GNSS/INS極限驗證：HIL/SIL結合六軸運動模擬深度剖析

自主PNT的「信任之錨」－GNSS/INS融合系統的深度驗證為何至關重要？

在自主系統（如自動駕駛車輛、無人飛行載具、先進機器人）的感知與決策鏈條中，持續、精確、且完整性（Integrity）極高的定位、導航與授時（PNT）資訊，是其安全可靠運行的「信任之錨」；為克服單一全球導航衛星系統（GNSS）在複雜環境中（如都市峽谷、隧道、室內、或遭遇電磁干擾時）的固有限制，GNSS與慣性導航系統（INS）的深度融合已成為提供全場景、高韌性PNT解算的核心技術。這種融合方案能夠結合GNSS的長期絕對精度與INS的短期相對精度及高更新率，實現優勢互補。

然而，GNSS/INS融合系統的複雜性遠超單一PNT技術，其效能不僅取決於各感測器（GNSS接收機、慣性測量單元IMU）的原始精度，更高度依賴於數據融合演算法（如擴展卡爾曼濾波EKF、無跡卡爾曼濾波UKF、粒子濾波PF等）的設計、感測器誤差模型的精確性、時間同步的嚴謹性、以及在各種動態與環境應力下的穩健性；因此，對GNSS/INS融合系統進行多層次、由虛向實、逐步逼近真實操作條件的深度驗證，是確保其最終能夠在安全關鍵應用中「不辱使命」的根本保障；這一驗證過程，從純粹的軟體迴路（Software-in-the-Loop, SIL）模擬，到引入真實硬體的硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HIL）測試，再到結合六軸運動平台（Hexapod）的物理動態激勵HIL測試，構成了一個不可或缺的、層層遞進的「試煉之路」；本文將深入剖析這一多層次驗證技術的核心內涵、關鍵挑戰以及相應的先進測試解決方案，例如利用CAST GNSS/INS即時模擬平台進行數位訊號層面的融合驗證，以及整合Hexapod六軸平台與XPLORA系列GNSS模擬器進行物理域的極限考驗。

從演算法到實體－GNSS/INS融合PNT多層次驗證的技術架構

一個完整且嚴謹的GNSS/INS融合PNT系統驗證流程，通常包含以下相互關聯且逐步深入的測試層次：

層次一：軟體迴路（SIL）模擬－融合演算法的「沙盤推演」

SIL測試是GNSS/INS融合系統研發的早期階段，其核心目標是在純數位環境中對融合導航演算法的邏輯正確性、收斂特性、精度潛力以及對各種理想/非理想輸入的響應進行全面驗證。

• 核心技術：
  • GNSS原始觀測值/PVT數據流的數位模擬：
    由GNSS模擬器（或其軟體核心）產生模擬的偽距離、載波相位、都卜勒頻移、導航電文等原始觀測值數據流，或直接產生PVT（位置、速度、時間）解算結果。
  • 高傳真IMU數位感測器數據流模擬：
    這是SIL測試的關鍵，專業的慣性模擬軟體或平台，如CAST GNSS/INS即時模擬平台的核心功能之一，便是能夠根據預設的六自由度（6-DOF）運動軌跡（可由SATGEN衛星軌道建模軟體等工具精密定義或導入真實路測數據），即時計算並產生與GNSS模擬數據流嚴格時間同步的IMU「理想」輸出（如角增量Δθ和速度增量Δv）。
  • 可程式化IMU誤差模型的注入：
    更重要的是，能夠在理想IMU輸出基礎上，精確疊加各種典型的IMU感測器誤差，如固定偏置（Bias）、尺度因子（Scale Factor）誤差、軸不對準（Misalignment）、角度/速度隨機遊走（Angular/Velocity Random Walk, ARW/VRW）、溫度相關漂移等。這使得可以在受控條件下，評估融合演算法對不同等級、不同特性IMU誤差的估計與補償能力，以及其容錯性。
• 驗證重點：
  • 融合演算法（如EKF、UKF）的狀態轉移模型與觀測模型的正確性。
  • 演算法的收斂速度、濾波平滑度、PNT解算精度（在不同IMU誤差等級和GNSS訊號品質下）。
  • 感測器故障檢測與隔離（Fault Detection and Exclusion, FDE）邏輯的有效性。
  • 對GNSS訊號短暫中斷期間，INS航位推算（Dead Reckoning）的精度與漂移特性。

CAST GNSS/INS即時模擬平台是執行GNSS/INS融合演算法SIL測試的理想工具，其能夠精確同步模擬GNSS訊號（通常與外部GNSS RF模擬器配合）與包含詳細誤差模型的IMU數位數據流。
 

先進的GNSS/INS模擬系統（如CAST Navigation的解決方案）能夠即時呈現複雜的六自由度運動軌跡，並同步輸出高傳真的GNSS與IMU模擬數據，為SIL測試提供豐富的動態場景。

層次二：硬體迴路（HIL）模擬－真實硬體在「訊號級」的實戰演練

當融合演算法在SIL階段得到初步驗證後，下一步是將其部署到真實的目標硬體（如嵌入式處理器、FPGA）上，並將實際的GNSS接收機前端或整個GNSS接收機板卡引入測試環路，進行訊號級的HIL測試。

• 核心技術：
  • GNSS RF訊號的即時模擬與注入：
    使用高傳真GNSS模擬器（如XPLORA Pro、XPLORA One、CAST 1000可攜式雙頻GNSS模擬器、或CSAT-GNSS射頻訊號建模與模擬系統）產生真實的GNSS RF訊號，直接饋入待測硬體的GNSS天線端口。
  • 複雜RF傳播環境的疊加：
    透過ACE Client進階通道模擬器或ACE9600，在GNSS RF訊號上疊加多路徑、衰落、遮蔽等真實通道效應。
  • 電磁威脅環境的構建：
    利用GNSS導航干擾模擬系統或NavTD-M23導航威脅偵測/模擬器，向待測硬體注入可控的Jamming與Spoofing訊號。
  • IMU數據的處理：
    • 若HIL測試的DUT是完整的GNSS/INS單元（包含真實IMU），則此階段IMU的輸入主要來自其靜態放置或非常有限的運動（此時重點在GNSS RF端的測試）。
    • 若DUT僅為GNSS接收機或INS處理器，則仍可由CAST GNSS/INS平台同步提供IMU數位數據流。
• 驗證重點：
  • 真實GNSS接收機前端的RF效能、訊號擷取與追蹤環路在各種模擬RF環境下的表現。
  • 融合演算法在目標硬體上的即時運算效能、處理延遲、以及與底層硬體驅動的適配性。
  • 系統對RF干擾和欺騙的實際抵抗能力（訊號層面）。
  • 硬體介面（如SPI, I2C, UART）傳輸IMU或GNSS數據的正確性與即時性。

在HIL測試中，如XPLORA系列或CAST系列的GNSS模擬器負責產生高傳真的RF訊號環境，是考驗真實硬體PNT效能的基礎。

層次三：結合六軸運動平台的物理運動HIL模擬－PNT系統的終極「動態試煉」

這是GNSS/INS融合PNT系統驗證的最高級別，它將待測的完整GNSS/INS硬體單元（包含真實的IMU感測器）置於一個能夠精確複現複雜物理運動的環境中，同時向其提供同步的GNSS RF訊號。

• 核心技術：
  • 高精度六軸運動平台（Hexapod）的精密動態激勵：
    將待測GNSS/INS單元安裝在Hexapod六軸平台（如250kg以下負載或250KG以上負載等不同規格）的頂板上，Hexapod根據預設的或即時生成的六自由度運動軌跡，對DUT施加精確的平移（X, Y, Z）和旋轉（俯仰Pitch、滾轉Roll、偏航Yaw）物理運動。
  • GNSS RF環境與物理運動的嚴格同步：
    Hexapod的運動必須與GNSS模擬器（及通道/干擾模擬器）產生的RF訊號環境在時間和空間上嚴格同步，即，當Hexapod將DUT移動到軌跡上的某個位置和姿態時，DUT的GNSS天線必須接收到與該位置、姿態和時間完全對應的模擬衛星訊號，這需要一個高階的主控系統來協調所有模擬設備。
• 驗證重點：
  • 真實IMU感測器的物理響應特性：
    包括其在真實動態（加速度、角速度、振動）下的誤差特性（如g敏感性、振動修正效能）、頻寬限制、內部延遲等。
  • GNSS天線相位中心變化（PCV）與天線罩效應：
    在Hexapod模擬的姿態變化過程中，評估天線PCV的變化以及天線罩對訊號接收的影響。
  • 安裝誤差與槓桿臂效應的補償：
    驗證PNT系統對IMU與GNSS天線之間安裝偏差（槓桿臂）的測量與補償演算法的準確性。
  • 整個GNSS/INS硬體單元在真實物理運動與模擬RF環境下的綜合PNT效能：
    包括定位精度、姿態精度（尤其重要）、動態誤差特性、以及在GNSS訊號受擾或中斷期間，結合物理運動的INS航位推算效能。
  • 系統對外部振動的敏感性與抑制能力。

結合高精度六軸運動平台（Hexapod）的硬體迴路（HIL）測試，能夠對GNSS/INS融合PNT系統施加最真實的物理運動激勵，全面驗證其在動態環境下的綜合效能。
 

GNSS/INS融合系統於HIL/SIL與六軸運動平台之多層次驗證技術

打造終極PNT試煉場－整合測試平台的架構設計與關鍵技術考量

構建一個能夠有效執行從SIL到HIL（含物理運動）的完整PNT驗證流程的測試平台，是一項複雜的系統工程，其核心在於實現各個模擬子系統（GNSS、INS、通道、干擾、運動）之間的高精度協同與數據的無縫流轉。

構建高傳真GNSS/INS HIL測試平台的關鍵要素

• 奈秒級時間同步：
  這是整個HIL測試成功的基石，所有訊號模擬器、運動平台、數據採集系統以及待測硬體之間，必須共享一個統一的、高精度的時間基準（通常由GPS馴服的銣鐘或更高階的時間伺服器提供），確保所有事件和數據流在時間上嚴格對齊。
• 空間參考框架的一致性：
  Hexapod的物理運動、GNSS模擬器產生的衛星視線向量、通道模擬器施加的多路徑方向、以及待測物（DUT）自身的座標系定義，必須在一個統一的空間參考框架下進行描述和轉換，以確保模擬的空間一致性。
• 即時閉迴路控制能力：
  在某些高階測試場景中（例如，驗證自主系統的飛行控制律或路徑追蹤演算法），待測系統的PNT輸出可能需要即時回饋到模擬環境中（例如，更新Hexapod的運動指令或GNSS模擬器的軌跡），形成一個即時閉迴路。這對整個系統的通訊延遲和處理能力提出了極高要求。
• 全面的數據記錄、監控與分析：
  需要能夠同步記錄所有模擬輸入（GNSS RF特性、IMU模擬數據、通道參數、干擾訊號、Hexapod運動狀態等）、待測硬體的PNT輸出以及其他關鍵內部參數，並提供強大的後處理工具進行效能評估、誤差分析與故障定位，輔助工具如XPLORA-Trace GNSS記錄與分析方案或GIDAS系列干擾偵測與分析系統在此環節可提供數據洞察。

Hexapod運動模擬的技術細節與應用優勢：賦予HIL測試「真實的靈魂」

六軸運動平台 (Hexapod)，如奧創系統提供的系列解決方案，以其獨特的並聯運動機構，為PNT硬體迴路測試帶來了傳統單軸或多軸旋轉台難以比擬的優勢：

• 全六自由度（6-DOF）精密運動模擬：
  能夠同時在三個平移維度（X, Y, Z）和三個旋轉維度（俯仰Pitch、滾轉Roll、偏航Yaw）上實現高精度、高動態範圍的運動複現。
• 高剛性與高承載能力：
  能夠承載不同尺寸和重量的待測PNT單元及其輔助設備。
• 靈活的運動軌跡程式設計：
  可以接收來自上位控制軟體（如HIL主控電腦）的即時運動指令，或執行預先編程的複雜運動序列，精確模擬從微小振動到劇烈機動的各種動態。
• 在GNSS/INS測試中的獨特價值：
  • IMU感測器特性精密標定：
    施加精確的角速率和線加速度，全面標定IMU的偏置、尺度因子、非線性、軸交叉耦合等誤差。
  • 天線相位中心/群延遲校準：
    透過特定運動掃描，精確確定GNSS天線的相位中心變化（PCV）和群延遲特性。
  • 高動態環境下的融合演算法驗證：
    考驗GNSS/INS融合演算法在真實物理加速度、角速度以及振動環境下的解算穩定性、姿態精度以及對槓桿臂效應的補償能力。
  • 模擬特定安裝條件下的效能：
    將PNT單元以其在最終載具上的實際安裝角度固定在Hexapod上，評估安裝位置和姿態對PNT效能的影響。

面臨的挑戰與解決方案：整合的藝術與專業的價值

構建和運維這樣一個高度複雜的PNT HIL測試平台，本身也面臨諸多挑戰，如高昂的初期投資、多廠商設備的整合與精密校準、大量測試數據的有效管理與分析、以及對測試人員技能的高要求等。應對這些挑戰，通常需要：

• 採用模組化、開放式的系統架構，便於未來升級與功能擴展。
• 選擇具備標準化介面與良好互操作性的儀器設備。
• 投資於強大的測試自動化與數據管理軟體平台。
• 依賴具備深厚PNT測試知識和豐富系統整合經驗的專業團隊，如奧創系統 (Ultrontek)，提供從方案設計、系統搭建、軟體開發到技術支援的全方位服務。

邁向PNT的「數位現實」－HIL與物理模擬賦能下一代高可靠導航的終極保障

PNT系統的極限考驗，其終極目標是確保在任何可預見的，乃至部分不可預見的極端條件下，自主系統都能獲得持續、準確、高完整性的時空參照，從純粹的軟體迴路（SIL）演算法驗證，到引入真實硬體的訊號級硬體迴路（HIL）測試，再到結合六軸運動平台（Hexapod）的物理運動級HIL測試，構成了一個由虛向實、逐步逼近真實操作環境的完整PNT驗證金字塔。

這個金字塔的頂端——即整合了高傳真GNSS訊號與軌道模擬（如XPLORA系列、CAST 1000、CSAT-GNSS）、精密RF通道再現（如ACE Client）、可控電磁威脅注入（如GNSS導航干擾模擬系統）、以及同步INS數據模擬（如CAST GNSS/INS平台）與物理動態激勵（如Hexapod六軸平台）的綜合測試環境——正是我們所謂的PNT「數位現實」，它使得在產品部署前就能夠對PNT系統的極限效能、潛在缺陷以及在安全關鍵場景下的穩健性進行最為徹底的「摸底」與「淬鍊」。

展望未來，隨著自主系統的智能化水平不斷提升，對PNT「數位現實」測試平台的要求也將水漲船高，AI技術不僅將用於更智慧的測試案例生成、更逼真的環境建模，甚至可能用於即時評估和優化PNT系統的自主決策，更複雜的多感測器融合HIL測試（如整合視覺、光達、雷達等模擬）以及對PNT功能安全（FuSa）與預期功能安全（SOTIF）的量化驗證，將成為新的技術制高點。

奧創系統 (Ultrontek) 憑藉其在PNT測試與模擬領域的深厚積累和對前沿技術的持續投入，致力於為客戶打造世界一流的SIL/HIL及物理運動模擬測試解決方案；我們提供的不僅是單點的先進測試儀器（涵蓋GNSS/INS訊號產生、RF環境模擬、精密運動控制等全鏈路），更是將這些組件高效整合為一個協同運作、高度自動化、並能精確滿足您特定驗證需求的「PNT終極試煉場」的專業能力與服務，相關產品如XPLORA系列GNSS模擬器、CAST GNSS/INS即時模擬平台、ACE Client進階通道模擬器以及Hexapod六軸運動平台均為構成此類先進測試環境的核心；若您正投身於開發下一代高可靠、安全關鍵型的PNT系統，並尋求最頂級的測試驗證夥伴，歡迎隨時與奧創系統 (Ultrontek) 的專家團隊聯繫，讓我們共同為PNT技術的未來，鑄造最堅實的信任基石。