中國工程院院士劉經南矢志鑽研衞星導航系統技術難題——讓北斗點亮美好生活（講述·弘揚科學家精神）

2021年，在中國北斗應用大會暨中國衞星導航與位置服務第十屆年會上，劉經南作主旨演講。

馬  健攝（影像中國）

北斗衞星模型。

唐 克攝（影像中國）

人物小傳

劉經南，1943年7月生，中國工程院院士，武漢大學教授、博士生導師，國家衞星定位系統工程技術研究中心主任。長期從事大地測量理論及應用研究與教學工作，在大地測量座標系理論、北斗衞星導航定位技術、軟件開發和重大工程應用方面做出了一系列開創性工作，曾獲7項國家科技進步獎、30餘項省部級獎勵，以及“全國先進科技工作者”榮譽稱號。

無人駕駛車輛在複雜路況下平穩行駛，智慧農機在田間地頭自動耕作，重大工程建設實現遠程監測和精準管控……日常生產生活中，人們常常能感受到衞星導航與位置服務產業的重要作用。

5月18日，中國衞星導航定位協會發布《2025中國衞星導航與位置服務產業發展白皮書》，白皮書顯示，2024年，我國衞星導航與位置服務產業產值達5758億元，約2.88億部智能手機支持北斗定位功能，電子導航地圖的北斗定位服務日均調用量高達6000億次，北斗高精度車道級導航已基本實現了全國城鄉道路全覆蓋。

“我們可以自信地説，北斗衞星導航系統是目前全球精度最高、功能最多的衞星導航系統之一。”中國工程院院士、武漢大學教授劉經南是參與三代北斗系統研製建設的專家，也是我國衞星導航定位工程應用領域的開拓者之一。他致力於大地測量座標系理論及全球衞星導航系統（GNSS）技術應用的研究，攻克多個關鍵性難題，不斷提升北斗系統服務水平，助力創造美好生活。

從地面到太空

用衞星定位技術解決實際問題

解決好座標轉換問題，是衞星導航系統研究中的重要基礎，也是劉經南幾十年科研生涯中印象深刻的一個突破口。

從上世紀70年代開始，隨着一些國家建立了自己的衞星導航系統，衞星測量基準的地心座標系與傳統地面大地座標系如何轉換，逐漸成為當時國際前沿的研究方向。1979年，考取武漢測繪學院（武漢大學測繪學院前身）研究生的劉經南，便投入相關研究。

座標轉換，意味着讓衞星測量數據更方便地被人們利用，能解決更多生產生活中的實際難題。“當時國際上一些科學家分別提出了有關兩大座標轉換的3個模型，但究竟誰優誰劣爭論不休。”劉經南説，讀研期間，他針對這一問題展開研究。他一遍遍推演，最入迷的時候，“連夢中都會出現數據和公式”。終於，他首次證明了3個模型的等價性，一定程度上為GNSS的應用發展提供了理論基礎……

善於鑽研，是劉經南最大的特點。他本科在武漢測繪學院學習天文大地測量專業，攻讀研究生之前，曾在物探隊工作過11年，常常要揹着沉重的測量儀器，行走在深山老林中，進行野外測繪作業。夏天與蟲蛇做伴、冬天承受冰冷嚴寒。那時候他就想：如何能通過現代化技術手段，讓測繪工作不再那麼辛苦呢？

這段經歷，幫劉經南找到了隨後幾十年的研究方向。幾經波折，1986年，他回到母校任教後，正式開始了衞星大地測量與全球定位系統（GPS）技術的相關研究。

上世紀80年代，國家部署探測西部油氣資源，劉經南來到柴達木、塔里木和準噶爾三大盆地，協助石油部門處理衞星定位數據。“那時我們國家座標系在沙漠地區的高程並不精確，誤差可能達到幾米。”劉經南説，在油氣勘探中，誤差每多1米，鑽井成本就可能增加百萬元以上。經過計算，他創造性地提出一個數學模型，用衞星定位的方式，提出一整套GPS三維地心座標向量至高斯二維座標的轉換理論，使在塔里木沙漠地區的衞星定位高程精度達到優於1米的水平。

高精度開展島礁測量，即時監測水庫蓄水情況……劉經南積極推動科研成果對接社會需求，將全球衞星定位技術應用到多個領域，力求解決各類實際問題。

從跟跑到領跑

提升北斗系統高精度定位服務能力

在北斗系統建立之前，我國的衞星導航增強服務系統長期依賴美國的GPS。“它們提供的服務精度不算太高。”劉經南説，比如行駛在武漢沿江大道上的汽車，利用GPS定位觀察，會發現位置有時在長江裏，有時在屋頂上，有時誤差近百米。

為了解決這個問題，劉經南提出適合當時中國技術水平的分佈式廣域差分技術的思路，對GPS觀測量的誤差源加以區分和“模型化”，然後將計算出來的誤差修正值數據根據其隨時間變化的快慢差別，分別通過三類通信鏈傳輸給用户，滿足用户定位中的誤差修正需求，以改善其GPS定位精度。“我們按照新思路開展實驗，近3000千米的差分距離，都能實現3—5米的即時定位精度。”劉經南説。

但真正避免技術受制於人，還是要擁有自主的衞星導航系統。

1994年，北斗一號工程正式立項，此後，劉經南帶領團隊攻克了北斗系統多項難題，實現了相關技術從跟跑到領跑的跨越。作為最早一批參與北斗方案設計的專家，他提出基於北斗一號的雙向通信功能，中國應建立自主可控的廣域GPS差分增強試用系統。專家組接受了這個建議，在北斗一號就實現了廣域GPS差分功能，並一直改進延續到北斗三號全球系統。

2012年，我國北斗衞星導航系統正式為亞太地區提供服務。劉經南團隊提出建設國家地基增強系統的創新方案，並在湖北建立了示範項目。

“北斗地基增強系統湖北示範項目採用了具有完全自主知識產權的軟硬件產品，建成30個北斗連續運行基準站及相應的控制和服務系統，可通過地面基準站網的增強，實現北斗系統高精度導航定位服務。”劉經南説，項目取得成功後很快在全國推廣，建成了覆蓋全國的廣域即時精密定位服務系統，形成了全國範圍分米級、重點區域釐米級的定位服務能力，打破了國外在高精度衞星定位領域的壟斷地位。

從科研到產業

探索北斗與新技術融合的新業態

武漢光谷北斗大廈，武漢夢芯科技有限公司的實驗室內，技術人員將16個不同生產批次的單北斗定位模塊放進試驗箱，設置一定的温度，記錄該模塊在零下40攝氏度到零上80攝氏度温度範圍內的定位精度、定位時間等，測試其性能的一致性。

成立於2014年的夢芯科技，是一家專業從事北斗高精度定位芯片設計和精準位置服務的高新技術企業，由劉經南擔任首席科學家。“在劉院士團隊的支持下，我們研發出國內首顆40納米量產的北斗導航定位芯片，實現釐米級定位精度。”夢芯科技首席技術官王奇君介紹，公司研製的三代北斗芯片、模塊等產品廣泛應用於智能駕駛、智慧城市、共享出行等領域。

“北斗系統作為提供時空基準的基礎設施，具有天然的融合屬性。當前，北斗正與5G、大數據、人工智能等技術加速融合，將催生越來越多的新業態。”劉經南説。夢芯科技所在的北斗大廈，已經聚集了10多家北斗相關企業，形成了從研發、生產到運營服務的全產業鏈。

“科技發展需要一代代人接續努力，我們要為年輕人提供更優質的學習條件和更廣闊的發展空間。”劉經南一手抓科研創新，一手抓人才培養。擔任武漢大學校長期間，他就積極營造跨學科教學氛圍，倡導與社會服務結合的培養模式。從1997年開始，劉經南和其他幾位院士，一起給武漢大學測繪學科本科生講授“測繪學概論”等課程。他的課堂常常出現妙語連珠的“小段子”：“你從哪裏來，要到哪裏去？這既是哲學家問的問題，也是導航研究的問題……”

展望未來，劉經南説：“下一步，要讓精準時空位置服務進入深地、深海、深空、深網等領域，不斷增強北斗系統的應用效益和社會價值，從而建設更加融合、更加智能的綜合時空體系。”