中国工程院院士刘经南矢志钻研卫星导航系统技术难题——让北斗点亮美好生活（讲述·弘扬科学家精神）

2021年，在中国北斗应用大会暨中国卫星导航与位置服务第十届年会上，刘经南作主旨演讲。

马  健摄（影像中国）

北斗卫星模型。

唐 克摄（影像中国）

人物小传

刘经南，1943年7月生，中国工程院院士，武汉大学教授、博士生导师，国家卫星定位系统工程技术研究中心主任。长期从事大地测量理论及应用研究与教学工作，在大地测量坐标系理论、北斗卫星导航定位技术、软件开发和重大工程应用方面做出了一系列开创性工作，曾获7项国家科技进步奖、30余项省部级奖励，以及“全国先进科技工作者”荣誉称号。

无人驾驶车辆在复杂路况下平稳行驶，智慧农机在田间地头自动耕作，重大工程建设实现远程监测和精准管控……日常生产生活中，人们常常能感受到卫星导航与位置服务产业的重要作用。

5月18日，中国卫星导航定位协会发布《2025中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》，白皮书显示，2024年，我国卫星导航与位置服务产业产值达5758亿元，约2.88亿部智能手机支持北斗定位功能，电子导航地图的北斗定位服务日均调用量高达6000亿次，北斗高精度车道级导航已基本实现了全国城乡道路全覆盖。

“我们可以自信地说，北斗卫星导航系统是目前全球精度最高、功能最多的卫星导航系统之一。”中国工程院院士、武汉大学教授刘经南是参与三代北斗系统研制建设的专家，也是我国卫星导航定位工程应用领域的开拓者之一。他致力于大地测量坐标系理论及全球卫星导航系统（GNSS）技术应用的研究，攻克多个关键性难题，不断提升北斗系统服务水平，助力创造美好生活。

从地面到太空

用卫星定位技术解决实际问题

解决好坐标转换问题，是卫星导航系统研究中的重要基础，也是刘经南几十年科研生涯中印象深刻的一个突破口。

从上世纪70年代开始，随着一些国家建立了自己的卫星导航系统，卫星测量基准的地心坐标系与传统地面大地坐标系如何转换，逐渐成为当时国际前沿的研究方向。1979年，考取武汉测绘学院（武汉大学测绘学院前身）研究生的刘经南，便投入相关研究。

坐标转换，意味着让卫星测量数据更方便地被人们利用，能解决更多生产生活中的实际难题。“当时国际上一些科学家分别提出了有关两大坐标转换的3个模型，但究竟谁优谁劣争论不休。”刘经南说，读研期间，他针对这一问题展开研究。他一遍遍推演，最入迷的时候，“连梦中都会出现数据和公式”。终于，他首次证明了3个模型的等价性，一定程度上为GNSS的应用发展提供了理论基础……

善于钻研，是刘经南最大的特点。他本科在武汉测绘学院学习天文大地测量专业，攻读研究生之前，曾在物探队工作过11年，常常要背着沉重的测量仪器，行走在深山老林中，进行野外测绘作业。夏天与虫蛇做伴、冬天承受冰冷严寒。那时候他就想：如何能通过现代化技术手段，让测绘工作不再那么辛苦呢？

这段经历，帮刘经南找到了随后几十年的研究方向。几经波折，1986年，他回到母校任教后，正式开始了卫星大地测量与全球定位系统（GPS）技术的相关研究。

上世纪80年代，国家部署探测西部油气资源，刘经南来到柴达木、塔里木和准噶尔三大盆地，协助石油部门处理卫星定位数据。“那时我们国家坐标系在沙漠地区的高程并不精确，误差可能达到几米。”刘经南说，在油气勘探中，误差每多1米，钻井成本就可能增加百万元以上。经过计算，他创造性地提出一个数学模型，用卫星定位的方式，提出一整套GPS三维地心坐标向量至高斯二维坐标的转换理论，使在塔里木沙漠地区的卫星定位高程精度达到优于1米的水平。

高精度开展岛礁测量，实时监测水库蓄水情况……刘经南积极推动科研成果对接社会需求，将全球卫星定位技术应用到多个领域，力求解决各类实际问题。

从跟跑到领跑

提升北斗系统高精度定位服务能力

在北斗系统建立之前，我国的卫星导航增强服务系统长期依赖美国的GPS。“它们提供的服务精度不算太高。”刘经南说，比如行驶在武汉沿江大道上的汽车，利用GPS定位观察，会发现位置有时在长江里，有时在屋顶上，有时误差近百米。

为了解决这个问题，刘经南提出适合当时中国技术水平的分布式广域差分技术的思路，对GPS观测量的误差源加以区分和“模型化”，然后将计算出来的误差修正值数据根据其随时间变化的快慢差别，分别通过三类通信链传输给用户，满足用户定位中的误差修正需求，以改善其GPS定位精度。“我们按照新思路开展实验，近3000千米的差分距离，都能实现3—5米的实时定位精度。”刘经南说。

但真正避免技术受制于人，还是要拥有自主的卫星导航系统。

1994年，北斗一号工程正式立项，此后，刘经南带领团队攻克了北斗系统多项难题，实现了相关技术从跟跑到领跑的跨越。作为最早一批参与北斗方案设计的专家，他提出基于北斗一号的双向通信功能，中国应建立自主可控的广域GPS差分增强试用系统。专家组接受了这个建议，在北斗一号就实现了广域GPS差分功能，并一直改进延续到北斗三号全球系统。

2012年，我国北斗卫星导航系统正式为亚太地区提供服务。刘经南团队提出建设国家地基增强系统的创新方案，并在湖北建立了示范项目。

“北斗地基增强系统湖北示范项目采用了具有完全自主知识产权的软硬件产品，建成30个北斗连续运行基准站及相应的控制和服务系统，可通过地面基准站网的增强，实现北斗系统高精度导航定位服务。”刘经南说，项目取得成功后很快在全国推广，建成了覆盖全国的广域实时精密定位服务系统，形成了全国范围分米级、重点区域厘米级的定位服务能力，打破了国外在高精度卫星定位领域的垄断地位。

从科研到产业

探索北斗与新技术融合的新业态

武汉光谷北斗大厦，武汉梦芯科技有限公司的实验室内，技术人员将16个不同生产批次的单北斗定位模块放进试验箱，设置一定的温度，记录该模块在零下40摄氏度到零上80摄氏度温度范围内的定位精度、定位时间等，测试其性能的一致性。

成立于2014年的梦芯科技，是一家专业从事北斗高精度定位芯片设计和精准位置服务的高新技术企业，由刘经南担任首席科学家。“在刘院士团队的支持下，我们研发出国内首颗40纳米量产的北斗导航定位芯片，实现厘米级定位精度。”梦芯科技首席技术官王奇君介绍，公司研制的三代北斗芯片、模块等产品广泛应用于智能驾驶、智慧城市、共享出行等领域。

“北斗系统作为提供时空基准的基础设施，具有天然的融合属性。当前，北斗正与5G、大数据、人工智能等技术加速融合，将催生越来越多的新业态。”刘经南说。梦芯科技所在的北斗大厦，已经聚集了10多家北斗相关企业，形成了从研发、生产到运营服务的全产业链。

“科技发展需要一代代人接续努力，我们要为年轻人提供更优质的学习条件和更广阔的发展空间。”刘经南一手抓科研创新，一手抓人才培养。担任武汉大学校长期间，他就积极营造跨学科教学氛围，倡导与社会服务结合的培养模式。从1997年开始，刘经南和其他几位院士，一起给武汉大学测绘学科本科生讲授“测绘学概论”等课程。他的课堂常常出现妙语连珠的“小段子”：“你从哪里来，要到哪里去？这既是哲学家问的问题，也是导航研究的问题……”

展望未来，刘经南说：“下一步，要让精准时空位置服务进入深地、深海、深空、深网等领域，不断增强北斗系统的应用效益和社会价值，从而建设更加融合、更加智能的综合时空体系。”