大气数据系统课件(中国民航大学)

大气数据系统航空电子系2020/4/252020年4月25日大气数据2发动机工作状态测量飞行状态测量导航系统飞机电子系统自动飞行飞行管理系统自动飞行控制系统通信系统惯性基准系统大气数据系统无线电仪表无线电导航GPSADFVORDMEILS2020年4月25日大气数据3大气数据系统概论飞行高度及高度变化率的测量飞行速度全静压系统大气数据计算机系统大气数据计算机的基本计算方法大气数据计算机系统输出及显示仪表2020年4月25日大气数据4大气数据系统发展历史50年代前期，分立式仪表50年代后期，机载设备相继增多模拟式中央大气数据计算机各种模拟器件,伺服系统70年代,混合式大气数据计算机80年代,数字式的大气数据计算机的出现，为飞机提供更多的大气数据参数2020年4月25日大气数据5地球大气层对流层（变温层）、平流层（同温层）、中间层、电离层（热层）、散逸层对流层：距地球中纬度11km，赤道17km，两极8km包含了大气质量的3/4平流层：对流层顶部到离地约30km，温度几乎不变，包含了大气质量的约1/4中间层30km到80~100km为止，大量的臭氧电离层：中间层到离地500km，空气稀薄，听不到声音散逸层：离地500~1600km之间，也称为外层大气2020年4月25日大气数据6大气紊流大气紊流（湍流）：空气紊乱流动的现象，旋涡和不规则的波动，使得大气中的风向、风速呈随机变化。风切变：空间任意两点之间风矢量的变化微下冲气流：较强的下降气流，飞机在起飞、着陆过程中遇到超过自己爬升或下降速率的下降气流，对飞行的危害最大。2020年4月25日大气数据7大气数据有关的参数与大气数据有关的参数静压：飞机周围自由空气的压力动压：气流的定向运动具有动能，当气流到达驻点时，动能变为压力能和热能。单位面积上升高的压力称为动压pd=1/2ρυ2ρ为标准大气H高度上的空气密度冲压：定义与动压相同。区别是：动压是不可压缩的流体的理想定义，而冲压是考虑了空气的可压缩性2020年4月25日大气数据8与大气数据有关的参数全压：动压和静压之和，即气流到达驻点时，单位面积上的总压力总温：气流到达驻点时获得的气温叫总温静温：飞机周围自由空气所具有的温度攻角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角（飞机竖轴和纵轴所在平面内测量的角度）侧滑角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角（飞机横轴和纵轴所在平面内测量的角度）2020年4月25日大气数据9气流角（空速向量与机体轴系的关系）攻角：空速向量在飞机对称面上的投影与机体轴的夹角，以速度向量的投影在机体轴之下为正（飞机的上仰角大于轨迹角为正）；侧滑角：速度向量与飞机对称面的夹角。以速度向量处于飞机对称面右边时为正。2020年4月25日大气数据10气流角2020年4月25日大气数据11标准大气（一）国际标准大气的规定空气为干燥清洁的理想气体，并遵循理想气体方程所确立的关系国际标准大气以平均海平面作为零高度气压为1个标准大气压，气温15º，密度为0.125kg/m3为便于探讨大气中的压力分布，国际标准大气引用了重力势高度的概念。重力势表示地球大气层内某一给定点上空气微粒的势能。重力势高度以平均海平面作为重力势高度和几何高度的共同基准。重力势高度又称为标准气压高度。RTMTRP*2020年4月25日大气数据12标准大气（二）当空气微粒沿地球法线移动，单位质量所做的功为：dΦ=ghdz=ghdh重力势高度：H=Φ/gn重力加速度随地理纬度的变化：重力势高度与几何高度的关系H=rh/(r+h)0hhgdh29.8061610.0026373cos20.0000059cos2g2020年4月25日大气数据13标准大气（三）每一层大气的温度与重力势高度之间的关系：国际标准大气，气压与高度关系：HbT=T+()bHHbTH=[()1]nRgHbbpHp2020年4月25日大气数据14大气参数的测量单位压力单位帕斯卡[Pa]：每平方米的面积上作用有1牛顿的力,1[Pa]=1[N/m2]标准大气[atm]：1[atm]=101325[Pa]工程大气压[at]：1[at]=1[Kgf/cm2]=9.80665×104[Pa]巴[bar]：1[bar]=106[dyn/cm2]=105[Pa]毫米液柱：以液柱高度来表示压力的大小1[mmHg]=1[Torr]=1/760[atm]=133.322[Pa]1[mmH2O]=9.80665[Pa]磅/英寸2[PSi]：1[PSi]=1[bf/in2]=6.89476×103[Pa]1米=3.2808398950131英尺,1英尺=12英寸温标摄氏温标（t）、华氏温标（F）、热力学温标（T）15.2733259tTtF2020年4月25日大气数据15测试系统的静态动态特性及误差输入/输出特性曲线（难以用精确的解析式表示）2020年4月25日大气数据16测试系统的静态动态特性及误差串联测试系统用图解法求测试系统的输入输出关系。XXY1Y1Y1Y2Y2Y2YY2020年4月25日大气数据17用图解法求测量环节的特性曲线y1=f1(x)y2=f2(y1)y=f3(y2)xy1y2yy1=f1(x)y2=f2(y1)xy1yy串联测试系统静态特性曲线两个测试系统静态特性曲线2020年4月25日大气数据18测量系统特性描述参数（一）系统的静态误差绝对误差被测参数的给出值与相应的真值之差的绝对值。相对误差标称相对误差：m取测量的指示值实际相对误差：m取测量的真实值额定相对误差：m取仪表的满刻度值最大额定相对误差：额定相对误差的最大值基本误差、附加误差和工作误差基本误差与标准设备进行对比和校准的差值附加误差使用条件偏离标准条件工作误差工作环境因素变化情况下的误差极限值m2020年4月25日大气数据19系统的静态误差（二）系统误差、随机误差和过失误差原理误差构造误差系统误差(误差恒定不变或按一定规律变化）环境误差人员误差随机误差多次测量所得各次的误差过失误差测量者读数、记录、计算所造成的误差精密度、准确度和精度误差的反义词测量范围、量程测量上限、下限灵敏度输出量微小变化与输入量微小变化之比2020年4月25日大气数据20测量系统特性描述参数（三）分辨率输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小迟滞同一工作条件下，同一参数的测量值正反行程不同重复性同一方向多次改变参数时，对同一被测参数所得的输出值之间的接近和重复程度。系统的动态误差在动态测量时输入参数与输出参数之间随时间而变化的函数关系。2020年4月25日大气数据21飞行高度及高度变化率的测量2020年4月25日大气数据22高度定义定义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。2020年4月25日大气数据232020年4月25日大气数据24高度测量方法利用大气的物理特性测高通过测量大气压力（静压）间接测高通过测量大气密度来测量飞行高度利用无线电波的反射特性测量飞行高度（测真实高度）通过测量飞机的垂直加速度，再二次积分得飞行高度lcch2212020年4月25日大气数据25气压式高度表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）真空膜盒、膜盒串、波纹管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–压力敏感元件的温度误差–摩擦误差2020年4月25日大气数据26气压高度的测量系统高度与大气压力关系为非线性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选用弹性模数温度系数小的恒弹性合金或熔凝石英2020年4月25日大气数据27机械式气压高度表2020年4月25日大气数据28气压式高度表的使用标准气压高度的测量绝对高度的测量相对高度的测量气压调节旋钮，调节测量高度基准面的大气压力，单位：英寸汞柱、百帕2020年4月25日大气数据29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Ф与主动轴转角θ间的函数关系Ф=f(θ),保证该传感器输出角θ与高度（H）间是线性关系，θ=KθH。2020年4月25日大气数据30高度变化率的测量飞机平飞，表壳内外气压相等，膜盒不膨胀不收缩，指针指零飞机上升，开口膜盒内气压小于膜盒外气压，膜盒收缩，指针上指飞机下降，开口膜盒内气压大于膜盒外气压，膜盒膨胀，指针下指2020年4月25日大气数据31飞行速度定义当飞机在所选坐标系内运动时，沿其重心运动轨迹切线方向的速度称为飞行速度。速度的种类飞机相对于地球运动的速度–升降速度：飞机重心沿地垂线方向运动的速度分量–地速：飞机重心沿地平面运动的速度分量飞机相对空气运动的速度(横轴-机翼所在的轴，纵轴-机身轴)–侧滑速度：飞机在垂直截面内横轴相对于气流的运动速度–空速：飞机在纵轴对称面内相对于气流的运动速度2020年4月25日大气数据322020年4月25日大气数据33地速的测量W(地速）=Vt（真空速）+V（风速）地速：飞机相对于地面的速度风速：空气相对于地面的运动速度空速：飞机相对于气流的速度地速的测量：线加速度积分法和多卜勒效应法2020年4月25日大气数据34空速的测量飞机相对于气流的速度即为气流相对于飞机的速度不考虑空气的压缩性（密度、温度不变）时，考虑空气的压缩性（密度、温度变化）时，上式不正确。空气流速等于或大于音速时会产生激波，状态参数发生很大变化。221Vpd2020年4月25日大气数据35空气流速小于音速时空速测量的理论基础若切面1处空气未受扰动，其压力和密度即为该处静压和空气密度，它与物体相对速度为V，设法使空气流在切面2处全阻滞，所有动能全部转化为压力能和内能。（压力为全压）使用全静压管收集全静压，使切面1处气流不被扰动，2处气流流速为零。211121(21112ttsstPVPkkkkPVP考虑空气压缩性）（不考虑空气压缩性）2020年4月25日大气数据36空气流速小于音速时空速测量的理论基础考虑音速的表达形式：冲压可表示并化解为：K为空气的绝热指数K=1.4ssskPkRTa/2122462422242211122112848121242411212424112kkcssssskVQPakkkVkVVPaaakPVkVVaaaVkVVaaV24241111440440aaVVMMaa2020年4月25日大气数据37空速与动压的关系qc((×9.8Pa)当飞机在同一高度、同一速度飞行时，考虑空气压缩性比不考虑空气压缩性所得的动压大。马赫数为0.6~0.7时，不考虑空气的压缩性，计算空速时，会造成9~13%的误差。2020年4月25日大气数据38空气流速大于音速时的空速当空气与飞机间的相对运动速度大于音速时将产生激波，空气在激波前后状态参数差别很大，伯努力方