揭秘|太空“悟空”卫星的“长寿”离不开地面的“大管家”

作为中国科学院空间科学先导专项一期发射的第一颗卫星，悟空的设计寿命原本只有三年，但直到现在，6岁的悟空依然充满活力，继续为人类遥望宇宙深处。

目前，空间科学试验项目已经成功发射了7颗科学卫星。中科院国家空间科学中心科学卫星综合运行控制中心是这些科学卫星在地面的“大管家”。

中国科学院国家空间科学中心科学卫星综合运输控制中心

科学卫星“遥控器”

2015 12 17凌晨，酒泉卫星发射中心。

朝霞还挂在天边，长征二号运载火箭划破长空，成功将“悟空”卫星送入预定轨道。

《西游记》中，孙悟空一个筋斗能翻十万八千里，火眼金睛。“悟空”卫星当然名副其实。

“悟空”卫星，全称暗物质粒子探测卫星，是中国科学院空间科学战略先导科技工程一期首批研制的四颗科学卫星之一，也是国际上观测能量范围最广、能量分辨率最好的暗物质粒子探测卫星。它每95分钟绕地球一周，每天可以观测到宇宙中500万个高能粒子。

资料图片。

它的长度为1.5m，宽度为1.5m，高度为1.2m，整体质量为1.85t，从体积上来说，悟空比一张书桌大不了多少。但是不要小看它。悟空小小的身体上装有近8万个小探测器，这些小探测器是悟空的眼睛，探测的目标是占宇宙四分之一以上但人类看不见的暗物质。

当然，“悟空”收集探测的不是暗物质本身，而是暗物质粒子碰撞后产生的高能伽马射线、电子、宇宙射线等“线索”。研究人员可以通过对收集到的数据进行科学分析，间接找到暗物质存在的证据。

一旦高能粒子“击中”探测器，其产生的科学数据会在第一时间被记录并存储。在中国上空飞行时，悟空将迅速与位于新疆喀什、海南三亚和北京密云的三个地面站建立天地通信联系。科学数据沿着这条通道传输到地面，在位于北京怀柔科学城的科学卫星综合运行控制中心汇总。

过去，我国的卫星运行控制模式是一颗卫星对应一个地面系统。虽然可以增强运营管理的针对性，但也存在资源配置效率不高、数据共享不够等缺点。

中国科学院国家空间科学中心是中国科学院空间科学试点工程的总承担单位。目前除了悟空，还有墨子号、石坚十号、颜回号、太极一号、怀柔一号，还有可持续发展科学卫星1，都是专项管理。为了更高效地开展卫星在轨管理，国家空间科学中心成立了科学卫星综合运行控制中心，支持所有项目卫星的日常在轨运行。

作为连接卫星和科学用户的桥梁和枢纽，运控中心组建了两支重要队伍——空间科学任务中心和数据中心，分别负责卫星运行管理和科学数据处理。

科学数据“校对者”

发射科学卫星的目的是观测太空和获取科学数据。虽然天地之间没有“网线”连接，但是卫星下载数据的速度并不慢，可以达到每秒150到300兆，峰值甚至可以达到每秒1600兆。未来的“网速”会更加可观。数据中心首先处理这些数据。

该数据中心同时管理多颗卫星，每天都会接收大量数据。仅“悟空”一颗卫星每天就向地面传输约16GB的原始科学数据。但是这些原始数据并不能直接用于科学研究和分析，需要经过数据中心的处理，科学家才能进行后续研究。

“每一个科学数据都不能丢！”数据中心工作人员Maffoli每天的工作就是处理这些外人眼中的“一串乱码”。收到原始科学数据后，他首先需要解压提取有效的数据源包，确保数据碎片不缺失，然后进行排序、时间修正、物理量转换、参数计算等一系列处理，确保生产出的科学数据产品的完整性和正确性。目前，数据中心管理的所有在轨卫星的科学数据在着陆后已经100%正确处理。

科学数据产品生产正确后，Maffoli要将产品分发给不同卫星的科学用户，同时将原始数据和各级数据产品保存到科学卫星数据库中。

中科院国家空间科学中心副主任邹表示，卫星科学数据分散存储，不利于科学数据的高效管理和开放应用，也不方便科学家使用。建立国家空间科学数据中心，就是要为科学家搭建一个方便使用空间科学数据的桥梁和平台，让科学数据发挥更大的作用。

鉴于此，中科院国家空间科学中心推动建立了国家空间科学数据中心，这是我国空间科学领域唯一的国家级科学数据中心。目前，数据中心建立了覆盖数据全生命周期的业务系统，实现了卫星科学数据的自动实时处理、快速可视化、存储管理、归档发布、安全永久保存，在国际上具有一定影响力。空间科学试验特别卫星任务的科学数据可以在这里在线搜索。随着在轨科学卫星数量和科学数据量的增加，数据库的内容将不断丰富。

“数据处理和管理是开展科学研究的基础工作。没有地基，就没有高楼大厦。基础越牢固、越扎实，科学这顶皇冠上就能结出越多的珍珠。”邹对说:

快速响应“护送”

卫星的太空之旅并不总是一帆风顺。事实上，他们总是面临来自太空的威胁。太空垃圾，宇宙风暴，高能粒子...这些都可能影响卫星的正常运行，而保证卫星稳定正常运行并能指挥其行动的正是任务中心。

“任务中心是确保空间科学卫星在轨安全、可靠、高效运行的主要责任部门。”邹介绍，平日里，任务中心就像卫星的“健康医生”，时刻监控卫星的健康状态，尽可能采用人工智能、大数据等新技术对卫星的未来状态进行评估和预测，做到心中有数。

邹子明

在任务中心的大屏幕上，每颗在轨科学卫星的关键信息一目了然。卫星传回科学数据的同时，自身的运行状态数据也会同步“报告”给地面。随着时间的推移，任务中心已经为卫星和有效载荷建立了一套“生命周期健康记录”。

卫星在轨时间长了，难免出现“小病小灾”，相应的处置动作自然是越早越好。然而，“远程诊断”绝非易事。要想在短时间内准确找到“病灶”，做到“药到病除”，需要丰富的理论知识和操作经验作为支撑。六年多来，随着任务中心团队的丰富经验和应急预案的不断完善，对突发事件的反应变得更加迅速和准确。

2021年5月，悟空进入“长影”工作模式，即卫星的每一圈都会长时间进入太阳以外的阴影区域。由于卫星的主电源是太阳能电池板供电，因此需要在“长影”模式下调整卫星的用电策略，否则负载会因电量不足而无法工作。

任务中心对此有一个好主意。早在2065438+2008年，他们就制定了“悟空”卫星载荷处置方案。任务中心高级工程师白萌和他的同事们提前与卫星研制方和各载荷单位联系，及时确定处置方案。

十六进制字符串指令是任务中心和卫星之间的通信语言。诸如负载重新通电、初始化、正常观察模式恢复、事件列表、数字星历等指令。从任务中心迅速发送到地面站，并通过天地链路传输到悟空的“大脑”。上百条指令，把悟空的所有载荷调整到最新的工作状态，保证它继续稳定执行科学观测任务。

当星地TT&C资源充足时，任务中心可以对卫星实现“分钟级响应”。这对科学卫星极其重要。遇有未纳入日常观测计划，需要临时开展应急观测的科学机会事件，任务中心要及时上传指令，指挥卫星改变姿态，瞄准观测目标。

在极光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台首次发现双中子星引力波事件期间，该事件被我国首颗空间X射线天文卫星“分钟级响应”成功监测到。

资料图片。

2018年8月18日0时58分，“慧眼”向地面传输了日常观测任务的科学数据。数据产品在2分钟内分发给科学家团队。经过数据分析，科学家发现某个区域可能会发生引力波爆炸，于是紧急联系了运输控制中心。

1: 40，提交应急科学计划“哮天地区需要安排两个观测”。任务中心在10分钟内迅速完成了科学计划的接收、审核、指令准备、指令反演、复核等工作。

1: 50，紧急指令成功上传至“颜回”号，对指定天空区域进行观测。

2点44分，“颜回”传回了第一批引力波事件观测数据。

2时49分，数据预处理完成，第一批科学数据产品生成。

3点，活动所有科学数据产品的制作和分发完成。

对流水的控制，保证了科学家能在第一时间获得第一手数据，快速开展科研工作。当晚，数据中心在事件期间共提供了1059个科学数据产品，***23.17GB。

“天眼”的观测为全面理解引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献。此时，立下汗马功劳的“颜回”刚刚入轨2个月，还处于磨合的“试用期”。其卓越的性能得益于运行控制中心强大的技术平台支持、各单位间完善敏捷的协同工作流程、卫星载荷灵敏强大的功能。

在空间科学先导二期后续任务中，计划发射的天基多频段空间变源监测卫星和爱因斯坦探测卫星将具备通过北斗系统实时上传数据的能力，这将大大提高运行控制中心的应急响应能力。

卫生保健“执业护士”

卫星能在太空工作多久？这是一笔经济账，也是一笔科学账。

科学卫星是多系统合作设备。在项目建设之初，科学家们会根据卫星的科学任务目标，为卫星设定一个“寿命”期，各内部载荷单元按照这个标准进行设计和制造。

增加卫星的设计寿命，意味着它的研制成本也会大大增加。但如果卫星在轨运行得到有效维持，且其在轨服务超过预期设计寿命，则观测所需的成本可以大大节省。而卫星在设计寿命后还能健康工作多久，更多的是依靠地面系统的监控、管理和保障，尽可能延长工作时间。

经过权衡，悟空建造时，任务时限确定为三年，其实际成本远低于国外同类探测器。

卫星能否延长在轨寿命，需要技术专家的严格评估和评价。经过三次延寿评估，实际在轨工作时间达到了设计寿命的两倍，其总体指标评估仍为100分，这意味着“悟空”一直保持着完美的工作状态。这证明在早期的研制过程中，从卫星设计、载荷管理到一颗螺丝、一个焊接，悟空的每一个细节都做到了极致。

在什么情况下卫星会被评估为不可操作？评估需要在两个层面上进行。首先，如果卫星的科学目标实现了，它的使命就完成了。但是，如果卫星的“生病”频率随着其在轨时间的延长越来越高，甚至出现一些永久性故障，经过评估，卫星的状态和载荷不适合继续工作，任务期就结束了。如果能进行良好的日常管理，及时处理小事故，就能有效帮助卫星延缓老化。

六年来，悟空的各项载荷波动幅度极小，工作状态非常稳定。根据载荷的工作原理，在轨观测时间越长，积累的数据越多，观测精度越高。“悟空”将继续在轨工作，有助于科学家稳定使用科学数据，开展更加连贯和深入的科研工作，产生更高价值的科研成果。

“数据需要长期的积累和长期的观察，这对于科学研究非常重要。”邹表示，通过仪器观测将科学现象转化为科学数据的过程受到很多条件的制约，其中一个最关键的问题就是不同仪器之间必然存在细微的差异。对同一台设备进行连续观测，可以最大限度地减少这些差异，为科学研究长期提供良好稳定的科学数据。地面上很多望远镜可以观测几十年。

六岁的“悟空”依然每天稳定发回数据，由其观测数据绘制的世界最精确的高能电子宇宙线能谱和高能氦核宇宙线能谱越来越精确，这标志着我国的空间高能粒子探测研究已经走在世界前列。

中国科学家基于悟空的长期观测数据，发现电子宇宙线能谱在1.4万亿电子伏的能量处产生了“扭结”，这是一种人类以前从未观测到的异常波动。但新发现的“先上后下”的能谱结构表明可能存在未知的宇宙线源，有待进一步研究。

太空观测“远视者”

科学卫星在轨遇到的大事小事，都取决于运行控制中心团队的管理。随着在轨卫星数量的增加，运行管理的压力也随之增加。为了提高卫星运行控制的效率，在基础运行平台的基础上，运行控制中心针对不同的卫星支撑需求优化专用软件，形成了“公共平台+任务插件”的技术体系。对于未来新发射卫星的运行管理，只要对现有系统进行适配，新开发少量专用软件即可满足要求，大大节约了资源和成本。

邹表示，由于受到空间距离、信道速率等因素的制约，运营控制中心必须不断升级现有系统，以提供更好的支持。而且，随着我国在轨空间科学卫星越来越多，运行控制中心需要大规模采用人工智能、机器学习、大数据、云平台等技术，使科学卫星的日常运行控制更加智能可靠。

目前，运控中心团队平均年龄仅36岁，年轻的团队科研创新能力强。邹满怀期待地说，未来5年到10年，我们有望建立自主可控的科学卫星智能管理和数据应用生态系统，构建具有自主知识产权的科学任务规划、载荷健康管理、数据处理和分析工具，促进数据资源和软件工具的共享，让有价值的科学卫星和科学数据发挥更大作用。