矢志高精度 为国铸重器 北航团队攻坚纪实

  1纳秒是1秒的十亿分之一，人的眨眼时间通常在0.1秒。尽管以人的感知能力，一次眨眼的时间就已经非常短了，但对卫星而言，这么长时间的一次信号跳动，却可以影响地面上的定位误差达3万公里之多，可谓“差之毫厘，谬以千里”。

　　“目前，我们的团队已经能使授时精度达到0.2纳秒水平，实现了国际领先。”近日，北京航空航天大学北斗高精度时空技术创新团队成员郑福指着仅有一块砖头大小的北斗高精度授时接收机对记者介绍。

　　2012年，当时还在攻读博士学位的郑福加入了导师施闯的团队，参与北斗高精度定位服务系统的开发。在他们的努力下，北斗拥有了实时厘米级、事后毫米级定位能力，并在交通等关键领域大规模应用，取得了重大经济社会效益。2018年，凭借“中国高精度位置网及其在交通领域的重大应用”项目，团队获国家科学技术进步奖一等奖。

　　从北斗高精度定位到高精度授时，从事高精度卫星导航关键技术及应用研究30多年，施闯和他带领的团队在我国北斗高精度定位与服务、多卫星导航系统融合、广域实时精密定位等方面，取得了系统性的、具有国际影响力的创新性成果，在国家关键领域得到应用，把时空信息这一战略性资源牢牢掌握在了中国人自己手里。

　　高精度时空信息必须自主可控

　　北航南门外，西土城地铁口附近，曾经因为共享单车无序停放而混乱的道路，如今宽阔畅通。

　　曾经一段时间，有效解决了城市交通“最后一公里”难题的共享单车，也因为乱停乱放给城市管理带来了巨大挑战。如今，具备高精度定位功能的共享单车，能够禁止用户在非停车点内还车、在非运营区域内骑车。

　　这是北斗高精度定位功能在日常生活中的一个典型应用。从能实现车道级导航和自主导航驾驶的智能驾驶，到港口自动化吊装；从大坝水库基础设施的位移、形变监测，到能实现作物播种、施肥、喷药等厘米级无人作业的精准农业……今天，具备实时厘米级和事后毫米级这一高精度定位能力的北斗系统，正在支持和服务着社会生活的方方面面。

　　作为时空基准的基础设施，卫星导航系统普遍具有定位、导航、授时等基本功能。

　　按照北斗卫星导航系统建设“三步走”战略，2012年底，覆盖亚太的区域卫星导航系统北斗二号建设完成，开始提供区域服务，这时北斗二号的定位精度在10米左右，而美国GPS卫星导航系统可以实现的定位精度是分米到厘米。

　　“一定要在中国人自己的卫星导航系统上做高精度定位。”面对差距，施闯下定决心。

　　“直接把GPS拿来用不就可以，为什么还要自己做？”“在北斗系统上能实现高精度吗？”……不少质疑声随之而来。的确，在当时，实现北斗高精度，意味着不仅必须走出一条依靠自己解决一系列“卡脖子”问题的自主创新之路，并且在几大全球卫星导航系统你追我赶的激烈竞争下，还将是一场要和时间赛跑的“硬仗”。

　　“高精度定位事关国家安全，而且我有信心北斗一定能做成高精度。”以极大的勇气、魄力和学术自信，施闯投身到了这一方向。

　　施闯是有底气的。20世纪90年代GPS技术刚传入中国时，施闯就在导师刘经南院士的带领下，开始接触和研究高精度卫星导航技术。历经两代人的努力，2012年施闯和团队凭借广域实时精密定位服务系统获得了国际学术界认可，并代表中国加入全球卫星导航系统国际组织IGS。

　　“服务国家需求，中国科学家一定要搞好自己的东西。”借助长期的技术积累，2012年，施闯带领团队攻克了北斗系统实时厘米级、事后毫米级定位的技术难关，技术水平跻身国际前列。在北斗卫星导航系统总设计师孙家栋院士的指导和支持下，这一技术逐步从区域示范推广到全国。

　　但从科研任务到工程应用的这一步“跳跃”并不容易，也被施闯认为是“最具挑战性和最困难”的阶段。

　　“天上不足，地上来补。”按照方案，施闯设计了1500个基准站构成北斗地面增强系统，并且通过广域、区域和移动通信辅助定位等三类数据处理中心解析卫星和地面数据信息，从而实现北斗终端定位精度的大幅提高。

　　然而，最初测试时系统刚跑三天就“趴窝”了。为什么和实验数据不一样？施闯被“摁”在了会议室里要给出个“交代”，“当时快把我们说哭了”。

　　大数据并发处理的问题、多进程协同处理的问题、数据传输通信的问题等，以及当时国产设备硬件水平不足带来的挑战……面对复杂系统工程中的重重难关，施闯和团队“为了荣誉而战”，全身心地投入到了技术攻关中，扎实地做了很多实际工作，“慢慢地，系统连续跑三个星期、三个月、一年、三年都没问题了”。

　　在北斗高精度定位技术最初的典型应用场景——交通领域中，依托由该技术支撑的中国高精度位置服务网，2014年后，交通运输部建立了全球最大的营运车辆动态监管系统，实现了全国近100%、超过600万辆重点营运车辆的跨地区精细化监管。

　　“中国的北斗，世界的北斗”。如今，为充分发挥北斗系统全球服务能力，施闯及团队还积极面向东盟、阿盟、非洲等世界各地开展教育和科研合作，为推动和引领全球时空信息应用贡献力量。

　　找准痛点做有用的研究

　　如今，在开阔地带，北斗可以轻松实现高精度定位。但是在高楼密布的城市，由于建筑遮挡，导航卫星信号容易受到反射和阻挡，定位精度严重下降。如何在复杂的城市交通网络中实现高精度定位，一直是痛点和难点。

　　最近，团队成员、博士生王家乐在施闯和郑福的指导下，在国际期刊《卫星导航》上发表了一篇论文，研究的主题正是通过融合北斗网、3D城市模型网和5G移动通信网，帮助更多消费级智能手机实现更加精准、更加可靠的城市导航能力。

　　如今，智能手机不仅是获取时空信息的关键工具，也是推动北斗系统规模化发展的重要平台。然而，集成在智能手机中的定位芯片通常只值几元钱，卫星接收天线也只有小拇指指甲盖大小，成本低、噪声大、抗干扰能力弱。使用这样的芯片和传感器，能在手机上实现北斗高精度吗？王家乐说，对于这个研究方向，自己也曾怀疑和迷茫过，但当他5年来不断深入研究下去时发现，“这个问题真的很有价值，而且可以被解决”。

　　“从研究方向上看，施老师从来不会因为某个方向是热点而让我们去做，而是以国家和应用需求为导向，一直在找准痛点问题做有用的研究。”从师生到同事，郑福与施闯共事的时间已有10余年，“坚持创新、做有用的研究”是他对团队的最大感受。

　　2018年获得国家科技进步奖一等奖后，施闯并未就此止步，而是不断开拓创新。在北航，施闯依托学校一级学科信息与通信工程、交通运输工程、测绘科学与技术，成立新兴交叉学科——导航与通信融合工程，并建立“卫星导航与移动通信融合技术工业和信息化部重点实验室”，相继实现了从“室外北斗高精度定位”到“室内外无缝自主高精度定位”，从“北斗高精度定位”到“北斗高精度授时”两项重要跨越。

　　以室内外无缝定位为例，相较于室外，室内是人更主要的活动空间。但是如何在复杂场景内实现高精度无源自主定位，是一项世界性难题。

　　采访中，施闯向记者展示了一段视频：一名学生手持北斗接收机，脚踩高精度足履定位终端，在未知建筑里行走，随着他的移动，一张实时的定位轨迹被精准地生成。

　　如今，通过研究传感器误差模型、人体运动学模型、复杂场景感知和泛源智能融合定位等技术，团队在“北斗+泛源定位”、穿戴式高精度定位等关键技术上不断突破，实现室内外连续、稳定和高精度的自主定位。

　　在施闯团队，研究的“有用”，不仅落在当下或者直接的应用上，还指向未来。

　　对于北斗这项重要的时空基础设施，相较于更容易感知和应用的“空间”功能，人们对“时间”功能的关注要少得多。

　　因此，尽管北斗亚纳秒授时的具体应用场景仍待开发，但是施闯和郑福仍然在更高精度的导航卫星授时上钻研、前进着。

　　“技术进步会牵引需求，催生出新的需求，要能看到未来。”施闯笑着补充道，10多年前，在做北斗高精度定位时，大家也不确定做成这么高的精度能用来做什么。那时，智慧驾驶、无人机植保作业、港口自动化吊装、精准配送、网约车等高精度定位典型应用场景还在不远的将来“蛰伏”着。

　　这种站高望远的战略眼光也是团队年轻学生对施闯最敬仰的地方。“施老师经常和我们说技术上的难题从来都不是难题，但是想不到、看不清方向才是真的问题。”王家乐说。

　　在实践中培养造就创新人才

　　最近，施闯带领北航团队开发出了最新一代架构的时空数据处理软件GSTAR，平台具备对大规模地面站和大规模星座的观测数据同时处理与分析能力，可以将处理效率提升至两倍以上。

　　施闯是测绘专业出身，本硕博读的都是大地测量。测绘也是GPS在中国最早进入的行业。作为较早接触GPS和卫星导航领域的研究者，施闯回忆，“当时全国还没有什么人做高精度卫星导航，由于涉及核心技术，国外的资料也非常有限”。

　　“从0到1”的过程总是艰难的。书上的内容模糊不清难以复现，但是程序代码是无法隐瞒的，于是，施闯“使劲地读代码，一行一行地看，边学边研究”。由于卫星高精度实时精密定轨定位处理软件在当时还属于国外对华禁售的战略产品，在做北斗广域实时高精度定位研究时，施闯带领团队从零编写，手敲了数十万行代码，并不断迭代更新，做出了我国第一套实时高精度卫星导航处理软件RT-PANDA，改变了我国大规模、实时高精度卫星数据处理依赖国外软件系统的被动局面。

　　高精度卫星导航研究“从0到1”完成了突破，依托北斗这场宏大的工程实践，卫星导航研究领域的人才培养也“从0到1”地完成了积累。

　　“通过国家工程，起来了一大批人，现在咱们国家培养的卫星导航人才一点儿不比国外的差，甚至学生的数理基础、创新能力和刻苦精神都要更好。”施闯说。从事卫星导航研究30多年，他培养的硕博研究生已有100多名，其中不少人成为国家级人才。

　　在参与国家重大工程的实践中磨炼坚韧意志，培养为国奉献情怀，锻炼自主创新能力，施闯接受的是这样的培养，也注重如此培养学生。

　　在跟着施闯读博期间，郑福完整地参与了国家北斗地基增强系统研制建设项目。“当时我的一个重要工作就是收集整理各类问题，每天晚上开会时汇报给老师，大家一起讨论如何解决。”经历了这样长期、持续的训练，郑福明显感觉到，自己对于复杂工程问题的理解和掌控能力都“上了一个台阶”，“我后来再做很多项目，面对一些庞大系统时不会害怕，对于出现的问题，我也会很有信心解决它”。

　　回看博士期间这段特别的经历，郑福充满感情，他坦言，由于项目对时间精力的要求很高，刚开始自己是有一些思想斗争的。但是他很快就全身心地投入其中，“你能清晰地感觉到自己是在参与一项伟大的事业”。

　　如今，在北航的校园里，瞄准保障国家时空信息高可信、高安全和自主可控的目标，施闯和他团队里的年轻教师、学生正在以时不我待的紧迫感加快研究。而在迎接和解决一个个挑战中，新一代卫星导航和移动通信领域的创新型复合型工程人才正在不断破土而出。（本报记者 梁丹）