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PNT極限驗證：GNSS/INS於HIL/SIL及六軸運動模擬技術

PNT系統的極限考驗
GNSS/INS於HIL/SIL與六軸運動模擬之深度驗證


隨著自主系統（如自動駕駛車輛、無人飛行載具、先進機器人）的飛速發展，對其搭載的定位、導航與授時（PNT）系統的可靠性、精確度與完整性要求已達到了前所未有的極端水平，在這些安全關鍵型應用中，任何PNT資訊的微小偏差或短暫中斷都可能導致災難性後果；全球導航衛星系統（GNSS）與慣性導航系統（INS）的深度融合，已成為提供連續、高精度PNT解的主流技術路徑；然而，如何確保這些複雜的融合系統在所有可預見的操作條件，乃至極端惡劣環境下，都能「萬無一失」地運作？

傳統的單純外場測試耗時、昂貴且難以覆蓋所有邊緣案例與故障模式，因此，在產品開發的各個階段引入模型迴路（MIL）、軟體迴路（Software-in-the-Loop, SIL）、處理器迴路（PIL）以及最終的硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HIL）模擬測試，已成為業界標準，而對於高度依賴慣性測量單元（IMU）物理特性的GNSS/INS系統，僅有訊號層面的HIL模擬仍有其局限性；要真正觸及其效能的「天花板」與「底線」，將待測的GNSS/INS硬體置於六軸運動平台（Hexapod）上，使其在接收模擬GNSS與RF環境訊號的同時，真實感知精確可控的物理運動激勵，便構成了PNT系統的終極「試煉場」；本文將深入剖析這一從數位模擬到物理驗證的完整測試鏈條，及其在打造高可靠PNT系統中的核心價值，並探討相關先進測試設備的關鍵作用。

解構先進PNT驗證架構－GNSS/INS模擬、HIL/SIL與Hexapod的協同運作

一個完整的、能夠對GNSS/INS融合PNT系統進行深度驗證的測試架構，是一個多層次、多技術協同的複雜系統。

GNSS訊號環境的精確建構：從星群到通道的全面模擬

測試的基礎是對GNSS訊號環境的完全掌控，這包括：


如CSAT-GNSS等先進GNSS模擬系統，能夠提供高傳真的衛星訊號與動態場景，是SIL及HIL測試的基礎訊號源。
 

INS行為的雙重模擬路徑：數位模擬的靈活與物理激勵的真實

對於GNSS/INS融合系統，慣性導航部分（INS）的測試至關重要，其模擬可以分為數位和物理兩個層面：

  1. 數位INS感測器數據流模擬：
    • 核心技術：
      利用如CAST GNSS/INS即時模擬平台這樣的專業系統，根據預設的六自由度（6-DOF）運動軌跡，即時計算並產生與GNSS模擬訊號嚴格時間同步的IMU數位輸出（通常是角增量Δθ和速度增量Δv）。
    • 誤差模型注入：
      能夠精確模擬IMU感測器（陀螺儀和加速度計）的各種內在誤差特性，如固定偏置（Bias）、尺度因子（Scale Factor）誤差、軸不對準（Misalignment）、隨機遊走（Random Walk）、溫度漂移等。
    • 應用階段：
      非常適用於融合導航演算法的早期開發與驗證（SIL）、處理器迴路（PIL）測試，以及不便或無需進行物理運動的HIL測試場景。

CAST GNSS/INS即時模擬平台能夠精確同步模擬GNSS RF訊號與IMU數位數據流（含誤差模型），是驗證GNSS/INS深度融合演算法的關鍵。
 


先進的GNSS/INS模擬系統，如CAST Navigation的解決方案，能夠即時呈現複雜的六自由度運動軌跡，並同步輸出對應的GNSS與IMU模擬數據，為SIL/HIL測試提供高傳真輸入。
 
  1. 物理IMU運動激勵：
    • 核心技術：
      將待測的GNSS/INS硬體單元（包含其真實的IMU感測器）安裝在高精度六軸運動平台（Hexapod）（如奧創系統提供的Hexapod解決方案，具備如250kg以下負載能力或250KG以上負載能力等不同規格）上，Hexapod依照預設的6-DOF運動軌跡，精確地對DUT施加物理上的平移和旋轉運動。
    • 測試價值：
      這種方式能夠最真實地考驗IMU感測器本身的動態響應特性、物理安裝誤差（如槓桿臂效應）、振動敏感性、溫度效應以及感測器數據的即時輸出品質，並驗證整個GNSS/INS單元在真實物理運動下的融合PNT效能。
    • 應用階段：
      主要用於對GNSS/INS硬體系統進行更深度的特性分析、校準、以及要求最高傳真度的HIL驗證。

軟體迴路 (SIL) 與硬體迴路 (HIL) 的測試層次與核心價值

  • 軟體迴路 (SIL)：
    • 定義：
      將待測的PNT演算法軟體（例如融合導航濾波器、感測器校準模型等）運行在開發主機或目標處理器的模擬器上，其輸入完全來自數位模擬的感測器數據（如CAST GNSS/INS即時模擬平台產生的數據）。
    • 價值：
      成本低、迭代快，適用於演算法的早期功能驗證、邏輯除錯、以及對大量不同參數組合與場景的快速篩選測試。
  • 硬體迴路 (HIL)：
    • 定義：
      將真實的PNT硬體（如GNSS接收機板卡、IMU模組、或完整的GNSS/INS導航單元）接入到一個包含真實與模擬元件的閉迴路測試環境中。
    • 訊號級HIL：
      向GNSS接收機的RF輸入端饋入由GNSS模擬器（如XPLORA系列）和通道模擬器（如ACE Client）產生的RF訊號；若DUT包含INS處理器但不測試真實IMU，則可由CAST GNSS/INS平台同步注入IMU數位數據。
    • 物理運動級HIL（Motion HIL）：
      將包含真實IMU的GNSS/INS單元安裝在Hexapod運動平台上，使其經歷物理運動，同時其GNSS天線接收模擬的RF環境訊號。
    • 價值：
      能夠驗證真實硬體的介面時序、處理延遲、計算資源限制、以及感測器物理特性對PNT效能的實際影響，是系統整合與最終驗證階段的關鍵步驟。

GNSS/INS融合系統於HIL/SIL與六軸運動平台之多層次驗證技術


測試層次/目標

核心模擬/激勵技術

關鍵驗證指標/內容

代表性測試設備組合

軟體迴路 (SIL) - 演算法驗證

GNSS原始觀測值/PVT數據流模擬；高傳真IMU數位數據流模擬（含誤差模型）；動態軌跡腳本；理想/簡化通道模型。

融合導航演算法（如EKF, UKF, 粒子濾波）的精度、收斂速度、穩定性；對不同感測器誤差的敏感性；故障檢測與隔離（FDI）邏輯的有效性。

CAST GNSS/INS即時模擬平台（提供同步GNSS/IMU數位數據）；SATGEN（軌跡與星座定義）；可搭配XPLORA系列（若需其產生特定GNSS原始觀測值數據流）。

硬體迴路 (HIL) - 訊號級

GNSS RF訊號即時模擬（多星系、多頻、動態）；RF通道模擬（多路徑、衰落、遮蔽）；可控干擾/欺騙注入；同步IMU數位數據注入（若DUT的IMU部分仍為數位模擬）。

真實GNSS接收機前端的RF效能；訊號擷取與追蹤環路在惡劣環境下的表現；協定符合性；融合演算法在真實硬體上的即時運算效能；抗干擾/抗欺騙能力（訊號層面）。

XPLORA系列/CAST 1000/CSAT-GNSS（GNSS RF）；ACE Client（通道）；GNSS導航干擾模擬系統（威脅）；CAST GNSS/INS平台（IMU數位數據）。

硬體迴路 (HIL) - 物理運動級

GNSS RF訊號即時模擬（與物理運動同步）；RF通道模擬；可控干擾/欺騙注入；六自由度（6-DOF）高精度物理運動平台（Hexapod）施加動態激勵。

真實IMU感測器的物理響應特性（振動、溫度、安裝誤差影響）；GNSS天線相位中心變化對定位的影響；整個GNSS/INS硬體單元在真實物理運動與模擬RF環境下的綜合PNT效能、姿態精度、動態誤差特性。

定位/姿態精度RMSE；角速率/加速度響應；振動抑制能力；熱漂移特性；安裝誤差校準效果。

打造終極PNT試煉場－整合測試平台的架構設計與關鍵技術考量

構建一個能夠有效執行從SIL到HIL（含物理運動）的完整PNT驗證流程的測試平台，是一項複雜的系統工程。其核心在於實現各個模擬子系統（GNSS、INS、通道、干擾、運動）之間的高精度協同與數據的無縫流轉。

構建高傳真GNSS/INS HIL測試平台的關鍵要素

  • 奈秒級時間同步：
    這是整個HIL測試成功的基石，所有訊號模擬器、運動平台、數據採集系統以及待測硬體之間，必須共享一個統一的、高精度的時間基準（通常由GPS馴服的銣鐘或更高階的時間伺服器提供），確保所有事件和數據流在時間上嚴格對齊。
  • 空間參考框架的一致性：
    Hexapod的物理運動、GNSS模擬器產生的衛星視線向量、通道模擬器施加的多路徑方向、以及待測物（DUT）自身的座標系定義，必須在一個統一的空間參考框架下進行描述和轉換，以確保模擬的空間一致性。
  • 即時閉迴路控制能力：
    在某些高階測試場景中（例如，驗證自主系統的飛行控制律或路徑追蹤演算法），待測系統的PNT輸出可能需要即時回饋到模擬環境中（例如，更新Hexapod的運動指令或GNSS模擬器的軌跡），形成一個即時閉迴路，這對整個系統的通訊延遲和處理能力提出了極高要求。
  • 全面的數據記錄、監控與分析：
    需要能夠同步記錄所有模擬輸入（GNSS RF特性、IMU模擬數據、通道參數、干擾訊號、Hexapod運動狀態等）、待測硬體的PNT輸出以及其他關鍵內部參數，並提供強大的後處理工具進行效能評估、誤差分析與故障定位。

Hexapod運動模擬的技術細節與應用優勢：賦予HIL測試「真實的靈魂」

六軸運動平台 (Hexapod)，如奧創系統提供的系列解決方案，以其獨特的並聯運動機構，為PNT硬體迴路測試帶來了傳統單軸或多軸旋轉台難以比擬的優勢：

  • 全六自由度（6-DOF）精密運動模擬：
    能夠同時在三個平移維度（X, Y, Z）和三個旋轉維度（俯仰Pitch、滾轉Roll、偏航Yaw）上實現高精度、高動態範圍的運動複現。
  • 高剛性與高承載能力：
    能夠承載不同尺寸和重量的待測PNT單元及其輔助設備。
  • 靈活的運動軌跡程式設計：
    可以接收來自上位控制軟體（如HIL主控電腦）的即時運動指令，或執行預先編程的複雜運動序列，精確模擬從微小振動到劇烈機動的各種動態。
  • 在GNSS/INS測試中的獨特價值：
    • IMU感測器特性精密標定：
      施加精確的角速率和線加速度，全面標定IMU的偏置、尺度因子、非線性、軸交叉耦合等誤差。
    • 天線相位中心/群延遲校準：
      透過特定運動掃描，精確確定GNSS天線的相位中心變化（PCV）和群延遲特性。
    • 高動態環境下的融合演算法驗證：
      考驗GNSS/INS融合演算法在真實物理加速度、角速度以及振動環境下的解算穩定性、姿態精度以及對槓桿臂效應的補償能力。
    • 模擬特定安裝條件下的效能：
      將PNT單元以其在最終載具上的實際安裝角度固定在Hexapod上，評估安裝位置和姿態對PNT效能的影響。

高精度六軸運動平台（Hexapod）是實現最高傳真度GNSS/INS硬體迴路測試的關鍵設備，它為待測PNT單元提供了真實的物理運動激勵。

面臨的挑戰與解決方案：整合的藝術與專業的價值

構建和運維這樣一個高度複雜的PNT HIL測試平台，本身也面臨諸多挑戰，如高昂的初期投資、多廠商設備的整合與精密校準、大量測試數據的有效管理與分析、以及對測試工程師技能的高要求等。應對這些挑戰，通常需要：

  • 採用模組化、開放式的系統架構，便於未來升級與功能擴展。
  • 選擇具備標準化介面與良好互操作性的儀器設備。
  • 投資於強大的測試自動化與數據管理軟體平台。
  • 依賴具備深厚PNT測試知識和豐富系統整合經驗的專業團隊，如奧創系統 (Ultrontek)，提供從方案設計、系統搭建、軟體開發到技術支援的全方位服務。

邁向PNT的「數位現實」－HIL與物理模擬賦能下一代高可靠導航的終極保障

PNT系統的極限考驗，其終極目標是確保在任何可預見的，乃至部分不可預見的極端條件下，自主系統都能獲得持續、準確、高完整性的時空參照，從純粹的軟體迴路（SIL）演算法驗證，到引入真實硬體的訊號級硬體迴路（HIL）測試，再到結合六軸運動平台（Hexapod）的物理運動級HIL測試，構成了一個由虛向實、逐步逼近真實操作環境的完整PNT驗證金字塔。

這個金字塔的頂端——即整合了高傳真GNSS訊號與軌道模擬（如XPLORA系列、CAST 1000、CSAT-GNSS）、精密RF通道再現（如ACE Client）、可控電磁威脅注入（如GNSS導航干擾模擬系統）、以及同步INS數據模擬（如CAST GNSS/INS平台）與物理動態激勵（如Hexapod六軸平台）的綜合測試環境——正是我們所謂的PNT「數位現實」；它使得在產品部署前就能夠對PNT系統的極限效能、潛在缺陷以及在安全關鍵場景下的穩健性進行最為徹底的「摸底」與「淬鍊」。

展望未來，隨著自主系統的智能化水平不斷提升，對PNT「數位現實」測試平台的要求也將水漲船高，AI技術不僅將用於更智慧的測試案例生成、更逼真的環境建模，甚至可能用於即時評估和優化PNT系統的自主決策；更複雜的多感測器融合HIL測試（如整合視覺、光達、雷達等模擬）以及對PNT功能安全（FuSa）與預期功能安全（SOTIF）的量化驗證，將成為新的技術制高點。

奧創系統 (Ultrontek) 憑藉其在PNT測試與模擬領域的深厚積累和對前沿技術的持續投入，致力於為客戶打造世界一流的SIL/HIL及物理運動模擬測試解決方案，我們提供的不僅是單點的先進測試儀器（涵蓋GNSS/INS訊號產生、RF環境模擬、精密運動控制等全鏈路），更是將這些組件高效整合為一個協同運作、高度自動化、並能精確滿足您特定驗證需求的「PNT終極試煉場」的專業能力與服務；若您正投身於開發下一代高可靠、安全關鍵型的PNT系統，並尋求最頂級的測試驗證夥伴，歡迎隨時與奧創系統 (Ultrontek) 的專家團隊聯繫，讓我們共同為PNT技術的未來，鑄造最堅實的信任基石。

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