Théorie du fonctionnement de l'ILS

1. Introduction

L’ILS (Instrument Landing System) est un système automatique d’aide à l’atterrissage, utilisé dans l'aviation civile. Il permet une approche de précision compatibles avec des conditions météorologiques dégradées, en offrant un guidage dans les plans vertical et horizontal jusqu’au seuil.

L’ILS comprend :

• Un système de guidage horizontal appelé LOCALIZER ;
  
• Un système de guidage vertical appelé GLIDE SLOPE ;
  
• Un système d’identification par code morse attaché au glide.
  

Le localizer fournit les informations de guidage dans le plan horizontal. Ce dernier émet, grâce à un réseau d’antennes directrices situées dans le prolongement de la piste, un faisceau radioélectrique permettant de fournir au pilote une indication d’écart horizontal par rapport à l’axe de piste.

Le glide slope ou appelé simplement glide fournit au pilote une information d'écart par rapport au plan de descente. Il émet des faisceaux radioélectriques dans le prolongement de l’axe de piste permettant de fournir au pilote une indication d’écart vertical par rapport à la pente de descente nominale.

Le système d’identification par indicatif en code morse en est un moyen de s'assurer du bon fonctionnement de l'ILS (sauf dans certains cas de panne et lors de sa maintenance).

Un équipement de contrôle et surveillance est présent sur les installations. Il sert à contrôler les émissions en permanence et permet d’avertir en cas de panne.

Un balisage spécifique pour les ILS catégories III, permet d’assurer le maximum de précision aux signaux envoyés et éviter que un aéronef ne s’approche trop prêt des antennes qui pourrait déformer le rayonnement radio électrique des antennes.

La plupart des ILS en France sont couplés avec un DME qui permet de connaître la distance à parcourir pour atteindre le seuil de piste (elle représente la 3e composante de guidage pour une approche de précision).

2. Station au sol

2.1 Type de localizer

Le localizer émet dans la bande VHF. La fréquence étant fixe et prise entre 108,10 MHz et 111,95 MHz avec la première décimale impaire (Ex: 108,10 – 108,15 – 108,30 – 108,35 etc...). 

Il existe plusieurs système de localiser ayant de 13 à 41 antennes de type « log périodique » directrices ou « type quad » mise en réseau.

Il y a deux types de localizer :

• Single Antenna ;
  
• Capture Effect.
  

Les antennes des anciens localizer rayonnaient de l’énergie vers l’arrière (lobes de rayonnement secondaires), ce qui créait un faisceau semblable à celui émis vers l’avant. Ce rayonnement parasite pouvait être utilisé pour :

• Le guidage lors des départs ;
  
• Les approches de non-précision appelées approches localizer « back course ».
  

Exemple d'utilisation d'un LOC en back-course pour une remise de gaz à Aspen (KASE)

Sur les nouveaux systèmes LOC, une émission localizer en back-course est possible grâce à des antennes spécifiques permettant de reconstituer le faisceau arrière.

Le faisceau arrière est différent du faisceau avant :

• Son gain n’est pas aussi élevé que celui du faisceau avant ;
  
• Sa précision est plus faible ;
  
• Aucun glide-slope disponible.
  

Les approches localizer back course sont considérées comme des approches de non précision au même titre que les approches VOR.

Les approches back courses ne sont disponibles que si ce type d’approche est publié sur les aéroports.
Les approches back course sont interdites en France

2.2 Type de glise slope

Le glide (slope) utilise des fréquences UHF comprises entre 328.65 et 335.40 MHz. Ces dernières sont appariées aux fréquences des localizer et sont automatiquement définie en interne dans l’aéronef, de façon transparente. Le pilote n’a qu’à rentrer la fréquence du localizer pour avoir la fréquence glide active.
Le glide est composé de deux ou trois antennes polarisées horizontalement, disposées verticalement sur un pylône situé sur l'un des côtés au travers de la zone de toucher des roues.

La réflexion du sol est nécessaire afin de constituer le diagramme de rayonnement du Glide.

Il existe cinq systèmes homologués qui sont :

• Null-reference ;
  
• Sideband-reference ;
  
• Capture-effect ;
  
• Endfire ;
  
• Waveguide.
  

Les trois premiers sont appelés des systèmes à effet d'image (image glide slope system). Ils utilisent la réflexion du sol pour générer leur diagramme de rayonnement dans l'espace. La stabilité de leur diagramme dépend beaucoup des conditions météorologiques (exemple : un terrain enneigé ou abondamment mouillé, va modifier le diagramme de rayonnement).

Les deux derniers sont référencés comme systèmes sans image (non image glide slope system) car ils n'utilisent pas le sol pour réaliser le diagramme de rayonnement. Ils sont employés lorsque les conditions du terrain sont telles qu'un système image est inutilisable. Leurs antennes sont radicalement différentes et ne dépassent pas 1,5 mètre de hauteur.

Si le terrain environnant l'aérodrome est trop dénivelé, on utilisera des variantes permettant de compenser ce défaut.

Par exemple, il sera préféré:

• Un système « sideband- reference », si le terrain descend en bout de piste ;
  
• Ce sera plutôt un système « capture-effect », si le terrain remonte en bout de piste.

2.3 Précision de l'ILS

Les chapitres précédents ont mis en lumière les difficultés imposées par le terrain et l'existence de réponses techniques variées.

L'OACI a donc décidé de classifier ces systèmes ILS en trois catégories distinctes, ceci en fonction des infrastructures aéroportuaires et de leurs capacités techniques :

		INSTALLATION SOL
		Écart max toléré sur la trajectoire	Écart max toléré sur les modulations	Durée maximale d'absence d'émission
LOCALIZER	CAT I	0,031 DDM à OM 0,015 DDM à MM 0,015 DDM après	± 2,5 %	10 s
	CAT II	0,031 DDM à OM 0,005 DDM à MM 0,005 DDM après	± 1,5 %	5 s
	CAT III	0,031 DDM à OM 0,005 DDM à MM 0,005 DDM après 0,005 à 0,001 DDM après	± 1,0 %	2 s
GLIDE	CAT I	0,075 θ	± 2,5 %	6 s
	CAT II	0,075 θ	± 1,5 %	2 s
	CAT III	0,040 θ	± 1,0 %	2 s

Catégories d'ILS selon l'OACI avec indication des écarts de guidage et des tolérances techniques

Ces trois catégories d'ILS permettent des opérations d'approche de précision.

Ces approches de précision sont classifiées en trois catégories différentes : CAT I, CAT II et CAT III qui tiennent compte :

• Des équipements additionnels autres que radio-électriques (marquage, éclairage…) ;
  
• Des capacités techniques de l'aéronef ;
  
• De la qualification des équipages ;
  
• Des minimums spécifiques à chaque plateforme.

Catégorie ILS	DH	RVR
CAT I	200ft ≤ DH	RVR ≥ 550m
CAT II	100ft ≤ DH < 200ft	RVR ≥ 300m (aéronef CAT A,  B et C) RVR ≥ 330m (aéronef CAT D, E)
CAT IIIa	50ft ≤ DH < 100ft	RVR ≥ 200m
CAT IIIb	DH < 50ft	75m ≤ RVR < 200m
CAT IIIc	Pas de minimum	RVR < 75m

Une approche CAT III ne pourra être menée que sur un ILS de CAT 3

Une approche CAT I pourra être menée sur un ILS de CAT 1 à CAT 3

La CAT III est subdivisée en trois sous-catégories : CAT IIIa, CAT IIIb et CAT IIIc.

L'aéronef et l'équipage doivent être certifiés pour la catégorie d'opération envisagée.

En France, toutes les installations radio-électriques sont de CAT 3. Mais toutes les plateformes ne sont pas certifiées pour des opérations de CAT III.

La RVR (Runway Visual Range) ou portée visuelle de piste est une mesure de la visibilité, effectuée par des transmissomètres disposés le long de la piste. Ces derniers mesurent la distance maximum jusqu’à laquelle un pilote, placé sur l’axe de la piste, peut voir les marques ou les feux qui délimitent la piste, ou qui balisent son axe.

La DH (Decision Height) ou hauteur de décision est la hauteur au-dessus du sol à laquelle la référence visuelle est indispensable pour la poursuite de l'approche.

2.4 Fonctionnement du localizer

Le système équivaut à deux antennes directives, présentant des faisceaux très étroits, situées de part et d’autre de la piste et qui émettent, dans le prolongement de son axe, des signaux modulés en amplitude à des fréquences différentes. L’antenne située sur le coté droit de la piste rayonne une porteuse modulée par un signal AM de 150 Hz et l’antenne située sur le côté gauche, émet une autre porteuse, modulée par un signal AM de 90 Hz.

Les fréquences et les amplitudes des deux porteuses sont identiques et chacune est modulée à 40 % par son signal défini. Le spectre rayonné par chaque antenne présente donc un pic central qui est la porteuse et deux petites bandes latérales correspondant aux enveloppes des deux modulations.

En réalité l’émission est réalisée par un réseau d’antennes qui génère une modulation d’espace. Chaque antenne émet une partie du 90Hz et du 150Hz afin de générer un faisceau de guidage latéral dans l’espace. Le récepteur reçoit ainsi de l’énergie des deux antennes et le champ électromagnétique combiné par l’aéronef possède les deux amplitudes de modulation du 150Hz et du 90Hz.

DDM = différence du taux de modulation (entre les signaux à 90Hz et 150Hz)

TM = taux de modulation (de chaque signal) par rapport à l’amplitude de la porteuse

Nous avons DDM = TM₉₀ - TM₁₅₀

La portée de du faisceau du localizer est d'environ 25NM par rapport à l’antenne émettrice avec un angle d’ouverture de plus ou moins 10° en azimut (par rapport à l’axe de piste) et jusqu’à 7° en site (par rapport à l’horizontale).

2.5 Fonctionnement du glide slope

Le glideslope fonctionne quasiment sur le même principe mais dans le plan vertical. La bande de fréquence utilisée est différente (UHF), mais le diagramme de rayonnement est semblable (nous ne détailleront pas les principes identiques).

Il émet des faisceaux radioélectriques dans le prolongement de l’axe de piste qui assurent une couverture en azimut de 8° de part et d’autre de l’axe ainsi qu'une couverture en site comprise entre 0,45 x θ et 1,75 x θ de (θ étant l’angle de la pente nominale de descente et varie entre 2 et 6°).

• L’antenne basse se situe à 4,25 m au dessus du sol et rayonne la porteuse de fréquence (f_p) et les bandes latérales correspondant aux modulations 90 et 150 Hz. Elle est modulée en amplitude.

• L’antenne haute est située à 8,5 m du sol et rayonne uniquement les bandes latérales des deux modulations 90 et 150 Hz. On utilise une modulation d’amplitude avec porteuse supprimée

2.6 Zone de couverture

En pratique, les antennes sont moyennement directives, mais précisément espacées les unes des autres et couplées en réseau afin de créer un diagramme de rayonnement commun, suffisamment étroit.

Cependant, même émis avec un diagramme étroit dans l'axe, les signaux du localizer présentés précédemment ne garantissent pas une sécurité suffisante.

En effet, il est toujours possible de voir un aéronef se diriger vers le seuil de la piste en suivant une direction différente de celle de son axe. Ceci est du à la présence des lobes secondaires sur les diagrammes de rayonnement des antennes directives (phénomène physique inévitable).
Ces lobes se situent de part et d’autre de l’axe de piste et sortent largement de l’enveloppe -20° - +20° souhaitée. Un pilote pourrait donc suivre un faisceau secondaire qui, en apparence, semble tout à fait normal. 

Pour remédier à ce problème avec l’aide d’un ensemble d’antennes directionnelles, une zone de couverture a été mise en place.
Cette zone couvre les faisceaux incorrects (faisceaux latéraux et arrière) par l’émission d’un signal dont la fréquence est décalée (si ces signaux étaient à une fréquence identique, ils s’ajouteraient et accentueraient le phénomène). Cette émission supplémentaire ne fournit pas d'indication de guidage, mais uniquement une information du type « tout à gauche » ou « tout à droite ».

Le signal principal du localizer s’appelle le signal directionnel et le signal secondaire est le signal de couverture.

L’émetteur de guidage utilise une fréquence inférieure de 4,75 kHz à la fréquence nominale du canal (fréquence centrale) et l’émetteur de couverture une fréquence de 4,75 kHz encore en dessous.

3. Représentation sur les cartes

Les ILS sont graphiquement représentés par un symbole spécifique sur les cartes Jeppesen :

Cependant sur les cartes d’approche du SIA, les ILS ne sont pas représentés avec un signe particulier. Seul le cartouche de l’approche fait foi en donnant la fréquence, l’identification morse.

L’approche ILS est représenté par la trajectoire rectiligne de l’aéronef.

4. Fonctionnement de la détection

4.1 Principe du récepteur

Le principe pour la réception est extrêmement simple. Il s'agit de comparer les amplitudes de deux signaux de fréquences différentes. Pour cela, après détection, les signaux sont appliqués à des filtres passe bande de 90 Hz et 150 Hz qui vont en effectuer la séparation. Une fois redressées les tensions résultantes sont envoyées à l'afficheur.

Le pilote n’a plus qu’à regarder la position des aiguilles sur l’instrument pour voir sa position par rapport à l’axe d’approche idéal représenté par le centre de l’instrument (voir instrument ci-dessus).

4.2 Localisation avec le localiser

4.2.1 Sur l'axe de piste

Le récepteur reçoit autant d'énergie des deux antennes à cause de la symétrie. L’amplitude de modulation du 150Hz est égale à l’amplitude du 90Hz.

Nous avons DDM = TM₉₀ - TM₁₅₀ = 0 µA

4.2.2 Sur la gauche de la piste

L’énergie reçue du rayonnement du 150Hz est plus grande que celle reçue du rayonnement du 90Hz.
L’amplitude de modulation du 150 Hz est supérieure à l’amplitude de modulation du 90 Hz.
La DDM n'étant pas nulle, une indication de déviation vers la gauche est alors transmise à l'afficheur.

Nous avons DDM = TM₉₀ - TM₁₅₀ < 0 µA

4.2.3 Sur la droite de la piste

L’énergie reçue du rayonnement du 150Hz est plus petite que celle reçue du rayonnement du 90Hz.
L’amplitude de modulation du 150 Hz est inférieure à l’amplitude de modulation du 90 Hz.
La DDM n'étant pas nulle, une indication de déviation vers la droite est alors transmise à l'afficheur.

Nous avons DDM = TM₉₀ - TM₁₅₀ > 0 µA

4.3 Localisation avec le glide slope

La même réflexion est à apporter pour le plan de descente. Nous ne rappellerons pas les calculs qui suivent le même principe. Nous ne présenterons que les images.

4.3.1 Sur l'axe de descente

4.3.2 En dessous de l'axe de descente

4.3.3 Au dessus de l'axe de descente