截至2021年12月17日，“悟空”號(hào)衛(wèi)星已在軌飛行了整整6年。

作為中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)一期發(fā)射的首顆衛(wèi)星，“悟空”的設(shè)計(jì)壽命本來(lái)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(xiàng)已成功發(fā)射了7顆科學(xué)衛(wèi)星。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心科學(xué)衛(wèi)星綜合運(yùn)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(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭劃破長(zhǎng)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(gè)跟頭就能翻出十萬(wàn)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(shí)。

“悟空”衛(wèi)星，全名為暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)一期首批立項(xiàng)研制的4顆科學(xué)衛(wèi)星之一，也是世界上觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。它每95分鐘就繞地球一圈，每天能觀測(cè)到宇宙中的500萬(wàn)個(gè)高能粒子。

長(zhǎng)1.5米、寬1.5米、高1.2米，整體質(zhì)量1.85噸，從尺寸來(lái)看，“悟空”比一張辦公桌大不了多少。不過(guò)可千萬(wàn)別小看它，“悟空”小巧的身體里搭載了近8萬(wàn)個(gè)小探測(cè)器，它們是“悟空”的“火眼金睛”，探測(cè)的目標(biāo)則是在宇宙中占比超過(guò)四分之一，卻對(duì)人類“隱身”的暗物質(zhì)。

當(dāng)然，“悟空”收集探測(cè)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(duì)收集到的數(shù)據(jù)開(kāi)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(cè)器，其產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)會(huì)在第一時(shí)間被記錄存儲(chǔ)。待飛經(jīng)我國(guó)上空時(shí)，“悟空”會(huì)迅速與位于新疆喀什、海南三亞、北京密云的3個(gè)地面站點(diǎn)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(yùn)控中心。

過(guò)去，我國(guó)衛(wèi)星的運(yùn)控模式是一星對(duì)應(yīng)一個(gè)地面系統(tǒng)，雖然能夠增強(qiáng)運(yùn)行管理的針對(duì)性，但也存在資源配置效率、數(shù)據(jù)共享不足等短板。

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

作為連接衛(wèi)星和科學(xué)用戶的橋梁和樞紐，運(yùn)控中心組建了兩個(gè)重要團(tuán)隊(duì)——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(yùn)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(cè)太空，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)。雖然天地之間沒(méi)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(dá)到每秒150兆至300兆，峰值甚至可達(dá)每秒1600兆，未來(lái)的“網(wǎng)速”還將更加可觀。而率先對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的，便是數(shù)據(jù)中心。

同時(shí)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(guò)數(shù)據(jù)中心處理，才能供科學(xué)家開(kāi)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(rèn)數(shù)據(jù)片段沒(méi)有缺失，隨后再進(jìn)行排序、時(shí)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(shí)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(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品保存至科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)。

中科院國(guó)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(chǔ)，不利于科學(xué)數(shù)據(jù)的高效管理和開(kāi)放應(yīng)用，科學(xué)家使用起來(lái)多有不便。建立國(guó)家級(jí)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(gè)平臺(tái)，讓科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)揮更大價(jià)值。

鑒于此，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心推動(dòng)建立了國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心，這是我國(guó)空間科學(xué)領(lǐng)域唯一的國(guó)家級(jí)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)自動(dòng)化實(shí)時(shí)處理、快速可視、存儲(chǔ)管理、歸檔發(fā)布和安全永久保存，在國(guó)際上已具有一定的影響力?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)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(kù)內(nèi)容將不斷豐富。

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

快速應(yīng)答“護(hù)航者”

衛(wèi)星在太空遨游的旅程并不都是一帆風(fēng)順，事實(shí)上，它們每時(shí)每刻都面臨著來(lái)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(yùn)行，而保障衛(wèi)星穩(wěn)定正常工作并能指揮衛(wèi)星動(dòng)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(yùn)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(shí)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(píng)估和預(yù)測(cè)衛(wèi)星未來(lái)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(shí)，其自身的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)也會(huì)同步向地面“匯報(bào)”。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(shí)間長(zhǎng)了，有個(gè)“小病小災(zāi)”肯定難免，相應(yīng)的處置行動(dòng)自然也是越快越好。但“隔空診斷”絕非易事，要在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)找到“病灶”，并且“藥到病除”，更是需要豐富的理論知識(shí)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)作為支撐。6年多來(lái)，隨著任務(wù)中心團(tuán)隊(duì)處置經(jīng)驗(yàn)的豐富和應(yīng)急預(yù)案的不斷完善，對(duì)突發(fā)情況的響應(yīng)也越發(fā)迅速準(zhǔn)確。

2021年5月，“悟空”進(jìn)入了“長(zhǎng)地影”工作模式，即衛(wèi)星每一圈都會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)入太陽(yáng)照不到的陰影區(qū)。由于衛(wèi)星主要的電力來(lái)源是太陽(yáng)能電池板供電，“長(zhǎng)地影”模式下，需要調(diào)整衛(wèi)星的用電策略，否則就會(huì)因電力不足導(dǎo)致載荷無(wú)法工作。

任務(wù)中心對(duì)此胸有成竹。早在2018年，他們就有針對(duì)性地制定了“悟空”衛(wèi)星載荷處置預(yù)案。本次“長(zhǎng)地影”模式處置，任務(wù)中心高級(jí)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(shí)對(duì)處置方案進(jìn)行了確認(rèn)。

十六進(jìn)制字符串指令，是任務(wù)中心與衛(wèi)星溝通的語(yǔ)言。載荷重新加電、初始化、恢復(fù)正常觀測(cè)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(diǎn)，并通過(guò)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(cè)任務(wù)。

在星地測(cè)控資源充足的情況下，任務(wù)中心對(duì)衛(wèi)星的操控可達(dá)“分鐘級(jí)響應(yīng)”。這一點(diǎn)對(duì)于科學(xué)衛(wèi)星來(lái)說(shuō)極為重要，一旦發(fā)生未被列入日常觀測(cè)計(jì)劃的科學(xué)機(jī)遇性事件，需要臨時(shí)開(kāi)展應(yīng)急觀測(cè)時(shí)，任務(wù)中心要及時(shí)上傳指令，指揮衛(wèi)星轉(zhuǎn)換姿態(tài)，對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)。

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

2017年8月18日零時(shí)58分，“慧眼”將日常觀測(cè)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(tuán)隊(duì)。經(jīng)過(guò)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(yùn)控中心取得聯(lián)系。

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

1時(shí)50分，應(yīng)急指令順利上傳至“慧眼”，對(duì)指定天區(qū)開(kāi)展觀測(cè)。

2時(shí)44分，“慧眼”回傳首批引力波事件觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2時(shí)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(shí)，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(shí)間拿到第一手?jǐn)?shù)據(jù)，迅速開(kāi)展科研工作。當(dāng)晚，數(shù)據(jù)中心總計(jì)提供事件發(fā)生期間的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品1059個(gè)，共23.17GB。

“慧眼”的觀測(cè)，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機(jī)制做出了重要貢獻(xiàn)。而此時(shí)，立了大功的“慧眼”剛剛在軌試運(yùn)行2個(gè)月，還處在磨合的“試用期”。它出色的表現(xiàn)，得益于運(yùn)控中心強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái)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(qiáng)大的功能。

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

養(yǎng)生保健“護(hù)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(jì)賬，也是一筆科學(xué)賬。

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

增加衛(wèi)星的設(shè)計(jì)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(yùn)行得到有效維護(hù)，其在軌服役超出預(yù)期的設(shè)計(jì)壽命，便能夠大大節(jié)約觀測(cè)所需的成本。而超過(guò)設(shè)計(jì)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(cè)、管理和保障，盡量延長(zhǎng)它們的工作時(shí)間。

經(jīng)過(guò)權(quán)衡，“悟空”在建造時(shí)，任務(wù)時(shí)限被確定為3年，其實(shí)際造價(jià)遠(yuǎn)低于國(guó)外的同類探測(cè)器。

衛(wèi)星是否能延壽在軌運(yùn)行，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的評(píng)估與技術(shù)專家的評(píng)審。經(jīng)過(guò)3次延壽評(píng)審的“悟空”，實(shí)際在軌工作時(shí)間已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)壽命的兩倍，其整星指標(biāo)評(píng)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(guò)程中，大到衛(wèi)星設(shè)計(jì)、載荷管理，小到一顆螺絲、一次焊接，“悟空”的每一個(gè)細(xì)節(jié)都已經(jīng)做到了極致。

在什么情況下，衛(wèi)星會(huì)被評(píng)估為無(wú)法繼續(xù)工作?評(píng)估需要從兩個(gè)層面開(kāi)展。首先，如果衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)達(dá)成，它的使命就完成了。而如果隨著衛(wèi)星在軌時(shí)間的延長(zhǎng)，其“生病”頻率越來(lái)越高，甚至出現(xiàn)了一些常駐故障，經(jīng)過(guò)評(píng)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(kāi)展良好的日常管理，及時(shí)處置小意外，便能有效幫助衛(wèi)星延緩衰老。

6年來(lái)，“悟空”的每個(gè)載荷的變化波動(dòng)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(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，積累的數(shù)據(jù)越多，觀測(cè)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(kāi)展更加連貫深入的科研工作，產(chǎn)出更高價(jià)值的科研成果。

“數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)期積累、長(zhǎng)期觀測(cè)，這對(duì)于科學(xué)研究來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。”鄒自明表示，將科學(xué)現(xiàn)象通過(guò)儀器觀測(cè)轉(zhuǎn)化為科學(xué)數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程受到很多條件的制約，其中最關(guān)鍵的問(wèn)題之一，便是不同的儀器之間一定存在細(xì)微差異。同一個(gè)裝置的持續(xù)觀測(cè)，能夠盡可能減少這些差異，為科學(xué)研究長(zhǎng)時(shí)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(yuǎn)鏡，觀測(cè)周期可達(dá)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(cè)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(zhǎng)得更加精確，這標(biāo)志著我國(guó)的空間高能粒子探測(cè)研究已躋身世界最前列。

基于“悟空”的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子宇宙射線能譜在1.4萬(wàn)億電子伏特能量處產(chǎn)生了一個(gè)“拐折”，此前這一異常波動(dòng)從未被人類觀測(cè)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(cè)“遠(yuǎn)望者”

在軌科學(xué)衛(wèi)星遇到的大小事件，都依靠運(yùn)控中心團(tuán)隊(duì)管理，隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量增多，運(yùn)行管理壓力也隨之增加。為了提高衛(wèi)星運(yùn)控效率，運(yùn)控中心以基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)為根基，針對(duì)不同的衛(wèi)星保障需求優(yōu)化專用軟件，形成了“公共平臺(tái)+任務(wù)插件”的技術(shù)體系。對(duì)日后新發(fā)射衛(wèi)星的運(yùn)行管理，只要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)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(lái)的深空探測(cè)任務(wù)，由于受到空間距離、信道速率等因素的制約，運(yùn)控中心必須不斷升級(jí)現(xiàn)有系統(tǒng)以更好地提供支撐。而且，隨著我國(guó)空間科學(xué)衛(wèi)星在軌數(shù)量的增多，運(yùn)控中心需要大規(guī)模采用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等技術(shù)，才能讓科學(xué)衛(wèi)星的日常運(yùn)控工作更加智能和可靠。

目前，運(yùn)控中心團(tuán)隊(duì)的平均年齡不過(guò)36歲，年輕的團(tuán)隊(duì)具備強(qiáng)大的科研創(chuàng)新能力。鄒自明滿懷期待地表示，未來(lái)5到10年內(nèi)，我們有望建立我國(guó)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(guó)自有知識(shí)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(dòng)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。