111 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

本題旨在考驗飛行員對傳統陸基無線電導航（VOR）​與現代區域導航／空間衛星導航（GNSS）​在航向量測原理、方位參考基準以及儀表顯示資訊之本質差異。解題需運用以下航空航行學核心定義與原理：

1. 航向相關名詞定義：

• 機頭航向（Heading, $HDG$）：飛行器縱軸在水平面上所指向的方向（可分為真航向 $TH$ 與磁航向 $MH$）。
• 地面航跡角（Track, $TR$）：飛行器相對於地面實際運動路徑的方向。
• 方位（Bearing, $BRG$）／徑向線（Radial）：自某特定導航設施或參考點觀測飛行器的方向，或由飛行器指向電台的方向。
• 風偏角與偏流（Drift Angle, $DA$ / Wind Correction Angle, $WCA$）：飛行器受到空速向量與風速向量合成之影響，造成機頭指向與實際運動方向分離，其幾何關係為： $\text{Track} = \text{Heading} + \text{Drift Angle}$

2. VOR（超高頻全向信標儀）導航原理：

• 利用地基電台發射兩組 $30\text{ Hz}$ 調變訊號：全向無指向性「基準相位訊號（Reference Phase）」與旋轉「可變相位訊號（Variable Phase）」。
• 機載接收機透過比較兩訊號之相位差（Phase Difference），直接解算出飛行器相對於電台的磁方位角（Magnetic Bearing）​或所在徑向線（Radial）。

3. 衛星導航系統（GNSS/GPS）導航原理：

• 利用已知軌道位置的衛星發射測距碼，由機載接收機量測虛擬距離（Pseudoranges）​進行空間三維多球交會定位。
• 透過連續時序的位置坐標差分或都卜勒頻移（Doppler Shift），直接計算飛行器相對於地表的運動向量，從而得出地面航跡角（Track）​與地速（Ground Speed, $GS$）。

解題方法

本題為典型比較型申論題，切入點應鎖定在「獲得的資訊本質是什麼」與「造成該差異的底層系統成因是什麼」。作答架構必須建立四個維度的嚴密對比：

1. 資訊本質與物理量：對比「相對位置之徑向線方位（Bearing/Radial）」與「實際運動方向之地面航跡（Track）」。
2. 北極參考基準（Datum/Reference）：對比「電台所在地之磁北（Station Magnetic North）」與「WGS-84 橢球體真北（True North）經全球磁場模型轉換之當地磁北（Local Magnetic North）」。
3. 偏航指示特性（CDI 特性）：對比「等角位移偏航（Angular Deviation）」與「等線性距離偏航（Linear Cross-Track Error, $XTE$）」。
4. 飛行姿態與運動狀態之依賴性：探討直昇機在懸停（Hovering）或無風／強側風狀態下，兩系統對方向感測的物理極限。

選項分析

本題為高考三級之申論問答題（非選擇題）。為利於閱卷評分標準化，將題幹所涉關鍵資訊與系統核心維度進行分項評析與比較：

1. 方位／航向資訊類型分析：

• VOR 系統：僅能提供位置幾何線（Line of Position, LOP），即飛行器位於電台的哪一條徑向線（Radial）。其 CDI（航道偏差指示器）針偏代表飛行器偏離預選航道（OBS）的角度誤差。VOR 無法直接量測飛行器的「機頭指向（Heading）」或「實際地面航跡（Track）」。
• 衛星導航系統：直接輸出飛行器相對於地球表面的地面航跡角（Track）​及飛向目標航路點的期望航跡（Desired Track, $DTK$）。

2. 方位參考基準（North Reference）分析：

• VOR 系統：發射台之 $0^\circ$ 基準相位在建置校準時是對準該電台所在位置的磁北（Station Magnetic North）。若航機遠離電台，航機所在地的磁差（Magnetic Variation）若與電台所在地不同，讀數基準將存在固有偏差。
• 衛星導航系統：底層幾何解算原生於WGS-84 地球坐標系統之真北（True North）。機載導航電腦再藉由內建之「世界磁場模型（World Magnetic Model, WMM）」自動校正為飛行器當前所在位置的當地磁北（Local Magnetic North）。

3. 偏航靈敏度與幾何特性分析：

• VOR 系統：指示指針為角位移敏感度（Angular Sensitivity），滿刻度通常為 $\pm 10^\circ$（每點 $2^\circ$）。距離電台越近，單位距離的指針擺動幅度越劇烈；在電台正上方存在無法解算的混淆錐（Cone of Confusion / Silent Cone）。

核心觀念

本題測驗航行學中高度測量原理（Altimetry）、垂直導航基準（Vertical Navigation Datum）​以及空中交通管制垂直隔離（Vertical Separation）​的核心機制。

1. 等壓面飛行原則（Isobaric Flying & Vertical Separation）： 空中交通管制（ATC）確保航機垂直隔離的基礎並非「幾何距離」或「離地距離」，而是「等壓面（Constant Pressure Surface）」。在大氣中，所有航機只要撥定相同的氣壓基準（高度計撥定值 QNH 或標準氣壓 $1013.25\text{ hPa} / 29.92\text{ inHg}$），即會在相同的等壓面上維持同等的相對垂直間距，避免氣團溫度與大氣壓力變化造成航機間垂直隔離不足。
2. 四種高度計之物理本質與基準面：

• 氣壓高度計（Barometric Altimeter）：以大氣壓力為基準，測量相對等壓面高度。
• 無線電高度計（Radio / Radar Altimeter, RA）：以正下方地表為基準，測量離地高度（AGL, Above Ground Level）。
• 慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS / IRS）：以加速度計二次積分測量慣性垂直位移。
• 衛星導航系統（GNSS / GPS）：以大地水準面／WGS-84 參考橢球體為基準，測量幾何高度（Geometric Height）。

解題方法

本題為標準的航行儀表綜合論述題，解題切入點應分為兩大部分：

1. 先確認並論證應採用系統：在「一萬英呎（10,000 ft）」之「巡航階段」，依據飛航法規（以民國 111 年飛航規則為準）與空中交通管理規範，必須採用氣壓高度計維持平飛高度與垂直隔離。
2. 再由物理原理與操作限制，逐一剔除其他三個系統：

• 無線電高度計：檢視「有效量程限制」與「地形起伏影響」。
• 慣性導航系統：檢視「垂直通道正回饋發散（Vertical Channel Instability）」之物理限制。
• 衛星導航系統：檢視「幾何高度與等壓面差異」引發之空中防撞矛盾，以及「垂直幾何精度稀釋（VDOP）」。

各系統高度資訊詳細分析

一、應採用的系統：氣壓高度計（Barometric Altimeter）

在 10,000 呎巡航飛行階段，飛行器必須參考氣壓高度計之高度資訊。原因如下：

1. 確保空中交通管制之垂直隔離： 空域中所有航機均處於相同的大氣環境中。即使大氣溫度或海平面氣壓變化導致某等壓面的絕對幾何高度產生升降，所有依氣壓高度飛行的航機均會同步升降，彼此之間的垂直距離（例如標準隔離 $1,000\text{ ft}$）能維持不變，從根本上杜絕空中接近與相撞之風險。
2. 符合飛航性能與空氣動力學特性： 航機之升力、阻力、失速空速（Stall Speed）及發動機推力均取決於大氣密度，而大氣密度與氣壓高度直接關聯。以氣壓高度為基準飛行，能使飛行組員與自動飛行控制系統正確掌握氣動包絡線（Flight Envelope）。

二、其他系統高度資訊不採用的原因

1. 無線電高度計（Radio Altimeter, RA）不採用的原因

• 超出系統有效工作量程： 無線電高度計專為低空精密進場、著陸及貼地警告系統（EGPWS/TAWS）設計，其收發天線發射射頻訊號至地面反射接收。民航及直昇機搭載之無線電高度計有效量程通常上限為 $2,500\text{ ft AGL}$。在 10,000 呎高度巡航時，因訊號衰減與發射功率限制，系統無法取得有效反射波，儀表處於旗標失效（Off Flag）或無法顯示狀態。
• 地形起伏導致讀數劇烈變化： 無線電高度計測量的是航機至正下方地形或障礙物的絕對淨空高度（Absolute Altitude, AGL）。

核心觀念

本題評量慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）在開機初始化階段的自主校準（Self-contained Alignment）​原理。

INS 在執行導航推算前，必須先建立機體坐標系（Body Frame, $b$ 系）與導航參考坐標系（通常為局部水平坐標系 Local-Level Frame / NED Frame, $n$ 系）之間的初始姿態矩陣（Direction Cosine Matrix, $\mathbf{C}_b^n$）。在飛機停駐於地面靜止狀態下，系統無須依賴外在輔助訊號（如 GPS 或人工輸入），可完全利用內建感測器量測地球既有的兩大物理向量來自主完成初始定向：

1. 地球重力向量（Gravity Vector, $\vec{g}$）：方向垂直向下，定義出局部垂線（Local Vertical）與局部水平面。
2. 地球自轉角速度向量（Earth Rotation Vector, $\vec{\Omega}_e$）：大小約為 $15.04^\circ/\text{hr}$，其指向平行於地球自轉軸（指向真北極），水平投影分量定義出地理真北（True North）。

解題方法

解析本題需緊扣「自主完成」、「感測元件」與「測定之導航資訊」三項評分要點。切入架構如下：

1. 工作一：水平校準（Leveling / Horizon Alignment）

• 感測元件：三軸加速度計（Accelerometers）。
• 測定原理與導航資訊： 在載具靜止狀態下，加速度計所量測到的比力（Specific Force）完全來自於地心重力反作用力（即 $\vec{f} = -\vec{g}$）。透過量測三軸加速度計的輸出分量，系統可測定並計算出機體相對於局部水平面的俯仰角（Pitch, $\theta$）​與滾轉角（Roll, $\phi$），藉此建立系統的「局部水平面」與「垂直參考基準」。

2. 工作二：方位校準／尋北（Gyrocompassing / Azimuth Alignment）

• 感測元件：三軸陀螺儀（Gyroscopes）（如環形雷射陀螺 RLG 或光纖陀螺 FOG）。
• 測定原理與導航資訊： 在完成水平校準後，水平面上的陀螺儀會感測地球自轉角速度在當前水平面上的分量（北向分量 $\Omega_N = \Omega_e \cos L$，其中 $L$ 為當地緯度）。藉由偵測水平轉動率的輸出平衡狀態（尋找東向轉動率分量 $\Omega_E = 0$ 之方位），測定載具縱軸相對於地理真北的真航向角（True Heading / Azimuth, $\psi$）。

選項分析

本題為非選擇題（申論簡答題）。針對國考評分要點與常見觀念辨析如下：

• 「水平校準」列為第一項（正確）： 加速度計感知重力向量屬於強訊號（$1\,g \approx 9.8\,\text{m/s}^2$），可在開機初期快速完成粗校準（Coarse

核心觀念

本題評量民航衛星導航（GNSS/GPS）技術的核心物理架構與誤差防制原理，主要測驗以下兩大核心觀念：

1. 虛擬距離（Pseudorange）測距誤差分類： GNSS 測距方程式為： $\rho = R + c \cdot (\Delta t_r - \Delta t^s) + I + T + M + \epsilon$ 其中 $\rho$ 為量測之虛擬距離，$R$ 為幾何真實距離，$c$ 為光速，$\Delta t^s$ 為衛星鐘差，$\Delta t_r$ 為接收機鐘差，$I$ 為電離層延遲，$T$ 為對流層延遲，$M$ 為多路徑效應，$\epsilon$ 為接收機熱雜訊。 誤差來源依物理實體可劃分為：

• 衛星端（空間段）性能相關：衛星鐘差（Satellite Clock Error）、星曆誤差（Ephemeris/Orbital Error）、選擇性干擾（SA，已關閉）。
• 接收機端（使用者段）性能相關：接收機鐘差（Receiver Clock Error）、內部熱雜訊（Receiver Noise）、通道間延遲（Inter-channel Delay）。
• 非衛星／非接收機本體性能相關：信號傳播路徑引起之大氣延遲（電離層、對流層）、周遭環境誘發之干擾（多路徑效應），以及星座排列之空間幾何放大效應（幾何精度稀釋，GDOP）。

2. 差分技術（Differential GPS）與擴增系統（Augmentation Systems）之除錯機制：

• 差分與擴增技術利用已知精確座標之地面基準站（Reference Station），利用空間相關性（Spatial Correlation）​與時間相關性（Temporal Correlation），反推信號傳播過程中的公共誤差（Common Errors / Spatially Correlated Errors）。
• 各類擴增系統包含：
• DGPS：局部碼差分全球定位系統。
• GBAS（陸基擴增系統，美規稱 LAAS）：服務於機場終端區與精密進場（Cat I/II/III）。
• SBAS（星基擴增系統，如美規 WAAS、歐規 EGNOS）：利用地球同步軌道衛星（GEO）廣播全區覆蓋修正量。

解題方法

本題為典型的雙層結構申論題，答題切入點應分為兩階段嚴密推展：

1. 第一階段（排除法與環境特徵界定）： 嚴格依據題意「與衛星或接收機本體性能無關」之條件，剔除衛星星曆、衛星原子鐘漂移、接收機時鐘偏差、接收機硬體雜訊等項目，聚焦於「電波傳播媒介（大氣層）」、「站址反射環境」與「幾何排列拓撲」。
2. 第二階段（相關性分析與系統匹配）： 分析差分技術之核心假設——「距離相近之接收機承受高度相同的延遲量」。針對第一階段所列之誤差，逐一檢驗其是否具備空間相關性：

• 具空間相關性者（如電離層延遲、對流層延遲）$\rightarrow$ 可被差分與擴增系統消除或大幅校正。
• 具高度站址局部特異性者（如多路徑效應）及純幾何幾何放大因數（GDOP）$\rightarrow$ 無法藉由差分技術消除。 最後分別對應 DGPS、LAAS（GBAS）、WAAS/EGNOS（SBAS）的具體修正實踐，展現航空專業理論深度。

申論要點剖析

一、與衛星或接收機本體性能無關的誤差來源

衛星發射之無線電波穿越外太空抵達地面天線過程中，受介質特性、環境邊界與幾何視線影響所產生之誤差包括：

1. 電離層延遲誤差（Ionospheric Delay Error）：

• 成因：電離層（高度約 $60 \sim 1000\text{ km}$）富含自由電子與離子，為一色散介質（Dispersive Medium）。GNSS 載波通過時產生相速度超前、調變碼產生群速度延遲。
• 量級：未校正時垂直測距誤差可達 $5 \sim 30\text{ m}$，太陽活動劇烈或閃爍（Scintillation）時更大。

2. 對流層延遲誤差（Tropospheric Delay Error）：

• 成因：對流層（高度約地表至 $12\text{ km}$）為非色散介質，電磁波折射率大於真空。折射效應分為「乾分量延遲」（Dry Component，約佔 $90\%$，受大氣壓與溫度影響）與「濕分量延遲」（Wet Component，約佔 $10\%$，受水氣變化影響）。
• 量級：未校正時天頂延遲約 $2.3\text{ m}$，低仰角時可達 $10 \sim 20\text{ m}$ 以上。

3. 多路徑效應（Multipath Effect）：

• 成因：衛星直達信號與經地表、水面、機場跑道、機身結構或鄰近建築物反射之反射波相互干涉，導致接收機延遲鎖定迴路（DLL）產生測距失真。

核心觀念

本題測驗國際民航組織（ICAO Doc 9613《性能導航手冊》，PBN Manual）及我國民航法規中關於性能導航（Performance-based Navigation, PBN）​與區域航行（Area Navigation, RNAV）​的規格定義。 本題依據命題當年（民國 111 年）我國交通部民用航空局《以性能為基礎之導航作業規範》及 ICAO Doc 9613 規範為基準：

1. 導航基建與感測設備（Navigation Infrastructure / Sensors）：RNAV 規格中各飛行階段所允許使用的地面及星基導航訊號來源。
2. 總系統誤差（Total System Error, TSE）與橫向精度（Lateral Accuracy）：在 PBN 定義下，「RNAV-X」之後綴數字 $X$ 即代表在橫向及沿航跡方向上，導航系統必須達到的精度門檻（以浬 $\text{NM}$ 為單位），且具備統計學上至少 $95\%$ 飛行時間的包含率（containment）。

解題方法

本題為申論問答題，切入點分為「支援之導航設備」與「機載導航系統精度需求」兩大核心維度：

1. RNAV-2 程序主要基於之導航設備

RNAV 2 主要應用於國內或陸路巡航（Continental / En-route）航路階段（如美國的 T-routes、Q-routes 或台灣台北飛航情報區之 RNAV 航路）。機載區域航行系統必須以下列一種或多種感測設備進行定位解算：

• 全球衛星導航系統（GNSS）：最主要的定位來源，包含標準定位服務（GPS/SPS）或搭配星基增強系統（SBAS）。
• 雙測距儀／多測距儀定位（DME/DME）：利用航路涵蓋範圍內至少兩座地面 DME 台發射的距離信號進行幾何三角交會定位。
• 測距儀結合慣性導航系統（DME/DME/IRU）：當航路進入地面 DME 訊號覆蓋空隙時，利用機載慣性參考單元（IRU/INS）進行外推航位推算，維持規定的精度表現。

註：傳統 VOR/DME 由於測角誤差隨距離放大，一般不作為 RNAV 2 主流認可之主要感測設備，除非航段設計有明確規範與專案核可。

2. 機載導航系統精度（Accuracy）需求

在 PBN 規格中，導航系統的精度係以「總系統誤差」（$\text{TSE}$）來衡量。$\text{TSE}$ 為路徑定義誤差（$\text{PDE}$）、飛航技術誤差（$\text{FTE}$）以及導航系統誤差（$\text{NSE}$）的統計綜效： $\text{TSE} = \sqrt{\text{NSE}^2 + \text{FTE}^2 + \text{PDE}^2}$

針對 RNAV-2 程序，法規與作業規範對機載導航系統的要求為：

• 橫向（Cross-track）及沿航跡（Along-track）之總系統誤差（TSE）：在航路飛行總時間的**至少