La présente invention concerne la prévention des colli- sions entre aéronefs et plus particulièrement un procédé de navigation et de pilotage de drones aériens.

L'invention a également pour objet un drone mettant en œuvre un tel procédé de navigation et de pilotage .

Etat de la technique

Un drone aérien est un aéronef sans pilote humain à bord. Cet aéronef peut être pourvu de systèmes automatisés et réaliser son vol de façon autonome ; il peut également être pourvu de capteurs reliés à un dispositif de pilotage automatique et/ou à un dispositif de commande à distance par un pilote au sol. Les drones aériens sont de plus en plus utilisés dans le domaine militaire, notamment pour la surveillance des champs de bataille, la reconnaissance voire l'attaque au sol.

II a été envisagé d'utiliser des drones aériens dans le domaine civil pour réaliser notamment des opérations de surveillance aérienne de territoires. Ces drones sont en effet intéressants car ils disposent d'une grande autonomie de vol. En revanche, ils pâtissent d'une faible manœuvrabilité . L'absence de pilote à bord interdit au drone de pouvoir satisfaire aux règles de l'air en vigueur dans l'espace aérien civil, règles qui prévoient en particulier qu' un aéronef puisse assurer une fonction « voir et éviter » lui permettant d'échapper à une colli- sion. Ainsi les drones ne sont-ils pas autorisés à voler dans l'espace aérien non ségrégué, c'est-à-dire aux mêmes endroits et mêmes moments que les aéronefs civils embarquant un pilote.

Il est connu d'embarquer sur les aéronefs des transpondeurs (fonctionnant selon le mode A, C ou S pour les aéronefs civils) permettant notamment aux stations radars secondaires de contrôle aérien de déterminer la position de ces aéronefs et de les identifier dans l'espace surveillé. A cette fin, les stations radars se- condaires interrogent les transpondeurs des aéronefs évoluant dans la zone d'espace surveillée et les transpondeurs renvoient en réponse un signal contenant un identifiant et également une altitude barométrique selon le mode de fonctionnement du transpondeur.

II existe un système d' anticollision, destiné à équiper certains aéronefs pilotés, qui est connu sous le nom de TCAS et correspond au standard ACAS défini par la Convention sur l'aviation internationale civile. En Europe, l'utilisation de ce système tend à être étendue et tous les avions commerciaux avec plus de dix-neuf sièges passagers doivent être obligatoirement équipés de la version II de ce système intégrant un transpondeur de mode S. Le système est agencé pour récupérer des informations sur le cap et la position de tout aéronef, dit aéronef intrus, évoluant dans l'espace environnant l'aéronef considéré a une distance variant entre 2,5 (4 km) et 30 miles (48 km) . Ces informations comprennent principalement la distance avec ces aéronefs, leur altitude barométrique et une information approximative d'azimut. Les in- formations sont récupérées par interrogation du transpondeur de mode S de l'aéronef intrus et sont utilisées par le système TCAS II pour déterminer si une collision avec cet aéronef intrus est possible. En cas de collision potentielle détectée par le système TCAS, le pilote de chaque aéronef est informé par une alerte auditive émise dans la cabine de pilotage. Si le risque de collision n' est pas réduit après cette alerte et que la collision semble imminente, le système TCAS détermine une consigne de manœuvre pour le pilote : maintenir la trajectoire ac- tuelle, monter, descendre ou surveiller la vitesse verti- cale .

L'utilisation de système TCAS II est cependant contraignante et inadaptée sur des drones qui n' embarquent pas de pilote et sont généralement d' un coût relativement faible.

Objet de l'invention

Un but de l'invention est de faciliter la navigation d'un drone et augmenter sa sécurité en permettant la prise en compte d'au moins un aéronef intrus dans l'espace environnant le drone.

Exposé de l'invention

A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un procédé de navigation d'un drone aérien en présence d'au moins un aéronef intrus dans une zone d'espace environ- nant le drone. Le procédé comprend les étapes, mises en œuvre au niveau du drone, de :

- recevoir un signal de l'aéronef intrus, signal comportant au moins l'altitude de l'aéronef intrus, et calculer une distance estimée entre le drone et l'aéronef intrus à partir d'une puissance du signal reçu ;

- capturer au moins une image de l'aéronef intrus et déterminer un angle de gisement de l'aéronef intrus à partir de cette image ;

extraire du signal l'altitude transmise par l'aéronef intrus ;

-calculer en utilisant la distance estimée une valeur estimée d' une donnée de positionnement de l'aéronef intrus ou du drone ;

- comparer la valeur estimée de la donnée de po- sitionnement à une valeur mesurée de la donnée de posi ^¬ tionnement et tenir compte de la distance calculée pour la navigation si la valeur estimée correspond sensiblement à la valeur mesurée.

La donnée de positionnement peut être l'altitude de l'aéronef intrus {la valeur mesurée étant l'altitude transmise) ou l'angle de gisement de l'aéronef intrus par rapport au drone (la valeur mesurée de l'angle de gisement étant celle déterminée sur l'image}. Ainsi, comme la distance estimée intervient dans le calcul de la valeur estimée de la donnée de positionnement, la comparaison de la valeur estimée et de la valeur mesurée permet de vérifier la validité de la distance estimée entre le drone et l'aéronef intrus. Ceci limite donc le risque d'erreur. La distance estimée et validée peut alors être prise en compte dans la navigation, notamment pour prévoir une manœuvre d' évitement de l'aéronef intrus ou pour identifier parmi les informations disponibles celles qui sont les plus sûres à utiliser pour la navigation. Il n'est pas obligatoire que le drone soit équipé d'un interrogateur de transpondeur, le récepteur du drone recevant par exemple les signaux émis par le transpondeur mode C ou S de l'aéronef intrus après qu'il a été interrogé soit par un radar secondaire au sol soit par un autre aéronef équipé d'un interrogateur ; le récepteur du drone peut également recevoir par exemple les signaux émis automati ^¬ quement par un dispositif de type ADS-B (de l'anglais « Automatic Dépendent Surveillance-Broadcast ») . Le procédé de l'invention peut donc être mis en œuvre à partir de capteurs uniquement passifs notamment si le drone est amené à évoluer uniquement dans un environnement couvert par des radars secondaires.

L'invention a également pour objet un drone aérien comprenant un dispositif de pilotage relié à un ins- trument de mesure d'altitude, à un dispositif optronique de détection agencé pour déterminer un angle de gisement d'un aéronef intrus évoluant dans une zone environnant le drone, et à un récepteur pour recevoir un signal qui est émis par un aéronef intrus et qui contient une altitude de l'aéronef intrus. Le dispositif de pilotage du drone est agencé pour :

- calculer une distance estimée entre le drone et un aéronef intrus à partir d'une puissance d'un signal reçu par le récepteur ;

- capturer au moins une image de l'aéronef intrus par le dispositif optronique et déterminer l'angle de gisement de l'aéronef intrus à partir de cette image ;

extraire du signal l'altitude transmise par l'aéronef intrus ;

- calculer une altitude estimée de l'aéronef intrus à partir de l'angle de gisement et de la distance calculée ;

- comparer l'altitude estimée à l'altitude transmise et tenir compte de la distance calculée pour la na- vigation si l'altitude estimée correspond sensiblement à l'altitude transmise.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita- tifs de l'invention.

Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une situation de croisement d'un aéronef et d'un drone selon l'invention ;

la figure 2 est une vue schématique du dispositif de pilotage du drone selon l'invention.

En référence aux figures, le drone aérien selon l'invention a la forme générale d'un avion et comprend un fuselage 1 et des ailes 2 qui sont pourvus de surfaces de vol déplaçables au moyen d' actionneurs reliés à dispositif de pilotage embarqué dans le drone. La structure même du drone ne fait pas partie de l'invention et ne sera donc pas plus détaillée ici.

Le dispositif de pilotage, généralement désigné en 3, comprend une unité de traitement de données 4 reliée à un instrument de mesure d'altitude 5, à un dispositif optronique de détection 6 et à un récepteur 7. Le dispositif de pilotage 3 comprend également de façon con- nue en elle-même des moyens de commande des actionneurs des surfaces de vol et du moteur du drone .

L'unité de traitement 4 de données est une unité informatique qui comprend notamment un processeur pour le traitement des données et une mémoire pour l'enregistrement des données.

L'instrument de mesure d'altitude 5 est un instrument barométrique classique.

Le dispositif optronique de détection 6 comprend un capteur d'image relié à une unité d'acquisition et orienté pour avoir un champ couvrant une zone d'espace surveillée située en avant du drone. Le capteur du dispositif de détection 6 est agencé pour fonctionner dans le domaine infrarouge et/ou dans le domaine visible. Le capteur a des performances suffisantes pour permettre de dé- tecter, dans les images fournies, un aéronef (dit aéronef intrus) se trouvant dans la zone d'espace surveillée à une distance maximale comprise entre 8 et 10 km. L'unité de traitement 4 incorpore un module (logiciel ou matériel) de traitement d'image agencé pour déterminer un angle de gisement de l'aéronef intrus évoluant dans la zone d'espace surveillée.

Le récepteur 7 a une antenne directive et est agencé pour recevoir un signal qui est émis par les transpondeurs mode S des aéronefs évoluant à proximité du drone. Le récepteur fonctionne ici à la fréquence de 1090 MHz. Le signal contient : une altitude barométrique de l'aéronef intrus, un code du transpondeur, et un code hexadécimal identifiant chaque aéronef équipé d'un transpondeur mode S.

Le dispositif de pilotage 3 est agencé et pro- grammé pour :

- calculer une distance estimée entre le drone et un aéronef intrus à partir d'une puissance d'un signal reçu par le récepteur 7 ;

- capturer au moins une image de l'aéronef intrus par le dispositif optronique de détection 6 et déterminer l'angle de gisement de l'aéronef intrus à partir de cette image ;

extraire du signal l'altitude transmise par l'aéronef intrus ;

- calculer une altitude estimée de l'aéronef intrus à partir de l'angle de gisement et de la distance calculée ;

- comparer l'altitude estimée à l'altitude trans- mise et tenir compte de la distance calculée pour la navigation si l'altitude estimée correspond sensiblement à l'altitude transmise.

L' unité de traitement 4 est programmée pour mettre en œuvre des filtres de Kalman pour notamment cal- culer :

- une altitude et une vitesse verticale de l'aéronef intrus à partir de l'altitude transmise contenue dans les signaux reçus ;

- une distance estimée et une vitesse relative (ou vitesse de rapprochement) entre le drone et l'aéronef intrus à partir de la puissance de chaque signal reçu ;

- une altitude estimée et une vitesse d'élévation estimée de l'aéronef intrus à partir de l'angle de gisement et de la distance estimée.

L'unité de traitement 4 incorpore en outre un module (logiciel ou matériel) d'association des informations uniquement dérivées du signal reçu (altitude transmise, distance estimée, vitesse de rapprochement estimée, vitesse verticale) et des informations dérivées également des images (vitesse d'élévation estimée, altitude estimée) .

Une situation de collision potentielle entre un drone conforme à l'invention et un aéronef intrus va maintenant être exposée pour expliciter le procédé de 1 ' invention .

Lorsque le drone A est en vol, le dispositif op- tronique 6 fournit des images à l'unité de traitement 4 qui traite ces images pour y rechercher la présence d'un aéronef intrus. Dès qu'un aéronef intrus C est détecté par le module de traitement d' image dans une des images transmises par le dispositif optronique 6, le module de traitement d' image détermine alors dans l' image un angle de gisement de l'aéronef intrus C présent dans l'image.

En parallèle, le drone A en vol reçoit des signaux des transpondeurs des aéronefs répondant à une station radar secondaire B qui est située au sol S et qui a une zone de surveillance dans laquelle évoluent lesdits aéronefs et le drone A. L'unité de traitement 4 du drone A extrait l'altitude transmise contenue dans le signal, l'identifiant de l'aéronef ayant émis le signal et la puissance du signal reçu.

La distance estimée entre le drone et l'aéronef intrus est calculée par le filtre de Kalman à partir de la puissance du signal reçu et est transmise au module d' association.

La distance estimée est également utilisée par l'unité de traitement 4 pour calculer une altitude estimée de l'aéronef intrus à partir de la distance estimée et de l'angle de gisement.

Il va de soi que le calcul de distance estimée n'est valable que si la réception du signal et la capture de l'image sont proches l'une de l'autre dans le temps. On peut ainsi prévoir que l'unité de pilotage 3 soit agencée pour commander le dispositif optronique 6 de telle manière que la réception d'un signal déclenche automatiquement la capture d'une image par le dispositif optronique 6.

L'altitude estimée est calculée dans le repère terrestre local (par exemple dans le système de coordonnées NED ou ENU) . Là encore, la précision de l'altitude estimée dépend de la proximité dans le temps de la récep- tion du signal et de la capture de l'image.

La puissance du signal reçu est ici utilisée sous la forme du rapport signal à bruit du signal reçu. Ce rapport dépend de la distance entre le transpondeur et le récepteur, de la puissance d'émission (transpondeur de 1 à 5 watts TBC) , du gain de l'antenne d'émission (antenne du transpondeur de l'aéronef intrus C) , du gain de l'antenne du récepteur 7, et de l'atténuation atmosphérique. Néanmoins, on a pu déterminer expérimentalement que la distance peut être approximée par une loi du se- cond degré du rapport signal à bruit. La loi retenue est valable sur la plage de distance considérée, ici entre 1 et 10 km.

Dans l'hypothèse où une association a pu être faite avec un identifiant transmis, les données qui se- ront extraites d'images de l'aéronef intrus C ou de signaux transmis ultérieurement par l'aéronef intrus C seront associées audit identifiant.

A partir des données issues de deux signaux successifs, les filtres de Kalman de l'unité de traitement 4 sont agencés pour calculer, à partir des distances estimées, une vitesse de rapprochement de l'aéronef intrus C et du drone A et un temps estimé avant une collision entre l'aéronef intrus C et le drone h.

Les filtres de Kalman sont agencés pour suivre l'évolution des données dans le temps, détecter des er- reurs, lisser les résultats.

Les altitudes transmises, distances estimées, vi ^¬ tesses de rapprochement estimées (calculées par diffé ^¬ rences des distances estimées sur un temps donné) , vi- tesses verticales (calculées par différence des altitudes transmises sur un temps donné) , les altitudes estimées (calculées à partir des distances estimées et des angles de gisement) et les vitesses d'élévation estimées sont transmises au module d'association de l'unité de traite- ment 4 qui est agencé pour associer ces informations à un code d'identification des données tel que l'identifiant de l'aéronef intrus (transmis dans le signal reçu) .

Ainsi, le module d'association est agencé pour réaliser une comparaison d'altitudes, c'est-à-dire :

- une comparaison directe des altitudes (altitude transmise et altitude estimée de l'aéronef intrus) ; et/ou

- une comparaison des vitesses d'élévation (obte ^¬ nues par différence des altitudes transmises successive- ment et par différence des altitudes estimées à partir de deux images successives, rapportées respectivement au temps entre les réceptions des signaux successifs et au temps entre les captures des images successives).

A partir du temps estimé avant collision, l'unité de traitement 4 fournit au dispositif de pilotage 3 une commande d'évitement, la commande d' évitement peut être systématiquement la même (virage à droite ou virage à gauche) ou être adaptée par exemple en tenant compte de la vitesse d'élévation de l'aéronef intrus C (montée ou descente ) .

On comprend donc que la distance estimée validée a été prise en compte dans la navigation du drone A.

On notera que le module d' association retient comme identifiant celui pour lequel l'altitude estimée est sensiblement égale à l'altitude transmise (la dis- tance estimée étant alors validée). Dans l'hypothèse où plusieurs identifiants pourraient être sélectionnés, le module d'association retient comme identifiant celui cor ^¬ respondant au cas le plus défavorable, c'est-à-dire celui conduisant à la distance estimée la plus faible et à la vitesse de rapprochement la plus élevée.

Si aucune altitude transmise n' est sensiblement égale à l'altitude estimée, le code d'identification choisi est propre au module d'association jusqu'à ce que les données associés à ce code d'identification puisse être associé à un identifiant transmis et aux données qui lui sont associées.

Le code d'identification est ainsi soit propre au mode d'association si aucun signal n'a encore été reçu ou à l'identifiant extrait du signal reçu si un tel signal a été reçu.

On notera également que l'antenne directive permet de lever les ambiguïtés lors de l'association en permettant de déterminer une direction d' émission du signal et de vérifier sa compatibilité avec l'angle de gisement déterminé dans l'image. Dans ce cas, il serait également intéressant d'extraire également des images un angle de site dont on pourra vérifier la cohérence avec la direction d'émission. En outre, l'angle de site peut être uti- lisé pour déterminer une trajectoire de l'aéronef intrus afin d'élaborer une manœuvre d' évitement et/ou d'affiner la prédiction de collision.

L'unité de traitement 4 est en outre de préférence agencée pour déterminer la vitesse de rapprochement de l'aéronef intrus à partir d'une dimension de l'aéronef intrus dans deux images successives capturées par le dispositif optronique. A cette fin, le module de traitement d'image extrait de chaque image un angle solide formé par la surface de l'aéronef intrus dans chaque image ou la taille en pixels de l'aéronef intrus dans chaque image. Par comparaison avec des signatures contenues dans une banque de données de signatures d'aéronef,, il est possible de déterminer une distance estimée entre le drone et l'aéronef intrus (on pourra s'aider également d'une taille de l'aéronef intrus obtenue à partir d'informations contenues dans le signal mode S) . L'unité de traitement 4 est agencée pour fournir périodiquement des vitesses de rapprochement à partir de la variation de l'angle solide ou de la taille en pixels de l'aéronef in- trus obtenue par comparaison de ces données de deux images successives.

Ainsi, en l'absence de transpondeur sur l'aéronef intrus, seules les données extraites des images fournies par le dispositif optronique de détection sont utilisées pour déterminer le risque de collision et la manœuvre d'évitement à exécuter.

En outre, si l'aéronef intrus est équipé d'un transpondeur, les vitesses de rapprochement obtenues par traitement d' images peuvent être comparées à celles obte- nues en fonction de la variation de la distance estimée calculée en fonction de la puissance des signaux reçus. Ceci permet de valider ou corriger les résultats fournis par le module d'association. On peut ainsi comparer et analyser les résultats obtenus en n'utilisant que les données issues du dispositif optronique 6 et les résultats obtenus en utilisant également les données extraites des signaux pour ne retenir que les résultats les moins bruités .

En variante, l'unité de traitement 4 est égale- ment reliée à un interrogateur agencé pour Interroger les transpondeurs des aéronefs évoluant à proximité.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais enqlobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, l' invention est utilisable avec des transpondeurs fonctionnant selon d'autres modes que le mode S, par exemple le mode C ou les modes des transpondeurs des avions militaires. Si le signal est dépourvu d' identifiant, on recherche les informations cohérentes avec le signal reçu pour identifier la piste correspondante .

L' invention est également utilisable avec le système de surveillance dépendante automatique ADS-B dans lequel l'aéronef intrus émet périodiquement de manière omnidirectionnelle un signal contenant notamment sa position et son altitude.

En variante, la donnée de positionnement est l'angle de gisement de l'aéronef intrus, le procédé com- prenant donc les étapes de :

calculer un angle de gisement estimé de l'aéronef intrus à partir de l'altitude du drone, de l'altitude transmise et de la distance estimée ;

- comparer l'angle de gisement estimé à l'angle de gisement déterminé à partir de l'image et tenir compte de la distance estimée pour la navigation si l'angle de gisement estimé correspond sensiblement à l'angle de gisement déterminé à partir de l'image.

L'unité de traitement peut être agencée pour ex- traire de l'image d'autres informations que celles citées et par exemple un angle de site de l'aéronef intrus. Dans le procédé décrit cet angle de site n'est pas utilisé car on considère que l'aéronef intrus se dirige droit vers le drone pour prendre en compte la situation la plus cri- tique dans la navigation du drone. On pourrait imaginer d'utiliser l'angle de site pour déterminer une trajectoire de l'aéronef intrus afin d'affiner la prédiction de collision et la manœuvre d'évitement à réaliser.

Les altitudes utilisées peuvent être des alti- tudes barométrique et/ou obtenues par un dispositif de géolocalisation satellitaire.