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Routes aériennes

Une route aérienne est une succession de segments dans le plan horizontal, dont les extrémités – les points de report ou waypoints – sont situées au-dessus des moyens de radionavigation au sol (e.g. balises VOR 2). Du fait de l’emplacement de ces moyens de radionavigation, qui nécessitent un terrain particulier pour leur installation et sont en nombre limité, le suivi de ces routes est contraignant et coûteux en termes de temps de parcours et de carburant consommé. La précision des moyens de radionavigation embarqués récents a permis la création d’un nouveau type de route : les points de report ne sont plus les balises elles-mêmes, mais des points fictifs qui peuvent être déduits des valeurs de relèvement 3 des balises voisines. Ce mode de navigation est appelé Area Navigation (RNAV). La figure 1.1 montre une portion du réseau de routes aériennes tel qu’il existe actuellement et illustre les deux modes de navigation évoqués ci-dessus.
Le mode RNAV offre des possibilités très intéressantes en ce qui concerne la gestion du réseau de routes. En effet, puisque les points de report sont dématérialisés, il est possible de placer ceux-ci de telle sorte que les trajets soient raccourcis de manière significative. Il devient également possible de mettre en place des routes directes, c’est-à-dire des routes optimales entre deux points (e.g. entre aéroport de départ et aéroport d’arrivée ou, de manière plus réaliste, entre point d’entrée et point de sortie d’une zone contrôlée donnée).
Ce concept de route directe est en essai opérationnel depuis le mois de mars 2011 au sein de l’espace aérien contrôlé par le centre de Maastricht, dans le cadre du projet Free Route Airspace Maastricht (FRAM) [Eurocontrol 11]. Dans ce contexte, 142 routes directes sont utilisables pour traverser l’espace concerné. Eurocontrol annonce un gain de 624 000 NM sur une année, en n’autorisant ces routes que lors des périodes peu fréquentées (en semaine de 00h00 à 08h00 et le week-end). Il est prévu que ces routes soient ouvertes en continu à partir de 2013, ce qui implique la mise en place de nouvelles procédures de contrôle dans la mesure où, du point de vue du contrôleur aérien, le trafic en routes directes est plus difficile à écouler qu’en routes standards (notamment à cause des trajectoires dont l’angle de convergence est faible ainsi que du plus grand nombre de points d’intersection entre les différentes routes).
Quel que soit le mode de navigation choisi, il est nécessaire pour planifier un vol IFR de déposer un plan de vol, c’est-à-dire d’informer les organismes de contrôle de la route que l’on souhaite emprunter. Le plan de vol consiste notamment en une série de points de report, ainsi qu’une heure prévue de décollage et un niveau de vol de croisière souhaité (voir figure 1.2).
Le dépôt de ce plan de vol doit se faire au minimum trois heures avant le décollage. Ce délai permet aux autorités de contrôle et de régulation de connaître les intentions de chaque avion, et ainsi de déterminer les volumes de l’espace aérien qu’ils prévoient de traverser. Les plans de vol pour les vols réguliers assurés par des compagnies aériennes peuvent en outre être déposés automatiquement, le dépôt pouvant être fait un ou deux jours avant.

Sectorisation

Étant donné le volume de trafic sur un territoire comme celui de la France, il n’est pas envisageable pour un opérateur humain de contrôler l’ensemble des avions sur un unique poste de contrôle. L’espace aérien est donc découpé en entités fonctionnelles, ce qui permet de répartir la charge de travail sur plusieurs postes mais nécessite de la coordination entre les postes.
Cependant, la classification présentée précédemment (section 1.1.1) ne correspond pas directement au découpage fonctionnel de l’espace aérien. Celui-ci est découpé en entités appelées secteurs élémentaires. Un secteur élémentaire est un volume d’espace délimité par un contour géographique, un niveau de vol plancher et un niveau de vol plafond. Certains secteurs élémentaires peuvent être regroupés afin de créer un secteur de contrôle, c’est-à-dire une portion de l’espace dont un binôme (voir section 1.3.2) de contrôleurs a la charge.
Centres de contrôle La gestion des secteurs de contrôle est répartie entre plusieurs centres de contrôle 4, qui ont pour mission de définir les secteurs de contrôle ouverts et d’affecter des contrôleurs à la gestion de chacun de ces secteurs. La figure 1.3 montre le découpage de l’espace aérien français en secteurs de contrôle.
À chaque secteur de contrôle est associée une certaine capacité qui ne doit jamais être dépassée et qui est attribuée par le centre de contrôle en charge du secteur.
Définition 1 (Capacité) La capacité d’un secteur de contrôle est dé nie en Europe com-me le nombre maximum d’avions entrant en une heure.
La capacité d’un secteur de contrôle est définie en fonction d’un certain nombre de critères empiriques, parmi lesquels :
– la taille du secteur ;
– la nature des ux – un ux d’avions évolutifs (en montée ou en descente) est plus difficile à contrôler qu’un ux stable ;
– le nombre d’intersections de ux ;
– la présence de zones militaires ;
– l’expérience du trafic passé.
Schémas d’ouvertures Les secteurs de contrôle sont modifiables au cours de la journée en fonction de la quantité de trafic, c’est-à-dire que le nombre de secteurs élémentaires qui le composent peut être augmenté ou réduit. Ces opérations sont appelées regroupement et dégroupement et sont réalisées au sein des secteurs d’un même centre de contrôle. La figure 1.4 illustre ces opérations de changement de configuration. La configuration des secteurs de contrôle pouvant évoluer dans la journée, la « capacité globale » de l’espace peut varier, même si la capacité d’un secteur de contrôle donné, elle, n’évolue pas. Chaque centre de contrôle effectue une prévision, appelée schéma d’ouvertures, des man÷uvres de regroupement et de dégroupement qui devront avoir lieu le jour suivant, en fonction des prévisions de trafic et des ressources disponibles (nombre de contrôleurs notamment).
Une fois les capacités déterminées pour l’ensemble des secteurs de contrôle, il est nécessaire de mettre en place un système de régulation permettant d’écouler le trafic sans les dépasser.

Régulations

La Central Flow Management Unit (CFMU) est un organisme européen chargé de coordonner les différents organismes de contrôle nationaux de la zone Conférence Européenne de l’Aviation Civile (CEAC), afin de garantir la sécurité des vols tout en optimisant l’écoulement du trafic. Elle a notamment pour mission de réguler les ux de trafic afin d’éviter les zones de congestion et d’utiliser l’espace aérien au maximum de sa capacité. Cette section présente les moyens de régulation mis en place par la CFMU pour mener à bien ces missions, ainsi que les coûts (en termes de retard) de ces régulations.

Système tactique d’aide à la régulation

Le système Enhanced Tactical Flow Management System (ETFMS) mis en ÷uvre par la CFMU [CFMU 11] propose un certain nombre de données et de représentations de la situation actuelle ainsi que de la demande de trafic. Il propose également un outil d’aide à la régulation : Computer Assisted Slot Allocation (CASA). Cet outil possède deux degrés de liberté pour proposer des régulations : les heures de décollage ou le re-routement.
ETFMS est alimenté par les demandes de plans de vol pour les prochaines 48 heures, ainsi que par les positions courantes des vols européens, fournies par les services de contrôle nationaux. À partir de ces informations, des profils de vol en quatre dimensions (4D) sont calculés pour chaque vol prévu. Ces profils permettent de calculer les charges de trafic de tous les secteurs de la zone CEAC, contrôlée par la CFMU (voir figure 1.5). Les charges de trafic ainsi calculées sont mises à disposition des différents acteurs du contrôle via des outils de visualisation. Si certains vols (ou ux de vols) sont re-routés afin d’éviter des dépassements de capacité, les modifications sont automatiquement propagées dans le système et les différentes visualisations sont mises à jour. Les visualisations proposées fournissent également une interface pour l’utilisation de l’outil CASA.

Algorithme CASA pour l’aide à la régulation

CASA est un système dont le rôle est de fournir des créneaux de décollage aux avions traversant des zones saturées, celles-ci étant déterminées lors de la phase de calcul des charges de trafic décrite précédemment. Un créneau de décollage est une heure de décollage devant être respectée à −5/ + 10 minutes.
La CFMU et les organismes de contrôle définissent conjointement les zones pour lesquelles des mesures de régulation – Air Traffic Flow and Capacity Management (ATFCM) – sont nécessaires ; ces zones sont décrites par des frontières géographiques (souvent un secteur de contrôle) ainsi que par des heures de début et de fin de régulation. Pour chacune de ces zones, l’algorithme gère une Liste d’Allocation de Créneaux (LAC), vide à l’initialisation de l’algorithme, dont la taille dépend de la capacité (définition 1) de la zone considérée. L’exemple 1 détaille le calcul de la taille d’une LAC.
Exemple 1 (Liste d’allocation de créneaux) Soit une zone de régulation d’une durée de deux heures ayant une capacité de 28 avions par heure. La LAC associée à cette zone a une taille de 56 = 2 × 28. Les créneaux sont répartis approximativement toutes les 2 minutes (fréquence = capacitédurée = 2×5660 ).
L’algorithme fonctionne selon le principe « premier arrivé, premier servi », c’est-à-dire que les vols doivent passer dans la zone régulée dans le même ordre que s’il n’y avait pas eu de régulation. Les vols dont les plans de vol sont connus 5 se voient attribuer un créneau de la LAC en fonction de l’heure estimée d’arrivée dans la zone régulée ; ce créneau est interne au système (c’est-à-dire qu’il n’est pas diffusé) et est susceptible d’être mis à jour à l’apparition de nouveaux plans de vol – on parle de phase de pré-allocation.
Lors de la réception d’un nouveau plan de vol, la pré-allocation est effectuée comme décrite précédemment. Si le créneau correspondant est déjà occupé, celui-ci est attribué à celui des deux vols dont l’heure d’arrivée dans la zone est la plus proche. Le vol qui avait été prévu dans ce créneau prendra le créneau suivant. Si celui-ci est occupé, le processus se répète. Notons que ce procédé peut conduire à la ré-allocation successive de plusieurs créneaux. Puis le créneau est fixé et diffusé quelques minutes avant le départ du vol. À partir de ce moment, le créneau ne peut plus être modifié et alloué à un autre vol.
Lorsqu’un vol est soumis à plusieurs régulations (c’est-à-dire qu’il traverse plusieurs zones régulées), c’est le retard le plus élevé qui est appliqué. Par exemple, si un vol traverse deux zones régulées, et se voit attribuer un retard de 10 minutes pour la première zone et un retard de 15 minutes pour la seconde, alors ce vol se verra attribuer un retard de 15 minutes ; le créneau de passage dans la première zone sera forcé à cette valeur. Cette procédure constitue une des limites de ce modèle : en effet, il n’est pas toujours possible de faire en sorte que le créneau imposé par une zone soit disponible dans les autres zones, ce qui peut conduire à une violation de contrainte de capacité.
Les régulations imposées par la CFMU peuvent mener à des retards importants, comme mentionnés dans la section suivante. C’est particulièrement le cas des régulations mises en place dans les secteurs de contrôle en-route les plus chargés.

Régulations et retards

Les rapports annuels édités par Eurocontrol [CODA 09] fournissent des détails sur les quantités ainsi que les causes des retards dans la zone CEAC. Dans ces rapports, un vol est considéré comme retardé lorsque son retard est supérieur à cinq minutes. Les résultats numériques présentés dans cette section tiennent compte de cette définition.
En 2009 6, il y a eu 38 % de vols retardés avec une moyenne de 28 min. Les quatre composantes principales de ces retards 7 sont les compagnies aériennes (problèmes techniques sur l’aéronef, embarquement de passagers ou de fret, grèves…) pour 49 %, les mesures de régulation ATFCM pour 25 %, la congestion aéroportuaire pour 18 % et les mauvaises conditions météorologiques pour 8 %. Ces retards concernent essentiellement les vols évoluant entre les FL 330 et 390, c’est-à-dire la plupart des vols commerciaux.
Les retards dus aux régulations ATFCM constituent donc une part importante du retard total observé : ils concernent 7,5 % des vols, avec en moyenne 21 minutes par vol retardé. Les coûts associés à ces retards pèsent essentiellement sur les compagnies aériennes. La section qui suit donne un ordre de grandeur de ces coûts.

Coûts des retards

De nombreux éléments rentrent en ligne de compte pour le calcul du coût d’un retard : coûts des personnels, du carburant, de la maintenance, prise en charge et indemnisation des passagers… [Cook 04, Cook 09] étudient précisément les différents types de retards et fournit une analyse détaillée des coûts de chacun. Les résultats 8 qui ressortent de ces études sont les suivants : en moyenne, le coût des retards liés aux régulations ATFCM sont de 0,30 e par passager, par minute de retard et par vol retardé. Un retard sur un vol long courrier (avec souvent plus de 300 passagers) coûtera plus cher qu’un retard sur un vol domestique (entre 100 et 200 passagers suivant le type d’avion). En considérant la otte au moment de l’étude, on obtient une moyenne de 72 e par minute de retard et par vol retardé. [Bontemps 04] remet en cause certaines des hypothèses de ces études, concernant notamment le coût en perte de parts de marché 9 et la qualification en « retard long » de certains retards réels. L’estimation corrigée du coût moyen de la minute de retard est alors conforme aux chiffres avancés par [ITA 00], c’est-à-dire entre 35,5 et 50,9 e par minute.
Cependant, quelle que soit l’approche retenue, les coûts associés aux retards dus aux régulations ATFCM sont très élevés : pour l’année 2002 sur l’Europe (zone CEAC), ils ont été estimés entre 840 et 1 200 millions d’euros. La réduction de ces retards de régulation constitue donc un enjeu essentiel pour les compagnies aériennes. C’est également un défi pour les autorités de contrôle et de régulation, qui doivent tenter de réduire ces retards tout en maintenant la sécurité à son niveau actuel.

Contrôle du tra c aérien

Les services du contrôle de la navigation aérienne ont pour objectif d’assurer la sécurité et la uidité du trafic. Afin de réaliser cet objectif, les cinq missions suivantes doivent être menées à bien [SCA 06] :
– empêcher les collisions entre avions ;
– empêcher les collisions entre les avions et les éventuels obstacles situés sur l’aire de man÷uvre ;
– accélérer et ordonner la circulation aérienne ;
– fournir les avis et les renseignements utiles à l’exécution sûre et efficace des vols ;
– alerter les organismes de secours (recherche et sauvetage) lorsqu’un avion en a besoin.

Différents types de contrôle

Les méthodes de contrôle varient selon les phases du vol, car les vitesses d’évolution et les man÷uvres possibles sont différentes. Par exemple, dans les zones proches des aérodromes, les avions ont une vitesse limitée à 250 kt, alors que les vitesses en croisière sont de l’ordre de 450 kt pour la plupart des avions effectuant les vols commerciaux. Ainsi, on distingue trois types de contrôle : le contrôle d’aérodrome, le contrôle d’approche et le contrôle en-route.
8. Ces résultats s’appliquent au tra c aérien européen et nécessiteraient une étude complémentaire pour pouvoir être transposés à d’autres espaces aériens.
9. L’étude de l’Université de Westminster fait l’hypothèse que, pour des retards récurrents, les passagers se tournent vers d’autres modes de transport. En réalité, une majorité de ces passagers se tournent simplement vers d’autres compagnies aériennes et la perte associée ne peut pas être comptée dans le coût du système.

Contrôle d’aérodrome

Le contrôle d’aérodrome a la charge d’une zone restreinte autour de l’aérodrome. Ses principales fonctions concernent la gestion des pistes, au décollage comme à l’atterrissage. Il gère également la circulation des avions au sol 10, entre la piste et la zone de parking. Ce contrôle s’effectue depuis la vigie de l’aérodrome – communément appelée la tour de contrôle.

Contrôle d’approche

Le contrôle d’approche gère les phases de montée et de descente des vols. Ces phases sont particulièrement compliquées, car elles suivent des procédures bien précises, qui varient en fonction de la météo (notamment en fonction du vent). Les espaces concernés sont situés autour des aéroports (10 NM de la piste en général) et ont une densité de trafic élevée, car toutes les trajectoires convergent vers un même point avant la piste.

Contrôle en-route

Le contrôle en-route gère la phase de croisière, phase qui concerne plus particulièrement notre étude. Les vols évoluent sur des routes aériennes, comme décrit dans la section 1.1.2. Le contrôle en-route s’effectue depuis les centres de contrôle en-route, au nombre de 75 pour la zone CEAC (5 en France).

Méthodes du contrôle

Chaque secteur est contrôlé par une paire de contrôleurs : le contrôleur organique et le contrôleur tactique, comme le montre la figure 1.6.
Le contrôleur organique est chargé d’organiser le trafic du secteur à moyen terme. Il s’occupe notamment de la phase de coordination, qui consiste à effectuer le transfert des avions entre les secteurs de contrôle, c’est-à-dire fournir (resp. récupérer) les informations importantes du vol lors de la sortie (resp. de l’entrée) du secteur. Pour chaque vol entrant dans son secteur, le contrôleur organique imprime une bandelette de papier appelée strip, qui compile les données nécessaires au suivi du vol à l’intérieur du secteur (voir figure 1.7) : altitude, vitesse, route suivie… Ces strips sont transmis au contrôleur tactique qui les organise sur son espace de travail.
Le contrôleur tactique s’assure de la sécurité des vols et de leur écoulement uide. Il prévient les collisions en s’assurant que l’espacement entre les vols est suffisant, c’est-à-dire qu’il respecte la norme de séparation (voir définition 2).
Définition 2 (Norme de séparation) La norme de séparation est une distance minimale à respecter a n d’assurer la sécurité des avions. Elle est composée de :
Nh le minimum de séparation horizontale ou norme de séparation horizontale ;
Nv le minimum de séparation verticale ou norme de séparation verticale.
L’une ou l’autre de ces deux normes doit être respectée pour assurer la bonne séparation.
Pour la phase en-route du vol, les valeurs des normes de séparation sont [OACI 96] : Nh = 5 NM et Nv = 1 000 ft. Dans les zones terminales, gérées par le contrôle d’approche, la séparation horizontale peut être réduite à 3 NM. La figure 1.8 représente le volume de protection inhérent à la norme de séparation pour la phase en-route du vol.
Le contrôleur tactique dispose d’une visualisation de données radar, lui permettant de connaître pour chaque avion son identifiant, sa position et sa vitesse (voir figure 1.9). Cette visualisation lui permet d’indiquer aux avions (par radio) des man÷uvres d’évitement efficaces 11. Les man÷uvres d’évitement horizontales sont les changements de cap ou de vitesse, les man÷uvres verticales sont les changements de niveau de vol, les anticipations de descente ou interruptions de montée.

Table des matières

Introduction 
Unités de mesure
I Contexte de l’étude 
1 Gestion du trafic aérien 
1.1 Gestion de l’espace aérien
1.1.1 Différents types d’espace
1.1.2 Routes aériennes
1.1.3 Sectorisation
1.2 Régulations
1.2.1 Système tactique d’aide à la régulation
1.2.2 Algorithme CASA pour l’aide à la régulation
1.2.3 Régulations et retards
1.2.4 Coûts des retards
1.3 Contrôle du trafic aérien
1.3.1 Différents types de contrôle
1.3.2 Méthodes du contrôle
1.4 Limites du modèle actuel
1.4.1 Évolutions du trafic aérien en Europe
1.4.2 Saturation de l’espace aérien
2 Évolution des systèmes de contrôle 
2.1 Approches opérationnelles
2.1.1 Nouveaux concepts ATM
2.1.2 Tentatives d’automatisation
2.2 Approches théoriques
2.2.1 Avions autonomes
2.2.2 Résolution centralisée
2.2.3 Réseau de routes
2.2.4 Planification et régulation
II Planification de trajectoires 4D : modèles 
3 Détection de conflit 
3.1 Simulation de trafic
3.1.1 Principe général
3.1.2 Données d’entrée
3.1.3 Modèle de vol
3.1.4 Influence du pas de temps de simulation
3.2 Détection de conflit
3.2.1 Zone de conflit
3.2.2 Détection de conflits 4D
3.2.3 Boîtes englobantes
4 Allocation de créneaux de décollage 
4.1 Hypothèses sur la précision des trajectoires
4.2 Variables
4.3 Traitement des données
4.3.1 Filtrage des trajectoires
4.3.2 Filtrage des conflits
4.3.3 Filtrage des vols
4.3.4 Découpage du problème
4.4 Optimisation
4.4.1 Équité entre utilisateurs de l’espace
4.4.2 Performance globale du système
4.5 Influence du retard maximal autorisé
4.6 Modélisation des incertitudes
4.6.1 Prise en compte des incertitudes sur les heures de décollage
4.6.2 Résolution dynamique avec fenêtre glissante
5 Allocation de niveaux de vol 
5.1 Coût d’un changement de niveau de vol
5.2 Modèle
5.2.1 Variables
5.2.2 Filtrage
5.3 Allocation par flux
5.3.1 Agrégation des vols en flux
5.3.2 Séparation des flux en altitude
5.3.3 Prise en compte de l’aspect temporel
5.4 Allocation par vol
5.4.1 Conflits 2D + temps
5.4.2 Raffinement du modèle en flux
5.4.3 Séparation des vols en altitude
5.4.4 Relaxation temporelle
5.5 Optimisation
III Méthodes de résolution 
6 Résolution par algorithmes évolutionnaires 
6.1 Principe des algorithmes génétiques
6.1.1 Algorithme génétique élémentaire
6.1.2 Raffinements
6.2 Allocation de créneaux de décollage par AG
6.2.1 Variables et structures de données
6.2.2 Fonction d’évaluation
6.2.3 Population initiale
6.2.4 Opérateur de mutation
6.2.5 Opérateur de croisement
6.2.6 Paramètres de l’algorithme génétique
7 Résolution en programmation par contraintes 
7.1 Principes de la programmation par contraintes
7.1.1 Principes généraux
7.1.2 Problèmes de satisfaction de contraintes
7.1.3 Résolution de CSP
7.2 Allocation de créneaux de décollage en PPC
7.2.1 Expression du CSP
7.2.2 Optimisation
7.2.3 Stratégies de recherche
7.2.4 Contraintes supplémentaires
7.3 Allocation de niveaux de vol en PPC
7.3.1 Expression du CSP
7.3.2 Optimisation
7.3.3 Résolution
8 Résultats et analyses 
8.1 Phase d’allocation de niveaux de vol
8.1.1 Allocation par flux de vols
8.1.2 Allocation par vol
8.2 Phase d’allocation de créneaux de décollage
8.2.1 Évaluation de l’allocation de créneaux
8.2.2 Comparaison des performances en routes standards et en routes directes
8.2.3 Modification de la norme de séparation
8.2.4 Influence de l’allocation de niveaux de vol sur l’allocation de créneaux
8.2.5 Prise en compte des incertitudes
Conclusion et perspectives 
Glossaire
Bibliographie 

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