中國(guó)工程院院士劉經(jīng)南矢志鉆研衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)難題——
讓北斗點(diǎn)亮美好生活(講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神)
人物小傳
劉經(jīng)南，1943年7月生，中國(guó)工程院院士，武漢大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家衛(wèi)星定位系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任。長(zhǎng)期從事大地測(cè)量理論及應(yīng)用研究與教學(xué)工作，在大地測(cè)量坐標(biāo)系理論、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、軟件開發(fā)和重大工程應(yīng)用方面做出了一系列開創(chuàng)性工作，曾獲7項(xiàng)國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、30余項(xiàng)省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，以及“全國(guó)先進(jìn)科技工作者”榮譽(yù)稱號(hào)。
無人駕駛車輛在復(fù)雜路況下平穩(wěn)行駛，智慧農(nóng)機(jī)在田間地頭自動(dòng)耕作，重大工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)管控……日常生產(chǎn)生活中，人們常常能感受到衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的重要作用。
5月18日，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)發(fā)布《2025中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，白皮書顯示，2024年，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)5758億元，約2.88億部智能手機(jī)支持北斗定位功能，電子導(dǎo)航地圖的北斗定位服務(wù)日均調(diào)用量高達(dá)6000億次，北斗高精度車道級(jí)導(dǎo)航已基本實(shí)現(xiàn)了全國(guó)城鄉(xiāng)道路全覆蓋。
“我們可以自信地說，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前全球精度最高、功能最多的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一。”中國(guó)工程院院士、武漢大學(xué)教授劉經(jīng)南是參與三代北斗系統(tǒng)研制建設(shè)的專家，也是我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程應(yīng)用領(lǐng)域的開拓者之一。他致力于大地測(cè)量坐標(biāo)系理論及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)應(yīng)用的研究，攻克多個(gè)關(guān)鍵性難題，不斷提升北斗系統(tǒng)服務(wù)水平，助力創(chuàng)造美好生活。
從地面到太空
用衛(wèi)星定位技術(shù)解決實(shí)際問題
解決好坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研究中的重要基礎(chǔ)，也是劉經(jīng)南幾十年科研生涯中印象深刻的一個(gè)突破口。
從上世紀(jì)70年代開始，隨著一些國(guó)家建立了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星測(cè)量基準(zhǔn)的地心坐標(biāo)系與傳統(tǒng)地面大地坐標(biāo)系如何轉(zhuǎn)換，逐漸成為當(dāng)時(shí)國(guó)際前沿的研究方向。1979年，考取武漢測(cè)繪學(xué)院(武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院前身)研究生的劉經(jīng)南，便投入相關(guān)研究。
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，意味著讓衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)更方便地被人們利用，能解決更多生產(chǎn)生活中的實(shí)際難題?！爱?dāng)時(shí)國(guó)際上一些科學(xué)家分別提出了有關(guān)兩大坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的3個(gè)模型，但究竟誰優(yōu)誰劣爭(zhēng)論不休?！眲⒔?jīng)南說，讀研期間，他針對(duì)這一問題展開研究。他一遍遍推演，最入迷的時(shí)候，“連夢(mèng)中都會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)和公式”。終于，他首次證明了3個(gè)模型的等價(jià)性，一定程度上為GNSS的應(yīng)用發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)……
善于鉆研，是劉經(jīng)南最大的特點(diǎn)。他本科在武漢測(cè)繪學(xué)院學(xué)習(xí)天文大地測(cè)量專業(yè)，攻讀研究生之前，曾在物探隊(duì)工作過11年，常常要背著沉重的測(cè)量?jī)x器，行走在深山老林中，進(jìn)行野外測(cè)繪作業(yè)。夏天與蟲蛇做伴、冬天承受冰冷嚴(yán)寒。那時(shí)候他就想：如何能通過現(xiàn)代化技術(shù)手段，讓測(cè)繪工作不再那么辛苦呢？
這段經(jīng)歷，幫劉經(jīng)南找到了隨后幾十年的研究方向。幾經(jīng)波折，1986年，他回到母校任教后，正式開始了衛(wèi)星大地測(cè)量與全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的相關(guān)研究。
上世紀(jì)80年代，國(guó)家部署探測(cè)西部油氣資源，劉經(jīng)南來到柴達(dá)木、塔里木和準(zhǔn)噶爾三大盆地，協(xié)助石油部門處理衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)?！澳菚r(shí)我們國(guó)家坐標(biāo)系在沙漠地區(qū)的高程并不精確，誤差可能達(dá)到幾米?！眲⒔?jīng)南說，在油氣勘探中，誤差每多1米，鉆井成本就可能增加百萬元以上。經(jīng)過計(jì)算，他創(chuàng)造性地提出一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用衛(wèi)星定位的方式，提出一整套GPS三維地心坐標(biāo)向量至高斯二維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換理論，使在塔里木沙漠地區(qū)的衛(wèi)星定位高程精度達(dá)到優(yōu)于1米的水平。
高精度開展島礁測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水庫(kù)蓄水情況……劉經(jīng)南積極推動(dòng)科研成果對(duì)接社會(huì)需求，將全球衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，力求解決各類實(shí)際問題。
從跟跑到領(lǐng)跑
提升北斗系統(tǒng)高精度定位服務(wù)能力
在北斗系統(tǒng)建立之前，我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)長(zhǎng)期依賴美國(guó)的GPS。“它們提供的服務(wù)精度不算太高?！眲⒔?jīng)南說，比如行駛在武漢沿江大道上的汽車，利用GPS定位觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)位置有時(shí)在長(zhǎng)江里，有時(shí)在屋頂上，有時(shí)誤差近百米。
為了解決這個(gè)問題，劉經(jīng)南提出適合當(dāng)時(shí)中國(guó)技術(shù)水平的分布式廣域差分技術(shù)的思路，對(duì)GPS觀測(cè)量的誤差源加以區(qū)分和“模型化”，然后將計(jì)算出來的誤差修正值數(shù)據(jù)根據(jù)其隨時(shí)間變化的快慢差別，分別通過三類通信鏈傳輸給用戶，滿足用戶定位中的誤差修正需求，以改善其GPS定位精度?！拔覀儼凑招滤悸烽_展實(shí)驗(yàn)，近3000千米的差分距離，都能實(shí)現(xiàn)3—5米的實(shí)時(shí)定位精度?！眲⒔?jīng)南說。
但真正避免技術(shù)受制于人，還是要擁有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
1994年，北斗一號(hào)工程正式立項(xiàng)，此后，劉經(jīng)南帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了北斗系統(tǒng)多項(xiàng)難題，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)從跟跑到領(lǐng)跑的跨越。作為最早一批參與北斗方案設(shè)計(jì)的專家，他提出基于北斗一號(hào)的雙向通信功能，中國(guó)應(yīng)建立自主可控的廣域GPS差分增強(qiáng)試用系統(tǒng)。專家組接受了這個(gè)建議，在北斗一號(hào)就實(shí)現(xiàn)了廣域GPS差分功能，并一直改進(jìn)延續(xù)到北斗三號(hào)全球系統(tǒng)。
2012年，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式為亞太地區(qū)提供服務(wù)。劉經(jīng)南團(tuán)隊(duì)提出建設(shè)國(guó)家地基增強(qiáng)系統(tǒng)的創(chuàng)新方案，并在湖北建立了示范項(xiàng)目。
“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)湖北示范項(xiàng)目采用了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟硬件產(chǎn)品，建成30個(gè)北斗連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站及相應(yīng)的控制和服務(wù)系統(tǒng)，可通過地面基準(zhǔn)站網(wǎng)的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)高精度導(dǎo)航定位服務(wù)?！眲⒔?jīng)南說，項(xiàng)目取得成功后很快在全國(guó)推廣，建成了覆蓋全國(guó)的廣域?qū)崟r(shí)精密定位服務(wù)系統(tǒng)，形成了全國(guó)范圍分米級(jí)、重點(diǎn)區(qū)域厘米級(jí)的定位服務(wù)能力，打破了國(guó)外在高精度衛(wèi)星定位領(lǐng)域的壟斷地位。
從科研到產(chǎn)業(yè)
探索北斗與新技術(shù)融合的新業(yè)態(tài)
武漢光谷北斗大廈，武漢夢(mèng)芯科技有限公司的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，技術(shù)人員將16個(gè)不同生產(chǎn)批次的單北斗定位模塊放進(jìn)試驗(yàn)箱，設(shè)置一定的溫度，記錄該模塊在零下40攝氏度到零上80攝氏度溫度范圍內(nèi)的定位精度、定位時(shí)間等，測(cè)試其性能的一致性。
成立于2014年的夢(mèng)芯科技，是一家專業(yè)從事北斗高精度定位芯片設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)位置服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，由劉經(jīng)南擔(dān)任首席科學(xué)家。“在劉院士團(tuán)隊(duì)的支持下，我們研發(fā)出國(guó)內(nèi)首顆40納米量產(chǎn)的北斗導(dǎo)航定位芯片，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度?！眽?mèng)芯科技首席技術(shù)官王奇君介紹，公司研制的三代北斗芯片、模塊等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于智能駕駛、智慧城市、共享出行等領(lǐng)域。
“北斗系統(tǒng)作為提供時(shí)空基準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施，具有天然的融合屬性。當(dāng)前，北斗正與5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)加速融合，將催生越來越多的新業(yè)態(tài)?！眲⒔?jīng)南說。夢(mèng)芯科技所在的北斗大廈，已經(jīng)聚集了10多家北斗相關(guān)企業(yè)，形成了從研發(fā)、生產(chǎn)到運(yùn)營(yíng)服務(wù)的全產(chǎn)業(yè)鏈。
“科技發(fā)展需要一代代人接續(xù)努力，我們要為年輕人提供更優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)條件和更廣闊的發(fā)展空間?！眲⒔?jīng)南一手抓科研創(chuàng)新，一手抓人才培養(yǎng)。擔(dān)任武漢大學(xué)校長(zhǎng)期間，他就積極營(yíng)造跨學(xué)科教學(xué)氛圍，倡導(dǎo)與社會(huì)服務(wù)結(jié)合的培養(yǎng)模式。從1997年開始，劉經(jīng)南和其他幾位院士，一起給武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)科本科生講授“測(cè)繪學(xué)概論”等課程。他的課堂常常出現(xiàn)妙語(yǔ)連珠的“小段子”：“你從哪里來，要到哪里去？這既是哲學(xué)家問的問題，也是導(dǎo)航研究的問題……”
展望未來，劉經(jīng)南說：“下一步，要讓精準(zhǔn)時(shí)空位置服務(wù)進(jìn)入深地、深海、深空、深網(wǎng)等領(lǐng)域，不斷增強(qiáng)北斗系統(tǒng)的應(yīng)用效益和社會(huì)價(jià)值，從而建設(shè)更加融合、更加智能的綜合時(shí)空體系。”