從現實到「超現實」
PNT技術在AR/VR與元宇宙中的「定海神針」角色

擴增實境（AR）、虛擬實境（VR）以及更為宏大的元宇宙（Metaverse）概念，正以前所未有的速度從科幻走進現實，深刻改變著娛樂、教育、工業、醫療、社交等眾多領域的互動模式與體驗邊界。這些沉浸式技術的核心魅力在於能夠將數位資訊、虛擬物件與真實世界無縫疊加（AR），或將使用者完全代入一個由電腦產生的虛擬環境（VR/元宇宙），然而，要實現真正令人信服的、自然的、無眩暈感的虛實融合體驗，其背後離不開一個極其精確、極低延遲、且能提供完整六自由度（6-DOF）追蹤的PNT（定位、導航與授時）系統。

想像一下，在AR應用中，虛擬物件若不能精準地「錨定」在真實世界的特定位置，隨使用者的移動而產生抖動、漂移或穿透，體驗將大打折扣；在VR或元宇宙中，使用者頭部或身體的微小轉動若不能被即時、準確地映射到虛擬化身的動作上，則極易引發暈動症（Motion Sickness），嚴重影響使用者沉浸感；因此，PNT技術在這些應用中，扮演著連接虛擬與現實、確保使用者體驗的「定海神針」角色，但同時，這些應用也對PNT的精度（公分級甚至毫米級）、延遲（毫秒級）、更新率（數十至數百Hz）以及在複雜多變環境（尤其室內外無縫切換）下的穩健性提出了前所未有的極致要求；本文將深入剖析這些需求與挑戰，並重點探討如何利用先進的模擬與測試方案（如CAST GNSS/INS即時模擬平台與Hexapod六軸運動平台的結合，以及ACE Client進階通道模擬器等）來驗證AR/VR與元宇宙應用的PNT核心技術。

虛實融合PNT的技術需求光譜與核心挑戰

AR/VR與元宇宙對PNT技術的「不可能的任務」清單

為實現理想的沉浸式體驗，AR/VR與元宇宙應用對其PNT子系統提出了極其嚴苛的要求：

• 超高精度6-DOF追蹤：
  不僅需要精確追蹤使用者或設備在三維空間中的位置（x, y, z），更要精確追蹤其姿態（俯仰Pitch、滾轉Roll、偏航Yaw）。對於頭戴式顯示器（HMD），頭部姿態的微小誤差都會被視覺顯著放大。
• 極低端到端延遲（Motion-to-Photon Latency）：
  從使用者頭部或身體實際運動，到感測器捕捉、PNT解算、虛擬場景渲染並最終顯示在螢幕上的整個鏈路延遲，必須控制在20毫秒甚至更低的水平，以避免暈動症。
• 高更新率：
  PNT數據的更新率需要達到60Hz至120Hz甚至更高，以匹配顯示器的刷新率，確保視覺的流暢性。
• 室內外無縫定位與大範圍追蹤：
  許多AR/元宇宙應用需要在廣闊的室內空間（如展館、工廠、商場）或室內外切換的場景（如AR導航、戶外AR遊戲）中提供持續、穩定的PNT服務。
• 低功耗與小型化：
  對於穿戴式AR/VR設備，PNT子系統的功耗和體積必須嚴格控制。
• 多使用者協同與共享空間的PNT一致性：
  在多人互動的AR/VR或元宇宙場景中，所有參與者對虛擬物件和彼此位置的感知必須高度一致。

賦能虛實融合的PNT技術組合拳與基礎校準

為滿足上述需求，AR/VR與元宇宙的PNT系統通常採用多感測器融合的策略，常見的技術組合包括：

• 慣性測量單元（IMU）：
  由加速度計和陀螺儀組成，是實現高更新率、低延遲6-DOF姿態追蹤的核心，但存在累積誤差（漂移）。
• 由內向外追蹤（Inside-Out Tracking）：
  利用設備自身搭載的攝影機（單目、雙目或多目）或深度感測器，透過視覺里程計（Visual Odometry, VO）或視覺同時定位與地圖構建（Visual SLAM, VSLAM）演算法，實時感知自身在環境中的運動與姿態，並可同時構建環境地圖，LiDAR SLAM也屬於此類。
• 由外向內追蹤（Outside-In Tracking）：
  透過部署在外部環境中的固定感測器（如紅外攝影機、基站）來追蹤設備上的標記點或特徵，精度較高，但活動範圍受限。
• GNSS：
  主要用於室外AR應用的絕對定位，或作為混合PNT系統在室外時的位置參考與IMU漂移校正。
• 地面無線定位技術：
  如Wi-Fi RTT/指紋、藍牙AoA/訊標、超寬頻（UWB）等，可用於輔助室內定位。

此外，為確保各感測器（尤其是攝影機、深度感測器及IMU）自身的精度與彼此間的協同基準，專業的VR/AR/MR實境設備校準平台在系統整合初期扮演著不可或缺的角色，為後續的高精度PNT融合打下堅實基礎，這些平台通常整合了精密的光學靶標、運動控制以及分析軟體，能夠對感測器的內參（Intrinsic Parameters）、外參（Extrinsic Parameters，即多感測器間的相對位置與姿態）以及時間同步等進行精密校準。

VR/AR/MR實境設備校準平台為AR/VR/MR裝置中的多感測器（如攝影機、IMU）提供精密校準，是實現高精度6-DOF追蹤與虛實融合體驗的前提。

這些技術的融合，旨在取長補短，在不同環境和應用需求下提供最優的PNT解。

AR/VR與元宇宙PNT測試的獨特挑戰

驗證這類複雜的、對效能要求極高的融合PNT系統，面臨諸多獨特挑戰：

• 6-DOF真實數值的獲取與同步：
  如何在實驗室中為待測設備提供精確的、可同步的6-DOF運動激勵，並獲取其運動的「地面真實數值」以評估PNT演算法的精度？
• 低延遲特性的精密量測：
  如何準確量測從物理運動到PNT數據輸出的端到端延遲，並將其控制在毫秒級？
• 複雜光照與環境特徵的模擬：
  對於依賴視覺的PNT技術，如何模擬不同光照條件、不同紋理特徵的環境對其演算法的影響？
• 室內外無縫切換與多PNT源融合的驗證：
  如何測試系統在GNSS可用、部分可用、完全不可用等多種場景間切換時，PNT輸出的連續性、精度與切換延遲？
• 大規模、長時間的穩定性與漂移測試：
  IMU的漂移是核心問題，如何進行長時間測試以評估其累積誤差特性及融合演算法的校正效果？

AR/VR與元宇宙PNT的極限需求與測試驗證核心

攻克虛實融合PNT測試難關－先進模擬與驗證方法學的「點石成金」之策

要將AR/VR與元宇宙的沉浸式體驗推向極致，其PNT子系統的測試與驗證必須達到前所未有的精度與逼真度，這需要一套能夠在實驗室中精確再現各種動態、光學（此處主要指與PNT相關的運動與RF環境）與感測器特性的「點石成金」之策。

「身臨其境」的物理運動模擬：精密運動平台賦能6-DOF PNT驗證

對於AR/VR頭戴裝置、手持控制器或任何需要精確6-DOF追蹤的設備，其內部的IMU感測器是實現低延遲、高更新率姿態感知的核心，驗證這些IMU的真實物理響應以及與其他感測器（如GNSS、視覺）的融合效能，高精度物理運動平台扮演了不可替代的角色：

• 六軸運動平台（Hexapod）：
  如奧創系統提供的Hexapod解決方案（包括250kg以下負載和250KG以上負載等不同規格），能夠以極高的精度和動態範圍，模擬使用者頭部或身體的平移（X, Y, Z）和旋轉（俯仰Pitch、滾轉Roll、偏航Yaw）運動，從細微的抖動到大幅度的快速轉動。
• 客製化平衡旋轉台（Gimbals）與光學支架：
  針對特定角度運動測試或感測器特性分析（如IMU的角速率響應、攝影機或光學感測器的掃描測試），高精度的客製化平衡旋轉台（Gimbals）與光學支架亦是實驗室中常用的關鍵設備，它們能提供極其平穩和精確的單軸或多軸旋轉運動。 這些平台可用於：
  • IMU特性分析與校準：
    透過施加已知的精密運動序列，可以精確標定IMU的偏置（Bias）、尺度因子（Scale Factor）、軸不對準（Misalignment）等關鍵誤差參數。
  • 6-DOF追蹤演算法的極限考驗：
    在受控物理運動下，評估PNT系統的動態精度、響應延遲以及長期穩定性（漂移）。
  • 硬體在環（HIL）測試的核心組件：
    將待測的AR/VR設備實體安裝在運動平台上，使其IMU真實感知物理運動，同時其他模擬器向其提供對應的虛擬環境訊號。
     

高精度客製化平衡旋轉台（Gimbals），能夠為AR/VR設備中的光學感測器或IMU提供精密的角度運動與姿態控制，用於特性分析與校準。
 

GNSS/INS融合的全鏈路模擬：從室外錨定到室內推算的無縫銜接

對於需要在室外或室內外過渡場景中使用的AR/VR與元宇宙應用（如戶外AR導覽、連接真實世界的元宇宙入口等），GNSS與INS的融合是提供連續PNT服務的關鍵，GNSS/INS整合模擬平台（如CAST GNSS/INS即時模擬平台）在此類測試中至關重要：

• 同步模擬GNSS RF訊號與IMU數據流：
  根據統一的虛擬運動軌跡，平台能同時產生高傳真的GNSS訊號（由XPLORA系列GNSS模擬器或CAST 1000等產生，並可由SATGEN衛星軌道建模軟體定義軌道）和對應的IMU感測器輸出（Δθ, Δv），並可注入各種IMU誤差。
• 驗證GNSS弱訊號/中斷時的INS航位推算效能：
  透過程式化控制GNSS訊號的強度或完全中斷GNSS訊號，測試融合系統能否平滑切換到INS主導的航位推算，並評估其在GNSS不可用期間的位置與姿態漂移特性。
• 測試GNSS重擷取與融合初始化：
  模擬從GNSS拒止區重新進入GNSS覆蓋區時，系統能否快速重擷取衛星訊號，並利用GNSS更新來校正INS的累積誤差，實現PNT解的快速重新收斂。

CAST GNSS/INS即時模擬平台能夠精確同步GNSS訊號與IMU數據的模擬，是驗證AR/VR與元宇宙應用中GNSS/INS融合PNT演算法在室內外無縫切換與弱訊號環境下效能的關鍵。
 

複雜RF傳播環境的精確塑造：通道模擬的挑戰

無論是室外的GNSS訊號還是室內可能使用的其他RF定位技術，其傳播路徑都極其複雜，進階RF通道模擬器（如ACE Client進階通道模擬器或ACE9600）能：

• 模擬室內外GNSS訊號的穿透損耗與多路徑效應：
  精確再現訊號在穿過牆壁、樓板時的衰減，以及在室內或都市峽谷中由多重反射形成的複雜時間延遲與相位變化。
• 評估PNT系統在真實RF環境下的強韌性：
  將這些模擬的通道效應疊加到GNSS或其他RF PNT訊號上，驗證待測設備的接收演算法與融合邏輯能否有效應對。

利用ACE Client進階通道模擬器可以為AR/VR PNT測試創建高度逼真的RF傳播環境，模擬訊號在室內、都市等複雜場景下的多路徑與衰落特性。

保障PNT服務的「乾淨」：干擾的模擬與監測

AR/VR與元宇宙應用通常在使用者密集的環境中部署，這些環境的電磁頻譜可能非常擁擠和嘈雜。

• GNSS干擾模擬：
  利用GNSS導航干擾模擬系統或NavTD-M23，可以模擬Wi-Fi、藍牙或其他潛在射頻源對GNSS接收的干擾，測試PNT系統的抗干擾能力。
• 真實環境頻譜監測：
  在實際部署AR/VR應用前，使用GIDAS系列干擾偵測與分析系統對現場電磁環境進行勘查和分析，有助於預先識別潛在的干擾風險。

透過GIDAS-Portable等工具對AR/VR應用現場進行電磁環境勘查，有助於識別潛在的GNSS干擾源，為系統的強韌性設計提供依據。

虛實之間的精準「錨定」－以終極測試鑄就元宇宙PNT基石

AR/VR與元宇宙所描繪的沉浸式互動未來，其根基深植於一個能夠在虛擬與現實世界之間提供精確、即時、可靠時空錨定的PNT系統，實現這一目標，不僅需要PNT感測技術與融合演算法的持續突破，更離不開一套能夠全面模擬和嚴苛驗證這些極致PNT需求的測試方法學。

從利用Hexapod六軸運動平台或客製化平衡旋轉台（Gimbals）對6-DOF追蹤進行物理域的極限考驗，並透過VR/AR/MR實境設備校準平台確保感測器初始精度；到透過CAST GNSS/INS即時模擬平台在數位域精確同步GNSS與IMU數據流；再結合XPLORA系列GNSS模擬器對GNSS訊號可用性與品質的細膩調控，以及ACE Client進階通道模擬器對複雜RF傳播環境的逼真再現——這些尖端模擬與測試技術的融合，共同構建了一個能夠在實驗室中系統性地、可重複地、且高效地驗證AR/VR與元宇宙PNT子系統全方位效能的「數位試煉場」；而GNSS導航干擾模擬系統與GIDAS系列則為PNT的穩健性與環境適應性提供了進一步的保障。

展望未來，隨著AR/VR技術向更輕量化、更長續航、更廣泛應用場景（從個人娛樂到工業協作、遠程醫療）的演進，對PNT系統的功耗、體積、成本以及在超複雜動態環境下的適應性將提出更高要求。AI與機器學習也將在PNT的感測器融合、場景理解、以及智慧化測試案例產生中扮演更重要的角色。

奧創系統 (Ultrontek) 致力於為AR/VR與元宇宙等前瞻科技領域提供核心的PNT測試與驗證解決方案，我們深刻理解這些沉浸式應用對PNT技術的極致追求，並憑藉在GNSS/INS模擬、物理運動模擬（Hexapod、Gimbals）、感測器校準、RF通道與干擾模擬等領域的全面產品組合與專業整合能力，協助客戶攻克PNT技術瓶頸，加速其創新應用的開發與落地；若您正在打造下一代的虛實融合體驗，並尋求頂級的PNT測試驗證夥伴，歡迎隨時與奧創系統 (Ultrontek) 的專家團隊聯繫，讓我們共同為元宇宙的到來，打下最堅實的時空錨點。