複雜PNT系統的研發加速器：硬體迴路(HIL)模擬測試平台的構建、應用與挑戰

 

導論：從虛擬到現實的橋樑 – HIL模擬在現代PNT研發中的崛起

隨著自動駕駛、無人機（UAV）、先進航空器以及國防系統等領域的飛速發展，對高精度、高可靠性、高強韌性的定位、導航與授時（PNT）系統的需求日益迫切，這些現代PNT系統往往是高度複雜的整合體，融合了來自全球導航衛星系統（GNSS）、慣性測量單元（IMU）、視覺攝影機、光學雷達（LiDAR）、雷達等多種感測器的資訊，並運行著精密的感測器融合、狀態估計與決策規劃演算法。

在如此複雜的系統研發過程中，傳統的純軟體在環（Software-in-the-Loop, SIL）模擬雖然有助於演算法的初步驗證，但無法完全反映真實硬體的特性、時序約束和介面問題；而直接進行大規模的實體外場測試，則面臨著成本高昂、耗時長、安全性風險、以及特定測試場景（尤其是故障或邊緣工況）難以重複再現等巨大挑戰；在這樣的背景下，硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HIL）模擬測試技術應運而生，它在純虛擬的SIL與完全真實的實場測試之間架起了一座關鍵的橋樑，成為現代複雜PNT系統研發中不可或缺的加速器與品質保證手段；HIL模擬允許研發工程師將待測的真實硬體（如GNSS接收機、慣性導航系統、飛行控制器、自動駕駛ECU等）置於一個精心構建的、可控且可重複的模擬環境中，對其進行全面、系統、高效的測試與驗證。

硬體迴路(HIL)模擬測試平台的核心架構與關鍵組件

HIL基本概念：將真實硬體融入模擬循環

HIL模擬的核心思想是將待測試的嵌入式系統或其關鍵硬體組件（Hardware Under Test, HUT / Device Under Test, DUT）連接到一個能夠模擬其運行環境的即時模擬系統中，模擬系統會根據預設的測試場景，產生HUT所需的各種輸入訊號（如感測器數據、控制指令等），並即時擷取HUT的輸出響應，從而構成一個閉環的測試環境。

典型PNT HIL測試平台構成

一個典型的、針對PNT系統的HIL測試平台通常包含以下關鍵組件：

• 待測硬體 (HUT/DUT)：
  這是測試的核心，例如一個整合了GNSS接收機和IMU的導航模組，或是一個完整的自動駕駛域控制器。
• 即時運算與控制核心：
  通常是一台高性能的即時電腦，負責運行主控軟體，管理整個測試場景的執行、各模擬子系統的同步、數據的記錄與分發。
• 感測器訊號模擬器群：
  • GNSS訊號模擬器：
    產生高擬真的GNSS射頻（RF）訊號，模擬特定軌跡下可見衛星的訊號特性（都卜勒、偽距、載波相位、導航電文等）。
  • 慣性感測器模擬：
    產生模擬IMU（陀螺儀、加速度計）輸出的數位或類比訊號，或直接控制承載真實IMU的運動平台。
  • 其他感測器模擬：
    根據待測系統的需求，可能還包括雷達目標模擬器、光學雷達點雲產生器、視覺影像資料庫等。
• 運動模擬系統（可選但常為關鍵）：
  • 轉台/速率台：
    用於模擬單軸或多軸的角運動，測試陀螺儀或姿態系統。
  • 六軸運動平台 (Hexapods)：
    能夠在六個自由度上（X, Y, Z平移及俯仰、滾轉、偏航）模擬複雜的動態運動，非常適合承載IMU或小型PNT系統進行動態測試。
  • XY大型運動平台/駕駛模擬器：
    用於模擬車輛或大型飛行器的大範圍線性運動和姿態變化，常與視覺系統結合，構成沉浸式駕駛模擬器。
• 環境與通道模擬器：
  • RF通道模擬器：
    如ACE9600 先進通道模擬器，用於在GNSS RF訊號上疊加多路徑、衰落、相位雜訊等真實傳播效應。
  • 大氣模型、地理模型等。
• 數據擷取與分析系統：
  用於記錄所有模擬輸入、HUT輸出以及內部狀態數據，並進行後續的性能分析與問題診斷。

一個典型的GNSS+INS緊耦合系統HIL測試平台架構示意圖（如CAST系統），該平台整合了外部軌跡輸入、場景產生、即時ICD（介面控制文件）、干擾產生器、多個GNSS衛星訊號模擬器、慣性與感測器模擬模組，以及後處理單元，共同為待測的緊耦合GPS/INS系統提供全面的測試環境。

作為一個全面的HIL解決方案整合商，奧創系統科技致力於根據不同PNT系統的測試需求（涵蓋GNSS、慣性導航、尋標器、車輛動態、水下導航、雷達等多領域），提供客製化的硬體迴路(HIL)模擬測試方案整合服務，其核心在於構建包含必要軟體介面、精密數據同步機制和統一場景控制軟體的完整測試方案，確保各模擬子系統與待測硬體之間的高效協同。

HIL平台中的關鍵模擬技術：GNSS與慣性運動的協同

在針對GNSS與IMU融合定位系統的HIL測試中，高擬真地模擬GNSS訊號環境並與精確的慣性運動模擬進行緊密同步，是確保測試有效性的核心。

高擬真GNSS訊號環境模擬

HIL平台中的GNSS訊號源必須能夠精確再現真實世界中GNSS接收機可能遇到的各種訊號條件，高階GNSS訊號模擬器如OHB XPLORA Pro，以其低延遲的即時軌跡更新能力、對所有民用GNSS星座（如GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou）和頻段（如L1, L2, L5, E1, E5a/b, B1, B2等）的全覆蓋、以及高動態性能模擬（例如模擬高速飛行器或劇烈機動的車輛），成為HIL測試中的理想選擇；更重要的是，它具備與外部系統（如運動平台控制器、車輛動力學模型軟體）的緊密同步介面（例如透過1PPS脈衝、10MHz參考頻率、以及Ethernet觸發指令等），這是實現HIL閉環測試中GNSS訊號與物理運動精確對應的關鍵。其多達數百個獨立訊號通道的模擬能力，也確保了在複雜多星座環境下對接收機性能的全面考核。

OHB XPLORA Pro GNSS模擬器，以其強大的即時訊號產生、多通道輸出、以及與外部運動系統的精密同步能力，是構建高擬真PNT HIL測試平台的核心組件。

對於需要產生特定、複雜或未來星座場景的測試，SatGen 衛星軌道建模軟體可以提供靈活的軌道設計與星座配置能力，其產生的場景文件可供XPLORA系列模擬器載入執行。

精密慣性運動與感測器數據模擬

與GNSS訊號同步，HIL平台必須能模擬IMU所經歷的動態運動並產生相應的感測器讀數，這可以透過以下方式實現：

1. 純軟體IMU模擬：
   在即時電腦中運行高擬真的IMU感測器模型（包括陀螺儀和加速度計的各種誤差項，如偏置、比例因子、隨機遊走、非對準等），根據模擬的運動軌跡即時產生IMU數據流（如DeltaV,Deltatheta），再透過特定介面（如SPI, I2C, RS-422）發送給待測硬體。
   • GNSS-INS即時模擬平台 這類專用系統，便能夠即時、同步地產生高擬真GNSS RF訊號和對應的IMU運動數據（基於內部軌跡產生器或接收外部軌跡指令），是進行GNSS+INS融合演算法HIL測試的理想基礎。

許多先進的GNSS+INS HIL測試平台內部包含了精密的IMU感測器數據產生器，它通常由場景產生器（Scenario Generator）驅動的IMU真值模型（IMU Truth Model）和後續的加速度計/陀螺儀誤差模型（Error Models）組成，以輸出逼真的IMU讀數。

2. 物理運動平台模擬：
   將真實的IMU或包含IMU的待測感測器套件安裝在六軸運動平台 (Hexapods)上，運動平台根據模擬場景的六自由度軌跡指令進行精確的物理運動，Hexapod的關鍵規格在於其高精度（重複定位精度可達微米級）、高頻寬（能響應快速的運動變化）的六自由度運動模擬能力，以及針對不同待測物重量提供的不同負載等級選擇（如250kg以下或250kg以上），能夠為IMU提供最真實的動態激勵。
   
   對於需要更大運動範圍和更強持續加速度提示的汽車HIL/VIL/DIL（駕駛員在環）測試，則可採用如 VHT 高階駕駛研究模擬器，這類模擬器將六自由度平台安裝於大型XY電動軌道上，其獨特的擴展線性位移能力（X軸和Y軸行程遠超傳統六自由度平台）和高達6000kg的承載能力，使其能夠搭載真實駕駛艙甚至整車，並與GNSS模擬器（如XPLORA Pro）協同工作，提供極致逼真的駕駛與PNT模擬環境。

如雷諾ROADS這樣的先進駕駛模擬器，採用了 VHT 高階駕駛研究模擬器 的大型運動平台技術，為自動駕駛系統的HIL/DIL測試提供了高度沉浸和動態的模擬環境。

真實傳播通道效應的疊加

為進一步提升模擬的真實性，尤其是在測試PNT系統於都市峽谷、室內等複雜環境下的性能時，可使用ACE9600 先進通道模擬器，該設備能夠對GNSS模擬器（如XPLORA Pro）輸出的RF訊號疊加精確控制的多徑、衰落、相位雜訊、大氣閃爍等複雜RF通道效應，使其更接近真實的訊號傳播條件。

DBM ACE9600 先進通道模擬器 能夠在HIL測試中為GNSS RF訊號路徑引入逼真的通道損傷，以驗證PNT系統在惡劣傳播環境下的強韌性。

HIL模擬在PNT系統研發中的典型應用與價值

• 自動駕駛感知與定位系統驗證：
  測試GNSS+IMU+視覺/光學雷達等多感測器融合演算法在各種駕駛場景（高速、城市、隧道、停車場）和訊號條件下的性能。
• 無人機(UAV)飛控與導航系統測試：
  驗證UAV在複雜氣流、電磁干擾、以及GNSS拒止環境下的自主飛行、精準著陸等能力。
• 航空航太飛行器的導引、導航與控制(GNC)系統開發：
  進行從地面發射到在軌運行的全任務剖面模擬測試。
• 精密武器的末端導引測試：
  在安全環境下重複測試導引頭在各種目標特性和對抗措施下的捕獲與追蹤性能。

透過HIL測試，研發工程師可以在產品設計的早期階段就發現潛在的軟硬體缺陷、演算法問題以及系統整合風險，例如下圖所示的GNSS訊號中斷時的系統反應，以及在COCOM（美國出口管制條例）動態限制下的PNT輸出行為，都可以在HIL環境中安全、精確且可重複地進行驗證，從而大幅縮短研發週期，降低昂貴且耗時的外場測試需求。

HIL測試平台能夠精確模擬GNSS訊號中斷（如圖中紫色框標示的“No solution from GPS receiver”時段）等故障場景，用於驗證PNT系統（尤其是GNSS+IMU耦合系統）在這些情況下的航位推算能力和故障弱化行為。

GNSS模擬器的軟體介面（如OHB XPLORA One的XPLORA Core軟體所示）允許工程師靈活定義測試場景的軌跡、衛星星座、環境參數等，是HIL測試平台不可或缺的組成部分。

構建HIL平台的挑戰與考量

• 即時性與同步精度：
  各模擬子系統與待測硬體間的數據傳輸延遲和時間同步精度是最大挑戰，直接影響測試結果的有效性。
• 模型擬真度：
  感測器模型、環境模型、車輛/飛行器動力學模型的準確性，決定了模擬結果與真實世界的符合程度。
• 系統複雜性與整合難度：
  多廠商、多介面設備的整合與高效協同工作，需要深厚的系統工程經驗。
• 成本與可擴展性：
  HIL平台的初期投入較大，需考慮長期的可升級性和對未來測試需求的適應性。

HIL測試在PNT系統研發中的優勢、挑戰與解決思路

未來趨勢：數位雙生、AI與雲端HIL

HIL模擬技術自身也在不斷發展：

• HIL與數位雙生（Digital Twin）概念的融合：
  建立PNT系統及其運行環境的高擬真數位模型，實現從設計、模擬、測試到運維的全生命週期管理。
• AI在自動化測試中的應用：
  利用人工智慧自動產生複雜測試案例、智慧注入故障、以及對海量測試數據進行高效分析與異常檢測。
• 基於雲端的HIL平台：
  提供更靈活、可按需取用、地理位置無關的測試資源，降低中小型研發團隊的進入門檻。

HIL測試的理念與GNSS品質保證的完整流程（從監測、偵測、告警到故障排除與評估）異曲同工，都是為了在複雜系統的生命週期中，透過模擬與驗證，不斷提升其性能與可靠性，這與數位雙生的概念緊密相關。

結論：HIL模擬 – 驅動複雜PNT系統創新與成熟的引擎

硬體迴路（HIL）模擬測試已從最初的航空航太領域，擴展到汽車、無人系統、軌道交通、國防工業等幾乎所有依賴複雜嵌入式PNT系統的產業，它不僅僅是一種測試手段，更是一種能夠顯著加速產品研發迭代、提升系統品質與可靠性、降低綜合成本的先進工程方法論，對於致力於開發下一代高性能、高安全PNT系統的研發工程師而言，深刻理解HIL模擬的原理與架構，並熟練運用如OHB XPLORA系列GNSS模擬器、GNSS-INS即時模擬平台、六軸運動平台 (Hexapods) 以及VHT 高階駕駛研究模擬器等專業工具來構建和實施有效的HIL測試方案，將是其在激烈技術競爭中取得成功的關鍵，HIL模擬，正以前所未有的力量，驅動著複雜PNT系統的創新與成熟。

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延伸閱讀

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• GNSS+INS/IMU模擬在硬體迴路測試中的應用
• 自主導航PNT完好性：先進模擬技術的角色
• RF PNT數位雙生：先進模擬與驗證技術
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