国之重器

2020年6月23日9时43分，

我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，

成功发射北斗系统第55颗导航卫星，

暨北斗三号最后一颗全球组网卫星，

这标志着自1994年启动的北斗卫星导航系统全部建设完成。

至此，北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

北斗卫星导航系统是什么

目前，全球有四大卫星导航系统，分别是美国的全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS），俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，简称GLONASS），中国的北斗卫星导航系统（Bei Dou Navigation Satellite System，簡称BDS）以及欧洲的伽利略定位系统（Galileo Satellite navigation system，简称GALILEO）。北斗卫星导航系统作为全球四大卫星导航系统之一，是我国国家战略基础设施之一，北斗卫星导航系统也是中国第一个为全球提供公共服务的卫星导航系统。其组成结构包括空间段、地面段和用户段三部分，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供米、分米、厘米级实时定位，具有高精度、高完整性和高可靠性。除此之外，它还能提供卫星增强、基础测绘、短消息通信、国际搜索救援和精确点定位等多种服务，北斗卫星导航系统将三个不同的轨道（中地轨道、倾斜地球同步轨道和地球静止轨道）集成在一起，使其具备更高的服务信号精度和更强的抗干扰能力。

北斗卫星导航系统组网完成后，它能在哪些方面服务于我们普通大众呢？未来又将会在哪些领域一展身手呢？听听3位专家怎么说。

专家简介

丁永祥

南方卫星导航总经理助理、副总工程师，从事北斗高精度导航定位终端研发和一线应用近20年。其团队主要研究的是高精度卫星定位的技术应用，主要分为三部分，第一是地基增强，第二是关于结合地基增强的高精度终端，第三是基于地基增强和高精度终端而展开的行业应用，例如，测绘领域以及电力、水利等领域的应用。

孙中亮

深圳华大北斗总经理，从事卫星导航定位芯片的研发，研发了全球首个支持北斗三号信号的多系统、多频、高精度SoC芯片，创立“北斗芯片开放平台”，并成功实现双频北斗芯片在智能手机的首次规模化商用。他的父亲是中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”技术总负责人孙家栋，是业界公认的中国的“卫星之父”。孙中亮所在的机构是隶属于中国电子信息产业集团有限公司的专业卫星导航芯片研发机构，研发自主可控的基于北斗导航定位的芯片。

程鹏飞

中国测绘科学研究院院长、党委副书记。1980年9月—1987年6月，就读于同济大学测量系，先后获学士、硕士学位;1995年10月—1998年9月，获得奥地利政府奖学金，就读于奥地利格拉兹技术大学，并获博士学位。“全国十大测绘科技创新人物”、国家863计划地球观测与导航技术领域专家组成员、“新世纪百千万人才工程”国家级人选、国家测绘地理信息局科技领军人才，享受国务院政府特殊津贴。长期从事大地测量基准与卫星导航定位的科研工作，主持和参加了50多项国家级和省部级重大科研项目。

实时动态定位——北斗RTK 1

卫星定位的终端，精度可达到毫米级

科协频道2：对于普通公众而言，北斗RTK是什么？它的作用、应用领域有哪些？

丁永祥：说到北斗RTK，大家可以把它理解成手机导航，它和手机上的定位最大的区别就在于精度的不同，手机的定位精度可以说在10m、20m或者50m的范围内，而北斗RTK的精度可以达到厘米级，乃至毫米级，这是最大的区别。我们可以理解成它和手机定位的精度不同，它具有高精度的特点。

北斗RTK应用最多的是测绘相关领域，包括建筑、修路、市政维护巡检等方面，当然，其他相关的专业和行业也会用到高精度的北斗RTK。

使用范围广，全天候作业

科协频道：能否用几个关键词来总结北斗RTK的技术优势和创新点？

丁永祥：北斗RTK的优势主要体现在空间可用性和时间可用性两个方面，相对于以前来说，北斗RTK的空间使用范围更广。从时间方面来看，以前的卫星定位在一天的部分时段无法使用，而北斗RTK则能在全天候都保持非常好的效果。这是北斗星座的影响。而对于接收终端而言，做的比较多的是基站和相关的硬件的研发，包括软件的算法研发，提升作业效率。

前期调研和研发难度较大

科协频道：请您揭秘一下北斗RTK研发制造的关键流程。

丁永祥：北斗RTK研发制造过程，大致分为四个步骤：第一，对市场需求调研的分析，也就是市场部的职能。第二，研发部门的研发设计。第三，生产环节。第四，检测和质量品控环节。最关键的环节，应该是前期的调研和难度最大的研发阶段，也就是这两个阶段的紧密配合，使工业化大规模生产成为现实。

高精度且应用广泛，紧扣基础研发和市场需求

科协频道：您和团队在北斗产品自主研发上担当急先锋，掌握了一系列核心技术。还有哪些和公众密切相关的研究成果？您觉得在科研工作中如何才能实现创新？

丁永祥：北斗RTK是测绘类的装备工具，和大家日常的关系并不大。如果讲到智能驾驶和工业物联这两个概念，大家会比较容易理解，智能驾驶也好，工业物联也好，特别是智能驾驶，是离不开高精度位置服务的，它必须有一个高精度的位置，当然还要结合其他的传感器，包括影像和激光等，GNSS是其中重要的一个环节。

应用领域从目前的发展来看，应该说越来越广泛，特别是高精度应用。 RTK属于高精度位置服务的一部分，在发展过程中向小型化、智能化、低功耗的方向发展，支持未来越来越多的应用。

创新包括两个方面，一个方面是在这个行业的从业者，根据技术的发展，引领变化带来创新。另一个方面，我们要结合客户的需求，追求生产效率，只有提高效率，创新才有意义。总的来说，我们比较侧重于基础研发，以及通过市场需求来驱动我们研发的进程。

北斗卫星导航系统的“中枢”——SoC芯片

芯片研发的重要性和技术难题

科协频道：您和团队研发了全球首个支持北斗三号信号的多系统多频高精度芯片，请您介绍一下该芯片的自主研发的历程以及该芯片具有哪些优势？

孙中亮：我们团队经过大家共同的努力，完成了全球首颗支持北斗三号信号体制的双频、基带和射频一体化SoC芯片，这个我要特别强调，我们可以自豪地说，这是首颗支持北斗三号自主卫星导航信号体制的高精度SoC芯片。芯片的研发成功标志着国产的卫星导航芯片进入到了新的领域。说到芯片，可能这几年芯片从一个小众的、比较专业的领域，开始进入到大众生活中，因为无论是国家政策、产业的发展，还是日常工作，越来越多地提到芯片的应用。在国际大的环境下，我们也切身体会到芯片作为制造业，或者是技术领域一个核心的、底层的技术支撑，是不可或缺的。因为芯片成为卡脖子的瓶颈，大家可能越来越关注到芯片。

通过媒体的宣传，我们日常也感受到，芯片研发还是一个相当有技术难度和需要相当投入的领域。我个人觉得芯片的研发也要从两个方面来讲。一方面确确实实芯片的研发，有它的难度和资金投入的要求，但从另一个角度讲，芯片也不是非常特殊的产品，因为我们每个人在上中学的时候都学过由二极管、三极管、电阻和电容组成的电路。实际上芯片发展到今天，芯片的基本原理没有本质性的改变，我们现在说的芯片，就是传统的理论技术支撑的二极管、三极管、电阻、电容、电路。那它的难度在哪？芯片的发展从原来的一个个的单品元器件，一个单品的二极管、三极管，发展到今天之所以叫芯片，实际上它是小型化了，工艺上的要求就越来越高。而工艺上的要求涉及到方方面面，不仅仅是芯片，包括了原材料，包括了各类工作母机，包括激光、切割等设备的高精度要求。所以，芯片的难度应该是综合技术的体现，不仅仅是芯片研发这一个方面。

所以，从这个角度讲，芯片的研发难度大，跟原来整个国家在这个领域的技术基础有关系。另外，随着芯片面积越来越小，研发难度的增加，主要体现在工艺要求上，而工艺要求越来越高以后，会造成资金的一次性投入很大，从这个角度来说，也造成芯片研发的难度越来越大。

另外，芯片的研发周期随着工艺要求的提高，时间也越来越长。一颗芯片，像导航定位芯片，平均研发时间应该是在两年甚至更长一点，手机芯片研发大概也是2～3年的研发时间。这样一个长周期，主要投入是人力投入，是高技术人才的投入。这样一次性的投入，周期非常长，这跟我们原来产业技术发展的逻辑不是特别一样。我们原来的制造业，大家都知道，可能投入两三年就要求回本，这样实际上也是增加了芯片投入难度。

基于这样几个要素，在芯片这个领域，我们也认识到它所面临的困難。这个困难是综合的，涉及到技术，涉及到工艺，也涉及到资金投入，还涉及到人才的组织。一方面，我们需要关注和跟踪全球前沿的技术发展。另一方面，我们需要有效地组织起一批高技术人员，这里我要特别强调高技术人员是方方面面的，比如说，有基带技术人员、射频技术人员、SoC技术人员、物件算法的人员等，还有配套的包括测试，包括产品的规划发展方向等。从这个意义上来说，芯片的研发既是高技术，也是一个细流程，同时还是资金密集投入的产业。

在这里，应该说说芯片行业要学习的榜样，大家都知道，华为在国内，甚至在全世界还是非常超前的。另外，我们国内还有一些，包括我们同行也在芯片的投入上做得更早，项目也更好，也是我们学习的目标。从这个角度讲，我们进入芯片领域更多是基于国家和整个社会产品、行业发展的阶段，在集团以及投资人共同的决策和推动下，我们进入这个领域。经过3～5年，我们还算这个领域的新兵，刚开始尝试。这其中我们也走了不少的弯路，也交了不少的学费，但是这条路的发展方向应该说没有错。我们还需要在这个基础上坚持下去，在国家政策以及行业需求的支持下继续努力，力争在国产芯片领域作出一点我们这个时代人应该作出的贡献，为我们国家产业的全面发展打下坚实的核心技术的基础。

导航定位芯片将广泛应用于物联网领域

科协频道：目前，双频北斗芯片已经实现了在智能手机的首次规模化商用，未来还可能会应用于哪些行业或者领域？

孙中亮：这里要特别说明一下，双频SoC芯片专门有一个窗口的机遇，我们配合像联想这样的大型IT产业集团，实现了在联想手机的应用，这是我们的一次尝试，也是国产手机在行业里应用的尝试。我们要特别说明一下，它不是最终的方向，或者说是唯一的方向，应该讲作为专业的导航定位芯片，它更广泛的应用是在即将到来的物联网领域，包括物流、电商、车联网等。可以这样讲，手机实现了什么？在互联网时代的人人相联，而物联网的到来，将实现物联网里的物物相联。

所以，我们要认识和理解，手机只是作为导航定位领域里的尝试。高精度定位下一步更加广泛或者说最主要的应用是物联网应用，在物联网的应用里，导航定位可以说是物物相联里的基础设施。比如，我们通俗地讲，就像我们盖一座房子，盖一个高楼大厦，导航定位起什么作用？像建一个房子所需要的钢筋水泥一样，它是基础标配。

自身能力与战术策略结合，众人拾柴火焰高

科协频道：北斗芯片开放平台的创立，它的背后有什么样深远的意义？

孙中亮：芯片开放平台稍微展开一点讲，我们现在几乎人人都有手机，疫情期间，进入公共场所或者是进入楼宇要扫码，健康安全码。健康安全码的底层技术，就是通过每人手持的手机里的定位信息，来跟踪了解这个人在之前14天到访的地方，这就反映了导航定位是一个核心的基础配置。我们也不回避，在导航定位这个领域里，我们国家的基础技术还是追赶者，北斗的建立使我们能够有后来居上的可能，向技术的前沿领域发展和赶超。

在这个基础上，我们在追赶的过程中，一方面，我们要强化自身的能力，但另一方面，我们也要采取一些策略、战术动作。手机就是很典型的案例，大家知道现在手机已经基本上形成两大阵营，一个是苹果的ios系统，它是一个封闭的系统，苹果发展比较早，有一个完整的封闭的生态环境。另外，就是以谷歌为代表的开放的安卓系统，安卓系统体现了它巨大的后发优势和生命力，到目前为止，这两大系统可以这么说，二八法则，苹果的ios占了80%的市场利润，但是市场占有率大概是20%左右;安卓的开放系统占了80%的市场，但只有20%的利润。

那么，从这个角度能够体现出开放平台巨大的生命力，我们作为卫星导航领域的追赶者和赶超者，要充分意识到我们所处的阶段，它的有利方面和不利方面。他山之石，可以攻玉，别人成功的经验也值得我们借鉴。我们推动的北斗芯片开放平台，就是安卓开放平台的成功的发展经验，所以我们通俗的讲法是，这有点类似于北斗芯片的类安卓系统。我们讲发展自主的北斗系统，通过国产化的北斗芯片，提供一个开放的生态环境，使更多的有志于从事导航定位的人，能采用北斗的信号体制和技术系统。通过开放的平台，使更多的人能够在这个系统上开发、定制有行业特色和自身特点的产品，这就是所谓的“众人拾柴火焰高”。

我相信，如果能推动打造这样的开放平台，会使北斗系统能够更好地体现开放开源系统的特色，发挥后发优势，能够实现追赶和超越。这就是我们提供北斗芯片开放平台的基本初衷。

实现精准农业的普及化，为脱贫致富提供保障

科协频道：2020年是全面建成小康社会的目标之年，是脱贫攻坚全面收官之年，您所在的领域可能会在哪些方面发力？

孙中亮：精准农业是脱贫致富里非常重要的环节，贫困地区主要还是广大的农村地区，而农村地区实现精准农业的普及化，实际上是脱贫致富非常基础的条件保障。2019年10月，我们专门还在贵州做了捐筹，我也亲自带队，还有北京公司也配合整个集团到贵州台江，到一线去。我们看到精准农业如果能够普及化、大众化应用，对脱贫致富是非常好的技術支撑和保障，而且这个保障不仅仅解决衣食问题，也使脱贫致富可持续、有保障地发展。

精准农业的实现，离不开我们做的导航定位芯片。使精准农业硬件的基础配置低造价、低功耗，是对实现脱贫致富有帮助的。我们做的高精度北斗芯片的应用目标，就是让我们国家的大众化、普及化的农业机械在精准定位上能够实现标准化。这个稍微解释一下，应该说精准农业在西方高端农业机械上已经实现了，但是造价是非常高的，我们不能将它普及到每一个脱贫致富的县城。但是，我们国家的农业机械应该说实现了普及化、低造价的要求。国产北斗导航定位芯片的普及，为精准农业中所使用的农业机械提供了良好的发展方向。北斗高精度定位标配化，为实现脱贫致富打下很好的基础。

从这个角度讲，我相信，基于我们国家自主研发的北斗芯片国产化，实现自主可控的低造价，为精准农业提供完整的解决方案，这也就为脱贫致富的持续完成和保障，提供了最坚实的基础支撑技术。

高精度高保障——北斗地基增强系统

卫星导航定位基准站，应用于高精度的实时定位

科协频道：对于普通公众而言，北斗地基增强系统是什么？它的作用以及应用领域有哪些？

程鹏飞：对于普通公众而言，北斗地基增强系统就是在北斗卫星导航定位的基础上，增加地面的基础设施，也就是我们地面的卫星导航定位基准站。这些基准站从一个既含有原系统，即原来的北斗卫星导航系统，同时，又能使用户得到更高的定位精度的系统。

通常说来，我们国家31个省市、自治区、直辖市都已经建成了所谓的CORS系统3，这些CORS系统只要具备接收北斗卫星导航定位信号的能力就是北斗地基增强系统，可以这样理解。

它的作用和应用领域相当广泛，很难用一句话来说，现在它已经广泛应用于各类高精度的实时定位，包括在测绘、地方的坐标系的建设维护、各项工程建设、精准农业、航空、交通、导航，甚至还有可能在今后的无人驾驶领域上发挥重要的作用。

它在其他方面也有很多应用，比如，在地震监测、地质灾害的监测和短期的气象预报等方面都有很高的应用价值。

脱密系统保护涉密信息、保障运行安全

科协频道：北斗地基增强系统运行安全是如何保证的，有什么“秘密武器”吗？

程鹏飞：因为北斗地基增强系统应用非常广泛，同时北斗地基增强系统所依赖的基准站的坐标和所连续获得的检测数据，里面含有相当多的重要信息。这些信息对国家安全造成了威胁，因此，现在国家主管部门规定，卫星导航定位基准站要进行安全的改造，同时，我国在2017年新修改的《测绘法》也要求要进行安全的运行，要保障安全。

针对这样的问题，中国测绘科学研究院在前两年研发了一套对北斗地基增强系统进行脱密的技术方案和软件系统，这套脱密系统是把北斗地基增强系统里面所含有的涉密信息变成一种非涉密的信息，同时保证这套系统正常运行，使系统用户得到的服务完全不变，这套系统已经在全国半数以上的省级北斗地基基准站上得到了应用。

精化坐标系，朝着毫米级精度方向发展

科协频道：您长期工作在科研一线，取得了包括使我国大地坐标系步入世界先进行列的“2000国家大地坐标系”等一系列成果。可否介绍一下我国大地坐标系的发展历史，它的价值所在，以及您在大地坐标系现代化方面的最新研究内容与成果？

程鹏飞：首先，这些成果都是我的团队取得的，绝对不是我个人的成果。2000国家大地坐标系建设也有许多老一辈科学家的共同努力，最终在我们这一代将它实现。在实现2000国家大地坐标系之前，我国有两个坐标系统，一个是五四北京坐标系，一个是西安大地坐标系，这两个坐标系统都是属于参心坐标系，不是基于地球质心为坐标系原点的坐标系。

这种坐标系本身精度很差，实现坐标系的技术基本上采用地面的测角测距，光电的技术，没有采用更先进的技术，应用上也受到限制。而且原来坐标系的原点和现在真正地球的质心相差超过100m的距离。

随着卫星越来越广泛的应用，这样的坐标系不能满足现在许多行业的需求。因此，我们实施了坐标系的更新系统，建设了2000国家大地坐标系。国家大地坐标系是测绘地理信息，信息采集处理表达的一个数学基础，没有这个坐标系，我们就没有办法把空间的信息进行表达、分析和展示，所以，它的作用非常大，非常重要。

2000大地坐标系是属于一种地心的坐标系，已经实现了和国际上的大地坐标系的接轨。同时，它也是要发展的，在坐标系实现之初，我们和世界上最先进的坐标系，是处在同一个等级上，如果相互比对，也只有几厘米的差异。

今后，随着观测精度、手段的提高，我们针对国家大地坐标系还要做进一步精化，使得我们的坐标系朝着毫米级精度方向发展。目前，我们的团队已经自主研究提出了非线性的分析方法，这些非线性的方法，将有助于我们实现毫米级的坐标框架。

科研实现创新需要人才、资金、环境相结合

科协频道：您被评为全国十大测绘科技创新人物，作为测绘领域的专家，您觉得在科研工作中如何才能实现创新？

程鹏飞：这个题目很大，科研实现创新确实是很难。第一是人，人是創新的主体，要有优秀的人才进入到创新团队，同时这个创新团队也要给人才发展提供良好的环境。第二是财，搞科技创新要有足够的经费来支撑，因为科研活动是一项高级的人脑智力活动，而且这个活动过程中很难说一直都是成功，没有失败，所以成本也很大。第三是环境，就是国家对鼓励科技创新的政策环境、保障环境。现在，我们国家处在一个非常好的科技创新的发展期。

抗疫“先锋模范”案例

科协频道：您所在领域的科研成果是否有其他的应用于抗击疫情的案例？

丁永祥：说到北斗RTK高精度产品对于疫情的贡献，之前大家在新闻中可能也接触过，在建设雷神山医院的时候，我们的产品也为雷神山医院添砖加瓦，作了一些贡献，土方、测量等相关的工作都有参与其中。

孙中亮：这个问题很有典型意义，在疫情期间，确实大众生活和经济、工业产业受到非常大的影响，这个影响从现在看来，不仅仅是在中国，已经是发展到全球了。正是因为这样一个情况，国家迅速推出了“新基建”支持扶持政策，为疫情之后的产业复苏提供坚实的支撑。

整个环境中，如果往深层看，整个“新基建”七个方向，实际上，导航定位是整个项目发展的标准建设，也就是说定位信息是基本属性。从这个角度讲，整个导航定位芯片对于抗击疫情，我们提供了技术，可能没有单独的，但是几乎在所有的装备，比如说，温度测试，实际上越来越多的程序把位置信息作为标准配置。

从这个角度就能侧面反映出来，导航定位在疫情的防治、跟踪、管控以及疫情结束以后，升级完善智慧城市的组织和管理，基本上是不可或缺的刚性的要求。

程鹏飞：我了解这是肯定有的，我说两个应用的例子。

第一，我们研究院有一个部门是专门为国务院办公厅提供信息化服务的，这个部门已经为国办提供服务20多年了，现在我们为国家提供情况的统计，实时的统计分析。

第二，我们研究院也为一些地方政府做了一些信息化的系统，比如，我们研究院为湘西自治州开发的国地通一体化时空公共服务平台，这个平台不仅为公众提供包括吃、住、行、交通等日常服务，而且在疫情期间也提供了许多的疫情信息、灾情信息和防控方面的服务。

（采访：娄贞）