Livret technique «Méthodes et analyse du bruit et des survols aéronautiques»

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1 MINISTÈRE DE L ÉCOLOGIE, DU DÉVELOPPEMENT DURABLE, DES TRANSPORTS ET DU LOGEMENT Direction générale de l aviation civile Direction des services de la navigation aérienne Mission environnement Division analyse, méthodes et outils Livret technique Méthodes et analyse de l impact du bruit et des survols aéronautiques Document complémentaire de l enquête publique 50, rue Henry Farman Paris cedex 15 Tél :

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3 Sommaire 1 > Les survols aéronautiques Méthodes d analyse des survols aéronautiques... 9 Constitution d un flux de trajectoires... 9 Critères lors de la constitution d un flux de trajectoires Déformation des flux Calcul d une trajectoire moyenne Élaboration d une enveloppe de trajectoires Calcul de la densité de survols Outils de traitement Flux de trajectoires Enveloppe de trajectoires Densité de survols > Le bruit aéronautique Méthodes d analyse du bruit aéronautique Quantifier le bruit des aéronefs : mesurage et modélisation Les indicateurs de bruit Outils de traitement Préparation des trajectoires pour la modélisation acoustique sous Track-Express Modélisation acoustique Indice spécifique : NA > La visualisation des résultats Types de données géographiques Données Raster Données vectorielles > Le comptage de population Méthodes de comptage de population Types de données Principes de comptage Annexes Glossaire Table des illustrations Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 3

4 Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 4

5 Avant-propos Une étude d impact de la circulation aérienne a pour but de comparer, sur le plan environnemental, l évolution d une situation suite à la modification d une procédure de circulation aérienne. Cette comparaison porte notamment sur : - les conditions de survol, - les niveaux de bruit, - la densité des vols. L objectif de l étude est de fournir toutes les informations pertinentes permettant de comprendre, de mesurer et d apprécier les impacts induits par une modification de procédure sur l environnement de l aérodrome. La modification d une procédure publiée inclut aussi bien le dessin de son tracé tant dans le plan horizontal que vertical, qu un changement dans son mode d exploitation (répartition différente des flux sur des procédures existantes par exemple). L étude d impact de la circulation aérienne comporte notamment : - les courbes de bruit issues de la modélisation acoustique, - les zones survolées, - le comptage des populations survolées, et éventuellement : - des mesures de bruit. L objet de ce livret technique est de constituer un document rassemblant les modalités pratiques d application des dispositions règlementaires en matière d étude d impact de la circulation aérienne. Il constitue un document de référence annexé aux dossiers d EICA ou d enquête publique. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 5

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7 1 > Les survols aéronautiques Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 7

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9 Méthodes d analyse des survols aéronautiques Constitution d un flux de trajectoires Pour l étude d une procédure en exploitation ou en expérimentation, les données radar permettent de sélectionner et de constituer un flux de trajectoires réelles. Dans le cas de l étude d une procédure en projet, et par conséquent, pas encore en service opérationnel, le flux de trajectoires est obtenu à l aide de données radar simulées. Données réelles Il existe plusieurs types de données radar (primaire, secondaire, Mode S ). Le choix de la meilleure source radar disponible se fait en tenant compte d une part de la nécessité de disposer d une source suffisamment précise pour réaliser une trajectographie de bonne qualité, et d autre part de la nécessité de disposer d une source permettant d accéder aux informations type d avion et indicatif de vol. Les données issues d une fusion des données de plusieurs capteurs radar et enrichies d information de plan de vol sont donc privilégiées. Ces informations sont dites «multi-radars», et délivrées par les systèmes de poursuite STR (Système de Traitement radar) ou DACOTA / ARTAS. Le tableau ci-après indique pour chaque source radar la richesse du déport et la précision du positionnement. Tableau 1 : Différents types de données radar Source radar Richesse du déport Précision Radar primaire Radar secondaire monopulse Radar secondaire monopulse Mode S Système de poursuite STR Système de poursuite DACOTA / ARTAS Position sans altitude, aucune information de vol Position avec altitude mais absence d information plan de vol Idem que le radar secondaire monopulse. En plus : Aéronef identifié de manière unique par son adresse mode S (si équipé) Position, altitude et information plan de vol Position, altitude et information plan de vol Absence de l altitude ne permet pas toujours un positionnement précis Bonne précision de la trajectographie Idem que le radar secondaire Précision dégradée lorsqu un seul radar alimente le système STR, ce qui est le cas en général à basse altitude Bonne précision (système développé spécifiquement pour les approches) Pour certains aérodromes, les systèmes de poursuite DACOTA / ARTAS et STR ne sont pas disponibles ; sont alors utilisées les données du radar secondaire monopulse couplées à des informations aéronautiques complémentaires afin de permettre l identification du vol (information provenant du gestionnaire, de la tour de contrôle ). Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 9

10 Données simulées Les données simulées proviennent : - de simulateurs de trafic aérien, - de l application d une technique de déformation de flux réel développée par la mission Environnement. Simulateurs de trafic aérien Parmi les principaux simulateurs utilisés à la DGAC: - Le simulateur arithmétique OPAS, développé par la DTI, est un simulateur qui ne fait intervenir ni contrôleurs, ni pilotes. Il permet notamment de simuler l accroissement de trafic autour d un aérodrome. Pour être le plus réaliste possible, l utilisateur doit connaître précisément les règles de contrôle aérien pratiquées dans les espaces de contrôle situés autour de l aéroport et les paramétrer dans le logiciel. - Les simulateurs d entraînement ELECTRA et SCANSIM sont destinés à la formation initiale et continue des contrôleurs aériens, ainsi qu aux expérimentations pour valider par exemple sur le plan opérationnel la mise en service d une nouvelle procédure de circulation aérienne. ELECTRA est le système national de simulation de trafic aérien, destiné particulièrement pour la formation des contrôleurs aériens pour l en-route. SCANSIM constitue une famille de simulateurs d entraînement qui se déclinent selon leur type d application : SCANrad pour le contrôle d approche et SCANtower pour le contrôle d aérodrome. Lors de la mise en place d exercices de formation pour l approche ou l en-route, les contrôleurs visualisent sur des écrans les positions simulées des aéronefs et donnent, par la voix, des instructions de contrôle à des pilotes participant à l expérimentation. Les données simulées extraites des simulateurs comportent les mêmes informations que celles figurant dans les données radar (réelles) : position, altitude, vitesse, type d aéronef, indicatif, etc. et sont utilisées de la même manière dans les logiciels dédiés au traitement des trajectoires radar. Avertissement : - les scenarii peuvent conduire à des trajectoires non réalistes. Ils visent souvent à valider la mise en place opérationnelle de la circulation aérienne d un point de vue de la sécurité et/ou de la capacité ; ce qui implique des adaptations pour l analyse environnementale, - les créneaux de simulation sont souvent limités à une heure utile, réduisant ainsi le nombre de vols simulés, - la focalisation sur une situation particulière de contrôle conduit à la non représentativité de la situation usuelle, - le paramétrage de la simulation n est pas toujours réaliste dans certaines zones de contrôle (altitude de passage au dessus de certains points non respectée, procédures non simulées dans le scénario global, etc.) On peut également noter que des simulateurs de vol du commerce (comme XPLANE) permettent d obtenir rapidement une ou plusieurs trajectoires réalistes du point de vue bord. Un des principaux intérêts des données de simulation est de pouvoir calculer une trajectoire moyenne de la nouvelle procédure à l étude. Cette trajectoire de référence peut être utilisée par la suite, comme donnée d entrée lors du calcul de la déformation d un flux de trajectoires réelles. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 10

11 Déformation des flux La déformation des flux consiste, à partir d un flux de trajectoires radar réelles d une procédure aéronautique existante, à obtenir un nouveau flux sensé correspondre au suivi de la procédure étudiée avec une dispersion représentative. Le principe de déformation est décrit en page 15. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 11

12 Critères lors de la constitution d un flux de trajectoires Lors de la constitution d un flux de trajectoires, plusieurs questions se posent: 1. Comment isoler un flux correspondant à la procédure étudiée? Un flux de trajectoires correspondant à une procédure est identifié généralement en opérant une sélection des trajectoires passant à proximité d un ou plusieurs points de repère de navigation aéronautique (cf. Figure 1 et Figure 2). Il regroupe les trajectoires avions qui ont un même type de guidage (suivi de moyen sol, guidage radar, PRNAV, approche à vue, etc.) et de ce fait présentent une cohérence dans leur évolution spatiale dans la tranche d altitude étudiée (cf. Figure 3 et Figure 4). Figure 1 : Arrivées QFU 06 à Orly Figure 2 : Distinction en deux flux des arrivées 06, par ODRAN (à gauche) et par MOLEK (à droite). Les trajectoires moyennes en vert sont également visualisées. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 12

13 Figure 3 : Arrivées QFU 05 sur Bordeaux-Mérignac Figure 4 : Distinction des arrivées 05 en deux flux (VOR-DME à gauche et approches à vue à droite). 2. Quels sont les types de filtre à appliquer sur ce flux isolé en 1)? Le type avion pour ne retenir par exemple que les appareils turboréacteurs. Ou l apparition durant la journée afin d isoler une période d étude donnée (nuit, cœur de nuit ) 3. Quel est le nombre minimal de trajectoires par procédure à considérer afin de garantir une bonne représentation statistique de la dispersion de trajectoire? Le nombre minimal de trajectoires dépend du type de résultat recherché : - Dans le cas d une enveloppe (cf. page 22), le nombre minimal de trajectoires est un paramètre déterminant. Si ce dernier est faible, l influence des trajectoires sélectionnées est très importante et conduit à des effets de bord affectant la représentativité de l enveloppe. C est la raison pour laquelle un nombre minimal de 1000 trajectoires est recommandé. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 13

14 - Lorsque la densité (cf. page 26) est étudiée, le nombre minimal de trajectoires est alors un facteur moins sensible. La sélection des trajectoires est effectuée selon deux possibilités : soit l année de trafic entière est prise en compte : il n y a pas nécessité d étudier préalablement le taux d utilisation des QFU, soit une étude préalable des journées par configuration d utilisation des pistes a été effectuée permettant ainsi d isoler un nombre de journées dans le QFU correspondant à l utilisation de la procédure. - S agissant des empreintes sonores (cf. page 46), le nombre de trajectoires correspond au trafic d une journée. À noter que certaines études ne permettent pas de respecter ces prescriptions. C est le cas par exemple, lorsque des données de simulation de contrôle aérien recueillies lors de l expérimentation d une nouvelle procédure imposent le nombre de trajectoires réelles à prendre en considération sur la procédure avant modification. Problématique du flux moyen de trafic journalier Cette problématique se pose lors de l évaluation d un des critères de l enquête publique, c'est-à-dire savoir si le nombre de survols de turboréacteurs moyen par jour et par procédure dépasse 30. Les changements de configuration de piste pouvant intervenir à n importe quel moment de la journée, le flux moyen journalier d utilisation d une procédure donnée ne peut être calculé sur la seule connaissance des jours d utilisation de cette procédure. A l extrême, si la procédure en question est utilisée par 35 vols une seule fois dans l année, le flux correspond au critère alors que ce n est pas l esprit. Afin de prendre en compte l ensemble des périodes pendant lesquelles la procédure est utilisée, le flux moyen journalier d utilisation d une procédure est donc calculé à partir de la totalité du trafic annuel observé sur cette procédure. Flux moyen journalier = Nombre de vols d avions munis de turboréacteurs ayant suivi la procédure sur l année 365 Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 14

15 Déformation des flux Le processus de mise en œuvre de la déformation est le suivant : 1. le calcul d une trajectoire de référence du flux initial, avant modification, 2. la détermination d une trajectoire de référence de la procédure en projet (soit à l aide des résultats de simulation soit par construction manuelle), 3. la déformation du flux radar pour tenir compte des caractéristiques de la procédure en projet. Plus précisément, l opération de déformation de flux se décline en quatre étapes : Étape 1 : Définition des points de calage le long des deux trajectoires de référence Il est défini le long de la trajectoire de référence du flux initial des «points de calage» (cf. Figure 5) qui ont une signification d un point de vue de la géométrie du flux et/ou de la circulation aérienne, comme par exemple : - seuils de piste, - passage au dessus d une balise, - début de descente/palier, - début/milieu/fin de virage. Trajectoire de référence du flux initial Définition des points de calage sur les plots existants Figure 5 : Définition des points de calage sur la trajectoire de référence Un même nombre de points de calage sur la trajectoire de référence de la procédure en projet est retenu et leur sélection suit la même analyse aéronautique (seuil de piste, début de virage, etc.) que précédemment. Ils sont visualisés sur les deux trajectoires de référence (initial en bleu, et projet en vert) en Figure 6 et Figure 7. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 15

16 Étape 2 : Redéfinition des plots situés entre les points de calage sur la trajectoire de référence Une fois les points de calage déterminés, les nouveaux plots caractérisant la trajectoire de référence de la procédure en projet sont interpolés de telle manière qu il existe, entre deux couples de point de calage corrélés au sens aéronautique, le même nombre de plots sur les deux trajectoires de référence. Points de calage associés aux deux trajectoires Même nombre de plots entre les points de calage Figure 6 : Correspondance aéronautique entre les plots de calage sur les deux trajectoires de référence Étape 3 : Calcul de la table des vecteurs de translation En associant, deux à deux, les plots des deux trajectoires dans l ordre, il est constitué une table de vecteurs de translation. Ces vecteurs, visualisés en rouge sur le schéma ci-dessous, traduisent la déformation de la trajectoire de référence du flux initial vers la trajectoire de référence de la procédure en projet en chacun des plots. Figure 7 : Vecteurs de translation Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 16

17 Étape 4 : Déformation du flux initial Sur chaque trajectoire réelle du flux initial à déformer, il est effectué : 1. une recherche automatique des points de calage propre à cette trajectoire : en sélectionnant les plots radar de la trajectoire réelle les plus proches des points de calage positionnés sur la trajectoire de référence du flux initial, 2. un nouveau calcul des plots intermédiaires entre chaque point de calage identifié précédemment. Ce redécoupage est réalisé de manière à conserver un même nombre de plots entre les points de calage de la trajectoire de référence et les points de calage correspondant sur la trajectoire réelle, 3. la déformation : il est appliqué en chaque plot i de cette trajectoire réelle une translation du vecteur i de la table des vecteurs de translation. On obtient ainsi une nouvelle trajectoire déformée qui tient compte de la déformation de la trajectoire de référence avant et après modification. Recommandation : La qualité du flux déformé dépend en grande partie du choix des points de calage ; pour cette raison, ces derniers doivent être sauvegardés. Les critères considérés dans le choix des points de calage sont les suivants : - un minimum de points de calage, - l identification des points communs aux deux trajectoires de référence (i.e. procédures avant et après modification). Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 17

18 Sélection du flux de trajectoires radar à destination de FISTO Calcul de la trajectoire de référence du flux radar 1 2 Calcul du flux déformé Positionnement des points de calage sur les trajectoires de référence des deux flux (avant et après déformation) 4 3 Suite à une évaluation opérationnelle effectuée dans le cadre de cette étude de modification de procédure, le flux réel de départ PRNAV «nouvelle procédure» FISTO a été enregistré. Ce flux a pu ainsi être comparé au flux issu de la déformation des trajectoires de départ FISTO conventionnel (avant modification). - Le flux radar de départ FISTO conventionnel est visualisé en 1) - La trajectoire de référence du flux de départ FISTO conventionnel est visualisée en 2) - La trajectoire de référence du flux de départ FISTO PRNAV est également visualisée en 3) ainsi que les points de calage positionnés sur ces deux trajectoires de référence. - Le flux radar déformé est visualisé en vert en 4) Figure 8 : Exemple d une déformation d un flux de départ vers le nord de Toulouse-Blagnac (procédure FISTO) Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 18

19 5 6 - En 5), le flux PRNAV réel est comparé au flux obtenu par déformation (en vert). Le flux déformé (en vert) est un peu plus large car il s agit d une procédure basée sur le moyen de radionavigation VOR moins précis que la PRNAV réelle. - En 6), les enveloppes constituées par 95% des trajectoires (cf. page 22) sont calculées et visualisées. Elles sont très proches. Cet exemple montre la pertinence du modèle de déformation des flux. Figure 9 : Comparaison de l enveloppe de flux déformé et l enveloppe de flux observé en opération Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 19

20 Calcul d une trajectoire moyenne La trajectoire moyenne d un flux radar est calculée selon une méthode dite des barycentres. Elle consiste à procéder de la manière suivante: 1. Chacune des trajectoires est échantillonnée suivant la distance développée au sol par rapport au seuil de piste (lâcher des freins pour un départ et toucher des roues pour une arrivée). Le pas d échantillonnage est défini par l opérateur (conseillé de 0,1 NM 1 ) ; de nouveaux plots sont ainsi créés, différents des plots radar originaux (cf. Figure 10), Figure 10 : Exemple d échantillonnage des trajectoires (pour des raisons de lisibilité, les plots avec un pas de 0,5 NM sont visualisés) 2. Ces nouveaux plots sont regroupés suivant leur rang (le rang i regroupe l ensemble des nouveaux plots de pas i ). 3. Un point barycentre (moyenne de toutes les coordonnées) est calculé pour chacun des ensembles de plots. 4. La trajectoire moyenne est formée par l ensemble des points barycentres (cf. Figure 11). 5. La trajectoire moyenne est généralement calculée jusqu au niveau de vol 65 (altitude du dernier plot barycentre de la trajectoire moyenne). 6. Un profil en altitude moyenne est construit à partir de l évolution de l altitude moyenne calculée en chacun des points barycentres (cf. Figure 12). 1 Le pas de 0,1 NM est de l ordre de grandeur de distance entre deux plots radar consécutifs lors d une phase d approche. Il permet d obtenir les meilleurs résultats lors des calculs d enveloppe, de densité de survols, etc. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 20

21 Figure 11 : Calcul de la trajectoire moyenne (points barycentres). Pour des raisons de lisibilité, les plots avec un pas de 0,5 NM sont visualisés. Figure 12 : Visualisation du profil moyen en altitude Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 21

22 Élaboration d une enveloppe de trajectoires C est à partir de la trajectoire moyenne, dont la méthode de calcul a été décrite dans le paragraphe précédent, qu est calculée l enveloppe à 95 % du flux de trajectoires, selon les prescriptions suivantes : 1. toutes les trajectoires sont conservées sans limitation de niveau, 2. la trajectoire moyenne est construite jusqu au FL 65, 3. à chaque plan de coupe (cf. Figure 13), construit tous les 0,1 NM perpendiculairement à la trajectoire moyenne, les 5 % des plots radars les plus extrêmes en latéral sont éliminés, 4. l'enveloppe est constituée par la rejointe des points extrêmes des plans de coupe. Cette méthode a été présentée à l ACNUSA qui la considère comme la plus représentative et la plus robuste. Recommandation : - La constitution d'enveloppes nécessite un nombre conséquent de trajectoires. Un nombre de trajectoires supérieur à 1000 est conseillé afin d'atténuer les effets des trajectoires marginales qui diffèrent d'une journée à l'autre. - Dans le cas d'une nouvelle procédure, une première analyse conduit à calculer l enveloppe du flux simulé, lorsqu il est disponible, constitué d'un faible nombre de trajectoires. Cette analyse permet de valider le calcul d une seconde enveloppe réalisée à partir d un flux de trajectoires réelles déformées. Le nombre de trajectoires exploitées se trouve alors augmenté et garantit la représentativité de l enveloppe calculée. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 22

23 Trajectoire moyenne Construction des plans de coupe Vue d un plan de coupe 100% des trajectoires radar Trajectoire moyenne Analyse de la dispersion de trajectoires Figure 13 : Principe de détermination d une enveloppe de trajectoires Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 23

24 Figure 14 : Exemple d enveloppe de trajectoires de départ de Toulouse-Blagnac Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 24

25 Figure 15 : Exemple d enveloppes de trajectoires d arrivées sur Paris - Charles-De-Gaulle Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 25

26 Calcul de la densité de survols La densité de survols traduit le nombre moyen de survols par jour dans une zone donnée dans une tranche d altitude donnée, partant du sol généralement. Calculé sur de longues périodes à partir de l enregistrement des trajectoires radar - typiquement une année - cet indicateur permet de disposer d une information objective, vérifiable et directement compréhensible par le public. Le grand nombre de vols permet de s'affranchir des disparités de survols observables d'une journée à l'autre. Conformément aux orientations fixées par l ACNUSA, la densité de survols obtenue en un site est égale au nombre moyen de survols observés par un riverain dans un rayon de 500 mètres. La densité de survols est calculée sur un territoire donné avec un pas maximal de 250 mètres. Recommandation : - Le seuil retenu pour une enquête publique est de 30 par jour, ce qui correspond au critère de l enquête publique, - Pour des études particulières sur des flux existants pour lesquels de nombreuses données sont disponibles, un seuil minimal de 7 survols par jour est adopté. Le choix des courbes de densité peut varier d'un aéroport à un autre mais il est déconseillé de descendre sous ce seuil. Pour les aéroports importants comme Roissy Charles De Gaulle ou Orly, un nombre minimal de 15 vols est considéré, - Le calcul sur une année de trafic est idéal pour le bilan d une situation existante (sans procédure isolée en particulier). Dans le cas de l étude d une procédure (i.e. un QFU privilégié), l équivalent d une semaine de trafic dans le QFU sélectionné suffit. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 26

27 15 vols/jour 30 vols/jour 60 vols/jour Figure 16 : Exemple de densité de survols sur Paris-Orly Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 27

28 Figure 17 : exemple de densité de survols sur Lyon Saint Exupéry Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 28

29 Outils de traitement Flux de trajectoires Le logiciel Elvira développé par la DTI et le logiciel Track-Express développé par la mission Environnement sont principalement utilisés pour le traitement des flux de trajectoires. Elvira Figure 18 : Traitement des flux de trajectoires sous Elvira Elvira permet de sélectionner les flux de trajectoires objet de l étude par utilisation de différents filtres (spatial, temporel, QFU, type avion, destination/provenance, etc.) Il permet également de constituer un fichier d export des trajectoires sélectionnées dans un format texte tabulé avec les coordonnées Lat/Long WGS 84 (.geo). Ce ficher est ensuite utilisé, par exemple, par les outils de calcul d enveloppe (Track-Express), de densité (OCDS) ou de visualisation sur fond de carte (SIG). Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 29

30 Track-Express Track-Express permet d effectuer différentes opérations sur les trajectoires importées depuis un fichier geo créé sous Elvira. Figure 19 : Traitement des trajectoires sous Track-Express La visualisation en 2D et en profil, associée à différentes options de tri (sélection de trajectoires en fonction des types de paliers existants, cf. Figure 20) permet d affiner le flux de trajectoires préalablement sélectionné sous Elvira. Figure 20 : Analyse de paliers sur des trajectoires d arrivée sous Track-Express Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 30

31 Exemple de traitement : déformation des flux 1. Import du flux de trajectoires réelles dans Track-Express et calcul de la trajectoire moyenne du flux (trajectoire de référence). 2. Élaboration (ou import) de la trajectoire de référence de la future procédure. Puis déformation du flux autour de cette trajectoire de référence (en vert) selon les points de calage sélectionnés sur chacune des trajectoires de référence. 3. Visualisation de la trajectoire de référence et du flux déformé. Figure 21 : Étapes de calcul de déformation de flux sur Track-Express Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 31

32 Enveloppe de trajectoires Le calcul des enveloppes s'opère dans le logiciel Track-Express développé pour la mission Environnement. La première étape consiste à importer un fichier de trajectoires. Dans l exemple présenté ci-dessous, 28 jours de trafic sur la procédure MERUE, soit 1898 vols, sont exploités. Le logiciel TrackExpress calcule ensuite la trajectoire moyenne de ce flux arrêtée au FL65. Figure 22 : Détermination de la trajectoire moyenne d un flux de trajectoires pour le calcul d enveloppe sous Track-Express Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 32

33 Le calcul de l'enveloppe nécessite les paramètres suivants (cf. Figure 23): 1. la trajectoire moyenne du flux étudié qui sert de support aux plans de coupe, 2. le pas entre chaque plan de coupe de 0,1 NM, 3. le pourcentage de 95% de trajectoires conservées en latéral sur chaque plan de coupe, 4. les paramètres de distance max, d'angle et de trajectoires verticales sont utilisés uniquement dans des cas particuliers pour éliminer des trajectoires aberrantes (par exemple une trajectoire qui croiserait plusieurs fois le plan de coupe ) 5. l option Polygones décompose l enveloppe par plan de coupe facilitant l analyse de l enveloppe obtenue. Figure 23 : Paramétrage du calcul d enveloppe sous Track-Express Track-Express réunit les points calculés sur chaque plan de coupe pour constituer une enveloppe contenant 95% des trajectoires. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 33

34 Figure 24 : Résultat d un calcul d enveloppe sous Track-Express Avertissement: - Une procédure comportant un virage serré peut conduire à des aberrations de résultats notamment à l intérieur du virage. Une correction manuelle s avère dans ce cas nécessaire et l enveloppe corrigée est soumise pour validation à l ACNUSA (avis du 8 juillet 2010). Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 34

35 Densité de survols Les paramètres de l'application OCDS (Outil de Calcul de Densité de Survol) sont les suivants: Principe de calcul de densité de survols développé dans OCDS : 1. Constitution d un maillage de points autour de l aéroport et construction de cercle de 1000 mètres de diamètre autour de chacun des points. 2. Comptage du nombre de vols dans la tranche d altitude choisie. 3. L'opération 2 est répétée en décalant les grilles de calcul afin de lisser les courbes de densité. Ce redécoupage permet d obtenir en lissage le plus élevé, un pas maximum de 250 m entre les centres de cercle de comptage de 1 km de diamètre. 4. Élaboration des contours pour les points présentant le même nombre de survols. Figure 25 : Principe de calcul de la densité de survols par OCDS Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 35

36 Paramétrage de OCDS: - Centre de la grille en coordonnées WGS84 : point de référence de l'aéroport étudié, - Taille de la grille en Km, - Pas de la grille (précision): diamètre des cercles en m (par défaut 1 km), - Filtrage horaire, - Filtrage en altitude : par défaut 0 ft 6500 ft, - Moyen : valeur de chaque point divisée par le nombre de jours utilisés, - Cumul : valeur de chaque point de la grille, - Choix du lissage : un lissage élevé augmente le nombre de points de la grille en conservant le diamètre de 1 km des cercles de comptage (lissage 5 recommandé). Figure 26 : Paramétrage d un calcul de densité de survols sous OCDS Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 36

37 Effet du lissage : - Le lissage 1 permet d'avoir un aperçu rapide de la densité autour d'un aéroport. - Le lissage 5 est utilisé pour le calcul des courbes définitives. Il aboutit à un quadrillage d un pas de 250 m. Lissage 1 Lissage 2 Lissage 3 Lissage 4 Lissage 5 Figure 27 : Effet du lissage dans le calcul de densité de survols Avertissement : - Les courbes de densité peuvent présenter des discontinuités liées essentiellement à la dispersion des flux ou au croisement de deux flux (cf. Figure 28). Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 37

38 Décollages face à l ouest Atterrissages face à l est Décollages face à l est Atterrissages face à l ouest Discontinuité de la zone de densité de survols liée à la séparation des flux. Dans ces zones, on observe une dispersion progressive des trajectoires à l arrivée. Le nombre de survols passe ainsi en dessous du seuil de 15 vols par jour en moyenne. Discontinuité de la zone de densité de survols liée au croisement de deux flux. Les arrivées en provenance du sud-est s ajoutent ici à celles en provenance du sud-ouest. Le nombre de survols observés dans cette zone dépasse ainsi la valeur de 15 vols par jour en moyenne. Figure 28 : Trajectoires de deux journées de trafic et densité de survols (de plus de 15 survols/jour) sous 3000 mètres d altitude sur Paris-Orly Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 38

39 2 > Le bruit aéronautique Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 39

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41 Méthodes d analyse du bruit aéronautique Quantifier le bruit des aéronefs : mesurage et modélisation La quantification du bruit émis par les aéronefs autour des aéroports est obtenue soit en effectuant une campagne de mesurage sonore soit à l aide d un logiciel de modélisation acoustique. Ces deux approches sont complémentaires. Dans le cadre de la phase d étude d impact d une modification de circulation aérienne et avant sa validation et sa mise en place opérationnelle, c est la modélisation acoustique qui est utilisée pour apprécier les changements d impact sonore. Les mesurages sonores avant et après modification sont parfois effectués afin d évaluer a posteriori l impact de cette modification in situ. Mesurage sonore Le mesurage du bruit d aéronef est effectué en disposant des capteurs de bruit sur une période limitée ou en continu (systèmes de monitorage sonore aéroportuaire). Les données acoustiques relevées sont corrélées aux données radar pour identifier précisément l origine du bruit. Le bruit des avions mais aussi le bruit résiduel (en l absence d avion) est mesuré et permet ainsi de caractériser les émergences (cf. Figure 29). La procédure de mesurage et d évaluation du bruit sur une durée limitée, comme peut l effectuer le laboratoire de la Mission Environnement, suit une méthode normalisée (AFNOR NFS-31190). Figure 29 : Exemple de mesure de bruit sur une période d'une heure : 27 survols supérieurs à 65 db(a) totalisant environ 26 minutes, 4 survols inférieurs à 65 db(a) totalisant environ 3 minutes. Références Norme AFNOR NFS caractérisation des bruits d aéronefs perçus dans l'environnement - mars Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 41

42 Modélisation du Bruit Principe de modélisation Le principe de modélisation du bruit d aéronef utilisé par la mission environnement répond aux exigences réglementaires en la matière décrites dans un document doc. 29 de la CEAC. Un modèle de bruit calcule, à partir de données entrantes définissant l aéroport et le trafic aérien, des niveaux de bruit en des points d une grille de calcul. Cette grille est ensuite utilisée par un postprocesseur afin de générer des courbes iso-phones. Figure 30 : Système de modélisation du bruit d avion (CEAC doc 29, vol. 1) Le modèle de bruit est constitué d un moteur de calcul de bruit et de deux bases de données : une base de données aéronefs qui comportent des données acoustiques et une base de données de performances aéronautiques propres à chaque avion. Le modèle de bruit utilisé par la DGAC depuis 2002 est le modèle INM (Integrated Noise Model) développé par l administration américaine de l aviation civile (Federal Aviation Administration). INM est avant tout utilisé réglementairement pour établir les PEB, PGS et les cartes stratégiques de bruit (CSB). Il est également utilisé dans le cadre d une modification d une procédure de circulation aérienne en zone terminale des aéroports pour comparer les situations actuelle et future. Référence : Rapport sur la méthode normalisée de calcul des courbes de niveau de bruit autour des aéroports civils (document 29), Conférence Européenne de l Aviation Civile, 3 ème édition, décembre 2005 Guide pour l élaboration des cartes de bruit aérien, 2 ème édition, septembre 2007 Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 42

43 Modèle de bruit INM Figure 31 : le bruit est calculé en chacun des points de maillage au sol de part et d autre de la trajectoire. Depuis sa version 7.0a, INM répond aux prescriptions de l Union Européenne et de sa transposition française en matière de modélisation de bruit d aéronefs autour d une plateforme aéroportuaire (doc. 29 de la CEAC). Bases de données aéronefs : Les bases de données INM (acoustique et performances) sont compatibles avec la base de données européenne ANP (Aircraft Noise and Performance Database, recommandée dans les textes français de transposition de la directive européenne sur l évaluation et la gestion du bruit dans l environnement (art. 2 arrêté du 04/04/06). Elle comporte des données validées par les avionneurs : - acoustiques : des courbes d atténuation du bruit en fonction de la distance de propagation et du régime moteur (Noise Power Distance) pour chaque configuration de vol (atterrissage et décollage) et dans différentes métriques acoustiques (L Amax, SEL, EPNL ) ; des classes spectrales qui permettent de modifier les NPD en fonction des paramètres météorologiques. - performances : des coefficients aérodynamiques et de propulsion/traction des moteurs qui permettent de calculer les profils de vol (altitude, vitesse et poussée moteur) utilisés par le moteur de calcul. Moteur de calcul : INM est un modèle dit intégré ou par segmentation : il cumule les contributions des segments discrets de la trajectoire de vol. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 43

44 Les principaux effets acoustiques sont pris en compte : - l atténuation en fonction de la distance (géométrique et atmosphérique), - l atténuation latérale (interférence entre l onde directe et l onde réfléchie par le sol), - l installation des moteurs (directivité latérale) D autres effets comme la directivité en virage ou la prise en compte d obstacle par le relief peuvent être modélisés. En savoir plus : INM 7.0 Technical Manual, janvier 2008 Référence : Directive n 2002/49/CE du 25/06/02 relative à l évaluation et à la gestion du bruit dans l environnement Arrêté du 04/04/06, art. 2 Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 44

45 Les indicateurs de bruit Il existe de multiples échelles de bruit et indicateurs associés utilisés selon le type de source sonore observé. Pour le bruit aéronautique des avions en exploitation, c est l échelle de bruit db(a), la plus commune en environnement, qui est employée par la DGAC. Cette échelle traduit la sensibilité de l oreille humaine aux diverses fréquences sonores du domaine audible. Conformément aux recommandations de l ACNUSA, les indicateurs principaux utilisés dans les études et campagnes de mesure de bruit menées par la DSNA sont : pour caractériser l impact d un survol : - L Amax, pour caractériser l impact d un trafic aéronautique : - NA - L Aeq T, - L den. L ensemble de ces trois indicateurs n est pas systématiquement utilisé dans chaque étude environnementale. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 45

46 Livret technique «Méthodes et analyse du bruit et des survols aéronautiques» LAmax Le LAmax est le niveau de bruit maximal pondéré A atteint durant la durée d un survol d avion (cf. Figure 32). Cet indicateur est couramment utilisé dans la vie courante et bien compris par les riverains des aéroports. La comparaison de deux empreintes sonores LAmax 65 db(a) de flux d arrivées (classiques et PRNAV) sur l aéroport de Charles-De-Gaulle est visualisée en Figure 33. Ces deux flux ne sont constitués que de quelques survols. Figure 32 : Indicateur LAmax Chacun des contours indique, pour un flux donné, l ensemble des lieux où le niveau de bruit aéronautique instantané maximum pondéré A (LAmax ) a atteint au moins 65 db(a). Flux 1 : arrivées classiques : Empreinte sonore 65 db(a) LAmax Flux 2 : arrivées PRNAV : Empreinte sonore 65 db(a) LAmax Figure 33 : Empreintes sonores LAmax 65 db(a) d arrivées sur Paris - Charles-De-Gaulle Recommandation : - Une valeur de LAmax 65 db(a), correspondant à un niveau couvrant une conversation, est généralement utilisée, - La précision du modèle conduit à ne pas effectuer de calcul en dessous d une valeur de LAmax égale à 60 db(a). Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 46

47 NA Le NA (Number of events Above) comptabilise en un site et une période donnés (cf. Figure 34), le nombre d événements sonores avion ayant dépassé un seuil de bruit, exprimé en L Amax. Il permet d associer la fréquence des évènements sonores sur une période donnée et le niveau instantané maximum pondéré A (L Amax ) propre à chacun. Contrairement à d autres sources, comme le bruit routier ou le bruit industriel, le bruit d avion se distingue par la présence d une succession de courtes périodes bruyantes émergentes et par là même génératrices de gêne. Figure 34 : Indicateur NA65 Cet indicateur de type événementiel apporte un point de vue complémentaire d une approche plus classique basée sur la sommation énergétique de bruit, pondéré (L den ) ou pas (L Aeq T ) 25 événements 20 évènements 50 événements 40 évènements 100 événements 80 évènements 150 événements 160 évènements Recommandation : Figure 35 : Exemple d empreintes NA65 sur Paris - Charles-De-Gaulle - L ACNUSA recommande d utiliser le NA avec une valeur seuil de 65 db(a) / 100 événements (NA65:100) ou une valeur de 62 db(a) / 200 événements (NA62:200), - La mission Environnement utilise dans la plupart de ses études le NA65 avec des multiples inférieurs (50, 25 ou supérieur comme 150). La valeur minimale sur des situations existantes est de 20 événements. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 47

48 L Aeq T Le L Aeq T est le niveau sonore aéronautique moyen pondéré A calculé sur une durée T (cf. Figure 36). Ce descripteur est rarement utilisé pour décrire l impact d un seul survol d un aéronef. Par contre, il l est pour décrire l impact d un trafic aéronautique. L Aeq La durée T est alors égale à la journée (24 heures) ou, selon le type d étude, à une période particulière (de nuit par exemple, cf. Figure 37) t(s) Figure 36 : Indicateur L Aeq T Contrairement au cas du L den (cf. page 49), aucune pondération en fonction de la période horaire n est appliquée. L Aeq nuit 45 db(a) L Aeq nuit 50 db(a) Figure 37 : Empreintes sonores L Aeq nuit (22h00-06h00) en ne considérant que l impact du trafic nocturne Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 48

49 L den Le L den (Level Day Evening Night) est l indice utilisé pour cartographier les nuisances sonores dans le cadre de l élaboration du plan d exposition au bruit (maîtrise de l urbanisme) et des plans de gêne sonore (aide à l'insonorisation des logements). Préconisé au niveau européen pour tous les moyens de transport, il est construit sur une journée type, à partir de l impact sonore de chaque passage d'avion, pondéré afin de tenir compte de la gêne accrue la nuit (de 22h à 6h) et aussi en soirée (de 18h à 22h). Pondération du L den La pondération énergétique du L den variable suivant l apparition du survol au cours de la journée, implique une équivalence d impact sonore, pour un même aéronef: - 1 vol de nuit est équivalent à 10 vols de jour - 1 vol de soirée est équivalent à un peu plus de 3 vols de jour. La formulation du L den est la suivante : L den = 10 * log [ (1/24) * [ (12 * 10 Ljour/10 + 4* 10 (Lsoirée + 5)/10 + 8* 10 (Lnuit + 10)/10 ) ] ] Avec L jour, L soirée et L nuit étant les niveaux L Aeq aéronautique calculés sur chacune des trois périodes considérées. Un exemple d empreinte sonore L den 50 db(a) est visualisé en Figure 38 (page 50). Dans ce cas, il apparaît clairement que cet indicateur n est pas le plus adapté pour décrire des modifications d impact sonore attendues après changement de la procédure de départ. La courbe sonore de la procédure avant modification n atteint pas la zone d intérêt matérialisée par le cercle rouge. D autres indicateurs acoustiques ont été privilégiés dans ce cas (NA, L Amax ) Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 49

50 Avant modification Après Projet modification à l étude Forte densité de population Figure 38 : Enveloppe L den 50 db(a) calculée pour des départs de Marseille Provence Référence : Directive n 2002/49/CE du 25/06/02 relative à l évaluation et à la gestion du bruit dans l environnement Recommandation : - La valeur basse de L den utilisée dans les PEB/PGS est prise comme valeur planchée (55 db(a) pour la plupart voire 50 db(a) dans certains cas) Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 50

51 Outils de traitement Préparation des trajectoires pour la modélisation acoustique sous Track- Express Avant d effectuer une modélisation sonore, le premier travail consiste à définir dans le modèle INM les trajectoires (description 3D) et le trafic aéronautique. Les flux de trajectoires réelles, simulées provenant des simulateurs (SCANRAD, Simulateur Eurocontrol, OPAS, etc.) ainsi que les flux déformés sont traités par Track-Express de la même manière. Les données après sélection sur Track-Express, sont exportées au format du logiciel de modélisation INM. Cet export est réalisé selon trois options : 1. l information altitude réelle n est pas prise en compte dans la modélisation : INM exploite à la place des profils verticaux standard (cf. Figure 40). Un fichier de transcription type avion radar/ type avion / profil vertical INM (mis à jour par le STAC) est alors utilisé. 2. l information altitude réelle est exploitée dans la modélisation INM : la version utilisateur d INM (cf. page 56) est alors utilisée permettant, en regroupant les avions par famille, de prendre en compte les réelles variations de profil en altitude (cf. Figure 41). Dans ce cas, un fichier de transcription type avion radar / type avion utilisateur (réalisé par la mission environnement) est utilisé lors de l export. 3. variante des deux précédentes, la version utilisateur d INM est utilisée mais avec des profils verticaux génériques : ce sont des profils verticaux moyens calculés à partir d un flux de données radar. Cette dernière méthode conduit à des résultats proches de la prise en compte des profils réels (méthode 2) et, par ailleurs, de réduire le temps de calcul, de prendre en compte des profils d étude (modification de pente, de paliers, etc.) ainsi que d effectuer des comparaisons entre flux réels et flux déformés lorsqu une déformation de profils ne peut être effectuée. Figure 39 : Intégration d un flux de trajectoires et export au format INM sous Track-Express Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 51

52 Figure 40 : Évolution de l altitude de vol en fonction de la distance sous trace pour un départ d A320, profil de vol de départ INM IACO_5 conseillé par le STAC Figure 41 : Évolution des profils en altitude réelle en fonction de la distance sous trace pour les trajectoires des avions de la famille A320 après export depuis Track-Express vers INM Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 52

53 Un fichier de trafic au format INM est également constitué lors de l export de flux de trajectoires (Figure 42). L apparition du vol dans la journée est prise en compte, permettant par la suite un calcul d indice comme le L den. Figure 42 : Visualisation des trajectoires importées dans INM et du fichier de trafic (avion, profil de vol, trajectoire et apparition) également constitué par Track-Express lors de l export vers INM Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 53

54 Modélisation acoustique Il est distingué deux modes d utilisation d INM en fonction du type d étude à réaliser: - en version standard, INM est utilisé selon les mêmes recommandations suivies par les autres services de la DGAC notamment en charge des PEB, PGS, EGS ou CSB, - en version utilisateur, INM est utilisé avec une base de données de bruit mesurée par le laboratoire de la mission Environnement. Pour répondre à ses besoins spécifiques (notamment à l approche, loin du seuil de piste), la mission Environnement a recours à cette version utilisateur d INM, la version standard actuelle n étant pas adaptée. Avec la version utilisateur, l altitude radar est prise en compte : l impact d un relèvement de palier d interception est ainsi mieux modélisé. INM version standard Quelques préconisations d utilisation sont présentées dans cette partie. La topographie : L impact du relief par son incidence sur la distance de propagation entre la trajectoire de vol et le point de réception sonore est pris en compte par l utilisation d un modèle numérique de terrain (MNT). Le MNT utilisé par la mission Environnement provient d une campagne de relevés topographique par satellite de la NASA (données SRTM : Shuttle Radar Topography Mission). Elles sont accessibles gratuitement sur Internet. La précision de ce MNT est de 3 secondes d arc (soit à peu près 90 m) et de 16 mètres en altitude. Un module de mise au format INM (3CD/3TX) de ces données a été développé par la mission Environnement. Lors de chaque étude de modélisation, une zone de ce MNT définie par l utilisateur autour de l aéroport est exploitée en enregistrant les données au format INM. Les conditions météorologiques : En utilisation standard d INM, les conditions atmosphériques ISA (International Standard Atmosphere) sont retenues (sauf situation particulière) : T = 15 C, P = 1013 hpa, H = 70%, Vent de face = 8 kts. L option «Modify NPD curves» doit être cochée dans le menu Setup/Cases. Le choix des avions et des profils de vol: Les recommandations élaborées quant au choix de l avion et du couple profil/masse par le STAC sont respectées par la mission Environnement. Une liste régulièrement mise à jour par le STAC est accessible par l ensemble des modélisateurs INM de la DGAC. Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 54

55 À l atterrissage, un seul profil de vol est généralement accessible. La mission Environnement évite la plupart du temps de modifier les profils de vol. Aussi, lorsqu une étude d impact de modification de la hauteur de palier d interception ILS ou une analyse d un profil d approche en descente continue est demandée, la version utilisateur d INM décrite dans le paragraphe suivant sera préférée. Les indices de bruit : INM propose en standard un ensemble d indices de bruit (Menu Setup/Noise Metrics). Suivant les besoins de l étude à réaliser, il est parfois nécessaire d en rajouter ; c est le cas du L den ou le L Aeq nuit (L n ). Les paramètres de définition de ces derniers sont rappelés dans le tableau ci-après. Tableau 2 : Exemple de définition d indice de bruit dans INM Indice L den L n Pondération fréquentielle Pondération A Pondération A Type Exposition Exposition Coefficient jour 1 0 Coefficient soirée 3.16 (=10 5/10 ) 0 Coefficient nuit 10 (=10 10/10 ) 1 Constante de temps (10log[T]) (= 10 log [24*3600] ) (= 10 log [8*3600] ) Avertissement : Afin de garantir la qualité des résultats, la mission Environnement évite d étudier les bas niveaux sonores (L Amax < 60 db(a)) Les paramètres de calcul : Les empreintes sonores sont calculées avec les options suivantes (paramètres accessibles dans le menu Run/Run Options) : Run Type : Single-Metric Lateral attenuation : All-Soft-Ground Mode de la grille : Recursive Grid Précision : Refinement : 10 Plage de calcul : Low Cutoff : prendre 5 db en dessous de la plus petite valeur recherchée High Cutoff : prendre 5 db au dessus de la plus grande valeur recherchée Tolérance : 0,5 db (minimum 0,1 db) Autres options : Décoché Décembre 2010 DOCUMENT COMPLÉMENTAIRE Page 55