109 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：地磁幾何學與航行方向基準。地球表面上之航行方向基準包含真北（True North, TN）、磁北（Magnetic North, MN）與羅盤北（Compass North, CN）。
• 解題方法：

1. 定義：真北（地理北極方向）與磁北（地磁北極方向）之間的夾角，稱為磁偏角（Magnetic Variation，簡稱 Variation）。
2. 方向性：若磁北偏於真北以東，稱為東磁偏（East Variation, 記為 $+E$ 或向東減）；若磁北偏於真北以西，稱為西磁偏（West Variation, 記為 $-W$ 或向西加）。兩者轉換關係為： $\text{Magnetic Heading (MH)} = \text{True Heading (TH)} \pm \text{Variation (Var)}$

• 解題技巧：
• 常見混淆陷阱：考生極易混淆「磁偏角（Variation）」與「自差／磁差（Deviation）」。
• 磁偏角（Variation）：真北與磁北之夾角，成因為地球地磁場分佈。
• 自差（Deviation）：磁北與羅盤北之夾角，成因為機體金屬及電氣設備自身產生的內部磁場干擾。
• 記憶口訣：依航向換算序列 $T \to V \to M \to D \to C$（True $\pm$ Variation $=$ Magnetic, Magnetic $\pm$ Deviation $=$ Compass；向東減、向西加：East is Least, West is Best）。
• 【答案】：磁偏角（Magnetic Variation，亦稱 Variation）

(二) 全球定位系統（Global Positioning System, GPS）之工作原理以及特性為何？

• 核心觀念：衛星導航的空間後方交會幾何定位原理（Trilateration / 三邊測量法）與擴頻微波傳播特性。
• 解題方法：

1. 工作原理：

• 偽距量測（Pseudorange）：GPS 衛星攜帶高精度原子鐘，持續向地表播送含有時間戳記與星曆（Ephemeris）的虛擬隨機雜訊碼（PRN）。接收機接收訊號並比對發射與接收之時間差 $\Delta t$，乘上光速 $c$ 即可獲得接收機與該衛星之表觀距離（即「偽距」，內含接收機時鐘誤差）。
• 空間幾何三邊交會：空間中未知數共有 4 個，即接收機的三維空間坐標 $(X, Y, Z)$ 與接收機時鐘偏差（Clock Bias, $\Delta t_r$）。因此，接收機至少必須同時鎖定 4 顆衛星，列出 4 個球面幾何方程式聯立求解，即可定出精確的三維空間位置與時間偏差。

2. 主要特性：

• 全球覆蓋與全天候性（Global & All-Weather）：由分佈於 6 個軌道面的星系構成，不受日夜與天候雲雨影響，提供全球無縫隙服務。
• 被動式接收（Passive System）：機載端僅接收信號而不向外發射電波，故系統容量無上限，亦具備高度隱蔽性。
• 高精度 PNT 服務：單一系統即可同時提供連續的三維位置（Positioning）、導航引導（Navigation）與奈秒級授時（Timing）。
• 視距限制與弱訊號易受干擾：使用微波 L 頻段（L1/L2 等），採視距傳播（Line-of-Sight），訊號無法穿透厚重地障，且到達地表功率微弱，容易遭受人為電波干擾（Jamming）或欺騙（Spoofing）。
• 解題技巧：答題時必須切分為「原理」與「特性」兩大獨立構面。原理務必點出「量測時間差求偽距」與「至少 4 顆衛星解算四個未知數（三維坐標＋時間差）」兩個核心給分關鍵字。
• 【答案】：

1. 工作原理：接收機量測多顆衛星發射訊號到達之時間差，乘以光速計算與各衛星間的「偽距」；利用至少 4 顆衛星之已知空間位置進行三維空間交會定位（三邊測量法），同時解算接收機的三維空間坐標（緯度、經度、高度）與時鐘偏差。
2. 特性：全球覆蓋、全天候運作、連續提供高精度三維定位與精確授時、使用者端採被動接收（容量無上限）；但訊號屬視距傳播且微弱，易受地障遮蔽與電磁干擾。

(三) 氣動式空速錶可提供何種資訊？

• 核心觀念：皮托管靜壓系統（Pitot-Static System）的差壓測量原理及空速儀表盤彩線標記（Airspeed Color Coding / V-speeds）。
• 解題方法：

1. 直接速度指示：氣動式空速錶（Airspeed Indicator, ASI）透過膜盒感測皮托管的全壓（Total/Pitot Pressure, $P_t$）與靜壓孔的靜壓（Static Pressure, $P_s$）之差值，即動壓（Dynamic Pressure, $q = P_t - P_s = \frac{1}{2}\rho V^2$），將其轉換為機械位移，直接提供飛行員指示空速（Indicated Airspeed, IAS）。若為附帶氣壓高度與大氣溫度補償機構之型號（如 True Airspeed Indicator），亦可進一步換算指示真空速（True Airspeed, TAS）。
2. 飛行操作安全限制資訊（彩弧標線）：表盤上標繪有法定標準色彩弧線，提供航空器在不同構型下的關鍵性能與安全限制速度（V-speeds）：

• 白色弧線（White Arc）：襟翼操作範圍。下限為外型著陸失速速度（$V_{SO}$），上限為最大襟翼伸出速度（$V_{FE}$）。
• 綠色弧線（Green Arc）：正常操作範圍。下限為特定外型失速速度（$V_{S1}$），上限為最大結構巡航速度（$V_{NO}$）。
• 黃色弧線（Yellow Arc）：警告範圍（僅限於平穩氣流中操作）。介於 $V_{NO}$ 與 $V_{NE}$ 之間。
• 紅色徑向線（Red Radial Line）：絕不超過速度（Never-Exceed Speed, $V_{NE}$）。
• 解題技巧：切忌只簡答「空速」二字。在國家考試中，必須明確寫出其提供「指示空速（IAS）」及「關鍵操作限制速度（失速速度、襟翼限制速度、$V_{NE}$ 等標記）」，方能取得滿分 4 分。
• 【答案】：提供航空器當前的「指示空速（IAS）」（具備計算機構者亦可提供真空速 TAS），並透過表盤彩弧標誌直接提供各項安全操作極限速度，包含失速速度（$V_{SO}, V_{S1}$）、襟翼伸出最大速度（$V_{FE}$）、最大結構巡航速度（$V_{NO}$）及絕不超過速度（$V_{NE}$）。

(四) 飛機 F/D（flight director）、A/P（autopilot）系統的姿態資料來自何處？

• 核心觀念：自動飛行控制系統（Automatic Flight Control System, AFCS）的感測器架構。飛行指引儀（F/D）計算指引桿命令、自動駕駛儀（A/P）驅動伺服舵機時，皆必須仰賴高精確度、即時的俯仰（Pitch）與滾轉（Roll）姿態基準源。
• 解題方法：

1. 現代航空器（數位化航電系統）： 姿態資料來自​「姿態航向參考系統（Attitude and Heading Reference System, AHRS）」​或​「慣性參考系統（Inertial Reference System, IRS / Inertial Reference Unit, IRU）」。其內部運用固態雷射陀螺（RLG）、光纖陀螺（FOG）或微機電（MEMS）陀螺儀與加速度計，經過航電電腦濾波後輸出姿態角度信號。
2. 傳統航空器（類比／機電儀表）： 姿態資料來自​「垂直陀螺儀（Vertical Gyro, VG）」，或自​「姿態指引儀（Attitude Director Indicator, ADI）」​內部之姿態陀螺感測器經同步發射器（Synchro）輸出。

• 解題技巧：答案應兼顧現代主流標準（AHRS、IRS/IRU）與傳統機型架構（垂直陀螺儀 VG），展現專業廣度。
• 【答案】：現代航空器主要來自「姿態航向參考系統（AHRS）」或「慣性參考系統（IRS / IRU）」；傳統航空器則來自「垂直陀螺儀（Vertical Gyro, VG）」。

(五) 當一航空器在晴空萬里且地障平坦之 5,000 呎上空時，VHF 無線電通話範圍大約為多遠？

• 核心觀念：特高頻（VHF, $118.000 \sim 136.975\text{ MHz}$）無線電電波之空間波視距傳播定律（Line-of-Sight, LOS）與大氣折射修正。
• 解題方法：

1. 公式推導：VHF 頻段電波沿直線傳播，傳播距離受地球曲率屏蔽限制。

核心觀念

本題考查航行學中現代自主式導航核心系統——慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）​之基本概念、感測器物理原理、數學積分運算、工程特性以及複合導航應用。

1. 基本定義：INS 是一種完全自主式（Self-contained）的推測航行（Dead Reckoning）導航系統，不依賴任何外在電磁信號、地面導航設施或天體觀測，僅依靠機載內部感測器連續量測航空器的運動參數以計算位置、速度與姿態。
2. 核心組成與數學公式：

• 陀螺儀（Gyroscope）：量測角速度以建立並維持空間姿態基準（三軸俯仰、滾轉、偏航）。
• 加速度計（Accelerometer）：量測沿導航座標系三軸之線性加速度 $a(t)$。
• 雙重時間積分（Double Integration）：
• 一次積分求速度： $v(t) = v(0) + \int_{0}^{t} a(\tau) \, d\tau$
• 二次積分求位移（位置）： $p(t) = p(0) + \int_{0}^{t} v(\tau) \, d\tau = p(0) + v(0)t + \int_{0}^{t} \int_{0}^{\tau} a(u) \, du \, d\tau$

3. 誤差特性與舒勒調諧（Schuler Tuning）：

• 加速度計與陀螺儀的零偏（Bias）與漂移（Drift）經時間雙重積分後，會造成位置誤差隨時間呈立方或平方級數發散。
• 舒勒調諧原理係模擬擺長等於地球半徑 $R$ 的物理擺，其固有週期 $T = 2\pi \sqrt{\frac{R}{g}} \approx 84.4\text{ 分鐘}$，可抑制因地表曲率與重力引起的水平位置震盪誤差發散，但仍無法消除隨時間累積的不可逆漂移。

4. 複合導航技術：利用卡爾曼濾波器（Kalman Filter）將高頻短期精度高但長期漂移的 INS，與長期絕對精度高但更新頻率低或易受干擾的外在信號（如 GNSS、都卜勒雷達）進行資訊融合。

解題方法

本題為典型的航行學申論試題，評分標準在於「架構完整性」與「專業術語精確度」。解題應採取標準四段式論述結構：

1. 定義界定：精確點出「自主式」、「推測航行」及「內部感測」等關鍵詞，說明其在民航與直昇機作戰中的定位。
2. 工作原理剖析：分層說明「姿態基準建立（平台式或捷聯式）」、「加速度感測」、「重力補償與坐標轉換」及「雙重積分求取導航參數」。
3. 優缺點對比：採用對照分析，優點聚焦於「抗干擾性、自主性、全天候、資料率高」；缺點直指「積分漂移、初始校準需求、成本與維護」。
4. 缺點克服策略：從「資訊融合（INS/GNSS 組合導航）」、「動態校正技術（ZUPT、位置重設）」與「硬體技術改良（光纖/環形雷射陀螺儀）」三大維度提出解決方案。

選項分析

本題為高考三級非選擇題（申論題），無選項設計。按國家考試試卷評閱標準，本題評分爭點與配分比重拆解如下：

• 第一爭點：INS 定義（約佔 15%）：能否準確寫出「完全不依賴外界訊號之自主式推測導航系統」。
• 第二爭點：工作原理（約佔 35%）：是否包含陀螺儀定基準、加速度計量測、重力補償、雙重積分數學關係式及坐標轉換過程（捷聯式與平台式概念）。
• 第三爭點：優缺點評析（約佔 25%）：優點（無射頻輻射、抗電磁干擾、高更新率）與缺點（誤差隨時間累積、初始對準時間長、成本高）之完整論述。
• 第四爭點：克服先天缺點之技術（約佔 25%）：必須精確寫出「卡爾曼濾波演算法」、「INS/GPS（GNSS）整合導航（鬆散/緊密耦合）」以及直昇機極常使用的「零速修正（ZUPT）」技術。

解題技巧

1. 閱卷得分關鍵字：作答時務必凸顯 Self-contained（自主性）、Double Integration（雙重積分）、Schuler Tuning（舒勒調諧，84.4 分鐘）、Time-dependent Drift（時間累積漂移）、Kalman Filter（卡爾曼濾波）、ZUPT（Zero Velocity Update，零速修正）。
2. 直昇機考科特色結合：答題時提及直昇機懸停或野外著陸時可利用「零速修正（ZUPT）」抑制漂移，能大幅展現直昇機飛行專業背景，爭取高分。
3. 避免常見陷阱：

• 切勿將「加速度計量測值」直接當作機體運動加速度，必須強調「重力向量補償（Gravity Compensation）」。
• 不要只回答「加裝 GPS」，需寫出「利用卡爾曼濾波器進行多感測器資料融合（Data Fusion）」，說明兩者在頻率與誤差特性上的互補性。

【答案】

一、慣性導航系統（INS）之定義

慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）是一種完全自主式（Self-contained）​的推測航行系統。該系統完全不仰賴外界電磁訊號（如地面導航臺、衛星信號）亦無需向外發射任何射頻能量，僅利用機載內部的慣性度量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）感測航空器的角運動與線運動，經過高速導航電腦連續計算，即時且連續提供航空器的位置、地速、姿態角（俯仰、滾轉、偏航）與航向等資訊。

二、工作原理

INS 之基本運作依循牛頓運動定律與向量坐標變換，主要包含以下四個核心步驟：

核心觀念

本題考查現代航電系統中大氣數據電腦（Air Data Computer, ADC）與電子飛行儀表系統（EFIS）的核心感測元件——固態壓力感測器（Solid State Pressure Sensor）。考生需掌握以下觀念：

1. 微機電系統（MEMS）技術：取代傳統空速表、高度計中機械式金屬膜盒（Aneroid capsule）與齒輪槓桿傳動結構，具備體積小、無機械磨損、抗震動與精確度高的特性。
2. 壓阻效應（Piezoresistive Effect）：單晶矽材料在受到外力（壓力差）作用產生機械應變時，其材料的電阻率 $\rho$ 會發生顯著變化的物理現象。
3. 電氣轉換架構（惠斯登電橋，Wheatstone Bridge）：藉由沉積或微擴散在矽膜片上的 4 組壓阻應變計組成電橋電路，將微小形變轉換為成正比的毫伏級（$\text{mV}$）微小差動電壓訊號。

解題方法

本題為經典的航電儀表申論題，作答應採取「物理轉換 $\to$ 結構圖解 $\to$ 電氣推導 $\to$ 航行參數解算」之四步切入法：

1. 作用原理闡述：

• 當外界壓力（全壓 $P_t$ 或靜壓 $P_s$）引導至感測晶片表面時，微矽膜片兩側形成壓力差 $\Delta P$。
• 壓力差使矽膜片產生撓曲應變 $\varepsilon$，引發壓阻效應，電阻變化率為： $\frac{\Delta R}{R} \approx G \cdot \varepsilon$ （其中 $G$ 為壓阻靈敏係數 Gauge Factor，半導體矽之 $G$ 值遠大於金屬材料）。
• 經惠斯登全橋電路解算，輸出電壓差為： $\Delta V_{out} = V_{in} \cdot \frac{\Delta R}{R} \propto \Delta P$

2. 解剖圖（剖面結構圖）繪製：

• 必須清楚繪出：壓力引入口、保護封裝外殼、矽基座（Substrate）、微加工矽薄膜（Silicon Diaphragm）、擴散壓阻元件、基準真空腔（Reference Vacuum Chamber）及電氣導線接腳。

選項分析

本題為高考三級「申論題」，無固定選項。在國家考試閱卷標準中，評分面向與給分關鍵如下：

• 原理敘述完整度（佔約 40%）：是否能精確寫出「微矽膜片變形」、「壓阻效應」與「惠斯登電橋電壓輸出」之因果連動關係。
• 解剖圖之精準度（佔約 40%）：能否以工程剖面圖清晰標記各構件位置，特別是「真空參考腔」與「擴散電阻」的位置關係。若僅畫出外觀盒狀圖或單純電路圖，未呈現解剖剖面結構，會遭大幅扣分。
• 航儀實務連結（佔約 20%）：能否點出其在空速（動壓 $q = P_t - P_s$）、氣壓高度（絕對靜壓 $P_s$）與升降率（靜壓變化率 $\frac{dP_s}{dt}$）測量上的航行學應用。

解題技巧

1. 圖文對照作答：考卷上應優先將解剖圖繪於版面上半部或左側，並以數字標籤（如 ①、②、③）導引至下半部的文字說明，展現清晰的工程邏輯。
2. 常見失分陷阱：

• 誤將「固態壓力感測器」與傳統儀表的「無液氣壓計膜盒（Aneroid capsule）」混為一談。
• 僅說明壓電效應（Piezoelectric，受壓產生電荷，多用於動態衝擊/震動量測），而未指明航空氣壓測量主要採用的壓阻效應（Piezoresistive）​或電容效應（Capacitive）。

【答案】

一、固態壓力感測器之作用原理

固態壓力感測器主要基於微機電（MEMS）半導體技術與壓阻效應（Piezoresistive Effect），將流體氣壓訊號轉換為連續變化的類比電氣訊號，其運作流程如下：

1. 氣壓引導與膜片撓曲： 外界空氣壓力（皮托管全壓或靜壓孔靜壓）透過進氣口導引至微機械加工之微薄單晶矽膜片表面。膜片背面密封一高真空參考腔（作為絕對壓力基準）。

核心觀念

本題評量航空交通管制（Air Traffic Control, ATC）領域中「雷達監視系統（Surveillance Radar Systems）」之基本物理原理、架構與運作機制。命題依據涵蓋國際民航組織（ICAO）Annex 10《航空電信》規範及我國《航空器飛航作業管理規則》等相關標準，核心觀念包含：

1. 初級搜索雷達（PSR）：利用電磁波反射原理（Pulse-Echo Principle），屬「非合作式監視系統（Non-Cooperative Surveillance）」。
2. 次級搜索雷達（SSR）：利用地面詢問器（Interrogator）與機載應答機（Transponder）之雙向編碼應答，屬「合作式監視系統（Cooperative Surveillance）」。
3. 量測物理量：

• 目標距離（Range, $R$）：藉由電磁波傳遞時間差（Time of Flight, $\Delta t$）與光速 $c$ 計算。
• 目標方位（Azimuth, $\theta$）：藉由窄波束方向性天線於發射/接收瞬間之方位角決定。
• 高度與識別碼：PSR 僅能提供平面位置（2D，方位與斜距）；SSR 透過編碼通訊提供高度（Mode C/S）及航管識別代字（Mode A/S）。

解題方法

本題為標準之申論問答題，配分通常為 20 至 25 分。閱卷評分重視「條理分明」、「名詞精確」與「對比完整」。解題切入點應分為四大主軸：

1. 系統定義與定位：明確指出兩者是否需要機載設備配合（合作式 vs. 非合作式）。
2. 初級搜索雷達（PSR）運作方式：

• 訊號發射與反射路徑。
• 距離（$R = \frac{c \cdot \Delta t}{2}$）與方位量測原理。
• 特色、優點與先天物理限制（雜波干擾、無高度資訊）。

3. 次級搜索雷達（SSR）運作方式：

• 地面詢問器與機載應答機雙向運作流程。
• 雙載波頻率（發射 $1030\text{ MHz}$、回傳 $1090\text{ MHz}$）。
• 工作模態（Mode A 識別、Mode C 氣壓高度、Mode S 選擇性詢問）。

4. 綜合比較與現代航管應用：彙整兩者特性（功耗、雜波、目標合作需求），說明現代航管多採「PSR/SSR 共架結合」之作業模式。

選項分析（申論題各子項評分要點剖析）

本題非選擇題，命題核心為兩大子系統之橫向比較與運作申論，評分標準重點如下：

• 子項一：初級搜索雷達（PSR）之系統與運作
• 滿分要件：必須寫出脈衝發射、物體表面反射（Skin Return）、光速計算斜距公式、旋轉天線測方位。提及移動目標顯示器（MTI）或都卜勒處理以濾除地雜波（Ground Clutter）者可獲加分。
• 常見失分：僅寫「雷達發射電波反射」，未說明如何決定距離與方位，亦未指出其無法直接量測目標氣壓高度之缺點。
• 子項二：次級搜索雷達（SSR）之系統與運作
• 滿分要件：必須寫出詢問機與應答機的雙向互動、上行頻率（$1030\text{ MHz}$）與下行頻率（$1090\text{ MHz}$）、主要模式（Mode A 識別碼、Mode C 氣壓高度）。
• 常見失分：誤將 SSR 當作單向廣播；混淆詢問與回覆頻率；未說明高度資料由機載氣壓高度表提供。
• 子項三：兩者之互補性（綜合評述）
• 滿分要件：說明 PSR 為防空與非合作目標（如未開應答機、通訊失效機）之基本防線；SSR 為現代航管獲取高度與身分之主要依據，兩者雷達資料處理器（RDP）融合後呈現在管制員雷達螢幕。

解題技巧

1. 關鍵數字記憶法：

• SSR 雙頻牢記：「詢問 1030、回覆 1090」（單位 $\text{MHz}$）。
• Mode A 提供 $4096$ 組八進位識別代碼（Squawk Code）。
• Mode C 高度參考基準一律為標準大氣壓 $29.92\text{ inHg}$（$1013.25\text{ hPa}$），以 100 呎為級距。

2. 雷達距離方程式思維：

• PSR 能量衰減為四次方反比（$P_r \propto \frac{1}{R^4}$），發射功率需求極大（百萬瓦級 MW）。
• SSR 單程傳播衰減為二次方反比（$P_r \propto \frac{1}{R^2}$），發射功率僅需數百瓦至千瓦級（kW）。

3. 避免混淆的陷阱：

• 航管 PSR 一般為二維雷達（2D Radar），提供方位與距離，不能提供飛機真實高度。