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在浩瀚宇宙,用北斗定位中國——記2018年度國家科技進步一等獎獲得者施闖及其團隊

點擊數:    |    加入時間:2019-01-15

在浩瀚宇宙,用北斗定位中國

——記2018年度國家科技進步一等獎獲得者施闖及其團隊

記者 史越

“開始導航。全程XXX公里……”開車的人一定對這個聲音耳熟能詳。出行路線規劃、共享實時位置、周邊服務推薦……導航定位讓我們的日常生活格外便捷。那么,這些功能是如何實現的呢?距離我們頭頂數萬公里之遙的衛星發揮了巨大作用。

其中43顆衛星有一個響亮的名字:北斗。

2017年12月27日,北斗二號系統開通五周年新聞發布會召開。一年后,中國向世界宣布:北斗三號基本系統完成建設,于即日起提供全球服務。消息立刻“刷爆”了朋友圈。北京航空航天大學電子信息工程學院施闖教授也轉發了一條,回憶起當時的心情,他說“非常自豪”。

一星期后,施闖站在了國家科學技術獎勵大會的領獎臺上。由他主持完成的“中國高精度位置網及其在交通領域的重大應用”獲得2018年度國家科技進步一等獎。

北航獲獎者在2018年度國家科技獎勵大會現場(中為施闖)

“天上好用,地上用好”

眾所周知,全球目前有四大衛星導航系統,分別是美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐洲的伽利略和中國的北斗。GPS是目前全球應用最廣泛的導航系統。人們不免疑慮:“年輕的北斗如何跟GPS媲美?”

施闖給出了答案:“把北斗的高精度作為一張牌打出來。”

高精度是衛星導航系統的核心競爭力之一。在我國,北斗具有得天獨厚的地域優勢,由多個基準站構成北斗地面增強系統,可大幅度提高北斗終端的定位精度和可靠性等,進而提供比GPS更高性能的服務。

聽上去似乎不復雜,但要對高速運動的飛機、汽車等進行穩、準、快的定位,并非易事。施闖團隊系統地建立了北斗實時精準定位理論方法,攻克了北斗衛星精密軌道、精密鐘差、電離層對流層延遲、廣域實時精密定位等誤差處理技術,解決了北斗實時厘米級、事后毫米級定位的難題,技術水平躋身國際前列。

施闖團隊開發的系統之一,可實時觀測全球電離層情況,進而針對電離層對衛星信號的干擾作出修正

“天上好用,地上用好。”按照這一思路,中國北斗人加快奮進的步伐。“天上”十分熱鬧:1994年起,北斗一號、北斗二號、北斗三號相繼組建。2017年11月起,我國一年內完成10箭19星發射,創下世界衛星導航系統建設新紀錄。去年12月,施闖隨科技部赴比利時參加中歐空間科技合作對話,“我們介紹北斗的時候,歐洲人也非常欽佩,覺得我們的速度太快了。”

“地上”亦百花齊放:以中國高精度位置網的重大應用為例,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,有效減少了重特大交通事故的發生;國家海事局等單位在沿海和港口建成100多座北斗增強基準站,形成覆蓋我國關鍵水域的北斗高精度服務網絡,全國5萬余艘漁船安裝北斗,累計救助漁民超過1萬人。

由一張北斗地面增強系統、三類數據處理中心和十個交通應用服務系統等組成的中國高精度位置網已經建立,形成了中國及周邊區域自主可控的從米級到厘米級的位置服務能力,用戶規模和服務能力為國際領先。在未來城市、自動駕駛、智能手機、共享單車及無人機應用等各領域,北斗高精度定位技術均得到廣泛應用。

“北斗一定能做出高精度”

今天,北斗前裝車輛超過200萬輛,高精度的北斗已經在各行各業大顯身手,深深影響著我們的生活。很多人之所以沒有直觀感受,是因為在實際使用中GPS、北斗等往往聯合發揮作用。面對這樣的結果,施闖感到欣慰和滿足。

2005年,施闖承擔了科技部863項目“中國第二代衛星導航系統前期研究”。他回憶,當時我國已經發射了北斗一號系統,性能比GPS還有較大的差距,而北斗二號系統剛剛啟動研制。

“老實說,最初大家對北斗能否實現厘米級的高精度定位還沒有多少信心。”

“那您當時做這個,有信心嗎?”

“有信心。在大家都還不是很相信的時候,我就一直堅信北斗一定能做出高精度來。”

施闖的信心源自此前數十年如一日的潛心研究。他學測繪出身,本碩博讀的都是大地測量。據他回憶,在有衛星導航之前,我國科研人員測繪作業只能使用經緯儀或者天文觀測,效率低、精度差。GPS最初進入中國就是用于測繪行業。“過去要在山頂住個把月才能測出的結果,GPS幾個小時就解決了。”

GPS迅速推廣開來,但價格不菲。“當時GPS的軟件、硬件都非常貴。這么好的技術,我們卻不掌握,就開始研究。”由是,施闖踏入了衛星導航研究領域。要實現高精度的衛星導航定位,必須解決從衛星軌道、鐘差、大氣延遲、坐標基準,到終端定位等一系列科學和技術問題,由于涉及核心技術,國外的資料也非常有限。“從我的導師劉經南院士、師兄葛茂榮教授等開始,幾代人硬是把它‘啃’下來了,這是我們這個團隊二十多年共同努力的結果”。

在2019年1月8日舉行的國家科學技術獎勵大會上,國務院總理李克強指出,要“大力提升關鍵核心技術自主創新能力”。對此,曾在歐洲宇航局做過GPS研究、參與過伽利略項目的施闖感觸很深:“你做得再好,還是給別人打工。中國人就得搞自己的東西。”

唯有自主創新才能閃耀蒼穹。施闖和團隊多年潛心衛星導航領域的研究經驗和成果,終于在北斗這一國家重大戰略任務的攻關中得到試煉。回看北斗一路走來的歷程,他難掩自豪:“很不錯,(我國)確實做出來了。”

厚積才能薄發。科研攻關,從來如此。

“成果是大家的”

2018年12月18日,慶祝改革開放40周年大會在人民大會堂舉行。100名“改革先鋒”稱號獲得者在大會上受到表彰。原北斗衛星導航系統總設計師孫家棟院士也在其中。當天,施闖轉發了有關孫家棟的報道,并評價了四個字:“民族脊梁”。

2012年,施闖帶領團隊攻克了北斗系統實現厘米級精度的難關。令他沒想到的是,當時已86歲高齡的孫家棟聽說此事,親自從北京飛到了武漢,“他非常感興趣,說我一定要去看看”。

施闖回憶,那是2012年4月25日,孫家棟在詳細了解項目內容后,提出了精準指導。“要先做個區域示范系統,再推廣到全國,他對推廣的過程也想得非常細。技術上、策略上都看得很準。”對北斗地面增強系統,孫家棟也給出了高度評價。

那次會面讓施闖印象深刻的是孫家棟的愛國情懷:“作為老一輩的科學家,他考慮任何事情都是把國家利益放在第一位,說話常常都是以‘我國’開頭,骨子里就是這樣,就是一個一心為國做事的人。我對他確實非常敬佩。”

2012年,施闖向孫家棟院士介紹項目成果

但談到自己時,他只是質樸地說:“我是干點活吧”。他真正把自己作為北斗十幾萬科研工作者中的普通一員來看待。當說到高精度的北斗系統獲得廣泛應用與認可時,他臉上的笑容是真情流露。

關于他的謙遜和低調,身邊人的感受最深。“施老師上午去人民大會堂領了獎,下午卻好像什么都沒發生一樣,又在實驗室忙碌起來。面對別人的祝賀,他總是說‘成果是大家的’。”他的博士生宋偉這樣說。更讓宋偉感動的是施闖對學生無微不至的關懷。“我第一次去武漢出差,施老師幫我安排行程、訂房間、買車票,‘比我自己的父母還要細心’。”博士生郭仕偉深有同感:“2018年初,我來北航出差,施老師幾次詢問穿的衣服夠不夠,冷不冷。北方冬天干燥,施老師親自去水果店買了一袋蘋果放在會議室,囑咐我們多吃水果。”

一群仰望星空的人

“我仰望星空,它是那樣遼闊而深邃;那無窮的真理,讓我苦苦地求索追隨。”這是北航人再熟悉不過的旋律。對浩渺星空的樸素思索從古希臘先哲開始,又在康德心頭不斷喚起驚奇和敬畏。一如黑格爾所說:“一個民族有一些關注天空的人,他們才有希望。”

項目此次獲獎,是由國家提前布局,在國家863計劃、北斗導航重大專項、國家自然科學基金等支持下,來自產學研用等單位的眾多科研人員歷時十幾年聯合攻關的成果。他們正是一群仰望星空的人:

武漢大學、北京航空航天大學分別為第一、第二完成單位,高校間攜手合作,立足自主創新,系統地建立了精準、快速的北斗定位技術體系,攻克了穩健、可信的高精度位置網服務技術,實現北斗高精度應用服務核心技術的自主可控;

中國交通通信信息中心、交通運輸部海事局、中國交通建設股份有限公司、民航數據通信公司、民航天宇公司等開展應用推廣。在交通運輸部的大力推動下,項目研究成果已經在我國公路、水路、鐵路、航空、郵政、大眾出行等方面取得成功應用。通過實現北斗在交通運輸行業從“無”到“有”,再到體系化、規模化應用,有效提升了交通運輸生產效率、減少了資源消耗,并在關鍵區域保障了國家時空信息安全;

合眾思壯、北斗星通、上海華測、上海司南等諸多本土企業奮進直追,攻克了北斗高性能、低成本核心元器件關鍵技術,自主研制了從北斗芯片、天線、板卡到應用終端的全系列裝備,形成了自主的產品鏈,性能達到國際同類先進水平。高精度的北斗芯片、模塊等基礎產品銷量已經突破7000萬片;

中國信息通信研究院在中國搭建起北斗輔助定位服務器(A-BDS),北斗加入3GPP后,今天國內銷售的智能手機大部分支持北斗,A-BDS為用戶提供更加快速精準的定位;

“非常感謝武漢大學。”施闖說,北斗的精準、快速定位理論方法及關鍵技術是自己和團隊在武漢大學研究完成的。“跟北航的合作也是由來已久”。2012年,武漢大學和北京航空航天大學等聯合組建“地球空間信息技術協同創新中心”,2014年入選國家“2011計劃”。從那時起延續至今,施闖一直作為衛星導航方向的一個團隊負責人在其中從事協同創新研究。

北斗系統的北航回答

1月8日上午,國家科學技術獎勵大會閉幕后,人流有序散去,施闖和同在電子信息工程學院的張學軍教授在會場拍了一張合影。后者主持完成的“空地一體化協同防撞關鍵技術及重大應用”獲得2018年度國家科技進步二等獎。

施闖(左二)和張學軍(右二)在會場合影

今天,他們同在北航國家空管新航行系統技術重點實驗室和綜合交通大數據應用技術國家工程實驗室開展研究。在北斗衛星導航系統的研制過程中,以國家空管實驗室為代表,北航人做出了諸多貢獻——

2015年,北航成為北斗民航國際標準化推進工程的牽頭實施單位,建立了國內首套北斗航空應用抗干擾測試平臺;

2016年,北航成為《中華人民共和國衛星導航條例》起草支撐單位;

2017年,北航和中國民用航空飛行校驗中心聯合研制的、基于北斗導航系統的航空飛行校驗系統亮相“砥礪奮進的五年”大型成就展;

同年,北斗衛星導航系統搭載國產ARJ21飛機圓滿試飛,北航團隊研制提供了多項關鍵核心技術。其中,國產衛星導航地基增強系統(GBAS)、國產機載導航系統(MMR)由北航聯合其他單位攻關研制而成,依托ARJ21完成飛行測試,結果表明國產相關系統性能達到國外同類系統水平。

2018年11月,聯合國全球衛星導航系統國際委員會第十三屆大會在陜西西安舉辦。中國國家主席習近平向大會致賀信,表示“中國愿同各國共享北斗系統建設發展成果,共促全球衛星導航事業蓬勃發展”。

在“北斗走出去”的過程中,北航成績亦亮眼。2017年5月,北航與巴基斯坦國立科技大學在“一帶一路”國際合作高峰論壇上簽署了中巴共建北航北斗絲路學院合作備忘錄。北航北斗絲路學院面向沿線國家培養衛星導航系統及相關技術人才,推進北斗系統在海外的應用與服務。依托北斗絲路學院,施闖及其團隊為泰國、巴基斯坦、斐濟等國家提供技術支持,開展多項合作。據悉,北斗高精度產品已出口90多個國家和地區,北斗地基增強技術和產品也成體系輸出海外。

空天報國、服務國家重大戰略需求并非一句輕飄飄的話,而是沉甸甸的莊嚴承諾。背后是夜以繼日的科研攻關,是無數次外場測試試驗,是實實在在的系列成果,不僅將中國相關領域的研究水平帶向世界一流,更在潛移默化中改變了人類生活。如今,他們立足中國,服務世界,為人類命運共同體的構建添磚加瓦。

施闖團隊實驗室的大屏,圖中彩色部分為衛星實時情況

冬日陽光輕暖,北航校園里人來人往。經過圖書館東配樓一層時,你無論如何也想象不到,就在一間不大的會議室里,位于北航校園上空數萬公里之外的、世界幾大導航系統的衛星的實時位置,正顯示在墻上掛著的兩塊屏幕上。

身居斗室,胸懷宇內。施闖站在屏幕前看著,思緒飛到2.2萬公里之外的北斗星群,可謂“精騖八極,心游萬仞”。那些動態變化的抽象數字,在他心里明明白白。在北航,一支精干的研究隊伍迅速組建起來,施闖和團隊正在為北斗在航空航天創新應用領域的研究發力。

到2020年,北斗三號將完全建成,屆時,世界任何一個地方都能用上北斗提供的高精度、高可靠定位、導航、授時服務。2035年,我國還將建成以北斗為核心,更加泛在、更加融合、更加智能的綜合定位導航授時(PNT)體系。

北航也將為這一國家目標做出新的貢獻。

施闖和團隊成員在一起

(審核:譚華霖)

編輯:史越

 

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