108 高普考普通考試 航海技術 航行設備概要 考古題詳解

核心觀念

本題測驗國際海事組織（IMO）所頒布之《國際信號規則》（International Code of Signals, INTERCO，法規與代碼以命題當年民國 108 年之規範為準；現行法規對單字母信號旗之定義與圖樣維持一致）。

單字母信號旗（Single-letter Signals）具有國際公認的「最高優先性」與「緊急通報功能」，專門用以指示船舶在遭遇危險、特殊作業、受限狀態或需即時協調之極重要情境。考生必須熟練掌握信號旗的三大考核核心：

1. 旗形幾何特徵：區分長方形旗（Rectangular flag）與雙燕尾旗（Burgee / Swallow-tailed flag）。
2. 顏色配置與分界：國際信號旗僅採用紅、白、藍、黃、黑五種基本顏色，各色塊的分隔方式包含等分水平橫條、等分垂直直條、對角切割以及同心方框。
3. 單字母法定特定意義：標準海事法規中文定義與國際對應術語，文意表述必須精確到位，不可使用模糊或自創的口語。

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解題方法

本題為標準的申論繪圖題，每小題配分 5 分，共 30 分。在國家考試閱卷標準中，評分比重通常拆解為：幾何旗形正確度（2 分）、顏色中文標註與位置（1 分）、標準法定意義（2 分）。

作答策略應遵循標準規範化步驟：

1. 結構化呈現：每小題均獨立列出「旗形與圖示」、「顏色分佈標註」、「代表意義」，避免將圖形與意義混雜書寫。
2. 圖示精準繪製：

• 繪製雙燕尾旗時，右側缺口（燕尾角）需清晰交會；
• 繪製水平或垂直分割時，標示等寬比例；
• 繪製對角線時，必須明確交代起訖端點（左上至右下或左下至右上）；
• 繪製同心方塊時，層次順序（由外向內）必須交代清楚。

3. 文詞嚴謹：代表意義須直接引用《國際信號規則》官方標準用語（如「引水人」、「操舵受限制／操作有困難」、「裝卸或載運危險貨物」），以掌握滿分關鍵字。

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各子題分析與評分要點

• （一）字母 B（Bravo）

• 形狀特徵：為全套字母旗中少數之「雙燕尾旗」（Burgee），若誤繪為一般長方形旗將被扣除旗形分數。

• 色彩配置：全旗單一顏色，為「純紅色」。

• 法定意義：「我船正在裝載、卸載或載運危險貨物。」（I am taking in, or discharging, or carrying dangerous goods.）。在港口加油、駁油或裝卸爆裂物、化學品時均須懸掛。

• （二）字母 D（Delta）

• 形狀特徵：長方形旗。

• 色彩配置：由上至下分為三條等寬橫條，顏色配置為「黃－藍－黃」（比例為 $1:1:1$）。

• 法定意義：「請與我船保持距離；我船操作有困難（或操舵受限制）。」（Keep clear of me; I am maneuvering with difficulty.）。此旗強調本船操縱性能受限，他船應主動讓清。

• （三）字母 H（Hotel）

• 形狀特徵：長方形旗。

• 色彩配置：垂直等分為兩半，靠旗桿側（左側）為「白色」，飛邊側（右側）為「紅色」（比例為 $1:1$）。左右顏色絕對不可顛倒。

• 法定意義：「我船上有引水人（領港員）。」（I have a pilot on board.）。引水人登船執勤後通常即刻升起。

• （四）字母 J（Juliet）

• 形狀特徵：長方形旗。

• 色彩配置：由上至下分為三條等寬橫條，顏色配置為「藍－白－藍」（比例為 $1:1:1$）。常與 D 旗混淆，需特別注意底色差異。

• 法定意義：「我船發生火災，且船上載有危險貨物，請遠離我船。」或「我船有危險貨物正在外洩，請遠離我船。」（I am on fire and have dangerous cargo on board: keep well clear of me, or I am leaking dangerous cargo.）。為極高危險級別之避讓警示。

• （五）字母 O（Oscar）

• 形狀特徵：長方形旗。

• 色彩配置：沿對角線劃分為兩個直角三角形，自旗面左上角（靠近旗桿上緣）至右下角（飛邊下緣）對角切分，右上為「紅色」，左下為「黃色」。

• 法定意義：「有人落水（人員落水）！」（Man overboard.）。海難搜救與人員緊急落水時之通用視覺信號。

• （六）字母 W（Whiskey）

• 形狀特徵：長方形旗。

• 色彩配置：三層同心同形矩形框，由外向內依序為「外框藍色」、「中框白色」、「中心方塊紅色」。

• 法定意義：「我船需要醫療援助。」（I require medical assistance.）。船員受傷或急病需外援救醫時使用。

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解題技巧

1. 口訣聯想記憶法：

• B（Bravo）：聯想 Blood（血／危險／爆炸），形狀為「紅燕尾」，專指「裝卸或運載危險品」。
• D（Delta）：聯想 Difficulty，操縱「有困難」，三橫條「黃－藍－黃」（警戒黃夾深藍）。
• H（Hotel）：聯想 Harbor Pilot，引水人「左白右紅」乾淨分明。
• J（Juliet）：聯想火災危險 Jail-break，三橫條「藍－白－藍」，代表「火災且載有危險品」或「危險品外洩」。

核心觀念

本題測驗航行設備中水下聲學測距（Underwater Acoustic Ranging）​的核心理論與設備工程架構。主要考核之定義、公式與國際法規標準如下：

1. 水下聲波測距原理：利用電能轉換為水下高頻聲波脈衝向海底發射，經海底反射形成回音，量測發射至接收的往返時間（Two-way travel time, $t$），依據水中聲波傳播速度 $v$ 計算換能器至海底之距離 $D$。
2. 基本計算公式： $D = \frac{v \times t}{2}$ 其中：

• $D$：換能器至海底的垂直距離（公尺，$\text{m}$）。
• $v$：聲波在海水中的平均傳播速度（通常標準校準值採 $1500\text{ m/s}$，實際受溫度、鹽度及水深壓力影響）。
• $t$：脈衝發射至收到回波的時間間隔（秒，$\text{s}$）。

3. 基準面校準與水深關係：

• 海圖水深（海面至海底）：$H = D + d_{\text{trans}}$（$d_{\text{trans}}$ 為換能器吃水深度）。
• 龍骨下水深（Under-Keel Clearance, UKC）：$\text{UKC} = D - (d_{\text{keel}} - d_{\text{trans}})$，若換能器安裝於龍骨底部，則 $D \approx \text{UKC}$。

4. 國際法規要求（命題當年民國 108 年標準）： 依據 SOLAS 第 V 章第 19 條及 IMO MSC.74(69) 決議案《回音測深儀性能標準》，300 總噸及以上之所有客船與貨船均須配備合格之回音測深設備，需具備圖紙或數位圖形記錄功能、淺水警報（Shallow water alarm）以及吃水／基準面設定功能。

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解題方法

本題為經典的「原理說明＋系統圖解＋功能分析」申論題型，切入架構應嚴謹分為三大部分：

1. 原理解析：先定義聲學測距本質，列出時間-距離公式，並明確說明「除以 2」的物理意義（往返雙程路徑），進一步補充基準面（海面基準 vs. 龍骨基準）及聲速修正觀念。
2. 結構繪圖：繪製清晰標準的「系統組成方塊圖（Block Diagram）」，以訊號流程為主軸，完整呈現「控制單元 $\rightarrow$ 發射機 $\rightarrow$ TR 開關 $\rightarrow$ 換能器 $\rightarrow$ 海底 $\rightarrow$ 換能器 $\rightarrow$ TR 開關 $\rightarrow$ 接收機 $\rightarrow$ 顯示記錄器」之封閉回路。
3. 功能詳述：將方塊圖之六大核心單元（主控／定時器、發射機、收發轉換開關、換能器、接收機、顯示與記錄器）分項條列，闡明能量轉換（壓電效應）與訊號處理機制（如 TVG 時間增益控制）。

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選項分析（申論題重點要素剖析）

本題為申論題，作答時針對關鍵功能模組的得分重點與常漏項目剖析如下：

• 發射機（Transmitter）與換能器（Transducer）的能量轉換：必須寫出換能器的核心物理特性為「逆壓電效應」（電能轉聲能）與「正壓電效應」（聲能轉電能），不可僅寫「發射聲音」。
• 收發轉換開關（T/R Switch / Duplexer）的必要性：多數測深儀採「共用單一換能器」設計，發射脈衝電壓高達數百至上千伏特，若無 T/R 開關阻斷發射瞬間的高壓訊號，接收端敏銳電路必遭燒毀；此保護與隔離機制為評分標準關鍵點。
• 接收機的時間增益控制（TVG, Time Varied Gain）：聲波在海水中傳播隨距離產生擴散與吸收衰減，深水回波遠比淺水微弱；TVG 能隨時間增加自動提高放大增益，使深淺回波在顯示器上保持均勻清晰。
• 基準面切換功能（Datum / Draft setting）：作答若未提及換能器安裝位置造成的吃水補償（Draft compensation），將被視為缺乏實務航海經驗而遭扣分。

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解題技巧

1. 圖形繪製訣竅：在國家考試試卷上，繪製方塊圖時務必標註訊號流向箭頭，並明確以虛線或波浪線標示「水下聲波路徑」與「機艙／駕駛台內部電路」的區隔，層次立體分明。
2. 防踩公式陷阱：計算公式務必寫出分母的「$2$」，若漏寫直接以 $D = v \times t$ 計算，會被視為基礎物理觀念錯誤。
3. 記憶口訣：「控發換，轉接顯」（主控時序、脈衝發射、換能轉換、雙工切換、接收放大、顯示記錄）。

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【答案】

一、回音測深儀（Echo Sounder）之測深基本原理

回音測深儀係利用水中超音波脈衝反射原理進行測距。儀器透過安裝於船底之換能器向海底垂直發射一束短促之高頻聲波脈衝，聲波在海水中傳播遇密度不同之底質（海床）時產生反射，回波反射回船底由換能器接收。

其基本測深數學關係式為： $D = \frac{v \times t}{2}$

• $D$：換能器至海床之垂直距離（$\text{m}$）。
• $v$：聲波在海水中之傳播速度，國際標準設計通常校準為 $1500\text{ m/s}$（實際聲速隨水溫、鹽度與靜水壓力而微幅變化）。
• $t$：自脈衝發射瞬間至收到回音為止之時間差（秒，$\text{s}$）。
• 公式除以 $2$ 係因聲波經歷「換能器 $\rightarrow$ 海床 $\rightarrow$ 換能器」之雙程往返傳播，垂直水深僅為單程距離。

在航行應用上，測深儀可透過操作介面設定基準偏移量（Draft / Keel Offset）：

核心觀念

本題旨在考查航海人員對兩大核心航行輔助設備——「雷達／自動雷達測繪助航儀（RADAR/ARPA）」與「船舶自動識別系統（Automatic Identification System, AIS）」之工作原理、感測特性及避碰實務限制的綜合比較能力。

涉及的核心法規與國際標準包含：

1. 國際海上人命安全公約（SOLAS）第 V 章第 19 條：規範各載重噸位船舶強制安裝 RADAR、ARPA 及 AIS 之基準（以命題當年民國 108 年之規範為準）。
2. 1972 年國際海上避碰規則（COLREGS 1972）：第 5 條（瞭望）、第 7 條（碰撞危險）、第 8 條（避免碰撞之措施）及第 19 條（能見度不良時之避碰）。
3. 系統架構本質：

• RADAR/ARPA：屬於非合作式、獨立主動探測系統（Non-cooperative & Autonomous System）。發射微波並接收目標反射波，不依賴目標船舶配合。
• AIS：屬於合作式、自動廣播通信系統（Cooperative & Broadcast-based System）。利用 VHF 特高頻數位資料鏈（TDMA），依賴對方設備正常開機運作且正確輸入與傳感。

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解題方法

本題為標準的比較型申論題。解題切入點應緊扣題目明列之五大維度（可追蹤的目標、顯示資訊、涵蓋區域、精確度、避碰功能）。

答題架構採取：

1. 比較總表：在卷首建立結構化對照表，方便閱卷委員迅速掌握關鍵要點。
2. 逐項深入剖析：針對題目指定的五大面向分段申述，說明其底層物理特性、資訊流向及航海實務意涵。
3. 互補整合結論：點出兩者並非取代關係，而是透過整合顯示（Target Fusion）相輔相成，展現高階答題深度。

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申論詳解（各面向深度比較）

一、綜合比較表

比較項目	船舶自動識別系統（AIS）	雷達／自動雷達測繪助航儀（RADAR/ARPA）
系統本質	合作式廣播資料鏈（VHF/TDMA）	非合作式自體主動反射探測（微波）
可追蹤目標	僅限有裝設且開啟 AIS 之合作目標、AtoN、SART	所有具雷達反射截面積之物體（非合作目標亦可）
顯示資訊	靜態、動態、航次相關及安全短訊，具唯一識別身分	僅有距離、方位、相對／真運動向量，無身分資訊
涵蓋區域	VHF 視距，繞射能力較強，可越過盲區與障礙物	直線傳播，受地形地物遮蔽（盲區），受海雨雜波干擾
精確度與延遲	依賴各船感測器（如 GNSS），無運算延遲但受限 GIGO	距離精確、方位次之；需數次掃描濾波，轉向時有延遲
避碰功能	提供識別碼以利 VHF 溝通；即時顯示 ROT 便於預知轉向	直接提供 CPA/TCPA 供避碰操船，具備試操船功能

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二、分項詳細說明

1. 可追蹤的目標（Trackable Targets）

• AIS（合作目標）：
• 只能接收並追蹤已安裝且開啟 AIS 應答器（Class A 或 Class B）的目標船舶、虛擬／實體助航標誌（AIS AtoN）、搜救應答器（AIS-SART）及搜救航空器。
• 限制：對於未裝設 AIS 的木質小船、小型漁船、玻璃纖維遊艇、浮木、浮冰、無人駁船以及陸地海岸線，AIS 完全無法偵測。
• 容量：在 TDMA 架構下，單一 VHF 頻道每分鐘可提供 2250 個時槽，系統可同時追蹤數百至上千個目標而不會過載。
• RADAR/ARPA（全實體目標）：
• 能探測所有具有足夠雷達反射截面積（Radar Cross Section, RCS）的物體，包括島嶼、海岸線、礁石、浮標、無 AIS 裝備之任何船隻、冰山等。
• 限制：易受海面雜波（Sea Clutter）及雨雪雜波（Rain Clutter）干擾而掩蓋目標。
• 容量：ARPA 處理單元受限於運算效能，通常自動/手動追蹤目標上限約為 20 至 100 個目標。

2. 顯示資訊（Displayed Information）

• AIS（內容豐富且具識別性）：
• 靜態資訊：IMO 編號、MMSI、呼號、船名、船舶類型、船舶尺寸與天線裝設位置。
• 動態資訊：船位（經緯度及品質）、世界協調時間（UTC）、對地航向（COG）、對地航速（SOG）、船艏向（Heading, HDG）、轉向率（Rate of Turn, ROT）、航行狀態（如錨泊、運轉能力受限等）。
• 航次資訊：吃水、危險貨物類別、目的地與預估抵達時間（ETA）。
• 短訊息：安全相關之文字訊息。
• RADAR/ARPA（幾何動態數據，無辨識資訊）：
• 螢幕僅顯示反射回波的光點或形貌。
• 經 ARPA 處理後，可顯示目標的距離、方位、相對運動向量、真運動向量、最近會遇距離（Closest Point of Approach, CPA）、到達最近會遇距離時間（Time to CPA, TCPA）及目標過去軌跡點（Past Positions）。
• 限制：無法得知對方的船名、呼號、航向改變意圖（無直接 ROT 數據）及船舶特性。

3. 涵蓋區域（Coverage Area）

• AIS（繞射能力佳、突破視線死角）：
• 工作頻段為特高頻（VHF 161.975 MHz 及 162.025 MHz），傳播特性雖屬視距傳播，但其波長（約 $1.85\text{ m}$）遠大於雷達微波。
• 具有明顯的繞射（Diffraction）能力，能繞過岬角、彎曲河道、島嶼遮蔽區，提早偵測到盲區後方的船舶；且在暴風雨與高海況下訊號幾乎不衰減。

核心觀念

本題旨在測驗航海雷達（Marine Radar）的物理極限與電波傳播原理。雷達能否探測到目標，取決於「幾何光學視距」與「電波能量門檻」兩大物理準則：

1. 幾何視距限制（雷達地平，Radar Horizon）： 電磁波在大氣中傳播受地球曲率及標準大氣折射影響（等效地球半徑為實際半徑之 $\frac{4}{3}$ 倍），雷達波所能觸及的極限幾何距離由天線高與目標高共同決定： $D = 2.21 \times \left(\sqrt{h_1} + \sqrt{h_2}\right)$ 式中，$D$ 為雷達光學最大探測距離（單位：海浬, NM），$h_1$ 為雷達天線架設高度（單位：公尺, m），$h_2$ 為目標物高度（單位：公尺, m）。

2. 電波能量限制（雷達方程式，Radar Range Equation）： 目標反射回天線之功率必須大於或等於接收機所能辨別的最小信號功率（$S_{\min}$）。基本雷達方程式推導所得之最大理論距離 $R_{\max}$ 為： $R_{\max} = \left[ \frac{P_t \cdot G^2 \cdot \lambda^2 \cdot \sigma}{(4\pi)^3 \cdot S_{\min} \cdot L} \right]^{\frac{1}{4}}$ 式中：

• $P_t$：發射峰值功率（Peak Transmitter Power）
• $G$：天線增益（Antenna Gain）
• $\lambda$：發射電波波長（Wavelength）
• $\sigma$：目標之雷達有效反射截面積（Radar Cross Section, RCS）
• $S_{\min}$：接收機最小可測信號功率（Minimum Detectable Signal）
• $L$：系統損耗與大氣傳播損耗因子（System and Propagation Losses）

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解題方法

本題為國家考試航海技術類科之經典申論問答題。解題時應採取「理論為經、分類為緯」的系統性解構法：

1. 破題架構：先指出雷達最大探測距離受制於「幾何視距（地球曲率與折射）」與「能量傳播（信號衰減與信噪比）」兩大極限。
2. 分類剖析：將所有實務與物理變因歸納為四大面向：

• 雷達裝備內部因素（系統端）
• 目標反射特性（目標端）
• 傳播介質與氣象條件（環境端）
• 操縱人員操作設定（人為端）

3. 深入推論：列出關鍵公式，並說明各變因與最大探測距離之數學或物理關聯性（例如功率的四次方根關係、高度的平方根關係），以展現嚴謹之專業度。

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選項分析

本題屬申論問答題，無單選或複選選項。評分重點在於論述之完整性與條理性：

• 若僅回答「天氣好壞、船隻大小、機器馬力」等口語化片段，將落入評分下限。
• 考生作答時應以雷達方程式各參數及航海幾何視距為骨幹，依「設備、目標、環境、人為」四維度條列回答，方能獲取高分。

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解題技巧

1. 記憶口訣：掌握「機、物、環、人」四字訣（機器特性、物體特徵、環境天候、人為操作）。
2. 四次方根陷阱：在論述發射功率 $P_t$ 時，切勿誤寫成正比。根據方程式 $R_{\max} \propto P_t^{1/4}$，發射功率必須提升為原來的 16 倍，最大探測距離才得以增加 1 倍（變為 2 倍）。
3. 波長取捨論述（X-Band vs. S-Band）：

• X-Band（波長約 $3\text{ cm}$，頻率約 $9\text{ GHz}$）：天線尺寸相同時增益 $G$ 較高、方位分辨力佳，但受雨霧等水氣粒子衰減大。
• S-Band（波長約 $10\text{ cm}$，頻率約 $3\text{ GHz}$）：穿透雨雪及海面雜波能力強，在惡劣天候下實務最大探測距離遠優於 X-Band。

4. 大氣異常折射要點：

• 超折射（Super-refraction）與大氣導管（Ducting）：電磁波彎曲曲率大於地球曲率，使電波順著大氣層傳播至極遠處，大幅增加最大探測距離。
• 亞折射（Sub-refraction）：電磁波向上彎曲脫離海面，導致雷達地平縮短，大幅減小最大探測距離。

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【答案】

影響雷達最大探測距離的重要因素，依其物理成因與實務運作，可歸納為以下四大維度：