矢志高精度 為國鑄重器

　　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非常短了，但對衛星而言，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，我們的團隊已經能使授時精度達到0.2納秒水平，實現了國際領先?！苯?，北京航空航天大學北斗高精度時空技術創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，當時還在攻讀博士學位的鄭福加入了導師施闖的團隊，參與北斗高精度定位服務系統的開發。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，并在交通等關鍵領域大規模應用，取得了重大經濟社會效益。2018年，憑借“中國高精度位置網及其在交通領域的重大應用”項目，團隊獲國家科學技術進步獎一等獎。

　　從北斗高精度定位到高精度授時，從事高精度衛星導航關鍵技術及應用研究30多年，施闖和他帶領的團隊在我國北斗高精度定位與服務、多衛星導航系統融合、廣域實時精密定位等方面，取得了系統性的、具有國際影響力的創新性成果，在國家關鍵領域得到應用，把時空信息這一戰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，曾經因為共享單車無序停放而混亂的道路，如今寬闊暢通。

　　曾經一段時間，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。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還車、在非運營區域內騎車。

　　這是北斗高精度定位功能在日常生活中的一個典型應用。從能實現車道級導航和自主導航駕駛的智能駕駛，到港口自動化吊裝；從大壩水庫基礎設施的位移、形變監測，到能實現作物播種、施肥、噴藥等厘米級無人作業的精準農業……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，正在支持和服務著社會生活的方方面面。

　　作為時空基準的基礎設施，衛星導航系統普遍具有定位、導航、授時等基本功能。

　　按照北斗衛星導航系統建設“三步走”戰略，2012年底，覆蓋亞太的區域衛星導航系統北斗二號建設完成，開始提供區域服務，這時北斗二號的定位精度在10米左右，而美國GPS衛星導航系統可以實現的定位精度是分米到厘米。

　　“一定要在中國人自己的衛星導航系統上做高精度定位?！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？”“在北斗系統上能實現高精度嗎？”……不少質疑聲隨之而來。的確，在當時，實現北斗高精度，意味著不僅必須走出一條依靠自己解決一系列“卡脖子”問題的自主創新之路，并且在幾大全球衛星導航系統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、魄力和學術自信，施闖投身到了這一方向。

　　施闖是有底氣的。20世紀90年代GPS技術剛傳入中國時，施闖就在導師劉經南院士的帶領下，開始接觸和研究高精度衛星導航技術。歷經兩代人的努力，2012年施闖和團隊憑借廣域實時精密定位服務系統獲得了國際學術界認可，并代表中國加入全球衛星導航系統國際組織IGS。

　　“服務國家需求，中國科學家一定要搞好自己的東西?！苯柚L期的技術積累，2012年，施闖帶領團隊攻克了北斗系統實時厘米級、事后毫米級定位的技術難關，技術水平躋身國際前列。在北斗衛星導航系統總設計師孫家棟院士的指導和支持下，這一技術逐步從區域示范推廣到全國。

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

　　“天上不足，地上來補?！卑凑辗桨?，施闖設計了1500個基準站構成北斗地面增強系統，并且通過廣域、區域和移動通信輔助定位等三類數據處理中心解析衛星和地面數據信息，從而實現北斗終端定位精度的大幅提高。

　　然而，最初測試時系統剛跑三天就“趴窩”了。為什么和實驗數據不一樣？施闖被“摁”在了會議室里要給出個“交代”，“當時快把我們說哭了”。

　　大數據并發處理的問題、多進程協同處理的問題、數據傳輸通信的問題等，以及當時國產設備硬件水平不足帶來的挑戰……面對復雜系統工程中的重重難關，施闖和團隊“為了榮譽而戰”，全身心地投入到了技術攻關中，扎實地做了很多實際工作，“慢慢地，系統連續跑三個星期、三個月、一年、三年都沒問題了”。

　　在北斗高精度定位技術最初的典型應用場景——交通領域中，依托由該技術支撐的中國高精度位置服務網，2014年后，交通運輸部建立了全球最大的營運車輛動態監管系統，實現了全國近100%、超過600萬輛重點營運車輛的跨地區精細化監管。

　　“中國的北斗，世界的北斗”。如今，為充分發揮北斗系統全球服務能力，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，為推動和引領全球時空信息應用貢獻力量。

　　找準痛點做有用的研究

　　如今，在開闊地帶，北斗可以輕松實現高精度定位。但是在高樓密布的城市，由于建筑遮擋，導航衛星信號容易受到反射和阻擋，定位精度嚴重下降。如何在復雜的城市交通網絡中實現高精度定位，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下，在國際期刊《衛星導航》上發表了一篇論文，研究的主題正是通過融合北斗網、3D城市模型網和5G移動通信網，幫助更多消費級智能手機實現更加精準、更加可靠的城市導航能力。

　　如今，智能手機不僅是獲取時空信息的關鍵工具，也是推動北斗系統規?；l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，但當他5年來不斷深入研究下去時發現，“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去做，而是以國家和應用需求為導向，一直在找準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，而是不斷開拓創新。在北航，施闖依托學校一級學科信息與通信工程、交通運輸工程、測繪科學與技術，成立新興交叉學科——導航與通信融合工程，并建立“衛星導航與移動通信融合技術工業和信息化部重點實驗室”，相繼實現了從“室外北斗高精度定位”到“室內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。

　　以室內外無縫定位為例，相較于室外，室內是人更主要的活動空間。但是如何在復雜場景內實現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地生成。

　　如今，通過研究傳感器誤差模型、人體運動學模型、復雜場景感知和泛源智能融合定位等技術，團隊在“北斗+泛源定位”、穿戴式高精度定位等關鍵技術上不斷突破，實現室內外連續、穩定和高精度的自主定位。

　　在施闖團隊，研究的“有用”，不僅落在當下或者直接的應用上，還指向未來。

　　對于北斗這項重要的時空基礎設施，相較于更容易感知和應用的“空間”功能，人們對“時間”功能的關注要少得多。

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

　　“技術進步會牽引需求，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、港口自動化吊裝、精準配送、網約車等高精度定位典型應用場景還在不遠的將來“蟄伏”著。

　　這種站高望遠的戰略眼光也是團隊年輕學生對施闖最敬仰的地方?！笆├蠋熃洺：臀覀冋f技術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。

　　在實踐中培養造就創新人才

　　最近，施闖帶領北航團隊開發出了最新一代架構的時空數據處理軟件GSTAR，平臺具備對大規模地面站和大規模星座的觀測數據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。作為較早接觸GPS和衛星導航領域的研究者，施闖回憶，“當時全國還沒有什么人做高精度衛星導航，由于涉及核心技術，國外的資料也非常有限”。

　　“從0到1”的過程總是艱難的。書上的內容模糊不清難以復現，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，邊學邊研究”。由于衛星高精度實時精密定軌定位處理軟件在當時還屬于國外對華禁售的戰略產品，在做北斗廣域實時高精度定位研究時，施闖帶領團隊從零編寫，手敲了數十萬行代碼，并不斷迭代更新，做出了我國第一套實時高精度衛星導航處理軟件RT-PANDA，改變了我國大規模、實時高精度衛星數據處理依賴國外軟件系統的被動局面。

　　高精度衛星導航研究“從0到1”完成了突破，依托北斗這場宏大的工程實踐，衛星導航研究領域的人才培養也“從0到1”地完成了積累。

　　“通過國家工程，起來了一大批人，現在咱們國家培養的衛星導航人才一點兒不比國外的差，甚至學生的數理基礎、創新能力和刻苦精神都要更好?！笔╆J說。從事衛星導航研究30多年，他培養的碩博研究生已有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，培養為國奉獻情懷，鍛煉自主創新能力，施闖接受的是這樣的培養，也注重如此培養學生。

　　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研制建設項目?！爱敃r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?！苯洑v了這樣長期、持續的訓練，鄭福明顯感覺到，自己對于復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，面對一些龐大系統時不會害怕，對于出現的問題，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”。

　　如今，在北航的校園里，瞄準保障國家時空信息高可信、高安全和自主可控的目標，施闖和他團隊里的年輕教師、學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中，新一代衛星導航和移動通信領域的創新型復合型工程人才正在不斷破土而出。（本報記者 梁丹）