FR2998958B1 - Procede de gestion de donnees air (air data) d'un aeronef - Google Patents

Procede de gestion de donnees air (air data) d'un aeronef Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de gestion de données d'altitude d'un aéronef dans lequel on utilise une boucle de calcul baro-inertielle principale comprenant une unité inertielle et une source de données air principale, et au moins une boucle baro-inertielle secondaire aux écarts comprenant respectivement ladite unité inertielle de la boucle principale et une source de données air secondaire, et on calcule un écart d'altitude baro-inertielle, un écart de vitesse verticale et un écart de biais accélérométrique apparent sur la verticale entre la boucle principale et une boucle virtuelle utilisant comme mesures les données air d'une source secondaire.

Description

Procédé de gestion de données air (air data) d'un aéronef
La présente invention porte sur un procédé de gestion de données hybridées d’altitude dans l’air, dans le domaine air ou "air data" en langue anglaise, ainsi que dans le domaine des techniques inertielles, pour aéronef.
Dans les architectures avioniques habituelles chaque centrale inertielle ou unité de référence inertielle, ou chaque partie inertielle de calcul de centrales combinées de paramètres air et inertie, nommée ADIRU pour "Air Data Inertial Reference Unit" en langue anglaise est connectable à au moins deux ou trois sources de mesures de données air ou d’"air data" en langue anglaise qui lui fournissent chacune au moins les données suivantes : altitude, pression standard, vitesse air calculée ou calibrée ou CAS pour " Computed (ou Calibrated) AirSpeed" en langue anglaise, vitesse air réelle ou TAS pour "true air speed" en langue anglaise et en option la température totale ou d’impact ou en langue anglaise TAT pour "total air température" en langue anglaise, et/ou la température statique.
La vitesse air est la vitesse relative de l'aéronef par rapport à l'air.
Par la suite, on appelle voie inertielle ou baro-inertielle ces calculs dans la centrale inertielle ou l’ADIRU et voie anémométrique la source de données air ou source d'air data ou source anémométrique ou ADR pour "Air Data Reference" en langue anglaise.
Habituellement, à un instant donné, chaque voie inertielle utilise les mesures d’une source d’air data ADR pour stabiliser sa voie verticale, et calculer notamment la vitesse verticale baro-inertielle Vzbi et l’altitude baro-inertielle Zbi. Une information baro-inertielle est une hybridation d'une information barométrique et d'une information inertielle, cette hybridation ayant une certaine constante de temps. L’asservissement de la voie verticale est généralement effectué par un filtre linéaire du second ou du troisième ordre dont les gains sont constants.
Lorsqu’une source anémométrique ADR se déclare invalide ou lorsque le système de l'avion demande une reconfiguration de source air data pour une voie inertielle donnée il est réglementairement nécessaire de pouvoir changer ou commuter de source barométriques. A ce niveau plusieurs problèmes peuvent se poser : - il est possible que le biais d’altitude de la nouvelle source barométrique ADR sélectionnée soit significativement différent de celui de l’ancienne source. Ceci peut induire, après la commutation, des oscillations pendant deux à trois constantes de temps si l’on ne prend pas de précautions. Pour les éviter on peut décider de réinitialiser l’altitude baro inertielle sur l’altitude standard de la nouvelle source. Mais cela pose un problème d’intégrité. En effet si l’ancienne source barométrique était erronée (sans le signaler) alors elle a pu polluer la vitesse baro-inertielle et l'estimation de biais de verticale. Dans ce cas, on aura à nouveau des oscillations de la boucle baro-inertielle pendant deux à trois constantes de temps. Ces oscillations peuvent poser un problème de sécurité pour l’avion car elles peuvent atteindre des valeurs élevées notamment sur la Vzbi - la remarque précédente montre qu’il est difficilement possible de revalider les données de la voie baro-inertielleaprès une commutation avant deux à trois constantes de temps (soit typiquement au minimum une minute). Mais l’absence d’informations valides sur la voie verticale pendant une durée longue (supérieure à trente secondes) perturbe le guidage et les commandes de vol de l’avion.
La figure 1 illustre un dispositif d’hybridation entre la voie inertielle et l’anémométrie (ADR) d'aéronef classique selon l'état de l'art, et particulièrement l'asservissement.
Dans les architectures avioniques habituelles chaque voie inertielle est connectable à deux ou trois sources de mesures d’air data ADR qui lui fournissent chacune au moins les données suivantes: altitude standard, CAS, TAS et en option la température totale et la température statique.
Habituellement, à un instant donné, chaque voie inertielle utilise les mesures d’une source d’air data ADR pour stabiliser sa voie verticale et calculer notamment la vitesse verticale baro-inertielle Vzbi et l’altitude baro-inertielle Zbi. L’asservissement de la voie verticale est généralement effectué par un filtre linéaire du second ou troisième ordre dont les gains sont constants ou pré-calculés.
Les fréquences indiquées sur le schéma fonctionnel de la figure 1 précédent ne sont qu’indicatives et peuvent être modifiées.
Dans la plupart des asservissements usuels le gain Kaw (anti remontée ou "anti windup" en langue anglaise) est nul et le rapport Tstand/Tsat est pris égal à 1. Tstand représente la température standard correspondant à l’altitude barométrique mesurée et Tsat représente la température statique mesurée.
Les gains BG1, BG2 et BG3 sont ajustés pour obtenir la bande passante souhaitée pour l’asservissement. Ils peuvent être préprogrammés ou calculés en temps réel par exemple sur la base d’un filtre de Kalman.
Les saturations peuvent être présentes ou pas.
Le raisonnement qui suit reste applicable quelle que soit la configuration retenue.
Pour des raisons de simplification d’écriture il sera effectué avec le rapport Tstand/Tsat = 1 et sans saturations.
Dans les architectures habituelles les unités de référence inertielle de données air ou ADIRUs pour " Air Data Inertial Reference Unit" en langue anglaise, également dénommées ou unités de référence inertielle ou IRUs pour " Inertial Reference Unit" en langue anglaise 1 et 2 utilisent des sources air data ADR différentes. Si trois ADIRUs sont utilisées (ADIRU1, ADIRU2, ADIRU3) l’ADIRU3 (ou IRU3) peut utiliser une troisième source ou bien être configurée comme une ADIRU1 ou une ADIRU2.
Dans la plupart des aéronefs, et particulièrement des avions (et donc dans la suite de ce document) il existe trois sources d’air data différentes (ADR 1,2 et 3) à laquelle les trois ADIRUs (ou IRUs) peuvent être connectées.
Lorsqu’une source se déclare invalide ou lorsque le système avion (comme suite à une action directe du pilote, ou de manière automatique) demande une reconfiguration de source air data ADR pour une voie inertielle donnée il est nécessaire de changer ou commuter de source barométrique ADR. A ce niveau plusieurs problèmes peuvent se poser : - il est possible que le biais d’altitude de la nouvelle source barométrique ADR soit significativement différent de celui de l’ancienne source. Ceci peut induire, après commutation, des oscillations pendant 2 à 3 constantes de temps. Pour les éviter on peut décider de réinitialiser l’altitude baro-inertielle sur l’altitude standard de la nouvelle source. Mais cela pose un problème d’intégrité. En effet si l’ancienne source barométrique ADR était erronée (sans le signaler) alors elle a pu polluer la vitesse baro-inertielle et l’estimation de biais de verticale. Dans ce cas de figure on aura à nouveau des oscillations de la boucle pendant 2 à 3 constantes de temps. - la remarque précédente montre qu’il est difficilement possible de revalider les données baro-inertielles après une commutation ou switch avant 2 à 3 constantes de temps (soit typiquement au minimum 1 minute). Mais l’absence d’informations valides sur la voie verticale pendant une durée longue (> 30 secondes) perturbe le guidage et les commandes de vol de l’avion.
Un but de l'invention est de pallier les problèmes cités précédemment.
Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un procédé de gestion de données d’altitude baro-inertielle d'un aéronef dans lequel on utilise une boucle de calcul baro-inertielle principale comprenant une unité inertielle et une source de données air principale, et au moins une boucle baro-inertielle secondaire aux écarts comprenant respectivement ladite unité inertielle de la boucle principale et une source de données air secondaire, et on calcule un écart d’altitude baro-inertielle, un écart de vitesse verticale et un écart de biais accélérométrique apparent sur la verticale entre la boucle principale et une boucle virtuelle utilisant comme mesures les données d’une source secondaire de données air.
Il est ainsi possible de calculer en permanence plusieurs solutions baro-inertielles et de basculer de l’une à l’autre sans retard grâce aux calculs effectués dans la ou les boucles aux écarts.
Dans un mode de réalisation, on utilise au moins deux boucles baro-inertielles secondaires aux écarts comprenant respectivement ladite unité inertielle de la boucle principale et une source de données air secondaire distincte, et on compare lesdits écarts avec des seuils respectifs pour détecter et éventuellement isoler une source de données air en panne non signalée. 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 : la figure 1 illustre schématiquement un dispositif d'air data, de l'état de l'art ; et les figure 2a et 2b illustrent schématiquement un dispositif d'air data, selon un aspect de l'invention.
Le procédé proposé permet d’éviter les inconvénients évoqués précédemment. Lors d’une commutation, elle permet de revalider immédiatement la voie baro-inertielle avec pleine performance et sans risque d’intégrité. Elle permet également à l’ADIRU ou l’IRU de surveiller la bonne santé de la source air data ADR qu’elle utilise et soit de lever une alerte vers le pilote soit de désélectionner automatiquement la source ADR concernée lorsqu’un problème est détecté.
Pour cela on propose de maintenir la boucle baro-inertielle habituelle dans l’ADIRU (ou IRU) concerné utilisant les données de la source ADR principale. Les corrections de ce filtre sont appliquées en boucle fermée vers la plateforme virtuelle.
En parallèle, sans ajouter de plateforme virtuelle, ce qui serait très coûteux en charge de calcul, on calcule au moins une boucle "aux écarts" permettant de calculer l’écart d’altitude baro-inertielle, l'écart de vitesse verticale baro-inertielle et l'écart de biais accélérométrique apparent sur la verticale, entre la boucle utilisant l’ADR sélectionnée par la boucle principale et une voie boucle baro-inertielle qui utiliserait la même UMI et les données d'une autre source ADR disponible : exemple avec deux boucles secondaires pour trois ADR : une boucle aux écarts sur ADR2 et une boucle aux écarts sur ADR3. L'UMI est l'acronyme de Unité de Mesure Inertielle.
Dans ces conditions, au moment du changement de source ADR on sait réinitialiser parfaitement la voie verticale sans retard et sur un état stabilisé et non pollué (i.e. stabilisé sur une valeur correcte). Il suffit pour cela d’utiliser les données de la boucle aux écarts concernée pour corriger instantanément les données calculées par la plateforme virtuelle ( Zbi, Vzi et estimation du biais accélérométrique vertical apparent). Ensuite on utilise les données de la nouvelle source ADR comme mesure de la boucle principale. Cette façon de procéder permet de revalider immédiatement les données de la boucle baro-inertielle dès le "switch" (terme anglo-saxon pour commutation) car on élimine instantanément toute influence de l’ancienne source ADR.
Par ailleurs, on sait aussi calculer la loi statistique à laquelle obéit l’écart entre les différentes voies. On verra dans la suite de la description que cet écart ne dépend que des erreurs de chaque voie Air Data et n’est pas influencé par exemple par des écarts induits par des perturbations atmosphériques (écart par rapport à une atmosphère standard) qui interviennent de façon commune sur les différentes sources d’air data. Ce procédé permet donc également de détecter si une voie ADR perturbe de façon anormale la voie baro-inertielle. Si 3 sources ADR sont disponibles, en cas d’incohérence d’une source ADR avec les 2 autres le procédé proposé permet également d’identifier la source en panne.
Le principe utilisé pour les calculs est le suivant : - les indices 1 représentent les données de la voie baro-inertielle 1 - les indices 2 représentent les données de la voie baro-inertielle 2 - les indices 3 représentent les données de la voie baro-inertielle 3.
Les calculs effectués dans chacune des voies sont les suivants :
Au cycle d’activation du filtre baro-inertiel de période DTB DH1 =Zbi1 -Zbarol dh1 = BG3 . DH1
baz1 = baz1 + BG1 . DH1. DTB dV1 = baz1 + BG1 . DH1
Dans les calculs de plate-forme virtuelle PFV :
Vz1 = Vz1 + B. acc + (g - dV1 ) DTP, B est la matrice d’attitude, acc : les incréments d’accélération
Zbi1 = Zbi1 - (Vz1 -dh1)DTP
Si on réalisait une hybridation sur la voie verticale avec ADR 2 on aurait : DH2 = Zbi2 - Zbaro2 dh2 = BG3 . DH2
baz2 = baz2 + BG1 . DH2. DTB dV2 = baz2 + BG1 . DH2
Dans les calculs de plate-forme virtuelle PFV :
Vz2 = Vz2 + B. acc + (g - dV2) DTP,( B représente la matrice d’attitude, et acc représente les incréments d’accélération)
Zbi2 = Zbi2 - (Vz2 - dh2) DTP
En faisant la différence terme à terme on obtient : (dh2-dh1) = BG3 (DH2 - DH1) = BG3 [(Zbi2-Zbi1)-(Zb2-Zb1)]
(baz2 -baz1) = (baz2 -baz1) + BG2 (DH2- DH1). DTB dV2 - dV1 = (baz2 -baz1) + BG1 (DH2- DH1) (Zbi2 - Zbi1) = (Zbi2 - Zbi1) - [Vz2 - Vz1 -(dh2 -dh1 )]
Vz2 - Vz1 = (Vz2 - Vz1 ) - (dV2 - dV1 ) DTP
On note : dz = (Zbi2 - Zbi1) dzbaro = (Zbaro2 - Zbarol ) dVz = (Vz2 - Vz1 ) dh = (dh2-dh1) dba = (baz2 -baz1 ) dV = dV2 - dV1
On peut alors écrire le système d’équations aux écarts :
Calculs à effectuer à la fréquence du filtre baro-inertiel dh = BG3 (dz - dzbaro) dba = dba + BG2 . DTB (dz - dzbaro) dV = dba + BG1 (dz - dzbaro)
Calculs à effectuer à la fréquence de la PFV :
dz = dz - [dVz - dh] DTP
dVz = dVz + dV . DTP la boucle aux écarts utilise comme entrée ou mesure l’écart d’altitude standard entre la source ADR principale Zbarol et la source ADR secondaire Z baroj.
Pour un avion de ligne l’asynchronisme entre les sources barométriques (typiquement de 60 ms ) à une vitesse verticale de 20 m/s n’induit qu’une erreur de quelques pieds (ft) qui reste négligeable.
Au prix d’une charge de calcul modique on sait donc passer d’une boucle à l’autre en utilisant les valeurs d’écart ainsi calculées.
On notera que si la saturation se déclenche sur la voie principale il suffira, pour la prendre en compte, dans le filtre aux écarts de calculer le dzbaro avec une valeur saturée de Zbarol. Dès que deux sources barométriques ont été disponibles pendant 100 secondes environ on sait passer de la boucle courante à une boucle convergée sur l’autre source ADR en éliminant immédiatement l’erreur éventuellement induite par la source utilisée avant la commutation ou switch. Il suffit pour cela d’utiliser les résultats de la boucle aux écarts.
Ce calcul est à entretenir pour les deux sources secondaires.
Les figures 2a et 2b illustrent le schéma de principe de la boucle principale utilisant l’altitude standard Zb1 et d’une boucle aux écarts basée sur l’utilisation d’un écart d’altitude standard entre la source ADR principale et une source ADR secondaire soit (Zb1 - ZbJ) ( j peut valoir 2 ou 3 dans notre cas de figure)
Sur les figures p représente la variable de Laplace.
Les boites Filt sync représentent des filtrages mis en place pour resynchroniser les données d’altitude standard
Ces deux ou trois boucles (une principale, et une ou deux secondaires ou "aux écarts") tournent en permanence dans chaque ADIRU (ou IRU). Lorsqu’il y a basculement, on utilise la boucle aux écarts concernée pour corriger la plateforme virtuelle au moment du switch de source
Par ailleurs le système d’équations aux écarts étant linéaire et ne dépendant que de l’écart entre les mesures des baro-altimètres (biais + effet des corrections d'erreur de source statique ou SSEC pour " Static Source Error Corrections " en langue anglaise dépendant notamment de la CAS) on sait calculer la covariancedes données : écart d’altitude baro-inertielle, écart de vitesse baro-inertielle et écart de biais accélérométrique vertical apparent On modélise l’erreur de la voie barométrique comme un biais stable sur la durée de convergence du filtre (soit 100 secondes environ).
Le vecteur d’état à retenir est le suivant : X = (dz, dVz, dh, dba, dV, dzbaro) L’écriture de dX/dt est immédiate à partir des équations écrites précédemment :
On a: d(dz)/dt = dV - dh d(dVz)/dt = dV d(dh)/dt = 0 d(dba)/dt = 0 d(dV)/dt = dba d(dzbaro) =0
On écrit alors la propagation et le recalage de la matrice de variance/ covariance associée avec les gains de recalage définis BG1, BG2 et BG3.
Ce calcul permet d’extraire les écart-type attendus pour dz et dVz.
En multipliant l’écart type par un coefficient fonction d’un taux de fausse alarme recherché (par exemple 4.42 pour un taux de fausse alarme de 10-5) on obtient un seuil auquel on peut comparer les valeurs observée de dz et dVz
Lorsque l’écart observé dz ou dVz devient non acceptable en regard de la statistique des écarts on dispose d’un moyen de détecter une source ADR en panne et de l’isoler si on dispose de trois sources.
Cette information pourra être utilement exploitée par le système avion.
La présente invention peut être appliquée à des systèmes ADIRS, utilisant en particulier une ADIRU, ou seulement une 1RS. L’invention permet : - de commuter d’une source à l’autre sans transitoire (pas de nécessité de d’attendre la convergence de la boucle en utilisant la nouvelle source) - avec pleine performance immédiate : on commute vers une boucle baro-inertielle convergée; - les effets de l’utilisation de l’ancienne source sont immédiatement éliminés; et - surveiller l'état de fonctionnement des deux ou trois sources ADR en continu, à travers la manifestation sur les sorties (baro-inertielles) utilisées par le système avionique.
Il y a une ou deux boucles aux écarts (voire plus) utilisant les autres voies ADR que celle concernée (principale) tournant en parallèle dans chaque ADIRU (ou IRU). Cette boucle secondaire ou ces boucles secondaires permettent de changer de voie sans à-coups.

Claims (2)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de gestion de données d’altitude d'un aéronef dans lequel on utilise une boucle de calcul baro-inertielle principale utilisant des signaux provenant d'une unité inertîelle et une information d'altitude standard fournie par une source de données air principale, et au moins une boucle baro-inertielle secondaire aux écarts utilisant respectivement des signaux de ladite unité inertielle de la boucle principale et une information d'altitude standard provenant d'une source de données air secondaire, et on calcule un écart d’altitude baro-inertielle, un écart de vitesse verticale et un écart de biais accélérométrique apparent sur la verticale entre la boucle principale et au moins une desdites boucles baro-inertielle secondaires.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise au moins deux boucles baro-inertielles secondaires aux écarts utilisant respectivement les signaux de ladite unité inertielle de la boucle principale et une information d'altitude standard provenant de sources de données air secondaires distinctes, et on compare lesdits écarts avec des seuils respectifs pour détecter et éventuellement isoler une source de données air en panne non signalée.
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