北斗導航：搞定“最后一米”

陳冰

這室內外的“最后一米”問題解決了，新手司機不再會開錯車道，路盲不再會進錯店門。

全球定位系統GPS的定位能夠“精確”到幾米？對于民用GPS而言，最好的定位精度也不過3-5米。而我們的北斗衛星導航系統呢？不僅實現了復雜環境下單點定位精度優于0.8米，動態RTK定位精度優于5厘米，還可實現室內定位精度優于1米的高超技術。這室內外的“最后一米”問題解決了，新手司機不再會開錯車道，路盲不再會進錯店門。

這項由上海交通大學領銜、8家產學研單位合作的“北斗導航與位置服務關鍵技術及其產業化”獲得2016年度上海市科技進步獎唯一的特等獎。

突破“最后1米”

在我國遠洋捕撈的漁船上，搭載著2萬多臺套北斗導航系統終端，每年服務3億人次以上。僅去年一年，就有上百名海上遇險的漁民利用北斗導航的精確定位得到了救援。

在東北和新疆廣袤的農場里，2000多套無人耕種機械，接收著來自北斗衛星的定位信號，在大田里循著既定路線自助耕作，提高作業效率30%以上。

北斗智能公交系統實現了公交車輛的精確到站預報和智能化管理，平均到站時間預報誤差小于1分鐘，已部署于浦東3600多輛公交，每天惠及數百萬市民出行。

室內地圖數據庫已被高德、騰訊等公司采用，日訪問量達到千萬人次；同時北斗芯片也正成為華為等公司高端手機產品的“標配”……

曾經，我國95%的民用導航市場被美國主導的GPS全球定位系統所壟斷；如今，大部分市場份額已被我國自主知識產權的北斗導航系統所取代。這場揚我國威的導航產業之戰背后，是上海交大郁文賢教授團隊潛心30年的科研攻關。

衛星導航是大國之重器，是國家安全的重要支撐，是當今世界強國全球科技與產業競爭的戰略領域。為打破美國GPS壟斷，我國設立國家重大專項，郁文賢項目團隊以此為依托在核心算法、基礎產品和特色應用三個技術層面取得重要突破，直接催生和持續帶動了上海西虹橋北斗產業園的快速崛起，建立的北斗應用系統在智能公交、精準農業、海洋漁業等六個典型行業取得了廣泛應用。

“上世紀80年代，我們還在設想衛星導航時，導師就跟我說，美國的GPS已經研發出來了；上世紀90年代，美國已將GPS技術用于導彈發射了，我們的衛星導航技術才剛剛起步。”郁文賢說，關系國家戰略和核心競爭力的技術，困難再多、花再長的時間，也要爭取突破。

衛星導航系統及其產業是國家安全的重要支撐，研制具有自主知識產權的全球定位系統，既是國家戰略需求，也是大國核心競爭力的重要體現。

衛星導航技術是否先進，關鍵是誤差要小，信息處理的速度要快，而這主要取決于算法。長期以來，我國衛星導航與位置服務產業面臨的核心技術瓶頸就是缺少高精度、高穩定、高可信的定位算法，因此我國的衛星導航系統一直卡在“最后1米”。要知道，誤差哪怕只有0.1米，定位的精確性也差很多。

于是，編制一套高精度衛星定位的核心算法，成了郁文賢團隊的“一號課題”。自打1993年從國防科技大學畢業，郁文賢就一直從事數據融合與目標識別技術研究，他參與、領銜的科研課題和國家項目幾乎都與導航技術相關。“還記得研發北斗一號衛星時，得專門制造一個超大的機柜來接受并處理衛星信號，每次要花很長時間；而現在，處理萬級平方米的數據，1分鐘都用不了。”

郁文賢團隊提出了基于載波相位的多模多頻單點定位、結合運動情景感知的多源信號融合定位等算法，有效提升了高精度定位產品的應用性能。

此外，團隊還研制出面向軍用手持/車載終端的低功耗、高靈敏度、高集成度的高性能多模衛星導航基帶芯片，實現軍用導航領域核“芯”產品國產化；高精度板卡實現核心部件國產化，性能位居國際前列……

郁文賢從北斗一號開始參與研制，現在已是第三代北斗衛星了。就在不久前，北斗導航系統副總設計師楊元喜透露，今年我國將發射6至8顆北斗三號衛星。到2020年，我國將建成由40顆衛星組成的北斗衛星導航系統網絡，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導航和授時服務。

“這意味著，如果在路上開車，可以精確到你在哪一根車道；即使在室內，通過多種傳感器技術的融合，也可知道你在哪個房間、坐在哪張桌子前。”團隊成員、上海交大上海北斗導航與位置服務重點實驗室的陳新告訴記者，通過建立行業領先的標準化快速室內地圖采集與建模工藝，建圖效率提高一倍。“掃地機器人在室內掃一遍就可以自主建圖，避開室內的各種障礙物了。”

全產業鏈創新

打贏導航產業的爭奪戰，單有先進的算法不夠，還要有先進的芯片制造業和完善的產業鏈才能實現。

通常，高校的特長是破解原理性問題，解決基礎研究到應用型基礎研究中的技術難題，而要將技術實現，則需要產業來對接。當郁文賢團隊的高精度、高可靠性核心算法有所突破時，面臨的最大難題就是，要將這一算法用于星載芯片上。

為了驗證郁文賢團隊這一算法的可靠性，2009年，上海專門成立衛星導航產業技術創新聯盟，由政府持續進行投入，產學研由此成為一個有機整體。國家相關部委和上海市政府為課題組配套支持了“長三角衛星導航應用示范工程—上海智慧城市北斗綜合應用示范工程”等重大科技專項。

“衛星導航的競爭，說到底是導航產業的競爭。”郁文賢告訴記者，整個協同創新團隊中，除了交大，還有上海產業技術研究院，以及微系統領域、芯片制造領域、導航領域等的7家企業。有了這樣的研發構架，項目才能取得豐碩成果。與此同時，上海的芯片設計、制造和封裝行業在國內一直處于領先水平，也使得團隊的科研成果能夠最終走向產業化。

在解決了核心算法、基礎產品和特色應用等“卡脖子”的技術難題之后，郁文賢說，項目在北斗導航領域實現了全產業鏈創新，提升了上海在衛星導航領域的創新競爭力與國際影響力，推動上海北斗導航領域的產業集聚，為上海建設具有全球影響力的高精度導航位置服務技術創新中心和新興產業策源地奠定了重要基礎。

特別是近兩年來，通過實施長三角衛星導航應用示范工程，上海的北斗導航產業能級達到了一定高度，已建立重點車輛監控、大眾位置服務、社區校正監管、智能公交和航運、高精度服務、WiFi室內定位等六大系統，完成78275臺套北斗終端部署；建成了北斗導航與位置服務重點實驗室、北斗產品檢測認證中心、中國北斗產業技術創新西虹橋基地三大產業支撐平臺。2016年10月10日，上海北斗導航創新研究院又宣布成立，集聚科技、投資、管理三方面專家，在為企業提供公共支撐環境的基礎上，開拓市場化業務，助力北斗導航產業能級提升。

未來市場：北斗化

北斗，過去是中國人夜空下的指路“明燈”；如今是我國自主建設、獨立運行的全球四大衛星導航系統之一。在上海，它已經成為響當當的科創“明星”。

盡管我國北斗系統比美國GPS系統晚了約20年才起步，但在GPS占有95%民用市場的情況下，自主創新的“北斗”不借助外界輔助定位，就實現米級定位精度，其“生態系統”和全產業鏈正在加速滲透生產生活的方方面面。作為特等獎項目第一完成人，郁文賢教授自信地說，未來市場一定是北斗化，而非GPS化。

令郁文賢團隊自豪的是，“兩彈一星”元勛科學院孫家棟院士以及沈榮駿、劉經南、龔惠興等院士對項目成果給予高度評價：“在整個衛星導航產業鏈形成了具有國際先進水平的自主核心技術競爭力。”截至目前，項目共申請中國專利69項，其中已授權發明專利27項，并申請國際專利2項，參與起草行業標準1項。項目成果整體技術達到國際先進，在高可靠高精度定位算法、多模多頻CMOS射頻芯片設計、低成本室內高精度快速制圖等方面達到國際領先水平。

核心技術的突破，有力支撐了產業的快速發展。目前，上海西虹橋的北斗產業園內已有100多家與導航相關的企業入駐，涵蓋上游技術研發企業和北斗系列產品用戶企業。

通過這一協同創新平臺，項目成果得到了廣泛應用：基帶多模導航芯片軍用板卡采用率超過40%；國產高精度板卡市場占有率超過70%，并遠銷海外70多個國家和地區；北斗車載終端已在宇通客車等國內主流車廠采用，在國內商用車前裝市場占有率達30%以上。

3年來，上海導航產業的增長率保持在30%以上，新增直接產值16.4億元，帶動間接產值約100億元。項目沿途還孵化出了4家新三板上市導航企業；3月21日，“華測導航”在深圳創業板上市，成為上海第一家上市的導航相關企業。

“未來，我們將探索北斗導航與遙感、GIS（地理信息系統）、大數據等多類技術的深度融合，發展我國欠缺的智能導航飛控、智能感知等無人機核心技術。”郁文賢說。