逐夢“北斗星”

徐芳芳

2018年2月1日，清華大學(xué)電子工程系副教授姚錚被美國導(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。

早期成就獎是美國導(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，每年在全球范圍內(nèi)評選出一名對世界導(dǎo)航科學(xué)和技術(shù)作出重要貢獻的青年學(xué)者作為獲獎人。該獎于1997年設(shè)立，至今共有22位獲獎?wù)?，而姚錚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。

從事衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究多年，姚錚一直在保持著不忘初心的精神，在這一領(lǐng)域堅定篤行著。與他的會面，更讓記者感受到了這位青年學(xué)者身上所散發(fā)的謙虛與睿智。走近姚錚，走進他在中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號設(shè)計中的經(jīng)歷與故事，一位中國科研人的使命感與責(zé)任感盡現(xiàn)眼前。

無問西東 筑夢北斗

“在迷茫時，堅信你的珍貴，愛你所愛，行你所行，聽從你心，無問西東”，電影《無問西東》里的這句話展現(xiàn)了一代代清華人傳承的那種篤定與堅持。而這種堅定的精神在姚錚身上得到了充分的體現(xiàn)。

時間回溯到17年前。2001年9月，姚錚順利被清華大學(xué)電子工程系電子信息工程專業(yè)錄取，正式成為了一名清華學(xué)子，并在這里開始了自己的逐夢之旅。2004年，他憑借優(yōu)異的成績，獲得了繼續(xù)在清華電子工程系免試直接攻讀博士的資格。那一年，姚錚第一次接觸到了衛(wèi)星導(dǎo)航這一領(lǐng)域，而這第一次的接觸，就結(jié)下了他后面10多年里與衛(wèi)星導(dǎo)航的不解之緣。

彼時，我國的北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)剛剛完成，北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在規(guī)劃建設(shè)中。在北斗系統(tǒng)建設(shè)過程中，大量的科研問題亟待解決，作為一名青年學(xué)子，姚錚認為自己有責(zé)任為北斗系統(tǒng)的建設(shè)做些什么。在攻讀博士期間，他就參與了多項這方面的技術(shù)攻關(guān)課題，并在此之中積累了豐富的經(jīng)驗。憑借著對科研的濃厚興趣與持之以恒的精神，姚錚只用了4年多就提前讀完了直博，并獲得了“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。也正是在這一年，國家啟動了北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號設(shè)計任務(wù)，姚錚有幸加入到北斗三號的信號設(shè)計團隊之中?！拔以谧x博士期間的研究重點是衛(wèi)星導(dǎo)航信號的接收處理方法。而信號設(shè)計則是信號接收處理的一個反問題。信號接收時考慮的問題是針對現(xiàn)有的信號體制，如何把其潛能最大程度發(fā)揮出來。但信號設(shè)計考慮的問題則是如何賦予一個信號最大的性能潛力?！币﹀P說，“與信號接收處理方法研究相比，這個問題變得更加開放，但挑戰(zhàn)也更多?！毙疫\的是，之前在導(dǎo)航信號接收處理方面多年的研究經(jīng)驗給他從事信號設(shè)計的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

無懼挑戰(zhàn) 篤行致研

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成極其龐大而復(fù)雜。在姚錚的介紹下，記者了解到：天上若干顆衛(wèi)星所構(gòu)成的導(dǎo)航星座和地面的測控站以及大量的用戶接收設(shè)備組成了整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，而衛(wèi)星播發(fā)的信號是系統(tǒng)和用戶之間唯一的接口。人們在使用手機或者導(dǎo)航儀進行定位的時候，對這個系統(tǒng)的直接感受就是信號好不好用。所以如果信號在體制上存在缺陷，即使系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的設(shè)計再完美，整個系統(tǒng)的關(guān)鍵性能仍然存在難以彌補的不足，很可能會影響整個系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。因此把導(dǎo)航信號稱為整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心和靈魂是毫不過分的。

北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號設(shè)計，無論是從學(xué)術(shù)角度還是工程角度上，都面臨著特別嚴峻的要求。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，北斗三號系統(tǒng)要播發(fā)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)計需求甚至是以設(shè)計之初的技術(shù)水平難以滿足的。

“以北斗三號系統(tǒng)為代表的新一代GNSS，技術(shù)上面臨的主要困境有兩重。”姚錚說，一是頻譜效率與測距精度的矛盾，二是功率效率與服務(wù)多樣性的矛盾。進入北斗三號的信號設(shè)計團隊后，他就圍繞這兩大難題展開了工作。他發(fā)現(xiàn)，如果沿襲傳統(tǒng)的研究思路，單純依靠增加信號帶寬和增加信號數(shù)量來提升測距精度和滿足服務(wù)多樣化需求，勢必會陷入到“頻譜效率與測距精度不可兼得”“功率效率與服務(wù)多樣性不可兼得”的雙重矛盾之中。只有跳出思維定式，尋找?guī)?、功率雙重約束條件下新的解決思路和解決方法，才是新一代GNss信號設(shè)計的最佳出路。

“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?！币﹀P說，“但也不是單純?yōu)榱颂魬?zhàn)而挑戰(zhàn)?？蒲蟹较虻倪x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>

堅守著這種做“頂天立地”的科研的態(tài)度，姚錚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)上創(chuàng)新性地提出了兩種具體的衛(wèi)星導(dǎo)航信號結(jié)構(gòu)：正交復(fù)用二進制偏移載波信號和非對稱恒包絡(luò)二進制偏移載波信號，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。由于性能優(yōu)異且具有自主知識產(chǎn)權(quán)，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。

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。

創(chuàng)新應(yīng)用 擲地有聲

在姚錚看來，科學(xué)研究不應(yīng)該被束之高閣，它應(yīng)該是擲地有聲的，能夠真正為國家及社會的發(fā)展做出貢獻。而這也是姚錚在研究中一直在踐行的準則。

除了在衛(wèi)星導(dǎo)航信號設(shè)計和多路復(fù)用方面的貢獻以外，姚錚在GNSS先進接收機技術(shù)以及區(qū)域無線電定位導(dǎo)航技術(shù)等方面也取得了令人矚目的成就。

基于一系列創(chuàng)新性的信號處理算法和對處理復(fù)雜度的優(yōu)化，2013年在他的帶領(lǐng)下，基于普通的消費電子級PC機和顯卡，團隊研制成功了國際上第一個可同時實時接收處理所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部民用信號的實時軟件接收機STARx，并利用該接收機在中國境內(nèi)首次實現(xiàn)Galileo系統(tǒng)三維定位，獲得歐洲空間局（ESA）頒布的證書。

到目前為止，STAR×接收機仍然是可實時接收處理民用信號種類最多的軟件接收機，代表著國際上實時軟件接收機技術(shù)的先進水平，并在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界產(chǎn)生了很大影響。該成果在后續(xù)的北斗信號體制驗證中發(fā)揮了重要作用，支撐了多個科研機構(gòu)的研究項目，并已成功地應(yīng)用于包括新一代北斗信號的設(shè)計與驗證、新一代多系統(tǒng)互用接收機的設(shè)計與仿真、信號和信息處理算法的開發(fā)與驗證、主要技術(shù)指標的測試等方面。近年來，北斗重大專項的多項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題的研究在該平臺上開展，取得了很好的效果。

在陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究方面，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)。基于該信號體制，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。

奮斗前行 孜孜不倦

“在他人看來，從事科研工作難免會感覺枯燥。但是作為一名科研人員，對自己的研究領(lǐng)域理解越深，就越能體會到其中工作的樂趣?！币﹀P說，“特別是在參與到國家級的科研項目中的時候，身上就有一種責(zé)任感，可能這項工作看起來很難，但通過不斷探索與開拓，將這些難題解決后，心中的成就感是不可言喻的?！?/p>

如今，北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號設(shè)計已經(jīng)基本完成。姚錚的下一步研究將繼續(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?！暗降?年或10年以后，人們需要怎樣的導(dǎo)航系統(tǒng)，其中會產(chǎn)生怎樣的技術(shù)問題”，姚錚與其所在團隊的成員們一直在探索著。

科學(xué)研究永不停歇，“北斗星”的夢，引領(lǐng)著姚錚的科研歷程，激發(fā)著他的科研熱情。如今，這個夢還在延續(xù)著……

專家簡介：

姚錚，清華大學(xué)電子工程系副教授、博士生導(dǎo)師。本科就讀于清華大學(xué)電子工程系獲電子信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位。2010年獲得清華大學(xué)電子工程系信息與通信工程專業(yè)博士學(xué)位。從事科研多年來，他圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)開展研究，關(guān)注的主要科學(xué)問題是：以無線電信號為載體，在發(fā)射功率受限、頻率資源受限、傳輸環(huán)境惡劣、使用環(huán)境復(fù)雜的條件下，完成對時間信息的可靠傳輸與精確測量，從而實現(xiàn)高性能的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。研究重點是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號設(shè)計以及復(fù)雜環(huán)境下新型導(dǎo)航信號的高性能接收。目前已根據(jù)科研成果發(fā)表學(xué)術(shù)論文68篇，其中SCI收錄24篇，出版學(xué)術(shù)專著2部，其中一部入選“十二五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目。作為第一發(fā)明人擁有5項衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的國際發(fā)明專利（已在美國、俄羅斯、韓國、日本、澳大利亞、新西蘭、南非等國獲得授權(quán)）和十余項中國發(fā)明專利。2018年2月1日，被美國導(dǎo)航學(xué)會授予2017年“早期成就獎”。