實驗室裡的星際效應：從 GNSS 模擬到 5G NTN 非地面網路的驗證挑戰

在現代科技的精密運作中，有一個無形卻至關重要的「心跳」，那就是來自太空的定位與授時訊號（PNT: Positioning, Navigation, and Timing），從您手機的地圖導航、自動駕駛汽車的車道維持，到金融交易的時間戳記，這一切都依賴著兩萬公里高空的衛星星系——GPS、Galileo、GLONASS 與 BeiDou。

然而隨著 5G 非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTN） 與 低軌道衛星（LEO） 通訊的興起，我們不再僅僅是被動接收訊號，而是開始構建一個天地一體的通訊架構，這帶來了前所未有的挑戰：我們如何在還沒發射衛星之前，驗證這些系統的可靠性？如何在實驗室的封閉空間內，模擬出以每秒 7.5 公里高速移動的衛星所產生的極端都卜勒效應？ 本文將帶您進入高階訊號模擬的世界，探討工程師如何透過「數位雙生（Digital Twin）」技術，在實驗室中複製整個宇宙的電磁環境。
 

時間與空間的欺騙術——GNSS 模擬器的核心邏輯

要測試一個導航接收機，最直觀的方法似乎是拿到戶外去跑一圈，但在工程研發（R&D）與認證階段，這種「路測（Field Test）」往往是不可行的。

路測的不可重複性

真實的衛星訊號是永遠在變化的，衛星在軌道上運行，電離層（Ionosphere）的狀態隨太陽活動而波動，甚至街道上的車流也會改變多路徑反射的條件，這表示如果你今天在路測中發現了一個 Bug，明天你幾乎無法在完全相同的條件下重現它，此外要在極端條件下測試（例如高超音速飛行或太空載具對接），實際測試的成本與風險更是天文數字。

構建「虛擬天空」

因此，GNSS 訊號模擬器 成為了必要的工具，它的核心任務是對接收機進行完美的「欺騙」，先進的向量訊號產生器（如 R&S SMBV100B）能夠即時計算並產生多達 102 個衛星頻道的訊號，涵蓋 L1、L2、L5 等多個頻段，模擬器必須精確處理兩個層面的物理現象：

1. 軌道力學與時脈誤差：
   模擬器需要即時計算每個衛星相對於接收機的幾何位置，並模擬相對論效應對衛星時脈的影響。
2. 訊號傳播特性：
   這是最複雜的部分，訊號穿過大氣層時會發生延遲，遇到建築物時會被遮蔽（Obscuration）或反射（Multipath）。

高階 GNSS 模擬器介面，能夠同時視覺化多個星系（GPS/Galileo/GLONASS/BeiDou）的衛星分布（Sky View）與動態使用者的地面軌跡。
 

不僅是直線傳播——大氣、多路徑與遮蔽效應

理想的物理基礎中無線電波是直線傳播的，但在真實的城市峽谷（Urban Canyon）中，情況遠比這複雜。

大氣層的數學模型

當衛星訊號穿越電離層與對流層（Troposphere）時，會因為大氣密度的變化而產生折射與延遲，對於高精度的 RTK（Real-Time Kinematic）定位來說，幾奈秒的誤差都可能導致公分級的定位偏差，現代模擬器允許工程師加載標準的大氣模型（如 Klobuchar 或 NeQuick 模型），甚至可以自定義電離層網格（Ionospheric Grid），以模擬閃爍（Scintillation）等極端太空天氣對訊號的影響，

多路徑（Multipath）與遮蔽

當車輛行駛在摩天大樓之間，接收機往往收不到衛星的直射訊號（Line-of-Sight, LOS），只能收到經過玻璃帷幕反射的「回波」，這就是所謂的多路徑效應，模擬器必須具備產生「回波」的能力，透過設定回波的延遲（Delay）、都卜勒頻移（Doppler Shift）和衰減（Attenuation），工程師可以在實驗室中重現出車輛經過高樓時，訊號在牆壁間彈跳的複雜場景。

更進一步，透過 3D 遮蔽模擬（Obscuration Simulation） 功能，系統可以根據車輛的姿態（Attitude）和周遭環境的 3D 模型，自動計算哪些衛星被建築物擋住了，哪些衛星的訊號會變弱，從而實現動態的功率控制。

自動多路徑與遮蔽模擬示意圖，當模擬車輛行駛於建築物旁時，系統會自動計算視線（LOS）遮蔽並產生相應的反射回波訊號。
 

硬體迴路（HIL）——自動駕駛的虛擬試驗場

在自動駕駛（AD）與先進駕駛輔助系統（ADAS）的開發中，GNSS 不僅是導航工具，更是感測器融合（Sensor Fusion）的關鍵輸入，為了驗證整車系統的安全性，硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HIL） 測試成為了標準流程。

即時的閉迴路反饋

在 HIL 架構中，車輛的電子控制單元（ECU）被放置在測試台上，而 GNSS 模擬器則扮演「上帝」的角色，當 ECU 發出「加速」指令時，車輛動力學模型會計算出虛擬車輛的新位置和速度，並以高達 100 Hz 的更新率即時回傳給 GNSS 模擬器，模擬器必須在極短的延遲內（Latancy），調整輸出的射頻訊號，讓接收機「感覺」到自己正在加速，這種測試可以驗證在隧道進出、高速公路匝道或緊急煞車等動態場景下，導航系統是否能維持穩定，且不會因為訊號跳變而導致車輛誤動作，

硬體迴路（HIL）測試架構圖，HIL 模擬器即時計算載具的運動參數（位置、姿態），並控制 GNSS 模擬器產生對應的射頻訊號，形成閉迴路驗證。
 

5G NTN——當基地台飛向太空

隨著 3GPP Release 17 標準的凍結，5G 非地面網路（NTN）正式將衛星通訊納入行動通訊的版圖，這代表著未來的 5G 手機將能直接連接低軌道（LEO）衛星。

高速移動帶來的都卜勒挑戰

與位在 36,000 公里高空、相對地球靜止的同步軌道衛星（GEO）不同，LEO 衛星以極高的速度（約 7.5 km/s）繞行地球，這對通訊鏈路產生了巨大的 都卜勒頻移（Doppler Shift），對於測試設備而言，這表示它不僅要模擬訊號的強度變化（隨著衛星升起和落下），還要動態模擬頻率的快速漂移，頻率誤差如果不被精確補償，通訊鏈路將無法建立。

軌道參數與星曆模擬

為了測試 NTN 設備，工程師需要導入由兩行軌道要素（Two-Line Elements, TLE）定義的真實衛星軌道數據，測試系統需要根據這些軌道參數，實時計算衛星與地面終端（UE）之間的距離變化、相對速度以及可見時間窗，這要求訊號產生器具備極高的頻率捷變能力與相位穩定度，以確保在模擬衛星「飛過」頭頂的短短幾分鐘內，能夠維持穩定的連接。

干擾與共存——頻譜戰爭中的生存之道

在頻譜日益擁擠的今天，GNSS 頻段（L1/L5）周圍充滿了各種無線電訊號。如何確保導航接收機在強干擾下仍能工作，是另一個重要課題。

鄰頻干擾與紅皮書（RED）測試

歐盟的無線電設備指令（RED）明確要求 GNSS 接收機必須具備一定的抗干擾能力（Adjacent Frequency Selectivity），這需要測試系統能夠產生一個乾淨的 GNSS 訊號，同時在相鄰頻段產生一個高功率的干擾訊號（如 LTE 或 5G 訊號），以此驗證接收機的靈敏度是否下降。

欺騙（Spoofing）攻擊的防禦

更危險的是惡意的「欺騙」訊號，攻擊者會發射比真實衛星更強的假訊號，誘騙接收機定位到錯誤的位置，高階的 GNSS 模擬器現在也被用於開發抗欺騙演算法，透過同時產生「真實」與「欺騙」兩組星系訊號，並微調它們的功率比與時間差，研究人員可以驗證接收機是否能識別並過濾掉異常的訊號特徵。

從地面到太空的數位橋樑

從傳統的 GPS 定位到新興的 5G NTN 衛星通訊，無線電技術正在打破地表的限制，然而要讓這些技術安全可靠地服務於人類，離不開在實驗室中進行的嚴苛驗證；透過先進的訊號模擬技術，我們得以在幾平方公尺的實驗室內，摺疊數萬公里的空間與時間。無論是模擬電離層的微小擾動，還是重現低軌衛星的高速飛掠，這些測試手段不僅確保了導航的精準度，更為未來的立體交通網路奠定了安全的基石。

推薦解決方案

針對本文探討的 GNSS、HIL 及 5G NTN 測試需求，R&S 提供了業界領先的訊號模擬與驗證平台：

R&S SMBV100B 向量訊號產生器

• 這是測試 GNSS 接收機的黃金標準，它支援 GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou 等所有主要星系，並具備強大的即時模擬能力，能產生高動態（High Dynamics）場景，適用於 HIL/VIL 測試。
• 其先進的選配功能（如 R&S SMBVB-K108 Real-world simulation）可模擬多路徑、遮蔽及大氣效應，讓實驗室測試無限接近真實世界，

R&S SMW200A 高階向量訊號產生器

• 對於需要雙路徑（Dual-path）或多天線（MIMO）以及複雜干擾場景的高階測試，SMW200A 提供了無與倫比的效能，它能同時模擬 GNSS 訊號與高強度的 5G/LTE 干擾訊號，是進行 RED 合規測試與抗干擾演算法開發的理想選擇。
• 支援 5G NTN 測試，可模擬低軌道衛星的高都卜勒頻移場景。

R&S CMX500 無線通訊測試儀

• 針對 LBS（Location Based Services）與 A-GNSS（輔助導航）測試，CMX500 結合 SMBV100B，可進行完整的協議一致性與效能測試（Protocol & Minimum Performance Testing），確保行動裝置在 5G 網路下的定位性能。

R&S TS-LBS 位置服務測試系統

• 這是一套經 GCF/PTCRB 認證的自動化測試系統，涵蓋了從研發到營運商驗收（Carrier Acceptance）的所有 LBS 測試需求，支援緊急呼叫（eCall/E911）與最新的 5G NR 定位技術。

推薦測試解決方案

CRPA 抗干擾天線測試解決方案

奧創系統提供一站式 CRPA 抗干擾測試方案。整合 OHB XPLORA One 與 R&S FSW，支援 4-16 元件波前模擬、暗室與戶外場域驗證。針對 GNSS 干擾與欺騙 (Spoofing) 威脅，提供客製化戰場情境模擬與零陷 (Nulling) 效能分析。
 

奧創系統科技 (Ultrontek) 提供從經濟高效的實驗室驗證到高階暗室波前模擬的 一站式 CRPA 測試解決方案，結合 OHB XPLORA One 的靈活模擬能力與 R&S FSW 的頂尖分析精度，依據您的劇本設定需求提供1個RF通道1顆衛星的模擬，真正實現真實天空衛星的分佈狀況
 

LEO 衛星通訊動態追蹤與姿態模擬開發平台

整合 OHM⁺ 毫米波相控陣列天線與客製化高負載三軸平台，專為 B5G/LEO 衛星通訊演算法開發、移動式衛星通訊 (SOTM) 及導航戰測試設計的一站式動態驗證系統。
 

LEO 衛星通訊動態追蹤平台示意圖：整合毫米波接收器與高負載三軸旋轉平台
 

GNSS 硬體迴路 (HiL) 即時模擬測試解決方案

探索 R&S GNSS 硬體迴路 (HiL) 即時模擬方案，我們提供高達 100Hz 更新率與超低延遲的六自由度 (6-DoF) 軌跡模擬，讓您在實驗室內，就能安全、精準地驗證汽車與航空國防的 GNSS 系統。

 

整合 R&S®SMBV100B 的 HIL 測試設置