衛星硬體迴路 (HIL) 模擬：STK 與通道模擬器的即時閉環測試

 

在航太與國防領域「測試如作戰（Test like you fly）」是最高指導原則，然而對於低地球軌道（LEO）衛星、高超音速飛彈或長航時無人機（UAV）而言，真實的飛行測試不僅成本高昂（單次發射成本數百萬美元）且風險極高，一旦失敗往往無法回收數據進行除錯，此外真實環境中的參數（如大氣狀況、干擾源位置）難以精確重複，這對於驗證通訊鏈路的強健性是致命傷。

因此硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HIL） 模擬技術應運而生，它的核心理念是在實驗室中構建一個「虛擬的太空環境」，讓待測物（DUT，如衛星數據機或導航接收機）「以為」自己正在真實的軌道上高速飛行，這需要解決物理層、數學層與即時控制層的三大挑戰。

挑戰一：軌道力學的射頻映射（RF Mapping）

衛星在軌道上的運動遵循克卜勒定律與擾動理論，HIL 系統的第一步是必須即時計算出衛星與地面站（或另一顆衛星）之間的相對幾何關係，並將其轉化為射頻參數。

• 時變幾何的物理意義：
  當衛星以每秒 7 公里以上的速度劃過天際，它與地面站的距離在不斷變化，依據電磁波傳播原理，距離的變化直接對應到訊號的「傳播延遲（Propagation Delay）」與「自由空間路徑損耗（Free Space Path Loss）」。
• S 型都卜勒曲線：
  相對速度的變化率更為劇烈，當衛星從地平線升起，接近地面站，再從另一端落下，其相對速度會經歷從正最大值、過零點（通過天頂時）、到負最大值的過程，這在頻譜上表現為一個特徵鮮明的「S 曲線」頻率偏移；HIL 系統必須在毫秒級的時間解析度下，精確計算並施加這個頻率變化，否則接收機的鎖相迴路（PLL）將會失鎖。

挑戰二：閉環控制的即時性（Real-Time Latency）

傳統的「開環（Open-Loop）」測試是預先寫好一個腳本（Script），讓通道模擬器按表操課，但在「閉環（Closed-Loop）」HIL 測試中，系統必須根據 DUT 的即時反饋來調整環境參數。

• 情境模擬：
  假設您正在測試一個具備「自動波束追蹤」功能的相控陣列天線，當模擬器改變了衛星的位置（改變訊號到達角 AOA），DUT 必須偵測到這個變化並控制天線轉向，HIL 系統必須讀取 DUT 的天線指向資訊，如果 DUT 指向錯誤，模擬器就必須即時增加額外的指向損耗（Pointing Loss）。
• 延遲預算（Latency Budget）：
  這個「計算位置 -> 調整射頻 -> DUT 反應 -> 讀取反饋 -> 重新計算」的迴路，必須在極短的時間內完成（通常要求低於 10ms 或更低），任何過大的延遲都會導致模擬失真，甚至誘發系統振盪（Oscillation），導致測試失敗。

挑戰三：複雜環境的疊加效應

真實的太空鏈路不僅僅是延遲與頻移。

• 大氣與電離層：
  訊號穿過大氣層時會受到氣體吸收（如氧氣與水氣吸收峰），穿過電離層時會受到電子密度不均引起的閃爍（Scintillation）與群延遲，這些效應與頻率高度相關（Frequency Dependent），且隨衛星仰角動態變化。
• 多路徑（Multipath）：
  在低仰角時，地面反射波會與直射波干涉，HIL 系統必須依據當下的幾何角度，動態調整多路徑模型的參數（如萊斯因子 K-factor），而非使用固定的衰減模型。

面對上述從軌道計算到射頻產生的跨領域挑戰，單一的儀器製造商往往難以提供完整的解決方案，您需要的是一個 「軟硬體深度整合的 HIL 生態系」，我們推薦 dBm ACE9600 先進通道模擬器，搭配 SATGEN 軟體，構建一套即時的動態閉環測試系統。

核心引擎：ACE9600 與軌道軟體的橋接

ACE9600 不僅是一台能夠模擬 600 MHz 頻寬的高階通道模擬器，它的設計初衷就是為了 HIL 應用，它能夠透過高速乙太網路介面，每秒接收數百次來自外部軟體的控制指令，動態調整通道參數。

整合 STK (Systems Tool Kit) 的高階模擬

對於國防與高階科研用戶，STK 是軌道分析的標準工具。

• ACE Plugin for STK：
  透過專用的 ACE 外掛程式，您可以直接在 STK 強大的 3D 視覺化介面中設計複雜的任務場景，例如：模擬一個由 1000 顆衛星組成的 LEO 星系，並設定地面站進行跨衛星鏈路（ISL）的換手測試。
• 即時驅動：
  當 STK 運行場景時，外掛程式會即時提取當下的鏈路參數（距離、相對速度、大氣損耗、天線增益），並直接驅動 ACE9600，這意味著您在 STK 螢幕上看到的衛星飛越過程，其實際的射頻物理特徵正同步施加在您的 DUT 上。

使用 SATGEN 進行快速軌道建模

對於專注於通訊鏈路本身的工程師，SATGEN 提供了一個更輕量、專注的解決方案。

此範例為 SATGEN 衛星軌道建模軟體 的使用介面，顯示了其強大的模擬功能與直觀的圖形使用者介面

• 從 TLE 到 RF：
  您只需匯入標準的 雙行軌道根數 (TLE) 檔案，SATGEN 內建的物理引擎會自動計算出所有時間點的延遲、都卜勒與路徑損耗。
• 大氣與天線模型：
  SATGEN 允許使用者定義收發端的天線場型（Antenna Pattern），當模擬衛星姿態翻滾或地面車輛轉彎時，軟體會依據天線的 3D 增益圖，自動疊加因姿態改變造成的增益變化，此外它還內建了基於頻率、溫度與濕度的 大氣氣體衰減模型，比單純的自由空間損耗更貼近真實。

閉環 HIL 測試實務流程

一個典型的 ACE9600 HIL 測試系統包含以下環節：

• 軌道發生器 (PC/Workstation)：
  運行 STK 或 SATGEN，負責計算 時刻的物理參數。
• 即時控制鏈路 (Ethernet/GPIB)：
  將計算出的參數（如延遲值 、頻移值 、衰減值 ）以高更新率（如 10Hz - 100Hz）傳送給 ACE9600。
• 射頻通道模擬 (ACE9600)：
  內部的 DSP 引擎接收指令後，利用插值演算法（Interpolation）在指令之間產生平滑的連續變化，確保相位連續性 (Phase Continuity)，這是 HIL 成功的關鍵，因為階梯狀的參數變化會導致通訊鎖相迴路崩潰。
• 待測物 (DUT)：
  接收經過 ACE9600 處理的射頻訊號，並嘗試解調、追蹤或進行換手，DUT 的狀態（如誤碼率 BER、接收功率 RSSI）可回傳給控制電腦進行分析。

進階應用：多路徑與干擾的動態注入

在 HIL 模擬中，ACE9600 還能動態注入環境干擾。

• 城市峽谷模擬：
  當模擬的地面車輛進入 STK 場景中的「城市區域」時，軟體可命令 ACE9600 瞬間開啟 多路徑衰減模型（如 Rayleigh Fading），模擬大樓反射造成的訊號惡化。
• 干擾源模擬：
  您可以在模擬場景中加入一個「干擾源」，當衛星飛越干擾源上空時，ACE9600 可在對應通道疊加 加性高斯白雜訊 (AWGN) 或特定頻率的干擾波，驗證 DUT 的抗干擾能力。

ACE Remote Control 介面可遠端控制 ACE9600 衛星與無線通訊通道模擬器，使用者可調整 延遲、衰減、頻率偏移、相位偏移 及 AWGN 雜訊 等通道參數，模擬真實通訊環境；右側的 動態設定 提供觸發與更新選項，確保測試靈活性與可重現性。


ACE Remote Control 的動態參數圖形 (Dynamic Parameter Graphs) 介面，用於監測 延遲、頻率偏移、衰減、雜訊功率、相位偏移 等通道參數變化。使用者可透過動態模式與內部觸發調整測試條件，支援單次或循環模式。

擴展性：從 L 頻段到 Ka/Q/V 頻段

ACE9600 本身支援中頻及 L/S 頻段，為了涵蓋現代高通量衛星的 Ka 頻段（26-40 GHz），我們提供整合的頻率轉換器 (Up/Down Converters)，這些轉換器由 ACE9600 統一控制，確保在整個頻率轉換過程中，相位雜訊與群延遲特性都經過校準與去嵌入（De-embedding），保證 HIL 系統的量測級精度。

實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同。如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

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