翱翔精準：GNSS 模擬與監測技術如何賦能無人機 (UAV/eVTOL) 克服認證、BVLOS 與安全挑戰

無人飛行載具（UAVs），包含備受矚目的電動垂直起降飛行器（eVTOLs），正以前所未有的態勢重塑我們的天空，從商業快遞、高精度測繪、搜索救援到未來的空中計程車，無人機的應用潛力無遠弗屆，然而，這片廣闊藍海的開拓，建立在一個絕對的基礎之上——安全與可靠。

無人飛行載具 (UAV) 的應用日益廣泛，從空拍到物流，其安全可靠的飛行極度依賴精準的 GNSS 導航與嚴謹的測試。

隨著應用場景的擴展，特別是超視距飛行（Beyond Visual Line of Sight, BVLOS） 的普及，以及日益嚴格的法規認證要求，對無人機導航系統的穩健性與完整性提出了前所未有的挑戰，全球導航衛星系統（GNSS） 作為核心定位技術，其性能與可靠性直接關係到任務成敗乃至公眾安全，這使得全面、嚴謹且可驗證的 GNSS 測試與監測，成為每一位無人機工程師無法迴避的關鍵課題。

本文將從工程師的視角出發，深入探討無人機領域的 GNSS 模擬與監測技術，解析其在設計、測試、驗證與認證流程中的核心作用，並探討如 OHB Austria 提供的 XPLORA 與 GIDAS Embedded 等工具，如何協助工程師應對 GNSS 受拒、干擾、欺騙以及硬體在環（HIL） 測試等複雜挑戰。

無人機 GNSS 模擬與監測：為何是飛航安全與認證的關鍵？

對於無人機系統，GNSS 不僅提供基本的位置與時間資訊，更是自動駕駛儀、任務規劃、地理圍欄及避障系統的關鍵輸入，然而，GNSS 訊號的脆弱性使其在複雜的飛行環境中充滿變數。

• GNSS 模擬的必要性：
  無人機的運行環境遠比地面車輛複雜，且空中測試的成本與風險極高，工程師無法輕易在真實世界中測試所有極端情況，例如：
  • GNSS 受拒/干擾/欺騙環境：
    如何在不影響公共安全的前提下，驗證無人機在遭遇敵對電磁環境時的反應與備援機制，
  • BVLOS 長程任務：
    模擬長距離飛行中的訊號變化、大氣影響與通訊鏈路問題，
  • 硬體在環 (HIL) 測試：
    將飛控電腦、感測器等硬體接入模擬環境，進行閉環測試，驗證軟硬體整合效能，
  • 認證所需的可重複性：
    法規認證要求提供可重複且可量化的測試證據，這只有透過受控的模擬環境才能高效實現。
• GNSS 監測的重要性：
  即使通過了實驗室測試，真實飛行中的 GNSS 環境仍充滿不確定性，機載 GNSS 監測成為保障飛行中安全的重要環節：
  • 即時干擾偵測：
    飛行中即時發現並評估干擾訊號，為飛控系統提供決策依據。
  • 訊號完整性保障：
    持續監控 GNSS 訊號品質，確保提供給自動駕駛儀的定位資訊是可信的。
  • 智慧化備援切換：
    當監測到 GNSS 不可靠時，能智慧觸發切換至慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS） 或其他備援方案，確保飛行姿態與路徑的穩定。

核心原理深入解析

為無人機設計可靠的導航系統，工程師需要深入理解模擬與監測的技術細節。

無人機 GNSS 模擬器：建構可驗證的虛擬空域

無人機 GNSS 模擬器不僅要產生標準訊號，更需具備針對性的能力：

• 高動態模擬：
  精確模擬多旋翼的懸停、急遽機動以及 eVTOL 的垂直起降與巡航轉換等複雜飛行姿態下的訊號動態。
• HIL 介面與延遲控制：
  提供低延遲的硬體介面（如 Serial, Ethernet），確保模擬訊號與飛控電腦的即時互動，這對自動駕駛儀的測試至關重要。
• 複雜電磁環境建構：能靈活設定多個干擾源、欺騙訊號，並模擬其動態變化，以測試無人機的抗干擾與反欺騙能力。
• 感測器融合數據流：
  除了 GNSS，高階模擬器還能同步產生虛擬 IMU、氣壓計等數據，全面測試感測器融合演算法。

XPLORA 系列提供了滿足不同需求的解決方案：

• XPLORA One：
  最具成本效益的選擇，適合進行基本功能驗證、生產線測試或教育訓練。

XPLORA One GNSS 模擬器硬體，提供具成本效益的解決方案，適合無人機的基本功能驗證與生產線測試。

• XPLORA Pro：
  高階即時模擬器，專為複雜 HIL 測試、BVLOS 場景驗證及認證測試設計，提供最高的保真度與靈活性。

• XPLORA Trace：
  紀錄與回放方案，能捕捉特定飛行任務或問題場域的真實訊號，供工程師在實驗室進行深度分析與迴歸測試。

XPLORA Trace 系統架構，透過軟體、SDR 硬體與天線組合，實現真實飛行路徑或特定干擾環境的 GNSS 訊號記錄與回放，是工程師進行深度分析與問題重現的利器。
 

機載 GNSS 監測：無人機的即時安全哨兵

對於機載監測，尺寸、重量與功耗（SWaP） 是工程師必須考量的關鍵因素。

• 小型化與低功耗：
  監測模組必須輕巧且省電，才能輕易整合至無人機平台而不影響其續航力與載荷能力。
• 即時處理能力：
  能在飛行中即時完成頻譜掃描、干擾識別與訊號品質評估。
• 與飛控系統的介面：
  提供標準化介面（如 UART, CAN, MAVLink），將監測結果與警報無縫傳遞給自動駕駛儀。
• 輔助 INS 切換決策：
  提供可靠的 GNSS 狀態判斷，這是 GNSS/INS 緊密耦合或鬆散耦合系統中，進行權重調整與模式切換的關鍵依據。

GIDAS Embedded 正是這樣一款為無人機量身打造的 GNSS 監測智慧演算法，它提供了強大的干擾偵測能力，幫助工程師為其無人機系統建立關鍵的導航訊號完整性防護。

關鍵技術細節與規格探討 (無人機特化)

工程師在進行 GNSS 測試時，需關注以下技術細節：

• HIL 平台的時序同步：
  確保模擬的 GNSS 訊號、IMU 數據、飛控指令與回饋之間達到微秒級的時序同步。
• BVLOS 的訊號衰減與延遲模擬：
  準確模擬長距離下的訊號傳播損耗、大氣延遲以及地面站通訊延遲。
• GNSS/INS 融合演算法驗證：
  測試卡爾曼濾波器在不同 GNSS 品質下的收斂速度、穩定性與精度。
• RAIM/AAIM 性能測試：
  驗證接收機自主完整性監測（RAIM） 或飛機自主完整性監測（AAIM） 演算法能否在模擬的衛星故障場景下正常觸發。

技術比較與優劣勢分析

比較項目	GNSS 模擬測試 (XPLORA)	真實飛行測試
安全性	高	低/中 (尤其 BVLOS/干擾測試)
成本	中/低 (可重複性高)	高 (飛行時數、空域申請、保險)
可重複性	極高	低
場景覆蓋	全面 (可測極端/危險場景)	有限
認證效率	高 (提供標準化數據)	低

實作挑戰與法規遵循

無人機工程師不僅要面對技術挑戰，更需應對嚴格的法規：

• 技術挑戰：
  SWaP 限制、電池能量密度、可靠的 C2 (命令與控制) 鏈路、機載運算能力、網路安全。
• 法規遵循：
  各國/地區的航空法規（如 FAA, EASA）對無人機的設計、製造、操作與認證都有詳細規定，特定操作風險評估（SORA） 等框架要求提供詳細的風險分析與緩解措施證明，而嚴謹的 GNSS 測試報告是通過認證不可或缺的一環。

應用場景與市場潛力

GNSS 模擬與監測貫穿無人機的整個生命週期與應用鏈：

• 無人機製造與測試：
  從零組件篩選到整機 EOL 測試，XPLORA One 提供高效的測試方案，確保出廠品質。
• 自動駕駛儀 (Autopilots) 與 HIL：
  XPLORA Pro 結合 HIL 平台，成為飛控演算法（尤其是 BVLOS）開發與驗證的核心工具，GIDAS Embedded 則確保輸入的 GNSS 數據可靠。
• 特定與認證類別：
  對於包裹遞送、空中計程車等高風險應用，可靠性是非協商項，XPLORA Pro/Trace 用於深度驗證，GIDAS Embedded 提供即時保障，確保在 GNSS 異常時能安全切換至 INS。

市場對民用、商用和軍用無人機的需求持續增長，推動著更高品質的測試解決方案的發展。

未來發展趨勢與技術展望

無人機 GNSS 技術的未來聚焦於更高的自主性、智慧性與強韌性：

• 城市空中交通 (UAM)：
  eVTOLs 將需要極高完整性與可用性的 PNT 解決方案，GNSS 測試將更為複雜。
• AI 驅動的導航：
  AI 將用於智慧感測器融合、預測性干擾規避與自主路徑規劃。
• 無人機蜂群協同：
  需要高精度相對定位與時間同步技術，對 GNSS 測試提出新挑戰。
• 多源 PNT 融合：
  整合 5G/6G、地面信標、視覺里程計等多種定位源，打造全域、全天候的導航能力。

結論

無人機產業正以前所未有的速度起飛，而安全與可靠是其行穩致遠的雙翼，作為導航核心的 GNSS，其性能與完整性直接決定了這雙翅膀的堅固程度，對於肩負設計、驗證與認證重任的工程師而言，GNSS 模擬與監測不再是選項，而是必需品。

透過 XPLORA 系列模擬器在實驗室中窮盡各種飛行可能與風險，以及 GIDAS Embedded 在實際飛行中警惕每一絲異常訊號，工程師們能夠更有信心地打造出符合法規、贏得信任的無人機系統，這不僅是技術的進步，更是為未來低空經濟與智慧城市的天空，築起一道安全的屏障。