衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)
許厚澤院士，1934年5月4日出生于安徽歙縣，大地測(cè)量與地球物理學(xué)家。1955年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，1962年中國科學(xué)院測(cè)量與地理物理研究所研究生畢業(yè)。1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士（學(xué)部委員）。這就是《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》雜志的《大家》欄目為大家介紹的主要人物。
大地測(cè)量聽起來是一個(gè)有點(diǎn)枯燥的學(xué)科，既沒有航天那樣被直播發(fā)射的輝煌時(shí)刻，也沒有農(nóng)業(yè)直接入戶后被百姓頻繁地使用。實(shí)際上，大部分人完全不理解自己是如何受益于大地測(cè)量科學(xué)成果的。
在立春之后的第一天，我們有幸通過電話采訪到了幾十年來從事大地測(cè)量與地球物理學(xué)科領(lǐng)域研究工作、我國大地測(cè)量學(xué)專家——許厚澤院士。許院士的聲音儒雅而寬厚，他以通俗易懂的語言，在北京料峭的春日為我們帶來了關(guān)于大地測(cè)量的有趣知識(shí)。
重力測(cè)量之路，越走越入迷
許厚澤雖然出生于安徽，但是由于身處戰(zhàn)亂年代，他從小跟著父母四處搬遷，中學(xué)是在上海讀的。許厚澤就讀的上海復(fù)興中學(xué)，當(dāng)時(shí)毗鄰于以測(cè)量系而著名的同濟(jì)大學(xué)。
每天耳濡目染，當(dāng)時(shí)只有十幾歲的許院士在報(bào)考大學(xué)的時(shí)候自然報(bào)考了這所家門口的大學(xué)?！半m然同濟(jì)的測(cè)量系非常有名，但是這并不是我的第一志愿。當(dāng)時(shí)我們考大學(xué)，也都是遵循服從統(tǒng)一分配的原則，因此我就去了測(cè)量系?！睋?jù)許院士介紹，當(dāng)時(shí)剛?cè)?bào)到，同班同學(xué)沒幾個(gè)人能說出“大地測(cè)量”是什么，連許院士都以為這個(gè)測(cè)量是“那些物理、電子的測(cè)量”。
而經(jīng)過四年的學(xué)習(xí)，許院士從對(duì)大地測(cè)量完全摸不到頭腦到對(duì)大地測(cè)量，尤其是重力測(cè)量產(chǎn)生了深深的興趣，不得不說，這些都要拜同濟(jì)大學(xué)測(cè)量系的老師所賜。夏堅(jiān)白、葉雪安等等學(xué)術(shù)權(quán)威的水平之高，在測(cè)繪史上傳為佳話。大學(xué)畢業(yè)的時(shí)候，許院士想在這一領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)時(shí)教他重力測(cè)量學(xué)的老師高時(shí)瀏先生，建議他師從中科院南京地理研究所的方俊先生。
許厚澤將老師的話牢牢記在心中。1955年大學(xué)剛剛畢業(yè)，許厚澤就到南京去拜訪了方俊先生，方先生欣然答應(yīng)。1956年，許厚澤正式報(bào)考了方俊的研究生。也就是從那時(shí)開始，許厚澤開始了對(duì)地球重力學(xué)的研究。
重力，看不見摸不著
地球重力學(xué)，簡(jiǎn)單來說，就是測(cè)量地球的重力加速度，研究其空間分布和時(shí)間變化的規(guī)律。
1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出，任何兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力大小與它們質(zhì)量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)組成和其間介質(zhì)種類無關(guān)。
萬有引力定律指出，任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間都存在引力。地球是一個(gè)質(zhì)量很大的物體，它對(duì)于周圍的一切物體都是有引力的。這個(gè)引力與地球自轉(zhuǎn)的離心力的合力，就是地球的重力。
許厚澤一生，都在與這種力“較勁”。
“地球，擁有自己的一個(gè)引力場(chǎng)。由于地球不是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的球體，所以地球上的每一點(diǎn)，重力都是不一樣的，地球的重力場(chǎng)非常不規(guī)則。重力測(cè)量，就是要把這個(gè)重力場(chǎng)給測(cè)出來。”許厚澤這樣告訴記者。
最早的關(guān)于地球重力的測(cè)量要追溯到1590年意大利物理學(xué)家伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，它幫助伽利略粗略地計(jì)算出地球的重力加速度約為9.8米每平方秒。在18世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)明了用線擺較為精確地測(cè)量重力的方法，后來又出現(xiàn)了更為復(fù)雜的復(fù)擺和可倒擺。而現(xiàn)在廣泛用于地球重力場(chǎng)測(cè)量、固體潮觀測(cè)、重力勘探等工作中的以彈簧為代表的重力儀則出現(xiàn)于更晚一些的時(shí)代。
為了幫助《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》雜志記者了解重力儀的原理，許厚澤這樣解釋到：“一般使用的重力儀內(nèi)部都有一根彈簧，彈簧上面吊著一個(gè)檢驗(yàn)重量。當(dāng)重力加大的時(shí)候，彈簧就往下拉，通過測(cè)量彈簧變化的距離，就可以計(jì)算出重力的變化量。這是目前最常用的一種重力儀?！?/span>
早期人們?cè)谧鲋亓y(cè)量的時(shí)候，需要使用重力儀在地面上一點(diǎn)一點(diǎn)做測(cè)量，把所有的重力都實(shí)地測(cè)量出來，才能夠得到一個(gè)完整的重力場(chǎng)。后來隨著其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，除去在地面上測(cè)量以外，人們可以將重力儀放在不同的載體上，在運(yùn)動(dòng)中的物體上做重力測(cè)量。由此發(fā)展出了機(jī)載重力儀和船載重力儀，大大拓展了人們的重力測(cè)量范圍和重力測(cè)量能力。
重力衛(wèi)星，天上的“重力測(cè)量?jī)x”
重力測(cè)量的方式有很多，特別是1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星之后，從事重力測(cè)量的專家們也開始將目光投向太空。
人造衛(wèi)星在空間運(yùn)行時(shí)，主要受到地球重力的影響?；诖耍诙兰o(jì)五六十年代，人們已經(jīng)開始利用對(duì)近地衛(wèi)星的光學(xué)觀測(cè)來跟蹤衛(wèi)星。二十世紀(jì)六十年代中期，出現(xiàn)了替代衛(wèi)星光學(xué)觀測(cè)的衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)。到了二十世紀(jì)八十年代中后期，研究人員利用衛(wèi)星軌道的攝動(dòng)反算地球重力場(chǎng)參數(shù)，確定了早期的低階全球重力場(chǎng)模型。
然而，這些衛(wèi)星都不是直接用來測(cè)量地球重力場(chǎng)的。
人類歷史上第一顆重力衛(wèi)星是由德國波茨坦地學(xué)研究中心獨(dú)立研制的CHAMP，已于2000年7月15日順利升空。這顆衛(wèi)星在天上運(yùn)行了3718天之后，墜落于鄂霍茨克海。
2002年，由美國宇航局和德國航天局共同研制開發(fā)的GRACE雙星也成功發(fā)射升空，這是人類歷史上首次利用兩顆衛(wèi)星來觀測(cè)地球重力場(chǎng)。
2009年，歐空局獨(dú)立研制了GOCE單星，在測(cè)量到足量數(shù)據(jù)之后，于2013年順利墜入南大西洋。
衛(wèi)星重力測(cè)量不同于傳統(tǒng)的地面、船載、機(jī)載測(cè)量，據(jù)許厚澤介紹，目前重力衛(wèi)星測(cè)量的原理主要有衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星測(cè)量（SST）和衛(wèi)星重力梯度測(cè)量（SGG）兩種。
衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星利用一顆衛(wèi)星跟蹤另一顆衛(wèi)星，測(cè)定彼此間的距離變化或相對(duì)速度變化的技術(shù)和方法。這種方法需要發(fā)射兩顆在同一軌道上運(yùn)動(dòng)的低軌衛(wèi)星，一前一后地運(yùn)動(dòng)。當(dāng)重力衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，由于經(jīng)過的地球表面的質(zhì)量分布不同，重力場(chǎng)不一樣，兩顆衛(wèi)星之間的距離就會(huì)變化。根據(jù)衛(wèi)星距離的變化我們可以反演出地球的重力場(chǎng)。美歐聯(lián)合發(fā)射的GRACE雙星，就是采用了這樣的測(cè)量原理。
由于地球的引力是隨著距離地心的距離而變小的，因此在衛(wèi)星的高度，地球的引力很微弱，很難測(cè)量得很精確。所以在這種測(cè)量方式中，我們并不直接測(cè)量重力，而是通過重力梯度儀測(cè)量重力的梯度，根據(jù)測(cè)得衛(wèi)星高度的重力梯度，再反演出地球上的重力場(chǎng)。
“重力衛(wèi)星必須有導(dǎo)航衛(wèi)星作為基礎(chǔ)，因?yàn)橹挥挟?dāng)人們能夠準(zhǔn)確知道重力衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置時(shí)，才可以進(jìn)一步計(jì)算地球的重力?，F(xiàn)在的重力衛(wèi)星上，都搭載了GPS的接收機(jī)。當(dāng)然，以后也可以用北斗。”許厚澤這樣解釋重力衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星的關(guān)系，“目前我國已經(jīng)掌握了衛(wèi)星重力測(cè)量的原理，自主研發(fā)的重力衛(wèi)星的發(fā)射也在規(guī)劃之中?！?/span>
重力測(cè)量，任重而道遠(yuǎn)
與出身軍用而逐漸走入民間的“北斗”不同，重力測(cè)量目前還始終停留在大眾的視野之外，但實(shí)際上，重力測(cè)量一直廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。無論是石油、礦產(chǎn)資源的勘探，國家高程測(cè)繪基準(zhǔn)的建立，還是衛(wèi)星精密軌道的確定，慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助導(dǎo)航等等都需要用到重力測(cè)量的成果。
然而在對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)有重要作用的重力測(cè)量領(lǐng)域，我國與美國等國際發(fā)達(dá)國家還存在差距，目前的重力測(cè)量?jī)x器幾乎全部是國外生產(chǎn)。許厚澤談到目前我國的重力測(cè)量發(fā)展時(shí)說：“目前以華中科技大學(xué)為首聯(lián)合中科院測(cè)地所等單位，正在共同進(jìn)行“精密重力測(cè)量研究設(shè)施”項(xiàng)目，為解決我國自主研發(fā)精密重力測(cè)量?jī)x器奠定條件。北斗與慣性導(dǎo)航結(jié)合起來，也是重力測(cè)量的一個(gè)發(fā)展方向。除此之外，超導(dǎo)重力儀和量子重力儀都是我們關(guān)注與研發(fā)的方向?！?/span>
雖然重力測(cè)量的未來依然“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”，但是許厚澤對(duì)于目前的整個(gè)大地測(cè)量的人才梯隊(duì)非常滿意：“重力測(cè)量這個(gè)專業(yè)并不時(shí)髦，但是人才能夠扎實(shí)地在本專業(yè)內(nèi)學(xué)習(xí)，我們的發(fā)展是很快的。比如1997年朱棣文憑冷原子囚禁和原子噴泉測(cè)量重力的方法獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，今天我們的很多研究機(jī)構(gòu)也做出來了，可以說我們的水平緊跟美國。再如我們重力衛(wèi)星的研究也取得突破性的進(jìn)展。”
今年，許厚澤院士已經(jīng)81歲高齡，可是他仍然活躍于我國的重力測(cè)量前線。近十年來，他積極推進(jìn)我國自主重力衛(wèi)星計(jì)劃的實(shí)施，參與領(lǐng)導(dǎo)精密重力測(cè)量國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，組織指導(dǎo)開展重力輔助導(dǎo)航及地面動(dòng)態(tài)矢量重力測(cè)量方法的研究，提出利用重力位差實(shí)現(xiàn)跨海高程基準(zhǔn)精確傳遞的思路，同時(shí)，還倡導(dǎo)了大地測(cè)量與地震學(xué)的交叉研究方向。他認(rèn)為科學(xué)研究的生命力在于創(chuàng)新，成功之道在于基礎(chǔ)的積累和持之以恒?，F(xiàn)在依然能在祖國大地測(cè)量科研的第一線工作使他感到自豪，也讓我們看到一位老人對(duì)所熱愛的事業(yè)那顆從容、執(zhí)著且火熱的心。
（原文刊登于《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》雜志2015年1&2月）
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