高度計是什麼？一文讀懂四大類高度計應用

　　「各位先生們，我們現在在10,000米處巡航」，當您聽到飛行員說這樣的話時，你是否會好奇他們是如何測量飛機在空中的高度的？

　　其實很簡單！——他們使用了高度計。

　　您可能不會認為飛行員是否知道他們正在飛行的高度有多重要？畢竟，他們總是可以透過窗戶窺視！但是，測量高度（您的海拔高度）對飛行員而言比您想像的重要得多。

　　地球上的某些山脈出乎意料地高，在惡劣天氣下比您想像的更難錯過。例如，珠穆朗瑪峰海拔8.8公裡（5.5英裡），令人驚嘆，因此在10,000米（6.2英裡）處飛行不會給您太大的機動空間。然後還有其他飛機要避免。而且，在空氣稀薄，克服空氣阻力的情況下使用更少的燃料，在更高的高度飛行實際上更有效。總而言之，有很多充分的理由可以飛得很高。但是到底有多高？

　　準確測量高度的主要方法有兩種。一種是測量氣壓並從中找出高度，另一種是將無線電束從飛機上反射下來，並確定重新反射回來需要多長時間。

　　下面我們一起來看看不同類別的高度計是如何工作的？

　　壓力高度計

　　為什麼會有氣壓？地球的引力將所有東西拉向地球，包括您可以想像的最小的事物，例如空氣分子。如果您是靠近地面的空氣分子，那麼您上方還有許多其他空氣分子會推動並擠壓您；越高，分子越少，推動就越少。這就是為什麼地球表面的氣壓最高，然後系統地逐漸下降的原因。

　　因此，測量氣壓（至少在理論上來說）是一種簡單而有效的高度測量方法。

　　實際上，大多數飛機上的高度表都是經過校準（標有刻度）的無液氣壓計（壓力測量儀器），因此它們顯示的是高度而不是壓力。

　　像普通的無液氣壓計一樣，它們由一個中空的，密封的盒子組成，該盒子會膨脹（隨著壓力下降）或收縮（隨著壓力上升）。當盒子的尺寸變化非常小時，複雜的槓桿和齒輪系統會放大其運動，並使指針在標有高度測量值的刻度盤上旋轉。所以氣壓的微小變化就可以精確地測量高度。

　　壓力高度計的工作原理：

　　下圖是本迪克斯航空公司的Victor Carbonara於1930年代創作的典型壓力高度表。從側面看，您會看到一個密封的，充滿空氣的盒子（紅色），該盒子會根據壓力變化而膨脹或收縮。它的運動通過連杆和操縱杆系統（藍色）和操作高度計指針的齒輪機構（綠色）得到放大。現在查看右側的圖，我們可以看到通過在經過數百和數千英尺校準的錶盤（棕色）上移動指針，如何顯示高度。

此圖來自美國專利＃2,099,466：高度計，由美國專利和商標局提供。

　　以這種方式工作的高度計通過測量與海平面相比的壓力來測量高度，但這並不是引起地球壓力變化的唯一原因。由於天氣的變化，整個地球表面的氣壓不斷波動-因此，如果要使基於壓力的高度計準確工作，就必須允許溫度和壓力差。基於壓力的高度計的另一個缺點是它們沒有考慮到危險障礙物，例如建築物和電源線。

　　那麼是誰發明了壓力高度計的呢？

　　壓力高度表是由德國工程師保羅?科爾斯曼（Paul Kollsman）在1920年代發明的 ，他於1936年4月獲得了美國＃2,036,581專利：水平飛行指示器。

　　無線電高度儀

　　無線電高度儀不會遭受這些問題的困擾。它們更簡單，並且以與雷達類似的方式工作 （系統飛機，輪船和其他車輛用於導航）：它們只是從飛機上發射一束無線電波，然後等待反射返回。

　　由於無線電波傳播在的速度光（每秒300,000公裡或每秒186,000英裡），無線電波只需幾百分之一秒即可到達地球表面並返回20,000米左右。飛機對光束進行計時，然後將以秒為單位的時間乘以150,000（即300,000除以2：以光束為單位的高度到達地面並再次返回地面），從而計算出其高度（以公裡為單位）。

　　無線電高度儀比壓力儀表更快，更精確，並且廣泛用於高速飛機或需要在特別低空飛行的飛機，例如噴氣式戰鬥機。

　　無線電高度儀的工作原理：

　　光速比典型飛機的巡航速度（v）快一百萬倍，因此無線電信號彈回地面並向後傳播，距離約為飛機高度（2h）的兩倍。這意味著您可以通過將信號從發射器（紅色圓圈）到接收器（橙色圓圈）的時間乘以光速的一半來找到高度。從理論上講，飛機行進得越快，測量的準確性就越差，因為無線電束的行進距離更遠。實際上，光速比飛機的速度快得多，因此任何誤差都很小。

　　GPS高度計

　　還有另外兩種測量高度的方法，但是在飛機上並未廣泛使用。一種方法是使用來自太空中導航衛星的GPS（全球定位系統）信號。

　　就像使用來自三顆衛星的GPS信號來精確指出您在地球表面的位置一樣，使用來自四顆或更多衛星的信號也可以計算出您在地球上方的高度。不幸的是，GPS高度測量的準確性不如傳統高度計，因此它們不太可能在短期內取代飛機上的現有技術。

　　下面的火星表面的地形圖是2001年由NASA的MOLA空間探測器使用雷射測高儀繪製的。紅色，橙色和黃色區域是山脈；綠色，藍色和紫色區域為火山口。

圖片由NASA噴氣推進實驗室（NASA-JPL）提供。

　　雷射高度計

　　測量高度的另一種方法是從飛機，直升機或衛星上發射紅外雷射束，並計算返回時間，就像使用無線電和雷達一樣。

　　反射的光束由鏡子和透鏡收集，並聚焦在對紅外光敏感的光電探測器上。

　　飛機飛行時，它會系統地測量其高度，並繪製其下方表面輪廓的所謂地形圖。這種技術稱為雷射測高或雷射雷達 （光檢測和測距），並且它已被太空探測器廣泛用於在其他行星上繪製表面特徵。

　　NASA的火星軌道雷射高度計（MOLA）就是這種方式。

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