“避短扬长”思路开展科研攻关创新实践许其凤院士学术思想侧记

　　摘要：科研工程设计工作中通常会采用“扬长避短”的思路，把“有利条件”摆在突出位置，而容易忽视或弱化“不利条件”。以“避短扬长”的科学研究思路为出发点，强调在科研工程设计中，突出“不利条件”的分析，优先考虑避开短期内无法解决的客观条件限制，首先“避短”，然后再“扬长”。最后通过许其凤院士科研生涯中的四个典型科研工程，验证“避短扬长”科研思路的学术价值。

　　关键词：卫星大地测量;卫星导航;星座设计;卫星定向;测试评估

　　0引言

　　人类首颗人造地球卫星由苏联在1957年10月4日发射成功，人造地球卫星的出现，给大地测量学科带来了巨大变革，诞生了卫星大地测量学科。卫星大地测量学是研究利用人造地球卫星解决大地测量学问题的学科，是大地测量学的分支[1]，主要内容有：测定地面、水域、空间点的位置;测定地球形状、大小和地球重力场;测定地面点位置和地球重力场随时间的变化。

　　卫星导航系统的出现，极大地方便了卫星大地测量技术的应用，深刻地改变了传统大地测量的面貌。我国测绘学科科研工作者始终紧跟卫星大地测量技术前沿，从更广阔的国防和国民经济建设角度考虑，极大地推动了卫星导航系统在卫星大地测量领域的广泛应用，主动探求建立我国独立自主卫星导航系统的可能性，并在这一进程中发挥了极其重要的作用，应该说北斗卫星导航系统的成功建设是测绘导航学科近几十年的最核心成果之一，在这一建设进程中涌现了大量杰出的人才。

　　许其凤院士一直在卫星导航定位和卫星大地测量领域从事教学和科研工作，是我国卫星导航定位领域的权威专家。许院士在1997年，就建议建设我国独立自主的北斗卫星导航(区域)系统即北斗二号(BeiDounavigationsatellite(regional)system,BDS-2)，在他的建议报告书中，给出了详细的建设方法和实现路径，并提出了独具特色且极具性能优势的区域系统星座建设方案。

　　由于许院士在BDS-2星座设计中的杰出工作，于2005年当选为我国工程院土木、水利与建筑学部院士。作者一直担任许院士的秘书工作，许院士在科研工作中，经常提及“避短扬长”的科研思路，回顾许院士一生在卫星大地测量和卫星导航领域的工作成就，“避短扬长”的科研思路很好地贯彻到了他的一生所从事的科研工作当中。本文主要梳理“避短扬长”科研思路的含义，并结合几个创新科研项目探讨“避短扬长”科研思路的学术价值。

　　1“避短扬长”科研思路的含义

　　人类在认识自然、利用自然的过程中，通过“科学”总结关于客观世界的知识，并使之系统化，通过符合科学原理的“技术”和“工程”服务人类社会。在工程实践过程中，即使采用同样的科学原理，但采用技术路径和客观条件的差异往往会影响着工程的成败。在进行科研设计时，通常会“扬长避短”，把注意力过多关注在那些“有利条件”的分析上，往往容易忽视或者弱化哪些“不利条件”，这样的科研思路有时会在一些工程建设上带来惨痛的教训。在科研工程设计工作中，科研工作者一定要注重分析客观条件的差异，尤其要注重寻找技术瓶颈点，探求能否克服或者避开瓶颈条件，而往往对瓶颈的攻关需要一个周期。

　　工程论证过程中，如果漏掉一个有利条件，后果很可能是没能锦上添花，但如果漏掉了一个不利的瓶颈条件，后果往往是颠覆性的。因此，在工程论证或者工程建设时，尤其是要注重考虑工程实施的瓶颈条件，即先“避短”再“扬长”。“避短扬长”的科学研究思路说着简单，但要在具体科研工程中落到实处往往不那么容易，下面以许其凤院士科研生涯中的四个典型科研工程实践来探讨“避短扬长”科研思路的学术价值。

　　2“避短扬长”科研实践

　　2.1WCX-1型卫星测向仪研制

　　人类有着悠久的观测自然天体的历史，并积累了大量的精确数据。人造地球卫星的出现，开创了卫星大地测量(也叫“人卫大地测量”)的新时代。卫星大地测量中的观测，可以分为方向观测和距离观测两大类。方向观测是指通过一定的技术手段，取得测站至卫星在某一坐标系内的单位矢量;而距离观测，则是取得测站至卫星矢量的模，由于采用技术手段的不同，距离观测量又可分为距离测量、距离变率测量和距离差测量。

　　由于人造地球卫星距观测者比月球和其他天体近得多，可以极大地减小由同样测向观测误差引起的地面点位位移，且摆脱了传统地面三角测量中，边长受到限制和观测误差传递的问题。20世纪60年代，卫星大地测量以光学技术为主，当时我国光学仪器制造技术和水平相对薄弱，这个瓶颈极大地限制了我国采用相同原理制造天文量测设备所能实现的性能。

　　为绕开瓶颈问题，许其凤院士从减弱光学系统导致误差源的角度出发，提出了星空模型法，利用原摄影物镜构成星空模型，量测模型上卫星和恒星(定标星)星象的空间方向，利用摄影物镜两次互逆的成像，消除畸变差及底片不平差对底片量测结果的影响，极大地减弱了主要误差源的影响，在大大降低镜头和底片技术指标情况下，仍然能够获得较高精度的测量结果。利用建立的这种“双光楔跟踪摄影”理论，能提高系统性能，为之专门研制的WCX-1型卫星测向仪，实现了两轴结构的卫星跟踪摄影，仪器性能达到当时国际先进水平，就单一未知星定向精度达到1.03″，1978年该项目获全国科学大会奖。

　　2.2北斗二号(BDS-2)的星座设计

　　进行卫星导航系统的星座设计任务时，首先要考虑星座设计需要实现什么样的定位性能和多大的覆盖范围，根据要实现的性能，来设计卫星星座应该采用的轨道和卫星的分布情况，要考虑如何在保持系统相近性能条件下，尽可能采用更少的卫星，以便节约建设成本。

　　当时，国际上可供借鉴的俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,GLONASS)、美国的全球定位系统(globalpositioningsystem,GPS)和欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileonavigationsatellitesystem,Galileo)均采用在3个或6个轨道面均匀分布的中圆地球轨道(mediumEarthorbit,MEO)卫星(轨道高度约2万km)组成卫星星座。那么当时我国建设卫星导航系统存在什么瓶颈问题呢?主要瓶颈有两个：

　　1)由于我国没有海外军事基地，导致难以在全球范围内均匀布设卫星监测站，由于监测站只能布设在国内，导致监测站对任一卫星的监测弧段较短，难以满足卫星星历和卫星钟差的高精度计算需求;2)由于原子钟制造工艺差距问题导致的原子钟性能落后的问题，原子钟精度差将直接导致卫星测距误差增大，严重制约卫星导航系统的整体性能[2]。

　　为绕开短期内难以克服的瓶颈问题，许其凤院士拓展卫星轨道设计思路，选择了地球静止轨道(geostationaryEarthorbit,GEO)卫星和倾斜地球同步轨道(inclinedgeosynchronousorbits,IGSO)卫星来实现接近全弧段跟踪，大大缩小外推弧段，在监测站仅能国内布设和国产原子钟当时精度不足的情况下，设计出区域性能优于GPS、满足国家战略需求的北斗二号星座设计方案，采用经过优化 设计的5颗GEO卫星和5颗IGSO卫星组成的卫星星座。

　　最终经过实践验证，采用高轨道卫星组成的卫星星座能够很好满足覆盖亚太地区的卫星导航系统的建设需求，在系统性能得到保证的前提下，不但能够大大提高卫星利用率，并且能够实现系统级的广域差分，使系统区域性能优于其他卫星导航系统[3]。2012年12月，BDS-2正式开通运行，其良好的定位性能验证了许其凤院士“避短扬长”思路设计卫星星座的杰出技术思路。

　　2.3GNSS定向技术研究

　　现代战争中机动作战成为主要作战模式，机动阵地的快速定向是炮兵、导弹等各类作战武器提高命中精度的重要保障。卫星定向主要指利用全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)进行定向工作，主要是通过对GNSS载波相位数据进行处理，最终能够给出空间中两点构成的几何矢量在特定坐标框架下的指向[4]。

　　1987年，在国内外无先例的情况下，经系统地研究，许其凤院士提出了利用GPS进行大地方位角测定的理论和方法，项目成果成功应用于国内发射阵地测量和某项国外军事任务，拓展了卫星导航系统的军事应用范围，解决了远程武器机动发射快速测量保障问题。利用GPS可以进行定位定向，但受美国的控制。使用我国自主卫星导航系统，可解决战时使用的靠性问题。但我国的北斗卫星导航试验系统即北斗一号(BeiDounavigationdemonstrationsystem,BDS-1)仅采用了多颗同步轨道的地球同步卫星(GEO卫星)，从地球上看卫星几乎不动，照搬现成GPS卫星定向方法不能取得方位解。

　　为克服星座设计的差异及不能进行方位解算的瓶颈，许院士提出了两接收机使用共同本振、天线自转与公转的方法，解决了利用我国卫星系统进行快速测向的技术难题，观测一颗卫星即可实现定向，通过研制的原理样机验证了方法的可行性。随着我国北斗卫星导航系统(BeiDounavigationsatellitesystem,BDS)的逐步建成，为缩短定向时间及减小定向设备装备成本，许院士又提出采用单接收机旋转方式实现快速精确测量方向的方法，并研制了原型样机。使用该设备时不需对中和精确整平，极大地减小了部队官兵的使用难度。

　　2.4GNSS动态定位检定系统设计

　　卫星导航系统性能测试评估方法是卫星导航领域中的重点研究内容，卫星导航系统的定位性能，是衡量一个系统技术水平的重要标志。近年来，国内外对定位性能的测试评估开展了大量的理论研究与实践工作。由于卫星导航系统动态定位的高定位精度、定位结果瞬时性、动态范围大、数据更新率高等特点，常规的测试评估方法难以按照计量规范要求进行严谨的溯源验证工作[6]。 为解决这个瓶颈问题，许其凤院士尝试采用其他学科的技术解决本学科瓶颈问题。研究过程分为两个阶段。

　　第一阶段：20世纪90年代，引入摄影测量的方法，提出了远、近点摄影的矢量较差法，在解决了高精度同步摄影、镜头和电荷耦合器件(chargecoupleddevice,CCD)芯片畸变差测定与修正等一系列技术难题的基础上，研制了GPS动态定位性能检定平台[7]，建立了我国第一个GPS接收机动态检定场，并依此制订了国家军用标准《军用GPS接收机检定规程》，2005年GPS接收机综合检定场获军队科技进步一等奖。

　　第二阶段：提出利用多节点摄影/惯导组合测量方法进行BDS动态定位性能检定。如果选择合适的软硬件和外部条件，基于单张像片的摄影测量空间后方交会方法(机载低空摄影测量)，就能够得到相机投影中心的高精度三维坐标，摄影测量方法的观测量是像点坐标。惯性导航系统能够利用积分的方法推算得到惯导系统标定点的三维坐标，速度和角度的微分量是惯性测量方法的观测量。

　　GNSS定位主要采用基于测量卫星到接收机之间距离的空间后方交会定位方法实现。经过优化设计的摄影测量空间后方交会方法，虽然能够得到较高的投影中心坐标，但往往数据更新率不能满足GNSS性能测试评估的需求。惯性导航系统能够实现较高的数据更新率，但其定位性能误差累积较快[8-9]。许其凤院士综合考虑多项因素后，提出区别于组合导航滤波算法的多节点摄影/惯导组合测量方式，实现了高定位精度与高数据刷新率的统一。

　　摄影/惯导组合测量模式采用的工作模式和使用的观测量都与GNSS定位模式不同，能够避免由于采用相同工作模式或观测量可能导致的系统性偏差。该方法已经上级主管部门验收，专家组一致认为，该方法可用于BDS动态定位及测速性能评估。

　　3结束语

　　WCX-1型卫星测向仪的研制，是避开我国当时光学镜头加工水平低这个“短板”，从误差源角度出发，通过星空模型法的“长处”降低对镜头、底片技术要求。在北斗二号的星座设计中，避开监测站难于全球布设和星载原子钟性能差这两个“短板”，充分发挥了地球同步卫星利用率高的“长处”。

　　GNSS定向技术研究中避开了由于GEO卫星静止不动或者MEO卫星短时运动导致观测方程病态无法求解这个“短板”，采取接收机快速转动使解算方程可观的“长处”。在GNSS动态定位检定系统设计中，避开摄影/惯性组合导航实时滤波算法精度不均匀这个“短板”，充分利用动态检定允许事后解算这个“长处”，设计了多节点摄影/惯导组合测量方式。上述四个科研项目均是许其凤院士科研生涯中“避短扬长”科研思路的具体实践，对我国科技工作者从事具体工程设计具有较好的指导意义。

　　参考文献

　　[1]测绘学名词审定委员会.测绘学名词(第四版)[M].北京:测绘出版社,2020.

　　[2]许其凤.认识北斗建设北斗[J].中国工程科学,2014,16(8):26-32.

　　[3]许其凤.北斗系统的特点与产业优势[J].中国工业和信息化,2020(7):52-58.

　　[4]许其凤,丛佃伟,董明.主要定向技术比较与GNSS快速定位定向仪研制进展[J].测绘科学技术学报,2013,30(4):349-352.

　　[5]张成军,许其凤,王永明,等.一种基于单接收机旋转的北斗快速精确定向新方法[J].测绘通报,2016(3):18-21.

　　[6]丛佃伟,许其凤.GNSS动态定位性能评价研究现状与进展[J].导航定位学报,2016,4(2):1-5.

　　[7]吕志伟,郝金明,许其凤,等.利用CCD数码相机进行高精度定位的方法[J].测绘学院学报,2005(4):242-245.

　　作者：丛佃伟