截至2021年12月17日，“悟空”号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”的設計壽命本來隻有3年，但直到現在，6歲的“悟空”仍然保持着旺盛而充沛的活力，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。
朝霞還挂在天邊，長征二号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裡，并有着銳利的“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制的4顆科學衛星之一，也是世界上觀測能段範圍最寬、能量分辨率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。
資料圖檔。
長1.5米、寬1.5米、高1.2米，整體品質1.85噸，從尺寸來看，“悟空”比一張辦公桌大不了多少。不過可千萬别小看它，“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”，探測的目标則是在宇宙中占比超過四分之一，卻對人類“隐身”的暗物質。
當然，“悟空”收集探測的并非暗物質本身，而是暗物質粒子碰撞後産生的高能伽馬射線、電子和宇宙射線等“蛛絲馬迹”，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，其産生的科學資料會在第一時間被記錄存儲。待飛經我國上空時，“悟空”會迅速與位于新疆喀什、海南三亞、北京密雲的3個地面站點建立天地通信鍊路。科學資料沿着這條通道傳送到地面，并彙總至位于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，雖然能夠增強運作管理的針對性，但也存在資源配置效率、資料共享不足等短闆。
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機關，目前已經成功發射并在軌運作的科學衛星除“悟空”外，還有“墨子号”“實踐十号”“慧眼”“太極一号”“懷柔一号”，以及納入專項管理的可持續發展科學衛星1号。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，支援保障所有項目衛星的日常在軌運作。
作為連接配接衛星和科學使用者的橋梁和樞紐，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，分别承擔衛星運作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，擷取科學資料。雖然天地之間沒有“網線”連接配接，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”還将更加可觀。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。而這些原始資料并不能直接用于科學研究和分析，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丢！”資料中心從業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，他首先要解壓縮并提取有效的資料源包，确認資料片段沒有缺失，随後再進行排序、時間校正、實體量轉換、參數解算等一系列處理，以確定生産的科學資料産品的完整性和正确性。目前，資料中心管理的所有在軌衛星科學資料都實作了落地後100%正确處理。
科學資料産品正确生産後，馬福利要向不同衛星的科學使用者分發産品，并同步将原始資料以及各級資料産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存儲，不利于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，就是要為科學家友善使用空間科學資料架起一座橋梁、搭建一個平台，讓科學資料發揮更大價值。
鑒于此，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，資料中心建立了覆寫資料全生命周期的業務系統，實作衛星科學資料自動化實時處理、快速可視、存儲管理、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，随着在軌科學衛星數量和科學資料量的增加，資料庫内容将不斷豐富。
“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并不都是一帆風順，事實上，它們每時每刻都面臨着來自太空的威脅。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運作，而保障衛星穩定正常工作并能指揮衛星動作的，便是任務中心。
“任務中心是確定空間科學衛星在軌安全、可靠、高效運作的主要責任部門。”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，并采用人工智能和大資料等新技術，盡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了然。衛星在回傳科學資料的同時，其自身的運作狀态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“全生命周期健康檔案”。
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，要在短時間内精準找到“病竈”，并且“藥到病除”，更是需要豐富的理論知識和運作經驗作為支撐。6年多來，随着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确。
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。由于衛星主要的電力來源是太陽能電池闆供電，“長地影”模式下，需要調整衛星的用電政策，否則就會因電力不足導緻載荷無法工作。
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，任務中心進階工程師白萌和同僚提早與衛星研制方及各載荷機關聯系，及時對處置方案進行了确認。
十六進制字元串指令，是任務中心與衛星溝通的語言。載荷重新加電、初始化、恢複正常觀測模式、事件表、數傳星曆表……一條條指令從任務中心迅速發送至地面站點，并通過天地鍊路傳輸到“悟空”的“大腦”。幾百條指令，将“悟空”所有載荷調整到最新工作狀态，確定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”。這一點對于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，指揮衛星轉換姿态，對準觀測目标。
在極光幹涉引力波天文台和室女座引力波天文台首次發現雙中子星合并引力波事件中，通過“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。
2017年8月18日零時58分，“慧眼”将日常觀測任務的科學資料傳至地面。資料産品2分鐘内分發至科學家團隊。經過資料分析，科學家發現，某天區可能存在引力波爆發，于是緊急與運控中心取得聯系。
1時40分，“需安排兩次小天區觀測”的應急科學計劃送出。任務中心在10分鐘内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産品。
3時，事件全部科學資料産品生産、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産品1059個，共23.17GB。
“慧眼”的觀測，為全面了解該引力波事件和引力波閃的實體機制做出了重要貢獻。而此時，立了大功的“慧眼”剛剛在軌試運作2個月，還處在磨合的“試用期”。它出色的表現，得益于運控中心強大的技術平台支援，各機關之間完善靈活的協同工作流程，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螢幕衛星和愛因斯坦探針衛星将具備通過“北鬥”系統即時上傳資料的能力，這将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。在項目建設之初，科學家會根據衛星需要完成的科學任務目标，為它制定一個“壽命”期限，内部的各載荷機關再比照這一标準各自進行設計制造。
增加衛星的設計壽命，意味着其研制成本也将大幅增加。但如果衛星在軌運作得到有效維護，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，就更加依賴于地面系統的監測、管理和保障，盡量延長它們的工作時間。
經過權衡，“悟空”在建造時，任務時限被确定為3年，其實際造價遠低于國外的同類探測器。
衛星是否能延壽在軌運作，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，其整星名額評定依然是100分，這意味着，“悟空”一直保持着完美的工作狀态。這證明了在前期研制過程中，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緻。
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，如果衛星的科學目标達成，它的使命就完成了。而如果随着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，衛星和載荷的狀态不宜繼續工作，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，工作狀态十分穩定。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，将有助于科學家穩定利用科學資料，開展更加連貫深入的科研工作，産出更高價值的科研成果。
“資料需要長期積累、長期觀測，這對于科學研究來說非常關鍵。”鄒自明表示，将科學現象通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，能夠盡可能減少這些差異，為科學研究長時間提供品質良好、穩定的科學資料。很多地面上的望遠鏡，觀測周期可達幾十年。
6歲的“悟空”，每天依然穩定地回傳着資料，由它的觀測資料繪成的世界上迄今為止最精确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确，這标志着我國的空間高能粒子探測研究已跻身世界最前列。
基于“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産生了一個“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，還有待後續研究明确。
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，随着在軌衛星數量增多，運作管理壓力也随之增加。為了提高衛星運控效率，運控中心以基礎運作平台為根基，針對不同的衛星保障需求優化專用軟體，形成了“公共平台+任務插件”的技術體系。對日後新發射衛星的運作管理，隻要對現有系統進行适應性改造，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，運控中心必須不斷更新現有系統以更好地提供支撐。而且，随着我國空間科學衛星在軌數量的增多，運控中心需要大規模采用人工智能、機器學習、大資料、雲平台等技術，才能讓科學衛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新能力。鄒自明滿懷期待地表示，未來5到10年内，我們有望建立我國自主可控的科學衛星智能管控和資料應用生态系統，打造我國自有知識産權的科學任務規劃、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。