走近科學家|武大團隊給北鬥導航裝上「透視眼」

2020-11-26 騰訊網

楚天都市報記者 柯稱 通訊員 吳江龍 高柯夫 實習生 劉芝妞 夏瑞婷

人物簡介：牛小驥，武漢大學衛星導航定位技術研究中心教授、博導，慣性導航與組合導航學科帶頭人，清華大學博士，加拿大卡爾加裡大學博士後。長期從事慣性導航和組合導航技術研究與應用探索。主持國家重點研發計劃課題1項，自然科學基金面上項目2項，以及橫向應用課題多項，累積發表學術論文100餘篇。

牛小驥教授

近日，一臺北鬥慣性組合導航鐵路軌道幾何狀態測量儀（俗稱北鬥慣導小車），在京瀋高鐵施工現場大顯身手，對49.6公裡的有砟軌道進行了多回合精測任務。這是北鬥三號全球衛星導航系統正式開通後，首次工程化應用於高鐵建設領域。這臺北鬥慣導小車，是武漢大學衛星導航定位技術研究中心牛小驥教授團隊的研究成果。

小車讓軌道精測提速20倍

鐵路軌道對位置坐標、姿態和軌距有著嚴格的要求，高鐵軌道更是如此。別看北鬥慣導小車，只是一臺手推的小車，卻讓軌道精測速度提升了至少20倍，還可實現軌道平順性指標毫米級、裡程釐米級的測量精度。它是怎麼做到的？

北鬥慣導小車在精測軌道

牛小驥介紹，早期鐵路建設和路軌維護時，技術人員使用軌距尺測量軌道，作業效率非常低；後來，使用全站儀配合軌道測量儀，主要依靠光學測量，所以不得不採取走走停停的測量方式，一個小時只能測量200米。使用北鬥慣導小車後，因為有北鬥的精密定位功能結合慣性導航強大角度和位置推算能力，因此可以實現連續移動測量，推著小車一路走一路就測完了，測量效率可以達到步行的每小時5公裡左右，甚至更快。

「這項技術是由我們團隊的年輕教師陳起金博士提出並主導設計的，武漢大學擁有完全自主智慧財產權。它最初是GPS慣導小車，這次用到我們自己的北鬥導航，再次引發了關注。」牛小驥說，因為北鬥系統獨特的星座設計，在中國上空的北鬥衛星數量更多，所以測量精度更高，抗幹擾性能和可靠性也更強。北鬥慣導小車今後有望在我國鐵路建設和維護中廣泛運用。

慣性導航能改變你我生活

北鬥慣導小車只是牛小驥團隊科研成果的代表之一，該團隊的研究領域是慣性導航與組合導航，它與普通市民的生活可謂息息相關。

「慣性導航是一種獨立自主推算的導航定位手段，工作時不受外界幹擾。」牛小驥通俗地介紹，我們開車進入隧道後沒有衛星導航信號，導航軟體就是用這項技術來繼續推算我們的位置。

不管是北鬥還是GPS，都「看不見」隧道、建築裡面的情況，因此，通過慣性導航和衛星導航的融合互補，手機車載導航、手機室內定位、機器人導航、自動駕駛等技術才能得以實現。「就像一個方位感強的人，可以蒙眼行走一段距離，但走得越遠偏差就越大，我們做的就是利用一切可用的輔助信息（包括北鬥定位），盡力縮小這個偏差。」牛小驥說。

牛小驥認為，萬物互聯的物聯網時代即將來臨，因此急需在「低成本、大眾化室內外無縫精準定位方案」上有所突破，這正是他的團隊目前的科研重點。他舉例說，有快遞公司想要有一種電子標籤，可以記錄包裹運輸過程中完整的位置和狀態信息，包括是否被摔過、倒置過，便於出現問題時查詢和取證，「今後所有人和物都會獲得實時定位標籤，進而享受無處不在的位置服務。」

放棄外企高薪他收穫更多

牛小驥介紹，慣性導航設備原先昂貴而笨重，只在軍工和航空航天領域應用，直到後來光纖陀螺和微機械陀螺的出現，才開始快速民用化，而我國在這方面起步較晚。

牛小驥在清華大學讀博士期間，就在導師指導下，完成了首套基於國產微機械慣性器件的姿態測量系統。2003年博士畢業後，他又來到加拿大卡爾加裡大學測繪工程系做博士後。4年海外科研生涯，牛小驥形成了自己的科研理念，取得了一系列成果，但他總感覺「自己在國外有一種揮之不去的漂泊感。」

2007年，牛小驥回國發展，去了上海一家做GPS晶片的外資龍頭企業，在享受了技術變成產品的喜悅的同時，也深感企業科研的局限性。直到2010年，經過同事引薦認識了北鬥導航專家劉經南院士。彼時，劉經南院士正在考慮拓展衛星導航技術，雙方一拍即合，牛小驥不顧巨大的收入落差，來到了武漢大學。

這些年來，牛小驥在劉經南院士和學校的大力支持下不斷取得科研成果，同時始終重視教學和指導學生。「在大學工作，首要任務當然是人才培養。」曾獲評武漢大學「我心目中的好導師」的牛小驥說，他每學期要給本科生上一門《慣性導航原理》課，還開設了幾門研究生專業課程，多數時間都和碩士、博士研究生們泡在一起。

牛小驥給學生調整背包式多傳感器移動定位測圖系統

「牛老師是我見過的最溫和的老師，但他的研究思路很大膽，我們的很多新想法他都會支持。」2020級博士生王琰這樣評價導師。確實，牛小驥的原則就是充分尊重年輕人的奇思妙想，指導和幫助他們實現。慣導小車就是陳起金博士在讀研期間提出的想法，當時也被很多人認為「不可能」，卻得到了導師牛小驥的鼓勵和認可。

「武大的學生很優秀，我喜歡和年輕人在一起，陪伴他們成長，也受到他們很多啟發。」牛小驥說，這是他從企業走進高校的最大收穫。（視頻來源：湖北電視臺）

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  • 中國北鬥導航全面開啟:小米手機已全面支持北鬥導航
    ，可以說2019年的這一時刻，也同樣是非常值得讓國人驕傲的時刻，也正是因為中國科學家們的不懈的努力，才有了今天讓國產的航天科研成果來更多地服務我們的生活。實際上，我們都知道，目前市面上所銷售的智慧型手機幾乎都支持北鬥衛星導航系統，但唯獨蘋果例外，iPhone手機由於在硬體晶片上並不支持北鬥導航系統， 所以果粉們也無法通過後續的系統升級來獲得北鬥衛星導航系統的支持，其實中國北鬥導航系統曾多次對iPhone手機發出邀請，但蘋果都屢次的拒絕了在iPhone手機上加入北鬥衛星導航系統功能，即便是支持日本更不成熟的的準天頂衛星系統
  • 談談北鬥導航及其意義
    國際上有一個高大上的俱樂部，它只有四個會員，卻吸引了各國首腦的關注和眾多頂級科學家工程師的研究，這個俱樂部就是GNSS（全球導航衛星系統），四個會員分別是美國GPS、歐洲伽利略GALILEO、俄羅斯格洛納斯GLONASS、中國北鬥COMPASS。
  • 北鬥衛星導航系統的發展近況
    與美國ＧＰＳ、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略一起，成為國際GNSS四大衛星導航系統。 我國的北鬥系統按照「三步走」的發展戰略，第一步，2000年建成了北鬥衛星導航試驗系統，使中國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。第二步，區域性衛星導航系統建設，形成覆蓋亞太大部分地區的服務能力。2012年12月27日，北鬥衛星導航系統開始向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務。
  • 國產的北鬥導航已經很厲害了,怎麼國產手機還是GPS導航?
    早前世界上只有美國手裡有定位系統，大家只能選擇使用GPS，但因為美國擁有自主開關的能力，為了不受制於美國，俄羅斯和歐盟陸續搭建起了自己的定位系統，而中國通過這些年的努力，也搭建起了北鬥導航。因為大家對於新產品都有一個考核階段，所以北鬥導航只能慢慢普及，顯然目前國內連這一步都還沒有走出去。