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科研先锋 | 王奕迪:点亮太空航行的灯塔

影片《流浪地球》中,吴京饰演的航天员刘培强驾驶着飞船在星际穿越……按下暂停键,空天科学学院副教授王奕迪将手机放在一旁,为了让记者加深理解,他特意搜索了电影中的这个片段。“太空中飞船的穿越导航是个重要问题,就像船只在大海上需要灯塔指引,太空中也需要一座座灯塔,不然就成了‘星际迷航’……”王奕迪说,他现在做的全部努力,就是点亮太空中的灯塔,为星际航行提供导航。为了这个梦想,他已经深耕细作了近十年。前不久,他因业绩突出获得了学校2020年青年创新奖一等奖。

2009年,王奕迪从学校空间工程专业本科毕业后,考入航空宇航科学与技术专业,攻读硕士研究生。入学后不久,导师郑伟教授找到他。

原来,导师敏锐地发现了一个新的研究课题——脉冲星导航。脉冲星是大质量恒星演化到末期的产物,脉冲信号的长期时间稳定度堪比原子钟。然而,这是一个相当冷门的领域。当时所有的理论都建立在一位美国学者发表的一篇博士论文的基础上,参考文献也寥寥无几。

王奕迪说他的研究之路走得异常 “分裂”与孤独。“实现脉冲星导航的全流程,需要同时具备脉冲星天文、信号处理、航天器导航这三个不同领域的知识,它们就像三条方向迥异的路,彼此间无互通的桥梁,路上的前辈也很少,我只能靠自己把它们打通贯穿。”

所有的现实告诉他,这项研究需要大量的知识储备做支撑。王奕迪开始如饥似渴地阅读。“越是蹊径,越会出创新成果。”王奕迪坚信,曙光就在不远处。

脉冲星导航示意图

2015年的一天,王奕迪像往常一样进行数据处理,脉冲星星历表易受非高斯噪声干扰,计时精度始终不高,他对数据处理结果有点懊恼。

凝神思索之间,他忽然想起前不久看过杨元喜院士的一本书,其中提到了“抗差估计”这个概念,利用“抗差估计”可以准确有效地剔除异常数据。仿佛受到启发似的,他有了一个想法:何不将抗差估计引入脉冲星计时领域?之前一直用人为的方法来剔除异常数据,主要依赖操作者的经验,难免产生误差。引入“抗差估计”就像给数据装上了智能化的“大脑”,异常数据可以自动“靠边站”……想到这里,王奕迪有些激动,虽然不知道这个想法是否可行,但一定要试一试!

经过一段“5+2”“白+黑”的艰苦攻关后,王奕迪提出了脉冲星星历表稳健拟合方法,成功抑制了非高斯干扰的影响,将非高斯测量噪声情况下的脉冲星星历表参数拟合精度提高了50%多。后来,王奕迪的这套方法还被嵌入到一款国际通用的脉冲星计时软件——TEMPO2当中。

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脉冲星示意图

有了深厚的积累,路越走越顺。

王奕迪又先后提出了一套强稳健、高精度、高效率的光子级微弱动态信号处理方法,一套“系统误差自校准+稳健估计”的脉冲星自主导航方法和一套“脉冲星+”导航策略,并将成果应用于我国首颗脉冲星试验卫星工程和“慧眼”X射线天文卫星的导航验证任务中。

在“慧眼”卫星传回的脉冲星实测数据的帮助下,王奕迪对脉冲星导航的理解进一步加深,开始修正先前的脉冲星导航理论。

慢慢的,王奕迪的身份越来越多:航空宇航科学与技术学科全国优秀博士学位论文获得者、国家博士后创新人才支持计划入选者、我国首颗脉冲星试验卫星工程地面支持系统副主任设计师、“慧眼”X射线天文卫星科学组成员、国家某重大工程核心论证组成员、学校高层次人才培养对象……王奕迪说,他总算在这条“分裂”与孤独的路上看到了一丝曙光,他会继续积累和沉淀,直至看到光芒,实现梦想,为驶向深空的航天器点亮灯塔。