L’évolution des systèmes de surveillance et de contrôle des mouvements au sol des aéroports

Dans le passé, les délais imputa­bles aux mau­vais­es con­di­tions cli­ma­tiques indui­saient prin­ci­pale­ment des per­tur­ba­tions dans la zone ter­mi­nale de l’aéro­port. Aujour­d’hui, avec le développe­ment du traf­ic, les retards enreg­istrés dans une zone ter­mi­nale peu­vent se réper­cuter sur l’ensem­ble du traf­ic aérien à l’échelle d’un pays ou même de l’Europe.

La sécu­rité est dev­enue un prob­lème majeur dans cet envi­ron­nement, impliqué par la réduc­tion des espace­ments entre avions en vol et l’aug­men­ta­tion du nom­bre d’avions et véhicules cir­cu­lant à la sur­face des aéro­ports. De ce fait, le nom­bre de col­li­sions entre avions ou véhicules s’est très sen­si­ble­ment accru ces dernières années² sur les aéro­ports, en par­ti­c­uli­er lors des phas­es d’at­ter­ris­sage, de décol­lage et de roulage au sol, au point de con­stituer aujour­d’hui la prin­ci­pale cause d’ac­ci­dents dans le trans­port aérien. Par ailleurs, la ges­tion des zones d’embarquement des avions est dev­enue très complexe.

En Europe, les exten­sions des aéro­ports sont de plus en plus dif­fi­cile­ment admis­es par les riverains. Ceci oblige les autorités à priv­ilégi­er l’op­ti­mi­sa­tion des voies de cir­cu­la­tion aéri­enne et des plates-formes aéro­por­tu­aires existantes.

Pour répon­dre de façon glob­ale, les autorités de l’avi­a­tion civile des pays con­cernés ont entre­pris d’amélior­er et d’har­monis­er les sys­tèmes des­tinés au con­trôle et à la ges­tion des avions.

La réno­va­tion des sys­tèmes de sur­veil­lance s’est faite en pre­mier lieu au niveau du con­trôle en route ou d’ap­proche pour ce qui con­cerne le traf­ic aérien. À leur tour, les aéro­ports sont aujour­d’hui directe­ment con­cernés par la mod­erni­sa­tion de leurs systèmes.

Ces sys­tèmes doivent en par­ti­c­uli­er mieux s’in­ter­con­necter avec les sys­tèmes exis­tants ou futurs des autres organ­i­sa­tions impliquées dans le trans­port aérien : les ges­tion­naires de l’aéro­port et les com­pag­nies aériennes.

Au niveau des aéro­ports, les sys­tèmes, dits SMGCS³, de sur­veil­lance, de con­trôle et de guidage des mou­ve­ments au sol per­me­t­tent aujour­d’hui d’ac­croître la sécu­rité et la capac­ité, notam­ment en cas de mau­vais­es con­di­tions de visibilité.

Au-delà de la néces­sité d’amélior­er la sécu­rité actuelle face à la crois­sance du traf­ic, l’ac­croisse­ment de la capac­ité d’un aéro­port est un enjeu con­sid­érable sur le plan économique pour toute une région.

SMGCS⁴

La final­ité d’un sys­tème SMGCS est de fournir aux con­trôleurs les infor­ma­tions de posi­tion et d’i­den­ti­fi­ca­tion des avions et des véhicules évolu­ant sur l’aéro­port de façon pré­cise et fiable.

La visu­al­i­sa­tion de ces infor­ma­tions sur une représen­ta­tion en deux dimen­sions de l’aéro­port à l’écran est dev­enue essen­tielle aux con­trôleurs pour per­me­t­tre d’as­sur­er la sécu­rité, en par­ti­c­uli­er par mau­vais­es con­di­tions cli­ma­tiques, et d’ac­croître la capac­ité en évi­tant des collisions.

En l’ab­sence de sys­tème SMGCS, la cor­réla­tion entre la posi­tion de l’avion et l’indi­catif doit être effec­tuée men­tale­ment par le con­trôleur, entre la sit­u­a­tion perçue en regar­dant à l’ex­térieur de la tour de con­trôle — quand les con­di­tions cli­ma­tiques ou la taille de l’aéro­port le per­me­t­tent — et les infor­ma­tions syn­thé­tiques du plan de vol réu­nies sur des petits bouts de papi­er appelés ” strips “.

Le sec­ond objec­tif du SMGCS est de réu­nir les infor­ma­tions utiles sur le traf­ic à venir, qu’il s’agisse des avions en phase d’at­ter­ris­sage situés encore à plusieurs dizaines de milles nau­tiques de l’aéro­port ou bien des avions en par­tance dans les dizaines de min­utes qui suivent.

En regard de ces infor­ma­tions ” tac­tiques “, le SMGCS doit être en mesure de fournir l’é­tat des ” ressources ” de l’aéro­port dont les con­trôleurs peu­vent dis­pos­er pour organ­is­er en toute sécurité :

• l’at­ter­ris­sage des avions en approche et le décol­lage des avions,
• un roulage rapi­de des avions vers ou depuis les park­ings en évi­tant toute con­ges­tion sur les taxi­ways avec les avions arrivant et ceux en partance,
• le départ des avions à l’heure, en gérant le mieux pos­si­ble les allo­ca­tions de porte d’embarquement aux avions arrivants et les deman­des d’au­tori­sa­tion de mise en route des moteurs ou de manœu­vre de repousse­ment de l’avion de sa porte d’embarquement pour les avions au départ.

Les infor­ma­tions impor­tantes pour le con­trôleur sur les ressources disponibles sont par exemple :

• la con­fig­u­ra­tion des pistes utilisables,
• l’é­tat des pistes et des moyens d’aide à l’atterrissage,
• l’é­tat des feux et éclairages per­me­t­tant aux avions de se guider,
• les don­nées météorologiques per­me­t­tant d’a­juster en fonc­tion de celles-ci le traf­ic et d’aver­tir les pilotes,
• l’é­tat sur l’oc­cu­pa­tion des portes d’embarquement avec les heures prévues de départ des avions.

© IMAGE BANK/DIAPHOR 

À plus long terme, les sys­tèmes SMGCS pour­ront guider de façon dynamique les avions, retrans­met­tre des infor­ma­tions vers les avions, per­me­t­tant d’as­sis­ter le pilote égaré ou bien sans vis­i­bil­ité à cause du brouil­lard, et pourquoi pas, de pilot­er automa­tique­ment les avions… mais ceci est une autre histoire !

Pour l’heure et pour de nom­breuses années encore, les con­trôleurs de tour sont en quelque sorte les chefs d’orchestre de ce bal­let inces­sant, duquel dépen­dent pour une bonne part notre sécu­rité quand nous prenons l’avion et notre ponc­tu­al­ité aux réunions.

Un sys­tème SMGCS repose sur les sources d’in­for­ma­tion que lui four­nissent des senseurs coopérat­ifs et non-coopératifs :

• Les senseurs coopérat­ifs four­nissent une infor­ma­tion d’i­den­ti­fi­ca­tion ou une posi­tion à l’aide d’un mes­sage codé trans­mis par un sys­tème embar­qué dit ” coopératif “, c’est-à-dire devant être en état de fonc­tion­nement pour se faire recon­naître du senseur.

Ces senseurs sont, par exem­ple, les sys­tèmes d’i­den­ti­fi­ca­tion dits ” Mode S ” fonc­tion­nant à l’aide des mes­sages de type Mode S trans­mis par les transpon­deurs des avions de manière automa­tique et récur­rente ; ou bien encore les sta­tions sol D‑GPS (5) rece­vant de façon ana­logue sur une fréquence radio les posi­tions élaborées par les sys­tèmes de posi­tion­nement D‑GPS à bord des avions ou des véhicules.

• Les senseurs non-coopérat­ifs four­nissent une infor­ma­tion de posi­tion et de clas­si­fi­ca­tion à l’aide de la récep­tion d’un sig­nal réfléchi sur la cible, émis quelques instants plus tôt dans sa direc­tion. La détec­tion se fait de façon involon­taire et trans­par­ente vis-à-vis de la cible.

Le senseur le plus con­nu est le radar dit de ” sur­face ” per­me­t­tant la sur­veil­lance de tous types de cibles sur l’aéro­port, de façon com­plète­ment indépen­dante de la cible. D’autres senseurs de type cap­teur mag­né­tique par exem­ple, instal­lés dans le revête­ment en béton des bretelles d’ac­cès ou de sor­tie de piste, per­me­t­tent de sig­naler le pas­sage d’un mobile à cet endroit.

Le cœur du sys­tème SMGCS est con­sti­tué d’un ensem­ble de cal­cu­la­teurs, assur­ant la fusion des infor­ma­tions issues des senseurs et de don­nées externes issues des radars d’ap­proche et des sys­tèmes de traite­ment des plans de vol.

En fonc­tion de la posi­tion respec­tive des mobiles, le sys­tème four­nit des alarmes quand des col­li­sions poten­tielles survi­en­nent, en par­ti­c­uli­er en cas d’in­cur­sion sur les pistes au moment du décol­lage ou de l’at­ter­ris­sage d’un avion.

La visu­al­i­sa­tion doit per­me­t­tre la prise en compte d’une sit­u­a­tion de con­flit de façon qua­si immé­di­ate par le con­trôleur. Pour cela, cette visu­al­i­sa­tion doit être la plus syn­thé­tique et com­préhen­si­ble pos­si­ble sans requérir une série de manip­u­la­tions à l’aide de menus et d’une souris.

L’in­ter­face util­isatrice de ces visu­al­i­sa­tions doit être recon­fig­urable pour s’adapter aux dif­férents acteurs évolu­ant au sein d’une tour de contrôle :

• la posi­tion de con­trôle dite ” locale ” en charge de la piste et de la zone de pro­tec­tion autour de la piste, en liai­son avec le con­trôle d’approche,
• la posi­tion de con­trôle dite ” sol ” en charge du con­trôle des mou­ve­ments des avions au sol et du guidage des avions quand les con­di­tions le nécessitent,
• la posi­tion de con­trôle dite ” park­ing ” en charge du con­trôle sur les aires de park­ing en lien avec les autorités aéro­por­tu­aires et les com­pag­nies aériennes,
• la posi­tion de ” super­viseur ” qui comme son nom l’indique assure la super­vi­sion de l’ensem­ble, le con­trôle de la plate-forme et l’adap­ta­tion des ressources en vue des prévi­sions de trafic.

La quan­tité d’in­for­ma­tions affichées doit tenir compte du degré d’ur­gence auquel les dif­férents con­trôleurs sont confrontés.

Comme tou­jours en matière de sûreté de fonc­tion­nement, la fia­bil­ité, l’in­tégrité et la disponi­bil­ité des infor­ma­tions sont pri­mor­diales. L’ar­chi­tec­ture des sys­tèmes SMGCS doit par con­séquent être conçue pour garan­tir d’ex­cel­lentes per­for­mances dans ce domaine.

L’in­té­gra­tion d’un sys­tème SMGCS dans l’en­vi­ron­nement des sys­tèmes sou­vent très diver­si­fiés et hétérogènes selon les aéro­ports néces­site une grande modularité.

RAPSODIE

Le radar de sur­veil­lance des mou­ve­ments d’aéro­port RAPSODIE est un élé­ment impor­tant d’un sys­tème SMGCS du fait de son car­ac­tère non-coopératif.

Il faut rap­pel­er à ce sujet qu’une par­tie impor­tante des incur­sions sur les pistes se pro­duisent avec des véhicules non-équipés de sys­tèmes de posi­tion­nement. Per­du dans le brouil­lard, rien ne ressem­ble plus à un taxi­way qu’un autre taxi­way ou bien qu’une piste !

Une approche technologique et de réduction des coûts

Le radar RAPSODIE réu­nit un nom­bre de tech­nolo­gies emprun­tées aux radars mil­i­taires les plus mod­ernes exis­tant aujour­d’hui, dans le but d’amélior­er les per­for­mances et l’ex­ploita­tion du radar et para­doxale­ment de réduire les coûts.

Les radars de sur­face exis­tant sur le marché sont basés sur des tech­nolo­gies datant de quinze à vingt ans. L’oblig­a­tion de main­tien en con­di­tion opéra­tionnelle sur au moins quinze ans con­duit à un coût très lourd que seuls les gros aéro­ports peu­vent sup­port­er. L’étroitesse du marché jusqu’à main­tenant a lim­ité le renou­velle­ment des tech­nolo­gies par le sim­ple fait des investisse­ments suc­ces­sifs et impor­tants qu’il supposait.

Pour cela, un saut tech­nologique était néces­saire, com­pa­ra­ble à celui qui a eu lieu dans les radars mil­i­taires voici une dizaine d’années.

La démarche a con­sisté à chercher com­ment réduire le coût d’ac­qui­si­tion, d’in­stal­la­tion et égale­ment de pos­ses­sion de ce type de radar en obtenant des per­for­mances supérieures à celles exis­tant aujour­d’hui, tout en offrant une mod­u­lar­ité et une flex­i­bil­ité plus grandes.

La recherche d’une solu­tion à antenne fixe, per­me­t­tant de s’af­franchir des incon­vénients liés aux radars clas­siques à antenne tour­nante, a été le point de départ de cette pas­sion­nante his­toire à tra­vers les tech­niques et les coûts associés.

Une illustration de l’introduction de nouvelles technologies : l’antenne active

Le radar RAPSODIE est le pre­mier radar de l’avi­a­tion civile dans le monde avec une antenne active à bal­ayage électronique.

L’a­van­tage de la tech­nolo­gie d’an­tenne active est de per­me­t­tre une réduc­tion des pertes hyper­fréquences à l’émis­sion et à la récep­tion, en dis­posant d’une bat­terie d’émet­teurs à état solide de faible puis­sance plutôt qu’un seul émet­teur cen­tral­isé. La redon­dance de la par­tie émission/réception — la moins fiable dans un radar — se trou­ve être ain­si assurée de facto.

La redon­dance accroît la disponi­bil­ité du matériel, et per­met de con­tin­uer à fonc­tion­ner même si plusieurs mod­ules émission/réception tombent en panne sans que les per­for­mances en soient dégradées.

Le coût de pos­ses­sion peut être ain­si réduit compte tenu de la plus grande fia­bil­ité du matériel et d’une main­te­nance préven­tive plutôt que corrective.

Bien qu’elle soit plus per­for­mante, l’in­con­vénient majeur d’une antenne active est sou­vent son prix. Le prob­lème du coût a pu être résolu par le choix d’un fonc­tion­nement en bande X, bande dans laque­lle les com­posants hyper­fréquences sont disponibles à faible coût dans la mesure où la puis­sance émise uni­taire­ment par ces com­posants reste faible.

Le balayage électronique

Le bal­ayage élec­tron­ique per­met de s’af­franchir des prob­lèmes d’ex­ploita­tion liés aux radars de sur­face à antenne tour­nante, tels que l’indisponi­bil­ité pro­longée lors des opéra­tions de main­te­nance touchant à la mécanique de l’an­tenne, les vibra­tions trans­mis­es dans la tour dues à la vitesse de rota­tion élevée et au cou­ple impor­tant des antennes, la néces­sité d’une ali­men­ta­tion de puis­sance sec­ou­rue pour faire fonc­tion­ner les moteurs.

L’u­til­i­sa­tion du bal­ayage élec­tron­ique per­met égale­ment de béné­fici­er d’une grande flex­i­bil­ité dans la sur­veil­lance de l’aéro­port, de façon à cou­vrir en pri­or­ité les pistes et le pour­tour des pistes sur les voies de décéléra­tion, là où les avions ont une vitesse impor­tante néces­si­tant un rafraîchisse­ment des détec­tions au moins toutes les sec­on­des. Les autres zones, où la vitesse des mobiles est moin­dre, sont cou­vertes de façon adap­tée avec une fréquence de rafraîchisse­ment plus faible.

Bien que com­plète, la cou­ver­ture à 360° d’une antenne tour­nante con­duit dans bien des cas à cou­vrir des secteurs entiers qui sont sans intérêt pour les con­trôleurs. Pour les aéro­ports de taille moyenne avec une seule piste ou bien pour ceux com­por­tant deux pistes par­al­lèles, une cou­ver­ture de 150° est suff­isante. Or de telles con­fig­u­ra­tions de pistes sont aujour­d’hui con­sid­érées comme celles sus­cep­ti­bles d’ab­sorber le plus de trafic.

Une forme d’onde par compression d’impulsion et traitement Doppler

Pour garan­tir une portée de plusieurs kilo­mètres, et cou­vrir ain­si la sur­face de l’aéro­port avec une faible puis­sance d’émis­sion, le bilan énergé­tique impose un cer­tain con­traste entre le sig­nal rétrod­if­fusé par la cible fixe ou mobile et le niveau du sig­nal rétrod­if­fusé par le sol ou par la pluie ou la neige. Ce con­traste est lié à la réflec­tiv­ité de la cible (Sur­face Équiv­a­lente Radar), du sol, de la pluie ou de la neige et à la taille de la cel­lule de détec­tion. Plus la cel­lule de détec­tion est petite, plus la détec­tion des cibles de faible SER est possible.

Le radar RAPSODIE adopte une cel­lule à trois dimen­sions (gise­ment, dis­tance et doppler) au lieu de deux. Toutes choses égales par ailleurs, l’in­tro­duc­tion de la dis­crim­i­na­tion Doppler per­met de mieux détecter les cibles mobiles. La com­pres­sion d’im­pul­sion per­met d’obtenir la réso­lu­tion en dis­tance com­pat­i­ble avec les besoins opéra­tionnels c’est-à-dire de l’or­dre de quelques mètres.

Un extracteur avec adaptation automatique des seuils de détection

Le radar RAPSODIE com­porte un sys­tème de régu­la­tion automa­tique des seuils ten­ant compte des vari­a­tions de réflec­tiv­ité du sol en fonc­tion de sa nature, des évo­lu­tions au cours du temps dues par exem­ple aux con­di­tions cli­ma­tiques changeantes (neige) ou bien encore à l’herbe qui pousse…

Le traite­ment du radar intè­gre égale­ment une régu­la­tion instan­ta­née des seuils en cas d’in­tem­péries, de pluie ou de neige. Ce principe per­met de rejeter le ” clut­ter ” météorologique en asso­ciant une nou­velle forme d’onde per­me­t­tant de main­tenir la même sen­si­bil­ité en détection.

Le but de ces traite­ments est d’éviter la généra­tion de fauss­es alarmes.

Un traitement complexe de regroupements des plots et pistage intégrant une base de données

Le radar RAPSODIE dis­pose d’un traite­ment totale­ment numérique, c’est-à-dire inté­grant un sys­tème de pistage four­nissant des pistes-radar, sus­cep­ti­bles d’être visu­al­isées directe­ment ou bien d’être exploitées par la fusion de don­nées d’un sys­tème SMGCS.

Les traite­ments mis en œuvre dans le radar font appel à des algo­rithmes élaborés de regroupe­ment des plots en cible et de pistage des cibles selon plusieurs critères, en y inté­grant des infor­ma­tions venant d’une base de don­nées réu­nis­sant des infor­ma­tions liées à la topogra­phie et à la con­fig­u­ra­tion de l’aéro­port, à la vitesse max­i­male que peu­vent avoir les mobiles sur les dif­férentes zones.

Les dif­férents traite­ments-radar mis en œuvre peu­vent être aisé­ment recon­fig­urables en fonc­tion des évo­lu­tions de l’aéro­port sus­cep­ti­bles de se pro­duire au cours du temps : nou­velle piste ou bretelle d’ac­cès, nou­veau terminal.

Une amélioration de la fiabilité et de la disponibilité à la clef

La prise en compte de la fia­bil­ité et de la disponi­bil­ité est pri­mor­diale dans la con­cep­tion d’un sys­tème SMGCS devant fonc­tion­ner de façon con­tin­ue 24 heures sur 24. La moin­dre per­tur­ba­tion ou inter­rup­tion des sys­tèmes peut con­duire rapi­de­ment à la sat­u­ra­tion et la paralysie d’un aéro­port, notam­ment en cas de mau­vais temps.

Les choix tech­nologiques du radar RAPSODIE per­me­t­tent d’amélior­er de manière sig­ni­fica­tive le niveau de fia­bil­ité et de disponi­bil­ité habituelle­ment ren­con­tré sur ce type d’équipement.

L’emploi de stan­dards recon­nus per­met, d’une part, de main­tenir une péren­nité plus grande des solu­tions tech­niques au cours du cycle de vie du radar, et d’autre part, d’en­vis­ager une réduc­tion des coûts d’exploitation.

Une installation adaptée à la topographie de l’aéroport

Le radar RAPSODIE est par­ti­c­ulière­ment bien adap­té aux aéro­ports de taille moyenne non équipés aujourd’hui.

Pour des gros aéro­ports com­por­tant plusieurs pistes avec de nom­breux masques dus aux bâti­ments, il est pos­si­ble de met­tre en œuvre plusieurs antennes RAPSODIE pour s’af­franchir de ces masques.

Le radar RAPSODIE per­met égale­ment de com­pléter une cou­ver­ture radar exis­tante, à la suite d’une exten­sion de l’aéroport.

Conclusion

Pour faire face à la crois­sance du traf­ic, les aéro­ports ne peu­vent sou­vent envis­ager d’ex­ten­sion à l’ex­térieur de leur périmètre actuel, pour des raisons liées à l’environnement.

Les sys­tèmes SMGCS sont le moyen d’amélior­er la sur­veil­lance et le con­trôle des mou­ve­ments sur l’aéro­port et par con­séquent d’op­ti­miser les moyens actuels (pistes) des aéro­ports. Ils peu­vent en par­ti­c­uli­er con­courir à l’aug­men­ta­tion de la capac­ité en cas de mau­vais­es con­di­tions climatiques.

Les lim­i­ta­tions dans l’aug­men­ta­tion de la capac­ité des aéro­ports provi­en­nent égale­ment du manque de capac­ité d’ac­cueil des pas­sagers et du nom­bre de portes d’embarquement.

L’ap­proche mod­u­laire des sys­tèmes SMGCS HARMONIA et RAPSODIE pour­rait là encore indi­recte­ment per­me­t­tre l’ex­ten­sion de zones de ter­minaux ou bien de zones com­mer­ciales sur des ter­rains aujour­d’hui ” gelés ” en rai­son de la réglementation.

Cette régle­men­ta­tion offi­cielle datant de 1986 impose tou­jours que la vis­i­bil­ité des dif­férentes zones d’un aéro­port soit assurée par les con­trôleurs depuis la tour de con­trôle, que l’aéro­port soit ou non équipé d’un sys­tème SMGCS.

Dans la pra­tique et compte tenu des con­traintes exer­cées par l’aug­men­ta­tion du traf­ic, un petit nom­bre d’aéro­ports à tra­vers le monde utilisent déjà opéra­tionnelle­ment ces systèmes.

Au-delà de l’évo­lu­tion atten­due de la régle­men­ta­tion OACI (6), la stan­dard­i­s­a­tion des don­nées échangées par les sys­tèmes SMGCS doit per­me­t­tre égale­ment une inté­gra­tion plus aisée de ces sys­tèmes et par con­séquent la général­i­sa­tion de ces sys­tèmes sur l’ensem­ble des aéroports.

Le développe­ment du trans­port aérien et le main­tien de la sécu­rité des avions sont à ce prix.

__________________________________
1. Supérieur à 5 % par an pour les dix prochaines années en Europe.
2. 292 incur­sions sur pistes réper­toriées pour la seule année 1996 aux états-Unis.
3. Sur­face Move­ment Guid­ance and Con­trol System.
4. Das­sault élec­tron­ique a dévelop­pé une offre com­plète en SMGCS appelée HARMONIA.

• Marché RAPSODIE STNA sur l’aéro­port d’Orly.
• Marché RAPSODIE FAA sur l’aéro­port de Nor­folk en Vir­ginie (US) inclu­ant un radar, une visu­al­i­sa­tion radar et des out­ils d’ex­ploita­tion et de configuration.
• Marché SMGCS financé par la Com­mis­sion européenne (DG VII) sur l’aéro­port de Cologne-Bonn en Alle­magne com­prenant un radar RAPSODIE et le cœur du sys­tème SMGCS.
• Marché SMGCS HARMONIA de la direc­tion de l’avi­a­tion civile de Dubaï (émi­rats arabes unis) inclu­ant deux radars RAPSODIE.

5. Le GPS dit ” Dif­féren­tiel ” per­met d’obtenir une pré­ci­sion accrue par rap­port au posi­tion­nement GPS clas­sique. Les récep­teurs GPS de ce type pour­raient être disponibles à bord des avions à l’hori­zon de 2005 et le sont déjà pour les véhicules (sys­tèmes SYLETRACK ou GPSTRACK de Das­sault Ser­cel Nav­i­ga­tion et Posi­tion­nement (DSNP)).
6. Organ­i­sa­tion de l’avi­a­tion civile internationale.

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