1、大气数据系统（飞行高度及高度变化率的测量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2022年1月24日14时26分第2/共36高度定义及分类高度定义及分类2022年1月24日14时26分第3/共36高度定义及分类高度定义及分类n飞行高度飞行高度：飞机的重心在空中距离某一：飞机的重心在空中距离某一测高基准面的垂直距离。测高基准面的垂直距离。绝对高度：基准面为实际海平面绝对高度：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之最高点在内
2、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：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。气压面上飞行，发生两机相撞的可能。2022年1月24日14时26分第4/共36高度测量方法高度测量方法n1.利用大气的物理特性测量高度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
3、测试大气压力或密定的规律可循。因而可以通过测试大气压力或密度测量飞机的飞行高度。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通过测试大气压力来测量飞机高度的仪表称为气气压式高度表压式高度表，是广泛应用的飞行仪表。，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通过测量大气密度来测量飞行高度2022年1月24日14时26分第5/共36高度测量方法高度测量方法n2.利用无线电波的反射特性测量飞行高度利用无线电波的反射特性测量飞行高度（测真实高度）（测真实高度）lcch2212022年1月24日14时26分第6/共36高度测量方法高度测量方法n3.通过测量飞机的垂直加速度，
4、再二次通过测量飞机的垂直加速度，再二次积分得飞行高度积分得飞行高度在地垂线方向安装在地垂线方向安装加速度计加速度计，感测飞机的，感测飞机的垂直加速度，在初值已知的情况下，通过垂直加速度，在初值已知的情况下，通过二次积分计算飞机的飞行高度。二次积分计算飞机的飞行高度。此方法通过惯性仪表进行，称为此方法通过惯性仪表进行，称为惯性高度惯性高度表表。2022年1月24日14时26分第7/共36气压式高度表气压式高度表n1.基本原理基本原理根据气压与高度的关系根据气压与高度的关系可知，重力势高度是可知，重力势高度是pH、pb、Tb和和的函数。的函数。因此，通过测量飞机所在处的大气压力，即因此，通过测量飞
5、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。高度或气压高度。 1/bgRbhbHPPTHnhbnbbPPgRTHHln2022年1月24日14时26分第8/共36气压式高度表气压式高度表n气压高度表利用气压高度表利用测量绝对压力测量绝对压力的弹性敏的弹性敏感元件来测量大气静压，根据高度与大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气压高度（相对于标准海平面的重力势高度）高度）n气压高度表用真空膜盒、膜盒串、波纹气压高度表用真空膜盒、
6、膜盒串、波纹管来感测大气静压。管来感测大气静压。n由于高度与气压之间存在由于高度与气压之间存在非线性非线性，故需，故需要解算装置。要解算装置。2022年1月24日14时26分第9/共36气压式高度表气压式高度表n2.气压式高度表的误差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了一些假设，而实际大气并不完全符合这些假设。些假设。推导标准气压高度公式时，假设了标准大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。与标准海平面大气参
7、数不同。构造误差构造误差n压力敏感元件的温度误差压力敏感元件的温度误差n摩擦误差摩擦误差2022年1月24日14时26分第10/共36气压式高度表的误差气压式高度表的误差n原理误差（气压方法误差、气温方法误原理误差（气压方法误差、气温方法误差、温度梯度误差）：差、温度梯度误差）：1000001/010011000 ,0,0.0065/1nbbR gHHHHHdpdTdpTm HTTC mTpHp 2022年1月24日14时26分第11/共36气压方法误差气压方法误差n由于由于实际海平面大气压力实际海平面大气压力与标准大气压与标准大气压力不同力不同相对误差为：相对误差为：00000HpndpRT
8、HHdppgp0000100pHnnHdpdpTRRTHHg HpgHp2022年1月24日14时26分第12/共36气温方法误差气温方法误差n实际实际海平面温度海平面温度与标准海平面温度不同与标准海平面温度不同n相对误差为：相对误差为：00000TdTHHdTHTT000THTHT2022年1月24日14时26分第13/共36温度梯度误差温度梯度误差n实际实际温度梯度温度梯度与标准温度梯度不同与标准温度梯度不同相对误差为：相对误差为：10101111101lnTHTHdHHdHT 10111011011ln1lnHHHnHR THpdTTdHg HpHT 2022年1月24日14时26分第1
9、4/共36构造误差构造误差n温度误差温度误差气压表在常规环境下加工，而工作范围在正气压表在常规环境下加工，而工作范围在正负负60度，因而将引起各种参数改变。温度度，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误差可用静压和高度来表示l用静压表示温度误差：用静压表示温度误差：l用高度表示温度误差：用高度表示温度误差：HHEtpptHtHdHHpdp 2022年1月24日14时26分第15/共36构造误差构造误差n可见，因温度造成的误差由两部分组成。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。第二
10、部分由高度和温度同时引起。n其规律见其规律见21页图页图2-5。0112HtHEtEEttnndpHptdHRTRHtH tHHgg 2022年1月24日14时26分第16/共36构造误差构造误差n摩擦误差摩擦误差n由于机械部件间相互接触而引起摩擦，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，从而引起造成弹性敏感零件位移误差，从而引起仪表指示的不准确。仪表指示的不准确。2022年1月24日14时26分第17/共36气压高度的测量系统气压高度的测量系统n高度与大气压力关系为高度与大气压力关系为非线性非线性，因，因而要求测量系统中有相应的非线性而要求测量系统中有相应的非线性环节来解
11、算两者之间的函数关系。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对高度，系统中必须设有气压修正修正机构机构，并保证修正量与测高系统输，并保证修正量与测高系统输出量之间成线性关系出量之间成线性关系2022年1月24日14时26分第18/共36气压高度的测量系统气压高度的测量系统n选用敏感选用敏感材料时，材料时，使用弹性使用弹性模数温度模数温度系数小的系数小的恒弹性合恒弹性合金或熔凝金或熔凝石英石英2022年1月24日14时26分第19/共36机械式气压高度表机械
12、式气压高度表2022年1月24日14时26分第20/共36气压式高度表的使用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。高度、绝对高度和相对高度。标准气压高度的测量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，指针将指出绝对高度。相对高度的测量相对高度的测量n调节手柄，指出机场气压，指针将指出相对高度。2022年1月24日14时26分第21/共36高度传感器高度传感器用凸轮完成高度解算，凸轮型面决定的用凸轮完成高度解算，凸轮型面决定的从动轴
13、转角从动轴转角与主动轴转角与主动轴转角间的函数间的函数关系关系=f(),=f(),保证该传感器输出角保证该传感器输出角与与高度（高度（H H）间是线性关系，）间是线性关系，=K=KH H 。2022年1月24日14时26分第22/共36高度变化率的测量：基本原理高度变化率的测量：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。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飞行高度的变化，可以用气压的变化来测量。测量。n飞机升降速表利用毛细管将气压变化的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
14、测量速度变换成压力差，通过开口膜盒测量压力差，并驱动指示机构指示升降速度。压力差，并驱动指示机构指示升降速度。2022年1月24日14时26分第23/共36高度变化率的测量：基本原理高度变化率的测量：基本原理n膜盒内外的压膜盒内外的压力差，反应了力差，反应了飞机外部与表飞机外部与表壶内部之间的壶内部之间的压力差。压力差。n飞机平飞，表飞机平飞，表壳内外气压相壳内外气压相等，膜盒不膨等，膜盒不膨胀不收缩，指胀不收缩，指针指零针指零2022年1月24日14时26分第24/共36高度变化率的测量：基本原理高度变化率的测量：基本原理n飞机上升，飞机上升，膜盒内气压膜盒内气压小于膜盒外小于膜盒外气压，膜
15、盒气压，膜盒收缩，指针收缩，指针上指上指n飞机下降，飞机下降，膜盒内气压膜盒内气压大于膜盒外大于膜盒外气压，膜盒气压，膜盒膨胀，指针膨胀，指针下指下指2022年1月24日14时26分第25/共36 n飞机平飞，膜盒内外没有压力差，仪表指示为零。2022年1月24日14时26分第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。2022年1月24日14时26分第27/共362022年1月24日14时26分第28/共36高度变化率的测量：高度变化率的测量：压力差与升降速度的关系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毛细管两端压力差与升降速度的关系
16、空气在管内流动空气在管内流动,流速不同流速不同.设内摩檫力设内摩檫力(F),接触面积接触面积(A),动力黏度动力黏度(),速度梯度速度梯度(dv/dr)成正比成正比n取半径为取半径为r,长度为长度为L的空气柱的空气柱,当空气当空气等等速速流动时流动时,内摩檫力等于压力差内摩檫力等于压力差drdrLdrdAF2drdrLFpr22rdrLpd22022年1月24日14时26分第29/共36压力差与升降速度的关系压力差与升降速度的关系(2)n积分后积分后n考虑管壁处气流速度为考虑管壁处气流速度为0,半径为半径为R,故有故有n可得速度值可得速度值,可见流速与半径成抛物线分布可见流速与半径成抛物线分布
17、.124CrLp214RLpC)(422rRLpv2022年1月24日14时26分第30/共36压力差与升降速度的关系压力差与升降速度的关系(2)n空气流量为空气流量为n考虑空气平均速度考虑空气平均速度pLDpLRrdrrRLprdrdAdQR1288 24 244022pLDRQ12842)(均容量pLDQ1284)(质量2022年1月24日14时26分第31/共36压力差与升降速度的关系压力差与升降速度的关系(3)n假定假定p内内 pH分别为内外压力分别为内外压力,r内内 r H分别为内分别为内外密度外密度,T内内 T H分别为内外温度分别为内外温度,飞机飞机等速等速上升上升,dt时间内流
18、出的空气体积与重量的关时间内流出的空气体积与重量的关系为系为n膜盒容积不变。所以空气重量减少是由于膜盒容积不变。所以空气重量减少是由于密度减少造成的密度减少造成的.管均rdVdG内内内drVrVddG2022年1月24日14时26分第32/共36压力差与升降速度的关系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流出的空气重量与膜盒内减少的重量二者相等相等,且且管均管均管均管均RTpRTprH管均内内RTdVpRTVdpH2022年1月24日14时26分第33/共36压力差与升降速度的关系压力差与升降速度的关系(4)n由此得出由此得出n由于由于HHHHrpdpLDrdpLp
19、DDdHLpDDdtAdV升降升降升降均12832432442222HHHHdppRTTKdppTTTLVRDdp 升降管均升降管均内内1284dVTTVpdpH管均内内2022年1月24日14时26分第34/共36压力差与升降速度的关系压力差与升降速度的关系(5)n由于由于n代入代入 得得n积分并考虑积分并考虑pH=pH0 p=0pddpdpH内pRTTKpddpHH升降管均1内dpCppRTTKRTTKHHH升降管均升降管均1ln12022年1月24日14时26分第35/共36压力差与升降速度的关系压力差与升降速度的关系(6)n得得n由于由于HHHppRTTKHeRTTKp011升降管均升
20、降管均RgHHRgHHHnntTpTHpp升降0000111112840041128RngHHHtTpTTTVLRDHeTTTRDVLp升降升降管均内升降内管均2022年1月24日14时26分第36/共36压力差与升降速度的关系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指数的第二项随时间增长而很快减少,可忽略不计可忽略不计.n飞机等速下降时飞机等速下降时,数值相同数值相同,符号相反符号相反.升降内管均HTTTRDVLp41282022年1月24日14时26分第37/共36升降速度表的误差升降速度表的误差n1）
21、温度误差）温度误差n温度误差温度误差(温度升高温度升高,空气动力黏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。指示升降速度。否则将产生误差。2,1管均内指升降升降TTTH升降内管均HTTTRDVLKp241282022年1月24日14时26分第38/共36升降速度表的误差升降速度表的误差n2）延迟误差）延迟误差n飞机升降速度变化时，升降表将段时间飞机升降速度变化时，升降表将段时间才能指示相应
22、数值。其差值称为延迟误才能指示相应数值。其差值称为延迟误差。差。n增大毛细管直径或缩短其长度和减小表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，减小延迟壳容积，即可缩短延迟时间，减小延迟误差。误差。n延迟误差还与飞行高度有关。高空飞行延迟误差还与飞行高度有关。高空飞行时延迟时间较大。时延迟时间较大。2022年1月24日14时26分第39/共36作业作业n1.飞行高度有哪几种？飞行高度有哪几种？n2.如何测量飞行高度？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？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。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。高度变化率测量的基本工作原理。n6.分析升降表的误差源。分析升降表的误差源。
