Микроволновой посадочный система (MLS): История и перспективы

Введение

Система радионаправления с высокой точностью в любую погоду.

Микроволновая посадочная система (MLS) – это система радионаправления с высокой точностью, предназначенная для установки в крупных аэропортах с целью помощи воздушным судам при посадке, включая посадку в условиях ограниченной видимости. MLS позволяет приближающемуся самолету определить, выровнен ли он с целевой взлетно-посадочной полосой и находится ли на правильной глиссаде для безопасной посадки. MLS разрабатывалась для замены или дополнения приборных систем посадки (ILS). MLS обладает рядом эксплуатационных преимуществ перед ILS, включая более широкий выбор каналов для предотвращения помех от соседних установок, отличную работу в любых погодных условиях, небольшую занимаемую площадь в аэропорту и широкие вертикальные и горизонтальные углы "захвата", обеспечивающие возможность захода на посадку с более широкой территории вокруг аэропорта. Хотя некоторые системы MLS были введены в эксплуатацию в 1990-х годах, широкомасштабное внедрение, планировавшееся некоторыми авиационными ведомствами, так и не состоялось. Причины две: (экономическая) несмотря на техническое превосходство над ILS, MLS не предлагала достаточно значительных возможностей, чтобы оправдать установку MLS-приемников на самолетах; и (потенциально более совершенная третья система) системы, основанные на GPS, в частности WAAS, позволили рассчитывать на сопоставимый уровень точности позиционирования без необходимости оборудования в аэропорту. GPS/WAAS значительно снижает стоимость внедрения процедур точной посадки для аэропорта, что особенно важно для небольших аэропортов. По этим причинам большинство существующих систем MLS в Северной Америке были выведены из эксплуатации. Подходы LPV ("Localizer Performance with Vertical guidance") на основе GPS/WAAS обеспечивают вертикальное наведение, сопоставимое с ILS категории I, и в настоящее время количество LPV-подходов, опубликованных FAA, превышает количество ILS-подходов в аэропортах США. Изначально MLS представляла интерес для Европы, где существовали опасения по поводу доступности GPS, однако широкомасштабная установка так и не была осуществлена. Дальнейшее развертывание системы маловероятно. Вместо этого несколько европейских аэропортов внедрили LPV-подходы, основанные на спутниковой системе EGNOS (совместимой с WAAS).

The microwave landing system (MLS) is an all weather, precision radio guidance system intended to be installed at large airports to assist aircraft in landing, including 'blind landings'. MLS enables an approaching aircraft to determine when it is aligned with the destination runway and on the correct glidepath for a safe landing. MLS was intended to replace or supplement the instrument landing systems (ILS). MLS has a number of operational advantages over ILS, including a wider selection of channels to avoid interference with nearby installations, excellent performance in all weather, a small "footprint" at the airports, and wide vertical and horizontal "capture" angles that allowed approaches from wider areas around the airport. Although some MLS systems became operational in the 1990s, the widespread deployment envisioned by some aviation agencies never became a reality. There were two reasons: (economic) while technically superior to ILS, MLS did not offer sufficiently greater capabilities to justify adding MLS receivers to aircraft equipage; and (potentially superior third system) GPS based systems, notably WAAS, allowed the expectation of a similar level of positioning with no equipment needed at the airport. GPS/WAAS dramatically lowers an airport's cost of implementing precision landing approaches, which is particularly important at small airports. For these reasons, most existing MLS systems in North America have been turned off. GPS/WAAS based LPV 'Localizer Performance with Vertical guidance' approaches provide vertical guidance comparable to ILS Category I and FAA published LPV approaches currently outnumber ILS approaches at US airports. Though initially MLS appeared to be of interest in Europe, where concerns over the availability of GPS were an issue, widespread installation never occurred. Further deployment of the system is not likely. Rather, several European airports have implemented LPV approaches based on the EGNOS (WAAS compatible) satellite system.

Принцип

MLS использует 5 ГГц передатчики в зоне посадки, которые используют пассивные электронно-сканированные антенные решетки для направления сканирующих лучей на приближающиеся воздушные суда. Воздушное судно, попадающее в зону сканирования, использует специальный приемник для вычисления своего местоположения путем измерения времени прихода лучей.

История

Американская версия MLS, разработанная совместно FAA, NASA и Министерством обороны США, предназначалась для обеспечения высокоточной навигационной поддержки точной выверки и снижения самолетов при заходе на посадку. Она предоставляет информацию об азимуте, угле места и дальности, а также "обратный азимут" для ухода на второй круг или отмены посадки. Каналы MLS также использовались для связи на малых расстояниях с диспетчерами аэропорта, позволяя передавать частоты большой дальности другим воздушным судам. В Австралии конструкторские работы по версии MLS начались в 1972 году. Большая часть этих работ выполнялась совместно Федеральным департаментом гражданской авиации (DCA) и Отделом радиофизики Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO). Проект получил название Interscan – одна из нескольких микроволновых систем посадки, рассматривавшихся на международном уровне. FAA выбрала Interscan в 1975 году, а ICAO – в 1978 году в качестве стандарта для внедрения. Инженерная версия системы, MITAN, была разработана промышленностью (Amalgamated Wireless Australasia Limited и Hawker de Havilland) по контракту с преемником DCA, Министерством транспорта, и успешно продемонстрирована в аэропорту Мельбурна (Тулламарин) в конце 1970-х годов. Белые антенные решетки оставались видимыми в Тулламарине до 2003 года, когда их демонтировали. После этих первоначальных исследований в 1979 году в Сиднее, Австралия, была создана компания Interscan International Limited, которая производила системы MLS, впоследствии развернутые в США, ЕС, Тайване, Китае и Австралии. Управление гражданской авиации (Великобритания) разработало версию MLS, которая установлена в аэропорту Хитроу и других аэропортах из-за более высокой частоты выполнения заходов на посадку по приборам в условиях Cat II/III. По сравнению с существующей системой инструментальной посадки (ILS), MLS обладала значительными преимуществами. Антенны были значительно меньше и использовали сигнал более высокой частоты. Они также не требовали размещения в конкретном месте в аэропорту и могли электронно "смещать" свои сигналы. Это упрощало размещение по сравнению с физически более крупными системами ILS, которые необходимо было устанавливать на концах взлетно-посадочных полос и вдоль траектории захода на посадку. Другим преимуществом было то, что сигналы MLS покрывали очень широкую веерообразную область в конце взлетно-посадочной полосы, позволяя диспетчерам направлять самолеты, заходящие с разных направлений, или вести самолеты по сегментированному заходу на посадку. В отличие от этого, ILS могла направлять самолет только по одной прямой линии, требуя от диспетчеров распределять самолеты вдоль этой линии. MLS позволяла самолетам заходить на посадку с любого направления, в котором они летели, а не выходить на "парковочную орбиту" перед "захватом" сигнала ILS. Это было особенно ценно в крупных аэропортах, поскольку позволяло располагать самолеты ближе друг к другу в горизонтальной плоскости. Аналогично, в вертикальной плоскости веерообразное покрытие позволяло варьировать скорость снижения, что делало MLS полезной для самолетов с более крутыми углами снижения, таких как вертолеты, истребители и космический шаттл. В отличие от ILS, для передачи различных сигналов на разных частотах, MLS использовала одну частоту, последовательно передавая информацию об азимуте и угле места. Это снижало вероятность конфликтов частот, а также тот факт, что используемые частоты были удалены от частот FM-вещания, что также было проблемой для ILS. MLS также предлагала 200 отдельных каналов, что позволяло легко предотвращать конфликты между аэропортами в одном районе. Наконец, точность была значительно улучшена по сравнению с ILS. Например, стандартное оборудование DME, используемое с ILS, обеспечивало точность определения дальности всего лишь ±1200 футов. MLS улучшила этот показатель до ±100 футов в так называемом DME/P (для повышения точности) и обеспечила аналогичные улучшения в точности определения азимута и угла места. Это позволило MLS обеспечивать чрезвычайно точные заходы на посадку по категории III, для которых обычно требуется дорогостоящий наземный радиолокатор высокой точности. Как и другие системы точной посадки, боковая и вертикальная информация могут отображаться на обычных индикаторах отклонения от курса или интегрироваться в многофункциональные дисплеи кабины пилота. Информация о дальности также может отображаться на обычных индикаторах DME и интегрироваться в многофункциональные дисплеи. Первоначально предполагалось, что ILS будет оставаться в эксплуатации до 2010 года, прежде чем ее заменит MLS. Однако система устанавливалась только в экспериментальных целях в 1980-х годах, когда FAA начала отдавать предпочтение GPS. Даже в худших случаях GPS обеспечивала точность не менее 300 футов, что не так хорошо, как MLS, но значительно лучше, чем ILS. GPS также работала "везде", а не только в конце взлетно-посадочных полос. Это означало, что один навигационный прибор мог заменить как системы навигации ближнего, так и дальнего действия, обеспечивая более высокую точность, чем любая из них, и не требуя наземного оборудования. Производительность GPS, в частности точность вертикального наведения вблизи порога взлетно-посадочной полосы и целостность системы, не смогла соответствовать историческим стандартам и практикам ICAO. Более высокая точность GPS может быть обеспечена путем передачи "корректирующих сигналов" с наземных станций, что повысит точность до примерно 10 м в худшем случае, что значительно превосходит MLS. Первоначально планировалось передавать эти сигналы по коротким волнам FM на коммерческих радиочастотах, но это оказалось слишком сложно организовать. Сегодня аналогичный сигнал передается по всей Северной Америке через коммерческие спутники в системе, известной как WAAS. Однако WAAS не может обеспечивать сигналы стандарта CAT II или CAT III для автоматической посадки авиакомпаний (хотя подходы WAAS могут обеспечить достаточно точное наведение для автоматической посадки в аварийных ситуациях на самолетах, оснащенных Garmin Autoland), поэтому необходимо использовать систему локального увеличения (LAAS).

The US version of MLS, a joint development between the FAA, NASA, and the U. S. Department of Defense, was designed to provide precision navigation guidance for exact alignment and descent of aircraft on approach to a runway. It provides azimuth, elevation, and distance, as well as "back azimuth" for navigating away from an aborted landing or missed approach. MLS channels were also used for short range communications with airport controllers, allowing long distance frequencies to be handed over to other aircraft. In Australia, design work commenced on a version of MLS in 1972. Most of this work was done jointly by the Federal Department of Civil Aviation (DCA), and the Radio Physics Division of the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO). The project was called Interscan, one of several microwave landing systems under consideration internationally. Interscan was chosen by the FAA in 1975 and by ICAO in 1978 as the format to be adopted. An engineered version of the system, called MITAN, was developed by industry (Amalgamated Wireless Australasia Limited and Hawker de Havilland) under a contract with DCA's successor, the Department of Transport, and successfully demonstrated at Melbourne Airport (Tullamarine) in the late 1970s. The white antenna dishes could still be seen at Tullamarine until 2003 when they were dismantled. This initial research was followed by the formation of Interscan International limited in Sydney, Australia in 1979 which manufactured MLS systems that were subsequently deployed in the US, EU, Taiwan, China and Australia. The Civil Aviation Authority (United Kingdom) developed a version of MLS, which is installed at Heathrow Airport and other airports, because of the greater incidence of instrument approaches with Cat II/III weather. Compared with the existing instrument landing system (ILS), MLS had significant advantages. The antennas were much smaller, using a higher frequency signal. They also did not have to be placed at a specific location at the airport, and could "offset" their signals electronically. This made placement easier compared with the physically larger ILS systems, which had to be placed at the ends of the runways and along the approach path. Another advantage was that the MLS signals covered a very wide fan shaped area off the end of the runway, allowing controllers to direct aircraft approaching from a variety of directions or guide aircraft along a segmented approach. In comparison, ILS could only guide the aircraft down a single straight line, requiring controllers to distribute planes along that line. MLS allowed aircraft to approach from whatever direction they were already flying in, as opposed to flying to a parking orbit before "capturing" the ILS signal. This was particularly valuable at larger airports, as it could allow the aircraft to be separated horizontally much closer to the airport. Similarly in elevation, the fan shaped coverage allows for variations in descent rate, making MLS useful for aircraft with steeper approach angles such as helicopters, fighters and the space shuttle. Unlike ILS, which required a variety of frequencies to broadcast the various signals, MLS used a single frequency, broadcasting the azimuth and altitude information one after the other. This reduced the chance of frequency conflicts, as did the fact that the frequencies used were far away from FM broadcasts, another problem with ILS. MLS also offered two hundred separate channels, making conflicts between airports in the same area easily preventable. Finally, the accuracy was greatly improved over ILS. For instance, standard DME equipment used with ILS offered range accuracy of only ±1200 feet. MLS improved this to ±100 ft in what they referred to as DME/P (for precision), and offered similar improvements in azimuth and altitude. This allowed MLS to guide extremely accurate CAT III approaches, whereas this normally required an expensive ground based high precision radar. Similar to other precision landing systems, lateral and vertical guidance may be displayed on conventional course deviation indicators or incorporated into multipurpose cockpit displays. Range information can also be displayed by conventional DME indicators and also incorporated into multipurpose displays. It was originally intended that ILS would remain in operation until 2010 before being replaced by MLS. The system was only being installed experimentally in the 1980s when the FAA began to favor GPS. Even in the worst cases, GPS offered at least 300 ft accuracy, not as good as MLS, but much better than ILS. GPS also worked "everywhere", not just off the end of the runways. This meant that a single navigation instrument could replace both short and long range navigation systems, offer better accuracy than either, and required no ground based equipment. The performance of GPS, namely vertical guidance accuracy near the runway threshold and the integrity of the system have not been able to match historical ICAO standards and practices. Greater GPS accuracy could be provided by sending out "correcting signals" from ground based stations, which would improve the accuracy to about 10 m in the worst case, far outperforming MLS. Initially it was planned to send these signals out over short range FM transmissions on commercial radio frequencies, but this proved to be too difficult to arrange. Today a similar signal is instead sent across all of North America via commercial satellites, in a system known as WAAS. However WAAS is not capable of providing CAT II or CAT III standard signals for air carrier autoland (though WAAS approaches can provide accurate enough guidance for emergency autoland capability in aircraft so equipped using Garmin Autoland) and so a Local Area Augmentation System, or LAAS, must be used.

Космический челнок

Система посадки микроволнового сканирующего луча (MSBLS) представляла собой навигационное оборудование Ku-диапазона, использовавшееся для захода на посадку и посадки космическим челноком НАСА. Она обеспечивала точные данные о высоте, направлении и расстоянии, которые использовались для управления орбитальным аппаратом в течение последних двух минут полета до касания посадочной полосы. Сигнал обычно был пригоден для использования на горизонтальном расстоянии около 28 км и на высоте около 5 км (18 000 футов). Установки MSBLS, используемые НАСА, сертифицировались на точность каждые два года. Начиная с 2004 года, Федеральное управление гражданской авиации сотрудничало с НАСА для проведения этой верификации. Ранее для этого использовались только самолеты и оборудование НАСА. Испытания MSBLS космического центра Кеннеди в 2004 году показали точность 5 сантиметров. Заход на посадку космического шаттла начинался с углом планирования 19 градусов, что более чем в шесть раз превышает типичный угол 3 градуса для коммерческих реактивных авиалайнеров.

Операционные функции

Система может быть разделена на пять функций: азимут подхода, обратный азимут, угол места подхода, дальность и связь по данным.

Направление азимута приближения

Азимутная станция передает углы и данные MLS по одному из 200 каналов в диапазоне частот от 5031 до 5090,7 МГц и обычно располагается примерно в 300 метрах за окончанием взлетно-посадочной полосы, однако существует значительная гибкость в выборе места установки. Например, для вертолетных площадок азимутный передатчик может быть размещен совместно с высотным передатчиком. Зона азимутного покрытия распространяется: в боковой плоскости – не менее чем на 40 градусов в обе стороны от осевой линии взлетно-посадочной полосы в стандартной конфигурации; по углу места – до 15 градусов и на высоту не менее 20 000 футов (6 км); по дальности – не менее 20 морских миль (37 км) (см. рис. 1.18).

Направление по высоте

Высотная станция передает сигналы на той же частоте, что и азимутная станция. Одна частота используется по принципу разделения во времени между функциями углового и информационного каналов и обычно располагается примерно в 120 метрах от края взлетно-посадочной полосы между порогом взлетно-посадочной полосы и зоной касания. Высотное покрытие обеспечивается в том же воздушном пространстве, что и сигналы азимутного наведения: по углу места – не менее +15 градусов; по ширине – для заполнения зоны бокового покрытия азимута; по дальности – не менее 20 морских миль (37 км) (см. рис. 1 1 9).

Направление дальности

МЛС точное оборудование измерения расстояния (DME/P) функционирует аналогично навигационному DME, но имеет некоторые технические отличия. Транспондер маяка работает в диапазоне частот от 962 до 1105 МГц и отвечает на запрос бортового допроса. Точность DME/P МЛС повышена для соответствия точности, обеспечиваемой азимутальными и высотными станциями МЛС. Канал DME/P работает в паре с азимутальным и высотным каналами. Полный список 200 парных каналов DME/P с угловыми функциями содержится в FAA Standard 022 (Требования к взаимодействию и производительности МЛС). DME/N или DME/P является неотъемлемой частью МЛС и устанавливается на всех объектах МЛС, если не получено исключение. Это случается редко и только в удаленных аэропортах с низкой интенсивностью движения, где уже установлены маркерные радиомаяки или компасные локаторы.

Данные связи

Передача данных может включать как основные, так и вспомогательные слова данных. Все наземные средства MLS передают основные данные. Вспомогательные данные могут передаваться при необходимости. Данные MLS передаются по всем секторам покрытия азимута (и обратного азимута, если он предусмотрен). Репрезентативные данные включают: идентификацию станции, точные координаты азимута, угла места и станций DME/P (для функций обработки приемников MLS), уровень работоспособности наземного оборудования, канал и статус DME/P. Идентификатор MLS – это четырехбуквенное обозначение, начинающееся с буквы М. Он передается международным кодом Морзе не менее шести раз в минуту наземным оборудованием, обеспечивающим заход по азимуту (и обратный азимут). Содержание вспомогательных данных: Репрезентативные данные включают: трехмерные координаты оборудования MLS, координаты пунктов маршрута, состояние взлетно-посадочной полосы и метеорологические данные (например, RVR, высота нижней границы облаков, настройка высотомера, ветер, следы от винтов, сдвиг ветра).

Будущее

В Соединенных Штатах в 1994 году FAA приостановила программу MLS в пользу GPS (Wide Area Augmentation System WAAS). В настоящее время в перечне FAA процедур полетов по приборам отсутствуют точки использования MLS; последние две были упразднены в 2008 году. В связи с различными условиями эксплуатации в Европе, многие страны (особенно те, где часто наблюдается плохая видимость) рассчитывали на внедрение системы MLS в качестве замены ILS. Однако, на практике, единственным крупным объектом, использующим эту систему, был аэропорт Хитроу в Лондоне, который был выведен из эксплуатации 31 мая 2017 года. Другие крупные аэропорты, такие как аэропорт Франкфурта, которые планировали установить MLS, вместо этого внедрили заходы с использованием наземной системы повышения точности (GBAS). С увеличением количества устанавливаемых систем GBAS, дальнейшее внедрение MLS или продолжение эксплуатации существующих систем вызывает сомнения.