星載 GNSS 接收機驗證：LEO 與 GEO 軌道的高動態導航模擬

星載 GNSS 接收機驗證：LEO 與 GEO 軌道的高動態導航模擬

 

當我們在地面使用手機導航時，我們鮮少意識到頭頂上的全球導航衛星系統（GNSS）是為了「地面使用者」而設計的，一旦將接收機裝上火箭，發射到低地球軌道（LEO）甚至地球同步軌道（GEO），所有的訊號特徵與物理假設將被徹底顛覆。

星載（Spaceborne）GNSS 接收機 不僅僅是工業級接收機的抗輻射版本，它必須處理地面設備無法想像的極端物理現象，對於衛星製造商而言，如何在衛星發射前，於地面實驗室中「騙過」接收機，讓它以為自己正以每秒 7.6 公里的速度在太空中飛行，是任務成敗的關鍵。

挑戰一：極速下的都卜勒效應（Doppler Effect）

在地面，使用者的移動速度相對於光速微乎其微，但在 LEO 軌道，衛星以約 7.6 km/s（時速 27,000 公里） 的速度繞行地球。

• 頻率的劇烈壓縮與拉伸：
  當星載接收機迎向導航衛星飛行時，接收到的載波頻率會顯著升高，遠離時則顯著降低，這種都卜勒頻移的範圍可達 ±40 kHz 至 ±50 kHz（相較於地面的 ±5 kHz）。
• 頻率變化率（Doppler Rate）：
  更致命的是頻率變化的「加速度」，當兩顆衛星快速交會時，頻率會在短時間內發生急劇變化，如果接收機的鎖相迴路（PLL）頻寬設計不足，將無法鎖定訊號，導致導航中斷。

挑戰二：GEO 軌道的「旁瓣接收（Side-lobe）」困境

對於氣象衛星或通訊衛星所在的地球同步軌道（GEO，高度約 36,000 公里），情況則完全相反。

• 比導航衛星還高：
  GPS 或 Galileo 衛星的軌道高度約為 20,000 公里，這意味著 GEO 衛星是在導航星系的「上方」飛行。
• 背對地球的訊號：
  導航衛星的天線是指向地球的（主波束），GEO 衛星無法接收主波束，只能依賴導航衛星天線洩漏出來的、跨越地球邊緣的 「旁瓣訊號（Side-lobes）」。
• 極微弱的訊號：
  這些旁瓣訊號的強度比主波束低 15 dB 到 20 dB，星載接收機必須具備極高的靈敏度，且演算法需能處理極低的載噪比（C/N0），才能在這種「訊號貧瘠區」完成定位。

挑戰三：電離層與大氣模型的反轉

地面接收機的誤差修正模型假設訊號「穿過」了整個電離層。

• 在電離層之上：
  LEO 衛星可能飛行在電離層內部或上方，如果接收機盲目套用 Klobuchar 等地面大氣修正模型，會導致巨大的計算誤差，模擬測試系統必須能夠根據衛星的軌道高度，動態調整或關閉大氣延遲模型，真實反映訊號路徑上的電子密度總含量（TEC）。

面對上述挑戰，靜態的訊號產生器已毫無用武之地，您需要的是一套具備「軌道動力學引擎」與「高動態射頻產生能力」的綜合模擬系統，這套系統必須充當上帝的角色，在實驗室的同軸電纜中重建整個宇宙的時空關係。

核心技術一：高保真軌道軌跡產生 (High-Fidelity Trajectory Generation)

測試的第一步是告訴模擬器：「我的衛星在哪裡？」

• 六自由度 (6-DOF) 運動模擬：
  系統不僅模擬衛星的位置（X, Y, Z），還必須模擬其姿態（滾轉、俯仰、偏航），因為衛星天線是固定在衛星本體上的，衛星的翻滾會直接導致天線指向改變，進而影響可見衛星的數量。
• 即時軌道積分：
  先進的模擬軟體支援匯入 雙行軌道根數 (TLE) 或使用 SGP4/SDP4 傳播模型，即時計算衛星在軌道上的每一毫秒的位置，這確保了模擬出的速度與加速度向量完全符合克卜勒定律與地球攝動（如 J2 項）的物理規則。

核心技術二：動態鏈路預算與天線建模

在太空中，訊號的強弱不再僅由距離決定，更多是由幾何遮擋決定。

• 衛星本體遮罩 (Body Masking)：
  當衛星進行姿態調整時，太陽能板或大型天線可能會擋住 GNSS 天線的視線，模擬系統允許使用者匯入衛星的 3D 模型遮罩檔，即時計算並切斷被自身結構阻擋的衛星訊號。
• 天線場型模擬 (Antenna Pattern)：
  星載天線通常不是全向的，系統會根據當下的入射角（AoA），疊加接收天線的增益圖（Gain Pattern），這對於驗證衛星在翻滾或失控模式下，是否仍能維持最低限度的訊號鎖定至關重要。

核心技術三：硬體迴路 (HIL) 閉環測試

對於具備自主導航與姿態控制系統（AOCS）的衛星，單向的訊號播放是不夠的。

• 閉環控制：
  在 HIL 架構中，衛星的飛行電腦（OBC）會根據接收機解算出的位置，計算出推進器的點火指令，這個指令會即時傳回給模擬器。
• 即時反應：
  模擬器收到推力指令後，會立即更新衛星的軌道模型（改變速度與位置），並在下一個毫秒週期內，調整輸出的 RF 訊號（改變都卜勒與延遲），這種 低延遲（< 10ms） 的閉環互動，是驗證衛星自主變軌與編隊飛行演算法的唯一途徑。

核心技術四：特殊場景模擬 — 從冷啟動到輻射效應

• 太空冷啟動 (Cold Start)：
  模擬衛星剛脫離運載火箭進入軌道時，不知道時間、不知道位置的狀態，測試接收機在高速運動下，首次定位（TTFF）所需的時間。
• 極端訊號模擬：
  模擬穿越 南大西洋異常區 (SAA) 時可能發生的電子單元翻轉（Bit Flip）或訊號中斷；或是模擬 LEO 星座之間的通訊鏈路，驗證未來 6G NTN 的星間鏈路（ISL）性能。

總結：通往發射台的必經之路

星載 GNSS 接收機的測試，是一場對物理極限的挑戰，透過整合高精度的軌道力學模型與高動態的射頻模擬器，工程師得以在地面重現太空中的嚴酷環境，這不僅是為了驗證接收機的規格，更是為了確保當造價數億的衛星被送入軌道後，它能準確地告訴地面控制中心：「我在這裡。」

XPLORA Spaceborne 星載接收機 提供高精度訊號模擬，支援 LEO、GTO、GEO 任務，解決多路徑效應與旁瓣干擾挑戰，助您優化太空系統 GNSS 訊號可靠性與品質的全方位測試。

這類測試系統通常具備高度的可擴展性，能從單顆衛星的元件測試，擴展到數百顆衛星組成的巨型星座（Mega-Constellation）模擬，支援未來的太空網際網路與深空探測任務。