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北斗导航:搞定“最后一米”

日期:2017-03-30 【 来源 : 新民周刊 】 阅读数:0
阅读提示:这室内外的“最后一米”问题解决了,新手司机不再会开错车道,路盲不再会进错店门。
记者|陈 冰
 
      全球定位系统GPS的定位能够“精确”到几米?对于民用GPS而言,最好的定位精度也不过3-5米。而我们的北斗卫星导航系统呢?不仅实现了复杂环境下单点定位精度优于0.8米,动态RTK定位精度优于5厘米,还可实现室内定位精度优于1米的高超技术。这室内外的“最后一米”问题解决了,新手司机不再会开错车道,路盲不再会进错店门。
  这项由上海交通大学领衔、8家产学研单位合作的“北斗导航与位置服务关键技术及其产业化”获得2016年度上海市科技进步奖唯一的特等奖。
 
突破“最后1米”
 
  在我国远洋捕捞的渔船上,搭载着2万多台套北斗导航系统终端,每年服务3亿人次以上。仅去年一年,就有上百名海上遇险的渔民利用北斗导航的精确定位得到了救援。
  在东北和新疆广袤的农场里,2000多套无人耕种机械,接收着来自北斗卫星的定位信号,在大田里循着既定路线自助耕作,提高作业效率30%以上。
  北斗智能公交系统实现了公交车辆的精确到站预报和智能化管理,平均到站时间预报误差小于1分钟,已部署于浦东3600多辆公交,每天惠及数百万市民出行。
  室内地图数据库已被高德、腾讯等公司采用,日访问量达到千万人次;同时北斗芯片也正成为华为等公司高端手机产品的“标配”……
  曾经,我国95%的民用导航市场被美国主导的GPS全球定位系统所垄断;如今,大部分市场份额已被我国自主知识产权的北斗导航系统所取代。这场扬我国威的导航产业之战背后,是上海交大郁文贤教授团队潜心30年的科研攻关。
  卫星导航是大国之重器,是国家安全的重要支撑,是当今世界强国全球科技与产业竞争的战略领域。为打破美国GPS垄断,我国设立国家重大专项,郁文贤项目团队以此为依托在核心算法、基础产品和特色应用三个技术层面取得重要突破,直接催生和持续带动了上海西虹桥北斗产业园的快速崛起,建立的北斗应用系统在智能公交、精准农业、海洋渔业等六个典型行业取得了广泛应用。
  “上世纪80年代,我们还在设想卫星导航时,导师就跟我说,美国的GPS已经研发出来了;上世纪90年代,美国已将GPS技术用于导弹发射了,我们的卫星导航技术才刚刚起步。”郁文贤说,关系国家战略和核心竞争力的技术,困难再多、花再长的时间,也要争取突破。
  卫星导航系统及其产业是国家安全的重要支撑,研制具有自主知识产权的全球定位系统,既是国家战略需求,也是大国核心竞争力的重要体现。
  卫星导航技术是否先进,关键是误差要小,信息处理的速度要快,而这主要取决于算法。长期以来,我国卫星导航与位置服务产业面临的核心技术瓶颈就是缺少高精度、高稳定、高可信的定位算法,因此我国的卫星导航系统一直卡在“最后1米”。要知道,误差哪怕只有0.1米,定位的精确性也差很多。
  于是,编制一套高精度卫星定位的核心算法,成了郁文贤团队的“一号课题”。自打1993年从国防科技大学毕业,郁文贤就一直从事数据融合与目标识别技术研究,他参与、领衔的科研课题和国家项目几乎都与导航技术相关。“还记得研发北斗一号卫星时,得专门制造一个超大的机柜来接受并处理卫星信号,每次要花很长时间;而现在,处理万级平方米的数据,1分钟都用不了。”
  郁文贤团队提出了基于载波相位的多模多频单点定位、结合运动情景感知的多源信号融合定位等算法,有效提升了高精度定位产品的应用性能。
  此外,团队还研制出面向军用手持/车载终端的低功耗、高灵敏度、高集成度的高性能多模卫星导航基带芯片,实现军用导航领域核“芯”产品国产化;高精度板卡实现核心部件国产化,性能位居国际前列……
  郁文贤从北斗一号开始参与研制,现在已是第三代北斗卫星了。就在不久前,北斗导航系统副总设计师杨元喜透露,今年我国将发射6至8颗北斗三号卫星。到2020年,我国将建成由40颗卫星组成的北斗卫星导航系统网络,提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。
  “这意味着,如果在路上开车,可以精确到你在哪一根车道;即使在室内,通过多种传感器技术的融合,也可知道你在哪个房间、坐在哪张桌子前。”团队成员、上海交大上海北斗导航与位置服务重点实验室的陈新告诉记者,通过建立行业领先的标准化快速室内地图采集与建模工艺,建图效率提高一倍。“扫地机器人在室内扫一遍就可以自主建图,避开室内的各种障碍物了。”
 
全产业链创新
 
  打赢导航产业的争夺战,单有先进的算法不够,还要有先进的芯片制造业和完善的产业链才能实现。
  通常,高校的特长是破解原理性问题,解决基础研究到应用型基础研究中的技术难题,而要将技术实现,则需要产业来对接。当郁文贤团队的高精度、高可靠性核心算法有所突破时,面临的最大难题就是,要将这一算法用于星载芯片上。
  为了验证郁文贤团队这一算法的可靠性,2009年,上海专门成立卫星导航产业技术创新联盟,由政府持续进行投入,产学研由此成为一个有机整体。国家相关部委和上海市政府为课题组配套支持了“长三角卫星导航应用示范工程—上海智慧城市北斗综合应用示范工程”等重大科技专项。
  “卫星导航的竞争,说到底是导航产业的竞争。”郁文贤告诉记者,整个协同创新团队中,除了交大,还有上海产业技术研究院,以及微系统领域、芯片制造领域、导航领域等的7家企业。有了这样的研发构架,项目才能取得丰硕成果。与此同时,上海的芯片设计、制造和封装行业在国内一直处于领先水平,也使得团队的科研成果能够最终走向产业化。
  在解决了核心算法、基础产品和特色应用等“卡脖子”的技术难题之后,郁文贤说,项目在北斗导航领域实现了全产业链创新,提升了上海在卫星导航领域的创新竞争力与国际影响力,推动上海北斗导航领域的产业集聚,为上海建设具有全球影响力的高精度导航位置服务技术创新中心和新兴产业策源地奠定了重要基础。
  特别是近两年来,通过实施长三角卫星导航应用示范工程,上海的北斗导航产业能级达到了一定高度,已建立重点车辆监控、大众位置服务、社区校正监管、智能公交和航运、高精度服务、WiFi室内定位等六大系统,完成78275台套北斗终端部署;建成了北斗导航与位置服务重点实验室、北斗产品检测认证中心、中国北斗产业技术创新西虹桥基地三大产业支撑平台。2016年10月10日,上海北斗导航创新研究院又宣布成立,集聚科技、投资、管理三方面专家,在为企业提供公共支撑环境的基础上,开拓市场化业务,助力北斗导航产业能级提升。
  
未来市场:北斗化
 
  北斗,过去是中国人夜空下的指路“明灯”;如今是我国自主建设、独立运行的全球四大卫星导航系统之一。在上海,它已经成为响当当的科创“明星”。
  尽管我国北斗系统比美国GPS系统晚了约20年才起步,但在GPS占有95%民用市场的情况下,自主创新的“北斗”不借助外界辅助定位,就实现米级定位精度,其“生态系统”和全产业链正在加速渗透生产生活的方方面面。作为特等奖项目第一完成人,郁文贤教授自信地说,未来市场一定是北斗化,而非GPS化。
  令郁文贤团队自豪的是,“两弹一星”元勋科学院孙家栋院士以及沈荣骏、刘经南、龚惠兴等院士对项目成果给予高度评价:“在整个卫星导航产业链形成了具有国际先进水平的自主核心技术竞争力。”截至目前,项目共申请中国专利69项,其中已授权发明专利27项,并申请国际专利2项,参与起草行业标准1项。项目成果整体技术达到国际先进,在高可靠高精度定位算法、多模多频CMOS射频芯片设计、低成本室内高精度快速制图等方面达到国际领先水平。
  核心技术的突破,有力支撑了产业的快速发展。目前,上海西虹桥的北斗产业园内已有100多家与导航相关的企业入驻,涵盖上游技术研发企业和北斗系列产品用户企业。
  通过这一协同创新平台,项目成果得到了广泛应用:基带多模导航芯片军用板卡采用率超过40%;国产高精度板卡市场占有率超过70%,并远销海外70多个国家和地区;北斗车载终端已在宇通客车等国内主流车厂采用,在国内商用车前装市场占有率达30%以上。
  3年来,上海导航产业的增长率保持在30%以上,新增直接产值16.4亿元,带动间接产值约100亿元。项目沿途还孵化出了4家新三板上市导航企业;3月21日,“华测导航”在深圳创业板上市,成为上海第一家上市的导航相关企业。
  “未来,我们将探索北斗导航与遥感、GIS(地理信息系统)、大数据等多类技术的深度融合,发展我国欠缺的智能导航飞控、智能感知等无人机核心技术。”郁文贤说。
 
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