110 高普考高考三級 航空器維修 航空儀電系統 考古題詳解

核心觀念

本題考查導航的基本定義、兩大導航方式的特性、依觀測量分類的定位原理，以及牛頓運動定律。定位符號中，$\rho$ 代表距離，$\theta$ 代表方向或方位角；不同方法的差異，在於利用距離、方向或距離差來確定位置。

（一）導航之定義

導航是規劃並引導載具由已知起點到達指定目的地的過程。航空導航須持續決定並控制飛機的位置、方向與速度，使其沿安全、有效的路徑飛行，並適時修正風及其他因素造成的偏差。

（二）推算航行法與定位系統之比較

推算航行法（dead-reckoning, DR）：由已知的起始位置出發，依飛機航向、空速、飛行時間，以及風對地速和地面航跡的影響，推算目前位置。

• 優點：不必依賴地面導航台或外部定位訊號；設備簡單，能在缺乏地面設施時持續推算位置。
• 缺點：航向、速度、時間及風資料的誤差會隨航程累積；起始位置或資料有誤時，推算位置也會逐漸偏離實際位置。

定位系統（position fixing systems）：利用地面導航台、衛星或其他已知位置的參考點，觀測距離、方位或距離差，據以求出飛機位置。

• 優點：可用外部觀測修正推算誤差，通常能定期取得較準確的位置；定位精度取決於系統及幾何配置。
• 缺點：須接收足夠且可靠的外部訊號；可能受設備故障、訊號遮蔽、干擾、傳播誤差或參考台配置限制。

兩者可互補：DR 能在定位訊號暫失時延續航行資訊，定位系統則可修正 DR 隨時間累積的誤差。

（三）定位系統之工作原理

1. $\rho-\rho$：距離—距離定位

測量載具至兩個已知參考台的距離。以各參考台為圓心、測得距離為半徑畫圓，載具位置位於兩圓交點；若只使用兩個距離，通常會有兩個幾何交點，須以已知航區或第三項資訊排除不合理位置。三維定位則須考慮球面交會及額外測量。

2. $\rho-\theta$：距離—方向定位

測量載具至一個參考台的距離 $\rho$，並測得相對該台的方向或方位角 $\theta$。距離決定所在圓周，方向決定圓周上的位置，兩者交會即可定位。

3. $\theta-\theta$：方向—方向定位

從兩個已知位置的參考台分別測量載具的方向或方位角。由各參考台沿觀測方向畫出位置線，兩條位置線的交點即為載具位置。兩條線若交角過小，定位精度會下降。

4. 雙曲線定位

核心觀念

GPS（全球定位系統）衛星訊號由三部分組成：載波（carrier）、電碼（code）與導航訊息（navigation message）。接收機以電碼辨識衛星並量測訊號傳播時間，以導航訊息取得衛星軌道與時鐘資料，再由載波承載這些調變訊號傳送至地面。

解題方法

依訊號由「射頻載波、擴頻電碼、低速導航資料」三層說明，並指出各自的頻率、用途及彼此關係。傳統 GPS 衛星主要在 L1、L2 頻帶發射訊號；電碼與導航資料經調變後疊加於載波上。

載波

載波是衛星發射的射頻正弦波，主要頻率為：

• L1：$1575.42\ \text{MHz}$，即 $154 \times 10.23\ \text{MHz}$
• L2：$1227.60\ \text{MHz}$，即 $120 \times 10.23\ \text{MHz}$

傳統 GPS 訊號中，L1 載波承載 C/A 碼及 P(Y) 碼；L2 主要承載 P(Y) 碼。不同載波頻率可供雙頻接收機比較訊號傳播延遲，估算並修正電離層延遲。載波本身也具有高精度相位資訊，可用於載波相位定位。

電碼

電碼是以偽隨機二進位序列（PRN）形成的擴頻碼，與導航資料調變至載波上。不同衛星使用可辨識的 PRN 碼，接收機藉由相關運算辨認衛星、取得訊號同步，並量測碼相位以計算偽距。

• **C/A 碼（Coarse/Acquisition code）：**傳統上由 L1 載波承載，碼速率為 $1.023\ \text{Mchip/s}$，每碼週期含 $1023$ 個碼片，週期為 $1\ \text{ms}$，主要供民用接收與初始捕獲使用。

核心觀念

本題考查無線電波頻段的英文名稱、縮寫，以及頻率與波長的對應關係。頻段名稱依頻率由低至高排列；頻率愈高，波長愈短。頻率與波長的關係為：

其中 $\lambda$ 為波長（公尺），$f$ 為頻率（赫茲），電磁波在真空中的速率 $c\approx3.0\times10^8\ \text{m/s}$。下表採用常見的擴充頻段分類，數值為近似值。

解題方法

先依序列出各頻段的英文名稱與縮寫，再用 $\lambda=c/f$ 換算頻率上下限對應的波長上下限。頻率單位每增加千倍，依序由 Hz、kHz、MHz 到 GHz；換算波長時，高頻端對應較短波長，因此表中的波長範圍會反向排列。

核心觀念

都卜勒雷達利用飛機與地面目標間的相對徑向速度，造成回波頻率偏移。地面目標可視為靜止，雷達量得的是飛機速度在雷達波束方向上的分量；因此須先把飛機速度 $V$ 投影到波束方向，再由頻率偏移反算偏流角 $\alpha$。

依圖示，$\theta$ 為波束相對飛機縱軸的向下夾角，$\alpha$ 為飛機縱軸與實際飛行速度方向的夾角。假設 $\theta$、$\alpha$ 分別位於縱向與水平面內，且已知飛機速度 $V$。

解題方法

令 $\psi$ 為飛機速度方向與雷達波束方向的夾角。波束與飛機縱軸相差 $\theta$，飛機縱軸與速度方向相差 $\alpha$，因此速度在波束方向上的投影為

雷達波往返於飛機與地面之間，地面反射後的回波會再產生一次都卜勒頻移。令 $f_r$ 為接收回波頻率，$f_D=f_r-f_0$ 為頻率偏移，且 $c$ 為電波傳播速度，則在 $V\ll c$ 時：

由波長關係 $c=f_0\lambda$，可改寫為

核心觀念

本題考查飛機操縱系統從機械傳動、液壓助力到數位電傳操縱（Digital Fly-by-Wire, FBW）的演進，以及各型系統的訊號與動力傳遞構型。答題時應分清楚兩條路徑：一是飛行員操縱指令如何傳到舵面，二是舵面所需的操作力量由何處提供。

解題方法

依「操縱指令路徑、舵面動力來源、系統特性」比較三個階段，並以方塊圖表示構型。從飛行員輸入開始，依序畫出控制器、傳輸媒介、作動器與操縱面；數位型再加入感測器、飛行控制電腦與回授訊號。

一、全機械式操縱系統

飛行員移動駕駛盤、操縱桿或腳蹬，經由推拉桿、鋼索、滑輪及連桿直接帶動操縱面。舵面氣動力主要由飛行員克服，因此適用於速度較低、操縱面負荷較小的飛機。

飛行員操縱
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駕駛盤／操縱桿／腳蹬
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 ▼
鋼索、滑輪、推拉桿及連桿
 │
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操縱面（升降舵、方向舵、副翼）

系統構造直觀，無須液壓或電子控制；但操縱力會隨飛行速度、舵面尺寸及氣動負荷增加，且機械傳動路徑長時，重量、摩擦、間隙與彈性變形也會增加。部分飛機會使用配平片或氣動平衡裝置降低操縱力。

二、液壓助力式操縱系統

飛行員仍透過機械連桿或鋼索輸入指令，但由液壓作動器提供主要舵面操作力量。操縱輸入控制伺服閥，伺服閥調節液壓油流向作動器，使作動器推動操縱面。此型常稱液壓助力或動力操縱系統。

飛行員操縱
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駕駛盤／操縱桿／腳蹬
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機械連桿或鋼索
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伺服閥 ◄──────── 液壓泵／液壓源
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 ▼ └─供應高壓液壓油
液壓作動器
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操縱面

核心觀念

皮托管利用流體的總壓（停滯壓）與靜壓之差，測量飛機相對周圍空氣的速度。迎風口使流入的空氣減速至停滯，量得總壓；靜壓孔則量得周圍空氣的靜壓。空速計比較兩者的壓差，並以此推算空速。

依伯努力原理，在高度差可忽略、氣流可視為不可壓縮時：

其中 $P_t$ 為總壓、$P_s$ 為靜壓、$\rho$ 為空氣密度、$V$ 為飛機相對空氣的速度。因此：

解題方法