袁运斌:GNSS电离层研究路上的“行者”

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□采访/撰稿 本刊记者 何溪
 
【人物名片】袁运斌,中国科学院测量与地球物理研究所研究员,中组部第二批“万人计划”领军人才和中科院“百人计划”入选者,国家杰出青年科学基金、中科院青年科学家奖、国家科学技术进步二等奖获得者。
 
 
        武汉下午的三点,依旧是盛夏中最炎热的时候。整个地面在经过烈日暴晒后,犹如蒸笼一般,让人透不过气来,当进入袁运斌办公室时,记者已经汗流浃背,不过面前一堆堆书的场面带来的震撼,不亚于空调冷气带来的凉意。在他的办公室里,除了四把座椅和一张沙发“闲置”外,书架、地上和桌子都摆满了书。“椅子是会客用的,沙发是休息用的。”袁运斌指着沙发上摆放的毛毯说。
 
        在这个被书“占领”的房间里,一个挂着衣服的简易衣架显得很“另类”。“平时要是没时间回家,就用这些衣服应应急。”袁运斌笑着说。
 
        睡觉用的毛毯,换洗用的衣服,袁运斌早已把办公室当成了第二个家。每逢科研项目到了关键时刻,十天半个月他都会住在办公室,甚至长时间工作导致鼻子大出血也不轻易下火线。“我是团队负责人,必须以身作则,必须第一个参与发现和解决问题,发挥带头人的作用。”温文尔雅的袁运斌,说这话的时候却斩钉截铁。
 
        从1995年进入中科院测量与地球物理研究所(下称测地所)那时起,袁运斌在22年里,研究领域离不开电离层,用行动诠释了“择一事,终一生”。
 
“既要研究理论,也要搞好应用”
 
        1994年暑假,临近毕业的山东科技大学地球科学系的袁运斌独自一人来到位于武汉市徐东大街340号的测地所。那年他22岁,因为想报考测地所的研究生,他特意过来实地看看,测地所优越的环境坚定了袁运斌来年报考的决心。
 
       第二年,大学本科毕业的袁运斌如期走进了测地所招收研究生的考场。凭借优异的成绩,袁运斌被测地所录取,成为欧吉坤研究员的研究生。
 
       当导师问他,想学哪个专业方向时,袁运斌选择了GPS研究方向。因为在他看来,虽然业内既有许多人在研究GPS软件及应用,也有不少人在研究GPS理论,但把GPS软件及应用和理论结合起来研究的人比较少。为此,袁运斌跟导师说:“我既要研究和发展理论,也要把应用搞好。”他这样做的目的是,使研究方向形成一个从理论到应用的完整链条。
 
        随后,袁运斌被测地所安排到了同济大学测量系学习研究生基础课程。经过一年的刻苦学习,已在本科阶段拿到了计算机辅修专业毕业证的袁运斌,不仅完成了研究生课程,而且还利用课余时间完成了大地测量专业本科课程,以及通信专业相关课程,这些课程的学习为他以后的科研打下坚实的基础。
 
        顺利完成研究生基础课程后,回到测地所的袁运斌被导师安排研究两款GPS软件:GAMIT软件和Bernese软件。首次接触GPS软件的袁运斌,立马就着迷了。为了尽快搞懂软件操作,他废寝忘食,一天下来只睡两三个小时。功夫不负有心人,袁运斌不仅学会了软件的操作,而且还对软件的代码有了初步的研究,这也为他以后的研究工作打下了基础。
 
        就在袁运斌准备对Bernese软件开展更深层的研究时,导师欧吉坤承接的“神舟四号飞船精密定轨电离层影响精确修正理论方法及软件研究”课题启动,他成为了课题组成员。
 
         就这样,袁运斌与电离层结缘了。
 
“只能成功,不能失败”
 
         在“神舟四号”飞船发射前,很少人知道袁运斌的名字。有人说,“神舟四号”飞船是袁运斌人生命运的转折点。
 
       “相较于前面的飞船,神舟四号飞船对定轨精度要求更高,因此要对影响定轨精度的电离层进行改正。”袁运斌道出了“神舟四号飞船精密定轨电离层影响精确修正理论方法及软件研究”课题的初衷。
 
       在这个课题中,袁运斌和导师提出的两种星载单频GPS精密定轨电离层延迟综合改正方法——IGGIRI方案和APR-II方案,解决了神舟四号飞船精密测轨中的部分最困难的关键技术问题。
 
        当看到“神舟四号”飞船成功发射后,一直处在紧张状态的袁运斌终于露出了笑容。“通过自己的努力,能为国家解决一些问题,我为自己感到高兴。”
 
        随后,在导师欧吉坤的指导下,袁运斌基于我国载人航天工程等多项重大工程,对电离层进行了更深入的研究。通过多年的努力,袁运斌发展了有特色的GPS数据质量控制与电离层监测及延迟修正理论、模型、技术与方法,拓展了电离层电子密度反演理论与方法, 解决了扰动条件下有效改正电离层延迟影响的关键技术问题,为我国载人航天工程及新一代卫星导航系统建设等多项标志性重大战略工程任务中电离层影响处理提供了重要技术支撑。
 
        凭借在GNSS电离层领域的突出成果,袁运斌在大地测量与卫星导航圈里被很多人知晓。只要提起GNSS电离层,立马就会想到他。事实上,2000-2001年,袁运斌在哥本哈根大学访问学习期间,国际著名大地测量学家、国际大地测量协会IAG秘书长切林教授(C.C.Tscherning,他的丹麦导师),就对其取得的出色研究成果有很高的评价,并专门致信中科院院士许厚泽,认为袁运斌是一位“年轻而前途远大的GPS领域的科学家”。 
 
        名声在外的他,主持完成的“GNSS电离层监测及延迟改正理论与方法研究及应用”项目,荣获2009年度国家科学技术进步二等奖。获奖的那一刻,已经工作无数个日日夜夜的袁运斌终于品味到了苦尽甘来的滋味。
 
        为了做研究,那段时间,袁运斌通宵达旦成了家常便饭,白发也就比正常人来得早一些。尤其从2005年开始,他在科研上花得时间更多了。因为这一年,作为刚成立的“卫星导航系统精密定位定轨理论与应用”创新团队带头人的他,接手了航天部门亟需攻关一项科研任务:高动态实时精密定位理论模型方法及软件系统研制。
 
       深知这项科研任务的成败关乎着我国重大航天任务部分核心技术难题能否被突破,袁运斌心中只有一个念头:“只能成功,不能失败。”
 
        为了保证任务的顺利完成,他打破了集中人力物力攻关的传统科研模式,安排了多组人马同时攻关。“这样做是防止同时出错,也防止成员因故退出所带来的不利影响,如果一旦优先安排的攻关组不能顺利完成任务,另一组必须在1周内把任务顺利接下去。”配备了“多保险”的袁运斌带领团队成员不分昼夜的工作,在相对较短的时间里,攻克了一个个难题,圆满地完成了这项科研任务。他们系统研究的我国空间交会对接卫星精密定位及其综合测试技术等成果,成为我国重大航天专用技术与方法与软件,成功应用于我国后续系列相关重大航天工程,为保障任务的圆满完成发挥了关键作用做出了重大贡献。
 
        “从基础数据理论、质量控制及定位理论与方法研究、应用方案设计,到关键技术的突破、相关仿真测试系统的研制,都是我们团队独立完成的。”领导团队完成这项重大任务的喜悦与兴奋,袁运斌至今记忆犹新。
 
        事后,该成果成功应用于“天宫一号”与“神舟八号”飞船的交会对接。凭借这一突出成果,袁运斌和他的团队获得了今年国家科学技术进步二等奖,又一次站上了事业的高峰。
 
服务国民经济建设成新的发展方向
 
         近十几年,袁运斌还将自己的科研重心对准了国家大力发展的北斗导航定位系统。期间,他做了两件事。
 
        第一件事是承担北斗分析中心建设。作为承担着全球GNSS观测数据的处理及分析任务的北斗分析中心,它的作用是充分利用全球GNSS数据资源,通过多种数据的联合处理,生成高精度的GNSS产品数据,为多学科研究及各种工程应用研究提供高精度的产品服务,同时支持相关的重大试验评估工组。
 
        袁运斌从2011年开始筹建北斗分析中心,经过三年多时间努力,北斗分析中心第一阶段于2014年通过了北斗第二代卫星导航系统专项管理办公室专项管理办公室组织的评审会专家验收。建成后的一期北斗分析中心核心产品是自主发展和研制的北斗分析中心数据处理软件系统提供的高精度卫星轨道、卫星及测站钟差、电离层延迟、差分码偏差、对流层延迟、地球定向参数、测站坐标及完好性信息等。
 
        在北斗分析中心建设期间,袁运斌领衔团队自主研制了能兼容北斗、GPS、GLONASS和GALILEO四大全球卫星导航系统的数据处理与分析软件系统平台。据袁运斌介绍,该平台软件系统不仅借鉴了国际先进的GNSS数据处理技术,而且融入了测地所自主创新研究的站际分区法(DADS)、广义三角级数函数模型(GTSF)、全球电离层TEC格网建模方法(SHPTS)、GNSS卫星频间偏差精密确定方法(IGGDCB)、北斗卫星精密定轨用太阳光压模型、大网跟踪站坐标解算、卫星精密定轨新策略等新模型、新技术和新方法。国际亚太参考网组织经长期测试评估后,批准建立了基于该平台的我国首家该组织分析中心,其大地坐标产品精度与稳定性优于其他同类中心。
 
       在2014年7月至8月北斗分析中心测试评估期间,北斗分析中心数据处理软件的精度与稳定性,得到了评估专家高度评价,认为其总体达到了国际先进水平。目前,北斗分析中心第二阶段正在建设中。
 
        第二件事是北斗第二代卫星导航系统电离层与对流层延迟改正模型研究。由于电离层与对流层是北斗、GPS等全球导航卫星系统GNSS 测量中最严重最棘手的误差源之一。因此,北斗第二代卫星导航系统建设及应用中也必须采取有效措施,满足电离层、对流层时延改正服务需求。针对这一课题,袁运斌及团队经过多年的研究,研制了仅利用少量境外站即可实现北斗全球电离层延迟广播改正的模型及实施方案,解决了区域布站为主引发的北斗全球电离层精密修正的技术难题。“这是团队努力的结果。”袁运斌始终坚信,搞科研靠的是团队力量,而非一己之力。
 
        国际权威GNSS精密应用服务组织(IGS)测试表明,袁运斌构建的新一代GNSS全球电离层延迟模型计算的全球电离层产品精度位居第一(与另一国际机构并列)。为此,国际IGS电离层工作组召开国际专题会议深入研讨了该模型的先进性,并批准建立了以该成果为核心的中科院国际IGS电离层分析中心。国家IGS组织还每日例行向全球用户提供袁云斌的方法计算的卫星频间偏差产品,使我国成为继德国后第2个提供该服务的国家。
 
        一直致力于我国载人航天和北斗卫星导航系统等国家重大工程研究的袁运斌,为适应当前国家和中科院对科技工作更好地服务国民经济主战场的要求,又有了新的科研目标。他去年承担了国家重点研发计划专项“协同精密定位技术”,将研究对象聚焦到国民经济上。该专项由测地所牵头,中海达、华为等16家单位共同参与,旨在更好地解决卫星导航星座信号到达用户移动终端“最后一公里”问题。“这个专项与大众应用紧密相关,这与以前研究面向载人航天、国防等国家重大需求不同,这次是面向国民经济主战场”,袁运斌说,“因此,现在我们的研究不仅要面向国家重大需求,而且要面向国民经济建设。我相信,我们未来在国民经济主战场能有所作为。”目前,已经启动近一年的专项已有实质性成果,袁运斌领衔研发的多精度等级全覆盖北斗/GNSS广域星地基整体增强技术与平台系统软件及相应的系列终端算法与硬软件正在测试中。从初步测试结果看,其总体性能良好稳定。
 
        浸淫科研22年,袁运斌认为自己很幸运,既没换过单位,也没改过研究方向,这可能是他成功的秘诀。