LA NAVIGATION AERIENNE FACE A LA  CROISSANCE DU TRAFIC AERIEN

 

Jean-Luc GARNIER 1

1. Présentation du système de gestion du trafic aérien

Le système de gestion du trafic aérien (Air Traffic Management : ATM en anglais) a pour mission de permettre l'écoulement de ce trafic dans les meilleures conditions de sécurité et de régularité.

Il est composé de deux principaux éléments qui sont le contrôle du trafic aérien (Air Traffic Control : ATC en anglais) et la gestion des courants de trafic aérien (Air Traffic Management : ATFM en anglais).

L'objectif de l'ATC est d'assurer un écoulement sûr, ordonné et rapide de la circulation aérienne, par l'application d'espacements entre aéronefs et la délivrance d'autorisations optimales spécifiques, dans le cadre général des mesures ATFM applicables.

L'ATFM a pour objectif de réguler les courants de trafic dans les cas où l'ATC se trouve dans l'impossibilité de faire face à la demande dans de bonnes conditions.

La capacité de traitement de l'opérateur humain étant limitée, l'espace est divisé en volumes appelés secteurs de radio-communication comprenant des limites horizontales et verticales. La vue 1 présente l'exemple de l'espace supérieur de la partie Nord-Est de la France 2Chaque secteur est armé par une équipe de 2 à 3 contrôleurs en général.

La vue 2 montre les principaux flux de trafic survolant la France. On remarque que les Européens du Nord vont chercher le soleil au Sud du Vieux Continent. Le Royaume-Uni est à l'origine de deux grands courants de trafic, vers l'Espagne d'une part, vers l'Italie et la Grèce d'autre part ; l'Allemagne, les Pays-Bas et les Pays Scandinaves sont attirés par les mêmes destinations. Il en résulte de nombreux croisements de flux, en particulier au-dessus de la France dont le trafic global comprend environ 45 % de survols.

La vue 3 met en relief les zones où la concentration de trafic est la plus grande. La zone centrale qui présente la densité la plus élevée et dans laquelle est incluse la plus grande partie de la France, voit se conjuguer les effets du trafic d'affaires entre les principales villes européennes et du trafic touristique.

Un autre facteur caractéristique du trafic européen est son caractère saisonnier très marqué. Le trafic contrôlé en septembre 1988 est près d'une fois et demie supérieur à celui du mois de janvier. De plus, entre juin et septembre, les week-ends accusent de très fortes pointes.

La vue 4 présente :

- les Etats membres d'Eurocontrol, actuellement au nombre de 10 ;

- les Etats non membres participant au Système centrale de redevances de route (CRCO) ;

- les futurs Etats membres (Italie, Malte) ; devraient probablement rejoindre cet ensemble prochainement l'Espagne et Chypre.

La zone des Etats membres d'Eurocontrol est contrôlée par 22 centres en route (ACC) nationaux et le centre Eurocontrol de Maastricht. Le chiffre de 29 centres est atteint pour la zone CRCO, avec l'adjonction des centres autrichiens (1), suisse (1), et espagnols (4).

2. Principaux moyens utilisés en France pour le contrôle du trafic aérien

La vue 5 montre l'emplacement des 5 centres régionaux de la navigation aérienne (Athis-Mons, Aix-en-Provence, Bordeaux, Reims et Brest) ainsi que l'essentiel de l'infrastructure mise en oeuvre pour les communications radiotéléphoniques entre contrôleurs et pilotes. La couverture est assurée par un ensemble de stations principales suppléées en cas de défaillance par des stations secours (NB : la station d'Etampes sert de secours aux CRNA d'Athis-Mons et Reims), ainsi que par des stations dites Antennes Avancées destinées à assurer les compléments de couverture nécessaires.

La vue 6 présente les différentes stations radar, primaires et/ou secondaires, utilisées pour le contrôle. La navigation aérienne fait appel pour une partie de ses besoins à des stations militaires ou à des stations étrangères. Un renouvellement complet de la couverture radar est en cours. Il fera appel pour la partie en route à un ensemble de 19 stations radars secondaires monoimpulsion (vue 7) qui seront mises en service entre 1989 et 1993. Les stations radars primaires des principaux aéroports (Paris, Marseille, Nice, Lyon, Toulouse et Bordeaux) seront également renouvelées ou modernisées.

Le système CAUTRA (Coordinateur automatique du trafic aérien) est le système français d'assistance automatisée au contrôle. Il est constitué d'un réseau (vue 8) de 35 calculateurs opérationnels répartis dans les 5 CRNA français et dans les aéroports parisiens (Orly et Charles-de-Gaulle). Chacun des 4 centres de province est équipé, d'une part d'un Système de traitement radar (STR : 3 calculateurs) permettant de traiter les informations radar de plusieurs stations et de présenter au contrôleur l'image de situation de trafic en cours, d'autre part d'un Système de traitement plan de vol (STPV : 2 calculateurs) qui assurent le maintien à jour des données plan de vol et leur présentation au contrôleur, soit sous forme de strips (bandes de papier), soit sur périphérique interactif.

Le site d'Athis-Mons héberge en plus des systèmes dits centraux parce qu'assurant des fonctions nationales dans les domaines suivants : traitement initial plan de vol (STIP), prévision et aide à la régulation du trafic (PREVI), banque de données aéronautiques (BDA), statistiques et redevances (STAR), gestion des données circulation aérienne (SATIN).

Le cheminement des principales informations sont traitées par le CAUTRA jusqu'à leur présentation sur le meuble de contrôle. qui possède notamment des écrans radar (21 pouces et 16 pouces) et des périphériques de dialogue (digitatrons) à écran plasma (vue 9).

Le haut niveau de complexité des systèmes au sol tels que le CAUTRA ou des systèmes que l'on trouve à bord des avions modernes pourrait laisser supposer qu'il existe des échanges d'information très riches entre sol et bord. En fait, il n'en est rien pour l'instant et même sur un avion aussi sophistiqué que l'A 320, les équipements directement consacrés aux communications avec l'ATC sont très limités : émetteurs/récepteurs radio VHF pour la communication en phonie avec le contrôleur et transpondeur radar secondaire pour la transmission automatique d'un code d'identification et de l'altitude de l'avion. Nous verrons plus loin que l'amélioration des systèmes ATC passe par l'utilisation beaucoup plus intensive des liaisons de données air-sol.

3. Situation actuelle et principaux problèmes

La vue 10 présente, ramenées à une base 100 en 1974, les courbes d'évolution du nombre de vols contrôlés en France et dans l'ensemble de la zone des Etats participant au Système de redevance de route d'Eurocontrol (CRCO).

On constate qu'après une période de stagnation entre 1979 et 1983, la croissance du trafic a repris, de façon modérée d'abord, puis avec une accélération brutale du taux qui s'est manifestée en France à partir de 1986 (6,6 %) et de façon plus nette encore en 1987 (9,7 %) et 1988 (10,7 %).

L'ampleur de cette croissance a surpris tous les partenaires du transport aérien, que ce soit les fournisseurs de service ATS ou les transporteurs.

Les conséquences en sont malheureusement bien connues : de graves difficultés d'écoulement du trafic ont dû être constatées, notamment pendant les périodes de pointe.

Les problèmes principaux auxquels se trouve confronté le système de contrôle du trafic aérien sont de deux ordres :

- d'une part une inadéquation entre la demande de trafic aux périodes chargées et la capacité des centres en route ;

- d'autre part la saturation de certaines plates-formes aéroportuaires.

Plusieurs facteurs sont à l'origine du manque de capacité des centres en route.

Les différences sensibles entre les niveaux d'équipement de centre en route de pays adjacents (dues par exemple à un manque d'homogénéité de la couverture radar ou à des niveaux de fonctionnalités très variables des systèmes d'assistance automatisée au contrôle) sont à l'origine de disparités dans la capacité de ces centres qui se traduisent par des discontinuités aux limites et donc des goulots d'étranglement. Le ciel étant par nature sans frontières, toute difficulté ponctuelle d'écoulement du trafic fait ressentir ses effets sur de très larges portions d'espace d'aérien.

Par ailleurs, on atteint pour certains secteurs la limite de ce que l'on est capable d'écouler aujourd'hui en matière de trafic aérien compte tenu de l'état de l'art. Les systèmes d'assistance automatisée les plus performants disponibles aujourd'hui restent fondamentalement des systèmes de présentation d'informations, même si celle-ci est de plus en plus sophistiquée.

La capacité instantanée d'un secteur de contrôle n'a pas évolué de manière sensible au cours des quinze dernières années, malgré les progrès techniques de ces systèmes. Ceci est dû au fait que le contrôle reste aujourd'hui essentiellement manuel et que la capacité de traitement d'informations de l'opérateur humain est limitée. Des progrès importants ne pourront être accomplis que par le mise en oeuvre progressive d'un nouveau partage des rôles de l'homme et de la machine qui, tout en laissant le rôle essentiel à l'homme, permettra de le libérer des tâches de routine et de le faire bénéficier d'aides à la décision. Ce point sera évoqué plus en détail un peu plus loin.

Deux autres facteurs importants concourent aux difficultés ressenties aujourd'hui : d'une part un nombre de secteurs insuffisant (limité par le personnel de contrôle disponible ou la structure de l'espace aérien) ; d'autre part, même dans le cadre du découpage actuel de l'espace, un manque de contrôleurs et/ou un manque de souplesse dans les horaires de travail qui ne permet pas d'utiliser au maximum la capacité théoriquement disponible.

Le nombre proprement dit de centres de contrôle, qui est certes proportionnellement beaucoup plus élevé en Europe qu'aux Etats-Unis, ne constitue pas en soi un facteur explicatif de l'insuffisance de capacité du système ATC.

La deuxième source principale des problèmes réside, comme on l'a dit, dans la saturation de certaines plates-formes aéroportuaires. La vue 11 présente le résultat d'une étude faite par l'Association des compagnies aériennes européennes (AEA : Association of European Airlines), montrant les dates auxquelles devraient être saturés les principaux aéroports européens. On peut remarquer que beaucoup de nos voisins (Royaume-Uni, Allemagne, Espagne...) se trouvent déjà ou vont se trouver bientôt dans des situations très difficiles.

En France, la situation est à cet égard beaucoup moins critique et il n'y a guère aujourd'hui que l'aéroport d'Orly, aux heures de pointe du matin et du soir, qui soit vraiment en limite de capacité. Encore faut-il signaler que le deuxième grand aéroport parisien, Charles-de-Gaulle, dispose de larges possibilités de développement.

C'est donc le manque de capacité des centres en route qui constitue le principal problème en France.

Toutes ces difficultés ont conduit à rendre fréquentes sur les aéroports européens des situations d'encombrement que connaissent bien les usagers du transport aérien. Nous allons maintenant étudier les évolutions qui sont envisageables pour l'avenir afin de porter remède à ces problèmes.

4. Mesures envisagées pour améliorer le système de gestion du trafic aérien

La situation qui s'est développée depuis environ deux ans a conduit l'ensemble des partenaires du transport aérien à se mobiliser pour remédier aux difficultés d'écoulement du trafic.

Les plus hauts responsables de l'aviation civile en Europe ont pris conscience du fait qu'il ne pouvait y avoir de solution isolée et qu'il était indispensable d'assurer une coordination efficace au niveau européen.

Ceci s'est traduit par un certain nombre d'initiatives prises directement au niveau des ministres des Transports ou directeurs généraux de l'Aviation Civile des 22 Etats membres de la Commission Européenne de l'Aviation Civile (CEAC) qui regroupe la quasi-totalité des Etats souverains de l'Europe de l'Ouest.

Des décisions importantes ont déjà été prises.

Dans le domaine de la gestion des courants de trafic aérien (ATFM), l'éparpillement des responsabilités entre les 10 unités de l'Europe de l'Ouest déjà évoquées conduisait à un manque de cohérence de décisions prises en temps réel et à une mauvaise utilisation de la capacité disponible.

Les ministres des Transports de la CEAC ont décidé d'adopter pour objectif la création d'un organisme central de gestion des courants de trafic et de demander à Eurocontrol de définir d'ici l'été de 1989 les mesures, coûts et calendriers nécessaires pour le mettre en oeuvre par étapes. Cet organisme travaillera en liaison avec d'autres unités ATFM, soit nationales soit implantées dans les centres en route.

Dès 1989, comme on l'a déjà indiqué plus haut, sera mise en oeuvre une première étape vers cet organisme central, consistant à regrouper les fonctions d'exécution ATFM dans les cinq unités les plus importantes (Paris, Londres, Francfort, Madrid et Rome).

Les outils mis à la disposition des services ATFM seront également améliorés : la banque de données Eurocontrol (BDE), dont la vocation était jusqu'ici limitée à des fins stratégiques, sera développée afin de permettre la mise en oeuvre de fonctions tactiques. Sera constituée en particulier une base de données à jour présentant la situation du trafic aérien en cours en Europe.

Afin de faciliter la mise en oeuvre de cette base de données tactique, les Etats membres d'Eurocontrol ont décidé de développer un système de traitement initial plan de vol intégré décentralisé, qui sera produit par l'agence Eurocontrol et qui permettra de faire en sorte que tout plan de vol, pour un trajet européen quelconque, sera traité une seule fois avant sa diffusion à l'ensemble des centres concernés et à la BDE.

Ces évolutions de l'organisation et des moyens de l'ATFM devraient permettre d'assurer une utilisation optimale de la capacité disponible.

Mais ceci n'est évidemment pas suffisant. Il faut aussi pouvoir augmenter sensiblement cette capacité.

Il faut chercher tout d'abord, lorsque la structure de l'espace le permet, à augmenter le nombre des secteurs. Mais cet accroissement entraîne avec lui des coordinations supplémentaires qui peuvent finir par contrecarrer totalement l'objectif visé. Il est donc nécessaire de s'attacher également à augmenter la capacité intrinsèque du secteur. Des solutions classiques peuvent être cherchées : par exemple, amélioration des procédures opérationnelles. Mais c'est dans un nouveau développement des différents systèmes utilisés dans le cadre du contrôle du trafic aérien (communication, navigation, surveillance, et systèmes d'assistance automatisée au contrôle) qu'il faut chercher la voie d'un accroissement significatif à terme de la capacité.

Certaines mesures à court/moyen terme, résultant de l'analyse qui vient d'être faite, ont déjà été prises et sont en cours de mise en oeuvre. Les principales sont :

- création de nouveaux secteurs ;

- recrutement de contrôleurs ;

- meilleure adaptation du potentiel de contrôle à la demande de trafic ;

- mise en place de cellules de crise les jours de forte pointe.

En France, un protocole d'accord a été signé le 4 octobre 1988 entre le ministre des Transports et les organisations représentatives des personnels de la navigation aérienne. Ce protocole qui prévoit des améliorations significatives en matière d'effectifs, de conditions de travail, de formation, de rémunération et de déroulement de carrière, comprend des dispositions qui permettront de moderniser les méthodes et l'organisation du travail.

Pour satisfaire l'objectif d'amélioration de capacité de moyen à long terme, la Direction de la Navigation aérienne a lancé officiellement, en 1988, le programme CAUTRA 5. Trois domaines sont couverts : la sécurité, la capacité et la qualité de service.

- Sécurité : l'objectif consiste à diviser par deux dans les 10 ans à venir le nombre de cas classés graves d'alertes du filet de sauvegarde.

N.B : le filet de sauvegarde est une fonction du système CAUTRA qui permet, avec un préavis d'environ deux minutes, de faire clignoter sur les écrans des contrôleurs les étiquettes de deux avions dont la distance minimale extrapolée descend au-dessous des normes de séparation. Un classement de toutes ces alertes est effectué après analyse hors-ligne.

- Capacité : on se donne pour objectif d'absorber à l'horizon 2005 un doublement du trafic sans délai au-delà de la 40ème heure ;

- Qualité de service : toujours à l'horizon 2005, l'objectif consiste à diviser par 5 (ce chiffre est un ordre de grandeur car il est très difficile de fixer a priori la limite de ce qui est réaliste) les pénalisations imposées par l'ATC aux usagers (allongements de routes, niveaux non optimaux, actions pilote induites par l'ATC). Sont fixées par ailleurs des spécifications précises de fiabilité, de maintenabilité et de disponibilité.

Le choix à été fait de ne pas développer un système complètement automatisé, mais de mettre en oeuvre progressivement des fonctions d'assistance au contrôle et de partager le travail entre l'homme et la machine.

Ce choix est différent de celui de l'administration américaine (FAA : Federal Aviation Administration) dont le projet AERA vise explicitement à l'automatisation maximale du contrôle.

L'ensemble des contraintes techniques et humaines existantes nous a conduits à préférer la démarche esquissée ci-dessus, qui nous semble plus réaliste et plus motivante pour l'ensemble des acteurs : elle consiste à opter pour un partage dynamique des tâches entre l'homme et la machine, certaines tâches étant confiées selon le contexte, soit au calculateur, soit au contrôleur, de façon à concentrer l'attention de ce dernier sur les activités essentielles, tout en maintenant un certain équilibre de sa charge de travail.

Les étapes les plus significatives du programme CAUTRA 5 sont les suivantes.

La première étape CAUTRA 4.1 (rappelons que c'est la quatrième génération du système CAUTRA qui est actuellement en service opérationnel) couvre la période 1991/1993 : elle correspondra à la mise en service des 19 stations radars secondaires évoquées plus haut et au portage des logiciels du CAUTRA 4 sur de nouveaux calculateurs.

La seconde étape CAUTRA 4.2 (1994/1995) correspond au renouvellement des périphériques de contrôle : les écrans radar actuels, ainsi que les digitatrons et les imprimantes de strip, seront remplacés par des stations de travail pour le contrôleur dénommées PHIDIAS (Périphérique intégré de dialogue et assistance).

Ces stations tireront pleinement parti de la technologie informatique du moment et comportent un écran de visualisation télévision couleur haute définition de grandes dimensions. Elles serviront de support à l'intégration progressive des nouvelles fonctions d'assistance au contrôle jusqu'au début du XXIème siècle.

La troisième étape CAUTRA 4.3 (1996/2000) verra la refonte de l'architecture du traitement plan de vol actuel et le début de l'utilisation des liaisons de données air-sol.

Le vecteur privilégié de ces liaisons de données, dans les régions denses de l'Europe, sera le mode S, successeur du radar secondaire actuel. Un plan coordonné de mise en oeuvre de ce nouveau système vient d'être officiellement approuvé par les Etats membres d'Eurocontrol.

L'enrichissement des échanges de données entre le sol et le bord paraît être le point de passage obligé pour une réelle amélioration de la capacité des systèmes ATC et de très grands espoirs sont fondés sur le mode S.

L'utilisation des satellites sera très certainement à l'ordre du jour à cet horizon. La présentation plus prudente qui en est faite tient simplement à ce qu'étant donné les aspects très particuliers de ce dossier, il est extrêmement difficile d'être précis aujourd'hui sur les réalisations concrètes qui verront le jour dans ce domaine.

L'avènement d'une liaison de données entre les avions et le système ATC dans son ensemble devrait apporter des améliorations notables à la gestion du trafic aérien sur les trois plans de la sécurité, de l'efficacité et de la capacité du système de contrôle.

De façon plus spécifique, la plus grande cohérence et la plus grande précision des données relatives au vol à bord et au sol permettront, grâce à une meilleure prévision de trajectoires, d'améliorer les outils d'organisation du trafic à moyen terme (15 à 30 minutes) par le système de contrôle.

Pour les régions de trafic dense, les fonctions particulières seront développées dans ce domaine, adaptées aux principales phases de vol départ, croisière, arrivée. Ces fonctions feront appel au mode S.

Dans les régions à faible densité de trafic (océaniques ou désertiques), une des principales applications des liaisons de données, utilisant cette fois le satellite, sera certainement la surveillance dépendante automatique. Cette fonction qui consiste à transmettre périodiquement et de façon automatique au sol la position de l'avion déterminée à bord permettra de réduire les séparations entre avions et donc d'améliorer la capacité et la qualité de service dans des régions comme l'Atlantique Nord.

Coordination européenne

Comme on a eu l'occasion de le signaler à plusieurs reprises, les Etats européens ont décidé de coordonner étroitement leurs activités dans le domaine de l'amélioration des systèmes de gestion du trafic aérien. Tous les projets qui viennent d'être évoqués s'intègrent en particulier dans le cadre de programmes coordonnés au sein d'Eurocontrol.

Trois aspects sont essentiels :

- l'harmonisation et la coordination des plans de développement des systèmes ATC des différentes administrations, traduites à un horizon de 5 à 15 ans par le Plan commun à moyen terme (PCMT) d'Eurocontrol ;

- un programme de recherche harmonisée des Etats membres d'Eurocontrol (PHARE) qui vise à définir les éléments essentiels du système ATC de l'an 2000 qui fera un usage intensif des liaisons de données ;

- le concept du futur système de gestion du trafic aérien (concept ACG d'Eurocontrol qui sera étendu pour l'essentiel à l'ensemble de la région Europe de l'OACI dans le cadre des travaux du groupe FEATS) qui décrit les grandes lignes des évolutions envisageables jusqu'à l'horizon 2010/2015 au long desquelles s'inscrivent les activités qui viennent d'être mentionnées.

5. Conclusion

La forte croissance du trafic aérien observée depuis 1986 est le signe d'une banalisation progressive du transport aérien en Europe. On a coutume de considérer depuis longtemps que l'Américain moyen prend l'avion comme il prend l'autobus. Ceci s'applique peu à peu également de ce côté de l'Atlantique.

Les difficultés du trafic nécessitent une approche à la dimension de l'Europe, qui a été longuement évoquée au long de ces pages.

Cette dimension européenne implique l'existence d'enjeux politiques essentiels. Ils ne peuvent qu'être évoqués ici, mais il est clair que l'Europe de la navigation aérienne ne peut devenir réalité que sous l'impulsion d'une volonté politique commune manifestée par les Etats.

Les enjeux industriels sont également de première importance. L'amélioration de la gestion du trafic aérien impliquera le développement de systèmes très complexes en vue desquels les industriels européens devront se mobiliser très activement. Il est indispensable et urgent qu'ils le fassent dans un esprit de partenariat ouvert, afin de permettre la constitution d'un pôle industriel européen cohérent et durable, s'ils veulent pouvoir faire face efficacement à la concurrence américaine ou asiatique.

Les réalisations qui ont déjà été effectués en Europe, et notamment en France, montrent que les compétences indispensables existent et qu'elles devraient permettre de relever le défi auquel se trouve confrontée aujourd'hui la navigation aérienne.

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Notes:

1 . Chef du 3ème bureau, chargé des systèmes d'information, des études et des plans à la Direction de la navigation aérienne.

2 . Les vues sont présentées à la fin du texte.

 

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