定位科研 導航人生
——記武漢大學衛星導航定位技術研究中心牛小驥團隊

本刊記者 劉昊林

定位科研 導航人生
——記武漢大學衛星導航定位技術研究中心牛小驥團隊

本刊記者 劉昊林

牛小驥在國際導航論壇上提問

導航是一門古老而年輕的技術。在經歷了冷戰時期反常的高速發展之后，近年來全球導航衛星系統（GNSS，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的伽利略和我國的北斗系統）的建設和低成本慣性導航器件（陀螺儀和加速度計）的出現再次給導航技術注入了活力。今天的導航技術凝聚了人類智慧的結晶。GNSS芯片和微機械（MEMS）慣性器件的出現使得曾經高大上的導航技術走下神壇，甚至被集成在智能手機和穿戴設備中，逐漸進入我們生產生活的每個角落，變得無處不在。

北斗導航系統的建設和應用是我國導航事業的里程碑，也帶來了國內導航事業突飛猛進的發展。目前呼之欲出的自動駕駛、物聯網、機器人時代的到來，無一例外需要高性能導航技術作為支撐，而相關技術也成為無數導航領域的科研人員和科研團隊執著的追求。武漢大學衛星導航定位技術研究中心牛小驥教授的團隊就是其中之一。

堅持源于興趣

牛小驥目前在武漢大學衛星導航定位技術研究中心從事慣性導航（INS）和組合導航（GNSS/INS）方面的研究。談及為什么會進入導航領域中進行科研工作，牛小驥毫不猶豫地說：“興趣”。這不僅是對導航技術的興趣，更是源于對科研工作的熱愛。

“我本科讀的是清華大學精密儀器系機電一體化專業，本身就屬于交叉學科，當時學了機械、電子、控制等諸多課程。清華大學有一個傳統，對科研感興趣的學生在大三的時候可以主動聯系相關研究方向的老師，提前進入實驗室參與科研工作。我從小就對科研工作非常向往，選擇去了高鐘毓教授的導航與控制教研組，學習了解了很多慣性導航的內容。當時我覺得這是一個機電高度集成的前沿技術，非常感興趣。5年本科學習結束之后，我作為免試推薦直博生，正式師從高老進行深入的學習和研究?！?/p>

高鐘毓教授對牛小驥后來的科研工作產生了很大影響，尤其是高老師極度嚴謹的治學、科研作風和堅守一線的科研傳統，讓牛小驥體會深刻并受益終生，也影響了他后來對自己學生的指導。

博士學習期間，導師安排牛小驥進入德國斯圖加特大學的一個研究所進行為期1年的訪問學習。這是他第一次接觸西方發達國家，給他帶來了非常大的震動?！俺藘蛇吔洕蜕鐣l展水平的差異，我還注意到德國人的工作強度沒有那么大，少有加班情況，但是其科研水平卻比我們高，產業水平更是我們當時無法企及的，這讓我陷入了深思。在訪問期間我不斷地觀察、學習和思考?！边@一時期，牛小驥培養了自己獨立思考和自主決策的能力。

2003年初，牛小驥博士畢業后進入加拿大卡爾加里大學測繪工程系做博士后，在加拿大移動測繪系統首席科學家Dr.Naser El-Sheimy的指導下進行車載導航研究。除了完成自己的科研工作，這一時期的牛小驥更像是導師的科研大管家，全面管理團隊的日常科研工作，有效地鍛煉了的科研管理水平和研究生指導能力。牛小驥發現，這里的科研工作更加講究章法，開展一個新的研究方向之前非常重視新平臺的搭建，平臺搭建好后再針對具體需求從容開展研究，這樣從宏觀上來看更高效、更扎實。這一時期，牛小驥形成了自己的科研理念，對他歸國后在科研道路上的發展產生了深遠影響。

幾年充實的博士后研究很快過去，牛小驥開始進一步考慮自己的將來。雖然國外的生活和工作環境平靜而愜意，但他始終無法融入北美的語言文化環境，客居他鄉的感覺時常困擾著他，因此最終選擇了回國發展。然而歸國發展的道路并非平順，牛小驥沒有如愿拿到清華大學的教職，直接走上學術道路，而是首先進入美國SiRF公司設在上海的研發中心擔任高級研究員，負責慣性輔助的GPS導航方案的開發?！爱敃r我聽從了博士后導師的建議，做科研不一定非得走純粹的學術道路，作為產品研發人員將技術與產業更加緊密結合也挺好的。而且這種方式在北美也非常流行，許多大學教授都有產業界的經驗。于是我就去了上海，開始了人生新的一頁。”

牛小驥在SiRF的研發工作開展得很順利，僅用3個月就拿出了原型方案，第二年夏天就向客戶提供了成熟的設計方案，用于高端車載導航儀上，實現了量產。但這時的牛小驥發現，未來的工作將主要是根據用戶需求來完善和打磨現有方案，公司不支持他做更深入的新技術探索和新應用嘗試?！拔曳浅＠斫夤镜目紤]，因為公司畢竟是以盈利為目的，以市場為導向的。但我還是向往深入的科研探索，在國內只有進入大學，回歸到學術圈中去才能如愿。這時機緣巧合，武漢大學衛星導航定位技術研究中心的劉經南院士和施闖主任希望能在衛星導航之外能拓展其它導航技術，包括慣性導航。經同事牽線，雙方一拍即合，于是我在2010年初以學科帶頭人的身份加入武漢大學，一直工作到現在。”牛小驥談到這段稍有曲折的歸國科研之路不無感慨，正是對科研的濃厚興趣，將他從產業界又拉回了學術圈。

如果不是這份興趣和熱愛，牛小驥無法堅持在科研道路上走下去。今天，他在武漢大學的支持下將慣性導航和GNSS/INS組合導航的研究開展得有聲有色，成為獨當一面的專家。他認為，導航技術天生就是交叉學科，未來導航技術的發展趨勢必然是多種導航定位手段的有機組合，將是光、機、電高度集成的系統，涉及到控制、通信、機械、測繪等多個學科，研究任務會越來越繁重，技術難度會越來越大。

牛小驥團隊集體照

人才成就科研

從產業界的技術研發回歸到大學的學術研究的變化很大。而當時牛小驥所面臨的更大挑戰是，需要從無到有組建一支科研團隊，并自主搭建研究平臺?！霸诩幽么蟮目蒲薪洑v始終影響著我，在團隊組建初期我就堅持一定要把平臺搭建好，‘磨刀不誤砍柴工’，完備扎實的研究平臺就像肥沃的土壤，能夠為后續的科研探索提供持續、豐富的營養，這樣科研工作才能事半功倍?！迸Ｐ◇K剛到武漢大學的時候，基本上是白手起家，連電烙鐵、萬用表等常用工具都是親手添置。“但是單位領導和同事非常支持我，向我推薦一些不錯的學生，并在設備采購經費上大力支持，當初引薦我來武漢大學的章紅平老師也成為我的科研搭檔。雖然起步比較艱難，但隨著學生的成長，新成員的加入，平臺順利搭建起來，科研工作逐漸啟動。在此基礎上，培養的優秀學生越來越多，科研梯隊逐漸形成，科研工作正式步入正軌。”他用自己的親身經歷說明了平臺和團隊對科研的重要性，“我非常慶幸自己在一開始就重視平臺建設，而沒有急功近利地追求短平快的成果，實踐證明好的平臺和團隊會不斷涌現優秀的科研成果?！?/p>

從2010年進入武漢大學到現在，牛小驥對自己團隊的發展既滿意又焦慮。滿意的是，學生們素質高、能力強，精心指導后都取得了很好的成績，團隊整體發展快；焦慮的是，有些格外優秀的學生表現出讓人意外的素質和潛力，他擔心由于自己指導不充分、不及時，耽誤了學生的發展?！皩W生的優秀迫使我更加努力，以便能夠為他們提供引導和支持，帶領整個團隊前進?！比缃?，牛小驥的科研團隊已形成規模，包括兩位教授、3位講師和博士后、十幾名博士生和20余名碩士生。團隊形成了健康的架構，在老師的指導下，高年級博士生能夠帶領師弟師妹在各研究方向上開展工作，實現團隊的滾動發展。

提起團隊里的同事，牛小驥興致勃勃地做了介紹。長期的科研搭檔章紅平教授是GNSS精密定位與慣性導航組合技術研究的專家，并在產業化應用上成果豐碩；講師郭文飛博士精通GNSS信號處理，擅長多項專用GNSS接收機技術的研發；講師張提升博士專注于GNSS/INS深組合技術研究，是國內最早實現深組合硬件閉環的學者之一；博士后張全博士精通MEMS車載組合導航，并在組合導航隨機誤差建模方面有深入研究。團隊同事緊密合作，形成了組合導航技術研究的合力。提起學生們取得的成績，牛小驥如數家珍：EvAAL國際室內定位大賽手機組冠軍（博士生李由）、美國導航學會（ION）衛星導航年會優秀學生論文獎和最佳報告獎（博士生陳起金、徐良春）、全國研究生電子設計大賽一等獎（博士生張提升、班亞龍、嚴昆侖）、全國“挑戰杯”大學生課外科技活動競賽等等?？粗鴮W生們的成長，牛小驥非常欣慰。“以前我只重視學生的學習和科研，后來發現研究生階段學生面臨各方面的壓力，包括生活上的、心理上的，需要導師更多的關心和引導。因為團隊規模的擴大，不是每個學生都能手把手地指導，學生的成長更多地依賴團隊。有些學生在這種成長模式中會變得浮躁，這種情況下導師需要及時干預，否則不僅會影響學生自己，更會影響整個團隊的氛圍?！迸Ｐ◇K嚴肅地說，“團隊中形成一個健康的生態環境是至關重要的?！?/p>

牛小驥認為，科研雖然非常重要，但大學老師的本職工作還是人才培養，只有為國家和社會培養出更多的優秀人才，才能做出更多、更好的科研成果。他不僅在科研上悉心指導自己團隊的學生，也重視對研究生和本科生的日常教學，力求深入淺出地把復雜的專業課程講授清楚和透徹，全面提高學生的專業素養。在加拿大做博士后期間的助教經歷讓他體會到：專業課的質量很大程度上決定了研究生培養的平均質量。國外的專業課會精心選擇教學內容，嚴格要求學生，通過課程設計等實踐環節讓學生將所學知識融會貫通，并為未來的研究方向打基礎，幾門專業課學下來就基本奠定了自己主線研究工作的基石。“我注意到國內的研究生培養不太重視專業課學習，學生們主要是在研究團隊中跟隨導師和師兄做項目來培養各方面的能力。這種模式偏重實踐和動手能力，作風務實，但也容易造成學生在理論上的結構性缺陷，尤其是對博士生”。認識到專業課對學生培養的重要性，牛小驥不斷完善自己的教學方式，改善教學效果，獲得了學生們的認可和贊譽。

團隊成員素質的提高也推進了團隊整體實力的上升，出色完成了若干國家項目和橫向課題。在牛小驥的帶領下，團隊圓滿完成了國家自然科學基金項目“GNSS/INS深組合系統中載波跟蹤性能與IMU誤差之間映射關系的理論與方法研究”，正在承擔國家“863計劃”課題“低成本GNSS/INS深耦合大眾車載導航終端與應用示范”的關鍵技術攻關任務，已順利完成了“車載組合導航方案性能測試和算法分析”“組合導航算法技術服務與開發”“高動態GNSS/INS深組合接收機研制”等多個橫向課題，切實解決了相關的產品和技術問題，獲得了高度認可，在業界形成了口碑。這些成果背后，是牛小驥團隊全體成員智慧的結晶與努力的汗水。

科研追求極致

學術圈是典型的信息共享社群，科研活動唯有做到極致才會對同行和科研共同體產生價值。這里的“極致”指的是相同輸入條件下獲得最好的性能，或者用最低的條件獲得相同的性能。這就注定了科研工作的艱難和挑戰。牛小驥對此深有體會，并結合自己團隊的一項特色研究談了感悟。

GNSS/INS深組合技術是相對于傳統的GNSS/INS松組合或緊組合來說的。后者局限于GNSS和INS在數據處理層面的融合，偏重于GNSS對INS的單向輔助；而深組合是兩者在底層信號處理層面的信息融合，實現了GNSS與INS的相互輔助，尤其是能夠從本質上提高GNSS信號的接收質量，全面提高GNSS接收機在動態條件下的精度、靈敏度和抗干擾/抗欺騙性能，進而提高整體組合導航系統的性能。它是衛星導航和慣性導航兩種技術手段的最佳組合方式，預期能夠獲得最好的導航效果，是當前組合導航技術的發展趨勢和研究熱點之一。但從工程實現的角度考慮，深組合是一個覆蓋了底層GNSS信號捕獲/跟蹤以及上層GNSS/INS數據融合的大閉環系統，技術復雜性高，設計和實現難度大，研究團隊必須同時精通GNSS接收機技術和慣性導航技術?！斑@造成許多導航領域的同行對深組合技術敬而遠之或淺嘗輒止。而我們團隊從組建之初就看好這個方向并下決心將深組合技術做到極致，對其效果一探究竟。”

將一項新技術做到極致是離不開理論指導的，深組合技術也不例外，其設計和優化依賴于建立GNSS接收機載波信號跟蹤性能與慣導誤差之間的映射關系。但由于深組合系統的復雜性，使這一關鍵理論問題長期懸而未決，嚴重阻礙了深組合技術的發展。通過國家自然科學基金項目，牛小驥團隊針對不同接收機架構和不同接收機性能要求，從接收機跟蹤環路的需求和慣導的測量能力兩方面出發，綜合運用了慣導誤差微分方程、Kalman濾波器穩態誤差分析、控制系統傳遞函數和隨機估計理論等工具對兩方面進行建模，利用殘余動態應力概念將兩者搭接起來，建立了一套完整而精細的誤差模型；并應用該模型首次實現了對深組合系統各主要誤差源影響的定量分析和驗證，為深組合系統設計中的器件選型、方案選擇和關鍵參數設定提供了理論支撐?！昂喍灾?，這套理論模型能夠告訴我們在某種器件等級和使用條件下，深組合系統能夠達到什么樣的導航性能；或者反之，給定要求的導航性能，它能反推出對器件等級和使用條件的要求?！崩碚摲治龉ぷ饔辛Φ刂С至伺Ｐ◇K團隊將深組合技術做到極致的努力。

牛小驥團隊在過去5年中將一半的資源投入到了深組合技術的研究中，取得了豐碩的成果。除了建立深組合系統的理論模型，深組合技術的另一大關鍵點是建立自己的GNSS接收機平臺?！坝捎谏罱M合技術要將接收機底層硬件開放出來，以便引入慣導輔助信息，因此沒有哪家廠商愿意冒著技術外泄的風險提供這種配合，我們只能自己動手。”牛小驥團隊花了兩年時間自主開發了GNSS接收機軟件和硬件研究平臺，在此基礎上于2013年年初在國內成功實現了深組合硬件閉環，并繼續深挖該技術在各導航性能上的潛力，積極推進工程化應用。牛小驥堅信，深組合技術是組合導航發展的趨勢，會成為今后GNSS接收機的標準配置，而我國北斗導航系統的接收機終端研制應該前瞻性地引入該技術，爭取一個較高的技術起點，獲得后發優勢。

牛小驥團隊參與的國家“863計劃”課題“低成本GNSS/INS深耦合大眾車載導航終端與應用示范”是對深組合技術實用性的一次檢驗。在前期深組合技術積累的基礎上，該項目進展順利，有望成為國內民用深組合技術的首例應用。

對于導航領域技術成果的應用前景和成果轉化，牛小驥非常樂觀，但在技術成果的轉化形式上他有一定的擔心：“大學老師的科研成果轉化主要有兩條路：老師直接開公司、做產業；或者將成果授權轉讓給其它公司使用。前者能夠保障科研成果的充分轉化，但要投入大量精力在產業化上；后者則比較干凈利落，但成果轉化成功率低，知識產權得不到有效保護，甲乙雙方往往互相猜忌、防范。我認為大學的科研條件基本上是來自國家投入和社會資源，因此不能認為科研成果是自己的私產，在技術轉讓過程中應多采取技術交底的形式，利人利己，這也是科研回饋社會的責任所在。另外，在這種橫向合作過程中，我們能夠獲取產業最前沿的動態與需求，后續開展的研究工作也可以更有針對性?！?/p>

牛小驥把滿腔熱情和全部精力奉獻給了心愛的科研事業。他坦言，高強度的科研、教學任務使他沒有平衡好工作和生活，忽視了家庭和孩子。他希望自己今后能夠有更多的時間來陪伴家人，不會在未來因為錯過孩子的成長而遺憾。在下一步的工作中，牛小驥將適當控制團隊規模，提高招生質量，培養更多出類拔萃的學生。團隊未來的研究方向將基于前期積累的GNSS/INS組合導航技術和平臺，引入光學相機、激光掃描雷達（LiDAR）、無線定位信號等多種導航手段，向多源數據組合導航方向發展，通過多源信息的深層次融合將其互補性發揮到極致，獲得穩健可靠的高精度無縫定位結果。同時，適當地選擇橫向合作機會，把團隊科研工作與實際應用緊密結合，讓學生們在解決實際工程問題的過程中經受鍛煉和考驗，并將科研成果在工程和產品中發揮作用，創造社會和經濟效益。“這就是我作為一個大學老師對自己未來的定位和導航?！迸Ｐ◇K笑著說。

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