邓中亮|导航与移动通信的融合，他让中国“羲和”系统实现了室内外协同实时精密定位，定位导航精度一举超过GPS！

2016年6月,第十一届光华工程科技奖工程奖在京颁发。北京邮电大学教授邓中亮以其多年来在“羲和”系统室内定位方面的突出贡献,获得了中国工程科技界的这一至高荣誉。——中国科学报

图为北京邮电大学教授邓中亮

1一路成长

从湖南衡山的山间小路,到美国加利福利亚的浪漫海滩,再到学成归国投身室内定位技术,邓中亮的人生有着比常人更多的转变和波折。但对于事业的坚持,加上勇于创新的精神,终于让他走到了今天,实现了基于TC-OFDM的广域室内外高精度定位系统的成功研发,解决了北斗卫星导航系统的“最后一公里”瓶颈。

“室内定位技术,是北斗卫星导航技术和移动通信技术的完美结合。展望未来,室内定位技术可以在智慧城市、物联网等诸多领域有着广泛的应用。

2创新前行

如今的邓中亮,身上早已闪烁着许多耀眼的光环。两次国家科技进步奖获得者、全国优秀科技工作者、2014年度“全国十大科技创新人物”、科技北京百名领军人才……但如果把时光之轮倒回三十多年前,邓中亮绝对不会想到自己能够有今天的成就。

上世纪80年代末,20岁出头的邓中亮已经在湖南衡山的某汽车制造分厂担任副厂长,在外人看来,这是一份值得羡慕的职业。但出于对知识的渴求,加之对国内当时制造的工业产品赶不上国外的不服气,年轻的湖南小伙决定回到学校继续深造。

此后,邓中亮进入北京航空航天大学学习。本科毕业后,他又陆续获得清华大学的博士和北京航空航天大学的博士后,并顺利进入北京邮电大学任教,实现了从工厂干部到科研人员的转变。

“对我来说,只要认定了目标,我就会坚持下去,绝不回头。”邓中亮笑着表示。但其实,在他的科研工作中,最终选定了室内定位导航,也费了一番周折,“从北航到北邮,10多年的时间,我都一直在思考能够在科研方面为国家做点什么”。

一开始,他曾经钻研过计算机辅助设计和制造,从事工业网的研发。此后,他到美国南加利福尼亚大学作高级访问学者。彼时,美国刚刚兴起3D打印技术,他也对此有所涉猎,“在很长的时间内,其实我做的和计算机辅助设计/制造、3D打印有关”。

回到北京邮电大学以后,他决定将自己的研究重点和国家发展的重大方向进行紧密结合。当时,有关部门推出北斗导航的重大专项,邓中亮觉得这一技术未来很有前景。同时他对“863”项目中的微电子专项也很有兴趣,“最后我决定,鉴于北邮在通信技术方面的深厚积淀,应该从事北斗卫星导航和通信技术相结合的研究”。

这就是他目前从事的“羲和”系统研究的由来。北斗卫星定位+移动通信网络,是他所研究的室内定位技术的核心。

3发力“羲和”

那么,到底什么是“羲和”系统呢?

2012年12月27日,北斗导航业务正式对亚太地区提供服务,成为全球第四个卫星定位系统。

然而,所有的卫星导航系统都只解决了室外定位问题,室内定位领域的研究仍是一个国际性难题。因为受到城市各种障碍物的干扰,所有的卫星定位在建筑物内部并不能实现精确定位。

“举个最简单的例子,天上的卫星对你进行定位并传输信息到你的设备上,最快需要30秒。当你在室内打开手机导航,在30秒内,你已经可以步行从这个建筑物内离开了”,邓中亮介绍,北斗和GPS的室外定位精度可以达到10米乃至5米,但是在高楼林立的城市里,达到这种精度难度很大。

在这样的背景下,从“十一五”开始,“羲和”系统正式上马,并成为“导航与位置服务科技发展‘十二五’专项规划”重点项目之一。该系统以北斗全球卫星导航系统、移动通信、互联网和卫星通信系统为基础,融合广域实时精密定位和室内定位等技术,要求能够实现室内外协同实时精密定位。

邓中亮,就成为“羲和”系统核心技术“TC-OFDM广域实时高精度室内外无缝定位”的负责人。

他的思路是,要将北斗卫星导航定位和中国移动、中国联通等通信运营商的通信网络相结合,从而实现室内精确定位。

“室内虽然卫星不能定位,但是室内有通信网络,可以用手机上网。但是,移动通信网并不具备高精度的定位能力,3G网可以做到40米定位,4G网可以做到30米概略定位,与我们希望的1米级乃至亚米级定位精度的期待有大差距。这就需要我们做很多创新的工作。”邓中亮说。

“比如,移动通信网有很多基站,发射的信号遇到障碍后会有多重反射,如何实现精确测距?这就是一个难题。这就需要建立相应模型。此外,要把北斗卫星的网络和移动通信的网络连接起来不出问题,同时实现秒级响应,这里面有很多算法和信号设计需要创新。”邓中亮回忆,一开始,很多人对他的这个研究有不同看法,认为不大可能成功。但经过他的团队反复实验,他成功实现了“能通信的地方,就能够实现精确室内定位”。

此后,基于TC-OFDM的广域室内外高精度定位系统在北京邮电大学通过了由多名院士、专家组成的项目鉴定专家委员会的科学技术成果鉴定。

专家组认为,该技术拥有几十项的自主知识产权,完成了室内外高精度无缝定位原型系统研制,实现基于基站的水平优于3米、垂直优于1米的校园高精度室内外无缝定位,率先解决了北斗卫星导航系统的“最后一公里”瓶颈。

4前景可观

目前,邓中亮参与负责的“羲和”系统已经具备室外亚米级、城市室内优于3米的无缝定位导航能力。而在国外,目前基于移动通信网络的室内定位的最大精度仍然停留在三四十米。可以说,在室内定位方面,中国的科学家走在世界前列。

令人欣喜的是,这项技术并非只是停留在实验室阶段,而是正在试点推广中。如今,“羲和”系统已在天津建设完示范应用试点工程,北京试点也已启动。“这套系统的便携性好,加上通信信号,我们能够提供准确的位置便签。因此,实际上它还具备很强的商业变现能力。比如,它能够标明商场每个柜台的客流量,能够为商家提供精准的大数据。”

目前,百度地图、高德等知名地图导航企业已先后与邓中亮所带领的研究团队展开合作。此外,国外的学者和机构也开始朝邓中亮抛出了橄榄枝。

当然,邓中亮更看重的是室内定位技术的社会意义。

“依靠我们的技术,可以让大家在地下停车场快速找到合适的停车位;可以在展览馆找到自己感兴趣的展品;可以提供数量众多的空巢老人准确的位置信息;可以地震废墟搜救的人员和机器人提供被困人员的精准位置”。邓中亮坦言,位置服务已成为智慧城市、物联网、移动互联网等相关行业的基础需求,“羲和”未来的前景非常可观。

“当前,我们的室内定位技术已经比较成熟,但理论上还可以更加精确。我们购置的这张空天一体的网络,未来定位还会更加精密。”在邓中亮看来,当前国家对于科技的支持力度非常大,他希望自己的这项技术能够快速推广到国际市场,帮助国家在全球竞争中占有一席之地,提升国家的竞争力。

“我常说,我个人的愿望其实很小,只希望全球所有的手机用户都能够用上我们这个定位技术就行。”邓中亮希望,自己的这个“小梦想”,能够早日实现。

视频|邓中亮：比GPS更牛的定位导航！