Soutenance mémoire
Contrôle de la circulation aérienne
Historique et cadre réglementaire
Historiquement, c’est à la fin de la seconde guerre mondiale qu’il est apparu nécessaire de standardiser au niveau international les moyens de navigation, de communication et de contrôle. Une convention relative à l’aviation civile internationale fut signée à Chicago le 7 décembre 1944. Dans le sillage de l’ONU (Organisation des Nations Unies), une organisation internationale de l’aviation civile provisoire (PICAO) est créée en 1946. Elle devient officielle le 4 avril 1947 sous le nom d’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI). Cette date marque le début de l’époque moderne pour le transport aérien et pour le contrôle de la circulation aérienne [2-j]. Les activités de l’OACI sont relatives à l’élaboration des principes et des techniques de la navigation aérienne internationale (voies aériennes, aéroports, installations et services nécessaires au développement ordonné et sûr de l’aviation civile internationale) et à la promotion de la planification et du développement sûr, régulier, efficace et économique du transport aérien international (article 44 de la Convention). Début 2002, 187 états faisaient partie de l’OACI, dont le siége est situé à Montréal (Québec). La réglementation de la circulation aérienne a été élaborée dans l’intérêt général des usagers de l’aéronautique. Les grands principes de la convention de Chicago sont les suivants :
• Souveraineté de chaque état dans son espace aérien : la seule loi applicable aux vols internationaux est la loi nationale du pays survolé ;
• Pas de discrimination dans la liberté de survol des pays, à condition que le pays dont l’aéronef porte la nationalité soit signataire de la Convention ;
• Obligation de simplifier et d’uniformiser les réglementations techniques, juridiques et économiques dans le but de faciliter le commerce et la navigation.
En France, la réglementation de la circulation aérienne dans le domaine civil s’appuie sur le code de l’aviation civile, dont les décrets d’application concernent les règles de l’air (RCA1) et les services de la circulation aérienne (RCA2). De plus, les arrêtés ministériels dans le domaine aviation civile fixent les procédures pour les organismes de la circulation aérienne générale (RCA3).
Les services de la circulation aérienne
Les différents services à la charge des organismes de contrôle de la circulation aérienne sont les suivants ([2-p]) :
• Information : ce service a pour objet de fournir des avis et renseignements utiles à l’exécution sure et efficace des vols. Plus précisément, ce service fournit des informations météorologiques et aéronautiques (piste en service par exemple). Eventuellement, et sans responsabilité des services au sol, ce service fournit aussi des informations sur les autres vols qui évoluent à proximité et suggère des manœuvres d’évitement.
• Alerte : ce service a pour objet de prendre en compte les messages de détresse transmis par l’avion en cas de nécessité, de déclencher le cas échéant les recherches pour le sauvetage en alertant les organismes appropriés, et de prêter le concours nécessaire à ces organismes.
• Contrôle : ce service a pour objet de prévenir les abordages entre les aéronefs, et les collisions sur l’aire de manœuvre entre les aéronefs et les obstacles fixes ou mobiles ; il a aussi pour objet d’accélérer et d’ordonner la circulation aérienne.
Ces différents services sont rendus au profit des aéronefs civils soumis aux règles de la circulation aérienne générale (CAG). Les aéronefs militaires ou les vols d’essais sont soumis à d’autres règles, compatibles avec leur mission.
Régimes de vol
Les règles de la circulation aérienne générale dépendent du régime de vol de l’avion ([2-a]) : on distingue les règles de vol à vue (VFR : Visual Flight Rules) et les règles de vol aux instruments (IFR : Instrument Flight Rules).
Règles de vol à vue
Pour pouvoir voler suivant les règles de vol à vue, des conditions météorologiques minimales (visibilité horizontale, plafond) doivent être satisfaites. Ces conditions météorologiques minimales dépendent du type d’espace aérien dans lequel évolue l’aéronef.
La plupart du temps, un pilote qui vole suivant les règles de vol à vue navigue en suivant des repères visuels au sol. Mais il peut aussi naviguer au dessus d’une couche nuageuse (on top) en utilisant des moyens de radionavigation. Dans tous les cas, il assure de façon visuelle sa séparation (i.e. espacement minimal réglementaire) par rapport aux autres aéronefs et par rapport au sol. En règle générale, un pilote qui vole suivant les règles de vol à vue ne bénéficie pas du service du contrôle : les pilotes volant suivant les règles VFR doivent appliquer entre eux les règles d’anti-abordage (priorité à droite pour les routes convergentes, dépassement par la droite, virage à droite pour les routes face à face, priorité à l’aéronef en vol par rapport à l’aéronef au sol sur un aérodrome). Dans certains espaces aériens (de plus en plus nombreux), accessibles sous certaines conditions de visibilité minimale et d’équipements (radio et transpondeur radar), les aéronefs volant en régime VFR peuvent bénéficier du service du contrôle. A contrario, certains espaces aériens contrôlés sont interdits aux vols VFR. Par contre, les services d’information et d’alerte peuvent être fournis aux vols VFR par les organismes de contrôle de la circulation aérienne dans les espaces contrôlés.
Règles de vol aux instruments
Un pilote qui vole suivant les règles de vol aux instruments peut piloter et naviguer sans références visuelles extérieures. L’aéronef doit donc posséder un équipement IFR (système d’horizon artificiel, éclairage des instruments, radio-navigation, etc.) et le pilote doit posséder l’entraînement et les qualifications nécessaires. Un pilote qui vole suivant les règles de vol aux instruments bénéficie du service du contrôle dans les espaces aériens contrôlés. En d’autres termes, une partie importante de la responsabilité relative à l’anticipation et à l’évitement des collisions avec les obstacles fixes et des abordages avec les autres vols est transférée aux organismes de contrôle au sol. Les vols IFR s’effectuent sur la base d’un contrat, appelé plan de vol : celui-ci est déposé auprès des organismes de contrôle, et précise l’itinéraire suivi, les altitudes et les heures estimées de passage sur chacun des points significatifs. Il est à noter que les vols VFR en espace contrôlé sont eux aussi soumis à un plan de vol : celui-ci est soit déposé avant le vol, soit transmis dans un format réduit lors du premier contact radio. De plus, les vols en régime VFR ont l’obligation de déposer un plan de vol avant le décollage, quelque soit l’espace traversé, dans des situations spécifiques comme les traversées maritimes, le passage de frontière ou les vols de nuit. Lorsqu’il vole des dans espaces contrôlés, le commandant de bord doit être en permanence en contact par radiotéléphonie, sur des fréquences spécifiques, avec les organismes de contrôle qui autorisent la progression le long du plan de vol et la supervisent, assurant ainsi la sécurité de l’ensemble du trafic.
Réalisation du service du contrôle
Organisation de l’espace
Au dessous du niveau de vol FL195, l’espace n’est contrôlé qu’autour des voies aériennes (AWY), qui ont une largeur de 10 miles nautiques, dans les régions terminales de contrôle (TMA) et autour des aérodromes (CTR). Ailleurs, l’avion ne bénéficie que du service d’information de vol et d’alerte, mais pas du service du contrôle. Une partie de l’espace aérien est également occupée par des zones réservées aux militaires, dont la pénétration n’est possible que sur autorisation du gestionnaire de la zone. Au dessus du niveau de vol FL195, l’espace est contrôlé partout. Il n’y a pas de voies aériennes, mais des routes prédéterminées (PDR). Les zones militaires occupent une grande partie de l’espace aérien à ces altitudes et sont franchissables par le trafic civil lorsqu’elles ne sont pas actives.
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 2 CONTEXTE ET MOTIVATIONS
2.1 INTRODUCTION
2.2 CONTROLE DE LA CIRCULATION AERIENNE
2.2.1 Historique et cadre réglementaire
2.2.2 Les services de la circulation aérienne
2.2.3 Régimes de vol
2.2.4 Réalisation du service du contrôle
2.2.5 Répartition des compétences
2.2.6 Pistes pour l’amélioration de la gestion du trafic aérien
2.3 SURVEILLANCE DEPENDANTE AUTOMATIQUE EN MODE DIFFUSION
2.3.1 Contenu des reports et performances minimales
2.3.2 Squitter long mode S
2.3.3 VDL 4 (VHF Data Link mode 4)
2.3.4 UAT (Universal Access Transceiver)
2.3.5 Standardisation et choix technologiques
2.4 APPLICATIONS EMBARQUEES DE SURVEILLANCE
2.4.1 Présentation du concept ASAS
2.4.2 Projets relatifs au guidage relatif entre aéronefs
2.5 OBJECTIFS DE LA THESE
2.6 CONCLUSION
2.7 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 3 ETAT DE L’ART SUR LES TECHNIQUES DE COMMANDE APPLIQUEES AU GUIDAGE RELATIF ENTRE AERONEFS
3.1 INTRODUCTION
3.2 COMMANDE DE TYPE PROPORTIONNELLE, INTEGRALE ET DERIVEE
3.2.1 Présentation
3.2.2 Application au vol en formation de drones
3.2.3 Vol en formation serrée de chasseurs
3.2.4 Application à la commande de la vitesse d’avions de transport commercial
3.3 COMMANDE PAR REGIME GLISSANT
3.3.1 Présentation
3.3.2 Application au vol en formation de drones
3.4 COMMANDE PAR BOUCLAGE LINEARISANT
3.4.1 Présentation
3.4.2 Application au vol en formation de drones
3.5 COMMANDE OPTIMALE
3.5.1 Présentation
3.5.2 Application au guidage de missiles
3.6 CONCLUSION
3.7 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 4 MODELE D’AVION POUR LA SYNTHESE DE LOIS DE GUIDAGE RELATIF – EQUATIONS D’ETAT DU MOUVEMENT RELATIF
4.1 INTRODUCTION
4.2 ELEMENTS DE MECANIQUE DU VOL
4.2.1 Définitions des trièdres de référence
4.2.2 Forces agissant sur l’avion
4.2.3 Notations, hypothèses et relations de passage
4.2.4 Equations des forces et des moments
4.3 SYSTEMES DE COMMANDE AUTOMATIQUE DE VOL
4.3.1 Objectifs
4.3.2 Systèmes de pilotage
4.3.3 Boucle de pilotage et boucle de guidage
4.3.4 Boucle de pilotage : exemple de réalisation
4.3.5 Conduite des moteurs
4.4 MODELE D’AVION POUR LE GUIDAGE
4.4.1 Introduction
4.4.2 Rappel sur la commande à plusieurs échelles de temps
4.4.3 Dynamique du guidage
4.4.4 Hypothèses sur le modèle et simplifications
4.4.5 Schéma fonctionnel
4.5 CINEMATIQUE DU MOUVEMENT RELATIF
4.5.1 Notations
4.5.2 Equations de navigation
4.5.3 Triangle des vitesses
4.5.4 Cinématique du mouvement relatif dans le repère lié à l’avion suiveur
4.6 EQUATIONS D’ETAT DU MOUVEMENT RELATIF
4.7 CONCLUSION
4.8 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 5 CONCLUSION GENERALE
