Хорошая такая, задушевная мелодия. Но дело, вобщем-то, сейчас не в ней. А вспомнил я ее потому, что когда думал о теме новой статьи, в голове проскочила ассоциация с интересными словами из текста этой песни: «Есть одна у лётчика мечта – высота, высота.»

Вот эти-то слова меня, можно сказать, и зацепили. Сайт существует уже больше года, пишутся статьи, говорили мы о скорости полета уже неоднократно, low pass даже вспомнили, а о таком (любому понятно) важнейшем параметре, как высота полета самолета почему-то забыли.

Вернее не забыли, а забыл, потому что вопрос «почему» должен, конечно, адресовываться ко мне. Вот не знаю… Упустил из виду и все…. Однако сейчас мы этот пробел быстренько восполним.

Не знаю, что там за мечта у летчика из песни на самом деле, но без высоты полета не бывает. Как известно, «рожденный летать ползать не может» (помните летчика Крошкина из фильма «Беспокойное хозяйство», переиначившего знаменитую фразу горьковской «Песни о соколе»?).

Итак, высота полета самолета, и как ее измеряют… Ну, что такое высота в данном случае, я думаю, не вопрос. Любой скажет, что это расстояние по вертикали от летящего самолета до точки на земной поверхности, выбранной за нулевую (точку отсчета). Некоторый вопрос заключается в том, что это за точка.

Сам принцип измерения высоты с развитием авиации совершенствовался (что естественно), и сейчас способов измерения существует несколько. Когда-то давно в морском деле существовал такой измерительный инструмент, как лот. По сути дела простая веревка с грузом на конце, по длине которой можно было судить о глубине места (нечто схожее с высотой). Лот уже давно превратился в эхолот.

Понятно, что для воздушных путешествий веревка, как измерительный инструмент, так сказать, малоприемлема. Однако способ измерения, возникший на заре развития авиации (история которой гораздо короче истории морского флота), существует и по сей день. Этот способ барометрический.

Основан он на естественном явлении падения атмосферного давления с высотой. Падает оно в соответствии с условным распределением давления, температуры и плотности воздуха в атмосфере. Это распределение называется Международной стандартной атмосферой (МСА или ISA в английском).

Остается только, учитывая закономерности этого явления, отобразить его визуально, то есть, например, в виде указательной стрелки, перемещающейся по шкале, проградуированной в единицах высоты (метры или футы), и готов прибор, показывающий высоту полета самолета - высотомер. Второе его название – альтиметр (в латинском altus – высоко), используемое чаще за рубежом, а у нас почему-то считающееся устаревшим.

В принципе высотомер был готов еще в 1843 году, когда французский ученый Люсьен Види (Lucien Vidie) изобрел всем известный барометр-анероид. Тогда, конечно, вряд ли кто задумывался о его применении в авиации. Но когда самолеты начали летать, как говорится, в полную силу, он оказался как нельзя кстати. Ведь ртутный барометр (имеющий еще более почтенный возраст) с собой в кабину не возьмешь.

Он хоть и более точен, но, понятно, для летательного аппарата (за исключением, быть может, воздушного шара) громоздок и неудобен. А вот компактный и чувствительный анероид вполне подходит, несмотря на определенные ошибки в измерениях.

Ошибок на самом деле хватает, как впрочем у любого аналогового прибора. Есть инструментальные из-за несовершенства изготовления прибора, есть аэродинамические из-за неточности измерения давления, особенно на высоте, есть и методические из-за того, что прибор не может, естественно, находясь на высоте в полете, учитывать изменения давления у земли, а также изменение температуры у земли, которая влияет (и ощутимо) на величину давления. Однако все эти ошибки уже давно научились учитывать.

Высотомер - это есть, по сути своей, барометр-анероид. Атмосферное давление подводится к его герметичному корпусу от ПВД (приемник воздушных давлений), а в самом приборе чувствительная анероидная коробка, деформируясь, реагирует на его изменения, передавая эту свою реакцию через специальную кинематическую систему (ее еще называют передаточно-множительный механизм) на указательную стрелку, двигающуюся по шкале, что и видит экипаж в кабине летательного аппарата.

Схема высотомера ВД-20.

Все барометрические высотомеры (как наши, так и зарубежные) имеют принципиально одинаковую конструкцию, но разных вариаций хватает в зависимости от типа воздушного судна, порядка использования и дополнительных функций.

Первые высотомеры, использовавшиеся на старых самолетах оказались не очень-то удобны для визуального использования. Их лицевая панель была очень похожа на современные автомобильные спидометры. Стрелка была одна с пределом измерения от 0 до 1000. Причем полный круг она не описывала (как стрелка скорости у автомобильного спидометра).

А под этой стрелкой находились окошки с цифрами в них, в точности, как у автомобильного одометра, только показывали они, естественно, не пройденное расстояние, а тысячи футов (метров) высоты. То есть летчик по стрелке определял десятки и сотни метров высоты, а по цифровым окошкам тысячи.

Обычные барометрические указатели высоты полета самолета (высотомеры) все двухстрелочные (встречаются и трехстрелочные). Их циферблат похож на циферблат часов, только количество цифровых секторов не двенадцать, а десять. Длинная стрелка (минутная) делает один оборот при изменении высоты на 1000 м, при этом короткая (часовая) перемещается только на один цифровой сектор.

То есть малая стрелка отсчитывает километры высоты (то есть, по сути дела, полную высоту), а большая – метры, причем эти стрелки могут работать как на одной шкале, так и каждая на своей.

Высотомер ВД-10.

Пределы измерения у приборов могут быть различны. Например, высотомеры ВД-10, ВД-17 измеряют высоты до 10-ти тысяч метров и устанавливаются в основном на самолеты, максимальная высота полета которых не очень велика. А такие, как например ВД-20 (стоит на ТУ-134, ТУ-154), ВД-28 (стоит на МИГ-29), ВДИ-30 (стоит на МИГ-23) имеют пределы измерения большие, соответствующие цифрам в их наименовании. То есть 20, 28 и 30 км высоты соответственно. Буквы во всех их названиях означают «высотомер двухстрелочный».

Высотомер ВД-28.

Высотомер ВД-28.

Бывают и однострелочные, когда в наличии только одна, большая стрелка, но тогда на циферблате обязательно есть окошко в котором полная высота представлена цифрами (подобно вышеописанным старым высотомерам, но в более удобном виде). Таков, например, высотомер УВИД-15(Ф). Буква Ф означает «футовый». Это связано с тем, что высота в России и некоторых других странах из меряется в метрах, а во стальном мире в футах (1 фут равен 0,3048 м). Поэтому и приборы могут быт градуированы в метрах или в футах.

Или вот еще один высотомер, не наш, западный. Марки не знаю, но это и неважно. Важно другое. На нем, как вы видите аж три окошка с цифрами.

Альтиметр с окошками Колсманна.

Окошки эти (точнее два нижних) называют окнами Колсманна по имени американского изобретателя Пауля Колсманна (Paul Kolsmann, эмигрировал в Америку из Германии в 1923 году), занимавшегося авиационными приборами. Он-то как раз эти окна и придумал. Для чего?

На самом деле – это очень важная вещь в деле контроля высоты полета самолета, и на каждом высотомере есть как минимум одно окно Колсманна. Кроме того все эти приборы имеют специальную кремальеру, кинематически связанную со шкалой, которая видна в этом окне. Шкала эта подвижна и на ней нанесены цифры, представляющие собой величину атмосферного давления.

Это давление может быть представлено на приборах в различных единицах измерения. В России используются миллиметры ртутного столба, в Америке и Канаде та же величина в дюймах (inch-ах, один дюйм (inch) равен 2,54 см), в Европе и других странах – в гектопаскалях (или миллибарах, что то же самое).

В том «западном» высотомере это давление показано для удобства сразу в двух окошках (Колсманна). В левом в гектопаскалях, в правом в дюймах.

Для любого измерительного прибора, чтобы он осуществлял свои функции, требуется наличие нуля, точки отсчета. Для высотомера, соответственно, тоже должна быть какая-то начальная (нулевая) высота. А так как прибор барометрический, то эта высота должна соответствовать определенному начальному давлению, например, давлению того места откуда начинается полет. Вот это самое начальное давление как раз и устанавливается на высотомере в окошке Колсманна.

Хотя на самом деле таких «начальных давлений» в практике полетов существует несколько. Поэтому и определений высот полета самолета тоже несколько. Первая – это, пожалуй, истинная высота Нист.. Это реальная высота полета, отсчитываемая от точки поверхности местности, над которой в данный момент пролетает самолет. Международное обозначение AGL (Above Ground Level).

Высотомер, как барометрический прибор, не меряет реальную высоту непосредственно. Он делает это косвенно, измеряя разность давлений между начальным давлением и давлением на той высоте, на которой он находится. Получаем так называемую барометрическую высоту. Она может довольно сильно отличаться от реальной высоты AGL. Все зависит от величины давления, установленной на высотомере.

Виды высот полета самолета.

Далее высота относительная Нотн.. Она отсчитывается от некоего условного уровня, обычно от уровня аэродрома, с которого взлетает (или на который садится) самолет. В международном обозначении эта высота – height и ей соответствует давление QFE (Q-code Field Elevation), то есть давление на уровне порога ВПП.

Еще одна высота это абсолютная Набс.. Это высота полета самолета, отсчитываемая от условного (среднего) уровня моря. Международное обозначение – altitude. Этой высоте соответствует давление QNH (Q-code Nautical Height) означающее давление в данной точке земной поверхности, приведенное к уровню моря.

По принципу своего устройства барометрический высотомер по сути представляет собой барометр-анероид с тем лишь отличием, что его шкала отградуирована не в единицах давления, а в единицах высоты.

Чувствительным элементом высотомера (рис. 6.7) является анероидная коробка 4 (обычно используется блок из двух анероидных коробок).

Анероидная коробка является герметичной, запаянной, из нее выкачан воздух и поэтому в ней сохраняется давление, близкое к нулю. Когда высотомер находится у земли, коробка под действием атмосферного давления находится в наиболее сжатом состоянии. При подъеме на высоту, когда атмосферное давление снаружи анероидной коробки падает, она расширяется, поскольку поверхность коробки гофрирована и ведет себя как пружина. При снижении под действием увеличивающегося атмосферного давления коробка сжимается.

С анероидной коробкой через передающий механизм 3 связана стрелка 2 , перемещение которой относительно шкалы прибора 1 соответствует расширению (сжатию) коробки и, следовательно, изменению высоты.

Анероидная коробка помещена в герметичный корпус прибора 5 , в который через штуцер трубопровода 6 поступает атмосферное давление за бортом PH . Это же давление часто называют статическим давлением Pст , то есть давлением, которое имеет место в спокойной атмосфере на высоте расположения высотомера без учета дополнительного давления, возникающего из-за набегающего потока при движении ВС. Если на любой высоте поместить неподвижный обычный барометр, то он и покажет статическое давление.

Статическое давление поступает в трубопровод системы статического давления из приемника воздушного давления 7 (ПВД) или приемника статического давления.

ПВД предназначен для приема не только статического давления, но и полного давления. ПВД закрепляется снаружи фюзеляжа и представляет собой трубку, ориентированную по направлению полета. Отверстие, направленное навстречу набегающему потоку воздуха, предназначено для приема полного давления , которое в высотомере не используется, но необходимо для указателей скорости. Статическое же давление принимается боковыми отверстиями, которые расположены так, чтобы в них по возможности не попадал набегающий поток.

На многих типах ВС статическое давление принимается отдельным приемником статического давления, который представляет собой цилиндрический штуцер, не выступающий за обшивку самолета. А полное давление на таких типах ВС принимается отдельно расположенным приемником полного давления (ППД).

Существует много типов барометрических высотомеров. Принцип их работы одинаков, различаются же они в основном устройством шкал. В двухстрелочных высотомерах по короткой стрелке отсчитываются тысячи метров (километры высоты), а по длинной – десятки и сотни метров. В однострелочных высотомерах – тысячи метров индицируются цифрами в специальном окошке (рис. 6.8). Возможны и другие варианты.

Кроме стрелок, показывающих высоту, на высотомере обязательно имеется небольшая шкала и связанная с ней кремальера установки давления P0 , то есть давления, от уровня изобарической поверхности которого отсчитывается высота.

Высотомеры могут различаться и единицами измерения высоты – метры или, как принято за рубежом, футы (в этом случае их называют футомерами). Шкала установки давлений также может быть оцифрована в миллиметрах ртутного столба, гектопаскалях (миллибарах) или дюймах ртутного столба (в США).

Очевидно, что на самом деле высотомер, как и обычный барометр, измеряет атмосферное давление на высоте полета. Но шкала отградуирована не в единицах давления, а в единицах высоты, то есть каждому измеренному давлению поставлена в соответствие какая-то высота, которую и показывают стрелки. Ключевым моментом в понимании работы высотомера является то, что при градуировке высотомера связь между измеренным давлением и индицируемой высотой заложена такая же, какая существует между этими величинами в стандартной атмосфере . Как говорят, высотомер отградуирован по стандартной атмосфере, то есть в соответствии с формулой (6.5).

Допустим, что на шкале давлений установлено P0 =760 мм рт.ст. В этом случае по сути высотомер превращается в механизированную таблицу стандартной атмосферы (см. табл. 6.1). Любому конкретному измеренному давлению соответствует вполне определенная высота, показываемая прибором, а именно та высота, на которой в стандартной атмосфере давление равно измеренному. То есть, если, например, расширение анероидной коробки соответствует давлению 330 мм рт.ст., то стрелки высотомера покажут высоту 6500 м (см. табл. 6.1). А если измерено давление 760 мм рт.ст., то стрелки покажут Н=0.

Эта связь между давлением и высотой однозначна и не зависит ни от фактической (геометрической) высоты самолета над уровнем моря или аэродрома, ни от температуры или характера ее изменения с высотой.

Понятно, что в реальной атмосфере зависимость давления от высоты вовсе не такая и каждый раз разная. Поэтому показания барометрического высотомера (барометрическая высота) вовсе не соответствует фактическому расстоянию до ВС от уровня начала отсчета. Барометрическая высота – это вообще не высота, то есть не расстояние от одного уровня до другого.

Барометрическая высота – показания идеального барометрического высотомера, отградуированного по стандартной атмосфере . Или иначе – это высота в стандартной атмосфере, соответствующая измеренному значению давления.

На шкале давлений высотомера может быть установлено не обязательно значение 760 мм рт.ст., но и любое другое значение P0 , лежащее в пределах шкалы давления (например, от 650 до 790 мм рт.ст.). Конструктивно высотомер устроен таким образом, что при вращении кремальеры установки давления весь механизм вместе с анероидной коробкой и зубчатыми колесами поворачивается на определенный угол. При этом не только меняется установленное на шкале давление, но и перемещаются стрелки высотомера (примерно на 11 м при изменении давления на 1 мм рт.ст.). Эту операцию можно интерпретировать просто как смещение шкалы отсчета высот. Форма кривой зависимости давления от высоты осталась той же, но шкала высот сместилась так, что по ней нулевое значение высоты соответствует установленному давлению (рис. 6.10).

Таким образом, высотомер будет показывать нулевое значение высоты, если атмосферное давление в точке его нахождения равно давлению, установленному на шкале давлений.

Поэтому можно приближенно считать, что барометрический высотомер показывает высоту относительно уровня изобарической поверхности с тем значением давления, которое установлено на высотомере. Точным это утверждение будет только в стандартной атмосфере, а во всех остальных случаях показания высотомера, конечно, не будут совпадать с фактической (геометрической) высотой. И расхождение (методическая температурная погрешность) будет тем больше, чем сильнее фактическая температура отличается от стандартной.

Когда пилот в полете выдерживает по высотомеру постоянную барометрическую высоту, это вовсе не значит, что ВС летит на постоянной высоте в геометрическом смысле этого слова. Это означает, что ВС летит так, чтобы статическое давление, то есть давление на высоте, сохранялось постоянным. Ведь именно его на самом деле измеряет высотомер. Следовательно, ВС летит по изобарической поверхности, повторяя все ее изгибы в реальной атмосфере. При этом нетрудно определить и численное значение давления на этой изобарической поверхности, то есть давление за бортом. Если на высотомере установлено давление 760 мм рт.ст., а высотомер показывает высоту, например, 3000 м, то по таблице стандартной атмосферы, по которой и отградуирован высотомер, можно посмотреть соответствующее этой высоте давление. В данном примере 525,7 мм рт.ст.

Инструментальные погрешности вызваны чисто техническими причинами – неточным изготовлением и физическим износом прибора. Ни один прибор невозможно изготовить абсолютно точно. Понятно, что инструментальные погрешности являются индивидуальными для каждого экземпляра прибора , даже если это приборы одного типа. Но для разных значений высоты величина погрешности может быть разной. Например, на высоте 2000 м высотомер показывает на 10 м больше, а на высоте 8000 м на 25 м меньше. Значения инструментальных погрешностей для каждого высотомера с установленной периодичностью определяются экспериментально с помощью специального оборудования наземным техническим составом.

Аэродинамические погрешности вызваны тем, что давление в корпусе барометрического высотомера по каким-либо причинам отличается от статического давления за бортом. Например, если за бортом Pст =354 мм рт.ст. (в стандартной атмосфере соответствует высоте 6000 м), а в корпусе высотомера оказалось давление 355 мм рт.ст., то высотомер покажет высоту соответствующую именно этому давлению – 5979 м, поскольку на этой высоте барическая ступень составляет примерно 21 м/мм рт.ст.

Основной причиной, вызывающей аэродинамическую погрешность, является изменение характера обтекания воздухом отверстия приемника статического давления. Как уже отмечалось, это отверстие размещают в таком месте, чтобы в него не попадал набегающий поток. Но с изменением скорости и высоты, а также конфигурации ВС (положения шасси, закрылков и другой механизации) характер обтекания существенно меняется. Упрощенно говоря, в отверстие может «задувать» часть набегающего потока. Создавшееся в результате этого неправильное давление и попадет в корпус высотомера. Следует обратить внимание на то, что с увеличением высоты аэродинамическая погрешность в среднем возрастает, поскольку увеличивается барическая ступень. Каждому миллиметру ртутного столба погрешности измерения давления соответствует все большее количество метров.

Очевидно, что величина аэродинамической погрешности зависит от скорости, высоты полета и конфигурации ВС .

Суммарная (приборная) поправка. Инструментальные и аэродинамические погрешности высотомера принято складывать, образуя суммарную погрешность. Величина, противоположная ей по знаку, называется суммарной (а иногда – приборной) поправкой высотомера:

ΔHпр= ΔHинс + ΔHаэр.

В данном выражении ΔHпр, ΔHинс, ΔHаэр – соответственно суммарная (приборная), инструментальная и аэродинамическая поправки высотомера.

Значения аэродинамической поправки для каждой высоты берутся из РЛЭ, поскольку они одинаковы для всех высотомеров данного типа ВС. Инструментальные поправки, как показано ранее, определяются экспериментально для каждого экземпляра высотомера.

С учетом суммарных поправок для каждого экземпляра высотомера составляют бортовые таблицы, которые находятся в кабине летного экипажа и используются им при измерении и занятии высоты. В заголовке таблицы указываются тип и бортовой номер ВС, вид и номер высотомера, дата и ответственный за составление таблицы. В основной части таблицы указываются не значения поправок, как это делается, например, при составлении таблицы девиации магнитного компаса, а значения высот уже с учетом поправки. Каждому значению заданной высоты эшелона Нэш в таблице соответствует показание высотомера Нпр на этой высоте с учетом суммарной поправки:

Нпр=Нэш − ΔHпр.

Это сделано для исключения возможности перепутать знак при учете поправки.

Методическая температурная погрешность называется методической, поскольку она обусловлена самим методом измерения высоты, заложенным в высотомере. Ее величина одинакова для всех барометрических высотомеров.

В градуировку барометрического высотомера заложен такой закон изменения температуры с высотой, который соответствует стандартной атмосфере. В реальной же атмосфере каждый день, каждый час и в разных географических пунктах зависимость температуры от высоты различна и, следовательно, зависимость давления от высоты отличается от стандартной атмосферы.

Давление на высоте полета, измеренное с помощью анероидной коробки, «преобразуется» барометрическим высотомером в барометрическую высоту по прибору Нпр в соответствии с таблицей стандартной атмосферы. Фактическая же высота Нф , то есть геометрическое расстояние по вертикали, будет другой.

Методическая температурная погрешность высотомера – это разность Нпр и Нф . Соответственно, методическая температурная поправка ΔHt противоположна ей по знаку:

ΔHt = Нф − Нпр.

Прочие погрешности:

1. Погрешность из-за неточной установки давления на высотомере .

2. Погрешность из-за запаздывания показаний высотомера возникает в наборе или снижении ВС и вызвана тем, что воздух обладает вязкостью.

3. Погрешность из-за локального изменения давления . В горной местности, если воздушный поток (ветер) пересекает горный хребет примерно перпендикулярно к нему, то за хребтом образуется вихрь, в центре которого давление (в соответствии с законом Бернулли) меньше, чем в окружающей вихрь воздушной среде.

Порядок установки давления при полете по ППП

Высота перехода Нпер – это установленная высота для перевода шкалы давления барометрического высотомера на стандартное давление при наборе высоты.

Высота перехода установлена на каждом аэродроме и публикуется в документах аэронавигационной информации. Она отсчитывается от уровня аэродрома, то есть является относительной высотой.

Эшелон перехода (transition level) Нэш.пер – это установленный эшелон полета для перевода шкалы давления барометрического высотомера со стандартного давления на давление аэродрома (или QNH)

Высота эшелона перехода отсчитывается от уровня изобарической поверхности с давлением 760 мм рт.ст. Эшелон перехода публикуется в документах аэронавигационной информации. Он может быть постоянным для данного аэродрома, может зависеть от величины атмосферного давления на аэродроме, может не иметь фиксированного значения, но каждый раз сообщаться экипажу диспетчером.

Диапазон высот между высотой перехода и эшелоном перехода называется переходным слоем. Горизонтальный полет в переходном слое запрещен

Если же полет будет выполняться не на эшелоне по давлению 760 мм рт.ст., а ниже нижнего эшелона по приведенному минимальному давлению , то взлет также выполняется по давлению аэродрома, а Рприв.мин устанавливается на высотомере при выходе ВС из зоны взлета и посадки (аэродромного круга полетов), то есть примерно на удалении 25-30 км от аэродрома. В документах аэронавигационной информации могут быть опубликованы и конкретные рубежи установки давления.

Альтиметр

Альтиметр - прибор для измерения высоты над уровнем моря. По принципам работы различают: барометрический и радиотехнический.

Принцип работы барометрического альтиметра основан на измерении давления атмосферы. Известно, что с увеличением высоты уменьшается и текущее атмосферное давление. Данный принцип положен в основу прибора, который на самом деле измеряет не высоту , а давление воздуха.

Изначально альтиметр или высотомер - пилотажно-навигационный прибор, сконструированный для пилотов воздушных судов. Высота полета определяется в данном случае как разность давлений между точкой нахождения прибора и давлением воздуха на поверхности (это может быть давление на аэродроме или давление, приведенное к уровню моря). Атмосферное давление на поверхности аэродрома сообщается экипажу наземными службами. Для правильного отображения высоты полета на приборе необходимо вручную выставить величину давления на земле (или давление, приведенное к поверхности моря). Это необходимо для определения эшелона - условной высоты, рассчитанной при стандартном давлении и отстоящей от других высот на величину установленных отрезков.

Высота эшелона совсем необязательно совпадает с реальной высотой полета воздушного судна. Высотомеры в самолётах - по сути, калибруемые барометры, то есть высоту они вычисляют по разнице давления на земле и в воздухе. Для вычисления истинной высоты потребовалось бы постоянно вносить в приборы данные об атмосферном давлении в каждой точке маршрута, учитывать высоту этих точек над уровнем моря. Поэтому принято пользоваться стандартным давлением. Если на всех воздушных судах будет установлено одинаковое значение давления на альтиметре, то и показания высоты на приборе в заданной точке воздушного пространства будут одинаковыми. Поэтому с определённого момента при наборе высоты (высота перехода) и до определённого момента при снижении (эшелон перехода) высота воздушного судна рассчитывается по стандартному давлению. Значение стандартного давления (QNE) - 760 мм рт. ст. (1013,2 гектопаскаля, 29,921 дюйма рт. ст.) - одинаково во всем мире.

Использование альтиметра для измерения высот

Поскольку атмосферное давление сильно зависит от метеорологической обстановки, крайне нестабильно и может меняться в течение дня, а при плохой погоде и в течение часа, показания альтиметра необходимо периодически сверять по известным отметкам высоты, например, находясь на уровне моря или на возвышенности, точная высота которой указана на карте. Если же этой точки нет, то дело серьезно усложняется. По своему опыту могу сказать, что дневные колебания давления могут составлять величину, равную величине изменения высоты в 17 м. Это можно проверить, находясь на одной высоте в течение некоторого времени и наблюдая, как в плохую погоду (обычно дождливую) меняется давление и, соответственно, меняется высота, в то время как вы реально находитесь неподвижно в одной и той же точке. Поэтому точность измерения показаний может сильно отличаться, и для замера высот лучше выбирать солнечный день.

В общем случае точность измерения альтиметров по стандартам считается 10 м.

Точность используемого в данной статье GPS-навигатора Garmin DACOTA 20 по паспортным данным составляет плюс/минус 3м. Однако, собственные эксперименты подъемов по этажам показывают, что точность может составлять 1 м. Несмотря на то, что шкала индикации встроенного барометрического альтиметра Garmin DACOTA 20 составляет 1 м, прибор фиксирует значения высоты с разрядностью до 1 см. Это можно посмотреть в сохраняемом файле с расширением gpx, изменив разрешение на xml и просмотрев в обычном блокноте. Хотя с указанной выше точностью измерений в 3 м этими данными, думаю, стоит пренебречь. В любом случае, для точных измерений необходима настройка (калибровка) альтиметра.

Альтиметр позволяет проводить калибровку, как по известной высоте, так и по давлению. Наиболее предпочтительной является калибровка по высоте, так как не всегда можно установить для данной местности истинное давление, и не известно, на какой высоте это давление было измерено. Зная точное значение высоты вашего местоположения, можно внести данные в альтиметр и привязать давление к этой высоте. Фактически любое изменение давления теперь будет отсчитывать изменение высоты относительно установленного значения. При этом все та же точность шкалы установки высоты составляет целый метр, что увеличивает погрешность измерений на, как минимум, 0.5 м (за счет округления значений в большую или меньшую сторону). В итоге точность измерения на местности составляет 1,5 м.

Определение точных высот для настройки альтиметра

Пожалуй, определение точных высот местности над уровнем моря - самая большая проблема в эксплуатации альтиметров. Что касается города Рязань, то оказалось крайне проблематичным найти точные данные по высотам города. Можно сказать - их не было вообще: никаких статей в интернете на эту тему, еще советские топографические карты в настоящий момент не проверены на достоверность, а без этого использовать прибор с достоверной точностью оказалось невозможным. С большим трудом на глаза попались примеры геодезических работ с указанием высот, измеренных с точностью до сантиметров. Найдя эту точку на местности, оказалось возможным внести данные и откалибровать альтиметр.

В общем случае данные о высотах местности можно получить несколькими способами:

• при помощи топографической карты;
• при помощи инженерно-топографических планов;
• при помощи пунктов государственной геодезической сети.

Топографическая карта

Карта местности с указанием высот, но найти эту точку на местности представляется нелегкой задачей, да и достоверность данных может вызывать сомнения.

Инженерно-топографический план

Результат инженерно-топографических работ. Оформляется в виде документа со схемой расположения объекта и прилегающих к нему территорий с указанием высот и мест прокладки инженерных коммуникаций. Для нас на этой карте наиболее интересным являются отметки высот. Это самый точный метод определения высот с точностью до сантиметров.

Государственная геодезическая сеть

Геодезическая сеть, обеспечивающая распространение координат и высот на территории государства, и являющаяся исходной для построения других геодезических сетей. Подразделяют на плановую - для закрепления на местности точных координат, и высотную (нивелирную) - закрепляющую на местности отметки высот.

Высотная (нивелирная) сеть любого класса закрепляется на местности постоянными знаками, называемыми реперами и марками .

Марка нивелирная - металлический диск с отверстием в центре около 2 мм.

Репер нивелирный - металлический диск с выступающей полочкой, относительно которой идет нивелирование (определение высоты).

На лицевой стороне реперов и марок отливается номер, а также название организации, проводившей нивелирные работы.

На фото стенные марки и репер - справа.

В Российской федерации высоты реперов вычисляются относительно нуля Кронштадтского футштока. Каждый репер имеет свой индивидуальный номер, не повторяющийся на данной, а по возможности, и на ближайших, так называемых, линиях нивелирования (определения высот).

Реперы подразделяются на: вековые, фундаментальные, рядовые и временные.

Вековые реперы обеспечивают сохранность главной высотной основы на продолжительное время и позволяют изучать происходящие в настоящее время вертикальные движения земной коры, колебания уровней морей и океанов. К сожалению, в Рязанской области таковых реперов нет.

Фундаментальные реперы обеспечивают сохранность высотной основы на значительные сроки. Их закладывают через каждые 50-80 км бурением грунта на глубину до 20 м.

Рядовые реперы закладывают через 5-7 км.

Временные реперы обеспечивают сохранность высотной основы в течение нескольких лет.

При закладке репера в грунт его называют грунтовым , в скалу - скальным , а в стену здания - стенным .

Стенные реперы : закрепляются на застроенной территории везде, где это возможно. Закрепление производится в несущие части каменных или бетонных сооружений на высоте менее 0,3 м с помощью нивелирных марок

Географические координаты реперов определяются с точностью 0,25". На каждый репер составляют абрис и дают описание его местоположения. Кроме того, расположение реперов показывают на карте масштаба 1:100 000, которую прилагают к материалам нивелирования.

Конструкция реперов, кроме стенных, имеет общие принципы: на глубине скального основания под грунтом устанавливается бетонная плита, на нее ставится пилон (столб) из гранита или высококачественного бетона. В верхнюю часть пилона цементируют марки (горизонтальную и вертикальную). Верхний конец пилона располагают на высоте 1 м от поверхности земли. После всех работ образовавшийся колодец засыпают гравием. Неподалеку от фундаментального репера устанавливается репер-спутник.

Пример конструкции векового трубчатого репера.

Каждый репер имеет соответствующее наружное оформление. Например наружное оформление векового репера состоит из железобетонного колодца с защитной крышкой и запором; кургана, сложенного из камней; указательного монолита и ограждения из четырех отрезков рельс или железобетонных столбов с якорями, закладываемыми на глубину 140 см и выступающими над поверхностью земли на 110 см.

Примеры реперов:

Геодезические знаки же плановой геодезической сети , являющимися координатными отметками, представляют собой надземные сооружения в виде каменных или деревянных столбов, либо металлические пирамиды высотой до 6-8 м. Если требуется высота до 15-18 м, то их строят в виде двойных усеченных мирамид.

Более подробно конструкцию и принципы построения геодезической сети можно изучить, скачав брошюру

Геодезические пункты отображаются на топографических картах соответствеующими отметками, поэтому можно попытаться отыскать их самостоятельно:

Калибровка альтиметра и измерение высот

Реально в городе Рязани мне не удалось в настоящее время обнаружить какие-либо геодезические знаки, кроме стенных реперов и марок. Имеющиеся на них клейма с порядковыми номерами и аббревиатурами организации, установшей их, не помогли в определении высот. Чудом мне попались на глаза инженерно-топографически планы, выложенные в сети интернет в качестве рекламы своих работ одной из геодезических команий, проводиших работы в городе. Теперь у меня оказались три точки, по которым я мог калибровать альтиметр. Одна из этих точек находится на территории Рязанского кремля, за гостинницей черни и рядом с реконструкцией солодовенных палат:

Оставалось настроить альтиметр на нужную высоту, прибавив метр на высоту расположения альтиметра в руке. Теперь можно было спокойно ислледовать город: любое изменение давления отражалось изменением высоты относительно калибровочной высоты.

Первое, что показали результаты, непривычно высокие значения колебаний высот: казалось бы визуально изменение высоты не велико, а альтиметр показывает перепады в несколько метров. Возможно, здесь свою лепту вносит точность шкалы в метр, округляющая показания в большую или меньшую сторону до точности шкалы (поэтому лучше смотреть сохраняемый файл gpx), возможно все-таки альтиметр дает большую погрешность.

Второе, и, пожалуй, самое неприятное - сильная зависимость от погодных условий. В дождливую и переменную погоду, когда атмосферное давление не стабильно, показания в течение часа могут отличаться на 17 метров. Поэтому, при проведении измерений, необходимо периодически калибровать альтиметр на точно известную высоту, а для этого надо знать эти точки. Замеры в солнечный день, когда погода стабильна, показывают, что по возвращении через два часа после проведения калибровки, точность измерений может меняться на 1 м.

В настоящее время замеры высот Рязани проводятся, о результатах можно будет ознакомиться

Если не вдаваться в детали, может показаться, что работа инструмента примитивна и не всегда корректная. На самом деле это далеко не так, ведь очень многое зависит от дополнительных условий - калибровки, настроек в самих часах. Если вы детально изучите все тонкости использования, высотомер может стать относительно надежным источником полезной информации. Конечно, я не претендую на роль эксперта в этой области, но базовые особенности хорошо описаны в инструкциях и википедии. Собрал все объяснения в одном материале на блоге любителей Casio.

GW9400-3ER и 105 метров

Основы работы высотомера - часы получают информацию о высоте над уровнем моря благодаря наличию встроенного датчика атмосферного давления. Сразу хотим подчеркнуть - высоту и атмосферное давление измеряет один датчик , по сути это одни и те же данные, только в разной интерпретации.

с функцией высотомера

Принцип действия барометрического высотомера заключается в измерении атмосферного давления. Все мы знаем, что с увеличением высоты уменьшается текущее атмосферное давление. Этот простой принцип заложен в основу работы прибора, который на самом деле измеряет не высоту а атмосферное давление. Работа высотомера в часах Casio базируется на данных “Международной стандартной атмосферы” (International Standard Atmosphere - ISA), которые предусмотрены Международной организацией гражданской авиации. На рисунке показана зависимость определенной высоты от соответствующего атмосферного давления.

Существует две разновидности представления высоты: абсолютная, которая показывает высоту над уровнем моря и относительная, которая выражает высоту между двумя разными точками. На рисунке 2. наглядно показана разница между этими типами измерений (слева – высота здания, справа – высота над уровнем моря).

Значение высоты измеряется двумя способами: встроенная процедура (над уровнем моря - по умолчанию) или на основе эталонной высоты. В первом случае часы вычисляют высоту на основе данных барометра. Во втором случае берется некий эталон высоты (с помощью карты или другого источника) и высотомер отталкивается от этого значения при дальнейших измерениях.

Предостережения

• Часы получают данные о высоте на основе текущего атмосферного давления. При изменении давления в одном месте, данные о высоте для этого места могут различаться.
• Данные о высоте могут быть неточными во время прыжков с парашютом, полетах на самолете, дельтаплане и т.п. (из-за резких скачков давления).

Единицы измерения

• В зависимости от выбранного часового пояса, часы автоматически определяют единицы измерения.
• Высота измеряется в метрах или футах.
• Диапазон значений для высотомера - от -700 до 10000 метров (от -2300 до 32800 футов).
• Если текущие показатели высоты выходят за рамки вышеописанных значений, на дисплее часов высвечивается пиктограмма “—-”. Данные автоматически обновляются когда показатели войдут в допустимый диапазон измерений.

О работе датчика

• Перед использованием высотомера нужно выбрать формат отображения высоты и частоту ее обновления.
• Первый формат отображения высоты подразумевает наличие графика в верхней части электронного циферблата. Этот график обновляется по мере обновления значений высоты.
• Второй формат вместо графика отображает относительную высоту (разница между текущей высотой и заранее заданной)
• Интервалов обновления высоты всего два: каждую секунду в течение первых 3 минут, затем каждые 5 секунд в течение часа; каждую секунду в течение первых 3 минут, затем каждые 2 минуты в течение следующих 12 часов.

Для корректного отображения текущей высоты датчик необходимо откалибровать . Известны случаи, когда неверная калибровка датчика пилотами самолета становилась причиной авиакатастрофы при полетах с нулевой видимостью [давно это было]. Обратите внимание, высотомер в салоне самолета будет работать некорректно, т.к. в самолете за счет постоянной циркуляции воздуха, его давление существенно отличается от давления воздуха снаружи.

Калибровка представляет собой процесс коррекции показателей датчика с условно идеальными данными другого прибора/источника.

Чтобы свести к минимуму вероятность ошибки в определении высоты, нужно задать эталонное значение высоты . Его необходимо устанавливать на основе точной информации о высоте, определенной, к примеру, с помощью специальных туристических карт или другого надежного источника.

Процесс калибровки довольно прост: в режиме высотомера зажимаем кнопку E, пока на экране не начнет мигать текущее значение высоты. С помощью кнопок A (+) и C (-) установите эталонное значение высоты с интервалом в 1м (5 футов). После этого можно выйти из режима настройки.

Для всех часов Casio процесс схожий, но если возникли какие-то вопросы или проблемы, загляните в инструкцию к своей модели (или напишите нам, мы обязательно поможем).

Теперь о частоте калибровки. Производитель калибрует все датчики после сборки часов, поэтому сразу после покупки никакая калибровка не требуется. Со временем погрешность измерения может увеличиваться, что влечет за собой неверные показатели. Если вы считаете, что данные датчика неверны или сомневаетесь в их корректности, то процесс калибровки не помешает.

Последовательность действий по измерению высоты

Итак, датчик мы откалибровали, теперь можно приступать к измерениям. Напоминаем, процесс описан для часов GW-9400 (модуль 3410). Для других моделей Casio последовательность действий может быть иной, но принцип остается тем же.

Примечание : в новых моделях часов производитель заявляет о более высокой скорости измерения и улучшенной точности.

• Входим в режим альтиметра – датчик сработает автоматически и сразу покажет нам текущую высоту. Первые 3 минуты измерения будут происходить каждую секунду. В зависимости от выбранного ранее типа отображения получаем информацию:

• Можно перезапустить считывание высоты в любое время, нажав кнопку С.
• На графике изменений высоты отображается разница между предыдущим и текущим измерением.

• График изменения высоты показывает последние 20 автоматических значений.

• Обратите внимание, память может хранить до 40 записей о высоте включительно. Если записей будет больше, то из памяти будут удаляться самые старые значения.
• Чтобы записать данные о высоте в память нужно в режиме альтиметра нажать и удерживать кнопку С в течение 2 секунд. На экране отобразится индикатор REC Hold. После этого отпустите кнопку С. Таким образом вы сохраните запись о текущей высоте, времени и дате создания записи.
• Чтобы посмотреть сохраненный записи, используйте кнопки A и C.
• В автоматическом режиме часы сохраняют данные о максимальной высоте, минимальной высоте, общем подъеме и общем снижении. Эти данные обновляются при следующих измерениях.

Вывод

Высотомер в часах касио не меряет высоту линейкой а лишь представляет данные об атмосферном давлении в другом виде. Если вы сомневаетесь в точности датчика, сравните данные часов со специализированной картой. Если информация не отличается существенно - все ок. Если отличается - нужно сделать калибровку.

P.S. Есть что добавить? Пишите в комментариях, добавим к материалу.