日前，教育部公布了中国国际大学生创新大赛（2024）获奖名单，河南职院共斩获金奖1项、银奖2项、铜奖6项，获奖总数位列全国高职院校第一，并首次实现全赛道获奖。今天，我们一起走进金奖项目《华芯时空——北斗导航系统高精度定位授时模块》的故事。
时间的珍贵性不言而喻，而背后起核心作用的“授时”尤为重要。在河南，有这样一支大学生团队，他们历时两年，经历上千次测试，突破三大技术难关，成功研发出北斗接收机DO-033模块，能将定位精度控制在1米，时间精度控制到亿分之一秒。在中国国际大学生创新大赛（2024）总决赛上，这项创新项目荣获金奖。
500余日夜见证金奖诞生
87.07分，位列金奖！2024年10月14日，在上海交通大学比赛会场，得知获得金奖的这一刻，河南职业技术学院电子与物联网学院大二学生孙嵩斐紧紧拥抱着团队成员。在过去500多个日夜里，他们在指导老师的帮助下，克服重重困难，最终实现“华芯时空——北斗导航系统高精度定位授时模块”项目的完美落地。
目前市面北斗接收机主要分为芯片级、模块级和设备级三大类型产品，分别适用于不同的应用场景，但优缺点也非常明显。芯片级体积小、价格低、但精度差，适用于物联网、个人终端等民用设备，比如我们的手机里面的就是芯片级北斗接收机；大型设备级接收机精度高，但体积大、价格高，适用于工业、军工等领域；在通信、信号处理、软件无线电等领域所需要的模块级接收机，目前国内精度低，国外价格又很昂贵。有没有一款体积小、精度高、稳定性好、性价比高、满足多种领域需求的模块及接收机呢？2023年4月份，团队开始正式着手研发这个项目。因北斗领域比较大，涉及面广，成员基础知识薄弱，经常觉得难以下手。“基础知识薄弱，我们就去科技类企业学习，工作室里找老师恶补，软件设计能力不足，通过算法和编程挑战来提升。”
让孙嵩斐印象非常深刻的是，在软件设计的时候，有一个非常核心但很难的点是在保障设备性能的同时，大大减小体积，怎么突破这个难关？孙嵩斐和团队反复推敲测试，最终决定以把定位授时频率的功能及编码功能集成在FPGA芯片中的方式来解决这个难题，“把功能模块变成程序模块，注入在程序中来检验体积。这个过程很不容易。”孙嵩斐表示，特别是测试到四五百次成效不明显的时候，会怀疑方向和路径是否正确，每天承受的压力很大，孙嵩斐和团队成员相互打气，通过打篮球和聚餐的方式释放压力。
用了近一年的时间，测试了上千次，边测试边优化，最终在历经数次迭代后，团队在2024年上半年，成功研发出了稳定性和精准性都很好的DO-033模块。“现在每次想到这个过程，还是会很激动，太不容易了。”
精准发力实现三大创新突破
在孙嵩斐所在的刘拥军博士工作室里，放着一排排巴掌大的电路板，这就是他们研发出来的DO-033模块，像手卡一样大小的电路板上，整齐排列着二极管、晶体管、集成电路等元件。“别看它小，它能将定位精度控制在1米，时间精度控制在亿分之一秒。”
一个小模块，竟然有这么大的能量？秘诀就在于该项目精准发力实现了三大创新突破。为解决精度低，团队采用了基于多模信息融合的位置、时间平滑算法和自适应频率驯服算法，“我们对位置、时间、频率进行二次优化和处理，给出预测值，在预测值与测量值之间进行加权平均。”孙嵩斐介绍，这个技术创新直接将时间准确度由40纳秒提升至10纳秒，定位精度由5米提升至1米，频率准确度提升10倍，均远超国家标准。为解决体积大，团队进行以FPGA为核心的高速时频处理硬件架构设计，“替代传统多模块堆叠方式，创新性的采用一片高速FPGA芯片，用程序替代功能模块。”这种解决办法直接将板卡体积减少50%运行速率达320M，将处理精度提升1倍以上。
为提高稳定性，团队采用高低压模数电混合电磁兼容优化技术，“优化电路布局，减少电子元器件之间的干扰，创新性的将高低压、模数电混合设计于一块PCB板上。”这种方式，直接把主板体积从第一代的8厘米，减小到第四代的1.5厘米。“研发的过程虽然很难，最终坚持下来有很多创新和突破，也非常值得。”作为该项目负责人，同时也是比赛现场的路演人和答辩人，没有人比孙嵩斐更能体会项目背后的酸甜苦辣。决赛现场，孙嵩斐站在台上面对各路专家侃侃而谈，他坦言，是团队一年半来的努力、实现的技术创新，给了他从容应对的底气和勇气。
潜力巨大俩月突破30万订单额
时间，无法触摸，无法回溯。有人这样形象描述：有了毫秒的时间，电网可以高效地运行，检测事故；有了微秒的时间，移动通信进入4G时代，实时高效；有了纳秒的时间，北斗把导航简化成方程，准确定位；有了皮秒的时间，神舟和天宫得以对接……
孙嵩斐、陈奕阁、梁智超、张琳伟……这群“与时间赛跑”的年轻人，在学院刘拥军副教授和陈群博士的指导下，因对物理和计算机的强烈兴趣爱好，在一年半的时间里申请了12项专利，完成近200套代加工生产，最终站在金奖舞台上，创造出属于他们的精彩。“研发是基础，未来还是要更多的去服务市场。”在2024年5月份，孙嵩斐创立了公司，拿到了武汉、西安等地多家公司的订单，仅仅俩月，就突破了30万订单额，“目前还有多家商单在谈。”孙嵩斐坦言，未来也想和团队小伙伴们一起推出功能更齐全，性能更高的产品，把好质量关，把北斗模块级接收机领域做大做强。
青春飞扬，迎光成长。对这群只有20岁的年轻人而言，金奖只是开始，未来还有更多的惊喜和挑战等着他们，“保持热情，不惧挑战，不轻言放弃，这是我们坚持的理念，也是我们一直以来做事的态度。”孙嵩斐说。
