111 高普考高考三級 航海技術 航行設備 考古題詳解

核心觀念

六分儀高度修正程序（Sextant Altitude Correction）的目的，是將觀測者手持六分儀在海面上觀測天體邊緣所得到的六分儀高度（$h_s$），經過逐項物理、幾何與光學誤差修正，換算為以地球中心為基準、天體幾何中心相對於真地平圈的真高度（$H_o$ 或 $h_t$）。

高度修正的轉換層級依序為： $\text{六分儀高度 } h_s \xrightarrow{I,\, IC} \text{指標修正高度 } h_i \xrightarrow{dip} \text{視高度 } h_a \xrightarrow{R(TB),\, SD,\, p} \text{真高度 } H_o$

總修正公式為： $H_o = h_s + I + IC - dip - R \pm SD + p$

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解題方法

本題為申論題，作答時須依「高度修正程序之先後順序」進行系統化解析。各項修正量依產生性質可歸類為兩大階段：

1. 儀器與觀測位置修正（由 $h_s$ 換算至 $視高度\ h_a$）：包含器差（$I$）、指標差與修正（$IE/IC$）、視界伏角（$dip$）。
2. 光學與天體幾何位置修正（由 $h_a$ 換算至 $真高度\ H_o$）：包含大氣折射與溫氣壓修正（$R, TB$）、半徑差（$SD$）、地心視差（$p$）。

針對各項修正量，依「產生原因（來源）」、「查表引數關係」與「代數符號正負值」三維度展開說明。

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各項修正量系統化分析

一、器差（Instrument Error, $I$）

1. 產生原因：六分儀製造過程中的機械公差、分度弧（Arc）刻度不均勻、指標臂旋轉軸中心偏差，或反射鏡曲率不完美等非人為可隨意校正之內部結構缺陷。
2. 查表引數：查閱該六分儀專屬之「器差校正表」（貼於儀器盒內）。引數為觀測角度大小（高度角讀數）。
3. 正負值：依校準表標示之代數符號，可正可負（加或減）。若儀器保養良好且誤差極微，常併入指標差或略去不計。

二、指標修正（Index Correction, $IC$）與指標差（Index Error, $IE$）

1. 產生原因：當六分儀指標臂對齊 $0^\circ 00.0'$ 時，動鏡（Index Mirror）與地平鏡（Horizon Mirror）兩者未能保持絕對平行，導致讀數歸零基準偏離。
2. 查表引數：無須查表，由觀測者於每次觀測前（或後）利用真地平、恆星或太陽親自測定 $IE$。
3. 正負值：$IC$ 與 $IE$ 大小相等、符號相反（$IC = -IE$）：

• 若歸零時讀數在圓弧刻度內（On the arc），$IE$ 為正，則 $IC$ 為負（$-$）。
• 若歸零時讀數在圓弧刻度外（Off the arc），$IE$ 為負，則 $IC$ 為正（$+$）。

三、視界伏角（Dip of Horizon, $dip$）

1. 產生原因：地球為曲面，觀測者眼高（Height of Eye, $HE$）高於海水基準面，導致觀測者所見之「可見地平（Visible Sea Horizon）」俯落於「真地平（Sensible/True Horizon）」之下，使量得之高度角偏大。
2. 查表引數：查《航海曆》（Nautical Almanac）或航海表（如 Bowditch）。引數為觀測者眼高 $HE$（以公尺或呎為單位）。理論計算式約為： $dip \approx 0.97' \times \sqrt{HE\text{（公尺）}} \quad \left(\text{或 } 1.76' \times \sqrt{HE\text{（呎）}}\right)$
3. 正負值：因眼高必定使天體視線被壓低、量測角度被虛增，故 $dip$ 永遠為負（$-$）。

四、大氣折射（Refraction, $R$）與非標準溫壓修正（$TB$）

1. 產生原因：天體光線穿過地球周圍密度漸增的大氣層時產生折射，光線向地心法線方向彎曲，使天體視位置高於實際位置。
2. 查表引數：

• 標準折射修正 $R$：引數為視高度 $h_a$。高度角愈低，光線穿透大氣層厚度愈長，折射量愈大（高度接近 $0^\circ$ 時折射約達 $34'$；$90^\circ$ 時折射為 $0'$）。
• 非標準溫氣壓修正 $TB$：引數為現場氣溫（$T$）與氣壓計讀數（$B$），用於補正實際空氣密度與標準大氣狀態（一般為 $10^\circ\text{C}$、$1010\text{ mb}$）之偏差。

3. 正負值：折射必定使天體「視位置抬高」，故換算真高度時 $R$ 永遠為負（$-$）；

核心觀念

本題旨在評量考生對「全球定位系統（GPS）」信號架構、軍民雙軌服務機制、精度增強技術以及多工通訊調變原理的整合認知。涉及核心觀念包含：

1. 服務分級體系（Service Level）：美國國防部對 GPS 訂定的雙重服務標準——開放民間無償使用的標準定位服務（SPS）與限授權用戶使用的精密定位服務（PPS）。
2. 衛星星基擴增系統（SBAS）：藉由地面監控站、主控站與地球同步衛星（GEO），對 GPS 原始信號誤差（電離層延遲、星曆及衛星鐘差）進行廣域即時差分校正與誠信度廣播的機制（如 WAAS）。
3. 展頻多工通訊技術（Spread Spectrum Multiplexing）：同頻多星發射體系下，利用偽隨機雜訊碼（PRN Code）正交特性分離不同衛星信號的「分碼多工接取（CDMA）」技術。

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解題方法

本題為標準的申論型名詞解釋題。在航海技術類科的閱卷評分標準中，切忌僅以一句話草率帶過。作答切入點應採取「四維度結構化論述」：

1. 英文全稱與中文標準譯名：確立名詞專業範疇（未寫出英文全稱會被扣分）。
2. 工作頻率與信碼結構：載波頻率（L1/L2 等）、調變碼（C/A Code、P(Y) Code 等）。
3. 存取權限與使用者定位：軍用、民用、加密管制（如 AS 反欺騙、歷史上的 SA 機制）。
4. 定位精度與技術特性：水平定位誤差範圍、抗干擾能力、系統增強方式或信號分離原理。

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名詞逐項深度解析

一、SPS（Standard Positioning Service，標準定位服務）

1. 定義與適用對象：由美國國防部提供給全世界民用、海事、航空及陸運使用者無償、無限制存取的單頻標準定位服務。
2. 載波頻率與測距碼：

• 傳統主訊號使用載波 $L_1$（頻率為 $1575.42\text{ MHz}$）。
• 調變民用粗擷取碼（C/A Code，Coarse/Acquisition Code），碼率為 $1.023\text{ Mbps}$，週期為 $1\text{ ms}$。現代化 GPS 另增廣 L2C 與 L5 信號。

3. 精度演變與人為干擾：

• 民國 89 年（2000 年）5 月 1 日以前，美軍透過「選擇性可用度（SA，Selective Availability）」機制，刻意引入衛星鐘差抖動與軌道星曆誤差，使民用水平誤差擴大至 $100\text{ m}$ 左右（95% 機率）。
• SA 機制停用後，SPS 原生單頻定位水平精度大幅提升至約 $5\sim 15\text{ m}$。

二、PPS（Precise Positioning Service，精密定位服務）

1. 定義與適用對象：專供美國軍隊、北約盟軍以及經美國聯邦政府特定授權之公務安全機構使用的最高精度定位服務。
2. 雙頻技術與抗干擾加密：

• 同時使用雙載波 $L_1$（$1575.42\text{ MHz}$）與 $L_2$（$1227.60\text{ MHz}$）。
• 雙頻信號可直接計算並消除一階電離層折射延遲誤差（Ionospheric Delay Error）。
• 調變精確測距碼（P Code，Precision Code），碼率為 $10.23\text{ Mbps}$，週期長達 267 天（每週重置一次）。
• 啟動「反欺騙（AS，Anti-Spoofing）」技術時，P 碼會與未公開的 W 密碼模二相加，合成為加密的 Y 碼（即 P(Y) Code），非授權用戶無法解碼。

3. 性能表現：水平定位精度可達 $3\sim 5\text{ m}$ 以內，且具備極高的抗電戰干擾（Jamming）與防電子欺騙（Spoofing）能力。

三、WAAS（Wide Area Augmentation System，廣域擴增系統）

1. 定義與系統定位：由美國聯邦航空總署（FAA）與運輸部主導開發的「星基擴增系統（SBAS，Satellite-Based Augmentation System）」，主要涵蓋北美地區，供民航與海事導航使用。
2. 運作架構：

• 廣域參考站（WRS）：分布於地面的精密監控站，持續觀測 GPS 衛星信號並計算誤差。
• 廣域主控站（WMS）：收集各 WRS 資料，計算出衛星軌道修正量、時鐘偏差及全網電離層垂直延遲格網修正值（GIVE/UDRE），並評估信號誠信度（Integrity）。
• 地面上行站（GUS）與同步衛星（GEO）：將校正資訊上傳至地球同步軌道通訊衛星，GEO 衛星以與 GPS $L_1$ 相同的頻率將差分訊號廣播給終端接收機。

核心觀念

本題旨在評量航海人員在實務操作與國際規範下，對「電子海圖顯示與資訊系統」（ECDIS）核心功能——**航路計畫（Route Planning）**的熟稔程度。其核心依據與規範包含：

1. IMO Res. MSC.232(82)《ECDIS 性能標準修訂採納案》（Revised Performance Standards for ECDIS）：

• 明定 ECDIS 必須提供在向量海圖（ENC）上預先規劃航路與調整航路之能力。
• 航路計畫應具備以「圖形方式」與「數值／表格方式」輸入轉向點（Waypoints, WPTs），並能在選定之航段（Legs）設定適當的直線（恆向線，Rhumb Line）或大圓航線（Great Circle）。

2. IEC 61174 航用電子設備標準（含 RTZ 航路交換格式）：

• 明定航路建構之資料結構，包含轉向點座標、偏航極限寬度（Cross Track Distance, XTD）、轉向半徑（Turn Radius）或轉向率（Rate of Turn, ROT），以及外部檔案傳輸規範。

3. STCW 公約表 A-II/1、A-II/2 及 IMO Model Course 1.27：

• 強調航路設計完成與調整後，必須執行自動幾何與危險安全檢查（Safety Check / Route Check），驗證航道內無淺水、暗礁或受限區域。

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解題方法

本題為高考三級典型的專業申論題，切入策略應兼顧「人機介面操作維度（圖形與表格）」、「資料來源維度（手動建構與外部匯入）」以及「航行安全幾何控制（XTD 與轉向參數）」。

解題架構切分為兩大主軸：

1. 建構航路（Route Creation）：按「手動人機互動（圖形法、表格法、複合微調法）」與「外部資料來源（檔案匯入法、資料庫調用／反向航路法）」條理展開。
2. 調整航路（Route Editing / Adjustment）：按「節點與幾何圖形調整（拖曳增刪）」、「屬性數值修正（座標、速率）」、「安全邊界微調（XTD、轉向半徑）」以及「安全檢查反饋調整」進行系統化論述。

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選項分析

（註：本題為公職專技高考三級之申論題，非選擇題型。以下針對考題要求之各項方法提出結構化評析與實務優缺點比較）

1. 圖形法（Graphic Method） vs. 表格法（Tabular / Alphanumeric Method）：

• 圖形法：直觀、快速避開顯著地形障礙，但在精確定位（例如剛好位於分離航道航向線上）容易有游標人為誤差。
• 表格法：數值精確度可達小數點後三位或四位分，適用於岸上航行計畫書（Passage Plan）已有確定座標時輸入；缺點是若無圖形即時對照，無法直覺察覺輸入盲區或數值筆誤（如緯度度分誤植）。

2. 直接修改監控中航路 vs. 另存備用航路修改：

• 在實務航行監控（Route Monitoring）狀態下，法規與優良船藝要求不得直接任意切斷當前監控航路。標準程序應複製為備用航路（Alternate Route）進行離線修改、完成 Route Check 後再行切換啟用（Activate）。

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解題技巧

1. 記憶口訣矩陣：

• 建構五字訣「圖、表、混、匯、庫」：圖形點擊、表格輸入、混合微調、外部匯入（RTZ/GPX）、資料庫載入（含反向航路）。
• 調整四層次「動點、修表、設界、檢核」：拖曳增刪節點、修改表格數值、調整 XTD/轉向半徑、安全檢查警告之避險修正。

2. 常見扣分陷阱：

• 陷阱一（過度簡化）：僅寫「用滑鼠在螢幕上點選」與「鍵盤輸入經緯度」，漏掉現代電子航海必考的「外部標準檔案（RTZ）匯入」與「歷史資料庫調用」。
• 陷阱二（忽視航海安全邊界）：調整航路若僅回答「調整座標」，未提及調整「XTD 偏航走廊寬度」與「轉向半徑（Turn Radius）」，無法取得上位分數。
• 陷阱三（漏寫驗證程序）：航路調整的最後一步必然伴隨「航路安全檢查（Route Safety Check）」，這在 ECDIS 規範中屬於強制核心步驟，考生常漏答此閉環環節。

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【答案】

一、在 ECDIS 建構航路（Route Creation）的方法

在遵循 IMO MSC.232(82) 性能標準下，ECDIS 提供以下多元建構航路的方式：

核心觀念

本題命題核心在於現代電子航行與海事安全通信系統之應用，包含兩大範疇：

1. IALA 航標體系之數位化應用（AIS AtoN）：依據國際航標協會（IALA）指南（以命題當年民國 111 年之 IALA Guideline 1084《AIS as an Aid to Navigation》及相關建議書為準），航路標識結合自動識別系統（AIS）後，依據「水面是否存在實體標體」以及「AIS 發射機安裝位置」，劃分出三種基本型態。
2. 全球海上遇險及安全系統（GMDSS）搜救設備（AIS-SART）：依據國際海事組織（IMO）決議案 MSC.246(83) 及 SOLAS 公約第 IV 章規範，AIS 搜救發射器（AIS Search and Rescue Transmitter）用以替代或輔助傳統雷達搜救應答器（Radar-SART），具備自主廣播高精度定位資料之搜救功能。

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解題方法

本題為標準的觀念申論題，切入點應分為兩大部分，論述層次分明、邏輯嚴謹：

1. 第一部分（AIS 導標分類）：先點出 AIS AtoN（Aids to Navigation）的本質，再從「水面物理實體」與「訊號發射來源」兩個維度，完整說明實體（Real/Physical）、合成（Synthetic）、**虛擬（Virtual）**三種導標的定義、運作架構與適用情境。
2. 第二部分（AIS-SART 之功能）：從「遇險定位廣播」、「內建 GNSS 精準度」、「顯示器整合呈現（ECDIS/雷達）」及「與傳統 Radar-SART 之優勢比較」切入，具體列出其技術規格與戰術搜救（SAR）價值。

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申論詳解

一、依 IALA 指南之三種 AIS 導標（AIS AtoN）

依據 IALA 指南規範，AIS 導標係指利用 AIS 技術提供導航資訊、危險警示或水文氣象資料之航標系統，分為以下三種：

1. 實體 AIS 導標（Real / Physical AIS AtoN）

• 定義：AIS 訊號發射硬體（Transponder/Transmitter）直接實體安裝於水面既有的航行標誌之上（如燈塔、固定燈標、實體浮標）。
• 運作特點：發射機所廣播之位置即為該硬體所在之真實實體位置，能即時反映導標狀況（如浮標走位、燈光故障等監控資訊）。
• 適用情境：重要航道出入口浮標、具備充足電力供應之大型燈樁或燈塔。

2. 合成 AIS 導標（Synthetic AIS AtoN）

• 定義：水面上存在真實的實體航標，但該航標上並未安裝 AIS 發射設備；其 AIS 訊號是由位於岸台（Shore Station）或其他基站代為廣播。
• 運作特點：在電子海圖（ECDIS）或雷達畫面上，該 AIS 目標之座標被標示於該實體標的實際（經遠端監控）或預定位置。其又可細分為：
• 監控合成（Monitored Synthetic）：岸台能即時監控實體標實際位置後發送訊號。
• 預測合成（Predicted Synthetic）：岸台僅發送該實體標之理論預定位置，無法確認浮標是否走位。
• 適用情境：實體浮標體積過小、電力受限，或環境惡劣不宜安裝維護電子發射設備之海域。

3. 虛擬 AIS 導標（Virtual AIS AtoN）

• 定義：水面上完全沒有任何實體的航標結構物，純粹由岸台或基站廣播 AIS 第 21 號訊息（Message 21），在船載航行儀器（ECDIS/雷達）上繪製出專屬的虛擬導標符號。
• 運作特點：部署迅速、完全無實體硬體維護成本，可即時發布並隨時撤銷。
• 適用情境：
• 突發性沉船、新增暗礁或危險物之即時標示。
• 冰區海域（實體浮標易受浮冰損壞漂失）。