姚 錚：堅持“頂天立地”的導航信號處理研究之路

◎ 文/傅雙橋

2018年2月1日，清華大學電子工程系副教授姚錚博士被美國導航學會授予2017年“早期成就獎”，以表彰他在衛星導航信號設計和多路復用方面取得的開創性貢獻以及對中國北斗衛星導航系統信號設計的重要推動作用。

美國導航學會是世界導航領域規模最大、影響最廣的非贏利性學術組織。該學會成立于1945年，七十多年以來一直致力于推動定位、導航和授時（PNT）科學及技術的發展，會員遍布全球50多個國家，涵蓋航天、航空、航海和陸地定位、導航與授時的各個方面。早期成就獎于1997年設立，是美國導航學會針對35歲以下青年學者在國際導航領域設立的最高獎，至今共有22位獲獎者，他們中的大多數人都已經成長為國際知名學者，其中包括GPS現代化信號的主要設計 人、GPS廣 域增強系統（WAAS）的主要貢獻者，以及現任美國導航學會主席等等。姚錚博士是獲得該獎的首位中國學者，也是獲此殊榮的首位亞洲學者。

專注衛星導航，初心不改

姚錚博士2001年入清華大學電子工程系電子信息工程專業學習，2010年獲清華大學信息與通信工程專業博士學位，在清華大學近十年的學習生涯，奠定了他在信息與通信工程領域扎實的理論基礎。

姚錚的科研生涯開始于2004年。那年，還是本科生的他進入實驗室參與科研項目，第一次接觸到了衛星導航這一領域，并由此確立了自己的研究方向，用他自己的話說“十四年來我就在研究一件事，就是衛星導航信號處理”。當時正是我國自主研制的全球衛星導航系統——“北斗二號”規劃建設的時期，無論是衛星導航的學術研究，還是北斗接收機的工程研制，都有很多的問題亟待解決。姚錚后續在清華大學電子工程系免試直接攻讀博士學位期間，深度參與了多項北斗重大專項關鍵技術攻關課題，積累了大量的學術研究和工程開發經驗。憑借著對科學研究的無比熱情，加上持之以恒的努力，他只用了四年多的時間就提前讀完了直博，還獲得了“清華大學優秀博士畢業生”稱號，博士論文被評為清華大學優秀博士學位論文。2010年，姚錚開始在清華大學電子工程系任教，成為一名助理教授。也正是這一年，他正式開始參與北斗三號衛星導航系統的信號設計工作。

服務國家急需，迎難而上

在衛星導航系統的建設中，信號是整個系統的核心和靈魂，是實現導航系統基本功能的載體，其潛在的性能極限決定了整個系統的先天性能。如果導航衛星發射的信號在設計上存在缺陷，即使系統其它環節的設計再完美，整個系統在定位、測速、授時精度等關鍵性能上仍然存在難以彌補的不足。姚錚說，衛星導航的信號設計理論長期以來并未得到學術界和工業界的足夠關注。早期衛星導航系統的信號設計，很大程度上直接沿用了衛星通信的技術。直到近十年來新一代衛星導航系統建設需求的推動，以及出現的一系列問題和矛盾，才讓學術界和工業界真正開始審視衛星導航信號設計的特殊性。

記者了解到，隨著導航應用領域的不斷擴展、服務需求的不斷細化，新一代北斗三號系統的信號數量多，信號結構復雜，而且為了兼顧與北斗二號系統之間的平穩過渡，星上多信號分量的復用難度大，國際上并無先例。信號設計還必須同時兼顧可用頻帶資源的限制、衛星載荷的復雜度和功耗的限制、測距精度和抗干擾能力的要求、接收復雜度的限制、系統之間射頻兼容和互操作的要求，以及后向兼容等需求。需要同時滿足這么多設計約束，就像“帶著鐐銬跳舞”，無論是設計難度還是實現難度都很大，其中一些設計需求甚至當時的現有技術難以實現的。

面對上述技術挑戰和國家建設急需，姚錚選擇迎難而上。“我做科研不喜歡追隨，更喜歡去挑戰一些看似不可能完成的問題。”姚錚說，“但也不是單純為了挑戰而挑戰。科研方向的選擇，既要站到國際最前沿，更重要的是又得能夠服務國家重大需求。”

正是這種探險精神成為姚錚不斷開拓的動力。他原創性地提出了多載波恒包絡復合導航信號的概念，并在此基礎上提出了兩種先進的衛星導航信號結構：正交復用二進制偏移載波（QMBOC）信號和非對稱恒包絡二進制偏移載波（ACE-BOC）信號，解決了導航信號設計在測距性能提升與功率帶寬受限之間的矛盾，而且有效規避了歐美在衛星導航信號體制上的專利封鎖。記者了解到，上述信號均已被北斗三號衛星導航系統采用，正式部署在北斗三號組網衛星上向全球播發。這些信號還被列為北斗衛星導航系統的核心技術之一，并以接口控制文件形式在國務院新聞辦舉行的新聞發布會上向全世界公開發布。相關的3項國際專利也均被列為北斗衛星導航系統核心專利。

在衛星導航信號恒包絡復用理論研究方面，姚錚將恒包絡復用的適用性從單頻雙極性拓展到多頻多極性情況，并建立了統一的恒包絡復用設計理論體系。2016年，姚錚基于自主提出的多頻多分量恒包絡復用設計技術，又為北斗三號組網衛星設計了星上多信號分量復用方案，解決了雙頻多分量復用、單邊帶調制復用、復波形信號的復用等難題。經星地對接測試，該方案性能優異，目前已實施在北斗三號組網衛星上。

讓研究既能“頂天”又能“立地”

在每一個研究方向上，姚錚都始終堅持著做“頂天立地”的科研的態度：技術要走到國際最前沿，同時成果要滿足國家的需求。

2016年，姚錚提出的地基導航系統信號體制解決了北斗地基導航系統的遠近效應問題，并突破了跳時直接擴頻信號高精度相位鎖定、收發一體導航基站的快速組網及時間同步等多項核心關鍵技術。基于該信號體制，他帶領團隊研制開發了北斗地基導航系統基站原理樣機，并開展了有線測試和小規模外場測試，測距精度和組網精度指標均達到國際領先水平。2017年，該成果參加了第三屆軍民融合發展高技術裝備成果展，得到中央軍委裝備發展部領導的好評。

在姚錚看來，軟件化是未來衛星導航接收機的變革趨勢。所謂軟件化衛星導航接收機，就是A/D轉換器盡可能靠近天線，全部的導航接收功能都實現在一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺上，各種導航信號的接收、導航算法的實現都使用運行其上的軟件來完成。這樣的架構保證了衛星導航軟件接收機具有很強的靈活性。通過增加軟件模塊，可以很容易地增加新的功能。隨著新系統、新信號、新算法的不斷出現，軟件也可以隨需要而不斷升級。這樣的高靈活性和高可擴展性架構更能夠快速適應衛星導航信號體制和處理方法的迅速發展，保證了軟件接收機本身有很長的生命周期。

在國家高技術研究發展計劃（863計劃）的支持下，2013年姚錚帶領團隊研制成功國際上第一個可同時實時接收處理包括美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略系統、中國北斗系統、日本準天頂導航系統在內的五大系統全部16種民用信號并聯合定位的軟件接收機。并利用該接收機，于2013年5月5日凌晨在中國境內首次接收到在軌的4顆Galileo衛星信號并實現三維定位，不僅驗證了Galileo信號的實際服務精度，還為北斗全球信號設計提供重要參考。成果獲得歐洲空間局（ESA）頒布的證書，并得到中央電視臺新聞、北斗衛星導航系統官方主頁的報道。

將創新和應用進行到底

2016年，姚錚將他多年來在衛星導航信號處理方向上的研究成果與思考心得整理成一本學術專著——《新一代衛星導航系統信號設計原理與實現技術》，由電子工業出版社出版。這是國際上第一本深入系統論述新一代衛星導航系統信號設計理論與技術的學術專著，全面闡述了衛星導航系統信號設計中的基本概念、基礎理論以及各項關鍵技術，并從導航信號的基本要素出發，把信號設計的傳統技術與新發展的先進技術納入到一個通用框架下。姚錚表示，他希望能通過這本書直接將讀者送到衛星導航信號處理相關領域的最前沿去，而且能夠更深層地理解導航信號技術背后的科學問題，從而產生更多創新的思路，貢獻到未來北斗系統的研究和建設中去。這本書由北斗系統前總設計師、“兩彈一星”元勛孫家棟院士，和北斗系統前副總設計師譚述森院士分別作序，入選了“十二五”國家重點圖書出版規劃項目和“北斗系統與應用出版工程”。

十多年來，姚錚專注于衛星導航信號的研究，完成了數項極具開創性的工作，取得了令世界矚目的突出成就。當記者問他為何如此“專一”時，這位在衛星導航信號領域的權威專家靦腆地笑了笑說，“我想一方面是出于興趣，更重要的一方面是出于對國家和社會的責任”。

辛苦得來的研究成果不應束之高閣。“技術要頂天，應用要落地。”這是姚錚始終堅守的科研路徑，他也是這么做的。正如美國導航學會在給姚錚頒發早期成就獎時的頒獎詞所說，“姚錚在衛星導航信號設計領域開創了一個全新的理論體系，不僅完善了這一領域的基礎理論，更值得矚目的是，這一理論成果被應用到了中國北斗衛星導航系統中去。”

對于自己下一步的科研計劃，姚錚想將繼續聚焦在衛星導航信號設計與信號處理上，特別是針對商業航天的熱潮和低軌道小衛星導航的熱點，進一步完善導航信號處理的基礎理論與方法，重點研究空間分離的導航信號結構，力爭實現衛星導航信號的結構從混合、正交到分離的重大突破，把衛星導航服務的覆蓋范圍從室外拓展到室內外一體化，打破半個世紀以來衛星定位系統體制的框架，為未來更具挑戰性的定位導航授時需求提出新的服務模式。