强国复兴有我
2023年度上海市科学技术奖
优秀创新成果展示
10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。
2023年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众作科普宣传。
本期“档案”大揭秘
项目名称：导航卫星精密定位的空间误差处理关键技术与星地一体化应用
完成单位：同济大学
完 成 人：李博峰 等
奖励等级：科技进步一等奖
我国北斗卫星导航系统打破了美国GPS的垄断，实现了全球定位能力。但是如果没有北斗高精度定位，我国在自动驾驶、精准农业、国防军事等诸多依赖高精度定位的领域将受到严重威胁，所以实现北斗全球高精度定位是维护国家新兴产业安全，抢占国际市场的重要途径。此外，资源集约开发和环境精细治理也对高精度定位提出了迫切需求，如滑坡预警、矿山精细治理等。
用户一般能获得导航卫星播发的两类观测值，一类是分米级精度的距离量测值，利用该量测值可以实现米级至分米级的定位结果。另一类观测值是毫米级精度的相位量测值，与距离量测值不同，相位量测值中包含未知整周数，同时受到电离层、对流层等空间误差的影响，因此高精度定位（厘米/毫米级）必须解决未知整数确定和空间误差的处理。
然而，由于空间误差和整数混叠，且时空变化复杂，引发了多重挑战：整数确定慢、定位速度慢、整数正确固定难、定位精度低。目前常见的解决方案是在用户区域内建立参考站网，辅助用户改正空间误差、实现高精度定位，但在大范围应用中，空间误差精细处理难，服务能力弱，这三个问题相互耦合，空间误差的复杂性增加了整数确定的难度。
针对这三大关键问题，同济大学GNSS团队联合上海华测导航技术股份有限公司、上海海积信息科技股份有限公司组建了“产-学-研”攻关团队，依托国家重大专项、自然基金等项目，历经10余年技术攻关，首先建立北斗高精度定位模型理论体系、解决整数确定问题；进而攻克空间误差精细化处理，得到精密距离量测值；在此基础上，通过研发星地一体化系统和智能终端，实现全球覆盖星地一体化高精度定位服务。
01 “攻坚克难”，
建立北斗高精度定位整数模型理论体系
针对北斗高精度定位的整数模型不完备，复杂应用场景受限等问题，例如：信号遮挡噪声多模态、环境感知附加约束等，团队创新地提出了病态、有偏、多模态等北斗高精度定位整数模型体系，满足复杂场景应用需求。模型建立后，首先要解决整数的快速确定问题，如果整数相互独立，可直接通过四舍五入取整快速得到最优解。然而实际情况下整数确定需要消耗较长时间，定位解算不能满足实时要求，团队人员经过严密公式推导及大量实验发现，其核心原因是由于位置与整数以及整数本身之间是相互耦合的，因此项目团队首先提出了整数与位置参数解正则化解耦耦、多维整数的去相关解耦，以及整数迭代搜索策略，形成了整数快速确定的整体解决方案，速度提高了5倍，解决了北斗实时高精度定位的难题。整数确定不仅要快，更要准，然而复杂空间误差却如同一只“拦路虎”，阻碍整数的正确固定。团队提出了一系列创新方法，包括窄带信号重构宽带、整数概率积分以及整数区分度检验等方法，有效控制了空间误差对整数的影响，提高了整数确定的正确率。成果获得了全球卫星导航奖，其中宽带重构方法更是成为北斗多频信号处理的标准方法。
基于整数创新成果，研发的整数处理软件被国内外200多个科研机构使用，包括麻省理工学院（MIT）、喷气推进实验室（JPL）等多个国际著名机构。
02 “精打细算”，
攻克空间误差精细化处理关键技术
解决了整数快速确定的问题，空间误差依然会影响最终定位精度。在卫星导航定位中，空间误差主要包括电离层和对流层，时空变化复杂，精细处理比较难，针对电离层，团队提出了多模型同化的电离层反演方法，实现全球30厘米的精度产品；进而提出了电离层时空变化的层析方法，将精度提升到3厘米。在此基础上，针对电离层闪烁等异常情况，提出了异常控制方法，将定位精度提升了40%。针对对流层，团队攻克了复杂气象环境的对流层精细反演关键技术，首先提出了顾及气象资料的全球对流层的反演方法，实现了全球毫米级精度格网产品。针对地形起伏变化大、气象环境复杂的情况，提出了顾及高差和时空梯度的反演方法，将精度提升至1厘米。此外，在实际应用中，残余空间误差是难免的。团队历经4年，系统研究了残余误差的诊断和再处理技术，有效抑制了其对高精度定位的影响。成果获评基金委的代表成果。
03 “产研结合”，
研制星地一体化系统，
实现全球精密定位服务
项目团队历经十余年的不懈努力，在全球建立了5000多个台站，实现了全球覆盖的卫星观测一张网，基于这些连续观测数据，研制了面向全球的星地一体化高精度定位系统。同时在线用户超过10万、日处理位置数据上亿次，日业务新增数据量多达2T。在智能终端方面，为提升用户多场景的泛在服务能力，开展了多种复杂场景的嵌入式算法开发，形成了精密定位系列智能终端，使用场景更加丰富，技术更加先进，性能更加稳健。智能终端在技术性能上处于国内领先、国际先进水平。
项目所形成的关键技术应用于国际GNSS监测评估系统（iGMAS），为全球用户提供北斗高精度轨道产品，助力北斗抢占国际高精度定位市场。项目研究成果填补了海上精密定位的空白，助力南海岛礁工程建设，维护国家领土主权，也助力于未来低轨卫星互联网的建设，依托本项目关键技术形成的方案入被欧洲工程先导杂志评为年度重大科技亮点。依托高精度服务系统的智能终端，近三年来累计销售达到15万台套，收入超过17亿元。在国内智能测绘和精准农业市场中占有率均为第一。项目研究中为国家培养空间信息行业人才，服务国家时空信息高质量发展。推动了测绘学科发展，形成了导航工程二级学科，同时助力导航、制导与控制的交叉学科发展。
供稿来源：上海市科学技术奖励中心
供稿：李博峰
编辑：zy
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