107 高普考高考三級 航空駕駛(選試直昇機飛行原理) 航行學 考古題詳解

• 核心觀念：國際民航組織（ICAO）推動的新一代全球「通信、導航、監視與飛航管理」整體架構體系。
• 解題方法：將英文縮寫拆解為「CNS」（技術基礎設施）與「ATM」（作業管理服務）兩大主軸進行申論：

1. CNS（Communications, Navigation, and Surveillance，通信、導航與監視）：

• 通信（C）：由傳統語音類比通訊轉變為數位資料鏈路（如 CPDLC 管制員–駕駛員資料鏈路通訊）與衛星通信（SATCOM）。
• 導航（N）：由傳統陸基助航設施（如 VOR、NDB）過渡為性能基礎導航（PBN）與全球衛星導航系統（GNSS/GPS）。
• 監視（S）：結合傳統一次/二次雷達（PSR/SSR），引入自動回報監視（ADS-B、ADS-C）與 Mode S 等技術。

2. ATM（Air Traffic Management，飛航管理）：

• 整合空域管理（ASM）、飛航流量管理（ATFM）及飛航管制服務（ATS），提供更具彈性、高容量與安全效率的空域運作環境。
• 選項分析：本題為名詞定義題，無選項。CNS 為手段與設施，ATM 為目的與作業核心，兩者相輔相成。
• 解題技巧：答題時務必寫出中英文全名，並分點列出 C、N、S、ATM 各自的內涵及由「傳統陸基」轉向「衛星/數位鏈路」的演進核心。
• 【答案】：CNS/ATM 即「通信（Communications）、導航（Navigation）、監視（Surveillance）與飛航管理（Air Traffic Management）」之整合架構，是 ICAO 利用現代數位資料鏈路、衛星導航及先進監視技術，結合現代化航管作業程序，以大幅提升空域容量、飛航安全及營運效益的全球空中交通管理系統。

---

（二）真航跡（true course）與真航向（true heading）間之夾角名稱為何？

• 核心觀念：航行三角形（Wind Triangle / Navigation Triangle）之角度定義。
• 解題方法：
• 真航向（True Heading, TH）：飛機機頭縱軸所指向的真北方位角。
• 真航跡（True Course, TC / True Track, TT）：飛機相對於地表實際運動軌跡或預定移動路徑的真北方位角。
• 當側風存在時，機頭朝向與地面航跡之間產生的角位移，即為偏流角（Drift Angle, DA）；若指航行員為抗衡側風而預先修正的夾角，則稱為風修正角（Wind Correction Angle, WCA）。航行學慣例中，兩者大小相等、方向相反。
• 選項分析：本題為名詞問答題。真航跡與真航向之夾角，在地面實際軌跡（Track）情境下稱為偏流角，在預定航線（Course）修正情境下稱為風修正角，考卷作答兩者並列最為周全。
• 解題技巧：公式關係為 $\text{TH} = \text{TC} \pm \text{WCA}$（左風減、右風加）；實際飛行時 $\text{TT} = \text{TH} \pm \text{DA}$。
• 【答案】：偏流角（Drift Angle）​或風修正角（Wind Correction Angle）。

---

（三）慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）是依據何原理或定律所設計？

• 核心觀念：牛頓古典力學運動定律（Newton's Laws of Motion）。
• 解題方法：

1. 物理定律：主要依據牛頓第二運動定律（$F = ma$ 或 $a = \frac{F}{m}$），並以牛頓第一運動定律（慣性定律）為基礎。
2. 運作機制：利用內部加速度計感測航空器相對於慣性空間的加速度，透過穩定平台或微機電陀螺儀維持基準坐標系；將測得之加速度對時間進行一次積分求得速度（$v = \int a \, dt$），再進行二次積分求得位移與當前地理位置（$s = \int v \, dt$）。

• 選項分析：本題為物理原理問答題，重點在於清楚標註「牛頓運動定律」與「加速度積分原理」。
• 解題技巧：答題時點出「牛頓第二運動定律」與「二次積分」兩個核心關鍵字即可精準獲取滿分。
• 【答案】：主要依據牛頓第二運動定律（$F = ma$，利用加速度計量測慣性力計算加速度）與牛頓第一運動定律（慣性定律），藉由對加速度進行兩次時間積分以求解速度與位置。

---

（四）慣性導航系統之優點包含哪些？

• 核心觀念：慣性導航系統（INS）之自主性、全天候運作與高更新率特性。
• 解題方法：歸納 INS 系統之核心工程與作業優勢：

1. 完全自主性（Self-contained / Autonomous）：不依賴任何外界電磁信號、地面發射臺或人造衛星，完全獨立作業。
2. 抗干擾能力強（Jam-proof & Covert）：無外部射頻接收與發射，不受人為電子干擾（Jamming）、欺騙（Spoofing）、天候惡劣或地形遮蔽影響。
3. 全球與全高度覆蓋：極區、海洋、高空或深谷皆可正常導航，無盲區限制。
4. 導航資訊豐富且動態響應快：可連續、即時輸出航空器位置、地速、三維姿態角（俯仰、滾轉、航向）及角速率，更新頻率高且無時間延遲。

• 選項分析：本題為簡答題，重點在於區隔 INS「完全不受外在環境干擾」的絕對自主優勢。
• 解題技巧：對比記憶法——想著「GPS 會斷訊被干擾，INS 完全封閉獨立」，即可列出「自主、抗干擾、全球覆蓋、高動態資訊」四大優點。
• 【答案】：

1. 完全自主運作：不依賴地面設施或衛星訊號。
2. 抗干擾性高：不受天候、地形遮蔽或人為電磁脈衝/干擾/欺騙影響。
3. 全球全天候適用：極區與大洋區無導航死角。
4. 資訊全面且即時：連續輸出高更新率之位置、速度、加速度及三軸姿態資料。

---

（五）GPS 和 INS 是目前世界上應用最為廣泛的導航方法，由於二者之間存在著較強的互補性，說明將兩者整合有何優點。

• 核心觀念：GPS/INS 組合導航系統（Integrated Navigation System）之濾波融合（Kalman Filter）與互補特性。
• 解題方法：
• 特性互補分析：
• INS：短期精度極高、高動態響應、更新率高，但隨時間拉長，其積分誤差會發散（累積漂移 Drift）。
• GPS：長期定位精度極高且誤差不隨時間累積，但更新頻率低（約 1～10 Hz），且易受多路徑效應、地形遮蔽、人為干擾或短暫失鎖影響。
• 整合優勢：

1. 長短期精度互補：以 GPS 的高長期絕對精度即時校準並約束 INS 的積分漂移；以 INS 的高頻資料填補 GPS 的取樣間隔，輸出平滑連續的導航解。
2. 提升系統強健性與抗干擾能力：當 GPS 訊號因干擾、遮蔽或動態失鎖中斷時，INS 可無縫接管提供慣性推算導航；訊號恢復後又能迅速重定。
3. 輸出全方位飛行狀態資訊：整合系統不僅能提供經緯度與高度，還能即時提供高精確度的三維姿態（俯仰、滾轉、航向）及速度向量。
4. 縮短空中對準時間：利用 GPS 的高精度速度輔助 INS 完成空中快速傳遞對準（In-flight Alignment）。

• 選項分析：本題著重在兩者「優缺點對稱互補」的論述邏輯。
• 解題技巧：牢記「INS 怕長期（會漂移）、GPS 怕短期干擾與斷訊」，兩者以卡曼濾波（Kalman Filter）結合即達成「全時高精度、高抗干擾、全姿態輸出」。
• 【答案】：

1. 長短期精度完美互補：利用 GPS 消除 INS 隨時間累積的發散漂移誤差；利用 INS 的平滑高頻輸出彌補 GPS 更新率低及短期噪聲問題。
2. 高可靠度與抗干擾性：GPS 訊號中斷或遭受干擾時，INS 能自主維持無縫推算導航，大幅提高系統容錯能力。
3. 完整高動態姿態與導航解：同時兼具 GPS 的絕對位置精度與 INS 高頻率的三維姿態、角速度及加速度輸出能力。

---

（六）飛機俯仰角（pitch）與滾轉角（roll）姿態資料來自於何處？

• 核心觀念：航空器姿態感測單元（Sensors）。
• 解題方法：

1. 傳統機型：來自垂直陀螺儀（Vertical Gyroscope, VG）​或姿態陀螺儀（Attitude Gyro）。垂直陀螺儀的自轉軸垂直於地平面，具備兩個自由度，用以感測飛機相對於地平面的俯仰與滾轉角。
2. 現代航電/數位座艙：來自慣性參考系統（Inertial Reference System, IRS / IRU）​或姿態航向參考系統（Attitude and Heading Reference System, AHRS）。

• 選項分析：本題為感測來源問答，切勿與顯示儀表（如姿態指示器）混淆，此題問的是「資料來源（Sensor）」。
• 解題技巧：答案應涵蓋「傳統陀螺（垂直陀螺儀）」與「現代航電系統（IRS/AHRS）」，展現答題深度。
• 【答案】：
• 傳統航空器來自垂直陀螺儀（Vertical Gyroscope）​或姿態陀螺儀。
• 現代航空器來自慣性參考系統（Inertial Reference System, IRS / IRU）​或姿態航向參考系統（Attitude and Heading Reference System, AHRS）。

---

（七）飛機俯仰角與滾轉角姿態顯示於何儀表？

• 核心觀念：駕駛艙飛行儀表（Flight Instruments）之顯示配置。
• 解題方法：

1. 傳統儀表配置：顯示於姿態指示器（Attitude Indicator, AI），通稱人工水平儀（Artificial Horizon）。
2. 現代電子飛行儀表系統（EFIS）：整合顯示於主飛行顯示器（Primary Flight Display, PFD）​或電子姿態指引指示器（Electronic Attitude Director Indicator, EADI）。

• 選項分析：此題問的是「顯示儀表（Display）」，與第（六）題的「感測來源（Sensor）」為經典對應題組。
• 解題技巧：先寫出最核心的傳統儀表名稱「姿態指示器（人工水平儀）」，再補充現代座艙的「PFD」。
• 【答案】：姿態指示器（Attitude Indicator, AI）（或稱人工水平儀, Artificial Horizon）；在現代玻璃座艙中則整合顯示於主飛行顯示器（Primary Flight Display, PFD）。

---

（八）極高頻多向導航系統 VOR 天線位於何處？

• 核心觀念：航空器無線電天線之配置位置與電磁接收特性。
• 解題方法：
• VOR（Very High Frequency Omnidirectional Range）運作頻率為 108.00～117.95 MHz，屬極高頻（VHF）視距傳播。
• 機載 VOR 接收天線為了取得最佳的全向無線電視野、減少機身金屬結構的遮蔽與干擾，通常安裝在垂直尾翼（Vertical Stabilizer / Fin）的頂部或兩側（外觀常呈現 V 形偶極天線或內嵌式刀狀天線）；部分機型亦安裝於機身頂部背脊。
• 選項分析：本題為機載天線配置題，不可誤答為機腹（機腹多為向下發射或接收之天線，如 Marker Beacon、雷達高度計、DME 等）。
• 解題技巧：記誦口訣：「VOR 是水平接收視距導航訊號，需高瞻遠矚，安裝於垂直尾翼頂端或兩側」。
• 【答案】：通常安裝於飛機垂直尾翼（Vertical Stabilizer）的頂部或兩側（亦有部分機型安裝於機身頂部上方）。

---

（九）飛航導航信標系統（marker beacon system）天線位於何處？

• 核心觀念：儀器降落系統（ILS）外圍輔助設備 Marker Beacon 天線配置。
• 解題方法：

核心觀念

本題旨在測驗航空航行學中現代衛星導航系統（GNSS）的基礎骨架——美國「全球定位系統」（NAVSTAR GPS）之系統架構與幾何測距定位原理。核心概念涵蓋：

1. 系統三大區段（Three Segments）：太空部分（Space Segment）、控制／地面部分（Control Segment）、使用者部分（User Segment）之組成結構、運作特性與核心任務。
2. 到達時間測距（Time of Arrival, TOA）：利用電磁波以光速 $c$ 傳遞之時間差，推算信號傳播距離。
3. 假距（Pseudorange）概念與方程式：使用者接收機內部時鐘與衛星高精準度原子鐘之間的時鐘偏差（Clock Bias, $\Delta t$）之成因與數學表示。
4. 空間三邊測量（Trilateration）與四維解算：三維空間坐標 $(x, y, z)$ 加上時間偏差 $\Delta t$ 共四個未知數，導出「至少需接收 4 顆可視衛星信號」以完成定位的數學必然性。

---

解題方法

本題為標準的申論型題型，作答切入點宜採「雙核心對稱鋪陳」：

1. 系統組成架構：依序就「太空部分」、「地面部分」、「使用者部分」分點分項，列出硬體規模（如衛星數量、軌道配置、各類地面站）與核心任務（播發、監控、解算）。
2. 定位原理推導：由物理幾何（三邊測量法）導入時間測距，寫出標準假距方程式，清楚界定已知數與未知數，證明為何解出三維位置需要至少 4 顆衛星。

---

選項分析

本題為國家考試公職專技之申論題，無選擇題選項。評分重點與論述完整性檢視如下：

• 太空部分（佔分約 20%）：是否寫出至少 24 顆衛星、6 條軌道面、軌道高度約 20,200 公里、運行週期約 12 小時，以及負責廣播導航電文（含星曆、曆書、時間標記）之任務。
• 地面控制部分（佔分約 20%）：是否完整列出「主控站」、「監測站」、「地面天線」三位一體之功能，並說明軌道追蹤、星曆推算、時鐘校準與數據上傳之職責。
• 使用者部分（佔分約 20%）：是否說明包含天線、接收機及處理器，負責信號捕獲、跟蹤、量測到達時間、解碼電文並計算位置、速度與時間（PVT）。
• 定位原理（佔分約 40%）：是否清楚說明「球體交會／三邊測量法」、列出假距方程式 $\rho_i = \sqrt{(x_i - x)^2 + (y_i - y)^2 + (z_i - z)^2} + c \cdot \Delta t$，並指明因存在接收機時鐘偏差 $\Delta t$，故必須求解 4 個未知數（需 4 顆衛星）。

---

解題技巧

1. 數字與術語精準化：

• 太空段：熟記「24 顆名義衛星、6 個軌道面、55 度傾角、高度 20,200 km、週期 12 恆星時（約 11 小時 58 分）」。
• 控制段：切記「監測站負責『聽』（收集數據），主控站負責『算』（計算軌道時差），地面天線負責『說』（上傳指令與電文）」。

2. 避免常見陷阱：

• 陷阱一（誤認 3 顆衛星即可定位）：在純幾何球面交會中，3 個球相交為 2 點（其中一點在地表、另一點遠在太空可捨棄）；但在實際 GPS 定位中，接收機使用的是廉價低精度的石英鐘，具有未知的鐘差 $\Delta t$，因此未知數是 $(x, y, z, \Delta t)$ 共 4 個，必須有第 4 顆衛星建立第 4 個方程式。
• 陷阱二（混淆真距與假距）：衛星信號發射時間與接收機接收時間相減，乘上光速後所得到的距離包含時鐘誤差，嚴格稱為「假距（Pseudorange）」，切勿直接寫成幾何距離。

---

【答案】

一、全球定位系統（GPS）三大組成部分及其任務

(一) 太空部分（Space Segment）

1. 組成結構：

• 由分布於 6 個傾角為 $55^\circ$ 之半同步中圓地球軌道（MEO）上的衛星群（Constellation）組成，名義設計至少由 24 顆運作衛星構成（現行常態維持 31 顆以上），軌道高度約 20,200 公里，運行週期約為 12 恆星時。此種配置確保全球地表任何地點、任何時間均可同時觀測到至少 4 至 8 顆以上之衛星。

2. 主要任務：

• 攜帶高精度銫／銣原子鐘，提供極度精確的時間基準。
• 持續向全球廣播 L 頻段微波載波信號（如 L1：1575.42 MHz、L2：1227.60 MHz 等）。
• 播發虛擬隨機雜訊碼（PRN 碼，包含 C/A 碼與 P(Y) 碼）及導航電文（Navigation Message），內容涵蓋衛星時鐘修正參數、精確星曆（Ephemeris）、概略曆書（Almanac）與衛星健康狀態。

(二) 地面部分／控制部分（Control Segment）

1. 組成結構：

• 由主控站（Master Control Station, MCS）、備用主控站、分散於全球的監測站（Monitor Stations）​以及地面控制天線（Ground Antennas）​組成。

2. 主要任務：

• 監測站：配備高精度銫原子鐘與接收機，全天候被動追蹤所有可視衛星，收集測距數據、大氣（電離層／對流層）延遲資料與氣象參數，並將觀測資料傳回主控站。

核心觀念

1. 定義與功能定位： 信標台（Marker Beacon，民航規範常稱「指點標」）是儀器降落系統（Instrument Landing System, ILS）或航路導航中的一種輔助無線電設備。其主要功用是提供航行中或進場中的航機一個精確的「縱向位置定位點（Along-track Fix）」，使飛行員在無須讀取連續距離數據的情況下，即時得知航機是否已飛越進場路徑上的特定關鍵地理位置（如開始下滑點、決策高度點或跑道門限附近）。
2. 法規與技術標準： 依據國際民航組織公約（ICAO）第 10 號附約《航空電信》（Annex 10, Aeronautical Telecommunications）及命題當年（民國 107 年）我國《民用航空法》相關技術規範標準：

• 載波頻率：所有信標台統一使用特高頻（VHF）之固定頻率 $75\text{ MHz}$。
• 幾何涵蓋場型：天線向天頂輻射出垂直向上的窄扇形（Fan-shaped）或倒圓錐形（Conical）波束。
• 識別方式：以不同的音頻調變頻率（Modulation Tone）、鍵控電碼（Keying / Morse Code）​及機載指示燈號色彩進行區分。

---

解題方法

本題屬於國家考試典型的「名詞架構與工作原理」綜合申論題。解題切入點應分為兩大主軸：

1. 系統架構（Architecture）：將系統切分為「地面設備（Ground Subsystem）」與「機載設備（Airborne Subsystem）」，分別說明發射端天線陣列、監控機制與機載接收解調模組。
2. 工作原理（Operating Principle）：闡述垂直波束幾何輻射原理，並將儀降系統的三級指點標（外指點標 OM、中指點標 MM、內指點標 IM）之位置、調變音頻、摩斯電碼與儀表板燈號整合為對比規範，使內容架構嚴謹完整。

---

選項分析

本題為高考三級申論題，並無選擇題選項。作答時應針對信標台的三大核心組成元件（外、中、內指點標）與航路信標進行系統化拆解與功能比對：

• 外指點標（Outer Marker, OM）：標示下滑道截獲點（Final Approach Fix, FAF）附近，以低音頻（$400\text{ Hz}$）連續劃線與藍燈警示進場階段開始。
• 中指點標（Middle Marker, MM）：標示 CAT I 儀器降落之決策高度（Decision Height, DH，約 $200\text{ ft}$）附近，以中音頻（$1300\text{ Hz}$）劃點交替與琥珀色燈指示目視確認跑道的最晚時機。
• 內指點標（Inner Marker, IM）：標示 CAT II / CAT III 降落下滑至決策高度（約 $100\text{ ft}$）或跑道門限前，以高音頻（$3000\text{ Hz}$）極速點信號與白燈警示著陸即在眼前。
• 航路扇形指點標（Fan Marker / Z-Marker）：早期用於航路導航交叉點（Intersection）或低頻導航台（NDB）正上方，現代航路已多由 VOR/DME 與 GNSS 取代，但在原理上均採用相同之 $75\text{ MHz}$ 載波體系。

---

解題技巧

1. 速記口訣：

• 順序：外 $\rightarrow$ 中 $\rightarrow$ 內（距離由遠到近）。
• 燈號：藍 $\rightarrow$ 琥（黃） $\rightarrow$ 白（口訣：「來護駕」諧音「藍琥白」）。
• 音頻頻率：$400\text{ Hz} \rightarrow 1300\text{ Hz} \rightarrow 3000\text{ Hz}$（由低音至高音）。
• 電碼：劃（長音） $\rightarrow$ 劃點（交替） $\rightarrow$ 點（急促短音）。

2. 常見陷阱：

• 勿將信標台頻率與 ILS 航向台（Localizer, $108.1\text{ MHz} \sim 111.95\text{ MHz}$）或滑降台（Glide Slope, $329.15\text{ MHz} \sim 335.0\text{ MHz}$）混淆；不論 OM、MM、IM，信標台載波全部固定為 $75\text{ MHz}$。
• 勿遺漏機載端「天線必須安裝在機身腹部（機腹）」這一幾何物理特性，因為波束是自地面垂直向上發射。

---

【答案】

一、信標台之定義與系統定位

信標台（Marker Beacon）是特高頻（VHF）定點導航設備，主要與儀器降落系統（ILS）配合使用，亦可用於航路上之特定管制點。其作用是在航機飛越其正上方時，藉由機載設備發出特定之視聽信號，向飛行員提供精確的跑道相對距離或航路修正點（Position Fix）。

二、信標台之系統架構

信標台系統由「地面發射端」與「機載接收端」兩大部分構成：