摘要：科研工程設計工作中通常會采用“揚長避短”的思路，把“有利條件”擺在突出位置，而容易忽視或弱化“不利條件”。以“避短揚長”的科學研究思路為出發點，強調在科研工程設計中，突出“不利條件”的分析，優先考慮避開短期內無法解決的客觀條件限制，首先“避短”，然后再“揚長”。最后通過許其鳳院士科研生涯中的四個典型科研工程，驗證“避短揚長”科研思路的學術價值。

　　關鍵詞：衛星大地測量;衛星導航;星座設計;衛星定向;測試評估

　　0引言

　　人類首顆人造地球衛星由蘇聯在1957年10月4日發射成功，人造地球衛星的出現，給大地測量學科帶來了巨大變革，誕生了衛星大地測量學科。衛星大地測量學是研究利用人造地球衛星解決大地測量學問題的學科，是大地測量學的分支[1]，主要內容有：測定地面、水域、空間點的位置;測定地球形狀、大小和地球重力場;測定地面點位置和地球重力場隨時間的變化。

　　衛星導航系統的出現，極大地方便了衛星大地測量技術的應用，深刻地改變了傳統大地測量的面貌。我國測繪學科科研工作者始終緊跟衛星大地測量技術前沿，從更廣闊的國防和國民經濟建設角度考慮，極大地推動了衛星導航系統在衛星大地測量領域的廣泛應用，主動探求建立我國獨立自主衛星導航系統的可能性，并在這一進程中發揮了極其重要的作用，應該說北斗衛星導航系統的成功建設是測繪導航學科近幾十年的最核心成果之一，在這一建設進程中涌現了大量杰出的人才。

　　許其鳳院士一直在衛星導航定位和衛星大地測量領域從事教學和科研工作，是我國衛星導航定位領域的權威專家。許院士在1997年，就建議建設我國獨立自主的北斗衛星導航(區域)系統即北斗二號(BeiDounavigationsatellite(regional)system,BDS-2)，在他的建議報告書中，給出了詳細的建設方法和實現路徑，并提出了獨具特色且極具性能優勢的區域系統星座建設方案。

　　由于許院士在BDS-2星座設計中的杰出工作，于2005年當選為我國工程院土木、水利與建筑學部院士。作者一直擔任許院士的秘書工作，許院士在科研工作中，經常提及“避短揚長”的科研思路，回顧許院士一生在衛星大地測量和衛星導航領域的工作成就，“避短揚長”的科研思路很好地貫徹到了他的一生所從事的科研工作當中。本文主要梳理“避短揚長”科研思路的含義，并結合幾個創新科研項目探討“避短揚長”科研思路的學術價值。

　　1“避短揚長”科研思路的含義

　　人類在認識自然、利用自然的過程中，通過“科學”總結關于客觀世界的知識，并使之系統化，通過符合科學原理的“技術”和“工程”服務人類社會。在工程實踐過程中，即使采用同樣的科學原理，但采用技術路徑和客觀條件的差異往往會影響著工程的成敗。在進行科研設計時，通常會“揚長避短”，把注意力過多關注在那些“有利條件”的分析上，往往容易忽視或者弱化哪些“不利條件”，這樣的科研思路有時會在一些工程建設上帶來慘痛的教訓。在科研工程設計工作中，科研工作者一定要注重分析客觀條件的差異，尤其要注重尋找技術瓶頸點，探求能否克服或者避開瓶頸條件，而往往對瓶頸的攻關需要一個周期。

　　工程論證過程中，如果漏掉一個有利條件，后果很可能是沒能錦上添花，但如果漏掉了一個不利的瓶頸條件，后果往往是顛覆性的。因此，在工程論證或者工程建設時，尤其是要注重考慮工程實施的瓶頸條件，即先“避短”再“揚長”。“避短揚長”的科學研究思路說著簡單，但要在具體科研工程中落到實處往往不那么容易，下面以許其鳳院士科研生涯中的四個典型科研工程實踐來探討“避短揚長”科研思路的學術價值。

　　2“避短揚長”科研實踐

　　2.1WCX-1型衛星測向儀研制

　　人類有著悠久的觀測自然天體的歷史，并積累了大量的精確數據。人造地球衛星的出現，開創了衛星大地測量(也叫“人衛大地測量”)的新時代。衛星大地測量中的觀測，可以分為方向觀測和距離觀測兩大類。方向觀測是指通過一定的技術手段，取得測站至衛星在某一坐標系內的單位矢量;而距離觀測，則是取得測站至衛星矢量的模，由于采用技術手段的不同，距離觀測量又可分為距離測量、距離變率測量和距離差測量。

　　由于人造地球衛星距觀測者比月球和其他天體近得多，可以極大地減小由同樣測向觀測誤差引起的地面點位位移，且擺脫了傳統地面三角測量中，邊長受到限制和觀測誤差傳遞的問題。20世紀60年代，衛星大地測量以光學技術為主，當時我國光學儀器制造技術和水平相對薄弱，這個瓶頸極大地限制了我國采用相同原理制造天文量測設備所能實現的性能。

　　為繞開瓶頸問題，許其鳳院士從減弱光學系統導致誤差源的角度出發，提出了星空模型法，利用原攝影物鏡構成星空模型，量測模型上衛星和恒星(定標星)星象的空間方向，利用攝影物鏡兩次互逆的成像，消除畸變差及底片不平差對底片量測結果的影響，極大地減弱了主要誤差源的影響，在大大降低鏡頭和底片技術指標情況下，仍然能夠獲得較高精度的測量結果。利用建立的這種“雙光楔跟蹤攝影”理論，能提高系統性能，為之專門研制的WCX-1型衛星測向儀，實現了兩軸結構的衛星跟蹤攝影，儀器性能達到當時國際先進水平，就單一未知星定向精度達到1.03″，1978年該項目獲全國科學大會獎。

　　2.2北斗二號(BDS-2)的星座設計

　　進行衛星導航系統的星座設計任務時，首先要考慮星座設計需要實現什么樣的定位性能和多大的覆蓋范圍，根據要實現的性能，來設計衛星星座應該采用的軌道和衛星的分布情況，要考慮如何在保持系統相近性能條件下，盡可能采用更少的衛星，以便節約建設成本。

　　當時，國際上可供借鑒的俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(globalnavigationsatellitesystem,GLONASS)、美國的全球定位系統(globalpositioningsystem,GPS)和歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileonavigationsatellitesystem,Galileo)均采用在3個或6個軌道面均勻分布的中圓地球軌道(mediumEarthorbit,MEO)衛星(軌道高度約2萬km)組成衛星星座。那么當時我國建設衛星導航系統存在什么瓶頸問題呢?主要瓶頸有兩個：

　　1)由于我國沒有海外軍事基地，導致難以在全球范圍內均勻布設衛星監測站，由于監測站只能布設在國內，導致監測站對任一衛星的監測弧段較短，難以滿足衛星星歷和衛星鐘差的高精度計算需求;2)由于原子鐘制造工藝差距問題導致的原子鐘性能落后的問題，原子鐘精度差將直接導致衛星測距誤差增大，嚴重制約衛星導航系統的整體性能[2]。

　　為繞開短期內難以克服的瓶頸問題，許其鳳院士拓展衛星軌道設計思路，選擇了地球靜止軌道(geostationaryEarthorbit,GEO)衛星和傾斜地球同步軌道(inclinedgeosynchronousorbits,IGSO)衛星來實現接近全弧段跟蹤，大大縮小外推弧段，在監測站僅能國內布設和國產原子鐘當時精度不足的情況下，設計出區域性能優于GPS、滿足國家戰略需求的北斗二號星座設計方案，采用經過優化 設計的5顆GEO衛星和5顆IGSO衛星組成的衛星星座。

　　最終經過實踐驗證，采用高軌道衛星組成的衛星星座能夠很好滿足覆蓋亞太地區的衛星導航系統的建設需求，在系統性能得到保證的前提下，不但能夠大大提高衛星利用率，并且能夠實現系統級的廣域差分，使系統區域性能優于其他衛星導航系統[3]。2012年12月，BDS-2正式開通運行，其良好的定位性能驗證了許其鳳院士“避短揚長”思路設計衛星星座的杰出技術思路。

　　2.3GNSS定向技術研究

　　現代戰爭中機動作戰成為主要作戰模式，機動陣地的快速定向是炮兵、導彈等各類作戰武器提高命中精度的重要保障。衛星定向主要指利用全球衛星導航系統(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)進行定向工作，主要是通過對GNSS載波相位數據進行處理，最終能夠給出空間中兩點構成的幾何矢量在特定坐標框架下的指向[4]。

　　1987年，在國內外無先例的情況下，經系統地研究，許其鳳院士提出了利用GPS進行大地方位角測定的理論和方法，項目成果成功應用于國內發射陣地測量和某項國外軍事任務，拓展了衛星導航系統的軍事應用范圍，解決了遠程武器機動發射快速測量保障問題。利用GPS可以進行定位定向，但受美國的控制。使用我國自主衛星導航系統，可解決戰時使用的靠性問題。但我國的北斗衛星導航試驗系統即北斗一號(BeiDounavigationdemonstrationsystem,BDS-1)僅采用了多顆同步軌道的地球同步衛星(GEO衛星)，從地球上看衛星幾乎不動，照搬現成GPS衛星定向方法不能取得方位解。

　　為克服星座設計的差異及不能進行方位解算的瓶頸，許院士提出了兩接收機使用共同本振、天線自轉與公轉的方法，解決了利用我國衛星系統進行快速測向的技術難題，觀測一顆衛星即可實現定向，通過研制的原理樣機驗證了方法的可行性。隨著我國北斗衛星導航系統(BeiDounavigationsatellitesystem,BDS)的逐步建成，為縮短定向時間及減小定向設備裝備成本，許院士又提出采用單接收機旋轉方式實現快速精確測量方向的方法，并研制了原型樣機。使用該設備時不需對中和精確整平，極大地減小了部隊官兵的使用難度。

　　2.4GNSS動態定位檢定系統設計

　　衛星導航系統性能測試評估方法是衛星導航領域中的重點研究內容，衛星導航系統的定位性能，是衡量一個系統技術水平的重要標志。近年來，國內外對定位性能的測試評估開展了大量的理論研究與實踐工作。由于衛星導航系統動態定位的高定位精度、定位結果瞬時性、動態范圍大、數據更新率高等特點，常規的測試評估方法難以按照計量規范要求進行嚴謹的溯源驗證工作[6]。 為解決這個瓶頸問題，許其鳳院士嘗試采用其他學科的技術解決本學科瓶頸問題。研究過程分為兩個階段。

　　第一階段：20世紀90年代，引入攝影測量的方法，提出了遠、近點攝影的矢量較差法，在解決了高精度同步攝影、鏡頭和電荷耦合器件(chargecoupleddevice,CCD)芯片畸變差測定與修正等一系列技術難題的基礎上，研制了GPS動態定位性能檢定平臺[7]，建立了我國第一個GPS接收機動態檢定場，并依此制訂了國家軍用標準《軍用GPS接收機檢定規程》，2005年GPS接收機綜合檢定場獲軍隊科技進步一等獎。

　　第二階段：提出利用多節點攝影/慣導組合測量方法進行BDS動態定位性能檢定。如果選擇合適的軟硬件和外部條件，基于單張像片的攝影測量空間后方交會方法(機載低空攝影測量)，就能夠得到相機投影中心的高精度三維坐標，攝影測量方法的觀測量是像點坐標。慣性導航系統能夠利用積分的方法推算得到慣導系統標定點的三維坐標，速度和角度的微分量是慣性測量方法的觀測量。

　　GNSS定位主要采用基于測量衛星到接收機之間距離的空間后方交會定位方法實現。經過優化設計的攝影測量空間后方交會方法，雖然能夠得到較高的投影中心坐標，但往往數據更新率不能滿足GNSS性能測試評估的需求。慣性導航系統能夠實現較高的數據更新率，但其定位性能誤差累積較快[8-9]。許其鳳院士綜合考慮多項因素后，提出區別于組合導航濾波算法的多節點攝影/慣導組合測量方式，實現了高定位精度與高數據刷新率的統一。

　　攝影/慣導組合測量模式采用的工作模式和使用的觀測量都與GNSS定位模式不同，能夠避免由于采用相同工作模式或觀測量可能導致的系統性偏差。該方法已經上級主管部門驗收，專家組一致認為，該方法可用于BDS動態定位及測速性能評估。

　　3結束語

　　WCX-1型衛星測向儀的研制，是避開我國當時光學鏡頭加工水平低這個“短板”，從誤差源角度出發，通過星空模型法的“長處”降低對鏡頭、底片技術要求。在北斗二號的星座設計中，避開監測站難于全球布設和星載原子鐘性能差這兩個“短板”，充分發揮了地球同步衛星利用率高的“長處”。

　　GNSS定向技術研究中避開了由于GEO衛星靜止不動或者MEO衛星短時運動導致觀測方程病態無法求解這個“短板”，采取接收機快速轉動使解算方程可觀的“長處”。在GNSS動態定位檢定系統設計中，避開攝影/慣性組合導航實時濾波算法精度不均勻這個“短板”，充分利用動態檢定允許事后解算這個“長處”，設計了多節點攝影/慣導組合測量方式。上述四個科研項目均是許其鳳院士科研生涯中“避短揚長”科研思路的具體實踐，對我國科技工作者從事具體工程設計具有較好的指導意義。

　　參考文獻

　　[1]測繪學名詞審定委員會.測繪學名詞(第四版)[M].北京:測繪出版社,2020.

　　[2]許其鳳.認識北斗建設北斗[J].中國工程科學,2014,16(8):26-32.

　　[3]許其鳳.北斗系統的特點與產業優勢[J].中國工業和信息化,2020(7):52-58.

　　[4]許其鳳,叢佃偉,董明.主要定向技術比較與GNSS快速定位定向儀研制進展[J].測繪科學技術學報,2013,30(4):349-352.

　　[5]張成軍,許其鳳,王永明,等.一種基于單接收機旋轉的北斗快速精確定向新方法[J].測繪通報,2016(3):18-21.

　　[6]叢佃偉,許其鳳.GNSS動態定位性能評價研究現狀與進展[J].導航定位學報,2016,4(2):1-5.

　　[7]呂志偉,郝金明,許其鳳,等.利用CCD數碼相機進行高精度定位的方法[J].測繪學院學報,2005(4):242-245.

　　作者：叢佃偉