作者介紹

一、GNSS仿真與Hil延遲

自動駕駛技術的快速發展為現代交通系統帶來了巨大的變革，而全球導航衛星系統（GNSS）在其中扮演著關鍵的角色。GNSS不僅為自動駕駛車輛提供準確的定位信息，還為導航、速度計算和時間同步等關鍵功能提供支持。然而，在將自動駕駛系統投入實際道路之前，進行全面的仿真測試是至關重要的。

GNSS仿真測試在自動駕駛技術開發中占據著重要地位。通過模擬不同環境下的衛星信號，可以評估車輛在各種條件下的導航性能。這種測試有助于驗證系統對定位誤差、信號遮擋和多路徑效應的魯棒性，提高自動駕駛系統在現實世界中的可靠性和安全性。

在仿真測試的多個層面中，硬件在環（Hardware-in-the-Loop，HiL）測試方法更是一項關鍵的技術。HiL測試通過在實際硬件系統（如傳感器、控制單元等）與仿真環境之間建立實時連接，實現了對整個自動駕駛系統的高度真實性測試。這種方法不僅可以驗證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仿真測試及其在HiL測試中的應用，為自動駕駛技術的研發提供了強大的工具。通過這些測試方法，開發人員能夠更全面、更深入地了解自動駕駛系統在不同情境下的表現，從而不斷優化其性能，推動智能交通的發展。

然而HiL的發展也帶來了挑戰，在硬件在環（HiL）測試中，延遲問題是一個至關重要的方面。延遲是指在信號從傳感器到控制單元再到執行器的傳輸過程中所經歷的時間延遲。在自動駕駛系統中，尤其是涉及全球導航衛星系統（GNSS）的情境下，延遲問題可能導致嚴重的性能影響，甚至危及系統的安全性。

二、HiL仿真中GNSS信號延遲的影響

首先，GNSS信號的延遲可能對車輛的實時定位產生顯著影響。如果系統無法及時處理來自衛星的定位信息，車輛可能在導航中產生誤差，導致不準確的位置和軌跡預測。這對于自動駕駛車輛而言是不可接受的，因為它們需要快速、準確地做出決策以確保行駛安全。

其次，延遲問題也可能影響到系統的實時響應性。在自動駕駛中，及時的傳感器信息和控制命令對于避免碰撞、調整車速等關鍵操作至關重要。如果存在較大的延遲，系統可能無法在緊急情況下迅速做出反應，增加了事故的風險。

解決HiL測試中的延遲問題需要精心的設計和優化。通過使用高性能的實時計算平臺、優化傳感器和控制單元之間的通信協議，以及采用先進的同步技術，可以最小化信號傳輸的延遲。定期的延遲分析和調試也是確保系統性能的關鍵步驟，以便及時發現和解決潛在的延遲問題。

三、HiL延遲是否會影響測試？

這取決于測試項目與內容。大多數針對接收機/芯片的GNSS性能與指標測試不需要實時遠程運動。在使用預定義運動和軌跡就能足夠。這個時候，無論你的設備是否有延遲，延遲有多高，起始并不影響測試項目。

而如果，你需要進行的是閉環測試，需要測試后端的反饋或人類控制，此時延遲就是特別需要控制的內容，延遲越大，測試的不確定性就越大。隨著動態性的增加，較高的延遲而插入到測試中的潛在錯誤將會呈指數級增加。

四、HiL延遲分析

1.開環HiL

開環硬件在環（Open-Loop Hardware-in-the-Loop，開環HiL）是一種在測試和驗證系統時使用的HiL測試方法。在開環HiL中，測試系統被置于仿真環境中，但與系統的實際控制器斷開，控制器的輸出信號由仿真環境生成，而不是來自實際系統。

GNSS模擬器仿真內容是根據前端的HiL文件或控制端生成的，但無需接受遠端系統的實時反饋。這些反饋將在模擬迭代之前就已經預定義，本質上是數據進行單項流動。在這種情況下，系統進行時間戳標記與緩存即可實現零延遲。

以GNSS模擬器為例，其迭代率為1000Hz，即每秒產生1000次數據，間隔為1ms。當網絡與線路延遲為5ms時，GNSS模擬器可以提前五秒接收數據并處理（相對于時間戳），即可完成零延遲輸出。

2.閉環仿真

閉環硬件在環（Closed-Loop Hardware-in-the-Loop，閉環HiL）是一種高級的HiL測試方法，其中系統的實際控制器與仿真環境相連，形成一個封閉的控制回路。在閉環HiL中，系統的輸出由實際控制器產生，并傳遞給仿真環境，仿真環境再模擬實際系統的響應，形成一個真實的控制環境。

閉環測試一般需要考慮DUT的反饋信息，GNSS接收到的信息是根據反饋實時生成的未知信息，因此，閉環中就會存在延遲。

但對于閉環測試來講，過大的延遲將會導致結果失真。最典型的例子是飛行員/駕駛員參與的模擬測試。飛行員/駕駛員需要根據看到的畫面與車輛轉態（待測件）做出指令，比如轉向、剎車等。此時如果延遲過大將會影響后續的命令生成與信號產生，將會導致仿真失真與不連續。

VOLVO DiL測試中的駕駛員艙室

閉環HiL無法像開環HiL一樣提前接收到數據做預測，因此延遲是必然存在的，GNSS模擬器延遲產生主要由以下幾部分構成：

● 從上游節點或設備發送最新消息的時間

● GNSS接收和處理消息的時間

● 在GNSS模擬器中生成、轉換的時間

● 射頻信號輸出所用的時間

我們對這個延遲時間做分析：

1）從上游節點或設備發送最新消息的時間

我們將其稱之為網絡延遲或傳輸延遲，是指上游節點生成消息到達GNSS模擬器的時間，這一延遲受網絡和傳輸環境影響，一般為1-2ms。

2）GNSS接收和處理消息的時間

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

若上游節點迭代率也是1000Hz且時間完全同步，假設數據是在這一次傳輸后剛結束到來的，那么最差的情況則是其在下一次采樣被捕獲，用時＜1ms。

若上游節點迭代率是100Hz且時間完全同步，那么數據需要10ms生成一組，假設數據是在這一次傳輸后剛結束到來的，那么最差的情況則是其在第十次采樣被捕獲，用時＜10ms。

反之，若上游節點迭代率是1000Hz，而GNSS模擬器迭代率只有100Hz（市場上大多數情況如此），數據每1ms生成一組，假設數據是在這一次傳輸后剛結束到來的，那么最差的情況則是未來的十組數據均無法被GNSS模擬器捕獲到，第十一組數據才會被捕獲到，此時中間損失十組數據，用時將大于9ms，小于10ms。

3）在GNSS模擬器中生成、轉換的時間

我們稱之為更新延遲，指GNSS捕獲到數據轉換為IQ數據的時間。這一事件取決于GNSS模擬器的算力與GPU性能。這一延遲會跟隨仿真過程有實時變化，一般很難準確觀測。

4）射頻信號輸出所用的時間

我們稱之為輸出延遲或推流延遲，指IQ數據轉化為RF信號所用的時間，這一事件取決于GNSS模擬器的SDR性能。這一延遲會跟隨仿真過程有實時變化，一般很難準確觀測。

五、HiL仿真與延遲觀測

正如剛才所說，延遲是很難觀測的，為了盡可能解決這一問題，GNSS模擬器依托軟件定義架構提出了HiL可視化功能，實現了對HiL仿真過程中延遲與性能的可視化觀測。

性能界面可以觀測到詳細HiL延遲狀態。

HiL圖界面在觀測HiL實現過程中進行旨在進行精確的診斷，并使您確信解決方案正按您的預期運行。

通過對HiL圖的直觀分析，可以觀察到不同狀態與信息：

● 綠色谷底達到了引擎延遲并保持為綠色；沒有藍色、黃色或紅色。這意味著HiL軌跡樣本恰好按時接收，既不會太早也不會太晚。

● 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，波動很小。

在出現HiL波動、滯后、丟失等情況時均有不同的顯示：

時間漂移

抖動

樣本丟失

審核編輯 黃宇