你在什么高度?GPS 高度和气压高度的区别

问题:在空客《空速指示不可靠》非正常程序中(A320QRH2.15 / A330QRH2.22),完成记忆项目后,都有:

-GPS 高度 .......................................................显示在 MCDU 上

类似的,波音 787 在出现空速指示不可靠后,如果

机长的大气数据/姿态源选择器......备用位

则高度指示会变成 GPS 高度

波音 737NG 也有 GPS 设备,但并没有类似功能

那么这里的 GPS 高度究竟是什么高度?它对我们飞行时的参考有什么意义呢?
本文讨论飞行时常用的气压高度和 GPS 高度的区别

气压高度

首先,我们先来回顾一下,我们飞行时最常使用的气压高度。

气压高度的基准,通常有QFE,QNH,QNE三种,对应的是

  • QFE:场面气压(相对某地点的气压基准)

  • QNH:修正海平面气压(相对一个平均海平面基准)

  • QNE:标准大气压(相对于1013.25hpa)。

基本原理都还是一致的,三者的区别在于基准不同。

气压高度的定义是基于标准大气(ISA),该大气模型假定随着高度增加,大气压力以一个标准的速率递减。

标准大气ISA的气压与高度对应图表:

因此气压高度表实际上就是测量当时的大气压力,然后根据该大气压力换算为标准大气所对应的高度,显示为气压高度。当大气中的温度或湿度改变时,大气压力也会改变——气压高度也会因此而改变。因此,气压式高度表并不是用来指示“高度”的,它只是用来测量大气压力的,它的名称“气压式高度表”正是说明这点。它所指示的高度称为气压高度(pressure altitude),和基于距离测量的真实高度是不一样的。

ICAO定义了如下公式用于高度测量:

所有航空器使用的高度表都必须满足该测量标准。因此当我们说两架飞机高度一样,其实指的是两架飞机处在相同大气压力的空气中,而并非其相对地面或地心的相对位置一致。虽然说当你离海平面越来越远时,高度会变得越来越不精确,因为不可能存在一个“标准大气”,但如果我们都同意使用这一假设,我们仍能够和其他飞行器保持足够的垂直间隔。也因为这个原因,仅有符合特定规范的气压式高度表,才能符合RVSM运行。

但是在某种情况——比如在非精密进近中,当气温低于某特定值后,进近程序需要进行低温修正,因为越障高度——暨飞机距离地面的空间距离会不足。

GPS 高度

GPS系统由美国军方发展的卫星定位系统,它由至少24颗同步轨道卫星组成,70年代开始研究,1995年正式启用。对于任何三维定位,需要至少接受到4颗卫星的信号。三维定位,其实可以对应很多种坐标系,而通常使用的,则绝大多数是基于WGS-84坐标系(World Geodetic System established in 1984)。

WGS84坐标系定义地球为一个椭圆体,而任意一个点——无论是地面上的点或者是空中的飞机,都可以用【经度,纬度,高度】来定义。其中高度是指该点到基准球面之间的距离。这个就是GPS高度。

而这个坐标系的基准——椭圆球体,和平均海平面(或是大地水准面)非常近似,

但在球体的不同部分,仍会存在±100米的误差。

GPS高度和气压高度的对比

当飞机使用气压式高度表时,它受当天天气的影响会非常大。因为气压式高度表的指示基于标准大气——当高度增加时,气压以一个标准的速率递减——这个实际上并不存在。当海平面温度不是15°C时,递减率肯定不是标准的,大气中存在的暖冷气团也会让气温的递减率不会标准。而温度对气压的影响是明显的,此外还有湿度等其他因素的影响。

图表说明:

第一天,当海平面气压是1013且温度是15°C时,QNH=QFE,FL100等于10,000 ft AMSL,GPS的高度指示也是10,000 ft,所有人都满意!

第二天,海平面气压升至1030,但温度还保持在15°C,黄色的高度表设定为1030时,在FL100会指示10,454 ft,比绿色的高度表(设定为1013)高454 ft,而GPS高度表,则指示10,420 ft,和黄色的高度表非常接近;在GPS高度显示为10,000 ft的高度,绿色的高度表指示为9,577 ft,而黄色的高度表指示为10,031 ft。

第三天,海平面气压为1030同时温度也升至40°C,黄色和绿色高度表之间的差异和第二天一样,因为它们是温度补偿的,而GPS高度在FL100时显示为 11,325 ft,比黄色高度表还高了871 ft(8%);而在GPS高度10,000 ft,绿色高度表指示为8766,而黄色高度表指示为9230。

图例表明,海平面气压的改变,对GPS高度和基于QNH的气压高度之间的差异并不是很大,但温度的改变则有明显的影响,当温度偏离15°C时,每升高/降低一度,两个高度表之间的差异会增加0.347%。

3次测试飞行表明,实际的差异比理论的差异还要稍大一点。可能的原因是大气的不稳定和其他误差,包括仪表误差,指示误差,急速爬升、下降时的计算延迟等等。

结论:

GPS高度和气压高度是两个完全不同的高度体系。

气压高度是基于标准大气,和平均海平面(或1013);

GPS高度则是基于一个假象的椭圆球体,和根据卫星定位后进行的坐标转换。

两者之间根据飞行时的大气环境的不同,存在近似的线性差异。这种差异很难满足飞行安全的间隔。当然GPS高度的基准——椭圆球体是大地水准面的一个近似,但仍存在大约±100米的误差(平均海平面是一个观测值,和大地水准面误差在±2米左右)。

当前航空业采用的高度基准是气压高度,从空域、仪表进离场程序的设计、到空中交通指挥等等全部基于气压高度,因此GPS高度的参考,也就仅限于参考的意义。根据大气环境的不同,GPS高度的指示可能与气压高度的差异会有10%的差异(和基于1013的差异则可能更大)。因此使用GPS高度基准会和使用气压高度的飞机产生严重冲突。

但在接近海平面附近,虽然差异的百分比可能不变甚至增加,但GPS高度和QNH基准的气压高度的绝对值差异将会变小,当然还要另外考虑±100米的基准误差。因此当气压式高度表失效时,参考GPS高度来考虑安全越障还是可能的。甚至随着WAAS等GPS增强技术的发展,精确定位变成可能(误差在1-10米之间),如果未来机载地形数据库也基于WGS-84坐标进行更新,则越障可以比基于气压式高度表的系统更安全(因为不会受温度的影响)。

思考:RNP-AR使用何种气压参考?

GPS进近使用何种气压参考?

参考文献:

http://en.wikipedia.org/wiki/Mean_sea_level

http://bhgc.wikidot.com/tutorials:differences-between-pressure-and-gps-altitude

http://www.avionicswest.com/Articles/GPS%20Altitude.htm

http://www.xcmag.com/2011/07/gps-versus-barometric-altitude-the-definitive-answer/

http://www51.honeywell.com/aero/common/documents/Geomentric-Altitude-Paper.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere

http://home.anadolu.edu.tr/~mcavcar/common/ISAweb.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/Mean_sea_level

http://en.wikipedia.org/wiki/WAAS

http://en.wikipedia.org/wiki/Geoid

http://bbs.feeyo.com/posts/371/topic-0047-3710731.html

http://www.eefocus.com/article/08-06/44204s.html

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