大地测量——丈量地球的时空智慧

　　【院士开讲】

　　作者：孙和平（中国科学院院士、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员）

　　如果有人问，人类如何了解地球的真实形状？如何让卫星在万里之外精准着陆？如何让一条千余公里的水渠不用泵站而自然流淌？答案，都指向一门并不为大众熟知的学科——大地测量学。

　　作为测绘科学技术的三大分支之一，大地测量学承担着最基础的使命：在一定的时空参照系中，精密测定地球的形状、大小、重力场和自转。它提供的是人类一切空间活动的“底图”和“底座”。从北斗卫星的厘米级定轨，到嫦娥探月的精准落月；从珠峰高程的精准测量，到城市地面沉降的毫米级监测——这些看似毫不相干的工程背后，都离不开一把看不见的“尺子”：时空基准。

　　第四届北斗规模应用国际峰会上，工作人员介绍一台对地观测卫星。新华社发

　　一把看不见的“尺子”：地球的真形状与时空底座

　　在公众的想象中，地球是一个蓝色的球体。但真实的“地球形状”远非一个几何球体所能概括。它有高山深海，有厚薄不均的大气和海洋，内部质量分布更不均匀，并且无时无刻不在运动和变化。大地测量的任务，就是精确描述这个复杂而动态的形体，并赋予它一套可以被人类共同使用的时空坐标。

　　这套坐标的重要性，往往在极端精度要求下才显现出来。以卫星轨道为例，如果轨道测定误差大，就会影响到地面位置测量精度；如果地球自转测量参数误差大，将直接影响到深空探测器运行轨迹和在月球表面着陆的精度。随着轨道数据和重力场模型的不断精化，在月球表面着陆的嫦娥探测器，着陆从最初设计相当于一个足球场大小范围，最终缩小到一张乒乓球桌的大小。这背后，正是大地测量提供的精密坐标与月球重力场信息在起作用。

　　更贴近日常的例子是北斗卫星导航系统。每一颗北斗卫星都搭载着高精度原子钟，当前精度达到几百万年误差一秒。没有这样的时间基准，卫星定位就无从谈起；而没有大地测量建立的地球参考框架，卫星的位置本身也无法被定义。可以说，大地测量提供了导航定位、无人驾驶、物流运输、防灾减灾等几乎所有地球空间技术的共同底座。

　　这个底座的经济和战略价值有多大？美国大地测量局曾联合15位顶级专家向美国国务院提交一份咨询报告，其中明确指出：大地测量领域所支撑的地球空间科学技术，年均产值超过万亿美元。报告特别提到中国北斗系统的建成，认为中国在这一领域正在全方位追赶甚至超越。这份报告从反面印证了一个判断：大地测量不仅是一门学科，更是一种战略能力。正因如此，建立独立自主、安全可控的国家时空基准体系，已成为我国科技发展的一项紧迫任务。

　　“中国天眼” 新华社发

　　时间和空间是什么：从绝对框架到弯曲时空

　　要理解大地测量的深层意义，必须追问一个更根本的问题：我们所说的“时间”和“空间”，到底是什么？

　　在牛顿的经典概念中，空间是绝对静止的框架，时间均匀流逝，两者彼此独立。这套框架支撑了万有引力定律两百多年的辉煌——天文学家靠它发现了海王星，算出了地球约60万亿亿吨的质量，甚至解释了潮汐和行星的轨道运动。然而，随着观测精度的提升，经典体系逐渐显露裂缝。水星近日点的微小进动无法用牛顿力学解释，光线经过大质量天体时的偏折也超出了预期。

　　爱因斯坦的相对论由此登场，带来了一场时空观的革命：时间和空间不再是相互独立的背景，而是紧密纠缠的“时空连续体”；大质量物体会弯曲周围的时空结构，光在其中行走的路径也会随之弯折。甚至有观点认为，时间可能只是空间的一种表现形式。这些看似玄远的理论，实际上是现代高精度科技无法绕开的基石。

　　以GPS定位为例。卫星上的原子钟与地面钟走时速率存在相对论性差异，如果不加校正，定位误差每天会累积到十公里量级。再比如空间站里的“失重”现象——那里并非没有引力，而是空间站以每秒约7.9公里的速度绕地球飞行，所受引力恰好被惯性离心力精确抵消。这种微妙的平衡，需要对轨道进行极其精密的测量和维持。一旦地球内部质量分布或外部引力场出现微小扰动，轨道就会偏移，卫星就需要消耗燃料进行变轨修正。因此，从牛顿的绝对时空到爱因斯坦的弯曲时空，人类对时空的认知在不断深化，而每一次认知跃迁，都转化为测量精度的提升和工程能力的拓展。

　　当然，关于时空的根本问题远未穷尽。暗物质、暗能量、宇宙起源、意识本质，至今仍是科学界悬而未决的核心难题。“中国天眼”——位于贵州平塘的500米口径球面射电望远镜，已发现上千颗脉冲星，正在为解开这些谜题提供关键的观测数据。这些探索提醒我们：测量不仅是技术的起点，也是认知的边界。

　　从实物标准到量子标准：时空基准的下一站

　　如果说从牛顿到爱因斯坦的转变是理论上的革命，那么当下正在发生的另一场变革，则属于测量技术本身的深刻跃迁。

　　2018年，第26届国际计量单位大会作出了一项历史性决定：将所有基本物理单位从“实物标准”改为“量子标准”。此前，“一公斤”的定义依赖存放在巴黎的一个铂铱合金圆柱体，“一米”依赖一根金属原器。如今，这些全部由自然界的不变常数来定义——普朗克常数定义质量，光速定义长度，铯原子辐射频率定义时间。这意味着，测量基准不再受制于某个具体的物体，而是植根于宇宙的基本法则。

　　这一变革对大地测量的影响，可以用“革命性”来形容。以时间测量为例，当前北斗卫星搭载的铯原子钟精度为10的负15次方秒，而正在研发的光钟精度可达10的负18到负19次方秒——相当于数百亿年才误差一秒。如此高的精度，使一种全新的测量思路成为可能：用时间差来测高度差。

　　其原理来自相对论：钟放在不同高度，走时速率不同。精度足够高的原子钟，可以感知一米高度差所带来的时间变化。这意味着，传统上需要复杂水准测量和重力测量才能获得的高程信息，未来或许可以通过“钟的比对”直接获取。这一前景令人振奋，因为全球高程系统至今尚未统一——中国、韩国、欧洲、北美使用的基准各不相同，这是大地测量领域悬置两百年的重大科学难题。高精度光钟和冷原子量子重力仪的研制成功，为解决这个问题带来了前所未有的希望。

　　目前，中国地震系统已部署超过60台冷原子量子重力仪，形成了初步的观测网络。在量子通信、量子计算和量子精密测量三大方向中，量子精密测量被公认为应用面最广、产业化条件最成熟的领域。它不仅服务于基础科研，更将渗透到资源勘探、环境监测、导航定位等广泛的国民经济领域。

　　笔者认为，必须建立独立自主、安全可控的国家时空基准体系。现在我们部分关键参数仍依赖国际组织提供的标准，主动权尚未完全掌握在自己手中。在复杂多变的国际形势下，这无疑是一个需要正视的战略软肋。2023年，笔者与杨元喜院士、叶朝辉院士共同主导了国家自然科学基金委双清论坛，主题正是“精密量子测量时代下的时空基准”，围绕时间与空间基准的国家需求、前沿科学问题和关键技术展开研讨，并提出了系统性建议。我们期待，在不远的将来，中国能在全球时空基准的建设与治理中拥有更大话语权。

　　从珠峰之巅到深海之渊，从卫星轨道到地面沉降，大地测量提供的时空基准就像空气一样，无声却不可或缺。它看不见、摸不着，却支撑着导航、通信、防灾、科研乃至国防安全的方方面面。科学研究的本质，是探究物质、能量在时间和空间中的运动规律；而测量，是进入科学殿堂的第一道门槛。从牛顿的引力常数到量子时代的光钟，人类对时空的测量精度每提升一个数量级，对自然的认知就拓展一个层次。在这个意义上，大地测量不仅是一门学科，更是人类探索宇宙、认知自我的基础性工程。

　　《光明日报》（2026年09月10日 16版