Système de trafic aérien
Généralités
Avant d’aborder le thème de cette thèse, commençons par préciser pour les lecteurs non familiers du monde de la circulation aérienne quelques notions de base, utiles à la compréhension du reste du document. Les notions présentées dans cette section sont pour l’essentiel extraites de l’ouvrage de Georges MAIGNAN (1991)[47] sur le contrôle de la navigation aérienne. Cet ouvrage, bien que relativement anciens est encore pertinent pour la présentation des principes généraux de la circulation aérienne. Le système de trafic aérien repose sur une organisation de l’espace ainsi que sur des méthodes de gestion des flux du trafic et de contrôle de la circulation aérienne.
Organisation de l’espace
Pour faciliter la surveillance et le contrôle des aéronefs, l’espace aérien est découpé sous l’égide de l’OACI (Organisation de l’Aviation Civile Internationale) en deux parties : l’espace aérien inférieur (FIR) et l’espace aérien supérieur (UIR) . Chacun de ces espaces est à son tour découpé en secteurs de contrôle (FIG.1.1), plus simplement appelés secteurs. Un secteur est un contour géographique délimité par un ensemble de points (latitude, longitude), une altitude minimum et une altitude maximum. Plusieurs secteurs dits élémentaires peuvent être regroupés pour ne former qu’un seul secteur de contrôle auquel on attribue une capacité et on affecte une équipe de contrôleurs pour gérer les flux d’avions entrants et sortants. Pendant le vol, un aéronef passe d’un secteur à un autre en suivant des routes aériennes qui sont matérialisées par une succession de tronçons limités par les points appelés balises. Un tel point équipé d’un radiophare est en général le point de croisement avec une ou plusieurs autres routes. Dans le système ancien, les aéronefs ne pouvaient naviguer commodément que sur les radiales de ces radiophares, en s’en rapprochant ou en s’en éloignant. Grâce aux évolutions technologiques actuelles, les avions de transports modernes sont, pour un grand nombre, équipés des calculateurs de bord couplés au pilote automatique, et sont capables de suivre avec une grande précision n’importe quelle route définie par un point de début et un point de fin. Ce système de navigation de surface s’appelle RNAV et permet aux pilotes de s’affranchir de la navigation point à point bien plus coûteux en carburant et sur le plan environnemental du fait de l’allongement des distances de vol.
Contrôle de la circulation aérienne
En circulation aérienne civile, on distingue principalement trois types de contrôle. Le contrôle en route s’effectue entre les régions terminales (TMA : TerMinal control Area) des aérodromes de départ et de destination du vol. Il est assuré à partir de centres spécialisés souvent implantés en dehors des aérodromes. En France, ce sont les « centres régionaux de la navigation aérienne » (CRNA) ; il y en a 5 , situés à Brest, Athis-Mons, Reims, Bordeaux et Aix-en-Provence. Le contrôle d’approche concerne tout aérodrome où il existe un important trafic aux instruments (IFR : Instrument Flying Rules). Les contrôleurs d’approche coordonnent le transfert des aéronefs entrants du centre de contrôle en route vers la tour de contrôle (CTR) responsable du contrôle d’aérodrome de destination du vol. De même ils coordonnent le transfert des aéronefs en partance de la tour de contrôle responsable du contrôle d’aérodrome de départ vers le centre de contrôle en route. Enfin, le contrôle d’aérodrome s’occupe des pistes et de la circulation au sol sur la plateforme aéroportuaire. Il est assuré à partir de la tour de contrôle installée sur l’aérodrome. Le rôle premier du contrôle de la circulation aérienne est la prévention des abordages entre les aéronefs. Le contrôle aérien doit ainsi veiller au respect des normes de séparation verticales et horizontales . Lorsqu’il y’a un risque de perte simultanée de ces seuils d’espacements, on dit qu’il y’a conflit entre les aéronefs impliqués.
Gestion des flux du trafic
Un vol commence par le dépôt d’un plan de vol (PLN) auprès des autorités de gestion des flux de trafic. Ce plan de vol contient un ensemble d’informations sur le vol prévu telles que : le jour du vol, les aéroports d’origine et de destination, l’heure de départ souhaitée, la route aérienne empruntée, l’ensemble des points balises jalonnant cette route, les heures prévues pour le survol des balises, l’ensemble des secteurs à traverser, les heures d’entrée et de sortie des secteurs, le niveau de vol de croisière, le type d’aéronef, le nom de la compagnie aérienne exploitant du vol, le numéro tactique du vol et le numéro d’identification du vol. Il arrive que plusieurs pilotes dans leurs plans de vol, demandent à survoler les mêmes balises et à traverser les mêmes secteurs aux mêmes heures. Afin d’éviter tout risque de conflits entre les avions et la surcharge du travail des contrôleurs aériens dans ces zones de l’espace, il existe tout un mécanisme de régulation qui organise, de façon la plus rationnelle possible, l’utilisation des ressources disponibles (le contrôle) et répartit de façon impartiale les attentes inévitables. En Europe cette mission de régulation des courants de trafic (ATFM : Air Traffic Flow Management) est assurée par la CFMU (Central Flow Management Unit) en collaboration avec les centres nationaux. Pour son efficacité, l’activité d’ATFM visant à organiser la fluidité du trafic dans les conditions de sécurité maximale agit à travers trois filtres hiérarchisés ci-après :
• Le filtre ATFM stratégique : Appliqué plus d’un an à 6 mois avant les vols, il consiste à définir un schéma général d’orientation de trafic en fonction des flux. Il a pour but de définir les stratégies de régulations, les schémas d’orientation du trafic, des modalités d’utilisation des routes et itinéraires, de participer à l’aménagement de l’espace par modification de la sectorisation. Le filtre stratégique nécessite donc une parfaite connaissance des flux de trafic du centre de contrôle ainsi que du fonctionnement de la CFMU et des mécanismes de régulation et d’allocation de créneaux. Il permet également la gestion d’événements modifiant sensiblement les caractéristiques du trafic (salon du Bourget, coupe du monde de football).
• Le filtre ATFM pré-tactique : L’objectif de ce filtre est de prendre des mesures préventives afin d’éviter toute surcharge de secteurs. Il est appliqué un à deux jours avant le départ du vol et permet la préparation des plans de régulation ATFM. Ces plans de régulation consistent en une synthèse des informations disponibles et concernent les dernières mises à jour des PLN , les schémas d’ouverture des centres et le nombre de positions de contrôle actives pour le jour de départ, ce qui permet d’organiser une journée du trafic et d’identifier les secteurs saturés où le trafic sera régulé.
• Le filtre ATFM tactique : L’objectif de ce filtre est d’assurer, en temps réel, une charge de trafic gérable par les contrôleurs. L’ATFM tactique évalue les créneaux de décollage des vols en tenant compte simultanément des dernières mises à jour sur la capacité du système ATC (Air Traffic Control) et de la demande de trafic, des créneaux prévus par les compagnies aériennes et des plans de régulation pré tactiques. Il est rendu nécessaire à cause de l’incertitude sur l’évolution quantitative et qualitative des flux de trafic. Pour cela, l’ATFM tactique propose des mesures de re-routements, consistant en un changement d’itinéraire du vol pour éviter les secteurs saturés. Rappelons que le système qui réalise l’ensemble de ces calculs au niveau de la CFMU est le système CASA (Computer Assisted Slot Allocation).
• Le filtre ATC agit sur la séparation physique des vols afin de maintenir en permanence les distances de sécurité entre les aéronefs dans les conditions économiques optimales. C’est un service anticollision fourni aux avions par les contrôleurs aériens. Il peut également proposer aux aéronefs un re-routement qui consiste en un changement d’itinéraire du vol pour éviter les secteurs saturés. Le cap et le niveau de vol peuvent ainsi être changés.
Limite du système actuel et évolution envisagée
Pour la régulation du trafic aérien européen, qui a pour but la gestion de la saturation des secteurs, la CFMU a souvent recours à deux solutions. La première consiste à retarder les vols au sol, ce qui engendre inéluctablement des coûts économiques importants à la fois pour les compagnies aériennes et pour les passagers. La deuxième consiste à diviser un secteur dont la surcapacité est récurrente en deux nouveaux secteurs plus petits et repartir ainsi la charge de travail des contrôleurs du secteur initial. Cette deuxième stratégie, qui sert à protéger les contrôleurs contre la surcharge de travail pénalise fortement les prestataires de services de la circulation aérienne (ANSP) qui doivent investir dans le recrutement et la formation des nouvelles équipes de contrôleurs. Rappelons que dans un secteur de l’espace contrôlé, la charge de travail des contrôleurs est une somme pondérée de trois composantes et définie par l’équation (1) :
Csecteur = α.CSurv + β.CCoor + γ.CConf (1)
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Table des matières
Introduction générale
1 Système de trafic aérien
1.1 Généralités
1.1.1 Organisation de l’espace
1.1.2 Contrôle de la circulation aérienne
1.1.3 Gestion des flux du trafic
1.2 Limite du système actuel et évolution envisagée
1.3 Contexte de la thèse
1.4 Problématique
1.4.1 Un exemple
2 Position du problème
2.1 La charge d’un secteur de l’espace aérien
2.2 Méthodologie
2.2.1 Formulation du problème
2.2.2 Méthodes utilisées
2.3 Modèles de trajectoires existants
2.3.1 Le modèle énergie totale
2.3.2 Modèles paramétriques et non-paramétriques
2.4 Conclusion
3 Données utilisées pour l’analyse
3.1 Les données du trafic aérien
3.1.1 Plans de vols
3.1.2 Données courantes du vol
3.2 Informations communes aux données météorologiques et atmosphériques
3.3 Données météorologiques
3.3.1 Influence du vent
3.3.2 Généralisation de l’influence du vent sur la trajectoire de vol prévue
3.4 Paramètres de l’air atmosphérique
3.4.1 Composition de l’air sec
3.4.2 Action de l’air sur les corps en mouvement dans l’atmosphère
3.4.3 Altitude densité
3.4.4 Ecart de densité de l’air
3.4.5 Température et pression de l’air
3.5 Paramètres de complexité du trafic
3.5.1 Flux total d’aéronefs sur la trajectoire de vol
3.5.2 Interactions totales sur la trajectoire de vol
3.5.3 Score de complexité de trafic sur la trajectoire prévue
3.5.4 Densité du réseau de routes aériennes sur la trajectoire prévue
3.6 Ecart temporel : variable à expliquer
3.7 Modèle théorique : Le simulateur du trafic aérien OPERA
3.7.1 Principe de fonctionnement
3.7.2 Lien entre la trajectoire temps réel du vol et le modèle OPERA
3.8 Conclusion
4 Prévision de l’écart temporel par CART
4.1 Introduction
4.2 CART : Méthode de régression par arbre
4.2.1 Avantages et limites de la méthode
4.2.2 Revue de littérature
4.2.3 Spécification du modèle de régression par arbre : CART
4.2.4 Illustration de la méthode
4.2.5 Principe de la méthode CART
4.2.6 Etapes de construction d’un arbre de régression
4.2.7 Construction de l’arbre maximal Amax
4.2.8 Evaluation du modèle de régression par arbre
4.2.9 Erreur de l’arbre
4.2.10 Procédure d’élagage
4.2.11 Sélection du meilleur arbre
4.2.12 Divisions suppléantes
4.2.13 Importance d’une variable explicative par CART
4.3 Prévision par la méthode CART
4.3.1 Arbre de régression retenu
4.3.2 Diagnostic des résidus du modèle CART obtenu
4.4 Analyse des résultats de la régression
4.4.1 Variables actives
4.4.2 Conditions météorologiques et atmosphériques
4.4.3 Caractéristiques courantes des aéronefs en vol
4.4.4 Caractéristiques des vols prévus dans les plans de vols
4.4.5 Paramètres de complexité du trafic
4.5 Conclusion
Conclusion générale
