1751
近年来，自动驾驶、无人机及智能物流等前沿技术的快速发展催生了对高精度导航和定位技术的迫切需求。传统的全球导航卫星系统（GNSS）为全球提供了广泛的定位服务，但在城市高密度环境和复杂场景下，其面临的信号遮挡和精度问题日益突出。与此同时，硬件在环（HiL）技术作为将虚拟与现实融合的关键工具，在飞行器、无人机和自动驾驶汽车的研发中发挥着日益重要的作用。
HiL系统不仅能够模拟真实世界的复杂环境，还能够通过虚拟场景对硬件系统进行全面测试，从而显著提升产品的开发效率与可靠性。低空经济的崛起，更是进一步加剧了对精准定位和可靠导航技术的需求，尤其是在城市空中交通和无人机物流领域，这两项技术发挥了尤为重要的作用。
低空经济概述与需求背景
1.1 低空经济的概念
低空经济是指在低空空域（通常为1000米以下）内进行的多种飞行活动及其相关产业的综合经济形态。它涉及飞行器制造、基础设施建设、运营服务以及保障服务等多个环节。低空经济的主要应用场景包括物流运输、城市空中交通（UAM）、观光旅游和应急救援。近年来，低空经济得到了政策层面的支持，并随着无人机和电动垂直起降飞行器（eVTOL）的发展，逐渐成为现代经济体系的重要组成部分。
1.2 市场规模与发展潜力
根据数据显示，到2026年，中国低空经济市场规模预计将突破万亿，到2035年将达到3.5万亿元。这一庞大的市场规模为高精度导航和定位技术带来了巨大的机遇。在如此庞大的市场环境下，eVTOL和无人机等技术载体的广泛应用，将极大地依赖精准的定位和导航技术，以确保飞行安全、效率和经济性。
1.3 定位与导航技术的需求挑战
低空经济中飞行器需要在复杂的空中环境进行精准飞行，这对导航系统提出了严峻的技术挑战。城市空域中存在高楼密集、电磁干扰以及频繁的飞行器操作，传统GNSS在此类环境中可能会出现信号多路径效应和遮挡问题。为此，亟需对现有GNSS系统进行技术革新，同时引入如地基增强系统（SBAS）和多传感器融合等先进技术，以确保导航精度和可靠性。
GNSS技术的创新与应用
2.1 GNSS技术的原理与发展
GNSS是一种通过卫星信号提供全球定位、导航和授时服务的技术，目前主流的GNSS系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗。GNSS的工作原理是通过接收多个卫星的信号，通过三角测量法来确定接收端的精确位置。然而，城市高密度环境中多路径效应的影响，导致信号易受干扰，影响导航的准确性。
2.2 GNSS技术在低空经济中的应用
在低空经济中，无人机和eVTOL等飞行器的广泛使用对导航精度的要求极为苛刻。GNSS通过差分定位技术（RTK）可以将定位精度提升至厘米级。此外，GNSS与惯性导航系统（INS）的结合能够进一步弥补信号丢失时的定位缺失问题，从而确保飞行器在城市复杂环境中的安全飞行。例如，RTK技术通过接收地面基站的修正信息，使无人机在精密农业和城市物流配送中实现高精度的定位与导航。
2.3 GNSS技术的革新与未来
随着技术的不断进步，GNSS系统的精度和可靠性也在逐步提升。例如，多频段信号的应用能够有效提高信号穿透能力，减少多路径效应的影响；而抗干扰技术则显著增强了系统在复杂电磁环境中的稳定性。此外，地基增强系统（SBAS）和高精度差分定位系统（如PPP，精密单点定位）也正在逐步推广应用，进一步提升了GNSS系统的精度。
HiL技术：虚拟与现实的桥梁
3.1 HiL技术的工作原理
HiL技术是一种通过模拟现实世界中的运行环境，测试物理硬件反应能力的技术。在HiL系统中，物理硬件与虚拟环境实时互动，能够进行多种复杂条件下的场景测试，例如天气变化、信号干扰以及复杂飞行轨迹的模拟。该技术特别适用于自动驾驶、无人机及eVTOL等领域的导航和控制系统测试，因为它能够模拟复杂的城市飞行环境，避免在早期开发中进行昂贵且危险的实地测试。
3.2 HiL技术在飞行器开发中的应用
HiL技术的优势体现在其高效的开发验证能力。在飞行器研发中，系统通过HiL技术能够在仿真环境中运行多种测试情景，例如模拟低空飞行中的导航、传感器反应等场景。这种方法能够在产品研发早期阶段，验证硬件系统的适应性与稳定性，极大地缩短了产品测试周期，降低了成本，并且确保了在投入实际使用前，系统已经过全面测试。例如，某些飞行汽车制造商使用HiL技术在其飞行器的电动推进和飞控系统上，模拟实际城市空中环境中的挑战。
3.3 HiL与GNSS结合的优势
在低空经济场景下，GNSS与HiL的结合为导航与控制系统提供了一个高效的验证平台。通过模拟复杂的卫星信号传输条件，如城市高层建筑遮挡、电磁干扰等场景，HiL可以提前检测系统在恶劣环境中的表现，并通过不断优化，确保GNSS与其他传感器系统在复杂环境下的精确导航，这使得开发团队能够更早发现问题并加以解决，提升产品的最终稳定性。
低空经济中的HiL与GNSS应用场景
4.1 城市空中交通中的应用
随着飞行汽车商业化的推进，HiL技术与GNSS系统在城市空中交通中的应用显得尤为重要。飞行汽车需要在高度复杂且动态的城市环境中进行飞行，HiL技术可以在开发过程中模拟城市中的建筑障碍、交通流量等复杂场景，验证飞行器的导航和控制系统的可靠性。而GNSS则通过与其他传感器（如视觉传感器、激光雷达等）融合，确保飞行器在各种环境中的精准定位和安全飞行。
4.2 无人机在物流中的应用
智能物流是低空经济的重要组成部分，而无人机作为物流配送的重要工具，其导航系统的精度直接关系到配送效率和安全性。GNSS通过精确的差分定位技术，可以保障无人机在城市环境中高效、精准地完成配送任务。而HiL系统可以模拟不同的物流配送路线和环境条件，如复杂的气候和信号干扰等，提前验证无人机的适应能力和反应速度。
4.3 应急救援中的应用
在应急救援场景中，时间和精度至关重要。HiL技术能够提前模拟各种复杂的救援场景，并通过虚拟测试验证飞行器的稳定性和导航精度。而GNSS则确保了飞行器在灾难现场或偏远地区的精确定位。通过这些技术的结合，低空飞行器能够在应急救援中快速响应，并确保救援任务的精准高效。
未来挑战与发展趋势
5.1 GNSS技术的挑战
尽管GNSS技术在低空经济中有着广泛的应用前景，但其在高密度城市环境中的多路径效应问题仍然是一个重大挑战。未来，如何通过多频段技术、天线设计优化以及地面增强系统来提升信号稳定性和抗干扰能力，是GNSS技术需要解决的关键问题。此外，针对城市低空交通的精密导航需求，GNSS需要与其他传感器（如惯性导航、视觉传感器等）实现更加高效的融合，以确保飞行器在信号缺失时仍能保持稳定的导航。
5.2 HiL技术的未来发展
HiL技术作为虚拟与现实的桥梁，未来需要更加精确的虚拟仿真能力以及更强的计算处理能力。随着低空经济的快速发展，未来飞行器的操作场景将更加复杂，HiL系统需要能够模拟更加多样化的现实条件，如不同类型的天气、建筑物遮挡、电磁干扰等。此外，随着飞行器自动化程度的提高，HiL技术还需支持更复杂的多传感器融合和自动控制系统测试，以应对未来智能飞行器的开发需求。
结论
HiL和GNSS技术作为推动低空经济和未来交通发展的核心力量，正在逐步改变现代交通的面貌。通过精准的虚拟测试与实时导航技术的结合，飞行汽车、无人机等新型交通工具将能够安全、高效地在复杂的城市空中环境中运行。未来，随着技术的进一步发展和标准化的推进，HiL与GNSS技术将在低空经济和未来交通中发挥更加重要的作用，助力全球低空交通系统的全面升级。
随着自动驾驶、无人机、智能物流等行业的飞速发展，对高精度、高可靠性的定位导航及系统测试需求日益迫切。HIL技术作为连接虚拟与现实世界的桥梁，正逐步成为产品开发验证的关键环节；而GNSS技术的不断革新，则为精准定位导航提供了无限可能。
