Instrumentenlandesystem

Das Instrumentenlandesystem (engl. instrument landing system, ILS) ist ein bodenbasiertes System, das den Piloten eines Flugzeuges bei Anflug und Landung mittels zweier Leitstrahlen, Landekurs (Information über Kurs) und einem Gleitpfad (Information über Flughöhe), unterstützt. Der Pilot kann die Signale auf einem Anzeigegerät (VOR-ähnlicher Empfänger mit zusätzlichem horizontalem Zeiger) verfolgen, das an einen ILS-Empfänger angeschlossen ist.

Dadurch sind auch bei schlechten Sichtbedingungen (IMC) Präzisionsanflüge möglich. Das ILS ist an Flugplätzen zu finden. Es ist das häufigste Landeverfahren bei Instrumentenflügen.

Geschichte

Erste Tests mit dem ILS begannen in den Vereinigten Staaten im Jahre 1929. Am 26. Januar 1938 wurde zum ersten mal die Praxistauglichkeit des neuen Systems bewiesen, als eine Boeing 247 nach einem Flug von Washington D. C. nach Pittsburgh, Pennsylvania während eines Schneesturms landen und sich dabei ausschließlich auf das ILS verlassen musste. In Deutschland wurden bodengestützte Landehilfen bereits 1933 mit dem ZZ-Verfahren eingeführt. Erste erfolgreiche Versuche mit einem vollautomatischen Landesystem wurden in Deutschland im Frühjahr 1941 von den Askania-Werken mit einer Junkers Ju 52/3m durchgeführt.

Komponenten

Ein ILS besteht aus vier unabhängigen Systemen, dem Localizer, der die laterale Abweichung anzeigt, dem Glideslope oder Glidepath, welcher für die vertikale Führung des anfliegenden Flugzeugs zuständig ist, und den beiden Markersendern (Früher waren es noch drei Marker [Outer-, Middle- und Innermarker]), die den Abstand zur Landeschwelle markieren.

Landekurssender

Das Antennensystem des Landekurssenders (engl. localizer, LOC oder LLZ) ist im Abflugsektor, ca. 300 m hinter dem Ende der Landebahn (engl.: stop end of runway) aufgebaut und besteht aus mehreren, paarweise angeordneten Richtantennen (gestreckte λ / 2-Dipole). Der Localizer informiert den Piloten über seine laterale Position in Bezug auf die Anfluggrundlinie (engl. centerline) und zeigt dem Piloten also, ob er weiter rechts oder links fliegen muss, um die Landebahn zu treffen.

Der Localizer arbeitet in einem Frequenzbereich von 108,10 MHz bis 111,95 MHz. Auf der jeweiligen Trägerfrequenz sind zwei Signale mit 90 und 150 Hz in Amplitudenmodulation aufmoduliert, die von den Antennen so abgestrahlt werden, dass entlang der Anfluggrundlinie ein Strahlungsmaximum liegt. Es wird CSB-Signal genannt (engl.: Carrier Side Band). Über die gleichen Antennen wird ein weiteres Signal abgestrahlt, das ebenfalls durch die Amplitudenmodulation entsteht, dem aber der reine Trägeranteil fehlt, genannt SBO-Signal (engl.: Side Band Only). Seine Strahlungsmaxima liegen beiderseits der Anfluggrundlinie, während es auf dieser zu Null wird. So entstehen links und rechts der Bahn zwei Modulationsfelder, die sich in der Mitte überlagern. Der Localizer-Empfänger im Flugzeug misst die Differenz der Modulationstiefe (engl. depth of modulation, DDM) von 90-Hz- und 150-Hz-Signal. Auf der Anfluggrundlinie beträgt die Modulationstiefe für jede modulierte Frequenz 20%, die Differenz wird zu Null, die senkrechte Nadel des Anzeigeinstruments steht in der Mitte. Nach links abweichend von der Anfluggrundlinie nimmt der Modulationsgrad des 90-Hz-Signals zu, während er für das 150-Hz-Signal gleichzeitig abnimmt, die senkrechte Nadel des Anzeigeinstruments wandert nach rechts und befiehlt dem Piloten nach rechts zu steuern, um wieder auf die Landebahnmitte zuzufliegen (fly into the needle). Abweichend von der Anfluggrundlinie in die andere Richtung nimmt der Modulationsgrad des 90-Hz-Signals ab, während er für das 150-Hz-Signal gleichzeitig zunimmt, die senkrechte Nadel des Anzeigeinstruments wandert nach links und befiehlt dem Piloten nach links zu steuern, um wieder auf die Landebahnmitte zuzufliegen (fly into the needle).

Die Modulationsgraddifferenz DDM zwischen den zwei Signalen verändert sich linear in Abhängigkeit von der Position des anfliegenden Flugzeugs bis zum jeweiligen Vollausschlag des Zeigerinstrumentes (Kreuzzeiger, crosspointer) bei 5 Punkten, was einer DDM von 15,5% entspricht. Die Anfluggrundlinie wird also gebildet als Linie mit konstanter DDM = 0.

Der Localizer kann auch beim Anflug von der anderen Seite genutzt werden. Dieses Verfahren wird Backcourse genannt, da hier der Backbeam der Antennen, also die Abstrahlung in der entgegengesetzten Richtung verwendet wird. Es gibt allerdings bei einem Backcourse-Anflug keine Glideslope-Unterstützung. Da bei einem Backcourse-Anflug die vertikale Führung durch den Gleitweg fehlt, ist ein solcher Anflug ein reiner Non-Precision-Anflug mit sehr hohen Mindestsinkflughöhen MDA/MDH. Weiter ist zu beachten, dass man nun ein umgekehrtes Signal empfängt. Wenn man beim Backbeam-Anflug eine Localizer-Anzeige von zu weit rechts empfängt, muss man entgegengesetzt steuern, also nach rechts, um auf den richtigen Kurs zu kommen. In Deutschland ist dieses Anflugverfahren nicht mehr zugelassen.

Gleitwegsender

Der Gleitwegsender (engl. glideslope, G/S) arbeitet in einem Frequenzbereich von 329 MHz bis 399 MHz. Die Frequenzen von Landekurs- und Gleitwegsendern sind fest miteinander gepaart; dadurch braucht der Pilot nur eine Frequenz einzustellen und die passende Gleitwegsenderfrequenz wird automatisch mit selektiert. Der Gleitwegsender zeigt dem Piloten die vertikale Ablage vom optimalen Anflugprofil an. Der Gleitwegsender steht seitlich neben der Bahn in Höhe des Aufsetzpunktes. Der Aufsetzpunkt befindet sich ca. 280 m (bei einem 3 Grad Anflug und einer RDH/TCH von 50 ft) hinter der Landebahnschwelle. Das Funktionsprinzip ist analog zum Landekurssender. Der Gleitwegsender arbeitet nur mit anderen Trägerfrequenzen und die beiden Modulationskeulen sind vertikal ausgerichtet, statt horizontal wie beim Localizer. Auf der jeweiligen Trägerfrequenz sind zwei Signale mit 90 und 150 Hz in Amplitudenmodulation aufmoduliert mit einer Modulationstiefe von 40%, die von den Antennen so abgestrahlt werden, dass entlang der 3° - Anflugweges ein Strahlungsmaximum liegt. Es wird CSB-Signal genannt (engl.: Carrier Side Band). Über die gleichen Antennen wird ein weiteres Signal abgestrahlt, das ebenfalls durch die Amplitudenmodulation entsteht, dem aber der reine Trägeranteil fehlt, genannt SBO-Signal (engl.: Side Band Only). Seine Strahlungsmaxima liegen unter- und oberhalb der 3° - Anflugweges, während es auf diesem zu Null wird. So entstehen unterhalb und oberhalb des 3° - Anflugweges zwei Modulationsfelder, die sich in der Mitte überlagern. Der Glideslope-Empfänger im Flugzeug misst die Differenz der Modulationstiefe (engl. depth of modulation, DDM) der 90-Hz- und 150-Hz-Signale. Auf dem 3° - Anflugweg beträgt die Modulationstiefe für jede modulierte Frequenz 40%, die Differenz wird zu Null, die waagerechte Nadel des Anzeigeinstruments steht in der Mitte. Abweichend vom 3° - Anflugweg nimmt der Modulationsgrad des 90-Hz-Signals zu, während er für das 150-Hz-Signal gleichzeitig abnimmt, die senkrechte Nadel des Anzeigeinstruments wandert nach unten und befiehlt dem Piloten nach unten zu steuern, um wieder auf den 3° - Anflugweg zurüchzukehren (fly into the needle). Abweichend vm 3° - Anflugweg in die andere Richtung nimmt der Modulationsgrad des 90-Hz-Signals ab, während er für das 150-Hz-Signal gleichzeitig zunimmt, die waagerechte Nadel des Anzeigeinstruments wandert nach oben und befiehlt dem Piloten nach oben zu steuern, um wieder auf den 3° - Anflugweg zurüchzukehren.

Der Anflugwinkel bei einem ILS-Anflug CAT I liegt typischerweise zwischen 2,5 und 3,5 Grad, idealerweise 3,0 Grad. Beim ILS-Anflug CAT II/III muss der Gleitwinkel 3 Grad betragen. Das Anzeigegerät zeigt dem Piloten an, ob er höher oder tiefer gehen muss, um den Aufsetzpunkt der Landebahn zu erreichen. In fast allen modernen Flugzeugen können die eintreffenden Signale des Instrumentenlandesystems vom Autopiloten verwendet werden, sodass ein Anflug automatisiert erfolgen kann. Der Pilot übernimmt dann lediglich direkt vor der Landung die Steuerung des Flugzeugs.

Einflugzeichen

Einflugzeichen sind Funkfeuer, die senkrecht nach oben abstrahlen. Diese Marker arbeiten im Frequenzband 74,6 bis 75,4 MHz. Sie sind 1050 m und 7200 m vor der Landebahn stehende Sender, die bei Überflug ein Tonsignal und/oder eine blinkende Anzeige auslösen.

Nacheinander wird beim Anflug das Voreinflugzeichen, das Haupteinflugzeichen und das in Deutschland nicht mehr gebräuchliche Platzeinflugzeichen überflogen. Das Piepen der Tonsignale wird von Einflugzeichen zu Einflugzeichen immer höher.

Outer marker (OM oder LOM)

Der Outer Marker (dt. Voreinflugzeichen) dient zur Kontrolle des Höhenmessers. Auf der Anflugkarte ist die exakte Höhe des Gleitwegs am OM angegeben. Der Outer Marker steht 7200 m +/- 300 m vor der Schwelle und ist mit 400 Hz amplitudenmoduliert und erzeugt dementsprechend einen 400-Hz-Ton (300 ms an, 100 ms aus, ) Im Cockpit leuchtet eine blaue Anzeige und ein "− − − "-Ton ist zu hören.

Bei einem ILS-Anflug muss sich das Flugzeug am OM schon auf dem Gleitpfad befinden. Der OM dient dann auch zur Kontrolle des Höhenmessers im Flugzeug. Der OM ist normalerweise ca. 4 NM vom Touchdown entfernt. Das heißt, dass das Flugzeug am OM eine Flughöhe von: 4 × 318ft/NM + 50 ft Schwellenüberflughöhe RDH = 1320 ft über Schwelle hat (bei 3 Grad Anflugwinkel).

Middle Marker (MM)

Der Middle Marker (dtsch. Haupteinflugzeichen) steht 1050 m +/- 150 m vor der Schwelle, ist mit 1300 Hz amplitudenmoduliert und erzeugt dementsprechend einen 1300-Hz-Ton (300 ms an, 100 ms aus, 100 ms an, 100 ms aus, ) Im Cockpit leuchtet eine gelbe Anzeige und ein "− · − · − · "-Ton ist zu hören.

Inner Marker (IM)

Der Inner Marker (dtsch. Platzeinflugzeichen) ist in Deutschland ungebräuchlich. Weltweit wird er in der zivilen Luftfahrt ebenfalls kaum verwendet. In der militärischen Luftfahrt findet er jedoch noch Anwendung. Er steht dann unmittelbar vor der Landebahn, ist mit 3000 Hz amplitudenmoduliert und erzeugt dementsprechend einen 3000-Hz-Ton (100 ms an, 100 ms aus, ") Im Cockpit leuchtet eine weiße Anzeige und ein " · · · "-Ton ist zu hören.

Immer häufiger werden die Einflugzeichensender als Entfernungsmarken ersetzt durch eine kontinuierliche Entfernungsanzeige, die ein am Platz stehendes Entfernungsfunkfeuer DME (engl.: Distance Measuring Equipment) liefert. Seine Antenne wird am Gleitwegsendermast montiert. Die Anzeige an Bord erfolgt numerisch in NM (engl.: Nautical Miles).

Anflugbefeuerung

Die Anflugbefeuerung ist ein System von Lichtern, die dem Piloten kurz vor der Landung das Erkennen der Landebahn ermöglichen. Es gibt verschiedene Ausführungen, die sich im Aufbau (CATI oder CATII/III) unterscheiden.

Bordkomponenten

Kreuzzeigerinstrument (Sowjetunion ca. 1964). Die Marker befinden sich jeweils rechts bzw. unten neben den Zeigerenden.

An Bord befinden sich zumindest Empfänger für das Landekurssignal und das Gleitwegsignal.

Zur gemeinsamen Anzeige von Landekurs und Gleitweg dient ein Kreuzzeigerinstrument oder kurz Kreuzzeiger. Es besitzt neben zwei sich bei idealem Landekurs im Rechten Winkel befindlichen Zeigern Marker, die Auskunft geben, ob die Anzeige auf korrekt empfangenen Signalen oder einem Anzeigefehler beruht.
Die Zeigerabweichungen von der Mitte zeigen die Richtung der erforderlichen Anflugkorrektur.

ILS-Kategorien

Wie bei jedem Instrumentenanflug ist auch beim ILS-Anflug das Erreichen der Entscheidungshöhe (engl. decision height, DH bzw. decision altitude, DA) der Moment, in dem die Cockpitbesatzung des anfliegenden Luftfahrzeugs über die endgültige Durchführung der Landung entscheidet. Sind bei Erreichen der Entscheidungshöhe die (Sicht-)Bedingungen (der Pilot muss die Landebahn oder Teile der Anflugbefeuerung erkennen) für das Fortsetzen des Anfluges nicht gegeben, muss der Anflug abgebrochen und durchgestartet (engl. go around) werden. Nach der Entscheidung zum Durchstarten folgt das Luftfahrzeug dem Fehlanflugverfahren (engl. missed approach procedure), nach dessen Abschluss ein erneuter Anflug durchgeführt werden kann. Präzisionsanflüge, zu denen auch der ILS-Anflug zählt, werden, abhängig von verschiedenen Faktoren, in unterschiedliche Kategorien eingeteilt:

CAT I: Einfachste Kategorie mit einer Entscheidungshöhe von 200 ft (60 m) über Grund oder mehr und einer Landebahnsicht (engl. runway visual range, RVR) von mindestens 550 m oder einer Bodensicht von 800 m (die Bodensicht wird durch eine von der Behörde bevollmächtigte Person festgestellt)

CAT II: Mittlere Kategorie mit einer Entscheidungshöhe zwischen 100 ft und 200 ft über Grund (30-60 m) und einer RVR von mindestens 300 m.

Je nach technischer Ausstattung des Flugplatzes oder -hafens ist CAT III noch einmal in CAT IIIa, CAT IIIb, und CAT IIIc unterteilt:

CAT IIIa: Entscheidungshöhe zwischen 50 ft und 100 ft über Grund und RVR mindestens 200 m

CAT IIIb: Entscheidungshöhe kleiner als 50 ft über Grund und RVR weniger als 200 m, jedoch mindestens 75 m

CAT IIIc: Keine Entscheidungshöhe (0 ft) und keine RVR (0 m) (Bisher nicht zugelassen.).

Für die Durchführung einer Landung nach CAT I muss die Cockpitbesatzung eine Instrumentenflugberechtigung (engl. instrument rating, I/R) besitzen und das Flugzeug für Instrumentenflüge ausgestattet und zugelassen sein. Die Landung als solche darf aber vom Piloten manuell, das heißt von Hand gesteuert, durchgeführt werden. Landungen nach CAT III müssen durch den Autopiloten des Flugzeugs gesteuert werden (engl. auto coupled landing). Hierzu muss das Flugzeug eine besondere Ausstattung und die Cockpitbesatzung sowie die Fluggesellschaft eine spezielle Berechtigung besitzen. Der Autopilot muss unter anderem per Radarhöhenmesser in der Lage sein, das Flugzeug bei der Landung selbsttätig abzufangen (engl. flare) und aufzusetzen, ab CAT IIIb muss er auch nach dem Aufsetzen beim Bremsen und Ausrollen per Bugradsteuerung dem Localizer folgen, um das Flugzeug auf der Landebahnmitte zu halten. Eine Ausnahme bilden einige Flugzeuge mit Head-Up-Display, so z.B. der Canadair Regional Jet (CRJ), welche auch für manuell gesteuerte CAT III-Anflüge zugelassen sind. Der Ausfall bestimmter Komponenten des Flugzeugs im Flug (zum Beispiel des Radarhöhenmessers) reduziert unmittelbar die Fähigkeit des Flugzeugs, Anflüge höherer Kategorien durchzuführen, was in grenzwertigen Wetterlagen das Ausweichen des Flugzeugs vom eigentlichen Zielflughafen zu einem Alternativziel erforderlich macht.

Weitere Landehilfen

Neben ILS gibt es noch andere Landehilfen. Im militärischen Bereich ist noch häufig das Präzisionsanflugradar, ein dem ILS ebenbürtiges System in Verwendung.

Das Mikrowellenlandesystem (MLS) ist genauer als ILS. Wahrscheinlich wird es sich zu Gunsten des satellitengestützten Systems EGNOS nicht weiter verbreiten. In den USA ist mit dem Satellitensystem WAAS ein Landeanflug der Kategorie LPV200 bereits möglich. Die FAA-Bezeichnung LPV steht für Lateral Precision with Vertical Guidance. Es gehört zur ICAO Kategorie APV (Approach with Vertical Guidance), einem Landeanflug ohne Bodenunterstützung. LPV200 entspricht Cat I bei ILS. Das um Bodenstationen erweiterte System LAAS steigert die Präzision auf Cat II und Cat III.