Compte tenu de la forte croissance du trafic aérien aussi bien dans les pays émergents que dans les pays développés soutenue durant ces dernières décennies, la satisfaction des exigences relatives à la sécurité et à l’environnement nécessite le développement de nouveaux systèmes de guidage. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse d’une nouvelle génération de lois de guidage pour les avions de transport présentant de meilleures performances en terme de suivi de trajectoire. Il s’agit en particulier d’évaluer la faisabilité et les performances d’un système de guidage utilisant un référentiel spatial. Avant de présenter les principales approches utilisées pour le développement de lois de commande pour les systèmes de pilotage et de guidage automatiques et la génération de directives de guidage par le système de gestion du vol, la dynamique du vol d’un avion de transport est modélisée en prenant en compte d’une manière explicite les composantes du vent. Ensuite, l’intérêt de l’application de la commande adaptative dans le domaine de la conduite automatique du vol est discuté et une loi de commande adaptative pour le suivi de pente est proposée. Les principales techniques de commande non linéaires reconnues d’intérêt pour le suivi de trajectoire sont alors analysées. Finalement, une loi de commande référencée dans l’espace pour le guidage vertical d’un avion de transport est développée et est comparée avec l’approche temporelle classique. L’objectif est de réduire les erreurs de poursuite et mieux répondre aux contraintes de temps de passage en certains points de l’espace ainsi qu’à une possible contrainte de temps d’arrivée / Safety and environmental considerations in air transportation urge today for the development of new guidance systems with improved accuracy for spatial and temporal trajectory tracking.The main objectives of this thesis dissertation is to contribute to the synthesis of a new generation of nonlinear guidance control laws for transportation aircraft presenting enhanced trajectory tracking performances and to explore the feasibility and performances of a flight guidance system developed within a space-indexed reference with the aim of reducing tracking errors and ensuring the satisfaction of overfly time constraints as well as final arrival time constraint. Before presenting the main approaches for the design of control laws for autopilots and auto-guidance systems devoted to transport aircraft and the way current Flight Management Systems generates guidance directives, flight dynamics of transportation aircraft, including explicitly the wind components, are presented. Then, the interest for adaptive flight control is discussed and a self contained adaptive flight path tracking control for various flight conditions taking into account automatically the possible aerodynamic and thrust parametric changes is proposed. Then, the main recognized nonlinear control approaches suitable for trajectory tracking are analyzed. Finally an original vertical space-indexed guidance control law devoted to aircraft trajectory tracking is developed and compared with the classical time-indexed approach

Avec la forte augmentation actuelle et future du trafic aérien, les questions relatives à la capacité, la sécurité et les effets environnementaux du transport aérien vont se poser de façon chaque fois plus critique. L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'amélioration de l'opération et de l'organisation du trafic aérien dans cette perspective de croissance. Le premier objectif spécifique de cette thèse est de faire la synthèse d'une loi de commande permettant aux avions de transport de suivre avec précision une trajectoire 3D+T. Le deuxième objectif spécifique de cette thèse est d'introduire une organisation particulière des corridors aériens, les airstreams, compatible avec la loi de guidage développée et permettant d'utiliser au mieux la capacité du corridor. Ainsi dans une première étape est introduite la dynamique de guidage des avions de transport, ainsi que les systèmes de guidage et de gestion du vol des avions modernes. Ensuite les principaux éléments de l'organisation de la gestion et du contrôle du trafic aérien sont introduits. La loi de guidage 3D+T est développée, simulée et ses performances sont analysées. L'étude d'une manœuvré de changement de voie dans un airstream est alors menée et mise en œuvre dans le cadre de la gestion du trafic à l'intérieur de celui-ci. Finalement les conclusions et perspectives de cette étude sont présentées / With the increase in air traffic, surely a question of flight efficiency (delays), environment impact and safety arise. This calls for improvements in accuracy of spatial and temporal trajectory tracking. The first main objective of this thesis is to contribute to the synthesis of a space-indexed nonlinear guidance control law for transportation aircraft presenting enhanced tracking performances and to explore the performances and feasibility of a flight guidance control law which is developed based on a space-indexed reference to track a 3D+T reference trajectory using nonlinear dynamic inversion control. The proposed guidance control law present reduced tracking errors and able to meet more easily overfly time constraints. Before presenting the main approaches for the design of the 3D+T guidance control laws; the modern flight guidance and flight dynamics of transportation aircraft, including explicitly wind components are first introduced. Then, a description of the current and modern air traffic organization including the organization of air traffic in high density flow will be shown and this will lead to a description of the Airstreams concept. This proposed concept is to organize main traffic flows in congested airspace along airstreams which are characterized by a three dimensional (3D) common reference track (ASRT). Finally, a scenario to perform basic maneuvers inside the airstream following a 3D+T trajectory using a common space-indexed will be developed and will be used to illustrate the traffic management along an airstream.

Compte tenu de la forte croissance du trafic aérien aussi bien dans les pays émergents que dans les pays développés soutenue durant ces dernières décennies, la satisfaction des exigences relatives à la sécurité et à l'environnement nécessite le développement de nouveaux systèmes de guidage. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse d'une nouvelle génération de lois de guidage pour les avions de transport présentant de meilleures performances en terme de suivi de trajectoire. Il s'agit en particulier d'évaluer la faisabilité et les performances d'un système de guidage utilisant un référentiel spatial. Avant de présenter les principales approches utilisées pour le développement de lois de commande pour les systèmes de pilotage et de guidage automatiques et la génération de directives de guidage par le système de gestion du vol, la dynamique du vol d'un avion de transport est modélisée en prenant en compte d'une manière explicite les composantes du vent. Ensuite, l'intérêt de l'application de la commande adaptative dans le domaine de la conduite automatique du vol est discuté et une loi de commande adaptative pour le suivi de pente est proposée. Les principales techniques de commande non linéaires reconnues d'intérêt pour le suivi de trajectoire sont alors analysées. Finalement, une loi de commande référencée dans l'espace pour le guidage vertical d'un avion de transport est développée et est comparée avec l'approche temporelle classique. L'objectif est de réduire les erreurs de poursuite et mieux répondre aux contraintes de temps de passage en certains points de l'espace ainsi qu'à une possible contrainte de temps d'arrivée.