107 高普考普通考試 航海技術 航海學概要 考古題詳解

核心觀念

本題測驗航海學中「大圈」（Great Circle）之幾何定義及其在航海實務（大圈航法，Great Circle Sailing）上的重要物理與幾何特性。

1. 大圈定義：通過球心之平面與球面相割所形成的圓稱為大圈。其圓心即為球心，半徑等於球體半徑。
2. 對應要素：航海學中常見的大圈包括「赤道」（Equator）、「子午線圈」（Meridian circle）及天球上的「真地平」（True Horizon）。
3. 對比概念：航海上另一核心線條為「恆向線」（Rhumb Line / Loxodrome，與所有子午線交角均相等的航線），大圈航線除特例航向外並非恆向線。

解題方法

回答申論題時，應從「距離幾何」、「航向角度變化」、「海圖投影型態」、「特殊點（頂點與節點）」及「航務實作特性」等五個獨立維度切入，條理分明且具備專業術語，展現扎實的球面幾何與船藝實務功底。

選項分析

（註：本題為國家考試專業科目申論題，非選擇題。以下依考選部評分標準，逐項析論考生作答時應列出之核心特性）：

1. 最短距離特性（兩點間之表面最短路徑）： 在球面幾何中，連接球面上任意兩點的最短表面距離，為通過此兩點之大圈「劣弧」（Minor arc，即弧長小於 $180^\circ$ 者）。若兩點恰為對蹠點（Antipodal points），經度差為 $180^\circ$ 且緯度數值相等符號相反，則有無數個大圈通過該兩點，其最短距離均為半個大圈周長（約 $10,800\text{ 浬}$）。

2. 航向隨經度連續改變（非等角特性）： 因為地球各子午線向兩極收斂，大圈航線與各條子午線相交的夾角（即大圈航向，Great Circle Course）隨船舶航行位置不斷改變。唯一的特例為：

• 沿赤道航行時（航向維持固定為 $090^\circ$ 或 $270^\circ$）。
• 沿子午線航行時（航向維持固定為 $000^\circ$ 或 $180^\circ$）。 除上述特例之外，大圈航線均不是固定航向的恆向線。

3. 在各類海圖上的投影幾何型態：

• 心射海圖（Gnomonic Chart）：視點在球心，大圈所在平面與切面相交必成直線，故所有大圈在心射海圖上均投影為直線。
• 麥卡托海圖（Mercator Chart）：除赤道與子午線為直線外，一般大圈航線在麥卡托海圖上均投影為朝高緯度（極地方向）彎曲凸出的曲線，且該曲線始終位於同兩點間恆向線的極向側（高緯側）。

4. 頂點（Vertex）之幾何與航向特性： 每一條與赤道傾斜的大圈，在南北兩半球均各有一個達到最高緯度的點，稱為頂點（Vertex, 記為 $V$）。頂點具有以下關鍵幾何特性：

核心觀念

本題考查航海學中的​「航海圖書與出版品」（Nautical Publications & Charts）及​「航線規劃」（Passage Planning）領域。 導航圖（Pilot Chart）為船舶進行大洋航行（Ocean Navigation）時，用以掌握特定月份之宏觀氣象、水文與環境條件的專題參考航圖。核心考點包含：

1. 導航圖之定義與功用：統計長期海洋觀象資料，供船長或航海人員選擇最安全、最經濟航路之大洋氣象水文專題圖。
2. 發行體系與週期：主要發行主管機關（如美國國家地理空間情報局 NGA、水道局）、涵蓋海域（大西洋、太平洋、印度洋等）及以「月份」為單位之出版週期。
3. 圖面內容構成：掌握圖上呈現之各類自然現象（風、流、氣壓、氣溫、浪、霧、冰）及人為航行資訊（推薦航線、地磁偏角等）。

解題方法

本題為標準的國家考試申論題，採​「總論定義 $\rightarrow$ 發行架構 $\rightarrow$ 圖面內容 $\rightarrow$ 航行應用價值」​的邏輯脈絡作答：

1. 開門見山定義導航圖：先釐清 Pilot Chart 與一般導航海圖（Navigational Chart）之本質差異（前者為「統計資料專題圖」，不可直接用於實務定位測量；後者供即時船位繪算定位）。
2. 條列說明發行情形：交代發行機構、涵蓋範圍（洋區圖集 Atlas）、發行頻率（每月一張圖）與現代發行型態（電子檔/數位化）。
3. 系統化歸納圖面內容：依「氣象環境」、「海洋水文」、「航行安全與航線」三大構面詳細分類列述，並特別闡述關鍵符號（如風玫瑰圖 Wind Rose）之讀法與意涵，展現航海專業深度。

選項分析（申論題評分重點解析）

本題為非選擇題（申論題），閱卷重點與給分結構落在以下要件之完整度：

• 發行面（占分約 40%）：
• 發行機構：必須寫出國際主要權威機構（如美國 NGA／DMA 等）。
• 發行形態與單元：需點明以「洋區」為圖集（Atlas），各圖集內依「12 個月份」各刊發一張月圖，總覽該月歷年平均統計態勢。
• 內容面（占分約 60%）：
• 氣象要素：風玫瑰圖（風向頻率、平均風力、無風率）、蒲福風級 $\ge 8$ 級之強風（Gale）出現機率等值線、霧況分布率、氣溫與氣壓等值線、熱帶氣旋（颱風／颶風）歷史移動路徑。
• 水文要素：主要洋流之平均流向與流速（節數，knots）、海冰與冰山漂移極限線（Ice Limits）、顯著浪高。
• 航海輔助要素：各大洋建議推薦航路（Recommended Routes）、等磁偏線（Isogonic Lines）。

解題技巧

1. 答題結構化：使用醒目的標題與編號（一、二、(一)、(二)、1、2），利於閱卷委員在短時間內掌握得分關鍵字。
2. 關鍵字務必精準：作答時帶入中英對照之術語，如「風玫瑰（Wind Rose）」、「蒲福風級（Beaufort Scale）」、「等磁偏線（Isogonic Lines）」、「冰山極限（Limit of Icebergs）」，能顯著提高專業得分。
3. 常見失分陷阱：

• 誤將導航圖當成「進出港引水（Pilotage）使用的港灣平面圖」：英文雖名為 Pilot Chart，但其主旨為「海洋季風氣候與航路環境統計圖」，絕非引水人專用的進港圖。
• 忽略風玫瑰圖的細節：風玫瑰是導航圖的核心靈魂，務必說明中心圓圈與放射線的意義（中心數字代表無風率，箭尾羽片或箭桿長度代表風級與吹向中心之頻率）。

【答案】

一、導航圖（Pilot Chart）之定義與目的

導航圖（Pilot Chart）是以長年累積的海洋水文、氣象與航行觀測數據為基礎，經統計分析後繪製之大洋專題參考圖，多採用麥卡托投影（Mercator Projection）。其主要目的在於協助航海人員於航程規劃（Passage Planning）階段，宏觀掌握特定航區在不同月份之平均天候、風況、海流及各類航海危險分布，以選擇最安全且具經濟效益之航路。注意：導航圖僅供航線設計與氣候預測參考，不得用於船位標繪（Plotting）與沿岸避險定位。

核心觀念

天文航海三角形（Navigational Triangle，又稱 $PZX$ 三角形或 $PZM$ 三角形）是天文航海定位理論的核心基石。其主要功能在於將「赤道坐標系統」（Equatorial System）與「地平坐標系統」（Horizon System）進行幾何轉換。

1. 定義與構成： 在天球（Celestial Sphere）表面，由三個特定天球點以大圓弧（Great Circle Arc）相連所構成的球面三角形（Spherical Triangle）：

• $P$（Elevated Pole，仰極）：與觀測者所在半球同名之天極（北半球為北天極 $P_n$，南半球為南天極 $P_s$）。
• $Z$（Zenith，天頂）：通過觀測者位置之地心鉛垂線向上延伸交於天球之點。
• $M$ 或 $X$（Celestial Body，天體）：被觀測天體在天球上的視位置。

2. 三邊特性：三邊均為各大圓弧，且均為 $90^\circ$ 與某一重要天文坐標值（緯度 $L$、赤緯 $d$、高度 $h$）的互餘關係。
3. 內角特性：包含連繫赤道系統的「子午角（$t$）」、連繫地平系統的「方位角（$Z$）」及天體處的「視差角（$X$）」。

解題方法

本題為標準的航海天文學申論題（共 30 分，每小題 5 分），解題切入點如下：

1. 繪圖部分：畫出天球幾何結構透視圖，明確標出 $P$、$Z$、$M$ 三頂點，連成球面三角形，並在各邊標示餘緯度（$co\text{-}L$）、極距（$PD$）、天頂距（$ZD$），在各內角標註子午角（$t$）、方位角（$Z$ 或 $Az$）。
2. 名詞說明部分：對（二）至（六）小題，每一項均依照：

• 「幾何定義（由哪兩個點構成之何種大圓弧或夾角）」
• 「量度起迄與方向」
• 「數值範圍與數學計算關係式」 三個要素完整作答，以確保拿滿配分。

選項分析

本題為申論題型，無選擇題選項。依典試委員評分標準，各小題作答重點與評分關鍵如下：

• 第（一）小題（5分）：圖形需為封閉之球面三角形，頂點 $P$、$Z$、$M$ 及邊、角標示須完全對應，缺一標註即可能被扣 1 分。
• 第（二）小題（5分）：必須寫出赤緯與仰極「同名（$90^\circ - d$）」與「異名（$90^\circ + d$）」之判別，若漏寫異名情況通常會被扣 2 分。
• 第（三）小題（5分）：指明為觀測者子午圈大圓弧，公式為 $co\text{-}L = 90^\circ - L$。
• 第（四）小題（5分）：指明為天體垂直圈大圓弧，公式為 $ZD = 90^\circ - h$。
• 第（五）小題（5分）：須清楚說明量度方向為「向東或向西」，範圍為 $0^\circ \sim 180^\circ$。
• 第（六）小題（5分）：須強調其為球面三角形內角（$0^\circ \sim 180^\circ$），由仰極方向起算，並說明其與真方位（$000^\circ \sim 360^\circ$）之換算關係。

解題技巧

1. 三邊記憶口訣（皆為餘角）：

• 仰極到天頂（$P \to Z$）：緯度的餘角 $\implies$ 餘緯（$co\text{-}L$）。
• 仰極到天體（$P \to M$）：赤緯的餘角 $\implies$ 極距（$PD$）。
• 天頂到天體（$Z \to M$）：高度的餘角 $\implies$ 天頂距（$ZD$）。

2. 兩大關鍵角定位：

• 頂點在天極 $P$ 的內角為子午角 $t$（連繫地方時角 LHA）。
• 頂點在天頂 $Z$ 的內角為方位角 $Z$（連繫真方位 $Zn$）。

3. 同名異名陷阱： 極距是三邊中唯一可能大於 $90^\circ$ 的邊，當天體赤緯與仰極為「異名」時，天體位於天赤道另一側，極距必為 $90^\circ + d$。

【答案】

（一）劃出天文航海三角形

核心觀念

本題評量船舶自動識別系統（Automatic Identification System, AIS）之架構與資訊傳輸規範，本題以命題當年（民國 107 年）國際法規與標準為準。法源與技術規範依據如下：

1. 國際海事組織（IMO）決議案：《通用船載自動識別系統（AIS）性能標準》（IMO Resolution MSC.74(69) Annex 3）。
2. 國際海上人命安全公約（SOLAS 1974）：第 V 章第 19 條（Reg. V/19.2.4）關於 AIS 設備之配載與傳輸功能要求。
3. 國際電信聯盟（ITU）無線電通信部門建議書：ITU-R M.1371 規範之技術標準。

AIS 系統藉由自我協調分時多工接取（SOTDMA）技術，在特高頻（VHF）海事頻段自動對外廣播。其傳輸內容依據「資料變動週期」與「資料屬性」嚴格劃分為三大本船資訊（靜態、動態、航行相關），並提供第四類供船舶及岸台（如岸端船舶交通服務 VTS）緊急通報之「安全相關資訊」。

解題方法

解答此申論題的核心切入點，在於依據「資料來源的更新方式」與「傳輸頻率」進行分類歸納：

1. 靜態資訊（Static Information）：源自船舶出廠註冊、安裝時設定之船體與識別參數，通常永久或長年不變，除非變更船旗或重新改裝。固定以每 6 分鐘或應請求（On request）時傳送一次。
2. 動態資訊（Dynamic Information）：源自船載導航感測器（如 GNSS、電羅經、速率迴轉儀、都卜勒計程儀）自動連續讀取之即時航行數據。傳輸週期視船速與轉向狀態而定（每 2 秒至 3 分鐘不等）。
3. 航行相關資訊（Voyage-related Information）：由船副或當值航行員於每航次出港前或航程中手動鍵入更新，每 6 分鐘或應請求時發送。
4. 安全相關資訊（Safety-related Messages）：採用簡短文字訊息格式（廣播或定址發送），由船端航行員或岸端 VTS 操作員依實際安全需要即時傳輸。

按此邏輯分項陳列 IMO 規範之具體項目，即可獲得完整分數。

選項分析

本題為申論題，非選擇題，考生須將四大資訊內容的細項與邊界釐清，避免混淆：

1. 靜態資訊 vs. 航行相關資訊：

• 船舶尺寸（長、寬）與天線幾何位置屬「靜態資訊」。
• 船舶吃水（Draught）會隨載貨、壓載與燃油消耗而變化，屬「航行相關資訊」，不可歸為靜態。

2. 動態資訊 vs. 航行相關資訊：

• 「航行狀態（Navigational Status）」（如：在航、錨泊、操縱能力受限制）由駕駛台航儀或人工切換標籤，但它是透過動態報文發送，屬於「動態資訊」。
• 「目的地（Destination）」與「預計抵達時間（ETA）」為航程規劃項目，屬於「航行相關資訊」。

3. 安全相關資訊之屬性：

• 屬文字訊息（Short safety-related text messages），非導航數值數據，由 VTS 或船舶於必要時手動或預設觸發，用於防碰警告、航行通告或氣象預警。

解題技巧

1. 記憶口訣與心智分組：

• 靜態（身分證與身材）：MMSI、IMO 編號、呼號、船名、型式（船型）、長寬與天線相對位置。
• 動態（儀表板即時讀數）：船位（經緯度）、UTC 時間、對地航向（COG）、對地航速（SOG）、艏向（Heading）、迴轉率（ROT）、航行狀態。
• 航行相關（航行日誌每航次填寫）：現在吃水、危險品類別、目的港、預估抵達時間（ETA）、航行計畫（選填）。