Walka lotnisk z mgłą

Wraz z rozwojem ruchu lotniczego rośnie też stopień technologicznego zaawansowania zarówno samolotów, jak i infrastruktury naziemnej. Jednakże od czasów przedwojennych niewiele zmieniło się w kwestii precyzyjnego systemu podejścia. Od lat króluje ILS (instrumental landing system). System ten wymyślono już w latach 30-tych, choć spopularyzował się po wojnie. Mimo ogromnego skoku technologicznego do tej pory właściwie jedynie go udoskonalano, gdyż podstawowa zasada działania nie zmieniła się od początku.

System ILS

System ILS składa się z dwóch anten. Jedna wyznacza kierunek podejścia, a druga optymalną ścieżkę. Antena wysyła odpowiednio zmodulowane sygnały radiowe w dwóch kierunkach tak, iż na środku wyznaczonej linii ich intensywność powinna być identyczna. Odbiornik w samolocie porównując intensywność obu zmodulowanych sygnałów, określa położenie kątowe samolotu względem wyznaczonej osi.

Z tego prostego opisu wynika, iż każda z anten musi oczywiście znajdować na przedłużeniu tej hipotetycznej płaszczyzny, dlatego radiolatarnia kierunku (tzw. localizer) znajduje się w osi drogi startowej (za końcem pasa) a radiolatarnia ścieżki (glideslope) w punkcie przyziemienia, obok drogi startowej.

Schemat systemu ILS. Autor: Fred the Oyster na licencji Creative Commons

Częstotliwości są tak dobrane, że dla konkretniej wartości dla radiolatarni kierunku częstotliwość radiolatarni ścieżki schodzenia są ustalone, więc pilot wybiera na odbiorniku tylko tę pierwszą wartość. Druga dostrajana jest automatycznie. Dwie określone płaszczyzny przecinają się na idealnej linii, prowadzącej wprost do strefy przyziemienia. Typowe ścieżki schodzenia mają nachylenie 3 stopni, choć czasami spotyka się inne.

Położenie względem idealnego toru obrazowane jest w kabinie na odpowiednim wskaźniku w następującej formie:

Autor: Fred the Oyster na licencji Creative Commons

W tym przypadku samolot jest nieco na prawo i poniżej wyznaczonej linii podejścia. Poziome ułożone kropki oddalone są o 1 stopień, natomiast pionowe o 1/4 stopnia. Z opisanego schematu łatwo się domyślić, że odbiornik ILS nie jest w stanie określić poprawki w odległości (czyli np. w metrach) do idealnego profilu podejścia, wysokości lotu samolotu ani odległości do punktu przyziemienia. Dlatego też dla wykonania podejścia ILS potrzebne jest wsparcie innych przyrządów.

Pomiar odległości

Prostym mechanizmem pomiaru odległości jest zainstalowanie kilku anten wysyłających sygnał do góry w odpowiednich miejscach przed pasem. Anteny te nazywają się markerami i zawsze umieszcza się je w konkretnych miejscach. Tzw. marker zewnętrzny ok. 1 mili przed pasem. Marker środkowy ok. pół mili przed pasem a marker wewnętrzny przed samym progiem pasa. Minięcie markera wyzwala charakterystyczny dźwięk w kabinie.

System markerów jest dość prymitywny i praktycznie wyszedł już z użycia. W obecnych czasach ILS sprzęga się z systemem DME, popularnym instrumentem służącym do pomiaru odległości. DME działa na zasadzie pytania i odpowiedzi. Samolot wysyła zapytanie, które odbiera naziemna antena DME. Następnie po określonym czasie stacja naziemna wysyła odpowiedź. Pokładowe urządzenie DME na podstawie pomiaru czasu ustala dystans do radiolatarni. Trzeba pamiętać, że jest to tzw. odległość skośna, a więc po linii prostej samolot-radiolatarnia, a nie palcem po mapie.

Pomiar wysokości

Podejście ILS kończy się na określonej wysokości zwanej wysokością decyzji, na której to pilot podejmuje decyzję czy widzi światła bądź infrastrukturę drogi startowej i może kontynuować lądowanie z widocznością, czy nie widzi i w związku z tym odchodzi na drugi krąg. Pomiar wysokości jest niezwykle istotny w każdej fazie lotu, ale na końcówce podejścia ILS wręcz kluczowy.

Standardowym miernikiem jest wysokościomierz barometryczny. Urządzenie to jest barometrem, który porównuje zmierzone ciśnienie z ciśnieniem odniesienia, zmierzonym na lotnisku. Z pomiaru różnicy i zakładając pewien standardowy model atmosfery, wysokościomierz określa wysokość lotu. Zależnie jakie wybrano ciśnienie odniesienia, może to być wysokość względna (nad progiem pasa) bądź bezwzględna (nad poziomem morza).

W podejściach wyższych kategorii stosuje się znacznie dokładniejszy radiowysokościomierz. Jest to urządzenie wysyłające fale radiowe w kierunku ziemi i zliczające czas potrzebny odbitej fali na powrót. Jest ono niesamowicie dokładne, ale obarczone zasadniczą wadą - mierzona jest wysokość nad terenem, a więc jego wskazania podlegają wahaniom w zależności od rzeźby terenu. Dlatego ma on zastosowanie w samej końcówce podejścia, gdzie teren przed pasem jest odpowiednio zniwelowany.

Minima operacyjne

W zależności od tego z jak dokładnym urządzeniem mamy do czynienia oraz jakie przeszkody zagrażają samolotowi wokół lotniska, określa się minima operacyjne systemu ILS. Minima te ograniczają minimalną wysokość, do której samolot może zniżać bez kontaktu wzrokowego ze światłami podejścia oraz minimalną widzialność, przy której można kontynuować podejście poza zewnętrzny marker. Oczywiście widzialność ta wynika z wysokości decyzji - jeśli decyzję trzeba podjąć na wysokości 60 metrów, będzie to ok. 1 km przed pasem, dlatego nie ma sensu podchodzić, gdy widzialność wynosi pół kilometra. W zależności od jakości nadawanego sygnału systemy ILS dzieli się na klasy, którym przyporządkowano określone minima.

ILS kategorii pierwszej ma wysokość decyzji nie niższą niż 60 metrów i widzialność co najmniej 550 metrów.

ILS kategorii drugiej ma wysokość decyzji nie niższą niż 30 metrów i widzialność co najmniej 300 metrów.

ILS kategorii trzeciej dzieli się na trzy podkategorie:

    IIIA - wysokość decyzji niższa niż 30 metrów lub brak wysokości decyzji i widzialność co najmniej 200 metrów

    IIIB - wysokość decyzji niższa niż 30 metrów lub brak wysokości decyzji i widzialność co najmniej 75 metrów

    IIIC - brak wysokości decyzji i ograniczenia w widzialności

Oczywiście lądowania w kategorii III nie wykonuje się z ręki. W tych warunkach samolot ląduje sam, jedynie nadzorowany przez załogę.

Światła podejścia i drogi startowej

Wraz ze wzrostem kategorii podejścia wymagane są też coraz lepsze systemy oświetlenia. Wynika to z faktu, że pilot dostrzega drogę startową później i w gorszych warunkach, trudniej mu więc ocenić położenie samolotu i prawidłowo przyziemić. Niektóre wymogi są luzowane w trzeciej kategorii, gdzie ląduje automat.

Przykładowo w kategorii pierwszej przy widzialności większej od 800 metrów w dzień nie potrzeba żadnych świateł. Przy gorszej widzialności bądź w nocy wymaga się świateł krawędziowych drogi startowej, progu, końca pasa i prostych świateł podejścia. W kategorii drugiej światła podejścia się komplikują, pojawia się wymóg linii centralnej drogi startowej i przydają się też światła strefy przyziemienia.

Światła podejścia, zdjęcie ze zbiorów autora

Oprócz samej drogi startowej także kołowanie przy kiepskiej widzialności jest utrudnione stąd wymóg świateł centralnych dróg kołowania poniżej 400 metrów widzialności. W przeciwnym wypadku wymaga się prowadzenia za samochodem follow-me.

Pomiar widzialności

To, co jest dla pilota istotne to nie prosta meteorologiczna widzialność, lecz jej wartość zmierzona w konkretnym kierunku, a mianowicie wzdłuż drogi startowej. Dlatego obok drogi startowej umieszcza się mierniki mierzące widzialność kierunkowo tzw. RVR (runway visual range). Dla podejść pierwszej kategorii wystarczy pomiar w strefie przyziemienia, ale już w drugiej kategorii potrzebny jest też pomiar na środku pasa, a w kategorii trzeciej wymagany jest pomiar trzypunktowy.

Strefy chronione

Podczas podejścia według systemu ILS kluczowe jest, aby w pobliżu anten nadajników nie znajdowały się żadne pojazdy. Mogą one powodować zakłócenie charakterystyki wiązki a nawet niebezpieczne odbijanie fal radiowych. W zależności od kategorii podejścia te strefy chronione wyglądają nieco inaczej i rozszerzają się dla wyższych kategorii.

Procedury LVP

O ile podejścia w pierwszej kategorii ILS można uznać za dość normalne z punktu widzenia portu lotniczego, o tyle wyższe kategorie wymagają wprowadzenia określonych procedur (tzw. LVP - low visibility procedures). Procedury te mają na celu ochronę stref ILS, ograniczenie ruchu pojazdów, dodatkową ochronę drogi startowej przed wtargnięciem, a także wspomaganie kontrolerów ruchu lotniczego, którzy tracą swoje podstawowe narzędzie pracy tj. wzrokową ocenę stanu pola manewrowego.

Procedury LVP wywołuje się zazwyczaj, gdy widzialność spadnie poniżej 550 metrów lub gdy przy nawet lepszej widzialności, podstawy chmur spadną poniżej 60 metrów i konieczne jest stosowanie drugiej kategorii ILS.

Jednym z podstawowych narzędzi stosowanych poniżej widzialności 550 metrów są tzw. stop-poprzeczki. To świetlne poprzeczki w kolorze czerwonym, montowane w punktach oczekiwania przed drogą startową, które mają ostrzec załogi samolotów i kierowców samochodów lotniskowych, że wjazd na drogę startową (a więc za poprzeczkę) jest zabroniony. Kontroler ruchu lotniczego w razie potrzeby deaktywuje taką poprzeczkę, która gaśnie i umożliwia przejazd.

Techniki separacji w LVP

W czasie trwania procedur LVP od załóg statków powietrznych wymaga się składania meldunków takich jak: "na ziemi", "w powietrzu", "zwolniłem drogę startową" itp., które mają zastąpić oczy kontrolera. Ponieważ kontroler nie widzi, co się dzieje na polu manewrowym i czeka na takie komunikaty, ruch na lotnisku przebiega mniej sprawnie. Wymusza to wydłużenie odległości pomiędzy samolotami podchodzącymi do lądowania i w związku z tym ogranicza przepustowość lotniska.

Gdy widzialność spada jeszcze bardziej, już nie tylko kontrolerzy zaczynają mieć problemy ze wzrokową oceną, ale także piloci i kierowcy mogą nie dostrzec innego ruchu. Dlatego poniżej 400 metrów widzialności wprowadza się inne techniki separacji na polu manewrowym, które znacznie bardziej odseparowują od siebie jego użytkowników. To dodatkowo wpływa na zmniejszenie przepustowości lotniska.

Dodatkowe systemy zabezpieczające

W tak kiepskich warunkach pogodowych pojawia się konieczność niezależnego systemu potwierdzania pozycji statków powietrznych i pojazdów w obrębie pola manewrowego. Najlepszym rozwiązaniem jest radar naziemny, który pokazuje wszystko jak na dłoni. Niestety jest to kosztowne rozwiązanie i na chwilę obecną w Polsce tylko lotnisko w Warszawie jest w stanie pozwolić sobie na taki luksus. Inne lotniska kombinują inaczej. Np. lotnisko w Gdańsku implementuje system pętli indukcyjnych (takich samych jak te, które sterują sygnalizacją świetlną na drogach), które będą wykrywać przejazd statków powietrznych i samochodów, określając ich pozycje. Pętle te mogą też alarmować w przypadku przejechania przez stop-poprzeczkę czy wtargnięcia w strefę ochronną ILS. Być może system ten nie jest tak doskonały, jak radar, to mimo wszystko podnosi bezpieczeństwo w znaczącym stopniu. Inne możliwe rozwiązanie to np. czujniki mikrofalowe, wskazania z multilateracji czy ADS-B.

Warunki ekstremalne

Paradoksalnie to nie sam fakt wylądowania przy zerowej widzialności pozostaje problemem lecz to, w jaki sposób samolot ma kołować potem. Wiele systemów ILS pracuje w najwyższej kategorii, a treningowe lądowania automatyczne są na porządku dziennym. Mimo to kategoria IIIC nie jest dopuszczona praktycznie nigdzie na świecie. Po prostu przyjmuje się, że gdy widzialność spada poniżej 75 metrów, załogi nie są w stanie kołować po lotnisku. Niemożliwe staje się odnalezienie właściwych dróg kołowania i określenie pozycji samolotu. Dzisiaj rozwój technologii idzie nie w stronę ulepszania systemu ILS, który osiągnął już chyba technologiczny kres swojej doskonałości, lecz na dopracowanie systemów umożliwiających kołowanie na ślepo po skomplikowanym labiryncie dróg kołowania dużych lotnisk.

Systemy ILS w Polsce

Systemy ILS w Polsce zaczęły pojawiać się w latach 70-tych, wypierając przestarzały system PAR. Jednak prawdziwy wyścig zaczął się w ostatnich latach, wraz z dynamicznym rozwojem lotnictwa w Polsce. Choć Okęcie miało drugą kategorię już od jakiegoś czasu, to pozazdrościły inne lotniska. Do tego grona dołączył Modlin, Gdańsk, Wrocław, Lublin i Katowice. Przykładowo Gdańsk oprócz wymiany systemu ILS na nowszy, musiał także zmodyfikować światła drogi startowej. Zrobiono to w trakcie remontu pasa, który odbywał się przez kilka tygodni nocami, bez konieczności zamykania lotniska.

Ale to nie koniec. Na prowadzenie znów wysunęło się Okęcie, implementując w tym roku system ILS CAT IIIA, czyli pierwszy w Polsce system trzeciej kategorii. Jest jednak szansa, że już w tym roku warszawskie lotnisko straci prymat, gdyż do uruchomienia ILS CAT IIIB przygotowuje się lotnisko w Gdańsku. Sam system działa już w odpowiedniej kategorii, lecz potrzeba jeszcze zaimplementować systemy bezpieczeństwa pola manewrowego (wspominane już pętle) oraz dodatkowe systemy monitorowania jakości sygnału ILS (tzw. monitor dalekiego pola). Certyfikacji możemy się spodziewać jesienią.