航天技术助力北京冬奥

文 | 刘泳庆

国家体育总局体育科学研究所

2月20日，第二十四届冬季奥林匹克运动会在北京圆满闭幕。在本届奥运会上，从精彩五环到奥运火炬，从冰雪舞台到通信保障，从技术实力到管理理念，中国航天技术为北京冬奥增添了浓浓的科技色彩。科技奥运作为本届北京冬奥会的理念之一在整个奥运周期内表现突出，航天技术对于北京冬奥的助力体现在方方面面。本文将从航天技术在北京冬奥会办赛、参赛、观赛三个角度的科技助力作用进行总结。

一、航天技术助力北京冬奥会办赛

北京是全球唯一一座既举办过夏奥会、又举办冬奥会的“双奥”城市。但是，受气候、场馆等自然条件、硬件设施的限制，我国的冰雪运动发展较晚，北京冬奥会的举办面临挑战。中国航天技术的发展是我国综合国力的体现，航天技术为北京冬奥会在奥运场馆、训练馆和场地基建，气象保障，开闭幕式和火炬传递以及安全保障等方面提供了助力，确保了北京冬奥会如期顺利举办。

1.奥运场馆和场地基建建设

高精度测绘技术应用于奥运会竞技比赛场馆和场地的设计建设，可以实现对于高程数据的高精度测量。延庆赛区的国家高山滑雪中心和国家雪车雪橇中心在设计时利用无人机实现了对场地1:500地形图测绘，克服了山区地形复杂、高差大的技术难题；利用无人机激光雷达技术，对赛事的雪道造雪厚度进行了高精度测算。为了打造“最快的冰”，保障制冰后冰面温度均匀，利用惯性测量方法对国家速滑馆“冰丝带”地面局部高低起伏实现了精密测量，最终使得国家速滑馆任意平方米区域内高差不超过±3mm。

北斗卫星导航系统的创新应用为高速公路隧道和奥运赛事中的人员、车辆定位提供高精度、高时效服务。延庆至崇礼高速河北段隧道北斗隧道定位信号扩展系统，为隧道内行驶车辆提供定位、测速服务，并支持全过程监管，可实时获取并及时感知隧道中车辆的行车状态，满足隧道内外车辆连续定位导航、监管、救援需求，保障隧道行车安全，避免重大交通事故的发生，还可以根据车辆位置信息进行快速高效救援。而依托科技冬奥专项“北京冬奥会北斗微基站室内混合定位系统关键技术研发及应用”项目研制的首款小型化北斗室内亚米级定位基站，在奥运赛事期间为冬奥场馆工作人员和移动车辆提供室内外无缝连续的亚米级高精度实时定位和位置服务，静态定位优于0.1m、动态定位优于0.5m，室内外连续定位精度优于1m（图1）。

图1 北斗微基站室内混合定位系统与时空盒终端

2.气象保障

北京冬奥会是近20年来唯一在大陆性冬季季风主导的气候条件下举办的冬奥会，赛区处于复杂山地中。通过在赛场的气象站布置现代立体观测设施，加上各类天气雷达、气象卫星数据，形成了“三维、秒级、多要素”立体监测网络，我国气象部门建成了京津冀区域500m分辨率、冬奥山地赛场核心区域100m分辨率、逐10分钟快速更新的循环数值预报系统，为“一场一策”和“一项一策”冬奥气象服务保障提供强有力的科技支撑（图2）。

图2 延庆赛区国家高山滑雪中心赛道实时气象要素预报点

国家卫星气象中心利用风云系列卫星开展了天气、地表温度、积雪和雪深等多方面的监测服务工作。风云四号A、B星对云进行实时监测，风云三号D星微波成像仪（MWRI）和中分辨率光谱成像仪（MERSI）对地表温度、积雪进行监测，助力赛事气象保障。

雷达技术助力风因素气象监测。风因素是影响冬奥比赛的一个重要气象要素，风廓线雷达24小时监测风速风向，并对风场变化进行实时预报。毫米波测云雷达则全天候开展云雾遥感探测，对发生降雪、降雨等天气过程时的风、雪、雨、云等气象目标进行定量刻画，分析赛区天气规律并做精细化预报。三维风场激光雷达可探测高精度、高时空分辨率的风速、风向、垂直气流、风切变等多气象要素。大气探测激光雷达获取高精度、高时空分辨的气溶胶、云层的光学参数信息，实现对气溶胶、云的全天时、高精度探测。

高精度传感器技术实现对降水、降雪、温度、图像等气象数据的高精度采集，满足赛场精细化气象观测的需求。称重式降水传感器实现对雨、雨夹雪、雪等不同相态降水的高精度测量。而无线便携式手持雪温雪状观测仪（图3），搭载了红外测温、面阵激光测距、智能图像等多种先进的高精度传感器，测温精度在±0.3℃以内，能自动识别粉状雪、壳状雪、冰状雪和浆状雪四种雪状，支持视频流与波形图预览数据，探测雪地实时温度，为雪上竞技项目比赛提供了助力。

图3 无线便携式雪温雪状观测仪

另外，基于无人机航拍结合环境气象条件实现赛场地形和风速信息的高分辨率气象报告，融合北斗高精度定位技术、雷达技术和传感器技术实现冬奥会雪上运动赛场高精度位置网格化的实时气象数据监测和超运动条件预警，可观测温度、湿度、气压、风速、风向、降水量等常规气象要素和地温、辐射、紫外线等专项赛事特殊气象服务数据的自动气象站，结合机器学习、多模式集成等技术的冬奥专用版自动气象站组网平台软件，均为航天技术在冬奥气象保障中的应用实例。从地基到空基，从点到面，探测范围、要素不同的气象设备织就了严密的气象探测网，为冬奥气象观测提供科学的数据支撑和“稠密”的数据服务。

3.开闭幕式和火炬传递保障

2022年北京冬奥会和冬残奥会的奥运手持火炬采用高压储氢气瓶，首次成功使用氢气作为奥运会的火炬燃料，突破了超薄壁气瓶加热收口成形、热处理变形控制、大壁厚瓶口旋压增厚及精加工、弱刚性薄壁壳体复材缠绕等关键技术，实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。另外，火炬燃烧器的设计中采用“双火焰”方案结合燃烧催化设备，在“飞扬”火炬外形和狭小、弯曲不规则的空间约束下，保证北京冬奥会特种火炬能够适应各种恶劣天气。同时，火炬的强度按照航天可靠性理念进行设计，保留了数倍的安全余量，确保了火炬再燃烧过程具备高可靠性。

多机器人在冰雪和水下跨域协同的火炬传递，成为本届北京冬奥会的一大看点。水下火炬创新采用新型燃烧组织结构、气动旋流火焰保护设计以及气态燃料，克服了水下隔绝氧气的问题，消除固体燃料燃烧的烟雾污染，使得火焰有动态、飘逸的美感，让奥运圣火呈现水下燃烧胜景（图4）。

图4 多机器人在冰雪和水下跨域协同的火炬传递

2022年2月4日，北京冬奥会开幕式的“冰雪五环”惊艳世界，精彩的背后离不开航天技术的支撑。冰立方是整个开闭幕式最大功率的驱动设备，借鉴火箭发射塔架的设计理念，研发出了全新的电机驱动系统，在冰立方底部布置了16套由链条、钢丝绳和导轨组成的机械结构，相互配合，稳稳挂起冰立方。主火炬燃烧系统采用“焰色反应”机理，在氢气火焰区中以特殊方式植入微量显色剂配方，以安全、环保的方式实现氢气火焰的可视性；采用线性多点式耦合燃气分配技术，实现火焰“飞扬”飘逸的造型；另外，主火炬的试验环境是基于航天器回收着陆试验场构建模拟的，为确保点火仪式的各个环节可靠、顺畅做了重要支撑。鸟巢主舞台台面的巨幅地屏利用航天工程中的冗余容错设计，提升系统运行可靠性，保证演出正常举行，结合虚拟现实技术完全颠覆了传统的演出舞台空间结构。

另外，为适应鸟巢风向变化而增加旋转功能设计的位于舞台两侧的旗杆，开幕式升旗装置的大量防风险设计，位于鸟巢距地面50多米高可吊装超过6吨设备的威亚，辅助冬奥会赛事重要环节的事前数字化推演演练及事中实时监测与动态指挥调度的开闭幕式演出与仪式数字化演练系统，结合物联网、大数据等技术的冬奥会开幕式指挥监控系统，采用数字化仿真技术的舞台机械控制系统设计均有航天技术的身影。

4.安全保障

针对北京冬奥会期间的航空救援任务，驻防队伍在直-8A直升机基础上改装的救援直升机，每日空中巡察张家口崇礼赛区、冬季两项中心、北欧跳台滑雪场、北欧中心越野滑雪场和云顶滑雪场，执行冬奥安保和航空救援任务。直升机上加装了北斗卫星导航系统和实时图像传输设备，便于指挥救援和对直升机飞行状态进行定位。

基于物联网、大数据、云计算和AR等新技术，安保指挥将传感器、无人机等新技术产品融合运用，实现对入侵目标的探测、定位、分类识别、轨迹跟踪，并可通过前端探测设备与声光电联动机制，对攀爬翻越、掘地入侵、低空抛物、围栏破坏等行为发布警报信息，及时准确地报告入侵异常事件。便携式高通量卫星站、无人机、雷达工程侦察车、全地形车、机械化桥等多种先进通信保障设备和应急抢险装备等多种先进装备汇集的数字化、信息化手段，为指挥部准确提供了灾害现场各类信息，使决策人员迅速做出“降坡排险、立体协同、对向清理、先通后拓”的行动方法，快速清理塌方体。

利用低轨宽带卫星互联网，与高轨卫星、地面5G相融合，构建具备卫星、光纤链路互备、融合泛接入的应急独立核心网及精准业务平台的应急通信系统，为紧急、严苛、复杂条件下网络的联通和高质量服务提供良好的补充增强，为冬奥会整体应急通信保障工作发挥积极作用（图5）。另外，为确保冬奥会开闭幕式演出与仪式通信调度万无一失，基于有线内通系统、无线通信系统和无线FM广播系统，搭建以矩阵系统为核心双光纤环路音频骨干网，通过矩阵实现所有设备的互联互通与统一控制，确保开闭幕式指挥调度通信信息及时送到。

图5 低轨宽带互联网系统

二、航天技术助力中国体育代表团参赛

随着科技发展，跨领域和多学科成为竞技体育科学化的助推器。竞技体育不仅是经济实力的比拼，还是科技实力的较量。科技在体育训练、营养、心理、体能、技术、康复等各领域的作用举足轻重。其中，航天技术在科学化训练、竞赛装备和训练设备研发中起到了重要作用。

1.航天技术助力科学化训练

导航定位、传感器、人工智能、大数据技术的融合可以实现各类运动参数、环境参数、生理参数及姿态数据的精确采集和分析，结合运动训练学、运动生物力学等体育专项理论助力科学化运动训练。基于全球卫星导航系统、室内定位技术、惯性传感器实现运动员运动学参数的数据采集，基于温湿度传感器、气压传感器、空气质量检测系统实现运动环境参数的数据采集，基于肌电、皮电、脑电、心电、光电传感器完成对于运动员生理参数的数据采集，基于视觉采集设备实现对运动员运动姿态的数据采集。在数据采集的基础上，应用人工智能、大数据分析等计算机技术可以从运动训练的角度实现对数据的有效解析。对以上不同类型的数据采集设备进行组合进而进行表现分析，实现对于不同运动项目、不同训练科目和不同评估角度的数据支撑，帮助教练员科学指导运动员的训练，综合优化提升运动员的技术能力。雪上技巧类项目多模态生物力学快速反馈系统融合了人工智能、超宽带精准定位、北斗导航系统、高速自动跟拍等多项技术，快速精准分析运动员助滑、起跳、飞行和落地姿态，实时反馈的三维动作捕捉，可以多角度为教练提供数据，实现训练环节精细量化；通过运用可穿戴设备等技术，进行神经启动、肌肉控制等方法研究，建立数字化高速影像、冠军选手模型、运动员心理分析，为运动员和教练员提供理论和数据支撑，为及时调整训练方案提供科学依据。

借助风洞进行冰雪项目辅助训练，模拟运动过程中气体的流动情况，借助空气动力学理论开展减阻技术的研究。我国首座体育综合训练风洞，集运动员训练、装备测试、环境模拟于一体，已为我国冰上、雪上、车撬等冬季项目以及田径、游泳、自行车、赛艇等夏季运动项目共计20多个国家队提供测试及训练服务。从比赛服装、头盔、雪车等装备的研制，到运动员运动姿态和多人项目、团体比赛的空气动力学研究，风洞的使用为顶尖运动选手的运动表现提升提供助力（图6）。目前，风洞技术在冬季体育项目的应用，已经形成了包括冬季项目风洞训练体系、运动姿态优化减阻技术、队列优化减阻技术、赛道赛时环境风评估与应对技术、运动装备风阻性能评测技术的完整体系。

图6 风洞测试

除风洞辅助科研训练外，计算流体力学（CFD）也为跳台滑雪研究提供了更加有效的助力手段，通过人体姿态三维扫描技术对跳台滑雪国家队队员开展了助滑和飞行姿态的三维建模。由于是采用计算机模拟手段，因此可以获得运动员身体绕流和身体各部位空气压力信息，通过对不同姿态下人体绕流和受到的升阻力分析，可辨识影响运动成绩的主要因素，为国家队优化技术动作提供了量化参考。

2.航天技术助力竞赛装备和训练设备研发

在竞赛装备和训练设备方面，融合新材料、航空航天技术、5G、人工智能、可穿戴设备等技术研发高端运动装备、器材、智能化场地，打造适合我国运动员生物特征和运动特点的高性能装备。

我国首辆国产双人雪车的成功研发，结合战机设计的理念开展雪车流线型的外形和翼身融合设计，车身采用了高强度等级国产TG800宇航级碳纤维复合材料，并根据中国运动员体型设计了流线型车身，减轻了车体质量，提升了滑行速度，风阻系数较进口同类雪车降低8%。雪车头盔作为雪车的配套设备，采用强度高、防撞性能优异的中国航天T800碳纤维和纯碳纤维材料制成，内部材料缓冲层采用3D打印点阵结构，并根据运动员头部的数据采用个性化定制方案，有效地为运动员减少了负重，显著提升运动员佩戴的舒适度与防护能力，风阻系数明显下降。根据中国运动员体型特点设计，涉及短道速滑、速度滑冰、高山滑雪等竞速类项目研发的多款比赛服减阻率均超过10%。冬奥礼仪服内胆中添加了石墨烯发热材料，可有效抵御冬奥会运动场馆零下30多摄氏度的低温。

三、航天技术助力奥运观赛

为保障涉奥人员和观众的健康安全，北京冬奥会实行定向组织观众现场观赛的制度。因此，赛事直播成为全球观众关注收看冬奥会的唯一渠道。卫星通信、高速视频采集等航天技术助力北京冬奥会智慧观赛。

卫星通信技术助力奥运赛事直播。中国卫通中星6B、中星6C、中星9号、中星9B等卫星负责北京冬奥开闭幕式及各项精彩赛事的广播电视卫星信号传输。其中，中星9B卫星特别设计了专门用于开展直播业务的转发器，支持4K、8K高清视频节目传输。北京冬奥会也是全球首次规模化应用8K技术进行开幕式直播和重点赛事报道的一届奥运会，让更多观众感受到了身临其境的电视直播观赛体验。

赛场高速视频采集设备保障比赛现场直播。北京奥林匹克公园内的国家速滑馆“冰丝带”内，两套三轴封闭式陀螺稳像平台作为高机位实现高点遥控稳定拍摄，提供高机位横向总览整个赛场的广阔视角大全画面。

四、结束语

事实上，航天技术对于北京冬奥会的助力还体现在许多方面，数字人民币、公共卫生服务保障、智能文件交换与跟踪、冬奥会票证系统保障、裁判智能辅助等方面均有航天技术的身影。奥运会是展示国家形象和创新实力的重要载体，航天技术在体育领域的“跨界”支持，不仅完美地完成了2022北京冬奥会的保障任务，同时也可以借助冬奥会平台加速航天技术的商业化进程，围绕办赛、参赛和观赛形成的一系列创新成果和最新的应用解决方案，充分发挥奥运的带动和示范效应，为后奥运时代的京津冀地区经济社会发展和“3亿人参与冰雪运动”发挥积极助力作用，让我们携手努力“一起向未来”！