Optimization of aircraft trajectories over the North Atlantic Airspace

L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles approches plus efficaces pour améliorer la situation du trafic aérien dans l'Atlantique Nord (NAT). NAT est considéré comme l'espace aérien océanique le plus utilisé dans le monde. Le contrôle du trafic aérien dans cet espace confronte plusieurs difficultés dues aux différences de fuseaux horaires, aux demandes des passagers et aux vents forts induits par les jet-streams. De plus, la prédiction et le contrôle des trajectoire de vol sont très limités à cause de l'abscence de couverture radar. Par conséquent, une structure de routes, appelée Organized Track System (OTS), est établie dans le NAT et des normes de séparation très rigide sont imposés. Tous ces facteurs obligent les vols à suivre des trajectoires non optimales, ce qui influence négativement la consommation de carburant et le coût total du vol. Dans le cadre des projet lancé pour moderniser le systéme de gestion du trafic aérien, de nouvelles technologie de communication, de navigation et de surveillance ont été développés, l'un des plus prometteurs étant l'ADS-B. L'utilisation de l'ADS-B permet d'exploiter de nouvelles et différentes méthodes d'organiser le trafic, alternative à l'OTS, ce qui constitue l'axe principal de notre travail. Tout d'abord, nous étudions la possibilité d'introduire le Free Flight Concept (FFC) dans le NAT. En effet, nous proposons une nouvelle approche pour organiser le trafic aérien NAT en se basant sur un comportement d'essaim. En effet, le trafic est considéré comme un système Multi-Agent où tous les vols coopèrent, grâce à l'ADSB, afin de construire leurs trajectoires, tout en détectant et en résolvant les conflits entre eux. Les trajectoires résultantes sont efficaces en terme de temps de croisière. Cependant, ils ne sont pas robustes contre les changements du vents. Ensuite, nous proposons une nouvelle structure de route qui bénéficie du jet stream. Cette structure de route est appelée Wind-Optimal Track Network (WOTN), et est construite en considérant les normes de séparation réduites. WOTN couvre un plus grand espace aérien que l'OTS, afin de gérer un trafic plus dense. En gros, WOTN est construit de telle sorte que des pistes parallèles proches sont mis-en place pour suivre le jet- stream et les transitions entre les pistes n'est autorisé que dans les sections d'entrée et de sortie de la structure. Les résultats révèlent l'importance de mettre en place une structure de route afin de garantir des trajectoires robustes face aux vents forts. Enfin, nous proposons une approche permettant aux aéronefs de sortir en toute sécurité de la structure de la route en cas d'urgence.The objective of the present thesis is to propose new more efficient trends to improve the air traffic situation over the North Atlantic (NAT) airspace. In fact, the NAT is considered to be the most congested oceanic airspace in the world. For many years, air traffic control in this airspace has experienced many difficulties caused by the time zone differences, passenger demands and strong winds induced by the jet streams. This leads to high congestion in the airspace especially at peak hours. Furthermore, flight trajectory prediction and control are very limited due to the lack of radar coverage in oceanic airspace. To support conflict-free flight progress, a structure of routes, called Organized Track System (OTS), is established in the NAT and very restrictive separation standards are applied. These rigid rules oblige flights to follow non-optimal trajectories, which negatively influences the fuel consumption and the total flight cost. In order to guarantee efficient traffic separation in the context of ever increasing trafic density, alternative means of communication, navigation and surveillance were developed and progressively be implemented, one of the most promising being the Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B). The widespread use of ADS-B makes it possible to organize traffic in new ways, as an alternative to the OTS, which is the main focus of the current work. First of all, we investigate the possibility of introducing the Free Flight Concept (FFC) in NAT. Indeed, we present an approach to construct and organize NAT traffic based on a swarm behavior. Here, the traffic is considered as a Multi-Agent system where all flights cooperate, thanks to ADS-B equipage, in order to construct their trajectories, while detecting and resolving conflicts between each other. The resulting trajectories are efficient in term of cruise time. However, they are not robust regarding changing winds. Next, we propose a new route structure for eastbound NAT traffic that benefit from the jet stream. This route structure is called Wind-Optimal Track Network (WOTN), and is constructed based on the reduced separation norms. WOTN covers larger airspace than the OTS, in order to handle the growing traffic. Roughly, WOTN is constructed in such a way that nearby parallel tracks are made to follow the jet streams and re-routing between tracks is only allowed in the input and output sections of the structure. Results reveal the importance of implementing a route structure in order to guaranty robust trajectories in the face of strong winds. Finally, we propose an approach to allow aircraft to safely exit the route structure in case of an emergency. The overall methodologies are implemented and tested with eastbound flight data over the NAT. We thereby produce conflict-free and robust trajectory planning for eastbound NAT flights, while benefiting from the reduced separation norms and the jet stream thus proving the efficiency of our approaches