4 marca 2012

Systemy podejścia do lądowania

Systemem podejścia do lądowania nazywamy zespół urządzeń radiotechnicznych, umożliwiający statkom powietrznym wykonanie podejścia do lądowania przy ograniczonej widoczności. Podejście do lądowania według przyrządów może być precyzyjne lub nieprecyzyjne, w zależności od użytego systemu. System podejścia precyzyjnego ma za zadanie zapewniać prowadzenie od ustalonego punktu rozpoczęcia podejścia do pewnej wysokości nad płaszczyzną drogi startowej, nazywanej wysokością decyzji (DH - Decision Height lub DA - Decision Altitude). 


Wysokość decyzji jest to właściwa dla procedury i kierunku lądowania wysokość lub poziom lotu na której pilot musi przerwać podejście jeśli nie nawiązał wzrokowego kontaktu z lądowiskiem. Zatem techniczny system podejścia precyzyjnego musi wyznaczać kierunek lądowania i ścieżkę podejścia. Podejście nieprecyzyjne natomiast w dużej części odbywa się z widocznością ziemi. Od systemu wspomagania podejścia nieprecyzyjnego wymaga się tylko ciągłej informacji o kierunku.

Pierwsze bez wątpienia urządzenie ułatwiające lądowanie w nocy zastosowano w myśliwcach B.E.2 Royal Naval Air Service w roku 1916. Była to piętnastometrowa linka z ciężarkiem, zwisająca pod lądującym samolotem. Kiedy ciężarek zaczynał podskakiwać na grunie w kokpicie dzwonił dzwonek.  W roku 1920 porucznik marynarki francuskiej, Arthur W. Loth, eksperymentował z urządzeniem do prowadzenia okrętów w torze wodnym bez widoczności. Źródłem sygnału prowadzącego były linie przewodowe na brzegu, zasilane prądem zmiennym o częstotliwości 600 Hz. Określanie położenia toru wodnego odbywało się przy pomocy obracanej cewki indukcyjnej. Rezultaty prób były na tyle obiecujące że przy okazji powstała koncepcja użycia przewodów prowadzących jako systemu podejścia do lądowania.  Próby przeprowadzono w roku 1922 na lotnisku w Chartres. Samolot został wyposażony w trzy cewki odbiorcze, ustawione wzajemnie pod kątem 90°. Przez przełączanie słuchawek na poszczególne cewki można było określić kierunek na przewody prowadzące, a także moment przekroczenia ich linii. Wprawny operator mógł na słuch określić kąt elewacji. Zasięg wykrycia sygnału wynosił około 2.5 km. I to bez żadnych wzmacniaczy.  Nie mniej jednak dokładność takiego systemu była problematyczna. Działanie było uwarunkowane brakiem przeszkód (szczególnie konstrukcji stalowych), brakiem linii energetycznych i niezwykłymi uzdolnienaini nawigatora; musiał on błyskawicznie oceniać głośność buczenia w poszczególnych kanałach i na czas udzielać pilotowi wskazówek.
 
Mimo wszystko prace nad systemem Lotha toczyły się nadal. W 1931 roku podejście według przewodów prowadzących zaprezentowano Amerykanom na lotnisku Wright Field. Próbowano także udoskonaleń w rodzaju wysokościomierza akustycznego (który stał się inspiracją do skonstruowania radiowysokościomierza). System przewodów prowadzących nie przyjął sie ani w lotnictwie, ani w marynarce. Żadnego z niedomagań nie udało się usunąć w sposób zadowalający. W późnych latach dwudziestych urządzenia radiowe były już na tyle rozwinęte, że można było myśleć o wykorzystaniu patentu Otto Schellera z roku 1907 na zasadę prowadzenia wzdłuż linii równych sygnałów radiowych.  W 1921 roku amerykańscy inżynierowie F.H. Engel i F.W. Dunmore opracowali konstrukcję trasowej radiolatarni kierunkowej niskiej częstotliwości LFB (Low Frequency Beacon, albo LF-RNG - Low Frequency Radio Range). Cztery anteny nadawały kierunkowo znaki alfabetu Morse'a A (.-) i N (-.), formując dwie lub cztery wąskie strefy nakładania się znaków z równą głośnością. Pilot sterował tak, by w słuchawkach zwykłego odbiornika średniofalowego słyszeć sygnał ciągły.

Późniejsze prace Dunmore'a nad systemem DLB (Dunmore Landing Beam) i BSS (Bureau of Standards System) prowadziły w kierunku systemu podejścia do lądowania przy ograniczonej widzialności: system miał wyznaczać kurs lądowania, kąt schodzenia i odległość do punktu przyziemienia.  Systemy te wyznaczały kierunek lądowania metodą równych sygnałów, pochodzących z nadajnika z dwoma antenami. Zamiast znaków alfabetu Morse'a użyto modulacji tonami 65 i 86.7 Hz. Na pokładzie samolotu pilot dysponował prostym częstotliwościomierzem wibracyjnym, pełniącym funkcję wskażnika. Kotwiczki dwóch elektromagnesów, podłączonych do wyjść odbiorników miały różną długość; jedna wpadała w rezonans przy 65 Hz, druga przy 86.7 Hz. Wzdłuż optymalnego kierunku podejścia amplituda drgań kotwiczek była równa.

Bardziej zaawansowany system BSS miał zespół urządzeń wyznaczających ścieżkę schodzenia. Odbicie fal od powierzchni gruntu powodowało że uzyskiwana w praktyce linia równych sygnałów była krzywą o dość dziwnym przebiegu. Układ anten i stosunek mocy nadawanych sygnałów uwzględniał to zjawisko, ale pomimo to w pobliżu anten nadawczych sygnał rozmywał się i "uciekał" w górę. W dodatku precyzyjny miliamperomierz, używany do odczytu poziomu sygnałów ścieżki, musiał być regulowany za każdym podejściem.  Wykorzystywano także dodatkową radiolatarnię bezkierunkową w roli znacznika odległości (markera) - nadawała ona sygnał 40 Hz.

Bureau of Standards System był pierwszą przymiarką do tego co dziś nazywamy systemem podejścia precyzyjnego. Ani on, ani system DLB nie nadawały się do praktycznego zastosowania. Poza tym w owych czasach mało się latało w nocy, a złe warunki pogodowe oznaczały "święto lotnictwa". W praktyce stosowano system (a właściwie metodę) ZZ (zero - zero). Polegał on na naprowadzaniu samolotu na radionamiernik umieszczony na polu wzlotów. Samolot po przejściu nad radionamiernikiem utrzymywał kurs przeciwny do kierunku ladowania przez określony czas, robił zwrot o 180 stopni i podchodził do lądowania korygując kierunek według wskazań operatora radionamiernika. Ścieżkę schodzenia pilot określał według zegara, wysokościomierza, i wiatru.

Innym systemem tego typu było podejście według dwóch radiolatarni średniofalowych LFB albo NDB (200 do 600 kHz). Kierunek podejścia był wskazywany przez radionamiernik pokładowy, nazywany radiopółkompasem. W roku 1930 kapitan Hagenberger z lotnictwa wojskowego USA skonstruował automatyczny radiokompas, samoczynnie i w sposób ciągły wskazujący kierunek na radiolatarnię.  Do podejścia według dwóch radiolatarni przydawały się dwa zestawy radiokompasu na pokładzie. Metoda taka jest stosowana do dziś jako podejście na dwie NDB. Pierwszym powszechnie używanym systemem podejścia był niemiecki system Lorenz, skonstruowany w roku 1932. Nowością było zastosowanie fal krótkich (30 - 40 MHz), które pozwoliło na uzyskanie dużej dokładności. Poza tym nie było żadnych rewolucyjnych rozwiązań; wykorzystywano zasadę równych sygnałów i modulację telegraficzną - kropki z jednej strony, kreski z drugiej. W zestawie były dwie radiolatarnie markerów: wewnetrzny i zewnętrzny. Pracowały one na wspólnej częstotliwości 38 MHz. Dalszy nadawał kreski tonem niskim, bliższy kropki tonem wysokim.  System Lorenza był bardzo udany; do roku 1936 był używany w ponad 40 portach lotniczych. W wielkiej Brytanii używano go pod nazwą SBA (Standard Beam Approach).

Swoistą ciekawostką był brytyjski system BABS (Blind Approach Beacon System) pracujący w zakresie częstotliwości 214 - 234 MHz. Pokładowy nadajnik BABS wysyłał impulsy zaptyujące a połączony z nim odbiornik odbierał impulsy odpowiedzi radiolatarni i wyświetlał je na ekranie oscyloskopu. Odchylany w poziomie strumień elektronów wyświetlał na ekranie linię zwaną podstawą czasu, ponieważ ruch promienia wzdłuż jej długości obrazuje czas od wysłania impulsu zapytania, a tym samym odległość od radiolatarni. Radiolatarnia systemu, a właściwie naziemny transponder, odpowiadała jednocześnie dwoma impulsami: z prawej strony radiolatarni impulsem długim (12 mikrosekund), z lewej strony krótkim (5 mikrosekund). Linia równej amplitudy impulsów długich i krótkich (czyli brak modulacji) wyznaczała kierunek lądowania. BABS był używany na większa skalę właściwie tylko w Wielkiej Brytanii, głównie przez RAF. System składał się z radiolatarni lądowania Babs Mk 4, pomocniczych radiolatarni Eureka Mk 7 (transponder naziemny tylko do pomiaru odległości) i urządzenia pokładowego Rebecca Mk 8.

Systemy Lorenz i BSS były prekursorami systemu ILS, do dziś podstawowego systemu precyzyjnego podejścia do lądowania. Nastepcami ILS mają być młodsze i bardziej zaawansowane technicznie system podejścia MLS i wielce obiecujące ale coś długo niedojrzałe systemy podejścia według GPS.  Oprócz nich we współzawodnictwie o schedę po ILS uczestniczy system TLS (Transponder Landing System), już posiadający certyfikat FAA i testowany przez siły powietrzne USA. Jego szanse na szersze zastosowanie w lotnictwie cywilnym są spore - jest to niedrogi i stosunkowo prosty system z gatunku "że też nikt wcześniej na to nie wpadł".
 
Nocą końcowa faza podejścia i sam manewr lądowania jest wspomagany przez systemy świateł podejścia. Ich zadaniem jest ułatwienie wzrokowej lokalizacji progu pasa, wyznaczanie kierunku w czasie dobiegu i pomoc w kołowaniu. Lotnictwo wojskowe korzysta w tej dziedzinie głównie z tzw. systemu GCA (Ground Controlled Approach) oraz z odpowiednio przystosowanych do twardszych warunków eksploatacji systemów ILS i MLS.  Siły lotnicze krajów bloku wschodniego były wyposażone w rosyjski system podejścia PRMG-5. System ten jest o tyle ciekawy, że może zostać połączony z kątowo - odległościową radiolatarnią RSBN-4.

Należy przy tej okazji wspomnieć o okrętowych systemach podejścia. Systemom podejścia do lądowania na lotniskowcach są stawiane szczególne wymagania: mają doprowadzić samolot w każdych warunkach meteorologicznych, na chwiejącym się lotnisku, a w dodatku trzeba się liczyć z uszkodzonym samolotem i wyczerpanym lub rannym pilotem. Z reguły jest to ILS lub MLS wspomagany radarem i obserwacją wzrokową ze stanowiska nawigatora podejścia (zlikalizowanego w pobliżu punktu lądowania i wyposażonego w łączność radiową, sygnalizację świetlną i czasem noktowizor). Specyficzną konstrukcją jest tu francuski system DALAS (Dispositif d'Aide a l'Appontage au Laser), używany na lotniskowcach Foch (testy od 1988 roku) i Charles de Gaulle. Podstawą jest system laserowy, składający się ze stacji na pokładzie lotniskowca i samolotowego urządzenia odzewowego. Dane są zobrazowane na ekranie HUD samolotu i na ekranie wskażnika syntetycznego na stanowisku nawigatora naprowadzania na okręcie, gdzie mogą być nakładane na obraz z kamery telewizyjnej wysokiej rozdzielczości (zbliżonej do HDTV) lub z termowizora. W razie kłopotów nawigator naprowadzania udziela instrukcji przez radio. Samolot, wstępnie naprowadzony przez operatora stacji radiolokacyjnej, przechwytuje wiązkę laserową w odległości około 4 km. Na HUD jest wyświetlane "okno lądowania" z ciągłymi wskazaniami kierunku, ścieżki schodzenia i odległości. Dokładność kątowa systemu wynosi 0.5 miliradiana, dokładność wyznaczania odległości od 4 m na maksymalnym zasięgu i około 50 cm w punkcie przyziemienia .  System DALAS jest uważany z najnowocześniejszy w swojej klasie, m.in. ze względu na małą emisję elektromagnetyczną, mogącą ułatwić przeciwnikowi lokalizację okrętu.

Ze względu na fakt że systemy podejścia do lądowania prowadzą samolot w najbardziej krytycznej fazie lotu stawia się im bardzo wysokie wymagania techniczne i obsługowe. Częściej niż dla innych urządzeń nawigacyjnych wykonuje się pomiary z powietrza. Ze względów bezpieczeństwa ich urządzenia naziemne (pokładowe też, kiedy to technicznie możliwe) są zawsze podwójne i wyposażone w obwody automatycznej kontroli. 

źródło : J. Tomczak-Janowski , "Lotnicze systemy nawigacyjne"