2020年10月14日

“北斗惯导小车”首次应用于高铁轨道精测

武大团队给北斗导航装“透视眼”

牛小骥教授(右)给学生调整背包式多传感器移动定位测图系统

□楚天都市报记者 柯称 通讯员 吴江龙 高柯夫 实习生 刘芝妞 夏瑞婷

走近科学家

人物简介:牛小骥,武汉大学卫星导航定位技术研究中心教授、博导,惯性导航与组合导航学科带头人,清华大学博士,加拿大卡尔加里大学博士后。长期从事惯性导航和组合导航技术研究与应用探索。主持国家重点研发计划课题1项,自然科学基金面上项目2项,累积发表学术论文100余篇。

近日,一台北斗惯性组合导航铁路轨道几何状态测量仪(俗称北斗惯导小车),在京沈高铁施工现场大显身手,对49.6公里的有砟轨道进行了多回合精测任务。这是北斗三号全球卫星导航系统正式开通后,首次工程化应用于高铁建设领域。这台北斗惯导小车,是武汉大学卫星导航定位技术研究中心牛小骥教授团队的研究成果。

小车让轨道精测提速20倍

铁路轨道对位置坐标、姿态和轨距有着严格的要求。别看北斗惯导小车,只是一台手推的小车,却让轨道精测速度提升了至少20倍,还可实现轨道平顺性指标毫米级、里程厘米级的测量精度。它是怎么做到的?

牛小骥介绍,早期铁路建设和路轨维护时,技术人员使用轨距尺测量轨道,作业效率非常低;后来,使用全站仪配合轨道测量仪,主要依靠光学测量,不得不采取走走停停的测量方式,一个小时只能测量200米。使用北斗惯导小车后,因为有北斗的精密定位功能结合惯性导航强大角度和位置推算能力,因此可以实现连续移动测量,推着小车一路走一路就测完了,测量效率可以达到步行的每小时5公里左右,甚至更快。

“这项技术是由我们团队的年轻教师陈起金博士提出并主导设计的,武汉大学拥有完全自主知识产权。”牛小骥说,因为北斗系统独特的星座设计,在中国上空的北斗卫星数量更多,所以测量精度更高,抗干扰性能和可靠性也更强。北斗惯导小车今后有望在我国铁路建设和维护中广泛运用。

惯性导航能改变你我生活

北斗惯导小车只是牛小骥团队科研成果的代表之一,该团队的研究领域是惯性导航与组合导航,它与普通市民的生活可谓息息相关。

“惯性导航是一种独立自主推算的导航定位手段,工作时不受外界干扰。”牛小骥通俗地介绍,我们开车进入隧道后没有卫星导航信号,导航软件就是用这项技术来继续推算我们的位置。

不管是北斗还是GPS,都“看不见”隧道、建筑里面的情况,因此,通过惯性导航和卫星导航的融合互补,手机车载导航、手机室内定位、机器人导航、自动驾驶等技术才能得以实现。“就像一个方位感强的人,可以蒙眼行走一段距离,但走得越远偏差就越大,我们做的就是利用一切可用的辅助信息(包括北斗定位),尽力缩小这个偏差。”牛小骥说。

牛小骥认为,万物互联的物联网时代即将来临,因此急需在“低成本、大众化室内外无缝精准定位方案”上有所突破,这正是他的团队目前的科研重点。他举例说,有快递公司想要有一种电子标签,可以记录包裹运输过程中完整的位置和状态信息,包括是否被摔过、倒置过,便于出现问题时查询和取证,“今后所有人和物都会获得实时定位标签,进而享受无处不在的位置服务。”

放弃外企高薪他收获更多

据了解,我国在惯性导航方面的研究起步较晚。牛小骥在清华大学读博士期间,就在导师指导下,完成了首套基于国产微机械惯性器件的姿态测量系统。2003年博士毕业后,他又来到加拿大卡尔加里大学测绘工程系做博士后。4年海外科研生涯,牛小骥形成了自己的科研理念,取得了一系列成果,但他总感觉“自己在国外有一种挥之不去的漂泊感”。

2007年,牛小骥回国发展,去了上海一家做GPS芯片的外资龙头企业,在享受了技术变成产品的喜悦的同时,也深感企业科研的局限性。直到2010年,经过同事引荐认识了北斗导航专家刘经南院士。彼时,刘经南院士正在考虑拓展卫星导航技术,双方一拍即合,牛小骥不顾巨大的收入落差,来到了武汉大学。

这些年来,牛小骥在刘经南院士和学校的大力支持下不断取得科研成果,同时始终重视教学和指导学生。“在大学工作,首要任务当然是人才培养。”曾获评武汉大学“我心目中的好导师”的牛小骥说,他每学期要给本科生上一门《惯性导航原理》课,还开设了几门研究生专业课程,多数时间都和硕士、博士研究生们泡在一起。

“牛老师是我见过的最温和的老师,但他的研究思路很大胆,我们的很多新想法他都会支持。”2020级博士生王琰这样评价导师。确实,牛小骥的原则就是充分尊重年轻人的奇思妙想,指导和帮助他们实现。惯导小车就是陈起金博士在读研期间提出的想法,当时也被很多人认为“不可能”,却得到了导师牛小骥的鼓励和认可。

“武大的学生很优秀,我喜欢和年轻人在一起,陪伴他们成长,也受到他们很多启发。”牛小骥说,这是他从企业走进高校的最大收获。

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