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Article

1 - BESOINS OPÉRATIONNELS

  • 1.1 - Contexte : hauteur de vol des petits drones
  • 1.2 - Aspect sécurité : les fonctions « conscience de situation » et « voir et éviter »
  • 1.3 - Aspect sûreté : les fonctions « surveillance » et « identification »
  • 1.4 - Gestion du trafic des drones

2 - CONCEPT POUR LA NAVIGATION DES DRONES À TRÈS BASSE HAUTEUR (VLL)

3 - DESCRIPTION DU SYSTÈME LLRTM

4 - DESCRIPTION DE LA VARIANTE LLRTID DU SYSTÈME LLRTM

5 - TESTS ET ESSAIS

6 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : TRP4035 v1

Description de la variante LLRTId du système LLRTM
Gestion du trafic des drones à basse hauteur - Concept d’opération et solutions technologiques

Auteur(s) : Claude LE TALLEC, Patrick LE BLAYE

Date de publication : 10 mai 2018

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RÉSUMÉ

Les utilisations des drones à basse hauteur constituent une large part du marché existant et à venir pour ces systèmes. Cependant, leur utilisation est toujours limitée par des considérations de sécurité, telle que la prévention de collision aérienne, et de sûreté, telle que la lutte contre leur intrusion dans des zones protégées. Cet article présente un concept d’opération de drones associé à un système permettant de les détecter, de les identifier et de gérer leur trafic. Les composants du système, son architecture et ses interfaces homme-machine sont décrits tandis que des résultats de simulations et d’expérimentations en vol préliminaires sont présentés.

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ABSTRACT

Low Level Drone Traffic Management. Concept of Operation and Technological Solutions

Drone operations at low level now appear to form a large part of the current and future market for these systems. However, their use is still limited by security issues such as incursion into prohibited areas, and safety concerns such as risk of collision with other aircraft. This article presents a concept of operation and a system designed to manage drone traffic to mitigate collision risk and track drones used for malevolent operations. The components of the system, its architecture and its human-machine interfaces are described, and simulations and preliminary flight test results are presented.

Auteur(s)

  • Claude LE TALLEC : Chargé de mission - ONERA – The French Aerospace Lab, Palaiseau, France

  • Patrick LE BLAYE : Ingénieur de recherche - ONERA – The French Aerospace Lab, Salon-de-Provence, France

INTRODUCTION

La gestion du trafic aérien est une préoccupation constante des autorités de l’aviation depuis l’avènement de l’aviation de transport. Elle vise à assurer la sécurité des vols, notamment en séparant les aéronefs les uns des autres, ainsi que l’efficacité de la circulation aérienne en optimisant les flux de trafic. Elle fournit également des services à l’attention des usagers de l’espace aérien.

Les drones, ou aéronefs évoluant sans pilote à bord, constituent une nouvelle catégorie d’aéronef.

Profitant des progrès des technologies numériques, leur développement est aujourd’hui exponentiel, tant pour des applications de loisir que professionnelles. L’apparition de ces nouveaux usagers de l’espace aérien pose cependant des problématiques de sécurité des vols pour les autres usagers et constitue une menace pour la sûreté de certaines installations et pour la vie privée des citoyens. L’intégration sûre et efficiente des drones dans le trafic aérien est ainsi aujourd’hui une préoccupation pour l’ensemble de la communauté aéronautique, pour les autorités gouvernementales et les acteurs économiques.

La déclaration de Riga (voir encadré) a été accueillie avec satisfaction par les opérateurs de drones impatients de pouvoir réaliser de façon routinière des missions au-dessous de 150 mètres par rapport au sol dans un espace aérien qui est généralement non contrôlé loin des aéroports et qui est contrôlé à proximité de ceux-ci. Voler à ces endroits sans capacités de voir et d’éviter et sans aucune aide de contrôleurs aériens est un défi tel que les drones n’obtiennent pas d’autorisation de vol routinier, à moins d’évoluer en vue du télépilote ou de disposer d’observateurs qui conservent une vue directe du drone et de son environnement.

Même si la majeure partie des avions ne volent pas à très basse hauteur, l’usage de la couche basse de l’espace aérien n’est pas suffisamment rare pour satisfaire les objectifs de sécurité par les régulateurs. Afin de résoudre ce problème nous proposons des adaptations de la structure de l’espace aérien et de ses règles d’usage.

L’architecture actuelle européenne de la gestion de l’espace aérien a été définie pour les opérations d’avions avec pilote à bord. Cette architecture a été mise en place pour gérer l’espace aérien depuis la basse hauteur près des aéroports jusqu’à des altitudes moyennes ou hautes partout en Europe, en laissant non contrôlée une large partie de l’espace aérien à basse hauteur. Cette partie non contrôlée de l’espace aérien est utilisée par de nombreux types de trafic habité évoluant soit en vol à vue, soit en vol aux instruments. La gestion de cette partie de l’espace aérien est assurée par les pilotes en observant visuellement les autres trafics et en en restant à distance de sécurité, conformément aux règles de l’air.

L’accroissement rapide et récent de la circulation de drones doit être pris en compte pour intégrer ces engins dans l’espace aérien sans effet négatif sur les autres trafics. Les drones peuvent être de n’importe quel type et de n’importe quelle taille et leurs missions peuvent se dérouler dans toutes les classes d’espace aérien à n’importe quelle altitude. Cependant, le concept d’opération de drones à basse hauteur qui est décrit dans cet article est principalement dédié à l’espace aérien au-dessous de 500 pieds par rapport au sol. Il peut aussi être utilisé jusqu’à 3 000 pieds pour d’autres classes d’espace qui seront détaillées plus loin. Ce sont les hauteurs où le bénéfice tiré de l’utilisation des drones est optimal pour des opérations telles que la prise de vues, la surveillance de réseaux de voies ferrées, de lignes à haute tension ou de pipelines, la livraison de colis ou le travail agricole.

Cet article présente dans un premier temps le contexte et les problématiques associées aux opérations de petits drones. Il décrit ensuite le concept LLRTM (Low Level RPAS Traffic Management) en incluant une structuration de l’espace aérien à très basse hauteur et en décrivant une architecture possible pour un système de gestion de trafic des drones dans cet espace non contrôlé. Il comporte une analyse détaillée de la structure de l’espace aérien, du rôle des acteurs (pilotes, télépilotes et gestionnaires de trafic) et des interfaces homme-machine nécessaires pour une gestion sûre et efficace de tout le trafic susceptible d’évoluer à très basse hauteur. Il aborde également la problématique de l’identification des drones pour les besoins de sûreté, auxquels répond une version du système dénommée LLRTId (Low Level RPAS Traffic Identification). Enfin il décrit les tests et les essais effectués requis pour la mise au point et la validation des systèmes présentés.

Déclaration de Riga et prise de conscience de la Communauté européenne

Dans la déclaration signée par les pays européens à Riga le 6 mars 2015, la communauté aéronautique européenne a affirmé que des technologies et des normes doivent être développées pour l’intégration complète des drones dans l’espace aérien européen.

Quelques mois avant cette déclaration, la Commission européenne a publié une communication indiquant que les drones devenaient une réalité et qu’ils étaient en passe d’être commercialement disponibles à l’échelle européenne. Le constat était fait que le marché des drones constituait une réelle opportunité pour créer des emplois et constituait également une source d’innovation et de croissance économique pour les années à venir.

Ces actions récentes engagées au niveau européen ont en fait été précédées par le développement très rapide des technologies d’automatisation des drones. Au début des années 2010, la mise sur la marché de petits drones peu coûteux a permis tout d’abord la création d’activités de prise de vue aérienne en utilisant le drone non pas comme un véhicule aérien mais comme un support de capteurs vidéo ou photographique. La prise de conscience que faire voler un véhicule aérien, aussi petit soit-il, n’était pas anodin s’est faite au travers de l’intervention des autorités de l’aviation civile soucieuses de maintenir l’actuel haut niveau de sécurité de la circulation aérienne obtenu au cours du XXe siècle au moyen d’une action permanente d’adaptation de la réglementation aux nouveautés technologiques et à l’évolution de la demande des utilisateurs de l’espace aérien.

Ainsi, dès 2012, une réglementation a été créée en France pour encadrer l’usage des petits drones afin que leurs opérations ne mettent pas en danger les autres utilisateurs de l’espace aérien et les personnes au sol. Cette réglementation a ainsi rendu illégales certaines des utilisations de ces nouveaux systèmes.

Au niveau européen, la prise de conscience de la situation avait commencé bien avant, de façon très progressive et s’est faite en deux temps. Dès le début des années 2000, le programme cadre de recherche européen avait en effet intégré des actions concernant l’arrivée des drones dans le paysage aéronautique, notamment au travers d’un réseau thématique dénommé UAVNET et de deux projets dénommés CAPECON et USICO. La création du réseau UAVNET a été proposée à la Commission européenne en 2001 par un ensemble d’industriels, de centres de recherche et d’universités pour initialiser des activités en coopération sur les drones civils. L’activité d’UAVNET a débuté en octobre 2001 avec 19 membres et a permis le lancement des projets CAPECON et USICO. Le projet CAPECON, lancé en mai 2002 et d’une durée initiale de 30 mois, a été dédié à l’analyse des applications potentielles des véhicules moyenne altitude / longue endurance, haute altitude / longue endurance et à décollage et atterrissage verticaux. CAPECON a été prolongé de six mois pour prendre également en compte les drones miniatures dont l’intérêt a été identifié très tôt dans le projet. Le projet USICO, également lancé en mai 2002 et d’une durée de 30 mois, a été consacré à l’analyse de la sécurité des opérations civiles des drones. Une fois ces projets terminés, en 2005, les activités européennes sur les drones civils ont été ralenties puis interrompues : les drones étaient alors encore gros et coûteux. Il fallut attendre le début des années 2010 pour voir apparaître, comme indiqué précédemment, des systèmes financièrement abordables pour des utilisations civiles.

Ségrégation de trafic ?

Une solution pour éviter tout conflit entre drones et avions est de réserver aux drones des parties d’espace aérien que l’on qualifie de « ségréguées » dans certaines plages de temps. Cette solution ne peut être que temporaire car elle revient à exclure les avions pilotés de là où sont opérés les drones.

Notions d’altitude et de hauteur

Selon les règles de l’air européennes, l’altitude (altitude en anglais) est la distance verticale entre un niveau, un point ou un objet assimilé à un point, et le niveau moyen de la mer (MSL) et la hauteur (height) la distance verticale entre un niveau, un point ou un objet assimilé à un point, et un niveau de référence spécifié. Par défaut dans cet article, la hauteur désigne la hauteur de l’aéronef par rapport au niveau du sol.

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KEYWORDS

drones   |   air traffic management   |   electronic identification   |   UAS   |   flight safety

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-trp4035


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4. Description de la variante LLRTId du système LLRTM

4.1 Genèse de la variante LLRTId

Une architecture simplifiée du système LLRTM limitée à l’identification à distance et à la localisation des drones a été définie en réponse aux obligations réglementaires de sûreté qui émergent actuellement dans les pays industrialisés. Les dispositions envisagées dans la réglementation européenne indiquent ainsi que le système devrait fournir « en temps réel » notamment l’identifiant de l’opérateur et celui du drone, sa position géographique et sa hauteur par rapport au sol (, I.6.b – Electronic identification system). Cette obligation devrait être associée avec celle du « geofencing » ou géolimitation, capacité de vérifier la position du drone par rapport à des limites géographiques prédéterminées (par exemple une hauteur maximale de vol, une zone interdite aux drones).

Sécurité et sûreté

La sécurité est relative aux risques techniques, physiques, chimiques et environnementaux pouvant nuire aux personnes et aux biens de façon accidentelle (collision en vol par exemple).

La sûreté est relative aux actes volontaires ayant pour objectif de nuire (utilisation d’un drone pour pénétrer dans une zone interdite par exemple).

Nota

La mesure de la hauteur par rapport au sol implique l’emport d’un télémètre ou d’un radioaltimètre, ou à défaut, l’utilisation d’un modèle numérique terrain (MNT). Pour contourner cette difficulté certains drones utilisent comme référence de hauteur l’altitude du point de décollage. Cette solution n’est bien sûr pas adaptée si le terrain survolé présente du relief.

Ces fonctions sont identiques aux fonctions « véhicule aérien – sol » du système LLRTM ainsi dépouillé de ses fonctions « sol – véhicule aérien » et « véhicule aérien – véhicule aérien ». En outre, les obligations réglementaires imposent que tous les drones à surveiller soient...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - European Commission -   Riga Declaration on Remotely Piloted Aircraft (drones), « Framing the future of aviation ».  -  Riga, 6 March 2015.

  • (2) - European Commission -   Warsaw Declaration, « Drones as a leverage for jobs and new business opportunities ».  -  Warsaw, 24 November 2016.

  • (3) - EASA. -      -  Notice of Proposed Amendment 2017-05 (A) and (B), May 2017.

  • (4) - EASA -   Concept of operations for drones. À risk based approach to regulation of unmanned aircraft  -  (2015).

  • (5) - OACI -   Annex 11 – Air Traffic Services.  -  14th edition, July 2016.

  • (6) - SESAR JU -   European Drones Outlook Study. Unlocking the value for Europe.  -  SESAR Joint Undertaking,...

1 Sites Internet

Réseau thématique UAVNET http://cordis.europa.eu/project/rcn/61170_en.html

Projet CAPECON http://www.cordis.europa.eu/project/rcn/63495_en.html

Projet USICO http://www.cordis.europa.eu/project/rcn/62821_en.html

Projet Européen IFATS http://cordis.europa.eu/project/rcn/72789_en.html

Projet OGN (Open Glider Network)

Visualisation en temps réel de planeurs en vol

http://live.glidernet.org

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2 Normes et standards

NF-ISO 9241-210 - Janv. 2011 - Ergonomie de l’interaction homme-système – Partie 210 : conception centrée sur l’opérateur humain pour les systèmes interactifs.

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3 Réglementation

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