摘要：科研工程設(shè)計(jì)工作中通常會采用“揚(yáng)長避短”的思路，把“有利條件”擺在突出位置，而容易忽視或弱化“不利條件”。以“避短揚(yáng)長”的科學(xué)研究思路為出發(fā)點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)在科研工程設(shè)計(jì)中，突出“不利條件”的分析，優(yōu)先考慮避開短期內(nèi)無法解決的客觀條件限制，首先“避短”，然后再“揚(yáng)長”。最后通過許其鳳院士科研生涯中的四個(gè)典型科研工程，驗(yàn)證“避短揚(yáng)長”科研思路的學(xué)術(shù)價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：衛(wèi)星大地測量;衛(wèi)星導(dǎo)航;星座設(shè)計(jì);衛(wèi)星定向;測試評估

　　0引言

　　人類首顆人造地球衛(wèi)星由蘇聯(lián)在1957年10月4日發(fā)射成功，人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，給大地測量學(xué)科帶來了巨大變革，誕生了衛(wèi)星大地測量學(xué)科。衛(wèi)星大地測量學(xué)是研究利用人造地球衛(wèi)星解決大地測量學(xué)問題的學(xué)科，是大地測量學(xué)的分支[1]，主要內(nèi)容有：測定地面、水域、空間點(diǎn)的位置;測定地球形狀、大小和地球重力場;測定地面點(diǎn)位置和地球重力場隨時(shí)間的變化。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，極大地方便了衛(wèi)星大地測量技術(shù)的應(yīng)用，深刻地改變了傳統(tǒng)大地測量的面貌。我國測繪學(xué)科科研工作者始終緊跟衛(wèi)星大地測量技術(shù)前沿，從更廣闊的國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)角度考慮，極大地推動(dòng)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星大地測量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，主動(dòng)探求建立我國獨(dú)立自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可能性，并在這一進(jìn)程中發(fā)揮了極其重要的作用，應(yīng)該說北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成功建設(shè)是測繪導(dǎo)航學(xué)科近幾十年的最核心成果之一，在這一建設(shè)進(jìn)程中涌現(xiàn)了大量杰出的人才。

　　許其鳳院士一直在衛(wèi)星導(dǎo)航定位和衛(wèi)星大地測量領(lǐng)域從事教學(xué)和科研工作，是我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的權(quán)威專家。許院士在1997年，就建議建設(shè)我國獨(dú)立自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航(區(qū)域)系統(tǒng)即北斗二號(BeiDounavigationsatellite(regional)system,BDS-2)，在他的建議報(bào)告書中，給出了詳細(xì)的建設(shè)方法和實(shí)現(xiàn)路徑，并提出了獨(dú)具特色且極具性能優(yōu)勢的區(qū)域系統(tǒng)星座建設(shè)方案。

　　由于許院士在BDS-2星座設(shè)計(jì)中的杰出工作，于2005年當(dāng)選為我國工程院土木、水利與建筑學(xué)部院士。作者一直擔(dān)任許院士的秘書工作，許院士在科研工作中，經(jīng)常提及“避短揚(yáng)長”的科研思路，回顧許院士一生在衛(wèi)星大地測量和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的工作成就，“避短揚(yáng)長”的科研思路很好地貫徹到了他的一生所從事的科研工作當(dāng)中。本文主要梳理“避短揚(yáng)長”科研思路的含義，并結(jié)合幾個(gè)創(chuàng)新科研項(xiàng)目探討“避短揚(yáng)長”科研思路的學(xué)術(shù)價(jià)值。

　　1“避短揚(yáng)長”科研思路的含義

　　人類在認(rèn)識自然、利用自然的過程中，通過“科學(xué)”總結(jié)關(guān)于客觀世界的知識，并使之系統(tǒng)化，通過符合科學(xué)原理的“技術(shù)”和“工程”服務(wù)人類社會。在工程實(shí)踐過程中，即使采用同樣的科學(xué)原理，但采用技術(shù)路徑和客觀條件的差異往往會影響著工程的成敗。在進(jìn)行科研設(shè)計(jì)時(shí)，通常會“揚(yáng)長避短”，把注意力過多關(guān)注在那些“有利條件”的分析上，往往容易忽視或者弱化哪些“不利條件”，這樣的科研思路有時(shí)會在一些工程建設(shè)上帶來慘痛的教訓(xùn)。在科研工程設(shè)計(jì)工作中，科研工作者一定要注重分析客觀條件的差異，尤其要注重尋找技術(shù)瓶頸點(diǎn)，探求能否克服或者避開瓶頸條件，而往往對瓶頸的攻關(guān)需要一個(gè)周期。

　　工程論證過程中，如果漏掉一個(gè)有利條件，后果很可能是沒能錦上添花，但如果漏掉了一個(gè)不利的瓶頸條件，后果往往是顛覆性的。因此，在工程論證或者工程建設(shè)時(shí)，尤其是要注重考慮工程實(shí)施的瓶頸條件，即先“避短”再“揚(yáng)長”。“避短揚(yáng)長”的科學(xué)研究思路說著簡單，但要在具體科研工程中落到實(shí)處往往不那么容易，下面以許其鳳院士科研生涯中的四個(gè)典型科研工程實(shí)踐來探討“避短揚(yáng)長”科研思路的學(xué)術(shù)價(jià)值。

　　2“避短揚(yáng)長”科研實(shí)踐

　　2.1WCX-1型衛(wèi)星測向儀研制

　　人類有著悠久的觀測自然天體的歷史，并積累了大量的精確數(shù)據(jù)。人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，開創(chuàng)了衛(wèi)星大地測量(也叫“人衛(wèi)大地測量”)的新時(shí)代。衛(wèi)星大地測量中的觀測，可以分為方向觀測和距離觀測兩大類。方向觀測是指通過一定的技術(shù)手段，取得測站至衛(wèi)星在某一坐標(biāo)系內(nèi)的單位矢量;而距離觀測，則是取得測站至衛(wèi)星矢量的模，由于采用技術(shù)手段的不同，距離觀測量又可分為距離測量、距離變率測量和距離差測量。

　　由于人造地球衛(wèi)星距觀測者比月球和其他天體近得多，可以極大地減小由同樣測向觀測誤差引起的地面點(diǎn)位位移，且擺脫了傳統(tǒng)地面三角測量中，邊長受到限制和觀測誤差傳遞的問題。20世紀(jì)60年代，衛(wèi)星大地測量以光學(xué)技術(shù)為主，當(dāng)時(shí)我國光學(xué)儀器制造技術(shù)和水平相對薄弱，這個(gè)瓶頸極大地限制了我國采用相同原理制造天文量測設(shè)備所能實(shí)現(xiàn)的性能。

　　為繞開瓶頸問題，許其鳳院士從減弱光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)致誤差源的角度出發(fā)，提出了星空模型法，利用原攝影物鏡構(gòu)成星空模型，量測模型上衛(wèi)星和恒星(定標(biāo)星)星象的空間方向，利用攝影物鏡兩次互逆的成像，消除畸變差及底片不平差對底片量測結(jié)果的影響，極大地減弱了主要誤差源的影響，在大大降低鏡頭和底片技術(shù)指標(biāo)情況下，仍然能夠獲得較高精度的測量結(jié)果。利用建立的這種“雙光楔跟蹤攝影”理論，能提高系統(tǒng)性能，為之專門研制的WCX-1型衛(wèi)星測向儀，實(shí)現(xiàn)了兩軸結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星跟蹤攝影，儀器性能達(dá)到當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)水平，就單一未知星定向精度達(dá)到1.03″，1978年該項(xiàng)目獲全國科學(xué)大會獎(jiǎng)。

　　2.2北斗二號(BDS-2)的星座設(shè)計(jì)

　　進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，首先要考慮星座設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)什么樣的定位性能和多大的覆蓋范圍，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的性能，來設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座應(yīng)該采用的軌道和衛(wèi)星的分布情況，要考慮如何在保持系統(tǒng)相近性能條件下，盡可能采用更少的衛(wèi)星，以便節(jié)約建設(shè)成本。

　　當(dāng)時(shí)，國際上可供借鑒的俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(globalnavigationsatellitesystem,GLONASS)、美國的全球定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem,GPS)和歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileonavigationsatellitesystem,Galileo)均采用在3個(gè)或6個(gè)軌道面均勻分布的中圓地球軌道(mediumEarthorbit,MEO)衛(wèi)星(軌道高度約2萬km)組成衛(wèi)星星座。那么當(dāng)時(shí)我國建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在什么瓶頸問題呢?主要瓶頸有兩個(gè)：

　　1)由于我國沒有海外軍事基地，導(dǎo)致難以在全球范圍內(nèi)均勻布設(shè)衛(wèi)星監(jiān)測站，由于監(jiān)測站只能布設(shè)在國內(nèi)，導(dǎo)致監(jiān)測站對任一衛(wèi)星的監(jiān)測弧段較短，難以滿足衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差的高精度計(jì)算需求;2)由于原子鐘制造工藝差距問題導(dǎo)致的原子鐘性能落后的問題，原子鐘精度差將直接導(dǎo)致衛(wèi)星測距誤差增大，嚴(yán)重制約衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能[2]。

　　為繞開短期內(nèi)難以克服的瓶頸問題，許其鳳院士拓展衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)思路，選擇了地球靜止軌道(geostationaryEarthorbit,GEO)衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道(inclinedgeosynchronousorbits,IGSO)衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)接近全弧段跟蹤，大大縮小外推弧段，在監(jiān)測站僅能國內(nèi)布設(shè)和國產(chǎn)原子鐘當(dāng)時(shí)精度不足的情況下，設(shè)計(jì)出區(qū)域性能優(yōu)于GPS、滿足國家戰(zhàn)略需求的北斗二號星座設(shè)計(jì)方案，采用經(jīng)過優(yōu)化 設(shè)計(jì)的5顆GEO衛(wèi)星和5顆IGSO衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座。

　　最終經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，采用高軌道衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座能夠很好滿足覆蓋亞太地區(qū)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)需求，在系統(tǒng)性能得到保證的前提下，不但能夠大大提高衛(wèi)星利用率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級的廣域差分，使系統(tǒng)區(qū)域性能優(yōu)于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]。2012年12月，BDS-2正式開通運(yùn)行，其良好的定位性能驗(yàn)證了許其鳳院士“避短揚(yáng)長”思路設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座的杰出技術(shù)思路。

　　2.3GNSS定向技術(shù)研究

　　現(xiàn)代戰(zhàn)爭中機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)成為主要作戰(zhàn)模式，機(jī)動(dòng)陣地的快速定向是炮兵、導(dǎo)彈等各類作戰(zhàn)武器提高命中精度的重要保障。衛(wèi)星定向主要指利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)進(jìn)行定向工作，主要是通過對GNSS載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終能夠給出空間中兩點(diǎn)構(gòu)成的幾何矢量在特定坐標(biāo)框架下的指向[4]。

　　1987年，在國內(nèi)外無先例的情況下，經(jīng)系統(tǒng)地研究，許其鳳院士提出了利用GPS進(jìn)行大地方位角測定的理論和方法，項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于國內(nèi)發(fā)射陣地測量和某項(xiàng)國外軍事任務(wù)，拓展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的軍事應(yīng)用范圍，解決了遠(yuǎn)程武器機(jī)動(dòng)發(fā)射快速測量保障問題。利用GPS可以進(jìn)行定位定向，但受美國的控制。使用我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可解決戰(zhàn)時(shí)使用的靠性問題。但我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)即北斗一號(BeiDounavigationdemonstrationsystem,BDS-1)僅采用了多顆同步軌道的地球同步衛(wèi)星(GEO衛(wèi)星)，從地球上看衛(wèi)星幾乎不動(dòng)，照搬現(xiàn)成GPS衛(wèi)星定向方法不能取得方位解。

　　為克服星座設(shè)計(jì)的差異及不能進(jìn)行方位解算的瓶頸，許院士提出了兩接收機(jī)使用共同本振、天線自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的方法，解決了利用我國衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行快速測向的技術(shù)難題，觀測一顆衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)定向，通過研制的原理樣機(jī)驗(yàn)證了方法的可行性。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDounavigationsatellitesystem,BDS)的逐步建成，為縮短定向時(shí)間及減小定向設(shè)備裝備成本，許院士又提出采用單接收機(jī)旋轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)快速精確測量方向的方法，并研制了原型樣機(jī)。使用該設(shè)備時(shí)不需對中和精確整平，極大地減小了部隊(duì)官兵的使用難度。

　　2.4GNSS動(dòng)態(tài)定位檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能測試評估方法是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究內(nèi)容，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能，是衡量一個(gè)系統(tǒng)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。近年來，國內(nèi)外對定位性能的測試評估開展了大量的理論研究與實(shí)踐工作。由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位的高定位精度、定位結(jié)果瞬時(shí)性、動(dòng)態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)更新率高等特點(diǎn)，常規(guī)的測試評估方法難以按照計(jì)量規(guī)范要求進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃菰打?yàn)證工作[6]。 為解決這個(gè)瓶頸問題，許其鳳院士嘗試采用其他學(xué)科的技術(shù)解決本學(xué)科瓶頸問題。研究過程分為兩個(gè)階段。

　　第一階段：20世紀(jì)90年代，引入攝影測量的方法，提出了遠(yuǎn)、近點(diǎn)攝影的矢量較差法，在解決了高精度同步攝影、鏡頭和電荷耦合器件(chargecoupleddevice,CCD)芯片畸變差測定與修正等一系列技術(shù)難題的基礎(chǔ)上，研制了GPS動(dòng)態(tài)定位性能檢定平臺[7]，建立了我國第一個(gè)GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)檢定場，并依此制訂了國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《軍用GPS接收機(jī)檢定規(guī)程》，2005年GPS接收機(jī)綜合檢定場獲軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

　　第二階段：提出利用多節(jié)點(diǎn)攝影/慣導(dǎo)組合測量方法進(jìn)行BDS動(dòng)態(tài)定位性能檢定。如果選擇合適的軟硬件和外部條件，基于單張像片的攝影測量空間后方交會方法(機(jī)載低空攝影測量)，就能夠得到相機(jī)投影中心的高精度三維坐標(biāo)，攝影測量方法的觀測量是像點(diǎn)坐標(biāo)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠利用積分的方法推算得到慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，速度和角度的微分量是慣性測量方法的觀測量。

　　GNSS定位主要采用基于測量衛(wèi)星到接收機(jī)之間距離的空間后方交會定位方法實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的攝影測量空間后方交會方法，雖然能夠得到較高的投影中心坐標(biāo)，但往往數(shù)據(jù)更新率不能滿足GNSS性能測試評估的需求。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)更新率，但其定位性能誤差累積較快[8-9]。許其鳳院士綜合考慮多項(xiàng)因素后，提出區(qū)別于組合導(dǎo)航濾波算法的多節(jié)點(diǎn)攝影/慣導(dǎo)組合測量方式，實(shí)現(xiàn)了高定位精度與高數(shù)據(jù)刷新率的統(tǒng)一。

　　攝影/慣導(dǎo)組合測量模式采用的工作模式和使用的觀測量都與GNSS定位模式不同，能夠避免由于采用相同工作模式或觀測量可能導(dǎo)致的系統(tǒng)性偏差。該方法已經(jīng)上級主管部門驗(yàn)收，專家組一致認(rèn)為，該方法可用于BDS動(dòng)態(tài)定位及測速性能評估。

　　3結(jié)束語

　　WCX-1型衛(wèi)星測向儀的研制，是避開我國當(dāng)時(shí)光學(xué)鏡頭加工水平低這個(gè)“短板”，從誤差源角度出發(fā)，通過星空模型法的“長處”降低對鏡頭、底片技術(shù)要求。在北斗二號的星座設(shè)計(jì)中，避開監(jiān)測站難于全球布設(shè)和星載原子鐘性能差這兩個(gè)“短板”，充分發(fā)揮了地球同步衛(wèi)星利用率高的“長處”。

　　GNSS定向技術(shù)研究中避開了由于GEO衛(wèi)星靜止不動(dòng)或者M(jìn)EO衛(wèi)星短時(shí)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致觀測方程病態(tài)無法求解這個(gè)“短板”，采取接收機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)使解算方程可觀的“長處”。在GNSS動(dòng)態(tài)定位檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，避開攝影/慣性組合導(dǎo)航實(shí)時(shí)濾波算法精度不均勻這個(gè)“短板”，充分利用動(dòng)態(tài)檢定允許事后解算這個(gè)“長處”，設(shè)計(jì)了多節(jié)點(diǎn)攝影/慣導(dǎo)組合測量方式。上述四個(gè)科研項(xiàng)目均是許其鳳院士科研生涯中“避短揚(yáng)長”科研思路的具體實(shí)踐，對我國科技工作者從事具體工程設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

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　　作者：叢佃偉