原创《逐梦北斗星记清华大学电子工程系副教授姚铮》
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2018年2月1日,清华大学电子工程系副教授姚铮被美国导航学会授予2017年“早期成就奖”,以表彰他在卫星导航信号设计和多路复用方面取得的开创性贡献以及对中国北斗卫星导航系统信号设计的重要推动作用.
早期成就奖是美国导航学会针对35岁以下青年学者在国际导航领域设立的最高奖,每年在全球范围内评选出一名对世界导航科学和技术作出重要贡献的青年学者作为获奖人.该奖于1997年设立,至今共有22位获奖者,而姚铮是获得该奖的首位中国学者,也是获此殊荣的首位亚洲学者.
从事卫星导航信号处理的基础理论与关键技术研究多年,姚铮一直在保持着不忘初心的精神,在这一领域坚定笃行着.与他的会面,更让记者感受到了这位青年学者身上所散发的谦虚与睿智.走近姚铮,走进他在中国北斗卫星导航系统信号设计中的经历与故事,一位中国科研人的使命感与责任感尽现眼前.
无问西东筑梦北斗
“在迷茫时,坚信你的珍贵,爱
你所爱,行你所行,听从你心,无问西东”,电影《无问西东》里的这句话展现了一代代清华人传承的那种笃定与坚持.而这种坚定的精神在姚铮身上得到了充分的体现.
时间回溯到17年前.2001年9月,姚铮顺利被清华大学电子工程系电子信息工程专业录取,正式成为了一名清华学子,并在这里开始了自己的逐梦之旅.2004年,他凭借优异的成绩,获得了继续在清华电子工程系免试直接攻读博士的资格.那一年,姚铮第一次接触到了卫星导航这一领域,而这第一次的接触,就结下了他后面10多年里与卫星导航的不解之缘.
彼时,我国的北斗一号卫星导航系统建设刚刚完成,北斗二号卫星导航系统正在规划建设中.在北斗系统建设过程中,大量的科研问题亟待解决,作为一名青年学子,姚铮认为自己有责任为北斗系统的建设做些什么.在攻读博士期间,他就参与了多项这方面的技术攻关课题,并在此之中积累了丰富的经验.凭借着对科研的浓厚兴趣与持之以恒的精神,姚铮只用了4年多就提前读完了直博,并获得了“清华大学优秀博士毕业生”称号,博士论文被评为清华大学优秀博士学位论文.
2010年,姚铮开始在清华大学电子工程系任教.也正是在这一年,国家启动了北斗三号卫星导航系统的信号设计任务,姚铮有幸加入到北斗三号的信号设计团队之中.“我在读博士期间的研究重点是卫星导航信号的接收处理方法.而信号设计则是信号接收处理的一个反问题.信号接收时考虑的问题是针对现有的信号体制,如何把其潜能最大程度发挥出来.但信号设计考虑的问题则是如何赋予一个信号最大的性能潜力.”姚铮说,“与信号接收处理方法研究相比,这个问题变得更加开放,但挑战也更多.”幸运的是,之前在导航信号接收处理方面多年的研究经验给他从事信号设计的研究打下了坚实的基础.
无惧挑战笃行致研
卫星导航系统的构成极其庞大而复杂.在姚铮的介绍下,记者了解到：天上若干颗卫星所构成的导航星座和地面的测控站以及大量的用户接收设备组成了整个卫星导航系统,而卫星播发的信号是系统和用户之间唯一的接口.人们在使用手机或者导航仪进行定位的时候,对这个系统的直接感受就是信号好不好用.所以如果信号在体制上存在缺陷,即使系统其他环节的设计再完美,整个系统的关键性能仍然存在难以弥补的不足,很可能会影响整个系统产业化的发展.因此把导航信号称为整个卫星导航系统的核心和灵魂是毫不过分的.
北斗三号卫星导航系统的信号设计,无论是从学术角度还是工程角度上,都面临着特别严峻的要求.随着导航应用领域的不断扩展、服务需求的不断细化,北斗三号系统要播发的信号数量多,信号结构复杂,而且为了兼顾与北斗二号系统之间的平稳过渡,星上多信号分量的复用难度大,国际上并无先例.信号设计还必须同时兼顾可用频带资源的限制、卫星载荷的复杂度和功耗的限制、测距精度和抗干扰能力的要求、接收复杂度的限制、系统之间互操作的要求,以及后向兼容等需求.需要同时满足这么多设计约束,就像“带着镣铐跳舞”,无论是设计难度还是实现难度都很大,其中一些设计需求甚至是以设计之初的技术水平难以满足的.
“以北斗三号系统为代表的新一代GNSS,技术上面临的主要困境有两重.”姚铮说,一是频谱效率与测距精度的矛盾,二是功率效率与服务多样性的矛盾.进入北斗三号的信号设计团队后,他就围绕这两大难题展开了工作.他发现,如果沿袭传统的研究思路,单纯依靠增加信号带宽和增加信号数量来提升测距精度和满足服务多样化需求,势必会陷入到“频谱效率与测距精度不可兼得”“功率效率与服务多样性不可兼得”的双重矛盾之中.只有跳出思维定式,寻找带宽、功率双重约束条件下新的解决思路和解决方法,才是新一代GNSS信号设计的最佳出路.
“我做科研不喜欢追随,更喜欢去挑战一些看似不可能完成的问题.”姚铮说,“但也不是单纯为了挑战而挑战.科研方向的选择,既要站到国际最前沿,更重要的是又得能够服务国家重大需求.”
坚守着这种做“顶天立地”的科研的态度,姚铮提出了多载波恒包络复合导航信号的概念,并在此基础上创新性地提出了两种具体的卫星导航信号结构：正交复用二进制偏移载波信号和非对称恒包络二进制偏移载波信号,解决了导航信号设计在测距性能提升与功率带宽受限之间的矛盾,而且有效规避了欧美在卫星导航信号体制上的专利封锁.由于性能优异且具有自主知识产权,上述信号均已被北斗三号卫星导航系统采用,正式部署在北斗三号组网卫星上向全球播发.这些信号还被列为北斗卫星导航系统的核心技术之一,并以接口控制文件形式在举行的新闻发布会上向全世界公开发布.相关的3项国际专利也均被列为北斗卫星导航系统核心专利.
2016年,姚铮基于自主提出的多频多分量恒包络复用设计技术,又为北斗三号卫星设计了星上多信号分量复用方案,解决了双频多分量复用、单边带调制复用、复波形信号的复用等难题.经星地对接测试,该方案性能优异,目前已实施在北斗三号组网卫星上.
创新应用掷地有声
在姚铮看来,科学研究不应该被束之高阁,它应该是掷地有声的,能够真正为国家及社会的发展做出贡献.而这也是姚铮在研究中一直在践行的准则.
除了在卫星导航信号设计和多路复用方面的贡献以外,姚铮在GNSS先进接收机技术以及区域无线电定位导航技术等方面也取得了令人瞩目的成就.
基于一系列创新性的信号处理算法和对处理复杂度的优化,2013年在他的带领下,基于普通的消费电子级PC机和显卡,团队研制成功了国际上第一个可同时实时接收处理所有卫星导航系统全部民用信号的实时软件接收机STARx,并利用该接收机在中国境内首次实现Galileo系统三维定位,获得欧洲空间局（ESA）颁布的证书.
到目前为止,STARx接收机仍然是可实时接收处理民用信号种类最多的软件接收机,代表着国际上实时软件接收机技术的先进水平,并在国内外学术界、工业界产生了很大影响.该成果在后续的北斗信号体制验证中发挥了重要作用,支撑了多个科研机构的研究项目,并已成功地应用于包括新一代北斗信号的设计与验证、新一代多系统互用接收机的设计与仿真、信号和信息处理算法的开发与验证、主要技术指标的测试等方面.近年来,北斗重大专项的多项关键技术攻关课题的研究在该平台上开展,取得了很好的效果.
在陆基无线电导航系统关键技术研究方面,姚铮提出的地基导航系统信号体制解决了北斗地基导航系统的远近效应问题,并突破了跳时直接扩频信号高精度相位锁定、收发一体导航基站的快速组网及时间同步等多项核心关键技术.基于该信号体制,他带领团队研制开发了北斗地基导航系统基站原理样机,并开展了有线测试和小规模外场测试,测距精度和组网精度指标均达到国际领先水平.2017年,该成果参加了第三届军民融合发展高技术装备成果展,得到军委装备发展部领导的好评.
奋斗前行孜孜不倦
“在他人看来,从事科研工作难免会感觉枯燥.但是作为一名科研人员,对自己的研究领域理解越深,就越能体会到其中工作的乐趣.”姚铮说,“特别是在参与到国家级的科研项目中的时候,身上就有一种责任感,可能这项工作看起来很难,但通过不断探索与开拓,将这些难题解决后,心中的成就感是不可言喻的.”
如今,北斗三号卫星导航系统的信号设计已经基本完成.姚铮的下一步研究将继续聚焦在卫星导航信号设计与信号处理上,特别是针对商业航天的热潮和低轨道小卫星导航的热点,进一步完善导航信号处理的基础理论与方法,重点研究空间分离的导航信号结构,力争实现卫星导航信号的结构从混合、正交到分离的重大突破,把卫星导航服务的覆盖范围从室外拓展到室内外一体化,打破半个世纪以来卫星定位系统体制的框架,为未来更具挑战性的定位导航授时需求提出新的服务模式.“到底5年或10年以后,人们需要怎样的导航系统,其中会产生怎样的技术问题”,姚铮与其所在团队的成员们一直在探索着.
科学研究永不停歇,“北斗星”的梦,引领着姚铮
的科研历程,激发着他的科研热情.如今,这个梦还在延续着……
专家简介：
姚铮,清华大学电子工程系副教授、博士生导师.本科就读于清华大学电子工程系获电子信息工程专业学士学位.2010年获得清华大学电子工程系信息与通信工程专业博士学位.从事科研多年来,他围绕卫星导航信号处理的基础理论与关键技术开展研究,关注的主要科学问题是：以无线电信号为载体,在发射功率受限、频率资源受限、传输环境恶劣、使用环境复杂的条件下,完成对时间信息的可靠传输与精确测量,从而实现高性能的定位、导航和授时服务.研究重点是新一代卫星导航系统的信号设计以及复杂环境下新型导航信号的高性能接收.目前已根据科研成果发表学术论文68篇,其中SCI收录24篇,出版学术专著2部,其中一部入选“十二五”国家重点图书出版规划项目.作为第一发明人拥有3项卫星导航相关的国际发明专利（已在美国、俄罗斯、韩国、日本、澳大利亚、新西兰、南非等国获得授权）和十余项中国发明专利.2018年2月1日,被美国导航学会授予2017年“早期成就奖”.
电子工程系论文参考资料：
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