【大家】科学研究乐在新的发现——专访大地测量与地球物理学家许厚泽院士
卫星与网络
许厚泽院士，1934年5月4日出生于安徽歙县，大地测量与地球物理学家。1955年毕业于同济大学，1962年中国科学院测量与地理物理研究所研究生毕业。1991年当选为中国科学院院士（学部委员）。这就是《卫星与网络》杂志的《大家》栏目为大家介绍的主要人物。
大地测量听起来是一个有点枯燥的学科，既没有航天那样被直播发射的辉煌时刻，也没有农业直接入户后被百姓频繁地使用。实际上，大部分人完全不理解自己是如何受益于大地测量科学成果的。
在立春之后的第一天，我们有幸通过电话采访到了几十年来从事大地测量与地球物理学科领域研究工作、我国大地测量学专家——许厚泽院士。许院士的声音儒雅而宽厚，他以通俗易懂的语言，在北京料峭的春日为我们带来了关于大地测量的有趣知识。
重力测量之路，越走越入迷
许厚泽虽然出生于安徽，但是由于身处战乱年代，他从小跟着父母四处搬迁，中学是在上海读的。许厚泽就读的上海复兴中学，当时毗邻于以测量系而著名的同济大学。
每天耳濡目染，当时只有十几岁的许院士在报考大学的时候自然报考了这所家门口的大学。“虽然同济的测量系非常有名，但是这并不是我的第一志愿。当时我们考大学，也都是遵循服从统一分配的原则，因此我就去了测量系。”据许院士介绍，当时刚去报到，同班同学没几个人能说出“大地测量”是什么，连许院士都以为这个测量是“那些物理、电子的测量”。
而经过四年的学习，许院士从对大地测量完全摸不到头脑到对大地测量，尤其是重力测量产生了深深的兴趣，不得不说，这些都要拜同济大学测量系的老师所赐。夏坚白、叶雪安等等学术权威的水平之高，在测绘史上传为佳话。大学毕业的时候，许院士想在这一领域继续发展，当时教他重力测量学的老师高时浏先生，建议他师从中科院南京地理研究所的方俊先生。
许厚泽将老师的话牢牢记在心中。1955年大学刚刚毕业，许厚泽就到南京去拜访了方俊先生，方先生欣然答应。1956年，许厚泽正式报考了方俊的研究生。也就是从那时开始，许厚泽开始了对地球重力学的研究。
重力，看不见摸不着
地球重力学，简单来说，就是测量地球的重力加速度，研究其空间分布和时间变化的规律。
1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中提出，任何两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关。
万有引力定律指出，任何两个有质量的物体之间都存在引力。地球是一个质量很大的物体，它对于周围的一切物体都是有引力的。这个引力与地球自转的离心力的合力，就是地球的重力。
许厚泽一生，都在与这种力“较劲”。
“地球，拥有自己的一个引力场。由于地球不是一个质量均匀分布的球体，所以地球上的每一点，重力都是不一样的，地球的重力场非常不规则。重力测量，就是要把这个重力场给测出来。”许厚泽这样告诉记者。
最早的关于地球重力的测量要追溯到1590年意大利物理学家伽利略的比萨斜塔实验，它帮助伽利略粗略地计算出地球的重力加速度约为9.8米每平方秒。在18世纪，科学家发明了用线摆较为精确地测量重力的方法，后来又出现了更为复杂的复摆和可倒摆。而现在广泛用于地球重力场测量、固体潮观测、重力勘探等工作中的以弹簧为代表的重力仪则出现于更晚一些的时代。
为了帮助《卫星与网络》杂志记者了解重力仪的原理，许厚泽这样解释到：“一般使用的重力仪内部都有一根弹簧，弹簧上面吊着一个检验重量。当重力加大的时候，弹簧就往下拉，通过测量弹簧变化的距离，就可以计算出重力的变化量。这是目前最常用的一种重力仪。”
早期人们在做重力测量的时候，需要使用重力仪在地面上一点一点做测量，把所有的重力都实地测量出来，才能够得到一个完整的重力场。后来随着其他科学技术的进步，除去在地面上测量以外，人们可以将重力仪放在不同的载体上，在运动中的物体上做重力测量。由此发展出了机载重力仪和船载重力仪，大大拓展了人们的重力测量范围和重力测量能力。
重力卫星，天上的“重力测量仪”
重力测量的方式有很多，特别是1957年苏联发射了第一颗人造卫星之后，从事重力测量的专家们也开始将目光投向太空。
人造卫星在空间运行时，主要受到地球重力的影响。基于此，在二十世纪五六十年代，人们已经开始利用对近地卫星的光学观测来跟踪卫星。二十世纪六十年代中期，出现了替代卫星光学观测的卫星激光测距技术。到了二十世纪八十年代中后期，研究人员利用卫星轨道的摄动反算地球重力场参数，确定了早期的低阶全球重力场模型。
然而，这些卫星都不是直接用来测量地球重力场的。
人类历史上第一颗重力卫星是由德国波茨坦地学研究中心独立研制的CHAMP，已于2000年7月15日顺利升空。这颗卫星在天上运行了3718天之后，坠落于鄂霍茨克海。
2002年，由美国宇航局和德国航天局共同研制开发的GRACE双星也成功发射升空，这是人类历史上首次利用两颗卫星来观测地球重力场。
2009年，欧空局独立研制了GOCE单星，在测量到足量数据之后，于2013年顺利坠入南大西洋。
卫星重力测量不同于传统的地面、船载、机载测量，据许厚泽介绍，目前重力卫星测量的原理主要有卫星跟踪卫星测量（SST）和卫星重力梯度测量（SGG）两种。
卫星跟踪卫星利用一颗卫星跟踪另一颗卫星，测定彼此间的距离变化或相对速度变化的技术和方法。这种方法需要发射两颗在同一轨道上运动的低轨卫星，一前一后地运动。当重力卫星绕地球运动的时候，由于经过的地球表面的质量分布不同，重力场不一样，两颗卫星之间的距离就会变化。根据卫星距离的变化我们可以反演出地球的重力场。美欧联合发射的GRACE双星，就是采用了这样的测量原理。
由于地球的引力是随着距离地心的距离而变小的，因此在卫星的高度，地球的引力很微弱，很难测量得很精确。所以在这种测量方式中，我们并不直接测量重力，而是通过重力梯度仪测量重力的梯度，根据测得卫星高度的重力梯度，再反演出地球上的重力场。
“重力卫星必须有导航卫星作为基础，因为只有当人们能够准确知道重力卫星的准确位置时，才可以进一步计算地球的重力。现在的重力卫星上，都搭载了GPS的接收机。当然，以后也可以用北斗。”许厚泽这样解释重力卫星与导航卫星的关系，“目前我国已经掌握了卫星重力测量的原理，自主研发的重力卫星的发射也在规划之中。”
重力测量，任重而道远
与出身军用而逐渐走入民间的“北斗”不同，重力测量目前还始终停留在大众的视野之外，但实际上，重力测量一直广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域。无论是石油、矿产资源的勘探，国家高程测绘基准的建立，还是卫星精密轨道的确定，惯导系统的辅助导航等等都需要用到重力测量的成果。
然而在对国民经济和国防建设有重要作用的重力测量领域，我国与美国等国际发达国家还存在差距，目前的重力测量仪器几乎全部是国外生产。许厚泽谈到目前我国的重力测量发展时说：“目前以华中科技大学为首联合中科院测地所等单位，正在共同进行“精密重力测量研究设施”项目，为解决我国自主研发精密重力测量仪器奠定条件。北斗与惯性导航结合起来，也是重力测量的一个发展方向。除此之外，超导重力仪和量子重力仪都是我们关注与研发的方向。”
虽然重力测量的未来依然“路漫漫其修远兮”，但是许厚泽对于目前的整个大地测量的人才梯队非常满意：“重力测量这个专业并不时髦，但是人才能够扎实地在本专业内学习，我们的发展是很快的。比如1997年朱棣文凭冷原子囚禁和原子喷泉测量重力的方法获得了诺贝尔奖，今天我们的很多研究机构也做出来了，可以说我们的水平紧跟美国。再如我们重力卫星的研究也取得突破性的进展。”
今年，许厚泽院士已经81岁高龄，可是他仍然活跃于我国的重力测量前线。近十年来，他积极推进我国自主重力卫星计划的实施，参与领导精密重力测量国家重大科技基础设施的建设，组织指导开展重力辅助导航及地面动态矢量重力测量方法的研究，提出利用重力位差实现跨海高程基准精确传递的思路，同时，还倡导了大地测量与地震学的交叉研究方向。他认为科学研究的生命力在于创新，成功之道在于基础的积累和持之以恒。现在依然能在祖国大地测量科研的第一线工作使他感到自豪，也让我们看到一位老人对所热爱的事业那颗从容、执着且火热的心。
（原文刊登于《卫星与网络》杂志2015年1&2月）