文 | 白青江 范全林 時蓬

中國科學院國家空間科學中心/空間科學與深空探測規(guī)劃論證中心

一、引言

中國科學院2011年以來實施的空間科學先導專項，依托我國航天民用衛(wèi)星工程五大系統(tǒng)的管理基礎，針對科學衛(wèi)星承載的新歷史使命，創(chuàng)造性地把以往的地面應用系統(tǒng)科學地分解為地面支撐系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)[1]，已完成的悟空號等多顆科學衛(wèi)星工程任務證明了這條創(chuàng)新實踐的效益，成為我國空間科學未來發(fā)展必需的重大科技基礎設施，為我國空間科學衛(wèi)星系列的健康接續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎。

本文回溯空間科學衛(wèi)星地面應用源于民用衛(wèi)星管理模式、對標美歐先進實踐，先行先試推動我國民用衛(wèi)星工程管理升級的歷程，展望了其支撐我國空間科學并跑乃至領跑世界的前景。

二、衛(wèi)星工程地面應用的內(nèi)涵

根據(jù)國際慣例，航天器系統(tǒng)包括空間段、地面段和用戶。其中，地面段負責對航天器的管理，向主要的利益相關方分發(fā)載荷數(shù)據(jù)和提供遙測，包括地面站、任務控制/運行中心、地面網(wǎng)絡（負責地面所有元素的聯(lián)絡）、遠程終端、航天器集成測試設施，以及發(fā)射設施等。在地理位置上，這些設施或集中或分散分布，也可能由不同的利益相關方運行。一些設施可能同時支撐多個航天器任務[2]。

地面應用是我國衛(wèi)星工程傳統(tǒng)的五大系統(tǒng)之一。2003-2004年實施的“雙星計劃”延續(xù)了衛(wèi)星工程傳統(tǒng)的五大系統(tǒng)概念，當時設置的是地面應用系統(tǒng)。根據(jù)民用衛(wèi)星工程任務的不同，地面應用系統(tǒng)下屬的具體分系統(tǒng)各具特色。例如，我國海洋衛(wèi)星由于通過雷達高度計測量海洋高度場的需要，其地面應用系統(tǒng)設立了精密定軌分系統(tǒng)[3]。氣象衛(wèi)星由于衛(wèi)星資料接收質(zhì)量評價、相關異常定位等需要運維人員進行較復雜、繁瑣的操作，提出了風云三號地面應用系統(tǒng)[4]運維輔助系統(tǒng)建議[5]。2016年國防科工局發(fā)布了《民用衛(wèi)星工程管理暫行辦法》，指出衛(wèi)星工程（非載人航天）包括六大系統(tǒng)，即衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和應用系統(tǒng)[6]。這里的地面系統(tǒng)和應用系統(tǒng)共同對應著傳統(tǒng)意義上的地面應用系統(tǒng)，但與國際航天器系統(tǒng)中地面段的定義稍有區(qū)別。

三、美歐科學衛(wèi)星地面應用

空間科學任務在美歐等航天強國和機構(gòu)中占有重要地位。研究表明，美國國家航空航天局（NASA）衛(wèi)星工程下設了地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括地面站和控制中心。其中，戈達德航天飛行中心（GSFC）、噴氣推進實驗室（JPL）和艾姆斯研究中心（Ames）主要負責空間科學衛(wèi)星任務的運行和管理，具有多星多任務同時運行的能力；衛(wèi)星的科學運行則主要由項目首席科學家所在單位負責。歐洲航天局（ESA）由歐洲空間運行中心（ESOC）承擔其所有空間天文和太陽系探測衛(wèi)星地面公共支撐的職責，其科學應用則主要由歐洲空間天文中心（ESAC）進行總體管理，其中也有個別衛(wèi)星的科學應用設在了首席科學家所在單位。

1．NASA科學衛(wèi)星地面應用

NASA衛(wèi)星工程下設了地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括地面站，含深空網(wǎng)絡（DSN）和控制中心，后者包括衛(wèi)星運行控制中心（SOCC）、載荷運行控制中心（POCC）和任務控制中心（MCC）[7]（見圖1）。其中，SOCC為衛(wèi)星提供飛行/姿態(tài)控制[8]，POCC為星上科學活動提供支撐和控制，MCC則負責運行基礎設施，為科學實驗提供支撐[9]。根據(jù)衛(wèi)星任務的類型、規(guī)模和復雜性，上述地面站網(wǎng)絡和控制中心可能在同一個辦公地點。對于總質(zhì)量小于180kg的小衛(wèi)星，上述三個控制中心可合并為一個[7]。

圖1 NASA地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

NASA的研究中心如GSFC、JPL和Ames，主要負責空間科學衛(wèi)星任務的運行和管理，具有多星多任務同時運行的能力。其中，JPL當前主要開展機器人太陽系探索（深空探測）和空間地球科學探索研究，還負責研發(fā)和管理NASA深空網(wǎng)絡全球范圍內(nèi)的天線系統(tǒng)，負責行星際航天器的通信[10]。目前JPL運行著超過10個空間科學衛(wèi)星任務。

以朱諾號（Juno）任務為例，JPL負責其地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)的管理，其地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)經(jīng)理為來自JPL的帕特·杜本，其科學運行系統(tǒng)和任務運行系統(tǒng)的具體情況如圖2所示。任務運行系統(tǒng)負責提供該任務運行所需的軟件、硬件、網(wǎng)絡和信息服務，并將載荷的工程數(shù)據(jù)和原始科學數(shù)據(jù)提供給載荷研制方和Juno科學運行中心。洛克希德·馬丁公司負責Juno探測器的研發(fā)、建造以及飛行控制，項目首席科學家斯科特·伯頓博士所在的西南研究所負責科學載荷的運行，JPL負責任務的規(guī)劃、導航、數(shù)據(jù)管理和地面站運行[11]。

此外，1966年組建的美國國家空間科學數(shù)據(jù)中心（NSSDCA）是NASA空間科學任務數(shù)據(jù)的永久檔案庫，為研究人員和公眾提供相關數(shù)據(jù)信息。該中心還作為空間物理任務數(shù)據(jù)的永久檔案庫，提供數(shù)個地球物理模型以及非NASA任務的數(shù)據(jù)等[12]。在NASA地球觀測系統(tǒng)計劃官網(wǎng)，設有地球科學數(shù)據(jù)網(wǎng)站及相關鏈接，供研究人員和公眾獲取和使用[13]。

NASA偶爾也委托大學院校對一些空間科學衛(wèi)星任務進行運行和管理。例如帕克號太陽探測器（Parker Solar Probe）由約翰·霍普金斯應用物理研究室設計、建造、運行，并受NASA委托對項目進行管理。

2. ESA科學衛(wèi)星地面應用

歐洲空間運行中心（ESOC）位于德國達姆施塔特，是ESA的主要任務控制中心，主要運行ESA非載人航天器，以及ESA和第三方衛(wèi)星任務的發(fā)射和早期軌道階段，包括軌道控制，管理其全球地面站網(wǎng)絡，并負責設計和建造地面段系統(tǒng)[14]。1967年以來ESOC運行了超過70顆ESA及其合作伙伴的衛(wèi)星，具有同時運行10顆以上衛(wèi)星的支撐能力[15]。

在科學衛(wèi)星方面，ESOC負責ESA所有空間天文和太陽系探測衛(wèi)星的任務運行/飛行控制，承擔了地面公共支撐職責，并將科學數(shù)據(jù)提供給歐洲空間天文中心（ESAC）[16]。

位于西班牙馬德里的ESAC是ESA空間天文和行星任務的科學運行中心，同時負責ESA所有空間天文和行星科學任務的數(shù)據(jù)檔案，是獲取科學數(shù)據(jù)的門戶。該中心研究領域覆蓋了ESA的所有空間科學研究領域，還參與了對地觀測活動，例如主導了土壤濕度和海洋鹽度衛(wèi)星（SMOS）地面段的載荷運行和數(shù)據(jù)處理工作等[17]。

ESAC目前負責ESA共5顆科學衛(wèi)星的科學運行，包括貝皮·科倫布（BepiColombo）、火星快車（Mars Express）、蓋亞（Gaia）等。除了負責科學衛(wèi)星的科學運行外，ESAC也擁有眾多天線，具備現(xiàn)代電子遙測、遙控等設備，以控制衛(wèi)星及其載荷，并接收科學數(shù)據(jù)。

以Gaia任務為例，ESOC負責其運行，使用西班牙Cebreros、澳大利亞New Norcia和阿根廷Malargüe的地面站接收數(shù)據(jù)，其科學運行和數(shù)據(jù)發(fā)布由ESAC負責[18-19]。

四、我國科學衛(wèi)星地面應用的發(fā)展與創(chuàng)新

我國空間科學衛(wèi)星的地面應用經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的地面應用系統(tǒng)到如今地面支撐系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)分開設置的發(fā)展歷程。其中，地面支撐系統(tǒng)作為科學衛(wèi)星的公共平臺，科學應用系統(tǒng)建在項目首席科學家所在單位。發(fā)展的創(chuàng)新實踐還在于，建成了支撐多個科學衛(wèi)星的公共的地面支撐系統(tǒng)，避免“一星一議”重復建設，實現(xiàn)投資最大化；建成專用的科學應用系統(tǒng)，支撐首席科學家圍繞重大科學目標實現(xiàn)科學產(chǎn)出最大化。

1．“雙星計劃”延續(xù)傳統(tǒng)的民用衛(wèi)星工程地面應用模式

我國聚焦重大科學目標的科學衛(wèi)星起步很晚?！半p星計劃”是首個真正意義的科學衛(wèi)星任務，于21世紀初立項研制，按照傳統(tǒng)的地面應用開展工作。其地面應用系統(tǒng)建設由中國科學院空間科學與應用研究中心（國家空間科學中心前身）承擔，負責雙星業(yè)務運行管理工作和科學數(shù)據(jù)的接收、處理、訂正以及歸檔管理，向科學用戶提供科學數(shù)據(jù)產(chǎn)品，組織和進行科學研究。

“雙星計劃”也是我國第一次以自主提出的空間探測計劃進行國際合作的重大科學探測項目。2001年7月9日中國航天局與ESA正式簽署了“雙星計劃”合作協(xié)議。ESA歐洲空間技術(shù)研究中心（ESTEC）負責科學與技術(shù)總體，是“雙星計劃”在歐方的總體負責部門；西班牙衛(wèi)星地面接收站負責“雙星計劃”數(shù)據(jù)接收；英國盧瑟福國家實驗室空間科學部負責了歐洲科學運行中心的建設和運行。

雙星的科學數(shù)據(jù)中心主要由中國和歐洲的幾個數(shù)據(jù)中心組成，其中，歐洲數(shù)據(jù)中心下設英國、法國和奧地利3個數(shù)據(jù)中心。由應用系統(tǒng)的地面應用分系統(tǒng)負責0級數(shù)據(jù)處理，有效載荷科學分系統(tǒng)負責1級數(shù)據(jù)處理，雙星科學數(shù)據(jù)中心負責數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成與有效化，地面應用分系統(tǒng)、軌道分析與計算子系統(tǒng)和科學運行中心負責輔助數(shù)據(jù)[20]。

另外，如前所述，深空探測/行星科學探索屬于空間科學領域，然而我國探月工程和火星探測亦是按照傳統(tǒng)的地面應用模式開展工作[21-22]，本文將不展開闡述。

2．空間科學先導專項創(chuàng)新科學衛(wèi)星地面應用模式

隨著我國空間科學事業(yè)的發(fā)展，科學衛(wèi)星地面應用開展了重要創(chuàng)新。鑒于空間科學是交叉性、綜合性的新興科學領域，亟需建設支持多個空間科學衛(wèi)星任務所需的公共支撐平臺[23]。同時，科學衛(wèi)星任務不同于應用衛(wèi)星和技術(shù)試驗衛(wèi)星，其承載著“在最具優(yōu)勢和最具重大科學發(fā)現(xiàn)潛力的科學熱點領域，實現(xiàn)科學上的重大創(chuàng)新突破、帶動相關高技術(shù)跨越發(fā)展”的新歷史使命，亟需建設科學研究專用的科學應用平臺，支持以首席科學家為代表的科學團隊專心致研。

為此，空間科學先導專項創(chuàng)造性地把以往的地面應用系統(tǒng)科學地分解為地面支撐系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)，支持了悟空號、墨子號、實踐十號和“慧眼”衛(wèi)星的發(fā)射和在軌測試，確保了衛(wèi)星有效載荷安全、可靠、高效運行，科學數(shù)據(jù)100%接收，數(shù)據(jù)產(chǎn)品及時準確分發(fā)，為保障科學產(chǎn)出做出了積極貢獻。

（1） 科學衛(wèi)星的地面支撐系統(tǒng)配置

地面支撐系統(tǒng)的方案按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌建設、統(tǒng)一管理”的原則進行設計，確保功能完整、業(yè)務流程與接口明確、架構(gòu)合理、具備良好的擴展性。它采用了“公共平臺+任務插件”的框架，建成了一套具備多星多任務、易擴展的在軌運行支持平臺，并集成了衛(wèi)星上行控制、實時處理監(jiān)視、數(shù)據(jù)預處理等多個作業(yè)平臺。

地面支撐系統(tǒng)由空間科學任務運行分系統(tǒng)、空間科學數(shù)據(jù)處理與管理分系統(tǒng)、地面接收分系統(tǒng)和總體技術(shù)分系統(tǒng)組成，具體包括近地站網(wǎng)、深空站網(wǎng)，以及科學衛(wèi)星綜合運控中心和空間科學數(shù)據(jù)中心等基礎設施。其中，近地站網(wǎng)和深空站網(wǎng)負責接收數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段利用了中國科學院空天信息院的密云站、喀什站和三亞站的12m接收系統(tǒng)實現(xiàn)空間科學衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收。綜合運控中心和空間科學數(shù)據(jù)中心建在中國科學院國家空間科學中心懷柔主園區(qū)，前者負責將運行計劃轉(zhuǎn)化為工程指令上行（注入）給在軌運行的科學衛(wèi)星；后者負責對下行數(shù)據(jù)進行預處理，并分發(fā)至科學應用系統(tǒng)。

地面支撐系統(tǒng)還建立了以懷柔園區(qū)為樞紐，連接衛(wèi)星測控系統(tǒng)、地面接收系統(tǒng)、科學應用系統(tǒng)以及地面光學站和災備中心之間可靠、安全的地面通信網(wǎng)絡。科學衛(wèi)星地面支撐系統(tǒng)通信網(wǎng)絡拓撲圖如圖 3所示[24]。

圖3 科學衛(wèi)星地面支撐系統(tǒng)通信網(wǎng)絡拓撲圖

當前，我國科學衛(wèi)星的地面支撐系統(tǒng)已高質(zhì)量完成了悟空號、墨子號等任務的數(shù)據(jù)接收、處理和在軌運行服務，支撐了一批有重要國際影響的科學產(chǎn)出，成為我國民用衛(wèi)星工程管理升級、“先行先試”的成功范例。鑒于我國所有非載人衛(wèi)星任務的測控工作由西安衛(wèi)星測控中心負責，載人航天任務的測控工作由北京航天飛行控制中心負責，上述科學衛(wèi)星的衛(wèi)星測控工作由西安衛(wèi)星測控中心負責實施。

（2）科學衛(wèi)星的科學應用系統(tǒng)配置

科學應用系統(tǒng)一般建在項目首席科學家所在單位，例如悟空號科學應用系統(tǒng)建在中國科學院紫金山天文臺，充分發(fā)揮其學科優(yōu)勢和工作積極性，負責制定科學運行計劃，并對下行數(shù)據(jù)進行標定和分析處理，產(chǎn)出科學成果。

空間科學先導專項衛(wèi)星工程確保了地面支撐系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)的界面解讀非常清楚。以“慧眼”為例，地面支撐系統(tǒng)實施有效載荷在軌運行管理，完成科學觀測數(shù)據(jù)的接收和預處理，對數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行質(zhì)量控制、統(tǒng)一管理和永久歸檔，面向科學用戶提供長期的科學數(shù)據(jù)檔案共享服務，面向社會公眾發(fā)布任務信息；科學應用系統(tǒng)實現(xiàn)了有效載荷的在軌監(jiān)測與參數(shù)調(diào)整、科學觀測計劃制定、數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成與數(shù)據(jù)分析等功能[24]。科學衛(wèi)星廣義上的科學計劃收集、運行計劃制定和指令上注流程如圖4所示[25]。

圖4 科學計劃收集、運行計劃制定和指令上注流程

可見，我國航天衛(wèi)星工程六大系統(tǒng)的劃分以及相關機構(gòu)的職能，與美國NASA地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及ESA的ESOC和ESAC存在差異，具有中國特色。國內(nèi)的科學衛(wèi)星地面應用創(chuàng)新大致對應于NASA地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)的任務運行系統(tǒng)中的任務規(guī)劃團隊、數(shù)據(jù)管理團隊和科學運行系統(tǒng)中的載荷運行團隊，以及ESA ESOC的任務運控（非飛行控制）、ESAC的總體機構(gòu)和數(shù)據(jù)管理職能。

五、科學衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)配置的展望

空間科學先導專項建成的地面支撐系統(tǒng)已成為我國科學衛(wèi)星系列未來發(fā)展不可或缺的重大科技基礎設施。當前空間科學（二期）先導專項順利推進，地面支撐系統(tǒng)將適時增加新的科學衛(wèi)星任務插件，支持愛因斯坦探針（EP）衛(wèi)星、中歐聯(lián)合“微笑計劃”（SMILE）、天基多波段空間變源監(jiān)視器（SVOM）等8顆衛(wèi)星任務，充分體現(xiàn)了其支持多星多任務、易擴展的特點和優(yōu)勢。

同時，地面支撐系統(tǒng)建成的空間科學數(shù)據(jù)中心也為發(fā)展國家空間科學數(shù)據(jù)中心奠定了堅實基礎。2019年6月，科技部與財政部確認國家空間科學數(shù)據(jù)中心成為20個國家科學數(shù)據(jù)中心之一（國科發(fā)基〔2019〕194號）。

我國空間科學體量小，在國際空間科學衛(wèi)星大家庭的占比僅1%左右，支撐能力和經(jīng)驗都較為薄弱，仍需對標美歐科學衛(wèi)星先進支撐和運行能力，以支撐我國空間科學并跑乃至領跑世界，為建設科技強國做出不可或缺的貢獻。

致謝：本項研究得到了空間科學先導專項衛(wèi)星工程地面支撐系統(tǒng)常務副總指揮兼常務副總師胡鈦研究員的指導。