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中国学科发展战略·基本天文学

中国学科发展战略·基本天文学

天体测量学是天文学中最古老的学科分支,传统上以研究天体的位置、形状、大小、运动规律等为主,并与大地测量(测时和测纬)、航海导航(方位测量)、时间测量、历法历算、天象预报预测等研究密不可分,同时为天文观测归算和天文仪器方法等研究提供基础支撑。在现代天文学研究中,天体测量学是其最基础的研究。无论是天体力学定轨问题还是天体物理中的光度、光谱观测等,天体测量的方法和手段都必不可少。近一二十年来,天体测量的发展极为迅速,已经成为世界各大科技发达国家重要竞争的一个主要领域,天体测量学的研究现状也在相当程度上体现了一个国家天文学研究的综合实力。
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专题组负责人:孙义燧 黄 珹
专 题 组 成 员:艾国祥 李济生 廖新浩
李志刚 李东明 黄天衣
刘伟伟 董国轩 刘庆忠
工作组负责人:黄 珹
工 作 组 成 员:吴 斌 胡小工 朱 紫
周济林 徐 波 陈 力
赵长印 傅燕宁 李孝辉
秘 书:董晓军

2012 年 4 月,经中国科学院数学物理学部常委会讨论通过并经中国科学院院士工作局批准,中国科学院学部学科发展战略研究项目“基本天文学及其应用发展战略研究”正式启动。2012 年 6 月 8日,项目成立了由 11 名院士和专家组成的基本天文学及其应用发展战略研究专题组及由11名在第一线从事基本天文学及其应用研究和教育的中青年学术骨干组成的工作组。
2009 年年初,国家自然科学基金委员会与中国科学院学部决定合作开展 2011~2020 年我国学科发展战略研究。在国家自然科学基金委员会和中国科学院学部的领导下成立了天文学科战略研究组及秘书组,在 2010 年完成了《2011~2020 年中国天文学科发展战略研究报告》。本书拟在此研究报告的基础上,针对国际上基本天文学及其应用研究的现状、发展趋势以及我国蓬勃发展的相应的观测设备和研究工作,进一步对我国近年来基本天文学及其应用在设备建设和研究方向等方面进行深入的调研和讨论,提出我国基本天文学及其应用的发展战略框架、发展举措与建议。
结合基本天文学及其应用研究领域的实际情况,专题组和工作组共同商定了本书的基本内容和撰写提纲。共包括以下 7 个方面内容:战略地位、发展规律与发展态势、发展现状、发展目标与建议、优先发展领域与重要研究方向、国际合作、保障措施。本书作者认为,近年来,我国在基本天文学领域投入的经费大幅度增加,基本天文学研究和教育有了长足发展,逐步形成了从人才培养、仪器设备研制、观测和理论研究到应用服务的较完整体系,具有了一批在国内外有影响的学术带头人和优秀创新研究群体,研究队伍的年龄结构趋于合理。我国基本天文学及其应用研究已经取得了一批在国际上有相当显示度的成果,总体水平在发展中国家中位居前茅,在国际上也成为一支不可忽视的力量。但是同发达国家相比,目前我国基本天文设备、研究和教育的水平仍然存在着很大差距。根据对国内外基本天文学研究现状和发展趋势的分析,建议未来 10 年我国基本天文学领域的发展目标是:突出重点,建成和运行若干个在国际上有一定影响的与基本天文学有关的大型地面和空间天文观测设备;加强投入,筹建基本天文学国家重点实验室;充分挖掘国内已建设备的潜力,利用国际开放的设备和数据开展基本天文学研究;在重点大学中大力发展基本天文学的教育和研究,积极培养优秀人才;加强理论研究,提出创新思想、观点和理论,力争突破,使我国基本天文学在设备和研究队伍的整体水平上有一个飞跃,做出在国际上有重大影响的工作,并在满足我国战略需求中发挥更大的作用。
根据上述发展目标,本书提出了我国天文学在未来 10 年内的6 个优先发展领域和重要研究方向。
本书强调指出,基本天文学及其应用的发展中最关键的是人才队伍建设。因此,必须花大力气培养年轻人才,特别是优秀的“将”才和“帅”才。要大力支持中国科学院和高校联合,加强基本天文学教育,扶持研究队伍,并继续增加基本天文学教育和研究经费的投入。
本书作者认为,当代基本天文学及其应用的发展都离不开广泛的国际合作。我国要大力推进重大设备的国际合作计划,特别是推进以我国为主导的大设备的合作项目;要积极鼓励多种形式的人才交流,广泛吸引和组织海外学子和优秀科学家参与发展我国的基本天文学研究,包括合作研究、联合培养研究生、举办各类学术讨论会和讲习班等。
本书按基本天文学及其应用领域的研究内容共分为九章。第一章为天体测量学,由朱紫、陈力执笔。第二章为天体力学,由周济林、周礼勇、孙义燧执笔。第三章为时间频率,由李志刚、李孝辉执笔。第四章为相对论基本天文学,由黄天衣、黄珹执笔。第五章为历书天文学,由傅燕宁执笔。第六章为行星内部结构与动力学,由廖新浩、季江徽、徐伟彪执笔。第七章为天文地球动力学,由黄乘利、黄珹执笔。第八章为深空探测与导航,由徐波、王小亚执笔。第九章为人造天体动力学与空间环境监测,由赵长印、吴连大、赵海斌执笔。此外,许多专家为撰写各章内容提供了很好的素材和帮助,除在各章表示谢意外,在此一并表示诚挚的感谢。
本书凝聚了许多院士和专家学者的智慧和努力,不仅对国内外基本天文学及其应用的发展现状和态势进行了详细的评述,更对未来10年我国基本天文学及其应用的发展战略和措施提出了一些重要、有意义的思考和建议。
希望本书能给各级领导和相关部门在决策时提供参考,对从事各类基本天文学及其应用的教育和研究的专家有所启迪,并对研究生和大学生的入门和成长有所帮助。
最后,我们真诚地感谢热心参与本书编写工作、提供素材和建议的所有院士和专家学者,感谢国家自然科学基金委员会和中国科学院学部领导的指导和关心。

总序 ······························· i
前言 ······························· vii
摘要 ······························· xi
Abstract ····························· xxix
第一章 天体测量学 ···················· ···· 1
第一节 战略地位 ························· 1
一、微角秒和多波段天球参考架及其参考系的联结 ············ 2
二、高精度天体测量及其应用研究 ··················· 2
三、银河系结构和宇宙距离尺度测量 ················· 3
第二节 发展规律与发展态势 ···················· 5
一、微角秒和多波段天球参考架 ···················· 5
二、天球和地球参考系的联结 ····················· 6
三、高精度天体测量及其应用研究 ··················· 8
四、太阳系天体测量(CCD 观测) ··················· 8
五、银河系结构和动力学演化 ····················· 9
六、银河系距离尺度测量 ····················· · 10
第三节 发展现状 ·························· 11
一、微角秒和多波段天球参考架发展现状 ················ 12
二、天球和地球参考系的联结发展现状 ················· 16
三、高精度天体测量及其应用研究发展现状 ··············· 17
四、太阳系天体测量发展现状 ····················· 18
五、银河系结构和动力学演化发展现状 ················· 20
六、银河系距离尺度测量发展现状 ··················· 21
第四节 发展目标与建议 ······················· 26
一、天体测量学科总体发展目标 ··················· 26
二、天文参考系研究发展目标 ···················· 27
三、太阳系天体测量研究发展目标 ·················· 29
四、银河系结构与距离尺度研究发展目标 ············· 30
五、建设红外望远镜的建议 ····················· 31
六、月球极地天体测量望远镜建设建议 ················· 33
第五节 天体测量学科优先发展领域和重要研究方向 ··········· 34
一、天体测量学科优先发展领域 ····················· 34
二、天体测量学科重要发展方向 ····················· 35
第六节 国际合作 ··························· 36
第七节 保障措施 ··························· 38
参考文献 ······························· 38
第二章 天体力学 ··························· 40
第一节 天体力学的发展规律和研究特点 ················· 40
一、非线性天体力学 ························· 41
二、柯依伯带天体动力学 ······················· 42
三、太阳系外行星系统的探测与行星系统动力学 ············· 47
第二节 近年来天体力学领域的研究现状和研究动态 ············ 56
一、非线性天体力学 ·························· 57
二、柯依伯带天体的探测与研究 ····················· 57
三、系外行星探测与行星系统动力学 ··················· 58
第三节 未来 5~10 年天体力学领域的发展布局、优先领域以及与
其他学科交叉的重点方向 ························ 60
一、天体力学优先发展领域 ······················· 60
二、未来 5~10 年建议项目 ······················ 63
第四节 未来 5~10 年天体力学开展国际合作与交流的需求分析和
优先领域 ······························· 65
第五节 未来 5~10 年天体力学领域发展的保障措施 ············ 67
参考文献 ······························· 67
第三章 时间频率 ···························· 72
第一节 战略地位 ···························· 72
一、时间频率的定义 ························· 73
二、时间频率对社会发展的重要性 ··················· 73
第二节 发展规律与发展态势 ····················· 75
一、时间频率发展的总体趋势 ····················· 75
二、时间频率测量的发展历程 ····················· 76
三、时间频率传递的发展规律 ····················· 79
第三节 发展现状 ·························· 80
一、时间频率领域发展的总体情况 ·················· 80
二、时间频率测量的发展现状 ···················· 81
三、时间频率传递的发展现状 ···················· 87
第四节 发展目标与建议 ······················ 90
一、时间频率领域发展的总体目标 ················· 90
二、增强时间频率自主测量能力 ··················· 91
三、提高时间参考架精度 ························ 92
四、完善时间频率传递手段 ······················· 94
第五节 优先发展领域和重要研究方向 ·················· 96
一、发展总体目标 ··························· 96
二、发展总体思路 ··························· 97
三、优先发展领域和方向 ························ 97
第六节 国际合作 ···························· 98
一、国际合作的现状 ·························· 98
二、国际合作的发展 ·························· 98
第七节 保障措施 ···························· 99
参考文献 ······························· 100
第四章 相对论基本天文学 ······················· 103
第一节 战略地位 ·························· 103
一、相对论基本天文学的主要内容 ·················· 103
二、相对论基本天文学的重要性 ··················· 104
第二节 发展规律与发展态势 ···················· 104
一、高精度天体测量是相对论基本天文学发展的动力 ·········· 104
二、相对论基本天文学和其他学科将交叉发展 ············· 105
三、相对论基本天文学的热点课题 ········· 106
第三节 发展现状 ·························· 107
一、国际研究现状 ····················· 107
二、国内研究现状 ························· 112
第四节 发展目标与建议
——今后 10 年我国相对论基本天文学的发展方向 ········· 114
第五节 优先发展领域和重要研究方向 ········· 116
第六节 国际合作 ·················· 117
一、国际合作的现况 ················· 117
二、需求和建议 ······················· 118
第七节 保障措施 ······················· 119
参考文献 ·························· 119
第五章 历书天文学 ······················ 122
第一节 战略地位 ······················· 122
一、历书天文学的学科内涵 ··················· 122
二、历书天文学研究的科学意义 ················· 123
三、天文历书服务的应用价值 ·················· 124
第二节 发展规律和发展态势 ··················· 125
一、历书天文学的简要发展历程 ················· 125
二、历书天文学研究的发展规律和态势 ············ 127
三、天文历书服务的发展规律和态势 ·················129
第三节 发展现状 ·························· 130
一、历书天文学研究的发展现状 ···················· 130
二、天文历书服务的发展现状 ····················· 132
三、我国历书天文学发展现状分析 ··················· 133
第四节 发展目标与建议 ························ 134
一、我国历书天文学发展的总体目标 ··················134
二、关于发展我国历书天文学研究的建议 ················ 135
三、关于提高我国天文历书服务水平的建议 ··············· 135
第五节 优先发展方向 ························ 136
一、历书天文学研究的优先发展方向 ·················· 136
二、天文历书服务的重点工作 ····················· 139
第六节 国际合作 ·························· 142
一、国际合作的现状 ························· 142
二、国际合作的发展 ························· 142
第七节 保障措施 ·························· 143
参考文献 ····························· 143
第六章 行星内部结构与动力学 ···················· 146
第一节 战略地位 ··························· 146
一、天体形成和演化的重要类型 ···················· 146
二、天文学与其他学科交叉的典型代表 ················· 147
三、推动天文空间测量技术进步主要动力之一 ············· 147
第二节 发展规律与发展态势 ······················· 148
一、行星形成与演化动力学 ························ 150
二、行星磁场产生与维持 ······················· 151
三、行星引力场时变性 ························ 152
四、天体碰撞危险性评估 ······················· 152
五、行星上的水 ··························· 153
六、行星磁层时空结构 ························· 153
第三节 发展现状 ···························· 154
一、行星内部结构与重力场 ······················ 156
二、行星内部动力学 ·························· 157
三、行星磁层物理 ··························· 158
四、火星表面流体与大气逃逸 ······················ 159
五、小行星表面物理 ························ 160
六、行星陨石化学 ························ 161
第四节 发展目标与建议 ······················ 165
第五节 优先发展领域和重要研究方向 ················ 167
第六节 国际合作 ························· 167
第七节 保障措施 ······················· 169
参考文献 ·························· 170
第七章 天文地球动力学 ··················· 173
第一节 战略地位 ······················ 173
第二节 发展规律与发展态势 ················· 179
一、地球参考架 ······················· 180
二、地球自转变化及预报 ··················· 182
三、地球重力场 ······················· 182
四、VLBI 技术及其应用 ···················· 184
五、SLR 技术及其应用 ·····················184
六、GNSS 技术及其应用 ····················· 185
七、InSAR 技术及其应用 ····················· 186
八、卫星测高技术及其应用 ···················· 187
九、环形激光陀螺仪(RLG) ···················· 188
十、自然灾害的天文学方法研究 ················· 189
第三节 发展现状 ···················· 190
一、地球参考系 ···················· 191
二、地球自转变化及预报 ···················· 192
三、卫星重力测量及其应用 ···················· 193
四、VLBI 技术及其应用 ···················· 194
五、SLR 技术及其应用 ···················· 195
六、GNSS 技术及其应用 ···················· 196
七、卫星测高技术及其应用 ···················· 197
八、InSAR 技术及其应用 ···················· 197
九、自然灾害预测的天文学方法的研究 ·············· 198
第四节 发展目标与建议 ···················· 199
第五节 优先发展领域和重要研究方向 ··············· 202
一、发展的总体目标和思路 ···················· 202
二、优先发展领域和方向 ···················· 203
第六节 国际合作 ···················· 204
一、国际合作的现况 ························ 204
二、国际合作的建议 ···················· 205
第七节 保障措施 ···················· 206
参考文献 ························ 207
第八章 深空探测与导航 ················· 208
第一节 战略地位 ···················· 208
第二节 发展规律与发展态势 ················ 209
一、深空探测与导航技术发展的总体趋势 ··········· 209
二、深空探测与导航技术的发展历程 ············· 210
第三节 发展现状 ······················· 221
一、深空探测发展现状 ······················ 221
二、导航技术发展现状 ······················· 222
三、基本天文学在深空探测与导航上的应用发展现状 ·········· 224
第四节 发展目标与建议 ························ 227
一、发展目标 ··························· 227
二、发展建议 ···························· 228
第五节 优先发展研究方向 ······················ 233
一、深空探测科学任务规划、轨道设计与测定轨 ············ 233
二、航空、航海以及空间飞行器导航 ··················· 234
三、深空探测资料的分析处理和应用研究 ················· 235
第六节 国际合作 ··························· 235
一、国际合作的现状 ·························· 235
二、国际合作的发展 ·························· 236
第七节 保障措施 ··························· 236
参考文献 ······························· 237
第九章 人造天体动力学与空间环境监测 ··················239
第一节 战略地位 ···························239
一、人造天体动力学 ························· 239
二、空间碎片监测 ·························· 240
三、近地小行星的监测 ························ 240
第二节 发展规律与发展态势 ····················· 241
一、人造天体动力学的发展 ····················· 241
二、空间碎片监测的发展 ······················· 242
三、近地小行星监测的发展 ······················243
第三节 发展现状 ·························· 245
一、人造天体动力学 ························ 245
二、空间碎片监测 ························· 246
三、近地小行星的监测 ······················ 247
四、人才队伍 ·························· 248
五、发展现状总结 ························249
第四节 发展目标与建议 ·····················249
一、总体发展目标 ······················· 249
二、促进人造天体动力学的发展 ················· 250
三、提高空间碎片监测能力 ··················· 250
四、开展近地小行星巡天观测 ·················· 250
第五节 优先发展领域和重要研究方向 ·············· 251
一、人造天体动力学的重要研究方向 ···············251
二、空间碎片监测的重要研究方向 ················ 252
三、近地小行星监测的重要研究方向 ··············· 253
第六节 国际合作 ························· 255
第七节 保障措施 ·························255
参考文献 ···························· 255
关键词索引 ··························· 257

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