北斗導(dǎo)航：搞定“最后一米”

陳冰

這室內(nèi)外的“最后一米”問題解決了，新手司機(jī)不再會開錯(cuò)車道，路盲不再會進(jìn)錯(cuò)店門。

全球定位系統(tǒng)GPS的定位能夠“精確”到幾米？對于民用GPS而言，最好的定位精度也不過3-5米。而我們的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)呢？不僅實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下單點(diǎn)定位精度優(yōu)于0.8米，動態(tài)RTK定位精度優(yōu)于5厘米，還可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位精度優(yōu)于1米的高超技術(shù)。這室內(nèi)外的“最后一米”問題解決了，新手司機(jī)不再會開錯(cuò)車道，路盲不再會進(jìn)錯(cuò)店門。

這項(xiàng)由上海交通大學(xué)領(lǐng)銜、8家產(chǎn)學(xué)研單位合作的“北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化”獲得2016年度上海市科技進(jìn)步獎唯一的特等獎。

突破“最后1米”

在我國遠(yuǎn)洋捕撈的漁船上，搭載著2萬多臺套北斗導(dǎo)航系統(tǒng)終端，每年服務(wù)3億人次以上。僅去年一年，就有上百名海上遇險(xiǎn)的漁民利用北斗導(dǎo)航的精確定位得到了救援。

在東北和新疆廣袤的農(nóng)場里，2000多套無人耕種機(jī)械，接收著來自北斗衛(wèi)星的定位信號，在大田里循著既定路線自助耕作，提高作業(yè)效率30%以上。

北斗智能公交系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了公交車輛的精確到站預(yù)報(bào)和智能化管理，平均到站時(shí)間預(yù)報(bào)誤差小于1分鐘，已部署于浦東3600多輛公交，每天惠及數(shù)百萬市民出行。

室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)庫已被高德、騰訊等公司采用，日訪問量達(dá)到千萬人次；同時(shí)北斗芯片也正成為華為等公司高端手機(jī)產(chǎn)品的“標(biāo)配”……

曾經(jīng)，我國95%的民用導(dǎo)航市場被美國主導(dǎo)的GPS全球定位系統(tǒng)所壟斷；如今，大部分市場份額已被我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)所取代。這場揚(yáng)我國威的導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)之戰(zhàn)背后，是上海交大郁文賢教授團(tuán)隊(duì)潛心30年的科研攻關(guān)。

衛(wèi)星導(dǎo)航是大國之重器，是國家安全的重要支撐，是當(dāng)今世界強(qiáng)國全球科技與產(chǎn)業(yè)競爭的戰(zhàn)略領(lǐng)域。為打破美國GPS壟斷，我國設(shè)立國家重大專項(xiàng)，郁文賢項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以此為依托在核心算法、基礎(chǔ)產(chǎn)品和特色應(yīng)用三個(gè)技術(shù)層面取得重要突破，直接催生和持續(xù)帶動了上海西虹橋北斗產(chǎn)業(yè)園的快速崛起，建立的北斗應(yīng)用系統(tǒng)在智能公交、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、海洋漁業(yè)等六個(gè)典型行業(yè)取得了廣泛應(yīng)用。

“上世紀(jì)80年代，我們還在設(shè)想衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)，導(dǎo)師就跟我說，美國的GPS已經(jīng)研發(fā)出來了；上世紀(jì)90年代，美國已將GPS技術(shù)用于導(dǎo)彈發(fā)射了，我們的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)才剛剛起步?！庇粑馁t說，關(guān)系國家戰(zhàn)略和核心競爭力的技術(shù)，困難再多、花再長的時(shí)間，也要爭取突破。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其產(chǎn)業(yè)是國家安全的重要支撐，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全球定位系統(tǒng)，既是國家戰(zhàn)略需求，也是大國核心競爭力的重要體現(xiàn)。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是否先進(jìn)，關(guān)鍵是誤差要小，信息處理的速度要快，而這主要取決于算法。長期以來，我國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)面臨的核心技術(shù)瓶頸就是缺少高精度、高穩(wěn)定、高可信的定位算法，因此我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一直卡在“最后1米”。要知道，誤差哪怕只有0.1米，定位的精確性也差很多。

于是，編制一套高精度衛(wèi)星定位的核心算法，成了郁文賢團(tuán)隊(duì)的“一號課題”。自打1993年從國防科技大學(xué)畢業(yè)，郁文賢就一直從事數(shù)據(jù)融合與目標(biāo)識別技術(shù)研究，他參與、領(lǐng)銜的科研課題和國家項(xiàng)目幾乎都與導(dǎo)航技術(shù)相關(guān)?！斑€記得研發(fā)北斗一號衛(wèi)星時(shí)，得專門制造一個(gè)超大的機(jī)柜來接受并處理衛(wèi)星信號，每次要花很長時(shí)間；而現(xiàn)在，處理萬級平方米的數(shù)據(jù)，1分鐘都用不了?！?/p>

郁文賢團(tuán)隊(duì)提出了基于載波相位的多模多頻單點(diǎn)定位、結(jié)合運(yùn)動情景感知的多源信號融合定位等算法，有效提升了高精度定位產(chǎn)品的應(yīng)用性能。

此外，團(tuán)隊(duì)還研制出面向軍用手持/車載終端的低功耗、高靈敏度、高集成度的高性能多模衛(wèi)星導(dǎo)航基帶芯片，實(shí)現(xiàn)軍用導(dǎo)航領(lǐng)域核“芯”產(chǎn)品國產(chǎn)化；高精度板卡實(shí)現(xiàn)核心部件國產(chǎn)化，性能位居國際前列……

郁文賢從北斗一號開始參與研制，現(xiàn)在已是第三代北斗衛(wèi)星了。就在不久前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師楊元喜透露，今年我國將發(fā)射6至8顆北斗三號衛(wèi)星。到2020年，我國將建成由40顆衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。

“這意味著，如果在路上開車，可以精確到你在哪一根車道；即使在室內(nèi)，通過多種傳感器技術(shù)的融合，也可知道你在哪個(gè)房間、坐在哪張桌子前?！眻F(tuán)隊(duì)成員、上海交大上海北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳新告訴記者，通過建立行業(yè)領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)化快速室內(nèi)地圖采集與建模工藝，建圖效率提高一倍?！皰叩貦C(jī)器人在室內(nèi)掃一遍就可以自主建圖，避開室內(nèi)的各種障礙物了?！?/p>

全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新

打贏導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的爭奪戰(zhàn)，單有先進(jìn)的算法不夠，還要有先進(jìn)的芯片制造業(yè)和完善的產(chǎn)業(yè)鏈才能實(shí)現(xiàn)。

通常，高校的特長是破解原理性問題，解決基礎(chǔ)研究到應(yīng)用型基礎(chǔ)研究中的技術(shù)難題，而要將技術(shù)實(shí)現(xiàn)，則需要產(chǎn)業(yè)來對接。當(dāng)郁文賢團(tuán)隊(duì)的高精度、高可靠性核心算法有所突破時(shí)，面臨的最大難題就是，要將這一算法用于星載芯片上。

為了驗(yàn)證郁文賢團(tuán)隊(duì)這一算法的可靠性，2009年，上海專門成立衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，由政府持續(xù)進(jìn)行投入，產(chǎn)學(xué)研由此成為一個(gè)有機(jī)整體。國家相關(guān)部委和上海市政府為課題組配套支持了“長三角衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用示范工程—上海智慧城市北斗綜合應(yīng)用示范工程”等重大科技專項(xiàng)。

“衛(wèi)星導(dǎo)航的競爭，說到底是導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的競爭?！庇粑馁t告訴記者，整個(gè)協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)中，除了交大，還有上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，以及微系統(tǒng)領(lǐng)域、芯片制造領(lǐng)域、導(dǎo)航領(lǐng)域等的7家企業(yè)。有了這樣的研發(fā)構(gòu)架，項(xiàng)目才能取得豐碩成果。與此同時(shí)，上海的芯片設(shè)計(jì)、制造和封裝行業(yè)在國內(nèi)一直處于領(lǐng)先水平，也使得團(tuán)隊(duì)的科研成果能夠最終走向產(chǎn)業(yè)化。

在解決了核心算法、基礎(chǔ)產(chǎn)品和特色應(yīng)用等“卡脖子”的技術(shù)難題之后，郁文賢說，項(xiàng)目在北斗導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，提升了上海在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的創(chuàng)新競爭力與國際影響力，推動上海北斗導(dǎo)航領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)集聚，為上海建設(shè)具有全球影響力的高精度導(dǎo)航位置服務(wù)技術(shù)創(chuàng)新中心和新興產(chǎn)業(yè)策源地奠定了重要基礎(chǔ)。

特別是近兩年來，通過實(shí)施長三角衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用示范工程，上海的北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)能級達(dá)到了一定高度，已建立重點(diǎn)車輛監(jiān)控、大眾位置服務(wù)、社區(qū)校正監(jiān)管、智能公交和航運(yùn)、高精度服務(wù)、WiFi室內(nèi)定位等六大系統(tǒng)，完成78275臺套北斗終端部署；建成了北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北斗產(chǎn)品檢測認(rèn)證中心、中國北斗產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新西虹橋基地三大產(chǎn)業(yè)支撐平臺。2016年10月10日，上海北斗導(dǎo)航創(chuàng)新研究院又宣布成立，集聚科技、投資、管理三方面專家，在為企業(yè)提供公共支撐環(huán)境的基礎(chǔ)上，開拓市場化業(yè)務(wù)，助力北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)能級提升。

未來市場：北斗化

北斗，過去是中國人夜空下的指路“明燈”；如今是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一。在上海，它已經(jīng)成為響當(dāng)當(dāng)?shù)目苿?chuàng)“明星”。

盡管我國北斗系統(tǒng)比美國GPS系統(tǒng)晚了約20年才起步，但在GPS占有95%民用市場的情況下，自主創(chuàng)新的“北斗”不借助外界輔助定位，就實(shí)現(xiàn)米級定位精度，其“生態(tài)系統(tǒng)”和全產(chǎn)業(yè)鏈正在加速滲透生產(chǎn)生活的方方面面。作為特等獎項(xiàng)目第一完成人，郁文賢教授自信地說，未來市場一定是北斗化，而非GPS化。

令郁文賢團(tuán)隊(duì)自豪的是，“兩彈一星”元勛科學(xué)院孫家棟院士以及沈榮駿、劉經(jīng)南、龔惠興等院士對項(xiàng)目成果給予高度評價(jià)：“在整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成了具有國際先進(jìn)水平的自主核心技術(shù)競爭力?！苯刂聊壳?，項(xiàng)目共申請中國專利69項(xiàng)，其中已授權(quán)發(fā)明專利27項(xiàng)，并申請國際專利2項(xiàng)，參與起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。項(xiàng)目成果整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)，在高可靠高精度定位算法、多模多頻CMOS射頻芯片設(shè)計(jì)、低成本室內(nèi)高精度快速制圖等方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

核心技術(shù)的突破，有力支撐了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。目前，上海西虹橋的北斗產(chǎn)業(yè)園內(nèi)已有100多家與導(dǎo)航相關(guān)的企業(yè)入駐，涵蓋上游技術(shù)研發(fā)企業(yè)和北斗系列產(chǎn)品用戶企業(yè)。

通過這一協(xié)同創(chuàng)新平臺，項(xiàng)目成果得到了廣泛應(yīng)用：基帶多模導(dǎo)航芯片軍用板卡采用率超過40%；國產(chǎn)高精度板卡市場占有率超過70%，并遠(yuǎn)銷海外70多個(gè)國家和地區(qū)；北斗車載終端已在宇通客車等國內(nèi)主流車廠采用，在國內(nèi)商用車前裝市場占有率達(dá)30%以上。

3年來，上海導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的增長率保持在30%以上，新增直接產(chǎn)值16.4億元，帶動間接產(chǎn)值約100億元。項(xiàng)目沿途還孵化出了4家新三板上市導(dǎo)航企業(yè)；3月21日，“華測導(dǎo)航”在深圳創(chuàng)業(yè)板上市，成為上海第一家上市的導(dǎo)航相關(guān)企業(yè)。

“未來，我們將探索北斗導(dǎo)航與遙感、GIS（地理信息系統(tǒng)）、大數(shù)據(jù)等多類技術(shù)的深度融合，發(fā)展我國欠缺的智能導(dǎo)航飛控、智能感知等無人機(jī)核心技術(shù)?！庇粑馁t說。