Instrumentenlandesystem

Landekurssender (Rückseite) für die Runway (RWY) 27R des Flughafens Hannover (EDDV/HAJ)

Das Antennensystem des Landekurssenders (engl. localizer, LOC oder LLZ) steht im Abflugsektor, ca. 300 m hinter dem Ende der Landebahn (engl. stop end of runway) 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). Er zeigt dem Piloten also, ob er weiter rechts oder links fliegen muss, um exakt in der Landebahnmitte aufzusetzen.

Der Localizer hat eine Sendeleistung von 25 bis 50 Watt und 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 and Side Band). Über die gleichen Antennen wird ein weiteres Signal in Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger abgestrahlt, das sogenannte SBO-Signal (engl. Side Bands 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. Difference in the 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 weist den Piloten nach rechts (fly into the needle), um wieder auf die Landebahnmitte zuzufliegen. 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 weist den Piloten nach links, um wieder auf die Landebahnmitte zuzufliegen.

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 für RWY 09R des Flughafens Hannover

Das Signal des Gleitwegsenders (englisch glideslope, kurz GS oder glide slope, kurz G/S, auch glide path transmitter, kurz GP) wird im Glideslope-Empfänger verarbeitet und zeigt dem Piloten die vertikale Abweichung vom optimalen Gleitweg (glide path, GP) an. Bei einem Anflugwinkel (Anflugprofil/Gradient) von 3 Grad und einer RDH (Reference Datum Height) von 50 ft (15 m) liegt der Aufsetzpunkt ca. 280 m hinter der Landeschwelle (threshold, THR).

Der Sender steht seitlich neben der Bahn in Höhe des Aufsetzpunktes und arbeitet auf einer Frequenz im Bereich 329–335 MHz, also deutlich höher als der Landekurssender. Die beiden Frequenzen (Kanäle) von Landekurs- und Gleitwegsender sind fest miteinander gepaart; somit braucht der Pilot nur den Landekurssender einzustellen und die Frequenz des zugehörigen Gleitwegsenders wird automatisch mit selektiert. Das Funktionsprinzip ist analog zum Landekurssender, nur sind die beiden Strahlungskeulen des Gleitwegsenders vertikal ausgerichtet, statt horizontal wie beim Localizer. Auf der jeweiligen Trägerfrequenzen sind in Amplitudenmodulation zwei Signale mit 90 und 150 Hz mit einer Modulationstiefe von 40 % aufmoduliert, die von den Antennen so abgestrahlt werden, dass entlang des 3°-Anflugweges ein Strahlungsmaximum liegt, das Carrier Side Band (CSB) genannt wird. Über die gleichen Antennen wird amplitudenmoduliert ein weiteres Signal ohne Trägeranteil (Zweiseitenband/unterdrückter Träger – DSBSC) abgestrahlt, das sogenannte Side Band Only (SBO). Seine Strahlungsmaxima liegen unter- und oberhalb des 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 (Difference in the depth of modulation, DDM) der 90-Hz- und 150-Hz-Signale. Auf dem 3°-Anfluggradienten beträgt die Modulationstiefe für jede modulierte Frequenz 40 %, die Differenz wird zu Null, die waagerechte Nadel des Anzeigeinstruments steht in der Mitte.

Bei Abweichungen vom 3°-Anfluggradienten nach oben (Maschine zu hoch) nimmt der Modulationsgrad des 90-Hz-Signals zu, während er für das 150-Hz-Signal abnimmt, die waagerechte Nadel des Anzeigeinstruments wandert nach unten und zeigt dem Piloten, dass er mit der Maschine tiefer gehen muss („fly into the needle“), um wieder auf den 3°-Anfluggradienten zurückzukehren. Fliegt er zu tief, 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 zeigt dem Piloten, dass er Höhe gewinnen muss.

Der Anflugwinkel bei einem ILS-Anflug CAT I liegt typischerweise zwischen 2,5 und 3,5 Grad, idealerweise 3,0 Grad. In London City beträgt der GP 5,5°. Beim ILS-Anflug CAT II/III muss der Gleitwinkel 3 Grad betragen. Das Anzeigegerät zeigt dem Piloten an, ob er nach oben oder unten steuern 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. Je nach Anflugkategorie übernimmt der Pilot bereits vor der Landung die manuelle Kontrolle und landet, oder nach einer automatischen Landung, wenn das Flugzeug bereits ausrollt.

Middle-Marker-Sender Hannover RWY EDDV 09L

Outer-Marker-Sender RWY EDLV 27 des Verkehrsflughafens Niederrhein (Airport Weeze)

Einflugzeichen oder Marker sind Funkfeuer, die auf dem Anflugweg mit einer Sendeleistung von 0,2 bis 0,5 Watt senkrecht nach oben abstrahlen. Deren Passieren (in einer sinnvollen Flughöhe) stellt eine weitere Verifikation eines ordnungsgemäßen Anfluges dar. Sie arbeiten im Frequenzbereich 74,6 bis 75,4 MHz.

Im Endanflug werden nacheinander Voreinflugzeichen (Outer Marker, OM oder LOM), Haupteinflugzeichen (Middle Marker, MM) und – das in Deutschland nicht mehr gebräuchliche – Platzeinflugzeichen (Inner Marker, IM) überflogen. Das entsprechende Tonsignal wird dabei immer höher.

Sie stehen meist vier (Outer Marker, OM oder LOM) nautische Meilen (NM) (7,4 Kilometer) bzw. eine halbe NM (0,9 Kilometer) (Middle Marker, MM) vor der Landeschwelle (englisch threshold, THR). Beim Überfliegen lösen sie ein Tonsignal und/oder eine blinkende Anzeige aus.

Immer häufiger werden die Einflugzeichensender durch Entfernungsfunkfeuer DME (englisch Distance Measuring Equipment) ergänzt, die eine kontinuierliche Anzeige der Entfernung zur Landeschwelle ermöglichen. Die Sende- und Empfangsantennen des DME sind am Mast des Gleitwegsenders zusätzlich angebracht. Die Entfernungsanzeige im Cockpit erfolgt numerisch in nautischen Meilen.

Das Voreinflugzeichen, der Outer Marker, steht 7200 m ± 300 m vor der Landeschwelle und ist in der Amplitude mit einem Ton von 400 Hz (300 ms an, 100 ms aus) moduliert. Im Cockpit ist beim Überflug dementsprechend ein tiefer 400-Hz-Ton („−−−“) zu hören und die blaue Anzeige „Voreinflugzeichen“ leuchtet auf. Der Outer Marker dient zur Kontrolle des Höhenmessers (barometrisch oder zusätzlich ein Radar-Altimeter).

Bei einem ILS-Anflug muss sich das Flugzeug am OM auf dem Gleitpfad befinden. Daher ist auf jeder Anflugkarte die am OM erforderliche Flughöhe über Grund (height; HGT) des Gleitpfads angegeben. Steht der OM ca. 4 NM vor der Landeschwelle und soll der Anflugwinkel 3 Grad betragen, muss die Maschine beim Überflug des OM noch eine HGT von 1320 ft (ca. 400 m) haben. Die Berechnung lautet: 4 NM × 318 ft/NM + 50 ft Schwellenüberflughöhe (RDH).

Blaue Outer-Marker-Leuchte

Outer-Marker-Sound:

Das Haupteinflugzeichen, der Middle Marker, steht 1050 m ± 150 m vor der Landeschwelle und ist mit einem Ton von 1300 Hz (300 ms an, 100 ms aus, 100 ms an, 100 ms aus) höher moduliert als das Signal des Outer Markers. Im Cockpit ist beim Überflug dementsprechend ein 1300-Hz-Ton („−·−·−·“) zu hören und die gelbe Anzeige „Haupteinflugzeichen“ leuchtet auf.

Gelbe Middle-Marker-Leuchte

Middle-Marker-Sound:

Das Platzeinflugzeichen, der Inner Marker, ist in Deutschland ungebräuchlich und wird weltweit in der zivilen Luftfahrt ebenfalls kaum verwendet. In der militärischen Luftfahrt finden Inner Marker jedoch noch Anwendung. Diese stehen dann unmittelbar an der Landeschwelle, sind mit 3000 Hz amplitudenmoduliert und erzeugen dementsprechend einen hohen 3000-Hz-Ton (100 ms an, 100 ms aus). Im Cockpit leuchtet eine weiße Anzeige und ein „···“-Ton ist zu hören.

Weiße Inner-Marker-Leuchte

Inner-Marker-Sound:

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 (Nichtpräzisionsanflüge, CAT I oder CAT II/III) unterscheiden.

Als weitere Möglichkeit zur Kontrolle des richtigen Gleitweges, vor allem für Anflüge bei Dunkelheit, können zusätzlich optische Systeme vorhanden sein. Dies sind VASI (Visual Approach Slope Indicator) und PAPI (Precision Approach Path Indicator), die sich vor allem durch ihre einfache Handhabung auszeichnen, jedoch naturgemäß beide auf eine genügende Flugsicht angewiesen 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 Zielflugplatz zu einem Alternativziel erforderlich macht. Die ILS-Signale der Flugplätze müssen periodisch mittels Messflügen geprüft werden, da zum Beispiel Gebäude und Baukräne diese stören können.

Ein Beispiel für eine solche ILS-Störung ist ein Zwischenfall auf dem Flughafen München im Jahre 2011. Die Anflüge wurden unter ILS CAT I durchgeführt. Ein startendes Flugzeug störte die ILS-Signale. Daraufhin steuerte der Autopilot die Boeing 777, welche ohne Rücksprache mit der Flugsicherung unter CAT IIIB anflog, noch vor dem Aufsetzen nach links; das Flugzeug kam von der Landebahn ab.[2]

Höhere ILS-Kategorien bedingen somit eine größere Staffelung der Luftfahrzeuge im Anflug, und die Kapazität der Flugplätze ist so deutlich reduziert. Ebenso haben die Schutzzonen am Boden (critical und sensitive area) größere Ausmaße als bei CAT I und die Flugzeuge müssen an einem weiter von der Landebahn entfernten Haltepunkt anhalten als bei CAT I oder bei Sichtanflügen. Bei CAT I sind dies 90 m, bei CAT II/III 150 m.

CAT I

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 (dies sind heutzutage die allermeisten Motorflugzeuge). Die Landung als solche darf aber vom Piloten manuell, das heißt von Hand gesteuert, durchgeführt werden. Piloten mit einer solchen Berechtigung müssen solche Flüge nach Instrumentenflugregeln (IFR) regelmäßig durchführen, ansonsten verlieren sie unter anderem die Berechtigung für CAT-I-Anflüge.

CAT II

Eine besondere Ausbildung bzw. Berechtigung der Besatzung ist notwendig. Ein Autopilot muss nicht vorhanden sein, der Anflug wird aber selten von Hand geflogen. Instrumente müssen zweifach vorhanden sein (je eine unabhängige Anzeige des Landekurses/Gleitpfads für Captain und Ersten Offizier). Ein Radar-Höhenmesser (Radar-Altimeter) ist ebenfalls notwendig.

CAT III

Landungen nach CAT III müssen zwingend durch mehrfach vorhandene Autopiloten des Flugzeugs gesteuert werden (engl. auto coupled landing). Diese steuern unabhängig voneinander das Flugzeug unter Verwendung von ILS-Signalen, die unabhängig voneinander empfangen werden (Redundanz). Die Cockpitbesatzung sowie die Fluggesellschaft müssen über eine spezielle Berechtigung verfügen. Der Autopilot muss unter anderem per Radarhöhenmesser in der Lage sein, das Flugzeug bei der Landung selbsttätig zum Ausschweben (engl. flare) abzufangen 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 davon 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.

Erste Flugzeuge mit CAT-III-Fähigkeiten

Aufgrund der vorherrschenden Wetterbedingungen in Europa, vor allem aber in Großbritannien, fand die Entwicklung von CAT-III-fähigen Flugzeugen zunächst in Europa statt. So gehörte in den 1980er Jahren die CAT-III-Fähigkeit noch nicht zur serienmäßigen Ausstattung US-amerikanischer Flugzeuge. Hingegen übernahmen Boeing und Alaska Airlines die Pionierrolle bei CAT-III-Landungen mit Head-Up-Display.

Die Sud Aviation Caravelle wurde im Dezember 1968 für CAT-III-Anflüge zugelassen. Darauf folgte die Hawker-Siddeley Trident (IIIa 1972, IIIb 1975). Die erste manuelle CAT-III-Landung auf einem Passagierflug erfolgte im Jahr 1989 (Boeing 727 der Alaska Airlines).

Die DFS hat an 15 deutschen rechtmäßigen internationalen Flughäfen 45 ILS-Systeme. Davon erfüllen 11 Systeme CAT I und 34 Systeme CAT II oder CAT III.

• Berlin-Brandenburg – IIIb, IIIb, IIIb, IIIb
• Bremen – IIIb, IIIb
• Dresden – I, IIIa
• Düsseldorf – I, IIIa, IIIb, IIIb
• Erfurt – I, IIIb
• Frankfurt – IIIb, IIIb, IIIb, IIIb, IIIb, IIIb (zusätzlich zwei CAT-I-Anlagen als Redundanz für die Landebahn Nordwest (07L/25R))
• Hamburg – I, I, IIIb
• Hannover – I, I, IIIb, IIIb
• Köln/Bonn – I, IIIb, IIIb
• Leipzig/Halle – IIIb, IIIb, IIIb, IIIb
• München – IIIb, IIIb, IIIb, IIIb
• Münster/Osnabrück – I, IIIa
• Nürnberg – I, IIIb
• Saarbrücken – I
• Stuttgart – IIIa, IIIb

In Deutschland existieren weitere Verkehrsflughäfen bzw. -landeplätze, die mit einem Instrumentenlandesystem ausgestattet sind. Insgesamt sind es 33 ILS-Systeme. Davon erfüllen 25 Systeme CAT I und 8 Systeme CAT II oder CAT III.

• Augsburg – I
• Braunschweig – I
• Cuxhaven-Nordholz – I
• Dortmund – II, II
• Frankfurt-Hahn – I, IIIb
• Friedrichshafen – I, IIIb
• Heringsdorf – I
• Ingolstadt-Manching – I
• Karlsruhe/Baden-Baden – I, IIIa
• Kassel-Calden – I, IIIb
• Kiel-Holtenau – I, I
• Lahr – I
• Leipzig-Altenburg – I
• Lübeck-Blankensee – I, II
• Memmingen – I
• Mönchengladbach – I, I
• Niederrhein – IIIa
• Paderborn/Lippstadt – I, I
• Rostock-Laage – I, I
• Schwäbisch Hall – I
• Schwerin-Parchim – I
• Siegerland – I
• Sylt – I

Die Bundeswehr betreibt auf elf ihrer 28 Flugplätze ein ILS. Alle Systeme entsprechen CAT I.[3]

• Bückeburg – I
• Geilenkirchen – I
• Hohn – I
• Holzdorf – I
• Ingolstadt/Manching – I
• Laage – I, I
• Neuburg – I[4]
• Niederstetten – I
• Nordholz – I
• Nörvenich – I
• Wunstorf – I

Ein in Celle installiertes ILS CAT I wurde 1992 abgebaut.

Instrumentenanflüge von Luftfahrzeugen der Bundeswehr erfolgen jedoch meist über ungerichtete Funkfeuer (Hubschrauber) bzw. TACAN- oder ARA-Anflüge (Airborne Radar Approach) (jeweils Kampfflugzeuge) oder mit Hilfe des jeweils flugplatzeigenen Präzisionsanflugradars. Lediglich Transportflugzeuge bzw. zivile Mitbenutzer der Flugplätze nutzen überwiegend das ILS.

• Flugplatz Hamburg-Finkenwerder (Sonderlandeplatz)
• Flugplatz Lahr (Sonderflughafen)
• Flugplatz Oberpfaffenhofen (Sonderflughafen)
• Ramstein Air Base
• Spangdahlem Air Base