確保PNT未來：新世代GNSS訊號、增強服務與抗欺騙技術的全面測試方法學

在定位、導航與授時（PNT）資訊已如空氣般滲透現代社會各個層面的今日，從國家關鍵基礎設施（電力、通訊、金融）的同步運作、國防安全的戰略部署、航空航海的精準引導，到自動駕駛的即時決策、精準農業的耕作管理，乃至人手一機的位置服務（LBS），其背後都離不開全球導航衛星系統（GNSS）提供的時空基準；隨著GNSS技術本身的飛速演進——現代化訊號（如GPS L1C/L5、Galileo E6 HAS高精度服務、QZSS CLAS釐米級定位增強服務、BeiDou PPP服務等）的部署、增強服務的不斷完善——PNT的精度與可用性達到了前所未有的高度。

然而，這份對GNSS的深度依賴也使其成為潛在的「阿基里斯腱」，自然界的太空天氣（如電離層閃爍、太陽耀斑）、以及更為險峻的——來自人為的無線電頻譜干擾（Jamming）與訊號欺騙（Spoofing）攻擊，正對全球PNT服務的可靠性、完整性與可用性構成日益嚴峻的威脅；一個微小的PNT誤差或服務中斷，在某些關鍵應用中可能導致災難性的後果，因此，發展並實施一套全面、前瞻且極端嚴苛的測試方法學，以驗證新世代GNSS訊號的效能、增強服務的可靠性，以及接收機與系統的抗干擾和抗欺騙能力，已成為確保未來PNT服務安全無虞的戰略核心；本文將深入探討這一領域的技術挑戰與前沿測試策略，並展示如何透過先進的模擬與驗證工具來應對這些挑戰。

新世代GNSS技術的革新與PNT安全的嚴峻挑戰

現代化GNSS訊號的演進與特性：更高精度、更強韌性

為滿足日益增長的PNT需求，全球各大GNSS系統（GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou）及其區域增強系統（如日本QZSS、印度NavIC）都在不斷進行現代化升級，核心在於播發更多、更優質的導航訊號：

• 多頻點訊號的技術優勢：
  例如GPS的L1C/A、L1C、L2C、L5；Galileo的E1、E5a、E5b、E6；BeiDou的B1I、B1C、B2a、B2b、B3I等，多頻率觀測能透過不同頻率訊號色散特性的差異，更精確地估算並消除電離層延遲這一主要誤差源（其誤差量級可達數米至數十米），從而顯著提升單點定位精度；其中，L5/E5a/E5b等頻段位於受保護的航空無線電導航服務（ARNS）頻段，具有更寬的頻寬和更優的訊號結構。
• 先進訊號結構的深層效益：
  新的訊號（如GPS L1C、L5；Galileo E5；BeiDou B1C、B2a）採用了如BOC（Binary Offset Carrier）、AltBOC（Alternate BOC）或MBOC（Multiplexed BOC）等更先進的調變方式；這些調變技術透過分裂主瓣、展寬頻譜，可以產生更尖銳的自相關峰，從而提高碼偽距測量精度，並增強對多路徑干擾的抑制能力；同時，更長的偽隨機碼（PRN Code）序列和更優的碼型設計也有助於降低互相關干擾，提升弱訊號環境下的追蹤靈敏度。
• 導航電文的持續增強：
  現代化訊號的導航電文中不僅包含了高精度的星曆與時脈差模型，還可能播發差分校正資訊、完整性資訊、授時輔助資訊乃至訊號認證相關的數據，為接收機實現更快速、更可靠、更安全的PNT解算提供了基礎。

全球主要GNSS系統在L波段及其他頻段的頻譜分佈，新一代多頻訊號的引入為高精度和高可靠性PNT奠定了基礎，其不同的頻點和訊號結構各自承載著特定的優勢。

要充分發揮這些現代化訊號的潛力，精確的衛星軌道建模與星曆預報至關重要，專業的衛星軌道建模軟體，如SATGEN，能夠依據標準的動力學模型或匯入的精密星曆數據，產生高精度的衛星軌道資訊，為GNSS模擬器提供準確的軌道資訊輸入，是高傳真模擬的前提。

SATGEN衛星軌道建模軟體的使用介面，展現了其對衛星軌道參數、地球姿態模型、天線相位中心等進行精密配置與模擬的能力。
 

SATGEN衛星軌道建模軟體是高傳真GNSS訊號模擬中不可或缺的一環，確保了模擬軌跡的真實性與準確性。

GNSS增強服務剖析：從米級到公分級定位的技術飛躍

為進一步提升GNSS的效能，特別是定位精度與完整性，各種增強服務（Augmentation Services）應運而生並不斷演進：

• 星基增強系統（SBAS）：
  如WAAS (美國)、EGNOS (歐洲)、MSAS (日本)、GAGAN (印度)等，透過地球靜止軌道（GEO）衛星向服務區內的使用者播發GNSS的廣域差分校正資訊（包括衛星軌道、時脈差、電離層延遲校正）和完整性資訊（告警與保護級別），主要用於提升航空等領域的導航安全與精度至米級。
• 地基增強系統（GBAS）：
  在機場等局部區域設置地面參考站網路，向進近和著陸階段的飛機提供更高精度的差分校正與完整性監測，可實現CAT-I/II/III級精密進近。
• 精密單點定位（Precise Point Positioning, PPP）：
  這是一種利用遍佈全球的地面跟蹤站網產生的精密衛星星曆和精密衛星時脈差產品（通常由IGS等國際組織提供），結合先進的載波相位平滑偽距、多頻無電離層組合、精密誤差模型修正（如相位纏繞、固體潮、海洋負荷、天線相位中心PCO/PCV等）等技術，使得單台雙頻或多頻GNSS接收機能夠在全球範圍內獨立實現從寸級到公分級的絕對定位精度，其收斂時間是PPP技術的一個關鍵考量點。
• 即時動態差分定位（Real-Time Kinematic, RTK）：
  利用本地或區域網路內的固定基準站，將其對衛星的觀測數據（主要是載波相位）透過無線電或網路實時傳輸給移動站（Rover），移動站透過與基準站形成差分觀測，消除或大幅削弱共有的誤差源（如衛星星曆誤差、衛星時脈差、電離層/對流層延遲），並利用載波相位整數模糊度解算技術，實現公分級甚至毫米級的相對定位精度，其作業範圍通常受限於基準站的距離（一般在10-30公里內）。
• 網路RTK（Network RTK）：
  透過多個基準站組成的網路，為移動站提供區域化的差分校正資訊（如VRS虛擬參考站、MAC主輔助概念等），擴大了RTK的有效作業範圍並提升了初始化速度與可靠性。
• PPP-RTK/SSR（State Space Representation）服務：
  這是近年來發展迅速的新一代高精度定位技術，重點在結合PPP的全球覆蓋性與RTK的快速收斂及高精度特性，透過衛星或網際網路播發狀態空間表示的精密校正數據（包括衛星軌道、時脈差、電離層、對流層、碼偏差、相位偏差等），使得使用者端能以類似PPP的方式實現快速收斂的公分級定位；Galileo的HAS（High Accuracy Service）、QZSS的CLAS（Centimeter Level Augmentation Service）以及BeiDou的PPP-B2b服務均屬於此類。

驗證GNSS接收機對這些複雜增強服務的支援能力、校正資訊的正確解譯與應用、以及在實際應用中能否達到宣稱的精度、收斂時間與穩健性，是測試的核心與難點；例如，對搭載了先進定位演算法的終端（如sPositioner400精準點定位系統），需要在模擬的增強服務環境下，結合各種挑戰性通道與干擾條件，進行嚴格的壓力測試。

PNT安全的「阿基里斯腱」：干擾與欺騙的威脅升級與技術對抗

儘管GNSS技術不斷進步，但其依賴微弱衛星訊號的本質使其極易受到RF干擾（Radio Frequency Interference, RFI）的影響，威脅主要來自兩個方面，其技術手段也在不斷「進化」：

• 無線電干擾（Jamming）：
  • 無意干擾：
    來源廣泛，如其他合法無線電設備的帶外輻射（OOBE）、諧波、交互調變產物（IMP），或故障電子設備的異常發射，這些干擾可能僅影響特定頻段或區域。
  • 蓄意干擾：
    使用干擾器（Jammers）發射強功率雜訊或特定波形，以壓制、淹沒合法的GNSS訊號，導致接收機自動增益控制（AGC）飽和、追蹤環路失鎖，最終無法定位；干擾類型從簡單的連續波（CW）干擾（單頻點大功率）、掃頻干擾（Swept-CW）（頻率在一定範圍內掃描）、脈衝干擾（間歇性大功率脈衝），到更具破壞性的寬頻雜訊干擾（覆蓋整個GNSS頻段）等。
• 訊號欺騙（Spoofing）：
  • 這是一種更為陰險的攻擊方式，攻擊者發射與真實GNSS訊號結構相似但PNT資訊（位置、時間）錯誤的偽造訊號，企圖「接管」接收機的PNT解算。
  • 初級欺騙可能僅是簡單地重播先前記錄的真實訊號（Meaconing），這種攻擊相對容易被具備基本完整性監測（RAIM）能力的接收機察覺。
  • 高級/精密欺騙則能產生與真實訊號在碼相位、載波相位、功率和時間上高度同步、動態可控的欺騙訊號；攻擊者可以逐步、平滑地將接收機的PNT解算結果「拖曳」到一個錯誤的位置或時間，而接收機可能完全無法察覺異常。這類攻擊需要極高的技術能力，對自主系統等安全關鍵應用構成致命威脅。

確保PNT資訊的可信度和韌性，即PNT Assurance，已成為全球PNT領域的共同追求，其核心在於發展和驗證有效的抗干擾（AJ）與抗欺騙（AS）技術。

技術整理表：新世代GNSS與PNT安全測試的技術挑戰與核心驗證方法學

全面測試方法學－從高傳真訊號模擬到實戰攻防演練，鑄造PNT安全盾牌

要應對新世代GNSS與PNT安全的複雜挑戰，必須構築一套從實驗室精確模擬到接近實戰攻防演練的全面測試方法學。這套方法學的核心在於利用尖端測試設備，創造可控、可重複、且極端逼真的電磁與訊號環境，對PNT系統的每一層防護進行「煉獄級」的考驗。

高傳真GNSS訊號與軌道模擬：新訊號與增強服務的測試基石

一切PNT驗證的起點，是對GNSS訊號環境的精確複製。這要求測試系統不僅能產生所有現役及未來規劃的現代化GNSS訊號，更要能細膩入微地模擬其所有物理特性，包括訊號結構的微妙之處和傳播途徑的細微擾動；先進的GNSS模擬器，如XPLORA Pro、XPLORA One、CAST 1000可攜式雙頻GNSS模擬器以及CSAT-GNSS射頻訊號建模與模擬系統，其核心技術突破在於：

• 全星系、全頻段、全碼型的高精度模擬：
  不僅支援GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou、QZSS、NavIC等所有主流與區域系統，更能精確產生其L1/L2/L5/L6/E1/E5/E6/B1/B2/B3等多個頻段上的開放服務與特定授權下的加密服務（PRS）訊號；這包括對最新的BOC、AltBOC、MBOC等複雜調變方式的相位、幅度和頻譜特性的精確再現，以及對導航電文結構、內容（如CNAV, I/NAV）的完全可程式化。
• 精密軌道與時鐘動力學的超真實模型：
  結合如SATGEN衛星軌道建模軟體產生的精密星曆（考慮高階地球引力場模型、日月引力、太陽光壓、相對論效應等），或直接接收外部注入的精密軌道與時脈差產品（如IGS Final/Rapid），確保模擬的衛星四維時空位置與真實世界達到毫米級/皮秒級的一致性。
• 可程式化與動態化的訊號參數操控：
  允許對每一路模擬衛星訊號的功率（精確到0.1dB甚至更高）、相位、碼相位、都卜勒頻移（模擬高達數十馬赫的動態）、以及導航電文的每一位元進行獨立、精確且動態的控制與修改；這對於測試接收機的訊號擷取門檻、追蹤環路帶寬、弱訊號處理能力以及對SBAS、PPP等增強服務校正資訊的即時解算能力至關重要。
• 極端高動態載具運動學模擬：
  支援六自由度（6-DOF）的複雜運動軌跡，能夠模擬從靜止、低速行人到高超音速飛行器（包括高角速度、高角加速度的劇烈機動）的各種載具動態，並即時計算相應的天線相位中心位移與姿態變化對訊號接收的影響。

一套完整的即時GNSS訊號模擬與測試解決方案，如XPLORA或CAST測試系統，是驗證新世代GNSS接收機在複雜動態與訊號條件下PNT效能的基礎。

如CSAT-GNSS等高階GNSS射頻訊號建模與模擬系統，提供了對衛星星座、訊號特性、誤差模型及傳播環境進行精細化、可程式化控制的能力，是進行深度PNT研究與驗證的利器。

CAST 1000等GNSS模擬器的圖形化操作介面，使得複雜的多星系、多頻率、動態場景測試案例的配置、執行與監控更加直觀、高效。

精密通道模擬：複製真實世界的訊號傳播挑戰，考驗訊號韌性與演算法智慧

即使是完美的GNSS訊號，在到達接收機天線前也必須穿越複雜的物理環境，經歷各種扭曲與折磨。RF通道模擬器，如ACE9600（可搭配如ACE Client進階通道模擬器、DBM ACE Plugin for STK等專業場景建模工具），致力於在GNSS模擬器輸出的「純淨」訊號基礎上，精確疊加這些傳播效應，其技術深度體現在：

• 高傳真多路徑模型的細膩刻畫：
  不僅是簡單的幾條反射路徑，而是能夠基於統計模型（如Rayleigh、Rician、Nakagami-m等標準衰落模型，並可自訂參數）或確定性/半確定性模型（如基於3D地圖的光線追蹤演算法），即時產生大量（數十甚至上百條）具有精確相對延遲（皮秒級解析度）、功率衰減（可達數十dB）、相位旋轉（360度連續可調）和到達角/離開角（AoA/AoD）的動態多路徑分量。這對於驗證接收機的RAKE接收技術、多路徑估計與抑制演算法（如MEDLL, Strobe Correlator等）的效能至關重要。
• 動態通道特性的即時演化：
  能夠模擬由於接收機高速移動或周圍環境（如其他車輛、行人、建築物相對位置）的快速變化導致的通道衝激回應的快速時變特性，包括都卜勒擴展、相干時間的變化等。
• 空間一致性通道建模與MIMO/陣列天線測試：
  對於採用多天線的先進GNSS接收機（如用於姿態決定或抗干擾波束成形的陣列天線），通道模擬器需要能夠產生具有正確空間相關性（Spatial Correlation）的訊號到每個天線單元，以真實評估其數位波束成形、空時自適應處理（STAP）或空間多樣性等高階演算法的效能。
• 大氣層效應與其他傳播損失的精確模擬：除了多路徑，還能疊加如電離層閃爍（幅度和相位閃爍）、對流層衰減、植被穿透損失、建築物穿透損失等更細緻的傳播效應。

打造可控的「電磁戰場」：先進干擾與欺騙模擬技術，錘鍊PNT防護的最後防線

PNT系統的安全性是其能否在關鍵應用中担当重任的前提，尤其是在日益複雜的電磁對抗環境下。GNSS導航干擾模擬系統（如基於CAST平台的系統，或如NavTD-M23導航威脅偵測/模擬器等專用設備）致力於在實驗室中創造可控、可重複、且極具挑戰性的惡意電磁環境，其技術含量體現在：

• 全頻段、多類型、高動態干擾訊號的靈活產生：
  能夠產生覆蓋所有GNSS頻段的、從簡單到複雜的各類Jamming訊號，包括連續波（CW）（可精確設定頻偏）、掃頻CW（可設定掃描範圍、速率、波形）、脈衝干擾（可設定脈衝寬度、重複頻率、佔空比）、調幅/調頻/調相干擾、匹配頻譜干擾（模擬特定通訊系統的頻譜特性）以及寬頻帶限白高斯雜訊（BLWN）等。並能精確控制干擾訊號的功率（以實現特定的J/S比，即干擾訊號功率與衛星訊號功率之比），以及干擾的動態特性（如功率的快速起伏、間歇性出現、空域上的方向性等）。
• 高傳真、多策略、協同欺騙訊號的精密模擬：
  不僅能模擬簡單的重播式欺騙（Meaconing），更能產生與真實訊號在碼相位、載波相位、功率和時間上高度同步、動態可控的產生式欺騙訊號。這包括模擬針對單一接收機的簡單軌跡誘騙、針對多個協同接收機的複雜區域性欺騙、針對授時應用的時間同步攻擊，乃至模擬利用多個欺騙源進行的高級欺騙攻擊，以測試接收機的欺騙偵測演算法（如基於多普勒、功率、到達角、時鐘漂移、電文異常等的檢測方法）和欺騙緩解策略。
• 多源、多向、動態協同攻防場景的建構：
  先進的系統能夠模擬來自多個空間方向、多個獨立干擾/欺騙源的協同攻擊，甚至可以與GNSS模擬器的動態軌跡相結合，實現隨接收機運動而變化的、更具實戰性的攻防場景。
• 訊號認證機制（如OSNMA, Chimera）的測試支援：
  對於支援伽利略OSNMA（Open Service Navigation Message Authentication）或未來GPS Chimera等導航電文認證（NMA）或擴頻碼認證（Spreading Code Authentication）的接收機，需要模擬認證電文的正常播發、以及可能的篡改或偽造，以驗證其安全防護機制的有效性與穩健性。

一套典型的GNSS干擾與欺騙模擬系統（如CAST的解決方案）架構，能夠透過軟體控制產生並精確注入多種類型的威脅訊號，與來自GNSS模擬器的「乾淨」衛星訊號相結合，對PNT接收機的抗干擾與反欺騙防護能力進行極限壓力測試和演算法驗證。

干擾與欺騙模擬系統通常包含多種預設的攻擊腳本與國際標準測試規範中定義的模擬範本（如圖中所示的範例），同時也支援使用者基於GUI或程式設計介面自訂複雜的、動態的、甚至智慧化的攻防場景。
如NavTD-M23這樣的導航威脅測試設備，不僅可用於產生特定的GNSS干擾與欺騙訊號，也可能具備一定的威脅偵測與分析能力，是PNT安全攻防測試與驗證體系中的重要組成部分。

現地威脅感知與數據採集：真實干擾的「捕手」，反哺實驗室模擬的「大腦」

實驗室模擬的最終目的是讓PNT系統能夠應對真實世界的威脅。因此，對真實電磁環境的感知、監測與數據採集，對於理解威脅態勢、校驗與優化模擬模型、以及發現新型未知干擾至關重要；干擾偵測與分析系統（Interference Detection and Analysis System, IDAS），如GIDAS系列（包括攜帶型GIDAS-Portable、機架式GIDAS-Rackmount、以及嵌入式GIDAS-Embedded），扮演了這一「捕手」與「大腦」的雙重角色：

• 全天候、寬頻帶、高靈敏度RF頻譜監測與記錄：
  能夠對GNSS全頻段（L1/L2/L5/L6/E1/E5/E6/B1/B2/B3等）及潛在的ISM、移動通訊等鄰近頻段進行長時間、高靈敏度的監測與I/Q數據記錄。
• 智慧化干擾訊號自動偵測、分類與特徵提取：
  內建或可擴展基於數位訊號處理和機器學習的干擾識別演算法，能夠自動偵測異常訊號，並根據其時域、頻域、功率、調變等特徵進行初步分類（如CW、脈衝、掃頻、類通訊干擾等）。
• 干擾源測向與地理定位（通常需要多站點協同或移動單站測量）：
  利用到達時間差（TDOA）、到達頻率差（FDOA）、到達角（AOA）等定位技術，輔助定位真實世界中的固定或移動干擾源。
• 海量數據分析、趨勢預測與威脅態勢感知：
  對長期監測記錄的數據進行統計分析，掌握特定區域干擾事件的時空分佈規律、強度變化趨勢，形成區域性的PNT威脅態勢圖，為干擾緩解措施和模擬模型的優化提供依據。

GIDAS系列干擾偵測與分析系統提供了從固定監測站（Rackmount）、實驗室精密分析（Rackmount）、現場快速部署（Portable）到整合進其他平台（Embedded）的全方位解決方案，用於捕捉、記錄和深度分析真實世界中的GNSS干擾與潛在欺騙活動。

整合測試平台與硬體在環(HIL)的重要性：PNT系統的終極「大考」與「實戰演練」

將GNSS訊號模擬、軌道建模（如使用SATGEN）、通道模擬（如ACE Client）、干擾與欺騙模擬，乃至GNSS/INS融合模擬（如CAST GNSS/INS平台）以及物理運動模擬（如透過高精度六軸運動平台Hexapod）等所有元素整合在一個統一的硬體迴路（HIL）測試平台中，是實現對PNT系統進行最全面、最逼真驗證的理想途徑，HIL測試能夠讓待測的PNT硬體及其嵌入式軟體在實驗室中經歷近乎真實的「全生命週期」考驗，在一個即時閉環的環境中，評估其動態效能、決策邏輯以及對極端事件的反應能力。

鑄造PNT的堅固未來－協同創新，共築時空資訊安全長城

確保PNT服務的未來，是一項涉及訊號產生、傳播、接收、處理以及安全防護的全鏈路系統工程，其複雜度與重要性不亞於構建任何關鍵的國家級基礎設施，隨著新世代GNSS訊號的全面部署、增強服務的日益普及，以及針對PNT系統的干擾與欺騙手段不斷翻新、日趨隱蔽和智能化，我們對測試方法學的深度、廣度與逼真度提出了前所未有的高要求。唯有透過一套涵蓋從高傳真訊號與環境模擬（由XPLORA系列、CAST 1000、CSAT-GNSS等模擬器，結合SATGEN軌道建模與ACE Client通道模擬實現）到可控惡意攻擊注入（由GNSS導航干擾模擬系統與NavTD-M23等實現），再到真實環境威脅感知與數據反饋（由GIDAS系列系統提供）的閉環、迭代測試與驗證體系，才能真正鍛造出能夠抵禦未來一切已知與未知挑戰的PNT系統。

展望未來，PNT安全技術的發展將更加倚重多層次、縱深防禦理念——從天線設計（如CRPA抗干擾天線）、射頻前端的自適應濾波與訊號消除，到基頻的高階訊號處理演算法（如盲源分離、時頻分析、小波變換），再到導航電文層級的訊號認證（如OSNMA, Chimera）與完整性監測（RAIM/ARAIM），以及融合INS（如透過CAST GNSS/INS平台進行嚴苛測試）或其他非GNSS感測器（如視覺、LiDAR、里程計、地磁）的多源PNT融合方案；AI與機器學習也將在PNT異常事件的智慧偵測、預警、威脅識別以及自適應抗干擾策略中發揮日益重要的作用。這一切，都離不開更為精細、更為智慧、更為自動化的測試驗證技術的支撐。

守護PNT的未來，需要產業鏈各方的協同努力與持續創新，奧創系統 (Ultrontek) 憑藉其在GNSS測試與模擬領域的深厚積累，以及與OHB、CAST Navigation等全球領導廠商的緊密合作，致力於為客戶提供最前沿、最全面的PNT測試解決方案；從單點的GNSS訊號產生（XPLORA系列、CAST 1000、CSAT-GNSS）、複雜電磁環境模擬（ACE Client、GNSS導航干擾模擬系統），到GNSS/INS融合測試（CAST GNSS/INS平台）、高精度定位方案（sPositioner400），再到實場干擾監測（GIDAS系列）與精密運動模擬（Hexapod六軸平台），奧創系統提供的是一個完整的、可客製化的PNT測試與驗證生態系統。

若您正致力於提升PNT系統的精度、可靠性與安全性，或對上述任何尖端測試技術與整合方案感興趣，歡迎隨時與奧創系統 (Ultrontek) 的專家團隊聯繫，共同為PNT的未來保駕護航，共築堅不可摧的時空資訊安全長城。