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高傳真度 GNSS/INS 模擬技術：實現精準 EGI 整合與 PNT 系統驗證

高傳真度 GNSS/INS 模擬技術：實現精準 EGI 整合與 PNT 系統驗證

 

隨著現代載具與系統對精確 定位、導航和授時 (PNT) 資訊的依賴日深，尤其是在航空、國防以及自動駕駛等複雜應用中，確保 GNSS (全球導航衛星系統) 與 INS (慣性導航系統) 整合系統的可靠性與效能至關重要；然而，完全依賴真實世界的飛行或實地測試來進行開發、整合與驗證，往往面臨成本高昂、後勤複雜、安全風險以及難以重現特定測試條件等挑戰；因此，高傳真度的 GNSS/INS 模擬技術已成為實驗室環境中不可或缺的工具，用以彌合真實世界測試的侷限性。
 

先進模擬的核心要求：傳真度、動態性與真實性

有效的 GNSS/INS 模擬器，其核心價值在於能否精確複製真實世界的複雜訊號環境與動態行為：

  • 高傳真度與真實性：
    這要求模擬器不僅能產生逼真的 GNSS 訊號，更關鍵的是必須確保 INS 與 GNSS 之間的精確時間同步與訊號一致性；模擬內容需涵蓋詳盡的地球模型，例如不同的重力模型和垂線偏差計算，同時具備加入使用者自訂誤差模型與力臂偏移量的能力，以反映真實操作中的細微影響。
  • 動態與響應式模擬：
    為了滿足不同的測試需求，模擬系統需要支援兩種主要運作模式；一種是依據預先定義和計算腳本運行的「預錄模式 (Canned mode)」，適用於標準化測試；另一種則是能夠對外部輸入（例如來自模擬駕駛艙或人在迴路系統的指令）做出動態反應的「即時模式 (Realtime mode)」，這對於整合測試和評估系統在動態情境下的反應至關重要。


關鍵模擬技術深度解析

要實現高傳真度的模擬，需要整合多項先進技術：

  • 6 自由度軌跡與環境建模：
    精確模擬載具運動是基礎，這需要支援六個自由度 (6-Degrees of Freedom, 6DoF) 的軌跡描述能力，涵蓋空中、地面、水面乃至太空軌道等多樣化載具類型；此外，還需納入如海況等環境因素，以及前述的詳細地球物理模型。
  • 精確的 IMU 資料模擬：
    模擬器必須能依據 6DoF 軌跡和模型，產生符合特定 慣性測量單元 (IMU) 規格的資料流，通常包含機體座標系下的速度增量 (delta-V) 與角度增量 (delta-theta)；這些資料的訊息更新率需符合待測硬體要求（例如從 5Hz 到 2000Hz 不等），並透過標準工業介面（如 RS-422 或 MIL-STD-1553）同步傳輸，確保與 GPS/GNSS RF 激勵訊號之間的高度一致性。
  • 複雜的 RF 訊號生成與波前模擬：
    產生多頻率、多星座的 GNSS 訊號是基本功能；而針對如 CRPA (受控接收模式天線) 或相位陣列天線等先進天線系統的測試，則需要更複雜的波前模擬 (Wavefront Simulation) 能力；這要求為天線陣列中的每個天線單元產生獨立但相位同步 (phase coherent) 的 RF 訊號，這些訊號需相對於天線相位中心進行精確的空間位移，以模擬訊號抵達各單元的真實相位差異。
  • 干擾與欺騙模擬：
    在現代複雜的電磁環境下，測試導航系統對抗干擾 (Interference) 和欺騙 (Spoofing) 的能力至關重要；先進的模擬器必須能夠產生各種類型的干擾訊號，並透過精密的同步技術，將干擾訊號與 GNSS 訊號合路為複合訊號，準確模擬真實世界中混合訊號的接收情況。


系統架構考量：模組化、彈性與擴展性

為了應對多樣化且不斷演進的測試需求，模擬系統的架構設計也需具備高度彈性：

  • 模組化設計：
    採用模組化的硬體與軟體平台，允許依據客戶特定的效能規格進行配置，並有利於未來的升級與功能擴展。
  • 介面支援的廣泛性：
    導航系統可能採用各式各樣的 INS/IMU 介面，包括標準協定與特定供應商的專有介面；因此，模擬系統需具備支援多種介面的能力，甚至投入必要的一次性工程開發來滿足新的或專有的介面需求。
  • 可擴展性：
    對於需要模擬多個載具協同作業的場景（如機隊模擬），系統應具備同步多個模擬單元的能力。
  • 使用者控制介面：
    提供全面且直觀的圖形化介面 (GUI)，讓使用者能輕鬆定義複雜的測試情境、載具動態、環境參數（如年曆、星曆、大氣延遲、多路徑、天線方向圖等）以及選擇輸入來源（情境剖面定義、外部即時軌跡、或先前記錄的資料）。

 


 

CAST Navigation：引領高傳真度模擬技術的實踐者

在這個對高精度模擬技術有著嚴苛要求的領域，有專業公司致力於開發尖端解決方案來應對上述挑戰，CAST Navigation 正是其中的佼佼者。
 

CAST Navigation 的核心競爭力源於其對持續研發的堅定承諾，以及數十年來在 PNT 測試與模擬領域的深耕；該公司透過自主投入的內部努力，確保其解決方案始終處於 PNT 技術發展的前沿，CAST Navigation 與 Northrop Grumman、Honeywell、Kearfott、BAE、Raytheon 等國防與航太產業領導者，以及多家政府實驗室維持緊密的專業合作關係，共同開發並精進用於機載 PNT 系統整合、測試與評估的技術。

 



 

CAST Navigation 的模擬系統，特別是其 CAST CRPA/GNSS 模擬系統系列，具體且完整地體現了前述討論的各項關鍵模擬技術特性：
 

  • 模組化與彈性配置：
    系統建立在模組化的硬體與軟體平台之上，允許依據特定測試需求（例如所需的天線單元數量或特定的 IMU 介面）進行彈性配置與未來擴充。
     
  • 高傳真度訊號與時間同步：
    專有的 INS/GNSS 時間同步技術結合高精度 RF 訊號生成能力，確保了模擬輸出的極高傳真度與真實性；尤其在為 CRPA（受控接收模式天線） 或相位陣列天線測試時，能夠產生相位精確且穩定的 GNSS 波前 (wavefront) 訊號，精確模擬訊號到達多個天線單元的角度與相位差。
     
  • 多元運作模式：
    系統不僅支援預先定義腳本的預錄模式 (Canned mode)，更具備強大的即時模式 (Realtime mode) 運算能力，能夠與外部指令或環境互動，無縫整合於複雜的硬體迴路 (HWIL) 或人在迴路 (Man-in-the-Loop) 模擬測試平台中。
     
  • 客製化 INS 介面專業：
    CAST Navigation 擁有豐富的 INS 介面開發經驗與實績，能夠為客戶特定的或專有的導航系統需求進行客製化開發，確保模擬器與新型或獨特的 INS/IMU 之間能精確同步運作。
     
  • 整合式 CRPA/INS 模擬方案：
    此 CRPA/GNSS 模擬系統的核心功能即是將完整的 INS/IMU 模擬能力與 GNSS 波前模擬深度整合；它能產生與 RF 波前訊號完全同步、高更新率的慣性量測數據（如 Delta-V/Delta-Theta），是測試與驗證整合式 EGI（嵌入式 GPS/INS 系統） 或配備 CRPA/相位陣列天線之先進導航系統效能的理想整合式模擬解決方案。
     
  • 先進動態與環境建模：
    系統具備強大的 6 自由度 (6DoF) 載具動態與詳盡的地球環境建模能力（包含重力模型、垂線偏差等），能依此產生精確的 IMU 資料流，支援從 5Hz 至 2000Hz 的廣泛更新率範圍，並透過 RS-422、MIL-STD-1553 等多種標準硬體介面進行傳輸。
     
  • 多頻多模 RF 與干擾生成：
    其強大的 RF 訊號生成引擎可支援來自 GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou 等多個全球導航衛星系統、橫跨 L1/L2/L5 等主要頻段的現代化與傳統訊號；更關鍵的是，能透過專有的同步技術，精確疊加並輸出多路使用者自定義的干擾訊號（涵蓋連續波、脈衝、展頻、寬頻雜訊等多種類型），用以全面評估待測物在複雜、受威脅電磁環境下的真實性能。
     
  • 易用性與控制：
    提供直觀的圖形化使用者介面 (GUI)，讓使用者能全面掌控複雜的模擬情境設定、參數調整與即時監控；系統通常也支援透過乙太網路介面進行遠端控制、腳本編寫與自動化測試整合。
     
  • 深厚技術積累與介面兼容性：
    CAST Navigation 的技術實力根植於數十年的經驗累積，從早期支援 GPS 的鬆散耦合 IMU 輔助，到 1990 年代中期加入對緊密耦合 EGI 的支援，並持續精進技術以符合各類 IMU 的嚴苛效能標準；系統不僅能搭配自家開發、具備高度彈性的可程式化 INS 介面硬體，亦廣泛支援業界標準及第三方供應商的專有 IMU 介面。


模擬技術驅動導航系統發展

高傳真度的 GNSS/INS 模擬技術對於現代複雜導航系統的開發與驗證扮演著不可或缺的角色；它提供了一個可控、可重複且符合成本效益的測試環境，能夠在進入昂貴且複雜的實地測試之前，有效識別和解決潛在問題； CAST Navigation 憑藉其深厚的技術積累和持續創新，為全球的工程師和研究人員提供了強大的工具，以確保下一代 PNT 系統的精確性與可靠性。


受益於先進模擬技術的代表性平台與專案

以下列舉部分曾受益於此類先進 GNSS/INS 模擬技術進行測試與驗證的平台、武器及專案，彰顯了該技術在國防與航太領域的廣泛應用與重要性（其中許多亦為 CAST Navigation 所支援）；透過高傳真度的模擬環境，開發人員得以在進入昂貴的實機測試前，對複雜的導引、導航與控制 (GNC) 演算法進行驗證、評估整合系統在各種操作情境（包含嚴苛電磁環境）下的效能、並確保系統符合嚴格的軍用標準。這些受益的代表性系統涵蓋了廣泛的應用範圍：
 

  • 戰術與戰略飛機:
    • A-10 Thunderbolt
    • AV-8B Harrier II
    • AAR, B-1 Lancer
    • B-2 Spirit
    • EA-6B Prowler
    • E-2 Hawkeye
    • E-3 Sentry AWACS
    • F-15 Eagle
    • F-16 Falcon
    • F/A-18 Hornet
    • F-22 Raptor
    • F-35 Joint Strike Fighter
    • Eurofighter Typhoon
  • 無人系統:
    • MQ-8 Fire Scout
    • X-47B
  • 旋翼機:
    • AH-64A/D Apache
    • CH-47/MH-47E Chinook
    • OH-58D Kiowa Warrior
    • UH-60 Blackhawk
  • 精確導引武器與飛彈系統:
    • SLAM-ER
    • JDAM
    • Tomahawk
    • Trident
    • ERGM
    • TACMS
  • 特定導航/著陸系統與計畫:
    • ANSR
    • TACMS
    • DIGNU
    • Atlas-D (相關導航系統測試)
    • JPALS

 

這些先進的模擬技術與產品，曾實際應用於協助 X-47B 這類的無人飛行器成功降落於航空母艦（需要精確模擬 JPALS 系統與艦船動態），以及在如 F-22 這樣的先進戰機上，對其整合式 GNSS/INS (EGI) 系統進行涵蓋多種動態與干擾情境的嚴謹測試。
 

面對前文所述日益複雜的 GNSS 測試挑戰，選擇合適且功能強大的模擬與測試工具至關重要，奧創系統長期深耕衛星與慣性導航模擬技術，提供一系列從基礎到高階應用的完整解決方案，能協助工程師在實驗室環境中，精確再現各種真實世界情境，驗證與強化導航系統的性能與可靠度。
依據不同的測試需求與應用場景，奧創系統提供相應的解決方案：
 

  1. 基礎與可攜式模擬需求：
    • CAST-1000 可攜式雙頻 GNSS 模擬器：提供輕巧便攜的選擇，支援雙頻訊號模擬，適合現場測試或基礎實驗室應用。
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  2. 彈性化通用 GNSS 模擬：
    • 衛星模擬器 - XPLORA One 及 XPLORA Pro：具備高度彈性與可擴展性，可滿足從入門到進階的各種通用 GNSS 訊號模擬需求，支援多種衛星星系與頻段。
      XPLORA One | XPLORA Pro
  3. 高傳真 RF 訊號模擬核心：
    • CAST GNSS 射頻訊號建模與模擬系統 (CSAT-GNSS)：作為高階模擬的核心平台，提供高傳真度的 GNSS RF 訊號建模與生成能力，是建構複雜測試環境的基礎。
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  4. 特定挑戰模擬 - 干擾環境：
    • GNSS 導航干擾訊號建模與模擬系統：專門用於重現複雜的電磁干擾環境，可模擬多種類型與動態變化的干擾訊號，以驗證接收器的抗干擾性能。
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  5. 特定挑戰模擬 - CRPA/相控陣列天線：
    • CAST-CRPA 相控陣列與姿態判定導航模擬系統：針對本文重點討論的 CRPA 系統，提供精確的相位同調多路訊號輸出，支援相控陣列天線波束成形、抗干擾演算法驗證及姿態判定等高階應用。
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  6. 整合系統測試 - GNSS/INS 融合：
    • CAST GNSS-INS 即時動態訊號模擬測試系統：支援 GNSS 與慣性導航系統 (INS) 的緊密耦合測試，可進行即時動態模擬，全面驗證 EGI (嵌入式 GPS/INS) 等整合導航系統的性能。
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  7. 高可靠應用 - 太空等級驗證：
    • 星載接收機 - Spaceborne：除了模擬器，奧創系統亦提供如 Spaceborne 這類高可靠度的星載 GNSS 接收機，其開發與驗證過程同樣受益於前述的嚴謹模擬測試流程，確保在極端太空環境下的穩定運作。
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透過奧創系統專業的模擬測試解決方案，開發者與整合商能夠更有信心地應對 GNSS 技術的挑戰，加速產品開發週期，並確保最終產品的卓越性能。

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