立足國際 探測地球與空間——記中國科學院上海天文臺研究員金雙根

本刊記者 戶 萬

早在16世紀，哥白尼在他的《天體運行論》的開篇就說：“在人類智慧所哺育的名目繁多的文化和技術領域中，我認為必須用最強烈的感情和極度的熱忱來促進對最美好的、最值得了解的事物的研究，這就是探索宇宙的神奇運轉、星體的運動、大小、距離和出沒，以及天界中其他現象成因的學科。難道還有什么東西比起當然包括一切美好事物的蒼穹更加美麗的嗎？”

大概很多人對天文學的美好情感，都是源于這段話。當我們懷著這樣一種感情走進中國科學院上海天文臺、走近金雙根研究員、走近他的空間大地測量與遙感研究時，我們原本以為足夠寬廣的視野頓時顯得狹促了，因為空間大地測量是一門古老而新興的學科，更是一門“上通天文，下知地理”的學科，舉凡人們腳下所踩的土地，分秒所呼吸的空氣，與我們生活息息相關的海洋和陸地以及朝夕相處的月亮、太陽、乃至整個宇宙，都是研究的對象。

這位年輕的科學家有著爽朗的性格、敏銳的思維、流暢的言談，與他的談話，像是一次前所未有之廣闊的旅行。他用依然略帶鄉音卻富含感染力的語言，帶著我們的思緒暢游，從天空到地面，從地上到地下，從陸地到海洋，不斷把我們的視野伸展到時空大地、地球內外新的遠處和深處。

金雙根參觀捷克國際GPS/GLONASS/GALILEO多系統GNSS觀測站

踏上一條路——時空輪換間的清晰足跡

在古代，偉大的旅人常年辛勞奔波，用腳步梳理著每一寸大地，歷經艱難險阻，才能繪制一份真實的地圖。今天，空間大地測量與遙感技術目光如電，空、天、地一體，感知著廣袤大地上的一切，為我們獲取地理信息增添了“利器”，使我們的目光更遠大而深邃，使我們的足跡抵達古代世界不可想象、不能涉足的地方。

當然，小時候的金雙根是不知道這些的，但每個人對大地與空間的感情都是與生俱來的，就像如今他依然自豪地說自己是農民的孩子，似乎這樣更能突出他與大地的親密關系。小時候放學回來下地插秧是他印象最深的事情，赤裸的雙腳陷入水田的泥中，稚嫩的雙手把稻秧一棵一棵插進土里。汗水流下，滴入田里，他俯向大地的臉，是燦爛的。也許幼小的他還不能體會，這是因為哺育萬物的大地，永遠孕育著生機，蘊藏著希望。

直到上了大學，他才對大地有了理性的認識。1995年，考入武漢測繪科技大學學習的金雙根發現自己徹底與大地分不開了。作為測繪專業的學生，背著沉重的儀器，到野外進行勘測是常有的事。對于從小干農活的金雙根來說，這些絲毫難不住他。他思考得更多的是，如何把握難得的大學時光，讓自己快速地成長。綜合素質的培養是他對自己的要求。老師和同學有目共睹的是，即使他的考試成績不是名列前茅，但他學習善于融會貫通和聯系實際；即使剛入學時，他一跟人說話都會臉紅，但很快，他就成了學校社團的活躍分子，還積極走出校門參加社會鍛煉。

贊美之聲隨之而來，而這背后，只有他自己知道，只有堅持與勤奮是他看似“一帆風順”的最大“秘訣”，他笑言，這叫“不打無準備之仗”。比如學英語，中學在農村學校學的那點英語底子一到大學就捉衿見肘了，尤其是口語。怎么辦？唯有迎頭趕上。聽英語的錄音機當時對于他來說是遙不可及的奢侈品，他只有在每天晚自習結束后、周末和假日，堅持不懈地學習英語。正是憑著這樣的努力和執著，他成了當年大學英語六級考試學科年級中唯一的通過者。

四年，對于沒有理想與目標的人來說，轉瞬即逝，而對于金雙根來說，無疑是重要的時光，他從這里踏上了他的夢想之旅，奠定了今后從事科學研究必不可少的基礎：遠大的理想、堅毅的性格、活躍的思維。躊躇滿志間，他為自己確定了新的目標——考研。

1999年，金雙根順利考入中國科學院上海天文臺攻讀研究生。這時，一項新的測量技術闖入了他的視野——GPS。

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱，最初是指20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統。由于GPS技術所具有的全天候、高精度和連續觀測等特點，作為先進的測量手段和新的生產力，GPS已經或正在取代經緯儀和激光測距儀為工具的常規地面測量技術，給大地測量帶來了一次徹底革命，并且已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個應用領域。

敏銳地抓住這個研究熱點，金雙根調動起了自己的智慧和潛能，全身心地投入研究。2001年，還在讀研二的金雙根就開創性地提出用GPS測量大氣和電離層延遲，改正合成孔雷達干涉測量(InSAR)，而這是剛剛起步不久的雷達技術，他的科研能力令人驚嘆。2003年，金雙根以優秀的成績和豐富的科研成果成為上海天文臺第一個僅用四年時間就完成碩士和博士學業的學生。在這期間，他發表了多篇包括國際《Journal of Geodynamics》和《中國科學》在內的高質量論文，提出的很多見解都具有創造性，引起了學術界的高度關注。

博士畢業之后，2004年，懷著走上國際前沿的信念，金雙根開始了持續近七年的海外之行。澳大利亞、韓國、比利時、美國，加上奔赴世界各地的訪問、交流和講學，七年里，他像一個不知疲倦的旅人一樣，把足跡留在了世界的各個角落。在國際的大舞臺上，他專注于衛星導航與定位、衛星遙感與氣候變化和空間行星探測與動力學等領域的研究，逐漸地嶄露了頭角，一顆新星正在冉冉升起。

推開一扇窗——大地測量技術的深刻變革

金雙根說，他幸運地處在了一個GPS等衛星導航技術飛速發展的時代，大地測量學經歷著一場劃時代的革命性的變革，克服了傳統的經典大地測量學的時空局限，進入了以空間大地測量和遙感為主的現代大地測量的新階段。

毫無疑問，金雙根也是這場變革的參與者，以GPS定位技術為中心，金雙根的目光所凝視的區域從天空到地下，從地面到海洋，用空間大地測量技術打開了地球科學的一扇新的窗戶。

金雙根組織的國際大地測量與地球系統會議(SGES2012)參會人員

中日韓國際合作項目主要成員

金雙根組織國際GNSS遙感研討

代替腳步和鋼尺

金雙根通過深入研究對地觀測技術理論、算法、模型和觀測資料，電離層延遲修正及其跳動與固體地球活動耦合，參考框架建立與維持，地表微小形變和流體質量重新分布高精度監測與研究，以及它們之間相互作用，取得了多個方面的創新性科研成果，對高精度GPS導航定位、基礎測繪、時空基準、大地測量科學、空間環境和氣候變化等研究與應用具有重要價值和意義。

——深入研究GPS定位原理，修正GPS定位的隨機模型，并模擬GPS觀測值剩余殘差進入隨機模型，提高GPS定位精度達30%，特別在垂直方向上，被國際GPS用戶使用（如King and Watson, J.Geophys. Res., 2010; Zhong et al., J.Geodesy, 2010; Gleason et al., Adv.Space Res., 2010; Pravesh et al.,Adv. Space Res., 2011）。并進一步模擬三頻GPS觀測資料，研究和分析各種多頻觀測組合及其對定位精度、模糊度解算和電離層估計的影響，例證多頻觀測的重要性，為將來多頻和多系統的全球衛星導航系統（GNSS）提供參考價值。

——精確提取GPS大氣總延遲和挖掘其新的應用，發現GPS總對流層延遲(ZTD)能探測大氣周日潮汐，有助于進一步完善大氣潮汐理論，并揭示了GPS電離層總電子含量(TEC)跳動與地震活動相關性，驗證了GPS電離層TEC監測同震的可行性，為監測和預報地震提供新的可能手段。另外，拓展了GPS監測三維高分辨率的對流層和電離層剖面信息及其在大氣、氣象學和空間環境應用，對天氣和空間環境監測和預報具有重要的科學應用價值。

——深入研究參考架理論、實現和維持，修正了國際參考架標準模型，建立一個新的無整體旋轉模型N N RNUVEL-1B。并用高精度GPS觀測資料深入研究地球動力學疑難問題，建立一個現今全球板塊運動模型，詳細描述全球地殼形變圖像及其內部響應，并深入研究國際上長期爭議的東北亞微小構造板塊，給出其運動學特征，被Nature等多次引用。

——利用衛星重力測量獲取精細全球海洋與陸地水循環及其氣候異常信號，如冰雪融化、干旱和洪水，并首次利用衛星重力測量得到的海洋和陸地水質量變化對地球自轉（亞季節至年際尺度）的定量激發，發現較半經驗地球物理模型更進一步了解地球自轉受迫運動的激發和物理機制。

從金雙根的這些開創性成果可以看出，空間大地測量在地球定向參數的測定、地球重力場模型的建立、建立和維持地球參考框架、研究地殼形變與各種地球動力學現象、監測地表流體質量變化等各個方面越來越成為不可替代的技術手段。同時，空間大地測量的相關技術在探測空間環境、確定航天器軌道、測定潮汐與非潮汐變化海洋重力異常、確定海洋大地水準面及海面地形等方面也發揮著越來越重要的作用。

監測自然災害

2004年12月26日蘇門答臘島西海岸附近發生了40多年來世界上最強烈的9.1級地震，引發了巨大的海嘯，造成巨大的人員傷亡和財產損失；

2008年中國西部汶川發生最近幾十年來中國內陸最強的地震，震級達8.0，造成近10萬人喪生；

2011年3月11日，日本東北發生9.0級大型逆沖區地震，并引發最高40.5米的海嘯，造成了火災和核泄漏等嚴重經濟損失和重大人員喪生，東北地區部分城市甚至遭受毀滅性破壞；

……

地球表面形變、流體質量遷移、內部過程以及地球系統各圈層相互作用，如大氣、海洋、陸地和固體地球等，這些與地震、海嘯等自然災害孕育密切相關，直接影響人類生存環境。人類至今仍然無法準確預報地震，目前國際上通常用地震儀和地表位移探測儀估計地震破裂和能量，但這些傳統探測儀受時空分辨率和精度等因素限制以及缺少近場實時觀測，因此無法準確估計地震前兆和孕育過程及其釋放傳播特征。

“大氣觀測或可提供一種手段。”金雙根說，“地震和海嘯等傳播會引起地面上空大氣波動，從而引發大氣擾動。”他利用GPS觀測資料獲得2008年汶川8級地震的電離層擾動及其傳播方向和速度，并與地震儀得到的破裂結果基本一致，主要是由地震破裂后引發大氣聲波和重力波向上傳播，引起電離層擾動。同時在主震期間，GPS也觀測到同震對流層延遲異常，主要在天頂干延遲（ZHD）上，這與地面并置GPS站氣壓儀觀測到由地震波傳播引起的大氣壓變化相一致。從而進一步論證了地震發生激發大氣聲波和重力波從地面向高層大氣傳播，引起低層大氣質量和高層電離層電子含量變化。

在2012年5月召開的“第三屆中國衛星導航學術年會”上，金雙根在國際上首次提出了GNSS大氣地震學，為監測和預報地震提供了新的可能。同時，他也強調，由于真正同震電離層異常信號很難分離，特別是地震前異常仍存爭議，因而大氣和地震耦合機制還有待進一步研究。為此，金雙根倡議國際同行利用大氣探測手段，進一步研究和認識地震破裂前后細節和產生機理，發展GNSS大氣地震學，共同解決地震預測難題，并進一步讓空間大地觀測技術成為監測地質災害的主要手段之一，為人類的生產、生活、科研和各種經濟活動服務。

探測空間和行星

當前人類面臨全球變化、資源短缺、自然災害頻繁，以及生命起源和地球形成等一系列疑難問題，這些問題不僅與地球本身有關，更與太陽系形成和演化息息相關，同時人類生存空間也需要向外空拓展。

空間大地測量技術同樣是探測空間和行星重要手段，如無線電掩星、激光測距、磁力計、電場測量儀和雷達等。金雙根利用行星探測器資料精確獲取月球、火星和金星表面地形及其空間環境特征，如行星大氣和電離層逃逸到宇宙空間，這對探究行星水散失過程和探索可能的生命具有重要的作用。同時，他也為我國“十二五”期間正在進行的空間探測和深空探測發展規劃論證，開展火星探測，以及后續金星和小行星空間環境探探測等，提供理論支持和新的科學目標，這些工作都對國家需求具有重要意義。

栽下一棵樹——精心培植后的枝繁葉茂

科學家矢志不渝地追求科學真理，使人類經歷了一次又一次科學革命，從而促進科學飛速發展。

“在科學的跑道上，也永遠只有第一，沒有第二。科研工作者要做的，就是要創新，尋找一片沃土，獨立栽下一棵樹，再把它培植長大。”這是金雙根對科學研究的理解。一直以來，他正是用這樣的信念，栽下一棵科學的樹苗，經過辛勤的耕耘，收獲了一個又一個碩果。

根植沃土

“雖說科學無國界，但畢竟自己是中國人，在國外取得再大的成果，如果不能應用到祖國和人民的需要中，心里也不會有幸福感。”他選擇的這片“沃土”無疑就是祖國。

2010年7月，已經是美國Texas大學空間研究中心(CSR)研究員的金雙根，放棄國外優厚的條件和待遇，作為引進國外杰出人才回上海天文臺工作，并入選中科院“百人計劃”和上海市浦江人才計劃。

多年的國外研究工作，取得了累累碩果。這期間，他感受最深的，就是始終要把目光放在科學的前沿領域，敢于提出自己的想法。而創新性想法的提出，要以國家、社會、人類的需求為導向，關注人類目前和長遠的狀態和需求。現今地球科學的發展正在進入一個建立新知識體系的重大轉折時期。如何讓中國在這個過程中躋身世界先進水平的行列，是金雙根思考最多的問題。

回國后，以立足國家需求、服務社會為導向，他承擔了一系列國家重大研究課題：

在最新參考架ITRF2008下采用最新的模型和常數來處理全球衛星激光跟蹤資料，金雙根得到更精確的穩定的地球動力學扁率，得到地表格網負荷位移反演地球動力學扁率；并通過比較和分析地球動力學扁率變化特征和暗含，進一步用新的大氣、海洋、陸地水、冰期后回彈、核幔耦合、地球自轉和氣候等模型和資料研究對地球動力學扁率多尺度變化的貢獻，揭示其變化機理。

融合多種傳感器位置、姿態、圖像數據等多源信息，金雙根構建了高精度的基準數字高程圖與影像圖，建立復雜行星表面地形的多尺度時空表征模型，提出利用多尺度時空表征模型檢測和匹配多尺度紋理特征的理論方法；建立多目標約束的安全著陸點選取與評估準則，為實現行星表面精確定點著陸提供重要定向基準和理論基礎。

參與中國北斗導航衛星系統建設，更好地服務國民經濟建設，進一步提高GPS定位模型、算法和精度，包括過去通常被簡化或者忽略的GPS數據處理隨機模型和G P S電離層高階項延遲，研究和開發將來多頻全球導航衛星系統(如美國GPS，歐洲Galileo, 俄羅斯GLONASS和中國北斗/Compass)聯合算法和多系統聯合處理戰略及其軟件實現，逐步建立全球多系統和多頻率的GNSS數據處理平臺和分析中心。

根植大地才能樹高千尺，面向國家戰略需求，面向世界科學前沿，在國家和社會的支持下，金雙根的研究一定會結出更豐碩的果實。

登上大舞臺

“只有站在國際大的舞臺上，才能在引領方向上做一些有貢獻的研究。”金雙根說。

而登上國際的科學大舞臺，需要有更多的學者走出去，接觸更多的優秀科學家和先進科研成果；同時也需要讓國外學者走進來，了解中國在空間大地測量領域的研究進展。

2012年8月18-21日，中科院上海天文臺成功舉辦了首屆“國際空間大地測量與地球系統會議”，參會人員180人，分別來自十幾個國家或地區，如美國、德國、法國、西班牙、奧地利、荷蘭、波蘭、韓國、日本、馬來西亞、新加坡、香港和臺灣等, 包括中國科學院院士葉叔華和石耀霖、國際大地測量協會(IAG)主席、國際地球參考架負責人、國際SLR服務組織負責人、國際大地測量雜志主編和其他國內外活躍的頂尖大地測量學者等。會議展現和交流當前國際上最新的大地測量技術——GNSS、SLR、VLBI、InSAR、LiDAR、雷達測高和衛星重力等，以及它們的理論、方法和應用成果，并舉辦了“國際空間大地測量將來目標與挑戰”高峰論壇。

這樣一次盛會，是金雙根一手操辦起來的，并由他擔任了大會主席。會議過程中，金雙根的組織能力和科研成果給專家學者留下了深刻的印象。此次會議還組織了夏令營。為了讓更多有志于空間大地測量的年輕人參與進來，在金雙根的建議下，本科生全部免注冊費，并提供部分餐費；具有保送資格的本科生，則提供全額獎學金資助參加夏令營。通過這次會議，金雙根為我國空間大地測量學家和青年科學者提供了一個交流平臺，同時向國際同行展示了我國在空間大地測量領域取得的進展，加強了相互之間的溝通、聯系與合作。

而在去年的8月7-9日，在金雙根的組織下，上海天文臺成功舉辦了國際GNSS遙感會議，會議在未來GNSS系統和革新應用、GNSS氣象學和掩星技術、GNSS電離層探測和空間氣候、GNSS海嘯預警和地震儀、GNSS反射測量等領域展開了熱烈的討論，并開展了國際GNSS合作與挑戰高峰論壇。

此外，金雙根還先后擔任國際行星科學協會(IAPS)副主席(2011-2013)和主席（2013-2015）、國際大地測量協會(IAG)分委員會主席(2011-2015)和研究組SG4.1主席，全球海外華人GPS協會理事，多本國際雜志的主編、編輯或審稿人，多次擔任國際會議或分會(AGU,EGU, IAG, IEEE, AOGS等)的召集人、主席和國際科學委員會委員，并作特邀報告。

2011年，為了表彰在大地測量領域做出杰出貢獻的科學家，經國際大地測量協會（IAG）執行委員會投票，金雙根榮獲擁有百年歷史的IAG最高學術榮譽的會士（Fellow）頭銜。IAG的宗旨是：通過國際合作，促進大地測量學的發展，協調需要國際合作的工作和討論解決國際上重大意義的大地測量學科學問題。而這也是金雙根一直以來所奉行的宗旨。讓中國的空間大地測量技術融入世界、走向世界，領先世界，正是金雙根的目標。因此，他在首屆“國際空間大地測量與地球系統會議”上說：“會議結束了，但我們工作才剛剛開始。”

精心育人

金雙根放棄海外優越環境和豐厚待遇的工作，毅然回到曾培育自己多年的研究所。有人對他說，國內環境不太容易做科研，但他沒有氣餒。他說，國內大環境不好，但可以建設好自己小團隊環境。

自2010年從美國得克薩斯大學空間研究中心(CSR)回中科院上海天文臺工作以來，他組建了“衛星導航與遙感”研究團組，研究團隊人員10余人，其中國外訪問教授1名（2011-2012）、博士后3名（外籍1名）和國外留學生3名，領導團隊在國際著名SCI雜志JGR、GJI、ASR 和JG等發表高水平論文20余篇，英文著作3部。

金雙根研究團隊成員野外秋游（上海郊區）

育人是金雙根回國的最大心愿，他希望培養出一批胸懷大志而又腳踏實地的優秀青年杰出測繪人才。在他的團隊里，碩士一二年級的研究生就開始以第一作者在國際著名雜志發表高質量論文，而這對于測繪學科的高年級博士生或教授來說都不是一件容易的事，這與金雙根的指導和付出是分不開的。盡管他每天雜事、管理、會議和項目等業務繁忙,但他堅持每周組織學生用英語匯報、交流和討論。對每一篇學術論文和畢業論文都要修改十幾遍以上，修改到深夜對他來說是家常便飯。這一切，他從沒有過一句怨言，面對愛人有時開玩笑似的埋怨他對學生比對自己孩子還好，他總是報以會心的一笑。

盡管一個人很渺小，力量有限，也改變不了什么，但他始終相信，通過每個人的辛勤付出，就能用有限的經費做最有意義的事情。對于一個科研工作者來說，什么是最有意義的事情？我們在金雙根樸實的話語里找到了答案：為國家科學事業走向世界貢獻更多力量、為國家培育出更多優秀的青年人才，讓科學這棵大樹更加枝繁葉茂。

編后記

可以說，地球科學是一個大題目，縱橫幾萬里，上下數億年。在我們居住的這個星球上，不同時期，不同方式、不同環境的自然作用給我們留下的是一幅錯蹤復雜的結果圖案。要根據這一圖案恢復和解析自然界發展的過程，就必須利用多學科的原理和方法，結合復雜的影響因素，進行綜合分析。地理學、地質學、地球物理學、地球化學、大氣科學、海洋科學、水文學和空間物理學以及新的交叉學科（地球系統科學、地球信息科學）等分支學科，他們涉及的學科幾乎輻射到自然科學的其他各個領域。這是考驗一個科學家的智慧和毅力的賽場。

好在，金雙根是年輕的，他有足夠的耐力來跑完全程，所以他說：“科學是一步一步做出來的，生命有限，時間也有限，只要我們盡量多做一些，就問心無愧。回想起來，自己所做的也只是大海里的一滴水。”但是，我們相信，即便只是一滴水，匯入海洋，它便獲得了永不干涸的動力。

這讓我們想起上海天文臺一進門便映入眼簾的八個大字：“精勤司天，誠信修文”，這是上海天文臺精神，也是金雙根科研路上的真實寫照。