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WO2008031723A1 - Procede et dispositif pour aeronef, d'evitement des collisions avec le terrain - Google Patents

Procede et dispositif pour aeronef, d'evitement des collisions avec le terrain Download PDF

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Publication number
WO2008031723A1
WO2008031723A1 PCT/EP2007/058979 EP2007058979W WO2008031723A1 WO 2008031723 A1 WO2008031723 A1 WO 2008031723A1 EP 2007058979 W EP2007058979 W EP 2007058979W WO 2008031723 A1 WO2008031723 A1 WO 2008031723A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
aircraft
terrain
avoidance
maneuver
trajectory
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/058979
Other languages
English (en)
Inventor
Hugues Meunier
Nicolas Marty
Julia Percier
Original Assignee
Thales
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 filed Critical Thales
Priority to US12/440,513 priority Critical patent/US8897935B2/en
Publication of WO2008031723A1 publication Critical patent/WO2008031723A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C23/00—Combined instruments indicating more than one navigational value, e.g. for aircraft; Combined measuring devices for measuring two or more variables of movement, e.g. distance, speed or acceleration
    • G01C23/005—Flight directors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/04—Control of altitude or depth
    • G05D1/06—Rate of change of altitude or depth
    • G05D1/0607—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/04—Control of altitude or depth
    • G05D1/06—Rate of change of altitude or depth
    • G05D1/0607—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft
    • G05D1/0653—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft during a phase of take-off or landing
    • G05D1/0676—Rate of change of altitude or depth specially adapted for aircraft during a phase of take-off or landing specially adapted for landing
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
    • G08G5/70—Arrangements for monitoring traffic-related situations or conditions
    • G08G5/74—Arrangements for monitoring traffic-related situations or conditions for monitoring terrain
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G5/00—Traffic control systems for aircraft
    • G08G5/80—Anti-collision systems

Definitions

  • the present invention relates to the prevention of aviation accidents in which an aircraft remains maneuverable crashes on the ground and, if necessary, despite alerts and prior alarms.
  • This type of accident known in the technical literature under the acronym CFIT from the English expression "Controlled Flight Into Terrain", was one of the main causes of transport aircraft accidents and the number of fatalities. last years.
  • CFIT Controlled Flight Into Terrain
  • TAWS Terrain Awareness & Alerting Systems
  • the crew who knows himself in a dangerous situation from which he can not escape by a simple maneuver from the top, must decide in an emergency, often in the absence of visibility and the only sight of the threatening reliefs appearing on the navigation screen, a change of course again opening up the possibility of relief from the top.
  • the purpose of the Terrain Tracking function is to keep a weapons plane as close as possible to the ground, at a predetermined height, so as not to be seen by hostile elements. Whenever there is a risk of a collision with the ground, this function engages an avoidance maneuver of the smallest possible size to remain sticking to the ground. In the case of transport aircraft, helicopters and even drones for certain missions, the operational objective is not to stick to the terrain but to follow programmed trajectories either manually or automatically, via a management calculator. FMS flight (acronym for the English expression: "Flight Management System”) or an automatic pilot PA avoiding as much as possible any significant alteration of this trajectory, except to avoid terrain with proven risk of collision.
  • FMS flight ascronym for the English expression: "Flight Management System”
  • an automatic pilot PA avoiding as much as possible any significant alteration of this trajectory, except to avoid terrain with proven risk of collision.
  • the protection volume surrounds an extrapolation of the current trajectory of the aircraft extended by a climb path prediction. Its penetration by the ground is assimilated to a risk of collision with the ground. If there is a proven risk of collision with the terrain, the system will step back up the current trajectory extrapolation to determine the end point of the aircraft's trajectory to which a purely vertical avoidance maneuver can be applied successfully. . When the limit point is exceeded or is no longer possible to determine, the system then initiates a search for a practicable path of lateral avoidance by angular scanning of the terrain profiles, on either side of the current trajectory of the aircraft. .
  • This TAWS system gives an alert when the limit of application of a purely vertical avoidance maneuver is exceeded and emits an alarm when it appears that it will no longer be possible to find a lateral avoidance path. It responds to the concerns of better crew assistance faced with the need to perform a lateral avoidance maneuver as it is also able to act on the flight director to guide the pilot in following a lateral or autopilot avoidance trajectory to execute a lateral avoidance trajectory.
  • This system which does not seem to be operational today, has the disadvantage of resorting to a modeling of the dynamic behavior of the aircraft which is complex to perform and which poses significant certification problems with a view to putting it into operation. operational because the level of accuracy of this behavioral modeling intervenes in the operational safety of the TAWS system itself.
  • This system implements, for the determination of the limit point, the monitoring of a penetration of a terrain model overflown in a first volume of protection related to the aircraft and configured to model a standard maneuvering trajectory of vertical avoidance executed without delay, said trajectory being advantageously predefined according to parameters such as the type of the aircraft, its weight and even its inertia or climbing time, and for the determination of the azimuthal clearance sectors, a analysis of terrain model penetrations overflown in a second azimuthal protection volume, linked to the aircraft and configured to contain the limit-point protection volume and, for the different azimuths covered, to model flight paths; a composite maneuver beginning with course change maneuvers to reach the azimuth considered and continues by the standard vertical terrain avoidance maneuver, the said trajectories being, on their parts corresponding to the standard vertical avoidance maneuver, predefined advantageously according to parameters such as the type of the aircraft, its weight and even its inertia or delay of climbing.
  • the present invention aims an embedded system on board an aircraft, informing the crew of an aircraft on its possibilities of route change in order to reliably resolve a conflict with the terrain and to avoid as much as possible other potential future conflicts with the terrain, giving indications as to the moment of initiation, either manually or automatically, of a maneuver of avoidance in the event of a proven risk of collision with the terrain and indications on the avoidance maneuver to be carried out, manually or automatically, to avoid this proven risk of collision.
  • It also aims at a system for preventing collisions with the terrain, providing the crew of an aircraft with assistance in determining and / or monitoring an avoidance trajectory able to resolve an ongoing conflict with the aircraft. field, which can be obtained by simply upgrading existing TAWS systems, or can be associated with existing TAWS systems.
  • free-distance distance estimation means for estimating, in each azimuthal clearance zone, on an arbitrarily configured distance trajectory and over a distance corresponding to several minutes of flight, a free path distance free of potential conflict with the field, and
  • the azimuthal clearing sector signaling allows the crew of an aircraft to know the possible course changes, crew preference naturally towards the most open sectors without prejudging possible medium term conflicts with the land not taken into account because beyond the scope of the protection volume used for the determination of the clearance areas. Signage for each clearing area of their free-range distance gives the crew additional information about potential medium-term conflicts that they may face in attempting to resolve an ongoing conflict with the terrain. The crew is better equipped to choose the safest avoidance path.
  • the free-distance distance estimation means determine, on the distance trajectories, possible limit points for the success of a standard vertical avoidance maneuver marking the limit of a free-distance distance.
  • the free-distance distance estimation means determine, on the distance trajectories, possible initiation points of a vertical avoidance maneuver with an arbitrary slope, lower than that of a standard avoidance maneuver. vertical, the so-called initiation points being taken as the limit of an immediate free distance.
  • the distance trajectory considered in a clearance sector is a rectilinear trajectory with a constant slope.
  • the distance path considered in a clearance sector is a horizontal rectilinear trajectory.
  • the distance path considered in a clearance sector is a rectilinear trajectory reproducing the slope of the current trajectory of the aircraft.
  • the distance trajectory considered in a clearance sector is an upward rectilinear trajectory.
  • the composite maneuver used to develop the protection volume for the determination of the clearance sectors begins with a change of course maneuver consisting of turning into a horizontal plane.
  • the composite maneuver used to develop the protection volume for the determination of the clearance sectors begins with a change of course maneuver consisting of an up-turn.
  • the standard vertical avoidance maneuver considered for the determination of the free-run distances in the clearance sectors has its predefined trajectory according to the type of the aircraft and its climbing capabilities.
  • the standard vertical avoidance maneuver considered for the determination of free-distance distances in Clearance Areas has a predefined flight path based on aircraft type and current configuration.
  • the system for preventing collisions with the terrain also comprises means of selecting a composite terrain avoidance maneuver minimizing the route change and possible medium-term conflicts with the terrain.
  • the system for preventing collisions with the terrain further includes means for displaying the selected composite terrain avoidance maneuver (s).
  • the system for preventing collisions with the terrain further comprises means for guiding the aircraft crew in performing a composite terrain avoidance maneuver.
  • the system for preventing collisions with the terrain also comprises means for automatically executing a composite terrain avoidance maneuver directly on the aircraft flight controls.
  • the system for preventing collisions with the terrain also comprises medium-term collision risk warning means with the terrain involving, in order to be solved, a change of trajectory of the aircraft, on the part of the aircraft.
  • crew likening a collision with the terrain to the penetration of the terrain into an aircraft-related warning protection volume modeling a predefined trajectory of a standard vertical avoidance maneuver committed in the medium term.
  • the system for preventing collisions with the terrain also comprises short-term collision risk warning means with the terrain assimilating a short-term collision with the terrain to the penetration of the terrain into a protection volume of the terrain.
  • aircraft-related alarm modeling a predefined trajectory of standard short-term vertical avoidance maneuver.
  • the terrain collision avoidance system comprises medium and short-term terrain collision warning and alarm means, it implements a protection volume for the determination of the clearance sectors. and warning and alarm protection volumes modeling predefined standard avoidance maneuver paths of different types, the predefined trajectory modeled in the protection volume for the determination of clearance sectors with a higher climb slope than the predefined trajectories modeled in the warning and alarm protection volumes.
  • FIG. 1 illustrates the shape of a probe constituting the lower and front surface of a protective volume linked to the aircraft and used for the detection of the crossing of the success limit point of a standard vertical avoidance maneuver
  • FIG. 2 illustrates the shape of an azimuthal wide-angle analysis probe used for the determination of clearance sectors
  • FIG. 3 gives an example of penetration of the ground in the analysis probe illustrated in FIG. 2;
  • FIG. 4 illustrates a way of determining the azimuthal sectors open to a disengagement maneuver in the example of penetration of the ground in the analysis probe shown in FIG. 3;
  • FIG. 5 illustrates a way of estimating, in azimuth sectors open for clearance, free-range distances free from potential conflict with the terrain,
  • FIG. 6 gives an example of a one-dimensional display of the azimuthal sectors open to a clearance maneuver
  • FIG. 7 gives an example of a two-dimensional display of the azimuthal sectors open to a disengagement maneuver and the distances offered for a free course free of potential conflicts with the field
  • FIG. 8 is a diagram explaining the determination of the position of an initialization point of a vertical ascent maneuver with a moderate climb slope
  • FIG. 9 gives an example of two-dimensional display of the azimuthal sectors open to a disengagement maneuver, and distances offered for immediate and short-term free passage
  • FIGS. 10 and 11 represent, in vertical and horizontal projections, the association of the limit point and analysis probes with warning and alarm probes,
  • FIG. 12 shows, in vertical section, an association of limit point probes, analysis, alert, alarm and end of conflict
  • FIGS. 13, 14 and 15 illustrate, in horizontal section, various forms of feelers
  • FIG. 16 illustrates a possible operation of a collision avoidance system with the terrain in accordance with the invention
  • FIG. 17 illustrates the implementation of a collision avoidance system with the terrain according to the invention. in an aircraft environment.
  • the system for preventing collisions with the terrain is based firstly on a priori knowledge of the trajectories corresponding to the standard maneuvers of vertical terrain avoidance advised to the pilot of an aircraft, and secondly , on the currently well-controlled forecast on a short delay, of the order of a few minutes, of the trajectory followed by an aircraft, made from the characteristics and possibly evolutions of the speed vector of the aircraft, to provide the pilot with a indication of one or more effective avoidance paths with or without an automatic engagement of an avoidance maneuver in case of imminent conflict with the terrain.
  • the various predetermined shapes of the trajectory followed during a maneuver standard of vertical avoidance or the data of the aircraft's climbing capabilities from which they derive may, for example, be stored in an onboard database and selected from the parameter values such as the weight and / or the inertia of the aircraft delivered by the flight instruments as well as other configuration parameters.
  • this system for the prevention of collisions with terrain assimilates the risks of collision with the terrain to the penetration of a model of terrain overflown elaborated from a topographic database, in one or more volumes of protection. related to the aircraft modeling trajectories of standard vertical avoidance maneuvers engaged in more or less short term.
  • the protection volumes extend in front of the aircraft, in its direction of progression with lower and front surfaces with longitudinal profiles in the form of a pallet corresponding to a predetermined trajectory of standard vertical avoidance maneuver engaged to more or less short term from an extrapolation of the trajectory of the aircraft deduced from the characteristics and possibly variations of its velocity vector. They are called "feelers" because they are mainly defined by their inferior and frontal surfaces since it is a question of detecting a penetration of the terrain overflown. More precisely, the system for preventing collisions with the terrain that will be described implements:
  • a first limit-point probe for the effectiveness of a standard vertical avoidance maneuver for detecting a risk of collision with the terrain that can not be simply avoided by a standard vertical avoidance maneuver and possibly signaling it to the pilot of the aircraft by oral or visual indications,
  • a second probe for analyzing the lateral escape possibilities offered by the surroundings of the aircraft to determine the azimuthal sectors open to a standard vertical avoidance maneuver preceded by a change of heading called composite avoidance maneuver and signaling these sectors to the pilot (for example by means of trend bars appearing on a screen displaying the primary flight parameters) if a reaction is required on his part to avoid the collision with the terrain, a third and a fourth alert and alarm probe, of staggered length, constructed around standard vertical avoidance maneuvers engaged later than for the first and second probes, and conventionally used to trigger earlier alarms and alarms signaling the ones, the alerts, the need to correct in the short term the trajectory followed by the aircraft and the others, the alarms, the obligation to engage without delay a standard maneuver of vertical avoidance,
  • a fifth probe constructed around a standard avoidance maneuver engaged, during the resolution of a proven risk of ground collision, on a trajectory repeating the orientation of the trajectory initially followed during the detection of the confirmed risk of a ground collision and used to detect the end of resolution of a proven risk of ground collision, - an automaton which optionally provides commands (slope and heading) to an autopilot for the execution of a maneuver avoidance maneuver.
  • commands slope and heading
  • a signaling device providing the various oral or visual indications characterizing the evolution of a risk of collision with the terrain, including early warnings and alarms of risk of collision with the terrain, the alarm for exceeding the limit of effectiveness standard vertical avoidance maneuvers, the azimuth sectors still open to a standard vertical avoidance maneuver after exceeding the limit point, the ensured resolution of a proven risk of collision with the ground taking into account the trajectory of the maneuver avoidance undertaking, the end of the resolution of a proven risk of ground collision and the actual disappearance of a proven risk of collision with the ground, and
  • a TAWS-type system emits an oral alarm of the type
  • the trajectory followed can directly bring an aircraft, from the first warning point, to the limit point of effectiveness of a standard maneuver of vertical avoidance point of alarm without passing through the point. alarm. It should also be noted that in certain variants of the invention, the system may not generate these alerts and alarms.
  • the determination of the aircraft's crossing from the imminent point of conflict with the terrain from which a standard vertical terrain avoidance maneuver is no longer effective is assimilated to the penetration of a topographic representation of the terrain developed from a database of elevations of the ground on board or searchable from the aircraft, in a limit point probe which corresponds to the lower and front surface of a protection volume linked to the aircraft modeling a trajectory of a maneuver vertical avoidance standard engaged on the spot or almost on the spot, after a time below which the pilot has practically no time to react, of predetermined duration typically between 0 and 3 seconds , usually constant but may be variable and depend on criteria relating to the nature of the current phase of flight, the altitude of the aircraft or other.
  • the limit point sensor 1 has a longitudinal extension EXT
  • 0ng has a profile corresponding to an extrapolated trajectory comprising two successive parts or flight times:
  • This first part has a duration of the order of ten seconds, and
  • a second flight time T2 corresponding to a climb with a slope equal to or close to the maximum.
  • the shape and duration of the trajectory of the first part T1, and the climb gradient of the second part T2 are given by tables taking into account parameters such as the type of aircraft, its weight, its speed, its rate of turn and its angle of roll, its speed of roll, the inertia of speeding up of the engines, etc.
  • the delay of inertia of revival of the engines which is function of the air speed of the aircraft and its engine speed during the engagement of a terrain avoidance maneuver, is drawn from a chart or a 2D table drawn either from performance databases provided by the manufacturer of the aircraft, or from conservative generic values for all aircraft with the same engine.
  • 0ng of the endpoint probe 1 typically covers 2 minutes of flight, but can be modulated depending on the phase of flight or the area where the flight takes place. For example, in a mountainous airport area it can be modulated according to the aircraft-track distance obtained by the use of data contained in a database of airport runway coordinates.
  • the lateral extension of the probe 1 at EXT ⁇ endpoint reflects the location of the aircraft uncertainties due to inaccuracies in its onboard instruments localization and topographic representation of the terrain made from the base elevations of data ground. It increases with the forecast time.
  • the width of the probe at the current position of the aircraft is a predetermined value typically 100 m for example. For a given implementation, this width is generally constant. But in some implementations, this width can have a variable value according to criteria such as level of the navigation accuracy, phase of flight, altitude or others.
  • the probe From the current position of the aircraft the probe typically opens 1.5 ° on either side of the direction of movement of the aircraft when it flies in a straight line and increased to a value such that 90 ° for example on the side of the turn when it is cornering depending on the turn rate.
  • the angle On the other side of the turn, the angle may remain unchanged because, if it is necessary to perform an avoidance maneuver, the area used for this maneuver must remain protected.
  • a vertical margin of safety m which is either added to the modeling of the ground taken into account, or as here, subtracted from the altitude of the aircraft lowering all the probe 1 limit point compared to the modeling of the terrain taken into account.
  • This margin of safety under the current position of the aircraft and / or under the trajectory followed by the aircraft corresponds here to the minimum tolerable margin to avoid an accident. Its value is included, for example between 0 and 100 ft but it can be a little more important. The maximum value must take into account, as already described in US Pat. Nos.
  • Ground penetration detection over the boundary probe 1 indicating the inefficiency of standard vertical terrain avoidance maneuvers is used to inform the pilot of a situation of imminent ground collision risk through oral and / or visual (such as typically a "Avoid Terrain" ad) and to initiate a process to help resolve the proven risk of collision with the terrain.
  • the identification of the avoidance or clearance azimuthal sectors remaining open to a standard vertical avoidance maneuver after a change of heading is made by analysis of the azimuth sectors free of penetration of the terrain within a specialized probe, corresponding to a very important increase in the azimuthal aperture of the limit point probe.
  • This specialized probe corresponds to the surfaces lower and frontal of a protection volume modeling not only the trajectory of a standard vertical avoidance maneuver engaged immediately or at most in the very short term but also a set of composite trajectories comprising a first part corresponding to a initial course of maneuver course of change of course more or less supported, extended by a second part corresponding to a standard vertical avoidance maneuvering trajectory.
  • the feeler 2 used in the analysis of the escape possibilities offered by the surroundings of the aircraft returns to the surface of the end-point probe 1 supplemented by lateral extensions giving it a generally flared shape reminiscent of that of a francisque iron.
  • the analysis probe 2 has a raised front surface 10, generated by a director 11 having the shape of a second part with a climb slope close to the maximum, of a standard vertical avoidance maneuvering trajectory. pressing at its base on an open arcuate generatrix 12 formed from the location of the completion points of the initial course change maneuvers within range of the aircraft.
  • This raised front surface extends towards the current position S of the aircraft by a sectorial connecting surface 13 containing all the course of change of course to the range of the aircraft, limited to a maximum change of course that can go up to 180/190 degrees to probe the possibilities of turning around.
  • the location 12 of the completion points of the course change maneuvers corresponds to the location of the ends of the course of the course turn turns. It can be determined from constant SIDE_BANK flattened turn-by-turn forecast forecasts, typically 3 "/ second, and traveled with a constant airspeed TAS, which stops at the time of fender flattening. of the aircraft after it has reached the desired heading and whose radius, fixed according to the performance of the aircraft and a degree of comfort sought meets the conventional relationship:
  • R _ TAS 2 gx tan (SIDE_ BANK) g being the acceleration of gravity.
  • This place 12 of the completion points of the course change maneuvers is in the form of a curved segment similar to a circular arc more open if we admit that all turns are executed with the same angle roll, the same speed, and have the same radius. It is not necessarily symmetrical on each side of the aircraft, because it depends on the initial roll angle of the aircraft and may result, in one direction from the extension of an initial turn and, in the other direction , from a cancellation of the initial turn with a flat trajectory before initiating a turn on the other side.
  • the probe 2 analysis may not be located at the same level as the probe 1 end point in the direction of advance of the aircraft but come slightly beyond or beyond the probe 1 end point.
  • the inventory of the points 15 of the hover ground penetrating into the analysis probe 2 is done, as for the probe 1 of the limit point, by positioning the probe probe 2 side and vertical with respect to the topological representation of the terrain overflight developed from the terrain elevation database and comparing, after taking into account the safety altitude margin, the altitudes of the points of the probe of analysis 2 to the elevations of the points of the same geographical coordinates of the topological representation of the terrain overflown.
  • the search for the azimuth sectors a, b, c still open is, for example, by a geometrical analysis of the ground disposition of the sets of penetrating points found during the inventory of sweeping this ground disposition by an axis.
  • the open azimuthal sectors found by means of the probing probe analysis 2 have their angles of opening tested for their ability to model a standard vertical avoidance maneuver trajectory respecting a safety lateral margin with respect to the reliefs of the terrain overflown, for example by imposing a minimum length on their arcs of circles at their points of contact with sets of penetrating points.
  • open azimuth sectors that have passed the lateral margin test are subject to an estimate of free-range distances free from potential conflict with the terrain, consisting of a search for limit points of effectiveness of a standard vertical avoidance maneuver in their opening angles.
  • This search is done by scanning their opening angles by trajectories of remoteness, rectilinear arbitrary slope, preferably the slope of the trajectory of the aircraft at the time of its crossing of the first point depriving him of the possibility of solving his risk collision with the terrain by a simple standard vertical avoidance maneuver, or a zero horizontal trajectory slope, or a positive climb gradient.
  • FIG. 5 gives an example of determination of free-range distances on the open azimuth sectors from end points marking the limit of efficiency of a vertical avoidance maneuver concerning medium-distance reliefs beyond the range of the probe analysis 2 or the endpoint probe! ". This determination is made in increments of the angular deviation of road. it can also be done by other methods, for example, by distance increment along the curve trajectories of the generator in an arc 12 of the analysis probe 2.
  • Free-course distances are determined over 2 to 5-minute flight horizons for cornering trajectories up to 180 to 190 degree course changes covering a trajectory reversal, the aircraft's origin trajectory being considered safe therefore candidate for an evasive possible if its joining is possible.
  • Figure 6 shows a possible form of single-dimensional display, azimuth sectors open to a disengagement maneuver. This is in the form of segments 30 of a strip graduated in angular deviation of heading ⁇ or in distance along a cornering path. This strip can be shaped to be superimposed on the scale of the caps of a PFD display screen of primary flight parameters or be added to the base or the top of a map listing the threatening reliefs on a navigation screen.
  • Figure 7 shows a possible form of two-dimensional display, azimuth sectors open to a clearance maneuver with their free-range distances. This is in the form of a curve diagram 31 graduated on the abscissa, in angular distance of heading ⁇ or in distance along a cornering trajectory and, in ordinate, in free-way distance, with in the center the area covered by the limit point probe 1.
  • the heights of the reliefs limiting the free-course distances on the open azimuth sectors are converted into distances prior to the ultimate points in order to locate, upstream of the final points of the clearance paths, initialization points of a maneuver. preventative vertical avoidance with a more moderate slope than a standard vertical avoidance maneuver.
  • FIG. 8 illustrates the determination of the location of an initialization point 21 from an end point 20, on a path of clearance of an open azimuthal sector at a distance of free path limited.
  • the location of the ultimate point 20 is determined by moving, along the assumed horizontal clearance path 22, a standard vertical slope angle ⁇ avoidance maneuver profile corresponding to a value close to the maximum allowable for the aircraft. given its type, weight and speed, until it comes in contact with the terrain.
  • the initialization point is then assimilated to the point 21 of the clearance path, placed upstream of the ultimate point 20, seeing under a slope angle ⁇ less than the slope angle ⁇ , the contact point 23 with the relief R , the standard vertical avoidance trajectory.
  • the location of the initialization point 21 can also be determined, like that of an ultimate point 20 by moving, along the clearance path, a moderate vertical slope angle ⁇ maneuvering profile, this until it comes in contact with the relief.
  • Certain open azimuth sectors with no known risk of collision over the horizon for determining free-course distances for the ⁇ slope angle value of a standard vertical avoidance maneuver, and therefore no ultimate point, may nonetheless bring back a distance for the initialization point. To cover this case it is always possible to replay the logic of determining the ultimate points with a vertical avoidance maneuver of slope no longer equal to ⁇ but to ⁇ .
  • FIG. 9 shows a possible form of two-dimensional display, azimuthal sectors open to a clearance maneuver with their immediate free-run distances 32 and short-range free-run 33.
  • This form of display consists of a graduated diagram in abscissa, in angular deviation of heading ⁇ or in distance along a cornering trajectory and, in ordinate, in free-course distance, with in the center the area covered by the limit point probe 1 showing two curves: the curve 32, in bold lines giving the distances of free immediate course which are always the weakest and the curve 33 in lean lines giving short-term free-distance distances which are often more important because of the moderate maneuver of vertical avoidance that they assume.
  • the touch probe 1 and probing probe 2 probes are advantageously completed by alarm probes 3 and alarm 4 to provide alerts and alarms while standard vertical avoidance maneuvers are still effective
  • Figures 10 and 11 show, in vertical and horizontal projection, a joint use of the probes 1 and 2 limit and analysis with two other probes alert and alarm 3 and 4 staggered lengths, constructed, taking into account account of a vertical safety margin higher than that of probes 1 and 2 of the limit and analysis point, around a standard maneuver of vertical avoidance engaged more and more later such as those used by operational TAWS systems for trigger their alerts and alarms.
  • the probe 4 is used to trigger a "pull-up" voice alarm meaning the pilot must immediately engage a standard vertical avoidance maneuver while the probe 3 is used to trigger a "Caution” voice alert. "meaning to the pilot that he must modify in the short term the trajectory followed.
  • the alarm probe 4 is built around a standard vertical avoidance maneuver engaged not immediately, as for the limit point sensor 1 but in the very short term to give the pilot the reaction time necessary to take into account. a voice alarm.
  • the alert probe 3 is built around a standard avoidance maneuver committed in the medium term to allow the pilot time to analyze the situation that provoked the voice alert and to decide on a change of trajectory to solve the proven risk of collision with the ground.
  • a "pull-up" field alarm is issued as long as the limit point sensor 1 does not detect any terrain because there is a risk of a frontal collision with the terrain.
  • the analysis probe can detect terrain all around, which is the case of a risk of frontal collision in a valley.
  • the analysis probe 2 is moved forward of the aircraft, in its foreseeable path, to the point where any possibility of evasive disappears, this point locating the ultimate moment before which an avoidance maneuver must be initiated is reported to the crew and possibly used to set the start time of an automatic terrain avoidance procedure.
  • a TAWS type system for the prevention of collisions with the land with endpoint probes and analysis is advantageously provided with a device for determining the resolution of a conflict with the terrain signaling the possibility for the aircraft to resume a trajectory. normal without any conflict with the terrain in the short and medium terms operating, either by monitoring the current altitude of the aircraft and detecting its crossing by a higher value of a safe altitude, or, as shown in Figure 12, by monitoring the elimination of any point penetration of the terrain overflown in a specific end of conflict probe.
  • FIG. 12 shows, in situation, an aircraft that was initially moving downhill to a point MW of its trajectory where it was warned by an embedded TAWS type system, of a risk of collision with the terrain or rather with a surface MTCD covering the relief R and corresponding to a minimum safety margin taking into account various inaccuracies on the elevations of the ground and the measurement of the height of the aircraft above the ground and which initiated a standard maneuver vertical avoidance bringing it to its current position S, on a climb path.
  • the on-board TAWS system implements the probes 1 and 2 of the limit and analysis point as well as the alarm probes 3 and alarm 4 and a specific end of conflict probe 5.
  • the probes 1, 2, 3 and 4 limit, analysis, alarm and alert which have flattened because the aircraft has engaged the second part, with a climb slope close to the maximum, a standard maneuver of vertical avoidance and which do not cause any more warning or alarm because they no longer meet any point of the terrain overflown, inform the pilot of the effectiveness of the standard vertical avoidance maneuver engaged but do not inform him about the possibility or not to resume the descent maneuver he was following before the warning or alarm of the risk of a collision.
  • This function is assigned to the end-of-conflict sensor 5 constructed around a fictitious road recovery trajectory repeating the initial course of the aircraft and the slope of its initial trajectory or a horizontal slope.
  • the end of conflict sensor 5 intercepts the MTCD surface covering the terrain overflown meaning that the standard vertical avoidance maneuver in progress must be continued before the risk of collision with the terrain can be considered resolved. .
  • a TAWS system for the prevention of collisions with the boundary point and analysis field is advantageously provided with a device for preventing alerts, alarms, reporting of the release sectors and optional implementation of automatic engagement. avoidance maneuvers when the aircraft makes an approach to an airstrip (on which it intends to land) or a clearance from a runway, the runway information being obtained through the use of data contained in a database on the coordinates of airport runways.
  • This inhibition device can base the inhibition or not of the alerts, alarms, signaling of the release areas and optional implementation of automatic engagement of evasive maneuvers on a criterion of presence or absence of the aircraft on or off immediate proximity (to take into account inaccuracies of positioning and trajectory tracking), of an authorized approach path or clearance of an airstrip-takeoff according to the concept commonly known as "Landing Tunnel” described for example in US Patent 6,088,654, this criterion of presence or absence in the vicinity of an approach path that can be completed or modified by other criteria such as the selection of the approach mode for the autopilot of the aircraft.
  • the automatic engagement of a composite avoidance maneuver involving a turn to a clearance sector followed by a standard vertical avoidance maneuver may be delayed until the remaining clearance areas no longer meet certain predefined criteria such as: - occupying a range of caps less than, for example, 50% of the range of heading covered by the analysis probe 2,
  • the analysis of the criteria for delaying the automatic engagement of a composite avoidance maneuver begins with the passage of the efficiency limit point from a simple standard vertical avoidance maneuver.
  • the climb slope taken into account in determining the trajectories of the standard vertical avoidance maneuvers may depend on the type of probe considered. Thus, for probes 1 of the limit point and 2 of analysis, it can be taken higher than the slope of the adopted adopted for the touch probe 4 and alarm 3, when the latter is the subject of a haircut (usually 10%) compared to the maximum climb slope corresponding to a safety margin.
  • the different limit point 1, 3 alarm and 4 alert probes were mainly described and represented in the context of an aircraft moving in a straight line, that is to say with shapes whose surfaces have for generators axes of displacement with horizontal projection rectilinear.
  • the probe probe 2 has meanwhile a shape that takes into account the local wind that reduces the apparent bend radius when it is front and increases when it is wearing. These apparent radii can be likened to half the distance of the points of the turns where the aircraft reaches a change of course of 180 °, points whose transverse distances with respect to the aircraft correspond to the relation:
  • x t (t w i) ws ⁇ t V " ⁇ .R.cos (wt wl + r t ) + ⁇ .R.cos ( ⁇ t ) with
  • FIG. 16 illustrates an example of operation of a system for preventing collisions with the terrain using the various sensors that have just been described.
  • the system implements a terrain elevation database 40, a database 41 of avoidance maneuvers or climb capabilities of the aircraft and an acquisition system 42 of the aircraft parameters.
  • an alert probe from a predetermined vertical margin of safety and a medium-term extrapolation (typically around 20 seconds) of the trajectory of the aircraft derived from the aircraft parameters, continued for approximately 2 minutes by a standard vertical avoidance maneuvering trajectory extracted from the database 41 of avoidance maneuvers by means of the aircraft parameters and monitors at 44 possible penetration into the probe of of the terrain overflown sampled in the terrain elevation database 40.
  • the alarm and limit point probes are developed in a manner similar to that used for the alert probe, the difference being in the short-term extrapolation period of the flight path of the aircraft ( typically around 5 to 8 seconds) for the alarm probe and in the very short term for the limit point probe (typically less than 3 seconds) and possibly at the vertical safety margin which may be of different value for each probe.
  • the analysis probe which has large lateral extensions, uses lateral turning paths similar to arcs of circles whose radius depends on the airplane parameters and the local transverse wind, and continued by a standard vertical avoidance maneuvering trajectory. extracted from the database 41 of avoidance maneuvers using the airplane parameters. It is developed from generators based on the position of the aircraft or a predicted position, which are:
  • the end of conflict sensor is developed as the alert sensor but from a medium-term extrapolation of the trajectory initially followed by the aircraft derived from the values of the fixed aircraft parameters at the time of the detection of the risk of collision with the field under treatment.
  • the different feelers are produced in a three-dimensional surface form discretized for example in distance or time, azimuth and / or elevation. They have a spatio-temporal extension defined over a distance or a travel time, either equivalent for all directions, or variable according to the azimuth and, for a given direction (a generator) are fixed or variable according to a criterion such as the relative height of the highest surrounding peaks. In terms of calculations, these surfaces can advantageously be folded over a 2-dimensional plane.
  • a terrain collision prevention system 60 of the TAWS type fits into the on-board equipment of an aircraft between:
  • navigation and localization equipment 61 gathering the flight instruments and a device for geographical location, such as for example a receiver of a GNSS satellite positioning system (acronym for the English expression). Saxon: “Global Navigation Satellite System”) possibly supplemented by an inertial unit, a baro-altimeter, a radio altimeter or a combination of several of these sensors,
  • a terrain elevation database 62 also including data on the geographical coordinates of the airport runways
  • dashboard screens navigation screen 64 displaying a navigation map, flight display 65 displaying the primary flight parameters, and
  • alarm transmitters placed in the cockpit mainly of the audio or voice type 66: loudspeaker (HP), siren, buzzer, etc., but also of visual type 67: light (L1), etc.
  • a computer 601 exploiting the information coming from navigation and localization equipment 61 and data bases 62, 600 from elevations of the terrain and avoidance maneuvering to develop the various sensors: alarm probe, probe of alarm, limit point probe, analysis probe, end of conflict probe, detecting the ground penetrations flown in these probes, depending on the detections made, signaling the risks associated with collision with the terrain by alerts and alarms, relayed in the cockpit by the transmitters of alerts and alarms 66, 67, accompanied by advice for the choice of an avoidance maneuver and possibly commands for the automatic tracking of an avoidance trajectory, intended for the autopilot 63, and eventually,
  • a human-machine interface HMI 602 for example an MCDU (acronym for the English expression: “Multipurpose Control Display Unit”) or an FCU (acronym for the English expression: “Flight Control Unit”) allowing system settings by a member of the crew of the aircraft or by a maintenance team, particularly for the choice or not of an automatic commitment of avoidance maneuver.
  • MCDU acronym for the English expression: "Multipurpose Control Display Unit”
  • FCU acronym for the English expression: “Flight Control Unit”
  • the computer 601 can be a calculator specific to the TAWS type system for prevention of collisions with the field or a calculator shared with other tasks such as flight management or autopilot.

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Abstract

Ce système accompagne les alarmes de type TAWS et en particulier les armes de type "Avoid terrain" signifiant au pilote qu'il a dépassé le point limite de réussite d'une manoeuvre standard d'évitement vertical, d'indications (32, 33) de distances de libre parcours dans des secteurs azimutaux convenant à une manoeuvre de dégagement et une ou plusieurs manoeuvres (A, B) recommandées d'évitement du relief à la fois latérales et verticales. Pour la détermination du point limite, il surveille la pénétration d'un modèle du terrain survolé dans un premier volume de protection (1) lié à l'aéronef et configuré de manière à modéliser une trajectoire de manoeuvre standard d'évitement vertical exécutée sans délai notable. Pour la détermination des secteurs azimutaux ouverts à une manoeuvre de dégagement, il analyse les pénétrations du modèle de terrain survolé dans un deuxième volume de protection à grande ouverture azimutale, lié à l'aéronef et configuré de manière à contenir le volume (1) de protection de point limite. Pour évaluer les distance de libre parcours, il recherche de points limites d'efficacité d'une manoeuvre standard d'évitement vertical, sur des trajectoires arbitraires d' éloignement dans les secteurs azimutaux ouverts aux manoeuvres de dégagement. A partir de la détermination de ces distances de libre parcours, le système détermine l'instant limite de déclenchement manuel par le pilote ou automatique d'une trajectoire d'évitement et détermine l'altération optimum de route à initier en préalable à la manoeuvre d'évitement.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR AERONEF, D'EVITEMENT DES COLLISIONS AVEC LE TERRAIN
La présente invention concerne la prévention des accidents aéronautiques dans lesquels un aéronef resté manœuvrable s'écrase au sol et ce, le cas échéant, malgré des alertes et alarmes préalables. Ce type d'accident, connu dans la littérature technique sous l'acronyme CFIT tiré de l'expression anglo-saxonne "Controlled Flight Into Terrain", était une des principales causes d'accidents d'aéronefs de transport et du nombre de tués ces dernières années. Cependant, grâce à des concepts de signalisation de risque de collision avec le terrain et aux systèmes embarqués associés connus sous le vocable TAWS (Terrain Awareness & Alerting Systems), dont en particulier le GCAS et le T2CAS (développés et commercialisés par Thaïes) la plupart des accidents de ce type sont désormais évités.
Pour davantage de détails sur les concepts mis en œuvre dans les systèmes TAWS, on peut se reporter avec profit, aux brevets américains US 5,488,563, US 5,414,631 , US 5,638,282, US 5,677,842, US 6,088,654, US 6,317,663, US 6,480,120 et aux demandes de brevet français FR 2.813.963, FR 2.842.594, FR 2.848661 , FR 2.860.292, FR 2.864.270, FR 2.864.312, FR 2.867.851 , FR 2.868.835. Les systèmes embarqués de prévention des risques de collision avec le terrain actuellement en service, sont, pour la plupart, basés sur une simple manœuvre d'évitement du terrain par le haut de type dite "PuII-Up", composée d'une montée pleins gaz précédée d'une remise à plat des ailes si l'aéronef était en virage et appelée ci-après "manœuvre standard d'évitement" ou "trajectoire standard d'évitement".
Cependant, il existe des situations de risque de collision avec le terrain qui ne peuvent être résolues par une simple manœuvre d'évitement par le haut de type "Pull-up" Par exemple, lorsqu'un risque de collision avec le sol se présente alors que l'aéronef est en virage le long de relief important, voire même alors que l'aéronef se dirige en ligne droite vers des reliefs notablement plus hauts, infranchissables compte tenu des capacités de montée de l'avion. Ces situations sont signalées par les systèmes TAWS les plus évolués (typiquement les TAWS développés par Thaïes) au moyen d'une alarme spécifique "Avoid terrain" différente de l'alarme habituelle "PuII- up" mais sans indication d'une trajectoire d'évitement permettant de se dégager de la situation dangereuse. L'équipage, qui se sait dans une situation dangereuse dont il ne peut sortir par une simple manœuvre d'évitement par le haut, doit décider dans l'urgence, souvent en l'absence de visibilité et à la seule vue des reliefs menaçants apparaissant sur l'écran de navigation, d'un changement de cap lui ouvrant à nouveau la possibilité d'un évitement du relief par le haut.
La fourniture d'une indication de la ou des meilleures trajectoires d'évitement à prendre lors d'un risque avéré de collision avec le terrain est donc nécessaire pour améliorer encore plus loin les systèmes TAWS.
Par ailleurs, l'équipage pouvant parfois être dans des situations où il n'a pas pleinement conscience de l'imminence du danger et où il retarde la manœuvre d'évitement, il est fortement souhaitable, au delà d'indications sur la ou les meilleures trajectoires d'évitement à prendre, que la trajectoire d'évitement puisse être automatisée.
Il est à noter qu'il existe à bord de certains avions d'armes des systèmes de suivi de terrain qui font de l'évitement automatique du relief et des obstacles au sol mais les objectifs opérationnels sont fondamentalement différents de ceux des systèmes TAWS destinés aux aéronefs de transport.
En effet, la fonction Suivi de Terrain a pour objectif de maintenir un avion d'armes le plus longtemps possible proche du sol, à une hauteur prédéterminée, afin de ne pas se faire voir par des éléments hostiles. A chaque fois qu'il apparaît un risque de collision avec le sol, cette fonction engage une manœuvre d'évitement de la moindre ampleur possible pour rester coller au terrain. Dans le cas des aéronefs de transport, des hélicoptères et même des drones pour certaines missions, l'objectif opérationnel n'est pas de rester coller au terrain mais de suivre des trajectoires programmées soit en manuel, soit en automatique, via un calculateur de gestion du vol FMS (acronyme de l'expression anglo- saxonne :"Flight Management System") ou un pilote automatique PA en évitant au tant que possible toute altération significative de cette trajectoire, sauf pour éviter du relief présentant des risques avérés de collision. Pour de tels aéronefs, le déclenchement d'une manœuvre d'évitement du relief ne doit se faire qu'en présence d'un risque avéré et le moins fréquemment possible afin de réduire les efforts sur la cellule et de respecter le confort des passagers. La reconduction des logiques acceptables pour avion d'armes ne sont absolument pas appropriées au cas des aéronefs de transport considérés ici. On connaît encore, par le brevet US 5,892,462, un système
TAWS faisant appel à une modélisation du comportement de l'aéronef pour élaborer un volume de protection lié à l'aéronef et pour tracer des trajectoires d'évitement praticables par l'aéronef. Le volume de protection entoure une extrapolation de la trajectoire courante de l'aéronef prolongée par une prédiction de trajectoire de montée. Sa pénétration par le terrain est assimilée à un risque de collision avec le terrain. En cas de risque avéré de collision avec le terrain, le système remonte pas à pas l'extrapolation de trajectoire courante pour déterminer le point limite de la trajectoire de l'aéronef jusqu'où une manœuvre d'évitement purement verticale peut être appliquée avec succès. Lorsque le point limite est dépassé ou n'est plus possible à déterminer, le système initie alors une recherche de trajectoire praticable d'évitement latéral par balayage angulaire des profils de terrain, de part et d'autre de la trajectoire courante de l'aéronef.
Ce système TAWS donne une alerte lorsque le point limite d'application d'une manœuvre d'évitement purement verticale est dépassé et émet une alarme lorsqu'il apparaît qu'il ne va plus être possible de trouver une trajectoire d'évitement latéral. Il répond aux préoccupations d'une meilleure assistance d'un équipage confronté à la nécessité d'exécuter une manœuvre d'évitement latéral car il est en outre capable d'agir sur le directeur de vol pour guider le pilote dans le suivi d'une trajectoire d'évitement latéral ou sur le pilote automatique pour exécuter une trajectoire d'évitement latéral. Ce système, qui ne semble pas être opérationnel à ce jour, présente l'inconvénient de faire appel à une modélisation du comportement dynamique de l'aéronef qui est complexe à réaliser et qui pose d'importants problèmes de certification en vue d'une mise en œuvre opérationnelle car le niveau d'exactitude de cette modélisation comportementale intervient dans la sûreté de fonctionnement du système TAWS lui-même. Dans sa recherche du premier échappatoire possible à un risque à court terme de collision avec le terrain, il a également l'inconvénient de ne pas se soucier de minimiser les altérations apportées à la trajectoire initiale et les risques à moyen terme de collision avec le terrain. Par ailleurs cette recherche n'est initiée qu'après dépassement du point limite d'une manœuvre d'évitement purement verticale, ce qui limite son application aux situations où l'avion se trouve normalement derrière ce point limite sans courir pour autant de danger avec le relief, par exemple dans le cas de virage à basse hauteur près de reliefs élevés.
La demanderesse a également proposé dans une demande de brevet français enregistrée sous le numéro 05 1 1457 le 10 novembre 2005 un système d'évitement de terrain pour aéronef de transport qui accompagne les alarmes de type "Avoid terrain" signifiant au pilote qu'il a dépassé le point limite de réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical, soit d'indications complémentaires telles que les secteurs azimutaux convenant à une manœuvre de dégagement ou une trajectoire prédéfinie de dégagement, soit d'un engagement automatique d'une trajectoire prédéfinie d'évitement. Ce système met en œuvre, pour la détermination du point limite, la surveillance d'une pénétration d'un modèle du terrain survolé dans un premier volume de protection lié à l'aéronef et configuré de manière à modéliser une trajectoire de manœuvre standard d'évitement vertical exécutée sans délai, ladite trajectoire étant avantageusement prédéfinie en fonction de paramètres tels que le type de l'aéronef, son poids et voire même de son inertie ou délai de mise en montée, et pour la détermination des secteurs azimutaux de dégagement, une analyse des pénétrations du modèle de terrain survolé dans un deuxième volume de protection à grande ouverture azimutale, lié à l'aéronef et configuré de manière à contenir le volume de protection de point limite et, pour les différents azimuts couverts, à modéliser des trajectoires d'une manœuvre composite débutant par des manœuvres de changement de cap permettant d'atteindre l'azimut considéré et se poursuivant par la manœuvre standard d'évitement vertical du terrain, les dites trajectoires étant, sur leur parties correspondant à la manœuvre standard d'évitement vertical, prédéfinies avantageusement en fonction de paramètres tels que le type de l'aéronef, son poids et voire même de son inertie ou délai de mise en montée.
La présente invention a pour but un système embarqué à bord d'aéronef, renseignant l'équipage d'un aéronef sur ses possibilités de changement de route pour résoudre de façon sûre un conflit avec le terrain et éviter le plus possible d'autres conflits potentiels ultérieurs avec le terrain, en donnant des indications sur l'instant de déclenchement, de façon manuelle ou automatique, d'une manœuvre d'évitement en cas de risque avéré de collision avec le terrain et des indications sur la manœuvre d'évitement à effectuer, de façon manuelle ou automatique, pour éviter ce risque avéré de collision.
Elle a également pour but de faciliter pour l'équipage d'un aéronef, le choix d'une trajectoire d'évitement qui résolve un conflit en cours avec le terrain de la manière la plus sûre, tout en ayant un coût le plus faible possible en ce qui concerne les altérations de la route et de la pente de la trajectoire initialement suivie.
Elle a encore pour but un système de prévention des collisions avec le terrain fournissant à l'équipage d'un aéronef, une assistance pour la détermination et/ou le suivi d'une trajectoire d'évitement apte à résoudre un conflit en cours avec le terrain, qui puissent être obtenu par une simple mise à niveau des systèmes TAWS existants, ou qui puisse être associé à des systèmes TAWS existants.
Elle a pour objet un système de prévention des collisions avec le terrain :
- détectant les risques de collision avec le terrain au bout d'un délai prédéterminé de prévision, en les assimilant à la pénétration d'une représentation topographique du terrain survolé mémorisée dans une base de données accessible de l'aéronef, dans un volume de protection lié à l'aéronef localisé par rapport au terrain survolé au moyen d'un équipement de localisation embarqué, orienté dans la direction de progression de l'aéronef et configuré de manière à modéliser une trajectoire de manœuvre standard d'évitement vertical du terrain engagée sur le délai de prévision à partir de la trajectoire suivie par l'aéronef prédite à partir d'informations de vol délivrée par des équipements de vol de l'aéronef,
- déterminant, sur la trajectoire suivie par l'aéronef, un éventuel point limite de réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical du terrain, en assimilant le franchissement par l'aéronef de ce point limite à la pénétration du terrain dans un volume de protection lié à l'aéronef et configuré de manière à modéliser une trajectoire de manœuvre standard d'évitement vertical exécutée sans délai, ladite trajectoire étant prédéfinie en fonction de paramètres spécifiques de l'aéronef concerné, et,
- donnant des indications sur les secteurs azimutaux de dégagement, de part et d'autre de la direction de progression de l'aéronef, convenant à la réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical du terrain, en assimilant les secteurs azimutaux de dégagement, aux secteurs azimutaux libres de pénétration du terrain dans un volume de protection à grande ouverture azimutale, lié à l'aéronef et configuré de manière à contenir le volume de protection de point limite et, pour les différents azimuts couverts, une modélisation des trajectoires d'une manœuvre composite débutant par des manœuvres de changement de cap permettant d'atteindre l'azimut considéré et se poursuivant par une manœuvre standard d'évitement vertical du terrain, les dites trajectoires étant, sur leur parties correspondant à la manœuvre standard d'évitement vertical, prédéfinies en fonction de paramètres spécifiques de l'aéronef du type de l'aéronef Ce système TAWS est remarquable en ce qu'il comporte :
- des moyens d'estimation de distance de libre parcours pour estimer, dans chaque secteur azimutal de dégagement, sur une trajectoire d'éloignement à configuration arbitraire et sur une distance correspondant à plusieurs minutes de vol, une distance de libre parcours exempt de conflit potentiel avec le terrain, et
- des moyens de signalisation des secteurs azimutaux de dégagement avec leurs distances de libre parcours. En cas de conflit en cours avec le terrain non résoluble par une manœuvre standard d'évitement vertical, la signalisation des secteurs azimutaux de dégagement permet à l'équipage d'un aéronef de connaître les changements de route possibles, la préférence de l'équipage allant naturellement vers les secteurs les plus ouverts sans préjuger d'éventuels conflits à moyen terme avec le terrain non pris en compte car au-delà de la portée du volume de protection utilisé pour la détermination des secteurs de dégagement. La signalisation pour chaque secteur de dégagement de leur distance de libre parcours donne à l'équipage une information supplémentaire sur les conflits potentiels à moyen terme auxquels il risque d'être confronté en tentant de résoudre un conflit en cours avec le terrain. L'équipage est ainsi mieux armé pour choisir la trajectoire d'évitement la plus sûre.
Avantageusement, les moyens d'estimation de distance de libre parcours déterminent, sur les trajectoires d'éloignement, d'éventuels points limite de réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical marquant la limite d'une distance de libre parcours.
Avantageusement, les moyens d'estimation de distance de libre parcours déterminent sur les trajectoires d'éloignement, d'éventuels points d'initiation d'une manœuvre d'évitement verticale à pente arbitraire, inférieure à celle d'une manœuvre standard d'évitement vertical, les dits points d'initiation étant pris pour limite d'une distance de libre parcours immédiat.
Avantageusement, la trajectoire d'éloignement considérée dans un secteur de dégagement est une trajectoire rectiligne à pente constante.
Avantageusement, la trajectoire d'éloignement considérée dans un secteur de dégagement est une trajectoire rectiligne horizontale.
Avantageusement, la trajectoire d'éloignement considérée dans un secteur de dégagement est une trajectoire rectiligne reproduisant la pente de la trajectoire courante de l'aéronef.
Avantageusement, la trajectoire d'éloignement considérée dans un secteur de dégagement est une trajectoire rectiligne ascendante.
Avantageusement, la manœuvre composite servant à l'élaboration du volume de protection pour la détermination des secteurs de dégagement débute par une manœuvre de changement de cap consistant en une mise en virage dans un plan horizontal. Avantageusement, la manœuvre composite servant à l'élaboration du volume de protection pour la détermination des secteurs de dégagement débute par une manœuvre de changement de cap consistant en une mise en virage ascendant.
Avantageusement, la manœuvre standard d'évitement verticale considérée pour la détermination des distances de libre parcours dans les secteurs de dégagement a sa trajectoire prédéfinie en fonction du type de l'aéronef et de ses capacités de montée du moment.
Avantageusement, la manœuvre standard d'évitement verticale considérée pour la détermination des distances de libre parcours dans les secteurs de dégagement a sa trajectoire prédéfinie en fonction du type de l'aéronef et de sa configuration du moment.
Avantageusement, le système de prévention des collisions avec le terrain comporte en outre des moyens de sélection d'une manœuvre composite d'évitement du terrain minimisant le changement de route et les éventuels conflits à moyen terme avec le terrain.
Avantageusement, le système de prévention des collisions avec le terrain comporte en outre des moyens d'affichage de la ou des manœuvres composites d'évitement du terrain sélectionnées. Avantageusement, le système de prévention des collisions avec le terrain comporte en outre des moyens de guidage de l'équipage de l'aéronef dans l'exécution d'une manœuvre composite d'évitement du terrain.
Avantageusement, le système de prévention des collisions avec le terrain comporte en outre des moyens d'exécution automatique d'une manœuvre composite d'évitement du terrain intervenant directement sur les commandes de vol de l'aéronef.
Avantageusement, le système de prévention des collisions avec le terrain comporte en outre des moyens d'alerte de risque de collision à moyen terme avec le terrain impliquant, pour être résolu, un changement de trajectoire de l'aéronef, de la part de l'équipage, assimilant une collision avec le terrain à la pénétration du terrain dans un volume de protection d'alerte lié à l'aéronef modélisant une trajectoire prédéfinie de manœuvre standard d'évitement vertical engagée à moyen terme.
Avantageusement, le système de prévention des collisions avec le terrain comporte en outre des moyens d'alarme de risque de collision à court terme avec le terrain assimilant une collision à court terme avec le terrain à la pénétration du terrain dans un volume de protection d'alarme lié à l'aéronef modélisant une trajectoire prédéfinie de manoeuvre standard d'évitement vertical engagée à court terme. Avantageusement, lorsque le système de prévention des collision avec le terrain comporte des moyens d'alerte et d'alarme de risque de collision avec le terrain à moyen et court termes, il met en œuvre un volume de protection pour la détermination des secteurs de dégagement et des volumes de protection d'alerte et d'alarme modélisant des trajectoires prédéfinies de manœuvre standard d'évitement de types différents, la trajectoire prédéfinie modélisée dans le volume de protection pour la détermination des secteurs de dégagement ayant une pente de montée supérieure aux trajectoires prédéfinies modélisées dans les volumes de protection d'alerte et d'alarme.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel :
- une figure 1 illustre la forme d'un palpeur constituant la surface inférieure et frontale d'un volume de protection lié à l'aéronef et utilisé pour la détection du franchissement du point limite de réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical,
- une figure 2 illustre la forme d'un palpeur d'analyse à grande ouverture azimutale utilisé pour la détermination de secteurs de dégagement, - une figure 3 donne un exemple de pénétration du terrain dans le palpeur d'analyse illustré à la figure 2,
- une figure 4 illustre une façon de déterminer les secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement dans l'exemple de pénétration du terrain dans le palpeur d'analyse montré à la figure 3, - une figure 5 illustre une façon d'estimer, dans les secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement, les distances de libre parcours exemptes de conflit potentiel avec le terrain,
- une figure 6 donne un exemple d'affichage unidimensionnel des secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement, - une figure 7 donne un exemple d'affichage bidimensionnel des secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement et des distances offertes pour un libre parcours exempt de conflits potentiels avec le terrain,
- une figure 8 est un diagramme explicitant la détermination de la position d'un point d'initialisation d'une manœuvre d'évitement vertical à pente de montée modérée,
- une figure 9 donne un exemple d'affichage bidimensionnel des secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement, et des distances offertes de libre parcours immédiat et à court terme, - des figures 10 et 1 1 représentent, en projections verticale et horizontale, l'association des palpeurs de point limite et d'analyse à des palpeurs d'alerte et d'alarme,
- une figure 12 montre, en coupe verticale, une association de palpeurs de point limite, d'analyse, d'alerte, d'alarme et de fin de conflit,
- des figures 13, 14 et 15 illustrent, en coupe horizontale, différentes formes de palpeurs,
- une figure 16 illustre un fonctionnement possible d'un système de prévention de collision avec le terrain conforme à l'invention, et - une figure 17 illustre l'implantation d'un système de prévention de collision avec le terrain conforme à l'invention dans un environnement aéronef.
Le système de prévention des collisions avec le terrain qui va être décrit se base d'une part, sur une connaissance a priori des trajectoires correspondant aux manœuvres standard d'évitement vertical du terrain conseillées au pilote d'un aéronef, et d'autre part, sur la prévision actuellement bien maîtrisée sur un délai court, de l'ordre de quelques minutes, de la trajectoire suivie par un aéronef, faite à partir des caractéristiques et éventuellement des évolutions du vecteur vitesse de l'aéronef, pour fournir au pilote une indication sur une ou des trajectoires efficaces d'évitement avec ou non, un engagement automatique d'une manœuvre d'évitement en cas de risque de conflit imminent avec le terrain.
La connaissance a priori de la trajectoire correspondant à une manœuvre standard d'évitement vertical est tirée d'une étude comportementale du type d'aéronef concerné qui permet de prédéterminer différentes formes de trajectoire d'évitement vertical tenant compte des possibilités instantanées de montée de l'aéronef, à partir de paramètres tels que le poids de l'aéronef, son inertie, sa vitesse lors de l'engagement de la manœuvre, l'inertie de remise en puissance de ses moteurs, sa configuration du moment : perte d'un moteur, position des volets, des becs, des systèmes de dégivrage, des freins aérodynamiques, du taux de virage, du roulis, la vitesse de mise en roulis, etc.. Les différentes formes prédéterminées de la trajectoire suivie au cours d'une manœuvre standard d'évitement vertical ou les données de capacités de montée de l'avion dont elles découlent peuvent, par exemple, être stockées dans une base de données embarquée et sélectionnées à partir des valeurs de paramètres tels que le poids et/ou l'inertie de l'aéronef délivrées par les instruments de vol ainsi que d'autres paramètres de configuration. Pour remplir ses fonctions, ce système de prévention des collisions avec le terrain assimile les risques de collision avec le terrain à la pénétration d'un modèle du terrain survolé élaboré à partir d'une base de données topographiques, dans un ou plusieurs volumes de protection liés à l'aéronef modélisant des trajectoires de manœuvres standard d'évitement vertical engagées à plus ou moins court terme.
Les volumes de protection, s'étendent au-devant de l'aéronef, dans sa direction de progression avec des surfaces inférieures et frontales à profils longitudinaux en forme de palette correspondant à une trajectoire prédéterminée de manœuvre standard d'évitement vertical engagée à plus ou moins court terme à partir d'une extrapolation de la trajectoire de l'aéronef déduite des caractéristiques et éventuellement des variations de son vecteur vitesse. Ils sont appelés "palpeurs" car principalement définis par leurs surfaces inférieures et frontales puisqu'il s'agit de détecter une pénétration du terrain survolé. Plus précisément, le système de prévention des collisions avec le terrain qui va être décrit met en œuvre :
- un premier palpeur de point limite d'efficacité d'une manœuvre standard d'évitement vertical, pour détecter un risque de collision avec le terrain qui ne peut être simplement éludé par une manœuvre standard d'évitement vertical et éventuellement le signaler au pilote de l'aéronef par des indications orales ou visuelles,
- un deuxième palpeur d'analyse des possibilités d'échappement latéral offertes par les alentours de l'aéronef pour déterminer les secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre standard d'évitement vertical précédée d'un changement de cap dite manœuvre composite d'évitement et signaler ces secteurs au pilote (par exemple au moyen de barres de tendance apparaissant sur un écran affichant les paramètres primaires de vol) si une réaction est requise de sa part pour éviter la collision avec le terrain, - un troisième et un quatrième palpeurs d'alerte et d'alarme, de longueurs échelonnées, construits autour de manœuvres standard d'évitement vertical engagées plus tardivement que pour les premier et deuxième palpeurs, et utilisés classiquement pour déclencher des alertes et alarmes plus précoces signalant les unes, les alertes, la nécessité de corriger à court terme la trajectoire suivie par l'aéronef et les autres, les alarmes, l'obligation d'engager sans délai une manœuvre standard d'évitement vertical,
- un cinquième palpeur construit autour d'une manœuvre standard d'évitement engagée, pendant la résolution d'un risque avéré de collision sol, sur une trajectoire reprenant l'orientation de la trajectoire suivie initialement lors de la détection du risque avéré de collision sol et utilisé pour détecter la fin de résolution d'un risque avéré de collision sol, - un automate qui fournit, de manière optionnelle, des ordres (pente et cap) à un pilote automatique pour l'exécution d'une manœuvre d'évitement du terrain standard ou composite juste avant d'atteindre le point limite de perte d'efficacité des manœuvres standard d'évitement vertical et qui peut être mis hors course par débrayage du pilote automatique, le pilote gardant pleine autorité sur les commandes de vol,
- un dispositif de signalisation fournissant les différentes indications orales ou visuelles caractérisant l'évolution d'un risque de collision avec le terrain dont les alertes et alarmes précoces de risque de collision avec le terrain, l'alarme de dépassement du point limite d'efficacité des manœuvres standard d'évitement vertical, les secteurs azimutaux encore ouverts à une manœuvre standard d'évitement verticale après dépassement du point limite, la résolution assurée d'un risque avéré de collision avec le sol compte tenu de la trajectoire de la manœuvre d'évitement entreprise, la fin de la résolution d'un risque avéré de collision sol et la disparition effective d'un risque avéré de collision avec le sol, et
- un dispositif d'inhibition de ces mécanismes lors d'approches "nominales" vers une piste. II est à noter que les troisième, quatrième et cinquième palpeurs ne sont pas indispensables à la mise en œuvre de l'invention.
Le point à partir duquel la trajectoire suivie présente des risques de collision avec le terrain tels qu'il n'est plus possible d'effectuer une manœuvre standard d'évitement vertical fait généralement suite à deux points successifs de la trajectoire suivie par un aéronef signalés par les systèmes TAWS opérationnels: - un premier point d'alerte à partir duquel un risque de conflit avec le terrain est détecté et mérite d'être signalé au pilote pour qu'il ajuste sa trajectoire. A ce point un système de type TAWS émet une alerte orale de type "Caution".
- un deuxième point d'alarme à partir duquel le risque de conflit avec le terrain est tel qu'une manœuvre standard d'évitement vertical doit immédiatement être engagée par le pilote. A ce deuxième point un système de type TAWS émet une alarme orale de type
"Pull Up".
Il est à noter que, dans certaines situations, la trajectoire suivie peut amener directement un aéronef, du premier point d'alerte, au point limite d'efficacité d'une manœuvre standard d'évitement vertical point d'alarme sans passer par le point d'alarme. Il est également à noter que dans certaines variantes de l'invention, le système peut ne pas générer ces alerte et alarme. La détermination du franchissement par l'aéronef du point limite de conflit imminent avec le terrain à partir duquel une manœuvre standard d'évitement vertical du terrain n'est plus efficace est assimilée à la pénétration d'une représentation topographique du terrain élaborée à partir d'une base de données d'élévations du terrain embarquée ou consultable depuis l'aéronef, dans un palpeur de point limite qui correspond à la surface inférieure et frontale d'un volume de protection lié à l'aéronef modélisant une trajectoire d'une manœuvre standard d'évitement vertical engagée sur-le- champ ou quasiment sur-le-champ, au bout d'un temps en dessous duquel le pilote n'a pratiquement plus le temps de réagir, de durée prédéterminée typiquement comprise entre 0 et 3 secondes, généralement constante mais pouvant être variable et dépendre de critères portant sur la nature de la phase de vol en cours, l'altitude de l'aéronef ou autres.
Comme montré à la figure 1 , le palpeur 1 de point limite présente une extension longitudinal EXT|0ng dans la direction du mouvement de l'aéronef et une extension latérale EXTιat transversale au mouvement de l'aéronef. Son extension longitudinale EXT|0ng a un profil correspondant à une trajectoire extrapolée comportant deux parties ou temps de vol successifs :
- un premier temps de vol T1 d'initialisation d'une manœuvre standard d'évitement vertical allant de la position courante S de l'aéronef jusqu'à un arrondi précédant la mise en montée effective de l'aéronef correspondant à un temps de réaction d'un pilote ayant pris la décision d'effectuer une manœuvre standard d'évitement vertical, augmenté des temps de remise à plat de l'aéronef, de prise d'une incidence adaptée à une pente de montée égale ou proche d'un maximum possible et de passage des moteurs à un régime maximum de poussée. Cette première partie a une durée de l'ordre d'une dizaine de secondes, et
- un second temps de vol T2 correspondant à une montée à pente égale ou proche du maximum. La forme et la durée de parcours de la trajectoire de la première partie T1 , et la pente de montée de la deuxième partie T2 sont données par des tables prenant en compte des paramètres tels que le type d'aéronef, son poids, sa vitesse, son taux de virage et son angle de roulis, sa vitesse de mise en roulis, l'inertie de remise en vitesse des moteurs, etc.. Le délai d'inertie de remise en puissance des moteurs, qui est fonction de la vitesse air de l'aéronef et de son régime moteur lors de l'engagement d'une manœuvre d'évitement du terrain, est tiré d'un abaque ou d'une table 2D établi soit à partir de bases de performances fournies par le constructeur de l'aéronef, soit à partir de valeurs conservatives génériques pour tous les aéronefs ayant la même motorisation.
L'extension longitudinale EXT|0ng du palpeur 1 de point limite couvre typiquement 2 minutes de vol, mais peut être modulée en fonction de la phase de vol ou de la zone où s'effectue le vol. Par exemple, dans une zone d'aéroport montagneux elle peut être modulée en fonction de la distance aéronef-piste obtenue par l'utilisation de données contenues dans une base de données sur les coordonnées des pistes aéroports.
L'extension latérale EXTιat du palpeur 1 de point limite tient compte des incertitudes de localisation de l'aéronef dues aux imprécisions de ses instruments embarqués de localisation et de la représentation topographique du terrain élaborée à partir de la base de données d'élévations du terrain. Elle s'accroît avec le délai de prévision. La largeur du palpeur au niveau de la position courante de l'avion est une valeur prédéterminée typiquement de 100 m par exemple. Pour une implémentation donnée cette largeur est en général constante. Mais dans certaines implémentations, cette largeur peut avoir une valeur variable selon des critères tels que niveau de la précision de navigation, phase de vol, altitude ou autres. De la position courante de l'aéronef le palpeur s'ouvre typiquement de 1 ,5° de part et d'autre de la direction de déplacement de l'aéronef quand il vole en ligne droite et augmentée jusqu'à une valeur telle que 90° par exemple sur le coté du virage quand il est en virage en fonction du taux de virage. Sur l'autre coté du virage, l'angle peut rester inchangé car, si l'exécution d'une manœuvre d'évitement se révèle nécessaire, la zone utilisée pour cette manœuvre doit rester protégée.
Pour la détection d'une pénétration du terrain survolé au travers du palpeur 1 de point limite, il est tenu compte d'une marge verticale de sécurité m qui est soit ajoutée à la modélisation du terrain prise en compte, soit comme ici, soustraite de l'altitude de l'aéronef abaissant d'autant le palpeur 1 de point limite par rapport à la modélisation du terrain prise en compte. Cette marge de sécurité sous la position courante de l'avion et/ou sous la trajectoire suivie par l'aéronef correspond ici à la marge minimum tolérable pour éviter un accident. Sa valeur est comprise, par exemple entre 0 et 100 ft mais elle peut être un peu plus importante. La valeur maximum doit prendre en compte comme déjà décrit dans les brevets US 5,488,563 et US 5,638,282, les différentes erreurs impactant la hauteur effective au- dessus du sol réel dont : la précision de la base de donnée terrain, la précision de la position verticale de l'avion donnée par les équipements de bord, la marge minimum pour franchir des obstacles usuels tels que : arbres, immeubles (ceux-ci sont typiquement inférieur à 100 ft). Plus généralement, cette marge de sécurité est au plus égale à la marge adoptée pour les palpeurs utilisés par les systèmes de type TAWS pour les alertes de type "caution" et alarmes de type "warning".
Pour davantage de détails sur la conformation d'un palpeur de point limite 1 , on peut se reporter à la demande de brevet français FR 2.864.270 déposée par la demanderesse.
La détection d'une pénétration du terrain survolé dans le palpeur 1 de point limite se fait :
- en positionnant le palpeur 1 de point limite par rapport à la représentation topographique du terrain survolé d'une part, latéralement à partir d'informations sur la position géographique de l'aéronef et sur sa direction de déplacement (route) délivrées par ses instruments de bord et, d'autre part, verticalement en tenant compte de la marge verticale de sécurité à partir d'une information d'altitude délivrée par les instruments de bord de l'aéronef, et
- en recherchant les points du palpeur 1 de point limite pénétrant la représentation topographique du terrain survolé, par exemple en échantillonnant le palpeur de point limite par la grille de localisation géographique utilisée implicitement dans la base de données d'élévations du terrain pour quadriller le terrain survolé, ou par interpolation entre points de la grille.
Une détection de pénétration du terrain survolé dans le palpeur 1 de point limite signalant l'inefficacité des manœuvres standard d'évitement vertical du terrain est utilisée pour informer le pilote d'une situation de risque imminent de collision avec le sol par des indications orales et/ou visuelles (telles que typiquement une annonce de type "Avoid Terrain") et pour lancer un processus d'aide à la résolution du risque avéré de collision avec le terrain.
L'identification des secteurs azimutaux d'évitement ou de dégagement restant ouverts à une manœuvre standard d'évitement vertical après un changement de cap se fait par analyse des secteurs azimutaux libres de pénétration du terrain au sein d'un palpeur spécialisé, correspondant à une augmentation très importante de l'ouverture azimutale du palpeur de point limite. Ce palpeur spécialisé correspond aux surfaces inférieure et frontale d'un volume de protection modélisant non seulement la trajectoire d'une manœuvre standard d'évitement vertical engagée sur-le- champ ou au plus à très brève échéance mais également un ensemble de trajectoires composites comportant une première partie correspondant à une trajectoire de manœuvre initiale de changement de cap plus ou moins appuyé, prolongée par une deuxième partie correspondant à une trajectoire de manœuvre standard d'évitement verticale.
Comme représenté à la figure 2, le palpeur 2 utilisé dans l'analyse des possibilités d'échappement offertes par les alentours de l'aéronef reprend la surface du palpeur 1 de point limite complétée par des extensions latérales lui donnant une forme générale évasée rappelant celle d'un fer de francisque. Plus précisément, le palpeur 2 d'analyse présente une surface frontale relevée 10, engendrée par une directrice 1 1 ayant la forme d'une deuxième partie à pente de montée proche du maximum, d'une trajectoire de manœuvre standard d'évitement verticale s'appuyant à sa base sur une génératrice 12 en arc de cercle ouvert formée du lieu des points d'achèvement des manœuvres initiales de changement de cap à la portée de l'aéronef. Cette surface frontale relevée se prolonge en direction de la position courante S de l'aéronef par une surface sectorielle 13 de raccordement contenant l'ensemble des trajectoires de changement de cap à la portée de l'aéronef, limitées à un changement de cap maximum pouvant aller jusqu'à atteindre les 180/190 degrés afin de sonder les possibilités de demi-tour.
Le lieu 12 des points d'achèvement des manœuvres de changement de cap correspond au lieu des extrémités des cordes des virages de changement de cap. Il peut être déterminé à partir de prévisions de trajectoires de virage à plat, à angle de roulis SIDE_BANK constant, typiquement 3 "/seconde, et parcouru avec une vitesse air TAS constante, qui s'arrête au moment de la remise à plat des ailes de l'aéronef après que celui- ci ait atteint le cap désiré et dont le rayon, fixé en fonction des performances de l'aéronef et d'un degré de confort recherché répond à la relation classique :
R _ TAS2 g x tan(SIDE_ BANK) g étant l'accélération de la pesanteur. Ce lieu 12 des points d'achèvement des manœuvres de changement de cap se présente sous la forme d'un segment courbe s'apparentant à un arc de cercle en plus ouvert si l'on admet que tous les virages sont exécutés avec un même angle de roulis, une même vitesse, et ont un même rayon. Il n'est pas forcément symétrique de chaque coté de l'aéronef, car il dépend de l'angle de roulis initial de l'aéronef et peut résulter, dans un sens du prolongement d'un virage initial et, dans l'autre sens, d'une annulation du virage initial avec trajectoire de remise à plat avant d'initier un virage de l'autre côté. En variante, le palpeur 2 d'analyse peut ne pas être situé au même niveau que le palpeur 1 de point limite dans la direction de progression de l'aéronef mais venir légèrement en deçà ou au-delà du palpeur 1 de point limite.
La détection d'une pénétration du terrain survolé dans le palpeur 1 de point limite signalant un risque avéré de collision avec le terrain non résoluble par une manœuvre standard d'évitement vertical, entraîne, comme représenté à la figure 3, un inventaire des points du terrain survolé pénétrant dans le palpeur d'analyse 2, puis, comme représenté à la figure 4, une recherche des secteurs azimutaux centrés sur la position courante S de l'aéronef encore ouverts, c'est-à-dire exempts de pénétration par des points du terrain survolé.
L'inventaire des points 15 du terrain survolé pénétrant dans le palpeur d'analyse 2 se fait, comme pour le palpeur 1 de point limite, en positionnant le palpeur d'analyse 2 en latéral et en vertical par rapport à la représentation topologique du terrain survolé élaborée à partir de la base de données d'élévation du terrain et en comparant, après prise en compte de la marge d'altitude de sécurité, les altitudes des points du palpeur d'analyse 2 aux élévations des points de mêmes coordonnées géographiques de la représentation topologique du terrain survolé. La recherche des secteurs azimutaux a, b, c encore ouverts se fait, par exemple, par une analyse géométrique de la disposition au sol des ensembles de points pénétrants 15 trouvés lors de l'inventaire consistant à faire balayer cette disposition au sol par un axe horizontal pivotant tournant autour de la position S de l'aéronef et à repérer les positions angulaires ou l'axe n'intercepte aucun point pénétrant. Sur l'exemple de la figure 4, cette analyse géométrique donne trois secteurs ouverts : un secteur a légèrement sur la gauche de l'aéronef et deux secteurs b et c placés latéralement en limite de la plage de cap couverte par le palpeur d'analyse 2.
Lors de la détection d'un risque imminent de collision avec le terrain signalé par une pénétration du terrain dans le palpeur 1 de point limite donc non résoluble par une simple manœuvre standard d'évitement vertical, les secteurs azimutaux ouverts trouvés au moyen du palpeur d'analyse 2 ont leurs angles d'ouverture testés pour leur aptitude à modéliser une trajectoire de manœuvre standard d'évitement vertical respectant une marge latérale de sécurité par rapport aux reliefs du terrain survolé, par exemple en imposant une longueur minimale à leurs arcs de cercles au niveau de leurs points de contact avec des ensembles de points pénétrants.
Puis les secteurs azimutaux ouverts ayant satisfait au test de la marge latérale sont soumis à une estimation de distances de libre parcours exempt de conflit potentiel avec le terrain, consistant en une recherche de points limites d'efficacité d'une manœuvre standard d'évitement vertical dans leurs angles d'ouverture. Cette recherche se fait en balayant leurs angles d'ouverture par des trajectoires d'éloignement, rectilignes de pente arbitraire, préférablement la pente de la trajectoire de l'aéronef au moment de son franchissement du premier point le privant de la possibilité de résoudre son risque de collision avec le terrain par une simple manœuvre standard d'évitement vertical, ou une pente nulle de trajectoire horizontale, ou encore une pente positive de montée.
L'intérêt de l'adoption, pour les trajectoires d'éloignement, de la pente de la trajectoire initiale de l'aéronef, se manifeste dans le cas où le risque de collision avec le sol est dû à une erreur de cap en approche amenant l'aéronef sur un obstacle qu'il aurait dû normalement contourner, sa route normale ayant les plus grandes chances de se trouver dans un secteur azimutal ouvert proche de sa route initiale, présentant une distance de libre parcours correspondant à sa distance d'approche.
L'intérêt de l'adoption de trajectoires d'éloignement horizontale à pente nulle, résulte du fait que l'aéronef vire la plupart du temps , à plat et se retrouve se retrouve sur une trajectoire horizontale en sortie de virage.
L'intérêt de l'adoption de trajectoires d'éloignement en montée se manifeste dans le cas où l'aéronef vire en adoptant le plus tôt possible une pente en montée pour anticiper la résolution du risque de collision avec le sol et rejoindre une altitude de sécurité.
La figure 5 donne un exemple de détermination de distances de libre parcours sur les secteurs azimutaux ouverts à partir de points ultimes 20 marquant la limite d'efficacité d'une manœuvre d'évitement vertical concernant des reliefs à moyenne distance hors de portée du palpeur d'analyse 2 ou du palpeur de point limite"! . Cette détermination se fait par incrément de l'écart angulaire de route. Elle peut également se faire par d'autres méthodes, par exemple, par incrément de distance le long des trajectoires en virage de la génératrice en arc de cercle 12 du palpeur d'analyse 2.
Les distances de libre parcours sont déterminées sur des horizons de 2 à 5 minutes de vol pour des trajectoires en virage allant jusqu'à des changements de cap de 180 à 190 degrés couvrant un rebroussement de trajectoire, la trajectoire de provenance de l'aéronef étant considérée comme sûre donc candidate pour une évasive envisageable si sa rejointe est possible.
La figure 6 montre une forme possible d'affichage mono dimensionnel, des secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement. Celle-ci se présente sous la forme de segments 30 d'un bandeau gradué en écart angulaire de cap θ ou en distance le long d'une trajectoire en virage. Ce bandeau peut être conformé pour se superposer à l'échelle des caps d'un écran PFD d'affichage de paramètres primaires de vol ou être ajouté à la base ou au sommet d'une carte répertoriant les reliefs menaçants sur un écran de navigation.
La figure 7 montre une forme possible d'affichage en bi dimensionnel, des secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement avec leurs distances de libre parcours. Celle-ci se présente sous la forme d'un diagramme de courbe 31 gradué en abscisses, en écart angulaire de cap θ ou en distance le long d'une trajectoire en virage et, en ordonnées, en distance de libre parcours, avec au centre le secteur couvert par le palpeur de point limite 1.
Ces figures 6 et 7 sont sans correspondance avec la situation illustrée à la figure 5. De façon optionnelle, l'un des secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement et ayant satisfait au test de marge latéral est privilégié pour la fourniture et l'indication d'un changement de cap. Il est sélectionné de manière à réaliser un compromis entre les différents aspects suivants :
- altération de route minimum
- altération minimum de la pente de montée (celle-ci devant être d'autant plus faible que l'altération de route est grande)
- secteur de dégagement le plus large possible (celui-ci devant être d'autant plus grand que l'altération de route est grande)
- distance à un nouveau risque potentiel de conflit avec le terrain la plus éloignée possible (celle-ci devant être d'autant plus grande que l'altération de route est grande). en partant des deux constatations suivantes : - moins le relief infranchissable est élevé au-dessus de la trajectoire courante de l'aéronef, plus l'aéronef aura de facilité à passer au- dessus. Il sera plus facile à l'aéronef de passer au-dessus que d'initier un virage mais le temps "après alerte" est d'autant plus court que le relief dépasse peu de la trajectoire courante de l'aéronef, - plus le relief infranchissable est élevé au dessus de la trajectoire courante de l'aéronef, plus l'aéronef aura de difficulté à passer au- dessus et il lui sera plus facile d'initier un virage plutôt qu'une forte montée sur une grande distance. En outre la détection se fera tôt et le temps "après alerte" sera long. qui poussent à anticiper les manœuvres d'évitement sur les trajectoires de dégagement.
Pour cette sélection, les hauteurs des reliefs limitant les distances de libre parcours sur les secteurs azimutaux ouverts sont converties en distances préalables aux points ultimes afin de situer, en amont des points ultimes des trajectoires de dégagement, des points d'initialisation d'une manœuvre préventive d'évitement vertical à pente plus modérée qu'une manoeuvre standard d'évitement vertical.
La figure 8 illustre la détermination de l'emplacement d'un point d'initialisation 21 à partir d'un point ultime 20, sur une trajectoire de dégagement d'un secteur azimutal ouvert à distance de libre parcours limitée. L'emplacement du point ultime 20 est déterminé en déplaçant, le long de la trajectoire de dégagement 22 supposée horizontale, un profil de manœuvre standard d'évitement vertical d'angle de pente α correspondant à une valeur proche du maximum admissible pour l'aéronef compte tenu de son type, son poids et sa vitesse, cela jusqu'à ce qu'il entre en contact avec le relief. Le point d'initialisation est alors assimilé au point 21 de la trajectoire de dégagement, placé en amont du point ultime 20, voyant sous un angle de pente β inférieur à l'angle de pente α, le point de contact 23 avec le relief R, de la trajectoire standard d'évitement vertical. La distance d de libre parcours, qui est la distance séparant le point d'initialisation 21 du point ultime 20 : répond à la relation de définition : d = H (1/tg(β) - 1/tg(α) )
H étant la hauteur relative du relief d'un point de contact 23 par rapport à la trajectoire de dégagement considérée. L'angle de pente β de la manœuvre préventive d'évitement verticale peut être déterminé en fonction de différents paramètres tels que la pente α d'une manœuvre standard d'évitement vertical qui est fonction de la ressource maximum possible de l'aéronef compte tenu de ses performances instantanée de montée et /ou la variation de cap. Il répond par exemple à une relation de définition de la forme : β = f(α) * f(variation track) avec f(α) = α/2 f(variation track) = cos(variation track) ou cos(variation track/2). L'emplacement du point d'initialisation 21 peut également être déterminé, comme celui d'un point ultime 20 en déplaçant, le long de la trajectoire de dégagement, un profil de manœuvre modérée d'évitement vertical d'angle de pente α, cela jusqu'à ce qu'il entre en contact avec le relief. Certains secteurs azimutaux ouverts ne présentant pas de risque de collision avéré sur l'horizon de détermination des distances de libre parcours pour la valeur d'angle de pente β d'une manœuvre standard d'évitement vertical, donc pas de point ultime, peuvent néanmoins ramener une distance pour le point d'initialisation. Pour couvrir ce cas il est toujours possible de rejouer la logique de détermination des points ultime avec une manœuvre d'évitement verticale de pente non plus égale à α mais à β. Lors de la détermination d'un point ultime 20, plusieurs points 23,
24 de contact avec le relief peuvent simultanément ressortir. Dans ce cas seul est considéré le point de contact 22 ayant la plus grande hauteur relative, sauf si la hauteur relative la plus basse reste encore déterminante dans la détermination de la variation de cap optimum.
La figure 9 montre une forme possible d'affichage en bi dimensionnel, des secteurs azimutaux ouverts à une manœuvre de dégagement avec leurs distances de libre parcours immédiat 32 et de libre parcours à court terme 33. Cette forme d'affichage consiste en un diagramme gradué en abscisses, en écart angulaire de cap θ ou en distance le long d'une trajectoire en virage et, en ordonnées, en distance de libre parcours, avec au centre le secteur couvert par le palpeur de point limite 1 montrant deux courbes : la courbe 32, en traits gras donnant les distances de libre parcours immédiat qui sont toujours les plus faibles et la courbe 33 en traits maigres donnant les distances de libre parcours à court terme qui sont souvent plus importantes du fait de la manœuvre modérée d'évitement vertical qu'elles supposent. En plus des courbes 32 et 33 donnant les distances de libre parcours immédiat et à court terme, figurent une indication A de la nouvelle route conseillée en priorité ou mise en œuvre de façon automatique, et une indication B d'une nouvelle route conseillée en deuxième choix car moins satisfaisante du point de vue du compromis recherché (altération de route minimum, altération minimum de pente, de montée, secteur de dégagement le plus large possible, nouveau risque potentiel de conflit avec le terrain le plus éloigné possible). La détermination des points d'initialisation d'une manœuvre modérée d'évitement vertical, qui vient d'être décrite s'adapte à des trajectoires de dégagement non horizontale, la hauteur de relief H considérée qui est la hauteur relative par rapport à la trajectoire de dégagement, devenant plus faible pour une trajectoire de dégagement montante et plus forte pour une trajectoire de dégagement descendante et les angles de pente α et β étant pris en compte par leurs écarts par rapport à l'angle de pente de la trajectoire de dégagement.
Les palpeurs 1 de point limite et palpeur 2 d'analyse sont avantageusement complétés par des palpeurs d'alerte 3 et d'alarme 4 permettant de fournir des alertes et alarmes alors que les manœuvres standard d'évitement vertical sont encore efficaces
Les figures 10 et 11 montrent, en projection verticale et horizontale, une utilisation conjointe des palpeurs 1 et 2 de point limite et d'analyse avec deux autres palpeurs d'alerte et d'alarme 3 et 4 de longueurs échelonnées, construits, en tenant compte d'une marge verticale de sécurité supérieure à celle des palpeurs 1 et 2 de point limite et d'analyse, autour d'une manœuvre standard d'évitement vertical engagée de plus en plus tardivement tels que ceux utilisés par des systèmes TAWS opérationnels pour déclencher leurs alertes et alarmes. Ici, le palpeur 4 sert au déclenchement d'une alarme vocale "Pull-up" signifiant au pilote une obligation d'engager sans délai une manœuvre standard d'évitement verticale tandis que le palpeur 3 sert au déclenchement d'une alerte vocale "Caution" signifiant au pilote qu'il doit modifier à court terme la trajectoire suivie. Le palpeur 4 d'alarme est construit autour d'une manœuvre standard d'évitement vertical engagée non pas immédiatement, comme pour le palpeur 1 de point limite mais à très court terme pour laisser au pilote le temps de réaction nécessaire à la prise en compte d'une alarme vocale. Le palpeur 3 d'alerte est construit autour d'une manœuvre standard d'évitement engagée à moyen terme pour laisser au pilote le temps d'analyser la situation ayant provoqué l'alerte vocale et de décider d'une modification de trajectoire permettant de résoudre le risque avéré de collision avec le sol.
Pour davantage de détails sur des systèmes TAWS opérationnels utilisant des palpeurs pour engendrer des alertes vocales "Caution" et alarmes vocales "Pull up" à l'intention du pilote, on peut se reporter aux brevets américains US 5,488,563 et US 5,638,282 (Chazelle, Hunot, Lepere).
L'utilisation conjointe des palpeurs 1 et 2 de point limite et d'analyse avec les palpeurs d'alerte et d'alarme 3 et 4 d'un système TAWS permet d'améliorer la pertinence des alertes et alarmes vocales destinées à l'équipage.
Ainsi, en l'absence d'une détection de terrain par le palpeur d'alarme 4, aucune alarme terrain n'est émise, qu'il y ait des possibilités de dégagement latéral, le palpeur 2 ne détectant pas de terrain, ce qui est le cas du vol normal, ou qu'il n'y ait pas de possibilité de dégagement latéral, le palpeur 2 d'analyse détectant du terrain tout autour, ce qui est le cas d'un vol dans une vallée.
En présence de détection de terrain par le palpeur d'alarme 4, une alarme terrain de type "Pull up" est émise tant que le palpeur de point limite 1 ne détecte pas de terrain car il y a un risque de collision frontale avec le terrain avec possibilité de dégagement vertical mais pas nécessairement de possibilité de dégagement latéral, le palpeur d'analyse pouvant détecter du terrain tout autour, ce qui est le cas d'un risque de collision frontale dans une vallée. En présence d'une détection de terrain par les palpeurs d'alarme
4 et de point limite 1 , l'alarme de type "Pull up" est remplacée par une alarme de type "Avoid terrain" car il n'y a plus de possibilité de dégagement vertical.
En cas d'alarme terrain de type "Pull up" ou "Avoid Terrain", le palpeur 2 d'analyse est déplacé en avant de l'aéronef, sur sa trajectoire prévisible, jusqu'au point où toute possibilité d'évasive disparaît, ce point situant l'instant ultime avant lequel une manœuvre d'évitement doit être initiée étant signalé à l'équipage et éventuellement utilisé pour fixer l'instant de démarrage d'une procédure automatique d'évitement du terrain.
Un système de type TAWS de prévention des collisions avec le terrain à palpeurs de point limite et d'analyse est avantageusement pourvu d'un dispositif de constat de résolution d'un conflit avec le terrain signalant la possibilité pour l'aéronef de reprendre une trajectoire normale sans conflit avec le terrain à court et moyen termes opérant, soit par surveillance de l'altitude courante de l'aéronef et détection de son franchissement par valeur supérieure d'une altitude de sécurité, soit, comme montré à la figure 12, par surveillance de l'élimination de toute pénétration de points du terrain survolé dans un palpeur spécifique de fin de conflit.
La figure 12 montre, en situation, un aéronef qui se déplaçait initialement en descente jusqu'en un point MW de sa trajectoire où il a été averti par un système de type TAWS embarqué, d'un risque de collision avec le terrain ou plutôt avec une surface MTCD recouvrant le relief R et correspondant à une marge minimum de sécurité tenant compte de diverses imprécisions sur les élévations du terrain et sur la mesure de la hauteur de l'aéronef au-dessus du sol et qui a entamé une manœuvre standard d'évitement vertical l'amenant dans sa position courante S, sur une trajectoire de montée.
Le système de type TAWS embarqué met en œuvre les palpeurs 1 et 2 de point limite et d'analyse ainsi que des palpeurs d'alerte 3 et d'alarme 4 et un palpeur spécifique de fin de conflit 5. Les palpeurs 1 , 2, 3 et 4 de point limite, d'analyse, d'alarme et d'alerte, qui se sont aplatis du fait que l'aéronef a engagé la deuxième partie, à pente de montée proche du maximum, d'une manœuvre standard d'évitement vertical et qui ne provoquent plus ni alerte ni alarme du fait qu'ils ne rencontrent plus aucun point du terrain survolé, informent le pilote de la bonne efficacité de la manœuvre standard d'évitement vertical engagée mais ne le renseignent pas sur la possibilité ou non de reprendre la manoeuvre de descente qu'il suivait avant l'alerte ou l'alarme de risque de collision terrain. Cette fonction est dévolue au palpeur 5 de fin de conflit construit autour d'une trajectoire fictive de reprise de route reprenant le cap initial de l'aéronef et la pente de sa trajectoire initiale ou une pente horizontale. Dans la situation représentée, le palpeur 5 de fin de conflit intercepte la surface MTCD recouvrant le terrain survolé signifiant que la manœuvre standard d'évitement vertical en cours de réalisation doit être poursuivie avant que le risque de collision avec le terrain puisse être considéré comme résolu.
Un système de type TAWS de prévention des collisions avec le terrain à palpeurs de point limite et d'analyse est avantageusement pourvu d'un dispositif d'inhibition des alertes, alarmes, signalement des secteurs de dégagement et mise en œuvre optionnelles d'engagement automatique de manoeuvres d'évitement dès lors que l'aéronef effectue une approche vers une piste d'atterrissage (sur laquelle il a l'intention de se poser) ou un dégagement depuis une piste de décollage, les informations pistes étant obtenues par l'utilisation de données contenues dans une base de données sur les coordonnées des pistes aéroports.
Ce dispositif d'inhibition peut baser l'inhibition ou non des alertes, alarmes, signalement des secteurs de dégagement et mise en œuvre optionnelles d'engagement automatique de manoeuvres d'évitement sur un critère de présence ou non de l'aéronef sur ou à proximité immédiate (pour tenir compte des imprécisions de positionnement et de suivie de trajectoire), d'une trajectoire autorisée d'approche ou de dégagement d'une piste d'atterrissage-décollage selon le concept communément surnommé "Landing Tunnel" décrit par exemple dans le brevet américain US 6,088,654, ce critère de présence ou d'absence au voisinage d'une trajectoire d'approche pouvant être complété ou modifié par d'autres critères tels que la sélection du mode d'approche pour le pilote automatique de l'aéronef.
Différentes variantes peuvent être envisagées dans le mode de fonctionnement d'un système de prévention des collisions avec le terrain à palpeurs 1 de point limite et palpeur 2 d'analyse. Ainsi, l'engagement automatique d'une manœuvre composite d'évitement comportant un virage vers un secteur de dégagement suivi d'une manœuvre standard d'évitement vertical, peut être retardé jusqu'à ce que les secteurs de dégagements restants ne respectent plus certains critères prédéfinis comme : - occupation d'une plage de caps inférieure à, par exemple, 50% de la plage de cap couverte par le palpeur 2 d'analyse,
- secteurs de dégagement nécessitant un changement de cap minimum de plus de, par exemple 25°,
- changement d'altitude requis dans les secteurs de dégagement pour atteindre une altitude de sécurité supérieur, par exemple à
15000ft.
Dans de telles variantes l'analyse des critère de retardement de l'engagement automatique d'une manœuvre composite d'évitement débute au passage du point limite d'efficacité d'une simple manœuvre standard d'évitement vertical.
La pente de montée prise en compte dans la détermination des trajectoires des manœuvres standard d'évitement vertical peut dépendre du type de palpeur considéré. Ainsi, pour les palpeurs 1 de point limite et 2 d'analyse, elle peut être prise supérieure à la pente de montée adoptée pour les palpeurs 4 d'alerte et 3 d'alarme, lorsque cette dernière fait l'objet d'une décote (généralement 10%) par rapport à la pente de montée maximale correspondant à une marge de sécurité. Les différents palpeurs 1 de point limite, 3 d'alarme et 4 d'alerte ont été principalement décrits et représentés dans le cadre d'un aéronef se déplaçant en ligne droite, c'est-à-dire avec des formes dont les surfaces ont pour génératrices des axes de déplacement à projection horizontale rectiligne. Dans le cas d'un déplacement de l'aéronef en virage, les formes et les ouvertures de ces palpeurs 1 , 3, 4 par rapport à la direction de déplacement de l'aéronef s'adaptent, leurs génératrices devenant des axes de déplacement à projection courbe correspondant au virage et leurs ouvertures, qui sont de l'ordre de 1 ,5° pour un vol en ligne droite, sont agrandies du côté intérieur au virage en fonction du taux de virage, l'agrandissement pouvant atteindre 90°, et soit maintenues ou diminuées du côté extérieure au virage. Les figures 13, 14, et 15 illustrent les différentes formes qui en découlent pour les projections horizontales des palpeurs. Sur ces figures 13, 14, 15, l'aéronef suit, en instantané, un axe de route R tout en exécutant un virage de trace V.
Le palpeur d'analyse 2 a quant à lui une forme qui tient compte du vent local qui réduit les rayons apparents de virage lorsqu'il est de face et les augmente lorsqu'il est portant. Ces rayons apparents peuvent être assimilés à la moitié de la distance des points des virages où l'aéronef atteint un changement de cap de 180°, points dont les distances transversales par rapport à l'aéronef répondent à la relation :
xt (twi ) = wsχt V " δ.R.cos(wtwl + rt )+ δ.R.cos(γt ) avec
Figure imgf000030_0001
γt = -δ.ÇTrack - Heading)
TAS2
R = g- tan Ψroll
TAS = gΛan φrolι w = R TAS TAS étant l'amplitude de la vitesse air de l'aéronef, g étant l'accélération de la pesanteur, cproii étant l'angle de roulis de l'aéronef pendant la manœuvre, γ étant un facteur dépendant des conditions initiales, δ étant un coefficient égal à +1 pour un virage à droite et -1 pour un virage à gauche, WSxt étant le vent local transverse.
Pour une justification de cette relation, on peut se reporter à la description de la demande de brevet français FR 2.871878 déposée par la demanderesse.
La figure 16 illustre un exemple de fonctionnement d'un système de prévention des collisions avec le terrain mettant en œuvre les différents palpeurs qui viennent d'être décrits.
Le système met en œuvre une base de données 40 d'élévations du terrain, une base de données 41 de manœuvres d'évitement ou de capacités de montée de l'avion ainsi qu'un système d'acquisition 42 des paramètres avion.
En l'absence d'un risque de collision, il élabore en 43 un palpeur d'alerte à partir d'une marge verticale de sécurité prédéterminée et d'une extrapolation à moyen terme (typiquement autour de 20 secondes) de la trajectoire de l'aéronef tirée des paramètres avion, poursuivie sur 2 minutes environ par une trajectoire de manœuvre standard d'évitement vertical extraite de la base de données 41 de manœuvres d'évitement au moyen des paramètres avion et surveille en 44 une éventuelle pénétration dans le palpeur d'alerte, du terrain survolé échantillonné dans la base de données 40 d'élévations du terrain.
En présence d'une détection de pénétration du terrain survolé dans le palpeur d'alerte, il requiert l'attention du pilote sur la nécessité de prendre en compte un risque de collision avec le terrain en enjoignant à un générateur 45 d'indications orales et visuelles d'émettre une alerte "caution", déclenche l'élaboration de plusieurs palpeurs complémentaires : en 46 un palpeur d'alarme, en 47 un palpeur de point limite, en 48 un palpeur d'analyse et en 49 un palpeur de fin de conflit, surveille en 50, 51 , 52 une éventuelle pénétration du terrain survolé dans les nouveaux palpeurs d'alarme, de point limite et d'analyse avec en outre en 52, une analyse des secteurs azimutaux libres de pénétration avec estimations des distances de libre parcours, et en 53, une éventuelle fin de pénétration du terrain dans le palpeur de fin de conflit.
Les palpeurs d'alarme et de point limite sont élaborés d'une manière analogue à celle utilisée pour le palpeur d'alerte, la différence se situant au niveau du délai d'extrapolation de la trajectoire de l'aéronef qui est à court terme (typiquement autour de 5 à 8 secondes) pour le palpeur d'alarme et à très court terme pour le palpeur de point limite (inférieur typiquement à 3 secondes) et éventuellement au niveau de la marge verticale de sécurité qui peut être de valeur différente pour chaque palpeur. Le palpeur d'analyse qui est à grandes extensions latérales fait appel à des trajectoires de virage latéral assimilées à des arcs de cercles dont le rayon dépend des paramètres avion et du vent transverse local, et poursuivie par une trajectoire de manœuvre standard d'évitement verticale extraite de la base de données 41 de manœuvres d'évitement au moyen des paramètres avion. Il est élaboré à partir de génératrices partant de la position de l'aéronef ou d'une position prédite, qui sont :
- soit des droites directes depuis la position considérée en montée (après éventuellement une période de réaction),
- soit des arcs de cercles en fonction du roulis courant prolongés par des trajectoires droites en montée,
- soit des trajectoires courbes précédées ou non des arcs de cercle, en montée instantanée ou différée
Le palpeur de fin de conflit est élaboré comme le palpeur d'alerte mais à partir d'une extrapolation à moyen terme de la trajectoire suivie initialement par l'aéronef tirée des valeurs des paramètres avion figées au moment de la détection du risque de collision avec le terrain en court de traitement.
Les différents palpeurs sont élaborés sous une forme de surface en trois dimensions discrétisées par exemple en distance ou en temps, azimut et/ou élévation. Ils ont une extension spatio-temporelle définie sur une distance ou un temps de parcours, soit équivalents pour toutes les directions, soit variables selon l'azimut et, pour une direction donnée (une génératrice) soit fixes, soit variables selon un critère tel que la hauteur relative des plus hauts sommets environnants. Au niveau des calculs ces surfaces peuvent avantageusement être repliées sur un plan en 2 dimensions. En présence de détection en 50 d'une pénétration du terrain survolé dans le palpeur d'alarme il requiert l'attention du pilote sur la nécessité d'engager sans délai une manœuvre standard d'évitement vertical en enjoignant au générateur 45 d'indications orales et visuelles d'émettre une alarme "pull-up", déclenche éventuellement en 54 l'identification et la sélection d'une manœuvre d'évitement pour un engagement en 55 du pilote automatique dans une manœuvre d'évitement du terrain.
En présence de détection en 51 d'une pénétration du terrain survolé dans le palpeur de point limite il informe le pilote de l'inefficacité d'une manœuvre standard d'évitement vertical en enjoignant au générateur
45 d'indications orales et visuelles d'émettre une alarme de type "avoid terrain".
Il évalue en 52 les secteurs azimutaux libres de pénétration du terrain dans le palpeur d'analyse avec les distances de libre parcours immédiat et à court terme et les signale à l'attention du pilote en enjoignant au générateur 25 d'indications orales et visuelles d'afficher les diagrammes bi dimensionnels, déclenche en 54 la sélection d'une manœuvre efficace d'évitement pour la signaler au pilote par l'intermédiaire du générateur 45 d'indications orales et visuelles et, éventuellement en 35 pour un engagement du pilote automatique dans une manœuvre d'évitement.
Dès détection en 53 d'une fin de détection de pénétration du terrain survolé dans le palpeur de fin de conflit ou constat en 56 du suivi correct d'une trajectoire autorisée, il inhibe toutes les alertes, alarmes et conseil de manœuvre d'évitement émis par le générateur 45 d'indications orales et visuelles, signale éventuellement au pilote la résolution du conflit en enjoignant à un générateur 45 d'indications orales et visuelles d'émettre une fin d'alerte de type "end of threat" et ne laisse en activité que le palpeur d'alerte.
Comme montré à la figure 17, un système 60 de type TAWS de prévention des collisions avec le terrain s'insère dans les équipements embarqués d'un aéronef entre :
- les équipements de navigation et de localisation 61 rassemblant les instruments de vol et un dispositif de localisation géographique, tel que par exemple un récepteur d'un système de positionnement par satellites GNSS (acronyme de l'expression anglo- saxonne :"Global Navigation Satellite System") éventuellement complété par une centrale inertielle, un baro-altimètre, un radio- altimètre ou une combinaison entre plusieurs de ces senseurs,
- une base de données d'élévations du terrain 62, comprenant également des données sur les coordonnées géographiques des pistes d'aéroport
- un équipement de pilotage automatique PA 63,
- des écrans de la planche de bord : écran de navigation 64 affichant une carte de navigation, écran de pilotage 65 affichant les paramètres primaires de vol, et
- des émetteurs d'alertes placés dans le cockpit, principalement de type sonore ou vocal 66 : haut-parleur (HP), sirène, buzzer, etc., mais aussi de type visuel 67 : voyant (Ll), etc..
Il comporte principalement : - une base de données de manœuvres d'évitement ou de capacités de montée de l'avion 600,
- un calculateur 601 exploitant les informations en provenance des équipements de navigation et de localisation 61 et des bases de données 62, 600 d'élévations du terrain et de manœuvre d'évitement pour élaborer les différents palpeurs : palpeur d'alerte, palpeur d'alarme, palpeur de point limite, palpeur d'analyse, palpeur de fin de conflit, détecter les pénétrations du terrain survolé dans ces palpeurs, en fonction des détections faites, signaler les risques associés de collision avec le terrain par des alertes et alarmes, relayées en cockpit par les émetteurs d'alertes et alarmes 66, 67, accompagnées de conseils pour le choix d'une manœuvre d'évitement et éventuellement de commandes pour le suivi automatique d'une trajectoire d'évitement, destinées au pilote automatique 63, et éventuellement,
- une interface homme-machine IHM 602, par exemple un MCDU (acronyme de l'expression anglo-saxonne :"Multipurpose Control Display Unit") ou un FCU (acronyme de l'expression anglo-saxonne :"Flight Control Unit") permettant des paramétrages du système par un membre de l'équipage de l'aéronef ou par une équipe de maintenance, notamment pour le choix ou non d'un engagement automatique de manœuvre d'évitement.
Le calculateur 601 peut être un calculateur spécifique au système de type TAWS de préventions des collisions avec le terrain ou un calculateur partagé avec d'autres tâches telles que la gestion du vol ou le pilote automatique.
Bien évidemment, il est possible de réaliser un système de type
TAWS de prévention des collisions avec le terrain conforme à l'invention sous diverses formes équivalentes à celle qui vient d'être décrite qui n'est qu'un exemple parmi les nombreux possibles à la portée de l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de prévention des collisions avec le terrain :
- détectant les risques de collision avec le terrain au bout d'un délai prédéterminé de prévision, en les assimilant à la pénétration d'une représentation topographique du terrain survolé mémorisée dans une base de données (62) accessible de l'aéronef, dans un volume de protection (1 , 3, 4) lié à l'aéronef localisé par rapport au terrain survolé au moyen d'un équipement de localisation (61 ) embarqué, orienté dans la direction de progression de l'aéronef et configuré de manière à modéliser une trajectoire de manœuvre standard d'évitement vertical du terrain engagée sur le délai de prévision à partir de la trajectoire suivie par l'aéronef prédite à partir d'informations de vol délivrée par des équipements de vol (61 ) de l'aéronef,
- déterminant, sur la trajectoire suivie par l'aéronef, un éventuel point limite de réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical du terrain, en assimilant le franchissement par l'aéronef de ce point limite à la pénétration du terrain dans un volume de protection (1 ) lié à l'aéronef et configuré de manière à modéliser une trajectoire de manœuvre standard d'évitement vertical exécutée sans délai, ladite trajectoire étant prédéfinie en fonction du type de l'aéronef, et
- donnant des indications sur les secteurs azimutaux de dégagement, autour de la direction de progression de l'aéronef, convenant à la réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical du terrain, en assimilant les secteurs azimutaux de dégagement, aux secteurs azimutaux (a, b, c) libres de pénétration du terrain dans un volume de protection (2) à grande ouverture azimutale, lié à l'aéronef et configuré de manière à contenir le volume de protection (1 ) de point limite et, pour les différents azimuts couverts, des trajectoires d'une manœuvre composite débutant par des manœuvres de changement de cap permettant d'atteindre l'azimut considéré et se poursuivant par la manœuvre standard d'évitement vertical du terrain, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte :
- des moyens d'estimation de distance de libre parcours pour estimer, dans chaque secteur azimutal de dégagement (a, b, c), sur une trajectoire d'éloignement rectiligne à pente constante et sur une distance correspondant à plusieurs minutes de vol, une distance de libre parcours exempt de conflit potentiel avec le terrain, et
- des moyens (45, 601 ) de signalisation des secteurs azimutaux de dégagement avec leurs distances de libre parcours.
2. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens d'estimation de distance de libre parcours déterminent, sur les trajectoires d'éloignement, d'éventuels points (20) limite de réussite d'une manœuvre standard d'évitement vertical marquant la limite d'une distance de libre parcours.
3. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens d'estimation de distance de libre parcours détermine sur les trajectoires d'éloignement, d'éventuels points (21 ) d'initiation d'une manœuvre d'évitement verticale à pente arbitraire, inférieure à celle d'une manœuvre standard d'évitement vertical, les dits points d'initiation (21 ) étant pris pour limite d'une distance de libre parcours immédiat.
4. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la trajectoire d'éloignement considérée dans un secteur de dégagement (a, b, c) est une trajectoire rectiligne horizontale.
5. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la trajectoire d'éloignement considérée dans un secteur de dégagement (a, b, c) est une trajectoire rectiligne reproduisant la pente de la trajectoire courante de l'aéronef.
6. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la trajectoire d'éloignement considérée dans un secteur de dégagement (a, b, c) est une trajectoire rectiligne ascendante.
7. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la manœuvre composite servant à l'élaboration du volume de protection (2) pour la détermination des secteurs de dégagement (a, b, c) débute par une manœuvre de changement de cap consistant en une mise en virage dans un plan horizontal.
8. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la manœuvre composite servant à l'élaboration du volume de protection (2) pour la détermination des secteurs de dégagement (a, b, c) débute par une manœuvre de changement de cap consistant en une mise en virage ascendant.
9. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la manœuvre standard d'évitement verticale considérée pour la détermination des distances de libre parcours dans les secteurs de dégagement (a, b, c) a sa trajectoire prédéfinie en fonction du type de l'aéronef et de ses capacités de montée du moment.
10. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la manœuvre standard d'évitement verticale considérée pour la détermination des distances de libre parcours dans les secteurs de dégagement (a, b, c) a sa trajectoire prédéfinie en fonction du type de l'aéronef et de sa configuration du moment.
11. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (54, 601 ) de sélection d'au moins une manœuvre composite d'évitement du terrain minimisant le changement de route et les éventuels conflits à moyen terme avec le terrain.
12. Système selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'affichage (45, 64, 65) de la ou des manœuvres composites sélectionnées.
13. Système selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de guidage (45, 601 ) de l'équipage de l'aéronef dans l'exécution d'une manœuvre composite d'évitement du terrain.
14. Système selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (601 ) d'exécution automatique d'une manœuvre composite d'évitement du terrain intervenant directement sur les équipements de vol de l'aéronef.
15. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'alerte de risque de collision à moyen terme avec le terrain, assimilant une collision avec le terrain à la pénétration du terrain dans un volume de protection d'alerte (3) lié à l'aéronef modélisant une trajectoire prédéfinie de manœuvre standard d'évitement vertical engagée à moyen terme.
16. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'alarme de risque de collision à court terme avec le terrain assimilant une collision à court terme avec le terrain à la pénétration du terrain dans un volume de protection d'alarme (4) lié à l'aéronef modélisant une trajectoire prédéfinie de manoeuvre standard d'évitement vertical engagée à court terme.
17. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'alerte et d'alarme de risque de collision avec le terrain à moyen et court termes, il met en œuvre un volume de protection pour la détermination des secteurs de dégagement et des volumes de protection d'alerte et d'alarme (3, 4) modélisant des trajectoires prédéfinies de manœuvre standard d'évitement de types différents, la trajectoire prédéfinie modélisée dans le volume (2) de protection pour la détermination des secteurs de dégagement ayant une pente de montée supérieure aux trajectoires prédéfinies modélisées dans les volumes (3, 4) de protection d'alerte et d'alarme.
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