劉暉：為“北斗”開辟新的曠野

杜月嬌

千百年來，時空信息一直是人類認識世界、改造世界、進行社會活動的重要信息。特別是在今天的信息化社會中，約80%的信息都與時間和空間有關(guān)，位置數(shù)據(jù)的精準性越高，能夠幫助用戶解決的問題就越多。自動駕駛、AR/VR、智能機器人的出現(xiàn)，更是催生出對精準位置數(shù)據(jù)的大量需求，對時空的感知分辨率提出了更高的要求。在此背景下，能夠為全球用戶提供全天候、高精度的定位、導航和授時服務的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施——“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）應運而生。

2020年7月31日上午，“北斗三號”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面組網(wǎng)。

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成的背后有這樣一個身影，他是中國第二代衛(wèi)星導航重大專項“北斗”接收機通用數(shù)據(jù)國際標準推進工程的負責人，作為負責人為全國80%省級衛(wèi)星導航基準站網(wǎng)及眾多城市基準站網(wǎng)的建設(shè)提供了技術(shù)支持，有力地推動了我國“北斗”衛(wèi)星導航基準站網(wǎng)的建設(shè)，為“北斗”衛(wèi)星高精度定位技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)，他就是武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(shù)研究中心教授劉暉。

時間的玫瑰

和那些從本科到博士按部就班的科研工作者不同，劉暉本科畢業(yè)后直接選擇了工作，這一干就是整整9年。劉暉先后在全國城市測量GPS應用研究中心、國家光電測距儀檢測中心和中國測繪科學研究院大地測量研究所擔任助理工程師、工程師。

“我那個時候?qū)W習成績很一般，考研三次都失敗了。”劉暉很感謝自己的導師劉經(jīng)南院士，在這9年的工作生涯里，他時常和劉老師交流工作中的困惑，劉老師則一直鼓勵劉暉要繼續(xù)學習，不能放棄讀書的機會。

2000年，按照教育部等的規(guī)定，劉暉以研究生同等學力參加了博士入學考試，多年的堅持沒有白費，他如愿地進入了武漢大學。

劉暉至今還記得，正在備考的他跟著團隊前往包頭進行野外測繪，零下二十幾度的氣溫里，他裹著軍大衣一邊看著設(shè)備一邊埋頭看書。“不能輕易放棄是我那個時候唯一的念頭。”劉暉說，要想工作以后再回爐讀書，需要很堅韌的信念才行，因為自己的時間成本遠遠大于那些本科畢業(yè)之后直接考上研究生的人，一步落后步步落后，這個時候只能破釜沉舟。

劉暉指導學生

付出的艱辛太過深刻，也因此，劉暉在博士期間倍加努力。令他尤其難忘的是針對連續(xù)運行參考站（CORS）的理論和技術(shù)進行的原創(chuàng)性研究。“那個時候，我做的是現(xiàn)在云計算的雛形，將衛(wèi)星定位從單純的靜態(tài)測量變?yōu)閯討B(tài)的測量。”現(xiàn)在，劉暉拿出一個手機或者一個裝置就能很快得到精確的位置信息，但是在20年前，如果想要一個精確的位置信息，則需要觀測幾個小時甚至幾天的時間。

所以為了讓靜態(tài)的測量轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r的動態(tài)測量，并且大幅度提高原有測量的精度，就需要一系列的基礎(chǔ)建設(shè)，用劉暉的話來說就是建參考站。他將網(wǎng)格、服務科學、計算機網(wǎng)絡等理論和方法運用到衛(wèi)星導航與定位領(lǐng)域內(nèi)，首次提出了CORS體系結(jié)構(gòu)、服務質(zhì)量等概念并建立模型，提出了系統(tǒng)設(shè)計、測試等關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案，其有效性在實踐中得到了充分驗證。

目前，劉暉提出的CORS體系結(jié)構(gòu)已具有規(guī)模大、服務實時性強、定位精度高的特點，CORS系統(tǒng)的建設(shè)已成為國內(nèi)乃至世界GNSS的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢。它不僅能夠建立和維護城市測繪的基準框架，而且能夠全自動、全天候、實時地提供高精度的時間和空間信息，成為區(qū)域規(guī)劃、管理和決策的基礎(chǔ)，也能夠提供差分定位信息，拓展了交通導航的新應用。“我們做的事情實際上是屬于支撐城市建設(shè)的領(lǐng)域，為老百姓的生活帶來便利，比如說出行、智能交通、物流等，未來都會成為智慧城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。”這也是目前正在建設(shè)的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)地基增強系統(tǒng)的工作內(nèi)容。

9年的工作生涯和6年的博士生涯，讓劉暉這樣一株不起眼的“野生玫瑰”，淬煉成耀眼的一枝獨秀，這是時間贈予他最好的禮物。

“北斗”國際標準

博士畢業(yè)后，劉暉進入武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(shù)研究中心工作，他主持了全國80%在建和已建省級系統(tǒng)的技術(shù)支持工作，以及眾多城市系統(tǒng)的建設(shè)工作，有力地推動了我國參考站網(wǎng)的建設(shè)。除此之外，劉暉最重要的工作是將“北斗”寫入國際標準。

接收機國際通用數(shù)據(jù)標準是由專業(yè)國際組織制定，與全球衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。它主要包括國際海事無線電技術(shù)委員會（RTCM）的標準，國際航海電子協(xié)會（IMEA/NMEA）的標準，國際全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務（IGS）的標準及其與RTCM聯(lián)合制修訂的標準，這些標準涉及各類民用GNSS接收設(shè)備，可以說，幾乎所有的通用GNSS終端設(shè)備都會支持上面的一種或幾種標準。

那么寫進國際標準的意義又是什么呢？在劉暉看來，有三個意義。第一，標準是國際市場的通行證。如果“北斗”缺位國際標準，國產(chǎn)接收設(shè)備就無法進入國際市場。“對于國內(nèi)的衛(wèi)星導航終端的產(chǎn)業(yè)和系統(tǒng)服務商來說，標準是不可或缺的。”其次，在各個國際標準里加入“北斗”的相關(guān)內(nèi)容，對中國走出去是非常重要的助推力量。第三，加入國際標準是國家衛(wèi)星導航技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

2012年，我國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供服務。2013年9月，在RTCM的第104專業(yè)委員會（RTCM SC-104）年會上，“北斗”系統(tǒng)工作組（BDS WG）成立，武漢導航院韓紹偉博士擔任該工作組主席，劉暉擔任副主席。RTCM SC-104是專門負責差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)協(xié)議（DGNSS）、接收機數(shù)據(jù)自主交換格式（RINEX）等標準制訂和修訂的專業(yè)機構(gòu)。

“我的主要工作就是把‘北斗’相關(guān)的一系列數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)差分等內(nèi)容寫進國際標準里，然后推動國內(nèi)的廠家向國際標準靠攏，使用戶用不同的終端都能得到‘北斗’的有效服務。”劉暉知道，在沒有統(tǒng)一標準的情況下，廠商對“北斗”系統(tǒng)信號中NH碼符號規(guī)則的理解各異，不同廠商之間、不同接收機廠商與軟件廠商之間，以及在參考站系統(tǒng)服務中，都存在著精密數(shù)據(jù)處理失敗的問題，許多用戶將其歸結(jié)為BDS信號質(zhì)量差、衛(wèi)星分布不好等系統(tǒng)原因，從而損害了“北斗”系統(tǒng)的聲譽。所以BDS WG的成立，為我國專家提供了一個向國際社會澄清的機會，“北斗”高精度應用中出現(xiàn)的服務故障、系統(tǒng)兼容性差等問題，并非“北斗”系統(tǒng)本身所致。經(jīng)協(xié)調(diào)，BDS WG的建議被各大接收廠商采納。

經(jīng)過整整7年的不斷突破和創(chuàng)新，劉暉秉承著“從技術(shù)出發(fā)去論證，用標準的語言去對話”的理念，帶領(lǐng)BDS WG開展了一系列卓有成效的工作，極大增強了全球用戶對“北斗”高精度應用的信心。

2020年11月，國際民航組織導航系統(tǒng)專家組第六次全體會議（NSP/6）以網(wǎng)絡會議形式召開。會上，由民航局空管辦和中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室共同組織的“北斗”國際民航組織標準化工作團隊成功推進完成了“北斗三號”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全部性能指標的技術(shù)驗證工作，這標志著將“北斗”系統(tǒng)正式寫入國際民航組織標準的最核心、最主要工作已經(jīng)完成。

熱愛與前行

“我很早以前就很喜歡旅行，考大學的時候，我家在北京，但我就是想去外地讀書，因為看到火車就想到旅行，很開心。”劉暉回想起23年前選擇武漢測繪科技大學（現(xiàn)為武漢大學）的初衷，這可能就是刻在他骨子里熱愛行走的人類基因。

事實上，劉暉對旅行的喜愛，一直持續(xù)到了今天。“兩年前我剛好在美國鳳凰城開會，開完會抽了幾天的時間，前往美國大峽谷的谷底，來了一次25公里當天來回的徒步旅行。”

每年有300多萬人來到大峽谷國家公園，但其中99%的人都是坐車來這里，他們無法知道谷底的美麗景色，只是下了車拍幾張紀念照片、買幾件T恤就走了。而劉暉選擇徒步穿越，身臨其境去體驗。

這是一段25公里長、下1750米、上1500米的路程，他一天就走完了。“往返差不多10個小時，沿途沒有水和食物補給，所有東西都必須自己背，非常鍛煉人的體力和毅力。我覺得這種親近大自然的活動非常棒。”

當劉暉來到峽谷深處的火山口時，他能看見巖層接近彩虹的顏色，非常醒目。蜿蜒的科羅拉多河通過漂亮的絲帶——高30公尺的瀑布，在微風中向他招手示意。而當劉暉到達底部，仰望的時候，他又會覺得自己像螞蟻一樣渺小。

這是很多人一生都無法體會到的絕美風景。就像參與“北斗”的建設(shè)，推進“北斗”寫入國際標準，這也是很多人無法觸碰到的研究工作。但對于劉暉來講，他看見了美國大峽谷的絕美風景，也觸碰到了“北斗”背后最重要的工作。

劉暉不會停滯不前，就像他喜歡的旅行要keep going（繼續(xù)前行）一樣，他還有很多事情沒有做完。帶學生和做科研仍然是他今后人生中最重要的兩個部分。

“對于碩士，我希望他能解決別人提出的問題；而對于博士生，我希望他能自己提出并解決問題。”劉暉對不同階段的學生有著不一樣的要求，同時他也希望學生的性格是開朗的，有很強的抗壓能力，這樣才能在科研過程中孜孜不倦，持之以恒。

劉暉一直認為導師的作用并不完全是教授知識，更重要的是教授方法和做人之道，同時提供機會，開闊學生的視野。“疫情之后，國際會議就很少了，但我還是會督促他們?nèi)⒓訃鴥?nèi)的行業(yè)大會，比如成都的導航年會，多去交流才有意義。”

除此之外，劉暉每周都會和學生開組會進行匯報，關(guān)心學生的研究方向，同時調(diào)動學生參與實際工程項目的積極性，培養(yǎng)學生的動手能力。當然學生的心理方面也不能忽視，“我辦公室旁邊就是學生機房，我經(jīng)常去學生機房看看他們的狀態(tài)，狀態(tài)好了我就會很放心”。

目前“北斗”系統(tǒng)正式寫入國際民航組織標準的最核心、最主要的工作已經(jīng)完成，其他未完成的部分也在有條不紊地進行中，劉暉將繼續(xù)跟進這部分的工作。“我們現(xiàn)在研究的是地面，未來還想把多GNSS融合導航定位理論與算法研究等諸多技術(shù)，發(fā)展到深空、海洋，做相關(guān)的高精度定位，基于我們現(xiàn)在的國際標準，做出相關(guān)的產(chǎn)品來，是我們研究中心下一步的方向。”

劉暉的導師劉經(jīng)南院士提出，“北斗”是一種賦能技術(shù)，通過與其他技術(shù)的融合，“北斗”為這些技術(shù)賦予時空新功能，使這些技術(shù)升維增效，隨著時代發(fā)展，其未來應用有極大的想象空間。如果能實現(xiàn)“5G+北斗”融合和相互賦能，將有大量的機遇，能產(chǎn)生顛覆性的技術(shù)，能創(chuàng)造跨世紀的輝煌。這是一個更加廣闊的、更激動人心的新領(lǐng)域，劉暉將帶著熱愛行走的人類基因在這個新的領(lǐng)域繼續(xù)前行和探索。