111 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

本題考查航海天文導航核心儀器——六分儀（Sextant）之幾何光學雙反射原理（Principle of Double Reflection），主要運用以下物理與幾何定理：

1. 光的反射定律（Law of Reflection）：入射光線、反射光線與法線在同一平面上；入射角等於反射角（即入射光線與鏡面之夾角等於反射光線與鏡面之夾角）。
2. 三角形外角定理（Exterior Angle Theorem）：三角形之任一外角等於其兩不相鄰內角之和。
3. 儀器幾何關係：天體入射光線與觀測者地平視線之夾角（即量測之天體視高度角 $\theta$），恆等於指標鏡（動鏡）與地平鏡（固定鏡）兩平面鏡面夾角 $\alpha$ 的兩倍，即 $\theta = 2\alpha$。

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解題方法

一、幾何光路圖繪製

在試卷上作答時，應繪製清晰之光路幾何圖，標明各端點、光線方向及角度：

 天體光線 (S)
 \
 \
 指標鏡 (Index Mirror)
 [A] -----------------
 / \ \ i
 / \ \
 / \ \
 / \ \ i
 兩鏡夾角 α / \ \
 [C] \ \
 \ \ \
 \ \ \
 地平鏡 \ \
 (Horizon Glass) \ \
 [B] \ \
 / \ \ \
 / \ \ \
 / r \ \ \
 / \ \ \
 / r \ \ \
 / \ \ \
 (H) / \ \ \
 地平線 <--- [E] \ \ + [D] 目標高度角 θ
 觀測者眼睛/望遠鏡 \

二、符號與頂點幾何定義

1. $A$ 點：指標鏡（動鏡，Index Mirror）之反射中心點。
2. $B$ 點：地平鏡（固定鏡，Horizon Glass）之反射中心點。
3. $C$ 點：指標鏡面與地平鏡面之延長線交點，兩鏡面之夾角為 $\angle ACB = \alpha$。
4. $D$ 點：天體入射光線 $SA$ 延長線與觀測視線 $EB$ 反向延長線之交點，兩線交角為 $\angle ADB = \theta$（即欲測量之天體高度角）。
5. 光線路徑：

• 來自天體的光線沿 $SA$ 射入指標鏡 $A$ 點，反射為光線 $AB$。
• 光線 $AB$ 射入地平鏡 $B$ 點，再度反射為光線 $BE$ 進入觀測者望遠鏡／眼睛 $E$。
• 觀測者同時自 $E$ 透過半透明之地平鏡直視前方水天地平線 $H$（直線 $H-B-E$）。
• 當天體虛像與地平線重合時，天體光線方向為直線 $S-A-D$，地平視線之反向延長線為直線 $E-B-D$。

三、數學幾何推導步驟

1. 依光學反射定律標註鏡面夾角：

• 在指標鏡 $A$ 點：設入射光線 $SA$ 與鏡面之夾角為 $i$，則反射光線 $AB$ 與鏡面之夾角亦為 $i$。
• 在地平鏡 $B$ 點：設入射光線 $AB$ 與鏡面之夾角為 $r$，則反射光線 $BE$ 與鏡面之夾角亦為 $r$。

2. 分析 $\triangle ABC$ 之角度關係：

• 考慮由指標鏡面、地平鏡面及兩鏡間反射光線 $AB$ 所構成之 $\triangle ABC$。

核心觀念

本題評量全球衛星導航系統（GNSS）之兩大骨幹——美國 GPS（Navstar Global Positioning System）與俄羅斯 GLONASS（Global Navigation Satellite System）之系統架構、信號設計與大地工程參數。航海人員於航行設備（如 ECDIS、綜合導航系統 INS）整合多元衛星定位信號時，必須掌握兩者的根本差異（大地基準面、時間系統、衛星覆蓋幾何與射頻多工技術），以避免不同系統資料套合時產生船位誤差。

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解題方法

本題為經典的「製表比較題」。答題策略採取「精準結構化對比」，以題目提示之關鍵參數為核心骨幹，並適度補足航海實務與電信技術規格（如系統時間基準、載波頻率等），以建立「評分標準表」等級的答題架構：

1. 大地基準與參考橢球體：說明各系統建立的地球空間坐標框架。
2. 星系空間幾何配置：比較軌道面數、名義衛星數、軌道高度、傾角及運行週期，並點出高低緯度覆蓋差異。
3. 電信與信號多工技術：解析分碼多工（CDMA）與分頻多工（FDMA）之架構差異。
4. 時鐘基準與測距碼基頻：量化對比 C/A 碼（粗捕獲碼／標準定位信號）與 P 碼（精密碼／高精度定位信號）之碼速率（Chipping Rate）。

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重點項目剖析（題型解析）

本題為申論製表題，題目各提示項目之理論背景與對比依據剖析如下：

1. 參考橢球體（Geodetic Datum）

• GPS：採用 WGS-84（World Geodetic System 1984）。現行電子海圖（ENC）與全球海圖基準面普遍以此為標準。
• GLONASS：採用 PZ-90（Parametry Zemli 1990；現行更新為 PZ-90.11）。兩者在橢球長半軸與地心原點存在微小差值，若未經座標轉換直接繪入海圖，早期會衍生數公尺至十數公尺之船位偏差。

2. 軌道數與軌道傾角（Orbit Planes & Inclination）

• GPS：配置於 $6$ 個軌道面，傾角約 $55^\circ$。設計側重中、低緯度海域與全球均衡覆蓋。
• GLONASS：配置於 $3$ 個軌道面，傾角達 $64.8^\circ$。大傾角使衛星在高緯度地區仰角較高，大幅提升俄羅斯本土、北極海東北航道（NSR）及高緯度海域之幾何分佈（DOP 值更佳）。

3. 軌道高度與運行週期（Altitude & Orbital Period）

• GPS：軌道高度約 $20,200\text{ km}$，運行週期約 $11\text{ 小時 } 58\text{ 分}$（半恆星日）。同一衛星每天約提早 $4\text{ 分鐘}$ 出現在天空相同方位。
• GLONASS：軌道高度約 $19,100\text{ km}$，運行週期約 $11\text{ 小時 } 15\text{ 分}$。其軌道共振週期為每 $8$ 天繞行地球 $17$ 圈。

4. 信號多工法（Multiple Access Scheme）

• GPS：採用分碼多工（CDMA）。所有衛星均發射相同中心載波頻率（如 L1 = $1575.42\text{ MHz}$），各衛星依分配到的專屬虛擬隨機雜訊碼（PRN Gold Code）相互區隔。
• GLONASS：傳統採用分頻多工（FDMA）。所有衛星共用相同的偽隨機測距碼，但每顆衛星（或對角線軌道之對向衛星）分配不同的載波頻率通道（頻率號 $k = -7 \sim +6$）。（註：現代化 GLONASS-K 衛星已逐步增設 CDMA 信號，但其標誌性架構仍為 FDMA）。

5. 測距碼基頻與碼速率（Chipping Rate）

• GPS：基礎時鐘振盪器頻率為 $f_0 = 10.23\text{ MHz}$。
• C/A 碼速率為 $f_0 / 10 = 1.023\text{ MHz}$（碼長 1023 chips，週期 $1\text{ ms}$）。
• P(Y) 碼速率為 $f_0 = 10.23\text{ MHz}$。

核心觀念

本題測驗航行安全設備中「駕駛台航行當值警報系統」（Bridge Navigational Watch Alarm System, 簡稱 BNWAS）的法規規範與運作原理。 法規依據以命題當年（民國 111 年）法規為準：

1. 國際法規：國際海事組織（IMO）《國際海上人命安全公約》（SOLAS）第 V 章第 19 條（Reg. V/19.2.2.3 與 19.2.2.4），以及 IMO 決議案 MSC.128(75)《駕駛台航行當值警報系統性能標準》（Performance Standards for BNWAS）。
2. 國內法規：我國《船舶設備規則》第 242 條之 1。

核心觀念聚焦於：

• 強制安裝門檻：區分船舶種類（客船與貨船）及總噸位（GT）。
• 系統核心目的：監控當值航行員（OOW）的生理警覺性，防止因值更人員昏睡、突發疾病、失能或擅離駕駛台而造成海難。
• 階梯式警報架構：從駕駛台局部的「視覺／聽覺提醒」，依時序擴大升級為指派後援人員、最終至全體相關船員的防護網絡。

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解題方法

本題為標準的法規記憶與系統運作申論題，作答切入點採「三段式結構」：

1. 第一部分：安裝範圍——依據 SOLAS 第 V 章規定，分別列出客船與貨船之強制安裝條件（注意區分建造日期與最終生效期程之總結狀態）。
2. 第二部分：系統用途——精準闡述 BNWAS 監控人為疏失、預防單人當值風險之主要功用。
3. 第三部分：階梯式警報分析——以結構化方式，針對「第一階段」、「第二階段」、「第三階段」分別拆解其「觸發時機」、「警示方式」、「裝設位置」與「警示對象」，並輔以時序說明。

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選項分析（本題為申論題，依題意子題逐層剖析）

• 子題一：哪些船舶須安裝 BNWAS？

• 客船：不論總噸位大小，所有航行國際航線之客船均須安裝。

• 貨船：總噸位 150（含）以上航行國際航線之貨船均須安裝。

• 法規歷程說明：IMO 自 2011 年至 2014 年採分階段實施（新造船與現成船分批完成），至民國 111 年命題時，所有符合上述條件之現役船舶皆已全部進入強制安裝範圍。

• 子題二：BNWAS 之用途為何？

• 監控駕駛台人員警覺度：定時確認值更航行員（Officer of the Watch, OOW）是否處於清醒且具行動力之狀態。

• 防止單人值更失能（Incapacitation）：當航行員因疲勞打瞌睡、突發急病失能或擅離崗位，且未能在預設時間內重置系統時，系統會自動發出警報。

• 自動升級通報：在 OOW 無法應答時，自動將警報延伸至船長及後援船員，以防止碰撞、擱淺等重大海難事故。

• 子題三：各階段的警示方式、位置及對象為何？

• 預設休眠期（Dormant Period）：系統啟動後，計時器依設定時間（通常為 $3 \sim 12$ 分鐘）倒數，OOW 需透過觸發重置按鈕、雷達操作或動態感應器將計時器歸零。若未重置，依序啟動三階段警報：

1. 第一階段（1st Stage Alarm）：

• 時機／方式：休眠期結束後，先發出 15 秒之「純視覺閃爍警示」（Visual Indication）；若在 15 秒內未重置，則立即加入「第一階段聽覺警報」（Audible Alarm）。
• 位置：僅在駕駛台（Navigation Bridge）。
• 對象：當值航行員（OOW）。

2. 第二階段（2nd Stage Alarm）：

• 時機／方式：若第一階段聽覺警報響起後 15 秒內仍未被重置，系統發出音調不同之聽覺警報及視覺警示。

核心觀念

本題旨在考驗考生對船舶在視距範圍內（Line-of-Sight）所使用之**視覺信號通信（Visual Signalling）**的分類、設備、編碼機制及國際公約規範的掌握程度。

相關法源、國際規範與技術標準如下（以命題當年民國 111 年法規及國際公約為準）：

1. 《國際信號規則》（International Code of Signals, INTERCO）：國際海事組織（IMO）制定，為全球船舶視覺通信的核心準則，詳細規範旗號、閃光燈及手旗的編碼體系與通聯程序。
2. 《1972 年國際海上避碰規則》（COLREG 1972）：規範船舶日間號型（Day Shapes）、夜間號燈（Lights）之配置與顯示狀態，以及附錄四（Annex IV）之遇險信號。
3. 《國際海上人命安全公約》（SOLAS）第 V 章：規範航行安全設備配備標準，包括白晝信號燈（Daylight Signalling Lamp）之強制配備要求。

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解題方法

本題為標準的海事專業申論題，切入點應以 IMO《國際信號規則》（INTERCO）之「通訊方式（Methods of Signalling）」分類為骨幹，並延伸至航行安全實務上的「避碰號型」與「救難遇險視覺信號」。

答題結構應採取**「階層化條列」**：

1. 點出視覺通信定義與特性：不依賴無線電射頻、抗電磁干擾、適用於近距離與視距內通聯。
2. 依通信媒介與編碼方式分類說明：

• 旗號通信（Flag Signalling）
• 閃光信號通信（Flashing Light Signalling）
• 手旗信號通信（Semaphore Signalling / Morse Signalling by Hand-flags or Arms）
• 航行號型信號（Day Shapes，避碰視覺信號）
• 遇險煙火信號（Pyrotechnic Distress Signals）

3. 闡明各信號之通信原理、代表性代碼或實務應用情境，以展現完整的答題深度。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），針對船舶視覺通信之各大核心類別及其內涵，分項深度剖析如下：

一、旗號通信（Flag Signalling）

• 原理與構成：利用專用信號旗的形狀、顏色及圖樣組合懸掛於信號繩上傳遞訊息。整套《國際信號規則》旗幟共計 40 面：

• 字母旗（Alphabetical Flags）：26 面（A 至 Z 方形或燕尾旗）。
• 數字旗（Numeral Pennants）：10 面（0 至 9 梯形長旗）。
• 代用旗（Substitutes / Repeaters）：3 面（三角形旗，用以重複同組已出現之字母或數字）。
• 回答旗／代號旗（Answering Pendant / Code Pennant）：1 面（紅紅白紅白相間之長梯形旗）。

• 信號結構：

• 單旗信號（Single-letter signals）：具極高急迫性，代表最重要且通用的航行狀態，如：
• A（Alfa）：船上有潛水人員，請慢速遠離。
• B（Bravo）：正在裝卸或載運危險貨物。
• G（Golf）：我需要引水人（漁船表示正在起網）。
• H（Hotel）：船上有引水人。
• O（Oscar）：有人落海（Man Overboard）。
• 雙旗信號（Two-letter signals）：一般通訊、遇險與航行安全警告（如 NC 代表我遇險需要即刻救援）。
• 三旗信號（Three-letter signals）：以 M 開頭，專用於醫療指導信號（Medical signals）。
• 四旗信號（Four-letter signals）：地理位置代碼或船舶呼號（Call Sign）。

二、閃光信號通信（Flashing Light Signalling）

• 原理與設備：利用燈光的光源明滅長短，傳遞國際摩斯密碼（Morse Code）。

• 符號基礎為「點」（Dot, 短光 1 單位）與「劃」（Dash, 長光 3 單位）。
• 核心設備為**白晝信號燈（Daylight Signalling Lamp / Aldis Lamp）**或桅頂摩斯信號燈。依 SOLAS 第 V 章規定，50,000 總噸（GT）以上船舶必須配備不依賴船舶主電源運作的日光信號燈。

• 適用情境：

• 夜間或白晝能見度良好下的船舶間近距離通訊。
• 無線電沉默（Radio Silence）狀態、無線電裝備故障或港內近距離指引時。
• 緊急避碰時使用發光信號警告他船（如 COLREG 規定之警示信號，以燈光閃爍五次短光）。