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孙家栋对之前所完成的研究结果非常重视，他在此基础上，又多次组织进行了验证性和改进性研究，进一步修改和制订了新的工程方案。他还将论证工作取得的结论提交863专家委员会进行了研究，这些结论性的意见，得到了闵桂荣以及王大珩、陈芳允、王永志、杨嘉墀、王希季、屠善澄、陈述彭等诸多院士的肯定。
月球探测工程运筹于科学殿堂，决策于高层。按照温家宝总理的批示，我国月球探测工程确定了四项实施原则：
一、要服从和服务于科教兴国战略和可持续发展战略，以满足科学、技术、政治、经济和社会发展的综合需求为目的，把推进科学技术进步的需求放在首位，力求发挥更大的作用。
二、月球探测具有大型科学探索活动的显著特点，高投入、高风险、高收益，工程要根据国情国力，贯彻“有所为、有所不为”的方针，选择有限目标，突出重点，集中力量，在关键领域取得突破，循序渐进，持续发展，为深空探测活动奠定坚实的基础。
三、中国的月球探测工程虽然起步晚，可以利用已有的国外探测成果，借鉴国外月球探测工程的经验和教训，但起点要高，要优选探测目标，优化技术实施途径，做一些别人尚未做过的事，有一定的先进性和创新性，在填补我国月球探测空白中，形成自己的特色，为国际月球探测作出应有贡献。
四、要在独立自主、自主创新的基础上，大力开展国际交流与合作。月球探测具有开展国际交流与合作的有利环境和条件，积极探索多层次、多渠道的国际交流与合作，从学术交流、共同研究到合作研制，逐步扩大合作规模，提高合作层次，以较少的投资，争取更多的成果，并实现技术上的飞跃。
孙家栋组织有关专家经过充分酝酿后，大家一致认为，绕月探测工程的主要目的是从科学的角度去了解月球这个离人类最近的天体，通过对月球由浅入深的了解，促进航天工程技术带动相关产业技术的发展向更深更广的领域迈进。
孙家栋在一次研究深空探测的会议上谈到，不论哪个国家，从事航天活动共同遵循的原则通常都是：尽量采用成熟技术，在成熟技术的基础上继承、发展、运用新技术。通过解决、攻克工程中技术难关的艰苦过程，将会很自然地得到创新和提高，并且在科学探索过程中起到科技拉动作用，从而在相关领域产生连锁性的跨越式发展。如果说世界各国为了实施探月之路花费了巨大代价话，那么，中国的探月计划则应该在他们成功与失败的基础上，采取最为优化和最为经济有效的方案。要围绕突破月球探测卫星的关键技术、初步建立中国的深空探测工程大系统、验证有效载荷和数据解译等各项关键技术、初步建立中国深空探测技术研制体系、培养相应的人才队伍等方面找出技术难点，拟制出具体解决措施，安排好相关计划来具体实现上述基本目标。
总设计师的“三步走”原则
自从2005年10月“神舟六号”载人飞船任务获圆满成功后，人们对中国探月工程的关注与日俱增，尤其是公布了我国月球探测三步走、将于2007年实施发射升空的计划后，月球探测工程确实成为中国航天新的热点，这也无疑又增加了总设计师孙家栋的压力。
作为月球探测工程本身来讲，属于我国第一次对地球以外的星体进行近距离探测。完成月球探测工程不仅可以填补中国在月球及行星探测方面的空白，而且为中国改变航天领域的落后局面，为与国际先进水平缩短距离提供了良好的机遇。
根据循序渐进的科学研究原则，在确定近期实施计划的同时，将尽最大可能对长期目标进行考虑和兼顾。我国月球探测工程规划按照“绕”、“落”、“回”三步走的原则进行，每一步所所确定的科学目标和工程目标为：
一期工程为“绕”，即发射月球探测卫星，卫星绕月飞行，并进行遥测，计划在2007年发射，主要科学目标为：获取月球表面三维立体影像，精细划分月球表面的基本构造和地貌单元，进行月球表面撞击坑形态、大小、分布、密度等的研究，虽然别的国家已做过类似工作，但已得到的图像中还存在很多空白区，而中国为月球画像则要完全覆盖月球，包括人类探月活动从没涉足的南北极部分区域。分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点，主要是勘察月球表面有开发利用价值的钛、铁等14种元素的含量和分布，绘制各元素的全月球分布图，月球岩石、矿物和地质学专题图等，评估月球矿产资源的开发利用前景等；此前美国曾对月球上5种有用元素：铁、钛、铀、钍、钾做过分布规律与含量的探测，这次中国探月活动将元素探测范围扩大到14种元素，将对月球的一些有用资源进行更为全面的前景评估。探测月壤厚度，即利用微波辐射技术，探测和评估月球表面月壤的厚度，并在此基础上，估算部分有用资源分布及其资源量等。探测地球至月球的空间环境。月球与地球平均距离为38万公里，处于地球磁场空间的远磁尾区域，卫星在此区域可探测太阳宇宙线高能粒子和太阳风等离子体，研究太阳风和月球以及地球磁场磁尾与月球的相互作用等。主要工程目标为：研制和发射我国第一颗月球探测卫星；初步掌握绕月探测基本技术；首次开展月球科学探测；初步构建月球探测航天工程系统；为月球探测后续工程积累经验。
二期工程为“落”，即发射一颗月球软着陆器，并携带一个“月球车”，进行首次月球软着陆和自动巡视勘测，计划在2012年前后发射，主要科学目标为：进行着陆区月貌与月质构造调查和综合研究，测定着陆点的月表的环境，测定着陆点的热流、岩石剩磁等；进行月球内部结构研究，对月岩进行现场探测或采样分析，探测着陆区岩石的化学与矿物成分；日地月空间环境监测与月基天文观测。主要工程目标为：发射月球软着陆器，试验月球软着陆技术；研制和发射月面巡视车、自动机器人；进行高分辨率摄影；为月球基地的选址提供月面环境、月形、月岩的化学与物理性质等数据。
三期工程为“回”，即发射一颗月球软着陆器，进行首次月球样品自动取样并安全返回地球，在地球上对取样进行分析研究，计划在2017年前后发射，主要科学目标为：进行着陆区的探测与研究；采集月球样品返回地球，对样品进行系统的岩石学、矿物学同位素月质和月球化学研究，结合月面物质成分的分析数据，深化月球和地月系统的起源和演化的研究；深化对地月系统的起源与演化的认识。主要工程目标为：发展新型月球巡视车；发展小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等；在现场分析取样的基础上，采集样品返回地球；对着陆区进行考察，为载人登月探测、建立月球前哨站的选址提供数据。
中国探月工程虽然比美国、俄罗斯晚了四十多年，但要在科学上走出中国的创新特色，深化人类对月球的认识，为详细探测和资源开发打好基础，要有所创新，起码要接近或达到目前国际领先水平，同时使成果在国民经济各个领域逐步得到应用。
“嫦娥一号”卫星由于是中国第一次向深空探测领域的迈进，是第一次对地球以外的星体进行近距离探测，一期工程面临着一系列新的关键技术和难点，须突破系列关键技术，比如轨道设计与飞行程序控制，远距离跟踪测量与地面操作控制的实现等这些以前从来没有遇到过的问题。
孙家栋作为探月工程“五大系统”总设计师，在工程方面他考虑最多的问题自然是工程目标的实现、关键技术的解决途径和大系统的配套协调。首先要确立工程目标，找出主要矛盾，将各系统与之相关的问题搞清楚。以往我国开展的航天活动，全部是在地球引力场作用下的环绕地球运动的航天器，实现对地遥感、通信、数据传输、载人飞行等任务。要实现月球探测，则必须使航天器飞出地球引力场，进入到38万公里远的月球引力场。由于月球以及月球与地球、太阳的相对关系具有其固有的特点，因此，研制和发射月球探测卫星是一个复杂的三体定位问题，与一般的地球卫星有很大的不同。
在制定“嫦娥一号”卫星技术方案的�