GNSS/INS 慣性導航整合測試：緊密耦合架構下的 HIL 模擬驗證

 

在導航領域我們常說：「GNSS 給你位置，但 INS 告訴你發生了什麼」，全球導航衛星系統（GNSS）提供的是低頻、有雜訊但長期穩定的「絕對位置」；而由加速度計（Accelerometer）與陀螺儀（Gyroscope）組成的慣性量測單元（IMU），提供的則是高頻、平滑但誤差會隨時間發散的「相對動態」。

將兩者結合的 組合導航系統（Integrated Navigation System）是現代載具的標配，然而真正的挑戰發生在 GNSS 訊號消失的那一刻 — 也就是所謂的 「慣性滑行（Coasting）」 階段，此時導航系統的生死完全取決於 「耦合架構（Coupling Architecture）」 的深度。

架構解析：從鬆散到緊密

為什麼有些無人機在 GPS 斷訊後能懸停不動，而有些則會立刻飄移墜毀？這取決於它們如何「融合」這兩種數據。

鬆散耦合 (Loosely Coupled)

• 原理：GNSS 接收機先自己解算出位置與速度（PVT），然後將這個結果作為「量測值」丟給慣性導航的卡爾曼濾波器（Kalman Filter）。
• 缺點：這是「黑盒對黑盒」的接法，一旦可見衛星少於 4 顆，GNSS 接收機無法解算位置就停止輸出，此時濾波器失去校正源，INS 誤差開始無限制發散（Drift）。

緊密耦合 (Tightly Coupled)

• 原理：我們繞過 GNSS 的定位解算，直接取用其 「原始觀測量（Raw Measurements）」，即虛擬距離（Pseudorange） 與 距離變化率（Delta Range）。
• 優勢：這是抗干擾的關鍵，即使只有 1 顆或 2 顆衛星可見，濾波器仍能利用這些殘存的衛星數據來約束 INS 的誤差漂移，此外 INS 的預測資訊可以用來輔助 GNSS 接收機的追蹤迴路，提高其在高動態下的鎖定能力。

超緊密/深耦合 (Ultra-Tightly / Deeply Coupled)：

• 原理：INS 的數據直接控制 GNSS 接收機內部的數控振盪器（NCO），這讓接收機在強干擾下仍能維持訊號鎖定，是電子戰環境下的終極方案。

測試挑戰：時間與空間的絕對同步

要驗證緊密耦合演算法，不能只是透過一台訊號產生器和一個轉台就開始測試，這將面臨的是物理學上的一致性難題：

桿臂效應 (Lever Arm Effect)

在真實飛機上，GNSS 天線裝在機背，IMU 裝在機腹，兩者距離可能達數公尺，當飛機翻滾（Roll）時，天線與 IMU 會感受到完全不同的切線速度與加速度，測試系統必須精確模擬這個幾何偏差，否則濾波器會誤判為傳感器故障。

時序同步 (Timing Synchronization)

在緊密耦合中，IMU 數據（如 1000 Hz）與 GNSS 觀測量（如 10 Hz）必須在微秒級的時間軸上對齊，如果模擬系統中 RF 訊號的產生比 IMU 數據的產生慢了 10 毫秒，對於以 2 馬赫飛行的飛彈而言，這意味著數公尺的誤差，足以導致導引失敗。

面對「既要模擬射頻，又要模擬慣性電訊號」的雙重需求，且必須保證兩者在高速運動下的嚴格一致性，我們推薦 CAST Navigation 高階慣性模擬系統 與 Rohde & Schwarz GNSS 模擬器，構建一套完整的 EGI（嵌入式 GPS/INS）硬體迴路測試平台。

方案核心：CAST-INERTIAL 慣性模擬系統

CAST Navigation 是軍規級導航測試的領導者，其系統專為模擬 EGI 而設計。

CAST Navigation 模擬系統即時呈現飛行器在海洋地形上的三維運動軌跡，並顯示六自由度（6-DOF）模擬參數，包括位置、姿態、速度與加速度資訊，支援高精度 GNSS/INS 整合測試。

• 高保真 IMU 數據產生：
  系統能產生高更新率（可達 4000 Hz 以上）的加速度與角速度數據，更重要的是，它能精確模擬各種等級 IMU（從戰術級 MEMS 到導航級光纖陀螺儀 FOG）的誤差模型，包含 偏差（Bias）、比例尺因數（Scale Factor）、隨機遊走（Random Walk） 以及 g-敏感度。
• 介面模擬：
  支援多種標準 IMU 介面（如 SDLC, RS-422, 1553B），直接將數位訊號注入待測物的導航電腦，使其「以為」自己正連接這一個真實的 IMU。

射頻與慣性：CAST-GNSS 與 R&S 的連動

在緊密耦合測試中，RF 訊號必須與 IMU 訊號「同源」。

• 單一軌跡源：透過使用 6-DOF 軌跡產生器作為唯一真理來源。
• 同步產生：
  • RF 路徑：
    軌跡數據被送往 CAST-GNSS 或 R&S SMBV100B/SMW200A 模擬器，即時計算每顆衛星的延遲與都卜勒頻移，R&S 模擬器具備高達 100 Hz 的軌跡更新率與低至 20 ms 的系統延遲，確保 RF 訊號能跟上高動態機動。
  • IMU 路徑：
    同一份軌跡數據被送往 CAST-INERTIAL，計算出 IMU 應感測到的比力（Specific Force）與角速率。

CAST GNSS-INS 即時動態訊號模擬測試系統支援 6-DOF 模擬、多通道慣性輸出、干擾環境重建與模組化擴展，提供導航系統開發、整合與 HIL 測試的精確驗證平台。


CAST GNSS 模擬系統支援多星座、多頻段 RF 訊號輸出，具備即時六自由度軌跡模擬、外部資料整合與 HIL 閉環測試能力，提供精準、彈性且可擴充的 GNSS 測試平台。

• 週期一致性：
  透過 1PPS 或更高速的硬體觸發訊號，確保 RF 波前到達天線的時間點，與 IMU 數據包到達處理器的時間點，完全符合物理世界的延遲邏輯。

支援緊密耦合與超緊密耦合測試

這套系統的強大之處在於它支援各類耦合模式的驗證,：

• 驗證濾波器收斂性：
  您可以模擬一個「高G力轉彎」場景，觀察在劇烈運動下，卡爾曼濾波器是否能利用 GNSS 觀測量正確估計並修正 IMU 的偏差。
• 模擬 GNSS 拒止 (Denied) 環境：
  在測試過程中，您可以隨時「關掉」或是「干擾」部分或全部衛星訊號，這讓您能量測 EGI 在失去衛星後的 「純慣性飄移率」，以及當衛星訊號恢復（即使只有一顆）時，系統 「重新收斂（Re-convergence）」 的速度。

擴展性：從實驗室到戰場

這套架構不僅限於標準導航測試，還能擴展至：

• CRPA 抗干擾天線整合：
  結合 CAST-CRPA 系統，在模擬慣性導航的同時，模擬多方向的電子干擾源，驗證 EGI 在強干擾環境下的生存能力。
• HIL 閉環測試：
  接受導引電腦的舵面控制訊號，即時改變飛行軌跡，形成完整的「感測-決策-行動」閉環驗證。

CAST-CRPA 系統是一套高精度 GNSS 波前模擬平台，支援多頻多星系訊號生成與動態 6-DOF 載具模擬，專為 CRPA 控制接收波束天線設計；可同時模擬 GNSS 與干擾訊號，具備相位一致性與可程式化能力，並搭配圖形化介面支援高度客製化場景設定，適用於軍用與商用導航測試需求。
 

實際系統配置將因應您的 IMU 等級（雷射/光纖/MEMS）、耦合演算法需求及載具動態特性而有所不同，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」，我們擁有豐富的國防與航太系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

立即聯繫奧創系統，讓我們協助您在實驗室中打造最嚴苛的虛擬戰場，確保您的導航系統在失去天空的指引時，依然能憑藉自身的感知，精準抵達目的地。