GNSS仿真中的HiL延遲：挑戰(zhàn)、影響與解決方案深度剖析

作者介紹

一、GNSS仿真與Hil延遲

自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展為現(xiàn)代交通系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的變革，而全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在其中扮演著關(guān)鍵的角色。GNSS不僅為自動(dòng)駕駛車輛提供準(zhǔn)確的定位信息，還為導(dǎo)航、速度計(jì)算和時(shí)間同步等關(guān)鍵功能提供支持。然而，在將自動(dòng)駕駛系統(tǒng)投入實(shí)際道路之前，進(jìn)行全面的仿真測(cè)試是至關(guān)重要的。

GNSS仿真測(cè)試在自動(dòng)駕駛技術(shù)開(kāi)發(fā)中占據(jù)著重要地位。通過(guò)模擬不同環(huán)境下的衛(wèi)星信號(hào)，可以評(píng)估車輛在各種條件下的導(dǎo)航性能。這種測(cè)試有助于驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)定位誤差、信號(hào)遮擋和多路徑效應(yīng)的魯棒性，提高自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中的可靠性和安全性。

在仿真測(cè)試的多個(gè)層面中，硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，HiL）測(cè)試方法更是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。HiL測(cè)試通過(guò)在實(shí)際硬件系統(tǒng)（如傳感器、控制單元等）與仿真環(huán)境之間建立實(shí)時(shí)連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的高度真實(shí)性測(cè)試。這種方法不僅可以驗(yàn)證GNSS接收器的性能，還可以考察其與其他傳感器和控制單元的集成效果。

綜合而言，GNSS仿真測(cè)試及其在HiL測(cè)試中的應(yīng)用，為自動(dòng)駕駛技術(shù)的研發(fā)提供了強(qiáng)大的工具。通過(guò)這些測(cè)試方法，開(kāi)發(fā)人員能夠更全面、更深入地了解自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在不同情境下的表現(xiàn)，從而不斷優(yōu)化其性能，推動(dòng)智能交通的發(fā)展。

然而HiL的發(fā)展也帶來(lái)了挑戰(zhàn)，在硬件在環(huán)（HiL）測(cè)試中，延遲問(wèn)題是一個(gè)至關(guān)重要的方面。延遲是指在信號(hào)從傳感器到控制單元再到執(zhí)行器的傳輸過(guò)程中所經(jīng)歷的時(shí)間延遲。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，尤其是涉及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的情境下，延遲問(wèn)題可能導(dǎo)致嚴(yán)重的性能影響，甚至危及系統(tǒng)的安全性。

二、HiL仿真中GNSS信號(hào)延遲的影響

首先，GNSS信號(hào)的延遲可能對(duì)車輛的實(shí)時(shí)定位產(chǎn)生顯著影響。如果系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)處理來(lái)自衛(wèi)星的定位信息，車輛可能在導(dǎo)航中產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的位置和軌跡預(yù)測(cè)。這對(duì)于自動(dòng)駕駛車輛而言是不可接受的，因?yàn)樗鼈冃枰焖?、?zhǔn)確地做出決策以確保行駛安全。

其次，延遲問(wèn)題也可能影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。在自動(dòng)駕駛中，及時(shí)的傳感器信息和控制命令對(duì)于避免碰撞、調(diào)整車速等關(guān)鍵操作至關(guān)重要。如果存在較大的延遲，系統(tǒng)可能無(wú)法在緊急情況下迅速做出反應(yīng)，增加了事故的風(fēng)險(xiǎn)。

解決HiL測(cè)試中的延遲問(wèn)題需要精心的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過(guò)使用高性能的實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)、優(yōu)化傳感器和控制單元之間的通信協(xié)議，以及采用先進(jìn)的同步技術(shù)，可以最小化信號(hào)傳輸?shù)难舆t。定期的延遲分析和調(diào)試也是確保系統(tǒng)性能的關(guān)鍵步驟，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在的延遲問(wèn)題。

三、HiL延遲是否會(huì)影響測(cè)試？

這取決于測(cè)試項(xiàng)目與內(nèi)容。大多數(shù)針對(duì)接收機(jī)/芯片的GNSS性能與指標(biāo)測(cè)試不需要實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)。在使用預(yù)定義運(yùn)動(dòng)和軌跡就能足夠。這個(gè)時(shí)候，無(wú)論你的設(shè)備是否有延遲，延遲有多高，起始并不影響測(cè)試項(xiàng)目。

而如果，你需要進(jìn)行的是閉環(huán)測(cè)試，需要測(cè)試后端的反饋或人類控制，此時(shí)延遲就是特別需要控制的內(nèi)容，延遲越大，測(cè)試的不確定性就越大。隨著動(dòng)態(tài)性的增加，較高的延遲而插入到測(cè)試中的潛在錯(cuò)誤將會(huì)呈指數(shù)級(jí)增加。

四、HiL延遲分析

1.開(kāi)環(huán)HiL

開(kāi)環(huán)硬件在環(huán)（Open-Loop Hardware-in-the-Loop，開(kāi)環(huán)HiL）是一種在測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)時(shí)使用的HiL測(cè)試方法。在開(kāi)環(huán)HiL中，測(cè)試系統(tǒng)被置于仿真環(huán)境中，但與系統(tǒng)的實(shí)際控制器斷開(kāi)，控制器的輸出信號(hào)由仿真環(huán)境生成，而不是來(lái)自實(shí)際系統(tǒng)。

GNSS模擬器仿真內(nèi)容是根據(jù)前端的HiL文件或控制端生成的，但無(wú)需接受遠(yuǎn)端系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋。這些反饋將在模擬迭代之前就已經(jīng)預(yù)定義，本質(zhì)上是數(shù)據(jù)進(jìn)行單項(xiàng)流動(dòng)。在這種情況下，系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間戳標(biāo)記與緩存即可實(shí)現(xiàn)零延遲。

以GNSS模擬器為例，其迭代率為1000Hz，即每秒產(chǎn)生1000次數(shù)據(jù)，間隔為1ms。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)與線路延遲為5ms時(shí)，GNSS模擬器可以提前五秒接收數(shù)據(jù)并處理（相對(duì)于時(shí)間戳），即可完成零延遲輸出。

2.閉環(huán)仿真

閉環(huán)硬件在環(huán)（Closed-Loop Hardware-in-the-Loop，閉環(huán)HiL）是一種高級(jí)的HiL測(cè)試方法，其中系統(tǒng)的實(shí)際控制器與仿真環(huán)境相連，形成一個(gè)封閉的控制回路。在閉環(huán)HiL中，系統(tǒng)的輸出由實(shí)際控制器產(chǎn)生，并傳遞給仿真環(huán)境，仿真環(huán)境再模擬實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)，形成一個(gè)真實(shí)的控制環(huán)境。

閉環(huán)測(cè)試一般需要考慮DUT的反饋信息，GNSS接收到的信息是根據(jù)反饋實(shí)時(shí)生成的未知信息，因此，閉環(huán)中就會(huì)存在延遲。

但對(duì)于閉環(huán)測(cè)試來(lái)講，過(guò)大的延遲將會(huì)導(dǎo)致結(jié)果失真。最典型的例子是飛行員/駕駛員參與的模擬測(cè)試。飛行員/駕駛員需要根據(jù)看到的畫面與車輛轉(zhuǎn)態(tài)（待測(cè)件）做出指令，比如轉(zhuǎn)向、剎車等。此時(shí)如果延遲過(guò)大將會(huì)影響后續(xù)的命令生成與信號(hào)產(chǎn)生，將會(huì)導(dǎo)致仿真失真與不連續(xù)。

VOLVO DiL測(cè)試中的駕駛員艙室

閉環(huán)HiL無(wú)法像開(kāi)環(huán)HiL一樣提前接收到數(shù)據(jù)做預(yù)測(cè)，因此延遲是必然存在的，GNSS模擬器延遲產(chǎn)生主要由以下幾部分構(gòu)成：

● 從上游節(jié)點(diǎn)或設(shè)備發(fā)送最新消息的時(shí)間

● GNSS接收和處理消息的時(shí)間

● 在GNSS模擬器中生成、轉(zhuǎn)換的時(shí)間

● 射頻信號(hào)輸出所用的時(shí)間

我們對(duì)這個(gè)延遲時(shí)間做分析：

1）從上游節(jié)點(diǎn)或設(shè)備發(fā)送最新消息的時(shí)間

我們將其稱之為網(wǎng)絡(luò)延遲或傳輸延遲，是指上游節(jié)點(diǎn)生成消息到達(dá)GNSS模擬器的時(shí)間，這一延遲受網(wǎng)絡(luò)和傳輸環(huán)境影響，一般為1-2ms。

2）GNSS接收和處理消息的時(shí)間

我們將其稱之為采樣延遲，指GNSS收到消息到被系統(tǒng)捕獲所用的時(shí)間。這一時(shí)間取決于雙邊的采樣率，采樣率越高，每秒鐘回傳到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)越密集。以GNSS模擬器為例，其迭代率為1000Hz，即間隔為1ms。

若上游節(jié)點(diǎn)迭代率也是1000Hz且時(shí)間完全同步，假設(shè)數(shù)據(jù)是在這一次傳輸后剛結(jié)束到來(lái)的，那么最差的情況則是其在下一次采樣被捕獲，用時(shí)＜1ms。

若上游節(jié)點(diǎn)迭代率是100Hz且時(shí)間完全同步，那么數(shù)據(jù)需要10ms生成一組，假設(shè)數(shù)據(jù)是在這一次傳輸后剛結(jié)束到來(lái)的，那么最差的情況則是其在第十次采樣被捕獲，用時(shí)＜10ms。

反之，若上游節(jié)點(diǎn)迭代率是1000Hz，而GNSS模擬器迭代率只有100Hz（市場(chǎng)上大多數(shù)情況如此），數(shù)據(jù)每1ms生成一組，假設(shè)數(shù)據(jù)是在這一次傳輸后剛結(jié)束到來(lái)的，那么最差的情況則是未來(lái)的十組數(shù)據(jù)均無(wú)法被GNSS模擬器捕獲到，第十一組數(shù)據(jù)才會(huì)被捕獲到，此時(shí)中間損失十組數(shù)據(jù)，用時(shí)將大于9ms，小于10ms。

3）在GNSS模擬器中生成、轉(zhuǎn)換的時(shí)間

我們稱之為更新延遲，指GNSS捕獲到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IQ數(shù)據(jù)的時(shí)間。這一事件取決于GNSS模擬器的算力與GPU性能。這一延遲會(huì)跟隨仿真過(guò)程有實(shí)時(shí)變化，一般很難準(zhǔn)確觀測(cè)。

4）射頻信號(hào)輸出所用的時(shí)間

我們稱之為輸出延遲或推流延遲，指IQ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RF信號(hào)所用的時(shí)間，這一事件取決于GNSS模擬器的SDR性能。這一延遲會(huì)跟隨仿真過(guò)程有實(shí)時(shí)變化，一般很難準(zhǔn)確觀測(cè)。

五、HiL仿真與延遲觀測(cè)

正如剛才所說(shuō)，延遲是很難觀測(cè)的，為了盡可能解決這一問(wèn)題，GNSS模擬器依托軟件定義架構(gòu)提出了HiL可視化功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)HiL仿真過(guò)程中延遲與性能的可視化觀測(cè)。

性能界面可以觀測(cè)到詳細(xì)HiL延遲狀態(tài)。

HiL圖界面在觀測(cè)HiL實(shí)現(xiàn)過(guò)程中進(jìn)行旨在進(jìn)行精確的診斷，并使您確信解決方案正按您的預(yù)期運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)HiL圖的直觀分析，可以觀察到不同狀態(tài)與信息：

● 綠色谷底達(dá)到了引擎延遲并保持為綠色；沒(méi)有藍(lán)色、黃色或紅色。這意味著HiL軌跡樣本恰好按時(shí)接收，既不會(huì)太早也不會(huì)太晚。

● 灰色谷底靠近RF。這意味著Tjoin值和HiL軌跡采樣率匹配良好。

● 所有峰值和谷底非常相似。這意味著樣本按固定間隔接收，波動(dòng)很小。

在出現(xiàn)HiL波動(dòng)、滯后、丟失等情況時(shí)均有不同的顯示：

時(shí)間漂移

抖動(dòng)

樣本丟失

審核編輯 黃宇