112 高普考高考三級 航海技術 航行設備 考古題詳解

核心觀念

本題測驗航行設備中「全球定位系統」（GPS）之測距誤差來源與定位解算原理。

1. GPS 偽距測量基本觀測方程式： GPS 接收機利用自衛星發射之測距碼抵達時間計算距離，此距離包含多種誤差，稱為「偽距」（Pseudorange, $\rho$）： $\rho = R + c \cdot (\Delta t_r - \Delta t^s) + I + T + M + \epsilon$ 式中：

• $R$：衛星至接收機天線的真實幾何距離
• $c$：真空中的光速
• $\Delta t_r$：接收機內部時鐘偏差
• $\Delta t^s$：衛星原子鐘時鐘偏差
• $I$：電離層延遲誤差（Ionospheric Delay）
• $T$：對流層延遲誤差（Tropospheric Delay）
• $M$：多路徑效應誤差（Multipath Error）
• $\epsilon$：接收機內部雜訊及硬體延遲等隨機誤差

2. 空間距離交會原理： 定位需解算接收機的三維空間座標 $(X, Y, Z)$ 及接收機時偏 $\Delta t_r$ 四個未知數，因此在幾何上至少需要同時觀測 4 顆衛星。

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解題方法

本題分為兩大核心部分，解題切入點為：

• 第一部分：將使用者等效測距誤差（UERE）依訊號產生、傳播至接收的物理過程，系統化歸納為六大主要誤差。
• 第二部分：依訊號處理方式、基準架構及應用精度，說明三種主流定位方法。

一、GPS 之六項主要誤差

GPS 的測距誤差可依訊號傳播路徑（空間段、傳播路徑、接收機段）歸納為以下六項主要誤差：

1. 衛星時鐘誤差（Satellite Clock Error）：

• 成因：衛星星載銫原子鐘或銣原子鐘雖具高穩定度，但長期運作仍會產生微秒級的時鐘飄移與偏差。
• 影響與補償：依光速換算，若有 $1\,\mu\text{s}$ 偏差將產生約 $300\text{ m}$ 的測距誤差。主控站追蹤後會計算出多項式時鐘修正參數，隨廣播星曆傳送給使用者消除大部分偏差。

2. 衛星星曆誤差／軌道誤差（Ephemeris / Orbital Error）：

• 成因：衛星受到地球非均勻引力場、日月引力、太陽光壓及大氣殘餘阻力等攝動影響，導致廣播星曆預報的衛星位置與真實軌道存在幾何偏差。
• 影響與補償：一般產生約 $1 \sim 2\text{ m}$ 測距誤差，可透過地面監控站精算星曆更新或利用差分技術（DGPS）大幅抵消。

3. 電離層延遲誤差（Ionospheric Delay Error）：

• 成因：距離地表約 $50 \sim 1000\text{ km}$ 的高空電離層中存在大量自由電子與離子。電磁波穿透電離層時會產生色散效應，導致電波傳播速度減慢、傳播路徑彎曲。
• 特性與補償：電離層延遲與電波頻率平方成反比（$I \propto \frac{1}{f^2}$），為單頻 GPS 最大的誤差源（可達 $5 \sim 30\text{ m}$）。民用單頻接收機利用星曆中的 Klobuchar 經驗模型可消除約 50% 誤差；雙頻接收機（L1/L2 或 L1/L5）則可利用色散特性消除 99% 以上的一階電離層延遲。

4. 對流層延遲誤差（Tropospheric Delay Error）：

• 成因：地表至約 $50\text{ km}$ 高度之中性大氣層（對流層與平流層），因氣溫、氣壓與水氣含量的折射率變化，導致訊號傳播路徑彎曲及延遲。
• 特性與補償：對流層延遲為非色散介質（與電磁波頻率無關，無法用雙頻消除），主要分為乾延遲（約佔 90%，預測精度高）與濕延遲（約佔 10%，受水氣劇烈變化影響）。一般透過 Saastamoinen 或 Hopfield 等標準大氣模型予以修正，剩餘誤差約 $0.1 \sim 1\text{ m}$。

5. 多路徑效應誤差（Multipath Error）：

• 成因：衛星發射之訊號未經直射，或直射訊號與周遭海面、船體金屬構造、上層建築反射之反射波同時進入天線，造成相位與振幅干涉。
• 特性與補償：屬於局部環境誤差，無法透過常規差分技術消除。誤差大小通常在數公分至數公尺不等。主要透過採用抗多路徑扼流圈天線（Choke Ring Antenna）、微帶天線及接收機內部窄相關技術（Narrow Correlator）來抑制。

6. 接收機時鐘偏差與內部雜訊（Receiver Clock Bias and Noise）：

• 成因：民用接收機受成本、體積與功耗限制，通常採用低成本之石英震盪器（Quartz Crystal Oscillator），其計時精確度遠遜於衛星原子鐘；天線與射頻電路亦會產生熱雜訊與通道量測延遲。
• 特性與補償：接收機時偏 $\Delta t_r$ 不需事先校準，直接在解算時作為第 4 個未知數，藉由同時接收 4 顆衛星的偽距觀測方程式聯立求解消除；內部硬體雜訊則透過濾波演算法加以平滑化。

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二、GPS 的三種定位方法

依觀測量類型、修正方式及系統架構，GPS 常用之定位方法分為以下三種：

1. 單點絕對定位（Single Point Positioning, SPP / Autonomous Positioning）：

• 原理：使用單部獨立的 GPS 接收機，接收至少 4 顆衛星發射的 C/A 碼虛擬距離訊號，利用衛星廣播星曆計算衛星位置，以空間距離後方交會法解算接收機的三維空間直角座標 $(X, Y, Z)$ 與接收機時偏 $\Delta t_r$。

核心觀念

本題考查現代商船航行設備中兩大主流測速儀器——**杜卜勒測速儀（Doppler Speed Log）與電磁式測速儀（Electromagnetic Log, EM Log）**之技術架構與航海實務應用。

1. 物理原理與公式：

• 杜卜勒效應（Doppler Effect）：利用聲波在相對運動介質中的頻率偏移。當發射頻率為 $f_0$、聲速為 $c$、音束與船速夾角為 $\theta$、船速為 $v$ 時，接收頻率偏移量 $\Delta f$ 為： $\Delta f = f_r - f_0 \approx \frac{2 v f_0 \cos\theta}{c}$
• 法拉第電磁感應定律（Faraday's Law of Electromagnetic Induction）：導體在磁場中做切割磁力線運動時會產生感應電動勢。感應電壓 $E$ 與磁場強度 $B$、電極間距 $L$ 及水流速度 $v$ 成正比： $E = B \cdot L \cdot v$

2. 測速基準定義：

• 對水速度（Speed Through Water, STW）：船舶相對於周圍水體的運動速度（雷達 ARPA 避碰運算所需標準基準）。
• 對地速度（Speed Over Ground, SOG）：船舶相對於海底（地球表面）的運動速度（航行導航、靠泊操船所需基準）。

3. 法規要求：國際海上人命安全公約（SOLAS Chapter V, Regulation 19）規範 500 總噸以上船舶應配備測量對水航速與航程之設備；50,000 總噸以上船舶應具備測量對地與對水之多軸向（縱向及橫向）測速能力。

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解題方法

本題為高普考航行設備之典型「綜合比較申論題」。評分要點在於條理清晰與精確的專業術語。解題策略如下：

1. 先總後分，以表列總覽：依題目指定的三大項目（運作原理、可測得之速度與限制、誤差因素）建立對照表，使閱卷委員能迅速掌握技術核心差異。
2. 分項深入論述：

• 運作原理：必須交代「信號媒介（聲波 vs 電磁波）」、「物理定律（杜卜勒頻移 vs 電磁感應）」及「感應機構（換能器 vs 電磁線圈與電極）」。
• 速度與限制：明確區分 SOG 與 STW 的測量能力，並說明水深極限（海底追蹤模式之水深限制）及探頭與介質之物理邊界限制。
• 誤差因素：從「介質環境（聲速、水質）」、「船舶動態（搖晃、吃水）」、「流體力學（邊界層）」及「機械安裝」四個維度全面條列。

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解題技巧與常見陷阱

1. 測速類型盲點：切記「電磁式測速儀絕對無法測得對地速度（SOG）」，它只能測量緊貼船底的「對水速度（STW）」。若在考卷上寫電磁式可測 SOG 即屬嚴重失誤。
2. 雅努斯組態（Janus Configuration）：提及杜卜勒測速儀之縱向傾斜誤差時，務必說明採用前後對稱雙音束（Janus 組態）可相互抵消俯仰（Pitching）引起的頻率誤差。
3. 邊界層效應（Boundary Layer）：電磁測速儀的感應探頭位於船體底層邊界層內，其流速受船體摩擦阻力影響小於實際對水速度，必須經儀表內建校正曲線補償。

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【答案】

一、 杜卜勒測速儀與電磁式測速儀綜合比較表

比較項目	杜卜勒測速儀（Doppler Speed Log）	電磁式測速儀（Electromagnetic Log）
1. 運作原理	利用聲波之杜卜勒效應。<br>船底換能器（Transducer）向斜下方發射高頻超音波（100 kHz～1 MHz），接收來自水層微粒或海底反射之回波，藉由回波頻率偏移量 $\Delta f$ 運算船舶速度。	利用法拉第電磁感應定律。<br>傳感器內部電磁線圈通電產生磁場，當導電海水流經船底感測頭時切割磁力線，於兩側電極間感應出與流速成正比的微小電壓 $E$。
2. 可測得之本船速度（使用限制）	1. 對地速度（SOG）：水深在底層追蹤模式（Bottom Track）範圍內時。

核心觀念

本題測驗「電子海圖顯示與資訊系統」（ECDIS）核心資安與授權架構——國際航道測量組織（IHO）S-63 資料保護架構（IHO Data Protection Scheme），考點涵蓋其制定宗旨、運作機制（金鑰管理與作業程序），以及海事法規對海圖有效性的法定要求：

1. IHO S-63 標準定位：S-63 是 IHO 針對 S-57 向量電子航行圖（ENC）所制定的加密、認證與資料保護國際標準，結合非對稱數位簽章（PKI 公鑰基礎設施）與對稱資料加密技術。
2. 核心授權元件定義：

• 硬體識別碼（HW_ID / Hardware ID）：ECDIS 硬體專屬序列碼。
• 使用者許可權碼（User Permit, UP）：由製造商金鑰（Manufacturer Key）與硬體識別碼加密綁定產生的 28 碼十六進位字串，代表該具 ECDIS 的身分。
• 單元金鑰（Cell Key）：各 ENC 單元（Cell）專用的對稱加密金鑰。
• 單元許可權檔（Cell Permit）：內含特定海圖單元名稱、訂閱有效截止日（Expiry Date），並以該船 ECDIS 之 User Permit 加密保護的 Cell Key 字串。

3. 相關法規依據：

• 《1974 年國際海上人命安全公約》（SOLAS）第 V 章第 19 條（航行設備攜帶要求）與第 27 條（航海圖書之最新維護要求）。
• 國際海事組織（IMO）ECDIS 性能標準決議案（MSC.232(82)）。
• 以命題當年（民國 112 年）法規與 IHO 現行標準為準。

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解題方法

本題為三合一申論題，作答時採「總論目的 $\to$ 分段流程（買／裝／更） $\to$ 系統與法規效力限制」三層次切入：

1. 第一子題（目的）：由「防止盜拷（商業性）」、「確保資料完整性與防竄改（安全性）」、「來源合法認證（官方真實性）」及「建立標準化授權機制」四個維度條列陳述。
2. 第二子題（購買、安裝、更新程序）：以資訊流（Data Flow）與操作手續為主軸，依序拆解：

• 購買：提取 User Permit $\to$ 代理商配對訂閱 $\to$ 取得 Cell Permit 與憑證。
• 安裝：匯入憑證與許可檔 $\to$ 解密並轉譯基本海圖（Base ENC）入 SENC。
• 更新：定期載入差異修正檔（Cumulative Updates） $\to$ 驗證簽章並套用。

3. 第三子題（過期限制）：從「ECDIS 系統功能面」與「海事公約法規面（PSC）」雙重視角深入說明，釐清「圖資並非黑畫面，而是無法更新且喪失法定地位」的關鍵。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，故無個別選項分析。各子題核心作答要點與架構已完整納入【答案】。

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解題技巧

1. 名詞辨析切勿混淆：

• User Permit 是「船端的機器身分證」（一機一碼）。
• Cell Permit 是「經銷商給特定機器的海圖通行證」（綁定單元、機器與時效）。
• 記憶口訣：「船端出 UP 買權限，廠商給 CP 解 Cell Key」。

2. 防範作答陷阱：

• 常見錯誤認知：許多考生誤以為 Cell Permit 過期後「海圖立即鎖死或黑畫面消失無法顯示」。
• 正確觀念：S-63 規範與 IMO 性能標準嚴格要求「安全優先（Safety of Life at Sea）」，因此過期圖資依然可以在螢幕上顯示與航行監控，但系統會持續發出警示（Alarm / Indication），且拒絕載入過期日之後發行的任何新更新，導致海圖失去 SOLAS V/27 要求的「維持最新（up-to-date）」效力。

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【答案】

一、IHO S-63（Data Protection Scheme）之目的

IHO S-63 為保護與分發 S-57 官方電子航行圖（ENC）的資料保護架構，其核心目的包括：

1. 防止未授權複製與盜版（Piracy Protection）： 透過高強度對稱加密（Blowfish / AES 演算法），確保 ENC 資料在發行、傳輸與儲存過程中受到保護，僅有付費獲得授權的合法船舶 ECDIS 才能解密讀取，保障各國水文辦公室（HOs）與區域電子海圖中心（RENCs）的智慧財產權與商業利益。
2. 確保資料完整性與防範惡意竄改（Data Integrity）： 海圖資料附帶數位簽章（Digital Signature），傳輸至船端後由 ECDIS 依據雜湊值（Hash）驗證，防止 ENC 在下載或安裝過程中遭受第三方中間人攻擊、竄改或因儲存媒體損壞而失真。
3. 確保發行來源之真實性（Data Authentication）： 建立基於公鑰基礎設施（PKI）的架構，由 IHO 擔任根憑證機構（Scheme Administrator, SA），船舶端可明確驗證海圖是否確實源自各國官方水文機構，杜絕偽造或非官方認可的危險圖資進入航行系統。
4. 實現標準化選擇性授權與存取控制（Selective Access & Licensing Management）： 提供全球一致的金鑰管理規範，使海圖發行商得依據船舶之航線需求，靈活核發特定地理區域（Cell）、特定訂閱期限（如 3、6、9、12 個月）的許可權。

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二、S-63 架構下合法購買、安裝及更新 ENC 海圖之程序

核心觀念

本題測驗航海人員對於駕駛台重要航行安全設備——**「駕駛台航行當值警報系統」（Bridge Navigational Watch Alarm System, BNWAS）**之國際法規要求、系統架構及實務操作限制之熟悉度（以命題當年民國 112 年法規為準）：

1. 法規法源：國際海事組織（IMO）《國際海上人命安全公約》（SOLAS）第 V 章第 19.2.2.3 條強制安裝與在航運作規定。
2. 性能標準：IMO 決議案 MSC.128(75)《BNWAS 性能標準》（Performance Standards for BNWAS），規範倒計時警報時序、警示形式與對象、以及三種操作模式。
3. 實務通函指引：IMO MSC.1/Circ.1474《BNWAS 自動運作模式指引》（Guidance on the BNWAS Auto Working Mode），針對「自動模式（Auto Mode）」在航行實務中與 SOLAS 公約條文所產生的牴觸進行規範與特別叮囑。

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解題方法

本題為標準的國際公約規範申論題，答題切入點應按公約條文與通函內容，採結構化、條列化呈現：

1. 第一小題（階段與期間）：按時間軸清晰區分「休眠期（Dormant Period）」與「三階段警報期間」，特別標明法定秒數與延遲上限。
2. 第二小題（方式、位置、對象）：採用「警報層級 $\times$ 警報方式 $\times$ 安裝位置 $\times$ 接收對象」之層級推進結構作答，展現值班人員失去意識時的安全防護遞延邏輯。
3. 第三小題（操作模式）：準確寫出 IMO 規定的三種操作模式（Automatic、Manual ON、Manual OFF）及其啟動條件與保護機制。
4. 第四小題（MSC.1/Circ.1474 之叮囑）：切入核心矛盾點——剖析自動模式（Auto Mode）與自動舵連鎖時，在手動操舵狀態下會使 BNWAS 停止運作，從而違反 SOLAS 規定，導出「在航期間不得使用自動模式，應置於手動開（Manual ON）」之結論。

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選項分析（申論題考點剖析）

本題為申論題，非選擇題。各子題評分關鍵與命題爭點解析如下：

• 第（一）子題：考生最常漏寫「休眠期」與「視覺預警階段」，誤以為警報一觸發就是蜂鳴器聲響。休眠期長度（$3 \sim 12\text{ min}$）及各階間隔（$15\text{ s}$、$15\text{ s}$、$90\text{ s} \sim 3\text{ min}$）為關鍵給分點。
• 第（二）子題：考查「階梯式通報體系」。空間由「駕駛台」擴展至「船長及備勤人員住艙」，最終擴大至「其他具備處置能力之船員艙區」；接收對象由值班航行員（OOW）升級至全船應急管理人員。
• 第（三）子題：需注意 Automatic 模式的連鎖條件是「航向或航跡控制系統（Heading or Track Control System）」，不可僅模糊作答「開船時自動啟動」。
• 第（四）子題：為高鑑別度子題。許多考生只讀過 MSC.128(75) 性能標準，未掌握 MSC.1/Circ.1474 通函實務指示。未能點出「禁止使用 Auto 模式」者將大幅失分。

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解題技巧

1. 時序流程記憶公式： $\text{休眠期 } T_d \, (3\sim 12\text{ min}) \xrightarrow{\text{未重置}} \text{視覺警示 (15 s)} \xrightarrow{\text{未重置}} \text{第 1 階聲警 (15 s)} \xrightarrow{\text{未重置}} \text{第 2 階聲警 (90 s}\sim 3\text{ min)} \xrightarrow{\text{未重置}} \text{第 3 階聲警}$
2. 陷阱提示：第 1 階段聲響警報發出前，必須先有 15 秒純視覺警報，切勿將視覺警報遺漏或直接併入第 1 階段聲警計時。
3. Circ.1474 關鍵句：記住八字箴言「在航運作、禁用自動」。

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【答案】

（一）BNWAS 倒計時階段及其警示期間

依據 IMO 決議案 MSC.128(75)《BNWAS 性能標準》之規定，系統運作倒計時分為休眠期及後續三階段警示程序：

核心觀念

本題考查航海人員於航行監視（Route Monitoring）階段對「電子海圖顯示與資訊系統」（ECDIS）之專業操作與安全參數設定能力，主要依據以命題當年（民國 112 年）有效之國際海事組織（IMO）決議案 MSC.232(82)《修訂之電子海圖顯示與資訊系統性能標準》（Revised Performance Standards for ECDIS）、STCW 公約第 II/1、II/2 條適任標準，以及國際海道測量組織（IHO）S-52/S-57 規範。

海研五號（吃水 $6\text{ m}$）海難之核心癥結在於航行員未能正確掌握海圖水深基準、安全等深線（Safety Contour）與安全防護框（Safety Frame / Guard Zone）設定不當、依賴非合適比例尺海圖、以及未開啟關鍵顯示圖層（如淺水區孤立危險物），致使船舶駛入淺灘觸礁而不自知。相關計算涉及以下基本公式：

1. 安全水深（Safety Depth, $SD$）： $SD = \text{吃水}(d) + \text{船速下沉量}(\text{Squat}) + \text{最小富餘水深}(\text{UKC}) - \text{潮高}(\text{Height of Tide})$ （在實務保守設定或未精確掌握潮位時，潮高通常計為 $0\text{ m}$）。
2. 安全等深線（Safety Contour, $SCtr$）： 數值由航行員輸入（通常設為與 $SD$ 相同），但 ECDIS 系統會自動向上取整（Round up）至 ENC 內存資料中大於或等於該數值的下一條標示等深線。

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解題方法

本題為非選擇題（申論綜合題），解題切入點應緊扣題目明示之三大面向（海圖選用、畫面顯示設定、警示設定），並將題目給定的「吃水 6 米（$d = 6\text{ m}$）」代入具體參數計算，提出符合實務安全管理體系（SMS）與法規標準之具體處置方案：

1. 海圖選用：由海圖來源（官方 ENC）、使用比例尺（Compilation Scale）、航用波段（Usage Band）、最新改正狀態（Updates）及資料品質（CATZOC）切入。
2. 畫面顯示設定：設定四階陰影（Four Shades）與等深線深度（Shallow/Safety/Deep Contours）、顯示層級（Standard Display 加上關鍵 Other 圖層，特別是淺水區孤立危險物）。
3. 警示設定：設定前向預警防護框（Look-ahead / Safety Frame）之長寬參數以啟動防擱淺警報，並配合航線走廊寬度（XTD）與航向轉向點警示。

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試題深入分析（三大面向完整論述）

一、海圖選用面向（Chart Selection & Quality Assessment）

1. 使用官方最新向量海圖（Official ENC）：

• 必須使用由各國官方海道測量局（Hydrographic Office, HO）發行、符合 IHO S-57 / S-101 規範之官方電子航海圖（ENC）。
• 確保已套用最新的每週電子航行通告（Notice to Mariners, NtM）及航行警告（Navigational Warnings）。

2. 嚴格杜絕過比例尺（Overscale）與欠比例尺（Underscale）：

• 沿岸航行與狹窄水道進出時，嚴禁於大比例尺（如 Overview, General）海圖上進行航行監視，應手動或自動載入最適波段之沿岸（Coastal）或進港（Approach/Harbour）波段 ENC。
• 警惕螢幕過度放大所產生的「虛假安全感」，並避免出現垂直格線警告（Jail Bars/Overscale Indication）。

3. 評估海圖資料可靠度（CATZOC）：

• 查驗海圖之信心區域類別（Category of Zone of Confidence, CATZOC）。若該海域屬於沙洲動態多變區（如外傘頂洲周邊）且等級為 B、C 或 U（未評估），代表測量年份久遠或水深定位精度有限，必須於 UKC 中額外追加安全餘裕。

二、畫面顯示設定面向（Display Settings & Depth Boundaries）

以本船吃水 $d = 6.0\text{ m}$ 為基準進行關鍵數值配置：

1. 安全水深與等深線參數計算與設定：

• 安全水深（Safety Depth, $SD$）： 假設航行於沿岸，取保守預估值：船速下沉量 $\text{Squat} = 1.0\text{ m}$、公司 SMS 規定之富餘水深 $\text{UKC} = 1.0\text{ m}$（或吃水之 $15\%$），不計潮高（$0\text{ m}$）： $SD = 6.0\text{ m} + 1.0\text{ m} + 1.0\text{ m} = 8.0\text{ m}$ 設定後，海圖上小於 $8.0\text{ m}$ 的水深注記（Soundings）將以顯著黑色粗體凸顯，大於等於者則以淺灰色弱化。
• 安全等深線（Safety Contour, $SCtr$）： 數值輸入 $8.0\text{ m}$。若 ENC 僅具備 $5\text{ m}$、$10\text{ m}$、$20\text{ m}$ 等深線，ECDIS 會自動啟用 $10\text{ m}$ 作為 Safety Contour。在此等深線以內之水域即被系統標示為危險淺灘。
• 淺水等深線（Shallow Contour）： 設定為本船吃水 $6.0\text{ m}$（或 $6.0\text{ m} + \text{Squat}$），用以標示「即刻擱淺區」。
• 深水等深線（Deep Contour）：