本刊記者 徐芳芳

姚錚被美國導(dǎo)航學(xué)會(huì)授予2017年“早期成就獎(jiǎng)”

2018年2月1日，清華大學(xué)電子工程系副教授姚錚被美國導(dǎo)航學(xué)會(huì)授予2017年“早期成就獎(jiǎng)”，以表彰他在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)和多路復(fù)用方面取得的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)以及對(duì)中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)的重要推動(dòng)作用。

早期成就獎(jiǎng)是美國導(dǎo)航學(xué)會(huì)針對(duì)35歲以下青年學(xué)者在國際導(dǎo)航領(lǐng)域設(shè)立的最高獎(jiǎng)，每年在全球范圍內(nèi)評(píng)選出一名對(duì)世界導(dǎo)航科學(xué)和技術(shù)作出重要貢獻(xiàn)的青年學(xué)者作為獲獎(jiǎng)人。該獎(jiǎng)于1997年設(shè)立，至今共有22位獲獎(jiǎng)?wù)?，而姚錚是獲得該獎(jiǎng)的首位中國學(xué)者，也是獲此殊榮的首位亞洲學(xué)者。

從事衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究多年，姚錚一直在保持著不忘初心的精神，在這一領(lǐng)域堅(jiān)定篤行著。與他的會(huì)面，更讓記者感受到了這位青年學(xué)者身上所散發(fā)的謙虛與睿智。走近姚錚，走進(jìn)他在中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)中的經(jīng)歷與故事，一位中國科研人的使命感與責(zé)任感盡現(xiàn)眼前。

無問西東 筑夢(mèng)北斗

“在迷茫時(shí)，堅(jiān)信你的珍貴，愛你所愛，行你所行，聽從你心，無問西東”，電影《無問西東》里的這句話展現(xiàn)了一代代清華人傳承的那種篤定與堅(jiān)持。而這種堅(jiān)定的精神在姚錚身上得到了充分的體現(xiàn)。

時(shí)間回溯到17年前。2001年9月，姚錚順利被清華大學(xué)電子工程系電子信息工程專業(yè)錄取，正式成為了一名清華學(xué)子，并在這里開始了自己的逐夢(mèng)之旅。2004年，他憑借優(yōu)異的成績(jī)，獲得了繼續(xù)在清華電子工程系免試直接攻讀博士的資格。那一年，姚錚第一次接觸到了衛(wèi)星導(dǎo)航這一領(lǐng)域，而這第一次的接觸，就結(jié)下了他后面10多年里與衛(wèi)星導(dǎo)航的不解之緣。

彼時(shí)，我國的北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)剛剛完成，北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在規(guī)劃建設(shè)中。在北斗系統(tǒng)建設(shè)過程中，大量的科研問題亟待解決，作為一名青年學(xué)子，姚錚認(rèn)為自己有責(zé)任為北斗系統(tǒng)的建設(shè)做些什么。在攻讀博士期間，他就參與了多項(xiàng)這方面的技術(shù)攻關(guān)課題，并在此之中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。憑借著對(duì)科研的濃厚興趣與持之以恒的精神，姚錚只用了4年多就提前讀完了直博，并獲得了“清華大學(xué)優(yōu)秀博士畢業(yè)生”稱號(hào)，博士論文被評(píng)為清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文。

2010年，姚錚開始在清華大學(xué)電子工程系任教。也正是在這一年，國家啟動(dòng)了北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)任務(wù)，姚錚有幸加入到北斗三號(hào)的信號(hào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之中?！拔以谧x博士期間的研究重點(diǎn)是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的接收處理方法。而信號(hào)設(shè)計(jì)則是信號(hào)接收處理的一個(gè)反問題。信號(hào)接收時(shí)考慮的問題是針對(duì)現(xiàn)有的信號(hào)體制，如何把其潛能最大程度發(fā)揮出來。但信號(hào)設(shè)計(jì)考慮的問題則是如何賦予一個(gè)信號(hào)最大的性能潛力。”姚錚說，“與信號(hào)接收處理方法研究相比，這個(gè)問題變得更加開放，但挑戰(zhàn)也更多。”幸運(yùn)的是，之前在導(dǎo)航信號(hào)接收處理方面多年的研究經(jīng)驗(yàn)給他從事信號(hào)設(shè)計(jì)的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

無懼挑戰(zhàn) 篤行致研

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成極其龐大而復(fù)雜。在姚錚的介紹下，記者了解到：天上若干顆衛(wèi)星所構(gòu)成的導(dǎo)航星座和地面的測(cè)控站以及大量的用戶接收設(shè)備組成了整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，而衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)是系統(tǒng)和用戶之間唯一的接口。人們?cè)谑褂檬謾C(jī)或者導(dǎo)航儀進(jìn)行定位的時(shí)候，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的直接感受就是信號(hào)好不好用。所以如果信號(hào)在體制上存在缺陷，即使系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)再完美，整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能仍然存在難以彌補(bǔ)的不足，很可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。因此把導(dǎo)航信號(hào)稱為整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心和靈魂是毫不過分的。

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)，無論是從學(xué)術(shù)角度還是工程角度上，都面臨著特別嚴(yán)峻的要求。隨著導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展、服務(wù)需求的不斷細(xì)化，北斗三號(hào)系統(tǒng)要播發(fā)的信號(hào)數(shù)量多，信號(hào)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且為了兼顧與北斗二號(hào)系統(tǒng)之間的平穩(wěn)過渡，星上多信號(hào)分量的復(fù)用難度大，國際上并無先例。信號(hào)設(shè)計(jì)還必須同時(shí)兼顧可用頻帶資源的限制、衛(wèi)星載荷的復(fù)雜度和功耗的限制、測(cè)距精度和抗干擾能力的要求、接收復(fù)雜度的限制、系統(tǒng)之間互操作的要求，以及后向兼容等需求。需要同時(shí)滿足這么多設(shè)計(jì)約束，就像“帶著鐐銬跳舞”，無論是設(shè)計(jì)難度還是實(shí)現(xiàn)難度都很大，其中一些設(shè)計(jì)需求甚至是以設(shè)計(jì)之初的技術(shù)水平難以滿足的。

“以北斗三號(hào)系統(tǒng)為代表的新一代GNSS，技術(shù)上面臨的主要困境有兩重?！币﹀P說，一是頻譜效率與測(cè)距精度的矛盾，二是功率效率與服務(wù)多樣性的矛盾。進(jìn)入北斗三號(hào)的信號(hào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)后，他就圍繞這兩大難題展開了工作。他發(fā)現(xiàn)，如果沿襲傳統(tǒng)的研究思路，單純依靠增加信號(hào)帶寬和增加信號(hào)數(shù)量來提升測(cè)距精度和滿足服務(wù)多樣化需求，勢(shì)必會(huì)陷入到“頻譜效率與測(cè)距精度不可兼得”“功率效率與服務(wù)多樣性不可兼得”的雙重矛盾之中。只有跳出思維定式，尋找?guī)?、功率雙重約束條件下新的解決思路和解決方法，才是新一代GNSS信號(hào)設(shè)計(jì)的最佳出路。

“我做科研不喜歡追隨，更喜歡去挑戰(zhàn)一些看似不可能完成的問題?！币﹀P說，“但也不是單純?yōu)榱颂魬?zhàn)而挑戰(zhàn)。科研方向的選擇，既要站到國際最前沿，更重要的是又得能夠服務(wù)國家重大需求。”

堅(jiān)守著這種做“頂天立地”的科研的態(tài)度，姚錚提出了多載波恒包絡(luò)復(fù)合導(dǎo)航信號(hào)的概念，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了兩種具體的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)：正交復(fù)用二進(jìn)制偏移載波信號(hào)和非對(duì)稱恒包絡(luò)二進(jìn)制偏移載波信號(hào)，解決了導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)在測(cè)距性能提升與功率帶寬受限之間的矛盾，而且有效規(guī)避了歐美在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制上的專利封鎖。由于性能優(yōu)異且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，上述信號(hào)均已被北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用，正式部署在北斗三號(hào)組網(wǎng)衛(wèi)星上向全球播發(fā)。這些信號(hào)還被列為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，并以接口控制文件形式在國務(wù)院新聞辦舉行的新聞發(fā)布會(huì)上向全世界公開發(fā)布。相關(guān)的3項(xiàng)國際專利也均被列為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)核心專利。

2016年，姚錚基于自主提出的多頻多分量恒包絡(luò)復(fù)用設(shè)計(jì)技術(shù)，又為北斗三號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)了星上多信號(hào)分量復(fù)用方案，解決了雙頻多分量復(fù)用、單邊帶調(diào)制復(fù)用、復(fù)波形信號(hào)的復(fù)用等難題。經(jīng)星地對(duì)接測(cè)試，該方案性能優(yōu)異，目前已實(shí)施在北斗三號(hào)組網(wǎng)衛(wèi)星上。

創(chuàng)新應(yīng)用 擲地有聲

在姚錚看來，科學(xué)研究不應(yīng)該被束之高閣，它應(yīng)該是擲地有聲的，能夠真正為國家及社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。而這也是姚錚在研究中一直在踐行的準(zhǔn)則。

除了在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)和多路復(fù)用方面的貢獻(xiàn)以外，姚錚在GNSS先進(jìn)接收機(jī)技術(shù)以及區(qū)域無線電定位導(dǎo)航技術(shù)等方面也取得了令人矚目的成就。

基于一系列創(chuàng)新性的信號(hào)處理算法和對(duì)處理復(fù)雜度的優(yōu)化，2013年在他的帶領(lǐng)下，基于普通的消費(fèi)電子級(jí)PC機(jī)和顯卡，團(tuán)隊(duì)研制成功了國際上第一個(gè)可同時(shí)實(shí)時(shí)接收處理所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部民用信號(hào)的實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)STARx，并利用該接收機(jī)在中國境內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)Galileo系統(tǒng)三維定位，獲得歐洲空間局（ESA）頒布的證書。

到目前為止，STARx接收機(jī)仍然是可實(shí)時(shí)接收處理民用信號(hào)種類最多的軟件接收機(jī)，代表著國際上實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)技術(shù)的先進(jìn)水平，并在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界產(chǎn)生了很大影響。該成果在后續(xù)的北斗信號(hào)體制驗(yàn)證中發(fā)揮了重要作用，支撐了多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的研究項(xiàng)目，并已成功地應(yīng)用于包括新一代北斗信號(hào)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、新一代多系統(tǒng)互用接收機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真、信號(hào)和信息處理算法的開發(fā)與驗(yàn)證、主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試等方面。近年來，北斗重大專項(xiàng)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)課題的研究在該平臺(tái)上開展，取得了很好的效果。

在陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究方面，姚錚提出的地基導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)體制解決了北斗地基導(dǎo)航系統(tǒng)的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，并突破了跳時(shí)直接擴(kuò)頻信號(hào)高精度相位鎖定、收發(fā)一體導(dǎo)航基站的快速組網(wǎng)及時(shí)間同步等多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)?；谠撔盘?hào)體制，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制開發(fā)了北斗地基導(dǎo)航系統(tǒng)基站原理樣機(jī)，并開展了有線測(cè)試和小規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試，測(cè)距精度和組網(wǎng)精度指標(biāo)均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2017年，該成果參加了第三屆軍民融合發(fā)展高技術(shù)裝備成果展，得到中央軍委裝備發(fā)展部領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)。