航空儀電系統　申論題歷屆試題與參考架構

參考架構・破題

民用航空長短程語音通訊主要由甚高頻（VHF）與高頻（HF）系統分工擔任。兩者因電磁波頻率特性不同，在空間傳播機制、有效通訊距離及機載作業場景上有顯著差異。本題從頻率範圍、電波傳播途徑（視距傳播與天波電離層反射）及民航實務應用（陸空近程管制與跨洋長程通訊）進行對比分析。

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現代民航機配備氣壓高度表與無線電高度表，兩者相輔相成，分別提供大氣高度與離地真高度資訊。氣壓高度表依據大氣靜壓隨高度遞減的物理特性量測，基準面為設定的氣壓面；無線電高度表則利用電磁波反射測距，基準面為飛機正下方地表地形。本題析論二者量測原理、基準面差異，並說明無線電高度表環路自我檢測（Loop Test）之維護機制。

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自動駕駛系統之高度保持模式（Altitude Hold Mode）係透過俯仰通道調控升降舵與俯仰配平，維持航空器於指定氣壓高度。該控制屬於多迴路串級閉迴路控制系統，結合外環高度偏差修正與內環姿態角速率阻尼，確保飛行安全、平穩與精準。

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航空電子系統的數位通訊標準經歷了由點對點廣播向多主分佈式匯流排的演進。ARINC 429為第三代民航機廣泛採用的單向單發多收標準，而ARINC 629則為第四代民航機（如波音777）所發展之雙向多發多收分時多工匯流排。本題從網路拓撲、工作原理、媒介存取控制與硬體介面析論二者本質差異。

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現代航空器之慣性參考系統（IRS）採用捷聯式架構，利用光纖陀螺儀或雷射陀螺儀與加速度計推算姿態與位置。由於慣性導航屬於積分推算過程，起始狀態的微小偏差將隨時間迅速發散，因此起飛前必須進行地面靜止初始校準。校準的核心在於利用加速度計進行水平對準確定本地水平面，並利用高精度陀螺儀進行自尋北確定真北與地球自轉軸。

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現代航空電子系統（Avionics）已由早期相互獨立的離散儀表，發展為高度整合化、數位化與模組化之綜合航電架構。現代航電主要涵蓋通訊、導航、顯示、飛行控制、航機監視與大氣發動機監控等六大核心次系統，藉由綜合模組化航電（IMA）架構深度整合，大幅提升飛行安全、降低組件重量與維修成本。

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航空駕駛艙顯示系統經歷了從分散式傳統機械儀表（基本六儀，Basic Six）向高度整合之電子飛行儀表系統（EFIS）的重大跨越。傳統機械儀表仰賴機械連桿、氣壓計或陀螺儀直接驅動指針；EFIS則利用液晶顯示器或CRT將感測器經數位電腦處理後之數據進行綜合圖形化呈現。本題對比二者之架構原理及各自優缺點。

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空中交通監視技術正由傳統以地面為主體的一面/二次雷達監視，轉型為以衛星導航及機載廣播為核心的廣播式自動回報監視（ADS-B）。ADS-B具備高精度、高更新率與低地面建設成本等特性，是國際民航組織新航行系統（CNS/ATM）的重要基石。

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剛體航空器在三維空間中具備六個運動自由度（6 Degrees of Freedom），包含三個沿機體軸線的線形平移運動及三個繞機體軸線的角旋轉運動。為了維持穩定飛行與姿態軌跡控制，飛行控制系統透過主飛行控制面與輔助控制面協同偏轉，產生相對應的空氣動力力矩以實現平衡與穩定。

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雷達波段之劃分源於二次大戰期間軍事代號，後由國際電機電子工程師學會（IEEE）及國際電信聯盟（ITU）加以標準化與頻譜規範。不同頻段在電磁波大氣穿透性、降雨衰減、天線孔徑尺寸及解析度之間具備不同物理特性，直接決定了航空雷達（氣象、航管、防撞、測高）之工程選型。

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推測航行法（Dead Reckoning Navigation, DR）係自前一已知基準位置，利用連續量測之速度、航向與時間向量推算當前位置之自主導航技術。隨感測器技術發展，DR系統由基礎的大氣空速推算，演進為雷達都卜勒測速、全慣性導航以至都卜勒慣性混合導航系統。本題析論此四類導航系統之物理意涵與運算原理。

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大氣數據系統（ADS / ADIRU）為現代航空器提供最基礎之空氣動力與飛行環境參數。ADS透過皮托管、靜壓孔與大氣總溫感測器，直接量測三項核心原始大氣物理量：總壓（Pt）、靜壓（Ps）及全溫（TAT）。經由大氣數據電腦（ADC）依氣體動力學方程式推導各關鍵飛行參數。

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航向控制迴路（Heading Control Loop）是自動飛行控制系統橫側向通道之核心迴路。其主要用途在於驅動副翼與擾流板控制飛機滾轉角，實現協調轉彎，並消除航向誤差以精準維持預選航向或執行航路導航指令。

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4D飛行管理系統（4D FMS）是新一代空中交通管理架構下以軌跡為基礎之作業（TBO）的核心機載系統。相較於傳統僅規劃三維空間（經度、緯度、高度）之FMS，4D FMS納入了時間維度，要求航空器精確於特定時間窗口到達指定空域航點（受控到達時間，CTA）。

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現代航空儀電系統高度仰賴數位感測、安全防護與整合指示系統以保障飛航安全。本題所列五項名詞分別代表機載衛星定位、事故調查記錄、發動機監控警告、主動地形防撞及備用應急儀表，皆為現代民用航空器不可或缺之核心機載次系統。

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電傳操縱系統（Fly-By-Wire, FBW）將傳統機械連桿、滑輪、鋼索之物理訊號傳遞，替換為電子感應器、數位電腦運算及電氣/液壓伺服作動。自數位FBW成熟以來，航空器設計突破了諸多傳統氣動限制。本題歸納現代航空器全面採用FBW系統之九項核心技術優點。

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大氣數據系統（ADS）扮演飛機神經中樞感官之角色，將外部非受控的大氣環境物理量轉化為機載各大核心系統運算所需的數位基準。飛行控制系統、導航系統與發動機控制系統各自依據其動態特性與熱力學規律，極度依賴ADS輸出之特異性氣壓、空速與溫度參數以維持正常運作。

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儀器降落系統（ILS）為國際民航組織標準的跑道終端陸基精密進場導引設施。ILS藉由空間中電磁波調變深度差（DDM）提供航空器水平左右與垂直高低的精確指針偏差導引。其主要由左右定位台（Localizer）、下滑台（Glide Slope）及指點標標記台（Marker Beacons）三大子系統所構成。

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全球定位系統（GPS）採用分碼多重進接（CDMA）與直接序列展頻（DSSS）技術傳送衛星導航信號。其訊號結構在微觀架構上由三個層次調變組合而成：提供高頻電磁波傳播的微波「載波」、用於測量電磁波傳播時間與偽距之「測距電碼」以及承載衛星星曆與時鐘參數之「導航電文訊息」。

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無線電波為電磁波譜之一部分，在真空中以光速傳播。依據國際電信聯盟（ITU）國際無線電規則，無線電頻譜依電磁波頻率與真空波長呈十倍進位遞增之規律，劃分為九大標準頻段。不同頻段之波長與傳播介質相互作用，直接決定其在航空通訊、導航與雷達系統之工程應用。

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本題考都卜勒雷達測地速與偏流角：電波打到地面反射回來，頻移與「速度在波束方向的分量」成正比。關鍵是先推出單一波束的都卜勒頻移 fd = 2V cosθ／λ，再說明以左右（或前後）多波束比較頻移，使左右頻移相等時天線對準實際航跡，此時天線與機頭夾角即偏流角 α，並可導出 tanα 的計算式。

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飛機飛行操縱控制系統的演進，本質上是為了克服飛行器體積與速度劇增所帶來的巨大氣動力負荷，並追求更高的安全性、控制精度與操控品質。作答應以全機械式、液壓式至數位線傳飛控（DFBW）的三大世代技術特徵與驅動演進的物理限制切入，並具體呈現數位系統的方塊構型圖與信號閉迴路傳遞流程。

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飛機空速計是透過皮托靜壓系統量測氣流動壓來推算飛行速度的氣壓儀表。作答核心應從流體力學白努利定律的壓力關係出發，詳述皮托管如何擷取全壓與靜壓，並說明空速計內部膜盒機構如何將壓差轉換為機械位移，進而帶動指針指示航速，最後補充不同空速之修正階層。

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慣性導航系統（INS）只靠機上感測器量測加速度與角速度，經積分推算位置、速度與姿態，不需外部訊號。本題要答三件事：感測器種類與量測量、平台式與捷聯式兩種安裝型式、兩者優缺點比較。

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參考架構・破題

五個名詞各 2 分，每題寫出定義＋一句應用或公式即可，重點在精準、不冗長，並注意相近名詞（Course 與 Track）的區別。

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五種無線電導航／感測裝置，每小題 4 分，統一用「工作原理＋使用頻段＋輸出資訊」三點作答，條理最清楚。

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本題分兩部分：GPS 接收器以「測距定位」原理求位置與時間，以及衛星軌道遵循的刻卜勒三大定律。先講 GPS 系統構成與定位計算，再逐條寫三定律並連結到 GPS 衛星軌道。

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本題考自由空間路徑損耗（Free Space Path Loss, FSPL）。關鍵是寫出公式、單位換算一致（波長與距離都用公尺），再取 dB。

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題目文字有排版錯置，意旨為：飛機上的慣性導航系統（INS）在地球表面上空導航時須補償哪些因素？飛機的空速由何種航電系統量測、以何種儀表顯示？分兩部分作答。

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四個名詞共 25 分，每個約 6 分，需寫出全名、定義、用途與相關系統，比一般名詞解釋寫得更完整一些。

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本題從組件、功能、元件數量配置到安裝方式，循序考 INS 的系統組成。答題要抓住「三軸加速度計＋三軸陀螺儀」與「平台式／捷聯式」兩條主線，並說明民航機的冗餘配置。

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本題是情境應用題：以桃園飛往東京成田的實際航程為例，說明機上航電系統如何在離場、航路、到場、進場各階段提供導航資訊。最好依飛行階段串起四個小題，展現系統整合觀念。

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TCAS 以機上詢答機互相詢問來偵測鄰近航空器，依接近時間發出分級警示。本題依序考保護空域（Bubble）、三級資訊、ICAO 裝設要求，以及與 GPWS 的差異。

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陀螺儀利用剛性（rigidity in space）與進動（precession）兩大特性，用來量測姿態、航向與轉彎率。本題要列出使用陀螺的儀表與航電設備，中英文名稱並陳，再簡述各自運用的陀螺原理。

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大氣資料（air data）是由量測機外空氣的壓力與溫度，推算空速、高度、垂直速度與馬赫數。本題要寫出感測器中英文名稱、量測的空氣資訊與原理，以及資料供給哪些類比儀表與航電設備。

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飛機起飛後要找到目的地機場，靠的是「航路導航＋終端進場」兩層設備：航路段用 VOR、DME、ADF、GNSS、慣性導航配合 FMS，進場段用 ILS（含 LOC、GS、指點標）。作答應以「設備中英文名稱 → 原理 → 配合儀表」三欄式逐一交代。

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「利用通訊（無線電）設備來導航」即無線電導航系統，核心是利用電波的方向、相位、時間或頻率資訊求出方位與距離。作答依設備逐一寫中英文名稱、原理、功能與顯示儀表。

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雷達原理是發射電磁波並接收回波，以時間差測距、以天線指向測方位、以都卜勒頻移測速度。客機上應用此原理的設備包括氣象雷達、無線電高度表、詢答機／二次雷達相關系統、空中防撞系統與近地警告系統等，作答依設備分述。

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座艙等中低溫量測常用電阻式溫度感測器（RTD），其電阻隨溫度近似線性變化，接入惠斯頓電橋把電阻變化轉成電壓（或電流）不平衡，再由指示器顯示溫度。作答要畫電路並說明平衡條件與感測原理。

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數位化座艙即電子飛航儀表系統（EFIS），把傳統「六大儀表」（Basic T 加轉彎儀、升降速度表）與導航儀表整合到主飛行顯示器 PFD 與導航顯示器 ND；發動機與系統儀表則整合到 EICAS／ECAM。作答需畫出畫面配置並對應原儀表。

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飛航儀表系統提供駕駛員操控與導航所需的飛行狀態數據，可依「大氣數據、姿態航向、導航位置、離地與環境資訊」分類列舉，並說明各數據來源感測器，即可完整作答。

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雷達性能由雷達方程式決定：最大偵測距離與發射功率、天線增益、有效孔徑、目標雷達截面積成正比的四次方根，與接收機最小可偵測信號成反比的四次方根。先列影響因素，再以雷達方程式推導天線直徑加倍的效果。

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參考架構・破題

一次監視雷達（PSR）靠目標被動反射回波，二次監視雷達（SSR）則由地面發出詢問、機上詢答機主動回覆編碼資料。作答先說明 SSR 的詢問／回覆模式，再從資訊內容、功率、作用距離、依賴性等面向比較兩者。

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全球定位系統（GPS）以衛星發射含時間與星曆的信號，接收機量測信號傳播時間換算虛擬距離，以多顆衛星交會定位。作答分「定位原理」與「三大區段系統架構」兩部分。

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ARINC 429 是民航機最常用的單向數位資料匯流排標準，採一對一發送端、多接收端的架構，以 32 位元字組傳送資料。作答分「架構」與「特性（電氣、字組格式、速率）」兩部分。

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TCAS II 是獨立於地面航管的機載防撞系統，以主動詢問他機詢答機取得距離、方位與高度，計算接近時間後發出交通警告（TA）與垂直方向的決斷警告（RA）。作答先講原理，再檢討限制與改進方向。

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航空器基本儀表可分速度、高度、姿態與飛航指示四類，題目要求每類舉兩種專有儀表並說明功能。作答以四大段、每段兩個儀表、每個儀表寫「原理來源＋功能」即可。

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本題考五個基本導航名詞，每小題僅 2 分，作答重點在「定義精準＋一句應用或關係」，不必長篇推導。

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無線電定位依所量測的幾何量可分為「角度—角度」「角度—距離」「距離—距離」「距離差」四類定位線（Line of Position）組合，作答要寫出每類的幾何原理再各舉一個現役儀具。

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五個系統各 4 分，每小題都要分成「操作原理」與「輸出資訊」兩段寫，輸出資訊是本題得分關鍵。

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先畫脈波雷達功能方塊圖，再依信號流向逐一說明各方塊功能，最後補充測距原理。

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ILS 由三大部分組成：左右定位台（Localizer）、滑降台（Glide Slope）、指點信標（Marker Beacon），分別提供側向、垂直與距離資訊，引導飛機精確進場。

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參考架構・破題

能同時提供位置、速度、姿態與航向的導航系統，主要是慣性導航系統（INS／IRS，含平台式與捷聯式），以及衛星導航（GNSS，含多天線姿態測定）與兩者整合的 GPS/INS；作答須說明各自依據的物理定律。

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參考架構・破題

依量測的幾何量，導航定位修正型式可分為角度—角度（θ-θ）、角度—距離（ρ-θ）、距離—距離（ρ-ρ）及距離差（雙曲線）四類，各舉一種儀具即可。

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導航誤差的描述可分為以統計量表示的精度指標（一維、二維、三維）與以誤差性質分類兩個面向，作答以前者為主並簡述定義。

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參考架構・破題

INS 由加速度計與陀螺儀兩類感測器構成；在地球表面飛行，最重要的補償是地球自轉（含科氏加速度）與重力（含地球曲率／運輸率），另有多項次要誤差需修正。

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參考架構・破題

本題實含兩大題：前段考 GPS 原理、組成與軌道六元素（須繪圖），後段（第六題）考五種航電系統之原理與輸出，答題時分兩部分各占 20 分。

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