截至2021年12月17日，“悟空”號衛(wèi)星已在軌飛行了整整6年。

作為中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項一期發(fā)射的首顆衛(wèi)星，“悟空”的設(shè)計壽命本來只有3年，但直到現(xiàn)在，6歲的“悟空”仍然保持著旺盛而充沛的活力，繼續(xù)為人類望向深邃的宇宙。

目前，空間科學(xué)先導(dǎo)專項已成功發(fā)射了7顆科學(xué)衛(wèi)星。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心科學(xué)衛(wèi)星綜合運控中心，便是這些科學(xué)衛(wèi)星在地面上的“大管家”。

科學(xué)衛(wèi)星“遙控者”

2015年12月17日清晨，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。

朝霞還掛在天邊，長征二號丁運載火箭劃破長空，把“悟空”衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道。

《西游記》中，齊天大圣孫悟空一個跟頭就能翻出十萬八千里，并有著銳利的“火眼金睛”，“悟空”衛(wèi)星當(dāng)然也是名副其實。

“悟空”衛(wèi)星，全名為暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項一期首批立項研制的4顆科學(xué)衛(wèi)星之一，也是世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。它每95分鐘就繞地球一圈，每天能觀測到宇宙中的500萬個高能粒子。

長1.5米、寬1.5米、高1.2米，整體質(zhì)量1.85噸，從尺寸來看，“悟空”比一張辦公桌大不了多少。不過可千萬別小看它，“悟空”小巧的身體里搭載了近8萬個小探測器，它們是“悟空”的“火眼金睛”，探測的目標則是在宇宙中占比超過四分之一，卻對人類“隱身”的暗物質(zhì)。

當(dāng)然，“悟空”收集探測的并非暗物質(zhì)本身，而是暗物質(zhì)粒子碰撞后產(chǎn)生的高能伽馬射線、電子和宇宙射線等“蛛絲馬跡”，研究人員對收集到的數(shù)據(jù)開展科學(xué)分析，便能間接找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

高能粒子一旦“撞”上探測器，其產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)會在第一時間被記錄存儲。待飛經(jīng)我國上空時，“悟空”會迅速與位于新疆喀什、海南三亞、北京密云的3個地面站點建立天地通信鏈路?？茖W(xué)數(shù)據(jù)沿著這條通道傳送到地面，并匯總至位于北京懷柔科學(xué)城的科學(xué)衛(wèi)星綜合運控中心。

過去，我國衛(wèi)星的運控模式是一星對應(yīng)一個地面系統(tǒng)，雖然能夠增強運行管理的針對性，但也存在資源配置效率、數(shù)據(jù)共享不足等短板。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項的抓總單位，目前已經(jīng)成功發(fā)射并在軌運行的科學(xué)衛(wèi)星除“悟空”外，還有“墨子號”“實踐十號”“慧眼”“太極一號”“懷柔一號”，以及納入專項管理的可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星1號。為了更高效地開展衛(wèi)星在軌管理，國家空間科學(xué)中心成立了科學(xué)衛(wèi)星綜合運控中心，支持保障所有項目衛(wèi)星的日常在軌運行。

作為連接衛(wèi)星和科學(xué)用戶的橋梁和樞紐，運控中心組建了兩個重要團隊——空間科學(xué)任務(wù)中心和數(shù)據(jù)中心，分別承擔(dān)衛(wèi)星運行管理和科學(xué)數(shù)據(jù)處理工作。

科學(xué)數(shù)據(jù)“整理師”

科學(xué)衛(wèi)星的發(fā)射，目的是為了觀測太空，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)。雖然天地之間沒有“網(wǎng)線”連接，但衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)的速度可不慢，能夠達到每秒150兆至300兆，峰值甚至可達每秒1600兆，未來的“網(wǎng)速”還將更加可觀。而率先對這些數(shù)據(jù)進行處理的，便是數(shù)據(jù)中心。

同時管理多顆衛(wèi)星，數(shù)據(jù)中心每天接收到的數(shù)據(jù)是海量的，僅“悟空”一顆衛(wèi)星，每天就要向地面下傳約16GB的原始科學(xué)數(shù)據(jù)。而這些原始數(shù)據(jù)并不能直接用于科學(xué)研究和分析，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)中心處理，才能供科學(xué)家開展后續(xù)研究工作。

“每一份科學(xué)數(shù)據(jù)都不能丟!”數(shù)據(jù)中心工作人員馬福利每天的工作，就是和這些在外人眼中的“一串亂碼”打交道。收到原始科學(xué)數(shù)據(jù)后，他首先要解壓縮并提取有效的數(shù)據(jù)源包，確認數(shù)據(jù)片段沒有缺失，隨后再進行排序、時間校正、物理量轉(zhuǎn)換、參數(shù)解算等一系列處理，以確保生產(chǎn)的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的完整性和正確性。目前，數(shù)據(jù)中心管理的所有在軌衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)都實現(xiàn)了落地后100%正確處理。

科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品正確生產(chǎn)后，馬福利要向不同衛(wèi)星的科學(xué)用戶分發(fā)產(chǎn)品，并同步將原始數(shù)據(jù)以及各級數(shù)據(jù)產(chǎn)品保存至科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫。

中科院國家空間科學(xué)中心副主任鄒自明表示，衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)的分散存儲，不利于科學(xué)數(shù)據(jù)的高效管理和開放應(yīng)用，科學(xué)家使用起來多有不便。建立國家級的空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心，就是要為科學(xué)家方便使用空間科學(xué)數(shù)據(jù)架起一座橋梁、搭建一個平臺，讓科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)揮更大價值。

鑒于此，中科院國家空間科學(xué)中心推動建立了國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心，這是我國空間科學(xué)領(lǐng)域唯一的國家級科學(xué)數(shù)據(jù)中心。目前，數(shù)據(jù)中心建立了覆蓋數(shù)據(jù)全生命周期的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)自動化實時處理、快速可視、存儲管理、歸檔發(fā)布和安全永久保存，在國際上已具有一定的影響力。空間科學(xué)先導(dǎo)專項衛(wèi)星任務(wù)的科學(xué)數(shù)據(jù)，在這里都能在線檢索，隨著在軌科學(xué)衛(wèi)星數(shù)量和科學(xué)數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容將不斷豐富。

“數(shù)據(jù)處理與管理是開展科學(xué)研究的基礎(chǔ)性工作，沒有基礎(chǔ)，就沒有高樓大廈?；A(chǔ)打得越牢越實，科學(xué)皇冠上結(jié)出的明珠才能越多越亮。”鄒自明說。

快速應(yīng)答“護航者”

衛(wèi)星在太空遨游的旅程并不都是一帆風(fēng)順，事實上，它們每時每刻都面臨著來自太空的威脅?？臻g碎片、宇宙風(fēng)暴、高能粒子……這些都可能影響到衛(wèi)星的正常運行，而保障衛(wèi)星穩(wěn)定正常工作并能指揮衛(wèi)星動作的，便是任務(wù)中心。

“任務(wù)中心是確?？臻g科學(xué)衛(wèi)星在軌安全、可靠、高效運行的主要責(zé)任部門。”鄒自明介紹，平日里，任務(wù)中心像是衛(wèi)星的“保健醫(yī)生”，時刻監(jiān)控衛(wèi)星的健康狀況，并采用人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，盡可能評估和預(yù)測衛(wèi)星未來狀況，做到心中有數(shù)。

在任務(wù)中心的大屏幕上，各在軌科學(xué)衛(wèi)星的關(guān)鍵信息一目了然。衛(wèi)星在回傳科學(xué)數(shù)據(jù)的同時，其自身的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)也會同步向地面“匯報”。日積月累，任務(wù)中心便建立起了一套衛(wèi)星及載荷的“全生命周期健康檔案”。

衛(wèi)星在軌時間長了，有個“小病小災(zāi)”肯定難免，相應(yīng)的處置行動自然也是越快越好。但“隔空診斷”絕非易事，要在短時間內(nèi)精準找到“病灶”，并且“藥到病除”，更是需要豐富的理論知識和運行經(jīng)驗作為支撐。6年多來，隨著任務(wù)中心團隊處置經(jīng)驗的豐富和應(yīng)急預(yù)案的不斷完善，對突發(fā)情況的響應(yīng)也越發(fā)迅速準確。

2021年5月，“悟空”進入了“長地影”工作模式，即衛(wèi)星每一圈都會長時間地進入太陽照不到的陰影區(qū)。由于衛(wèi)星主要的電力來源是太陽能電池板供電，“長地影”模式下，需要調(diào)整衛(wèi)星的用電策略，否則就會因電力不足導(dǎo)致載荷無法工作。

任務(wù)中心對此胸有成竹。早在2018年，他們就有針對性地制定了“悟空”衛(wèi)星載荷處置預(yù)案。本次“長地影”模式處置，任務(wù)中心高級工程師白萌和同事提早與衛(wèi)星研制方及各載荷單位聯(lián)系，及時對處置方案進行了確認。

十六進制字符串指令，是任務(wù)中心與衛(wèi)星溝通的語言。載荷重新加電、初始化、恢復(fù)正常觀測模式、事件表、數(shù)傳星歷表……一條條指令從任務(wù)中心迅速發(fā)送至地面站點，并通過天地鏈路傳輸?shù)?ldquo;悟空”的“大腦”。幾百條指令，將“悟空”所有載荷調(diào)整到最新工作狀態(tài)，確保其繼續(xù)穩(wěn)定執(zhí)行科學(xué)觀測任務(wù)。

在星地測控資源充足的情況下，任務(wù)中心對衛(wèi)星的操控可達“分鐘級響應(yīng)”。這一點對于科學(xué)衛(wèi)星來說極為重要，一旦發(fā)生未被列入日常觀測計劃的科學(xué)機遇性事件，需要臨時開展應(yīng)急觀測時，任務(wù)中心要及時上傳指令，指揮衛(wèi)星轉(zhuǎn)換姿態(tài)，對準觀測目標。

在極光干涉引力波天文臺和室女座引力波天文臺首次發(fā)現(xiàn)雙中子星合并引力波事件中，通過“分鐘級響應(yīng)”，我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——“慧眼”對該事件進行了成功監(jiān)測。

2017年8月18日零時58分，“慧眼”將日常觀測任務(wù)的科學(xué)數(shù)據(jù)傳至地面。數(shù)據(jù)產(chǎn)品2分鐘內(nèi)分發(fā)至科學(xué)家團隊。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，某天區(qū)可能存在引力波爆發(fā)，于是緊急與運控中心取得聯(lián)系。

1時40分，“需安排兩次小天區(qū)觀測”的應(yīng)急科學(xué)計劃提交。任務(wù)中心在10分鐘內(nèi)迅速完成科學(xué)計劃的接收、審核、指令編制、指令反演、復(fù)核。

1時50分，應(yīng)急指令順利上傳至“慧眼”，對指定天區(qū)開展觀測。

2時44分，“慧眼”回傳首批引力波事件觀測數(shù)據(jù)。

2時49分，數(shù)據(jù)預(yù)處理完成，生成第一批科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

3時，事件全部科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)、分發(fā)完成。

行云流水的操控，保障了科學(xué)家在第一時間拿到第一手數(shù)據(jù)，迅速開展科研工作。當(dāng)晚，數(shù)據(jù)中心總計提供事件發(fā)生期間的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品1059個，共23.17GB。

“慧眼”的觀測，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻。而此時，立了大功的“慧眼”剛剛在軌試運行2個月，還處在磨合的“試用期”。它出色的表現(xiàn)，得益于運控中心強大的技術(shù)平臺支持，各單位之間完善敏捷的協(xié)同工作流程，以及衛(wèi)星載荷靈敏、強大的功能。

在空間科學(xué)先導(dǎo)二期后續(xù)任務(wù)中，計劃發(fā)射的天基多波段空間變源監(jiān)視器衛(wèi)星和愛因斯坦探針衛(wèi)星將具備通過“北斗”系統(tǒng)即時上傳數(shù)據(jù)的能力，這將極大地提高運控中心的應(yīng)急響應(yīng)能力。

養(yǎng)生保健“護理師”

一顆衛(wèi)星到底能在太空中工作多久?這是一筆經(jīng)濟賬，也是一筆科學(xué)賬。

科學(xué)衛(wèi)星是一個多系統(tǒng)協(xié)同工作的裝置。在項目建設(shè)之初，科學(xué)家會根據(jù)衛(wèi)星需要完成的科學(xué)任務(wù)目標，為它制定一個“壽命”期限，內(nèi)部的各載荷單位再比照這一標準各自進行設(shè)計制造。

增加衛(wèi)星的設(shè)計壽命，意味著其研制成本也將大幅增加。但如果衛(wèi)星在軌運行得到有效維護，其在軌服役超出預(yù)期的設(shè)計壽命，便能夠大大節(jié)約觀測所需的成本。而超過設(shè)計壽命后，衛(wèi)星究竟能夠繼續(xù)健康工作多久，就更加依賴于地面系統(tǒng)的監(jiān)測、管理和保障，盡量延長它們的工作時間。

經(jīng)過權(quán)衡，“悟空”在建造時，任務(wù)時限被確定為3年，其實際造價遠低于國外的同類探測器。

衛(wèi)星是否能延壽在軌運行，需要經(jīng)過嚴格的評估與技術(shù)專家的評審。經(jīng)過3次延壽評審的“悟空”，實際在軌工作時間已經(jīng)達到了設(shè)計壽命的兩倍，其整星指標評定依然是100分，這意味著，“悟空”一直保持著完美的工作狀態(tài)。這證明了在前期研制過程中，大到衛(wèi)星設(shè)計、載荷管理，小到一顆螺絲、一次焊接，“悟空”的每一個細節(jié)都已經(jīng)做到了極致。

在什么情況下，衛(wèi)星會被評估為無法繼續(xù)工作?評估需要從兩個層面開展。首先，如果衛(wèi)星的科學(xué)目標達成，它的使命就完成了。而如果隨著衛(wèi)星在軌時間的延長，其“生病”頻率越來越高，甚至出現(xiàn)了一些常駐故障，經(jīng)過評估，衛(wèi)星和載荷的狀態(tài)不宜繼續(xù)工作，任務(wù)期便宣告結(jié)束。若能開展良好的日常管理，及時處置小意外，便能有效幫助衛(wèi)星延緩衰老。

6年來，“悟空”的每個載荷的變化波動范圍都極小，工作狀態(tài)十分穩(wěn)定。根據(jù)載荷工作原理，其在軌觀測時間越長，積累的數(shù)據(jù)越多，觀測精度便越高。“悟空”持續(xù)在軌工作，將有助于科學(xué)家穩(wěn)定利用科學(xué)數(shù)據(jù)，開展更加連貫深入的科研工作，產(chǎn)出更高價值的科研成果。

“數(shù)據(jù)需要長期積累、長期觀測，這對于科學(xué)研究來說非常關(guān)鍵。”鄒自明表示，將科學(xué)現(xiàn)象通過儀器觀測轉(zhuǎn)化為科學(xué)數(shù)據(jù)，這個過程受到很多條件的制約，其中最關(guān)鍵的問題之一，便是不同的儀器之間一定存在細微差異。同一個裝置的持續(xù)觀測，能夠盡可能減少這些差異，為科學(xué)研究長時間提供質(zhì)量良好、穩(wěn)定的科學(xué)數(shù)據(jù)。很多地面上的望遠鏡，觀測周期可達幾十年。

6歲的“悟空”，每天依然穩(wěn)定地回傳著數(shù)據(jù)，由它的觀測數(shù)據(jù)繪成的世界上迄今為止最精確的高能電子宇宙線能譜和高能氦原子核宇宙射線能譜，都在不斷成長得更加精確，這標志著我國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。

基于“悟空”的長期觀測數(shù)據(jù)，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特能量處產(chǎn)生了一個“拐折”，此前這一異常波動從未被人類觀測到。而新近發(fā)現(xiàn)的“先上翹后下降”能譜結(jié)構(gòu)，預(yù)示可能存在一處未知的宇宙射線源，還有待后續(xù)研究明確。

太空觀測“遠望者”

在軌科學(xué)衛(wèi)星遇到的大小事件，都依靠運控中心團隊管理，隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量增多，運行管理壓力也隨之增加。為了提高衛(wèi)星運控效率，運控中心以基礎(chǔ)運行平臺為根基，針對不同的衛(wèi)星保障需求優(yōu)化專用軟件，形成了“公共平臺+任務(wù)插件”的技術(shù)體系。對日后新發(fā)射衛(wèi)星的運行管理，只要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行適應(yīng)性改造，再新研少量的專用軟件即可滿足要求，大大節(jié)約了資源和成本。

鄒自明表示，未來的深空探測任務(wù)，由于受到空間距離、信道速率等因素的制約，運控中心必須不斷升級現(xiàn)有系統(tǒng)以更好地提供支撐。而且，隨著我國空間科學(xué)衛(wèi)星在軌數(shù)量的增多，運控中心需要大規(guī)模采用人工智能、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云平臺等技術(shù)，才能讓科學(xué)衛(wèi)星的日常運控工作更加智能和可靠。

目前，運控中心團隊的平均年齡不過36歲，年輕的團隊具備強大的科研創(chuàng)新能力。鄒自明滿懷期待地表示，未來5到10年內(nèi)，我們有望建立我國自主可控的科學(xué)衛(wèi)星智能管控和數(shù)據(jù)應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)，打造我國自有知識產(chǎn)權(quán)的科學(xué)任務(wù)規(guī)劃、載荷健康管理、數(shù)據(jù)處理與分析工具等，推動數(shù)據(jù)資源和軟件工具的共建共享，讓寶貴的科學(xué)衛(wèi)星和科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)揮出更大的作用。