國之重器

2020年6月23日9時43分，

我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，

成功發射北斗系統第55顆導航衛星，

暨北斗三號最后一顆全球組網衛星，

這標志著自1994年啟動的北斗衛星導航系統全部建設完成。

至此，北斗三號全球衛星導航系統星座部署比原計劃提前半年全面完成。

北斗衛星導航系統是什么

目前，全球有四大衛星導航系統，分別是美國的全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS），俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GLONASS），中國的北斗衛星導航系統（Bei Dou Navigation Satellite System，簡稱BDS）以及歐洲的伽利略定位系統（Galileo Satellite navigation system，簡稱GALILEO）。北斗衛星導航系統作為全球四大衛星導航系統之一，是我國國家戰略基礎設施之一，北斗衛星導航系統也是中國第一個為全球提供公共服務的衛星導航系統。其組成結構包括空間段、地面段和用戶段三部分，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供米、分米、厘米級實時定位，具有高精度、高完整性和高可靠性。除此之外，它還能提供衛星增強、基礎測繪、短消息通信、國際搜索救援和精確點定位等多種服務，北斗衛星導航系統將三個不同的軌道（中地軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道）集成在一起，使其具備更高的服務信號精度和更強的抗干擾能力。

北斗衛星導航系統組網完成后，它能在哪些方面服務于我們普通大眾呢？未來又將會在哪些領域一展身手呢？聽聽3位專家怎么說。

專家簡介

丁永祥

南方衛星導航總經理助理、副總工程師，從事北斗高精度導航定位終端研發和一線應用近20年。其團隊主要研究的是高精度衛星定位的技術應用，主要分為三部分，第一是地基增強，第二是關于結合地基增強的高精度終端，第三是基于地基增強和高精度終端而展開的行業應用，例如，測繪領域以及電力、水利等領域的應用。

孫中亮

深圳華大北斗總經理，從事衛星導航定位芯片的研發，研發了全球首個支持北斗三號信號的多系統、多頻、高精度SoC芯片，創立“北斗芯片開放平臺”，并成功實現雙頻北斗芯片在智能手機的首次規模化商用。他的父親是中國第一顆人造地球衛星“東方紅一號”技術總負責人孫家棟，是業界公認的中國的“衛星之父”。孫中亮所在的機構是隸屬于中國電子信息產業集團有限公司的專業衛星導航芯片研發機構，研發自主可控的基于北斗導航定位的芯片。

程鵬飛

中國測繪科學研究院院長、黨委副書記。1980年9月—1987年6月，就讀于同濟大學測量系，先后獲學士、碩士學位;1995年10月—1998年9月，獲得奧地利政府獎學金，就讀于奧地利格拉茲技術大學，并獲博士學位。“全國十大測繪科技創新人物”、國家863計劃地球觀測與導航技術領域專家組成員、“新世紀百千萬人才工程”國家級人選、國家測繪地理信息局科技領軍人才，享受國務院政府特殊津貼。長期從事大地測量基準與衛星導航定位的科研工作，主持和參加了50多項國家級和省部級重大科研項目。

實時動態定位——北斗RTK 1

衛星定位的終端，精度可達到毫米級

科協頻道2：對于普通公眾而言，北斗RTK是什么？它的作用、應用領域有哪些？

丁永祥：說到北斗RTK，大家可以把它理解成手機導航，它和手機上的定位最大的區別就在于精度的不同，手機的定位精度可以說在10m、20m或者50m的范圍內，而北斗RTK的精度可以達到厘米級，乃至毫米級，這是最大的區別。我們可以理解成它和手機定位的精度不同，它具有高精度的特點。

北斗RTK應用最多的是測繪相關領域，包括建筑、修路、市政維護巡檢等方面，當然，其他相關的專業和行業也會用到高精度的北斗RTK。

使用范圍廣，全天候作業

科協頻道：能否用幾個關鍵詞來總結北斗RTK的技術優勢和創新點？

丁永祥：北斗RTK的優勢主要體現在空間可用性和時間可用性兩個方面，相對于以前來說，北斗RTK的空間使用范圍更廣。從時間方面來看，以前的衛星定位在一天的部分時段無法使用，而北斗RTK則能在全天候都保持非常好的效果。這是北斗星座的影響。而對于接收終端而言，做的比較多的是基站和相關的硬件的研發，包括軟件的算法研發，提升作業效率。

前期調研和研發難度較大

科協頻道：請您揭秘一下北斗RTK研發制造的關鍵流程。

丁永祥：北斗RTK研發制造過程，大致分為四個步驟：第一，對市場需求調研的分析，也就是市場部的職能。第二，研發部門的研發設計。第三，生產環節。第四，檢測和質量品控環節。最關鍵的環節，應該是前期的調研和難度最大的研發階段，也就是這兩個階段的緊密配合，使工業化大規模生產成為現實。

高精度且應用廣泛，緊扣基礎研發和市場需求

科協頻道：您和團隊在北斗產品自主研發上擔當急先鋒，掌握了一系列核心技術。還有哪些和公眾密切相關的研究成果？您覺得在科研工作中如何才能實現創新？

丁永祥：北斗RTK是測繪類的裝備工具，和大家日常的關系并不大。如果講到智能駕駛和工業物聯這兩個概念，大家會比較容易理解，智能駕駛也好，工業物聯也好，特別是智能駕駛，是離不開高精度位置服務的，它必須有一個高精度的位置，當然還要結合其他的傳感器，包括影像和激光等，GNSS是其中重要的一個環節。

應用領域從目前的發展來看，應該說越來越廣泛，特別是高精度應用。 RTK屬于高精度位置服務的一部分，在發展過程中向小型化、智能化、低功耗的方向發展，支持未來越來越多的應用。

創新包括兩個方面，一個方面是在這個行業的從業者，根據技術的發展，引領變化帶來創新。另一個方面，我們要結合客戶的需求，追求生產效率，只有提高效率，創新才有意義。總的來說，我們比較側重于基礎研發，以及通過市場需求來驅動我們研發的進程。

北斗衛星導航系統的“中樞”——SoC芯片

芯片研發的重要性和技術難題

科協頻道：您和團隊研發了全球首個支持北斗三號信號的多系統多頻高精度芯片，請您介紹一下該芯片的自主研發的歷程以及該芯片具有哪些優勢？

孫中亮：我們團隊經過大家共同的努力，完成了全球首顆支持北斗三號信號體制的雙頻、基帶和射頻一體化SoC芯片，這個我要特別強調，我們可以自豪地說，這是首顆支持北斗三號自主衛星導航信號體制的高精度SoC芯片。芯片的研發成功標志著國產的衛星導航芯片進入到了新的領域。說到芯片，可能這幾年芯片從一個小眾的、比較專業的領域，開始進入到大眾生活中，因為無論是國家政策、產業的發展，還是日常工作，越來越多地提到芯片的應用。在國際大的環境下，我們也切身體會到芯片作為制造業，或者是技術領域一個核心的、底層的技術支撐，是不可或缺的。因為芯片成為卡脖子的瓶頸，大家可能越來越關注到芯片。

通過媒體的宣傳，我們日常也感受到，芯片研發還是一個相當有技術難度和需要相當投入的領域。我個人覺得芯片的研發也要從兩個方面來講。一方面確確實實芯片的研發，有它的難度和資金投入的要求，但從另一個角度講，芯片也不是非常特殊的產品，因為我們每個人在上中學的時候都學過由二極管、三極管、電阻和電容組成的電路。實際上芯片發展到今天，芯片的基本原理沒有本質性的改變，我們現在說的芯片，就是傳統的理論技術支撐的二極管、三極管、電阻、電容、電路。那它的難度在哪？芯片的發展從原來的一個個的單品元器件，一個單品的二極管、三極管，發展到今天之所以叫芯片，實際上它是小型化了，工藝上的要求就越來越高。而工藝上的要求涉及到方方面面，不僅僅是芯片，包括了原材料，包括了各類工作母機，包括激光、切割等設備的高精度要求。所以，芯片的難度應該是綜合技術的體現，不僅僅是芯片研發這一個方面。

所以，從這個角度講，芯片的研發難度大，跟原來整個國家在這個領域的技術基礎有關系。另外，隨著芯片面積越來越小，研發難度的增加，主要體現在工藝要求上，而工藝要求越來越高以后，會造成資金的一次性投入很大，從這個角度來說，也造成芯片研發的難度越來越大。

另外，芯片的研發周期隨著工藝要求的提高，時間也越來越長。一顆芯片，像導航定位芯片，平均研發時間應該是在兩年甚至更長一點，手機芯片研發大概也是2～3年的研發時間。這樣一個長周期，主要投入是人力投入，是高技術人才的投入。這樣一次性的投入，周期非常長，這跟我們原來產業技術發展的邏輯不是特別一樣。我們原來的制造業，大家都知道，可能投入兩三年就要求回本，這樣實際上也是增加了芯片投入難度。

基于這樣幾個要素，在芯片這個領域，我們也認識到它所面臨的困難。這個困難是綜合的，涉及到技術，涉及到工藝，也涉及到資金投入，還涉及到人才的組織。一方面，我們需要關注和跟蹤全球前沿的技術發展。另一方面，我們需要有效地組織起一批高技術人員，這里我要特別強調高技術人員是方方面面的，比如說，有基帶技術人員、射頻技術人員、SoC技術人員、物件算法的人員等，還有配套的包括測試，包括產品的規劃發展方向等。從這個意義上來說，芯片的研發既是高技術，也是一個細流程，同時還是資金密集投入的產業。

在這里，應該說說芯片行業要學習的榜樣，大家都知道，華為在國內，甚至在全世界還是非常超前的。另外，我們國內還有一些，包括我們同行也在芯片的投入上做得更早，項目也更好，也是我們學習的目標。從這個角度講，我們進入芯片領域更多是基于國家和整個社會產品、行業發展的階段，在集團以及投資人共同的決策和推動下，我們進入這個領域。經過3～5年，我們還算這個領域的新兵，剛開始嘗試。這其中我們也走了不少的彎路，也交了不少的學費，但是這條路的發展方向應該說沒有錯。我們還需要在這個基礎上堅持下去，在國家政策以及行業需求的支持下繼續努力，力爭在國產芯片領域作出一點我們這個時代人應該作出的貢獻，為我們國家產業的全面發展打下堅實的核心技術的基礎。

導航定位芯片將廣泛應用于物聯網領域

科協頻道：目前，雙頻北斗芯片已經實現了在智能手機的首次規模化商用，未來還可能會應用于哪些行業或者領域？

孫中亮：這里要特別說明一下，雙頻SoC芯片專門有一個窗口的機遇，我們配合像聯想這樣的大型IT產業集團，實現了在聯想手機的應用，這是我們的一次嘗試，也是國產手機在行業里應用的嘗試。我們要特別說明一下，它不是最終的方向，或者說是唯一的方向，應該講作為專業的導航定位芯片，它更廣泛的應用是在即將到來的物聯網領域，包括物流、電商、車聯網等。可以這樣講，手機實現了什么？在互聯網時代的人人相聯，而物聯網的到來，將實現物聯網里的物物相聯。

所以，我們要認識和理解，手機只是作為導航定位領域里的嘗試。高精度定位下一步更加廣泛或者說最主要的應用是物聯網應用，在物聯網的應用里，導航定位可以說是物物相聯里的基礎設施。比如，我們通俗地講，就像我們蓋一座房子，蓋一個高樓大廈，導航定位起什么作用？像建一個房子所需要的鋼筋水泥一樣，它是基礎標配。

自身能力與戰術策略結合，眾人拾柴火焰高

科協頻道：北斗芯片開放平臺的創立，它的背后有什么樣深遠的意義？

孫中亮：芯片開放平臺稍微展開一點講，我們現在幾乎人人都有手機，疫情期間，進入公共場所或者是進入樓宇要掃碼，健康安全碼。健康安全碼的底層技術，就是通過每人手持的手機里的定位信息，來跟蹤了解這個人在之前14天到訪的地方，這就反映了導航定位是一個核心的基礎配置。我們也不回避，在導航定位這個領域里，我們國家的基礎技術還是追趕者，北斗的建立使我們能夠有后來居上的可能，向技術的前沿領域發展和趕超。

在這個基礎上，我們在追趕的過程中，一方面，我們要強化自身的能力，但另一方面，我們也要采取一些策略、戰術動作。手機就是很典型的案例，大家知道現在手機已經基本上形成兩大陣營，一個是蘋果的ios系統，它是一個封閉的系統，蘋果發展比較早，有一個完整的封閉的生態環境。另外，就是以谷歌為代表的開放的安卓系統，安卓系統體現了它巨大的后發優勢和生命力，到目前為止，這兩大系統可以這么說，二八法則，蘋果的ios占了80%的市場利潤，但是市場占有率大概是20%左右;安卓的開放系統占了80%的市場，但只有20%的利潤。

那么，從這個角度能夠體現出開放平臺巨大的生命力，我們作為衛星導航領域的追趕者和趕超者，要充分意識到我們所處的階段，它的有利方面和不利方面。他山之石，可以攻玉，別人成功的經驗也值得我們借鑒。我們推動的北斗芯片開放平臺，就是安卓開放平臺的成功的發展經驗，所以我們通俗的講法是，這有點類似于北斗芯片的類安卓系統。我們講發展自主的北斗系統，通過國產化的北斗芯片，提供一個開放的生態環境，使更多的有志于從事導航定位的人，能采用北斗的信號體制和技術系統。通過開放的平臺，使更多的人能夠在這個系統上開發、定制有行業特色和自身特點的產品，這就是所謂的“眾人拾柴火焰高”。

我相信，如果能推動打造這樣的開放平臺，會使北斗系統能夠更好地體現開放開源系統的特色，發揮后發優勢，能夠實現追趕和超越。這就是我們提供北斗芯片開放平臺的基本初衷。

實現精準農業的普及化，為脫貧致富提供保障

科協頻道：2020年是全面建成小康社會的目標之年，是脫貧攻堅全面收官之年，您所在的領域可能會在哪些方面發力？

孫中亮：精準農業是脫貧致富里非常重要的環節，貧困地區主要還是廣大的農村地區，而農村地區實現精準農業的普及化，實際上是脫貧致富非常基礎的條件保障。2019年10月，我們專門還在貴州做了捐籌，我也親自帶隊，還有北京公司也配合整個集團到貴州臺江，到一線去。我們看到精準農業如果能夠普及化、大眾化應用，對脫貧致富是非常好的技術支撐和保障，而且這個保障不僅僅解決衣食問題，也使脫貧致富可持續、有保障地發展。

精準農業的實現，離不開我們做的導航定位芯片。使精準農業硬件的基礎配置低造價、低功耗，是對實現脫貧致富有幫助的。我們做的高精度北斗芯片的應用目標，就是讓我們國家的大眾化、普及化的農業機械在精準定位上能夠實現標準化。這個稍微解釋一下，應該說精準農業在西方高端農業機械上已經實現了，但是造價是非常高的，我們不能將它普及到每一個脫貧致富的縣城。但是，我們國家的農業機械應該說實現了普及化、低造價的要求。國產北斗導航定位芯片的普及，為精準農業中所使用的農業機械提供了良好的發展方向。北斗高精度定位標配化，為實現脫貧致富打下很好的基礎。

從這個角度講，我相信，基于我們國家自主研發的北斗芯片國產化，實現自主可控的低造價，為精準農業提供完整的解決方案，這也就為脫貧致富的持續完成和保障，提供了最堅實的基礎支撐技術。

高精度高保障——北斗地基增強系統

衛星導航定位基準站，應用于高精度的實時定位

科協頻道：對于普通公眾而言，北斗地基增強系統是什么？它的作用以及應用領域有哪些？

程鵬飛：對于普通公眾而言，北斗地基增強系統就是在北斗衛星導航定位的基礎上，增加地面的基礎設施，也就是我們地面的衛星導航定位基準站。這些基準站從一個既含有原系統，即原來的北斗衛星導航系統，同時，又能使用戶得到更高的定位精度的系統。

通常說來，我們國家31個省市、自治區、直轄市都已經建成了所謂的CORS系統3，這些CORS系統只要具備接收北斗衛星導航定位信號的能力就是北斗地基增強系統，可以這樣理解。

它的作用和應用領域相當廣泛，很難用一句話來說，現在它已經廣泛應用于各類高精度的實時定位，包括在測繪、地方的坐標系的建設維護、各項工程建設、精準農業、航空、交通、導航，甚至還有可能在今后的無人駕駛領域上發揮重要的作用。

它在其他方面也有很多應用，比如，在地震監測、地質災害的監測和短期的氣象預報等方面都有很高的應用價值。

脫密系統保護涉密信息、保障運行安全

科協頻道：北斗地基增強系統運行安全是如何保證的，有什么“秘密武器”嗎？

程鵬飛：因為北斗地基增強系統應用非常廣泛，同時北斗地基增強系統所依賴的基準站的坐標和所連續獲得的檢測數據，里面含有相當多的重要信息。這些信息對國家安全造成了威脅，因此，現在國家主管部門規定，衛星導航定位基準站要進行安全的改造，同時，我國在2017年新修改的《測繪法》也要求要進行安全的運行，要保障安全。

針對這樣的問題，中國測繪科學研究院在前兩年研發了一套對北斗地基增強系統進行脫密的技術方案和軟件系統，這套脫密系統是把北斗地基增強系統里面所含有的涉密信息變成一種非涉密的信息，同時保證這套系統正常運行，使系統用戶得到的服務完全不變，這套系統已經在全國半數以上的省級北斗地基基準站上得到了應用。

精化坐標系，朝著毫米級精度方向發展

科協頻道：您長期工作在科研一線，取得了包括使我國大地坐標系步入世界先進行列的“2000國家大地坐標系”等一系列成果。可否介紹一下我國大地坐標系的發展歷史，它的價值所在，以及您在大地坐標系現代化方面的最新研究內容與成果？

程鵬飛：首先，這些成果都是我的團隊取得的，絕對不是我個人的成果。2000國家大地坐標系建設也有許多老一輩科學家的共同努力，最終在我們這一代將它實現。在實現2000國家大地坐標系之前，我國有兩個坐標系統，一個是五四北京坐標系，一個是西安大地坐標系，這兩個坐標系統都是屬于參心坐標系，不是基于地球質心為坐標系原點的坐標系。

這種坐標系本身精度很差，實現坐標系的技術基本上采用地面的測角測距，光電的技術，沒有采用更先進的技術，應用上也受到限制。而且原來坐標系的原點和現在真正地球的質心相差超過100m的距離。

隨著衛星越來越廣泛的應用，這樣的坐標系不能滿足現在許多行業的需求。因此，我們實施了坐標系的更新系統，建設了2000國家大地坐標系。國家大地坐標系是測繪地理信息，信息采集處理表達的一個數學基礎，沒有這個坐標系，我們就沒有辦法把空間的信息進行表達、分析和展示，所以，它的作用非常大，非常重要。

2000大地坐標系是屬于一種地心的坐標系，已經實現了和國際上的大地坐標系的接軌。同時，它也是要發展的，在坐標系實現之初，我們和世界上最先進的坐標系，是處在同一個等級上，如果相互比對，也只有幾厘米的差異。

今后，隨著觀測精度、手段的提高，我們針對國家大地坐標系還要做進一步精化，使得我們的坐標系朝著毫米級精度方向發展。目前，我們的團隊已經自主研究提出了非線性的分析方法，這些非線性的方法，將有助于我們實現毫米級的坐標框架。

科研實現創新需要人才、資金、環境相結合

科協頻道：您被評為全國十大測繪科技創新人物，作為測繪領域的專家，您覺得在科研工作中如何才能實現創新？

程鵬飛：這個題目很大，科研實現創新確實是很難。第一是人，人是創新的主體，要有優秀的人才進入到創新團隊，同時這個創新團隊也要給人才發展提供良好的環境。第二是財，搞科技創新要有足夠的經費來支撐，因為科研活動是一項高級的人腦智力活動，而且這個活動過程中很難說一直都是成功，沒有失敗，所以成本也很大。第三是環境，就是國家對鼓勵科技創新的政策環境、保障環境。現在，我們國家處在一個非常好的科技創新的發展期。

抗疫“先鋒模范”案例

科協頻道：您所在領域的科研成果是否有其他的應用于抗擊疫情的案例？

丁永祥：說到北斗RTK高精度產品對于疫情的貢獻，之前大家在新聞中可能也接觸過，在建設雷神山醫院的時候，我們的產品也為雷神山醫院添磚加瓦，作了一些貢獻，土方、測量等相關的工作都有參與其中。

孫中亮：這個問題很有典型意義，在疫情期間，確實大眾生活和經濟、工業產業受到非常大的影響，這個影響從現在看來，不僅僅是在中國，已經是發展到全球了。正是因為這樣一個情況，國家迅速推出了“新基建”支持扶持政策，為疫情之后的產業復蘇提供堅實的支撐。

整個環境中，如果往深層看，整個“新基建”七個方向，實際上，導航定位是整個項目發展的標準建設，也就是說定位信息是基本屬性。從這個角度講，整個導航定位芯片對于抗擊疫情，我們提供了技術，可能沒有單獨的，但是幾乎在所有的裝備，比如說，溫度測試，實際上越來越多的程序把位置信息作為標準配置。

從這個角度就能側面反映出來，導航定位在疫情的防治、跟蹤、管控以及疫情結束以后，升級完善智慧城市的組織和管理，基本上是不可或缺的剛性的要求。

程鵬飛：我了解這是肯定有的，我說兩個應用的例子。

第一，我們研究院有一個部門是專門為國務院辦公廳提供信息化服務的，這個部門已經為國辦提供服務20多年了，現在我們為國家提供情況的統計，實時的統計分析。

第二，我們研究院也為一些地方政府做了一些信息化的系統，比如，我們研究院為湘西自治州開發的國地通一體化時空公共服務平臺，這個平臺不僅為公眾提供包括吃、住、行、交通等日常服務，而且在疫情期間也提供了許多的疫情信息、災情信息和防控方面的服務。

（采訪：婁貞）