截至2021年12月17日，“悟空”號衛星已在軌飛行了整整6年。
作為中國科學院空間科學先導專項一期發射的首顆衛星，“悟空”的設計壽命本來只有3年，但直到現在，6歲的“悟空”仍然保持著旺盛而充沛的活力，繼續為人類望向深邃的宇宙。
目前，空間科學先導專項已成功發射了7顆科學衛星。中國科學院國家空間科學中心科學衛星綜合運控中心，便是這些科學衛星在地面上的“大管家”。
中國科學院國家空間科學中心科學衛星綜合運控中心
科學衛星“遙控者”
2015年12月17日清晨，酒泉衛星發射中心。
朝霞還掛在天邊，長征二號丁運載火箭劃破長空，把“悟空”衛星順利送入預定軌道。
《西遊記》中，齊天大聖孫悟空一個跟頭就能翻出十萬八千里，並有著銳利的“火眼金睛”，“悟空”衛星當然也是名副其實。
“悟空”衛星，全名為暗物質粒子探測衛星，是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項一期首批立項研製的4顆科學衛星之一，也是世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星。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。
資料圖片。
長1.5米、寬1.5米、高1.2米，整體質量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”小巧的身體裡搭載了近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佔比超過四分之一，卻對人類“隱身”的暗物質。
當然，“悟空”收集探測的並非暗物質本身，而是暗物質粒子碰撞後產生的高能伽馬射線、電子和宇宙射線等“蛛絲馬跡”，研究人員對收集到的資料開展科學分析，便能間接找到暗物質存在的證據。
高能粒子一旦“撞”上探測器，其產生的科學資料會在第一時間被記錄儲存。待飛經我國上空時，“悟空”會迅速與位於新疆喀什、海南三亞、北京密雲的3個地面站點建立天地通訊鏈路。科學資料沿著這條通道傳送到地面，並彙總至位於北京懷柔科學城的科學衛星綜合運控中心。
過去，我國衛星的運控模式是一星對應一個地面系統，雖然能夠增強執行管理的針對性，但也存在資源配置效率、資料共享不足等短板。
中國科學院國家空間科學中心是中國科學院空間科學先導專項的抓總單位，目前已經成功發射並在軌執行的科學衛星除“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發展科學衛星1號。為了更高效地開展衛星在軌管理，國家空間科學中心成立了科學衛星綜合運控中心，支援保障所有專案衛星的日常在軌執行。
作為連線衛星和科學使用者的橋樑和樞紐，運控中心組建了兩個重要團隊——空間科學任務中心和資料中心，分別承擔衛星執行管理和科學資料處理工作。
科學資料“整理師”
科學衛星的發射，目的是為了觀測太空，獲取科學資料。雖然天地之間沒有“網線”連線，但衛星下傳資料的速度可不慢，能夠達到每秒150兆至300兆，峰值甚至可達每秒1600兆，未來的“網速”還將更加可觀。而率先對這些資料進行處理的，便是資料中心。
同時管理多顆衛星，資料中心每天接收到的資料是海量的，僅“悟空”一顆衛星，每天就要向地面下傳約16GB的原始科學資料。而這些原始資料並不能直接用於科學研究和分析，需要經過資料中心處理，才能供科學家開展後續研究工作。
“每一份科學資料都不能丟！”資料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。收到原始科學資料後，他首先要解壓縮並提取有效的資料來源包，確認資料片段沒有缺失，隨後再進行排序、時間校正、物理量轉換、引數解算等一系列處理，以確保生產的科學資料產品的完整性和正確性。目前，資料中心管理的所有在軌衛星科學資料都實現了落地後100%正確處理。
科學資料產品正確生產後，馬福利要向不同衛星的科學使用者分發產品，並同步將原始資料以及各級資料產品儲存至科學衛星資料庫。
中科院國家空間科學中心副主任鄒自明表示，衛星科學資料的分散儲存，不利於科學資料的高效管理和開放應用，科學家使用起來多有不便。建立國家級的空間科學資料中心，就是要為科學家方便使用空間科學資料架起一座橋樑、搭建一個平臺，讓科學資料發揮更大價值。
鑑於此，中科院國家空間科學中心推動建立了國家空間科學資料中心，這是我國空間科學領域唯一的國家級科學資料中心。目前，資料中心建立了覆蓋資料全生命週期的業務系統，實現衛星科學資料自動化實時處理、快速可視、儲存管理、歸檔釋出和安全永久儲存，在國際上已具有一定的影響力。空間科學先導專項衛星任務的科學資料，在這裡都能線上檢索，隨著在軌科學衛星數量和科學資料量的增加，資料庫內容將不斷豐富。
“資料處理與管理是開展科學研究的基礎性工作，沒有基礎，就沒有高樓大廈。基礎打得越牢越實，科學皇冠上結出的明珠才能越多越亮。”鄒自明說。
快速應答“護航者”
衛星在太空遨遊的旅程並不都是一帆風順，事實上，它們每時每刻都面臨著來自太空的威脅。空間碎片、宇宙風暴、高能粒子……這些都可能影響到衛星的正常執行，而保障衛星穩定正常工作並能指揮衛星動作的，便是任務中心。
“任務中心是確保空間科學衛星在軌安全、可靠、高效執行的主要責任部門。”鄒自明介紹，平日裡，任務中心像是衛星的“保健醫生”，時刻監控衛星的健康狀況，並採用人工智慧和大資料等新技術，儘可能評估和預測衛星未來狀況，做到心中有數。
鄒自明
在任務中心的大螢幕上，各在軌科學衛星的關鍵資訊一目瞭然。衛星在回傳科學資料的同時，其自身的執行狀態資料也會同步向地面“彙報”。日積月累，任務中心便建立起了一套衛星及載荷的“全生命週期健康檔案”。
衛星在軌時間長了，有個“小病小災”肯定難免，相應的處置行動自然也是越快越好。但“隔空診斷”絕非易事，要在短時間內精準找到“病灶”，並且“藥到病除”，更是需要豐富的理論知識和執行經驗作為支撐。6年多來，隨著任務中心團隊處置經驗的豐富和應急預案的不斷完善，對突發情況的響應也越發迅速準確。
2021年5月，“悟空”進入了“長地影”工作模式，即衛星每一圈都會長時間地進入太陽照不到的陰影區。由於衛星主要的電力來源是太陽能電池板供電，“長地影”模式下，需要調整衛星的用電策略，否則就會因電力不足導致載荷無法工作。
任務中心對此胸有成竹。早在2018年，他們就有針對性地制定了“悟空”衛星載荷處置預案。本次“長地影”模式處置，任務中心高階工程師白萌和同事提早與衛星研製方及各載荷單位聯絡，及時對處置方案進行了確認。
十六進位制字串指令，是任務中心與衛星溝通的語言。載荷重新加電、初始化、恢復正常觀測模式、事件表、數傳星曆錶……一條條指令從任務中心迅速傳送至地面站點，並透過天地鏈路傳輸到“悟空”的“大腦”。幾百條指令，將“悟空”所有載荷調整到最新工作狀態，確保其繼續穩定執行科學觀測任務。
在星地測控資源充足的情況下，任務中心對衛星的操控可達“分鐘級響應”。這一點對於科學衛星來說極為重要，一旦發生未被列入日常觀測計劃的科學機遇性事件，需要臨時開展應急觀測時，任務中心要及時上傳指令，指揮衛星轉換姿態，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現雙中子星合併引力波事件中，透過“分鐘級響應”，我國第一顆空間X射線天文衛星——“慧眼”對該事件進行了成功監測。
資料圖片。
2017年8月18日零時58分，“慧眼”將日常觀測任務的科學資料傳至地面。資料產品2分鐘內分發至科學家團隊。經過資料分析，科學家發現，某天區可能存在引力波爆發，於是緊急與運控中心取得聯絡。
1時40分，“需安排兩次小天區觀測”的應急科學計劃提交。任務中心在10分鐘內迅速完成科學計劃的接收、稽核、指令編制、指令反演、複核。
1時50分，應急指令順利上傳至“慧眼”，對指定天區開展觀測。
2時44分，“慧眼”回傳首批引力波事件觀測資料。
2時49分，資料預處理完成，生成第一批科學資料產品。
3時，事件全部科學資料產品生產、分發完成。
行雲流水的操控，保障了科學家在第一時間拿到第一手資料，迅速開展科研工作。當晚，資料中心總計提供事件發生期間的科學資料產品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”剛剛在軌試執行2個月，還處在磨合的“試用期”。它出色的表現，得益於運控中心強大的技術平臺支援，各單位之間完善敏捷的協同工作流程，以及衛星載荷靈敏、強大的功能。
在空間科學先導二期後續任務中，計劃發射的天基多波段空間變源監視器衛星和愛因斯坦探針衛星將具備透過“北斗”系統即時上傳資料的能力，這將極大地提高運控中心的應急響應能力。
養生保健“護理師”
一顆衛星到底能在太空中工作多久？這是一筆經濟賬，也是一筆科學賬。
科學衛星是一個多系統協同工作的裝置。在專案建設之初，科學家會根據衛星需要完成的科學任務目標，為它制定一個“壽命”期限，內部的各載荷單位再比照這一標準各自進行設計製造。
增加衛星的設計壽命，意味著其研製成本也將大幅增加。但如果衛星在軌執行得到有效維護，其在軌服役超出預期的設計壽命，便能夠大大節約觀測所需的成本。而超過設計壽命後，衛星究竟能夠繼續健康工作多久，就更加依賴於地面系統的監測、管理和保障，儘量延長它們的工作時間。
經過權衡，“悟空”在建造時，任務時限被確定為3年，其實際造價遠低於國外的同類探測器。
衛星是否能延壽在軌執行，需要經過嚴格的評估與技術專家的評審。經過3次延壽評審的“悟空”，實際在軌工作時間已經達到了設計壽命的兩倍，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。這證明了在前期研製過程中，大到衛星設計、載荷管理，小到一顆螺絲、一次焊接，“悟空”的每一個細節都已經做到了極致。
在什麼情況下，衛星會被評估為無法繼續工作？評估需要從兩個層面開展。首先，如果衛星的科學目標達成，它的使命就完成了。而如果隨著衛星在軌時間的延長，其“生病”頻率越來越高，甚至出現了一些常駐故障，經過評估，衛星和載荷的狀態不宜繼續工作，任務期便宣告結束。若能開展良好的日常管理，及時處置小意外，便能有效幫助衛星延緩衰老。
6年來，“悟空”的每個載荷的變化波動範圍都極小，工作狀態十分穩定。根據載荷工作原理，其在軌觀測時間越長，積累的資料越多，觀測精度便越高。“悟空”持續在軌工作，將有助於科學家穩定利用科學資料，開展更加連貫深入的科研工作，產出更高價值的科研成果。
“資料需要長期積累、長期觀測，這對於科學研究來說非常關鍵。”鄒自明表示，將科學現象透過儀器觀測轉化為科學資料，這個過程受到很多條件的制約，其中最關鍵的問題之一，便是不同的儀器之間一定存在細微差異。同一個裝置的持續觀測，能夠儘可能減少這些差異，為科學研究長時間提供質量良好、穩定的科學資料。很多地面上的望遠鏡，觀測週期可達幾十年。
6歲的“悟空”，每天依然穩定地回傳著資料，由它的觀測資料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，這標誌著我國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。
基於“悟空”的長期觀測資料，我國科學家發現電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特能量處產生了一個“拐折”，此前這一異常波動從未被人類觀測到。而新近發現的“先上翹後下降”能譜結構，預示可能存在一處未知的宇宙射線源，還有待後續研究明確。
太空觀測“遠望者”
在軌科學衛星遇到的大小事件，都依靠運控中心團隊管理，隨著在軌衛星數量增多，執行管理壓力也隨之增加。為了提高衛星運控效率，運控中心以基礎執行平臺為根基，針對不同的衛星保障需求最佳化專用軟體，形成了“公共平臺+任務外掛”的技術體系。對日後新發射衛星的執行管理，只要對現有系統進行適應性改造，再新研少量的專用軟體即可滿足要求，大大節約了資源和成本。
鄒自明表示，未來的深空探測任務，由於受到空間距離、通道速率等因素的制約，運控中心必須不斷升級現有系統以更好地提供支撐。而且，隨著我國空間科學衛星在軌數量的增多，運控中心需要大規模採用人工智慧、機器學習、大資料、雲平臺等技術，才能讓科學衛星的日常運控工作更加智慧和可靠。
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新能力。鄒自明滿懷期待地表示，未來5到10年內，我們有望建立我國自主可控的科學衛星智慧管控和資料應用生態系統，打造我國自有智慧財產權的科學任務規劃、載荷健康管理、資料處理與分析工具等，推動資料資源和軟體工具的共建共享，讓寶貴的科學衛星和科學資料發揮出更大的作用。
