110 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

EGI（Embedded GPS/INS，嵌入式全球定位／慣性導航系統）把 GPS 接收機與慣性導航系統整合在同一套導航設備中，利用兩種來源互補的特性，連續提供飛機的位置、速度、姿態與航向等導航資訊。

• GPS接收衛星訊號，提供相對於地球座標系的絕對位置與速度資訊；但訊號可能受遮蔽、干擾或中斷。
• INS利用陀螺儀與加速度計量測飛機的角運動與線加速度，推算姿態、速度及位置；更新快速、不依賴外部訊號，但誤差會隨時間累積。
• EGI 導航處理器融合 GPS 與慣性量測資料，修正慣性導航誤差，並產生平順、連續的導航解。

本題是系統構造與功能的申論題，重點在說明主要單元各自負責什麼，以及單元如何合作形成導航解。

解題方法

依「接收外界定位訊號、量測飛機運動、整合運算、供電與輸出」的流程，將 EGI 分成主要組成單元，再逐一說明功能。實際設備的命名與模組整合方式因機型而異，但功能上可歸納如下。

1. GPS 天線與接收機

GPS 天線接收衛星訊號，接收機進行訊號追蹤與解算，取得衛星量測資料，並計算飛機的位置、速度與時間資訊。這些資訊作為慣性導航的外部參考，用以限制或修正 INS 的累積誤差。

2. 慣性量測單元（IMU／慣性感測組件）

慣性量測單元通常包含三軸陀螺儀與三軸加速度計。

• 陀螺儀量測飛機繞各軸的角速度，供系統估算姿態變化與航向。
• 加速度計量測各軸的比力，供系統推算速度與位置變化。
• 三軸量測使系統能掌握飛機在空間中的運動狀態；

核心觀念

本題比較兩種高度表所依據的物理量與高度基準：

• 雷達高度表（radio/radar altimeter）：量測飛機至正下方地面或障礙物的距離，顯示的是離地高度（height above ground level, AGL），常標示為無線電高度（radio altitude, RA）。
• 氣壓高度表（barometric altimeter）：量測飛機所在處的靜壓，依照標準大氣的壓力與高度關係換算高度，顯示的是相對於氣壓基準面的高度；設定不同，所代表的高度基準也不同。

解題方法：先說明量測原理，再比較高度基準

雷達高度表的工作原理

雷達高度表由機載天線向下方地面發射無線電波，接收地面反射回來的訊號，依發射與接收間的往返時間求出飛機與地面的距離。若採脈衝式原理，距離為：

其中 $h$ 是飛機至反射面的距離，$c$ 是電波傳播速度，$\Delta t$ 是訊號往返時間；除以 2 是因訊號走過去再返回。現代系統也可採調頻連續波方式，利用發射波與回波的頻率差換算距離。

此高度是相對於當下反射地面的高度，因此飛越山坡、建物或其他地形時，讀值會隨下方地形而改變。它主要適用於低高度飛行、進場、著陸與地形警示等情境，量測範圍通常較有限。

氣壓高度表的工作原理

氣壓高度表本質上是經高度刻度校準的氣壓計。靜壓由靜壓孔引入表內，使膜盒隨外界壓力變化而膨脹或收縮，再由機械連桿或電子感測器轉換成高度指示。因大氣壓力通常隨高度增加而降低，儀表依標準大氣模型將壓力換算為高度。

在標準大氣對流層近似下，氣壓高度與壓力的關係可寫為：

核心觀念

衛星定位是利用衛星訊號的傳播時間，換算接收機與衛星之間的「偽距」，再以各衛星已知的位置和偽距解算接收機位置。偽距之所以稱為「偽」距，是因為量測時間會受到接收機時鐘與衛星系統時間不同步的影響。

三維定位有三個未知位置座標 $x,y,z$；此外，接收機時鐘偏差也是未知數。因此通常有四個未知量，需要至少四筆衛星偽距觀測值解算。可將第 $i$ 顆衛星的觀測概念式寫成：

其中，$(x_i,y_i,z_i)$ 是第 $i$ 顆衛星的位置，$\rho_i$ 是偽距，$c$ 是光速，$\delta t$ 是接收機時鐘偏差。

解題方法

以幾何方式理解每筆衛星訊號所提供的資訊：一筆偽距表示接收機位於以衛星為球心、偽距為半徑的球面上。逐步增加衛星數量，球面相交範圍逐漸縮小；但若未處理接收機時鐘偏差，觀測距離還含有共同的時間誤差，單靠三筆量測通常不足以同時解出三維位置與時鐘偏差。

• 一顆衛星：​只知道接收機位於該衛星周圍的一個球面上，不能據此唯一決定位置。
• 兩顆衛星：​兩個球面相交通常形成一個圓，接收機位置仍有許多可能點。

核心觀念

本題考查雷達能否有效發現與追蹤目標，主要取決於雷達回波強度、接收機辨識能力、雷達波傳播條件，以及目標本身的反射特性。作答時可先以雷達方程說明影響作用，再補充航行與航空雷達實務上的限制因素。

單站脈衝雷達的基本方程可寫為：

其中 $P_r$ 為接收回波功率、$P_t$ 為發射功率、$G$ 為天線增益、$\lambda$ 為波長、$\sigma$ 為目標雷達截面積、$R$ 為雷達與目標距離，$L$ 為系統及傳播損失。此式顯示，回波功率隨距離的四次方衰減，因此距離增加會大幅降低雷達偵測能力。

解題方法

可將影響雷達性能的因素分成四類：雷達設備、目標特性、傳播與地形環境、操作與處理條件。逐類說明因素如何影響回波強度、信雜比、偵測距離或測量品質，即可完整作答。

一、雷達設備因素

• 發射功率：發射功率愈大，照射目標的能量愈高，回波通常也愈強，偵測距離因而增加。
• 天線增益與波束寬度：高增益天線能將能量集中於較窄波束，提升目標方向的能量與接收能力；波束寬度也會影響角度解析度及掃描涵蓋。
• 波長或工作頻率：波長會影響天線增益、目標散射特性，以及大氣、雨水等造成的衰減；不同頻段的傳播與解析能力有所差異。
• 接收機靈敏度與雜訊：接收機能辨識的最低訊號愈弱，愈有利於發現遠距離或小型目標。接收機雜訊、天線雜訊及外界電磁干擾則會降低信雜比。
• 系統損失：傳輸線、天線、接收處理及其他設備損失會削弱有效訊號，降低偵測距離。
• 脈衝寬度與脈衝重複頻率：脈衝寬度影響單一脈衝能量、距離解析度與近距離盲區；脈衝重複頻率影響無模糊距離及速度量測範圍。
• 訊號處理與掃描方式：脈衝積分等處理可提高信雜比；掃描過快或目標停留在波束中的時間過短，則會減少接收到的回波脈衝數。

二、目標特性

• 雷達截面積 $\sigma$：目標大小、形狀、材料及姿態都會影響反射回雷達的能量。雷達截面積愈大，通常愈容易偵測；同一航空器因方向或姿態不同，截面積也可能改變。
• 目標距離與高度：依雷達方程，距離增加使接收功率約按 $1/R^4$ 下降。目標高度則影響雷達視線是否受地球曲率、地形或建物遮蔽。