逐夢“北斗星”
——記清華大學電子工程系副教授姚錚

本刊記者 徐芳芳

姚錚被美國導航學會授予2017年“早期成就獎”

2018年2月1日，清華大學電子工程系副教授姚錚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。

早期成就獎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，每年在全球范圍內評選出一名對世界導航科學和技術作出重要貢獻的青年學者作為獲獎人。該獎于1997年設立，至今共有22位獲獎者，而姚錚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。

從事衛星導航信號處理的基礎理論與關鍵技術研究多年，姚錚一直在保持著不忘初心的精神，在這一領域堅定篤行著。與他的會面，更讓記者感受到了這位青年學者身上所散發的謙虛與睿智。走近姚錚，走進他在中國北斗衛星導航系統信號設計中的經歷與故事，一位中國科研人的使命感與責任感盡現眼前。

無問西東 筑夢北斗

“在迷茫時，堅信你的珍貴，愛你所愛，行你所行，聽從你心，無問西東”，電影《無問西東》里的這句話展現了一代代清華人傳承的那種篤定與堅持。而這種堅定的精神在姚錚身上得到了充分的體現。

時間回溯到17年前。2001年9月，姚錚順利被清華大學電子工程系電子信息工程專業錄取，正式成為了一名清華學子，并在這里開始了自己的逐夢之旅。2004年，他憑借優異的成績，獲得了繼續在清華電子工程系免試直接攻讀博士的資格。那一年，姚錚第一次接觸到了衛星導航這一領域，而這第一次的接觸，就結下了他后面10多年里與衛星導航的不解之緣。

彼時，我國的北斗一號衛星導航系統建設剛剛完成，北斗二號衛星導航系統正在規劃建設中。在北斗系統建設過程中，大量的科研問題亟待解決，作為一名青年學子，姚錚認為自己有責任為北斗系統的建設做些什么。在攻讀博士期間，他就參與了多項這方面的技術攻關課題，并在此之中積累了豐富的經驗。憑借著對科研的濃厚興趣與持之以恒的精神，姚錚只用了4年多就提前讀完了直博，并獲得了“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。也正是在這一年，國家啟動了北斗三號衛星導航系統的信號設計任務，姚錚有幸加入到北斗三號的信號設計團隊之中。“我在讀博士期間的研究重點是衛星導航信號的接收處理方法。而信號設計則是信號接收處理的一個反問題。信號接收時考慮的問題是針對現有的信號體制，如何把其潛能最大程度發揮出來。但信號設計考慮的問題則是如何賦予一個信號最大的性能潛力。”姚錚說，“與信號接收處理方法研究相比，這個問題變得更加開放，但挑戰也更多。”幸運的是，之前在導航信號接收處理方面多年的研究經驗給他從事信號設計的研究打下了堅實的基礎。

無懼挑戰 篤行致研

衛星導航系統的構成極其龐大而復雜。在姚錚的介紹下，記者了解到：天上若干顆衛星所構成的導航星座和地面的測控站以及大量的用戶接收設備組成了整個衛星導航系統，而衛星播發的信號是系統和用戶之間唯一的接口。人們在使用手機或者導航儀進行定位的時候，對這個系統的直接感受就是信號好不好用。所以如果信號在體制上存在缺陷，即使系統其他環節的設計再完美，整個系統的關鍵性能仍然存在難以彌補的不足，很可能會影響整個系統產業化的發展。因此把導航信號稱為整個衛星導航系統的核心和靈魂是毫不過分的。

北斗三號衛星導航系統的信號設計，無論是從學術角度還是工程角度上，都面臨著特別嚴峻的要求。隨著導航應用領域的不斷擴展、服務需求的不斷細化，北斗三號系統要播發的信號數量多，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是以設計之初的技術水平難以滿足的。

“以北斗三號系統為代表的新一代GNSS，技術上面臨的主要困境有兩重。”姚錚說，一是頻譜效率與測距精度的矛盾，二是功率效率與服務多樣性的矛盾。進入北斗三號的信號設計團隊后，他就圍繞這兩大難題展開了工作。他發現，如果沿襲傳統的研究思路，單純依靠增加信號帶寬和增加信號數量來提升測距精度和滿足服務多樣化需求，勢必會陷入到“頻譜效率與測距精度不可兼得”“功率效率與服務多樣性不可兼得”的雙重矛盾之中。只有跳出思維定式，尋找帶寬、功率雙重約束條件下新的解決思路和解決方法，才是新一代GNSS信號設計的最佳出路。

“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。”

堅守著這種做“頂天立地”的科研的態度，姚錚提出了多載波恒包絡復合導航信號的概念，并在此基礎上創新性地提出了兩種具體的衛星導航信號結構：正交復用二進制偏移載波信號和非對稱恒包絡二進制偏移載波信號，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。由于性能優異且具有自主知識產權，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。

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。

創新應用 擲地有聲

在姚錚看來，科學研究不應該被束之高閣，它應該是擲地有聲的，能夠真正為國家及社會的發展做出貢獻。而這也是姚錚在研究中一直在踐行的準則。

除了在衛星導航信號設計和多路復用方面的貢獻以外，姚錚在GNSS先進接收機技術以及區域無線電定位導航技術等方面也取得了令人矚目的成就。

基于一系列創新性的信號處理算法和對處理復雜度的優化，2013年在他的帶領下，基于普通的消費電子級PC機和顯卡，團隊研制成功了國際上第一個可同時實時接收處理所有衛星導航系統全部民用信號的實時軟件接收機STARx，并利用該接收機在中國境內首次實現Galileo系統三維定位，獲得歐洲空間局（ESA）頒布的證書。

到目前為止，STARx接收機仍然是可實時接收處理民用信號種類最多的軟件接收機，代表著國際上實時軟件接收機技術的先進水平，并在國內外學術界、工業界產生了很大影響。該成果在后續的北斗信號體制驗證中發揮了重要作用，支撐了多個科研機構的研究項目，并已成功地應用于包括新一代北斗信號的設計與驗證、新一代多系統互用接收機的設計與仿真、信號和信息處理算法的開發與驗證、主要技術指標的測試等方面。近年來，北斗重大專項的多項關鍵技術攻關課題的研究在該平臺上開展，取得了很好的效果。

在陸基無線電導航系統關鍵技術研究方面，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。