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张小红:丈量大地,做“北斗”的王牌“地勤”

科技日报 2021-07-05 作者:刘志伟 吴纯新 吴江龙

    张小红在进行实验 受访者供图

  机缘巧合,我留校任教后,又做起了大地测量研究。以前的研究基础还在,导师也给予了我一定指导,但我总想做点不一样的,不想“啃老本儿”。

  ——武汉大学测绘学院教授、导航工程系主任 张小红

  “2020年,北斗系统产业链国内产值已超4000亿元,海外应用加速落地,已在全球120多个国家和地区得到应用……”在近日举办的第十二届中国卫星导航年会上,中国卫星导航委员会主席何玉彬公布了北斗卫星导航系统最新的“成绩单”。

  这份亮眼的“成绩单”背后,是无数科研人员的辛勤付出,武汉大学测绘学院教授、导航工程系主任张小红就是其中一员。

  在不少媒体的报道中,张小红被称为“大地测量师”。

  的确,过去20余年,他把绝大多数的精力,都用在测量脚下的土地上。

  “我的工作,就是利用先进的测绘技术,力求取得最精准的地面信息,再将其准确无误地‘告知’北斗卫星导航系统。”张小红说,作为一名党员能参与这一重大国家科技项目他深感荣幸,也倍感责任重大。

  运用所学服务九八抗洪

  “我喜欢发现和解决问题,这让我有一种实实在在的成就感。”张小红说,他上学时比较喜欢物理、数学等科目。

  “给大地做测量,可以全国到处跑!”高考填报志愿时,张小红选择了武汉测绘科技大学(后并入武汉大学)大地测量专业,因为他觉得“选这个专业,就能多出去走走、看看”。

  进入大学后,张小红得偿所愿,外出的机会确实很多,从开始“全国到处跑”到后来变成了“全球到处跑”。

  开始专业学习后,张小红渐渐明白了大地测量到底是什么。

  “这个专业很神奇,而且相关技术可以服务很多工程。”张小红说,大四上实践课时,他给一座大坝做“体检”,测量坝体是否存在变形。若利用传统测量手段,不仅费时费力,而且做不到持续监测;而运用新的测量技术,则可精准测量出坝体可能存在的微小变形。

  1997年,本科毕业后,张小红师从武汉大学测绘学院教授李征航和我国著名测量学家、中国工程院院士刘经南,完成硕、博士阶段的学业。

  1998年6月至9月,我国南方特别是长江流域及北方的嫩江、松花江流域出现历史上罕见的特大洪灾。彼时,张小红正在读研,其导师的研究项目涉及长江支流清江上的一座大坝。

  于是,在导师的指导下,他利用所学的专业测量知识,为抗洪一线提供准确的坝体监测数据。

  “当时,看到百姓受灾,我心里十分难受。”张小红说,“自己的工作能为整体防洪科学决策提供依据,让我第一次切实感受到大地测量的重要性。”

  1998年底,张小红以学生身份首次到南极长城站参加中国第十五次南极科学考察,成为当时科考队中年龄最小的队员。

  “那次科考时间短,要完成的任务多,科考队成员不仅要执行国际大型合作科研项目——GPS国际联测,还要完成南极乔治王岛板块运动监测网的建立和观测等任务。此外,我还得不时充当临时翻译,帮助外语不好的队员完成工作。”张小红回忆道,最终他完成了各项科考任务,还被评为中国南极科学考察优秀队员。

  后来在读博期间,张小红的研究方向变为激光雷达研究。“虽然从零开始有些难度,但也充满挑战和乐趣,这正是我搞科研的动力。”他说。

  “跨界”做研究的张小红,很快便在新领域做出了成绩。他博士期间的研究成果解决了北极地区航空测量的技术难题,他也因此受丹麦国家空间研究中心邀请赴格陵兰岛开展相关实验研究工作。

  率队提升“北斗”定位精度

  2000年博士毕业后,张小红留校任教,研究方向“重回大地”。

  “机缘巧合,我留校任教后,又做起了大地测量研究。以前的研究基础还在,导师也给予了我一定指导,但我总想做点不一样的,不想‘啃老本儿’。”张小红是这么说的,也是这么做的。

  很快,他将自己的研究方向锁定在精密单点定位技术上,而这项技术后来被成功地应用在北斗卫星导航系统上。

  之所以选择这个方向,张小红看中了它的潜力。“我当时觉得,该技术应用成本不高,而且有可能实现厘米级的测量精度,未来一定会有大用处。”他说。

  不过,长期以来,精密单点定位技术都存在可靠性弱、时效性差等问题,国内外科研人员为解决这些难题绞尽脑汁。

  此后历时近20年,张小红发展了一套“定得准”的理论与方法,将精密单点定位精度从分米级提升至厘米级甚至可达毫米级,又建立了一套“测得快”的广域精密定位方法,显著提升了精密单点定位技术的时效和可用性。

  “卫星导航系统的精度,直接决定了其科学和工程应用价值。而在当时,一般的卫星导航系统能达到的定位精度只有5到10米,满足不了高精度用户的需求。”张小红说,基于上述已有科技成果,他带领团队参与了北斗卫星导航系统自主定轨技术的攻关工作,和其他科研团队一道提升“北斗”的定位精度。

  如今,北斗三号卫星导航系统的高精度服务,已经可将定位精度提升至实时厘米级,经过后期处理甚至可以达到毫米级。“农业方面,使用北斗卫星导航系统厘米级精准定位服务后,植保无人机能够实现自动化精准导航及飞行控制,可昼夜完成农药喷洒,提高工作效率,大幅降低成本。”张小红说。

  此外,张小红团队还研发出我国首个工程化全球卫星导航系统精密单点定位数据处理软件系统,填补了我国在该领域的空白。

  帮助学生克服科研“玻璃心”

  目前,基于北斗卫星导航系统的高精度定位技术,张小红正带领团队成员研发星地融合增强系统,该系统可被应用于自动驾驶、应急救灾、国土测绘等领域。“自动驾驶、万物互联时代就要到来,未来谁能在定位领域抢占先机,谁就能引领技术潮流。”他说。

  张小红说,单机高精度实时导航定位是卫星导航发展的必然趋势。精密单点定位技术面临历史机遇和挑战,只有进一步提高其可靠性、安全性和连续性,才能适应新的应用需求。

  人才是创新的第一动力。作为博士生导师,张小红一直十分重视人才培养工作。

  严格是很多学生对张小红的印象。学生们说,上张小红老师的课,要打起十二分精神,半点儿都马虎不得,因为“张老师非常注重细节,对科研的每个步骤都盯得紧”。

  “对学生,我必须严格要求。差之毫厘,谬以千里,大地测量就是如此。”张小红回忆道,自己刚上大学时,阿拉伯数字的书写是基本功,老师曾要求反复抄写,为的就是日后在测量图上能清晰标注。

  踏实努力之外,张小红更希望学生们能有一双发现问题的眼睛,能时刻拥有强烈的求知欲,有啃“硬骨头”的决心。

  “有些学生,一碰到科研难题就避开,甚至想放弃。我总是跟他们说,山穷水尽之时,往往就要柳暗花明了。做科研可以有好奇心,但不能有‘玻璃心’。”张小红说。

责任编辑:王超

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