新质生产力的过渡高度

文摘   教育   2024-01-04 18:17   北京  

珠穆朗玛峰高度为8848米,如果我们驾驶飞机以9000米高度飞越,会不会撞上?如果用大疆呢?

通常情况下,飞到9000米高度,飞机使用标准海平面高度(STD),是假设海平面大气压力是1013百帕,然后以飞机所在位置的大气压,算出气压差值,倒推出一个高度值,这是100年前科技水平下能算出高度值的最佳方案。

但是大气是不稳定的,气压一直在变化,高低压变化范围可能高达100百帕,也就是900米左右的高度差在任何地点都是有可能的,如果你坐在上海的高楼30层阳台,高度表指示STD 0米,这很正常。

所以对于STD高度来讲,所有的山、楼的高度都是变化的,没法用于越障,但是由于长途飞行需要统一的高度基准,因此在远高于地形的高度,我们用标准海压高度,免去了来回调基准的麻烦,也能防止航空器相撞。

飞机还需要起飞降落,那么起飞降落期间,由于STD高度没法越障,显然不能再用;于是我们稍作调整,采用修正海压高度QNH。也就是说,已知机场的高度为E,在机场放一个气压高度表,调整气压基准,例如从1013调整到1020,此时表指高度恰好为E,这个1020就被确定为修正海压QNH,飞机上也按1020调气压基准,那么机场高度和附近山、楼等障碍物高度也就稳定了,QNH高度可以实现越障。它的假设前提是机场附近的气团较为稳定,气压基本不变。

另外两个可用的概念是零点高度和场压高度,零点高度是不调高度基准,而是调整机场和障碍物的高度,比较繁琐;场压高度是调高度基准到机场高度指零,障碍物也按场压标注,缺点是同一区域多个机场时,障碍物计算比较混乱,高度层也不好协调。所以这两个概念基本被弃用。

如上图,常用的高度系统,高处使用STD高度,该高度对越障不友好,但适合长距离飞行;低处使用QNH高度,该高度有利于越障,但只适合小范围使用。STD的最底层称为过渡高度层,QNH的最顶层称为过渡高度,两层之间的高度是不确定的,随气压变化,因此属于缓冲层,厚度不确定,因此可用但不可规划。

如果在珠穆朗玛峰使用QNH高度飞行,航图上标注8848米,这个高度不会变,总不会撞上了吧?不一定,9000米飞越,还有可能撞上,这是因为,除了气压基准问题,还有温度的影响。

简单来讲,空气会热胀冷缩,所以热的时候,实际高度高于表指高度;冷的时候,实际高度低于表指高度。在珠峰,如果实际温度比标准大气温度低,有可能导致表指9000米实际低于8848米。所以,在设计山区航路的时候,都会在地形高度上加600米,用于缓冲低温和其他误差带来的风险。

气压高度有这么多麻烦,有没有比它更好的高度测量方法呢?我们知道,比较新的飞机上有GPS高度,正常情况下仅供参考使用。如果我们用GPS高度9000米飞越珠峰,会怎么样?


一起来学习一下,上图红色虚线表示椭球面,假设地球是个完美的椭球体,导航卫星可以测算出任何一点距离椭球面的高度,也就是我们看到的GPS高度。84坐标系即包含了经度、纬度和这个椭球高度。然而,这个高度并不是海拔高度,上图中的绿线是大地水准面,最接近平均海平面。我们平常讲平均海平面,是假定海面是平的,既然是平的,在这个面上放一滴水银,水银是不会往任何方向流动的,也就是没有重力差。按这个原则,在全世界滴水银,且水银全部保持静止的话,这个水银面却不是平的(或者说椭球平面),而是有一定落差,这跟重力异常有关系。但无论如何,这个Geoid(大地水准面)面是最接近平均海平面的。


由图可知,海拔高度H=椭球高度h-N。

我们回到上海的30楼阳台,如果用STD基准,高度可能指0,基本没法用;如果用QNH基准,高度可能接近100米,基本准确,但是用虹桥的基准还是浦东的基准,有点拿不准,如果是雷雨压境,恐怕差值在几层楼那么多;因为在市区,离虹桥比较近,所以选用虹桥机场的QNH,但是只有15°C下的高度比较准,到了冬天和夏天,因为温度的问题,高度还会差一两层楼那么多;如果使用星基高度的话,例如北斗或GPS的RTK,精确到厘米,再修正下Geoid,这个高度就比较准确稳定了。以下是两种Geoid的数值分布。


说到这里,该抛出正题了:我国的《国家空域基础分类方法》中,W空域是内真高120米以下的空域,大概40层楼那么高,在这么点高度范围内,如果想高效利用空间的话,显然和STD高度无关;使用QNH高度的话也太过粗放,一是选哪个点为基准很不好说,二是受温度影响太大,天冷的时候就会变成100米或更低;算来算去,既然无人机都是IT跨界过来的,搞个星基高度不是什么难事儿,保证120米一米都不会少,还能高效利用,用算法直接避障、避相撞。

新出炉的CCAR-92部,第627条,也就可以理解了。

而传统航空器在G类空域飞行,势必继续使用气压高度表,和星基高度会有不少冲突,要解决问题,目前只能设缓冲带,这部分空域厚度不确定,因此只能用,不能规划;以下空域用星基高度,可规划;以上高度用气压高度,可规划。该缓冲带是星基高度和气压高度的过渡高度。

未来,随着传统航空器的改进,LPV的推广使用,相信星基高度会逐步渗透到G类空域,直至所有空域。

根据无人机条例,各地级市政府负责公布适飞空域,也就是W空域,目前在UOM系统上已经能清楚地看到。在这里,呼吁各地政府能在公布W空域的同时明确是星基高度(或大地高程),以促进新质生产力的蓬勃发展。


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