姚 錚：堅持“頂天立地”的導(dǎo)航信號處理研究之路

◎ 文/傅雙橋

2018年2月1日，清華大學(xué)電子工程系副教授姚錚博士被美國導(dǎo)航學(xué)會授予2017年“早期成就獎”，以表彰他在衛(wèi)星導(dǎo)航信號設(shè)計和多路復(fù)用方面取得的開創(chuàng)性貢獻以及對中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號設(shè)計的重要推動作用。

美國導(dǎo)航學(xué)會是世界導(dǎo)航領(lǐng)域規(guī)模最大、影響最廣的非贏利性學(xué)術(shù)組織。該學(xué)會成立于1945年，七十多年以來一直致力于推動定位、導(dǎo)航和授時（PNT）科學(xué)及技術(shù)的發(fā)展，會員遍布全球50多個國家，涵蓋航天、航空、航海和陸地定位、導(dǎo)航與授時的各個方面。早期成就獎于1997年設(shè)立，是美國導(dǎo)航學(xué)會針對35歲以下青年學(xué)者在國際導(dǎo)航領(lǐng)域設(shè)立的最高獎，至今共有22位獲獎?wù)?，他們中的大多?shù)人都已經(jīng)成長為國際知名學(xué)者，其中包括GPS現(xiàn)代化信號的主要設(shè)計 人、GPS廣 域增強系統(tǒng)（WAAS）的主要貢獻者，以及現(xiàn)任美國導(dǎo)航學(xué)會主席等等。姚錚博士是獲得該獎的首位中國學(xué)者，也是獲此殊榮的首位亞洲學(xué)者。

專注衛(wèi)星導(dǎo)航，初心不改

姚錚博士2001年入清華大學(xué)電子工程系電子信息工程專業(yè)學(xué)習(xí)，2010年獲清華大學(xué)信息與通信工程專業(yè)博士學(xué)位，在清華大學(xué)近十年的學(xué)習(xí)生涯，奠定了他在信息與通信工程領(lǐng)域扎實的理論基礎(chǔ)。

姚錚的科研生涯開始于2004年。那年，還是本科生的他進入實驗室參與科研項目，第一次接觸到了衛(wèi)星導(dǎo)航這一領(lǐng)域，并由此確立了自己的研究方向，用他自己的話說“十四年來我就在研究一件事，就是衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理”。當時正是我國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——“北斗二號”規(guī)劃建設(shè)的時期，無論是衛(wèi)星導(dǎo)航的學(xué)術(shù)研究，還是北斗接收機的工程研制，都有很多的問題亟待解決。姚錚后續(xù)在清華大學(xué)電子工程系免試直接攻讀博士學(xué)位期間，深度參與了多項北斗重大專項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題，積累了大量的學(xué)術(shù)研究和工程開發(fā)經(jīng)驗。憑借著對科學(xué)研究的無比熱情，加上持之以恒的努力，他只用了四年多的時間就提前讀完了直博，還獲得了“清華大學(xué)優(yōu)秀博士畢業(yè)生”稱號，博士論文被評為清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文。2010年，姚錚開始在清華大學(xué)電子工程系任教，成為一名助理教授。也正是這一年，他正式開始參與北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號設(shè)計工作。

服務(wù)國家急需，迎難而上

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)中，信號是整個系統(tǒng)的核心和靈魂，是實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)基本功能的載體，其潛在的性能極限決定了整個系統(tǒng)的先天性能。如果導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號在設(shè)計上存在缺陷，即使系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)的設(shè)計再完美，整個系統(tǒng)在定位、測速、授時精度等關(guān)鍵性能上仍然存在難以彌補的不足。姚錚說，衛(wèi)星導(dǎo)航的信號設(shè)計理論長期以來并未得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的足夠關(guān)注。早期衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號設(shè)計，很大程度上直接沿用了衛(wèi)星通信的技術(shù)。直到近十年來新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)需求的推動，以及出現(xiàn)的一系列問題和矛盾，才讓學(xué)術(shù)界和工業(yè)界真正開始審視衛(wèi)星導(dǎo)航信號設(shè)計的特殊性。

記者了解到，隨著導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展、服務(wù)需求的不斷細化，新一代北斗三號系統(tǒng)的信號數(shù)量多，信號結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且為了兼顧與北斗二號系統(tǒng)之間的平穩(wěn)過渡，星上多信號分量的復(fù)用難度大，國際上并無先例。信號設(shè)計還必須同時兼顧可用頻帶資源的限制、衛(wèi)星載荷的復(fù)雜度和功耗的限制、測距精度和抗干擾能力的要求、接收復(fù)雜度的限制、系統(tǒng)之間射頻兼容和互操作的要求，以及后向兼容等需求。需要同時滿足這么多設(shè)計約束，就像“帶著鐐銬跳舞”，無論是設(shè)計難度還是實現(xiàn)難度都很大，其中一些設(shè)計需求甚至當時的現(xiàn)有技術(shù)難以實現(xiàn)的。

面對上述技術(shù)挑戰(zhàn)和國家建設(shè)急需，姚錚選擇迎難而上。“我做科研不喜歡追隨，更喜歡去挑戰(zhàn)一些看似不可能完成的問題。”姚錚說，“但也不是單純?yōu)榱颂魬?zhàn)而挑戰(zhàn)。科研方向的選擇，既要站到國際最前沿，更重要的是又得能夠服務(wù)國家重大需求?！?/p>

正是這種探險精神成為姚錚不斷開拓的動力。他原創(chuàng)性地提出了多載波恒包絡(luò)復(fù)合導(dǎo)航信號的概念，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種先進的衛(wèi)星導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)：正交復(fù)用二進制偏移載波（QMBOC）信號和非對稱恒包絡(luò)二進制偏移載波（ACE-BOC）信號，解決了導(dǎo)航信號設(shè)計在測距性能提升與功率帶寬受限之間的矛盾，而且有效規(guī)避了歐美在衛(wèi)星導(dǎo)航信號體制上的專利封鎖。記者了解到，上述信號均已被北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用，正式部署在北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星上向全球播發(fā)。這些信號還被列為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，并以接口控制文件形式在國務(wù)院新聞辦舉行的新聞發(fā)布會上向全世界公開發(fā)布。相關(guān)的3項國際專利也均被列為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)核心專利。

在衛(wèi)星導(dǎo)航信號恒包絡(luò)復(fù)用理論研究方面，姚錚將恒包絡(luò)復(fù)用的適用性從單頻雙極性拓展到多頻多極性情況，并建立了統(tǒng)一的恒包絡(luò)復(fù)用設(shè)計理論體系。2016年，姚錚基于自主提出的多頻多分量恒包絡(luò)復(fù)用設(shè)計技術(shù)，又為北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星設(shè)計了星上多信號分量復(fù)用方案，解決了雙頻多分量復(fù)用、單邊帶調(diào)制復(fù)用、復(fù)波形信號的復(fù)用等難題。經(jīng)星地對接測試，該方案性能優(yōu)異，目前已實施在北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星上。

讓研究既能“頂天”又能“立地”

在每一個研究方向上，姚錚都始終堅持著做“頂天立地”的科研的態(tài)度：技術(shù)要走到國際最前沿，同時成果要滿足國家的需求。

2016年，姚錚提出的地基導(dǎo)航系統(tǒng)信號體制解決了北斗地基導(dǎo)航系統(tǒng)的遠近效應(yīng)問題，并突破了跳時直接擴頻信號高精度相位鎖定、收發(fā)一體導(dǎo)航基站的快速組網(wǎng)及時間同步等多項核心關(guān)鍵技術(shù)?；谠撔盘栿w制，他帶領(lǐng)團隊研制開發(fā)了北斗地基導(dǎo)航系統(tǒng)基站原理樣機，并開展了有線測試和小規(guī)模外場測試，測距精度和組網(wǎng)精度指標均達到國際領(lǐng)先水平。2017年，該成果參加了第三屆軍民融合發(fā)展高技術(shù)裝備成果展，得到中央軍委裝備發(fā)展部領(lǐng)導(dǎo)的好評。

在姚錚看來，軟件化是未來衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的變革趨勢。所謂軟件化衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，就是A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，全部的導(dǎo)航接收功能都實現(xiàn)在一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺上，各種導(dǎo)航信號的接收、導(dǎo)航算法的實現(xiàn)都使用運行其上的軟件來完成。這樣的架構(gòu)保證了衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機具有很強的靈活性。通過增加軟件模塊，可以很容易地增加新的功能。隨著新系統(tǒng)、新信號、新算法的不斷出現(xiàn)，軟件也可以隨需要而不斷升級。這樣的高靈活性和高可擴展性架構(gòu)更能夠快速適應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號體制和處理方法的迅速發(fā)展，保證了軟件接收機本身有很長的生命周期。

在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）的支持下，2013年姚錚帶領(lǐng)團隊研制成功國際上第一個可同時實時接收處理包括美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略系統(tǒng)、中國北斗系統(tǒng)、日本準天頂導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)的五大系統(tǒng)全部16種民用信號并聯(lián)合定位的軟件接收機。并利用該接收機，于2013年5月5日凌晨在中國境內(nèi)首次接收到在軌的4顆Galileo衛(wèi)星信號并實現(xiàn)三維定位，不僅驗證了Galileo信號的實際服務(wù)精度，還為北斗全球信號設(shè)計提供重要參考。成果獲得歐洲空間局（ESA）頒布的證書，并得到中央電視臺新聞、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)官方主頁的報道。

將創(chuàng)新和應(yīng)用進行到底

2016年，姚錚將他多年來在衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理方向上的研究成果與思考心得整理成一本學(xué)術(shù)專著——《新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號設(shè)計原理與實現(xiàn)技術(shù)》，由電子工業(yè)出版社出版。這是國際上第一本深入系統(tǒng)論述新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號設(shè)計理論與技術(shù)的學(xué)術(shù)專著，全面闡述了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號設(shè)計中的基本概念、基礎(chǔ)理論以及各項關(guān)鍵技術(shù)，并從導(dǎo)航信號的基本要素出發(fā)，把信號設(shè)計的傳統(tǒng)技術(shù)與新發(fā)展的先進技術(shù)納入到一個通用框架下。姚錚表示，他希望能通過這本書直接將讀者送到衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理相關(guān)領(lǐng)域的最前沿去，而且能夠更深層地理解導(dǎo)航信號技術(shù)背后的科學(xué)問題，從而產(chǎn)生更多創(chuàng)新的思路，貢獻到未來北斗系統(tǒng)的研究和建設(shè)中去。這本書由北斗系統(tǒng)前總設(shè)計師、“兩彈一星”元勛孫家棟院士，和北斗系統(tǒng)前副總設(shè)計師譚述森院士分別作序，入選了“十二五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目和“北斗系統(tǒng)與應(yīng)用出版工程”。

十多年來，姚錚專注于衛(wèi)星導(dǎo)航信號的研究，完成了數(shù)項極具開創(chuàng)性的工作，取得了令世界矚目的突出成就。當記者問他為何如此“專一”時，這位在衛(wèi)星導(dǎo)航信號領(lǐng)域的權(quán)威專家靦腆地笑了笑說，“我想一方面是出于興趣，更重要的一方面是出于對國家和社會的責(zé)任”。

辛苦得來的研究成果不應(yīng)束之高閣?！凹夹g(shù)要頂天，應(yīng)用要落地。”這是姚錚始終堅守的科研路徑，他也是這么做的。正如美國導(dǎo)航學(xué)會在給姚錚頒發(fā)早期成就獎時的頒獎詞所說，“姚錚在衛(wèi)星導(dǎo)航信號設(shè)計領(lǐng)域開創(chuàng)了一個全新的理論體系，不僅完善了這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，更值得矚目的是，這一理論成果被應(yīng)用到了中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中去?！?/p>

對于自己下一步的科研計劃，姚錚想將繼續(xù)聚焦在衛(wèi)星導(dǎo)航信號設(shè)計與信號處理上，特別是針對商業(yè)航天的熱潮和低軌道小衛(wèi)星導(dǎo)航的熱點，進一步完善導(dǎo)航信號處理的基礎(chǔ)理論與方法，重點研究空間分離的導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)，力爭實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號的結(jié)構(gòu)從混合、正交到分離的重大突破，把衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的覆蓋范圍從室外拓展到室內(nèi)外一體化，打破半個世紀以來衛(wèi)星定位系統(tǒng)體制的框架，為未來更具挑戰(zhàn)性的定位導(dǎo)航授時需求提出新的服務(wù)模式。