作者:王握文 徐莎 来源:中国科学报 发布时间:2012-4-11 8:47:54
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国防科技大学理学院:看看数学的威力有多大
 
在许多人看来,数学这个传统学科,推导的是公式,训练的是思维。然而,国防科技大学理学院的数学教授们却并非局限于此。他们瞄准军事需求,创造性地运用一个个数学公式、算法、方程,让数学在加快转变战斗生成模式中,发挥出巨大的几何效应。
 
■本报通讯员 王握文 徐莎
 
一个方程将卫星图像质量提高30%
 
卫星翱翔太空,需要有一双明察秋毫的慧眼。但我国遥感卫星由于受噪声干扰,图像就像电视机信号不好一样,画面布满了“雪花”。
 
一个偶然的机会,该校理学院的数学专家了解到这一情况。要解决图像质量问题,首先要了解成像原理。于是,团队成员抱来一大摞成像方面的书籍进行系统学习,又到卫星研制单位、用户单位及各相关部队进行实地调研。
 
专家们将卫星图像质量不高的问题,描述成数学语言,并将误差扩散过程转换为一个二维函数方程求解,试图使干扰的图像恢复本来面目。
 
科学研究总会出现这样的情况——理论上看似行得通,实践中却做不到。他们发现,这个二维函数方程求解,只适用于处理光学图像,对处理雷达图像随机噪声斑点问题,完全无效。
 
攻关一时陷入困境,但专家们没有轻言放弃。他们先对二维函数方程进行改造,再将图像目标特征信息放到方程中去求解,如此这般地经过连续多年攻关,终于建立起一个全新的偏微分方程。就是这个方程,一举将图像质量提高了30%,达到国内领先、国际先进水平。
 
在庆功宴上,一位部队领导感慨地说:“你们的这个方程能值一个亿。”
 
一个算法挽救一台武器装备
 
2008年,某型号装备在演示验证中,目标测量数据出现严重误差,使该型号装备研制陷入困境,严重影响装备的定型。
 
提起“数据”这个词,研制单位立即想到了该院数据分析技术创新团队。求援电话打过去,3名教授犹如战士接到了出征的命令,立即动身赶赴试验现场。
 
了解情况后,专家们一时也难住了:目标测量数据误差很大,装备对数据预报精度要求却很高。就好比只给你一百个已知数,却要求在很短时间内准确解算出一万个未知参数,传统计算理论及方法根本无能为力。国内研究单位攻关十余年未能取得突破,国际上也没有现成方法可供参考。
 
面对装备研制人员焦急而期待的目光,3名数学专家决定背水一战。他们在条件艰苦的试验场安营扎寨,开始心无旁骛地攻关,每天工作到深夜,饿了,吃方便面;困了,就在临时搭起的实验室里和衣而睡。
 
60多个日日夜夜,他们终于找到了解决问题的突破口,将动力学模型与数学模型结合起来,创造性地提出了一个新的算法,既能大大减少需要运算的参数,又兼顾到速度和精度要求。
 
试验表明,他们创造的这一全新算法,彻底解决了数据预报误差问题,精度大大提升。一个算法让一台装备重获“新生”。
 
一个软件将定轨精度提高一个量级
 
分布式卫星的定轨精度,是衡量一个国家空间技术发展水平的重要标志。由于我国在相关领域起步较晚,相对定轨精度要比国际先进水平低两个量级。
 
为改变这一现状,我国组织多领域专家经过10余年联合攻关。然而,当总体单位将各分系统“组合”起来进行整体试验时,却出现了令专家们惊诧的结果:精度与当初的设计要求相差甚远。
 
问题出在哪里?偌大一个系统,要查找出症结所在,如同大海捞针。
 
临近春节,该校理学院一位参与联合攻关的年轻博士,毅然退掉回家的火车票,像往常一样钻进实验室开始攻关。几天的试验数据分析与验证仍未见进展。腊月二十七晚上,他隐约地发现:精度误差随着时间呈一定规律性变化。
 
误差和时间有关!他像哥伦布发现新大陆一样的兴奋。于是,立即着手进行数据误差分析,并将时间处理程序嵌入到一个相关软件中,经过实验验证后,再用这个改进后的软件进行有关数据处理时,误差竟然奇迹般地消失了。
 
研制单位大喜过望,按照他改造的这个软件,用来校准卫星时钟精度和进行卫星相对运动轨道参数处理,难题迎刃而解,完美地将卫星相对定轨精度提高一个量级。
 
一个公式改变了一支部队
 
“雷达站为什么要建在偏远山区?”最初,当国防科大理学院数学教授提出这个问题时,不免让人觉得有点“太业余”了。
 
这支担负飞行器测控任务的部队,运用“测距+测速”这一国际通用的测控方法,将雷达站建在大山中正是“测距”的需要。
 
“如果抛开测距,仅通过测速来定位行不行呢?”
 
不行。因为国际上的经典“测距—测速定位”理论早有结论:仅凭速度数据无法解算出飞行器的具体位置。
 
从部队调研回来,该院的数学教授仍在思考:如果能突破这一传统经典理论,就可以改变部队的传统测控方法,不仅官兵可以走出偏远山区,而且能极大提高部队战斗力。
 
不久,部队请教授们分析了一次导弹试验的测量参数。然而,教授们惊奇地发现其中一个测距雷达并未测到应该测到的数据。
 
怎么办?数学教授们又想到了抛开测距来定位的创新思路。当他们尝试性地将一个相应的测速参数替代这个测距参数,奇迹产生了——弹道精度准确地计算出来。
 
但是,对传统经典理论的挑战,必须要提出一套令人信服的全新理论,并通过实验验证,才能站在巨人的肩膀上。
 
于是,一场挑战经典的攻关再次打响。这期间,他们经历了多少个不眠之夜,终于发现了一个不曾被注意的关键因素:时间。最终,提出了一套全新的全测速定位理论,建立了全测速定位的核心数学公式。
 
如今,这支部队的测距雷达站全部撤出偏远山区,执行任务时,官兵们只需用一台车载测速雷达到达指定点就可以完成测控任务,彻底地改变了传统雷达测控体制。
 
《中国科学报》 (2012-04-11 B1 大学周刊)
 
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