108 民航特考三等 飛航檢查 航空航行學 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量飛航檢查員對現代航空兩大支柱導航系統——慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）​與全球定位系統（Global Positioning System, GPS）​之底層機理、運作本質與操作極限的掌握程度。

1. 自主推算導航（Dead Reckoning）：INS 依據牛頓運動定律，透過自身攜帶的加速度計與陀螺儀，以已知初始條件為基準對加速度進行時間連續積分以獲取速度與位置，具備完全獨立自主（Self-contained）的特性。
2. 衛星天基三球交會測距（Trilateration）：GPS 依據電磁波到達時間（Time of Arrival, TOA）推算偽距（Pseudorange），透過多顆衛星空間幾何交會解算三維坐標與接收機時鐘偏差。
3. 誤差特性的互補性：INS 具備極佳的短時間高動態響應與無外界電磁干擾脆弱點，但受感測器零偏（Bias）與漂移（Drift）影響，誤差隨時間呈非線性積分發散；GPS 具備全球覆蓋且長時間誤差不累積的優勢，但存在易受射頻干擾（Jamming）、欺騙（Spoofing）與幾何構形劣化等弱點。

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解題方法

本題為典型的系統評析與比較申論題，答題架構應避免零散列舉，建議採以下三段式推導與鋪陳：

1. 分別深入剖析：分項闡述 INS 與 GPS 的「工作原理」（含基礎物理/數學方程式）、「系統特性」與「優缺點」。
2. 橫向比較統整：利用架構表格對比兩者在自主性、動態頻寬、誤差隨時間變化關係、更新率及抗干擾力等關鍵指標。
3. 延伸互補價值：說明現代航管與飛航安全標準（PBN/RNAV/RNP）中，兩者透過卡爾曼濾波器（Kalman Filter）實現之「GPS/INS 組合導航系統」之重要性。

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完整詳解內容

一、慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）

(一) 工作原理

INS 依據牛頓第二運動定律（$F = ma$），完全依靠機載精密慣性測量單元（IMU）量測飛行器之運動參數：

1. 加速度計（Accelerometer）：感測載具沿三軸之線性加速度 $a(t)$。
2. 陀螺儀（Gyroscope）：感測載具三軸之角速度 $\omega(t)$，用以維持或計算導航坐標系基準，並解算姿態角（俯仰 Pitch、滾轉 Roll、偏航 Yaw）。
3. 積分運算：在已知初始位置 $x_0$ 與初始速度 $v_0$ 條件下，經過重力補償與科氏力修正後，對加速度進行一次時間積分求得地速，二次積分求得載具瞬時位置： $v(t) = v_0 + \int_0^t a(t) \, dt$ $x(t) = x_0 + \int_0^t v(t) \, dt = x_0 + v_0 t + \int_0^t \left( \int_0^\tau a(\sigma) \, d\sigma \right) d\tau$
4. 架構型式：現代航空多採用捷聯式慣性導航系統（Strapdown INS, SINS），感測器直接固連於機體，以高速導航計算機透過姿態矩陣進行數值坐標轉換；並具備週期約 $84.4$ 分鐘的舒勒調諧（Schuler Tuning）​特性以抑制地球曲率造成的水平誤差。

(二) 特性

1. 完全自主性（Self-contained）：不發射亦不接收任何外界電磁信號，不受外界電磁環境、地面台或太空衛星狀態影響。
2. 輸出頻寬高、更新率高：通常可達 $50 \sim 200\text{ Hz}$ 以上，動態響應極佳。
3. 輸出參數全面：單一系統可同步輸出位置、地速、加速度、三軸姿態角及角速率。
4. 誤差隨時間發散：加速度計之常值偏差經過二次積分導致位置誤差隨時間平方項（$t^2$）增長，陀螺儀漂移角隨一次積分導致位置誤差隨時間立方項（$t^3$）增長，並伴隨舒勒振盪。

(三) 優點

1. 絕佳抗干擾與高隱蔽性：免除射頻干擾（RF Jamming）、欺騙（Spoofing）及天候遮蔽影響。
2. 動態性能極優：能即時追蹤大過載（High-G）劇烈機動與姿態瞬變，為飛控系統（FCS）核心來源。
3. 無信號盲區：極地飛行、深山峽谷或穿雲等極端電波傳播受限環境下運作如常。

(四) 缺點

1. 累積誤差無法自消：隨飛行時間增加，位置精度急劇下降，無法獨立支撐長程高精度導航需求。
2. 初始條件依賴度高：起飛前必須進行靜態對準（Alignment，含水準對準與尋北），耗時數分鐘至十數分鐘；若初始輸入坐標有誤，將造成全局偏差。
3. 成本高昂且維護複雜：導航級環形雷射陀螺儀（RLG）或光纖陀螺儀（FOG）製造公差要求極端嚴苛，造價昂貴且定期調校成本高。

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二、全球定位系統（Global Positioning System, GPS）

(一) 工作原理

GPS 屬於天基無線電到達時間（TOA）三球交會測距系統：

1. 測距信號：由軌道衛星發送載有精確時間標記（原子鐘）的微波信號（如 L1/L2 頻段之 C/A 碼與 P(Y) 碼）及星曆（Ephemeris）。
2. 偽距觀測方程式：機載 GPS 接收機比對信號發射時間與接收時間，乘上光速 $c$ 計算距離。因接收機採低成本石英震盪器，存在接收機時脈偏差 $\delta t_u$，其觀測之偽距 $\rho_i$ 表為： $\rho_i = R_i + c \cdot (\delta t_u - \delta t_s) + I_i + T_i + \epsilon_i$ 其中 $R_i = \sqrt{(x_i - x)^2 + (y_i - y)^2 + (z_i - z)^2}$ 為接收機坐標 $(x, y, z)$ 與第 $i$ 顆衛星坐標 $(x_i, y_i, z_i)$ 間之幾何距離；$\delta t_s$ 為衛星鐘差；$I_i, T_i$ 分別為電離層與對流層延遲誤差；

核心觀念

本題旨在評量考生對國際民航組織（ICAO）倡導之新一代通信、導航、監視與飛航管制系統（CNS/ATM）架構下，關鍵監視技術「廣播式自動回報監視」（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B）的技術本質、運作架構、全球推動歷程及法規要求的掌握程度。

涉及之重要定義、標準與法規（以命題當年民國 108 年為準）：

1. 技術定義：

• Automatic（自動）：無須地面雷達詢問，由機載設備定時週期性主動向外發送航情資訊。
• Dependent（依賴）：其定位資料仰賴機載全球導航衛星系統（GNSS）或慣性導航系統（INS）之精確計算。
• Surveillance（監視）：提供航管單位（地面）或周邊航空器（空中）即時、高更新率之位置、高度、速度及識別代碼等三維空間資訊。
• Broadcast（廣播）：向全向空間無定向發送信號，任何在接收範圍內配置相容接收機之地面站或航機皆可接收。

2. 資料鏈結（Data Link）架構：

• $1090\text{ MHz}$ 延伸波形（$1090\text{ MHz}$ Extended Squitter, 1090ES）：國際標準，適用於高空及國際商業航線。
• $978\text{ MHz}$ 通用存取收發機（Universal Access Transceiver, 978 UAT）：主要應用於美國本土低於 $18,000\text{ ft}$ 之通用航空（GA）。

3. 相關法規與標準依據：

• ICAO Annex 10（航空電信）第 IV 冊《監視與防撞系統》規範標準。
• 美國聯邦航空總署（FAA）14 CFR Part 91.225 / 91.227 裝載規定。
• 交通部民用航空局《航空器飛航作業管理規則》（AOR）與適航指令（AD）。

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解題方法

本題屬「發展現況與趨勢」型申論題，若僅背誦名詞定義無法獲得高分。切入策略必須兼顧「技術架構」與「國內外實施進程」兩大軸線：

1. 剖析核心功能雙軌：界定 ADS-B Out（信號發射）與 ADS-B In（信號接收與情境警示）的演進定位。
2. 全球主流管制區現況分析：以美國 NextGen、歐洲 SESAR 以及 ICAO ASBU（航空系統升級模組）在民國 108 年（2019 年）的時間節點切入，闡述各國強制裝載（Mandate）的推動現狀。
3. 突破性技術進展：點出星基 ADS-B（Space-based ADS-B）於 2019 年取得全面運作能力，解決遠洋與極區監視盲區的劃時代變革。
4. 臺灣（臺北飛航情報區）建置現況：列舉地面接收站涵蓋、特定航路試行管制，以及民國 108 年底至 109 年初推動全面強制裝載的具體作為。

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選項分析

本題為專業科目申論題，非選擇題，無個別選項。閱卷評分重點在於考生作答架構是否涵蓋以下四個關鍵維度：

1. 維度一：基本原理與運作鏈結說明（25%）：是否正確說明 1090ES 與 978 UAT，以及主動回報相較傳統雷達的優勢。
2. 維度二：ADS-B Out 與 In 的成熟度落差（25%）：能否指出現階段全球發展重心在 ADS-B Out 的普及，而 ADS-B In 仍處於漸進推廣階段。
3. 維度三：國際強裝期程與星基技術（25%）：能否準確提及美國 2020 年 1 月 1 日大限、歐洲期程，以及 Aireon 星基監視系統的啟用。
4. 維度四：我國航管系統之整合應用（25%）：能否列出民航局地面站台部署、雷達顯示端整合及空域管制公告現況。

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解題技巧

1. 精準扣緊年代背景：作答時以命題當年（民國 108 年 / 2019 年）的時空背景為樞紐——當年正值全球航空業迎接「2020 年 ADS-B Out 強制裝載大限」的衝刺期，並適逢銥衛星（Iridium NEXT）星基系統商轉元年，此乃得分亮點。
2. 對比傳統雷達突顯優勢：說明發展現況時，適時對比傳統初級監視雷達（PSR）與次級監視雷達（SSR）之缺點（旋轉掃描週期約 $4\sim 12\text{ 秒}$、維護成本高、受地形遮蔽、洋區無信號），凸顯 ADS-B 具備高更新率（每秒 $1\sim 2\text{ 次}$）、高精確度、建置成本低廉等優勢。
3. 常見失分陷阱：

• 誤將 ADS-B 寫成雷達設備（它是基於資料鏈的廣播通信協定，非雷達回波反射技術）。

核心觀念

本題旨在評量考生對精密進場導引系統中「微波降落系統（Microwave Landing System, MLS）」之系統組成與電波測角技術的理解。核心觀念涵蓋：

1. 頻段與信號特性：國際民航組織（ICAO）劃定於 C 頻段（$5030 \text{ MHz} \sim 5091 \text{ MHz}$）運作，波長短、定向性高、天線體積小，能大幅克服傳統儀器降落系統（ILS）易受地形與建物反射造成之多路徑干擾（Multipath Interference）。
2. 核心測角技術：時間參照掃描波束（Time Reference Scanning Beam, TRSB）技術。
3. 多工模式：分時多工（Time-Division Multiplexing, TDM），各導引功能共用單一射頻載波。
4. 精確距離測量：搭配精密距離量測裝備（DME/P）以建立三維導引航跡。

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解題方法

本題屬於「系統架構與原理型」之標準專業申論題，作答應採取「模組化拆解、圖文式表述」策略：

1. 系統架構：依「地面發射設施」與「機載接收裝備」雙向拆解。地面設施須按功能分述方位角站、仰角站、後方位角站及測距裝備（DME/P）；機載端則說明天線、接收處理機與儀表顯示界面。
2. 工作原理：以 TRSB 測角原理為核心，明確寫出扇形波束以定速往復掃描（TO-FRO）的脈衝時間差機制，並列出時間間隔與空間夾角的數學關係式；隨後輔以 TDM 分時多工機制說明系統如何單頻整合各項資料，最後導出結合 DME/P 所實現的「多重進場角度與曲線進場（Curved Approach）」能力。

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選項分析

本題為純申論題，無選擇題選項。評分關鍵在於考生能否精準默寫出次系統名稱（含英文簡稱）、運作頻率範圍、TRSB 原理之計算邏輯，以及其相較於 ILS 突破性改進的技術特徵。

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解題技巧

1. 答題架構口訣：「四站一機、一束兩掃、單頻分時」。

• 四站一機：方位站（AZ）、仰角站（EL）、後方位站（BAZ）、測距站（DME/P）及機載接收機。
• 一束兩掃：扇形窄波束進行往復（TO-FRO）掃描。
• 單頻分時：單一頻道採 TDM 多工。

2. 常見陷阱與扣分點：

• 誤將 DME/P 寫成傳統的 DME/N（常規測距儀）；MLS 要求必須採用高精度的 DME/P。
• 僅說明「可以測出角度」，卻未交代 TRSB 仰賴「掃描角速度恆定」且透過「兩次脈衝之時間差（$\Delta t$）」推導角度的幾何數學原理。
• 遺漏說明 MLS 解決了 ILS 跑道進場航道固定單一（無法曲線進場）與佔用多個特高頻/極高頻頻道的缺點。

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【答案】

一、微波降落系統（MLS）概述

微波降落系統（MLS）為 ICAO 認可之全天候精密進場及降落導引系統，運作於特高頻微波 C 頻段（$5030 \text{ MHz} \sim 5091 \text{ MHz}$，共劃分 200 個頻道）。其設計旨在解決傳統儀器降落系統（ILS）頻道數不足、容易受跑道周圍地形及大型機身反射造成多路徑干擾，以及僅能提供單一筆直進場航道的限制。

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二、MLS 之系統架構

MLS 系統由地面發射子系統與機載接收子系統所構成：

(一) 地面發射子系統（Ground Subsystem）

1. 基本方位角發射台（Basic Azimuth Guidance Station, AZ）：

• 設置於跑道末端（離場端）外側。
• 發射極窄的扇形垂直波束，進行水平左右掃描，提供進場航空器相對於跑道中心線的水平橫向偏差角度（標準涵蓋範圍通常為跑道中心線左右兩側各 $\pm 40^\circ$，最寬可達 $\pm 60^\circ$，作用距離約 $20 \text{ NM}$）。

2. 仰角發射台（Elevation Guidance Station, EL）：

• 設置於跑道著陸區側方。
• 發射極窄的水平扇形波束，進行垂直上下掃描，提供垂直方向的進場下滑角度導引（覆蓋範圍通常自 $0.9^\circ$ 至 $15^\circ$ 或 $20^\circ$，可支援不同機型之多角度進場需求）。

3. 精密距離量測裝備（DME/P）：

核心觀念 本題旨在評量考生對新一代航空交通管理（CNS/ATM、FAA NextGen 及歐洲 SESAR）中「空用監視技術與駕駛艙人機介面」的整合理解。核心概念涵蓋：

1. CDTI（Cockpit Display of Traffic Information）定義：安裝於駕駛艙內，將周邊空域其他航機之相對位置、飛行狀態及識別資訊即時呈現給飛行員的監視人機介面（依據 RTCA DO-243 / DO-317 與 FAA AC 20-172 規範）。
2. 核心支撐技術：以「廣播式自動回報監視接收技術」（ADS-B In）為主，結合「交通資訊廣播服務」（TIS-B）與「空中防撞系統」（TCAS/ACAS）的資訊融合。
3. 作業典範轉移：由傳統完全仰賴航管（ATC）地面雷達進行管制引導的被動模式，推進至空地協同決策（CDM）以及由飛行員輔助維持航情間隔之運作模式。

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解題方法 本題為標準申論題型，答題切入點應分為三大支柱，並依層次邏輯展開：

1. 發展時程（階梯式演進）：依據國際民航組織（ICAO）與 RTCA 訂定之「空用間隔保證系統」（ASAS, Airborne Separation Assurance System）四階段演進時程（態勢感知 $\rightarrow$ 間隔管理 $\rightarrow$ 隔離委派 $\rightarrow$ 自主隔離）進行時間序列劃分。
2. 工作原理（資料流生命週期）：從「訊號發射與接收 $\rightarrow$ 航跡關聯與資訊融合 $\rightarrow$ 預警判斷與外推計算 $\rightarrow$ 幾何符號視覺化呈像」四個連續步驟說明。
3. 系統架構（實體硬體與航電介面）：採用模組化結構，自底層至頂層劃分為「感測與射頻接收層」、「運算與資料處理層」、「人機介面與顯示控制層」及「航電匯流排整合介面」。

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選項分析 本題為申論申述題，無選擇題選項設計。考場評分標準側重於技術名詞之精確度與架構完整性，答題重點對應之得分構面如下：

• 概念區辨：切忌將 CDTI 與 TCAS 混為一談。TCAS 是最後一線的「戰術緊急避碰防線」（Collision Avoidance），而 CDTI 是常態性的「空域態勢感知與戰略間隔維持工具」（Traffic Situational Awareness & Spacing）。
• 關鍵名詞：必須完整列出 ADS-B In、TIS-B、TCAS 融合、FIM（Flight-deck Interval Management）、ITP（In-Trail Procedure）等專有名詞。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：發展時程四階段可簡記為「知、距、委、自」（態勢感知 $\rightarrow$ 間距管理 $\rightarrow$ 責任委派 $\rightarrow$ 自主隔離）。
2. 架構模組化：以條列與系統層次繪製或架構式陳述，避免通篇長文雜亂無章。
3. 規範背景連結：適度點出民航法規與適航認證指導文件（如 FAA AC 20-172、RTCA DO-317），能展現公職「飛航檢查」職系所需的適航與運作檢查專業。

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【答案】

一、CDTI 於新一代航管系統之發展時程

新一代航管體系（如 FAA NextGen、歐洲 SESAR）將 CDTI 視為提升空域容量與落實「空用間隔保證系統」（ASAS）的核心組件。其發展時程可劃分為四個由淺入深的階段：

1. 第一階段：空中交通態勢感知（Airborne Traffic Situational Awareness, ATSAW）

• 時程範疇：2010 年以前至全面推廣初期。
• 應用內涵：以強化飛行員的「情勢察覺」（Situational Awareness）為主要目標。包含地面跑道防侵入監控（SURF）、終端區與巡航階段增進目視搜索（AIRB、VSA）。此階段飛行員僅將 CDTI 作為輔助眼睛觀察的工具，航行間隔隔離責任完全仍在地面航管員（ATC）。

2. 第二階段：空中航情間隔管理（Flight-deck Interval Management, FIM / Spacing）

• 時程範疇：2010 年代中後期至 2020 年代初。
• 應用內涵：ATC 指示航機跟隨前方特定航機並維持特定時間或距離間隔（如大洋空域之「同向跟隨程序」In-Trail Procedure, ITP）。飛行員透過 CDTI 取得前機動態數據，調整空速以維持航管指定的間隔，提高航路密集度與燃油效益。

3. 第三階段：空中隔離責任委派（Airborne Separation, ASEP）

• 時程範疇：2020 年代推進之成熟期應用。
• 應用內涵：在特定空域與特定作業條件下，ATC 將「維持安全隔離標準」的法定責任暫時委派給駕駛艙。飛行員依據 CDTI 提供的精確導航與監視數據，自行執行合規的橫向或垂直穿越與超越程序。

4. 第四階段：完全自主隔離（Airborne Self-Separation, SSEP）

• 時程範疇：新一代航管全面實現期（目標願景）。
• 應用內涵：應用於自由飛行（Free Flight）空域或高空大洋航路。航機結合高級 CDTI 演算法、數據鏈路與機載飛控系統，在無 ATC 主動引導下，自行探測潛在航情衝突、計算避讓航道並維持法規隔離標準。

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二、CDTI 之工作原理

CDTI 的運作本質為「動態空間態勢的多源資料融合與可視化」，工作流程包含四大環節：