工業PNT新紀元
實現釐米級定位的挑戰與SDR/模擬技術
於智慧製造及自主機器人之應用

隨著工業4.0與智慧製造浪潮的席捲，以及自主移動機器人（AMR）和自動導引車（AGV）在倉儲、物流、生產線等環節的廣泛部署，對高精度、高可靠性、高更新率的定位、導航與授時（PNT）資訊的需求達到了前所未有的高度，在這些高度自動化、協同作業的工業場景中，PNT系統不再僅僅是輔助工具，而是確保生產效率、運營安全與流程優化的核心賦能技術，其精度要求正從傳統的米級、亞米級，迅速向釐米級甚至毫米級邁進，以支援如精密裝配、自主堆高機精準取放、AMR集群高效調度等複雜任務。

然而，典型的工業環境——無論是室內工廠、半開放式倉儲區，還是室內外混合場景——對傳統全球導航衛星系統（GNSS）而言，往往是極具挑戰性的「禁區」，訊號遮蔽、嚴重多路徑、來自大型機械設備或無線通訊系統的強電磁干擾，都使得單純依賴GNSS難以穩定實現釐米級定位；因此，結合GNSS、慣性導航系統（INS）、視覺定位（SLAM）、超寬頻（UWB）、5G網路定位等多種技術的多感測器融合PNT方案成為必然趨勢。

這場工業PNT的精度革命，對相關的測試與驗證技術提出了極為嚴苛的要求，如何在實驗室環境中精確複現工業場景的複雜性？如何全面評估融合PNT演算法在極端條件下的穩健性與精度極限？軟體定義無線電（SDR）理念的引入，以及基於此的先進GNSS測試與多源訊號模擬技術，為解決這些難題提供了關鍵鑰匙；本文將深入剖析工業環境下實現釐米級PNT的挑戰，並重點闡述SDR與模擬技術在此過程中的核心應用與價值。

工業環境PNT的「試煉之路」－從訊號遮蔽到多感測器融合的挑戰

工業場景對GNSS訊號的嚴峻考驗

現代工廠、倉庫及物流中心等工業環境，對GNSS訊號的傳播極不友好：

• 室內與半開放空間的訊號遮蔽與衰減：
  廠房的鋼結構屋頂、厚重牆壁、大型貨架、以及林立的生產設備都會對GNSS訊號造成嚴重遮蔽和穿透損耗，導致訊號強度急劇下降甚至完全不可用。
• 金屬結構引發的強多路徑效應：
  大量的金屬表面（如機床、貨架、金屬牆壁、大型車輛）會產生強烈的GNSS訊號反射，形成極其複雜的多路徑干擾，嚴重污染偽距離和載波相位觀測值，是實現釐米級精度的主要障礙。
• 來自工業設備的強電磁干擾（EMI）：
  大型馬達、變頻器、焊接設備、無線遙控器、以及工廠內部部署的Wi-Fi/藍牙/私有無線網路等，都可能產生強烈的射頻干擾，壓制微弱的GNSS訊號，導致接收機訊噪比（C/N₀）下降、失鎖。

釐米級定位的技術路徑：RTK、PPP與多感測器融合

為在工業環境中實現釐米級定位，通常需要採用以下一種或多種技術的組合：

• GNSS RTK（即時動態差分定位）：
  透過在廠區內或附近架設GNSS基準站，向移動終端（如AMR）播發差分校正數據，利用載波相位差分技術消除大部分公共誤差，實現公分級相對定位。其挑戰在於基準站的部署、差分數據鏈的可靠性以及在GNSS訊號不良區域模糊度的快速固定。
• GNSS PPP（精密單點定位）：
  利用外部提供的精密衛星軌道和時脈誤差產品，結合先進的誤差模型修正，單機即可實現公分級至寸級定位，其挑戰在於初始收斂時間較長，且對GNSS觀測品質要求很高；如sPositioner400精準點定位系統即為此類技術的應用實例，其在工業環境下的效能驗證尤為重要。
• 多感測器融合：
  這是應對工業環境複雜性的核心策略，最常見的是GNSS與INS的緊密耦合，利用INS在GNSS訊號短暫中斷或品質下降時提供連續的航位推算（Dead Reckoning）；此外，還可融合視覺里程計/SLAM、光達SLAM、UWB測距、輪速計/里程計、地磁感測等資訊，進一步提升定位的精度、穩健性和在GNSS完全拒止區域的可用性。

工業PNT測試的核心挑戰：高傳真模擬與全鏈路驗證

驗證工業級高精度PNT系統，特別是多感測器融合方案，面臨以下核心挑戰：

• 工業環境RF特性的精確模擬：
  如何在實驗室中高傳真地再現工業環境特有的強多路徑、訊號遮蔽以及多樣化的EMI特性？
• 多感測器數據的同步產生與注入：
  如何確保GNSS RF訊號、IMU數位數據流、視覺/光達模擬數據、輪速計訊號等在時間和空間上高度同步地饋入待測的融合定位引擎？
• 釐米級精度要求的嚴苛驗證：
  如何建立可靠的「地面真值」參考，以準確評估釐米級定位的誤差？
• 動態與邊緣案例的全面覆蓋：
  如何測試AMR/AGV在高速運動、急轉彎、啟停、進出GNSS可用/拒止區域等動態過程中的PNT效能？
• 測試的自動化與效率：
  面對大量的感測器組合、環境參數和運動軌跡，如何高效地執行測試並分析結果？

工業PNT釐米級定位的挑戰與SDR/模擬驗證技術

SDR與模擬技術的「組合拳」－打造工業PNT釐米級定位的堅實驗證平台

要在複雜的工業環境中穩定實現釐米級PNT，測試驗證環節必須能夠精確複現各種挑戰，並對多感測器融合系統進行全方位的「壓力測試」，軟體定義無線電（SDR）的設計理念以及基於此的先進模擬技術，為此提供了強大的「組合拳」。

高傳真GNSS訊號模擬：工業環境下RTK/PPP的「試金石」

對於依賴RTK或PPP等載波相位差分技術實現釐米級定位的工業PNT系統（如搭載於AMR或用於精密機械控制的定位模組，其效能可參考sPositioner400精準點定位系統的目標），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）的核心價值在於：

• 產生純淨、可控的多頻載波相位觀測環境：
  精確模擬所有可見衛星的多頻（L1/L2/L5等）載波相位與碼偽距，並可程式化控制衛星軌道（可由SATGEN衛星軌道建模軟體支援）、時脈誤差、大氣延遲等，為RTK/PPP演算法的基準效能評估提供理想輸入。
• 模擬差分校正數據流或精密產品：
  能夠模擬RTK基準站播發的差分校正電文（如RTCM格式），或PPP所需的精密星曆/時脈誤差產品，驗證DUT對這些數據的接收、解譯與應用能力。
• 動態場景下的模糊度解算與重鎖定測試：
  模擬AMR/AGV在移動、轉彎、啟停過程中的動態特性，考驗RTK/PPP演算法在動態環境下整數模糊度的快速固定與週波跳偵測/修復能力。

如XPLORA Pro等高階GNSS模擬器，能夠產生釐米級定位所需的高精度多頻GNSS訊號，並模擬複雜的動態與環境效應，是工業PNT系統研發的關鍵工具。

CAST 1000這類可攜式雙頻GNSS模擬器，為工業現場的PNT系統部署前驗證或故障排除提供了便利。
 

工業級RF通道模擬：在實驗室「搭建」真實工廠的電磁「迷宮」

工業環境的RF傳播極其複雜，進階RF通道模擬器，如ACE Client進階通道模擬器或ACE9600（可搭配如DBM ACE Plugin for STK進行複雜場景建模），能夠：

• 精確再現室內/半室內強多路徑與NLOS場景：
  基於光線追蹤或統計性通道模型，模擬訊號在金屬貨架、機床設備、牆壁之間的多次反射、繞射和散射，以及由此造成的訊號深度衰落和相位失真。
• 模擬工業EMI對GNSS訊號的影響：
  雖然通道模擬器本身不產生EMI，但它可以模擬由於EMI導致的等效訊噪比下降或通道時變特性，或者與專用干擾模擬器協同工作。

透過ACE Client進階通道模擬器的精密參數配置，可以在實驗室中為工業PNT測試建構高度逼真的室內外RF傳播模型，包括嚴苛的多路徑和遮蔽效應。
 

工業環境干擾的「靶向治療」：可控干擾模擬與頻譜監測

針對工業環境中常見的電磁干擾，測試策略應包含：

• 可程式化工業干擾模擬：
  利用GNSS導航干擾模擬系統或基於SDR的Averna AST-1000平台，產生能夠模擬馬達、變頻器、焊接設備、以及廠區內Wi-Fi/藍牙等特定頻譜特徵的干擾訊號，精確評估PNT系統的電磁兼容性（EMC）與抗干擾能力。
• 真實工業環境頻譜監測與分析：
  部署如GIDAS系列（特別是GIDAS-Portable可攜式系統或GIDAS-Embedded嵌入式模組）在實際工廠或倉庫環境中，進行長期或定點的頻譜監測，識別潛在的內生干擾源，其數據可反饋用於優化實驗室的干擾模擬模型，或透過Averna RP-6500進行記錄並在實驗室回放。

GIDAS-Portable可應用於工業環境，對影響PNT系統的潛在RF干擾進行即時監控、記錄與分析，為提升系統強韌性提供依據。
 

多感測器融合的HIL驗證：GNSS/INS與物理運動的「協奏」

對於依賴GNSS/INS緊密耦合的AMR/AGV等自主移動系統，硬體在環（HIL）測試是驗證其融合演算法與動態效能的終極手段：

• GNSS/INS同步模擬與誤差注入：
  利用CAST GNSS/INS即時模擬平台，根據預設的AMR/AGV運動軌跡，同步產生高傳真的GNSS RF訊號（已疊加通道與干擾效應）和IMU數位數據流（可注入偏置、雜訊等誤差模型），饋入待測的融合定位引擎。
• 結合六軸運動平台的物理動態驗證：
  將待測的完整PNT單元（含真實IMU）安裝在高精度六軸運動平台（Hexapod）上，由Hexapod精確複現AMR/AGV在工業環境中可能經歷的啟停、轉彎、加減速、顛簸、爬坡等複雜物理運動，同時向其GNSS天線輻射模擬的RF環境。這能夠最真實地考驗PNT系統在真實物理應力與動態RF條件下的綜合表現。

CAST GNSS/INS即時模擬平台結合六軸運動平台（Hexapod）的HIL測試方案，能夠對工業自主移動機器人的PNT系統進行最為嚴苛和全面的動態效能驗證。
 

實際場域數據記錄與追蹤分析的輔助

利用如XPLORA-Trace GNSS記錄與分析方案對工業PNT系統在真實作業環境下的軌跡、訊號品質、定位精度等數據進行記錄與後處理分析，可以為實驗室模擬結果提供真實世界參照，並發現模擬中可能遺漏的細節問題。

精準PNT賦能智慧工業未來－SDR與模擬技術的無限潛能

工業PNT的釐米級定位新紀元已經開啟，它不僅是提升智慧製造效率、保障自主機器人安全的基石，更是驅動整個工業產業鏈智慧化升級的關鍵引擎；然而，工業環境特有的複雜性——從GNSS訊號的嚴重衰減與多路徑干擾，到無處不在的強電磁輻射——都對PNT系統的精度、可靠性與穩健性提出了前所未有的挑戰。

SDR（軟體定義無線電）的設計理念與基於此的先進模擬技術，為我們提供了應對這些挑戰的強大「武器庫」，透過高傳真的GNSS訊號模擬（如XPLORA系列、CAST 1000）、精細的工業RF通道模擬（如ACE Client）、可控的工業EMI注入（如GNSS導航干擾模擬系統或SDR平台如Averna AST-1000）、以及多感測器（尤其是GNSS/INS）同步模擬與物理運動激勵（如CAST GNSS/INS平台與Hexapod六軸平台的結合），我們能夠在實驗室中構建出與真實工業環境高度一致、且參數完全可控、場景可無限重複的「數位PNT試煉場」，輔以GIDAS系列的實際場域頻譜監測與XPLORA-Trace的數據分析，這一整套測試驗證方法學，為實現工業級釐米PNT的「最後一哩路」提供了堅實的技術保障，並能有效驗證如sPositioner400精準點定位系統等高精度終端的極限效能。

展望未來，隨著工業物聯網（IIoT）的深化、柔性製造的普及以及人機協同的常態化，對PNT的要求將更加多元和極致。AI技術將深度融入PNT的融合演算法與測試場景的智慧生成。5G/6G網路也將以其高精度定位能力，成為工業PNT的重要組成部分。測試技術必須與時俱進，提供更高效、更智慧、更全面的解決方案。

奧創系統 (Ultrontek) 憑藉其在PNT測試領域的深厚技術積累和全面的產品組合，致力於為智慧製造、自主機器人等工業PNT應用提供世界一流的測試與驗證解決方案。我們不僅提供從訊號產生、通道模擬、干擾注入到物理運動模擬的全鏈路核心測試設備，更具備將這些設備整合為客製化、自動化測試平台的專業能力；若您正致力於開創工業PNT的新紀元，或在實現釐米級定位的道路上遇到任何挑戰，歡迎隨時與奧創系統的專家團隊聯繫，讓我們共同為智慧工業的未來注入精準的時空動力。