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儀器降落系統

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ILS下滑面
與ILS訊號耦合的飛機姿態儀

儀器降落系統(英語:Instrument Landing System縮寫ILS),又譯儀器降落系統,俗稱儀器降落系統[1][2],是目前應用最為廣泛的飛機精密進場和降落導引系統。這是一種在諸如低雲、低能見度的儀表氣象條件下可以正常運轉,使用無線電信號以及高強度燈光陣列來為飛機安全進場降落提供精密引導的陸基儀器進場系統。而這一套系統必須保證一定的精確度,因此,飛行校驗組織每隔一定時間都會使用特別改裝的飛機對於ILS的關鍵參數進行校準和驗證。它的作用是由地面發射的兩束無線電信號達成航向道和下滑道指引,建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑,飛機通過機載接收設備,確定自身與該路徑的相對位置,使飛機沿正確方向飛向跑道並且平穩下降高度,最終達成安全降落。

精密儀器進場圖就是為ILS進場而出版的,它可以向機師提供儀器飛行規則下ILS進場所需的資訊,包括ILS或其它助導航設施的頻率,以及能見度最低要求。

位於跑道遠端的航向台波束天線
位於跑道近端的下滑台波束天線

原理[編輯]

ILS航向台和下滑台的波束

航向台和下滑台[編輯]

一套ILS系統主要由兩個子系統,一個提供水平引導(航向台Localizer),另一個提供垂直引導(下滑台,Glide Slope或Glide Path)。通過兩個子系統的配合使得飛機準確降落在跑道上。而這個引導是由飛機上的ILS接收機對接收到的無線電信號的調製深度進行比較得到的。

航向台的天線。通常是多對定向天線,固定在跑道末端外。頻段在108.10MHz與111.95MHz之間,間隔0.05MHz但十分位為奇數,故有40個頻道。使用時運送兩個信號,一個調製成90Hz,另一個調製成150Hz,由獨立但安裝在一起的天線運送。每個天線都運送一束狹窄的波束,一個在跑道中心線略左邊,另一個在中心線略右。

飛機上的航向台接收機能測量出90Hz和150Hz信號的調變深度差(Difference in the Depth of Modulation)。航向台兩個頻率的調製深度都是20%。故從兩個信號的差異可以判斷出飛機相對跑道中心線的位置。如果兩個信號強度不一,那麼飛機不是在跑道中心線的延長線上。在駕駛室里,水平指示器HSI或航道指示器CDI會顯示飛機相對跑道中心線的位置 。

下滑台天線陣安裝在跑道接地區。其信號使用頻段介於328.6和335.4MHz之間,與航向台一一對應。下滑台信號的中心線(即下滑道)一般設為與跑道成3°,波束深1.4°。與航向台相似,一束比下滑道高0.7°,另一束比下滑道低0.7°。

這些信號被顯示在駕駛艙的儀器盤上。機師通過控制飛機使得儀器指針顯示在正確的位置來保證飛機飛在ILS引導的航跡上。現在有很多先進的飛機直接將ILS的信號輸入自動駕駛系統,使得飛機能夠自動進場。

指點標[編輯]

在一些機場安裝有接收頻率為75MHz的指點標。指點標的信號是燈光以及音響的提醒。在出版的有關該機場進場要求的文件里記錄著指點標距離跑道的距離,同時還伴隨著能正確接收ILS資訊的過點高度要求。這提供了一個在下滑道上的高度檢查。現在,ILS安裝時,都合裝一台測距儀(DME),來作為另一個選擇,或者說取代了指點標。DME可以不間斷地指示飛機距離跑道口的斜距。

外指點標[編輯]

藍色外指點標

外指點標安裝在距離跑道入口6.5-11.1公里處,調製頻率為400Hz,連續拍發每秒2劃。[3]。駕駛艙中的指示是一個藍色的閃爍燈,並且播放接收到的音頻。設置其的目的是在中間以及最後進場階段提供高度、距離以及設備運轉情況的檢查。外指點標時常與機場遠台安裝在一起,叫做LOM(Locator Outer Marker)。

中指點標[編輯]

琥珀色中指點標

中指點標安裝在距離跑道入口0.9-1.2公里處,調製頻率為1300Hz,交替拍發點劃,每秒2劃,每秒6點。[3]。駕駛艙中的指示是一個琥珀色的閃爍燈,並且播放接收到的音頻。中指點標的作用是用來指示低能見度下的=重飛點。中指點標時常與機場近台安裝在一起,叫做LMM(Locator Middle Marker)。

內指點標[編輯]

白色內指點標

內指點標安裝在距離跑道入口75-450公尺處,調製頻率為3000Hz,連續拍發每秒6點。[3]。駕駛艙中的指示是一個白色的閃爍燈,並且播放接受到的音頻。內指點標通常飛機飛到安裝在II類精密進場的決定高度處。

測距儀[編輯]

測距儀(DME)提供給機師一個以海里為單位的距跑道的斜距。DME在很多地方替代了指點標。DME為機師在ILS下滑道時提供了更精確並且連續的監控資訊,並且不需要在機場外額外安裝設施。當它和ILS合裝的時候,DME通常並不是安裝在跑道頭,而是考慮到各種誤差安裝在一個能提供與距跑道頭距離誤差最小的地方。當DME用於取代指點標時,必須有至少一台DME工作飛機才可以實施進場,而且對於DME可用的要求必須標註在精密儀器程序中。

進場燈光[編輯]

一些時候,中高強度的進場燈光系統也被安裝在其中。通常這些都是大機場的配置,不過在美國不少通用航空機場也使用進場燈光來配合ILS設備取得更低的最低能見度。進場燈光系統協助機師從儀器飛行切換到目視飛行,使飛機對準跑道中線。精密進場時,機師在決定高度(DA,Decision Altitude)需觀察進場燈光系統,只要能看到燈光就可以繼續進場,無需看到跑道,因為進場燈光也可以作為目視參考。

在美國,沒有穿透障礙物穿透淨空面的時候,沒有進場燈光系統的一類ILS最低VIS(能見度)為0.75英里(RVR4000英尺)。而當擁有1400-3000英尺(430-910公尺)的進場燈光的時候,VIS降為0.5英里,RVR降為2400英尺。而當具有高強度跑道邊燈(HIEL)、接地區燈(TDZL)、跑道中線燈(RCLL)以及2400英尺(750公尺)的時候,VIS是0.375英里,RVR是1800英尺(550公尺)。[4]在中華人民共和國也有類似規定。[5]

事實上,進場燈光系統延長了低能見度運轉時,飛機降落的目視參考。二類和三類ILS進場通常要求更為複雜的高強度進場燈光系統,而一類ILS進場通常使用的是中強度的進場燈光。在許多沒有塔台的機場,燈光系統可以由機師控制。

識別[編輯]

航向台天線陣和進場燈光

除了前面提到的導航信號,航向台還提供ILS設備的識別資訊。這是一種1020Hz莫爾斯碼的識別信號。比如說,甘迺迪國際機場4R號跑道的ILS識別碼是IJFK,而4L號跑道的則是IHIQ。這使得使用者知道自己有沒有選中正確的ILS。下滑台沒有識別信號,所以ILS設備依賴航向台的識別功能。

反航道進場[編輯]

現代航向台天線擁有極強的方向性。然而,一些老舊的,方向性較低的天線允許反方向跑道使用一種叫做反航道進場的非精密進場程序。它使得飛機使用航向道天線陣背面運送的信號來降落。機師對相同的儀器指示需要使用相反的動作來適應這種反向信號。而且機師需要注意,下滑道的資訊是針對另一側的跑道的,應該被忽略,在美國,反航道進場在使用一類ILS的小機場非常常見,因為小機場不會在主跑道的兩頭都裝ILS。

故障識別[編輯]

有必要在ILS有影響飛行安全的故障發生時第一時間通知機師。為了達成這個目的,監視器持續評估某些傳輸的重要特性。如果出現了重大偏差,ILS會自動關閉,其它導航和識別組件也將停止工作。[6]當這些發生的時候,飛機上的儀器會出現指示,即所謂的ILS故障旗。

使用[編輯]

1943年製造,德國空軍使用的ILS錶盤

在一個管制機場,ATC會通過航向指引使得飛機接收下滑道信號,並保證飛機不過於接近(保持間隔),而且儘量加速交通流量。相隔幾英里的飛機也可以同時接收ILS信號。當飛機航向和進場航跡有2.5°以內的差值的時候,說明航向道已經建立。通常情況下,飛機將在至少2英里(3公里)之前的最後進場定位點截獲下滑道。

在一個錶盤上會指示飛機偏離最優路徑的情況。從ILS接收機過來的數據既進入儀器系統顯示,也輸入飛行控制電腦。可以使用自動駕駛儀或飛行控制電腦自動降落,機組成員監控運轉,也可以脫離自動駕駛,由機組控制飛機保持飛機處於ILS航道上手動降落。

等級[編輯]

儀器降落系統依精確度不同而分為下列等級。

等級 決定高度[a]
(Decision Height, DH)
跑道視程
(Runway Visual Range, RVR)
第一類儀器降落系統(CAT Ⅰ) 200英呎以上 550公尺以上或能見度800公尺以上
第二類儀器降落系統(CAT Ⅱ) 100英呎以上且低於200英呎 350公尺以上
第三A類儀器降落系統(CAT ⅢA) 低於100英呎或無決定高度 175公尺以上
第三B類儀器降落系統(CAT ⅢB) 低於50英呎或無決定高度 50公尺以上且低於175公尺
第三C類儀器降落系統(CAT ⅢC)[b] 無決定高度 無跑道視程限制
  1. ^ 決定高度是指航空器跑道著陸區高度差。
  2. ^ 目前沒有機場提供CAT ⅢC。

機場裝設等級越高的儀器降落系統,必須有越寬廣的淨空範圍,以避免無線電訊號受到干擾,而影響精確度。和其他運轉模式不同的是,CAT III的最低天氣條件並不要求降落所需的目視參考來人工降落。這個最低條件的設置是為了允許機師決定飛機能否在接地區降落(基本上是CAT I),或者保證在降落滑跑時的安全(基本上是CAT II)。因此,CAT III運轉強制使用自動降落系統來降落。它的可靠性必須足以控制飛機接地(CAT IIIA運轉)或者足以安全的滑跑並降低到可以安全滑行的速度(CAT IIIB運轉,以及需要批准的CAT IIIC)。[7]若採用第三C類儀器降落系統,客機降落後需要由拖車拖走,因為駕駛員未能看見任何外物。

在美國,FAA指令8400.13D允許特殊批准的一類ILS進場使用決定高度150英尺(45公尺),RVR1400英尺(450公尺)。其飛機和機組必須獲得二類運轉的資格,而且二類或者三類運轉模式的平視顯示器(HUD)需要開啟,直到決定高度,並且需要二/三類的=重飛程序。[8][9]

在加拿大,一類進場所需的RVR僅為1600英尺。而在滿足了運轉規範019、303和503之後,還可下調至1200英尺。3[10]

在美國,許多但不是所有裝備了三類進場設備的機場同時提供三類A、三類B、三類C標準(TEPRS)。三類B的RVR最低值受限於跑道和滑行道的燈光以及其它輔助設備,並且與場監雷達相配套。當RVR小於600英尺(180公尺)時,需要打開跑道中線燈和滑行道紅色停止排燈。如果三類B的RVR標準小於600英尺時,並且該條跑道末RVR小於600英尺,就需要機組具有三類C的資格,以及特殊滑行程序、燈光以及額外審批才可以落地。FAA指令8400.13D限制三類進場的RVR必須大於300英尺。在2009年修訂的這條指令中,還允許特殊批准的二類進場使用在沒有ALSF-2進場燈光以及接地區燈或者跑道中線燈的跑道上,這使得潛在的二類進場跑道大幅度增加。

上述情況都需要有資質的機組和有特定設備的飛機。比如說,三類B需要機組有當時有效的資質,需要飛機具有失效-工作(fail-operational)飛行控制系統,即如果在一個警戒高度下飛行控制系統失效,飛機仍能夠自動完成進場、拉平和著陸。而這些對於一類進場來說是不需要的。平視顯示器可以允許機師作出比飛行控制系統失效-工作後更加靈活的機動動作。一類進場只需要能顯示決定高度的高度表,而二類和三類需要有無線電高度表來判斷決定高度。[11]

ILS需要在失效的時候立刻關閉,在類別不同的時候,反應時間也不同。一類只需要在10秒以內,而三類需要在2秒以內。[6]

頻率列表[編輯]

航向台和下滑台的載波頻率是配對的,這樣只要一次選擇就能將兩台接收機調諧好。[12]

歷史和局限[編輯]

ILS的測試始於1929年[13]。在1938年1月26日,從華盛頓特區飛往匹茲堡的賓夕法尼亞中部航空的波音247-D第一次使用儀器降落系統在暴風雨中降落。[14]而當時的美國民用航空局(Civil Aeronautics Administration)在1941批准在6個地方安裝了這套系統。1964年3月,英國皇家航空研究院的貝德福德機場達成了首次ILS全自動著陸。

由於航向台系統和下滑台系統的複雜性,在使用的時候又很多限制。航向台系統對信號覆蓋範圍內的諸如大型建築物或機庫等障礙物非常敏感。下滑系統同樣受到其天線前方地形的限制。如果地形是傾斜或者不平整的,會反射產生不平整的下滑道,造成航道變形。由於天線的複雜和選址的要求,ILS的安裝往往是非常昂貴的。為了避免危險的反射影響正常發射的信號,ILS關鍵區和敏感區就建立了起來。這些區域的建立會影響正在使用滑行道的飛機。[15]而增加飛機間隔又會導致額外的延誤。此外由於ILS信號是由陣列天線往一個方向發出的,故而只支持直線進場。

替代品[編輯]

儀器引導系統(Instrument Guidance System)[編輯]

由於ILS僅支持直線進場,於是一種改良後的ILS誕生了。它就是儀器引導系統(Instrument Guidance System)。IGS設備上和ILS基本相同,區別就是它的航向道是偏置的,它所引導的下滑道與跑道有30—60°的夾角。當飛機沿IGS進場到最低下降高度時候要來一個機動轉彎,轉過來後飛機正好在五邊下滑線上,然後保持目視著陸。最知名的使用地點在香港啟德機場的13號跑道的非直線進場。[16]

微波降落系統(Microwave Landing System)[編輯]

微波降落系統(Microwave Landing System)在20世紀七十年代作為ILS的替代品被引入[17] 到了20世紀80年代,美國和歐洲開始著力開發,它可以實行曲線進場。然而,航空公司們不願意為MLS投入資金,再加上GPS的影響,造成了其在民航應用領域的失敗。然而,它似乎在英國復活了。[18] ILS和MLS都是目前僅有的可以達成三類自動進場的系統。[19]民航業第一次使用三類MLS進場是在2009年3月的希斯羅機場。[20]

詢答降落系統(Transponder landing system)[編輯]

詢答降落系統(Transponder landing system)是另一種ILS的替代品,可以安裝在一些ILS無法工作或者安裝費用過高的地方。它採用最新的技術,根據飛機已有的雷達應答機發出的信號,計算並跟蹤飛機在空中的位置,然後向機車機械室內的機載ILS接受設備提供導航指示。

LPV[編輯]

GPS時代的來臨為飛機的進場提供了一類新的替代品,星基擴增系統的垂直引導進場(Localizer Performance with Vertical guidance )。在美國,寬域擴增系統(Wide Area Augmentation System)支持下的LPV從2007年開始成為新的一種一類精密進場標準。截至2008年11月,FAA出版的LPV進場程序已經超過ILS一類進場程序。

而在歐洲,歐洲地球同步衛星導航增強服務系統(EGNOS)也於2010年開始使用。其他形式的擴增系統也在開發,來適應三類標準或者提供更高的精度,比如局域擴增系統(LAAS)。

GLS[編輯]

另一種替代技術是基於地基擴增系統(Ground-Based Augmentation System)的GLS(GNSS Landing System或者GBAS Landing System)。這是一種增強了GPS標準定位服務(Standard Positioning Service )功能並且同更高進度定位的安全關鍵系統(safety-critical system )。它通過甚高頻為進場、著陸、離場以及地面運轉等各個階段的提供支持。其中局域擴增系統是美國建設的GBAS系統。GBAS將在現代化建設、一類二類三類全天候運轉、終端區導航、=重飛引導和地面運轉中起到關鍵作用。GBAS提供機場使用單一甚高頻頻率服務所有方向降落飛機的能力,而ILS需要為各條跑道分別設置頻率。GBAS一類運轉是更加嚴格的二三類運轉的前導。目前已是ICAO標準和建議措施(SARPs)。

相關條目[編輯]

備註[編輯]

  1. ^ 飛機如何實現“盲降”. 澳門國際機場. 2013-12-11 [2014-01-08]. (原始內容存檔於2018-04-02). 
  2. ^ 安装“盲降系统”萧山机场不惧雾霾. 蕭山日報. 2014-01-08 [2014-01-08]. (原始內容存檔於2014-01-08). 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 MH/T 4006.1-1998,MHT 4006.1-1998 航空無線電導航設備 第1部分:儀器降落系統(ILS)技術要求
  4. ^ FAA指令,8260.3b,終端區儀器程序(TERPS),表3-5a
  5. ^ 中國民航局諮詢通告,AC-97-FS-2011-01,民用航空機場運轉最低標準制定與實施準則
  6. ^ 6.0 6.1 Department of Transportation and Department of Defense. 2001 Federal Radionavigation Systems (PDF). March 25, 2002 [November 27, 2005]. (原始內容存檔 (PDF)於2017-07-07). 
  7. ^ [http:/>/www.skybrary.aero/bookshelf/books/1480.pdf Airbus - Flight Operations Support & Line Assistance, CAT II / CAT III Operations]
  8. ^ FAA Order 8400.13D. [2012-11-12]. (原始內容存檔於2011-10-29). 
  9. ^ 中國民航局諮詢通告,AC-91-FS-2010-03R1,使用飛機平視顯示器實施II類或低於I類最低標準的運轉批准程序
  10. ^ Transport Canada - CAR 9.19.2.5 Approach Ban—Commercial Operators—Operations Specification—Non-Precision Approach (NPA), Approach Procedure with Vertical Guidance (APV), or CAT I Precision Approach 網際網路檔案館存檔,存檔日期2012-04-25.
  11. ^ ICAO 附件10 航空電信 卷1 無線電導航設備 2.1.1
  12. ^ Frequency allotments (PDF). ntia.doc.gov. 1/2008 (Rev. 9/2009) [28 September 2010]. (原始內容 (PDF)存檔於2010-08-28). 
  13. ^ "Planes Are Landing By Radio When Fog Hides The Field", February 1931, Popular Mechanics 頁面存檔備份,存於網際網路檔案館 bottom-right of page
  14. ^ Roger Mola. History of Aircraft Landing Aids. centennialofflight.gov. [28 September 2010]. (原始內容存檔於2010年5月27日). 
  15. ^ FAA, ILS Glide Slope Critical Area Advisory 網際網路檔案館存檔,存檔日期2009-05-15.: Pg 4, ILS Course Distortion
  16. ^ 啟德機場#13/31跑道
  17. ^ Microwave Landing System For Jets Is Demonstrated. New York Times. May 20, 1976.
  18. ^ MLS: Back to the Future?. April 1, 2003. (原始內容存檔於2009-11-29). 
  19. ^ Annex 10 – Aeronautical Telecommunications, Volume I (Radio Navigation Aids) Amendment 81 (PDF). (原始內容存檔 (PDF)於2008-10-15). 
  20. ^ NATS. Worlds first low-visibility microwave landing system comes into operation at Heathrow. atc-network.com. March 26, 2009. (原始內容存檔於2011年7月7日).