儀錶導航系統

**儀表著陸系統**（英語：**Instrument Landing System**，縮寫：**ILS**），又譯**儀器降落系統**，俗稱**盲降系統**，是目前應用最為廣泛的飛機精密進場和降落導引系統。這是一種在諸如低雲、低能見度的儀表氣象條件下可以正常運轉，使用無線電信號以及高強度燈光陣列來為飛機安全進場降落提供精密引導的陸基儀器進場系統。而這一套系統必須保證一定的精確度，因此，飛行校驗組織每隔一定時間都會使用特別改裝的飛機對於 ILS 的關鍵參數進行校準和驗證。它的作用是由地面發射的兩束無線電信號實現航向道和下滑道指引，建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑，飛機通過機載接收設備，確定自身與該路徑的相對位置，使飛機沿正確方向飛向跑道並且平穩下降高度，最終實現安全降落。

精密儀器進場圖就是為 ILS 進場而出版的，它可以向機師提供儀器飛行規則下 ILS 進場所需的資訊，包括 ILS 或其它助導航設施的頻率，以及能見度最低要求。

## 原理

### 航向台和下滑台

一套 ILS 系統主要由兩個子系統，一個提供水平引導（航向台 Localizer），另一個提供垂直引導（下滑台，Glide Slope 或 Glide Path）。通過兩個子系統的配合使得飛機準確降落在跑道上。而這個引導是由飛機上的 ILS 接收機對接收到的無線電信號的調製深度進行比較得到的。

航向台的天線。通常是多對定向天線，固定在跑道末端外。頻段在 108.10MHz 與 111.95MHz 之間，間隔 0.05MHz 但十分位為奇數，故有 40 個頻道。使用時發送兩個信號，一個調製成 90Hz，另一個調製成 150Hz，由獨立但安裝在一起的天線發送。每個天線都發送一束狹窄的波束，一個在跑道中心線略左邊，另一個在中心線略右。

飛機上的航向台接收機能測量出 90Hz 和 150Hz 信號的調變深度差（Difference in the Depth of Modulation）。航向台兩個頻率的調製深度都是 20%。故從兩個信號的差異可以判斷出飛機相對跑道中心線的位置。如果兩個信號強度不一，那麼飛機不是在跑道中心線的延長線上。在駕駛室里，水平指示器 HSI 或航道指示器 CDI 會顯示飛機相對跑道中心線的位置
。

下滑台天線陣安裝在跑道接地區。其信號使用頻段介於 328.6 和 335.4MHz 之間，與航向台一一對應。下滑台信號的中心線（即下滑道）一般設為與跑道成 3°，波束深 1.4°。與航向台相似，一束比下滑道高 0.7°，另一束比下滑道低 0.7°。

這些信號被顯示在駕駛艙的儀器盤上。機師通過控制飛機使得儀器指針顯示在正確的位置來保證飛機飛在 ILS 引導的航跡上。現在有很多先進的飛機直接將 ILS 的信號輸入自動駕駛系統，使得飛機能夠自動進場。

### 指點標

在一些機場安裝有接收頻率為 75MHz 的指點標。指點標的信號是燈光以及音響的提醒。在出版的有關該機場進場要求的文件里記錄著指點標距離跑道的距離，同時還伴隨著能正確接收 ILS 資訊的過點高度要求。這提供了一個在下滑道上的高度檢查。現在，ILS 安裝時，都合裝一台測距儀（DME），來作為另一個選擇，或者說取代了指點標。DME 可以不間斷地指示飛機距離跑道口的斜距。

#### 外指點標

外指點標安裝在距離跑道入口 6.5-11.1 公里處，調製頻率為 400Hz，連續拍發每秒 2 劃。。駕駛艙中的指示是一個藍色的閃爍燈，並且播放接收到的音頻。設置其的目的是在中間以及最後進場階段提供高度、距離以及設備運轉情況的檢查。外指點標時常與機場遠台安裝在一起，叫做 LOM（Locator Outer Marker）。

#### 中指點標

中指點標安裝在距離跑道入口 0.9-1.2 公里處，調製頻率為 1300Hz，交替拍發點劃，每秒 2 劃，每秒 6 點。。駕駛艙中的指示是一個琥珀色的閃爍燈，並且播放接收到的音頻。中指點標的作用是用來指示低能見度下的重飛點。中指點標時常與機場近台安裝在一起，叫做 LMM（Locator Middle Marker）。

#### 內指點標

內指點標安裝在距離跑道入口 75-450 公尺處，調製頻率為 3000Hz，連續拍發每秒 6 點。。駕駛艙中的指示是一個白色的閃爍燈，並且播放接受到的音頻。內指點標通常飛機飛到安裝在 II 類精密進場的決定高度處。

### 測距儀

### 進場燈光

一些時候，中高強度的進場燈光系統也被安裝在其中。通常這些都是大機場的配置，不過在美國不少通用航空機場也使用進場燈光來配合 ILS 設備取得更低的最低能見度。進場燈光系統協助機師從儀器飛行切換到目視飛行，使飛機對準跑道中線。精密進場時，機師在決定高度度（DA, Decision Altitude）或決定高度（DH, Decision Height）能夠獲得並保持包括進場、接地帶燈、跑道中線燈、跑道邊燈或者這些燈的組合中至少 3 個連續燈的目視參考，方可繼續進場。

在美國，沒有穿透障礙物穿透淨空面的時候，沒有進場燈光系統的一類 ILS 最低 VIS（能見度）為 0.75 英里（RVR4,000 英尺）。而當擁有 1,400－3,000 英尺（430－910 公尺）的進場燈光的時候，VIS 降為 0.5 英里，RVR 降為 2,400 英尺。而當具有高強度跑道邊燈（HIEL）、接地區燈（TDZL）、跑道中線燈（RCLL）以及 2,400 英尺（750 公尺）的時候，VIS 是 0.375 英里，RVR 是 1,800 英尺（550 公尺）。在中華人民共和國也有類似規定。

事實上，進場燈光系統延長了低能見度運轉時，飛機降落的目視參考。二類和三類 ILS 進場通常要求更為複雜的高強度進場燈光系統，而一類 ILS 進場通常使用的是中強度的進場燈光。在許多沒有塔台的機場，燈光系統可以由機師控制。

### 識別

除了前面提到的導航信號，航向台還提供 ILS 設備的識別資訊。這是一種 1020Hz 莫爾斯碼的識別信號。比如說，甘迺迪國際機場 4R 號跑道的 ILS 識別碼是 IJFK，而 4L 號跑道的則是 IHIQ。這使得使用者知道自己有沒有選中正確的 ILS。下滑台沒有識別信號，所以 ILS 設備依賴航向台的識別功能。

### 反航道進場

現代航向台天線擁有極強的方向性。然而，一些老舊的，方向性較低的天線允許反方向跑道使用一種叫做反航道進場的非精密進場程序。它使得飛機使用航向道天線陣背面發送的信號來降落。機師對相同的儀器指示需要使用相反的動作來適應這種反向信號。而且機師需要注意，下滑道的資訊是針對另一側的跑道的，應該被忽略，在美國，反航道進場在使用一類 ILS 的小機場非常常見，因為小機場不會在主跑道的兩頭都裝 ILS。

### 故障識別

有必要在 ILS 有影響飛行安全的故障發生時第一時間通知機師。為了實現這個目的，監視器持續評估某些傳輸的重要特性。如果出現了重大偏差，ILS 會自動關閉，其它導航和識別組件也將停止工作。當這些發生的時候，飛機上的儀器會出現指示，即所謂的 ILS 故障旗。

### 最低下降高度（MDA）

於非精確進場或環繞進場時，若無所需之目視參考，不應再行下降之高度。最低下降高度是因應附近的地形變化而訂定，或參考平均海平面所得之高度若沒有遵守此數據，很可能導致飛機撞擊山坡或建築物。

## 使用

在一個管制機場，ATC 會通過航向指引使得飛機接收下滑道信號，並保證飛機不過於接近（保持間隔），而且儘量加速交通流量。相隔幾英里的飛機也可以同時接收 ILS 信號。當飛機航向和進場航跡有 2.5° 以內的差值的時候，說明航向道已經建立。通常情況下，飛機將在至少 2 英里（3 公里）之前的最後進場定位點截獲下滑道。

在一個錶盤上會指示飛機偏離最優路徑的情況。從 ILS 接收機過來的數據既進入儀器系統顯示，也輸入飛行控制計算機。可以使用自動駕駛儀或飛行控制計算機自動降落，機組成員監控運轉，也可以脫離自動駕駛，由機組控制飛機保持飛機處於 ILS 航道上手動降落。

## 等級

儀器降落系統依精確度不同而分為下列等級。

機場裝設等級越高的儀器降落系統，必須有越寬廣的淨空範圍，以避免無線電訊號受到干擾，而影響精確度。和其他運轉模式不同的是，CAT III 的最低天氣條件並不要求降落所需的目視參考來人工降落。這個最低條件的設置是為了允許機師決定飛機能否在接地區降落（基本上是 CAT I），或者保證在降落滑跑時的安全（基本上是 CAT II）。因此，CAT III 運轉強制使用自動降落系統來降落。它的可靠性必須足以控制飛機接地（CAT IIIA 運轉）或者足以安全的滑跑並降低到可以安全滑行的速度（CAT IIIB 運轉，以及需要批准的 CAT IIIC）。若採用第三 C 類儀器降落系統，客機降落後需要由拖車拖走，因為駕駛員未能看見任何外物。

在美國，FAA 指令 8400.13D 允許特殊批准的一類 ILS 進場使用決定高度 150 英尺（45 公尺），RVR1400 英尺（450 公尺）。其飛機和機組必須獲得二類運轉的資格，而且二類或者三類運轉模式的平視顯示器（HUD）需要開啟，直到決定高度，並且需要二 / 三類的重飛程序。

在加拿大，一類進場所需的 RVR 僅為 1600 英尺。而在滿足了運轉規範 019、303 和 503 之後，還可下調至 1200 英尺。3

在美國，許多但不是所有裝備了三類進場設備的機場同時提供三類 A、三類 B、三類 C 標準（TEPRS）。三類 B 的 RVR 最低值受限於跑道和滑行道的燈光以及其它輔助設備，並且與場監雷達相配套。當 RVR 小於 600 英尺（180 公尺）時，需要打開跑道中線燈和滑行道紅色停止排燈。如果三類 B 的 RVR 標準小於 600 英尺時，並且該條跑道末 RVR 小於 600 英尺，就需要機組具有三類 C 的資格，以及特殊滑行程序、燈光以及額外審批才可以落地。FAA 指令 8400.13D 限制三類進場的 RVR 必須大於 300 英尺。在 2009 年修訂的這條指令中，還允許特殊批准的二類進場使用在沒有 ALSF-2 進場燈光以及接地區燈或者跑道中線燈的跑道上，這使得潛在的二類進場跑道大幅度增加。

上述情況都需要有資質的機組和有特定設備的飛機。比如說，三類 B 需要機組有當時有效的資質，需要飛機具有失效－工作（fail-operational）飛行控制系統，即如果在一個警戒高度下飛行控制系統失效，飛機仍能夠自動完成進場、拉平和著陸。而這些對於一類進場來說是不需要的。平視顯示器可以允許機師作出比飛行控制系統失效－工作後更加靈活的機動動作。一類進場只需要能顯示決定高度的高度表，而二類和三類需要有無線電高度表來判斷決定高度。

ILS 需要在失效的時候立刻關閉，在類別不同的時候，反應時間也不同。一類只需要在 10 秒以內，而三類需要在 2 秒以內。

## 頻率列表

航向台和下滑台的載波頻率是配對的，這樣只要一次選擇就能將兩台接收機調諧好。

## 歷史和局限

ILS 的測試始於 1929 年。在 1938 年 1 月 26 日，從華盛頓特區飛往匹茲堡的賓夕法尼亞中部航空的波音 247-D 第一次使用儀器降落系統在暴風雨中降落。而當時的美國民用航空局（Civil Aeronautics Administration）在 1941 批准在 6 個地方安裝了這套系統。1964 年 3 月，英國皇家航空研究院的貝德福德機場實現了首次 ILS 全自動著陸。

由於航向台系統和下滑台系統的複雜性，在使用的時候又很多限制。航向台系統對信號覆蓋範圍內的諸如大型建築物或機庫等障礙物非常敏感。下滑系統同樣受到其天線前方地形的限制。如果地形是傾斜或者不平整的，會反射產生不平整的下滑道，造成航道變形。由於天線的複雜和選址的要求，ILS 的安裝往往是非常昂貴的。為了避免危險的反射影響正常發射的信號，ILS 關鍵區和敏感區就建立了起來。這些區域的建立會影響正在使用滑行道的飛機。而增加飛機間隔又會導致額外的延誤。此外由於 ILS 信號是由陣列天線往一個方向發出的，故而只支持直線進場。

## 替代品

### 儀器引導系統（Instrument Guidance System）

由於 ILS 僅支持直線進場，於是一種改良後的 ILS 誕生了。它就是儀器引導系統（Instrument Guidance System）。IGS 設備上和 ILS 基本相同，區別就是它的航向道是偏置的，它所引導的下滑道與跑道有 30—60° 的夾角。當飛機沿 IGS 進場到最低下降高度時候要來一個機動轉彎，轉過來後飛機正好在五邊下滑線上，然後保持目視著陸。最知名的使用地點在香港啟德機場的 13 號跑道的非直線進場。

### 微波降落系統（Microwave Landing System）

微波降落系統（Microwave Landing System）在 20 世紀七十年代作為 ILS 的替代品被引入 到了 20 世紀 80 年代，美國和歐洲開始著力開發，它可以實行曲線進場。然而，航空公司們不願意為 MLS 投入資金，再加上 GPS 的影響，造成了其在民航應用領域的失敗。然而，它似乎在英國復活了。 ILS 和 MLS 都是目前僅有的可以實現三類自動進場的系統。民航業第一次使用三類 MLS 進場是在 2009 年 3 月的希斯羅機場。

### 詢答降落系統（Transponder landing system）

詢答降落系統（Transponder landing system）是另一種 ILS 的替代品，可以安裝在一些 ILS 無法工作或者安裝費用過高的地方。它採用最新的技術，根據飛機已有的雷達應答機發出的信號，計算並跟蹤飛機在空中的位置，然後向機艙內的機載 ILS 接受設備提供導航指示。

### LPV

GPS 時代的來臨為飛機的進場提供了一類新的替代品，星基擴增系統的垂直引導進場（Localizer Performance with Vertical guidance ）。在美國，寬域擴增系統（Wide Area Augmentation System）支持下的 LPV 從 2007 年開始成為新的一種一類精密進場標準。截至 2008 年 11 月，FAA 出版的 LPV 進場程序已經超過 ILS 一類進場程序。

而在歐洲，歐洲地球同步衛星導航增強服務系統（EGNOS）也於 2010 年開始使用。其他形式的擴增系統也在開發，來適應三類標準或者提供更高的精度，比如局域擴增系統（LAAS）。

### GLS

另一種替代技術是基於地基擴增系統（Ground-Based Augmentation System）的 GLS（GNSS Landing System 或者 GBAS Landing System）。這是一種增強了 GPS 標準定位服務（Standard Positioning Service ）功能並且同更高進度定位的安全關鍵系統（safety-critical system ）。它通過甚高頻為進場、著陸、離場以及地面運轉等各個階段的提供支持。其中局域擴增系統是美國建設的 GBAS 系統。GBAS 將在現代化建設、一類二類三類全天候運轉、終端區導航、重飛引導和地面運轉中起到關鍵作用。GBAS 提供機場使用單一甚高頻頻率服務所有方向降落飛機的能力，而 ILS 需要為各條跑道分別設置頻率。GBAS 一類運轉是更加嚴格的二三類運轉的前導。目前已是 ICAO 標準和建議措施（SARPs）。

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## 備註