征服都市叢林：複雜多路徑與干擾環境下高精度GNSS效能的驗證策略

在以智慧城市、萬物互聯(IoT)與自主移動為標誌的科技新紀元，全球導航衛星系統（GNSS）早已從單純的導航工具，蛻變為支撐現代社會高效運作的時空基石，從分秒必爭的智慧物流、人車路協同的V2X智慧交通、到關乎安全的自動駕駛，無一不依賴於GNSS提供的高精度定位、導航與授時（PNT）資訊；然而，當GNSS的應用場景深入到高樓林立、電磁環境極端複雜的「都市叢林」時，其效能將面臨前所未有的嚴峻考驗。

這裡，衛星訊號如同在迷宮中穿梭的幽靈，時刻受到遮蔽、多路徑反射與無處不在的射頻（RF）干擾的威脅，對於追求公分級甚至毫米級定位的先進應用而言，這些挑戰無疑是巨大的技術鴻溝；傳統的GNSS接收機在這樣的環境下，其精度、可靠性與連續性往往大打折扣，因此，如何突破都市環境的PNT瓶頸，透過尖端的測試與驗證策略，淬鍊出能夠在「水泥叢林」中依然「明察秋毫」的GNSS系統，已成為全球科技先鋒競相攻克的戰略高地；本文將直面都市GNSS的極限挑戰，深入剖析其背後的物理機制，並揭示如何運用先進通道模擬、全星座GNSS訊號模擬及可控干擾注入等前瞻技術，打造終極驗證方案。

都市GNSS的三大「攔路虎」－遮蔽、多路徑與干擾的深度剖析

衛星訊號的「日蝕」：都市峽谷效應下的訊號遮蔽與幾何精度劣化

都市中拔地而起的建築群，對GNSS訊號形成了天然的屏障，構成了所謂的「都市峽谷（Urban Canyons）」，其直接後果便是：

• 有效衛星數量銳減：
  高聳的建築物如同巨大的遮蔽物，阻擋了大量低仰角的衛星訊號，使得接收機實際能夠「看見」並用於定位解算的衛星數量急劇減少，甚至可能低於獨立定位所需的最低門檻（通常為四顆）。
• 衛星幾何分佈結構惡化：
  即便能接收到部分衛星，這些衛星在天空中的分佈往往集中在有限的天頂區域，導致幾何精度因子（Dilution of Precision, DOP）顯著增大，較高的DOP值意味著微小的測距誤差會被放大，從而嚴重降低最終的定位精度。
• 定位的「斷點」與「漂移」：
  當載具在都市中移動時，會頻繁地穿梭於訊號良好區與遮蔽區之間，導致GNSS訊號的鎖定-失鎖-重捕獲過程反覆發生，不僅影響定位的連續性，重捕獲過程中的短暫失準也可能引發定位結果的漂移。

RF波形的「鏡像迷陣」：無處不在的複雜多路徑傳播

多路徑效應是都市GNSS定位誤差最主要且最難纏的來源之一，其本質是GNSS訊號在到達接收天線前，經歷了多重反射、繞射和散射：

• 訊號的非直射傳播（NLOS）：
  在許多情況下，來自衛星的直射（Line-of-Sight, LOS）訊號可能被完全阻擋，接收機只能捕獲到經由建築物表面、地面、甚至移動車輛反射或繞射而來的NLOS訊號，這些NLOS訊號的傳播路徑長於LOS訊號，會直接引入正向的偽距離測量偏差。
• LOS與NLOS訊號的疊加：
  當LOS訊號與一個或多個NLOS訊號同時到達天線時，它們的疊加會導致接收訊號的幅度和相位發生畸變，進而影響碼相位和載波相位的測量精度。
• 對高精度定位技術的致命打擊：
  對於依賴高精度載波相位觀測值的技術，如即時動態差分定位（RTK）和精密單點定位（PPP），複雜的多路徑效應會嚴重污染相位觀測數據，使得整數模糊度的快速準確固定變得極為困難，從而無法實現預期的公分級定位精度。
• 通道特性的時空快速變化：
  都市環境的動態性（如車輛流動、行人穿梭）使得多路徑通道的特性具有顯著的時變性和空變性，對接收機的通道估計和多路徑抑制演算法提出了極高要求。

電磁波的「交叉火力」：都市環境中無形的RF干擾風暴

現代都市不僅是建築的叢林，更是電磁波的海洋，各種無線通訊、廣播、雷達及電子設備的廣泛應用，使得都市電磁環境異常複雜，對極其微弱的GNSS訊號構成了嚴重的干擾威脅：

• 廣泛存在的帶內與鄰頻干擾：
  手機基站（尤其是LTE/5G頻段的諧波或帶外洩漏）、大功率Wi-Fi熱點、藍牙設備、數位電視塔、車載電子系統（如行車記錄器、逆變器）等都可能產生輻射，對GNSS L波段造成同頻或鄰頻干擾，直接壓低GNSS訊號的訊噪比（Carrier-to-Noise Density Ratio, C/N₀）。
• 潛伏的非法與意外干擾源：
  個人隱私干擾器（PPDs，俗稱GPS屏蔽器）、故障或設計不良的電子設備、某些工業射頻設備（如射頻加熱設備）的洩漏，都可能成為GNSS訊號的「隱形殺手」。
• 日益增長的蓄意欺騙攻擊（Spoofing）風險：
  透過發射與真實GNSS訊號結構相似但導航資訊錯誤的欺騙訊號，可以誤導GNSS接收機輸出的PNT結果；儘管複雜的欺騙攻擊技術門檻較高，但其對依賴GNSS的自主系統和關鍵基礎設施構成的潛在威脅不容小覷。

在複雜的都市環境中，專業的頻譜監測與分析工具（如GIDAS-Portable）對於即時識別和評估GNSS訊號面臨的各種射頻干擾與潛在欺騙威脅至關重要。

技術整理表：都市GNSS定位的極限挑戰與前瞻驗證技術

先進驗證策略－以模擬技術打造逼真都市測試環境，淬鍊GNSS效能

面對都市環境的嚴峻挑戰，單純依靠實場測試不僅成本高昂、耗時且難以覆蓋所有邊緣案例；因此，在實驗室中利用先進的模擬技術，創建可控、可重複、高傳真的都市RF環境，成為驗證和優化GNSS接收機效能的關鍵策略。這是一場運用尖端科技，在位元與電波之間重塑「都市叢林」的精妙工程。

精準之源：全維度、高動態GNSS訊號模擬的藝術

一切嚴苛測試的基石，是對真實GNSS訊號環境的極致還原；現代GNSS模擬器，如XPLORA Pro、XPLORA One及CAST 1000可攜式雙頻GNSS模擬器，其技術核心在於：

• 全星座、全頻段的精確模擬：
  不僅涵蓋GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou、QZSS等所有主流衛星系統，更能精確產生其在L1、L2、L5等多個頻段上的現代化訊號（包括L1C、L5、E1、E5a/b、B1C/B2a等複雜的碼型與調變方式）。
• 高傳真動態軌跡與姿態模擬：
  能夠導入或即時產生極其複雜的六自由度（6-DOF）載具運動軌跡，精確模擬車輛在都市中穿梭、轉彎、加減速、上下坡時的動態特性，並同步更新衛星的相對運動與可見性。
• 環境與誤差模型的細膩注入：
  可程式化設定精密的大氣層延遲模型（電離層Klobuchar、對流層Saastamoinen等）、地球物理效應（如地球自轉、相對論修正）、天線特性（相位中心偏移PCO/PCV、增益方向圖）以及衛星星曆與鐘差的微小擾動，確保模擬的極致逼真度。

頂尖的GNSS訊號模擬與測試解決方案，例如基於XPLORA系列或CAST 1000的平台，是重現複雜GNSS訊號環境、驅動高精度定位演算法驗證的核心引擎。

(圖片：) 圖說：利用GNSS模擬器如XPLORA One，可以精心構建特定的都市GNSS訊號場景，例如模擬在高樓環繞下，僅有少量頭頂衛星可見的極端幾何佈局。

如CAST 1000這樣的高效能可攜式雙頻GNSS模擬器，為都市環境下的外場測試數據比對與實驗室快速驗證提供了極大便利。

重現都市叢林之魂：進階RF通道模擬的奧秘

GNSS訊號從模擬器產生後，在饋入待測接收機之前，必須經過一道關鍵的「洗禮」——那就是疊加都市環境特有的複雜RF傳播效應，進階RF通道模擬器，如ACE Client進階通道模擬器，正是此過程的操刀者：

• 高傳真動態多路徑建模與實現：
  不僅是簡單的幾條反射路徑，而是能夠基於物理光學（如光線追蹤）或幾何統計模型（如WINNER II, 3GPP TR 38.901 UMa/UMi），即時產生大量（數十甚至上百條）具有精確延遲、衰減、相位旋轉和到達角（AoA/AoD）的動態多路徑分量，完美復現都市峽谷中訊號的「鏡像迷陣」。
• 精細的訊號遮蔽與繞射模擬：
  能夠模擬建築物邊緣、角落對GNSS訊號造成的陰影衰落（Shadow Fading）和繞射效應，以及由於載具移動導致的訊號快速起伏。
• 空間一致性與天線陣列支援：
  對於配備多天線的先進GNSS接收機，通道模擬器能夠產生具有正確空間相關性的訊號到每個天線單元，以驗證其波束成形或空域濾波等高階演算法的效能。

ACE Client進階通道模擬器的軟體介面，展現了其強大的參數化配置能力，能夠精確定義和控制都市環境中複雜的多路徑傳播模型、衰落特性以及動態遮蔽效應。

透過ACE Client進階通道模擬器的圖形化遠端控制介面，測試者可以即時調整通道參數，產生極具挑戰性且高度逼真的都市RF傳播場景。

在實驗室點燃「烽火」：都市RF干擾場景的精確建構與注入

都市不僅多路徑複雜，更是各種RF干擾的「重災區」，GNSS導航干擾模擬系統，例如基於CAST平台的干擾模擬解決方案，致力於在實驗室中精確重現這些「電磁噪音」：

• 多樣化干擾波形的程式化產生：
  能夠產生從簡單的連續波（CW）、掃頻（Swept-CW）、脈衝干擾，到複雜的帶限白雜訊（BLWN）、調幅/調頻干擾，乃至模擬真實存在的LTE/Wi-Fi等系統洩漏的鄰頻干擾。
• 動態與協同干擾場景：
  不僅能控制單個干擾源的功率、頻率、時序等參數，更能模擬多個、移動的、或按特定腳本觸發的協同干擾事件，以測試接收機在複雜電磁對抗環境下的極限生存能力。
• 與GNSS及通道模擬的無縫整合：
  產生的干擾訊號必須能夠與主GNSS模擬訊號以及通道模擬器的輸出在RF域或數位域精確、同步地疊加，確保測試場景的完整性與可信度。

先進的GNSS干擾模擬系統（如CAST的解決方案）架構示意，能夠產生並注入多種可控的RF干擾訊號，與GNSS模擬訊號結合，對接收機的抗干擾性能進行嚴苛的壓力測試。

干擾模擬系統通常提供豐富的模擬範本庫（如圖所示的範例），並允許使用者自訂干擾參數，以快速建構符合特定都市環境電磁特徵的複雜干擾場景。

真實數據的閉環校準：現場數據採集與模型精煉

儘管實驗室模擬技術日臻完善，但真實世界的複雜性總能帶來意想不到的挑戰，因此，利用可攜式的GNSS訊號分析與記錄設備，如GIDAS-Portable或XPLORA-Trace等記錄方案，進行選擇性的實場數據採集，對於驗證和優化模擬模型、捕捉未知RF現象具有不可替代的價值：

• 在目標都市區域採集真實頻譜數據：
  獲取實際環境中的背景雜訊底限、現存干擾源的頻譜特徵、以及特定路段的GNSS訊號品質。
• 校準與優化通道/干擾模型：
  將採集到的數據與實驗室模擬結果進行比對，反向優化通道模擬器和干擾模擬器的參數設定，使其更貼近真實。
• 記錄「黃金標準」或「疑難雜症」場景：
  捕捉一些具有代表性的、或是在實場測試中導致接收機故障的特定RF場景，用於實驗室的深度分析與演算法迭代。

如GIDAS-Portable這樣的輕巧型GNSS訊號分析與記錄設備，為都市實場數據採集、干擾源查找以及模擬模型的現地校驗提供了強大支援。

淬鍊高精度定位演算法：以sPositioner400的極限驗證為例

對於致力於在都市叢林中實現公分級定位的高精度定位系統（例如，可將sPositioner400精準點定位系統作為一個搭載了先進PPP/RTK或多感測器融合演算法的待測目標），上述整合了高精度GNSS訊號模擬、逼真都市通道模擬以及代表性干擾模擬的實驗室測試環境，是其演算法穩健性與精度極限的終極試金石。透過這些嚴苛的、可重複的測試，可以全面評估其在訊號遮蔽、強多路徑和RF干擾條件下的模糊度固定成功率與速度、定位精度與收斂特性、解算穩定性以及抗干擾閾值等核心指標。

撥開都市RF迷霧，以尖端測試技術賦能未來智慧時空服務

在日益依賴精準時空資訊的智慧都市藍圖中，「都市叢林」對GNSS而言既是機遇也是煉獄。克服訊號遮蔽的挑戰、駕馭多路徑的迷蹤、穿透RF干擾的迷霧，是釋放GNSS在都市環境中全部潛能、賦能從自動駕駛到萬物互聯等無數創新應用的不二法門。

本文所闡述的先進驗證策略，其核心在於「模擬即真實」的理念——透過全維度高精度GNSS訊號模擬技術（如XPLORA系列及CAST 1000的實踐）、高傳真RF通道模擬技術（以ACE Client進階通道模擬器為代表）以及可程式化RF干擾模擬技術（如GNSS導航干擾模擬系統的應用）的深度融合與協同運作，我們得以在實驗室中構建出與真實都市環境高度一致、且參數完全可控、場景可無限重複的「數位RF孿生體」；輔以如GIDAS-Portable等工具進行的實場數據反饋與模型迭代，這一整套閉環的測試方法學，為打磨出能夠在最嚴苛都市條件下依然穩定輸出高精度PNT資訊的GNSS接收機（包括：搭載精密演算法的sPositioner400精準點定位系統等終端）提供了前所未有的強大武器。

展望未來，都市GNSS的挑戰將持續演化。更高頻段新訊號的引入、LEO衛星星座的輔助、5G/6G網路與GNSS的深度融合定位、以及AI賦能的智慧抗干擾與多路徑抑制演算法，都將對測試技術提出新的更高要求。測試策略也必須與時俱進，朝向更智能化、自適應化、雲端化以及虛實結合的方向邁進。

在這場永無止境的技術長征中，選擇具備前瞻視野與深厚技術實力的合作夥伴，共同駕馭測試的複雜性，是致勝的關鍵。奧創系統 (Ultrontek) 專注於為全球客戶提供最尖端的GNSS測試與驗證解決方案，憑藉其在GNSS訊號模擬（如XPLORA系列、CAST 1000）、RF通道模擬（ACE Client）、干擾模擬（GNSS導航干擾模擬系統）以及高精度定位解決方案（sPositioner400）等領域的全面產品組合與頂尖系統整合能力，奧創系統致力於為客戶打造量身定制的、能夠精準應對都市等複雜環境下GNSS效能驗證挑戰的測試平台。
若您正投身於「征服都市叢林」的GNSS技術研發，或對相關的前瞻測試技術與解決方案有任何探索需求，歡迎隨時與奧創系統 (Ultrontek) 的專家團隊深度交流，共創都市智慧時空服務的嶄新未來。