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先進GNSS測試：高精度模擬與實場記錄回放技術剖析

先進GNSS應用的高精度模擬與實場記錄回放技術剖析

全球導航衛星系統（GNSS）已從最初的定位導航角色，深刻融入現代生活的各個層面；從汽車的自動駕駛輔助（ADAS）與自動駕駛（AD）、分寸必較的精準農業、高效率的物流追蹤、關鍵的基礎設施監測、乃至日常的穿戴裝置與物聯網（IoT）應用，GNSS都扮演著不可或缺的核心角色；隨著應用場景的持續擴展與對效能要求的日益嚴苛，GNSS技術本身也經歷了飛躍式的發展，朝向多星系、多頻率、高精度、高可靠性與高穩健性的方向演進。

然而，這些技術進展也為GNSS接收器與相關系統的設計、驗證及整合帶來了前所未有的複雜性與挑戰；如何在各種真實且嚴苛的環境條件下，確保GNSS系統能夠持續提供精準、即時且可信的定位、導航與授時（PNT）資訊，成為業界亟需解決的關鍵課題；傳統的測試方法已難以滿足這些先進GNSS應用的需求，因此，高精度訊號模擬技術與實場RF環境記錄回放技術應運而生，為開發與驗證新一代GNSS產品提供了強有力的技術支撐；本文將深入剖析這兩大核心測試技術的原理、應用及其在推動先進GNSS發展中的重要性，並探討如Averna AST-1000及Averna RP-6500等解決方案如何體現這些技術的應用。

解構蒼穹訊號－GNSS技術的複雜性與測試挑戰

GNSS技術的演進：更多選擇、更高頻寬、更強特性

現代GNSS早已超越單一GPS系統的範疇，發展成為一個由多個全球性及區域性衛星系統組成的龐大網路：

  • 全球系統：
    如美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo、中國的BeiDou（北斗）。
  • 區域系統與增強系統：
    如日本的QZSS（準天頂衛星系統）、印度的NavIC（IRNSS），以及各種衛星廣播增強系統（SBAS），如WAAS、EGNOS等。

這種多星系（Multi-Constellation）的發展，顯著增加了可見衛星的數量，提升了定位的可用性與幾何精度；更重要的是，新一代GNSS普遍採用多頻率（Multi-Frequency）訊號進行播發，例如L1、L2、L5（GPS）、E1、E5a/b（Galileo）、B1I、B2a（BeiDou）等。



全球導航衛星系統（GNSS）的頻譜分佈示意圖，展示了不同GNSS（如GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS）在L波段不同中心頻率的訊號分佈情況。

多頻率訊號帶來諸多優勢：

  • 電離層延遲修正：
    透過不同頻率訊號的傳播特性差異，可以更精確地估算並消除電離層對定位的主要誤差源。
  • 抗多路徑能力提升：
    部分新頻段的訊號（如L5/E5）具有更強的抗多路徑干擾能力。
  • 訊號功率與結構優化：
    新訊號具有更高的發射功率和更先進的訊號結構（如BOC調變、導航電文結構優化），有助於提升追蹤靈敏度和數據解調的可靠性。
  • 可用性與完整性增強：
    更多的訊號選擇代表著在部分頻段受干擾時，接收器仍可利用其他頻段訊號進行定位，並有助於實現更可靠的接收機自主完整性監測（RAIM）。

然而，這些優勢也伴隨著對接收器設計與測試的更高要求，包括更寬的射頻前端頻寬、更複雜的基頻訊號處理演算法以及對多通道同步的精密控制。

先進GNSS應用的嚴苛測試挑戰

驗證先進GNSS接收器在真實世界中的表現，面臨諸多挑戰：

複雜真實環境的精確再現

GNSS訊號從數萬公里外的太空傳播到地面，途中會受到各種複雜環境因素的影響：

  • 訊號遮擋與衰減：
    都市峽谷、隧道、茂密樹葉等環境會導致訊號被遮擋或嚴重衰減。
  • 多路徑效應：
    訊號經建築物、地面等反射後形成多個路徑到達接收天線，導致訊號畸變與測距誤差。
  • 都卜勒頻移：
    高速移動的載具（如汽車、飛行器）會使接收到的訊號頻率發生顯著的都卜勒效應。
  • 大氣層延遲：
    電離層和對流層會對訊號傳播速度產生影響，引入延遲誤差，如何在實驗室環境中精確、可重複地再現這些複雜且動態變化的真實場景，是GNSS測試的一大難點。

電磁干擾 (EMI) 與共存性問題

現代電子設備（尤其在車輛、行動裝置等平台）內部電磁環境日益複雜；GNSS接收器極易受到來自其他電子元件或無線通訊系統的帶內干擾或帶外干擾，導致靈敏度下降、鎖星困難甚至定位失效。

  • 車輛內部電磁環境：
    引擎點火、各種馬達、車載娛樂系統、行動通訊模組（LTE/5G）、Wi-Fi/藍牙，甚至ADAS雷達系統都可能成為GNSS的潛在干擾源。


汽車雷達系統運作示意，雖然主要用於ADAS，但其與GNSS等其他車載RF系統共同構成複雜的車內電磁環境，需考量彼此的共存性。
  • 蓄意干擾：
    • 干擾（Jamming）：
      惡意發射強功率雜訊訊號，淹沒微弱的GNSS訊號。
    • 欺騙（Spoofing）：
      發射偽造的GNSS訊號，誘使接收器計算出錯誤的PNT結果，測試GNSS接收器在各種電磁干擾環境下的穩健性以及抵抗蓄意干擾的能力，對於安全關鍵型應用至關重要。

新興GNSS特性與PNT保證的驗證

隨著技術發展，GNSS正整合更多新特性，如高精度PNT（HPNT）服務、授時PNT服務、安全PNT服務（如伽利略OSNMA）等；這些新特性需要全新的測試方法學來驗證其宣告的效能與安全性；此外，對於完整性（Integrity）的要求也日益提高，尤其是在航空、自動駕駛等領域，確保PNT資訊的可信度與告警機制的有效性是測試的重點。

實驗室中的蒼穹－高精度模擬與實場記錄回放測試技術

為有效應對上述挑戰，GNSS測試技術已從傳統的靜態場測和簡單訊號產生，發展到高度複雜和精密的實驗室模擬與實場數據回放階段；其中兩大核心技術方向分別是高精度GNSS訊號模擬和寬頻RF實場記錄與回放。

高精度GNSS訊號模擬技術

GNSS訊號模擬器是一種能夠在實驗室環境中產生與真實衛星訊號特性高度一致的RF訊號的儀器；先進的模擬器，例如基於PXIe模組化平台和SDR技術的Averna AST-1000 多合一 RF訊號源，具備以下關鍵技術特性：

  • 多星系、多頻率訊號產生：
    能夠同時模擬來自GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou等主流星系，以及L1、L2、L5等多個頻段的訊號，並精確控制各路訊號的功率、相位、都卜勒頻移及導航電文內容。
  • 動態場景模擬：
    可模擬接收器在各種複雜動態軌跡下的運動情況，如高速轉彎、加減速、升降等，並即時計算衛星的可見性、幾何分佈（DOP）、訊號強度變化等。
  • 環境與誤差模型模擬：
    • 大氣層模型：
      內建標準的電離層（如Klobuchar）和對流層（如Saastamoinen）延遲模型。
    • 天線模型：
      可載入使用者定義的天線增益與相位方向圖。
    • 多路徑模擬：
      能夠模擬多個反射路徑訊號，並設定其延遲、衰減及相位。
    • 時鐘誤差與星曆誤差模擬：
      可注入特定的衛星時脈或軌道誤差，以測試接收器的容錯能力。
  • 干擾訊號產生：
    部分高階模擬器可內建或外接干擾源，同步產生各種連續波（CW）干擾、掃頻干擾、脈衝干擾等，用於測試接收器的抗干擾效能。
  • 特殊場景與事件模擬：
    如閏秒事件、星曆更新、衛星故障等，以及針對特定應用（如慣性導航輔助測試）的PVT（Position, Velocity, Time）資料輸出與同步。


典型的多功能GNSS訊號模擬平台（如Averna AST-1000），透過其軟體介面，使用者可進行複雜的衛星星座配置、動態軌跡設定以及各種環境與誤差模型的參數調整。

高精度模擬技術的優勢在於可重複性、可控性與高效性，使得開發者能夠在產品設計的早期階段，系統性地驗證GNSS接收器的各項關鍵效能指標，並進行深入的演算法調優與問題定位。

寬頻RF實場記錄與回放技術

儘管訊號模擬技術非常強大，但某些極端複雜或未知的真實世界RF環境（尤其是突發性或地域性的干擾）難以完全透過模型來精確複製；此時，RF實場記錄與回放技術便彰顯其獨特價值。
寬頻R&P技術（記錄與回放技術）如Averna RP-6500，能夠在真實的戶外場景（如都市、隧道、機場等）捕捉實際的寬頻RF頻譜，包括所有GNSS訊號以及環境中的各種自然與人為干擾訊號，然後將這些數據儲存起來，並在實驗室環境中高保真地回放給待測的GNSS接收器。


Averna RP-6500 寬頻射頻記錄與回放系統的硬體平台，採用PXIe等模組化架構，以支援高達數百MHz的記錄頻寬。

其核心技術特點包括：

  • 寬頻記錄能力：
    能夠覆蓋所有GNSS主要頻段（如L1/E1, L2, L5/E5a/E5b等），甚至更寬的頻譜範圍，以捕捉未知的干擾源，Averna RP-6500支援高達500MHz的瞬時記錄頻寬。
  • 高動態範圍與高解析度ADC：
    確保微弱的GNSS訊號與強干擾訊號能同時被準確記錄而不失真。
  • 大容量高速儲存：長時間的寬頻記錄會產生海量數據，需要高速SSD陣列等儲存方案。
  • 高保真回放：
    在實驗室回放時，能精確重現實場記錄到的訊號時頻特性。
  • 同步數據記錄：
    系統允許同步記錄如CAN Bus、慣性測量單元（IMU）數據、影像等，便於後續進行多維度的事件分析。


Averna RP-6500在實際場域接收並記錄寬頻RF訊號至大容量SSD，然後在實驗室將記錄的數據回放給待測GNSS接收器，同時也可結合GNSS模擬器進行更複雜的場景疊加測試。

R&P技術（記錄與回放技術）的優勢在於其真實性，能夠捕捉到模擬器難以預設的「意外」場景，對於解決棘手的現場問題、驗證系統在極端條件下的穩健性以及進行競爭產品分析等具有不可替代的作用。

模擬與記錄回放技術的協同應用

在先進GNSS測試中，高精度模擬與實場記錄回放並非互斥，而是相輔相成的技術；許多測試情境中，兩者可以協同應用：

  • 模擬場景的實場驗證：
    利用R&P 數據驗證模擬器所建構的通道模型或干擾模型的準確性。
  • 實場數據的參數化與模型提取：
    從R&P 數據中分析特定干擾特性或通道參數，用於改進模擬器的模型庫。
  • 疊加測試：
    在回放實場記錄的RF環境基礎上，再透過模擬器疊加特定的干擾訊號或新的衛星訊號，創造更複雜、更具針對性的測試案例。
    下表為不同RF測試系統（包括模擬與記錄回放技術）的功能特性比較參考：

此比較表展示了不同RF測試系統，如Averna RP-6500（偏重記錄回放）與Averna AST-1000（偏重訊號模擬），在功能特性上的差異與側重，有助於根據具體測試需求選擇合適的技術方案。

駕馭GNSS測試複雜性，共創精準定位新未來

隨著GNSS技術在各行各業的滲透日益深化，以及自動駕駛、智慧城市等新興應用的蓬勃發展，對高精度、高可靠性PNT服務的需求達到了前所未有的高度；這也代表著GNSS接收器與系統的測試驗證工作面臨著持續升級的挑戰，包括：如何應對多星系多頻率的複雜訊號環境、如何再現千變萬化的真實世界傳播條件、以及如何評估在各種電磁干擾下的系統穩健性。

高精度GNSS訊號模擬技術與寬頻RF實場記錄回放技術，作為現代GNSS測試的兩大核心支柱，為克服這些挑戰提供了強大的技術手段；前者以其可控性、可重複性和高效性，使得在實驗室環境中對GNSS接收器進行系統性、深層次的效能評估與演算法驗證成為可能；後者則以其真實性，彌補了純模擬環境的不足，使開發者能夠捕捉和分析在實際部署中可能遇到的預期之外的複雜RF場景。如Averna AST-1000和Averna RP-6500等基於先進PXIe模組化平台和SDR技術的解決方案，正是這些先進測試技術的具體實現，它們賦予了測試更大的靈活性與可擴展性。

展望未來，GNSS測試技術將持續與AI、機器學習等新興科技融合，發展出更智慧化的場景生成、異常檢測與自動化測試流程；同時，針對抗欺騙（Anti-Spoofing）、抗干擾（Anti-Jamming）以及GNSS網路安全的測試需求也將日益凸顯；此外，隨著高精度定位技術（如RTK, PPP）在消費級和汽車領域的普及，對應的測試方法與標準亦將不斷完善。

面對如此複雜且快速演進的技術趨勢，選擇具備深厚技術積累和豐富整合經驗的合作夥伴至關重要；奧創系統 作為Averna在台灣的正式合作夥伴，專注於提供先進的GNSS測試解決方案與系統整合服務；奧創系統的核心價值在於深刻理解客戶在GNSS研發與驗證過程中的痛點與需求，並基於如Averna AST-1000（用於高精度模擬）和Averna RP-6500（用於實場記錄回放）等業界領先的測試平台，提供從單點儀器配置到複雜系統整合、乃至客製化軟體開發的全方位技術支持；透過與奧創系統 的合作，客戶可以更高效地駕馭GNSS測試的複雜性，加速產品上市進程，共同開創精準定位技術賦能下的美好未來。

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