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“羲和”系统深度应用,创新远海高精度导航与通信
发表时间 2017-12-26 09:20 来源 本站原创

  --记北京邮电大学博士生导师邓中亮教授

  海洋资源开发已经成为国际化竞争焦点。海洋是人类的巨大宝库,近年来,海洋资源的争夺已经从近海、浅海向远海、深海发展,各国竞相提出深海资源开发计划,如欧洲的“海神计划”,美国的“海王星计划”等,旨在推动远海、深水作业装备发展。我国“十三五”规划中也明确指出我国海洋资源发展指导思想是:做强浅水,发展深水,突破南海中南部。

  远海施工不同于近海作业,远海作业远离大陆,岸基通信装备失效,常规卫星通信不能保障施工区域通信安全,缺乏可靠、安全的通信手段,远海工程协同指挥、施工装备监测维护与远程诊断等面临诸多困难,这将严重影响施工作业效率。

  多年来,我国远海作业主要依托于国外技术,致使我国海上钻井“981”平台,在作业过程中频频收到国外恶意干扰,造成作业延误,给国家带来重大经济损失。远海定位导航手段受制于人,易受恶意干扰,导致工程偏差与事故,存在作业安全隐患。因此,远海作业不能采用单一GPS定位,GPS是美国控制的技术,它可以根据地缘政治需要,随时降低我施工水域的定位精度或直接屏蔽定位服务,造成工程事故。

  如何在深海资源的国际角逐中,摆脱形成这受制于人的困境,突破远海定位导航关键技术瓶颈、提高作业精度与效率、构建岛礁作业平台、保障作业船舶的安全,成为远海资源开发的头号难题。

  谁敢横刀跃马挑战这一远海定位与导航技术难题?唯有我国 “羲和计划”的无线定位导航与通信系统主要负责人和学术带头人邓中亮教授。

  邓中亮,北京邮电大学教授,博士生导师,长期致力无线网络定位科学研究与工程实践,是我国无线导航与通信领域知名专家,我国地面导航工程—“羲和计划”的室内导航系统主要负责人和学术带头人。他在建立建筑空间无线定位导航基础理论、解决国际上通信网增强室内“米级”三维导航关键技术难题、构建我国空天地一体化室内外无缝高精度导航与位置服务标准及应用系统、推动产业规模化应用、提升我国空间导航与位置服务能力等方面做出了突出贡献。主持完成国家重大和重点项目二十余项,以第一完成人获国家科技进步二等奖2项,国家技术发明二等奖1项(终评通过),省部级科技奖10余项。发表论文三百余篇,专著5部,授权国际、国内发明专利超百项。2016年获光华工程科技进步奖,2014年被评为全国十大科技创新人物。

  不畏挑战 勇于担当

  海洋资源开发与海陆智能交通运输安全,成为全球战略竞争焦点。为此,美国提出“海王星”计划、欧洲提出“海神”计划,两者均以国家计划的形式做出了战略部署。我国“十二五”期间也针对性的提出了“一带一路”和南海战略,对海洋资源开发与交通运输安全提出了新的要求。南海是我国面积最大、资源最丰富的海域,自建国以来国家领导人高度重视南海开发。但是长期以来受制于我国远海精确定位导航与通信技术瓶颈,导致远海船舶工程作业、智能管理和安全保障存在诸多难题,严重掣肘了远海的维权与开发。

  远海的精确定位导航与实时通信已成为实施远海战略、远海作业与资源开发、应急救援及运输监管等重要瓶颈,我国早期船舶的定位导航受制于美国的GPS,缺乏独立自主能力,时常被干扰;远海通信依托国外的卫星通信系统,缺乏安全保障。

  “十二五”我国北斗卫星导航系统对亚太地区开放服务,成为全球第三大导航系统,与GPS、GLONASS、Galileo以及各国SBAS系统构成了庞大的GNSS星座。如何充分利用北斗及GPS等全球卫星导航系统资源,为我国远海作业与智能化交通运输提供智能化精确导航与通信,切实保障我国国家安全、领土完整和人民生命财产安全。为此,国家制定了《国家卫星导航中长期发展规划》、《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》、《“十二五”国家战略性新形产业发展规划》、《国家海洋事业发展规划纲要》、《国家海洋事业发展十二五规划》、《一带一路构想》、2015年度《中国国防白皮书》等一系列发展规划,以推动国家海洋战略和智能交通的快速发展,提高我国远海作业与监管能力,维护我国海洋权益与领土完整。

  攻坚克难 成果丰硕

  邓中亮教授领导的项目组自2006年起,开展了北斗/GNSS多系统多频卫星导航相关技术研究。当初,实现基于北斗/GNSS兼容系统的智能位置服务平台是我国国家战略重要需求,但邓中亮教授在组织系统实现过程中还面临以下理论技术难题:

  1)远海作业精确定位、控制与安全保障问题

  2)超远程数据实时安全传输问题

  3)运输过程中的安全监控问题

  4)多系统兼容互操作问题

  5)具有自主知识产权的关键器件、产品开发与测试支撑环境问题

  为解决以上问题,邓中亮教授在开展技术突破与实施过程中面临的一些超高难度的挑战:

  1.基于北斗高精度定位与通信融合的应用服务管理平台

  在远海作业中,除了高精度位置信息的获取之外,作业船只与陆上指挥控制中心之间的通信链路同样是必不可少的一环。而作业船只在远海缺乏可靠和安全的通信链路,如何充分融合北斗系统定位与通信能力,实现超远距离实时作业信息传输,是项目需要解决的问题之一。北斗短报文系统是我国卫星导航系统的重要创新,具有高度保密性和可靠性,是应用于远海作业信息传输、位置监控、工程管理的最佳选择。其原始带宽难以满足远海岛礁施工工程船舶船位、航速、航向、吃水、耙头深度、泥浆浓度、船载干土方、主机转速、油耗等施工信息的实时传输。需要针对北斗短报文系统传输机理展开研究,实现创新应用,挖掘短报文系统带宽扩容的潜力,保障远海作业信息传输带宽需求。

  针对道路交通安全保障,同样需要融合北斗/GNSS多模定位与通信系统。通过集中整合导航系统与车载地面通信网接入功能,实现位置信息实时传输和远端平台的安全管理。

  2.北斗/GNSS与智能多媒体通信一体化关键装备技术

  目前车载位置服务终端中,定位系统、车载多媒体系统、无线通信系统通常是独立存在的。这样的架构一方面不利于降低系统能耗、提高连续位置服务能力,另一方面也降低了位置与车载多媒体通信系统的耦合度。如何创新融合北斗/GPS卫星导航、无线通信、汽车总线、多媒体编解码等应用单元,实现集导航、通信、多媒体、汽车总线一体化,开发多系统集成的SoC芯片,是提高汽车信息融合与智能信息能力和系统性价比的关键问题。

  3.多系统兼容互操作性与可重构

  北斗/GNSS多系统兼容互操作过程中,由于各个系统的信号体制以及频点不同,且卫星数量极大丰富,多系统接收机一般资源开销较大,难以满足长时间、低能耗的需求,在应用中受限。

  4.高度集成的北斗/GNSS测试评估方法及装备

  研究能够同时兼容北斗、GPS、GLONASS和Galileo四个导航系统的GNSS全系统卫星导航综合测试平台是目前卫星导航领域的重大趋势,而目前能够同时兼容全系统,同时具有转发、存储回放和信号模拟功能的综合测试分析设备在国内外都还处于空白状态。如何突破全系统信号实时闭环仿真、复杂载体建模、多天线干扰源建模等关键技术,实现具有全系统、全频点、全载体、全功能的一体化北斗/GNSS测试评估平台,是国内外卫星导航产品测试领域亟需解决的问题。

  面对上述难题,邓中亮领导的项目组自2006年起,围绕国家海洋战略和重大工程建设迫切需求,产学研合作,完成了国家“863”、北斗重大专项、国家重大仪器专项、发改委产业化专项等项目,面向远海精确作业、通信指挥、应急保障、海上搜救、运输监管等,突破了系列理论方法与技术瓶颈,形成了多类系列产品和平台,构建了工程船舶智能位置服务平台以及基于北斗/GNSS的货物运输安全监控平台,在远海作业、搜救、勘探、港口、国防、科研等领域开展了上百项应用,装备我国多艘大型海洋工程船舶,应用于国内外多个重大海洋工程建设,实现了远海作业高精度位置服务与实时安全通信保障,为保障国家海洋权益、推动“一带一路”战略发挥了重大作用。

  邓中亮教授在北斗/GNSS多系统导航从技术方法、测试评估方法、产品应用与设计等方面取得重要创新。同时攻克了基于我国自有的北斗卫星导航与通信资源,开展多模高精度定位、智能指挥、精细化作业等系列关键技术难题,构建了完善的理论技术和产品应用体系,一举打破了国外技术壁垒,使我国在卫星导航位置服务与智能作业和安全管理领域走在了国际前列。形成具有自主知识产权的高精度、高可靠、高效率的远海位置服务作业平台,打破国外垄断,对提高我国海洋资源的开发效率,提升国际竞争力具有重大意义。