作者:彭科峰 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/3/30 11:24:20
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“羲和”无线网络定位与通信亮剑“一带一路”远洋工程建设的定盘星

邓中亮


挑战

 

我国海洋面积近300万平方公里,约为陆地面积的三分之一,尤其是我国南海被称为全球第十七条海上战略通道,货运通量占全球50%以上。

但长期以来,由于我国远海作业与维护能力的瓶颈,海域被分割、岛礁被占领、资源被掠夺的情况十分严重。多年来我国有多个岛礁被国外占领,严重威胁我国领土安全。因此,如何对南海诸多远海域的精准定位导航,并实现对远海船只的实时通信,是一个非常重要的科学问题。

在2018年1月举办的国家科学技术奖励大会上,来自北京邮电大学的邓中亮教授团队联合上海华测导航技术股份有限公司(股票代码:300627)、上海达华测绘有限公司、北京华力创通科技股份有限公司、厦门雅迅网络股份有限公司等单位对这一重大挑战给出了满意的答案。他们攻克了“远海域定位导航与通信融合关键技术 ”,荣获2017年国家技术发明奖二等奖。

来自远海域的挑战

海洋有多重要?

2007年,美国首次制定海洋研究优先计划。2010年,美国制定了该国历史上第一个国家海洋政策。2014年,欧盟宣布启动海洋能源行动计划,统筹欧盟海洋能源的研发创新资源,推进海洋能源利用技术的发展。可以说,海洋已经成为新时代国际竞争的焦点。

2013年,我国开始实施科技兴海计划,加强对海洋资源开发的布局。但令人遗憾的是,由于种种原因,作为我国领海的南海被周边国家肆意非法占用和开发。南海有五十多个岛礁,其中四十多个已被越南、菲律宾等周边国家占领,严重威胁我国领土安全。

“有数据显示,越南的GDP有超过60%来自在我国南海领域的油气资源开发”,邓中亮告诉《中国科学报》记者。

同时,每年海上发生多起灾难性事件,因缺乏有效的探测手段,海上救援十分困难,每年都造成了巨大的经济损失。据我国海洋局统计,我国海洋灾害直接经济损失占我国自然灾害的第一位,每年因海上灾难死亡人数达数百人。

邓中亮指出,长期以来受制于我国远海精确定位导航与通信技术瓶颈,导致远海船舶工程作业、智能管理和安全保障存在诸多难题,严重掣肘了远海的维权与开发。在远海作业、货物海洋运输方面,我国目前尚缺少有效的位置监控平台,货运过程,尤其是危险物品运输过程存在严重安全隐患。

“在陆地,我们可以通过天上的导航卫星和地面的大量基准站来实现分米级、厘米级的精准定位,但在远海域就做不到。因为高温高湿高反射的海面,对于信号传输干扰大,光靠天上的卫星不能实现分米级定位,而且海上也没有足够的地方来建设增强信号的基准站”,邓中亮说。

邓中亮表示,远海的精确定位导航与实时通信已成为实施远海战略、远海作业与资源开发、应急救援及运输监管等重要瓶颈。近年来,我国积极推进南海岛礁建设,这对远海域的精准定位提出了更急迫的挑战。对于这样的工程建设而言,定位精度必须是分米级乃至厘米级的。定位偏差超过一米,就会给工程建设造成巨大灾难。

突破性的技术

在过去,我国早期船舶的定位导航受制于美国的GPS,缺乏独立自主能力,时常被干扰;同时远海域信息传输只能依托国外的卫星通信系统,缺乏安全保障。

“可以说,要有效维护我国在南海海域的合法权益,需要解决两个关键问题。第一是如何实现自主、精准的远海域定位,第二是如何实现实时、准确的应急通讯。可以说,一开始我们的研究条件非常艰苦,在国际上也没有可借鉴的前例”,邓中亮说。

要实现自主的精准定位,就必须依靠我国自主建设的北斗导航系统。“十二五”我国北斗卫星导航系统对亚太地区开放服务,成为全球第三大导航系统,与GPS、GLONASS、Galileo以及各国SBAS系统构成了庞大的GNSS星座。如何充分利用北斗及GPS等全球卫星导航系统资源,为我国远海作业与智能化交通运输提供智能化精确导航与通信,这是邓中亮团队一开始就在思考的问题。

故此,基于我国自有的北斗卫星导航与通信资源,邓中亮团队深入开展多模高精度定位、智能指挥、精细化作业等系列关键技术研究,形成了具有自主知识产权的高精度、高可靠、高效率的远海位置服务作业平台,成功打破国外垄断。

在应急通讯方面,邓中亮及其合作团队则充分利用了北斗独有的短报文系统。短报文系统是我国卫星导航系统的重要创新,具有高度保密性和可靠性,能够覆盖远海作业区域。但需提升现有系统信息传输控制能力才能满足远海岛礁施工工程船舶船位、航速、航向等施工重要信息的实时传输。

最终,经过一系列攻关,邓中亮团队利用北斗短报文功能进行了创新性的理论和技术突破,实现短报文集群带宽增容,能够将远海作业信息实时回传。

“同时,我们创新提出了跨星座协同精准定位技术与方法”,邓中亮介绍,多频多系统互操作可有效克服单系统存在的问题,成为国内外的热点研究方向。他们的这套技术,可以在南海海域同时利用北斗、伽利略、GPS等多个不同系统的卫星定位,实现信号的兼容,“对于远海域定位导航,与单星座相比,跨星座的优势更大”。

经过院士专家的评测,邓中亮团队的“远海域定位导航与通信融合关键技术 ”,其定位速度超过其他国家的近百分之四十,定位精度超百分之三十。团队研发的高精度北斗/GNSS接收机板卡技术先进,创新性强,实用价值高,总体性能指标达到国内外同类产品的领先水平。

逐步铺开的应用推广

邓中亮介绍,目前,他们也积极进行了产业化应用,结合北斗/GNSS卫星导航系统,突破船载、车载卫星导航与智能多媒体一体化技术,开发了具有高性能、高性价比、易于推广的船载、车载安全监控终端。这些终端产品已经被超两百艘大型船舶已经安装使用。其产生的经济效益,早已超过百亿。

同时,围绕该技术,邓中亮及合作团队还起草制定了十多项相关标准,其中3项国际标准。值得一提的是,他们还实现了中国在远海作业国际标准零的突破,意义重大。

邓中亮团队的突破,也来自他们常年在“星地一体”室内外高精度定位技术研发方面的积累和创新。

历经十多年潜心攻关,邓中亮团队研发了世界上首个“羲和”室内高精度位置服务平台,攻克了通信网建筑内“反散射”传播的三维“米级”定位国际难题,提出了共频带通信网增强、反散射聚合三维定位理论方法与架构,实现了广域定位室内外精度1~3米,比国外公开精度高5~10倍。邓中亮也以第一完成人获得国家科技进步二等奖2项、省部级科技奖11项。2016年,他还获得了国内工程界的重要奖项“光华工程科技进步奖”。

目前,“羲和”室内高精度位置服务平台的成功研发和广泛推广,率先解决了北斗卫星导航系统的‘最后一公里’瓶颈,为国家“一带一路”、城镇化、“互联网+”发展战略,以及军事斗争准备提供现代室内感知位置基础。预计到2020年,“羲和”系统将打造上千亿元的产业链,从而牵动上万亿的经济发展动力。

“于我而言,重点着眼于国家重大战略需求,着眼于原始创新,对于技术推广和产业化应用,我交给合作伙伴去做”,邓中亮最后表示。(彭科峰)

 
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