北斗卫星导航系统是我国立足于军事、经济和民生发展需要,自主设计、独立运营的卫星导航系统。而对于北斗而言,精确的卫星轨道是它提供高精度定位的前提和保证。从跟跑、并跑到领跑,有一位背后英雄一直陪伴着北斗实现跨越发展。
一起来听“让北斗闪耀星光”的李敏的故事。
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手机导航、物流动态、自动驾驶……现如今,我们的生活已经离不开卫星定位。目前,由于地球上的用户定位主要以北斗、GPS等导航卫星为参考,想要精确获取用户定位,就必须先精准捕捉导航卫星的位置。第27届中国青年五四奖章获得者、武汉大学卫星导航与定位教育部重点实验室副主任李敏,就从事着这样的工作。
眼下,李敏教授及其团队正为一颗即将进入总装阶段的“武大造”新卫星调试相关参数,这一调试软件不仅由其团队完全自主研发,借助此系统,这颗卫星还将在定轨精度上实现“数量级”的突破。
李敏展示调试卫星精密定轨软件系统
在过去相当长的时间里,国产卫星实时定轨精度仅能达到米级甚至数十米量级,想要实现高精度定轨就只能采取反馈速度慢的事后定位形式。如何兼得精度与速度,给卫星每时每刻都找好行进的方向,这是李敏及其团队的工作核心,也是北斗卫星实现精密导航定位的关键。
李敏: “卫星对于用户而言是一个空间基准,亚太地区北斗三号的可用卫星数比GPS多,卫星数越多,我们定位可靠性和精度会增强、会提高。北斗三号的定位精度在不断提高,和GPS相比,很多指标都是领先的。”
李敏介绍北斗和GPS导航卫星定轨精度
2001年,18岁的李敏考上武汉大学。一门名为《测绘学概论》的课程,为他打开了新世界的大门。《测绘学概论》是学院为本科生开设的基础性课程,在多数人的想象中,会是一门寻常且不太有趣的课程。但走进课堂,李敏却吃惊地发现,这门课程的6位授课老师,都是名满天下的院士。
院士们用自己的所知所想,将测绘学的画卷在学生面前徐徐展开,引导他们寻找自己的兴趣所在。徜徉在测绘学的海洋里,李敏最终决定踏上“卫星导航与定位”这片绿洲。
怀揣这样的梦想,李敏努力学习,获得了硕博连读资格。研究生阶段,他进入导师团队开始参与北斗二号首颗中轨道卫星野外观测试验和精密定轨工作。博士毕业后,李敏在武汉大学卫星精密定轨与导航增强团队继续科研,致力于北斗卫星和对地观测卫星精密定轨研究。
作为北斗卫星的使用场景之一,车道级导航的高精度依靠的是北斗卫星定轨的实时和高精度,而想要给北斗卫星做导航,则需要建立一整套跨学科的数学模型。相比于车辆行驶,北斗卫星不仅运动速度极快,飞行过程中还会受到各类引力影响。如何捕捉高速运动中的卫星数据,同时将其受到的各类极微小的力提取出来形成计算模型,在以往,这样的要求只有GPS能达到。
李敏: “一般情况下,我们如果要达到厘米量级的精度,这种干扰的力对卫星的影响,我们要把它计算到1纳米每二次方秒。以北斗卫星为例,在2到3万公里的高度,它的运行速度又是每秒几公里,所以想在这么高动态的环境下,还要把它受到的各种微小的力提出来,这是一个非常难的过程。”
面临着干扰多、计算复杂等卡脖子难题,李敏及其团队从早期针对GPS进行高精度定轨定位研究开始,不断迭代数据模型,仅在北斗二号的技术攻关中,为获得精准数据模型,针对单个影响因素的计算策略迭代就达上千次。
宇宙中的力影响到卫星上,与卫星的本体结构有关,所以每颗卫星必须要针对性的建立它自己的模型,之前的GPS的模型不能直接照搬给北斗用,这是最难的地方。
哪里难,就往哪里去。自2011年在武汉大学获得博士学位后留校起,李敏带领团队陆续研制了多颗国产卫星的精密定轨软件系统,为我国北斗系统高精度应用和下一代规划论证、对地观测卫星高精度测绘遥感做出了突出贡献,而三获国奖也正是这十余年艰苦攻关道路的最好见证。
李敏向香港理工大学访问团介绍研究成果
如今,北斗三号卫星已达到和GPS同等量级的精度,而此刻,李敏及其团队的研究成果,正持续守护着中国航天事业的璀璨“星光”。同时,凭借稳定、可靠、精准的的数据,他们还成立了国际卫星导航服务组织IGS武汉大学数据中心,以站在世界权威前沿的姿态,点亮青年星光。
李敏介绍国际卫星导航服务组织武汉大学数据中心
李敏: “下一步,我们将继续围绕国家北斗建设的需求,更深层次地参与国家综合PNT(综合定位导航授时)体系的建设,发挥更多的作用。”
除了科学家的身份,李敏还是一名高校教师。在课堂上,他从不照本宣科。他会结合长期从事国家北斗导航重大专项和高分重大专项的研究经历,精心梳理载人航天精神、探月精神、新时代北斗精神等特色系列题材,将其有机融入课堂。
李敏指导博士生研究工作
时空变幻,斗转星移。不变的,是无数科研人向上向深的钻研精神。李敏希望学生能发自内心热爱这个专业,用青春热情去开创属于自己的科研事业。他相信,这群逐梦太空的年轻人,定能实现星辰作引、薪火相传的理想目标。而他自己,愿意和这群年轻人携手同行,共同守护星光!
记者|谭思为 何山
审核|周振玲 刘炜