全球首創(chuàng)！清華大學科研團隊重新定義全球性導航

近日

教育部公布了2025年科學研究優(yōu)秀成果獎

（自然科學和工程技術）的獲獎名單

清華大學智能微系統(tǒng)與納衛(wèi)星團隊的

全球性光學導航定位技術與系統(tǒng)

獲評工程技術獎特等獎

當GPS信號干擾讓飛機輪船舉步維艱

當城市導航因意外干擾陷入癱瘓

當深空探測面臨無導航信號的困境

清華大學智能微系統(tǒng)與納衛(wèi)星團隊

深耕二十載

一舉破解

在“衛(wèi)星無線電拒止環(huán)境”下

（通過技術手段在特定區(qū)域內(nèi)

使衛(wèi)星導航系統(tǒng)失效）

“衛(wèi)星無線電無法定位”

“天文光學定位精度差”

這兩大行業(yè)瓶頸

納星四號A/B星發(fā)射任務出征儀式

從古人仰觀天象辨別方向

到如今我們不僅仰望星空

更能創(chuàng)造“星空”

清華團隊用一顆顆發(fā)光衛(wèi)星

織就全球?qū)Ш骄W(wǎng)絡

以光為標，指引航向

把“燈塔”送上太空

用光信號指引航向

“古代水手依賴燈塔導航

而我們做的是把‘燈塔’搬到太空

讓發(fā)光衛(wèi)星代替‘燈塔’成為可靠的光信號

為萬物指引航向”

團隊負責人、清華大學精密儀器系（以下簡稱：精儀系）教授

邢飛的這番話

精準概括了這項獲獎成果的靈感來源

光，是人類最早的導航密鑰

進入衛(wèi)星通信時代

GPS、北斗等無線電導航系統(tǒng)

已成為現(xiàn)代社會不可或缺的導航基礎設施

“衛(wèi)星無線電信號雖傳播能力強

卻難以抵擋惡意干擾”

邢飛說

傳統(tǒng)導航系統(tǒng)存在難以突破的短板

即便是基于恒星的天文導航

也面臨信源微弱、鏈路不穩(wěn)等局限

“導航危機”在現(xiàn)代社會始終存在

導航納衛(wèi)星核心技術機理圖

光學導航正是在這樣的背景下應運而生

這套以光學信號為載體

以測角定位為核心的全球?qū)Ш较到y(tǒng)

它是在衛(wèi)星上搭載大功率、寬覆蓋的

光學信標源

向空間發(fā)射攜帶導航編碼信息的光信號

當?shù)孛娼邮諜C捕獲信號后

結合衛(wèi)星精密軌道

通過極坐標原理即可完成自身定位

團隊以此構建起了

光學式“信源基準-傳遞鏈路-測量儀器”的

全新導航架構

清華納衛(wèi)星發(fā)射與全球性光學導航技術

“光波的波長極短

只能直線傳播

干擾信號無法通過繞射

進入到接收機的視場范圍內(nèi)”

光學導航不僅擁有抗干擾的天然優(yōu)勢

更通過可控的太空光學信標

彌補了天文光學導航的信源缺陷

從原理方法到應用模式完成了全方位革新

團隊在文昌衛(wèi)星發(fā)射中心

海邊的燈塔只能指引方向

卻無法傳遞位置信息

“我們要讓太空‘燈塔’既指明方向

更能為用戶提供精確位置”

團隊助理研究員、清華大學精儀系博士畢業(yè)生

柳鑫元認為

把“燈塔”搬上太空

遠比海面建燈塔復雜千倍

團隊既要讓太空“燈塔”的光信號

突破天地阻隔穩(wěn)定傳遞

還要攻克多星協(xié)同、全域覆蓋的組網(wǎng)難題

每一步都是全新的挑戰(zhàn)

而團隊的攻堅之旅

早在二十年前便已啟程

二十年磨一劍

從零起步織就全球光學導航網(wǎng)

“這項成果不是一蹴而就的

從納衛(wèi)星的研發(fā)到全球?qū)Ш骄W(wǎng)絡

這二十年里我們每一步都走得很扎實”

2002年

剛進入精儀系攻讀博士學位的邢飛

在精儀系教授尤政的帶領下

毅然投身于空間光學敏感器研究中

他回憶道

“那時候我國在空間領域

對于光學敏感器的研發(fā)還未能應用落地

所有技術都要從零開始”

2004年

我國圓滿完成

包含清華納星一號的“9箭11星”發(fā)射任務

這在當時已經(jīng)屬于發(fā)射數(shù)量的“大年”了

當時尤政老師堅信

“納衛(wèi)星是航天技術研究的先行軍

也是大學從事航天創(chuàng)新研究的重要抓手”

團隊組會討論

團隊從最基礎的光學敏感器研發(fā)入手

一點點攻克技術難關

早期的光學敏感器重達十幾公斤

根本無法適配小型衛(wèi)星

團隊的目標是把它做到百克級

讓更多衛(wèi)星都能應用

這一過程耗費了整整十年

在2015年清華大學研制的納星二號上試驗成功

目前已經(jīng)成為了中國衛(wèi)星空間網(wǎng)絡

和商業(yè)航天領域的主打型號產(chǎn)品

“科研最需要的就是久久為功的堅守”

尤政常掛在嘴邊的這句話

是精儀人精神的真實寫照

團隊曾在寒冬赴興隆山上開展外場試驗

氣溫低至鍵盤結冰

隊員們身披軍大衣、裹著棉被調(diào)試設備

為一個技術參數(shù)

常常連續(xù)研討、調(diào)試十余個小時

反復驗證、不斷優(yōu)化

2004年

團隊完成首顆納衛(wèi)星的研制與發(fā)射

2012年

團隊攻克光學敏感器等核心技術

2015年

團隊研制發(fā)射納星二號衛(wèi)星

2018年

團隊首次利用恒星敏感器

完成衛(wèi)星光學信標的觀測實驗

為光學導航奠定了基礎

2023年

搭載商業(yè)衛(wèi)星完成光學導航進一步測試驗證

團隊正式提交衛(wèi)星發(fā)射申請

2024年

團隊迎來了關鍵突破

分別在酒泉和文昌衛(wèi)星發(fā)射中心

發(fā)射了4顆光學導航清華納衛(wèi)星

構成了初代驗證星座

并在國際上首次實現(xiàn)了

飛機、艦船等載體的全球性光學導航驗證

清華大學智能微系統(tǒng)團隊三十周年慶祝大會

二十年間

團隊完成了三次關鍵跨越

從十公斤到百克的光學敏感器微型化

解決了“能不能使用”的問題

從單一衛(wèi)星技術到衛(wèi)星、載荷、飛機多載體應用

解決了“能不能復用”的問題

從只有姿態(tài)測量到定姿定位導航一體化

解決了“能不能通用”的問題

讓光學導航覆蓋全球

為萬物精準定位

“我們的技術

不僅要為車輛、飛機、艦船找到物理坐標

更要為中國導航技術找到在全球的領先坐標

為國家空間安全找到自主可控的坐標”

如今，這項技術

正從多個維度定義著全球?qū)Ш降男赂叨?/strong>

空間光學敏感器批量化制造

該項目首創(chuàng)全球光學導航定位新方法

目前已構建起了由11顆衛(wèi)星組成的光學導航星座

它作為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要補充

為我國全球?qū)Ш健⑦b感定位、深空探測等

重大戰(zhàn)略提供核心技術支撐

依托項目的核心技術

團隊實現(xiàn)航天產(chǎn)品標準化、國際化

相關產(chǎn)品已銷往美、英、法等近20個國家

在航天與導航領域打造出中國品牌

形成了廣泛的國際影響力

團隊回顧技術發(fā)展歷程

未來

在低空經(jīng)濟領域

團隊計劃與現(xiàn)有的通信基礎設施結合

構建光學導航增強網(wǎng)絡

解決無人機、自動駕駛車輛

在隧道、復雜路況下的導航盲區(qū)問題

邢飛介紹道

“低空經(jīng)濟對導航的精準度和抗干擾性要求極高

光學導航正好能滿足這些需求”

在深空探測領域

光學導航更是能發(fā)揮不可替代的作用

在月球等沒有GPS信號的區(qū)域

僅需一顆軌道飛行器作為“光學信標”

就能為著陸器提供精準導航

“深空探測中

傳統(tǒng)導航信號無法覆蓋

而光學導航不需要地面基站支持

僅靠衛(wèi)星間的光信號就能實現(xiàn)定位

是深空任務的理想選擇”

邢飛說

目前團隊的技術已參與到

月球科學多個國家重大計劃中

未來還將應用于更遠距離的深空探測任務

團隊實踐課程

在技術創(chuàng)新與應用的同時

團隊始終堅持

科研與人才培養(yǎng)一體化

在學校的支持下

團隊開設了

“智能微系統(tǒng)與微納衛(wèi)星”實踐課程

讓學生從軟件仿真到硬件組裝

全程參與衛(wèi)星研制的各個環(huán)節(jié)

“我們的衛(wèi)星全是老師帶著學生一起動手做的”

團隊成員柳鑫元在讀博期間就參與其中

收獲頗豐

同學們加入實驗室后

從立方星模型的搭建

到衛(wèi)星控制算法的編程

再到光學敏感器的組裝調(diào)試

在實踐中掌握了核心技術

也激發(fā)了科研志趣

為未來投身于航天行業(yè)打下了堅實的基礎

清華大學智能微系統(tǒng)團隊2024屆畢業(yè)生合影

二十載深耕

他們將科研成果鐫刻太空

一束光領航

他們將光學星網(wǎng)織編全球

清華大學智能微系統(tǒng)團隊

秉持久久為功的科研初心

以耐得住寂寞的堅守

勇攀高峰、攻堅克難

“九天遍布納星日

仰望豈止是星空”

未來

隨著全球光學導航網(wǎng)的逐步建成

這束源自中國的光

必將照亮更多前行之路

為全球?qū)Ш桨l(fā)展

注入中國智慧、貢獻中國力量

文丨楊濱華

攝影丨曹文鵬、受訪者提供

排版｜王一荃

編輯丨呂婷

責編｜苑潔

審核｜劉蔚如

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