科学卫星工程地面应用系统配置的创新实践

文 | 白青江 范全林 时蓬

中国科学院国家空间科学中心/空间科学与深空探测规划论证中心

一、引言

中国科学院2011年以来实施的空间科学先导专项，依托我国航天民用卫星工程五大系统的管理基础，针对科学卫星承载的新历史使命，创造性地把以往的地面应用系统科学地分解为地面支撑系统和科学应用系统[1]，已完成的悟空号等多颗科学卫星工程任务证明了这条创新实践的效益，成为我国空间科学未来发展必需的重大科技基础设施，为我国空间科学卫星系列的健康接续发展奠定了坚实基础。

本文回溯空间科学卫星地面应用源于民用卫星管理模式、对标美欧先进实践，先行先试推动我国民用卫星工程管理升级的历程，展望了其支撑我国空间科学并跑乃至领跑世界的前景。

二、卫星工程地面应用的内涵

根据国际惯例，航天器系统包括空间段、地面段和用户。其中，地面段负责对航天器的管理，向主要的利益相关方分发载荷数据和提供遥测，包括地面站、任务控制/运行中心、地面网络（负责地面所有元素的联络）、远程终端、航天器集成测试设施，以及发射设施等。在地理位置上，这些设施或集中或分散分布，也可能由不同的利益相关方运行。一些设施可能同时支撑多个航天器任务[2]。

地面应用是我国卫星工程传统的五大系统之一。2003-2004年实施的“双星计划”延续了卫星工程传统的五大系统概念，当时设置的是地面应用系统。根据民用卫星工程任务的不同，地面应用系统下属的具体分系统各具特色。例如，我国海洋卫星由于通过雷达高度计测量海洋高度场的需要，其地面应用系统设立了精密定轨分系统[3]。气象卫星由于卫星资料接收质量评价、相关异常定位等需要运维人员进行较复杂、繁琐的操作，提出了风云三号地面应用系统[4]运维辅助系统建议[5]。2016年国防科工局发布了《民用卫星工程管理暂行办法》，指出卫星工程（非载人航天）包括六大系统，即卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面系统和应用系统[6]。这里的地面系统和应用系统共同对应着传统意义上的地面应用系统，但与国际航天器系统中地面段的定义稍有区别。

三、美欧科学卫星地面应用

空间科学任务在美欧等航天强国和机构中占有重要地位。研究表明，美国国家航空航天局（NASA）卫星工程下设了地面数据系统，包括地面站和控制中心。其中，戈达德航天飞行中心（GSFC）、喷气推进实验室（JPL）和艾姆斯研究中心（Ames）主要负责空间科学卫星任务的运行和管理，具有多星多任务同时运行的能力；卫星的科学运行则主要由项目首席科学家所在单位负责。欧洲航天局（ESA）由欧洲空间运行中心（ESOC）承担其所有空间天文和太阳系探测卫星地面公共支撑的职责，其科学应用则主要由欧洲空间天文中心（ESAC）进行总体管理，其中也有个别卫星的科学应用设在了首席科学家所在单位。

1．NASA科学卫星地面应用

NASA卫星工程下设了地面数据系统，包括地面站，含深空网络（DSN）和控制中心，后者包括卫星运行控制中心（SOCC）、载荷运行控制中心（POCC）和任务控制中心（MCC）[7]（见图1）。其中，SOCC为卫星提供飞行/姿态控制[8]，POCC为星上科学活动提供支撑和控制，MCC则负责运行基础设施，为科学实验提供支撑[9]。根据卫星任务的类型、规模和复杂性，上述地面站网络和控制中心可能在同一个办公地点。对于总质量小于180kg的小卫星，上述三个控制中心可合并为一个[7]。

图1 NASA地面数据系统结构图

NASA的研究中心如GSFC、JPL和Ames，主要负责空间科学卫星任务的运行和管理，具有多星多任务同时运行的能力。其中，JPL当前主要开展机器人太阳系探索（深空探测）和空间地球科学探索研究，还负责研发和管理NASA深空网络全球范围内的天线系统，负责行星际航天器的通信[10]。目前JPL运行着超过10个空间科学卫星任务。

以朱诺号（Juno）任务为例，JPL负责其地面数据系统的管理，其地面数据系统经理为来自JPL的帕特·杜本，其科学运行系统和任务运行系统的具体情况如图2所示。任务运行系统负责提供该任务运行所需的软件、硬件、网络和信息服务，并将载荷的工程数据和原始科学数据提供给载荷研制方和Juno科学运行中心。洛克希德·马丁公司负责Juno探测器的研发、建造以及飞行控制，项目首席科学家斯科特·伯顿博士所在的西南研究所负责科学载荷的运行，JPL负责任务的规划、导航、数据管理和地面站运行[11]。

此外，1966年组建的美国国家空间科学数据中心（NSSDCA）是NASA空间科学任务数据的永久档案库，为研究人员和公众提供相关数据信息。该中心还作为空间物理任务数据的永久档案库，提供数个地球物理模型以及非NASA任务的数据等[12]。在NASA地球观测系统计划官网，设有地球科学数据网站及相关链接，供研究人员和公众获取和使用[13]。

NASA偶尔也委托大学院校对一些空间科学卫星任务进行运行和管理。例如帕克号太阳探测器（Parker Solar Probe）由约翰·霍普金斯应用物理研究室设计、建造、运行，并受NASA委托对项目进行管理。

2. ESA科学卫星地面应用

欧洲空间运行中心（ESOC）位于德国达姆施塔特，是ESA的主要任务控制中心，主要运行ESA非载人航天器，以及ESA和第三方卫星任务的发射和早期轨道阶段，包括轨道控制，管理其全球地面站网络，并负责设计和建造地面段系统[14]。1967年以来ESOC运行了超过70颗ESA及其合作伙伴的卫星，具有同时运行10颗以上卫星的支撑能力[15]。

在科学卫星方面，ESOC负责ESA所有空间天文和太阳系探测卫星的任务运行/飞行控制，承担了地面公共支撑职责，并将科学数据提供给欧洲空间天文中心（ESAC）[16]。

位于西班牙马德里的ESAC是ESA空间天文和行星任务的科学运行中心，同时负责ESA所有空间天文和行星科学任务的数据档案，是获取科学数据的门户。该中心研究领域覆盖了ESA的所有空间科学研究领域，还参与了对地观测活动，例如主导了土壤湿度和海洋盐度卫星（SMOS）地面段的载荷运行和数据处理工作等[17]。

ESAC目前负责ESA共5颗科学卫星的科学运行，包括贝皮·科伦布（BepiColombo）、火星快车（Mars Express）、盖亚（Gaia）等。除了负责科学卫星的科学运行外，ESAC也拥有众多天线，具备现代电子遥测、遥控等设备，以控制卫星及其载荷，并接收科学数据。

以Gaia任务为例，ESOC负责其运行，使用西班牙Cebreros、澳大利亚New Norcia和阿根廷Malargüe的地面站接收数据，其科学运行和数据发布由ESAC负责[18-19]。

四、我国科学卫星地面应用的发展与创新

我国空间科学卫星的地面应用经历了从传统的地面应用系统到如今地面支撑系统和科学应用系统分开设置的发展历程。其中，地面支撑系统作为科学卫星的公共平台，科学应用系统建在项目首席科学家所在单位。发展的创新实践还在于，建成了支撑多个科学卫星的公共的地面支撑系统，避免“一星一议”重复建设，实现投资最大化；建成专用的科学应用系统，支撑首席科学家围绕重大科学目标实现科学产出最大化。

1．“双星计划”延续传统的民用卫星工程地面应用模式

我国聚焦重大科学目标的科学卫星起步很晚。“双星计划”是首个真正意义的科学卫星任务，于21世纪初立项研制，按照传统的地面应用开展工作。其地面应用系统建设由中国科学院空间科学与应用研究中心（国家空间科学中心前身）承担，负责双星业务运行管理工作和科学数据的接收、处理、订正以及归档管理，向科学用户提供科学数据产品，组织和进行科学研究。

“双星计划”也是我国第一次以自主提出的空间探测计划进行国际合作的重大科学探测项目。2001年7月9日中国航天局与ESA正式签署了“双星计划”合作协议。ESA欧洲空间技术研究中心（ESTEC）负责科学与技术总体，是“双星计划”在欧方的总体负责部门；西班牙卫星地面接收站负责“双星计划”数据接收；英国卢瑟福国家实验室空间科学部负责了欧洲科学运行中心的建设和运行。

双星的科学数据中心主要由中国和欧洲的几个数据中心组成，其中，欧洲数据中心下设英国、法国和奥地利3个数据中心。由应用系统的地面应用分系统负责0级数据处理，有效载荷科学分系统负责1级数据处理，双星科学数据中心负责数据产品生成与有效化，地面应用分系统、轨道分析与计算子系统和科学运行中心负责辅助数据[20]。

另外，如前所述，深空探测/行星科学探索属于空间科学领域，然而我国探月工程和火星探测亦是按照传统的地面应用模式开展工作[21-22]，本文将不展开阐述。

2．空间科学先导专项创新科学卫星地面应用模式

随着我国空间科学事业的发展，科学卫星地面应用开展了重要创新。鉴于空间科学是交叉性、综合性的新兴科学领域，亟需建设支持多个空间科学卫星任务所需的公共支撑平台[23]。同时，科学卫星任务不同于应用卫星和技术试验卫星，其承载着“在最具优势和最具重大科学发现潜力的科学热点领域，实现科学上的重大创新突破、带动相关高技术跨越发展”的新历史使命，亟需建设科学研究专用的科学应用平台，支持以首席科学家为代表的科学团队专心致研。

为此，空间科学先导专项创造性地把以往的地面应用系统科学地分解为地面支撑系统和科学应用系统，支持了悟空号、墨子号、实践十号和“慧眼”卫星的发射和在轨测试，确保了卫星有效载荷安全、可靠、高效运行，科学数据100%接收，数据产品及时准确分发，为保障科学产出做出了积极贡献。

（1） 科学卫星的地面支撑系统配置

地面支撑系统的方案按照“统一规划、统筹建设、统一管理”的原则进行设计，确保功能完整、业务流程与接口明确、架构合理、具备良好的扩展性。它采用了“公共平台+任务插件”的框架，建成了一套具备多星多任务、易扩展的在轨运行支持平台，并集成了卫星上行控制、实时处理监视、数据预处理等多个作业平台。

地面支撑系统由空间科学任务运行分系统、空间科学数据处理与管理分系统、地面接收分系统和总体技术分系统组成，具体包括近地站网、深空站网，以及科学卫星综合运控中心和空间科学数据中心等基础设施。其中，近地站网和深空站网负责接收数据，现阶段利用了中国科学院空天信息院的密云站、喀什站和三亚站的12m接收系统实现空间科学卫星的数据接收。综合运控中心和空间科学数据中心建在中国科学院国家空间科学中心怀柔主园区，前者负责将运行计划转化为工程指令上行（注入）给在轨运行的科学卫星；后者负责对下行数据进行预处理，并分发至科学应用系统。

地面支撑系统还建立了以怀柔园区为枢纽，连接卫星测控系统、地面接收系统、科学应用系统以及地面光学站和灾备中心之间可靠、安全的地面通信网络。科学卫星地面支撑系统通信网络拓扑图如图 3所示[24]。

图3 科学卫星地面支撑系统通信网络拓扑图

当前，我国科学卫星的地面支撑系统已高质量完成了悟空号、墨子号等任务的数据接收、处理和在轨运行服务，支撑了一批有重要国际影响的科学产出，成为我国民用卫星工程管理升级、“先行先试”的成功范例。鉴于我国所有非载人卫星任务的测控工作由西安卫星测控中心负责，载人航天任务的测控工作由北京航天飞行控制中心负责，上述科学卫星的卫星测控工作由西安卫星测控中心负责实施。

（2）科学卫星的科学应用系统配置

科学应用系统一般建在项目首席科学家所在单位，例如悟空号科学应用系统建在中国科学院紫金山天文台，充分发挥其学科优势和工作积极性，负责制定科学运行计划，并对下行数据进行标定和分析处理，产出科学成果。

空间科学先导专项卫星工程确保了地面支撑系统和科学应用系统的界面解读非常清楚。以“慧眼”为例，地面支撑系统实施有效载荷在轨运行管理，完成科学观测数据的接收和预处理，对数据产品进行质量控制、统一管理和永久归档，面向科学用户提供长期的科学数据档案共享服务，面向社会公众发布任务信息；科学应用系统实现了有效载荷的在轨监测与参数调整、科学观测计划制定、数据产品生成与数据分析等功能[24]。科学卫星广义上的科学计划收集、运行计划制定和指令上注流程如图4所示[25]。

图4 科学计划收集、运行计划制定和指令上注流程

可见，我国航天卫星工程六大系统的划分以及相关机构的职能，与美国NASA地面数据系统以及ESA的ESOC和ESAC存在差异，具有中国特色。国内的科学卫星地面应用创新大致对应于NASA地面数据系统的任务运行系统中的任务规划团队、数据管理团队和科学运行系统中的载荷运行团队，以及ESA ESOC的任务运控（非飞行控制）、ESAC的总体机构和数据管理职能。

五、科学卫星地面应用系统配置的展望

空间科学先导专项建成的地面支撑系统已成为我国科学卫星系列未来发展不可或缺的重大科技基础设施。当前空间科学（二期）先导专项顺利推进，地面支撑系统将适时增加新的科学卫星任务插件，支持爱因斯坦探针（EP）卫星、中欧联合“微笑计划”（SMILE）、天基多波段空间变源监视器（SVOM）等8颗卫星任务，充分体现了其支持多星多任务、易扩展的特点和优势。

同时，地面支撑系统建成的空间科学数据中心也为发展国家空间科学数据中心奠定了坚实基础。2019年6月，科技部与财政部确认国家空间科学数据中心成为20个国家科学数据中心之一（国科发基〔2019〕194号）。

我国空间科学体量小，在国际空间科学卫星大家庭的占比仅1%左右，支撑能力和经验都较为薄弱，仍需对标美欧科学卫星先进支撑和运行能力，以支撑我国空间科学并跑乃至领跑世界，为建设科技强国做出不可或缺的贡献。

致谢：本项研究得到了空间科学先导专项卫星工程地面支撑系统常务副总指挥兼常务副总师胡钛研究员的指导。