遙測(cè)空天地 遨游天地間—訪中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員金雙根

文/高妍 陳碩

從陸地到海洋，到天空，再到太空，隨著社會(huì)的進(jìn)步和需求的增加，人類的探索視野越來越開闊。人類不斷摸索、改進(jìn)科學(xué)技術(shù)和方法，再依靠它們了解世界，以便更好地生存與發(fā)展。

測(cè)量，人們研究地球形狀、大小、確定地面點(diǎn)位的古老學(xué)科。遙遠(yuǎn)的年代里，人們用腳步丈量大地，用眼睛觀察日月星辰。如今，空間定位、激光測(cè)距、衛(wèi)星重力和衛(wèi)星遙感，空天地一體化，人們獲得地理和空間信息的手段和技術(shù)高端了許多，人們眼中的世界也從黑白變成彩色、二維變成三維和四維、靜態(tài)變成動(dòng)態(tài)。

得益于全球定位系統(tǒng)（GPS）等衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的大地測(cè)量學(xué)突破空間局限，一躍升級(jí)為以空間大地測(cè)量和遙感為主的現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)。這一過程中，一大批年輕有為的科學(xué)家涌現(xiàn)出來，逐漸成長為這一領(lǐng)域的中流砥柱。中科院上海天文臺(tái)研究員金雙根，就是其中的佼佼者。

2012年5月，金雙根在“第三屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)”上介紹了一項(xiàng)最新的研究成果：他通過利用我國GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）觀測(cè)網(wǎng)，研究并逆推出了2008年汶川地震震前、同震和震后的大氣異常現(xiàn)象，并在國際上首次提出了GNSS大氣地震學(xué)概念。

金雙根介紹，通過觀測(cè)研究，他們發(fā)現(xiàn)了明顯的震前和同震電離層擾動(dòng)，其同震電離層擾動(dòng)傳播方向與地震破裂方向一致，原因主要為地震破裂后引發(fā)大氣聲波和重力波向上傳播，引起電離層擾動(dòng)。同時(shí)，他還首次發(fā)現(xiàn)低層同震大氣擾動(dòng)，主要體現(xiàn)在干延遲上，而這與地表氣壓觀測(cè)相一致，從而進(jìn)一步論證了地震發(fā)生激發(fā)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(zhì)量和高層電離層電子含量變化。

之后，金雙根又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了進(jìn)一步的研究，他們選擇了100個(gè)地震案例 ，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度分析地震擾動(dòng)電離層的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：同一深度，地震能量越大，引起的地震前后電離層擾動(dòng)越明顯，且可通過大氣擾動(dòng)規(guī)律推測(cè)地面破裂的大致范圍；地震前后異常的發(fā)生，與地震斷層類型、深度以及地震發(fā)生地的地質(zhì)構(gòu)造屬性都有關(guān)系。

但他也同時(shí)強(qiáng)調(diào)，由于是震后研究，所以一切還處于推測(cè)階段?！拔覀冎皇窃谑潞蟀l(fā)現(xiàn)了這樣一種現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)地震和電離層擾動(dòng)之間存在某種關(guān)聯(lián)。但可能引發(fā)大氣電離層擾動(dòng)的因素有很多，錯(cuò)綜復(fù)雜，要真正找到由地震或地表引起的電離層擾動(dòng)，還有很長的路要走?！?/p>

他表示，下一步將針對(duì)不同的地震類型，進(jìn)行異常現(xiàn)象分析。這其中最大的挑戰(zhàn)有兩方面：一是怎樣分離，也就是要將地震引起的異常和其他現(xiàn)象引起的異常分開；二是怎樣理解，即在確定哪些是地震引起的異常后，進(jìn)一步研究它們之間的耦合機(jī)理。只有做到這兩點(diǎn)，才能對(duì)今后的實(shí)際地震預(yù)報(bào)或預(yù)警產(chǎn)生價(jià)值，現(xiàn)在談?wù)撨@些還為時(shí)過早。

金雙根1999年考入中科院上海天文臺(tái)攻讀研究生，2003年獲得理學(xué)博士學(xué)位。2004年，他抱著學(xué)習(xí)先進(jìn)、領(lǐng)略新知的心態(tài)出國，先后訪問、求學(xué)和任職于澳大利亞新南威爾士大學(xué)、韓國天文與空間科學(xué)研究院、韓國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、比利時(shí)皇家天文臺(tái)、美國Texas大學(xué)空間研究中心。多年、多家優(yōu)秀教學(xué)與科研機(jī)構(gòu)的歷練，不僅使他積累了豐富的科研工作經(jīng)驗(yàn)，更培養(yǎng)出了他國際化的研究視野和敢想敢干的創(chuàng)新精神。

金雙根（右三）訪問捷克大地測(cè)量觀測(cè)臺(tái)

研究團(tuán)隊(duì)主要人員

訪問比利時(shí)皇家天文臺(tái)

多年來，他長期從事衛(wèi)星導(dǎo)航與GNSS遙感、衛(wèi)星遙感與氣候變化、空間行星探測(cè)與動(dòng)力學(xué)等方面的研究，并取得了多個(gè)創(chuàng)新性研究成果，對(duì)高精度GPS導(dǎo)航定位、基礎(chǔ)測(cè)繪、時(shí)空基準(zhǔn)、大地測(cè)量科學(xué)、空間環(huán)境與氣候變化等的研究與應(yīng)用具有重要價(jià)值。

“簡(jiǎn)單來講，就是分析從GPS衛(wèi)星到地面接收機(jī)間各種媒介誤差源和挖掘各種GPS有用信號(hào)，圍繞GPS定位理論與模型，提高GPS定位精度和開發(fā)GPS創(chuàng)新性應(yīng)用做了一些工作。”金雙根介紹，要提高GPS定位精度，只提高各種算法和硬件觀測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須進(jìn)一步精化各種誤差糾正模型，提高隨機(jī)模型與地表地球物理模型等。為此，他們修正開發(fā)了新的GPS定位隨機(jī)模型，更好地描述不同高度角、通道、質(zhì)量等時(shí)空相關(guān)性，改變傳統(tǒng)等權(quán)處理戰(zhàn)略，將剩余殘差納入隨機(jī)模型，再來求解提高GPS定位精度。結(jié)果證實(shí)，GPS定位精度提高了30%，特別在垂直方向上，已被國際GPS用戶使用。而在建立地球物理模型方面，則通過結(jié)合不同的觀測(cè)資料進(jìn)行研究，如聯(lián)合衛(wèi)星測(cè)高和衛(wèi)星重力等資料建立海潮模型和地球物理負(fù)荷模型，來糾正GPS定位誤差，提高其定位精度。

眾所周知，GPS系統(tǒng)具有全天候、高精度、連續(xù)觀測(cè)等特點(diǎn)，它的這些優(yōu)越性使其具有非常廣闊的應(yīng)用前景。導(dǎo)航、定位、授時(shí)，這是提起GPS時(shí)，人們想到最多的應(yīng)用方式，而金雙根說，他們所做的，是從GPS的同一個(gè)觀測(cè)值中挖掘出除此之外的新的應(yīng)用和潛能。

近年，金雙根始終把握GPS技術(shù)研究國際前沿，他們發(fā)現(xiàn)GPS通過電離層等媒質(zhì)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生延遲，就利用這個(gè)延遲開展空間環(huán)境、氣象學(xué)等方面的應(yīng)用研究，即GPS遙感大氣；同時(shí)，他們開展GPS海洋遙感研究，利用GPS機(jī)載衛(wèi)星接收反射信號(hào)提取海洋表面信息，如海浪、風(fēng)向、風(fēng)速等，為探測(cè)和預(yù)警海嘯鋪路；他們還利用地表面反射GPS信號(hào)遙感探測(cè)土壤濕度、冰雪厚度等，從而為水文、氣候和農(nóng)業(yè)等研究提供數(shù)據(jù)支撐。

此外，他們還與美國德克薩斯州立大學(xué)空間科學(xué)研究中心合作開展研究，利用GPS精密定軌、測(cè)距儀和加速儀探測(cè)資料等獲得重力變化，進(jìn)而監(jiān)測(cè)大地水準(zhǔn)面和地表流體質(zhì)量的變化。比如他們探測(cè)青藏高原、南北極、格陵蘭島的冰雪融化，發(fā)現(xiàn)冰雪的長期和加速變化及其年季變化等特征；探測(cè)我國地表水和地下水的變化，發(fā)現(xiàn)華北的干旱、地下水開采嚴(yán)重等問題；探測(cè)海洋，了解海平面變化及其原因；探測(cè)質(zhì)量變化研究地震異常，等等。

“GPS系統(tǒng)具有很大的發(fā)展?jié)撃芎蛻?yīng)用市場(chǎng)，但這些仍不夠成熟的東西如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，走上市場(chǎng)，還有很長的路要走。我們也在一步步向前推。”

2010年，金雙根入選中科院“百人計(jì)劃”，放棄國外優(yōu)厚的工作條件和穩(wěn)定的生活，帶著提高中國科技影響力、加強(qiáng)國際學(xué)術(shù)交流、培養(yǎng)本國優(yōu)秀人才的愿望回國。

回國后，他充分利用自身的資源和優(yōu)勢(shì)，不僅承擔(dān)了一系列國家重大研究課題，還積極主持開展了多個(gè)國際合作項(xiàng)目，比如歐空局Category-1項(xiàng)目—InSAR，GPS和重力監(jiān)測(cè)中國西南部氣候系統(tǒng)變化和動(dòng)力學(xué)模擬；中俄合作項(xiàng)目—利用最近空間探測(cè)器遙測(cè)月球地形和塵埃大氣層等。

為了讓中國的空間大地測(cè)量技術(shù)融入世界，金雙根先后組織舉辦了“國際GNSS遙感會(huì)議”、“國際空間大地測(cè)量與地球系統(tǒng)會(huì)議”等，吸引了二十幾個(gè)國家和地區(qū)的眾多領(lǐng)域內(nèi)專家、學(xué)者參加，加強(qiáng)了中國與世界的溝通與交流。

不僅如此，他還擔(dān)任著國際行星科學(xué)協(xié)會(huì)副主席、國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)分委員會(huì)主席和研究組主席、全球海外華人GPS協(xié)會(huì)理事，他是多本國際雜志的主編或編輯，多次擔(dān)任國際會(huì)議或分會(huì)的召集人、主席，并多次受邀作專題報(bào)告。

2011年7月，金雙根榮獲國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)的最高學(xué)術(shù)榮譽(yù)—會(huì)士（Fellow）頭銜。而這一擁有百年歷史的學(xué)會(huì)的宗旨，正是通過國際合作，促進(jìn)大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展。在這項(xiàng)榮譽(yù)面前，金雙根實(shí)至名歸。

從地下到地上，從陸地到海洋，從地面到天空，從地球到地外，金雙根和他的伙伴們無所不在，他們以不懈的努力迎接困難，以積極的心態(tài)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，以不屈的信念堅(jiān)守未來?？臻g大地測(cè)量學(xué)—這個(gè)廣闊而神秘的“領(lǐng)地”，等待著更多的金雙根盡情書寫、快意翱翔。