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2023/9/232023年9月23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GPSADFVORDMEILS2023年9月23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2023年9月23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2023年9月23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2023年9月23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。2023年9月23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2023年9月23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）2023年9月23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。2023年9月23日大气数据10气流角2023年9月23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。2023年9月23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)2023年9月23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：2023年9月23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）2023年9月23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）2023年9月23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。XXY1Y1Y1Y2Y2Y2YY2023年9月23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2023年9月23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2023年9月23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2023年9月23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。2023年9月23日大气数据21飞行高度及高度变化率的测量2023年9月23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。2023年9月23日大气数据232023年9月23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2023年9月23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2023年9月23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2023年9月23日大气数据27机械式气压高度表

2023年9月23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2023年9月23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。2023年9月23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2023年9月23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2023年9月23日大气数据322023年9月23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2023年9月23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。2023年9月23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。2023年9月23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=1.42023年9月23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。2023年9月23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，伯努力方程已经不适用，涉及高速空气动力学知识，推导复杂。2023年9月23日大气数据39真空速、指示空速、马赫数指示空速 将飞机所具有的空速归化为标准海平面上飞机相对于空气的运动速度，即不考虑飞机所在处大气参数随高度而变化的空速。指示空速只与动压有关。真空速 空气与物体之间相对运动的真实流速，即飞机相对空气运动的真实速度。马赫数 真空速与当地音速的比值。2023年9月23日大气数据40机械式真空速表原理机械式空速表通常不测量大气静温、密度，而是将它们转换为大气静压的测量。在标准大气的情况下，飞机所在处大气参数和标准海平面大气参数的关系为：2023年9月23日大气数据41空速表结构

拨杆式组合型空速表结构

2023年9月23日大气数据42空速表用开口膜盒测动压，真空膜盒测静压，且都有非线性输入/输出静特性。运算通过拨杆、扇形齿轮实现。利用粗、细两个指针指示指示空速和真空速2023年9月23日大气数据43指示空速如果将真空速中的大气静压、密度（或静温）看作常数，并分别等于国际标准大气中标准海平面上的大气静压、密度（或静温），则所得空速为指示空速。指示空速只在标准海平面上与真空速相等。指示空速只与动压有关，也称为仪表空速。随高度增加，大气密度相对变化量急剧增加，真空速和指示空速差值急剧增加。2023年9月23日大气数据44指示空速的计算指示空速只与动压有关，指示空速表只需开口膜盒。（见p45页图）2023年9月23日大气数据45指示空速与真空速的关系真空速与动压的关系：指示空速与动压的关系：指示空速与真空速的关系：指示空速反映飞机上的空气动力的大小，是操纵飞机，保证飞行安全的重要参数。飞机升力为Y=CYSpd2023年9月23日大气数据46马赫数对亚音速飞机，在飞机速度小于临界马赫数时，飞机具有速度稳定性达到临界马赫数时，飞机焦点后移，出现速度不稳定，反操纵现象飞机接近音速时，某些局部可能产生局部激波，阻力急剧增加，将会导致飞机的稳定性和操纵性变坏，甚至产生激波失速。为防止激波失速，必须测量马赫数。2023年9月23日大气数据47马赫数与冲压、静压的关系2023年9月23日大气数据48温度与马赫数的关系马赫数仅与动压（或全压）和静压有关，而与大气静温（或大气密度）无关。大气总温与静温之间的关系离不开马赫数可根据总温和马赫数间接求解大气温度马赫数表由皮托管引入全压和静压到开口膜盒和密封壳体中。2023年9月23日大气数据49马赫数表的结构根据真空速与动压、静压、气温的关系和音速与气温的关系，可以求出马赫数与动压、静压的关系。若保持静压、气温不变，动压增大，真空速必然相应的增大。音速不变，所以马赫数变大；若保持动压、气温不变，静压减小，真空速也必然增大，音速不变，马赫数也要变大；若动压、静压不变，气温升高，则真空速和音速按同样的比例增大，马赫数保持不变。由上面的分析可知：马赫数的大小只由动压和静压来决定，而与气温无关。马赫数表就是用一个开口膜盒测量动压，而用一个真空膜盒测量静压，经过传动机构使指针指示马赫数的仪表。2023年9月23日大气数据50马赫数表与真空速表的不同马赫数表利用一个开口膜盒感受动压，利用真空膜盒感受静压，指针的指示按马赫数与动压、静压的函数关系式所表示的关系，随动压的增大而增大，随静压的增大而减小工作的。它的结构与组合型空速表大致相同。马赫数表与组合型空速表的主要区别有以下两点：从理论上讲，它们的真空膜盒的特性曲线是不同的，马赫数与气温无关，而真空速与气温有关。马赫数与静压的0.5次方成反比；而真空速与静压的0.4次方成反比。马赫数与真空速的这一区别，决定了马赫数表真空膜盒的特性曲线与组盒型空速表中真空速表部分的真空膜盒的特性曲线是不同的。马赫数表没有气温方法误差，因为马赫数只与动压、静压有关，与气温无关，所以气温变化时，马赫数表没有气温修正。2023年9月23日大气数据51用于计算各种大气数据信息的原始参数

信号：

决定因素：(Ps)静压

大气压力(Pt)全压

皮托管压力(Qc)动压

总压静压(ALT)高度

静压

高度变化率

静压的变化率(M)马赫数

总压静压(TAT)大气总温

总温(SAT)大气静温

总温马赫数(IAS)指示空速

总压静压(CAS)计算空速

总压静压SSE(TAS)真空速

总温马赫数2023年9月23日大气数据52基本补偿静压源误差修正(SSEC)：修正因气流流过飞机引起的静压误差。空气压缩补偿：修正速度和高度变化引起的皮托管内空气压缩性函数的变化。空气密度补偿：修正温度和高度变化时引起的空气密度的变化。2023年9月23日大气数据53空速之间的关系全压静压气压传感器机电传感器静压源误差校正指示空速计算空速空气压缩性补偿空气密度变化补偿当量空速真空速机电传感器总温2023年9月23日大气数据54全静压系统全静压系统用来收集气流的全压和静压，并把它们输送给需要全静压的仪表及有关设备。全静压管收集全静压的精确程度，与全静压管的结构、飞机迎角、飞行速度有关，大迎角飞行和跨音速飞行时，全静压管收集的全静压不准确。全静压系统输送全静压的迅速程度与飞机的升降速度有关，飞行高度迅速改变的过程中，全静压系统输送压力会有延迟。2023年9月23日大气数据55全、静压管结构与特点全静压管结构（p53页）2023年9月23日大气数据56全、静压管结构与特点亚音速全静压管特点：（p53页）头部半球形或稍尖，静压孔沿管子某一横截面均匀分布。为准确测量，静压孔至管前端的距离应大致等于全静压管直径的三倍。2023年9月23日大气数据57全、静压管结构与特点超音速全静压管特点：（p54页）管身细长，头部稍尖管壁薄，平头型静压孔离前端较远上部4个孔，下部6个孔，两侧无后部的延伸管加长，且多装在机头前方2023年9月23日大气数据58应急全、静压孔当全静压孔故障失效时，为有仪表提供信息结构与一般全静压孔相同，但无静压孔，安装在气流平稳，能正确收集全压的地方应急静压孔设在机身表面没有紊流的地方，两个静压孔对称于飞机对称面2023年9月23日大气数据59全静压系统2023年9月23日大气数据60全静压探头和备用静压孔2023年9月23日大气数据61全、静压探头全静压管包括全压、静压和加温部分全压口位于全静压管的头部正对气流方向空气流至全压口时，完全受阻，流速为零静压孔位于全静压管周围没有紊流的地方加温组件防止气流中的水汽因气温降低而在管内结冰全静压管为流线型管子，表面光滑，以便减弱对气流的扰动，准确收集静压。2023年9月23日大气数据62全静压探头排水装置2023年9月23日大气数据63加温组件2023年9月23日大气数据64Boeing737-700全静压系统2023年9月23日大气数据65大迎角飞行时全静压系统仪表的指示特点（一）迎角改变，相对气流与全静压管中心线的夹角也改变，因而收集的全、静压改变。迎角越大，夹角越大，全、静压误差也越大。迎角增大，全压口收集的全压减小。迎角越大，全压误差越大。由于前端形状的不同，相同情况下，超音速时的误差比亚音速时误差要小。亚音速时，迎角增大，下部的静压孔处，因气流受阻而减速，收集的静压增大。上部、侧面的静压孔因气流加速和产生涡流，收集的静压减小，总结果是减小。超音速时，静压基本不变。2023年9月23日大气数据66大迎角飞行时全静压系统仪表的指示特点（二）亚音速时，迎角增大，全、静压都减小，动压误差不大；超音速时，全压减小，静压基本不变，故动压减小。亚音速，迎角增大时，高度表、真空速表和马赫数表多指，指示空速表误差不明显。超音速，迎角增大时，由于静压误差小，高度表误差小。由于动压减小，指示空速表、真空速表和马赫数表少指，误差明显。2023年9月23日大气数据67攻角和侧滑角的测量攻角：飞机纵轴（或机翼弦线）与迎面气流角夹角侧滑角：飞机横轴与侧向气流间的夹角攻角传感器只能测量出传感器所在处的“局部攻角”，与“真实攻角”之间有一“攻角位置误差”2023年9月23日大气数据68攻角传感器

右侧为翼形，左侧为锥形。翼形传感器即旋转风标式传感器，它由一个经过静力平衡的风标(叶片)，传动机构、信号变换器(自整角机或电位计)及固定连结部分等组成。锥形传感器是差动式传感器。它的探测部分主要是一个圆锥形管，在管子对称面(中性面)上开有一条缝隙，以接收迎面来的气流。当气流不在缝隙(气缝)所在的对称面上时，传感器便输出一个角度信号。飞机的升力系数和阻力系数都取决于攻角的大小，当攻角达到临界攻角时，飞机会发生失速2023年9月23日大气数据691.管路泄漏对仪表显示的影响（1）静压管在非增压舱泄漏高度表指示增加，空速指示增加，升降速度表指针跳动一下后指示正确的数值。（2）静压管在增压舱泄漏高度表指示减小，空速指示减小，升降速度表指示不确定，取决于增压舱的压力变化率。（3）全压管在非增压舱或增压舱泄漏全压管泄漏仅影响空速表的指示，气压高度表和升降速度表不受影响。当全压管在非增压舱泄漏时，显示空速减小；当全压管在增压舱泄漏时，显示空速无法确定。全静压系统的基本故障分析2023年9月23日大气数据70（4）全压管与静压管同时泄漏空速表指示为零，如果泄露处于非增压舱则气压高度指示增加，升降速度表指示不变；如果泄露处于增压舱则气压高度指示减小，升降速度表指示取决于舱压变化率；2023年9月23日大气数据712.管路堵塞对仪表显示的影响（1）静压管堵塞爬升：空速指示减小，高度表指示不变，升降速度表指示为零；下降：空速指示增加，高度表指示不变，升降速度表指示为零；2023年9月23日大气数据72（2）全压管完全堵塞2023年9月23日大气数据73管路堵塞对仪表显示的影响（3）全压管堵塞，排泄孔通畅2023年9月23日大气数据74大气数据计算机系统-----功能及要求功能 测量静压、总压、总温以及参与修正作用的攻角和气源误差，经过解算装置或计算机的运算，输出大量的大气数据信息。优势减少大量的重复仪表和传感器提高大气数据的计算精度扩大测量系统的功能，提高系统可靠性对大气数据计算机系统的要求：能利用所测参数计算大气数据信息，应具有不同形式的输出信号应具有误差修正功能、监控功能和故障告警功能应具有飞行前后的自检功能；故障诊断、故障隔离功能应具有快速方便地更换部件和机器的快速拆装能力2023年9月23日大气数据75基本解算关系高度的解算（见前述公式）马赫数的解算（见前述公式）指示空速的解算（见前述公式）真空速的解算大气密度的解算2023年9月23日大气数据76大气数据计算机组成传感器测量 静压传感器、全压传感器、总温传感器、攻角传感器等具有可进行误差修正和补偿的解算装置座舱指示、显示装置及信号输出装置2023年9月23日大气数据77

模拟式ADC对气流的全压、静压和大气全温进行处理，并将计算输出的模拟信号输出到相应的仪表和其它设备。模拟式ADC2023年9月23日大气数据78混合式大气数据计算机2023年9月23日大气数据79数字式大气数据计算机2023年9月23日大气数据80数字式大气数据计算机-----原始参数传感器电容式压力传感器压阻式压力传感器振膜式压力传感器总温传感器2023年9月23日大气数据81数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（一）差动电容式压力测量原理差压为零时，输出为零；差压不为零，输出电压的幅值取决于差压的大小，相位取决于差压的正负。2023年9月23日大气数据82电容量式压力传感器

将随压力变化的电容量变换成电压输出。

UOUT=XPUR/XRXP，XR为被测可变电容和标准参考电容的阻抗放大器参考电压UR参考电容CR固定的3KHz激励电源UR石英膜盒CP输出电压UOUT2023年9月23日大气数据83数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（二）压阻式压力传感器UOUTURR1R3R2R42023年9月23日大气数据84振膜式压力传感器

在一定的压力范围内，在系统振动质量一定时，谐振频率仅是压力P的函数。2023年9月23日大气数据85全温探头2023年9月23日大气数据86数字式大气数据计算机-----输入接口多路转换器直流电压/数字转换V-T式A/D转换双积分式A/D转换逐次逼近式A/D转换交/直流转换原理频率/数字转换原理频率测量原理周期测量原理自整角机同步信号/数字转换电阻/数字转换多路转换器S/HA/D输入信号的传输2023年9月23日大气数据87数字式大气数据计算机-----输出接口串行输出接口数字—直流电压转换电路数字—交流电压转换数字—自整角机转换电路2023年9月23日大气数据88ARINC-429总线

一、ARINC规范ARINC是美国航空无线电公司的简称。它是由美国的飞机制造厂、航空公司、航运公司及某些外国航空公司组成的。它的主要任务是制定各种规范。

ARINC公司制定的技术规范，即称ARINC规范。

向制造厂提供

设备的设计要求将物理特性和电特性最大限度标准化2023年9月23日大气数据89二、ARINC—429规范

电路结构发送器接收器BPRZ码单向传输字速率高速429100Kbps低速42912~14kbps

信息源BPRZ三态码数据时钟字同步信号NRZ数据时钟字同步信号发送器接收器2023年9月23日大气数据90寂静时间PSSM数据位SDI标号位BCD码12412412+/-BNR码00100000013231302928******1110987654321102代表标号为201CH1CH2CH3CH4CH542