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姜卫平:用卫星数据“丈量”大地

来源:  发布时间:2019-05-17

□ 刘玉杰

  
  
  自1957年苏联发射第一颗人造地球卫星以来,人类开始进入空间时代。人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。其一经发射,就会围绕地球旋转不停,直至被收回。人造卫星功能多样,很大程度地便利了大众的生活,随之也衍生了多种学科,如卫星大地测量。
  卫星大地测量是指利用人造地球卫星进行地面点定位以及测定地球形状、大小和地球重力场的工作。“不要以为测量或者测绘就是扛标尺等体力劳动,事实上它身上可是有着高科技、实时、精密等标签的。”武汉大学卫星大地测量学及其工程应用领域的主要学科带头人、教育部“长江学者”姜卫平说道。
  
学在其中,乐在其中
  兴趣是最好的老师。1991年,姜卫平考入武汉测绘科技大学大地测量系时,兴致并不高——他对测量专业的印象还停留在传统测量的层面上,认为这个专业技术含量不高。然而随着学习进程的加深,在导师的带领下,姜卫平逐渐走进大地测量领域,得以一窥其貌。
  当对专业有了兴趣之后,快乐也就随之而来了,用姜卫平的话说就是“学在其中,乐在其中”。他认为,在研究与应用中,快乐主要体现为两个方面:一个是在科研中解决了关键的技术难题;另一个是在工程生产建设中成功应用科研成果。
  “举个例子说,记得2000年做博士的时候,我通过近2年的努力,克服了种种困难,在国内首次建立了格网分辨率为2′×2′的全球平均海面高模型WHU2000MSS。其整体精度优于0.05m,达到了国际同类模型的先进水平,这一模型是当时国际上少数分辨率和精度最高的平均海面高模型之一。当时看着绘制出的海面模型图,真的是非常开心。”姜卫平感慨地说,“自2001年博士毕业起,我主持和参与了江苏、广东等20余个省与广州、武汉等40个市的GPS控制网的数据处理工作,并作为技术负责人,参与建立了山西、广州等多个省市级卫星连续运行参考站系统。看到这些成果可广泛应用于测绘工程、水利、交通、国土资源管理、生态环境保护以及科学研究等部门的时候,也是很快乐的。”
  多年来,在快乐的探索过程中,姜卫平取得了累累硕果。他解决了高精度坐标参考框架建立与维持的关键技术难题,形成了一套坐标参考框架建立的技术方法,推进了我国测绘基准现代化的工程建设;还建立了利用全球卫星导航系统(GNSS)监测板块边界形变的新动态模型,解释了冰岛区域冰后回弹与气候变暖现象之间的耦合关系;并提出了基于GNSS监测大型建筑物变形的新方法,建立了西龙池水电站上水库等大坝自动化监测系统。
  因为贡献卓著,种种荣誉自然接踵而至。姜卫平2011年获中国青年科技奖;2012年入选教育部“长江学者奖励计划”;2014年入选“国家百千万人才工程”,并获“国家级有突出贡献中青年专家”和“国务院特殊津贴专家”称号;2015年获国家杰出青年科学基金资助;2016年入选国家中青年科技领军人才,并获第十一届光华工程科技奖青年奖。2008年、2011年、2018年3次获得国家科学技术进步奖二等奖(1次排第1,2次排第2),并获得省部级科技进步奖特等奖3次(1项排名第1),一等奖8次(1项排名第1);并发表论文130余篇,出版专著2部,主持和参与国家自然科学基金、原国家“863”和“973”计划等项目70余项,现任武汉大学卫星导航定位技术研究中心主任。
  
立足当下,科研攻关
  对于姜卫平来说,荣耀再多,也不过是过去的痕迹,最重要的始终是当下。在以前的研究成果基础上,姜卫平正在研究卫星导航定位基准站网精密数据处理技术及其应用。“通俗地讲,首先要解决大规模、多系统、长时间跨度的基准站网精密数据处理技术难题,然后再将它们应用到变形监测和导航服务上来。”
  “卫星大地测量的根本任务之一就是建立坐标基准,目前GNSS基准站网精密数据处理方法是实现这一任务的关键技术。然而随着全球卫星导航系统基准站网规模的不断增大,基准站观测数据的不断积累,以及GPS、北斗(BDS)、GLONASS等可用GNSS系统的增加,大规模、多系统、长时间跨度的基准站网精密数据处理方法已成为卫星导航数据处理领域中的国际性难题。”姜卫平补充道。
  姜卫平带领其团队历经近10年的技术攻关,完成了“大规模卫星导航定位基准站网精密数据处理方法及其应用”项目。该项目提出了大规模GNSS基准站网的整体快速解算方法,建立了长时间跨度基准站时间序列非线性运动模型,发展了多频多系统GNSS数据融合分析方法,形成了一套严密的大规模GNSS基准站网精密数据处理与分析方法;并在此基础上,提出了基于基准站网的水汽层析新方法,发展了精密坐标框架建立与维持方法。这些成果能够为北斗卫星导航系统建设与应用、大地测量基准建立、地球科学研究等提供技术支撑。
  目前,该项目已获发明专利3项,著作权3项,发表论文120余篇。项目提出的基准站网快速解算方法可整体解算数百甚至上千个站的数据,在460个站的情况下,解算效率较国际权威机构IGS方法提高近6倍;构建的环境负载模型OMD精度优于国际常用模型GGFC和QOCA,精度提高了10%~30%;连续运行基准站的速度场解算精度优于0.2mm/a,并用于江苏、湖北等近100个省、市、自治区的GNSS连续运行参考站系统的建设。项目成果整体达到了国际先进水平,其中,大规模GNSS网整体快速解算技术和环境负载模型处于国际领先水平。
  项目成果成功用于“国家现代测绘基准体系基础设施”和江苏、湖北等近20个省级连续运行参考站系统的建设,解决了大规模GNSS基准站网(如内蒙古含161个站、东西跨度达3000km、时间长达5年的连续运行基准站网)整体解算难题,确定了基准站高精度三维坐标和速度场,建立了高精度、动态省级区域坐标参考框架。同时,也在湖北、浙江等气象部门的数值天气预报、灾害性暴雨监测分析中得到应用,促进了相关领域的技术进步。此外,项目成果在“927工程”等国家重大专项工程中发挥了重要作用,还在德国地学研究中心、冰岛大地测量研究所等国际机构的全球参考框架建立和板块运动等科学研究中得到应用,取得了显著的社会经济效益。
  
快乐也是优秀创新的体现
  对于很多事情,姜卫平有着自己的标准。同样的,在教育学生方面,他也有自己的原则。“我觉得教学生,首先要给他灌输一个理念,要求他们做一个优秀的人。”姜卫平继而解释道,“我说的优秀有多方面的意思,不仅仅是指功成名就这样世俗层面上的优秀,还指快乐、自信、有能力。如果一个人过得快乐,并对社会有贡献,也是一个优秀的人。”
  姜卫平认为,在教给学生知识的同时,更要引导他们的性情。“古人说‘授人以鱼,不如授人以渔’,是说传授技能优于给予物品。我觉得更深一层来说,磨炼学生的性情,改变他们的观念,比教会他们技能还要重要。”
  作为教育部“长江学者”,姜卫平对教学事业无疑有着自己的思考。除此之外,他还常常思考何为科研工作者的必备素质。“我觉得是责任、勤奋和创新。这三个层面中,责任是态度层面,勤奋是行动层面,创新是理念层面。”
  责任是首要的,每个人都会扮演多种社会角色,每个角色都有着相应的责任。作为科技教育工作者,也有着自己的责任。敢于担当,舍我其谁。2000年以来,姜卫平多次赴美国阿拉斯加大学、冰岛北欧火山研究所、美国迈阿密大学、德国斯图加特大学等科研机构工作和访问。在开阔眼界的同时,他认识到,我国的科研水平与美、德等发达国家总体还存在较大的差距,应该加强彼此之间的学术交流,学习其先进的技术和文化。他认为,做科研要瞄准两点:科技的发展方向和国家的需求。把这两方面结合起来做科研,就是科研工作者的主要责任!
  责任之外,勤奋也不可或缺。“要想实现中华民族的伟大复兴。赶上甚至超过别人,就要比别人更努力。”有担当以后就会努力,有努力就会有创新。创新非常重要,但却不能强求。要想创新,首先要达到一定的高度。“不少学科,我们现在先不要说创新,而是要减少差距或赶上他们,然后才能去谈。”
  在科研工作者的不懈努力下,近年来我国在卫星大地测量领域的进步可谓飞速。姜卫平感慨:“看到测绘科技的日新月异,我时常都为我是一名测绘人而感到骄傲和自豪!”
  

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