GNSS 研發的極限深潛：OHB XPLORA 如何賦能大學與研究機構，攻克 LEO、抗干擾與高動態導航挑戰

導論：GNSS 創新浪潮下的研發新紀元

全球導航衛星系統（GNSS）已從最初的軍事應用，演變為現代社會不可或缺的基礎設施，其影響力遠超想像；然而，這份無所不在的依賴性，伴隨著一個日益嚴峻的現實：GNSS 訊號的脆弱性；當我們享受其便利的同時，也必須正視其可能帶來的風險。
正是在這樣的背景下，研究與發展（R&D）扮演了前所未有的關鍵角色；它不再僅僅是追求更高的定位精度，更是要建立一個強韌（Resilient）、**可靠（Reliable）且可信（Trustworthy）**的定位、導航與授時（PNT）體系；而驅動這場 R&D 革命的，正是幾個關鍵趨勢：

• 低軌道（LEO）衛星星座的崛起：
  SpaceX 的 Starlink、OneWeb 等 LEO 星座不僅提供通訊，其潛在的 PNT 應用也引發了巨大關注，它們帶來了更強的訊號、更低的延遲，但也帶來了全新的軌道動力學、都卜勒效應與系統整合挑戰。
• 自主系統的爆發：
  從自動駕駛汽車到無人機隊，再到工業自動化機器人，這些系統對持續、高精度的 PNT 資訊有著「生命攸關」的需求，任何 PNT 失誤都可能導致災難性後果。
• 萬物互聯（IoT）與 5G/6G：
  大規模 IoT 裝置的同步、5G/6G 網路的精確授時，都對 PNT 提出了更高的要求，尤其是在室內、城市峽谷等訊號受限的環境。
• PNT 即服務（PNT-as-a-Service）：
  PNT 逐漸成為一種雲端服務，這要求 R&D 不僅關注終端接收器，也要關注整體的服務架構、數據安全與認證機制。

這些趨勢交織在一起，為 GNSS R&D 開闢了新戰場，也對測試與驗證工具提出了前所未有的高要求。

GNSS 研發的「看不見的戰場」：深度解析挑戰

GNSS 研發人員面對的，是一個充滿「看不見的敵人」的戰場；這些挑戰不僅來自惡意攻擊，也源於複雜的物理環境與系統本身。

干擾 (Jamming) 的多重面貌

干擾的目的在於用強功率訊號「淹沒」微弱的 GNSS 訊號，使其無法被接收器正常解碼；但其手段卻日益多樣：

• 連續波（CW）干擾：
  最簡單的形式，在特定頻率發射強訊號，相對容易濾除，但低成本使其普遍存在。
• 掃頻 CW 干擾：
  干擾頻率不斷變化，迫使接收器頻繁重新鎖定，或需要更複雜的濾波技術。
• 寬頻雜訊干擾：
  覆蓋整個 GNSS 頻段，如同「白雜訊」，難以透過簡單濾波去除，對接收器的數位訊號處理能力構成嚴峻考驗。
• 脈衝干擾：
  以高功率、短脈衝形式發射，可能欺騙接收器的自動增益控制（AGC）機制，導致訊號飽和或失鎖。

欺騙 (Spoofing) 的演化詭計

欺騙的目標是讓接收器相信偽造的訊號，計算出錯誤的 PNT 結果，其技術含量更高，危害也更大：

• 干擾式欺騙（Meaconing）：
  錄製真實訊號並延遲轉發，使接收器誤以為自己位於更遠的位置。
• 簡單重播攻擊：
  預先錄製某地的訊號，在另一地播放，適用於靜態或低動態目標。
• 複雜協同攻擊：
  這是最具威脅性的形式，攻擊者會產生多個與真實星座同步、但位置/時間錯誤的偽造訊號，逐步「接管」接收器的追蹤迴路，使其在不知不覺中偏離真實位置，極難被傳統接收器偵測。

自然環境的嚴苛考驗

即使沒有惡意攻擊，太空與地面環境本身也充滿挑戰：

• 電離層/對流層延遲：
  GNSS 訊號穿過大氣層時會產生延遲，且這種延遲隨時間、地點、太陽活動等因素變化，是高精度定位的主要誤差來源之一。
• 電離層閃爍（Scintillation）：
  在赤道和極區，電離層的不規則活動會導致訊號強度和相位的快速波動，可能導致訊號失鎖。
• 多路徑效應（Multipath）：
  在城市或峽谷環境中，訊號經建築物等反射後才到達接收器，形成多條路徑，干擾直接訊號的接收，導致定位誤差。
• 訊號遮蔽（Obscuration）：
  在高樓林立或隧道中，可見衛星數量減少，影響定位的幾何精度（DOP）和可用性。

系統整合與多樣性的複雜性

現代 GNSS 接收器不再只依賴單一系統：

• 多星座融合：
  同時接收 GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou 等多個系統的訊號，可以增加可見衛星數、改善幾何結構，但也帶來了系統間時間偏差、坐標框架轉換、訊號結構差異等複雜性。
• 多頻率應用：
  使用 L1、L2、L5 等多個頻段的訊號，可以有效消除電離層延遲，但也要求接收器具備更複雜的射頻前端與處理能力。
• 輔助 GNSS（A-GNSS）：
  透過行動網路獲取輔助數據（如星曆、時間），加速首次定位時間（TTFF），但在網路覆蓋不良地區會受限。
• 感測器融合：
  整合慣性測量單元（IMU）、里程計、視覺感測器等，實現更穩健的 PNT 輸出，但需要複雜的卡爾曼濾波（Kalman Filter）或粒子濾波（Particle Filter）等融合演算法。

所有這些挑戰，都必須在 R&D 階段被充分理解、模擬和測試。

打造「實驗室中的太空」：模擬與測試的價值再探

面對如此複雜的挑戰，高階模擬與測試工具的價值不言而喻；它們是研發人員探索未知、驗證設計、規避風險的「數位靶場」。

GNSS 模擬器的核心：訊號產生與環境建模

一個強大的 GNSS 模擬器，其核心在於能否高保真地重現真實世界的訊號與環境：

• 數位訊號產生：
  精確計算每顆衛星的軌道、時鐘偏差、訊號結構（如 C/A 碼、P(Y) 碼、M 碼、BOC 調變等），並產生基頻 I/Q 數據。
• 射頻上變頻：
  將數位基頻訊號轉換為 L1、L2、L5 等真實的射頻訊號，並確保其頻譜純淨度、功率準確性。
• 動態軌跡模擬：
  能夠模擬從靜止、低速到超高音速、高角速度、高加速度甚至高躍度（Jerk/Jounce）的複雜運動軌跡。
• 環境模型：
  包含精確的大氣層（電離層 Klobuchar/NeQuick G，對流層 Saastamoinen/Hopfield）模型、多路徑模型（如 3GPP 標準）、天線增益/相位模型，甚至干擾/欺騙訊號疊加。

保真度與成本/複雜度之間的權衡，是 R&D 人員選擇模擬器時必須考量的因素。

紀錄與回放：捕捉現實的複雜性

模擬雖強大，但無法 100% 複製現實的隨機性與未知性；XPLORA Trace 這類的紀錄與回放系統，提供了關鍵的補充：

• 捕捉「意外」：
  它能錄下那些難以預測或模擬的真實干擾事件、特殊多路徑環境或大氣異常現象。
• 驗證模擬器：
  可以用錄製的真實數據來驗證模擬器模型的準確性。
• 重複除錯：
  將現場遇到的問題帶回實驗室，進行無限次的回放與分析，大大提高除錯效率。

硬體迴路 (HIL) 測試：整合真實硬體

對於許多應用（如自動駕駛 ECU、飛行控制器），單純測試 GNSS 接收器是不夠的；HIL 測試將 GNSS 模擬器與真實的硬體控制器連接，讓控制器「以為」自己正在真實世界中運行，從而測試整個系統的響應與決策。

OHB GNSS 監測與分析流程，從監測、偵測、告警到故障排除與評估，這套完整的閉環思維同樣適用於指導 R&D 過程中的測試與驗證策略。
 

OHB XPLORA 系列：賦能前瞻研究的精密儀器

OHB 的 XPLORA 系列 正是為了應對上述挑戰而生，提供從入門到高階的完整工具鏈。

XPLORA One：學術探索的基石

XPLORA One 不僅僅是「成本優化」，它更是通往 GNSS 研發的大門；它通常提供數十個通道，支援主流的 GNSS 星座與 L1 頻段，足以滿足大學課程教學、基礎演算法驗證（如快照定位、SDR 接收器設計）的需求；其開放的 API 介面，更允許與 MATLAB、Python 或 C++ 等工具整合，方便學生與研究人員進行二次開發與探索。

XPLORA One 以其靈活性與開放性，為學術界提供了一個功能強大且易於使用的 GNSS 模擬與 SDR 研發平台。
 

XPLORA Pro：挑戰極限的性能標竿

XPLORA Pro 則代表了模擬技術的巔峰；它提供數百甚至上千個通道，支援所有現有及規劃中的 GNSS 星座與頻段；其即時能力是關鍵，能夠以極低的延遲產生訊號，使其成為 HIL 測試的理想選擇；它能模擬極端的高動態場景、複雜的多路徑與干擾環境，並支援 CRPA（可控接收模式天線）測試所需的精確多天線訊號產生，是航空、國防及高端汽車研發的必備工具。

XPLORA Trace：再現真實的數位雙生

XPLORA Trace 的價值在於其高保真紀錄能力；它提供寬廣的射頻頻寬選項，確保能捕捉到 GNSS 頻段內的所有訊號細節，包括微弱訊號和瞬態干擾；其大容量儲存方案與高效的 I/Q 數據格式，方便長時間紀錄與後續處理；其精確的回放能力，確保實驗室中重現的場景與真實世界高度一致，為演算法驗證與問題分析提供了「黃金標準」數據。

XPLORA Trace 的高保真紀錄與回放能力，使其成為捕捉和分析真實世界 GNSS 挑戰（尤其是干擾與欺騙）的關鍵工具。
 

深入學術殿堂：大學 R&D 應用場景剖析

大學是這些工具發揮巨大潛力的舞台：

• LEO 星座研究：
  研究人員利用 XPLORA Pro 模擬 LEO 衛星快速變化的都卜勒頻移、短暫的可見時間窗口、以及與 MEO/GEO 衛星混合導航時的複雜演算法，探索其 PNT 的潛力與挑戰。
• 高動態導航：
  在航空或飛彈研究中，利用 XPLORA Pro 測試 IMU 與 GNSS 深度耦合（Deeply Coupled）或緊密耦合（Tightly Coupled）演算法在高 G 值、高角速度下的穩定性與精度。
• SDR 與抗干擾：
  學生使用 XPLORA One 學習 GNSS 訊號結構並開發自己的 SDR 接收器，而進階研究人員則利用 XPLORA Pro 模擬複雜的干擾/欺騙場景，並利用 XPLORA Trace 提供的真實數據，來驗證其抗干擾演算法（如自適應波束成形、空時處理）的有效性；他們甚至可以參考 GIDAS 的偵測模型來設計自己的演算法。

圖說：GIDAS 干擾偵測模型啟發 R&D 人員思考如何從載波雜訊比（CNR）、功率譜密度（PSD）、接收功率、都卜勒頻移、偽距及 PVT 解算等多個維度，綜合偵測干擾威脅。
 

圖說：GIDAS 欺騙偵測模型展示了更進階的技術，如利用空間相關性（多天線）、相關峰值形狀、接收機鐘差及自主完好性監測（ARAIM）等指標，來識別更隱蔽的欺騙攻擊。
 

從實驗室到市場：應用研究的實踐之路

應用研究則更關注將技術轉化為實際產品：

• 自動駕駛：
  汽車製造商利用 XPLORA Pro 進行大規模 HIL 測試，模擬數千種可能的城市峽谷、隧道、高架橋下的 GNSS 訊號場景，並結合干擾/欺騙測試，確保其自動駕駛系統的 PNT 模組達到 ASIL（汽車安全完整性等級）要求。
• 無人機 (UAV)：
  無人機公司利用 XPLORA Trace 錄製訊號受擾區域的數據，開發在 GNSS 拒止環境下的備用導航方案（如視覺/慣性導航），並利用 XPLORA Pro 測試其反欺騙能力。
• 關鍵基礎設施：
  電力公司、電信運營商利用 GIDAS 系列產品進行 24/7 監測，確保其時間同步系統的穩定性，同時利用 XPLORA Pro 測試其備用授時方案在 GNSS 遭受攻擊時的切換可靠性。

圖說：GIDAS Portable 這類工具不僅用於現場部署，其背後的偵測技術與積累的數據，對於指導和驗證 R&D 階段的 PNT 韌性設計至關重要。
 

超越現在：OHB 全方位方案 與 PNT 的未來

OHB 的產品組合，從 XPLORA 系列 的模擬與紀錄，到 GIDAS 系列（GIDAS、GIDAS Rackmount、GIDAS Portable、GIDAS Embedded）的監測，再到 NavTD M23 的國防級測試，以及 Spaceborne 的太空應用，構成了一個閉環生態。

而 PNT 的未來，將更加依賴於 R&D 的突破：

• AI/ML 賦能 PNT：
  利用機器學習識別複雜的干擾/欺騙模式、智慧融合多源感測器、預測大氣延遲。
• 量子導航曙光：
  基於冷原子干涉儀等的量子感測器，有望實現不依賴外部訊號的自主導航，但其小型化與實用化仍需大量 R&D 投入。
• 訊號認證普及：
  Galileo 的 OSNMA、GPS 的 Chimera 等訊號認證服務將逐漸普及，R&D 需要開發支援這些服務的接收器與驗證平台。
• 雲端模擬與 PNTaaS：
  基於雲端的 GNSS 模擬服務將降低 R&D 門檻，而 PNT 即服務將推動更多創新應用。

結論：精準模擬，是點亮 GNSS 未來的火炬

GNSS R&D 是一場永無止境的探索，它在追求更高精度的同時，更要構築一道堅不可摧的安全防線；在這場探索中，高階、高保真、高靈活性的模擬與測試工具，如同黑暗中的火炬，照亮前行的道路，也如同堅實的盾牌，抵禦未知的風險。

OHB Digital 的 XPLORA 系列及相關解決方案，正是這樣一套為研發人員量身打造的「火炬」與「盾牌」；它們不僅提供了測試硬體的能力，更提供了一套理解、分析、應對 GNSS 複雜挑戰的方法論；透過精準模擬與深度測試，我們才能確保未來的 PNT 系統，無論面對何種挑戰，都能堅定地指引方向，驅動全球邁向更智慧、更安全、更高效的未來。