3.3 Instrument Landing System (ILS) i CAT I, II, III
Instrument Landing System (ILS)
Instrument Landing System (ILS) to radiowy system nawigacyjny, który umożliwia samolotom bezpieczne lądowanie w warunkach ograniczonej widoczności. System naprowadza statek powietrzny na pas startowy nawet w gęstej mgle, deszczu czy nocy, gdy pilot nie widzi nic poza kokpitem.
ILS powstał w latach 30. XX wieku jako odpowiedź na gwałtowny rozwój lotnictwa komercyjnego. Wtedy piloci musieli lądować wyłącznie wzrokowo, co oznaczało, że gęsta mgła lub noc mogły sparaliżować ruch lotniczy. Dzisiaj system ten jest zainstalowany na większości dużych lotnisk świata – w Polsce między innymi w Warszawie, Krakowie, Gdańsku i Katowicach.
Działanie opiera się na wysyłaniu precyzyjnych sygnałów radiowych z ziemi do samolotu. Te sygnały informują pilota o dwóch rzeczach: czy maszyna jest w osi pasa startowego oraz czy schodzi pod prawidłowym kątem. To właśnie ta podwójna informacja – pozioma i pionowa – sprawia, że mówimy o „podejściu precyzyjnym”.
Działanie ILS
ILS składa się z trzech głównych komponentów technicznych, które wspólnie tworzą niewidzialny korytarz prowadzący samolot na pas startowy.
Lokalizator (Localizer)
Lokalizator odpowiada za utrzymanie samolotu w osi pasa. Pracuje na częstotliwościach VHF, zazwyczaj między 108,10 a 111,95 MHz.
Nadajnik lokalizatora, umieszczony za pasem startowym, wysyła dwie wiązki sygnałów:
- Sygnał modulowany częstotliwością 90 Hz – po lewej stronie osi
- Sygnał modulowany częstotliwością 150 Hz – po prawej stronie osi
Odbiornik pokładowy nieustannie porównuje siłę obu sygnałów. Gdy samolot znajduje się dokładnie na środku, oba sygnały są równe. Jeśli maszyna zbacza w lewo, sygnał 90 Hz staje się silniejszy. Jeśli w prawo – przeważa sygnał 150 Hz. Różnica nazywana jest „różnicą głębokości modulacji”. Informacja wyświetla się na instrumencie pokładowym (na wskaźniku kursu HSI lub sztucznym horyzoncie) jako pionowa kreska – gdy jest wyśrodkowana, samolot jest w osi. Jeśli nie, pilot musi dokonać korekty kursu.
Częstotliwość nośna a modulacja
Możesz zadać pytanie, jak to możliwe, że sygnał lokalizatora, działający w zakresie 108,10-111,95 MHz wysyła sygnały o modulacji 90 i 150 Hz? Przecież te częstotliwości są dużo niższe niż 108,10-111,95 MHz
Rzeczywiście, może to wydawać się nieintuicyjne, ale kluczem do zrozumienia tego zjawiska jest rozróżnienie między częstotliwością nośną a modulacją sygnału. Postaram się to wyjaśnić w prosty sposób.
- Częstotliwość nośna (108,10–111,95 MHz w przypadku lokalizatora) to podstawowa częstotliwość, na której działa system. Jest to częstotliwość radiowa, która przenosi sygnał na duże odległości.
- Modulacja to proces nakładania dodatkowej informacji na sygnał nośny. W przypadku ILS modulacja polega na zmianie amplitudy sygnału nośnego (modulacja amplitudowa, AM) z określoną częstotliwością – w tym przypadku 90 Hz i 150 Hz.
Jak to działa w praktyce?
Lokalizator emituje sygnał nośny o częstotliwości np. 110 MHz (w zakresie 108,10–111,95 MHz). Na ten sygnał nośny nakładane są dwie modulacje:
- Sygnał o modulacji 90 Hz – odpowiada za lewą stronę osi pasa.
- Sygnał o modulacji 150 Hz – odpowiada za prawą stronę osi pasa.
Te modulacje (90 Hz i 150 Hz) są częstotliwościami tonów, które są „wbudowane” w sygnał nośny. Odbiornik pokładowy samolotu odbiera sygnał nośny (110 MHz), a następnie mierzy proporcję modulacji 90 Hz do 150 Hz, a nie częstotliwość nośnej — to z tej proporcji wynika informacja „lewo/prawo” (LLZ) lub „góra/dół” (GS).
Czy można na jednej nośnej zakodować dwa sygnały?
Tak — to standardowa AM z wieloma tonami modulującymi. Dokładnie tak działa radio AM: można np. nadawać sygnał audio składający się z wielu częstotliwości jednocześnie — to nadal jest jedna nośna. W ILS jest to czystsza i prostsza forma: tylko dwa tony sinusoidalne.
User Herr-K on de.wikipedia, CC BY-SA 3.0
Ścieżka schodzenia (Glide Path/Glide Slope)
Glide Slope to drugi kluczowy element. Określa prawidłowy kąt zniżania, zazwyczaj około 3 stopni.
System ten działa na częstotliwościach UHF (329,15-335,00 MHz) i wykorzystuje identyczną zasadę jak lokalizator, ale w płaszczyźnie pionowej:
- Sygnał 90 Hz nadawany jest powyżej optymalnej ścieżki
- Sygnał 150 Hz – poniżej optymalnej ścieżki
Gdy samolot leci zbyt wysoko, przeważa sygnał 90 Hz. Gdy zbyt nisko – dominuje 150 Hz. Pilot widzi to jako poziomą kreskę na instrumencie. Gdy obie kreski – pionowa i pozioma – są wyśrodkowane, samolot podchodzi idealnie.
Dodatkowe elementy: markery i DME
Markery to punkty kontrolne wzdłuż ścieżki podejścia, emitujące sygnały na 75 MHz:
- Marker zewnętrzny (około 7-10 km od pasa) – zapala niebieską lampkę i wysyła przerywane tony
- Marker środkowy (około 1 km od pasa) – zapala żółtą lampkę i wysyła szybkie tony
- Marker wewnętrzny (tuż przed pasem) – zapala białą lampkę i wysyła ciągłe tony
W nowoczesnych systemach markery są coraz częściej zastępowane przez DME (Distance Measuring Equipment) – urządzenie, które precyzyjnie mierzy odległość od pasa startowego na podstawie czasu przelotu sygnału radiowego.
Dane z systemu wspomagającego lądowanie są wyświetlane na HSI (Horizontal Situation Indicator) – pokazuje odchylenie od osi pasa i ścieżki schodzenia lub PFD (Primary Flight Display) – wyświetla informacje o kursie i wysokości w formie graficznej.
W nowoczesnych samolotach autopilot jest w stanie wykorzystywać dane z Intrument Landing System i samoczynnie prowadzić maszynę wzdłuż ścieżki schodzenia (a nawet, w niektórych przypadkach, automatycznie wylądować).
Dokładność systemu naprowadzającego zależy od jakości sygnałów radiowych, które mogą być zakłócane przez przeszkody terenowe, warunki atmosferyczne lub interferencje elektromagnetyczne. Aby zminimalizować te problemy, anteny lokalizatora i ścieżki schodzenia są starannie kalibrowane, a ich sygnały są monitorowane pod kątem stabilności.
U.S. Dept. of Transportation, Federal Aviation Administration,, Public domain, via Wikimedia Commons
Czym różnią się kategorie CAT I, II i III?
Kategorie ILS określają, jak precyzyjny jest system i w jak trudnych warunkach można z niego korzystać. Główne parametry to DH (Decision Height – wysokość decyzji) i RVR (Runway Visual Range – widzialność wzdłuż drogi startowej).
Kiedy stosuje się automatyczne lądowanie?
Automatyczne lądowanie (autoland) jest niezbędne w operacjach CAT III i często wykorzystywane w CAT II.
Wymagania techniczne dla autoland
System automatycznego lądowania wymaga:
- Autopilota zdolnego do kontrolowania samolotu aż do przyziemienia
- Redundancji systemów (zwykle 2-3 niezależne autopiloty)
- Auto-throttle (automatyczne sterowanie ciągiem silników)
- Radioaltimetru (pomiar wysokości nad ziemią falami radiowymi)
- Systemu autobrake (automatyczne hamowanie)
W CAT IIIB system musi mieć tzw. funkcję „rollout” – automatyczne utrzymywanie samolotu na osi pasa podczas dobiegu po wylądowaniu.
Fail-operational vs fail-passive
Systemy autoland dzielą się na dwie kategorie:
- Fail-passive (CAT IIIA): jeśli któryś element zawiedzie poniżej wysokości decyzji, autopilot się wyłącza, ale samolot pozostaje w stabilnej konfiguracji. Pilot musi przejąć kontrolę i wylądować ręcznie lub przerwać podejście.
- Fail-operational (CAT IIIB/C): system ma taką redundancję, że nawet po awarii jednego elementu może dokończyć lądowanie bezpiecznie. To wymaga co najmniej trzech niezależnych autopilotów.
Kiedy piloci faktycznie używają autoland?
Według przepisów większości linii lotniczych:
- Autoland jest obowiązkowy, gdy RVR spada poniżej 350 metrów
- Autopilot musi być użyty do podejścia, gdy RVR < 550 metrów
- Procedura „monitored approach” (pierwszy oficer leci, kapitan monitoruje) obowiązuje przy RVR < 700 metrów
Nawet gdy widoczność jest dobra, piloci regularnie ćwiczą automatyczne lądowania, aby utrzymać certyfikację.
Co robi pilot podczas autoland?
Wbrew pozorom pilot nie siedzi bezczynnie. Podczas automatycznego lądowania:
- Konfiguruje samolot (wypuszcza klapy, podwozie)
- Uzbraja systemy automatyczne (autobrake, ground spoilers)
- Monitoruje wskazania instrumentów
- Weryfikuje, czy systemy działają prawidłowo
- Jest gotowy do przejęcia kontroli w każdej chwili
Na wysokości decyzji (jeśli jest określona), kapitan musi potwierdzić, że widzi elementy pasa lub odpowiednie światła. Dopiero wtedy może kontynuować lądowanie.
Po przyziemieniu pilot:
- Ręcznie włącza rewers silników
- Monitoruje działanie autobrake
- Przejmuje kontrolę podczas dobiegu (chyba że system ma funkcję rollout)
Integracja z nowoczesnymi technologiami
Instrument Landing System nie działa w izolacji – jest często integrowany z innymi systemami nawigacyjnymi, takimi jak:
- GPS/GNSS: Globalne systemy nawigacji satelitarnej uzupełniają go szczególnie w przypadku dłuższych podejść.
- GBAS (Ground-Based Augmentation System): System, który poprawia dokładność sygnałów satelitarnych, umożliwiając bardziej precyzyjne lądowania.
- Autopilot: W nowoczesnych samolotach ILS jest często wykorzystywany przez systemy autopilota do automatycznego lądowania (tzw. autoland).
Wyzwania
Mimo swojej niezawodności, system ma pewne ograniczenia:
- Koszty instalacji i utrzymania: Wymaga regularnej kalibracji i konserwacji, co generuje znaczące koszty.
- Stopniowe zastępowanie przez nowsze technologie: Systemy takie jak GBAS czy MLS (Microwave Landing System) oferują większą elastyczność i mniejsze wymagania infrastrukturalne.
- Wrażliwość na przeszkody terenowe: Budynki, drzewa czy wzgórza mogą zakłócać sygnały radiowe.
Na poniższej grafice widać jak oznaczany jest krytyczny obszar działania systemu naprowadzania. Kontroler może nakazać samolotowi znajdującemu się na drodze kołowania zatrzymanie się w odpowiednim miejscu, aby ten nie zasłaniał radiolatarni w momencie, gdy do tego samego pasa podchodzi inna lądująca maszyna.
Federal Aviation Administration, Public domain, via Wikimedia Commons
Ciekawostki
- Lotnictwo wojskowe: Systemy naprowadzające są również wykorzystywane przez wojsko, szczególnie w operacjach wymagających precyzyjnego lądowania w trudnych warunkach.
- Rekordy precyzji: Niektóre lotniska, takie jak Tokio-Haneda, wykorzystują system podejścia instrumentalnego do lądowań z dokładnością do kilku centymetrów.
- Historia awarii: W 2001 roku na lotnisku w Zurychu doszło do jego awarii, która spowodowała opóźnienia setek lotów. To pokazuje, jak ważna jest niezawodność tego systemu.