從干擾、欺騙到地形遮蔽：探究高階模擬器如何應對 GNSS 接收的極端考驗

克服 GNSS 測試瓶頸：深入探討進階波前模擬技術與應用

除了傳統的陸地、航空器和航海等應用場景之外，GNSS (全球導航衛星系統) 技術正迅速滲透到我們日常生活的各個層面，成為不可或缺的一部分；其應用範圍廣泛；從營造業中用於重型機械精確作業的 3D 機械控制系統，到農業領域實現高效作業的半自動化收割與種植技術，GNSS 已然是現代貨物與服務追蹤、電信通訊基礎設施，以及未來備受期待的自動駕駛汽車等領域的核心技術。

然而，在營造、農業、運輸以及至關重要的軍事應用中，對 GNSS 的持續需求、深度整合和高度依賴，也同時引發了業界對於訊號可靠性的普遍擔憂， 試想在收割廣闊農田時若發生訊號遺失，可能導致嚴重的時間延誤與成本損失；而對於航空器或地面車輛而言，訊號失落更潛藏著危及安全的巨大風險；近期一則新聞報導提及，一名卡車司機僅使用一個價值 50 美元的廉價干擾器，便意外地中斷了鄰近機場的 GNSS 訊號，影響其正常運作；這個案例突顯了在許多高度依賴 GNSS 進行精確導航和時間同步的應用中，使用者完全無法承受任何形式的操作中斷。

面對這些挑戰，進行 GNSS 接收器能力驗證與潛在干擾條件分析的最佳途徑，便是透過精密的模擬測試， 儘管過去數年間，模擬器的演算法功能與可擴展性相對有限，從而限制了測試的廣度與深度；但如今的技術已大幅超越這些限制。

CAST-5000 GPS 波前產生器 (Wavefront) 即為新一代高精確度與高準確性模擬器，其強大功能遠不僅止於重現理想的衛星訊號條件， 此機種是專為模擬多樣化真實情境而設計，涵蓋開放天空、都市建成區、鄉村行人與鄉村車輛移動、固定使用者站點，以及航空條件等；CAST-5000 本質上是一款 CRPA (Controlled Reception Pattern Antenna - 受控接收模式天線) 測試儀，能夠細膩模擬各種可能遭遇的潛在條件，包含干擾/欺騙 (Jamming/Spoofing)、多路徑 (Multipath) 效應、大氣層延遲、環境因素影響，乃至於衛星星系擾動等，幾乎適用於所有商業和軍事應用場景的驗證需求。

以下內容將深入剖析先進的 CAST-5000 解決方案所具備的部分頂尖模擬能力及其技術細節。
 

端對端測試

CAST-5000 模擬器能夠產生單一、空間一致性的 GPS RF 訊號波前，用以在實驗室環境或電波暗室這類受控場域中，進行可高度重複的接收器性能測試，提供可重複的測試結果，這對於可靠的性能驗證至關重要， 值得強調的是，它是目前市場上唯一一款允許對天線系統執行完整端對端測試 (End-to-End Testing) 的 CRPA (受控接收模式天線) 測試儀，確保從天線、纜線、電子元件到接收器的整體系統性能得以全面評估。

標準配置的 CAST-5000 系統可模擬達 12 顆衛星的星系，涵蓋 L1、L2 頻段及 CA 碼、P 碼、AESM {M 碼} Y 碼等訊號，並可選配 SAASM (Selective Availability Anti-Spoofing Module - 選擇可用性反欺騙模組) 與 M 碼 SDS (Signal Data Subframes - 訊號資料子訊框) 功能；同時能對多達七個 CRPA (受控接收模式天線) 元件進行測試；為支援此多元件測試能力，此模擬器可同步產生七路獨立且相位同調 (coherent) 的模擬訊號流，所有訊號均參考單一空間基準點，藉此實現極高的相位精度，將不同 RF 產生器卡片所輸出的載波訊號之間的相位誤差嚴格控制在小於一公分的水平內。

每一組 RF 產生器卡負責提供一整組 GPS 衛星訊號，並能將這些衛星訊號與相對應的各類干擾訊號進行同調性組合， 透過組合運用數個 RF 產生器卡組，便能為待測物提供精確相位同調的合成輸出訊號；更進一步地，此測試架構允許將 CRPA 天線本體、天線電子元件 (如 LNA、濾波器) 以及 GPS 接收器模組視為一個完整的單元進行整合測試，無論是否需要在電波暗室中進行實際的訊號輻射測試。

除了產生單一一致性 GPS 波前這項核心功能外，CAST-5000 還整合了眾多其他先進特性，使其具備領先的技術能力， 這些特性包括：支援複雜載具動態的 6-DOF (六自由度) 運動軌跡產生能力、用於分析記錄資料的任務後處理功能、精密的多路徑效應建模、帶有精確時間標記的衛星事件模擬（如衛星升降、訊號遮蔽），以及可由使用者修改的導航訊息內容， CAST-5000 的設計宗旨即是為了能夠在實驗室環境中，忠實重現真實世界可能發生的各種異常狀況，並提供穩定可重複的回放 (playback) 能力，協助工程師深入理解問題根源並開發有效的解決方案。

而在眾多測試應用中，最常見的情境之一，便是在各種不確定條件下（例如存在干擾或欺騙訊號時）嚴格測試天線與接收系統的反應與性能。

 

圖：用於 4 元件 CRPA 的 12 顆衛星 GNSS 波前。
 

訊號干擾

無論是有意或無意的衛星訊號干擾，以及意圖透過複製訊號來誤導定位資訊的訊號欺騙，這兩類事件的發生頻率正持續增加；干擾與欺騙裝置的技術在過去二十年間取得了顯著進展，從早期相對簡單的單音 (single tone) 干擾，已演化至能夠產生看起來與真實 GNSS 訊號極為相似、甚至難以區分的全頻譜干擾， 從市面上可輕易購得的低成本干擾器，到衝突區域中部署的高功率 GNSS 干擾系統，各種類型的干擾源持續對 GNSS 應用構成威脅； 因此，理想情況下，系統開發人員需要有能力模擬所有可能的干擾情境，例如：隨機雜訊干擾、隨機脈衝干擾、旋轉極化干擾、週期性脈衝干擾、或模擬電氣設備產生的火花雜訊等情境。

正如抗干擾技術不斷演進一般，現代 GNSS 模擬器的性能也隨之提升，能夠更逼真地複製預期的複雜電磁環境，和/或用以測試那些宣稱能防止或濾除干擾訊號的解決方案之實際效果， 在此類模擬中，彈性 (Flexibility) 是關鍵要素；CAST-5000 的設計允許使用者根據測試需求，靈活地模擬干擾源的位置與運動軌跡，並能模擬搭載 GPS 的系統（如飛行器或車輛）進出干擾影響區域的過程。

試想一個應用場景：一架飛行器沿預定航線飛行時，遭遇一個正在以程式設定的速度和航向直線移動，或是在特定區域內進行跑馬場模式 (racetrack pattern) 繞行的移動干擾源， 當搭載 GNSS 的飛行器進入該干擾源的影響範圍時，操作員便能透過模擬，直接觀察干擾訊號對天線接收的影響，並可在該跑馬場邊界區域內，模擬注入不同類型與強度的干擾訊號。

除了人為干擾，自然地形也可能中斷衛星訊號的傳播路徑， CAST-5000 內建了地形遮蔽程式 (TOP - Terrain Obscuration Program) 功能，能夠模擬真實地理環境對訊號接收造成的影響， 啟用 TOP 功能後，模擬器會在整個模擬任務過程中，自動計算並檢查從使用者位置到每一顆可見衛星的視線 (line of sight) 是否被地形阻擋， 當衛星因為運行軌跡而移入或移出地形遮蔽區時，模擬器的演算法會自動開啟或關閉對應的衛星訊號。

例如，一架飛機飛越深邃山谷時，可能會因為山脈的地形遮蔽效應而暫時失去部分衛星的訊號， 若在預定飛行路徑的任何時間點，有衛星被地形遮擋，模擬器將自動在該時段內移除該衛星的訊號，使其對接收器不可見。

TOP 功能在另一種情境下也極具價值：
當非友善的干擾源部署在具有複雜或不尋常地形的區域周圍時， 開發人員可以利用此功能，模擬載具在接近該干擾環境的過程中，因地形遮蔽而導致整個衛星星系訊號逐漸喪失的情境，藉此得以同時評估因地形導致的衛星可見度下降，以及因干擾存在導致的 GPS 性能降級這兩種效應疊加後的綜合影響。
一旦干擾源的特性（如位置、訊號類型）已知，設計相應的抗干擾措施以移除該干擾就相對直接；然而，在實際應用中，干擾之後更需進一步考慮的是所謂的彈出式干擾 (pop-up jammer) 條件。

圖：在 CAST-5000 模擬中，操作員可以模擬干擾的開始（黃色圓頂）以及將完全失去訊號的時間點（紅色圓頂）—藉此測試非訊號接收導航輔助設備的價值。

圖：CAST-5000 能夠模擬帶有距離球體的樣本軌跡。
 

訊號複製

現今，如 CAST-5000 這般先進的模擬器，已具備在任何接收器測試中，模擬載入客製化的衛星年曆 (almanac) 與星曆 (ephemeris) 資料的能力，這提供了一種有效的方法來測試接收器本身的抗欺騙能力；CAST-5000 的設計使其能夠模擬多種複雜的欺騙器 (spoofer) 條件，包括模擬移動中的欺騙器，並能精確計算在整個模擬情境持續時間內，使用者從每一個欺騙器接收到的訊號功率和相位變化；CAST 系列模擬器採用以下三種方法之一來計算從欺騙器接收到的訊號相位，具體方法取決於所模擬的欺騙器類型：開放迴路 (Open-loop)、中繼器 (Repeater) 或追蹤器 (Tracker)：
 

開放迴路 (Open-loop) 欺騙器：

此類欺騙器在名義上與真實衛星大約同一時間發射特定衛星的 P 碼 (Precision Code) 訊號（但可能帶有錯誤資訊）， 使用者接收到的欺騙訊號相位（以等效距離單位表示）為：

ø = d - Δ(t)
（其中，d 代表欺騙器到使用者的直線距離；Δ(t) 代表一個鋸齒波形式的相位超前量，其週期、相位限制和變化斜率可由操作員指定，用以模擬時序上的偏差）
 

中繼器 (Repeater) 欺騙器：

此類欺騙器會先截收目標衛星的訊號，並利用接收到的衛星訊號來控制自身發射訊號的相位， 使用者接收到的欺騙訊號相位為：

ø = PRS + d - Δ(t)
（其中，PRS 代表欺騙器自身位置接收到的衛星偽距 (Pseudo-Range)； d 和 Δ(t) 的意義同上）
 

追蹤器 (Tracker) 欺騙器：

此類欺騙器透過同時追蹤目標使用者和目標衛星的動態，來精密控制其發射訊號的相位，目的是讓使用者接收到的欺騙訊號相位，在名義上盡可能等於真實 GPS 訊號的相位：
ø = PRU - Δ(t)
（其中，PRU 代表使用者在理想情況下應接收到的衛星偽距 (Ideal Pseudo-Range)；Δ(t) 的意義同上）

在實際測試中，一個常見的作法是模擬一個正在發送虛假資料（例如，設定不正確的資料標記或健康狀態旗標）的欺騙器，而同時模擬的真實衛星則發送正確的星曆資料，藉此觀察待測接收器在面對此類矛盾資訊時的反應與處理機制， 此外，操作員還可以在模擬過程中，人為引入微小的時脈誤差，例如：時脈偏置 (bias) 或時脈雜訊 (noise)，以評估接收器對時序偏差的容忍度。

彈出式干擾應對

想像一架飛機需要飛越數百英里的廣闊地域，根據其預定飛行路徑，很可能會途中遭遇連綿的山脈和蜿蜒的彎曲山谷—在這樣複雜的地形環境下，GNSS 訊號的短暫丟失和重新獲取是極為常見的現象。

一種貼近現實且具挑戰性的情況，是在飛行路線上突然遭遇所謂的彈出式干擾 (pop-up jammers)， 這類情況可能發生在飛機爬升越過一道山脊線的瞬間，突然暴露在先前因地形遮擋而不可見或未預期的強干擾能量之下；或是另一種常見於軍事作戰區域的狀況：一架飛機在低空飛行時，遭遇一個隱藏在僅有 240 度視線範圍可見的洞穴口的干擾源。

CAST-5000模擬器的強大之處在於，它能夠以極高的精確度創建幾乎無限多種這類貼近真實作戰或飛行環境的複雜情境，藉此進行更貼近實戰的任務規劃模擬與天線系統能力驗證。

模擬訊號反射

多路徑訊號 (Multipath signals)，指的是那些並非直接來自衛星，而是經由周遭物體（如建築、地面、水面等）反射後才抵達接收器的衛星訊號，這在都市建成區與鄉村環境中都是一種普遍存在且必須考慮的現象；高聳的建築物、茂密的樹木以及起伏的山脈都可能阻擋衛星訊號的直接視線路徑， 通常，來自衛星的原始訊號會被這些物體反射，導致無線電訊號需要經過更長的傳播路徑才能到達接收器，進而影響接收器對訊號相位與編碼的量測結果，這種效應會增加最終計算出的位置誤差，甚至可能導致定位結果出現不穩定的 GPS 跳動 (GPS jumps)。

CAST-5000 能夠精確複製由多個固定反射源、移動反射源，乃至於多重路徑反射源所造成的複雜多路徑效應， 模擬一個移動中的多路徑來源也是完全可行的， 例如：想像一輛汽車行駛在高速公路上，旁邊有一輛大型卡車伴隨行駛，這輛卡車本身就可能對汽車的 GPS 接收造成一定的訊號干擾與訊號反射，進而影響定位的精確度， 由於卡車與汽車之間的相對距離不斷變化，由卡車反射產生的多路徑訊號的延遲（即多路徑範圍）也隨之連續變化；此模擬器同樣可以模擬來自三到四個不同固定反射點（例如，距離使用者 50 碼外的一棟建築的不同牆面）的多個多路徑訊號疊加情境。
 

圖：CAST-5000 模擬器可以創建真實條件以評估 CRPA 天線響應。

圖：它還可以模擬 FRPA (Fixed Reception Pattern Antenna) 天線的低仰角覆蓋範圍。
 

大氣模擬

GNSS 訊號從外太空傳播至地面接收器的過程中，必須穿越地球大氣層中的電離層 (Ionosphere)， 電離層中的自由電子會對訊號產生影響，導致 GNSS 訊號的調變部分（攜帶測距碼和導航電文）產生傳播延遲，延遲量與路徑上的總電子密度 (Total Electron Content - TEC) 成正比（訊號在電離層中的傳播速度被稱為群速度 (group velocity)）， 而與此同時，同樣的物理效應會對 RF (射頻) 載波本身造成等效的相位推進 (phase advance)；當電離層活動劇烈時，可能產生所謂的電離層閃爍 (Scintillation) 現象，導致 GNSS 訊號的幅度和相位產生快速隨機起伏，這種閃爍的 GNSS 訊號會嚴重干擾接收器內部追蹤迴路的正常工作，容易導致訊號失鎖 (loss of lock)，進而降低定位的準確性、可用性和可靠性， 對於航空應用這類對安全性要求極高的操作而言，電離層閃爍引發的 GNSS 訊號不穩定是一個必須嚴肅對待的安全關鍵問題。

此外，由太陽活動引發的地磁風暴 (Geomagnetic storms)，可能持續數小時至一周不等，也會導致電離層中的電子密度異常增高並引發訊號傳播延遲， 這類事件可能在廣泛區域內，於一段較長時間內普遍性地降低 PVT (位置、速度、時間) 解算的精度與可靠性；如果地磁風暴還伴隨著無線電中斷風暴 (Radio Blackout Storms)，其效應甚至可能類似於強烈的寬頻干擾。

CAST-5000 具備模擬多種電離層和對流層 (Troposphere) 效應模型的能力，並且允許使用者編輯模型的相關參數（如 Klobuchar 模型參數、Grid TEC 資料等）， 它還提供了修改衛星年曆與星曆資料、模擬不同的資料與訊號健康狀態旗標、人為插入時脈誤差，以及模擬完整的衛星星系幾何誤差（例如，模擬衛星偏離預定軌道的交叉軌道 (cross track)、沿軌道 (along track)、向下軌道 (down track) 誤差）等進階功能。

模擬星系擾動的功能，是為了精確複製複雜的多星系環境 (multi-constellation environment) 條件，評估接收機在混合訊號環境下的表現。

總體而言，CAST-5000 能夠向待測接收單元呈現與其在真實操作環境中接收訊號方式高度一致的模擬訊號，為終端使用者提供了一套強大的工具，用以在實驗室控制條件下，全面評估接收器在各種不同且嚴苛操作條件下的性能表現。

專為多樣性量身打造

CAST-5000 GPS 波前產生器 (Wavefront) 的設計核心即是為了滿足廣泛的測試多樣性需求，其功能設計目的在於促進對各種複雜 GNSS 挑戰情境的模擬驗證，包括干擾、欺騙、星系擾動、多路徑效應、環境條件影響（如大氣延遲）以及天線佈局對性能的影響評估；操作員可以根據具體的測試目標，靈活地為每一次模擬「量身定製」所需的誤差來源及其參數， 一項獨特的優勢在於，由於模擬器的 RF 訊號輸出電纜可以直接連接到天線電子元件的輸入端（而不是接收器的 RF 輸入），操作員得以直接測試那些用於波束成形或抗干擾的、驅動天線電子元件的內部方程式與演算法之實際效能， 它能夠精確重現歷史記錄的異常事件或設計特定的壓力測試場景，有助於進行可重複且精確的回放分析，進而深入理解問題發生的機制、驗證解決方案的有效性，或全面評估特定天線的功能性。

CAST-5000模擬器是眾多專業使用者的理想選擇，包括負責將導航系統整合到飛機平台上的飛機整合商、生產先進航空電子設備的航空電子製造商，以及專門研發製造內嵌式 INS/GPS (EGI - Embedded GPS/Inertial Navigation System) 導航系統的導航設備製造商等， 此模擬器的高度靈活性，讓操作員能夠方便地測試從個別接收器晶片或模組、嵌入式 GNSS/INS (EGI) 單元、整合了其他感測器或設備的組合 EGI 系統，乃至於包含平台、天線和接收器的整個系統級別的性能。

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。