 10. En particulier, seuls des éléments caractéristiques 16 déjà présents sur la piste sont utiles pour la mise en œuvre du procédé. Ainsi, aucune infrastructure au sol supplémentaire n’est requise.
Un tel dispositif d’aide à l’atterrissage 30 est ainsi susceptible de venir en complément ou en remplacement d’un système ILS (de l’anglais «Instrument Landing System» traduit en français par «Système d’atterrissage aux instruments»).
Ainsi, le procédé et le dispositif décrits permettent une aide fiable pour l’atterrissage d’un aéronef 12 quel que soit l’aéroport d’atterrissage tout en étant moins consommateur de ressources.
L’homme du métier comprendra que les modes de réalisation décrits précédemment sont susceptibles d’être combinés entre eux lorsqu’une telle combinaison est compatible.
Claims (10)
- Procédé d’aide à l’atterrissage d’un aéronef (12) sur une piste d’atterrissage (10), la piste d’atterrissage (10)ayant un axe longitudinal à égal distance des bords longitudinaux de la piste (10), appelé axe de la piste (Y), la piste d’atterrissage (10) comprenant un ensemble d’éléments caractéristiques (16), les éléments caractéristiques (16) étant répartis sur la piste d’atterrissage (10) en au moins deux rangées longitudinales (18A, 18B) et au moins une rangée transversale(20A, 20B, 20C), les rangées longitudinales (18A, 18B) étant sensiblement parallèles à l’axe de la piste (Y), deux des rangées longitudinales (18A, 18B) étant disposées chacune le long d’un bord longitudinal distinct de la piste (10), la ou chaque rangée transversale (20A, 20B, 20C) étant sensiblement perpendiculaire à l’axe de la piste (Y), la dernière rangée transversale (20A) dans le sens d’atterrissage des aéronefs sur la piste (10) étant appelée seuil de piste, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif d’aide à l’atterrissage (30) comprenant un radar (32) et un calculateur (34), le radar (32) ayant un axe longitudinal de détection, dit axe du radar (YR), le procédé comprenant:
- la détection, par le radar (32), d’éléments caractéristiques (16) de la piste d’atterrissage (10), chaque détection étant associée à des coordonnées,
- la détermination du décalage angulaire (T) entre l’axe du radar (YR) et l’axe de la piste (Y) en fonction des coordonnées des éléments caractéristiques (16) détectés, et
- la détermination, en fonction du décalage angulaire (T) déterminé et des coordonnées des éléments caractéristiques (16) détectés, de:- la distance de la projection orthogonale sur l’axe de la piste (Y) de la projetée horizontale (PH) du radar (32), appelée décalage axial (DA), la projetée horizontale (PH) du radar (32) étant la projection orthogonale de la position du radar (32) dans le plan horizontal de la piste (10), et
- la distance de la projection orthogonale sur la droite passant par le seuil de piste de la projetée horizontale (PH) du radar (32), appelée distance au seuil de piste (DSHT).
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de détermination du décalage angulaire (T) comprend:
- la conversion des coordonnées de chaque détection en coordonnées cartésiennes,
- pour chaque valeur de décalage angulaire (Ttest) comprise dans un intervalle de valeurs prédéterminées, la détermination, pour chaque détection, d’une coordonnée cartésienne selon l’axe des abscisses, corrigée de la valeur dudit décalage angulaire (Ttest),
- pour chaque valeur de décalage angulaire (Ttest) comprise dans l’intervalle de valeurs prédéterminées, la détermination du nombre de détections correspondant à chaque coordonnée cartésienne corrigée selon l’axe des abscisses, la valeur de décalage angulaire (Ttest) associée au plus grand nombre de détections étant le décalage angulaire (T) entre l’axe du radar (YR) et l’axe de la piste (Y). - Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape de détermination de distances comprend:
- le calcul des coordonnées cartésiennes de chaque détection, corrigées du décalage angulaire (T) déterminé à l’étape de détermination, dites coordonnées cartésiennes optimales,
- la détermination d’un histogramme des positions selon l’axe des abscisses de chaque détection en fonction des coordonnées cartésiennes optimales de chaque détection, l’histogramme ayant au moins deux pics, et
- la détermination du décalage axial (DA) en fonction des coordonnées cartésiennes selon l’axe des abscisses d’au moins les deux pics de l’histogramme. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape de détermination de distances comprend:
- le calcul des coordonnées cartésiennes de chaque détection, corrigées du décalage angulaire (T) déterminé à l’étape de détermination, dite coordonnées cartésiennes optimales,
- la détermination d’un histogramme des positions selon l’axe des ordonnées de chaque détection en fonction des coordonnées cartésiennes optimales de chaque détection, l’histogramme ayant au moins un pic, et
- la détermination de la distance au seuil de piste (DSHT) en fonction des coordonnées cartésiennes selon l’axe des ordonnées du ou des pics de l’histogramme. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le procédé comprend une étape de détermination de la valeur d’au moins une grandeur de trajectoire en fonction du décalage axial (DA) déterminé et de la distance au seuil de piste (DSHT) déterminée, la ou chaque grandeur de trajectoire étant choisie parmi: une déviation latérale angulaire de l’aéronef (12), une déviation verticale angulaire de l’aéronef (12), une déviation latérale métrique de l’aéronef (12) et une déviation verticale métrique de l’aéronef (12).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le procédé comprend une première étape de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef (12) par rapport à l’axe de la piste (Y) exprimée selon deux composantes(Vx, Vy) en fonction de la variation au cours du temps de la distance au seuil de piste (DSHT) et de la variation au cours du temps du décalage axial (DA).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le procédé comprend une deuxième étape de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef (12) par rapport à l’axe de la piste (Y) exprimée selon deux composantes(Vx, Vy) en fonction des valeurs au cours du temps du décalage angulaire (T) déterminé et des coordonnées cartésiennes des détections corrigées dudit décalage angulaire (T).
- Procédé selon la revendications 7, dans lequel la deuxième étape de détermination de la vitesse horizontale de l’aéronef (12) comprend:
- la détermination d’un premier nuage de points (P1) représentatif des positions réellesdes détections à un premier instant (T1), corrigées de la valeur du décalage angulaire (T) déterminé,
- la détermination d’un deuxième nuage de points (P2) représentatif des positions réelles(P2) des détections à un deuxième instant (T2), corrigées de la valeur du décalage angulaire (T) déterminé, le deuxième instant (T2) étant postérieur au premier instant (T1),
- la détermination, pour des valeurs tests des composantes (Vx, Vy) de la vitesse horizontale de l’aéronef (12), de troisièmes nuages de points (P12) représentatifs des positions théoriques (P12) des détections au deuxième instant (T2) en fonction du premier nuage de points (P1), et
- le calcul de la distance entre le premier nuage de points (P1) et chaque troisième nuage de points (P12), les composantes (Vx, Vy) de la vitesse horizontale étant obtenues en fonction de la distance minimale calculée et de l’écart de temps entre le premier instant (T1) et le deuxième instant (T2). - Dispositif (30) d’aide à l’atterrissage d’un aéronef (12) sur une piste d’atterrissage (10), la piste d’atterrissage (10)ayant un axe longitudinal à égal distance des bords longitudinaux de la piste (10), appelé axe de la piste (Y), la piste d’atterrissage (10) comprenant un ensemble d’éléments caractéristiques (16), les éléments caractéristiques (16) étant répartis sur la piste d’atterrissage (10) en au moins deux rangées longitudinales (18A, 18B) et au moins une rangée transversale(20A, 20B, 20C), les rangées longitudinales (18A, 18B) étant sensiblement parallèles à l’axe de la piste (Y), deux des rangées longitudinales (18A, 18B) étant disposées chacune le long d’un bord longitudinal distinct de la piste (10), la ou chaque rangée transversale (20A, 20B, 20C) étant sensiblement perpendiculaire à l’axe de la piste (Y), la dernière rangée transversale (20A) dans le sens d’atterrissage des aéronefs sur la piste (10) étant appelée seuil de piste, le dispositif d’aide à l’atterrissage (30) comprenant un radar (32) et un calculateur (34), le radar (32) ayant un axe longitudinal de détection, dit axe du radar (YR), le dispositif d’aide à l’atterrissage (30) étant configuré pour mettre en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Aéronef comprenant un dispositif d’aide à l’atterrissage selon la revendication 9.
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