矢志高精度 為國鑄重器

■走在教育強國大路上 支撐高水平科技自立自強

●“服務(wù)國家需求，中國科學(xué)家一定要搞好自己的東西?！苯柚L期的技術(shù)積累，2012年，施闖帶領(lǐng)團隊攻克了北斗系統(tǒng)實時厘米級、事后毫米級定位的技術(shù)難關(guān)，技術(shù)水平躋身國際前列

●“中國的北斗，世界的北斗”。如今，為充分發(fā)揮北斗系統(tǒng)全球服務(wù)能力，施闖及團隊還積極面向東盟、阿盟、非洲等世界各地開展教育和科研合作，為推動和引領(lǐng)全球時空信息應(yīng)用貢獻力量

1納秒是1秒的十億分之一，人的眨眼時間通常在0.1秒。盡管以人的感知能力，一次眨眼的時間就已經(jīng)非常短了，但對衛(wèi)星而言，這么長時間的一次信號跳動，卻可以影響地面上的定位誤差達3萬公里之多，可謂“差之毫厘，謬以千里”。

“目前，我們的團隊已經(jīng)能使授時精度達到0.2納秒水平，實現(xiàn)了國際領(lǐng)先?！苯眨本┖娇蘸教齑髮W(xué)北斗高精度時空技術(shù)創(chuàng)新團隊成員鄭福指著僅有一塊磚頭大小的北斗高精度授時接收機對記者介紹。

2012年，當(dāng)時還在攻讀博士學(xué)位的鄭福加入了導(dǎo)師施闖的團隊，參與北斗高精度定位服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)。在他們的努力下，北斗擁有了實時厘米級、事后毫米級定位能力，并在交通等關(guān)鍵領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，取得了重大經(jīng)濟社會效益。2018年，憑借“中國高精度位置網(wǎng)及其在交通領(lǐng)域的重大應(yīng)用”項目，團隊獲國家科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎。

從北斗高精度定位到高精度授時，從事高精度衛(wèi)星導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究30多年，施闖和他帶領(lǐng)的團隊在我國北斗高精度定位與服務(wù)、多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合、廣域?qū)崟r精密定位等方面，取得了系統(tǒng)性的、具有國際影響力的創(chuàng)新性成果，在國家關(guān)鍵領(lǐng)域得到應(yīng)用，把時空信息這一戰(zhàn)略性資源牢牢掌握在了中國人自己手里。

高精度時空信息必須自主可控

北航南門外，西土城地鐵口附近，曾經(jīng)因為共享單車無序停放而混亂的道路，如今寬闊暢通。

曾經(jīng)一段時間，有效解決了城市交通“最后一公里”難題的共享單車，也因為亂停亂放給城市管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。如今，具備高精度定位功能的共享單車，能夠禁止用戶在非停車點內(nèi)還車、在非運營區(qū)域內(nèi)騎車。

這是北斗高精度定位功能在日常生活中的一個典型應(yīng)用。從能實現(xiàn)車道級導(dǎo)航和自主導(dǎo)航駕駛的智能駕駛，到港口自動化吊裝；從大壩水庫基礎(chǔ)設(shè)施的位移、形變監(jiān)測，到能實現(xiàn)作物播種、施肥、噴藥等厘米級無人作業(yè)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)……今天，具備實時厘米級和事后毫米級這一高精度定位能力的北斗系統(tǒng)，正在支持和服務(wù)著社會生活的方方面面。

作為時空基準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)普遍具有定位、導(dǎo)航、授時等基本功能。

按照北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)“三步走”戰(zhàn)略，2012年底，覆蓋亞太的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗二號建設(shè)完成，開始提供區(qū)域服務(wù)，這時北斗二號的定位精度在10米左右，而美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)的定位精度是分米到厘米。

“一定要在中國人自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上做高精度定位?！泵鎸Σ罹?，施闖下定決心。

“直接把GPS拿來用不就可以，為什么還要自己做？”“在北斗系統(tǒng)上能實現(xiàn)高精度嗎？”……不少質(zhì)疑聲隨之而來。的確，在當(dāng)時，實現(xiàn)北斗高精度，意味著不僅必須走出一條依靠自己解決一系列“卡脖子”問題的自主創(chuàng)新之路，并且在幾大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)你追我趕的激烈競爭下，還將是一場要和時間賽跑的“硬仗”。

“高精度定位事關(guān)國家安全，而且我有信心北斗一定能做成高精度?！币詷O大的勇氣、魄力和學(xué)術(shù)自信，施闖投身到了這一方向。

施闖是有底氣的。20世紀(jì)90年代GPS技術(shù)剛傳入中國時，施闖就在導(dǎo)師劉經(jīng)南院士的帶領(lǐng)下，開始接觸和研究高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。歷經(jīng)兩代人的努力，2012年施闖和團隊?wèi){借廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)獲得了國際學(xué)術(shù)界認可，并代表中國加入全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際組織IGS。

“服務(wù)國家需求，中國科學(xué)家一定要搞好自己的東西?！苯柚L期的技術(shù)積累，2012年，施闖帶領(lǐng)團隊攻克了北斗系統(tǒng)實時厘米級、事后毫米級定位的技術(shù)難關(guān)，技術(shù)水平躋身國際前列。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計師孫家棟院士的指導(dǎo)和支持下，這一技術(shù)逐步從區(qū)域示范推廣到全國。

但從科研任務(wù)到工程應(yīng)用的這一步“跳躍”并不容易，也被施闖認為是“最具挑戰(zhàn)性和最困難”的階段。

“天上不足，地上來補?！卑凑辗桨?，施闖設(shè)計了1500個基準(zhǔn)站構(gòu)成北斗地面增強系統(tǒng)，并且通過廣域、區(qū)域和移動通信輔助定位等三類數(shù)據(jù)處理中心解析衛(wèi)星和地面數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)北斗終端定位精度的大幅提高。

然而，最初測試時系統(tǒng)剛跑三天就“趴窩”了。為什么和實驗數(shù)據(jù)不一樣？施闖被“摁”在了會議室里要給出個“交代”，“當(dāng)時快把我們說哭了”。

大數(shù)據(jù)并發(fā)處理的問題、多進程協(xié)同處理的問題、數(shù)據(jù)傳輸通信的問題等，以及當(dāng)時國產(chǎn)設(shè)備硬件水平不足帶來的挑戰(zhàn)……面對復(fù)雜系統(tǒng)工程中的重重難關(guān)，施闖和團隊“為了榮譽而戰(zhàn)”，全身心地投入到了技術(shù)攻關(guān)中，扎實地做了很多實際工作，“慢慢地，系統(tǒng)連續(xù)跑三個星期、三個月、一年、三年都沒問題了”。

在北斗高精度定位技術(shù)最初的典型應(yīng)用場景——交通領(lǐng)域中，依托由該技術(shù)支撐的中國高精度位置服務(wù)網(wǎng)，2014年后，交通運輸部建立了全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)了全國近100%、超過600萬輛重點營運車輛的跨地區(qū)精細化監(jiān)管。

“中國的北斗，世界的北斗”。如今，為充分發(fā)揮北斗系統(tǒng)全球服務(wù)能力，施闖及團隊還積極面向東盟、阿盟、非洲等世界各地開展教育和科研合作，為推動和引領(lǐng)全球時空信息應(yīng)用貢獻力量。

找準(zhǔn)痛點做有用的研究

如今，在開闊地帶，北斗可以輕松實現(xiàn)高精度定位。但是在高樓密布的城市，由于建筑遮擋，導(dǎo)航衛(wèi)星信號容易受到反射和阻擋，定位精度嚴重下降。如何在復(fù)雜的城市交通網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)高精度定位，一直是痛點和難點。

最近，團隊成員、博士生王家樂在施闖和鄭福的指導(dǎo)下，在國際期刊《衛(wèi)星導(dǎo)航》上發(fā)表了一篇論文，研究的主題正是通過融合北斗網(wǎng)、3D城市模型網(wǎng)和5G移動通信網(wǎng)，幫助更多消費級智能手機實現(xiàn)更加精準(zhǔn)、更加可靠的城市導(dǎo)航能力。

如今，智能手機不僅是獲取時空信息的關(guān)鍵工具，也是推動北斗系統(tǒng)規(guī)模化發(fā)展的重要平臺。然而，集成在智能手機中的定位芯片通常只值幾元錢，衛(wèi)星接收天線也只有小拇指指甲蓋大小，成本低、噪聲大、抗干擾能力弱。使用這樣的芯片和傳感器，能在手機上實現(xiàn)北斗高精度嗎？王家樂說，對于這個研究方向，自己也曾懷疑和迷茫過，但當(dāng)他5年來不斷深入研究下去時發(fā)現(xiàn)，“這個問題真的很有價值，而且可以被解決”。

“從研究方向上看，施老師從來不會因為某個方向是熱點而讓我們?nèi)プ?，而是以國家和?yīng)用需求為導(dǎo)向，一直在找準(zhǔn)痛點問題做有用的研究?！睆膸熒酵?，鄭福與施闖共事的時間已有10余年，“堅持創(chuàng)新、做有用的研究”是他對團隊的最大感受。

2018年獲得國家科技進步獎一等獎后，施闖并未就此止步，而是不斷開拓創(chuàng)新。在北航，施闖依托學(xué)校一級學(xué)科信息與通信工程、交通運輸工程、測繪科學(xué)與技術(shù)，成立新興交叉學(xué)科——導(dǎo)航與通信融合工程，并建立“衛(wèi)星導(dǎo)航與移動通信融合技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室”，相繼實現(xiàn)了從“室外北斗高精度定位”到“室內(nèi)外無縫自主高精度定位”，從“北斗高精度定位”到“北斗高精度授時”兩項重要跨越。

以室內(nèi)外無縫定位為例，相較于室外，室內(nèi)是人更主要的活動空間。但是如何在復(fù)雜場景內(nèi)實現(xiàn)高精度無源自主定位，是一項世界性難題。

采訪中，施闖向記者展示了一段視頻：一名學(xué)生手持北斗接收機，腳踩高精度足履定位終端，在未知建筑里行走，隨著他的移動，一張實時的定位軌跡被精準(zhǔn)地生成。

如今，通過研究傳感器誤差模型、人體運動學(xué)模型、復(fù)雜場景感知和泛源智能融合定位等技術(shù)，團隊在“北斗+泛源定位”、穿戴式高精度定位等關(guān)鍵技術(shù)上不斷突破，實現(xiàn)室內(nèi)外連續(xù)、穩(wěn)定和高精度的自主定位。

在施闖團隊，研究的“有用”，不僅落在當(dāng)下或者直接的應(yīng)用上，還指向未來。

對于北斗這項重要的時空基礎(chǔ)設(shè)施，相較于更容易感知和應(yīng)用的“空間”功能，人們對“時間”功能的關(guān)注要少得多。

因此，盡管北斗亞納秒授時的具體應(yīng)用場景仍待開發(fā)，但是施闖和鄭福仍然在更高精度的導(dǎo)航衛(wèi)星授時上鉆研、前進著。

“技術(shù)進步會牽引需求，催生出新的需求，要能看到未來?！笔╆J笑著補充道，10多年前，在做北斗高精度定位時，大家也不確定做成這么高的精度能用來做什么。那時，智慧駕駛、無人機植保作業(yè)、港口自動化吊裝、精準(zhǔn)配送、網(wǎng)約車等高精度定位典型應(yīng)用場景還在不遠的將來“蟄伏”著。

這種站高望遠的戰(zhàn)略眼光也是團隊年輕學(xué)生對施闖最敬仰的地方?！笆├蠋熃?jīng)常和我們說技術(shù)上的難題從來都不是難題，但是想不到、看不清方向才是真的問題?！蓖跫覙氛f。

在實踐中培養(yǎng)造就創(chuàng)新人才

最近，施闖帶領(lǐng)北航團隊開發(fā)出了最新一代架構(gòu)的時空數(shù)據(jù)處理軟件GSTAR，平臺具備對大規(guī)模地面站和大規(guī)模星座的觀測數(shù)據(jù)同時處理與分析能力，可以將處理效率提升至兩倍以上。

施闖是測繪專業(yè)出身，本碩博讀的都是大地測量。測繪也是GPS在中國最早進入的行業(yè)。作為較早接觸GPS和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究者，施闖回憶，“當(dāng)時全國還沒有什么人做高精度衛(wèi)星導(dǎo)航，由于涉及核心技術(shù)，國外的資料也非常有限”。

“從0到1”的過程總是艱難的。書上的內(nèi)容模糊不清難以復(fù)現(xiàn)，但是程序代碼是無法隱瞞的，于是，施闖“使勁地讀代碼，一行一行地看，邊學(xué)邊研究”。由于衛(wèi)星高精度實時精密定軌定位處理軟件在當(dāng)時還屬于國外對華禁售的戰(zhàn)略產(chǎn)品，在做北斗廣域?qū)崟r高精度定位研究時，施闖帶領(lǐng)團隊從零編寫，手敲了數(shù)十萬行代碼，并不斷迭代更新，做出了我國第一套實時高精度衛(wèi)星導(dǎo)航處理軟件RT-PANDA，改變了我國大規(guī)模、實時高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理依賴國外軟件系統(tǒng)的被動局面。

高精度衛(wèi)星導(dǎo)航研究“從0到1”完成了突破，依托北斗這場宏大的工程實踐，衛(wèi)星導(dǎo)航研究領(lǐng)域的人才培養(yǎng)也“從0到1”地完成了積累。

“通過國家工程，起來了一大批人，現(xiàn)在咱們國家培養(yǎng)的衛(wèi)星導(dǎo)航人才一點兒不比國外的差，甚至學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力和刻苦精神都要更好?！笔╆J說。從事衛(wèi)星導(dǎo)航研究30多年，他培養(yǎng)的碩博研究生已有100多名，其中不少人成為國家級人才。

在參與國家重大工程的實踐中磨煉堅韌意志，培養(yǎng)為國奉獻情懷，鍛煉自主創(chuàng)新能力，施闖接受的是這樣的培養(yǎng)，也注重如此培養(yǎng)學(xué)生。

在跟著施闖讀博期間，鄭福完整地參與了國家北斗地基增強系統(tǒng)研制建設(shè)項目?！爱?dāng)時我的一個重要工作就是收集整理各類問題，每天晚上開會時匯報給老師，大家一起討論如何解決?！苯?jīng)歷了這樣長期、持續(xù)的訓(xùn)練，鄭福明顯感覺到，自己對于復(fù)雜工程問題的理解和掌控能力都“上了一個臺階”，“我后來再做很多項目，面對一些龐大系統(tǒng)時不會害怕，對于出現(xiàn)的問題，我也會很有信心解決它”。

回看博士期間這段特別的經(jīng)歷，鄭福充滿感情，他坦言，由于項目對時間精力的要求很高，剛開始自己是有一些思想斗爭的。但是他很快就全身心地投入其中，“你能清晰地感覺到自己是在參與一項偉大的事業(yè)”。

如今，在北航的校園里，瞄準(zhǔn)保障國家時空信息高可信、高安全和自主可控的目標(biāo)，施闖和他團隊里的年輕教師、學(xué)生正在以時不我待的緊迫感加快研究。而在迎接和解決一個個挑戰(zhàn)中，新一代衛(wèi)星導(dǎo)航和移動通信領(lǐng)域的創(chuàng)新型復(fù)合型工程人才正在不斷破土而出。

《中國教育報》2024年07月06日第1版