109 民航特考三等 飛航檢查 航空航行學 考古題詳解

核心觀念

本題評量國際民航組織（ICAO）於《性能基礎導航手冊》（Doc 9613, Performance-based Navigation Manual）中所確立之現代航行體系架構。法規與國際規範以命題當年（民國 109 年）之 ICAO Doc 9613 與我國「航空器飛航作業管理規則」相關規定為準。

本題核心聚焦於三大面向：

1. PBN 概念之演進：從傳統依賴地面助航設施（Sensor-based Navigation，如 VOR、DME、NDB）之定點航行，轉移為著眼於航空器於特定空域運作所需具備之整體航行性能需求（Performance-based）。
2. PBN 核心架構（三大基柱）：

• 助航設施基礎設施（NAVAID Infrastructure）：地面助航設施（如 DME/DME、VOR/DME）與全球導航衛星系統（GNSS）。
• 導航規範（Navigation Specification）：包含 RNAV（區域導航）規範與 RNP（所需導航性能）規範。兩者最大關鍵差異在於：RNP 規範要求航空器必須具備「機載性能監控與警示」（On-board Performance Monitoring and Alerting, OBPMA）功能。
• 導航應用（Navigation Application）：將導航規範落實於特定空域（航路 En-route、終端區 Terminal、進場 Approach）。

3. 性能指標四要素：精確度（Accuracy）、完整性（Integrity）、連續性（Continuity）與可用性（Availability）。

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解題方法

本題為標準的「三段式論述申論題」，題目明確要求說明「觀念」、「實施方法」與「預期成效」。答題切入點應嚴格依題目設問三等分，層次分明：

1. 觀念切入：

• 採「對比法」破題：說明傳統「感測器基礎導航（Sensor-based Navigation）」的限制，導出「性能基礎導航（PBN）」的定義。
• 帶出總系統誤差（Total System Error, TSE）的控制概念：$TSE = \sqrt{NSE^2 + FTE^2 + PDE^2}$（導航感測器誤差 NSE、飛行技術誤差 FTE、路徑定義誤差 PDE），說明性能監控的物理與作業意義。

2. 實施方法切入：

• 依照民航導入新系統之標準工程與作業流程（規範制定 $\to$ 空域/程序設計 $\to$ 航機與人員適航認證 $\to$ 航管配套）進行條列說明。

3. 預期成效切入：

• 由微觀至宏觀，從「飛航安全（Safety）」、「空域容量與作業效率（Capacity & Efficiency）」、「經濟與環保效益（Environment & Fuel）」以及「基礎設施成本（Infrastructure Cost）」四個維度全面歸納。

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選項分析

本題為公職申論題，非選擇題。在閱卷評分上，若考生混淆概念將嚴重失分，以下針對本科考生最常混淆之關鍵概念進行對比分析：

1. RNAV 與 RNP 之辨析：

• 錯誤認知：認為 RNP 只是比 RNAV「更精準」的導航規範。
• 正確觀念：RNP 與 RNAV 所要求的航行精度可能相同（例如 RNAV 1 與 RNP 1 均要求在 $95\%$ 的飛航時間內總系統誤差不超過 $1\text{ NM}$）。兩者之本質差異在於 RNP 必須具備機載性能監控與警示（OBPMA）能力，當系統誤差超出容許限制時，能於規定時限內向飛航組員發出警示。

2. PBN 與特定航電裝備（Sensor）之辨析：

• 錯誤認知：認為 PBN 即等於 GNSS（GPS）。
• 正確觀念：PBN 規範只訂定性能需求門檻，不綁定單一感測裝備。符合 RNAV 1 可透過 GNSS 達成，亦可透過符合性能之 DME/DME 或 DME/DME/IRU 達成。

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解題技巧

1. 口訣記憶四大成效：「安（安全）、容（容量）、環（環保）、費（費用）」，答題時以此四點分段，結構必定周延。
2. 踩分關鍵詞必背：

• 機載性能監控與警示（On-board Performance Monitoring and Alerting, OBPMA）
• 連續下降作業（Continuous Descent Operations, CDO）
• 連續爬升作業（Continuous Climb Operations, CCO）
• 可控飛行撞地（Controlled Flight Into Terrain, CFIT）
• 半徑至定位點轉彎（Radius to Fix, RF Leg）

3. 時間掌握與版面配置：本題配分通常為 20 至 25 分，作答版面應控制在兩頁至兩頁半，三大子題比重應約為 $1:1:1$。

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【答案】

一、PBN（性能基礎導航）之基本觀念

1. 定義與核心哲學： 性能基礎導航（Performance Based Navigation, PBN）為國際民航組織（ICAO）依據 Doc 9613 所訂定

核心觀念

本題評量 CNS/ATM（通信、導航、監視／飛航管制）架構中**航空數位資料鏈路（Aeronautical Datalink）**的基礎核心技術。

• 定義：航空電子通信定址與回報系統（Aircraft Communications Addressing and Reporting System, ACARS），依循國際航空無線電公司（ARINC）規範（如 ARINC 597、724B、618、620），是一種在航空器與地面管制／營運單位之間，傳輸簡短、格式化文字與數據訊息的雙向數位資料鏈路系統。
• 法規與標準依據：以命題當年（民國 109 年）法規為準，國際民航組織（ICAO）Annex 10《航空電信》第 III 冊（數位資料通信系統）及 ICAO Doc 9694《空中交通服務空中／地面資料鏈路應用手冊》。
• 關鍵功能：涵蓋飛航營運管制（AOC）、航機維護狀態監控（AAC）、以及透過 FANS 1/A 支援的飛航管制服務（ATC/ATS，如 D-ATIS、PDC、CPDLC）。

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解題方法

申論本科題目採「模組化層次展開法」：

1. 破題定位：點明 ACARS 的技術本質（字元導向／位元導向的封包交換網路）與在現代航行通訊中的角色。
2. 工作原理剖析：從「觸發機制（Triggering）」、「訊息封包與協定（Protocol & Framing）」、「智慧路由選徑（Media Routing）」三維度說明資料如何生成、封裝與傳送。
3. 系統架構剖析：依循國際標準劃分為「機載端（Airborne Segment）」、「空地傳輸網路端（Ground-Air Network / DSP Segment）」、「地面終端系統（Ground Processing Segment）」三大區塊，並詳細說明各單元組件之介面整合。

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選項分析

本題為公職專技三等考試之申論題，無選擇題選項。國家考試閱卷評分重點分配如下：

• 子題一：工作原理（約佔 50% 權重）：能否精準說明 OOOI 自動偵測原理、ARINC 618 通信協議傳輸機制、檢誤與重傳（ARQ）、以及三種通信媒介（VHF/SATCOM/HFDL）的自動選路邏輯。
• 子題二：系統架構（約佔 50% 權重）：能否完整畫出或條列三大子系統（機載航電/CMU、資料鏈路服務商 DSP/RGS、地面終端 AOC/ATC），並精準寫出各元件的英文縮寫與專有名詞。

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解題技巧

1. 口訣記憶「OOOI」：說明 ACARS 自動回報原理時，必寫 Out-Off-On-In 四大階段及其觸發感測器（艙門開關、起落架 Squat Switch、停機煞車 Parking Brake）。
2. 「三三三」架構聯想：

• 三大組成層級：機載端 $\rightarrow$ 服務商傳輸端 $\rightarrow$ 地面應用端。
• 三種傳輸媒介：VHF（近程/陸地視距）、SATCOM（遠洋/衛星）、HFDL（極地/長程高頻）。
• 三類地面用戶：航空公司營運管制中心（AOC）、機務工程與發動機監控（M&E）、飛航管制單位（ATC）。

3. 常見陷阱：勿將 ACARS 與 CPDLC 或 ADS-B 混為一談。ACARS 是「網路傳輸承載層／路由架構」，而 CPDLC（管制員駕駛員資料鏈路通信）則是運行於其上（或 ATN 上）的「應用層服務」。

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詳解內容

一、ACARS 系統概述

ACARS 是民航界自 1970 年代末期廣泛應用的空地雙向字元導向數位資料鏈路系統。其主要目的在於減輕 VHF 語音無線電波道的壅塞，自動化處理飛行報告、簡化機組員工作負荷，並實現飛機狀況的即時遠端監控。

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二、ACARS 工作原理（Working Principle）

1. 訊息分類與觸發機制

• 自動觸發回報（Automated Reporting - OOOI 邏輯）： 飛機各部位之微動開關與感測器（如起落架減震支柱壓縮開關 Squat Switch、登機門感測開關、駐車煞車壓力開關）將狀態變化傳遞至通訊管理單元（CMU），觸發標準化事件報告：
• Out of Gate（推出離閘）：所有艙門關閉且放開停機煞車時觸發。
• Off Ground（離地起飛）：起落架減震支柱伸展（Weight-off-wheels）時觸發。
• On Ground（落地接地）：主起落架減震支柱壓縮（Weight-on-wheels）時觸發。
• Into Gate（滑入機位）：飛機滑入機位、拉起停機煞車並開啟任一艙門時觸發。
• 手動請求與下鏈（Manual Uplink/Downlink）： 飛行員透過多功能控制顯示單元（MCDU/FMS）鍵入文字，向地面請求終端天氣報告（METAR/TAF）、預先放行許可（PDC）、載重平衡表（Loadsheet）等。
• 系統自動維護與監控（Condition Monitoring）： 發動機全權數位控制系統（FADEC）與飛行資料收集單元（DFDAU）偵測到超限事件或固定巡航點時，自動產生發動機性能分析及故障通報訊息下鏈至機務維修工程部。

2. 協定結構與調變模式

• 傳統 ACARS（POA, Plain Old ACARS）遵循 ARINC 618 協定規範，訊息結構包括前導碼（Preamble）、起始字元（SOH）、模式識別（Mode）、飛機註冊編號（Address/Tail Number）、訊息序號、技術內容文字（Text Block）、結束字元（ETX）及區塊檢查碼（Block Check Character, BCC / CRC）。
• 調變與傳輸技術：
• VHF 頻段（POA）：採用最小移頻鍵控（MSK），資料傳輸率為 $2400 \text{ bps}$，主要運作於國際通用民航資料鏈頻率（如 $131.550 \text{ MHz}$）。
• 進階模式（AOA / VDL Mode 2）：採用差分八相移相鍵控（$D8PSK$），傳輸率提升至 $31.5 \text{ kbps}$，支援更大量資料吞吐。
• 傳輸確認與重傳（ARQ 機制）： 採停等式自動重傳請求（Stop-and-Wait ARQ）。地面站接收到訊息後，若檢查碼校驗無誤則回傳 ACK（確認訊號）；若逾時未收到 ACK 或收到 NAK，機載端自動重新發送。

3. 通信路由自動選徑邏輯（Routing Management） 機載通訊管理單元（CMU）內建路由規則表，依據「連線品質、可用性與成本優先序」動態選擇最佳傳輸鏈路：

• 優先選擇（成本最低、延遲最小）：甚高頻資料鏈（VHF Data Link, VDL）。

核心觀念

本題測驗「全球導航衛星系統」（GNSS）在民航領域的增強技術架構，法源與技術規範依據 ICAO Annex 10, Volume I（Radio Navigation Aids）。

原生 GNSS（如 GPS 單獨定位）受限於電離層延遲、對流層延遲、衛星星曆與時鐘誤差，且缺乏即時故障警報機制（衛星健康狀態更新延遲可能長達數小時），無法全面滿足國際民航組織對導航性能的四大核心指標：精確度（Accuracy）、完整性（Integrity）、連續性（Continuity）及可用性（Availability）。因此，ICAO 制定了三種增強架構，依據校正信號產生方式、傳輸途徑與覆蓋範圍，分別以「機載端整合」、「廣域衛星差分」與「機場地面局域差分」實現飛航各階段之導航安全防護。

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解題方法

本題為標準的航空航行學申論題，切入點應鎖定於題幹要求的「作法」（運作架構、信號處理途徑與實作機制）。解題結構採「模組化三段式」論述：

1. 定義與硬體架構：說明該系統由哪些設備組成（機載設備、地面參考站、同步衛星、通訊數據鏈）。
2. 具體作法與運作機制：精確說明誤差如何消除、完整性如何監控、信號如何傳輸至飛機。
3. 支援飛航階段與代表系統：點出該作法能達到的導航精確度等級（如 En-route、NPA、APV/LPV 或 CAT I/II/III）與實際工程代表。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題。以下針對題目指定評述之三大增強系統的「作法」進行技術原理與要素分析：

1. Aircraft-Based Augmentation System（ABAS，機載增強系統）之作法

• 作法核心：完全不仰賴外部（地面或額外衛星）廣播差分校正訊息，完全依靠機載端自身的航電設備、多餘衛星觀測量或多感測器融合來實現完整性監控與性能增強。
• 實作技術：
• RAIM（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，接收機自主完整性監控）：利用機載 GNSS 接收機同時追蹤多顆衛星的虛擬距離（Pseudorange）冗餘量，透過演算法（如一致性殘差檢驗法）自我診斷。至少需要 5 顆幾何分佈良好的可見衛星以達成「故障偵測」（Fault Detection, FD）；至少需要 6 顆衛星以達成「故障偵測與排除」（Fault Detection and Exclusion, FDE），將異常衛星隔離並持續導航。
• AAIM（Airborne Autonomous Integrity Monitoring，機載自主完整性監控）：將 GNSS 觀測數據與機載其他導航感測器結合，包含氣壓高度計輔助（Baro-aiding）、慣性參考系統（IRS/INS）、都卜勒雷達等，藉由多感測器卡爾曼濾波（Kalman Filter）進行交叉驗證，補足衛星可見幾何構型不足時的監控能量。
• 應用效能：主要增強「完整性」，無法顯著提升絕對精確度；適用於航路（En-route）、終端區（Terminal）與非精確進場（Non-Precision Approach, NPA）。

2. Satellite-Based Augmentation System（SBAS，衛星基礎增強系統）之作法

• 作法核心：利用廣域分佈的地面站網監測衛星誤差，計算廣域差分校正量與完整性參數後，經由地球同步軌道（GEO）衛星向廣大空域（大陸或跨國尺度）內的航機廣播。
• 實作技術：
• 廣域參考站（RIMS / WRS）：在廣大地理區域內設立多座已知精密座標的地面參考站，持續追蹤所有視線內的 GNSS 衛星訊號。
• 主控處理站（MCS / WMS）：收集所有參考站數據，將誤差源解耦分離為「衛星星曆誤差」、「衛星時鐘漂移」及「電離層垂直延遲（Ionospheric Grid Points, IGP）」，並計算保護等級（HPL、VPL）。
• 上鏈與廣播鏈路：由地面上鏈站（GUS / NLES）將校正訊息發送至地球同步軌道（GEO）衛星；GEO 衛星再以與 GPS L1 頻段相同之載波頻率（$1575.42\text{ MHz}$）向航機廣播，兼具發射額外測距信號（Ranging Source）的功能。
• 應用效能：可將水平與垂直定位精度提升至 $1 \sim 2\text{ 公尺}$，支援航路飛行至具備垂直導引的進場作業（APV/LPV，如 LPV-200，達到相當於 CAT I 之儀降標準）。代表系統包括美國 WAAS、歐洲 EGNOS、日本 MSAS。

3. Ground-Based Augmentation System（GBAS，地面基礎增強系統）之作法

• 作法核心：在機場及周邊局域範圍（約 $20 \sim 30\text{ NM}$）內，利用高精密地面監控天線測量局部相對誤差，產生局域差分修正常數與進場路徑導引資料，以特高頻數據鏈（VDB）廣播給進場航機。
• 實作技術：
• 機場基準天線組：於跑道周邊已知精密大地座標點安裝 3 至 4 組相互獨立的 GNSS 接收天線，即時測量衛星信號並比對天線已知位置，計算出局部空間中高度相關的虛擬距離校正量（Pseudorange Correction, PRC）與量測雜訊變異數（B 參數）。
• GBAS 地面處理器：比對各天線觀測數據，執行地面完整性監控演算法，剔除異常天線或衛星，並打包進場航道幾何資料塊（Final Approach Segment Data Block, FAS DB）。
• 特高頻數據廣播（VDB）：利用特高頻（VHF，頻率範圍 $108.025 \sim 117.950\text{ MHz}$）全向天線向終端區內的所有航機高速廣播校正量與完整性警報。
• 機載多模接收機（MMR）：航機接收 VDB 數據，修正機載 GNSS 測距偏差，並根據 FAS 資料直接在座艙顯示類似 ILS 的偏離指針（可模擬局部定位器 LOC 與滑降道 GS 指針）。

核心觀念

本題評量飛機核心航電與儀表導航系統中「空氣資料系統」（Air Data System, ADS）的運作架構、物理量轉換機制及數據輸出範疇。

1. 基本定義與系統角色： 空氣資料系統係透過機身外部感測器量測周圍大氣之原始氣動壓力與溫度，經由空氣資料計算機（Air Data Computer, ADC）修正感測器位置誤差與氣動效應後，依據標準大氣模型與氣動力學公式，計算出各項基礎飛行與導航數據，並傳送至主飛行顯示器（PFD）、電子飛行儀表系統（EFIS）、自動飛行控制系統（AFCS）及飛航管理系統（FMS）等下游航電設備。

2. 物理感測量與流體力學基礎：

• 總壓（Total Pressure, $P_t$）：由皮托管（Pitot Probe）迎風直接量測，為靜壓與衝擊壓力之和。
• 靜壓（Static Pressure, $P_s$）：由機身兩側靜壓孔（Static Ports）垂直於流場方向量測未受擾動的大氣環境壓力。
• 衝擊壓力（Impact Pressure / Dynamic Pressure, $q_c$）： $q_c = P_t - P_s$
• 總溫（Total Air Temperature, TAT, $T_t$）：由總溫探針量測，包含環境靜溫與高速氣流滯止壓縮升溫效應。
• 攻角（Angle of Attack, AOA, $\alpha$）與側滑角（Angle of Sideslip, AOS, $\beta$）：由機身外側風標（Vane）或差壓探針量測局部氣流角。

3. 核心計算公式：

• 氣壓高度（Pressure Altitude, $H_p$）：基於國際標準大氣（ICAO Standard Atmosphere, ISA）之位勢高度與靜壓關係（對流層內）： $H_p = \frac{T_0}{L} \left[ 1 - \left( \frac{P_s}{P_0} \right)^{\frac{R \cdot L}{g_0}} \right]$ 其中 $P_0 = 1013.25\text{ hPa}$，$T_0 = 288.15\text{ K}$，$L = 0.0065\text{ K/m}$。
• 馬赫數（Mach Number, $M$）：由聖維南—萬策爾公式（Saint-Venant and Wantzel formula）依等熵流關係推導（亞音速 $M \le 1$ 下）： $M = \sqrt{\frac{2}{\gamma - 1} \left[ \left( \frac{P_t - P_s}{P_s} + 1 \right)^{\frac{\gamma - 1}{\gamma}} - 1 \right]}$ 空氣比熱比 $\gamma = 1.4$。
• 大氣靜溫（Static Air Temperature, SAT / Outside Air Temperature, OAT, $T_s$）： $T_s = \frac{T_t}{1 + r \cdot \frac{\gamma - 1}{2} M^2}$ 其中 $r$ 為溫度感測探針之恢復係數（Recovery Factor）。
• 真速（True Airspeed, TAS, $V_{TAS}$）： $V_{TAS} = M \cdot a = M \sqrt{\gamma \cdot R \cdot T_s}$ 其中 $a$ 為音速，$R = 287.05\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ 為空氣氣體常數。

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解題方法

本題為民航特考「申論題」，標準答題切入點採用工程系統工程的「感測（Input）$\to$ 計算與補償（Processing）$\to$ 資訊輸出與應用（Output）」結構進行答題：

1. 第一部分：工作原理

• 感測輸入階段：分述皮托管（Pitot Probe）、靜壓孔（Static Ports）、總溫感測器（TAT Probe）及攻角傳感器（AOA Sensor）如何取得原始物理訊號（氣動壓力、溫度、流場角度）。
• 轉換與校準階段：ADC 內部的壓阻／電容式壓力換能器（Pressure Transducers）將氣壓轉換為電訊號，並導入「靜壓源誤差校正」（Static Source Error Correction, SSEC）消除機身外型氣流擾動產生的位置誤差（Position Error）。
• 計算處理階段：中央處理單元依據標準大氣模型與熱力學、流體力學公式，將壓力與溫度變數即時解算出飛行狀態參數。
• 輸出介面：透過數位航電匯流排（如 ARINC 429、AFDX/ARINC 664）發布數位訊號。

2. 第二部分：提供的飛行資料

• 結構化分類列出：
• 氣壓高度資訊（指示高度、氣壓高度、密度高度、垂直速度／升降率）。
• 空速與速度資訊（指示空速 IAS、校正空速 CAS、真速 TAS、馬赫數 Mach）。
• 大氣環境資訊（總溫 TAT、大氣靜溫 SAT / OAT）。
• 氣動姿態與安全警示參數（攻角 AOA、失速裕度、超速警告門檻值）。
• 簡述其對應系統之運用（如自動油門、FADEC 發動機全權數位控制、防撞系統 TCAS 等）。

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選項分析

本題為專業科目申論題，無直接之選擇題選項。依公職閱卷評分標準，閱卷要點與採分構面分析如下：

• 「工作原理」評分要點：
• 完整說明物理取樣機制（Pitot-Static 系統探針功能）：若僅寫出「量測風速」而未提及「總壓、靜壓、動壓（差壓）」之分離與量測，將大幅失分。
• 明確寫出 ADC 的功能：必須包含換能器訊號轉換（壓力轉電壓／數位）、誤差校正（SSEC 位置誤差修正）及數值計算法則。
• 「提供的飛行資料」評分要點：
• 必須將「速度」細分為 IAS/CAS/TAS/Mach 並清楚解釋其差異與計算源頭，不可單寫一個「空速」。
• 必須提及「垂直速度（VSI）」之由來（靜壓隨時間之微分 $\frac{dP_s}{dt}$）。
• 必須涵蓋「溫度資訊（TAT/SAT）」與「大氣高度資訊（高度計數值）」。完整列出並標註英文縮寫者屬高等級給分區間。

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解題技巧

1. 架構化口訣記憶：記住 「兩壓一溫一角」（總壓、靜壓、總溫、攻角）作為輸入；記住 「高、速、溫、升」（高度、各類空速與馬赫、大氣靜溫、升降率）作為核心輸出。
2. 避免混淆關鍵觀念：

• 考生最常犯的錯誤是認為「真速（TAS）是皮托管直接量出來的」。切記：皮托管只能量測總壓，經由扣除靜壓得到動壓計算出指示空速（IAS）與校正空速（CAS）；真速（TAS）必須結合大氣靜溫（SAT）與馬赫數（Mach）由計算機二次計算而得。
• 升降率（Vertical Speed）不是由陀螺儀提供，而是由 ADC 透過對靜壓變化率（$\frac{dP_s}{dt}$）求微分而得。

3. 版面配置規範：申論作答時務必使用層級化標號（一、 (一)、 1.、 (1)），並適當以粗體凸顯關鍵專有名詞與英文術語（如 ADC, SSEC, Pitot-Static System, CAS, TAS, Mach），閱卷委員能在 10 秒內快速掌握採分點。

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【答案】

一、空氣資料系統（Air Data System, ADS）之工作原理

現代民用與軍用航空器普遍採用以「空氣資料計算機」（Air Data Computer, ADC）或「整合式空氣資料單元」（Air Data Unit, ADU）為核心的數位化空氣資料系統。其工作原理可分為「訊號取樣」、「訊號轉換與誤差修正」、「空氣動力數值計算」及「數位資訊輸出」四個階段：