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中國工程院院士劉經(jīng)南矢志鉆研衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)難題——讓北斗點亮美好生活

時間：2025-05-23 11:04:22 新華網(wǎng) 68

人物小傳

劉經(jīng)南，1943年7月生，中國工程院院士，武漢大學教授、博士生導師，國家衛(wèi)星定位系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任。長期從事大地測量理論及應(yīng)用研究與教學工作，在大地測量坐標系理論、北斗衛(wèi)星導航定位技術(shù)、軟件開發(fā)和重大工程應(yīng)用方面做出了一系列開創(chuàng)性工作，曾獲7項國家科技進步獎、30余項省部級獎勵，以及“全國先進科技工作者”榮譽稱號。

無人駕駛車輛在復(fù)雜路況下平穩(wěn)行駛，智慧農(nóng)機在田間地頭自動耕作，重大工程建設(shè)實現(xiàn)遠程監(jiān)測和精準管控……日常生產(chǎn)生活中，人們常常能感受到衛(wèi)星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的重要作用。

5月18日，中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會發(fā)布《2025中國衛(wèi)星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，白皮書顯示，2024年，我國衛(wèi)星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達5758億元，約2.88億部智能手機支持北斗定位功能，電子導航地圖的北斗定位服務(wù)日均調(diào)用量高達6000億次，北斗高精度車道級導航已基本實現(xiàn)了全國城鄉(xiāng)道路全覆蓋。

“我們可以自信地說，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是目前全球精度最高、功能最多的衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一。”中國工程院院士、武漢大學教授劉經(jīng)南是參與三代北斗系統(tǒng)研制建設(shè)的專家，也是我國衛(wèi)星導航定位工程應(yīng)用領(lǐng)域的開拓者之一。他致力于大地測量坐標系理論及全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)應(yīng)用的研究，攻克多個關(guān)鍵性難題，不斷提升北斗系統(tǒng)服務(wù)水平，助力創(chuàng)造美好生活。

從地面到太空

用衛(wèi)星定位技術(shù)解決實際問題

解決好坐標轉(zhuǎn)換問題，是衛(wèi)星導航系統(tǒng)研究中的重要基礎(chǔ)，也是劉經(jīng)南幾十年科研生涯中印象深刻的一個突破口。

從上世紀70年代開始，隨著一些國家建立了自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，衛(wèi)星測量基準的地心坐標系與傳統(tǒng)地面大地坐標系如何轉(zhuǎn)換，逐漸成為當時國際前沿的研究方向。1979年，考取武漢測繪學院（武漢大學測繪學院前身）研究生的劉經(jīng)南，便投入相關(guān)研究。

坐標轉(zhuǎn)換，意味著讓衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)更方便地被人們利用，能解決更多生產(chǎn)生活中的實際難題。“當時國際上一些科學家分別提出了有關(guān)兩大坐標轉(zhuǎn)換的3個模型，但究竟誰優(yōu)誰劣爭論不休。”劉經(jīng)南說，讀研期間，他針對這一問題展開研究。他一遍遍推演，最入迷的時候，“連夢中都會出現(xiàn)數(shù)據(jù)和公式”。終于，他首次證明了3個模型的等價性，一定程度上為GNSS的應(yīng)用發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)……

善于鉆研，是劉經(jīng)南最大的特點。他本科在武漢測繪學院學習天文大地測量專業(yè)，攻讀研究生之前，曾在物探隊工作過11年，常常要背著沉重的測量儀器，行走在深山老林中，進行野外測繪作業(yè)。夏天與蟲蛇做伴、冬天承受冰冷嚴寒。那時候他就想：如何能通過現(xiàn)代化技術(shù)手段，讓測繪工作不再那么辛苦呢？

這段經(jīng)歷，幫劉經(jīng)南找到了隨后幾十年的研究方向。幾經(jīng)波折，1986年，他回到母校任教后，正式開始了衛(wèi)星大地測量與全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的相關(guān)研究。

上世紀80年代，國家部署探測西部油氣資源，劉經(jīng)南來到柴達木、塔里木和準噶爾三大盆地，協(xié)助石油部門處理衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。“那時我們國家坐標系在沙漠地區(qū)的高程并不精確，誤差可能達到幾米。”劉經(jīng)南說，在油氣勘探中，誤差每多1米，鉆井成本就可能增加百萬元以上。經(jīng)過計算，他創(chuàng)造性地提出一個數(shù)學模型，用衛(wèi)星定位的方式，提出一整套GPS三維地心坐標向量至高斯二維坐標的轉(zhuǎn)換理論，使在塔里木沙漠地區(qū)的衛(wèi)星定位高程精度達到優(yōu)于1米的水平。

高精度開展島礁測量，實時監(jiān)測水庫蓄水情況……劉經(jīng)南積極推動科研成果對接社會需求，將全球衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用到多個領(lǐng)域，力求解決各類實際問題。

從跟跑到領(lǐng)跑

提升北斗系統(tǒng)高精度定位服務(wù)能力

在北斗系統(tǒng)建立之前，我國的衛(wèi)星導航增強服務(wù)系統(tǒng)長期依賴美國的GPS。“它們提供的服務(wù)精度不算太高。”劉經(jīng)南說，比如行駛在武漢沿江大道上的汽車，利用GPS定位觀察，會發(fā)現(xiàn)位置有時在長江里，有時在屋頂上，有時誤差近百米。

為了解決這個問題，劉經(jīng)南提出適合當時中國技術(shù)水平的分布式廣域差分技術(shù)的思路，對GPS觀測量的誤差源加以區(qū)分和“模型化”，然后將計算出來的誤差修正值數(shù)據(jù)根據(jù)其隨時間變化的快慢差別，分別通過三類通信鏈傳輸給用戶，滿足用戶定位中的誤差修正需求，以改善其GPS定位精度。“我們按照新思路開展實驗，近3000千米的差分距離，都能實現(xiàn)3—5米的實時定位精度。”劉經(jīng)南說。

但真正避免技術(shù)受制于人，還是要擁有自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

1994年，北斗一號工程正式立項，此后，劉經(jīng)南帶領(lǐng)團隊攻克了北斗系統(tǒng)多項難題，實現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)從跟跑到領(lǐng)跑的跨越。作為最早一批參與北斗方案設(shè)計的專家，他提出基于北斗一號的雙向通信功能，中國應(yīng)建立自主可控的廣域GPS差分增強試用系統(tǒng)。專家組接受了這個建議，在北斗一號就實現(xiàn)了廣域GPS差分功能，并一直改進延續(xù)到北斗三號全球系統(tǒng)。

2012年，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式為亞太地區(qū)提供服務(wù)。劉經(jīng)南團隊提出建設(shè)國家地基增強系統(tǒng)的創(chuàng)新方案，并在湖北建立了示范項目。

“北斗地基增強系統(tǒng)湖北示范項目采用了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的軟硬件產(chǎn)品，建成30個北斗連續(xù)運行基準站及相應(yīng)的控制和服務(wù)系統(tǒng)，可通過地面基準站網(wǎng)的增強，實現(xiàn)北斗系統(tǒng)高精度導航定位服務(wù)。”劉經(jīng)南說，項目取得成功后很快在全國推廣，建成了覆蓋全國的廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)，形成了全國范圍分米級、重點區(qū)域厘米級的定位服務(wù)能力，打破了國外在高精度衛(wèi)星定位領(lǐng)域的壟斷地位。

從科研到產(chǎn)業(yè)

探索北斗與新技術(shù)融合的新業(yè)態(tài)

武漢光谷北斗大廈，武漢夢芯科技有限公司的實驗室內(nèi)，技術(shù)人員將16個不同生產(chǎn)批次的單北斗定位模塊放進試驗箱，設(shè)置一定的溫度，記錄該模塊在零下40攝氏度到零上80攝氏度溫度范圍內(nèi)的定位精度、定位時間等，測試其性能的一致性。

成立于2014年的夢芯科技，是一家專業(yè)從事北斗高精度定位芯片設(shè)計和精準位置服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，由劉經(jīng)南擔任首席科學家。“在劉院士團隊的支持下，我們研發(fā)出國內(nèi)首顆40納米量產(chǎn)的北斗導航定位芯片，實現(xiàn)厘米級定位精度。”夢芯科技首席技術(shù)官王奇君介紹，公司研制的三代北斗芯片、模塊等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于智能駕駛、智慧城市、共享出行等領(lǐng)域。

“北斗系統(tǒng)作為提供時空基準的基礎(chǔ)設(shè)施，具有天然的融合屬性。當前，北斗正與5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)加速融合，將催生越來越多的新業(yè)態(tài)。”劉經(jīng)南說。夢芯科技所在的北斗大廈，已經(jīng)聚集了10多家北斗相關(guān)企業(yè)，形成了從研發(fā)、生產(chǎn)到運營服務(wù)的全產(chǎn)業(yè)鏈。

“科技發(fā)展需要一代代人接續(xù)努力，我們要為年輕人提供更優(yōu)質(zhì)的學習條件和更廣闊的發(fā)展空間。”劉經(jīng)南一手抓科研創(chuàng)新，一手抓人才培養(yǎng)。擔任武漢大學校長期間，他就積極營造跨學科教學氛圍，倡導與社會服務(wù)結(jié)合的培養(yǎng)模式。從1997年開始，劉經(jīng)南和其他幾位院士，一起給武漢大學測繪學科本科生講授“測繪學概論”等課程。他的課堂常常出現(xiàn)妙語連珠的“小段子”：“你從哪里來，要到哪里去？這既是哲學家問的問題，也是導航研究的問題……”

展望未來，劉經(jīng)南說：“下一步，要讓精準時空位置服務(wù)進入深地、深海、深空、深網(wǎng)等領(lǐng)域，不斷增強北斗系統(tǒng)的應(yīng)用效益和社會價值，從而建設(shè)更加融合、更加智能的綜合時空體系。”