大數(shù)據(jù)時代空間科學(xué)領(lǐng)域的科研信息化實踐與成果

鄒自明，佟繼周，熊森林，胡曉彥，紀(jì)珍

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190

大數(shù)據(jù)時代空間科學(xué)領(lǐng)域的科研信息化實踐與成果

鄒自明，佟繼周，熊森林，胡曉彥，紀(jì)珍

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190

隨著人類對空間探索的拓展以及對空間認知的加深，空間科學(xué)探測大工程任務(wù)相繼推進、實施，催生了空間科學(xué)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)時代的到來。描述了國外空間科學(xué)科研信息環(huán)境建設(shè)的情況，重點介紹了中國空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心在科研信息化項目中建設(shè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境—— 空間科學(xué)虛擬觀測臺（VSSO）和云環(huán)境中的空間科學(xué)綜合應(yīng)用平臺—— 日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（STAR-Network）所具備的服務(wù)功能以及其取得的服務(wù)成效。

空間科學(xué)；大數(shù)據(jù)；科研信息化；空間科學(xué)虛擬觀測臺；日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)

1 引言

空間科學(xué)以航天器為主要平臺，探索人類未知的世界，進行從宏觀天體到極端條件下原子與分子基本規(guī)律的探索，揭示客觀世界的物質(zhì)規(guī)律，是當(dāng)今世界自然科學(xué)發(fā)展的前沿，是國際空間大國孜孜追求的重要戰(zhàn)略領(lǐng)域。1957年前蘇聯(lián)首次發(fā)射人造地球衛(wèi)星，從此人類進入了空間時代。隨后，人類對近地空間環(huán)境進行了大量普查，發(fā)現(xiàn)了地球輻射帶、環(huán)電流，證實了太陽風(fēng)、磁層的存在，發(fā)現(xiàn)了行星際磁場的扇形結(jié)構(gòu)和冕洞等[1]。隨著空間探測技術(shù)的進步，人類認知太空的廣度和深度不斷擴展，大規(guī)模多尺度鏈網(wǎng)式地面觀測臺站和星座衛(wèi)星任務(wù)推動著空間科學(xué)研究從自然現(xiàn)象特性的解釋階段逐步發(fā)展至深層次物理規(guī)律研究與驗證、時序因果鏈關(guān)系探索與揭示階段。

美國國家航空航天局（NASA）衛(wèi)星編目資料顯示①http://nssdc. gsfc.nasa. gov/nmc/ SpacecraftQuery. jsp，截至2016年9月，全世界發(fā)射過的在冊編目的衛(wèi)星探測器為7 501個，衛(wèi)星涉及對地遙感觀測、地球空間環(huán)境探測、太陽觀測、月球探測、行星探測以及宇宙天文探測。中國在空間探測和空間研究方面也有著長足的發(fā)展，探測雙星、風(fēng)云氣象衛(wèi)星系列、子午工程、嫦娥系列探月衛(wèi)星、LAMOST計劃等有效地擴充了空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源，并推動著空間科學(xué)的進步。隨著“十二五”空間科學(xué)先導(dǎo)專項的實施，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的相繼發(fā)射升空，進一步豐富了空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源，目前3顆科學(xué)衛(wèi)星在不到一年的在軌運行時間內(nèi)已經(jīng)積累的科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品近40 TB，每天新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量超過150 GB。地面探測方面，經(jīng)過近4年的正式運行，子午工程積累的科學(xué)數(shù)據(jù)量超過8 TB，每天新產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)文件超過5 000個。

展望未來，中國空間科學(xué)至2030年如圖1所示，中國的空“物質(zhì)是如何起源、陽系與人類的關(guān)系是展開?！笆濉逼冢↘UAFU）計劃，和架內(nèi)的一系列太陽觀境觀測計劃形成了完據(jù)量超過1 GB，數(shù)據(jù)科學(xué)院制定的我國的總體發(fā)展路線[2]間科學(xué)研究將圍繞發(fā)展和運動的”“太怎樣的”兩大主題間將繼續(xù)實施夸父國際與日共存計劃框測計劃及近地空間環(huán)整配套的觀測系統(tǒng)。未來10年，將有近百顆科學(xué)衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射升空，衛(wèi)星任務(wù)獲取的海量科學(xué)數(shù)據(jù)迎來了空間科學(xué)大數(shù)據(jù)時代。

在科學(xué)大數(shù)據(jù)環(huán)境下，空間科學(xué)研究呈現(xiàn)多學(xué)科交叉、空間科學(xué)探測任務(wù)呈現(xiàn)國際合作多元化的局勢，科技工作者需要利用數(shù)據(jù)、模型、工具、軟件和知識等資源進行全方位的廣泛科研協(xié)作活動。以衛(wèi)星工程任務(wù)為例，衛(wèi)星任務(wù)的全生命周期為：概念孵育→規(guī)劃論證→技術(shù)攻關(guān)、工程研制→在軌運行→數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)反演→建模計算、可視分析、成果產(chǎn)出。每個任務(wù)階段都需要科學(xué)家團隊協(xié)作，完成跨單位、跨地域的知識交流、信息交互、文檔交換、軟件共享、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、成果發(fā)布等。這種集科學(xué)數(shù)據(jù)訪問、交互、計算、表達、分析等多種信息化要素為一體的信息化環(huán)境，即科研信息化支撐環(huán)境（e-Science）[3]。

2 國外空間科學(xué)領(lǐng)域信息化數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境建設(shè)

近年來，歐美國家均已開展了空間科學(xué)信息化環(huán)境的研究和建設(shè)工作，側(cè)重在科學(xué)研究過程中涉及的數(shù)據(jù)資源、模式資源、數(shù)據(jù)分析與可視化軟件工具資源以及計算資源等公共基礎(chǔ)設(shè)施方面的共享與應(yīng)用；在衛(wèi)星工程領(lǐng)域，特別是空間科學(xué)任務(wù)論證研究方面公開的資源相對較少[4]。

NASA是國際知名的空間科學(xué)研究機構(gòu)。早在1996年，NASA就資助美國密西根大學(xué)的空間環(huán)境模擬中心（CSEM）開始進行空間天氣建?？蚣躍WMF②http://csem. engin.umich.edu.的開發(fā)，它引入了軟件工程中的組件和軟件框架思想, 將跨越太陽表面到地球上層大氣這一領(lǐng)域的一系列物理域模式轉(zhuǎn)換為各種模式組件，使之以靈活、高效的方式在框架中運行及耦合,從而使科學(xué)家方便地進行從太陽表面到地球上層大氣圈各區(qū)域空間物理過程建模，并在超級計算機上進行模擬。NASA與美國空軍、美國國家科學(xué)基金會（NSF）、美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）等8個機構(gòu)合作開發(fā)的社區(qū)協(xié)調(diào)建模中心（commynity coordinated modeling center, CCMC）③http://ccmc.gsfc. nasa.gov/模式集成應(yīng)用系統(tǒng)在空間科學(xué)領(lǐng)域同樣得到了廣泛使用，CCMC提供空間天氣模式在線計算與可視化服務(wù)、模式測試服務(wù)等，用戶可選擇在線模式或?qū)⒆灾餮邪l(fā)的模式計算請求提交到CCMC模式計算服務(wù)中心，計算完成后，計算及可視化結(jié)果通過文件傳輸協(xié)議（file transfer protocol, FTP）方式反饋給用戶，有效促進了資源的共享，輔助提高了科研效率，CCMC請求運行機制如圖2所示。基于三維可視化的衛(wèi)星軌道設(shè)計技術(shù)（satellite situation center web, SSCWeb）系統(tǒng)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)交互式分析技術(shù)（visual system for browsing, analysis and retrieval of data, ViSBARD）系統(tǒng)等被應(yīng)用到各類空間科學(xué)任務(wù)的科學(xué)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用支持服務(wù)過程中，得到了科學(xué)科研人員的普遍使用。

圖1 中國至2030年空間科學(xué)發(fā)展路線

在歐州空間局（ESA）的資助下，比利時聯(lián)邦科學(xué)研究所（BIRA-IASB）完成開發(fā)了空間環(huán)境信息系統(tǒng)（SPENVIS）④https://www. spenvis.oma.be/。該系統(tǒng)通過友好的Web界面為用戶提供復(fù)雜的空間環(huán)境模式的接口，實現(xiàn)輻射帶、太陽高能粒子、宇宙射線、等離子體層、大氣層、地磁場等空間天氣問題的快速分析以及空間天氣影響的預(yù)測。SPENVIS的一個重要特點是它的大部分空間天氣模式都可以面向某一指定的軌道進行計算和應(yīng)用。大多數(shù)模式需要輸入航天器軌道的坐標(biāo)或用戶定義的地理網(wǎng)格坐標(biāo)。這些集合點由兩個工具產(chǎn)生：軌道坐標(biāo)生成器和網(wǎng)格坐標(biāo)生成器。SPENVIS能夠檢測飛船軌道坐標(biāo)或網(wǎng)格坐標(biāo)是否已經(jīng)生成，如果沒有生成，系統(tǒng)會發(fā)出錯誤信息，并提示用戶設(shè)置軌道或設(shè)置網(wǎng)格坐標(biāo)，設(shè)置正確后模式才可以運行。一旦軌跡坐標(biāo)或網(wǎng)格已經(jīng)產(chǎn)生，可以在不同的模式中使用。

加拿大空間科學(xué)數(shù)據(jù)門戶（CSSDP）⑤http://cssdp.ca/ ssdp/app/login是為實現(xiàn)和簡化科學(xué)家團隊獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和分析的工具，是為了構(gòu)建統(tǒng)一的空間科學(xué)研究社區(qū)、優(yōu)化空間環(huán)境效應(yīng)、保障產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力而建設(shè)的門戶網(wǎng)站，門戶集成了廣泛的空間數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析、研究工具，提供數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、獲取和可視化的一站式數(shù)據(jù)服務(wù)，其搭建的數(shù)據(jù)協(xié)作環(huán)境可支持科學(xué)家在線自主數(shù)據(jù)分析，從事實時科學(xué)研究。

從國際發(fā)展趨勢來看，發(fā)展開放式的、基于云模式的空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的地面支持系統(tǒng)已經(jīng)成為國際空間科學(xué)界的共識。

圖2 CCMC請求運行機制

3 中國空間科學(xué)領(lǐng)域信息化系統(tǒng)建設(shè)

近幾年，在國家“973”計劃、國家“863”計劃、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程、中國科學(xué)院院信息化等項目的支持下，國內(nèi)相關(guān)科研院所根據(jù)其自身的業(yè)務(wù)發(fā)展和需要，建立了面向項目研究和應(yīng)用的軟件工具、數(shù)字化設(shè)備和信息化設(shè)施。

在“十一五”中國科學(xué)院信息化專項的支持下，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心建成了空間天氣網(wǎng)格系統(tǒng)，是我國空間科學(xué)領(lǐng)域在科研信息化應(yīng)用方面的首次嘗試?？臻g天氣網(wǎng)格系統(tǒng)有效地整合了空間中心空間天氣學(xué)國家重點實驗室的“空間天氣數(shù)值預(yù)報模式研發(fā)與演示系統(tǒng)”與“子午工程”專用高性能計算平臺12萬億次的超級計算資源，初步建立了集探測數(shù)據(jù)、計算資源、三維全球磁層MHD數(shù)值模式以及可視化顯示為一體的空間天氣科研信息化平臺，使得與空間天氣相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的研究和科研活動能夠借助本項目的研究成果開展有針對性的進一步研究。

在“十二五”中國科學(xué)院信息化專項的支持下，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所開展了空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源整合與集成，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展空間科學(xué)領(lǐng)域信息化數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境——空間科學(xué)虛擬觀測臺（virtual space science observatory，VSSO）[5]。同時，充分利用院、所提供的云存儲和云計算資源，集成了空間科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境、空間科學(xué)數(shù)據(jù)、空間物理模式、數(shù)據(jù)分析與通用工具等學(xué)科知識資源，搭建了服務(wù)于空間科學(xué)研究和重大科學(xué)工程項目的信息化綜合服務(wù)平臺——日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（solar-terrestrial astronomical research network，STAR-Network）[6]。

3.1 空間科學(xué)虛擬觀測臺

空間科學(xué)虛擬觀測臺是在中國科學(xué)院“十二五”信息化專項“科技數(shù)據(jù)資源整合與共享工程”重點數(shù)據(jù)庫的支持下建設(shè)的空間科學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)環(huán)境，是根據(jù)學(xué)科發(fā)展和衛(wèi)星工程任務(wù)的進展，在“十一五”信息化專項建設(shè)的空間科學(xué)主題數(shù)據(jù)庫（空間科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）基礎(chǔ)上的升級和改造。目標(biāo)是形成一個空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源廣泛、數(shù)據(jù)規(guī)范、質(zhì)量良好、功能完善的服務(wù)于國防和科學(xué)研究的開放共享數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境，成為支撐我國科技創(chuàng)新的重要信息化基礎(chǔ)設(shè)施之一。VSSO的服務(wù)目標(biāo)包括：滿足日益增長的日地空間物理（空間物理和太陽物理的融合學(xué)科）、行星科學(xué)、空間天文和空間生命科學(xué)等多學(xué)科科學(xué)數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用需求，提供數(shù)據(jù)在線檢索發(fā)現(xiàn)、瀏覽下載功能；集成空間科學(xué)數(shù)據(jù)分析工具、數(shù)據(jù)可視化、空間天氣事件關(guān)聯(lián)檢索、空間天文錐形檢索等能夠促進空間科學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新活動的特色應(yīng)用服務(wù)；完成與日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)的對接，實現(xiàn)空間物理計算分析與數(shù)值模擬、空間科學(xué)數(shù)據(jù)處理與可視分析等學(xué)科知識資源和工具資源的應(yīng)用對接。

3.1.1 空間科學(xué)虛擬觀測臺數(shù)據(jù)集成與共享

空間科學(xué)虛擬觀測臺作為中國空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心的資源共享和發(fā)布窗口，面向的數(shù)據(jù)資源立足于空間科學(xué)先導(dǎo)專項、子午工程、探測雙星等重點科學(xué)工程項目，以中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研單位和高校承擔(dān)項目產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)資源為依托，國外空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源為重點補充。建設(shè)集成了雙星探測數(shù)據(jù)庫、子午工程數(shù)據(jù)庫、衛(wèi)星典型軌道空間環(huán)境數(shù)據(jù)庫、國際綜合空間環(huán)境數(shù)據(jù)庫（WDS國際交換數(shù)據(jù)）、空間天氣事件編目數(shù)據(jù)庫、太陽觀測數(shù)據(jù)庫、月球微波遙感數(shù)據(jù)庫、暗物質(zhì)粒子探測數(shù)據(jù)庫、空間生命科學(xué)數(shù)據(jù)庫（實踐10號衛(wèi)星），數(shù)據(jù)資源總量約100 TB。涉及日地空間物理、行星科學(xué)、空間天文、空間生命科學(xué)四大學(xué)科方向。數(shù)據(jù)資源涵蓋了地表空間、中高層大氣（含極區(qū)）、電離層、磁層、月球表面、行星際空間以及太陽日球?qū)樱踔琳麄€宇宙空間。數(shù)據(jù)資源為通過地面觀測設(shè)備和衛(wèi)星平臺載荷分組探測的原始數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)，或者是通過標(biāo)定模型、反演算法由原始資源處理成的（物理量）高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品。高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品反映著特定區(qū)域的物理特性和化學(xué)特性，如電磁場強度、電磁輻射強度、高能粒子通量、能譜，等離子體密度、速度，中性大氣溫度、密度、風(fēng)場等。數(shù)據(jù)資源可廣泛應(yīng)用于支持空間科學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的研究、空間探測技術(shù)的研制和發(fā)展以及空間環(huán)境的預(yù)報和應(yīng)用。

空間科學(xué)虛擬觀測臺以在線、近線和離線3種方式共享和發(fā)布空間科學(xué)數(shù)據(jù)檔案，在具有合適的權(quán)限時，在線數(shù)據(jù)可直接進行下載，近線數(shù)據(jù)需回遷后才能下載，離線數(shù)據(jù)需經(jīng)數(shù)據(jù)申請、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等階段才能下載。數(shù)據(jù)檔案是按空間科學(xué)數(shù)據(jù)組織模型（如圖3所示）組織的數(shù)據(jù)產(chǎn)品集合，以高級產(chǎn)品為核心，配合了輔助數(shù)據(jù)、軟件數(shù)據(jù)、處理算法等資源數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)信息?？臻g科學(xué)數(shù)據(jù)組織模型充分吸收了NASA等單位聯(lián)合制定的空間物理檔案檢索和抽取數(shù)據(jù)模型（space physicsarchive search and extract，SPASE）以及JPL等實驗室聯(lián)合制定的行星科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（planetary data system，PDS）[7]模型，將數(shù)據(jù)資源按數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、數(shù)據(jù)集合、數(shù)據(jù)卷4種不同粒度進行組織管理。數(shù)據(jù)對象為記錄觀測數(shù)據(jù)的表格、頻譜、圖像、數(shù)據(jù)序列像等。數(shù)據(jù)產(chǎn)品即數(shù)據(jù)文件，記錄了多個數(shù)據(jù)對象，一般還包含對數(shù)據(jù)對象進行釋義的數(shù)據(jù)標(biāo)簽。數(shù)據(jù)集通常為來自同一套設(shè)備、利用相同處理算法處理的長時間序列的多個數(shù)據(jù)產(chǎn)品的集合，數(shù)據(jù)集也是眾多數(shù)據(jù)中心最常采用的數(shù)據(jù)管理粒度，為了支持?jǐn)?shù)據(jù)集管理和共享的需要，定義了用于數(shù)據(jù)解釋的學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)和用以數(shù)據(jù)集索引的編目元數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)卷為存儲于物理存儲介質(zhì)（如CD、DVD、磁帶等）數(shù)據(jù)集的集合，包含用于數(shù)據(jù)卷釋義的卷編目和支持檢索的卷索引，單個數(shù)據(jù)卷內(nèi)部豐富的元數(shù)據(jù)信息可支持用戶快速閱讀和使用該數(shù)據(jù)卷。

所有本地資源和異地資源均遵循中國空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心指定的空間科學(xué)組織模型，采用空間科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)、編目元數(shù)據(jù)規(guī)范以及空間科學(xué)數(shù)據(jù)存儲規(guī)范，日地空間物理資源以數(shù)據(jù)集形態(tài)的檔案進行發(fā)布和共享，空間天文、行星科學(xué)和空間實驗資源以數(shù)據(jù)卷形態(tài)進行組織共享。目前，通過空間科學(xué)虛擬觀測平臺發(fā)布共享的數(shù)據(jù)集檔案超過320種，主要集中在空間物理、太陽物理和行星科學(xué)。以暗物質(zhì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)檔案、實踐十號返回式實驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)檔案和未來將產(chǎn)生的硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星數(shù)據(jù)檔案為主的空間天文和空間實驗檔案共享正在建設(shè)中。3.1.2 空間科學(xué)虛擬觀測臺大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境

圖3 空間科學(xué)數(shù)據(jù)組織模型

VSSO⑥http://vsso. cssdc.ac.cn/采用基于虛擬觀測（VO）[8]技術(shù)的開放式架構(gòu)與協(xié)議，采用“單點認證”與“元數(shù)據(jù)同步”機制，構(gòu)建形成了“物理上分散，邏輯上統(tǒng)一”的分布式數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)（如圖4所示）。該系統(tǒng)符合空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源分散、存儲方式異構(gòu)、物理要素交叉等特性，有效地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源異地整合、全局同步。系統(tǒng)主要實現(xiàn)了空間科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布共享、空間科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析和空間天氣事件關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)三大服務(wù)功能。

· 空間科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布共享服務(wù)：提供滿足多學(xué)科數(shù)據(jù)檔案發(fā)布和發(fā)布管理功能，支持基于元數(shù)據(jù)全文模糊檢索，采用觀測平臺、觀測設(shè)備、觀測對象、觀測區(qū)域和觀測要素的組合條件檢索以及按數(shù)據(jù)學(xué)科目錄分類3種數(shù)據(jù)檢索途徑；檢索結(jié)果以次級頁面展現(xiàn)，支持元數(shù)據(jù)文件和科學(xué)產(chǎn)品文件的在線瀏覽和批量文件打包下載功能。

· 空間科學(xué)數(shù)據(jù)在線分析服務(wù)：提供基于單個科學(xué)產(chǎn)品文件的在線數(shù)據(jù)繪制服務(wù)、在線坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)平滑濾波分析和處理。繪制服務(wù)支持時間序列和空間序列數(shù)據(jù)對象，繪制二維曲線圖，偽彩圖結(jié)果可導(dǎo)出為圖片文件進行保存；坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換主要用于空間坐標(biāo)及物理矢量在不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，可實現(xiàn)大地坐標(biāo)系（GDZ）、地理坐標(biāo)系（GEO）、地心赤道慣性坐標(biāo)系（GEI）、地心太陽黃道坐標(biāo)系（GSE）、地磁太陽磁層坐標(biāo)系、地心太陽磁坐標(biāo)系（SM）和地磁坐標(biāo)系（MAG）之間的相互轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)平滑和濾波分析服務(wù)適用于時間序列數(shù)據(jù)，采用了移動平均和低通濾波算法，經(jīng)平滑和濾波處理后，可去除數(shù)據(jù)白噪聲和瞬時現(xiàn)象。

· 空間天氣事件關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)服務(wù)：空間天氣事件關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)以太陽質(zhì)子事件、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射的典型事件為出發(fā)點，根據(jù)已有的知識經(jīng)驗確立的太陽爆發(fā)活動事件與其誘導(dǎo)的地球空間環(huán)境響應(yīng)現(xiàn)象和規(guī)律，建立起表征空間環(huán)境的數(shù)據(jù)和太陽爆發(fā)活動的因果關(guān)系和時間關(guān)聯(lián)關(guān)系?？茖W(xué)家用戶根據(jù)空間天氣事件編目，可以快速檢索出可能對該天氣事件研究有價值的科學(xué)數(shù)據(jù)。

3.2 日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)

日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)是中國科學(xué)院“十二五”信息化專項——“空間科學(xué)科技領(lǐng)域云”項目建設(shè)的大數(shù)據(jù)綜合性服務(wù)平臺。項目以空間科學(xué)先導(dǎo)專項及空間科學(xué)科研創(chuàng)新活動對信息化環(huán)境需求為出發(fā)點，致力于長遠服務(wù)于空間科學(xué)任務(wù)全生命周期及空間科學(xué)研究，在科學(xué)大數(shù)據(jù)時代背景下改變傳統(tǒng)科研模式，支撐以空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項為代表的科學(xué)衛(wèi)星全生命周期各階段任務(wù)，促進科研創(chuàng)新活動成果產(chǎn)出。

圖4 空間科學(xué)虛擬觀測臺首頁

利用中國科學(xué)院科技云和空間科學(xué)先導(dǎo)專項提供的云計算、云存儲資源，搭建了項目自有的云存儲、云計算基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境；設(shè)計了云環(huán)境下數(shù)據(jù)、模式和工具資源的集成框架和接口規(guī)范，通過對模式和工具資源的網(wǎng)格化、規(guī)范化等適應(yīng)性改造，集成了國內(nèi)外空間科學(xué)數(shù)據(jù)、空間天氣模式和數(shù)據(jù)分析與通用工具等學(xué)科知識資源，在此基礎(chǔ)上，建設(shè)了日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)綜合型科研社區(qū)服務(wù)門戶，門戶網(wǎng)站如圖5所示。門戶可提供空間科學(xué)任務(wù)協(xié)同論證服務(wù)、空間科學(xué)任務(wù)運行支持服務(wù)、空間天氣計算分析服務(wù)、空間科學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)、科技云資源服務(wù)和科技網(wǎng)資源服務(wù)，主要系統(tǒng)功能如圖6所示。系統(tǒng)實現(xiàn)了異構(gòu)虛擬環(huán)境下跨單位、跨地域的模式和工具的交互式使用，數(shù)據(jù)資源整合、任務(wù)論證設(shè)計、任務(wù)運行支持和公共服務(wù)。此外，門戶系統(tǒng)還提供統(tǒng)一安全、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一用戶認證服務(wù)。下面對STARNetwork主要功能逐一闡述。

圖5 日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)站首頁

圖6 日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)功能組成

3.2.1 空間科學(xué)任務(wù)協(xié)同論證系統(tǒng)

在當(dāng)代，航天任務(wù)設(shè)計論證方式已經(jīng)從串行設(shè)計、集中設(shè)計發(fā)展到了協(xié)同設(shè)計階段?？臻g科學(xué)任務(wù)協(xié)同論證是從科學(xué)家團隊提出科學(xué)目標(biāo)后，在衛(wèi)星軌道、姿態(tài)、衛(wèi)星構(gòu)型、有效載荷布局、空間環(huán)境等方面開展任務(wù)設(shè)計和系統(tǒng)分析，最后得到能夠滿足科學(xué)目標(biāo)及任務(wù)要求的設(shè)計方案?？臻g科學(xué)任務(wù)協(xié)同論證系統(tǒng)完成了協(xié)同分析工具在云服務(wù)模式框架下的適應(yīng)性改造，集成了由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究人員研發(fā)的4個分析工具，具體如下。

· 衛(wèi)星軌道交互式設(shè)計工具：可圍繞衛(wèi)星設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)，通過圖形化、交互式手段快速構(gòu)建衛(wèi)星目標(biāo)軌道，支持快速設(shè)計和修改目標(biāo)軌道，并進行軌道特性分析。

· 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及有效載荷布局設(shè)計工具：如圖7所示，支持開展衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與有效載荷布局設(shè)計研究，可快速地形成衛(wèi)星及有效載荷的安裝布局，能較好地展現(xiàn)衛(wèi)星平臺的主要架構(gòu)、有效載荷的幾何外形和安裝位置等內(nèi)容。

· 有效載荷觀測區(qū)分析工具：可根據(jù)衛(wèi)星軌道、有效載荷視場、觀測區(qū)定義，針對探測目標(biāo)進行載荷覆蓋范圍的仿真分析，在此基礎(chǔ)上分析各項設(shè)計是否能滿足設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)，并給出有效的觀測弧段。

· 衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸分析工具：可開展衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸分析研究，支持?jǐn)?shù)據(jù)下行滿足度分析，為科學(xué)數(shù)據(jù)下行滿足度分析提供決策依據(jù)。

3.2.2 空間科學(xué)任務(wù)運行支持平臺

空間科學(xué)任務(wù)運行支持平臺是為衛(wèi)星在軌運行的安全、高效、持久運行而提供的支持性服務(wù)，主要在衛(wèi)星在軌運行狀態(tài)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)工作流兩方面提供支持，可服務(wù)于衛(wèi)星在軌運行的整個周期。在空間科學(xué)任務(wù)密集型的時代，空間科學(xué)任務(wù)運行支持服務(wù)平臺尤為重要。如圖8所示，STAR-Network集成的“空間科學(xué)任務(wù)運行網(wǎng)”可提供衛(wèi)星任務(wù)態(tài)勢和載荷狀態(tài)的監(jiān)視與顯示，衛(wèi)星觀測計劃的查看、編制與修訂以及可用于衛(wèi)星在軌安全評估的個性化空間環(huán)境信息展示；數(shù)據(jù)工作流方面，提供從地面支撐系統(tǒng)到科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分發(fā)和統(tǒng)計服務(wù)，從科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)到地面支撐系統(tǒng)的高級產(chǎn)品匯集服務(wù)；此外，還為各用戶提供公共存儲與公共數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。2015年12月17日，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星發(fā)射成功，2016年4月6日，“實踐十號”返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射成功，2016年8月16日量子試驗科學(xué)衛(wèi)星發(fā)射升空，空間科學(xué)任務(wù)運行支持平臺有力支持了衛(wèi)星運控、衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)處理分發(fā)、科學(xué)數(shù)據(jù)永久歸檔與安全保障工作的開展。

圖7 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及有效載荷布局設(shè)計工具示意

圖8 空間科學(xué)任務(wù)運行網(wǎng)

3.2.3 空間天氣模式計算分析平臺

空間天氣模式通常分為空間天氣數(shù)值模擬模式和空間天氣數(shù)值預(yù)報模式兩大類型，前者主要用于模擬發(fā)生在日地空間的空間天氣爆發(fā)過程、演變規(guī)律，各區(qū)域能量耦合、電磁、波粒相互作用等復(fù)雜物理過程和規(guī)律，偏向自然科學(xué)研究。后者主要用于空間天氣或空間環(huán)境重要參數(shù)的提前預(yù)測和預(yù)報，偏向空間環(huán)境的實際應(yīng)用。模式一般需將空間環(huán)境探測資料或者空間環(huán)境指數(shù)作為輸入，通過模式的計算和轉(zhuǎn)化，預(yù)報感興趣的空間環(huán)境參數(shù)或者對空間天氣過程和規(guī)律進行模擬。隨著科學(xué)研究的進展，空間天氣模式計算機理越加復(fù)雜，計算量和計算資源需求也明顯增大，云計算環(huán)境下在線模式計算能有效地提高計算效率、縮短科學(xué)家的計算時間。STARNetwork的空間天氣模式計算服務(wù)平臺通過對模式的規(guī)范化改造，解決了云環(huán)境下計算模式同科學(xué)數(shù)據(jù)資源的數(shù)據(jù)互操作和大規(guī)模計算問題，為模式計算提供了交互式界面?？臻g天氣計算模式分析平臺集成了8個國內(nèi)自主研發(fā)的模式和5個國際通用參考模式，其中國內(nèi)自主研發(fā)模式計算結(jié)果提供基于服務(wù)端的三維可視化展示服務(wù)，所有模式計算結(jié)果均可保存到個人云盤。13個模式涉及太陽與行星際研究和預(yù)報、磁層與輻射帶研究和預(yù)報、中高層大氣與電離層研究和預(yù)報以及地磁場研究和預(yù)報，它們是L1—磁層—電離層因果鏈物理模式（如圖9所示）、太陽高能粒子傳播模式、地球弓激波、磁層頂位形預(yù)報模式、地磁暴預(yù)報模式、臨近空間大氣預(yù)報模式、多站點中高層大氣氣候模式、電離層預(yù)報模式、中國低緯度地區(qū)電離層閃爍模型、地磁IGRF計算模型、地磁T96計算模型、地磁截止剛度計算模式、行星星歷計算模型、AP-8/AE-8輻射帶計算模式。

圖9 L1—磁層—電離層因果鏈物理模式三維可視化展示

3.2.4 空間科學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境

空間科學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境是日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)提供的云環(huán)境下的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，主要集成了空間科學(xué)虛擬觀測臺提供的數(shù)據(jù)在線檢索訪問、數(shù)據(jù)可視化繪制、空間天氣事件關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)和在線數(shù)據(jù)分析等全部數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，通過為工具提供REST風(fēng)格的Web Service調(diào)用接口，并對數(shù)據(jù)平滑和濾波工具、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工具進行了改造和集成，實現(xiàn)了工具和云端資源的融合，工具可在云計算環(huán)境運行和服務(wù)，支持上傳個人云盤中數(shù)據(jù)資源作為工具的輸入，空間科學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境框架如圖10所示。

3.2.5 基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)

基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)是日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)提供的支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用、模式計算和工具使用的信息化基礎(chǔ)設(shè)施平臺。通過對中國科學(xué)院科技云云存儲和空間科學(xué)先導(dǎo)專項云存儲環(huán)境的融合，搭建了融合院、所兩級的云存儲環(huán)境；基于院、所兩級的計算資源，通過部署中國科學(xué)院科技云云計算平臺，并與虛擬機服務(wù)對接，完成了融合院所兩級的云計算環(huán)境搭建；并在此基礎(chǔ)上對科研協(xié)同環(huán)境進行了集成，實現(xiàn)了與科技云團隊文檔庫、會議服務(wù)平臺、科技網(wǎng)郵箱、科信應(yīng)用、組織通訊錄5類科研協(xié)同服務(wù)對接；與東莞、昆明災(zāi)備分中心對接，形成空間科學(xué)數(shù)據(jù)災(zāi)備系統(tǒng)，保障數(shù)據(jù)永久安全與長期可用；結(jié)合了科技網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)資源，為先導(dǎo)專項提供數(shù)據(jù)傳輸專用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；為云平臺用戶配置了云盤、虛擬機創(chuàng)建、自助模式計算等資源服務(wù)。

3.3 空間科學(xué)領(lǐng)域信息化實踐成果

圖10 空間科學(xué)大數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境框架

空間科學(xué)虛擬觀測臺和日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中秉承“邊建設(shè)邊服務(wù)，邊服務(wù)邊完善”的原則，在突破關(guān)鍵技術(shù)進行平臺建設(shè)的同時，主動跟蹤重大項目，滿足學(xué)科領(lǐng)域科研人員、工程人員的基礎(chǔ)需求、典型需求和潛在需求，面向領(lǐng)域開展服務(wù)。在空間科學(xué)先導(dǎo)專項背景型號項目、中歐聯(lián)合衛(wèi)星計劃和空間應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)等項目中，日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)為“愛因斯坦探針（EP）”“系外類行星探測計劃（STEP）”“全球水循環(huán)關(guān)鍵測量衛(wèi)星（WCOM）”“空間甚長基線干涉陣列（Space-VLBI）”“十米波天文干涉陣列（DSL）”“太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃（SMILE）”等項目的用戶和設(shè)計師提供了一個高效、虛擬、協(xié)作的平臺，利用任務(wù)論證分析工具獲取的分析結(jié)果為下一階段開展任務(wù)深化論證奠定了良好基礎(chǔ)。在空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批立項的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星、硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星4個科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)中，為工程研制及測試演練提供了數(shù)據(jù)傳輸專用網(wǎng)絡(luò)、云存儲服務(wù)、計算服務(wù)等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，有效地保障了地面支撐系統(tǒng)與測控系統(tǒng)、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)、地面接收分系統(tǒng)間的信息交換。在暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星——“悟空”“實踐十號”返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星、量子實驗科學(xué)衛(wèi)星——墨子的在軌測試和在軌運行中，日地系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)有力地支持了衛(wèi)星運控、衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)處理分發(fā)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)永久歸檔與安全保障任務(wù)的開展，其載荷狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)產(chǎn)品分發(fā)、科學(xué)數(shù)據(jù)快視、綜合信息服務(wù)等多項功能為衛(wèi)星安全運行及完成在軌測試任務(wù)提供了堅實的后盾。

在數(shù)據(jù)支持方面，空間科學(xué)虛擬觀測臺為國家“973”重大項目、國家“863”計劃，國家自然科學(xué)基金、公益性行業(yè)科研專項、中國科學(xué)院重點部署項目等多個項目以及國家天氣預(yù)警中心、地震局、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、長沙理工大學(xué)等高校以及電子科技集團15所、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心等多家單位提供數(shù)據(jù)資源與應(yīng)用咨詢等服務(wù)。此外，為國家自然科學(xué)基金重點項目“太陽風(fēng)暴的日冕/行星際過程的數(shù)值預(yù)報建模研究”提供數(shù)據(jù)可視化服務(wù)，配合研究人員將數(shù)值預(yù)報模式的結(jié)果數(shù)據(jù)進行可視化處理和動畫制作，展現(xiàn)太陽風(fēng)暴從初發(fā)到1AU處的傳播過程中相對數(shù)密度和磁場磁力線的演化。課題支撐方面，為多項科研課題提供高性能計算和模式支持服務(wù)，其中包括：“973”項目2項（“太陽風(fēng)——磁層耦合物理過程與建模研究”“電離層與中高層大氣空間天氣過程及建模研究”）；國家杰出青年科學(xué)基金1項（“空間高能粒子的傳播過程研究”）；創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金1項（“空間天氣基本物理過程和集成預(yù)報模式研究”）；自然科學(xué)基金重點項目2項（“太陽風(fēng)—磁層—電離層系統(tǒng)時變過程的全球數(shù)值模擬研究”“中間層和低熱層大氣短周期震蕩研究”）；自然科學(xué)基金面上項目6項；青年科學(xué)基金5項以及其他課題。

4 總結(jié)和展望

在中國科學(xué)院信息化項目的支持下，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所，建立了空間科學(xué)虛擬觀測臺和日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)兩個信息化平臺，以支撐空間科學(xué)研究創(chuàng)新以及空間科學(xué)大數(shù)據(jù)項目全生命周期活動?？臻g科學(xué)虛擬觀測臺是基于虛擬觀測技術(shù)搭建的空間科學(xué)數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用數(shù)據(jù)環(huán)境，有效地對國內(nèi)外重點空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源進行了共享，在支撐空間科學(xué)創(chuàng)新研究上取得重要成果；日地系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)在搭建自有的云存儲和云計算的基礎(chǔ)上，提供了科研協(xié)同環(huán)境、個人云盤、虛擬機創(chuàng)建等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，初步集成了可在云環(huán)境下運行和服務(wù)的空間科學(xué)任務(wù)協(xié)同論證服務(wù)工具包、空間科學(xué)任務(wù)運行支持軟件服務(wù)包、空間天氣計算模式群，為“空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項”已發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、實踐十號返回式實驗衛(wèi)星和量子科學(xué)試驗衛(wèi)星在軌測試、在軌運行提供了任務(wù)運行支持服務(wù)，為先導(dǎo)專項背景型號衛(wèi)星SMILE、EP等科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的論證團隊提供了高效的協(xié)作論證平臺服務(wù)。

在未來，平臺將進一步整合空間科學(xué)數(shù)據(jù)資源，拓展學(xué)科知識工具，深度集成信息化基礎(chǔ)設(shè)施資源，并持續(xù)服務(wù)于中國空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)、國際子午圈等重大項目和科研創(chuàng)新活動。另一方面，日地空間系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)將重點關(guān)注學(xué)科研究熱點與前沿問題，與科學(xué)大數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢接軌，構(gòu)建滿足新時期空間科學(xué)任務(wù)與科學(xué)發(fā)現(xiàn)需求的新型綜合應(yīng)用平臺。如通過建立可計算的統(tǒng)一時空框架，改變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織與獲取方式，并在該框架上發(fā)展基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的空間科學(xué)信息可視化表達應(yīng)用與基于數(shù)據(jù)挖掘等算法的研究應(yīng)用，從而提供數(shù)字宇宙新視圖，促進空間科學(xué)研究模式轉(zhuǎn)變，助力空間科學(xué)發(fā)展。

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[7] 傅衍杰, 鄒自明, 佟繼周. 空間科學(xué)虛擬觀測臺體系結(jié)構(gòu)研究[J]. 天文研究與技術(shù), 2011, 8(4): 395-402. FU Y J, ZOU Z M, TONG J Z. Research of architecture of the chinese space science virtual observatory[J]. Astronomical Research & Technology, 2011, 8(4): 395-402.

[8] 鄭巖, 鄒自明, 佟繼周, 等. 行星科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（PDS）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究[J].科研信息化技術(shù)與應(yīng)用, 2009(1): 1-8.ZHENG Y, ZOU Z M, TONG J Z, et al. Research on the planetary data system (PDS)[J]. E-science Technology and Application, 2009 (1): 1-8.

e-Science practice and results in space science under an era of big data

ZOU Ziming, TONG Jizhou, XIONG Senlin, HU Xiaoyan, JI Zhen
National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

With the development of space exploration technology and the deepening of space cognition, more and more space science exploration projects have been advanced and implemented, which promoted the era of big data in space science. The foreign e-Science construction status in space science and two supporting and service information systems of China Space Science Data Center(CSSDC) were described. More specifically, it presented the application environment of big data in the e-Science project of CSSDC: Space Science Virtual Observatory(VSSO), as well as illustrated the comprehensive application platform of space science in cloud environment: Solar-Terrestrial and Astronomy Research Network (STARNetwork).

space science, big data, e-Science, VSSO, STAR-Network

TP319

A

10.11959/j.issn.2096-0271.2016069

鄒自明（1971-），男，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、副主任，主要研究方向為日地空間大數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)。

佟繼周（1976-），女，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究室副研究員、副主任，主要研究方向為空間科學(xué)信息系統(tǒng)、計算機應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和管理。

熊森林（1988-），男，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心助理研究員，主要研究方向為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理和管理、空間物理。

胡曉彥（1987-），女，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心助理研究員，主要研究方向為空間科學(xué)信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)組織模型和空間物理。

紀(jì)珍（1982-），女，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心副研究員，主要研究方向為空間科學(xué)信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理、管理。

2016-10-08