從地球搖籃到星辰大海－PNT技術的下一個宇宙級躍遷

人類探索宇宙的腳步從未停歇，從近地軌道的頻繁活動，到重返月球的阿提米絲（Artemis）計畫，再到對火星及更遙遠深空的雄心壯志，我們正站在一個太空探索新紀元的門檻，在這場向「星辰大海」進發的偉大征程中，精確、可靠且自主的定位、導航與授時（PNT）技術，無疑是所有太空任務——無論是載人登陸、無人探測器巡遊、還是未來太空資源的開發與利用——得以成功實現的「星際羅盤」與「時空基石」。

然而，當PNT的應用場景從我們所熟知的地球GNSS（全球導航衛星系統）覆蓋區域，延伸到高地球軌道（HEO）、地月空間（Cislunar Space）、月球表面（Lunar Surface）、乃至行星際巡航（Interplanetary Cruise）階段時，傳統的PNT技術與測試驗證方法學面臨著前所未有的極限挑戰；地球GNSS訊號的極度衰減、宇宙射線的嚴酷考驗、深空通訊的巨大延遲、缺乏地面基礎設施支援下的自主PNT需求、以及在陌生天體環境下的全新導航參照系——這一切都要求我們必須發展並驗證更為尖端、更具穩健性的太空PNT解決方案；本文將深入剖析這些極限挑戰，並重點探討如何利用先進的高傳真模擬技術，在地面構建可控、可重複的測試環境，為未來星際導航系統的研發與驗證鋪平道路，其中將涉及的關鍵測試設備的應用。

深空PNT的「不可能的任務」－訊號、環境與自主性的極限考驗

來自地球GNSS的「呢喃」：高軌道與地月空間的訊號挑戰

雖然地球的GNSS星座（GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou）主要為地面及近地空間服務，但其訊號實際上可以延伸至更高遠的空間：

• 訊號的極度衰減：
  隨著距離地球越遠，GNSS訊號功率遵循平方反比定律急劇衰減，在月球軌道附近，接收到的地球GNSS訊號強度可能比地面弱數十dB，對接收機的極限靈敏度和訊號擷取演算法提出了極高要求。
• 天線指向與視場的嚴苛性：
  在高軌道或地月空間運行的航太器，其GNSS天線需要精確指向地球，並且由於地球的相對「渺小」，可見的GNSS衛星數量和幾何分佈（DOP）會受到極大限制。
• 地球遮擋效應：
  航太器在繞月或特定軌道飛行時，地球本身可能遮擋部分或全部GNSS衛星。

月球及行星際PNT的「從零開始」：缺乏現成PNT基礎設施的挑戰

一旦脫離地球GNSS的有效服務範圍，或在尚無PNT基礎設施的月球、火星等天體表面及周邊作業時，航太器必須依賴自主PNT技術或利用其他可觀測的「宇宙燈塔」：

• 自主慣性導航（INS）的極限：
  慣性測量單元（IMU）是航太器自主導航的核心，但在長時間無外部校正的深空巡航中，其誤差會隨時間無限累積，無法滿足長期任務的精度要求。
• 光學導航（Optical Navigation）：
  利用星光感測器、行星相機等觀測恆星、行星、小行星或目標天體的表面特徵，進行自主定位與姿態確定。
• X射線脈衝星導航（XNAV）：
  利用宇宙中具有高度穩定脈衝週期的X射線脈衝星作為「宇宙GPS」，提供PNT資訊。
• 深空網路（DSN）測距與測速：
  透過地面深空測控站對航太器進行雙向或單向的無線電測距和都卜勒測速，但受限於測控資源和通訊延遲。
• 未來月球/火星PNT星座的設想：
  類似地球GNSS，未來可能在月球或火星軌道部署專用的PNT衛星星座（例如美國的LunaNet概念），但在此之前，對這些概念的驗證仍需依賴模擬。

極端環境對PNT系統的物理與訊號層面考驗

深空與行星際環境對PNT系統的硬體和訊號處理都帶來了獨特挑戰：

• 宇宙輻射：
  高能粒子輻射可能導致星載電子元件（包括PNT接收機、原子鐘、IMU）的效能衰退、單粒子翻轉（SEU）甚至永久性損壞。
• 極端溫度變化：
  航太器在陽照區和陰影區的巨大溫差，對時脈穩定性和感測器精度是嚴峻考驗。
• 極端都卜勒頻移：
  在行星際高速飛行或繞不同天體機動時，PNT訊號（無論是來自地球GNSS、深空網路還是未來天體PNT星座）會經歷巨大的都卜勒頻移及其變化率。
• 長光行時延遲：
  在深空任務中，訊號的單向或雙向傳播延遲可能長達數分鐘至數小時，這對地面指令控制、軌道確定以及雙向測距PNT都帶來了根本性的挑戰。
• 相對論效應的精密校正：
  在長時基、高精度的PNT解算中，必須精確考慮廣義與狹義相對論效應對時間和空間的影響。

深空、月球及行星際PNT的極限挑戰與核心驗證技術

鑄造星際「羅盤針」－高傳真模擬技術在深空PNT驗證中的核心實踐

要將航太器安全可靠地送往深空並使其自主運行，對其PNT系統進行極端環境下的全面驗證是任務成功的絕對前提，高傳真模擬技術，正是我們在地面實驗室中鑄造這枚「星際羅盤針」的關鍵「熔爐」與「砧石」。

極致訊號模擬：從地球GNSS延伸到未來行星PNT星座的挑戰

深空PNT測試首先需要能夠精確模擬在任務軌跡中可能遭遇的各種PNT訊號源，這不僅包括地球GNSS訊號在遠距離的特性，也可能包括未來在月球或火星部署的本地PNT星座訊號：

• 地球GNSS訊號的超遠程、超弱模擬：
  先進的GNSS模擬器，如XPLORA Pro、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，必須能夠產生極低功率位準（例如 -150 dBm甚至更低）且相位噪聲極低的GNSS訊號，同時精確控制由於航太器高速運動（相對地球或其他天體）產生的巨大且快速變化的都卜勒頻移。
• 未來PNT星座的靈活定義與產生：
  對於尚在概念設計或早期研發階段的月球/火星PNT星座，測試平台需要具備高度的靈活性和可程式化能力，允許使用者定義全新的衛星軌道根數（透過SATGEN衛星軌道建模軟體等工具）、訊號結構（頻率、調變、編碼、導航電文格式等）以及星座幾何，基於SDR理念的模擬器在此展現出獨特優勢。
• 精密軌道動力學與相對論效應的內建模型：
  模擬器必須內建高精度的軌道傳播模型，考慮中心天體非球形引力、第三方天體引力擾動、太陽光壓、大氣阻力（若適用）等因素，並能精確計算和疊加狹義與廣義相對論效應對訊號傳播時間和頻率的影響。

如XPLORA Pro等GNSS模擬器，其強大的訊號產生能力、高動態模擬範圍以及與精密軌道建模軟體的結合，使其能夠應對深空PNT等極端應用場景的測試需求。

 

CSAT-GNSS射頻訊號建模與模擬系統等解決方案，為航太級PNT接收機與系統的研發提供了從訊號特性到軌道動力學的全面高傳真模擬環境。

GNSS/INS深度融合在太空的終極考驗：數位與物理的雙重模擬

對於長時間深空飛行或在無GNSS訊號的天體表面作業，GNSS/INS深度融合是保障PNT連續性與可靠性的核心，其驗證需要同時模擬GNSS 和IMU的輸入：

• 高傳真IMU數據流的同步產生：
  CAST GNSS/INS即時模擬平台能夠根據航太器的六自由度運動軌跡，即時產生與模擬GNSS訊號完全時間同步的IMU感測器輸出（角速率、線加速度），並可注入各種IMU誤差模型（固定偏置、溫度漂移、隨機遊走、尺度因子誤差等），以全面測試融合導航演算法在長時基、高動態、不同IMU等級下的效能。
• 結合六軸運動平台的物理動態激勵：
  為了最真實地評估實際IMU感測器在太空環境（如發射振動、軌道機動、著陸衝擊）下的物理響應及其對融合PNT解的影響，可以將待測的GNSS/INS單元安裝在高精度六軸運動平台（Hexapod）上，Hexapod能夠精確複現預設的物理運動，同時GNSS模擬器向其天線饋入對應的模擬衛星訊號，構成一個完整的硬體迴路（HIL）測試閉環。

CAST GNSS/INS即時模擬平台是驗證航太器自主導航系統中GNSS與INS深度融合效能的關鍵工具，能夠同步模擬兩者的動態數據輸入。
 

結合先進的圖形化介面，GNSS/INS模擬系統能夠即時呈現航太器在複雜三維空間（例如，圖中所示的飛行器在特定地形上空的軌跡）中的運動姿態，並同步輸出高傳真的PNT模擬數據。
 

星際RF通道的迷霧：模擬深空與特殊天體環境的傳播特性

GNSS或其他PNT訊號在星際空間或特殊天體（如月球）附近的傳播特性與地球環境顯著不同，RF通道模擬器，如ACE Client進階通道模擬器或ACE9600（可整合DBM ACE Plugin for STK進行基於物理的場景建模），需要能夠：

• 模擬極長距離下的自由空間損耗與訊號相位變化。
• 再現月面等多路徑環境：月球表面缺乏濃厚大氣，但其崎嶇地形和月壤特性可能導致獨特的RF多路徑反射。
• 考慮行星大氣（如火星大氣）對訊號的衰減與折射。
• 模擬等離子體鞘套效應：在航太器再入大氣層或在某些行星磁層中高速飛行時，周圍形成的等離子體可能導致通訊中斷或訊號嚴重衰減。

太空電磁威脅的防範：干擾與欺騙的模擬驗證

即使在深空，PNT系統也並非絕對安全，可能面臨來自地面、其他航太器甚至自然宇宙源的RF干擾，對於軍事或戰略性航太任務，蓄意干擾與欺騙的風險同樣存在，因此，需要利用GNSS導航干擾模擬系統或NavTD-M23導航威脅偵測/模擬器：

• 產生針對航太PNT接收機特定頻段和敏感性的干擾波形。
• 模擬針對深空測控鏈路或未來天體PNT信標的欺騙攻擊。
• 評估星上自主PNT系統的抗干擾、抗欺騙以及故障自主診斷與恢復能力。

現地支援與數據驗證：從地面測控到實場數據記錄

對於深空任務，地面的測控站扮演著軌道確定、時間同步校準以及遙測遙控的關鍵角色，而在任務的某些階段（如地球軌道驗證、月球附近），也可能利用寬頻RF記錄與回放系統（如Averna RP-6500）或頻譜監測工具（如GIDAS系列）來採集真實的RF環境數據，用於與模擬結果比對，或分析未預期的訊號現象。

星際導航的未來，始於今日的極限測試與不懈探索

人類邁向深空的每一步，都離不開PNT技術的精確指引與可靠保障，「星際導航」不再是科幻小說的專利，而是正在發生的、對技術極限不斷發起衝擊的偉大實踐；然而，越是遙遠和未知的宇宙空間，PNT系統面臨的挑戰就越是嚴峻和獨特，從地球GNSS訊號在宇宙尺度上的微弱延伸，到月球及行星際完全自主PNT的構建，再到應對極端空間環境與潛在電磁威脅，每一個環節都需要最尖端的測試與驗證技術來保駕護航。

本文所闡述的高傳真模擬驅動的測試策略——整合了由XPLORA系列、CAST 1000、CSAT-GNSS等頂級模擬器產生的精密GNSS與未來PNT訊號（其軌道動力學由SATGEN等專業軟體精確建模）；由CAST GNSS/INS平台與Hexapod六軸平台共同實現的數位與物理雙重慣性運動模擬；由ACE Client細膩刻畫的星際RF傳播通道；以及由GNSS導航干擾模擬系統模擬的太空電磁威脅——共同構成了一個能夠在地面實驗室中最大限度逼近真實太空任務剖面的「數位靶場」。

展望未來，隨著量子導航、AI賦能的自主PNT決策、基於星間鏈路的分散式PNT網路等顛覆性技術的探索，星際導航的測試與驗證將進入一個更為深奧和智能化的新階段。對測試系統的保真度、靈活性、可擴展性以及智慧化程度的要求將達到新的頂峰。

奧創系統 站在支持尖端太空探索PNT技術發展的前沿，憑藉我們在GNSS/INS模擬、RF通道建模、干擾環境產生、精密運動控制以及複雜系統整合領域的專業技術與全面產品組合（涵蓋XPLORA系列、CAST系列GNSS/INS模擬方案、ACE Client通道模擬器、GNSS導航干擾模擬系統及高精度六軸運動平台），奧創系統能夠為航太科研機構、衛星製造商以及深空任務團隊，提供從單元級感測器驗證到全系統級任務剖面模擬的端到端測試能力；若您的征途是星辰大海，或對深空、月球及行星際PNT的極限測試與模擬有任何需求，歡迎隨時與奧創系統 (Ultrontek) 的專家團隊聯繫，共同探索PNT技術的下一片星辰大海。