矢志高精度 為國鑄重器

■走在教育強(qiáng)國大路上 支撐高水平科技自立自強(qiáng)

●“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(tuán)隊(duì)攻克了北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(tuán)隊(duì)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(dòng)和引領(lǐng)全球時(shí)空信息應(yīng)用貢獻(xiàn)力量

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

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

2012年，當(dāng)時(shí)還在攻讀博士學(xué)位的鄭福加入了導(dǎo)師施闖的團(tuán)隊(duì)，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(shí)時(shí)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(jì)社會(huì)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(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

從北斗高精度定位到高精度授時(shí)，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(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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?yàn)楣蚕韱诬嚐o序停放而混亂的道路，如今寬闊暢通。

曾經(jīng)一段時(shí)間，有效解決了城市交通“最后一公里”難題的共享單車，也因?yàn)閬y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(diǎn)內(nèi)還車、在非運(yùn)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(gè)典型應(yīng)用。從能實(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)時(shí)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(huì)生活的方方面面。

作為時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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罹啵╆J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(shí)現(xiàn)高精度嗎？”……不少質(zhì)疑聲隨之而來。的確，在當(dāng)時(shí)，實(shí)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(shí)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(shí)，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(tuán)隊(duì)?wèi){借廣域?qū)崟r(shí)精密定位服務(wù)系統(tǒng)獲得了國際學(xué)術(shù)界認(rèn)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(tuán)隊(duì)攻克了北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jì)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(rèn)為是“最具挑戰(zhàn)性和最困難”的階段。

“天上不足，地上來補(bǔ)?！卑凑辗桨福╆J設(shè)計(jì)了1500個(gè)基準(zhǔn)站構(gòu)成北斗地面增強(qiáng)系統(tǒng)，并且通過廣域、區(qū)域和移動(dòng)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(shí)現(xiàn)北斗終端定位精度的大幅提高。

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

大數(shù)據(jù)并發(fā)處理的問題、多進(jìn)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(shí)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(tuán)隊(duì)“為了榮譽(yù)而戰(zhàn)”，全身心地投入到了技術(shù)攻關(guān)中，扎實(shí)地做了很多實(shí)際工作，“慢慢地，系統(tǒng)連續(xù)跑三個(gè)星期、三個(gè)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(yùn)輸部建立了全球最大的營運(yùn)車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全國近100%、超過600萬輛重點(diǎn)營運(yùn)車輛的跨地區(qū)精細(xì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)和引領(lǐng)全球時(shí)空信息應(yīng)用貢獻(xiàn)力量。

找準(zhǔn)痛點(diǎn)做有用的研究

如今，在開闊地帶，北斗可以輕松實(shí)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(yán)重下降。如何在復(fù)雜的城市交通網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高精度定位，一直是痛點(diǎn)和難點(diǎn)。

最近，團(tuán)隊(duì)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(dòng)通信網(wǎng)，幫助更多消費(fèi)級智能手機(jī)實(shí)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(jī)不僅是獲取時(shí)空信息的關(guān)鍵工具，也是推動(dòng)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(jī)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(jī)上實(shí)現(xiàn)北斗高精度嗎？王家樂說，對于這個(gè)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(shí)發(fā)現(xiàn)，“這個(gè)問題真的很有價(jià)值，而且可以被解決”。

“從研究方向上看，施老師從來不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)方向是熱點(diǎn)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(diǎn)問題做有用的研究?！睆膸熒酵拢嵏Ｅc施闖共事的時(shí)間已有10余年，“堅(jiān)持創(chuàng)新、做有用的研究”是他對團(tuán)隊(duì)的最大感受。

2018年獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)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(yùn)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(dòng)通信融合技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，相繼實(shí)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(shí)”兩項(xiàng)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(dòng)空間。但是如何在復(fù)雜場景內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度無源自主定位，是一項(xiàng)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(jī)，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(dòng)，一張實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)，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(xiàng)重要的時(shí)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(shí)間”功能的關(guān)注要少得多。

因此，盡管北斗亞納秒授時(shí)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(shí)上鉆研、前進(jìn)著。

“技術(shù)進(jìn)步會(huì)牽引需求，催生出新的需求，要能看到未來?！笔╆J笑著補(bǔ)充道，10多年前，在做北斗高精度定位時(shí)，大家也不確定做成這么高的精度能用來做什么。那時(shí)，智慧駕駛、無人機(jī)植保作業(yè)、港口自動(dòng)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(yuǎn)的將來“蟄伏”著。

這種站高望遠(yuǎn)的戰(zhàn)略眼光也是團(tuán)隊(duì)年輕學(xué)生對施闖最敬仰的地方。“施老師經(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(shí)踐中培養(yǎng)造就創(chuàng)新人才

最近，施闖帶領(lǐng)北航團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了最新一代架構(gòu)的時(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)時(shí)精密定軌定位處理軟件在當(dāng)時(shí)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(shí)高精度定位研究時(shí)，施闖帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理依賴國外軟件系統(tǒng)的被動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(shí)踐中磨煉堅(jiān)韌意志，培養(yǎng)為國奉獻(xiàn)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(qiáng)系統(tǒng)研制建設(shè)項(xiàng)目?！爱?dāng)時(shí)我的一個(gè)重要工作就是收集整理各類問題，每天晚上開會(huì)時(shí)匯報(bào)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(gè)臺階”，“我后來再做很多項(xiàng)目，面對一些龐大系統(tǒng)時(shí)不會(huì)害怕，對于出現(xiàn)的問題，我也會(huì)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(xiàng)目對時(shí)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(xiàng)偉大的事業(yè)”。

如今，在北航的校園里，瞄準(zhǔn)保障國家時(shí)空信息高可信、高安全和自主可控的目標(biāo)，施闖和他團(tuán)隊(duì)里的年輕教師、學(xué)生正在以時(shí)不我待的緊迫感加快研究。而在迎接和解決一個(gè)個(gè)挑戰(zhàn)中，新一代衛(wèi)星導(dǎo)航和移動(dòng)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(bào)》2024年07月06日第1版