Mittarilaskeutumisjärjestelmä

Modulaatioon perustuva suuntatieto

Sekä suuntasäteen että liukupolun toiminta perustuu kahteen matalataajuiseen, 90 ja 150 hertsin siniaaltoon, joilla moduloidaan radiotaajuista kantoaaltoa amplitudimodulaatiolla. Vastaanottopisteessä signaalia voidaan yksinkertaistetusti kuvata muodossa

${\displaystyle u(t)=A\left[1+m_{90}\cos(2\pi \cdot 90t)+m_{150}\cos(2\pi \cdot 150t)\right]\cos(2\pi f_{\mathrm {c} }t),}$

missä ${\displaystyle f_{\mathrm {c} }}$ on kantoaallon taajuus ja ${\displaystyle m_{90}}$ ja ${\displaystyle m_{150}}$ ovat 90 ja 150 hertsin komponenttien modulaatioasteet. Lentokoneen poikkeama määritetään modulaatioasteiden erotuksesta (engl. difference in depth of modulation, DDM):

${\displaystyle \mathrm {DDM} =m_{90}-m_{150}.}$

Kun 90 ja 150 hertsin modulaatioasteet ovat yhtä suuret, DDM on nolla ja lentokone on joko suuntasäteen keskilinjalla tai liukupolulla. Poikkeaman kasvaessa toinen modulaatiokomponentti voimistuu suhteessa toiseen, jolloin DDM:n etumerkki ilmaisee poikkeaman suunnan ja itseisarvo sen suuruuden. Vastaanotin ei siten määritä suuntaa vertaamalla kahden maa-aseman etäisyyksiä tai signaalien kulkuaikoja, vaan vertaamalla samassa vastaanotetussa radiosignaalissa olevien kahden modulaatioäänen suhteellisia voimakkuuksia.

Maa-asema muodostaa tavallisesti kaksi radiotaajuista signaalia. CSB-signaali (carrier plus sidebands) sisältää kantoaallon sekä 90 ja 150 hertsin moduloinnin synnyttämät sivunauhat taajuuksilla ${\displaystyle f_{\mathrm {c} }\pm 90}$ Hz ja ${\displaystyle f_{\mathrm {c} }\pm 150}$ Hz. SBO-signaalissa (sidebands only) kantoaalto on vaimennettu ja jäljellä ovat sivunauhat. Signaalit syötetään antenniryhmän eri elementteihin tarkasti määrätyillä tehoilla ja vaihe-eroilla. Antennien sähkömagneettiset kentät yhdistyvät vasta ilmassa siten, että SBO-kentässä on nollakohta halutulla keskilinjalla ja sen vaihe vaihtuu keskilinjan eri puolilla. Toisella puolella 90 hertsin modulaatio vahvistuu ja 150 hertsin modulaatio heikkenee; toisella puolella tapahtuu päinvastoin. Tätä kutsutaan toisinaan avaruusmodulaatioksi (engl. space modulation). ILS:n ”säde” ei siis ole yksi kapea, mekaanisesti tai sähköisesti suunnattu radiosuihku, vaan useiden päällekkäisten säteilykuvioiden muodostama analoginen vertailukenttä.

Suuntasäde

Suuntasädelähetin toimii 40 kanavalla taajuusalueella 108,10–111,95 MHz. Antenniryhmä sijaitsee tavallisesti kiitotien vastakkaisessa päässä lähestymissuuntaan nähden, kiitotien keskilinjan jatkeella. Useista antennielementeistä koostuva ryhmä muodostaa vaakatasoon kaksi osittain päällekkäistä säteilykuviota. Kun järjestelmää lähestytään etusädettä pitkin, 90 hertsin modulaatio on hallitseva keskilinjan vasemmalla ja 150 hertsin modulaatio oikealla puolella. Suuntasäteen keskiviiva on niiden avaruuden pisteiden joukko, joissa modulaatioasteet ovat yhtä suuret.

Suuntasäde ilmaisee ensisijaisesti kulmapoikkeaman antennista katsottuna, ei suoraan lentokoneen sivuttaisetäisyyttä metreinä. Tämän vuoksi sama kulmapoikkeama vastaa kaukana kiitotiestä suurempaa sivuttaisetäisyyttä kuin kynnyksen lähellä. Antenniryhmän vaiheistus ja tehot säädetään tavallisesti siten, että täyden vasemman ja oikean näyttöpoikkeaman pisteiden väli on kiitotien kynnyksellä noin 210 metriä. Vastaanottimen täysi näyttöpoikkeama vastaa suuntasäteellä noin 0,155:n DDM-arvoa. Tarkka kulmaleveys riippuu antennin ja kynnyksen välisestä etäisyydestä.

Suuntasäteen kantoaallolla lähetetään lisäksi tavallisesti 1 020 hertsin äänellä moduloitu, monissa maissa I-kirjaimella alkava Morse-tunnus, jonka avulla ohjaajat varmistavat vastaanottavansa oikeaa ILS-lähetintä. Jotkin antenniryhmät muodostavat etukurssin lisäksi kiitotien vastakkaiseen suuntaan takasäteen (back course/backbeam). Sen näyttösuunta voi olla tavalliseen etusäteeseen verrattuna käänteinen, ellei lentokoneen vastaanotin korjaa suuntaa automaattisesti. Myös takasädettä voidaan käyttää mittarilähestymiseen etusäteelle vastakkaiseen suuntaan, mutta tällöin liukupolku ei ole käytettävissä. Takasädemenetelmät julkaistaan nykyään erikseen vastaavasta etusädemenetelmästä, jos sellainen ylipäätään on kyseiselle asennukselle hyväksytty..

Liukupolku

Liukupolkulähetin toimii 40 UHF-kanavalla taajuusalueella 329,15–335,00 MHz. Kukin liukupolkutaajuus on nykyään lähes poikkeuksetta määrätty pariksi tietylle suuntasädetaajuudelle, joten lentokoneen vastaanotin virittää liukupolun automaattisesti, kun ohjaaja valitsee suuntasäteen VHF-taajuuden. Liukupolkuantenni sijaitsee kiitotien sivussa lähellä lähestymispäätä ja suunniteltua kosketuskohtaa.

Liukupolku käyttää samaa DDM-periaatetta pystytasossa. Liukupolun yläpuolella 90 hertsin modulaatio on hallitseva ja alapuolella 150 hertsin modulaatio. Oikealla liukupolulla modulaatioasteet ovat yhtä suuret. Nimellinen liukuakulma on tavallisesti noin kolme astetta, mutta lentoaseman maasto ja esteet voivat edellyttää muuta kulmaa. Antennin sijaitessa sivussa kiitotien keskilinjasta DDM:n nollapinta on geometrisesti kartiomainen; sen ja suuntasäteen pystysuuntaisen keskipinnan leikkaus on tarkasti ottaen loivasti hyperbolinen, vaikka sitä voidaan käytännössä käsitellä lähes suorana lähestymislinjana.

Tavallinen niin sanottu kuva-antennijärjestelmä (image-type glide slope) hyödyntää maanpinnasta heijastuvaa radioaaltoa. Maanpinnan voidaan sähkömagneettisesti ajatella muodostavan todellisen antennin alapuolelle näennäisen ”kuva-antennin”. Suoraan lentokoneeseen etenevät ja maasta heijastuvat aallot kulkevat eripituiset matkat ja yhdistyvät eri korkeuskulmissa eri vaiheissa. Useiden eri korkeuksille sijoitettujen antennien suorat ja heijastuneet aallot muodostavat interferenssikuvion, jonka haluttuun kohtaan asetetaan 90 ja 150 hertsin modulaatioiden tasapainokohta. Liukukulmaa voidaan muuttaa säätämällä antennien korkeuksia sekä signaalien keskinäisiä vaiheita ja tehoja.

Koska maanpinta osallistuu säteilykuvion muodostamiseen, kuva-antennijärjestelmä tarvitsee antennin edustalle riittävän tasaisen ja sähköisiltä ominaisuuksiltaan yhtenäisen heijastusalueen. Merkittävin on ensimmäinen Fresnelin vyöhyke, josta saapuvat heijastukset vaikuttavat voimakkaimmin vastaanotettuun kenttään. Maaston epätasaisuus, lumen kertyminen tai heijastusominaisuuksien äkillinen muuttuminen voi muuttaa liukupolun muotoa. Sivunauhaviite- ja niin sanotut capture effect -järjestelmät käyttävät useampia antenneja ja erillisiä kurssi- ja varmistussignaaleja vähentääkseen maaston ja kaukana olevien heijastimien vaikutusta. Vaihtoehtoinen end-fire-järjestelmä muodostaa liukupolun peräkkäisten, kiitotien suuntaisesti sijoitettujen antennien vaihe-erolla eikä tarvitse maanpintaa varsinaisen säteilykuvion muodostamiseen.

Antennien ja heijastuneiden aaltojen interferenssi muodostaa halutun liukupolun lisäksi korkeammille kulmille sivukeiloja ja vääriä tasapainokohtia. Niissä vastaanotin voi näyttää hetkellisesti keskitettyä tai vääränsuuntaista liukupolkua. Tämän vuoksi julkaistun liukupolun yläpuolella voi esiintyä vääriä liukupolkuja, eikä liukupolkusignaalia käytetä julkaistun peittoalueen ulkopuolella.

Vastaanotto lentokoneessa

Lentokoneen ILS-vastaanotin vahvistaa vastaanotetun signaalin, demoduloi sen ja erottaa 90 ja 150 hertsin komponentit suodattimilla. Analogisessa vastaanottimessa komponentit tasasuunnataan niitä vastaaviksi jännitteiksi tai virroiksi, joiden erotus ohjaa suuntapoikkeamaosoittimen neuloja. Digitaalinen vastaanotin laskee saman DDM-arvon numeerisesti. Keskitetty pystysuora neula tai näyttöpalkki ilmaisee suuntasäteellä olemisen ja vaakasuora neula tai palkki liukupolulla olemisen. Neula siirtyy tavallisesti siihen suuntaan, johon lentokoneen on lennettävä päästäkseen takaisin tavoiteuralle.

Samat poikkeamatiedot voidaan välittää lennonohjaimelle, autopilotille ja automaattilaskeutumisjärjestelmälle. Vastaanotin valvoo myös kantoaallon ja modulaatiokomponenttien kelvollisuutta. Jos signaali on liian heikko tai vaadittu modulaatio puuttuu, poikkeamanäyttö poistetaan käytöstä tai sen yhteydessä näytetään varoitus. Varsinainen ILS-vastaanotto on passiivista: lentokone ei lähetä suuntasäde- tai liukupolkuasemalle tietoa sijainnistaan.

Etäisyystieto

Suuntasäde ja liukupolku ilmaisevat kulmapoikkeaman mutta eivät yksin etäisyyttä kiitotiestä. Etäisyystieto saadaan tavallisesti DME-järjestelmästä tai vanhemmissa asennuksissa merkkilähettimistä. ILS:n yhteydessä oleva DME mittaa kyselypulssin ja maa-aseman vastauksen välisen kulkuajan ja näyttää lentokoneen viistoetäisyyden DME-asemasta. DME-kanava voidaan kytkeä suuntasädetaajuuteen siten, että se valitaan samalla virityksellä.

Merkkilähetin lähettää 75 MHz:n taajuudella lähes pystysuuntaisen, vaakatasossa soikean säteilykuvion. Kun lentokone lentää kuvion läpi, vastaanotin antaa valo- ja äänimerkin. Ulkomerkki käyttää 400 hertsin katkottua ääntä ja sinistä merkkivaloa, keskimerkki 1 300 hertsin vuorottelevia pisteitä ja viivoja sekä keltaista valoa ja sisämerkki 3 000 hertsin pisteitä sekä valkoista valoa. Merkkilähettimet ilmaisevat vain määrättyjen kohtien ylityksen, kun taas DME antaa jatkuvan etäisyystiedon. DME ja muut paikanmääritysmenetelmät ovat suurelta osin korvanneet merkkilähettimet uusissa asennuksissa.

Häiriöt ja järjestelmän valvonta

ILS:n tarkkuus riippuu säteilykuvioiden säilymisestä muuttumattomina. Rakennuksista, aidoista, voimalinjoista, ajoneuvoista ja lentokoneista heijastuvat radioaallot voivat yhdistyä suoraan signaaliin ja muuttaa 90 ja 150 hertsin komponenttien keskinäistä voimakkuutta. Tällainen monitie-eteneminen voi aiheuttaa suuntasäteeseen tai liukupolkuun taipumia ja aaltoilua, vaikka lähettimet toimisivat normaalisti. Liukupolku on erityisen herkkä maanpinnan muodolle ja heijastusominaisuuksille, koska kuva-antennijärjestelmä käyttää maasta heijastuvaa signaalia tarkoituksellisesti.

Antennien ympärille määritetään tämän vuoksi ILS:n kriittiset ja herkät alueet, joilla ajoneuvojen ja lentokoneiden liikkumista rajoitetaan etenkin huonon näkyvyyden toiminnassa. Maa-aseman monitorit tarkkailevat muun muassa keskilinjan sijaintia, liukupolkukulmaa, DDM-arvoja, modulaatiota ja lähetystehoa. Jos jokin arvo ylittää sallitun rajan, valvontalaitteisto vaihtaa varalähettimeen tai lopettaa virheellisen signaalin lähettämisen. Useimmissa kategorioiden II ja III järjestelmissä käytetään kahdennettuja lähettimiä ja valvontalaitteita sekä lähestymisalueelle sijoitettua kaukokenttämonitoria.

ILS-kategorian nostaminen ei muuta järjestelmän 90/150 hertsin perusperiaatetta. Korkeammissa kategorioissa vaatimukset kohdistuvat ennen kaikkea signaalin tarkkuuteen, eheyteen, jatkuvuuteen, automaattiseen valvontaan, varalaitteisiin ja lentoaseman kriittisten alueiden suojaamiseen.