编者的话：北京2022冬奥会正在如火如荼举行。2月12日，北京冬奥会开幕式中国代表团旗手高亭宇斩获北京冬奥会男子速度滑冰500米金牌，并打破奥运会纪录。此前，被网友昵称为“小栓子”的中国选手苏翊鸣获得单板滑雪男子坡面障碍技巧银牌。据《环球时报》记者了解，这些奖牌背后，都有着中国科技团队为参加冬奥会冰雪项目的运动员量身打造的训练黑科技的强大助力。
“冰上大炮”打造“最强弯道”
高亭宇12日夺冠让国人振奋不已，他在比赛中的弯道技术尤其令人印象深刻。据《环球时报》记者了解，国家速度滑冰队为了锤炼弯道技术使用了一种名叫“人体高速弹射装置”的设备。该装置可辅助速度滑冰运动员的弯道技术训练，实现加速过程的精准控制，填补了该领域的国内空白。
2022北京冬奥会速度滑冰男子500米颁奖仪式：高亭宇夺冠 图源 IC photo
在速度滑冰运动中，出色的弯道滑行技术是制胜的关键，但却是训练中的难点。与短道速滑不同，速度滑冰的冰道周长达400米，运动员入弯速度最高可达时速几十公里，仅靠运动员自身加速并过弯会非常消耗体力。为节省运动员体力、提升训练效率，借助外力帮助运动员加速成为解决这一问题的优先方案。据了解，2018年，北京理工大学宇航学院副教授郝继光带领团队接下这一为速度滑冰运动员研制“冰上人体加速器”的任务，制造出“人体高速弹射装置”。
拉住牵引绳、弹射加速、松开绳子、调整姿态入弯——这是包括高亭宇在内的国家速度滑冰队队员使用“人体高速弹射装置”进行日常训练的一幕。
郝继光向《环球时报》记者提供的视频显示，“人体高速弹射装置”分为两部分：一部分是配有屏幕的控制台，另一部分则是由电机驱动的弹射装置，上面连接着牵引绳与握柄。运动员在使用时拉住握柄，在短短几秒钟内就可以从静止状态达到指定速度，然后调节姿态、入弯一气呵成。
“虽然这一课题的原理并不复杂，但对我们而言有些‘跨界’，因为我们都不了解该怎么‘帮助’运动员加速”，郝继光对《环球时报》记者表示，一开始的设计方案参考了航天器发射，是在后方给予运动员推力，但这样的加速方式对运动员存在风险。经过反复研究，“人体高速弹射装置”改为牵引式，让主动权把握在运动员手里，有任何问题放开握柄就可以了。
“人体高速弹射装置”的首台设备于2019年4月研制成功，并于2020年初投入国家队训练。据郝继光介绍，这一装置的难点在于实现对整个加速过程的完全控制，需要对弹射弹道进行仔细设计和反复检验，例如如何设定参数能够让运动员既可以完成加速，又能留出足够的时间调整姿态。
目前，利用“人体高速弹射装置”的弯道训练已成为速度滑冰国家队日常训练项目之一。郝继光透露，除速度滑冰外，针对跳台滑雪的人体弹射装置目前也已经研制成功，未来将在训练基地安装应用。
作为一名航天科研人员，这样一次“跨界”助力国家冬季运动项目让郝继光和团队感到高兴和自豪。“航天是国家的重大需求，冬奥也是国家的重大需求，将航天领域的经验和技术应用到速度滑冰训练中，这让我们的工作获得不同的意义。”郝继光说。
雪山“千里眼”，让训练动态实时呈现
被大家亲切称为“小栓子”的中国小将苏翊鸣前几天在北京冬奥会单板滑雪男子坡面障碍技巧决赛中斩获银牌，创造该项目中国队的历史，这也是中国男子单板滑雪的首枚冬奥会奖牌。“看到苏翊鸣的精彩表现，我感触颇深。我们见证了运动员们刻苦训练的整个过程，也为科技助力冬奥取得的成绩感到高兴。”北京理工大学光电学院副教授张海洋对《环球时报》记者表示。
张海洋之所以有这样的感慨，是因为他和科研团队利用“冬季项目场景三维感知及重建技术”，研发出适合低温环境运行的无人机载激光雷达扫描系统，实现了高精度重建雪场和训练数据的实时传输，为国家队在高山滑雪、自由式滑雪等项目的冬奥备战提供了技术支持，苏翊鸣在训练中也曾使用这一技术。
在2018年启动这一项目时，张海洋团队的任务只是为运动员的训练模拟器提供数据和相关技术支持。张海洋向《环球时报》记者介绍称，团队通过无人机载激光雷达和地基激光雷达，对跳台滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季两项等项目的场地进行三维扫描并重建。这些场景可以通过虚拟现实（VR）技术，应用于运动员的训练模拟器上。与此同时，三维扫描得到的场地信息也会直接提供给相关项目团队。
在此基础上，张海洋团队此后又得到新任务——结合场地数据和运动员的实时跟踪数据，还原赛道的真实场景。
在冰天雪地、山峰起伏、植被遮挡的赛道中，精确定位运动员并非一件易事。张海洋告诉《环球时报》记者，借助高速相机、北斗定位系统配合固定基站，团队实现了对运动员实时速度、姿态等方面的测量、传输和数据处理。“我们使用的差分定位技术具有很高的定位精度，相比传统GPS定位米级的误差，我们的测量精度是以厘米计算的”，张海洋说，这个精度可以测量出高山滑雪项目中滑雪板到旗门的距离。
由于每个项目都有自身的技术特点，团队还需要根据运动员和教练的需求为其“量体裁衣”。张海洋表示，例如竞速类滑雪项目关注路线选择和运动员的速度变化。同时，教练还关注起跳点、空中滑行距离等数据，而张海洋团队研发的系统可以全面提供相关数据。
这些数据也可以通过带有5G模块的传感器实时传送至云端，经过云处理后，雪道的坡度、长度、运动员的速度、加速度、滑行距离、转弯半径等数据都得以及时展示在教练面前的屏幕上，教练也可以第一时间向运动员反馈。据张海洋介绍，运动员从山顶出发后，教练可以全程监测运动员的详细运动信息。
目前，“冬季项目场景三维感知及重建技术”相关成果已应用于国家队日常训练，并为国家队征战北京冬奥会提供技术支持。三维构建雪场配合运动员的高精度运动信息，能够帮助教练纠正训练动作，提高运动员的训练效率，同时还能用于室内仿真训练。过去一年多，张海洋和团队也有大量时间与国家队运动员朝夕相处。“虽然是冰雪运动，但运动员们也是‘冬练三九，夏练三伏’，包括苏翊鸣在内的运动员获得的好成绩都是实至名归”，张海洋说，未来，他也希望科技与体育能够进一步融合，齐头并进。
航天技术助力冬奥“观云测风”
13日，一场大雪对于本届北京冬奥会当天的雪上项目产生了一定影响，一系列在张家口赛区举行的雪上项目不得推迟。相比在室内场馆进行的冰上项目，雪上竞赛场地多处在地形复杂的山区，立体、多维度的气象预报显得极其必要。
《环球时报》记者从中国航天科工二院获悉，该院23所所属航天新气象公司为北京、延庆、张家口三大赛区提供气象雷达、自动气象站、雪温雪状观测仪等多型气象产品，获取不同高度、不同范围、不同类别的气象要素信息，以分钟级、网格化的气象数据，为冬奥气象预报监测网络建设提供服务。
以“十里不同天”的海陀山顶为例，相关团队在山顶建设了毫米波测云雷达，这是目前实现云精细化探测的最有效装备，持续6年为冬奥会积累降雪观测数据。它通过对云的持续自动化观测，分析云的含水量、空间位置、移动速度等，帮助进行云、雨、雪等天气过程的综合探测分析，对低云、降雪、雾等低能见度天气实时监测，提供预警，并对人工影响天气提供有效的数据。
而对空中技巧和跳台等雪上项目来说，风的精细预报至关重要。风廓线雷达能以较高的时间分辨率和空间分辨率，连续、实时地探测距地面以上150米至数公里高度范围内大气的风速和风向，以及大气折射率结构常数等气象要素随高度的不同分布，每6分钟为赛区提供一组实时的风场数据，并对风场变化实时进行探测。比如在高山滑雪场地，风廓线雷达探测的数据可用于计算雪道间的纵风、横风的方向和强度。
地面气象设备中，雷达观测范围较广，但对高山滑雪这样赛程只有1到2分钟的运动来说，气象数据需要更精细化，自动气象站担起了小范围、多要素精细气象观测的责任。
在国家高山滑雪中心，自动气象站像自带行李箱的“小灯杆”立在赛道的山顶和山腰处，风向、风速、温度、湿度、雪深……每一个会影响身侧运动员比赛状态的气象数据都在被实时采集、实时传输，这些信息与雷达等设备的常规气象数据融合，帮助模拟未来一段时间此地的天气变化，为气象预报提供依据。
据悉，2022年冬奥气象建立了“三维、秒级、多要素”的立体气象观测网。以张家口赛区为例，该赛区共建成44个赛事核心区气象站、70个赛区周边7要素气象站、45个高速公路交通气象站、4个直升机停机坪航空气象站等一系列设备。张家口赛区的这些气象观测设备也共同组成了历届冬奥会中布设密度最高、种类最全的“三维、秒级、多要素”的立体气象观测网。
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