欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
定位科研 导航人生

来源:  发布时间:2016-06-02

——记武汉大学卫星导航定位技术研究中心牛小骥团队
  
本刊记者 刘昊林

  
  
  导航是一门古老而年轻的技术。在经历了冷战时期反常的高速发展之后,近年来全球导航卫星系统(GNSS,包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略和我国的北斗系统)的建设和低成本惯性导航器件(陀螺仪和加速度计)的出现再次给导航技术注入了活力。今天的导航技术凝聚了人类智慧的结晶。GNSS芯片和微机械(MEMS)惯性器件的出现使得曾经高大上的导航技术走下神坛,甚至被集成在智能手机和穿戴设备中,逐渐进入我们生产生活的每个角落,变得无处不在。
  北斗导航系统的建设和应用是我国导航事业的里程碑,也带来了国内导航事业突飞猛进的发展。目前呼之欲出的自动驾驶、物联网、机器人时代的到来,无一例外需要高性能导航技术作为支撑,而相关技术也成为无数导航领域的科研人员和科研团队执着的追求。武汉大学卫星导航定位技术研究中心牛小骥教授的团队就是其中之一。
  
坚持源于兴趣
  
  牛小骥目前在武汉大学卫星导航定位技术研究中心从事惯性导航(INS)和组合导航(GNSS/INS)方面的研究。谈及为什么会进入导航领域中进行科研工作,牛小骥毫不犹豫地说:“兴趣”。这不仅是对导航技术的兴趣,更是源于对科研工作的热爱。
  “我本科读的是清华大学精密仪器系机电一体化专业,本身就属于交叉学科,当时学了机械、电子、控制等诸多课程。清华大学有一个传统,对科研感兴趣的学生在大三的时候可以主动联系相关研究方向的老师,提前进入实验室参与科研工作。我从小就对科研工作非常向往,选择去了高钟毓教授的导航与控制教研组,学习了解了很多惯性导航的内容。当时我觉得这是一个机电高度集成的前沿技术,非常感兴趣。5年本科学习结束之后,我作为免试推荐直博生,正式师从高老进行深入的学习和研究。”
  高钟毓教授对牛小骥后来的科研工作产生了很大影响,尤其是高老师极度严谨的治学、科研作风和坚守一线的科研传统,让牛小骥体会深刻并受益终生,也影响了他后来对自己学生的指导。
  博士学习期间,导师安排牛小骥进入德国斯图加特大学的一个研究所进行为期1年的访问学习。这是他第一次接触西方发达国家,给他带来了非常大的震动。“除了两边经济和社会发展水平的差异,我还注意到德国人的工作强度没有那么大,少有加班情况,但是其科研水平却比我们高,产业水平更是我们当时无法企及的,这让我陷入了深思。在访问期间我不断地观察、学习和思考。”这一时期,牛小骥培养了自己独立思考和自主决策的能力。
  2003年初,牛小骥博士毕业后进入加拿大卡尔加里大学测绘工程系做博士后,在加拿大移动测绘系统首席科学家Dr. Naser El-Sheimy的指导下进行车载导航研究。除了完成自己的科研工作,这一时期的牛小骥更像是导师的科研大管家,全面管理团队的日常科研工作,有效地锻炼了的科研管理水平和研究生指导能力。牛小骥发现,这里的科研工作更加讲究章法,开展一个新的研究方向之前非常重视新平台的搭建,平台搭建好后再针对具体需求从容开展研究,这样从宏观上来看更高效、更扎实。这一时期,牛小骥形成了自己的科研理念,对他归国后在科研道路上的发展产生了深远影响。
  几年充实的博士后研究很快过去,牛小骥开始进一步考虑自己的将来。虽然国外的生活和工作环境平静而惬意,但他始终无法融入北美的语言文化环境,客居他乡的感觉时常困扰着他,因此最终选择了回国发展。然而归国发展的道路并非平顺,牛小骥没有如愿拿到清华大学的教职,直接走上学术道路,而是首先进入美国SiRF公司设在上海的研发中心担任高级研究员,负责惯性辅助的GPS导航方案的开发。“当时我听从了博士后导师的建议,做科研不一定非得走纯粹的学术道路,作为产品研发人员将技术与产业更加紧密结合也挺好的。而且这种方式在北美也非常流行,许多大学教授都有产业界的经验。于是我就去了上海,开始了人生新的一页。”
  牛小骥在SiRF的研发工作开展得很顺利,仅用3个月就拿出了原型方案,第二年夏天就向客户提供了成熟的设计方案,用于高端车载导航仪上,实现了量产。但这时的牛小骥发现,未来的工作将主要是根据用户需求来完善和打磨现有方案,公司不支持他做更深入的新技术探索和新应用尝试。“我非常理解公司的考虑,因为公司毕竟是以盈利为目的,以市场为导向的。但我还是向往深入的科研探索,在国内只有进入大学,回归到学术圈中去才能如愿。这时机缘巧合,武汉大学卫星导航定位技术研究中心的刘经南院士和施闯主任希望能在卫星导航之外能拓展其它导航技术,包括惯性导航。经同事牵线,双方一拍即合,于是我在2010年初以学科带头人的身份加入武汉大学,一直工作到现在。”牛小骥谈到这段稍有曲折的归国科研之路不无感慨,正是对科研的浓厚兴趣,将他从产业界又拉回了学术圈。
  如果不是这份兴趣和热爱,牛小骥无法坚持在科研道路上走下去。今天,他在武汉大学的支持下将惯性导航和GNSS/INS组合导航的研究开展得有声有色,成为独当一面的专家。他认为,导航技术天生就是交叉学科,未来导航技术的发展趋势必然是多种导航定位手段的有机组合,将是光、机、电高度集成的系统,涉及到控制、通信、机械、测绘等多个学科,研究任务会越来越繁重,技术难度会越来越大。
  
人才成就科研
  
  从产业界的技术研发回归到大学的学术研究的变化很大。而当时牛小骥所面临的更大挑战是,需要从无到有组建一支科研团队,并自主搭建研究平台。“在加拿大的科研经历始终影响着我,在团队组建初期我就坚持一定要把平台搭建好,‘磨刀不误砍柴工’,完备扎实的研究平台就像肥沃的土壤,能够为后续的科研探索提供持续、丰富的营养,这样科研工作才能事半功倍。”牛小骥刚到武汉大学的时候,基本上是白手起家,连电烙铁、万用表等常用工具都是亲手添置。“但是单位领导和同事非常支持我,向我推荐一些不错的学生,并在设备采购经费上大力支持,当初引荐我来武汉大学的章红平老师也成为我的科研搭档。虽然起步比较艰难,但随着学生的成长,新成员的加入,平台顺利搭建起来,科研工作逐渐启动。在此基础上,培养的优秀学生越来越多,科研梯队逐渐形成,科研工作正式步入正轨。”他用自己的亲身经历说明了平台和团队对科研的重要性,“我非常庆幸自己在一开始就重视平台建设,而没有急功近利地追求短平快的成果,实践证明好的平台和团队会不断涌现优秀的科研成果。”
  从2010年进入武汉大学到现在,牛小骥对自己团队的发展既满意又焦虑。满意的是,学生们素质高、能力强,精心指导后都取得了很好的成绩,团队整体发展快;焦虑的是,有些格外优秀的学生表现出让人意外的素质和潜力,他担心由于自己指导不充分、不及时,耽误了学生的发展。“学生的优秀迫使我更加努力,以便能够为他们提供引导和支持,带领整个团队前进。”如今,牛小骥的科研团队已形成规模,包括两位教授、3位讲师和博士后、十几名博士生和20余名硕士生。团队形成了健康的架构,在老师的指导下,高年级博士生能够带领师弟师妹在各研究方向上开展工作,实现团队的滚动发展。
  提起团队里的同事,牛小骥兴致勃勃地做了介绍。长期的科研搭档章红平教授是GNSS精密定位与惯性导航组合技术研究的专家,并在产业化应用上成果丰硕;讲师郭文飞博士精通GNSS信号处理,擅长多项专用GNSS接收机技术的研发;讲师张提升博士专注于GNSS/INS深组合技术研究,是国内最早实现深组合硬件闭环的学者之一;博士后张全博士精通MEMS车载组合导航,并在组合导航随机误差建模方面有深入研究。团队同事紧密合作,形成了组合导航技术研究的合力。提起学生们取得的成绩,牛小骥如数家珍:EvAAL国际室内定位大赛手机组冠军(博士生李由)、美国导航学会(ION)卫星导航年会优秀学生论文奖和最佳报告奖(博士生陈起金、徐良春)、全国研究生电子设计大赛一等奖(博士生张提升、班亚龙、严昆仑)、全国“挑战杯”大学生课外科技活动竞赛等等。看着学生们的成长,牛小骥非常欣慰。“以前我只重视学生的学习和科研,后来发现研究生阶段学生面临各方面的压力,包括生活上的、心理上的,需要导师更多的关心和引导。因为团队规模的扩大,不是每个学生都能手把手地指导,学生的成长更多地依赖团队。有些学生在这种成长模式中会变得浮躁,这种情况下导师需要及时干预,否则不仅会影响学生自己,更会影响整个团队的氛围。”牛小骥严肃地说,“团队中形成一个健康的生态环境是至关重要的。”
  牛小骥认为,科研虽然非常重要,但大学老师的本职工作还是人才培养,只有为国家和社会培养出更多的优秀人才,才能做出更多、更好的科研成果。他不仅在科研上悉心指导自己团队的学生,也重视对研究生和本科生的日常教学,力求深入浅出地把复杂的专业课程讲授清楚和透彻,全面提高学生的专业素养。在加拿大做博士后期间的助教经历让他体会到:专业课的质量很大程度上决定了研究生培养的平均质量。国外的专业课会精心选择教学内容,严格要求学生,通过课程设计等实践环节让学生将所学知识融会贯通,并为未来的研究方向打基础,几门专业课学下来就基本奠定了自己主线研究工作的基石。“我注意到国内的研究生培养不太重视专业课学习,学生们主要是在研究团队中跟随导师和师兄做项目来培养各方面的能力。这种模式偏重实践和动手能力,作风务实,但也容易造成学生在理论上的结构性缺陷,尤其是对博士生”。认识到专业课对学生培养的重要性,牛小骥不断完善自己的教学方式,改善教学效果,获得了学生们的认可和赞誉。
  团队成员素质的提高也推进了团队整体实力的上升,出色完成了若干国家项目和横向课题。在牛小骥的带领下,团队圆满完成了国家自然科学基金项目“GNSS/INS深组合系统中载波跟踪性能与IMU误差之间映射关系的理论与方法研究”,正在承担国家“863计划”课题“低成本GNSS/INS深耦合大众车载导航终端与应用示范”的关键技术攻关任务,已顺利完成了“车载组合导航方案性能测试和算法分析”“组合导航算法技术服务与开发”“高动态GNSS/INS深组合接收机研制”等多个横向课题,切实解决了相关的产品和技术问题,获得了高度认可,在业界形成了口碑。这些成果背后,是牛小骥团队全体成员智慧的结晶与努力的汗水。
  
科研追求极致
  
  学术圈是典型的信息共享社群,科研活动唯有做到极致才会对同行和科研共同体产生价值。这里的“极致”指的是相同输入条件下获得最好的性能,或者用最低的条件获得相同的性能。这就注定了科研工作的艰难和挑战。牛小骥对此深有体会,并结合自己团队的一项特色研究谈了感悟。
  GNSS/INS深组合技术是相对于传统的GNSS/INS松组合或紧组合来说的。后者局限于GNSS和INS在数据处理层面的融合,偏重于GNSS对INS的单向辅助;而深组合是两者在底层信号处理层面的信息融合,实现了GNSS与INS的相互辅助,尤其是能够从本质上提高GNSS信号的接收质量,全面提高GNSS接收机在动态条件下的精度、灵敏度和抗干扰/抗欺骗性能,进而提高整体组合导航系统的性能。它是卫星导航和惯性导航两种技术手段的最佳组合方式,预期能够获得最好的导航效果,是当前组合导航技术的发展趋势和研究热点之一。但从工程实现的角度考虑,深组合是一个覆盖了底层GNSS信号捕获/跟踪以及上层GNSS/INS数据融合的大闭环系统,技术复杂性高,设计和实现难度大,研究团队必须同时精通GNSS接收机技术和惯性导航技术。“这造成许多导航领域的同行对深组合技术敬而远之或浅尝辄止。而我们团队从组建之初就看好这个方向并下决心将深组合技术做到极致,对其效果一探究竟。”
  将一项新技术做到极致是离不开理论指导的,深组合技术也不例外,其设计和优化依赖于建立GNSS接收机载波信号跟踪性能与惯导误差之间的映射关系。但由于深组合系统的复杂性,使这一关键理论问题长期悬而未决,严重阻碍了深组合技术的发展。通过国家自然科学基金项目,牛小骥团队针对不同接收机架构和不同接收机性能要求,从接收机跟踪环路的需求和惯导的测量能力两方面出发,综合运用了惯导误差微分方程、Kalman滤波器稳态误差分析、控制系统传递函数和随机估计理论等工具对两方面进行建模,利用残余动态应力概念将两者搭接起来,建立了一套完整而精细的误差模型;并应用该模型首次实现了对深组合系统各主要误差源影响的定量分析和验证,为深组合系统设计中的器件选型、方案选择和关键参数设定提供了理论支撑。“简而言之,这套理论模型能够告诉我们在某种器件等级和使用条件下,深组合系统能够达到什么样的导航性能;或者反之,给定要求的导航性能,它能反推出对器件等级和使用条件的要求。”理论分析工作有力地支持了牛小骥团队将深组合技术做到极致的努力。
  牛小骥团队在过去5年中将一半的资源投入到了深组合技术的研究中,取得了丰硕的成果。除了建立深组合系统的理论模型,深组合技术的另一大关键点是建立自己的GNSS接收机平台。“由于深组合技术要将接收机底层硬件开放出来,以便引入惯导辅助信息,因此没有哪家厂商愿意冒着技术外泄的风险提供这种配合,我们只能自己动手。”牛小骥团队花了两年时间自主开发了GNSS接收机软件和硬件研究平台,在此基础上于2013年年初在国内成功实现了深组合硬件闭环,并继续深挖该技术在各导航性能上的潜力,积极推进工程化应用。牛小骥坚信,深组合技术是组合导航发展的趋势,会成为今后GNSS接收机的标准配置,而我国北斗导航系统的接收机终端研制应该前瞻性地引入该技术,争取一个较高的技术起点,获得后发优势。
  牛小骥团队参与的国家“863计划”课题“低成本GNSS/INS深耦合大众车载导航终端与应用示范”是对深组合技术实用性的一次检验。在前期深组合技术积累的基础上,该项目进展顺利,有望成为国内民用深组合技术的首例应用。
  对于导航领域技术成果的应用前景和成果转化,牛小骥非常乐观,但在技术成果的转化形式上他有一定的担心:“大学老师的科研成果转化主要有两条路:老师直接开公司、做产业;或者将成果授权转让给其它公司使用。前者能够保障科研成果的充分转化,但要投入大量精力在产业化上;后者则比较干净利落,但成果转化成功率低,知识产权得不到有效保护,甲乙双方往往互相猜忌、防范。我认为大学的科研条件基本上是来自国家投入和社会资源,因此不能认为科研成果是自己的私产,在技术转让过程中应多采取技术交底的形式,利人利己,这也是科研回馈社会的责任所在。另外,在这种横向合作过程中,我们能够获取产业最前沿的动态与需求,后续开展的研究工作也可以更有针对性。”
  牛小骥把满腔热情和全部精力奉献给了心爱的科研事业。他坦言,高强度的科研、教学任务使他没有平衡好工作和生活,忽视了家庭和孩子。他希望自己今后能够有更多的时间来陪伴家人,不会在未来因为错过孩子的成长而遗憾。在下一步的工作中,牛小骥将适当控制团队规模,提高招生质量,培养更多出类拔萃的学生。团队未来的研究方向将基于前期积累的GNSS/INS组合导航技术和平台,引入光学相机、激光扫描雷达(LiDAR)、无线定位信号等多种导航手段,向多源数据组合导航方向发展,通过多源信息的深层次融合将其互补性发挥到极致,获得稳健可靠的高精度无缝定位结果。同时,适当地选择横向合作机会,把团队科研工作与实际应用紧密结合,让学生们在解决实际工程问题的过程中经受锻炼和考验,并将科研成果在工程和产品中发挥作用,创造社会和经济效益。“这就是我作为一个大学老师对自己未来的定位和导航。”牛小骥笑着说。
  

分享到:

杂志
本期封面

2024年5月

上一期 下一期