杨元喜:左手测量 右手导航

2014-03-31 15:39 人物观点   

导读夜空中闪耀的北斗星,为世人指明前行的方向。如今,中国的“北斗”导航卫星也闪耀在太空中,为中国乃至全球的用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。  

夜空中闪耀的北斗星,为世人指明前行的方向。如今,中国的“北斗”导航卫星也闪耀在太空中,为中国乃至全球的用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。

“北斗闪耀”的背后,离不开众多为坐标系统和卫星定轨以及多种数据的处理分析的科学家,其中,中科院院士、1998年度“国家杰出青年基金”获得者、著名大地测量学家和卫星导航定位专家杨元喜就是其中的杰出代表。

从士兵到教授

1956年7月,杨元喜出生于江苏省姜堰市梁徐镇双墩村。父亲曾是一名残疾军人,他从小受到父亲的熏陶,对军队充满感情。由于母亲体弱多病,在他上小学和中学期间,杨元喜与姐弟一起,利用假期和上学前后的空余时间到外面去挖猪草挣工分,帮父母分担压力。

在大姐杨龙英看来,弟弟杨元喜从小少言寡语,不好张扬,但很有志气,有什么困难委屈从不对别人说,“总是一个人吞”。上学时,同龄的孩子都趁着课间玩耍打闹,他总是一个人默默地看书,刻苦求学。

1974年,高中毕业的杨元喜回乡务农,但此后未久,他应征入伍,随部队赴新疆参加高原测绘会战。尽管投身军伍,但他一直没有放弃随时随地学习的习惯。

正是因为有这样刻苦钻研的精神,1977年,杨元喜考入郑州测绘学院。1984年他又考上该校的硕士研究生,1987年留校当助教、讲师。次年,杨元喜进入中科院测量与地球物理研究所攻读博士学位。毕业后,他回到郑州测绘学院,先后担任副教授、教授。

“我以前主要从事大地测量数据处理理论研究与教学工作。”杨元喜告诉记者,在申报1998年“国家杰出青年基金”资助之前,他从自己的研究方向出发,确定申报课题为“自适应导航定位理论与应用”。这一课题的背景是,大多数动态载体都会出现不规则运动,而且不可能完全由动力学模型精确描述,且观测也可能出现异常。有鉴于此,他构建了动态自适应Kalman滤波模型,该模型包容了标准Kalman滤波、抗差Kalman滤波、自适应滤波等,使得自适应抗差Kalman滤波具有自适应学习和自调节功能。

杨元喜的这一模型,能合理地调节动力学模型信息和观测信息对动态状态参数的贡献。在自适应抗差滤波理论的基础上,他还推导出了两类最优自适因子,使得动态用户不需要任何经验即可使用该理论和算法进行高精度导航。

这一研究完成后,杨元喜的理论在我国三个部门合作实施的全国县乡道路修测工程中得到成功应用,完成全国134万多公里的GNSS(全球卫星导航系统)道路修测。

学术成长的里程碑

杨元喜坦言,他在1998年获得的“杰青”资助对他帮助甚大,“是我学术成长的重要里程碑”。

“首先,我是我们郑州测绘学院第一个获得‘杰青’基金资助的,十分高兴和激动;其次,经过两次失败的答辩,知道获得‘杰青’资助十分不易,必须付出艰辛的努力。”杨元喜表示,能够获此殊荣,表明自己的学术科研成绩得到一定认可,有成就感,也有责任感,增强了自信心,“同时,‘杰青’基金资助对我个人的成长提供了重要支持,也为个人的学术成长注入了新的活力和动力”。

从最直接的影响来说,杨元喜从“杰青”申报课题“自适应导航定位理论与应用”衍生的成果“自适应导航定位理论与系统”,于2014年获得省部级科技进步奖一等奖。

此外,他针对全球卫星导航观测值之间往往存在相关性,而且相关观测异常具有牵连效应,为此构建了“双因子相关观测抗差估计理论”,使得抗差估计有了较完整的解决方案。这一理论在多个国家大地测量工程中得到应用,严格控制了个观测异常对模型参数估计的影响。其系列成果总结成“大地测量质量控制理论与系统”,并在2011年获得省部级科技进步奖一等奖。

杨元喜认为,获得“杰青”资助后,自己的科研方向也更有目标。他申报“杰青”项目的方向,一开始并没有太多人关注,“只是自己发表了几篇相关研究论文”。但等他获得“杰青”资助并发表一系列的研究成果后,“自适应导航定位”的相关研究开始受到国内外学者的关注,从事该领域研究的青年学者突然增多,“可以说开辟了一个较新的研究领域,培养了许多该领域的研究生”。

如今,学术界已经初步形成了一个相对完整的理论体系。在“自适应导航定位”领域先后发表的学术论文超过百篇,且其应用领域已经超出大地测量与导航。

“杰青”应考虑学科平衡

“杰青”之后,杨元喜对科学的探索从未止步。他利用自己发展的新的理论和算法,主动应用于“中国2000GPS大地控制网数据处理工程”,为我国“2000国家大地坐标系建立”奠定了框架,使我国大地坐标系精度步入国际先进行列;并将抗差估计理论用于“全国天文大地网与空间网联合平差工程”,使我国成为继北美和西欧之后完成超大规模国家大地控制网的国家之一,并使得我国国家大地控制网统一到2000国家坐标系。成果获得省部级科技进步奖一等奖和国家科技进步奖二等奖。

近年来,杨元喜开始将重点转向“北斗”导航系统。这是我国自主自行研制的全球卫星导航系统(BDS),是继美全球定位系统(GPS)和俄格罗纳斯之后第三个成熟的卫星导航系统

2012年12月27日,北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布,北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。在“北斗”升空的背后,杨元喜付出了很多努力。

“一个国家必须有自己独立的坐标系统。我们的卫星都在围绕地球运行,要确定这个坐标系统,卫星导航是最最重要的手段之一。通过卫星地面站的连续观测和相应的数据处理,我们就可以获得相应地面点的坐标和地壳运动变化参数,这些具有高精度动态坐标参数的点构成的网络,成为坐标框架。这些坐标框架是卫星导航系统的基础,相应地,卫星导航定位也为坐标框架的实现提供手段。”杨元喜这样描述。

今年是“杰青”设立20周年,对此,杨元喜认为,“杰青”已经成为青年学者追求的重要目标,也逐渐成为一些单位评价青年学者成就的重要指标,激励了一批青年学者的上进心和成就感。

对于“杰青”未来的发展,杨元喜也提出了自己的建议:“我认为,《中国科学》《科学通报》和本学科重要的国内刊物论文也应考虑在评价体系中,并引起适当重视。这是因为我们的许多青年学者为了追求国际SCI刊物论文,忽略了国内期刊论文的发表,导致大量论文外流,并导致国内刊物的国际影响力进展缓慢。此外,‘杰青’还要考虑学科的平衡,有的学科国际重要刊物较少,发表文章相对较难,而国内学科发展又快,所以,适当平衡学科‘杰青’分布,对学科全面发展有利。”

“相信下一个10年乃至20年,‘杰青’将会取得更大的成就,让更多的青年学人受益。”杨元喜说。

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