姚 铮：坚持“顶天立地”的导航信号处理研究之路

◎ 文/傅双桥

2018年2月1日，清华大学电子工程系副教授姚铮博士被美国导航学会授予2017年“早期成就奖”，以表彰他在卫星导航信号设计和多路复用方面取得的开创性贡献以及对中国北斗卫星导航系统信号设计的重要推动作用。

美国导航学会是世界导航领域规模最大、影响最广的非赢利性学术组织。该学会成立于1945年，七十多年以来一直致力于推动定位、导航和授时（PNT）科学及技术的发展，会员遍布全球50多个国家，涵盖航天、航空、航海和陆地定位、导航与授时的各个方面。早期成就奖于1997年设立，是美国导航学会针对35岁以下青年学者在国际导航领域设立的最高奖，至今共有22位获奖者，他们中的大多数人都已经成长为国际知名学者，其中包括GPS现代化信号的主要设计 人、GPS广 域增强系统（WAAS）的主要贡献者，以及现任美国导航学会主席等等。姚铮博士是获得该奖的首位中国学者，也是获此殊荣的首位亚洲学者。

专注卫星导航，初心不改

姚铮博士2001年入清华大学电子工程系电子信息工程专业学习，2010年获清华大学信息与通信工程专业博士学位，在清华大学近十年的学习生涯，奠定了他在信息与通信工程领域扎实的理论基础。

姚铮的科研生涯开始于2004年。那年，还是本科生的他进入实验室参与科研项目，第一次接触到了卫星导航这一领域，并由此确立了自己的研究方向，用他自己的话说“十四年来我就在研究一件事，就是卫星导航信号处理”。当时正是我国自主研制的全球卫星导航系统——“北斗二号”规划建设的时期，无论是卫星导航的学术研究，还是北斗接收机的工程研制，都有很多的问题亟待解决。姚铮后续在清华大学电子工程系免试直接攻读博士学位期间，深度参与了多项北斗重大专项关键技术攻关课题，积累了大量的学术研究和工程开发经验。凭借着对科学研究的无比热情，加上持之以恒的努力，他只用了四年多的时间就提前读完了直博，还获得了“清华大学优秀博士毕业生”称号，博士论文被评为清华大学优秀博士学位论文。2010年，姚铮开始在清华大学电子工程系任教，成为一名助理教授。也正是这一年，他正式开始参与北斗三号卫星导航系统的信号设计工作。

服务国家急需，迎难而上

在卫星导航系统的建设中，信号是整个系统的核心和灵魂，是实现导航系统基本功能的载体，其潜在的性能极限决定了整个系统的先天性能。如果导航卫星发射的信号在设计上存在缺陷，即使系统其它环节的设计再完美，整个系统在定位、测速、授时精度等关键性能上仍然存在难以弥补的不足。姚铮说，卫星导航的信号设计理论长期以来并未得到学术界和工业界的足够关注。早期卫星导航系统的信号设计，很大程度上直接沿用了卫星通信的技术。直到近十年来新一代卫星导航系统建设需求的推动，以及出现的一系列问题和矛盾，才让学术界和工业界真正开始审视卫星导航信号设计的特殊性。

记者了解到，随着导航应用领域的不断扩展、服务需求的不断细化，新一代北斗三号系统的信号数量多，信号结构复杂，而且为了兼顾与北斗二号系统之间的平稳过渡，星上多信号分量的复用难度大，国际上并无先例。信号设计还必须同时兼顾可用频带资源的限制、卫星载荷的复杂度和功耗的限制、测距精度和抗干扰能力的要求、接收复杂度的限制、系统之间射频兼容和互操作的要求，以及后向兼容等需求。需要同时满足这么多设计约束，就像“带着镣铐跳舞”，无论是设计难度还是实现难度都很大，其中一些设计需求甚至当时的现有技术难以实现的。

面对上述技术挑战和国家建设急需，姚铮选择迎难而上。“我做科研不喜欢追随，更喜欢去挑战一些看似不可能完成的问题。”姚铮说，“但也不是单纯为了挑战而挑战。科研方向的选择，既要站到国际最前沿，更重要的是又得能够服务国家重大需求。”

正是这种探险精神成为姚铮不断开拓的动力。他原创性地提出了多载波恒包络复合导航信号的概念，并在此基础上提出了两种先进的卫星导航信号结构：正交复用二进制偏移载波（QMBOC）信号和非对称恒包络二进制偏移载波（ACE-BOC）信号，解决了导航信号设计在测距性能提升与功率带宽受限之间的矛盾，而且有效规避了欧美在卫星导航信号体制上的专利封锁。记者了解到，上述信号均已被北斗三号卫星导航系统采用，正式部署在北斗三号组网卫星上向全球播发。这些信号还被列为北斗卫星导航系统的核心技术之一，并以接口控制文件形式在国务院新闻办举行的新闻发布会上向全世界公开发布。相关的3项国际专利也均被列为北斗卫星导航系统核心专利。

在卫星导航信号恒包络复用理论研究方面，姚铮将恒包络复用的适用性从单频双极性拓展到多频多极性情况，并建立了统一的恒包络复用设计理论体系。2016年，姚铮基于自主提出的多频多分量恒包络复用设计技术，又为北斗三号组网卫星设计了星上多信号分量复用方案，解决了双频多分量复用、单边带调制复用、复波形信号的复用等难题。经星地对接测试，该方案性能优异，目前已实施在北斗三号组网卫星上。

让研究既能“顶天”又能“立地”

在每一个研究方向上，姚铮都始终坚持着做“顶天立地”的科研的态度：技术要走到国际最前沿，同时成果要满足国家的需求。

2016年，姚铮提出的地基导航系统信号体制解决了北斗地基导航系统的远近效应问题，并突破了跳时直接扩频信号高精度相位锁定、收发一体导航基站的快速组网及时间同步等多项核心关键技术。基于该信号体制，他带领团队研制开发了北斗地基导航系统基站原理样机，并开展了有线测试和小规模外场测试，测距精度和组网精度指标均达到国际领先水平。2017年，该成果参加了第三届军民融合发展高技术装备成果展，得到中央军委装备发展部领导的好评。

在姚铮看来，软件化是未来卫星导航接收机的变革趋势。所谓软件化卫星导航接收机，就是A/D转换器尽可能靠近天线，全部的导航接收功能都实现在一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台上，各种导航信号的接收、导航算法的实现都使用运行其上的软件来完成。这样的架构保证了卫星导航软件接收机具有很强的灵活性。通过增加软件模块，可以很容易地增加新的功能。随着新系统、新信号、新算法的不断出现，软件也可以随需要而不断升级。这样的高灵活性和高可扩展性架构更能够快速适应卫星导航信号体制和处理方法的迅速发展，保证了软件接收机本身有很长的生命周期。

在国家高技术研究发展计划（863计划）的支持下，2013年姚铮带领团队研制成功国际上第一个可同时实时接收处理包括美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略系统、中国北斗系统、日本准天顶导航系统在内的五大系统全部16种民用信号并联合定位的软件接收机。并利用该接收机，于2013年5月5日凌晨在中国境内首次接收到在轨的4颗Galileo卫星信号并实现三维定位，不仅验证了Galileo信号的实际服务精度，还为北斗全球信号设计提供重要参考。成果获得欧洲空间局（ESA）颁布的证书，并得到中央电视台新闻、北斗卫星导航系统官方主页的报道。

将创新和应用进行到底

2016年，姚铮将他多年来在卫星导航信号处理方向上的研究成果与思考心得整理成一本学术专著——《新一代卫星导航系统信号设计原理与实现技术》，由电子工业出版社出版。这是国际上第一本深入系统论述新一代卫星导航系统信号设计理论与技术的学术专著，全面阐述了卫星导航系统信号设计中的基本概念、基础理论以及各项关键技术，并从导航信号的基本要素出发，把信号设计的传统技术与新发展的先进技术纳入到一个通用框架下。姚铮表示，他希望能通过这本书直接将读者送到卫星导航信号处理相关领域的最前沿去，而且能够更深层地理解导航信号技术背后的科学问题，从而产生更多创新的思路，贡献到未来北斗系统的研究和建设中去。这本书由北斗系统前总设计师、“两弹一星”元勋孙家栋院士，和北斗系统前副总设计师谭述森院士分别作序，入选了“十二五”国家重点图书出版规划项目和“北斗系统与应用出版工程”。

十多年来，姚铮专注于卫星导航信号的研究，完成了数项极具开创性的工作，取得了令世界瞩目的突出成就。当记者问他为何如此“专一”时，这位在卫星导航信号领域的权威专家腼腆地笑了笑说，“我想一方面是出于兴趣，更重要的一方面是出于对国家和社会的责任”。

辛苦得来的研究成果不应束之高阁。“技术要顶天，应用要落地。”这是姚铮始终坚守的科研路径，他也是这么做的。正如美国导航学会在给姚铮颁发早期成就奖时的颁奖词所说，“姚铮在卫星导航信号设计领域开创了一个全新的理论体系，不仅完善了这一领域的基础理论，更值得瞩目的是，这一理论成果被应用到了中国北斗卫星导航系统中去。”

对于自己下一步的科研计划，姚铮想将继续聚焦在卫星导航信号设计与信号处理上，特别是针对商业航天的热潮和低轨道小卫星导航的热点，进一步完善导航信号处理的基础理论与方法，重点研究空间分离的导航信号结构，力争实现卫星导航信号的结构从混合、正交到分离的重大突破，把卫星导航服务的覆盖范围从室外拓展到室内外一体化，打破半个世纪以来卫星定位系统体制的框架，为未来更具挑战性的定位导航授时需求提出新的服务模式。