111 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

本題考查航海學中兩大核心基礎主題：「恆向線之幾何特性」與「航路計畫之海圖作業實務規範」。

1. 恆向線（Rhumb Line / Loxodrome）定義與極限特性：

• 定義：在地球表面上，與所有子午線（經線）均以相同交角相交的曲線。
• 幾何運動極限：當航向 $C$ 介於 $000^\circ$ 至 $090^\circ$（非正東、正西、正南、正北）時，例如 $C = 045^\circ$，船舶將在地球表面形成一條以對數螺線形式逐漸繞行並漸近收斂的「等角螺旋線（Loxodromic Spiral）」。
• 數學推導（距離與經度變化）： 設起始緯度為 $\phi_0$（弧度），航行至緯度 $\phi$ 時，微元弧長滿足 $d\phi = ds \cos C$。由 $\phi_0$ 航向極點（$\phi = \pi/2$）的總航程為： $s = \int_{\phi_0}^{\pi/2} \frac{d\phi}{\cos C} = \frac{1}{\cos C} \left( \frac{\pi}{2} - \phi_0 \right)$ 當 $C = 045^\circ$ 時，$\cos 045^\circ = \frac{\sqrt{2}}{2}$，航程 $s = \sqrt{2}\left(\frac{\pi}{2} - \phi_0\right)$，為一有限值（Finite distance）。 然而其經度變化量為： $\Delta \lambda = \tan C \int_{\phi_0}^{\phi} \sec \phi \, d\phi = \tan C \left[ \ln \tan\left(\frac{\pi}{4} + \frac{\phi}{2}\right) - \ln \tan\left(\frac{\pi}{4} + \frac{\phi_0}{2}\right) \right]$ 當 $\phi \to \pi/2$ 時，$\Delta \lambda \to \infty$。這證明船舶在橫越無限多條子午線（繞行地球無數圈）後，以有限的航程最終抵達地理北極點（North Pole, 緯度 $90^\circ\text{N}$）。

2. 海圖作業規範（Chart Work Procedures）： 依據國際海事組織決議案 IMO Res. A.893(21)《航路計畫指引》（Guidelines for Voyage Planning）及航海常規，海圖作業涵蓋海圖檢驗與改正、航線繪製與標註、安全邊界界定、船位推算與監控規劃等法定標準程序。

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解題方法

本題為申論問答題，作答分為兩大部分：第一部分為終點位置說明與繪圖；第二部分為海圖作業標準程序與注意事項。

第一部分：恆向線 $045^\circ$ 航向之終點分析與繪圖

1. 最終到達位置：

• 船舶以恆向線 $045^\circ$ 持續航行，航向始終偏向北方且與每條子午線保持 $45^\circ$ 夾角。
• 船舶會向極點持續盤旋接近，繞行圈數趨近於無窮大，但在有限航程內，最終必然抵達「地理北極點」（Geographic North Pole, $90^\circ\text{N}$）。

2. 考卷作圖示範： 考生於試卷上應繪製兩幅圖對比說明：

• 圖一：地球球面上的等角螺旋線（球體視圖） 繪一半球，標出赤道、子午線與北極點。航線從中低緯度出發，以固定的 $45^\circ$ 角跨越各子午線，形成一條向北極點盤旋收斂的螺旋曲線，標註「終點：地理北極點（$90^\circ\text{N}$）」。

 [ 北極點 (North Pole, 90°N) ]
 /|\ <-- 螺旋終點
 / | \
 / * * \
 / * | * \
 / * | * \
 | * | * | 航線以 45° 夾角繞極盤旋
 |* | * |
 ---------+---------+--------+--------- 赤道 (Equator)
 | | |
 子午線 (Meridians)

• 圖二：麥氏海圖（Mercator Projection）上的航線表示 在麥卡托投影圖上，子午線為等距平行直線，緯線為互相平行的直線。恆向線在麥氏海圖上呈現為一條向東北方向傾斜 $45^\circ$ 的直線。此直線在圖上向右上無限延伸（因為麥氏海圖無法涵蓋緯度 $90^\circ$ 的極點，在圖上表現為漸近線趨向無限大）。

 緯度 (Latitude)
 ^
 | / (航向 045° 真航線，呈直線)
 | /
 | / 
 | / 夾角 45°
 | /|
 +------------+-------+-----> 經度 (Longitude)
 子午線

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第二部分：海圖作業程序與相關注意事項

海圖作業須遵循航路計畫四階段（評估、計畫、執行、監控）中的實務操作，具體作業程序與注意事項如下：

1. 作業前準備與海圖選擇（Chart Appraisal & Selection）：

• 海圖比例尺選擇：依航行水域選擇適當比例尺海圖。大洋航行採用小比例尺海圖，沿岸、狹水道及進出港務必採用最大比例尺海圖（Large-scale chart）。
• 海圖最新有效性查核：確認海圖採用最新版次，並依據最新《航船布告》（Notices to Mariners, NTM）完成永久修正（Permanent notices）、臨時修正（Temporary notices, T）與預告修正（Preliminary notices, P）之圖上標繪改正。

2. 航線繪製與標註規範（Course Plotting & Annotations）：

• 航線繪製：使用合格平行尺（或航海三角板）與兩腳規，以鉛筆（建議 2B 軟硬適中鉛筆）精確繪製航向線（Track line）。
• 轉向點（Waypoint, WPT）：於每個轉向點清晰標示點號、經緯度座標、新航向及轉向輪廓弧度（Wheel-over point, WOP）。

核心觀念

本題考查現代商船「電子航儀」（Electronic Navigation Instruments）之工作原理與信號傳遞型態。 依國際海上人命安全公約（SOLAS）第 V 章第 19 條規定之航行設備配備標準，航儀依信號傳輸特性可分為兩大類：

1. 純接收系統（Receive-only / 被動式系統）：設備本身不向外發射訊號，僅單向接收外界電磁波或數據，例如全球衛星導航系統（GNSS/GPS）、航行警告電報接收機（NAVTEX）、氣象傳真機（Weather Fax）。
2. 收發系統（Transceiver / 主動式系統）：設備內部具備發射機（Transmitter）與接收機（Receiver），能主動發射電磁波、無線電數位封包或水下聲波，並接收回波或對應台端傳回之訊號以完成探測、定位、避碰或資料交換。

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解題方法

本題為標準申論題，作答切入點與得分結構應包含：

1. 界定標準：精確鎖定「具備主動發射並接收物理／無線電訊號」之航海儀器，排除純接收型儀器。
2. 遴選四大代表性系統：挑選航海學中最核心、SOLAS 強制配備且理論完整的四大收發航儀：

• 船用雷達／自動雷達測繪儀（Marine Radar / ARPA）
• 船舶自動識別系統（Automatic Identification System, AIS）
• 回音測深儀（Echo Sounder）
• 都卜勒測程儀（Doppler Speed Log）

3. 分項詳述：每一項皆依「中英文全名」、「收發訊號機制（傳輸介質／頻段／收發原理）」與「核心導航功能」三層次條列說明，展現架構完整性。

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選項分析（儀器辨析與適格性分析）

為確保選出之四項儀器完全符合題意，並釐清國考常考電子航儀之訊號屬性，將常見航儀逐一辨析如下：

• 船用雷達（Marine Radar / ARPA）【符合題意】：
• 發射微波脈衝（X-Band $9\text{ GHz}$ 或 S-Band $3\text{ GHz}$），接收目標反射回波。
• 屬於典型主動收發之目標探測與避碰航儀。
• 船舶自動識別系統（AIS）【符合題意】：
• 在 VHF 專用海事頻段（CH 87B/88B）收發數位封包（SOTDMA 技術）。
• 能主動廣播本船動靜態資料，並接收周邊船舶及岸台訊息，屬於雙向無線電收發系統。
• 回音測深儀（Echo Sounder）【符合題意】：
• 換能器（Transducer）將電能轉為聲能發射超音波脈衝至海床，並接收海床反射回波。
• 屬於水下聲學主動收發儀器。
• 都卜勒測程儀（Doppler Speed Log）【符合題意】：
• 換能器向水體或海底發射高頻聲波，並接收散射／反射回波，量測頻移量。
• 屬於主動收發之聲學測速儀器。
• 全球定位系統接收儀（GPS Receiver）【不符題意／常見錯誤】：
• 船載 GPS 僅接收來自軌道衛星發射之微波訊號（L1/L2 頻段），船舶終端不向衛星發射訊號，屬純接收系統。
• 航行警告電報接收機（NAVTEX）【不符題意／常見錯誤】：
• 船端接收機僅接收岸上發射台於 $518\text{ kHz}$ 等頻率廣播之航安資訊，屬單向純接收系統。
• 電子海圖顯示與資訊系統（ECDIS）【不符題意／常見錯誤】：
• 屬於後端資訊整合與顯示終端，接收來自 GPS、雷達、AIS、陀螺羅經等感測器傳入之 NMEA 數據，本身不對外界環境直接進行實體訊號收發。

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核心觀念

本題測驗航海儀器中「自動識別系統」（Automatic Identification System, AIS）的設備分類標準與運作特性。核心依據與規範包含：

1. 國際海事組織（IMO）與 SOLAS 公約：依據《國際海上人命安全公約》（SOLAS）第 V 章第 19 條之規定（以命題當年民國 111 年法規標準），規範強制安裝 AIS 之船舶標準。
2. 國際電信聯盟建議書（ITU-R M.1371）：定義 VHF 頻段中採用分時多工存取（Time Division Multiple Access, TDMA）技術之 AIS 設備技術規格、傳輸協定與分類。
3. AIS 系統運作本質：利用海上 VHF 專用頻道（CH 87B/161.975 MHz 與 CH 88B/162.025 MHz），自動發送與接收船舶靜態、動態、航程及安全相關資訊，分類依據涵蓋安裝載體、強制性、輸出功率、優先權及多工存取協定。

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解題方法

本題為標準的申論型問答題。解題切入點應從「國際海事組織（IMO）與國際電信聯盟（ITU）」之權威分類出發，切忌僅回答 Class A 與 Class B。

完善的作答架構應依載體與功能將 AIS 劃分為五大主要類別：

1. Class A 船載型 AIS（公約船舶必備，具最高優先權）。
2. Class B 船載型 AIS（非公約小型船舶，次要優先權）。
3. AIS 基地台（Base Station）（岸上主管機關、VTS 監控與協調中心）。
4. AIS 助航標識（AtoN, Aids to Navigation）（浮標、燈塔與虛擬航標）。
5. 搜救型 AIS（SAR AIS：含 AIS-SART 與搜救航空器）（遇險標位與空中搜救協同）。

各類別須明確說明其「適用對象」、「多工存取協定（TDMA模式）」、「發射功率」及「功能特性」，展現專業架構。

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內容剖析

一、Class A 船載型 AIS（Class A Shipborne Mobile Equipment）

• 適用對象：SOLAS 公約強制安裝船舶（300 總噸以上之國際航行船舶、500 總噸以上之非國際航行貨船，以及所有不論噸位之客船）。
• 多工存取協定：採用「自組織分時多工」（Self-Organizing TDMA, SOTDMA），能自行協調分配時槽（Time Slot），具通訊優先權。
• 發射功率：$12.5\text{ W}$（可依指令調降至 $1\text{ W}$）。
• 資料傳輸內容：
• 靜態資訊：MMSI、IMO 編號、呼號、船名、船長與船寬、船型、定位天線位置。
• 動態資訊：船位（經緯度）、定位精確度、世界協調時間（UTC）、對地航向（COG）、對地航速（SOG）、艏向（HDG）、航行狀態（如在航、錨泊等）、轉向率（ROT）。
• 航程資訊：吃水、危險貨物類別、目的地與預估到達時間（ETA）、航行計畫（選填）。
• 安全相關訊息：自由格式之文字安全通報。
• 回報頻率：動態資訊依航速與轉向狀態在 $2\text{ 秒}$ 至 $3\text{ 分鐘}$ 之間自動調整；靜態與航程資訊每 $6\text{ 分鐘}$ 或資料更新時發送一次。

二、Class B 船載型 AIS（Class B Shipborne Mobile Equipment）

• 適用對象：未列入 SOLAS 強制安裝規範之非公約船舶（如休閒遊艇、小型漁船、非國際作業之小型工程船等）。
• 多工存取協定：
• Class B CSTDMA：採用「載波偵測分時多工」（Carrier-Sense TDMA），先監聽確認無 Class A 使用空槽後才發射，優先權低於 Class A。
• Class B/SO（SOTDMA）：新型標準，採用簡化版 SOTDMA，可預約時槽，提升傳輸可靠度。
• 發射功率：CSTDMA 典型為 $2\text{ W}$；Class B/SO 為 $5\text{ W}$。
• 資料傳輸內容：傳送基本靜態與動態資訊；不強制要求輸入目的地、ETA、吃水及轉向率（ROT）。
• 回報頻率：動態資料傳輸間隔較長（通常為 $5\text{ 秒}$ 至 $3\text{ 分鐘}$，視船速與工作模式而定）。

三、AIS 岸台／基地台（AIS Base Station）

• 設置主體：沿岸國海事主管機關、港口船舶交通管理系統（VTS）。
• 運作特性：
• 採用固定 SOTDMA 控制時槽，作為區域內的時鐘基準與網路協調中樞。

核心觀念

在航海學中，船位經緯度、航向、方位及天體坐標傳統上多以「度（$^\circ$）、分（$'$）、秒（$''$）」之六十進位制（Degrees, Minutes, Seconds, 簡稱 DMS）記錄。但在現代電子海圖資訊系統（ECDIS）、航海計算機或航行軟體演算法中，常需將其轉換為「十進制度」（Decimal Degrees, 簡稱 DD），以便進行數值計算。

單位換算基本關係如下：

• $1^\circ = 60'$
• $1' = 60'' = \frac{1}{60}^\circ$
• $1'' = \frac{1}{60}' = \frac{1}{3600}^\circ$

六十進位轉換為十進位度之通用公式： $\text{總度數} = D + \frac{M}{60} + \frac{S}{3600}$ 其中 $D$ 為度（Degrees）、$M$ 為分（Minutes）、$S$ 為秒（Seconds）。

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解題方法

由題意可知，待換算數值為 $25^\circ 13' 29''$：

• 度數部分 $D = 25$
• 分數部分 $M = 13$
• 秒數部分 $S = 29$

步驟一：將分與秒全部化為「度」的分數形式

先將非整數度之部分（$13' 29''$）全部通分轉為以「度」為單位的有理數： $\frac{M}{60} + \frac{S}{3600} = \frac{13 \times 60 + 29}{3600} = \frac{780 + 29}{3600} = \frac{809}{3600}^\circ$

步驟二：執行除法展開為小數

將 $\frac{809}{3600}$ 進行長除法運算： $\frac{809}{3600} = 0.224722222\dots^\circ$ （為循環小數，循環節為 $2$）

核心觀念

本題測驗航海天文學（Celestial Navigation）中「天球座標系統」（Celestial Sphere Coordinate System）的基本大圓與基準點定義。解答本題需掌握以下核心定義與要素：

1. 天球（Celestial Sphere）：以地球中心為球心、無限大半徑所構成的假想同心球體。
2. 天軸與天極（Celestial Axis & Celestial Poles）：地球自轉軸無限延伸與天球相交的兩點，分別為天北極（North Celestial Pole, $P_n$）與天南極（South Celestial Pole, $P_s$）。
3. 天赤道（Celestial Equator）：地球赤道面無限向外延伸，在天球上所截出的大圓。其平面與天軸垂直（交角 $90^\circ$）。
4. 黃道（Ecliptic）：地球繞太陽公轉時，由地球觀測太陽在天球背景上一年週期視運動所描繪出的大圓路徑。
5. 黃赤交角（Obliquity of the Ecliptic, $\varepsilon$）：黃道面與天赤道面的交角，約為 $23^\circ 27'$（或寫作 $23.5^\circ$）。
6. 分點（Equinoxes）：黃道與天赤道相交的兩個幾何交點：

• 春分點（Vernal Equinox, $\Upsilon$）：太陽沿黃道由南半天球向北半天球運動，穿過天赤道之交點（赤緯由負轉正，約每年 3 月 21 日）。航海天文學中亦稱白羊宮第一點（First Point of Aries），為恆星時（LHA Aries）與天體赤經（RA）之起算基準。
• 秋分點（Autumnal Equinox, $\Omega$）：太陽沿黃道由北半天球向南半天球運動，穿過天赤道之交點（赤緯由正轉負，約每年 9 月 23 日）。亦稱天秤宮第一點（First Point of Libra）。

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解題方法

本題為純申論繪圖題，作答策略為「標準圖解為主、定義條列為輔」。單純繪圖若缺乏符號說明容易被扣分，最佳得分策略為：

1. 五步作圖法：

• 第一步（輪廓與軸線）：繪製正圓代表天球外緣，作垂直貫穿球心的直線代表天軸，頂端標記天北極 $P_n$、底端標記天南極 $P_s$。
• 第二步（天赤道）：繪製一條通過球心且與天軸垂直的傾斜橢圓或水平大圓（一般考試推薦以水平圓呈現赤道面，立體感最直觀），標註「天赤道（Celestial Equator）」。
• 第三步（黃道）：繪製與天赤道相交約 $23.5^\circ$ 的傾斜大圓，標註「黃道（Ecliptic）」及交角 $\varepsilon \approx 23^\circ 27'$。
• 第四步（太陽視運動方向）：在黃道上繪製由西向東之運動箭頭。
• 第五步（標註交點）：依太陽視運動方向，將由南向北穿越天赤道之交點標為「春分點（$\Upsilon$）」，由北向南穿越之交點標為「秋分點（$\Omega$）」。

2. 名詞簡要釋義：於圖形下方條列四個要求標註項目的物理/幾何定義，證明理論基礎扎實。

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選項分析

本題為非選擇題（繪圖題），閱卷評分點在於下列四個要項是否完整無誤且相對位置正確：

• 天赤道：是否與天極軸保持垂直，且為過球心之大圓。