利用 HIL 架構實現 6+2 軸物理機動與 GNSS 動態遮蔽的微秒級同步

在現代導航戰（Navigation Warfare, NAVWAR）與自動駕駛的高階驗證中，一個常被忽視但至關重要的物理現象是：「姿態決定視野」，當一輛戰術車輛在崎嶇路面劇烈顛簸，或一架無人機在城市峽谷中大角度側飛時，其天線相對於天空的指向會瞬間改變，這表示原本可見的衛星可能會被車體自身的結構（如砲塔、尾翼）遮擋，或者被周遭的建築物瞬間阻斷。

傳統的測試將「運動」與「訊號」分開：振動台只負責搖晃，GNSS 模擬器只負責跑軌跡，這種割裂的測試無法重現「動態遮蔽」（Dynamic Obscuration）——即當載台物理上發生傾斜（Roll/Pitch）時，衛星訊號是否同步發生中斷？如果物理上車子向左傾斜 15 度，但模擬的 RF 訊號沒有同步改變接收場型，導航濾波器（Kalman Filter）就會接收到錯誤的觀測值，導致位置發散。

為了解決此一「時空斷裂」難題，工程界引入了結合「6+2 軸複合運動平台」與「即時硬體在環（HIL）」的整合架構，本文將深入解析如何透過 EtherCAT 實時通訊骨幹，將物理層的機械運動與訊號層的遮蔽模型進行微秒級（Microsecond-level）的鎖定，構建全域動態驗證場域。

系統架構：頻率、空間與訊號的三位一體

要實現物理與訊號的完美同步，系統必須由三個核心子系統組成，並透過統一的時脈進行指揮。

物理層：6+2 軸複合運動機構

此層負責重現載台的真實物理狀態。

• XY 平移平台：負責模擬載台在虛擬地圖上的絕對位置變化（如穿越十字路口），其 ±1 公尺的大行程能模擬車輛的過彎側滑（Skid）或變換車道。
• 六軸史都華平台：疊加於 XY 軸之上，負責模擬載台的姿態（Attitude），例如，當車輛駛上路沿石（Curb）時產生的瞬間 10 度側傾。

訊號層：具備幾何遮蔽運算的 GNSS 模擬器

此層的核心在於OHB XPLORA 或 CAST Navigation 這類高階模擬器，它們不僅產生射頻訊號，更內建了複雜的幾何運算引擎：

• 車體遮蔽（Body Mask）：定義載台自身的 3D 模型（如機翼、砲塔），當平台模擬俯仰（Pitch）動作時，模擬器會即時計算天線是否被自身結構遮擋。
• 環境遮蔽（Vertical Obstacles）：定義虛擬城市中的建築物高度與位置，當 XY 平台移動時，模擬器會計算視線（Line-of-Sight, LOS）是否被建築物截斷。

連結層：EtherCAT 實時神經網路

這是同步的關鍵，系統採用 EtherCAT 作為通訊骨幹，以 1kHz（每毫秒一次）甚至更高的頻率，同步傳輸「運動指令」與「訊號參數」，這確保了當機械手臂動作的瞬間，射頻訊號的相位與遮蔽狀態也在同一毫秒內發生變化，消除了「運動-光子延遲」（Motion-to-Photon Latency）。

核心技術解析：如何同步「物理傾角」與「虛擬遮蔽」？

同步並非單純的觸發（Trigger），而是連續的狀態耦合，以下是從物理動作到訊號遮蔽的完整數據鏈路解析。

步驟一：6-DOF 軌跡注入 (Trajectory Injection)

測試開始時，主控電腦（Host PC）運行著虛擬場景（如 Ansys STK 或 CarSim），它計算出載台在每一時刻的 位置（Lat, Lon, Alt） 與 姿態（Roll, Pitch, Yaw），這些數據透過 HIL 介面（如 UDP 或 EtherCAT）即時發送給 6+2 軸控制器與 GNSS 模擬器，重點在於，CAST 或 XPLORA 模擬器 支援 「遠端運動介面」（Remote Motion Interface），能以高達 250Hz 的更新率接收這些外部軌跡數據。

步驟二：即時視線運算 (Real-time LOS Calculation)

當 6+2 平台的六軸機構執行一個「向左側傾 15 度」的動作時，GNSS 模擬器內部會同步執行座標變換：

1. 旋轉天線座標系：模擬器將虛擬天線的接收場型（Antenna Pattern）向左旋轉 15 度。
2. 重新計算可見性：系統檢查此時的衛星視線（LOS）。原本位於右側低仰角的衛星，可能因為天線向左傾斜而被車體右側的結構（Body Mask）遮擋；或者原本被左側大樓擋住的衛星，因為車體傾斜而露出來。

步驟三：動態功率控制與中斷

一旦計算出某顆衛星被遮蔽，模擬器會在下一個 RF 更新週期（通常 < 5ms）內，將該衛星的訊號功率瞬間衰減（例如降低 30dB 或直接關閉），這使得安裝在 6+2 平台上的真實 GPS 接收機（DUT），在感受到物理傾斜的同時，也精確地失去了對應方向的衛星訊號，這種「體感與視覺的一致性」是驗證感測器融合演算法（Sensor Fusion）的絕對前提。

車體遮蔽罩（Body Mask）模型示意圖，在 HIL 測試中，隨著 6+2 平台模擬車輛姿態改變，不同角度的衛星訊號將被動態遮蔽。

關鍵應用場景：驗證「迷航」邊界

透過上述架構，工程師可以在實驗室內重現極端危險的邊界測試。

場景一：戰術車輛的側傾與訊號丟失

想像一輛裝甲車在城市廢墟中高速轉彎並駛過瓦礫堆。

• 物理動作：XY 平台模擬轉彎離心力，六軸平台模擬車身劇烈側傾（Roll）。
• 訊號同步：隨著車身側傾，原本被高樓遮蔽的一側天空突然暴露，而另一側則被自身砲塔遮擋。
• 驗證目標：測試導航電腦能否在衛星星座（Constellation）瞬間劇烈變化的情況下（例如 PDOP 值突然飆高），利用 IMU 的慣性數據維持定位精度，而不會發生位置跳變（Position Jump）。

場景二：艦載系統的動態遮蔽

軍艦的上層結構（桅桿、雷達罩）是巨大的遮蔽源。

• 物理動作：6+2 平台模擬 5 級海象下的船體搖晃（Roll/Pitch ±15°）。
• 訊號同步：設定模擬器的 Body Mask 為艦艇上層結構，隨著平台搖晃，衛星訊號會呈現週期性的遮蔽與恢復（Intermittent Signal）。
• 驗證目標：驗證接收機的重獲取時間（Reacquisition Time），當訊號因船體搖晃而短暫中斷後，接收機多快能重新鎖定？這對於無人機降落導引至關重要。

技術挑戰與解決方案：對抗延遲

在 HIL 系統中，最大的敵人是延遲（Latency），如果平台已經向左傾斜了，但 200ms 後 GPS 訊號才斷掉，受測的導航電腦會判定感測器數據不一致（Inconsistency），導致測試失敗。

前饋補償 (Feed-forward Compensation)

為了將端對端延遲控制在容許範圍（通常 < 10ms）內，奧創系統的整合方案採用前饋控制策略，實時控制器會預測下一個時間步長（Time Step）的運動狀態，並提前發送訊號指令給 GNSS 模擬器，以抵消硬體運算與傳輸的固有延遲，這確保了物理運動到達峰值的瞬間，RF 訊號的變化也剛好發生。

全域動態 HIL 系統架構圖，展示實時控制器如何透過 EtherCAT 同步驅動運動平台與 RF 訊號生成，實現微秒級同步。

定義動態生存率的黃金標準

總結來說，透過將「6+2 軸複合運動平台」與「具備遮蔽運算的 GNSS 模擬器」進行深度 HIL 整合，我們不再只是測試接收機的靈敏度，而是在驗證整個導航系統在物理極限狀態下的生存邏輯，這種架構讓工程師得以在實驗室內，反覆執行「高速過彎遮蔽」、「艦體搖晃斷訊」等高風險測試，確保未來的無人載具與戰術裝備，在面對真實戰場的動態混沌時，仍能保持冷靜、精準的導航能力。

針對高階導航戰與載具動態驗證，奧創系統科技（Ultrontek） 提供了完整的整合式解決方案：

• 物理層：
  整合 SANLAB SMotion 系列高動態 6+2 軸平台，具備優異的 EtherCAT 介面與高頻寬響應。
• 訊號層：
  整合 OHB XPLORA 與 CAST Navigation 高階模擬器，特別推薦 XPLORA Pro，其支援高達 250Hz 的 HIL 更新率與精細的 Body Mask 編輯功能，能完美對應高動態遮蔽測試。
• 同步核心：
  奧創自主整合的 Real-time HIL 解決方案，能處理微秒級的運動與 RF 同步，並支援 ACE9600 通道模擬器與 R&S 電子戰測試設備的擴充，為客戶打造國防級的全域動態驗證實驗室。

ACE9600 是一款高精度衛星通訊與無線通訊通道模擬器，支援 600 MHz 瞬時頻寬、RF 鏈路模擬、多重路徑衰減與動態環境測試，適用於 LEO/MEO/GEO 衛星、UAV、車載與船舶通訊驗證，並提供遠端控制與可擴展頻率架構