大气数据系统 （飞行高度及高度变化率的测量）刘瑞华 中国民航大学 电子信息工程学院*第2/共36高度定义及分类*第3/共36高度定义及分类n飞行高度：飞机的重心在空中距离某一 测高基准面的垂直距离。绝对高度：基准面为实际海平面相对高度：基准面为某一参考平面真实高度：基准面为飞机正下方的地面目 标之最高点在内的并与地平面平行的平面标准气压高度：基准面为标准海平面 标准气压高度是国际上通用的高度，主要 防止同一空域或同一航线上的飞机在同一 气压面上飞行，发生两机相撞的可能。*第4/共36高度测量方法n1.利用大气的物理特性测量高度通过测量大气压力（静压）间接测高大气压力、密度均随高度的增加而减小，具有一 定的规律可循。因而可以通过测试大气压力或密 度测量飞机的飞行高度。通过测试大气压力来测量飞机高度的仪表称为气 压式高度表，是广泛应用的飞行仪表。通过测量大气密度来测量飞行高度*第5/共36高度测量方法n2.利用无线电波的反射特性测量飞行高度 （测真实高度）*第6/共36高度测量方法n3.通过测量飞机的垂直加速度，再二次 积分得飞行高度在地垂线方向安装加速度计，感测飞机的 垂直加速度，在初值已知的情况下，通过 二次积分计算飞机的飞行高度。此方法通过惯性仪表进行，称为惯性高度 表。*第7/共36气压式高度表n1.基本原理根据气压与高度的关系可知，重力势高度是pH、pb、Tb和的函数 。因此，通过测量飞机所在处的大气压力，即 可通过计算得知飞机相对于海平面的重力势 高度或气压高度。*第8/共36气压式高度表n气压高度表利用测量绝对压力的弹性敏 感元件来测量大气静压，根据高度与大 气静压的关系，利用转换机构输出标准 气压高度（相对于标准海平面的重力势 高度）n气压高度表用真空膜盒、膜盒串、波纹 管来感测大气静压。n由于高度与气压之间存在非线性，故需 要解算装置。*第9/共36气压式高度表n2.气压式高度表的误差推导标准气压高度公式时，对标准大气作 了一些假设，而实际大气并不完全符合这 些假设。推导标准气压高度公式时，假设了标准大 气和标准海平面，但实际海平面大气参数 与标准海平面大气参数不同。构造误差n压力敏感元件的温度误差n摩擦误差*第10/共36气压式高度表的误差n原理误差（气压方法误差、气温方法误 差、温度梯度误差）：*第11/共36气压方法误差n由于实际海平面大气压力与标准大气压 力不同相对误差为：*第12/共36气温方法误差n实际海平面温度与标准海平面温度不同n相对误差为：*第13/共36温度梯度误差n实际温度梯度与标准温度梯度不同相对误差为：*第14/共36构造误差n温度误差 气压表在常规环境下加工，而工作范围在正 负60度，因而将引起各种参数改变。温度 误差可用静压和高度来表示l用静压表示温度误差：l用高度表示温度误差：*第15/共36构造误差n可见，因温度造成的误差由两部分组成 。第一部分完全由温度变化，与高度无 关；第二部分由高度和温度同时引起。n其规律见21页图2-5。*第16/共36构造误差n摩擦误差n由于机械部件间相互接触而引起摩擦， 造成弹性敏感零件位移误差，从而引起 仪表指示的不准确。*第17/共36气压高度的测量系统n高度与大气压力关系为非线性，因 而要求测量系统中有相应的非线性 环节来解算两者之间的函数关系。n为使气压高度系统能用来测量飞机 所在处相对于某一参考基准面的相 对高度，系统中必须设有气压修正 机构，并保证修正量与测高系统输 出量之间成线性关系*第18/共36气压高度的测量系统n选用敏感 材料时， 使用弹性 模数温度 系数小的 恒弹性合 金或熔凝 石英*第19/共36机械式气压高度表*第20/共36气压式高度表的使用n利用气压高度表，可以测量标准气压 高度、绝对高度和相对高度。标准气压高度的测量n调节手柄，指出760mmHg刻度，指针将指 出标准气压高度。绝对高度的测量n调节手柄，指出海平面大气压，指针将指出 标准气压高度。相对高度的测量n调节手柄，指出机场气压，指针将指出标准 气压高度。*第21/共36高度传感器用凸轮完成高度解算，凸轮型面决定的 从动轴转角与主动轴转角间的函数 关系=f(),保证该传感器输出角与 高度（H）间是线性关系，=KH 。*第22/共36高度变化率的测量：基本原理n高度变化率是单位时间内飞机高度的变 化量，也称垂直速度、升降率等。n飞行高度的变化，可以用气压的变化来 测量。n飞机升降速表利用毛细管将气压变化的 速度变换成压力差，通过开口膜盒测量 压力差，并驱动指示机构指示升降速度 。*第23/共36高度变化率的测量：基本原理n膜盒内外的压 力差，反应了 飞机外部与表 壶内部之间的 压力差。n飞机平飞，表 壳内外气压相 等，膜盒不膨 胀不收缩，指 针指零*第24/共36高度变化率的测量：基本原理n飞机上升， 膜盒内气压 大于膜盒外 气压，膜盒 收缩，指针 上指n飞机下降， 膜盒内气压 小于膜盒外 气压，膜盒 膨胀，指针 下指*第25/共36n飞机平飞，膜盒内 外没有压力差，仪 表指示为零。*第26/共36飞机上升，由于 毛细管阻滞作用 ，膜盒外压力大 于内压力，指示 上升。*第27/共36 飞机由上升改为飞机由上升改为 平飞时，表壳中平飞时，表壳中 的空气逐渐向外的空气逐渐向外 流动，指针逐渐流动，指针逐渐 回零。回零。*第28/共36高度变化率的测量： 压力差与升降速度的关系(1)n毛细管两端压力差与升降速度的关系空气在管内流动,流速不同.设内摩檫力 (F),接触面积(A),动力黏度(),速度梯度 (dv/dr)成正比n取半径为r,长度为L的空气柱,当空气等 速流动时,内摩檫力等于压力差*第29/共36压力差与升降速度的关系(2)n积分后n考虑管壁处气流速度为0,半径为R,故有n可得速度值,可见流速与半径成抛物线分布.*第30/共36压力差与升降速度的关系(2)n空气流量为n考虑空气平均速度*第31/共36压力差与升降速度的关系(3)n假定p内 pH分别为内外压力,r内 r H分别为内 外密度,T内 T H分别为内外温度,飞机等速 上升,dt时间内流出的空气体积与重量的关 系为n膜盒容积不变。所以空气重量减少是由于 密度减少造成的.*第32/共36压力差与升降速度的关系(3)n流出的空气重量与膜盒内减少的重量二者 相等,且*第33/共36压力差与升降速度的关系(4)n由此得出n由于*第34/共36压力差与升降速度的关系(5)n由于n代入 得n积分并考虑pH=pH0 p=0*第35/共36压力差与升降速度的关系(6)n得n由于*第36/共36压力差与升降速度的关系(7)n考虑压力差是升降速度和时间的函数,指 数的第二项随时间增长而很快减少,可忽 略不计.n飞机等速下降时,数值相同,符号相反.*第37/共36升降速度表的误差n1）温度误差n温度误差(温度升高,空气动力黏度升高, 与毛细管的平均温度近似成正比)n可见，当外部温度、表壶温度和毛细管 温度处于等温状态下，升降表可以准确 指示升降速度。否则将产生误差。*第38/共36升降速度表的误差n2）延迟误差n飞机升降速度变化时，升降表将段时间 才能指示相应数值。其差值称为延迟误 差。n增大毛细管直径或缩短其长度和减小表 壳容积，即可缩短延迟时间，减小延迟 误差。n延迟误差还与飞行高度有关。高空飞行 时延迟时间较大。*第39/共36作业n1.飞行高度有哪几种？n2.如何测量飞行高度？n3.气压式高度表的基本工作原理是什么 ？n4.分析气压高度表的误差源。n5.高度变化率测量的基本工作原理。n6.分析升降表的误差源。