La prédiction de trajectoire est le résultat d'une simulation informatique permettant, à partir d'un état initial (position, vitesse, masse initiale), de contraintes de vol (route aérienne, niveau de vol, mach de croisière, etc.) mais aussi des conditions météorologiques et de données de performances d'un avion, de calculer ces éléments en fonction du temps.
Explications
Appliquée à un avion de ligne, ce type de simulation peut permettre : de calculer une trajectoire en temps réel, à très court terme (de quelques secondes à quelques minutes), utilisable pour éviter les collisions entre avions ; le modèle peut éventuellement être utilisé pour conseiller ou donner des ordres de modification de trajectoire ; de calculer périodiquement une trajectoire, à court ou moyen terme (de quelques minutes à plusieurs dizaines de minutes), utilisable pour gérer les flux d'arrivée sur une balise ou une piste d'un aéroport ; le modèle peut servir à conseiller des modifications de trajectoire ou des changements de vitesse pour permettre d'éviter les attentes (holding patterns) ; de calculer a priori une trajectoire, pour la totalité du vol prévu, utilisable pour choisir la trajectoire la plus économique en fonction des conditions météorologiques prévues sur le trajet ; de calculer a posteriori une trajectoire à partir de la dernière position connue permettant de déterminer la zone de recherche d'un avion supposé en détresse ; d'estimer des durées des vols pour dimensioner les coûts liés aux salaires de l'équipage ; d'estimer les volumes de kérosène nécessaires et de dimensioner les coûts correspondants ; à des passionnés de se prendre pour des pilotes ou des contrôleurs aériens en utilisant les données disponibles sur de nombreux sites aéronautiques.
Les modèles utilisés dépendent de la précision recherchée et des moyens de calcul disponibles. Ils intègrent plusieurs sous-modèles dont le modèle de vol de l'avion concerné, les modèles d'atmosphère standard ou prévus sur la trajectoire, etc.
Intérêts L'agence Federal Aviation Administration reconnait l'importance du concept des opérations basées sur les trajectoires. Le projet européen SESAR présente les travaux sur les prédictions de trajectoire comme l'une des pierres angulaires de l'amélioration de la fluidité du trafic aérien. Le pendant du projet SESAR aux États-Unis se nomme NextGen..
Dans l'ensemble des systèmes qui facilitent le trafic aérien, les trajectoires des aéronefs sont calculées au moins dans le système de gestion de vol ( ou FMS) à bord de l'avion. et au sol dans un centre de contrôle. Dans le projet 4FLIGHT., le composant COFLIGHT met à jour en temps réel la trajectoire de l'avion.
Géré par l'agence européenne Eurocontrol, le CFMU a pour fonction principale d'optimiser les flux dans l'espace aérien, par exemple en attribuant des créneaux de départ et d'arrivée pour chaque plan de voldéposé par une compagnie aérienne. La précision des prédictions de trajectoires affecte les performances de la gestion des flux aériens. Le CFMU a pour autre fonction la gestion de la séparation entre les vols.
En 2011, la Commission européenne a confié à l'agence Eurocontrol le rôle de network manager responsable ainsi des échanges entre les systèmes du contrôle aérien.
Vers la fin des années 2000, l'agence européenne Eurocontrol avait lancé une série de projets exploratoires autour des calculs de trajectoires en 4D en présence de contraintes.
Plus récemment, la NASA a introduit le concept de gestion de l'espace aérien par les trajectoires, concept qui ouvre l'accès à l'espace aérien aux aéronefs autonomes mais aussi aux exploitants des fusées et qui repose sur la négociation d'une trajectoire qui devra être respectée.
Définition d'une trajectoire
Le site d'Eurocontrol Skybrary. définit une trajectoire 4D comme l'ensemble des positions de l'avion dans les trois dimensions spatiales (longitude, latitude et altitude) avec pour chaque position une référence temporelle.
Exprimée autrement, la trajectoire 4D peut-être vue comme une séquence ordonnée (par le temps) d'enregistrements de localisations définies dans un référentiel.
Si la prédiction de trajectoire cible le contrôle aérien, la référence temporelle prise comme un intervalle de temps (entre deux positions consécutives) doit être ajustable afin d'estimer en temps absolu le passage de l'avion sur des points caractéristiques de la route, points de vérification de la séparation entre les aéronefs, points de convergence en amont des pistes, etc.
Dans son engagement à se conformer à une trajectoire 4D, l'avion doit respecter les heures de passage sur l'ensemble des points de la trajectoire comme une contrainte.
Dans les projets Nextgen et SESAR, l'une des pistes d'amélioration des trajectoires calculées au sol repose sur les échanges des données de trajectoire avec les équipements de bord.
Les quatre composantes de la trajectoire 4D peuvent être étendues dans un objet appelé vecteur d'états.
Trois degrés de liberté versus six degrés de liberté
Un modèle à trois degrés de liberté considère le corps en mouvement comme un point masse et prend en compte les seuls mouvements selon les trois axes de translation. Voir par exemple un repère (NED) local.
Un modèle à six degrés de liberté permet de représenter à la fois les mouvements de translation et les mouvements de rotation autour des trois axes (roulis, tangage et lacet) d'un corps rigide. Ce modèle est un premier choix lorsque les calculs ne concernent qu'un seul type d'avion ou bien que la finalité des calculs est de développer un simulateur de vol le plus proche de la réalité.
Modéliser l'environnement de l'avion
Modéliser la Terre Pour se situer à la surface du globe, les longitude et latitude sont utilisées.. Le méridien de Greenwich est la référence de mesure des longitudes et l'équateur la référence de mesure des latitudes.
La plage de valeurs des longitudes s'étend de -180 degrés (ouest) à +180 degrés (est).
La plage de valeurs des latitudes s'étend de -90 degrés (sud) à +90 degrés (nord).
Pour se situer dans la troisième dimension verticale, un niveau de vol est retenu. La référence pour le niveau de vol est une surface qui correspond au niveau isobare de . Le terme altitude-pression est souvent utilisée pour représenter la dimension verticale.
Modéliser la gravitation La gravitation résulte d'une interaction entre un ou plusieurs corps du fait de leurs masses respectives. À proximité de la terre, compte tenu de la différence de masse entre la terre et l'avion, le poids d'un avion, donc la force qui l'attire vers la surface, est égale à sa masse multipliée par l'intensité de pesanteur terrestre. Cette dernière formule est applicable si l'on considère la Terre comme une sphère parfaite de rayon constant, et que l'on néglige les effets des autres corps célestes sur l'avion. Si l'on souhaite être plus précis, il est possible de calculer la force de pesanteur en fonction de la latitude en considérant la Terre comme une ellipse aplatie aux pôles (modèle WGS 84). Si l'on étudie les routes aériennes et que celles-ci ne survolent pas les pôles, alors l'approximation sphérique sera suffisante.
Modéliser l'atmosphère Le modèle International Standard Atmosphere (ISA) permet de décrire les caractéristiques essentielles de l'air, en particulier sa densité (masse volumique), la température ou la vitesse du son comme une fonction de l'altitude par rapport au niveau moyen de la mer ().
La densité de l'air influence la portance et la trainée. La performance des moteurs se dégrade en présence d'un air chaud et sec.
Dans la stratosphère, la température est de -55 degrés. Elle est le royaume de vents violents appelés jet stream.
Modéliser le vent
Lorsqu'une compagnie aérienne dépose un plan de vol, elle possède une connaissance précise d'une prévision météorologique des vents que l'avion va rencontrer tout au long de la route.
Certaines situations telles que les cisaillements présentent un tel danger qu'il convient de les éviter, en particulier pendant le décollage et l'atterrissage.
Pendant le déroulement du vol, l'équipage en contact avec le contrôle « en route » peut demander un amendement pour bénéficier de la meilleure route, celle qui utilise la force du vent pour réduire le temps de vol et ou la consommation de carburant.
Il existe différents systèmes qui diffusent en quasi temps réel une cartographie des vents avec leur force et leur orientation.
Modéliser les mouvements de l'avion
En physique, le mouvement d'un corps (de masse M) est le résultat d'un ensemble de forces appliquées à ce corpshttps://www.britannica.com/science/Newtons-laws-of-motion.
Forces en présence La force qui met un avion de ligne en mouvement (selon un axe longitudinal) se nomme la poussée. La trainée s'oppose au mouvement généré par les moteurs. La portance lui permet de s'élever dans les airs et le poids (gravitation) s'oppose au mouvement selon cet axe vertical.. La trainée et la portance sont deux forces aérodynamiques qui résultent des écoulements d'air autour de la voilure et plus généralement de la cellule.
Le vent selon sa direction. et sa vitesse mais plus généralement toute turbulence atmosphérique affecte les mouvements d'un aéronef. Le vent peut s'opposer au mouvement mais sa connaissance et son exploitation permet de réduire les temps de vols et, par exemple, de rattraper un retard ou d'économiser du carburant.
Pour les vols de longue durée par exemple les vols transatlantiques, il importe de prendre en considération la pseudo Force de Coriolis.
Chacune des forces citées ci-dessus possède en réalité un point d'application différent. Considérer que ces forces agissent en un même point, appelé centre de gravité, consiste donc en une approximation pour un avion modélisé comme un point masse.
Mouvements rectilignes versus mouvements de rotation Si l'on considère l'avion comme un corps rigide (qui ne se déforme pas), ce corps (et donc son centre de gravité) effectue pendant un court intervalle de temps à la fois des mouvements rectilignes, par exemple selon un axe lié au vecteur vitesse air, et simultanément le corps rigide effectue des autour des trois axes de roulis, tangage et lacet..
Dans un à l'avion, les trois mouvements rectilignes par exemple selon les trois axes (NED main droite) se matérialisent ainsi :
mouvement selon un axe aligné sur la direction du nord géographique du globe et représenté par le pouce de la main droite mouvement selon un axe aligné sur la direction de l'est du globe et représenté par l'index de la main droite mouvement selon un axe aligné sur un rayon du globe et représenté par le majeur de la main droite.
Dans la réalité, la structure d'un aéronef ne peut être considérée comme un corps rigide, en outre les points d'application des différentes forces ne sont pas exactement les mêmes.
Repère local versus repère global Pendant les phases de roulage, lorsque les roues de l'avion sont en contact avec la piste, il est pertinent d'effectuer les calculs dans un repère local. dont l'origine est le centre de gravité de l'avion. Pendant le décollage, ce repère sera en translation par rapport à un autre repère situé en début de la piste.
En première approximation, les mouvements se font uniquement dans le plan tangent à la surface du globe, plan tangent défini par l'axe des X, par exemple orienté vers le nord local et l'axe des Y orienté vers l'est local. Dans ce cas, les calculs sont simplifiés par le choix qui est fait de considérer comme négligeables les mouvements selon l'axe des Z orienté vers le centre de la terre.
On peut, en première approximation, admettre que l'altitude de l'avion (par rapport au niveau moyen de la mer) ne change pas pendant les phases de roulage sur une piste.
Changer de repères Pour calculer un mouvement à la surface du globe, il est nécessaire d'utiliser un repère dont l'origine est le centre de la terre (Distance géocentrique).