第二章 航電系統回顧
各型飛機航電系統及駕駛艙的佈局，均考量飛行員操作上的方便性與規則 性，從儀表面板的配置到各個按鍵開關以及操控介面，均是經過相當多年、為數 眾多的飛行員所提供的意見，綜整出來的結果，成為系統設計的指引方針。本章 探討各類型系統的建構特性，以導出飛行員訓練的必要程序與重點。
2.1 飛行儀表系統區分
飛行員在操作飛機時若要了解飛機當時所處狀況，必須具備一些基本的飛行 數據，如空速、高度與飛行姿態等基本資訊，才能充分掌握飛行的狀況。然而早 期這些飛行資訊，端賴機械式大氣數據系統(Air Data System)來提供。其飛行儀 表係由許多獨立的儀表(Stand-Alone Instruments)組合而成[26]，每一個儀表必須 各自具備擷取相關資料與數據的感測裝置。如姿態儀(Attitude/Direction Indica-tor)、空速表(Air Speed Indicator)、高度表(Altitude Indicator)、升降速率表(Vertical Speed Indicator)及針球儀(Turn Indicator)，如圖 2-1 所示。
其後，歷經不斷的發展與改進，到了 1980 年代，由於電子技術的數位化 (Digital)、積體化(Integrated)、精緻化(Delicate)、與小型化(Compact)，加上各種 處理器的運算速度不斷提高、記憶體容量不斷增加，大氣數據系統可將與大氣有 關資料一次擷取後，經過介面匯流排(Interfacing Bus)分布至各儀表與次系統來使 用。在圖 2-2 中，將這些飛行資料整合在數位化多功能顯示器(DMFD, Digital Mul-tifunction Display)，就是數位化航電系統的基礎架構與概念。
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圖 2-1：早期 B-234 直升機類比式飛行儀表(1985 年出廠)
圖 2-2：CH--47SD EFIS 全數位化飛行儀表(2002 年出廠)
因應類比式與數位化儀表的需求，各飛行儀表的訊號來源及感應器也有了不 同的設計，本研究將針對飛行時最常使用的基礎儀表實施探討，包含姿態儀 (Attitude/Direction Indicator)、航向指示器(Horizontal Situation Indicator)、空速指 示器(Air Speed Indicator)、高度表(Altimeter) (或稱為 Altitude Indicator)及升降速 率表(Vertical Speed Indicator)。藉由比較這些類比及數位構型的航電儀表，可以 在硬體方面了解到這兩種類型的設計及運作原理，建立對此兩種構型的基礎認 知，並了解新一代直升機的數位航電系統，在系統設計上其感應單元及主附件之 差異，及其訊息分享、分時多工的特點如何讓飛行的安全裕度與可靠度大幅度提 升。首先針對類比式飛行儀表之構造、工作原理及訊號感應來源實施探討。
2.1.1 類比及機械式飛行儀表
2.1.1.1 姿態指示儀(ADI, Attitude/Direction Indicator) (簡稱姿態儀)
圖 2-3 為一典型構造之姿態儀（或稱人工地平儀），係用以顯示飛機相對於 地平線的姿態。它可以顯示飛機俯仰（Pitch）和側滾（Roll or Bank）等姿態，
因此飛行員能判斷飛機姿態為偏左、偏右或是偏上、偏下。作用原理為內置一高 速旋轉的陀螺，並裝有完全靠陀螺儀穩定的水平桿及側滾指針；另外固定在儀表 表殼前端的有一小飛機（Miniature Airplane）和側滾刻度盤（Roll Scale）。水平 桿代表自然水平的方向，而小飛機則代表實際飛機的狀態。側滾指針和側滾刻度 相信姿態儀，將使飛行員極易進入狀況空間迷向（Spatial Disorientation, SD），
而狀況空間迷向便是長久以來不斷發生而且無法有效降低的飛機重大失事主要 肇因之一。例如本國陸軍航空部隊成立以來，所發生的 16 起飛機重大意外失事
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案件中，就有 5 起案例與無法保持飛機姿態的空間迷向有關，可見掌握飛機姿態 對於飛行安全有多麼的重要。
在初期的姿態儀還設計一個調節旋鈕，可用它來調節小飛機對應於地平線的 上下位置，以配合飛行員的視線。通常在地面時小飛機須調整至與姿態儀上的地 平線重疊。至於俯仰和傾斜限制則依各廠家的設計及儀表用途有所不同。通常傾 斜平面的限制從 100 度到 110 度，而俯仰限制從 60 度到 70 度左右[4]。在傳 統的設計模式，如果飛行姿態超過了設計限制，姿態儀的指示將會混亂或者失 準，必須等重新穩定才能夠再正確的顯示。但現代的姿態儀由於設計及構造不 同，此不穩定的現象已充分獲得改善。
圖 2-3：姿態儀(ADI, Attitude/Direction Indicator)顯示及構造原理[3]
2.1.1.2 航向指示器(Horizontal Situation Indicator)
航向指示器是一個運用陀螺儀的機械儀表，通常飛行員稱它為電羅盤或 RMI(Radio Magnetic Indicator)。其作用原理係利用陀螺特性來測量飛機航向。由 於陀螺自轉軸不能自動跟蹤經線，因此測量航向需要對自轉軸進行校正，傳統式 的航向指示器大約每 15 分鐘必須將航向指示器和磁羅盤實施校對。即按下定位 鈕校正陀螺水平，並且轉動旋鈕來帶動外平衡環，使方向指示跟磁羅盤方向一
致。校準的工作必須在飛機平直飛行時進行比較準確，因為這時候陀螺水平關係 正常，同時磁羅盤讀值也比較精準。傳統航向指示儀的限制大約為 55 度俯仰和 55 度傾斜。如果飛行姿態一旦超過限制，航向指示也會發生儀表混亂和失準，
無法再顯示正確航向，必須要予以重新設置[4]。
圖 2-4 為目前較新設計的電羅盤，其設計是採垂直刻度盤型羅盤(Vertical Card Compass)，此設計大幅度降低了舊型羅盤設計之固有誤差。在設計上包含 一個可旋轉刻度盤上的方位角，和類似航向指示儀的固定式小飛機來準確的表示 飛機的航向。運用這種顯示方式很容易判讀，且飛行員可以看到和航向有關的 360 度刻度盤。
圖 2-4：航向指示器(Horizontal Situation Indicator)及其構造原理[3]
2.1.1.3 空速指示器(ASI, Air Speed Indicator)
如圖 2-5 之空速指示器是一個靈敏的差壓表，它可以迅速的測量和顯示動壓 或衝壓與靜壓之間的差值，這個靜壓指的是未受擾動的大氣壓力。當飛機停放在 地面上時，靜止空氣中這兩個壓力會相等。但當飛機在空氣中移動時，Pitot(動 壓管)上的壓力變得大於靜壓管中的壓力。這個壓力差經由連動的機械軸傳動 後，最後儀表盤面上指標顯示的即為當時飛行的空速，在速度單位上它以每小時 海里(浬)(knots) 或英里(哩)(mph)顯示。
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圖 2-5：空速指示器(Air Speed Indicator) 及其構造原理[3]
2.1.1.4 高度表(Altimeter)
高度表係用以測量飛機高於某一壓力平面上的高度。是飛機上最重要的儀表
行界有個慣例：從高壓區飛到低壓區的時候，一定要檢查駕駛艙裡面的高度表，
再向外確認下方絕對高度並核對雷達高度表，此舉係說明飛行在此狀況下是有安 全顧慮的。反之，若從低壓區飛到高壓區而不調節高度表時，飛機的實際高度則 會高於指示高度，如圖 2-7。
圖 2-6：高度表(Altimeter)及其構造原理[3]
圖 2-7：高、低壓區飛行高度差值圖[4]
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2.1.1.5 垂直升降速率表(VSI, Vertical Speed Indicator)
垂直升降速率表(VSI)也稱為垂直速率指示器(VVI)，它顯示飛機是否爬升、
下降或者處於平飛狀態。爬升或者下降速率均以每分鐘英呎為單位顯示。如果經 過正確的校正，垂直升降速率表在平飛時將顯示讀數為 0。
雖然垂直升降速率表係以靜壓工作，但它是個不一樣的壓力儀表。它包含一 個通過連桿和齒輪連接到密封盒裡指示儀指針的隔膜。隔膜的內部直接連接到靜 壓系統的靜壓管。在儀表盒子裡面的隔膜外部區域也連接到靜壓管，但不同的是 它是透過一個受限制的孔(校正的漏氣口)來做靜壓的連通，如圖 2-8 所示。
隔膜和儀表盒都從靜壓管以現有大氣壓力接受空氣。當飛機在地面或者平飛 時，隔膜和儀表盒子內部的壓力仍然相同，指標位於「0」的位置。但當飛機爬 升或者下降時，隔膜內部的壓力立即改變，但由於受限制通道的測量動作，短時 間內盒的壓力仍然較高或者較低，導致隔膜收縮或者膨脹。這產生了壓力差，顯 示在儀表指標上就是指示為爬升或者下降。當壓力差穩定在一定速率後，指標才 穩定指示了高度變化的速度。
垂直升降速率表能夠顯示兩類不同的資訊：
(1) 即時顯示飛機爬升或者下降速度增加或者降低的趨勢資訊。
(2) 速率資訊顯示穩定的高度變化速度。
圖 2-8：垂直升降速率表(VSI, Vertical Speed Indicator) [3]
2.1.2 數位航電儀表系統 At-titude Heading Reference System)及慣性感測(ISA, Inertial Sensor Assembly)組件來 提供訊號。至於動、靜壓訊號部分，則由大氣資訊處理器(ADC, Air Data Computer) 提供訊號。且上述訊號可以同時分享給需要這些訊號源的儀表。這不僅使各儀表 可以實施整合，減少主件數量外，更可以將訊號源實施分享，大大改僅進了訊號 的準確度及提高了飛行資料的多裕度特性。以下就數位飛行儀表的核心系統，如 慣性參考系統、雷射陀螺系統、及大氣資料處理器簡略介紹:
2.1.2.1 慣性導航系統(INS, Inertial Navigation System)
圖 2-9 為慣性導航參考系統組件，此系統可提供飛行姿態及全球導航資料，
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圖 2-9：姿態及航向環形雷射陀螺系統及慣性感測組件[4]
慣性參考系統可計算出飛行姿態、加速度、飛機機體變動率、航向、磁航向、
速度向量，並以經緯度或換算成 UTM(Universal Transverse Mercator)座標顯示飛 機所在位置。另外利用大氣資料處理器運算之資料，還可求得風速及航向。
但慣性導航系統其準確值會隨著飛行時間與飛行距離的累積產生偏差，因此 在飛行過程中必須持續校準。為了改善這個問題，接續發展出結合衛星定位系統 (GPS, Global Positioning System)的整合式衛星及慣性系統，簡稱 EGI(Embedded GPS/INS)系統(如圖 2-10)，此系統運用衛星訊號來改進原有之慣性導航偏差問 題，並可將座標訊號與數位地圖結合，直接顯示於多功能顯示器。
圖 2-10：裝置於 CH-47SD 的 EGI 處理器及其內部之慣性感應總成(ISA) [5]
2.1.2.2 雷射姿態陀螺系統(AHRS, Attitude Heading Reference System)
除了機械式的陀螺儀之外，光學陀螺儀(Optical Gyro)亦是近代航電界的一項 重大發明。無論是光或雷射光，在介質中傳導均會受到加速度的影響，當一道光 束逆著與順著一個外來的加速度，將會使光的傳播速度減少或增加。而在光學陀 螺內同時產生的兩束光，受到此加速度的影響會增加或減低速度，在經過相同的 距離後，會合在一起時即會有光相位差的狀況發生，光相位差與外界的加速度恰 好成正比，此種現象稱為沙格那效應(Sagnac Effect) [26]。
當沙格那效應產生時，因為時間差異非常的短，僅有數個微微秒(Pico
當沙格那效應產生時，因為時間差異非常的短，僅有數個微微秒(Pico