劉昊林

導(dǎo)航是一門古老而年輕的技術(shù)。在經(jīng)歷了冷戰(zhàn)時期反常的高速發(fā)展之后，近年來全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的伽利略和我國的北斗系統(tǒng)）的建設(shè)和低成本慣性導(dǎo)航器件（陀螺儀和加速度計）的出現(xiàn)再次給導(dǎo)航技術(shù)注入了活力。今天的導(dǎo)航技術(shù)凝聚了人類智慧的結(jié)晶。GNSS芯片和微機械（MEMS）慣性器件的出現(xiàn)使得曾經(jīng)高大上的導(dǎo)航技術(shù)走下神壇，甚至被集成在智能手機和穿戴設(shè)備中，逐漸進入我們生產(chǎn)生活的每個角落，變得無處不在。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用是我國導(dǎo)航事業(yè)的里程碑，也帶來了國內(nèi)導(dǎo)航事業(yè)突飛猛進的發(fā)展。目前呼之欲出的自動駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、機器人時代的到來，無一例外需要高性能導(dǎo)航技術(shù)作為支撐，而相關(guān)技術(shù)也成為無數(shù)導(dǎo)航領(lǐng)域的科研人員和科研團隊執(zhí)著的追求。武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心牛小驥教授的團隊就是其中之一。

堅持源于興趣

牛小驥目前在武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心從事慣性導(dǎo)航（INS）和組合導(dǎo)航（GNSS/INS）方面的研究。談及為什么會進入導(dǎo)航領(lǐng)域中進行科研工作，牛小驥毫不猶豫地說：“興趣”。這不僅是對導(dǎo)航技術(shù)的興趣，更是源于對科研工作的熱愛。

“我本科讀的是清華大學(xué)精密儀器系機電一體化專業(yè)，本身就屬于交叉學(xué)科，當(dāng)時學(xué)了機械、電子、控制等諸多課程。清華大學(xué)有一個傳統(tǒng)，對科研感興趣的學(xué)生在大三的時候可以主動聯(lián)系相關(guān)研究方向的老師，提前進入實驗室參與科研工作。我從小就對科研工作非常向往，選擇去了高鐘毓教授的導(dǎo)航與控制教研組，學(xué)習(xí)了解了很多慣性導(dǎo)航的內(nèi)容。當(dāng)時我覺得這是一個機電高度集成的前沿技術(shù)，非常感興趣。5年本科學(xué)習(xí)結(jié)束之后，我作為免試推薦直博生，正式師從高老進行深入的學(xué)習(xí)和研究。”

高鐘毓教授對牛小驥后來的科研工作產(chǎn)生了很大影響，尤其是高老師極度嚴(yán)謹?shù)闹螌W(xué)、科研作風(fēng)和堅守一線的科研傳統(tǒng)，讓牛小驥體會深刻并受益終生，也影響了他后來對自己學(xué)生的指導(dǎo)。

博士學(xué)習(xí)期間，導(dǎo)師安排牛小驥進入德國斯圖加特大學(xué)的一個研究所進行為期1年的訪問學(xué)習(xí)。這是他第一次接觸西方發(fā)達國家，給他帶來了非常大的震動?！俺藘蛇吔?jīng)濟和社會發(fā)展水平的差異，我還注意到德國人的工作強度沒有那么大，少有加班情況，但是其科研水平卻比我們高，產(chǎn)業(yè)水平更是我們當(dāng)時無法企及的，這讓我陷入了深思。在訪問期間我不斷地觀察、學(xué)習(xí)和思考?！边@一時期，牛小驥培養(yǎng)了自己獨立思考和自主決策的能力。

2003年初，牛小驥博士畢業(yè)后進入加拿大卡爾加里大學(xué)測繪工程系做博士后，在加拿大移動測繪系統(tǒng)首席科學(xué)家Dr. Naser El-Sheimy的指導(dǎo)下進行車載導(dǎo)航研究。除了完成自己的科研工作，這一時期的牛小驥更像是導(dǎo)師的科研大管家，全面管理團隊的日?？蒲泄ぷ?，有效地鍛煉了的科研管理水平和研究生指導(dǎo)能力。牛小驥發(fā)現(xiàn)，這里的科研工作更加講究章法，開展一個新的研究方向之前非常重視新平臺的搭建，平臺搭建好后再針對具體需求從容開展研究，這樣從宏觀上來看更高效、更扎實。這一時期，牛小驥形成了自己的科研理念，對他歸國后在科研道路上的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。

幾年充實的博士后研究很快過去，牛小驥開始進一步考慮自己的將來。雖然國外的生活和工作環(huán)境平靜而愜意，但他始終無法融入北美的語言文化環(huán)境，客居他鄉(xiāng)的感覺時常困擾著他，因此最終選擇了回國發(fā)展。然而歸國發(fā)展的道路并非平順，牛小驥沒有如愿拿到清華大學(xué)的教職，直接走上學(xué)術(shù)道路，而是首先進入美國SiRF公司設(shè)在上海的研發(fā)中心擔(dān)任高級研究員，負責(zé)慣性輔助的GPS導(dǎo)航方案的開發(fā)?！爱?dāng)時我聽從了博士后導(dǎo)師的建議，做科研不一定非得走純粹的學(xué)術(shù)道路，作為產(chǎn)品研發(fā)人員將技術(shù)與產(chǎn)業(yè)更加緊密結(jié)合也挺好的。而且這種方式在北美也非常流行，許多大學(xué)教授都有產(chǎn)業(yè)界的經(jīng)驗。于是我就去了上海，開始了人生新的一頁?！?/p>

牛小驥在SiRF的研發(fā)工作開展得很順利，僅用3個月就拿出了原型方案，第二年夏天就向客戶提供了成熟的設(shè)計方案，用于高端車載導(dǎo)航儀上，實現(xiàn)了量產(chǎn)。但這時的牛小驥發(fā)現(xiàn)，未來的工作將主要是根據(jù)用戶需求來完善和打磨現(xiàn)有方案，公司不支持他做更深入的新技術(shù)探索和新應(yīng)用嘗試?！拔曳浅＠斫夤镜目紤]，因為公司畢竟是以盈利為目的，以市場為導(dǎo)向的。但我還是向往深入的科研探索，在國內(nèi)只有進入大學(xué)，回歸到學(xué)術(shù)圈中去才能如愿。這時機緣巧合，武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心的劉經(jīng)南院士和施闖主任希望能在衛(wèi)星導(dǎo)航之外能拓展其它導(dǎo)航技術(shù)，包括慣性導(dǎo)航。經(jīng)同事牽線，雙方一拍即合，于是我在2010年初以學(xué)科帶頭人的身份加入武漢大學(xué)，一直工作到現(xiàn)在。”牛小驥談到這段稍有曲折的歸國科研之路不無感慨，正是對科研的濃厚興趣，將他從產(chǎn)業(yè)界又拉回了學(xué)術(shù)圈。

如果不是這份興趣和熱愛，牛小驥無法堅持在科研道路上走下去。今天，他在武漢大學(xué)的支持下將慣性導(dǎo)航和GNSS/INS組合導(dǎo)航的研究開展得有聲有色，成為獨當(dāng)一面的專家。他認為，導(dǎo)航技術(shù)天生就是交叉學(xué)科，未來導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢必然是多種導(dǎo)航定位手段的有機組合，將是光、機、電高度集成的系統(tǒng)，涉及到控制、通信、機械、測繪等多個學(xué)科，研究任務(wù)會越來越繁重，技術(shù)難度會越來越大。

人才成就科研

從產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)研發(fā)回歸到大學(xué)的學(xué)術(shù)研究的變化很大。而當(dāng)時牛小驥所面臨的更大挑戰(zhàn)是，需要從無到有組建一支科研團隊，并自主搭建研究平臺?！霸诩幽么蟮目蒲薪?jīng)歷始終影響著我，在團隊組建初期我就堅持一定要把平臺搭建好，‘磨刀不誤砍柴工，完備扎實的研究平臺就像肥沃的土壤，能夠為后續(xù)的科研探索提供持續(xù)、豐富的營養(yǎng)，這樣科研工作才能事半功倍?！迸Ｐ◇K剛到武漢大學(xué)的時候，基本上是白手起家，連電烙鐵、萬用表等常用工具都是親手添置?！暗菃挝活I(lǐng)導(dǎo)和同事非常支持我，向我推薦一些不錯的學(xué)生，并在設(shè)備采購經(jīng)費上大力支持，當(dāng)初引薦我來武漢大學(xué)的章紅平老師也成為我的科研搭檔。雖然起步比較艱難，但隨著學(xué)生的成長，新成員的加入，平臺順利搭建起來，科研工作逐漸啟動。在此基礎(chǔ)上，培養(yǎng)的優(yōu)秀學(xué)生越來越多，科研梯隊逐漸形成，科研工作正式步入正軌?！彼米约旱挠H身經(jīng)歷說明了平臺和團隊對科研的重要性，“我非常慶幸自己在一開始就重視平臺建設(shè)，而沒有急功近利地追求短平快的成果，實踐證明好的平臺和團隊會不斷涌現(xiàn)優(yōu)秀的科研成果?！眅ndprint

從2010年進入武漢大學(xué)到現(xiàn)在，牛小驥對自己團隊的發(fā)展既滿意又焦慮。滿意的是，學(xué)生們素質(zhì)高、能力強，精心指導(dǎo)后都取得了很好的成績，團隊整體發(fā)展快；焦慮的是，有些格外優(yōu)秀的學(xué)生表現(xiàn)出讓人意外的素質(zhì)和潛力，他擔(dān)心由于自己指導(dǎo)不充分、不及時，耽誤了學(xué)生的發(fā)展?！皩W(xué)生的優(yōu)秀迫使我更加努力，以便能夠為他們提供引導(dǎo)和支持，帶領(lǐng)整個團隊前進。”如今，牛小驥的科研團隊已形成規(guī)模，包括兩位教授、3位講師和博士后、十幾名博士生和20余名碩士生。團隊形成了健康的架構(gòu)，在老師的指導(dǎo)下，高年級博士生能夠帶領(lǐng)師弟師妹在各研究方向上開展工作，實現(xiàn)團隊的滾動發(fā)展。

提起團隊里的同事，牛小驥興致勃勃地做了介紹。長期的科研搭檔章紅平教授是GNSS精密定位與慣性導(dǎo)航組合技術(shù)研究的專家，并在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上成果豐碩；講師郭文飛博士精通GNSS信號處理，擅長多項專用GNSS接收機技術(shù)的研發(fā)；講師張?zhí)嵘┦繉Ｗ⒂贕NSS/INS深組合技術(shù)研究，是國內(nèi)最早實現(xiàn)深組合硬件閉環(huán)的學(xué)者之一；博士后張全博士精通MEMS車載組合導(dǎo)航，并在組合導(dǎo)航隨機誤差建模方面有深入研究。團隊同事緊密合作，形成了組合導(dǎo)航技術(shù)研究的合力。提起學(xué)生們?nèi)〉玫某煽?，牛小驥如數(shù)家珍：EvAAL國際室內(nèi)定位大賽手機組冠軍（博士生李由）、美國導(dǎo)航學(xué)會（ION）衛(wèi)星導(dǎo)航年會優(yōu)秀學(xué)生論文獎和最佳報告獎（博士生陳起金、徐良春）、全國研究生電子設(shè)計大賽一等獎（博士生張?zhí)嵘?、班亞龍、?yán)昆侖）、全國“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技活動競賽等等?？粗鴮W(xué)生們的成長，牛小驥非常欣慰。“以前我只重視學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研，后來發(fā)現(xiàn)研究生階段學(xué)生面臨各方面的壓力，包括生活上的、心理上的，需要導(dǎo)師更多的關(guān)心和引導(dǎo)。因為團隊規(guī)模的擴大，不是每個學(xué)生都能手把手地指導(dǎo)，學(xué)生的成長更多地依賴團隊。有些學(xué)生在這種成長模式中會變得浮躁，這種情況下導(dǎo)師需要及時干預(yù)，否則不僅會影響學(xué)生自己，更會影響整個團隊的氛圍?！迸Ｐ◇K嚴(yán)肅地說，“團隊中形成一個健康的生態(tài)環(huán)境是至關(guān)重要的。”

牛小驥認為，科研雖然非常重要，但大學(xué)老師的本職工作還是人才培養(yǎng)，只有為國家和社會培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀人才，才能做出更多、更好的科研成果。他不僅在科研上悉心指導(dǎo)自己團隊的學(xué)生，也重視對研究生和本科生的日常教學(xué)，力求深入淺出地把復(fù)雜的專業(yè)課程講授清楚和透徹，全面提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。在加拿大做博士后期間的助教經(jīng)歷讓他體會到：專業(yè)課的質(zhì)量很大程度上決定了研究生培養(yǎng)的平均質(zhì)量。國外的專業(yè)課會精心選擇教學(xué)內(nèi)容，嚴(yán)格要求學(xué)生，通過課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)讓學(xué)生將所學(xué)知識融會貫通，并為未來的研究方向打基礎(chǔ)，幾門專業(yè)課學(xué)下來就基本奠定了自己主線研究工作的基石?！拔易⒁獾絿鴥?nèi)的研究生培養(yǎng)不太重視專業(yè)課學(xué)習(xí)，學(xué)生們主要是在研究團隊中跟隨導(dǎo)師和師兄做項目來培養(yǎng)各方面的能力。這種模式偏重實踐和動手能力，作風(fēng)務(wù)實，但也容易造成學(xué)生在理論上的結(jié)構(gòu)性缺陷，尤其是對博士生”。認識到專業(yè)課對學(xué)生培養(yǎng)的重要性，牛小驥不斷完善自己的教學(xué)方式，改善教學(xué)效果，獲得了學(xué)生們的認可和贊譽。

團隊成員素質(zhì)的提高也推進了團隊整體實力的上升，出色完成了若干國家項目和橫向課題。在牛小驥的帶領(lǐng)下，團隊圓滿完成了國家自然科學(xué)基金項目“GNSS/INS深組合系統(tǒng)中載波跟蹤性能與IMU誤差之間映射關(guān)系的理論與方法研究”，正在承擔(dān)國家“863計劃”課題“低成本GNSS/INS深耦合大眾車載導(dǎo)航終端與應(yīng)用示范”的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)任務(wù)，已順利完成了“車載組合導(dǎo)航方案性能測試和算法分析”“組合導(dǎo)航算法技術(shù)服務(wù)與開發(fā)”“高動態(tài)GNSS/INS深組合接收機研制”等多個橫向課題，切實解決了相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)問題，獲得了高度認可，在業(yè)界形成了口碑。這些成果背后，是牛小驥團隊全體成員智慧的結(jié)晶與努力的汗水。

科研追求極致

學(xué)術(shù)圈是典型的信息共享社群，科研活動唯有做到極致才會對同行和科研共同體產(chǎn)生價值。這里的“極致”指的是相同輸入條件下獲得最好的性能，或者用最低的條件獲得相同的性能。這就注定了科研工作的艱難和挑戰(zhàn)。牛小驥對此深有體會，并結(jié)合自己團隊的一項特色研究談了感悟。

GNSS/INS深組合技術(shù)是相對于傳統(tǒng)的GNSS/INS松組合或緊組合來說的。后者局限于GNSS和INS在數(shù)據(jù)處理層面的融合，偏重于GNSS對INS的單向輔助；而深組合是兩者在底層信號處理層面的信息融合，實現(xiàn)了GNSS與INS的相互輔助，尤其是能夠從本質(zhì)上提高GNSS信號的接收質(zhì)量，全面提高GNSS接收機在動態(tài)條件下的精度、靈敏度和抗干擾/抗欺騙性能，進而提高整體組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。它是衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航兩種技術(shù)手段的最佳組合方式，預(yù)期能夠獲得最好的導(dǎo)航效果，是當(dāng)前組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究熱點之一。但從工程實現(xiàn)的角度考慮，深組合是一個覆蓋了底層GNSS信號捕獲/跟蹤以及上層GNSS/INS數(shù)據(jù)融合的大閉環(huán)系統(tǒng)，技術(shù)復(fù)雜性高，設(shè)計和實現(xiàn)難度大，研究團隊必須同時精通GNSS接收機技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)?！斑@造成許多導(dǎo)航領(lǐng)域的同行對深組合技術(shù)敬而遠之或淺嘗輒止。而我們團隊從組建之初就看好這個方向并下決心將深組合技術(shù)做到極致，對其效果一探究竟?！?/p>

將一項新技術(shù)做到極致是離不開理論指導(dǎo)的，深組合技術(shù)也不例外，其設(shè)計和優(yōu)化依賴于建立GNSS接收機載波信號跟蹤性能與慣導(dǎo)誤差之間的映射關(guān)系。但由于深組合系統(tǒng)的復(fù)雜性，使這一關(guān)鍵理論問題長期懸而未決，嚴(yán)重阻礙了深組合技術(shù)的發(fā)展。通過國家自然科學(xué)基金項目，牛小驥團隊針對不同接收機架構(gòu)和不同接收機性能要求，從接收機跟蹤環(huán)路的需求和慣導(dǎo)的測量能力兩方面出發(fā)，綜合運用了慣導(dǎo)誤差微分方程、Kalman濾波器穩(wěn)態(tài)誤差分析、控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)和隨機估計理論等工具對兩方面進行建模，利用殘余動態(tài)應(yīng)力概念將兩者搭接起來，建立了一套完整而精細的誤差模型；并應(yīng)用該模型首次實現(xiàn)了對深組合系統(tǒng)各主要誤差源影響的定量分析和驗證，為深組合系統(tǒng)設(shè)計中的器件選型、方案選擇和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定提供了理論支撐?！昂喍灾@套理論模型能夠告訴我們在某種器件等級和使用條件下，深組合系統(tǒng)能夠達到什么樣的導(dǎo)航性能；或者反之，給定要求的導(dǎo)航性能，它能反推出對器件等級和使用條件的要求?！崩碚摲治龉ぷ饔辛Φ刂С至伺Ｐ◇K團隊將深組合技術(shù)做到極致的努力。endprint

牛小驥團隊在過去5年中將一半的資源投入到了深組合技術(shù)的研究中，取得了豐碩的成果。除了建立深組合系統(tǒng)的理論模型，深組合技術(shù)的另一大關(guān)鍵點是建立自己的GNSS接收機平臺。“由于深組合技術(shù)要將接收機底層硬件開放出來，以便引入慣導(dǎo)輔助信息，因此沒有哪家廠商愿意冒著技術(shù)外泄的風(fēng)險提供這種配合，我們只能自己動手?！迸Ｐ◇K團隊花了兩年時間自主開發(fā)了GNSS接收機軟件和硬件研究平臺，在此基礎(chǔ)上于2013年年初在國內(nèi)成功實現(xiàn)了深組合硬件閉環(huán)，并繼續(xù)深挖該技術(shù)在各導(dǎo)航性能上的潛力，積極推進工程化應(yīng)用。牛小驥堅信，深組合技術(shù)是組合導(dǎo)航發(fā)展的趨勢，會成為今后GNSS接收機的標(biāo)準(zhǔn)配置，而我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機終端研制應(yīng)該前瞻性地引入該技術(shù)，爭取一個較高的技術(shù)起點，獲得后發(fā)優(yōu)勢。

牛小驥團隊參與的國家“863計劃”課題“低成本GNSS/INS深耦合大眾車載導(dǎo)航終端與應(yīng)用示范”是對深組合技術(shù)實用性的一次檢驗。在前期深組合技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，該項目進展順利，有望成為國內(nèi)民用深組合技術(shù)的首例應(yīng)用。

對于導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)成果的應(yīng)用前景和成果轉(zhuǎn)化，牛小驥非常樂觀，但在技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化形式上他有一定的擔(dān)心：“大學(xué)老師的科研成果轉(zhuǎn)化主要有兩條路：老師直接開公司、做產(chǎn)業(yè)；或者將成果授權(quán)轉(zhuǎn)讓給其它公司使用。前者能夠保障科研成果的充分轉(zhuǎn)化，但要投入大量精力在產(chǎn)業(yè)化上；后者則比較干凈利落，但成果轉(zhuǎn)化成功率低，知識產(chǎn)權(quán)得不到有效保護，甲乙雙方往往互相猜忌、防范。我認為大學(xué)的科研條件基本上是來自國家投入和社會資源，因此不能認為科研成果是自己的私產(chǎn)，在技術(shù)轉(zhuǎn)讓過程中應(yīng)多采取技術(shù)交底的形式，利人利己，這也是科研回饋社會的責(zé)任所在。另外，在這種橫向合作過程中，我們能夠獲取產(chǎn)業(yè)最前沿的動態(tài)與需求，后續(xù)開展的研究工作也可以更有針對性?！?/p>

牛小驥把滿腔熱情和全部精力奉獻給了心愛的科研事業(yè)。他坦言，高強度的科研、教學(xué)任務(wù)使他沒有平衡好工作和生活，忽視了家庭和孩子。他希望自己今后能夠有更多的時間來陪伴家人，不會在未來因為錯過孩子的成長而遺憾。在下一步的工作中，牛小驥將適當(dāng)控制團隊規(guī)模，提高招生質(zhì)量，培養(yǎng)更多出類拔萃的學(xué)生。團隊未來的研究方向?qū)⒒谇捌诜e累的GNSS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)和平臺，引入光學(xué)相機、激光掃描雷達（LiDAR）、無線定位信號等多種導(dǎo)航手段，向多源數(shù)據(jù)組合導(dǎo)航方向發(fā)展，通過多源信息的深層次融合將其互補性發(fā)揮到極致，獲得穩(wěn)健可靠的高精度無縫定位結(jié)果。同時，適當(dāng)?shù)剡x擇橫向合作機會，把團隊科研工作與實際應(yīng)用緊密結(jié)合，讓學(xué)生們在解決實際工程問題的過程中經(jīng)受鍛煉和考驗，并將科研成果在工程和產(chǎn)品中發(fā)揮作用，創(chuàng)造社會和經(jīng)濟效益。“這就是我作為一個大學(xué)老師對自己未來的定位和導(dǎo)航。”牛小驥笑著說。endprint