Titre de l’invention: Système de sélection de trajectoire d'un aéronef muni d'un système de navigation et guidage automatique sur une trajectoire

[0001 ] L'invention porte sur un système de sélection de trajectoire d'un aéronef muni d'un système de navigation et guidage automatique sur une trajectoire.

[0002] Le domaine technique de l’invention est celui de la navigation autonome d’aéronef, tel un drone ou un avion muni d'un système de navigation et de guidage automatique.

[0003] Le domaine d’exploitation est celui des drones télé-opérés en BVLOS, pour acronyme de "Beyond Visual Line of Sight", hors de la portée visuelle d’un téléopérateur, et des avions autonomes plus généralement, pouvant inclure un avion initialement piloté par un équipage qui aurait perdu la capacité de piloter (hypoxie, incapacité d’un pilote unique, ...). Lors d'une mission, l’aéronef peut rencontrer un certain nombre d’aléas à traiter, comme illustré sur la [Fig.1 ].

[0004] Ces aléas peuvent être des conditions météorologiques dangereuses, un trafic dangereux, une panne ou un dysfonctionnement de la propulsion ou des gouvernes ou d’une quelconque partie de l’aéronef ou de ses équipements ayant un impact sur la tenue du vol, une perte du lien communication C2 avec le télé-opérateur, une prise en compte de consignes externes imprévues (contrôle aérien, télé-opérateur, pilote au sol, ...), un conflit avec le terrain (collision potentielle entre l'aéronef et le terrain), ou une sur-énergie (aéronef trop haut ou trop rapide amenant à une vitesse excessive lors de l’atterrissage) en vue d'un atterrissage d'urgence...

[0005] L’objectif est de fournir une navigation sûre et autonome d’un aéronef.

[0006] On entend par navigation autonome le fait que l’aéronef peut modifier de manière autonome sa navigation afin de s’adapter soit à une modification de la mission soit aux aléas de la mission.

[0007] On entend par navigation sûre, le fait que la navigation a un niveau de criticité correspondant aux niveaux de risques évalués pour la mission de l’aéronef. On suppose dans ce document que les fonctions autres que la navigation (propulsions, gouvernes, etc...), ont les niveaux exigés de criticité au regard des objectifs de sécurité du vol selon la classe de l’aéronef concerné (drone, aviation commerciale, etc.).

[0008] Il existe des solutions de drone autonomes qui sont cependant limitées à des micro-drones opérants dans des zones sécurisées. Des recherches sont effectuées pour des drones autonomes opérant dans un milieu urbain. En particulier, il est connu un article de la NASA, "Onboard Decision-Making for Nominal and Contingency slIAS Flight", de Joshua Baculi & Corey Ippolito, 2019 qui décrit la gestion d’aléas pour un drone par des trajectoires calculées à bord. Cet article n’aborde pas du tout les questions concernant la sûreté de la navigation.

[0009] Pour des missions de drone de taille supérieure, si on considère la réglementation (cf. EASA, «Easy Access Rules for Unmanned Aircraft Systems », June 2021 ), la solution retenue actuellement pour une navigation sûre est d’utiliser le télé-pilote comme recours en cas d’aléas (pour la prise de décision et éventuellement le calcul d’une nouvelle trajectoire) et de poser le drone en urgence sur des zones prévues lors de la préparation de mission.

[0010] Il n’existe pas actuellement de solution alliant à la fois autonomie et sûreté de la navigation en cas d'aléa.

[0011] Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités.

[0012] Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de sélection de trajectoire d'un aéronef muni d'un système de guidage automatique sur une trajectoire, mis en oeuvre par ordinateur, comprenant :

- un module de calcul d'une trajectoire de mission de vol de l'aéronef et de trajectoires de déroutement en cas de survenue d'un aléa durant la trajectoire de mission, embarqué à bord de l'aéronef ou au sol, ces trajectoires pouvant être de type 2D ou plus, avec ou sans transition entre segments ;

- un module d'analyse et validation de trajectoires de mission et de déroutement présentes dans une base de données, embarqué à bord de l'aéronef, et comprenant :

- un sous-module de vérification de la volabilité de chaque trajectoire par vérification de l'adéquation de la trajectoire avec des caractéristiques techniques de l'aéronef représentatives des performances de l'aéronef ; et - un sous-module de vérification que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés, à tout moment de la trajectoire de mission ;

- ladite base de données, embarquée à bord de l'aéronef, comprenant une trajectoire de mission de vol et des trajectoires de déroutement validées par le module d'analyse et validation, et étant configurée pour mémoriser une nouvelle trajectoire de mission de vol et de nouvelles trajectoires de déroutement transmises par le module de calcul à des fins d'analyse par le module d'analyse et validation, et configurée pour, en cas de validation desdites nouvelles trajectoires de mission de vol et de déroutement par le module d'analyse et validation, mettre à jour les trajectoires de mission de vol et de déroutement validées ;

- un module de sélection de la trajectoire de vol parmi les trajectoires de mission de vol et de déroutement validées, en fonction de valeurs de paramètres de fonctionnement de l'aéronef permettant de déterminer la présence d'un desdits aléas, configuré pour transmettre ladite trajectoire sélectionnée au système de navigation et de guidage automatique sur une trajectoire, embarqué à bord de l'aéronef.

[0013] On appelle volabilité d'une trajectoire, le fait qu'une trajectoire soit volable ou non; une trajectoire étant volable si l’aéronef est capable de voler cette trajectoire, i.e. que la trajectoire est continue et compatible des performances de l’aéronef.

[0014] Dans un mode de réalisation, le sous-module de vérification de la volabilité de chaque trajectoire est configuré pour vérifier l'adéquation de la trajectoire avec les caractéristiques techniques de l'aéronef représentatives des performances de l'aéronef comprenant des caractéristiques techniques représentatives de performances aérodynamiques, de performances de propulsion, et de performances du système de navigation et de guidage automatique de l'aéronef.

[0015] Selon un mode de réalisation, le sous-module de vérification de la volabilité de chaque trajectoire est configuré pour utiliser des forfaits pour estimer les valeurs des caractéristiques techniques représentatives des performances aérodynamiques, des performances de propulsion, et des performances du système de navigation et de guidage automatique de l'aéronef.

[0016] Un forfait représente quantitativement une capacité de l’aéronef. Un exemple de forfait peut être la capacité de faire une montée avec une vitesse verticale donnée. [0017] Dans un mode de réalisation, le sous-module de vérification de la volabilité de chaque trajectoire est configuré pour utiliser une modélisation pour estimer les valeurs des caractéristiques techniques représentatives des performances aérodynamiques, des performances de propulsion, et des performances du système de navigation et de guidage automatique de l'aéronef.

[0018] Selon un mode de réalisation, le sous-module de vérification que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés, à tout moment de la trajectoire de mission est configuré pour traduire un aléa en un ensemble de règles à vérifier dépendant de l'aéronef.

[0019] Par exemple, le sous-module de vérification que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés est configuré pour traduire un aléa de panne par la règle suivante :

- pour la trajectoire de mission de vol, il est possible d’atterrir dans un délai prédéfini, par exemple d'au plus 30 minutes, en utilisant éventuellement une trajectoire de déroutement.

[0020] Par exemple, le sous-module de vérification que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés est configuré pour traduire un aléa de collision avec un obstacle répertorié par la règle suivante :

- pour toute trajectoire parmi la trajectoire de mission de vol et les trajectoires de déroutement, la trajectoire ne rencontre aucun obstacle répertorié.

[0021] Par exemple, le sous-module de vérification que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés est configuré pour traduire un aléa de collision avec un obstacle non répertorié par la règle suivante :

- pour toute trajectoire parmi la trajectoire de mission de vol et les trajectoires de déroutement, il est possible de faire un demi-tour en tout point de la trajectoire sans rencontrer un obstacle répertorié, le demi-tour dépendant du vecteur d’état (vitesse et roulis) et du vent permettant de parcourir en sens inverse la même trajectoire sécurisée vis-à-vis des obstacles répertoriés et non répertoriés. [0022] Par exemple, l'aéronef est un drone ou un avion.

[0023] L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :

[0024] [Fig.1 ] illustre schématiquement une mission d'un drone, selon un aspect de l'état de l'art ;

[0025] [Fig.2] illustre schématiquement un système de sélection de trajectoire d'un aéronef muni d'un système de guidage automatique sur une trajectoire, mis en oeuvre par ordinateur, selon un aspect de l'invention ;

[0026] [Fig.3] illustre schématiquement un ensemble comprenant une trajectoire de mission et un ensemble de mission de déroutement, selon un autre aspect de l'invention ;

[0027] [Fig .4] illustre schématiquement un module d'analyse et validation du système de la [Fig.2], selon un autre aspect de l'invention ;

[0028] [Fig.5] illustre schématiquement un sous-module de vérification de la volabilité de chaque trajectoire, selon un autre aspect de l'invention ;

[0029] [Fig.6] illustre schématiquement un sous-module de vérification que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés, à tout moment de la trajectoire de mission, selon un autre aspect de l'invention ; et

[0030] [Fig.7] illustre schématiquement la validation de la base de données comprenant une trajectoire de mission de vol et des trajectoires de déroutement validées par le module d'analyse et validation, selon un aspect de l'invention.

[0031] Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires.

[0032] La [Fig.2] représente schématiquement un système de sélection de trajectoire d'un aéronef muni d'un système de guidage automatique GA sur une trajectoire, mis en oeuvre par ordinateur.

[0033] Le système comprend un module de calcul Calc_Traj d'une trajectoire de mission de vol de l'aéronef et de trajectoires de déroutement en cas de survenue d'un aléa durant la trajectoire de mission.

[0034] Le système comprend également un module d'analyse et validation TrajDB_Checker de trajectoires de mission et de déroutement présentes dans une base de données TrajDB, comprenant : - un sous-module VV de vérification de la volabilité de chaque trajectoire par vérification de l'adéquation de la trajectoire avec des caractéristiques techniques de l'aéronef représentatives des performances de l'aéronef ; et

- un sous-module de vérification VA que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés, à tout moment de la trajectoire de mission.

[0035] La base de données TrajDB comprend une trajectoire de mission de vol et des trajectoires de déroutement validées par le module d'analyse et validation TrajDB_Checker, et est configurée pour mémoriser une nouvelle trajectoire de mission de vol et de nouvelles trajectoires de déroutement transmises par le module de calcul Calc_Traj à des fins d'analyse par le module d'analyse et validation. La base de données TrajDB est également configurée pour, en cas de validation desdites nouvelles trajectoires de mission de vol et de déroutement par le module d'analyse et validation TrajDB_Checker, mettre à jour les trajectoires de mission de vol et de déroutement validées.

[0036] Le système comprend également un module de sélection Sel_Traj de la trajectoire de vol parmi les trajectoires de mission de vol et de déroutement validées, en fonction de valeurs de paramètres de fonctionnement de l'aéronef permettant de déterminer la présence d'un desdits aléa, configuré pour transmettre ladite trajectoire sélectionnée au système de guidage automatique sur une trajectoire.

[0037] Le module de calcul Calc_Traj d'une trajectoire de mission de vol de l'aéronef et de trajectoires de déroutement en cas de survenue d'un aléa durant la trajectoire de mission effectue ses calculs de trajectoires dans le monde ouvert (pas de contrainte de conception liée à la sûreté de fonctionnement).

[0038] A chaque mission de l’aéronef, le module de calcul Calc_Traj calcule un ensemble de trajectoires correspondant à la trajectoire de la mission et toutes les trajectoires de contingence ou de déroutement liées à des aléas prédéterminés pouvant arriver pendant la mission comme illustré sur la [Fig.3].

[0039] Le module de calcul Calc_Traj peut recalculer un nouvel ensemble de trajectoires au cours de la mission (en cas de modification de celle-ci). Cette fonction peut être hébergée soit au sol dans un centre de données ou "data-center" en langue anglaise ou bien sur un calculateur à bord ou "Edge Computer" en langue anglaise pour des raisons de latence ou de disponibilité de la liaison sol-bord, redondé si nécessaire, de façon à garantir la disponibilité du calcul. [0040] Lorsque le module de calcul Calc_Traj est situé au sol, le nouvel ensemble de trajectoires est transmis à l’aéronef via une connectivité sol/bord. Pour un drone, la liaison C2 entre le drone et sa station sol peut être utilisée. Dans le cas d’avions, les différents moyens de connectivité du cockpit et/ou de la cabine peuvent être utilisés (Satcom, VHF, Air-to-Ground). Des protocoles et passerelles spécifiques (type AFCDI) peuvent être mis en jeu pour mettre à jour la base de données à bord avec le nouvel ensemble de trajectoires.

[0041] Une fois calculé, cet ensemble de trajectoires est chargé dans une base de données à bord de l'aéronef et le module d'analyse et validation TrajDB_Checker vérifie l’ensemble de trajectoires. Il comprend deux sous-modules.

[0042] Comme illustré sur la [Fig.4] , le sous-module de vérification de la volabilité retourne le statut OK si l’aéronef peut effectivement voler la trajectoire (adéquation entre la trajectoire et les performances du drone), et retourne NOK (pour Not OK) sinon.

[0043] Le sous-module de vérification que les trajectoires de déroutement permettent de répondre à un ensemble d'aléas déterminés, à tout moment de la trajectoire de mission ou de de vérification des aléas à traiter retourne le statut OK si l’ensemble de trajectoires permet de gérer tous les aléas prédéfinis jusqu’à la fin de la mission (Concrètement, à tout moment et pour tout aléa, il existe une trajectoire compatible de cet aléa permettant de finir la mission). Il retourne NOK sinon.

[0044] Comme illustré sur la [Fig.4], le module d'analyse et validation TrajDB_Checker de trajectoires de mission et de déroutement calcule un statut qui peut prendre les valeurs suivantes :

- OK : la base de données de trajectoires TrajDB est sécurisée : le module d'analyse et validation TrajDB_Checker de trajectoires de mission et de déroutement retourne OK. Il permet à l’aéronef de réaliser sa mission et de faire face aux aléas à traiter.

- NOK : la base de données de trajectoires TrajDB n’est pas sécurisée : le module d'analyse et validation TrajDB_Checker de trajectoires de mission et de déroutement retourne NOK. Soit une des trajectoires ne peut pas être volée par l’aéronef, soit il manque des trajectoires pour faire face à un des aléas. [0045] Ainsi, le statut de retour de TrajDB_Checker est OK uniquement si les statuts des deux sous-fonctions (vérification de la volabilité et vérification des aléas à traiter) sont OK. Dans tous les autres cas, le statut est NOK.

[0046] La fonction de vérification de la volabilité est illustrée en [Fig.5]. Cette fonction est appelée pour chaque trajectoire de la base à vérifier. Elle utilise des données sur les performances de l’aéronef : ces performances incluent les performances aérodynamiques, les performances de la propulsion (par exemple, taux de montée et rayon de virage possibles) et les performances du système de navigation et de guidage automatique. Cette fonction détermine si l’aéronef est capable de suivre la trajectoire. Par exemple, si la trajectoire inclue une pente supérieure au taux de montée maximal de l’aéronef alors la fonction renvoie NOK.

[0047] Dans un premier mode de réalisation, le sous-module VV de vérification de la volabilité peut être implémenté en utilisant des forfaits pour représenter la performance de l’aéronef et de son guidage. Dans un second mode de réalisation, il est possible d’utiliser un modèle exécutable de l’aéronef et d’utiliser une simulation rapide. Dans un troisième mode de réalisation, la fonction peut utiliser un couloir dont la taille est prédéfinie et renvoie NOK seulement si l’avion en peut suivre la trajectoire tout en restant dans le couloir.

[0048] Le sous-module VA de vérification des aléas à traiter est constitué d’un ensemble de règles à vérifier. La traduction des aléas en une suite de règles est faite lors de la conception du sous-module VA de vérification des aléas. Le tableau suivant donne un exemple de règles issues d’aléas : [0049] Ces règles vont dépendre de l’aéronef considéré. Par exemple, l’autonomie d’un aéronef peut varier en cas de panne d’un moteur. Certaines de ces règles peuvent nécessiter des informations que l’on doit stocker dans des bases de données embarquées dans l’aéronef. Par exemple, il peut être nécessaire d’avoir une base de données d'obstacles afin de vérifier qu’aucun obstacle répertorié ne rencontre une trajectoire.

[0050] La [Fig.6] illustre la fonction de vérification des aléas pour les trois aléas/règles donnés dans le tableau ci-dessous.

[0051] Le sous-module VA de vérification des aléas peut aussi utiliser la notion de couloir autour de la trajectoire.

[0052] Le module d'analyse et validation TrajDB_Checker de trajectoires de mission et de déroutement est conçu comme un module de fonction avionique hébergée par l’aéronef. Ainsi, ce module est développé et qualifie avec les contraintes de conception permettant d’assurer les contraintes de disponibilité et d’intégrité.

[0053] Ce module d'analyse et validation TrajDB_Checker de trajectoires de mission et de déroutement est appelé avant chaque mission et l’aéronef ne peut pas décoller si la base de données de trajectoires TrajDB n’a pas été validée. Il est aussi appelé à chaque modification de la base de données de trajectoires TrajDB. Si la vérification échoue, alors la modification n’est pas acceptée et l’aéronef reste sur l’ancienne version de la base de données de trajectoires TrajDB. Ainsi, l’aéronef vole toujours avec une base de données de trajectoires TrajDB valide. C’est dans ce mécanisme, illustré en [Fig.7], que réside notamment l’inventivité de la solution, car il permet d’assurer l’autonomie de l’aéronef de manière sûre (puisqu’il a à tout moment un ensemble de trajectoires valides pour tous les aléas possibles de la mission, et ce dès l’initialisation de la mission).

[0054] Le module de sélection de la trajectoire de vol Sel_Traj embarque choisit la bonne trajectoire parmi les trajectoires de la base de données TrajDB pendant toute la mission. Cette prise de décision intègre les logiques opérationnelles comme l’aurait fait un pilote à bord. Il utilise les capteurs présents à bord de l’aéronef afin d’identifier les aléas et de changer éventuellement de trajectoire. En particulier, le module de sélection de la trajectoire de vol Sel_Traj peut passer sur une trajectoire de déroutement en fonction du ou des aléas identifiés. C’est aussi un module de fonction avionique hébergé par l'aéronef.

[0055] Enfin, le système de navigation et guidage automatique SNGA permet de guider l’aéronef le long de la trajectoire choisie. C’est un module de fonction avionique hébergé par l’aéronef.

[0056] Dans une variante d’implémentation, un module de fonction, embarqué à bord de l'aéronef, de calcul de trajectoires associées à une base de données de plans de vol déterminée dans le monde ouvert peut s’insérer entre les appels du module de sélection de la trajectoire de vol Sel_Traj et du système de navigation et guidage automatique SNGA sur une trajectoire. Les plans de vol obtenus peuvent être basés sur les informations publiées dans une base de donnée de navigation A424 (capacité adaptée à des vols d’aviation commerciale devant s’insérer dans la Circulation Aérienne Générale (CAG) par exemple) ou sur des routes libres, non contraintes par les procédures existantes (capacité adaptée à des missions de type drone suivant un gazoduc par exemple).

[0057] Le système selon l'invention permet une navigation sûre et autonome, car la base de donnée des trajectoires TrajDB étant validée par un module TrajDB_Checker de fonction avionique, pour tout aléa, il existe une trajectoire validée pour terminer la mission. L’exécution de cette trajectoire est effectuée par des modules fonctions avioniques.

[0058] La navigation étant autonome et sûre, la communication entre un opérateur au sol (téléopérateur ou télé-pilote) et l’aéronef n’est plus nécessaire pour la sûreté du vol (l’aéronef est toujours capable de terminer la mission de manière autonome). La perte de cette communication n’est plus un événement critique. De même, la charge de travail d’un téléopérateur est allégée, ce qui lui permet par exemple de suivre une flotte d’aéronef au lieu d’être attaché à un seul d’entre eux.

[0059] Les trajectoires sont calculées dans le monde ouvert, il est donc possible d’utiliser toutes les ressources du monde ouvert pour obtenir des trajectoires de mission. Par exemple, si l’aéronef est un drone qui effectue une mission d’inspection d’une ligne électrique ou d’un gazoduc, il est possible d’utiliser le SIG (Système d’information Géographique) de l’exploitant afin de calculer ces trajectoires. Il est également possible d’adapter le calcul de trajectoire à un nouveau type de mission ou d’améliorer le calcul des trajectoires sans modifier les fonctions avioniques de l’aéronef.

[0060] Les trajectoires peuvent aussi être calculées sur une plateforme à bord de l’aéronef (mais non avionique), cela permet de mettre à jour la base de données de trajectoires au cours de la mission et d’utiliser les capteurs de l’aéronef comme données d’entrée du calcul de trajectoire. On peut l’utiliser pour des missions de suivi d’une cible mobile, dans ce cas, les trajectoires dépendent des capteurs permettant de suivre la cible (par exemple une boule optronique) et sont calculées à une fréquence élevée (quelques secondes). Il est aussi possible d’utiliser ce calcul à bord pour une fonction d’évitement de l’aéronef : si un conflit avec un trafic, ou un évènement météorologique est détecté par les capteurs de l’aéronef (type caméra) alors un nouveau calcul de trajectoire est déclenché afin d’éviter ce conflit.

[0061] La présente invention peut être appliquée à tout aéronef et en particulier sur

- les drones effectuant des missions dans des environnements risqués (survol de zone habitée, vol dans des zones contrôlées).

- les avions commerciaux dont l’équipage est constitué d’un seul pilote, dont la probabilité d’incapacitation ne permet pas de couvrir les exigences de sécurité du vol telle que définie par les standards existants.