systemy radionaw 3 2015

Systemy podejścia do lądowania
Instrument Landing System - ILS
System wspomagania lądowania przy ograniczonej widzialności ILS (Instrument
Landing System) ma za zadanie prowadzić statek powietrzny z nakazanym kursem lądowania
po ścieżce podejścia, tym samym zapewniając podejście precyzyjne.
ILS występuje w trzech kategoriach, które m.in. wpływają na kategorię lotniska:
– Kat. 1 - od granicy zasięgu do wysokości 60 m nad płaszczyzną drogi startowej przy
widzialności RVR 800 m (lub 600 m jeśli RWY ma światła krawędziowe i linii
centralnej),
– Kat. 2 - od granicy zasięgu do wysokości 30 m nad płaszczyzną drogi startowej przy
RVR 400 m,
– Kat. 3 - od granicy zasięgu do punktu przyziemienia i dalej wzdłuż drogi startowej;
– 3a - przy RVR 200 m,
– 3b - przy RVR 50 m,
– 3c - przy RVR równym zero.
System składa się z trzech zespołów urządzeń:
- Radiolatarnia kierunku (Localizer);
- Nadajnik ścieżki schodzenia (Glide Path);
- Radiolatarnie znakujące (markery), pełniące zadanie znaczników odległości do
progu drogi startowej.
Obecnie najczęściej spotyka się instalacje ILS z radiolatarnią DME zamiast markerów.
Antenę DME instaluje się na maszcie nadajnika ścieżki schodzenia.
1
Nadajnik kierunku podejścia ILS (LOC lub LLZ) formuje płaską pionową wiązkę
radiową, która wyznacza kierunek lądowania.
Pracuje w zakresie częstotliwości 108 -111.975 MHz, z zastrzeżeniem, że odstęp
częstotliwości do innych radiolatarni kierunku w zasięgu musi wynosić co najmniej 200 kHz.
Nadajnik kierunku emituje dwie wiązki fal radiowych, zmodulowanych amplitudowo
częstotliwościami 90 Hz i 150 Hz. Wiązki te nakrywają się wzdłuż przedłużenia osi drogi
startowej; linia kierunku jest wyznaczona równą głębokością modulacji obu sygnałów.
Głębokość modulacji wynosi 18-22 % dla ILS kategorii I i II, 19-21 % dla kategorii III.
Techniczna dokładność wyznaczania kierunku wynosi 15 minut kątowych.
Ponadto nadajnik kierunku emituje również sygnał identyfikacyjny ILS: trzy znaki Morse'a
poprzedzone znakiem „I" i nadawane tonem 1020 Hz (modulacja A2, głębokość 5-15 %).
Wymagane pokrycie: minimum 30 NM w sektorach:
- 25 NM w sektorze ±10°,
- 17 NM w sektorze od ±10° do ±35°,
- 10 NM w sektorze powyżej ±35°.
Dla specjalnie przystosowanych radiolatarni kierunku podejścia dopuszczalna jest
emisja sygnału radiotelefonicznego na częstotliwości radiolatarni. W ILS kategorii III trzeba
stosować dodatkowe obwody zabezpieczające przed interferencją. Technika ta jest
stosowana głównie w USA i Kanadzie).
Zasada wyznaczania ścieżki schodzenia jest taka sama, jak przy wyznaczaniu kierunku.
Radiolatarnia ścieżki (GP lub GS – Glide Slope) emituje na częstotliwościach 328 - 335 MHz
dwie wiązki fal radiowych, górną zmodulowaną amplitudowo częstotliwością 90 Hz, dolną
zmodulowaną 150 Hz. Obie wiązki są nadawane z polaryzacją poziomą, a głębokość
modulacji wynosi 40 %. Ścieżka schodzenia jest wyznaczona przez płaszczyznę nachyloną w
stosunku do powierzchni ziemi. Zasada wyznaczania tej płaszczyzny jest taka sama, jak w
radiolatarni kierunku..
Wymagany zasięg radiolatarni ścieżki schodzenia wynosi 10 NM w sektorze ±8° (mniej
niż zasięg nadajnika kierunku). Wynika to z konieczności obniżenia mocy nadajnika do 10 W
w celu zmniejszenia błędów wynikających z odbić fal od ziemi i obiektów terenowych. Wpływ
odbić wzrasta wraz z częstotliwością i bliskością gruntu, co w przypadku ścieżki schodzenia
jest szczególnie niebezpieczne. Dolna wiązka (90 Hz) styka się z odległymi obiektami
terenowymi, ponieważ sygnalizacja ścieżki na pokładzie samolotu nie może zanikać poniżej
sektora normalnej pracy.
Bardzo ważny jest stan terenu przed anteną ścieżki - promień strefy wolnej od jakichkolwiek
obiektów i pofałdowań terenu wynosi od 300 do 500 m. Ruch pojazdów mechanicznych w tej
strefie także podlega ograniczeniom.
Markery ILS pracują na częstotliwości 75 MHz. Markery wypromieniowują sygnał w
postaci wąskiej wiązki prostopadle do góry, tworząc trzy znaczniki odległości na kierunku
podejścia.
2
System ILS posiada trzy markery:
 zewnętrzny (outer marker) OM; 7240 m od progu drogi startowej,
 środkowy (middle marker) MM; 1070 m od progu
 wewnętrzny (inner marker) IM; 75 m od progu.
Markery odróżnia się na podstawie emitowanych przez nie sygnałów. Odbiornik na
pokładzie statku powietrznego daje sygnał akustyczny w słuchawkach pilota oraz sygnał
wizualny zapalających się lampek w momencie przelotu nad określonym markerem.
 OM - kreski tonem 400 Hz; lampka niebieska.
 MM - na przemian kreski i kropki tonem 1300 Hz; lampka żółta,
 IM nadaje kropki tonem 3000 Hz; lampka biała,
W praktyce stosowano tylko marker zewnętrzny i środkowy.
Wszystkie markery nadają na częstotliwości 75 MHz z modulacją amplitudy A3E i głębokością
modulacji 95 %. W przypadku gdy wiązki ILS dla sąsiednich kierunków lądowania przechodzą
blisko siebie (np. dla pasów równoległych) stosuje się przesunięcie częstotliwości nośnej
(offset) o 4 kHz dla jednego z nich. Do sygnału rozpoznawczego takiego markera dodaje się
na początku literę R (.-.). W razie konieczności można użyć także liter: K, P, X, Z.
Niekiedy markery montuje się razem z radiolararnią NDB, tworząc tzw. lokator (COMLOC
- Compass Locator). Lokator oznacza się dodając literę L do oznaczenia: LMM - Locator
Middle Marker, LOM - locator outer marker. Lokator ułatwia zaplanowanie wejścia w sektor
kierunku ILS w pożądanym miejscu. Lokator może być stosowany poza podejściem jako
pomoc trasowa. Marker trasowy nadaje kropki.
Zestaw pokładowy ILS jest zintegrowany z zestawem VOR i składa się z trzech
odbiorników: VOR/LOC, GP i odbiornika markerów. Częstotliwość odbioru LOC i GP jest
wybierana razem (pary kanałów kierunku i ścieżki są opublikowane w „Aneksie 10” ICAO).
Położenie SP względem kierunku i ścieżki podejścia jest wskazywane na wskaźniku
krzyżowym CDI (Cross Deviation Indicator).
Spotyka się działające samodzielnie nadajniki kierunku lądowania, określane jako LDA
(Localizer Directional Aid) albo SDF (Simplified Directional Facility). Nie są one pomocami do
podejścia precyzyjnego, ponieważ nie emitują sygnałów ścieżki schodzenia.
Uwaga: Skrót SDF oznacza Step Down Fix, lecz w USA i Kanadzie jest w użytku system
podejścia nieprecyzyjnego SDF – odpowiada LDA, lecz ma gorsze parametry.
Do 1995 roku ILS był standardowym systemem podejścia ICAO. Pomimo stałego
ulepszania konstrukcji i postępu technologicznego, skonstruowany w czasie II wojny
3
światowej system od dawna nie spełnia wymagań, wynikających z wciąż rosnącego ruchu
lotniczego.
Główne ograniczenia systemu ILS to:
- Wysokie wymagania w zakresie lokalizacji i wysoki koszt instalacji. Ze względu na warunki
rozchodzenia się fal radiowych stan powierzchni gruntu przed anteną ścieżki schodzenia ma
krytyczny wpływ na stabilność pracy. Także odbicia od powierzchni pobliskich budynków
mogą zakłócać pracę nadajnika.
- Zjawisko odbić sygnału ogranicza przydatność ILS w bezpośrednim sąsiedztwie miast lub w
górach.
- Dostępne jest tylko 40 kanałów ILS, co stanowi poważny problem z instalacją nowych
systemów w dużych aglomeracjach miejskich z wieloma lotniskami.
- ILS zapewnia tylko jedną ścieżkę podejścia w wąskim sektorze, przez co nie nadaje się do
zastosowania tam, gdzie budynki lub rzeźba terenu wymuszają strome i skomplikowane
podejście. Niemożliwe jest także zróżnicowanie ścieżek podejścia dla różnych kategorii
statków powietrznych.
Microwave Landing System - MLS
Następcą ILS miał być mikrofalowy system MLS (Microwave Landing System). Jego
zaletami są: większa dokładność i sektory pokrycia, niewrażliwość na zakłócenia i warunki
propagacji fal, możliwość kształtowania linii podejścia w zależności od warunków
terenowych lotniska, mniejsze wymagania co do lokalizacji radiolatarni naziemnych. Ponadto
MLS standardowo zapewnia prowadzenie SP w na kierunku przeciwnym do kierunku
lądowania przy pomocy tzw. tylnego kursu (manewr odejścia na drugi krąg). Dzięki swoim
zaletom jest on używany m.in. jako zasadniczy system podejścia do lądowania promów
kosmicznych.
Oznaczenie MLS
Anteny MLS nadają swoje sygnały w formie płaskich wiązek (azymut - wiązka
pionowa, ścieżka - wiązka pozioma). W odróżnieniu od ILS wiązki nadajników kierunku
(azimuth - AZ), kierunku odejścia (back azimuth - BAZ) i ścieżki schodzenia (elevation - EL) nie
są stałe; przeczesują one swoje sektory w sposób ciągły. Wiązki AZ i BAZ omiatają swoje
sektory 13 razy na sekundę, natomiast wiązka EL - 39 razy na sekundę. Nadajniki kierunku i
ścieżki pracują w zakresie częstotliwości 5031 MHz do 5091 MHz (200 kanałów).
Wymagany zasięg sygnałów kierunku i ścieżki schodzenia określono na 20 NM, zasięg
kursu wstecznego na minimum 7 NM. W instalacjach MLS pozwalających na podejście z
kierunku głównego i z przeciwnego zasięg kursu wstecznego jest równy zasięgowi azymutu.
Przełączenie trybów pracy następuje automatycznie.
4
Określenie położenia statku powietrznego w sektorze podejścia jest obliczane przez
odbiornik pokładowy na podstawie pomiaru czasu pomiędzy wykrytymi przejściami wiązki
MLS. Wyznaczanie ścieżki schodzenia odbywa się na podobnej zasadzie.
Zasadniczą różnicą w porównaniu z ILS jest to, że dane o kierunku i pochyleniu ścieżki
schodzenia są zakodowane w sygnale i na bieżąco porównywane z aktualnym pomiarem.
Takie rozwiązanie umożliwia tworzenie dowolnie skomplikowanych wzorów podejścia.
Instalacja MLS wykorzystuje jedną częstotliwość - sygnały kierunku, ścieżki schodzenia i
kursu wstecznego są nadawane z podziałem czasowym. Dane o profilu podejścia są
nadawane wraz z sygnałami EL, AZ i BAZ. Mają one postać cyfrowych słów danych,
zawierających identyfikator, parametry podejścia i dane o radiolatarni.
Komplet informacji składa się z sześciu 32-bitowych słów podstawowych i czterech
lub więcej 76-bitowych słów pomocniczych. Każde słowo danych jest poprzedzone
nagłówkiem (tzw. preambułą), który informuje urządzenia pokładowe MLS o tym, które
słowo będzie nadawane.
Do pomiaru odległości w MLS służy podsystem DME/P (Precision DME) o dokładności
około 30 m. DME/P pracuje w dwóch trybach: IA (initial approach) z dokładnością pomiaru
odległości jak dla zwykłego DME (nazywanego na tę okoliczność DME/N), i FA (final
approach) z dokładnością do 30m. DME/P wymaga specjalnego urządzenia pokładowego, ale
ze zwykłymi pokładowymi zestawami DME współpracuje w trybie IA.
Podstawowy zestaw pokładowy MLS umożliwia podejście tylko na jeden kierunek
lądowania (zasadniczy dla wybranego urządzenia naziemnego), podobnie jak przy ILS.
Wskazywany kąt ścieżki schodzenia jest kątem minimalnym dla danego podejścia. Zestawy
pokładowe mogą mieć różne dodatkowe możliwości, w zależności od stopnia rozbudowania,
czyli klasy:
- MLS klasy I, umożliwiający podejście precyzyjne na inne kierunki lądowania, znajdujące się
w sektorze MLS oraz prowadzenie samolotu wzdłuż linii podejścia z jednym punktem
zwrotnym (WPT - waypoint).
- MLS klasy II, mający możliwość wprowadzenia większej ilości punktów trasowych, co
umożliwia podejście precyzyjne z ominięciem stref niebezpiecznych lub zakazanych.
- MLS klasy III, oprócz wszystkich możliwości klasy II, pozwala na używanie opcjonalnych
punktów trasowych (albo całych segmentów podejścia). Wymaga współpracy z komputerem
nawigacyjnym samolotu.
Urządzenia pokładowe MLS są oparte w całości na układach cyfrowych, przez co ich
błędy instrumentalne mogą być uważane za pomijalnie małe. Anteny odbiorcze, znacznie
mniejsze niż w ILS, nie wystają poza obrys kadłuba samolotu. W małych samolotach
umieszcza się je w części dziobowej, w dużych z przodu pod kadłubem, w okolicy wnęki
podwozia przedniego. Stosuje się także drugą antenę z tyłu kadłuba do odbioru sygnału
kursu tylnego.
System MLS jest znacznie odporniejszy na warunki terenowe od ILS. Radiolatarnie
praktycznie nie wymagają stref ochronnych ani specjalnego przygotowania terenu,
aczkolwiek trzeba wziąć pod uwagę możliwość okresowego zasłaniania anten przez samoloty
5
poruszające się po drogach kołowania, co trochę ogranicza swobodę lokalizacji. Odbicia
sygnału od obiektów w okolicy zakłócają pracę systemu w mniejszym stopniu niż w ILS; mogą
one powodować krótkie przerwy w pracy, ale nie powodują fałszywych wskazań.
Od lat system jest standardowym systemem podejścia dla wojsk NATO. Cywilny MLS
nie wspierany ze względu na decyzję FAA, które zrezygnowało z rozwoju MLS na korzyść
podejścia precyzyjnego według GPS. Użytkownicy ze swej strony zachowują daleko idącą
ostrożność w kwestii inwestowania w drogi i starzejący się system.
NASA używało własnej odmiany MLS, tzw MSBLS (Microwave Scanning Beam Landing
System), pracującej w paśmie 13 – 18 GHz.
Podejście do lądowania według GPS
System precyzyjnego podejścia do lądowania z ograniczoną widocznością GLS (GPS
Landing System) bazuje na koncepcji różnicowego GPS. W założeniu ma być tanią
alternatywą dla MLS, obejmując przy tym swym działaniem znacznie większy obszar – zasięg
działania systemu nie jest ograniczony sektorem podejścia. Ponadto trajektoria podejścia
może być zaplanowana w zasadzie dowolnie.
Podejście precyzyjne kategorii III może wykorzystywać standardowe WAAS. Podejścia
kategorii II i III wymagają własnego LADGPS, a także dwóch dedykowanych łącz danych.
Dotąd jedynym konkretnym standardem międzynarodowym jest wojskowy JPALS (Joint
Precision Approach and Landing System).
JPALS
Projektowane cywilne systemy podejścia według systemów satelitarnych w założeniu
są tańsze w instalacji i eksploatacji od ILS lub MLS - większość elementów składowych to
typowe urządzenia, produkowane seryjnie. Także instalacja pokładowej części systemu nie
wymaga wielkich nakładów i zmian sprzętowych; najdroższe jest nowe oprogramowanie
bloków FMS.
Z drugiej strony obawa przewoźników, portów lotniczych i ANSP przed
inwestowaniem w GPS NAVSTAR, kontrowersje co do typu łącz transmisji danych i
opóźniające się prace nad GNSS powodują, że dotąd nie ma jednolitego światowego
6
standardu ani spójnej koncepcji realnego cywilnego systemu podejścia, opartego na
systemach satelitarnych. Cywilny GLS standaryzowano jak dotąd tylko w USA i Kanadzie.
Podejścia GLS identyfikuje się tzw. numerem kanału. Pomimo, że jest on oznaczony
literami CH, nie oznacza fizycznej wartości bądź kolejnego numeru. Numer kanału może
liczyć do 12 znaków:
 Częstotliwość kanału danych VHF – 5 cyfr (początkową jedynkę się pomija),
 Identyfikator IATA (3 litery),
 Oznaczenie kierunku lądowania (2 cyfry),
 Oznaczenie pasa (3 litery: L, R lub C),
 Identyfikator trajektorii podejścia - dla rozróżnienia spośród wielu (1 litera).
Tak więc ‘CH 08125JFK31RD’ oznacza podejście trasą D na kierunek 31 prawy
nowojorskiego portu im. J.F. Kennedyego, kanał danych LAAS 108,125 MHz,
Jacek Tomczak - Janowski
Akt. 02-07-2015
7