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1997年4月7日，中国科学院三位院士杨嘉墀、王大珩、陈芳允发表了《我国月球探测技术发展的建议》。相关研究单位和部门也曾组织专家和研究人员，对中国开展月球探测的可行性、必要性以及科学目标进行过分析与研究，先后向主管部门提交了《中国月球探测发展战略研究》和《月球资源探测卫星科学目标》等论证报告。
对月球的研究探测是航天领域以及相关科学领域科学家们多年的期盼，孙家栋多次提出，人类对航天研究应用的下一个必由之路就是对月球探索的深入。科学家们对探测月球充满着激情，这个激情既是对科学无止境的追求，也是对国家技术发展的责任。
历史的车轮刚刚迈入新世纪的2000年，时任中国国防科工委副主任、中国国家航天局局长的栾恩杰频繁地找孙家栋，他非常了解孙家栋这位航天总体大师高超的谋略、敏捷的思维、丰富的经验、对中国航天的钟情和在航天界的影响力以及人格魅力。这两位在业内极具影响力的老航天满怀神圣的使命感，在一起谋划着中国航天发展的战略思路。他们两人的灵感一经碰撞立即迸发出了具有前瞻性的火花。他们认为，按照国家目前的技术水平和经济实力完全可以开展对月球研究探测的工程实施，如果能够正确掌握需求牵引关系，就可以着手考虑工程实施方面的大思路了。孙家栋与栾恩杰两人一拍即合，他们又把几十年来对月球资源应用有着极大兴趣的中国科学院欧阳自远院士找来一起切磋谋划探月工程实施的事情。
栾恩杰，我国著名导弹控制技术专家和航天工程管理专家，国际宇航科学院院士，1965年毕业于哈尔滨工业大学自动控制专业，同年考入清华大学攻读研究生。1968年在第七机械工业部第四研究所工作，1970任七机部第一研究院技术员。1978年后，任七机部第二研究院十七所室副主任、副所长、所长。1984年后，任航天工业部第二研究院副院长，航空航天部总工程师。1993年6月任中国航天工业总公司副总经理、国家航天局副局长。1998年4月起任国防科学技术工业委员会副主任兼国家航天局局长。第十三届、十四届、十五届中共中央候补委员，中国载人航天工程副总指挥，中国探月工程总指挥。
欧阳自远，中国科学院地球化学研究所研究员，中国科学院国家天文台高级顾问，1991年当选为中国科学院院士（学部委员），第三世界科学院院士，中国矿物岩石地球化学学会名誉理事长，中国空间科学学会副理事长及空间化学与空间地质学委员会主任，中国科学院国家天文台高级顾问，中国科学院地质与地球物理研究所兼职研究员。他系统地开展了各类地外物质、月球科学、比较行星学和天体化学研究，是我国天体化学领域的开创者。发展了铁陨石、玻璃陨石和宇宙尘成因理论；提出了吉林陨石的形成演化模式及多阶段宇宙线照射历史的理论以及新生代以来六次重大撞击事件诱发地球气候环境灾变的新观点；提出并论证地球两阶段形成模式及对成矿与构造格局的制约、组成地球和类地行星的非均一化学组成与非均变演化理论的新理论框架。
几经酝酿，栾恩杰按照行业归口，大胆地主抓了中国的第一部《中国的航天》白皮书的编制工作。2000年11月22日，中国政府首次公布了《中国的航天》的白皮书，白皮书在我国未来发展目标中明确指出，将“开展以月球探测为主的深空探测的预先研究”。中国向国际庄严宣告了向深空探测的进军号令。
搞了一辈子航天工程总体的孙家栋明确提出了自己的观点。他认为，作为进军月球这样的航天大工程的实施，首先要获得国家的立项批准。孙家栋根据自己多次开创大型航天工程担任总设计师的经验，在立项之前必须明确工程目的、实现途径、需求牵引、技术经济可行性、远期目标的连续性等原则问题。孙家栋提出，工程起步要先立足于满足工程的基本条件，在基本条件的基础上由简到繁分步实现工程应用的发展目标。
孙家栋不愧是航天工程的总体大师，在航天发展新跨越的重要历史关头，他又一次发挥了他的独到见解。按照他的几轮描绘，庞大繁杂的头绪即刻清晰，孙家栋的想法立即得到了栾恩杰和欧阳自远的赞同。英雄所见略同，他们三人分头行动，立即着手组织专家按照新的思路进行专门论证，开展编制技术经济可行性研究报告等工程立项方面的实质性的前期工作。
2001到2002年间，孙家栋受国防科工委委托，组织全国各方面力量，开展了我国月球探测卫星的科学目标与有效载荷配置的研究，对我国月球探测关键技术的解决途径，对月球探测工程的综合立项工作进行了反复论证。通过为期一年的综合论证，最后得出结论：科学目标明确、先进，技术能够实现，没有颠覆性的技术问题。为国家的最后决策提供了科学依据。
中国的探月计划从论证开始，就受到国家领导人的高度重视，2002年10月17日，国务院第三次会议上朱镕基总理批示要抓紧探月工程的论证工作。
2003年2月28日，国防科工委在北京召开了200余人参加的“2003年民用航天工作会暨探月工程筹备会”。国防科工委邀请孙家栋等20名院士作为正式会议代表参加了会议。会上，国防科工委副主任栾恩杰作了题为《与时俱进，开拓进取，谱写中国航天新篇章》的报告。报告中提出了“正式启动探月工程筹备工作”。时任国防科工委主任的刘积斌宣布了探月工程组织系统名单，任命孙家栋为探月工程筹备阶段的总设计师，由他负责组织工程总体方案研究实施的筹备工作，孙家栋的肩上挑起了中国航天又一里程碑性质的新重担。
2003年9月，国防科工委向中央专委汇报了《我国月球探测工程具体思路》。
温家宝总理对开展绕月探测工程十分重视。2004年1月23日（农历大年初二），温家宝总理批准绕月探测工程立项，将我国第一个月球探测工程命名为“嫦娥一号”工程，绕月探测工程正式启动。
温家宝总理提出：“月球探测工程是一项复杂、多学科、高技术集成的系统工程，要统筹规划，合理确定科学和工程目标，要充分调动和整合各方面科研资源，加大重大关键技术的攻关力度。各部门要精心组织，团结协作，高标准、高质量、高效率地完成绕月探测工程任务。”
2004年2月19日，国务院批准成立由国防科工委任组长单位，国家发展与改革委员会、科学技术部、财政部、总装备部、中国科学院、航天科技集团公司等单位参加的绕月探测工程领导小组。接着，在国务院批准成立绕月探测工程领导小组不到一周的时间内，国防科工委便组织召开了绕月探测工程小组第一次会议。人们议论是栾恩杰和孙家栋搭档得好，主意出得高。
2004年2月25日，国防科工委宣布：绕月探测工程于今日起正式实施。孙家栋参加了会议，他的内心异常激动，中国航天开始了脱离地球飞向月球的挑战。此时压到孙家栋肩上的担子虽然沉重，但作为航天人对中国航天的热爱，则是一件令人兴奋的大事。绕月探测工程领导小组在会上确立了绕月探测工程的科学目标、工程目标和研制计划。向所有参加研制、生产、试验的单位和人员指出，绕月探测工程是继载人航天工程后又一举世瞩目的重大科技工程，一定要以高度的责任感、使命感和紧迫感，抓住机遇，乘势而上，团结一心，大力协同，抓紧抓好绕月工程的组织实施，确保这一重大科技工程的顺利实施，按计划、高质量地完成任务；一定要发扬“两弹一星”和载人航天精神，不怕疲劳，连续作战，奋勇攻关，敢于胜利，努力攀登新的科技高峰，为人类和平利用空间资源作出积极贡献。
2004年3月25日，北京各大报纸以醒目标题发出人们关注的消息：“嫦娥工程”领军人物确定。
中新社北京二○○四年三月二十五日电：中国国防科学技术工业委员会二十五日在北京举行“嫦娥工程”第一次工作会暨大总体协调会，工程领军人物也已一一确定。
“嫦娥工程”领导小组组长：中国国防科工委主任张云川。
“嫦娥工程”总指挥：中国国防科工委副主任、国家航天局局长栾恩杰。
工程副总指挥四位，分别是解放军总装备部副部长胡世祥、中国科学院副院长江绵恒、中国航天科技集团公司副总经理马兴瑞、中国国防科工委秘书长孙来燕。
“嫦娥工程”总设计师：中国航天科技集团公司高级技术顾问、中科院院士孙家栋。
副总设计师三人，分别是中国载人航天工程副总设计师陈炳忠、中科院空间科学与应用研究中心姜景山院士、中国运载火箭技术研究院龙乐豪院士。
“嫦娥工程”月球应用科学首席科学家：中科院地球化学研究所研究员、国家天文台高级顾问欧阳自远院士。
“嫦娥工程”由五大系统组成，发射系统总指挥、总设计师分别是西昌卫星发射中心徐宏亮�