Déconflitualisation – Séparation pour éviter les conflits dans le contrôle du trafic aérien

Définitions et contexte réglementaire

La déconflitualisation en gestion du trafic aérien désigne le processus systématique visant à garantir que tous les aéronefs—habités ou non—maintiennent une séparation spatiale ou temporelle prescrite afin de prévenir le non-respect des minima de sécurité et d’éviter les conflits pouvant entraîner une perte de séparation ou des collisions. Ce principe opérationnel est fondamental dans la gestion conventionnelle du trafic aérien (ATM) et dans les environnements de gestion du trafic des systèmes d’aéronefs sans pilote (UTM) en pleine évolution.

Un conflit en ATM correspond à toute perte prédite ou anticipée de séparation entre deux aéronefs ou plus, basée sur les trajectoires projetées dans un horizon de conflit spécifié. Les minima de séparation sont des distances réglementaires (par exemple, 5 milles nautiques latéralement et 1 000 pieds verticalement pour les opérations en route) imposées par des autorités telles que l’OACI et les organismes nationaux de l’aviation.

Le Doc 9854 de l’OACI présente la gestion des conflits comme un processus à trois niveaux :

• Déconflitualisation stratégique (planification pré-vol),
• Fourniture de la séparation (déconflitualisation tactique en vol),
• Évitement des collisions (dernier recours, généralement systèmes embarqués).

Ces couches assurent collectivement la sécurité et l’efficacité opérationnelles. Les recherches UTM de la FAA et de la NASA étendent ces principes aux opérations des aéronefs non habités, imposant la déconflitualisation dès la planification (stratégique) et en vol (tactique). L’application réglementaire s’effectue via des politiques formelles, des procédures opérateur et des exigences d’interopérabilité, faisant de la déconflitualisation une protection systémique obligatoire contre les incidents en vol.

Trois couches de gestion des conflits

1. Déconflitualisation stratégique

La déconflitualisation stratégique s’effectue avant le vol. Son objectif principal est d’assurer que les trajectoires de vol prévues ou les volumes opérationnels ne se chevauchent pas. Les opérateurs soumettent leurs intentions de vol à un système centralisé ou fédéré (tel qu’un fournisseur de services UAS dans l’UTM), qui vérifie les routes demandées par rapport aux plans existants. Si des chevauchements spatio-temporels sont détectés, le système propose des modifications—telles qu’un changement d’horaire ou d’itinéraire—jusqu’à obtention d’un plan d’espace aérien sans conflit.

2. Déconflitualisation tactique (fourniture de la séparation)

La déconflitualisation tactique est un processus en temps réel activé pendant le vol. Les contrôleurs ou systèmes automatisés surveillent les positions des aéronefs à l’aide de technologies de surveillance (radar, ADS-B, identification à distance UAS) et prédisent les trajectoires futures. Si un conflit est prévu dans un « horizon de conflit » défini, des actions correctives—changements de cap, de vitesse ou d’altitude—sont prescrites pour maintenir la séparation. Ces systèmes doivent réagir rapidement selon la densité et la complexité du trafic aérien.

3. Évitement des collisions

Si les mesures stratégiques et tactiques échouent, l’évitement des collisions est géré par des systèmes autonomes embarqués comme le TCAS pour les aéronefs habités ou le Detect-and-Avoid (DAA) pour les UAS. Ces systèmes utilisent des données de capteurs en temps réel pour détecter et exécuter de façon autonome des manœuvres d’évitement, indépendamment du contrôle au sol.

Méthodes de déconflitualisation stratégique

La déconflitualisation stratégique résout les conflits potentiels avant le vol, en s’assurant que la planification et l’approbation des intentions opérationnelles (plans ou volumes de vol) ne se chevauchent pas. Les opérateurs soumettent les vols prévus à un système centralisé ou fédéré—comme un USS en UTM—qui vérifie les routes proposées vis-à-vis des intentions acceptées. Les chevauchements entraînent le rejet ou des suggestions de modification, réduisant drastiquement les conflits en vol, notamment dans les espaces denses ou complexes.

Une approche clé consiste à discrétiser l’espace aérien en une grille (souvent hexagonale), en modélisant les volumes opérationnels en quatre dimensions (latitude, longitude, altitude et temps). Une programmation entière attribue ces unités efficacement, avec des zones tampons pour prendre en compte les incertitudes opérationnelles comme les variations de temps ou de vitesse. Ceci permet une détection et une résolution des conflits évolutives et rapides pour les opérations UAS denses.

Exemple : Dans un scénario de livraison BVLOS par UAS, un plan de vol proposé est vérifié par l’USS pour les chevauchements. En cas de conflit, le système demande des modifications jusqu’à l’obtention d’une trajectoire sans conflit.

Déconflitualisation tactique et surveillance de la conformité

La déconflitualisation tactique agit en temps réel, détectant et résolvant les conflits sur la base de la surveillance en direct et de la prédiction de trajectoire. Les contrôleurs aériens ou systèmes numériques surveillent les positions actuelles et prédites des aéronefs à l’aide du radar, de l’ADS-B ou de l’identification à distance UAS. Des modèles mathématiques prévoient si des aéronefs vont franchir les minima de séparation dans un « horizon de conflit ».

Lorsqu’un conflit potentiel est détecté, le système génère un avis de résolution, suggérant ou exécutant des changements de cap, de vitesse ou d’altitude. Ces avis sont communiqués aux pilotes ou opérateurs ou, en UTM automatisée, peuvent être envoyés directement au système de contrôle de l’aéronef. Une surveillance continue de la conformité garantit que les aéronefs respectent les couloirs et paramètres opérationnels assignés, avec alertes et nouvelles manœuvres en cas d’écart.

Les contrôleurs appliquent souvent des marges de sécurité supplémentaires au-delà des minima réglementaires, tenant compte des incertitudes opérationnelles telles que le vent ou les délais de communication. Pour l’UTM, les services de déconflitualisation tactique (ex : Altitude Angel, Skypuzzler) fournissent des alertes en direct et des itinéraires alternatifs lorsque les limites UAS se croisent, grâce à la communication logicielle en temps réel.

Exemple réel :
Les données ADS-B du CRNA de Bordeaux montrent que des écarts latéraux (ex : changements de cap de 10 degrés) prescrits en réponse à des conflits prédits augmentent systématiquement la séparation minimale d’une valeur inférieure à la limite (ex : 3 NM) à une marge sûre (ex : 8 NM), démontrant l’efficacité de la déconflitualisation tactique.

Évitement des collisions

L’évitement des collisions constitue la protection ultime. Lorsque les mesures stratégiques et tactiques échouent à prévenir une perte imminente de séparation, l’évitement des collisions est exécuté par des systèmes autonomes embarqués tels que le TCAS (pour les aéronefs habités) ou le DAA (pour les UAS).

• TCAS : Système de sécurité embarqué indépendant du contrôle au sol, utilisant la surveillance par transpondeur pour détecter les aéronefs proches, émettre des alertes et générer des avis de montée/descente.
• DAA pour UAS : Intègre des capteurs (radar, optique, ADS-B) pour détecter et éviter de façon autonome les menaces non coopératives, y compris les aéronefs sans diffusion de position.

L’évitement des collisions ne fait pas partie de la fourniture standard de la séparation : il s’agit d’une intervention d’urgence qui prévaut sur le contrôle normal.

Modélisation et approches algorithmiques

Les algorithmes de déconflitualisation sont à la base de la gestion stratégique et tactique des conflits. Ils modélisent, prédisent et résolvent les conflits potentiels, en conciliant contraintes opérationnelles (performances, minima réglementaires) et objectifs d’optimisation (déviation minimale, efficacité énergétique).

• Programmation linéaire/non linéaire mixte entière (MILP/MINLP) : Discrétise l’espace aérien et le temps, exprimant les contraintes de séparation par des inégalités sur les trajectoires prévues. L’optimisation vise les ajustements les moins perturbateurs (changements minimaux de vitesse/cap) pour maintenir des états sans conflit.
• Méthodes heuristiques et métaheuristiques : Pour les scénarios vastes et complexes, celles-ci décomposent l’espace en grappes d’aéronefs potentiellement en conflit, résolvent les sous-problèmes puis fusionnent les solutions dans une approche mathématique hybride.
• Modélisation par tessellation : Découpe l’espace aérien en cellules hexagonales, permettant des vérifications de conflit rapides et évolutives et une planification efficace des trajectoires pour l’UTM.
• Prédiction probabiliste de trajectoire : Modélise les incertitudes de vitesse, cap ou intention au moyen d’intervalles de confiance ou de processus de décision de Markov. Les facteurs humains (comme les modèles de réponse des contrôleurs) sont intégrés pour plus de réalisme.

Exemple d’algorithme : Pour des aéronefs convergents, le système projette les positions futures selon la vitesse et le cap. Si une violation prédite a lieu, un programme mixte entier calcule l’ajustement de vitesse minimal nécessaire pour l’un ou les deux aéronefs, garantissant la faisabilité opérationnelle et l’optimalité.

Facteurs humains et pratiques réelles

Les facteurs humains sont essentiels dans la déconflitualisation. Les contrôleurs aériens appliquent leur jugement et des marges de sécurité supplémentaires au-delà des minima publiés, tenant compte du vent, des temps de réaction des pilotes et des délais de communication. L’analyse des données ADS-B montre que les écarts latéraux (petits changements de cap) constituent la manœuvre de déconflitualisation la plus fréquente et efficace, surtout en route.

Des catalogues d’actions de déconflitualisation fondés sur les données aident à concevoir des outils automatisés imitant les pratiques des contrôleurs. Les études montrent qu’en espace aérien dense, les manœuvres latérales sont préférées aux variations d’altitude ou de vitesse, car elles perturbent moins et sont plus prévisibles.

Cas d’usage : Dans un secteur chargé, deux aéronefs sur des trajectoires convergentes sont prévus franchir la séparation dans cinq minutes. Le contrôleur, tenant compte de l’incertitude liée au vent, ordonne à l’un de dévier latéralement de 15 degrés, augmentant la séparation prédite à une marge sûre avec un minimum de perturbation.

Normes industrielles et interopérabilité

La déconflitualisation efficace repose sur des normes réglementaires et techniques robustes :

• OACI Doc 9854 : Cadre mondial de gestion des conflits.
• FAA/NASA UTM ConOps : Application des principes aux systèmes non habités.
• Normes d’interopérabilité USS : Définissent la soumission des intentions, la résolution des conflits et l’échange de données en temps réel entre opérateurs et fournisseurs.

Les fournisseurs de services UAS (USS) sont l’épine dorsale de l’UTM, gérant les intentions opérationnelles, la déconflitualisation et l’échange de données avec l’ATC et les autres USS. Les technologies comme l’ADS-B, l’identification à distance et la communication logicielle sécurisée soutiennent les déconflitualisations stratégique et tactique.

Les normes de surveillance de la conformité (ex : tests terrain FAA/NASA UTM, ASTM F3548-21) assurent la détection des écarts par rapport aux plans approuvés et des réponses rapides aux situations anormales, garantissant l’intégration sûre et évolutive des opérations habitées et non habitées.

Études de cas / Exemples pratiques

Déconflitualisation par données ADS-B

L’analyse historique au CRNA de Bordeaux montre que la déconflitualisation tactique par écarts latéraux est très efficace. Les contrôleurs prescrivent fréquemment de petits changements de cap (10–20 degrés) pour éviter les conflits prédits. Avant intervention, la séparation prévue était souvent inférieure au minimum réglementaire (<5 NM), mais après manœuvre, elle dépassait régulièrement 8 NM.

Déconflitualisation stratégique par tessellation

En espace aérien urbain dense, un opérateur UAS soumet un itinéraire de livraison à plusieurs étapes. L’USS tesselle l’espace aérien en cellules hexagonales, vérifiant chaque cellule 4D demandée pour les conflits. Les chevauchements entraînent des ajustements de timing ou d’itinéraire, la programmation entière assurant une trajectoire sans conflit et permettant des opérations à haute densité.

Optimisation mixte entière pour conflits groupés

Avec plusieurs aéronefs convergeant vers un même point, l’espace aérien est partitionné en grappes de paires potentiellement en conflit. Un algorithme mathématique hybride applique la programmation non linéaire mixte entière à chaque groupe, calculant les ajustements de vitesse optimaux pour résoudre tous les conflits prévus, puis fusionne les solutions pour une déconflitualisation globale avec une perte d’efficacité minimale.

Tableau récapitulatif des concepts clés

Résumé du glossaire

La déconflitualisation garantit la séparation des aéronefs en gestion du trafic aérien à travers la planification stratégique, l’intervention en temps réel et les systèmes d’urgence, évitant conflits et collisions.
La déconflitualisation stratégique est obtenue via la planification pré-vol et la gestion des intentions au moyen de systèmes comme l’USS et la planification algorithmique des trajectoires.
La déconflitualisation tactique implique la surveillance en temps réel, la détection des conflits et des actions correctives immédiates grâce à la surveillance et la prédiction de trajectoire.
L’évitement des collisions repose sur des systèmes embarqués autonomes (TCAS, DAA) pour les manœuvres de dernier recours.
Normes industrielles et interopérabilité assurent la coordination entre tous les usagers de l’espace aérien, soutenues par l’OACI, la FAA, la NASA et les cadres industriels.

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