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高考申論題 109年 [航空器維修] 航空儀電系統

第 一 題

📖 題組:
二、請試述下列名詞之意涵:(每小題2分,共10分) (一)橢圓扁率(Flattening) (二)航道(Course) (三)地心緯度(Geocentric Latitude) (四)軌跡(Track) (五)環架鎖定(Gimbal Lock)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

橢圓扁率(Flattening)

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看到「橢圓扁率」,應立即聯想到導航系統(如GNSS/FMS)中所使用的地球參考模型(如WGS-84)。答題時需寫出其幾何數學定義(赤道半徑與極半徑的關係),並點出其在航空高精度定位計算中的關鍵作用。

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「橢圓扁率」(Flattening)指橢圓體偏離正球體的程度。 在描述地球形狀時,其數學定義為赤道半徑(長半軸,$a$)與極半徑(短半軸,$b$)之差,除以赤道半徑,公式為 $f = (a-b)/a$。 實務應用上,航空電子系統中的飛航管理系統(Flight Management System, FMS)與全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)須依賴如 WGS-84 等地球參考模型進行高精度定位,橢圓扁率即為定義該大地基準面(Datum)以修正導航誤差的關鍵數學參數。

小題 (二)

航道(Course)

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看到「航道(Course)」,首先應聯想到導航系統中飛機「預定計畫」飛行的地面路徑方向。作答時務必與實際飛行的「軌跡(Track)」及機頭指向的「航向(Heading)」進行區分,並點出其在航空儀電(如 VOR、HSI)中的設定與顯示意義。

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「航道(Course)」指航空器預定(計畫)在地球表面上飛行的路徑方向,通常以參考正北(真北 True North 或磁北 Magnetic North)順時針量測的度數(000°至360°)來表示。 特徵包含: (1) 計畫性:為導航計畫中的「預期」路線,有別於航空器實際飛行的地面軌跡(Track)或機頭實際指向的航向(Heading)。

小題 (三)

地心緯度(Geocentric Latitude)

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看到「地心緯度」,首先回想地球的橢球體模型,明確區分地心(中心連線)與大地(表面法線)的差異。答題時需精確點出「目標點與地心連線」與「赤道面」的夾角,並簡述其在航空導航(如 INS 或 GPS 座標轉換)上的應用。

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「地心緯度(Geocentric Latitude)」指地球表面上任一點與地球中心(地心)之連線,與赤道面(Equatorial Plane)所形成的夾角。 特徵包含: (1) 因地球為一橢球體而非完美正球體,地心緯度通常與大地緯度(Geodetic Latitude,即該點表面法線與赤道面之夾角,一般地圖所用)存在些微角度差異(除赤道與極點重合外)。

小題 (四)

軌跡(Track)

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看到「軌跡(Track)」需立即與「航向(Heading)」及「預定航線(Course)」作區別。答題關鍵在於指出它是航空器對地面的「實際」投影路徑,並強調其為機首航向受風偏向量(Wind Drift)影響後的最終幾何結果。

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「軌跡(Track, TK)」指航空器在地球表面上實際飛行時所描繪出的對地投影路徑(Actual path over the ground),通常以相對於真北(True North)或磁北(Magnetic North)的順時針角度(000°至360°)來衡量。 其特徵與實務應用包含: (1) 向量關係:軌跡(Track)與航向(Heading, HDG)本質不同。航向是航空器縱軸(機首)的指向,而軌跡是航向向量加上風速/風向向量(Wind Vector)所產生的風偏角(Wind Drift Angle, WDA)影響後的「實際對地行進方向」。

小題 (五)

環架鎖定(Gimbal Lock)

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這題考查的是傳統機械式陀螺儀的核心物理限制。看到「環架鎖定」,應立刻聯想到「自由度喪失」與「旋轉軸重合」的幾何現象,並在作答時補充其對航空慣性導航系統(INS)姿態解算的影響及現代捷聯式(Strapdown)系統的解決方案,以展現儀電專業深度。

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「環架鎖定(Gimbal Lock)」指在三維空間的機械式環架系統(Gimbal System)中,當三個旋轉軸中有兩個軸的旋轉平面發生重合(在航空器上通常為俯仰角 Pitch 達 ±90 度時),導致系統喪失一個旋轉自由度(Degree of Freedom, DOF)的物理現象。 特徵包含: (1) 物理基礎源於歐拉角(Euler Angles)的奇異性問題,當中間環架旋轉90度時,會使內、外環架的旋轉軸相互平行且重合。

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