載人航天工程數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀研究與啟示

李盛陽, 王 震, 譚 洪, 任海根, 李 軒, 顧逸東

(1.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心, 北京 100094; 2.中國載人航天運行與管理支持中心, 北京 100094;3.中國載人航天工程辦公室, 北京 100161)

1 引言

中國載人航天工程自1992 年批準(zhǔn)實施以來,沿著三步走的戰(zhàn)略發(fā)展,經(jīng)歷了載人飛船階段、空間實驗室階段,到現(xiàn)在的空間站階段。2022 年年底空間站建造完成,計劃在軌運行10 年以上[1]。

載人航天工程任務(wù)研制和任務(wù)實施的周期較長,任務(wù)建設(shè)承研單位眾多,任務(wù)期間產(chǎn)生的工程數(shù)據(jù)具有來源多、類型復(fù)雜、持續(xù)時間長、管理難度大等特點。長期以來載人航天工程均以各大系統(tǒng)獨立開展數(shù)據(jù)管理工作,存在數(shù)據(jù)共享不充分,缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的數(shù)據(jù)管理指導(dǎo)等情況。

當(dāng)前已全面進(jìn)入空間站任務(wù)階段,航天工程數(shù)據(jù)的共享共用,科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)的全面推廣利用,航天新技術(shù)試驗與驗證開展,以及重大科技與科學(xué)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化等已成為現(xiàn)實的需求。面向新階段的發(fā)展需求,開展工程數(shù)據(jù)管理方面的研究與分析工作,對于實現(xiàn)載人航天工程數(shù)據(jù)的長期、可靠、高效的存儲和管理,為工程各大系統(tǒng)用戶、科學(xué)用戶和公眾用戶提供安全、便捷的數(shù)據(jù)檢索、下載、共享等服務(wù)具有重要意義。

本文在調(diào)研分析國際空間站和主要大型航天機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)管理工作的基礎(chǔ)上,對比分析中國載人航天工程現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理情況,開展載人航天工程數(shù)據(jù)管理對象、管理內(nèi)容、管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面的研究,分析總結(jié)和提出載人航天工程數(shù)據(jù)管理工作的啟示與方案建議。

2 國外航天工程數(shù)據(jù)管理情況

2.1 國際空間站數(shù)據(jù)管理情況

2.1.1 數(shù)據(jù)管理內(nèi)容

國際空間站(International Space Station,ISS)由16 個國家共同建造、運行和使用,從1998 年至今,已連續(xù)運行25 年。ISS 研制階段的數(shù)據(jù),根據(jù)艙段、模塊、到訪航天器、有效載荷等承研國家和機(jī)構(gòu)的不同,分別由相關(guān)研制國家的組織機(jī)構(gòu)掌握和管理;ISS 在軌運行階段的數(shù)據(jù),實施統(tǒng)一的采集、下傳、管理。ISS 在軌運行數(shù)據(jù)主要分為飛行控制數(shù)據(jù)和有效載荷數(shù)據(jù)。飛行控制數(shù)據(jù)主要包括ISS 各艙段和到訪航天器的話音、視頻、遙測、遙控等數(shù)據(jù);有效載荷數(shù)據(jù)主要包括ISS 各艙科學(xué)實驗載荷的遙測、工程和科學(xué)數(shù)據(jù)等。

2.1.2 飛行控制數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

ISS 主要由美國軌道段和俄羅斯軌道段組成,其中,美國軌道段主要搭載美國、日本、歐洲等所屬模塊/實驗艙,俄羅斯軌道段主要搭載俄羅斯所屬模塊/實驗艙。ISS 各艙段飛行控制數(shù)據(jù)的處理、監(jiān)控和管理以艙段所有權(quán)國家的地面控制中心為主、其他國家地面控制中心為輔,主要的下行鏈路關(guān)系如圖1 所示。

圖1 ISS 飛行控制數(shù)據(jù)下行鏈路圖Fig.1 Down-link chart of ISS flight control data

ISS 有2 個任務(wù)控制中心,其中美國休斯頓任務(wù)控制中心(MCC-H)是一個關(guān)鍵節(jié)點,其主要負(fù)責(zé)ISS 的飛行控制操作,協(xié)調(diào)ISS 的所有活動,對全球其他中心發(fā)出的指令進(jìn)行最終審核和批準(zhǔn)。因此,大部分ISS 飛行控制數(shù)據(jù)首先通過美國國家航空航天局(NASA)的中繼衛(wèi)星下傳至美國的地面站,再傳輸至MCC-H,最后再傳輸至其他國家的艙段控制中心,包括歐洲航天局(ESA)位于德國的哥倫布控制中心(Col-CC)、日本空間站整合與促進(jìn)中心(SSIPC)、加拿大空間操作支持中心(SOSC)[2]。部分國家構(gòu)建了自己的中繼衛(wèi)星和下行鏈路,比如俄羅斯和日本等。

其中,MCC-H 至歐洲的連接通過ESA 構(gòu)建的互聯(lián)地面子網(wǎng)[3](IGS)實現(xiàn)。IGS 網(wǎng)是一張將與ISS 歐洲業(yè)務(wù)相關(guān)聯(lián)的多個國家的組織機(jī)構(gòu)連接到一起的地面數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò),包括美國的MCC-H 和ISS 載荷操作與集成中心(POIC),俄羅斯的莫斯科任務(wù)控制中心(MCC-M),德國的Col-CC、法國的圖盧茲自動轉(zhuǎn)移飛行器控制中心,以及ESA 管理部門、哥倫布艙和自動轉(zhuǎn)移飛行器工業(yè)支持部門、ESA 用戶、歐洲宇航員中心等。作為IGS 網(wǎng)的核心節(jié)點,Col-CC 負(fù)責(zé)建設(shè)和管理IGS 網(wǎng),通過訪問密鑰控制數(shù)據(jù)訪問,確保各中心之間的通信與數(shù)據(jù)安全。IGS 網(wǎng)在ISS 跨國和跨組織機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸中起到了非常重要的作用。

ISS 另一個任務(wù)控制中心MCC-M 具有獨立的下行鏈路,部分飛行控制數(shù)據(jù)還轉(zhuǎn)發(fā)至歐洲Col-CC。

2.1.3 有效載荷數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

ISS 有效載荷數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)包括有效載荷控制中心、實施有效載荷操作和控制的科學(xué)用戶、進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔和分發(fā)的數(shù)據(jù)存檔中心等,分布在各合作成員國。有效載荷數(shù)據(jù)由所屬國家的載荷研制機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理和發(fā)布。

ISS 有效載荷控制中心為NASA 的POIC,其負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理ISS 上的科學(xué)和研究實驗操作以及有效載荷遙測數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)下行接收,并將相關(guān)數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)發(fā)至俄羅斯、日本、歐洲、加拿大等航天局的有效載荷控制中心。

POIC 同時作為NASA 在ISS 上開展科學(xué)研究的有效載荷操作與集成中心,其計劃和協(xié)調(diào)軌道段核心艙命運號上的和NASA 負(fù)責(zé)但部署在其他國家實驗艙或者暴露設(shè)施上的有效載荷活動細(xì)節(jié)。POIC 有4 個遠(yuǎn)程科學(xué)支持中心(Telescience Support Centers,TSC)輔助支撐,每個TSC 分別專注于不同科學(xué)領(lǐng)域的研究。此外,POIC 還支持美國國內(nèi)其他遠(yuǎn)程科學(xué)用戶,根據(jù)是否具備遠(yuǎn)程連接POIC 的能力分為主用戶(Principle Investigator, P.I.) 和托管用戶( Hosted Investigator,H.I.)[4],主用戶可直接連接POIC 并接收載荷數(shù)據(jù),托管用戶則與TSC 直連并從中獲取載荷數(shù)據(jù)。各機(jī)構(gòu)和科學(xué)用戶的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 ISS NASA 有效載荷操作機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)程科學(xué)用戶關(guān)系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ISS NASA payloads operation infrastructure and the remote science users

對于NASA 負(fù)責(zé)的有效載荷產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù),由POIC 轉(zhuǎn)發(fā)至NASA 科學(xué)用戶,再由NASA科學(xué)用戶完成數(shù)據(jù)處理之后匯交至統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)。比如,ISS 地球科學(xué)儀器熱輻射計載荷獲取的地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等科學(xué)數(shù)據(jù)[5],由POIC 轉(zhuǎn)發(fā)至主用戶NASA 噴氣推進(jìn)實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL),JPL 完成數(shù)據(jù)處理之后生成數(shù)據(jù)產(chǎn)品最終匯交至NASA 地球觀測數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)(Earth Observing System Data and Information System,EOSDIS)的12 個分布式數(shù)據(jù)存檔中心之一的陸地數(shù)據(jù)分布式存檔中心,由其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的存檔和對外分發(fā)。

Col-CC 是ESA 的有效載荷控制中心,其負(fù)責(zé)歐洲哥倫布實驗艙有效載荷的操作和數(shù)據(jù)接收,并通過專用的IGS 網(wǎng)將哥倫布實驗艙有效載荷遙測和科學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)的用戶支持和操作中心(User Support and Operation Center,USOC)[6]。Col-CC 還負(fù)責(zé)存儲其收到的所有數(shù)據(jù),包括圖像、話音、軌道和姿態(tài)等數(shù)據(jù),并向其用戶提供基于Web 的數(shù)據(jù)訪問接口。

ESA 一共建立了9 個USOC,各個USOC 將收到的所有有效載荷遙測數(shù)據(jù)歸檔在永久性歸檔系統(tǒng)中。每個USOC 都與多個科學(xué)家用戶總部(User Home Base,UHB)進(jìn)行連接。UHB 位于科學(xué)家工作場所,比如實驗室,允許科學(xué)家直接訪問其實驗的有效載荷遙測和科學(xué)數(shù)據(jù)。各機(jī)構(gòu)和科學(xué)用戶的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 ISS 哥倫布實驗艙有效載荷操作機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)程科學(xué)用戶關(guān)系結(jié)構(gòu)圖Fig.3 ISS Columbus payloads operation infrastructure and the remote science users

2.1.4 數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

1998 年9 月ISS 各運營國政府之間締結(jié)了關(guān)于民用國際空間站合作的協(xié)議[7],針對ISS 合作中出現(xiàn)的技術(shù)數(shù)據(jù)和資源交換、使用和保護(hù)等問題,明確了數(shù)據(jù)充分共享的原則。NASA 牽頭組織各相關(guān)方共同建立了國際空間站項目(SSP)標(biāo)準(zhǔn)體系。其中,NASA 與ESA、加拿大航天局、日本航天局、俄羅斯航天局、意大利航天局等各相關(guān)方建立了系列雙邊數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),比如SSP 50127《NASA/ESA 雙邊數(shù)據(jù)交換協(xié)議、清單和計劃》等。

2.2 NASA 數(shù)據(jù)管理情況

2.2.1 數(shù)據(jù)管理內(nèi)容

NASA 管理的數(shù)據(jù)包括NASA 規(guī)劃和管理的航天項目運行相關(guān)數(shù)據(jù)、與其他國家合作的航天項目運行相關(guān)數(shù)據(jù),比如ISS 項目運行相關(guān)數(shù)據(jù)、航天員身體監(jiān)測數(shù)據(jù)等,主要分為工程數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)兩大類型。工程數(shù)據(jù)包括NASA 各項空間任務(wù)產(chǎn)生的飛行器平臺參數(shù)數(shù)據(jù)、載荷狀態(tài)數(shù)據(jù)、遙測/遙控數(shù)據(jù)[5]等?？茖W(xué)數(shù)據(jù)又分為空間科學(xué)數(shù)據(jù)[8]和地球科學(xué)數(shù)據(jù)[5,9]兩大類。

2.2.2 數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

1)數(shù)據(jù)分類管理,集中式與分布式2 種存儲管理模式相結(jié)合。NASA 工程遙測數(shù)據(jù)按照空間任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)類別進(jìn)行分類,可分為近地/天基網(wǎng)絡(luò)和深空網(wǎng)絡(luò),分別由戈達(dá)德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center,GSFC)和JPL 負(fù)責(zé)運營和管理。

NASA 空間科學(xué)數(shù)據(jù)包括天體物理學(xué)數(shù)據(jù)、行星科學(xué)數(shù)據(jù)、太陽物理學(xué)數(shù)據(jù)、空間生物與物理數(shù)據(jù)等[8]。在空間科學(xué)任務(wù)執(zhí)行過程中,空間科學(xué)數(shù)據(jù)的接收、處理、分析、研究等工作,由各領(lǐng)域的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。任務(wù)結(jié)束后,將數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集以及中間處理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型等成果統(tǒng)一存儲于國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心(National Space Science Data Center,NSSDC),由NSSDC 實施數(shù)據(jù)管理。

NASA 地球科學(xué)數(shù)據(jù)按照任務(wù)來源和應(yīng)用方向的不同進(jìn)行分類,分別由不同的機(jī)構(gòu)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理和產(chǎn)品生產(chǎn),所有的數(shù)據(jù)產(chǎn)品最終均匯交至地球觀測數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)(Earth Observing System Data and Information System,EOSDIS)進(jìn)行存檔管理和共享服務(wù)。EOSDIS 由位于不同地理位置的12 個分布式數(shù)據(jù)存檔中心組成,并建立了地球觀測數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)信息交換站,將12 個分布式數(shù)據(jù)存檔中心所有數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集和集中管理,面向用戶提供統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)信息查詢,幫助用戶定位所需資料[10]。

2)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)歸檔全過程管理。NASA 各領(lǐng)域數(shù)據(jù)管理覆蓋接收、處理、分析、研究等全過程。例如,《NASA 地球科學(xué)數(shù)據(jù)管理計劃》明確提出了從數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)竭M(jìn)入永久檔案庫的數(shù)據(jù)全生命周期的數(shù)據(jù)管理要求,包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量評估、數(shù)據(jù)存檔和數(shù)據(jù)分發(fā)3 個方面。

3)建設(shè)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺。NSSDC 是NASA空間科學(xué)任務(wù)數(shù)據(jù)的存檔中心,為科研人員提供涉及天文學(xué)和天體物理學(xué)、太陽和空間等離子體物理學(xué),以及行星和月球科學(xué)等領(lǐng)域數(shù)據(jù)的檢索與下載服務(wù)。

EOSDIS 負(fù)責(zé)NASA 地球科學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)產(chǎn)品的接收、存檔管理和共享服務(wù)等工作,下設(shè)12 個分布式數(shù)據(jù)存檔中心分別負(fù)責(zé)不同學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。

Open NASA 網(wǎng)站以數(shù)據(jù)集的形式提供NASA各類公開數(shù)據(jù)的查詢、下載,以及NASA 支持的科研項目研究成果的瀏覽、下載。

2.2.3 數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

NASA 制定了眾多的管理計劃、手冊和白皮書等,其中涉及數(shù)據(jù)管理的主要有3 個規(guī)范:

1)2015 年發(fā)布的NPR 1441.1E《NASA 記錄管理項目要求》明確了各數(shù)據(jù)中心的元數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理辦法,要求各個分布式數(shù)據(jù)存檔中心在接收到數(shù)據(jù)、文檔和元數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息之后,需進(jìn)一步針對所有收集的數(shù)據(jù),制作符合統(tǒng)一規(guī)范的元數(shù)據(jù)和描述數(shù)據(jù)的附加文檔(比如用戶指南),以方便進(jìn)行跨數(shù)據(jù)中心的元數(shù)據(jù)交換和管理。

2)2016 年發(fā)布的SP-2016-6105《NASA 系統(tǒng)工程手冊》對技術(shù)數(shù)據(jù)管理進(jìn)行了總結(jié),定義了數(shù)據(jù)收集和存儲、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)使用3 個主要過程。

3)《NASA 地球科學(xué)數(shù)據(jù)管理計劃》[9]規(guī)范了地球科學(xué)任務(wù)數(shù)據(jù)從采集、觀察到進(jìn)入永久檔案庫的全過程管理要求。

2.3 ESA 數(shù)據(jù)管理情況

ESA 管理的數(shù)據(jù)包括ESA 負(fù)責(zé)的各類航天項目和空間任務(wù)產(chǎn)生的工程數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)。其中,工程數(shù)據(jù)包括飛行器平臺參數(shù)數(shù)據(jù)、載荷狀態(tài)數(shù)據(jù)、遙測/遙控數(shù)據(jù)等;科學(xué)數(shù)據(jù)包括空間天文觀測數(shù)據(jù)、太陽和地球、火星、木星等系內(nèi)行星以及系外行星的科學(xué)探索數(shù)據(jù)、大氣和小行星的觀測檢測數(shù)據(jù)、地球和太空的應(yīng)用數(shù)據(jù)等[11]。

2.3.1 數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

ESA 數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)包括以下8 個研究中心:位于荷蘭的歐洲航天研究技術(shù)中心、位于德國達(dá)姆施塔特市的歐洲航天操作中心、位于意大利羅馬南部的歐洲航天研究所、位于德國科隆市的歐洲航天員中心、位于西班牙馬德里的歐洲航天天文中心、位于比利時的雷都中心、位于英國哈維爾的歐洲空間應(yīng)用和通信中心和位于法屬圭亞那的圭亞那航天中心。

工程數(shù)據(jù)主要由發(fā)射中心、操作中心、地面站等負(fù)責(zé)接收、處理和管理,科學(xué)數(shù)據(jù)主要由航天研究所、航天員中心、航天天文中心,以及空間應(yīng)用和通信中心等負(fù)責(zé)處理和管理,數(shù)據(jù)用戶獲取數(shù)據(jù)需要向相應(yīng)的存檔與管理中心提交申請。

所有數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)由位于巴黎的ESA 總部進(jìn)行統(tǒng)一管理。ESA 元數(shù)據(jù)涵蓋上行的傳輸指令和下行的科學(xué)數(shù)據(jù)、航天器狀態(tài)信息、航天器位置、軌跡及速度信息、大氣及氣象數(shù)據(jù)等。

2.3.2 制定數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方面,ESA 主要參考空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了空間通信和數(shù)據(jù)傳輸方面的規(guī)范[12],對地面的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存檔以及數(shù)據(jù)服務(wù)等內(nèi)容沒有專門涉及,其數(shù)據(jù)管理與服務(wù)工作主要依托于不同的任務(wù)和不同的機(jī)構(gòu)開展,并未制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

ESA 針對地球觀測歐洲遙感衛(wèi)星(European Remote Sensing,ERS)、歐洲環(huán)境衛(wèi)星(Environmental Satellite,EnviSat)和其他地球觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)布了系列數(shù)據(jù)政策[13-15],明確了無歧視性訪問原則。

2.4 國外數(shù)據(jù)管理小結(jié)

通過對ISS 項目和國外大型航天組織機(jī)構(gòu)NASA 和ESA 的數(shù)據(jù)管理內(nèi)容、管理現(xiàn)狀和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范制定等方面的調(diào)研分析,總結(jié)國外航天工程數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗如下:

1)開展數(shù)據(jù)管理的頂層策劃、制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,包括政府間協(xié)議、數(shù)據(jù)政策、雙邊數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn)等。在涉及多方合作的項目數(shù)據(jù)管理中,雙邊甚至多邊的數(shù)據(jù)交換接口和協(xié)議能有效的推動各合作方之間的數(shù)據(jù)交換工作順利開展。統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn),使得不同的數(shù)據(jù)存檔中心能依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理,形成統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)信息,有效促進(jìn)了各個存檔中心的數(shù)據(jù)使用和流通。相關(guān)頂層方案、政策和標(biāo)準(zhǔn)的制定、發(fā)布、實施,為數(shù)據(jù)管理提供了統(tǒng)一的原則和依據(jù),有效促進(jìn)了數(shù)據(jù)在不同用戶之間的共享共用。

2)開展數(shù)據(jù)全生命周期管理。全生命周期管理,統(tǒng)一考慮了數(shù)據(jù)管理的上下游各個環(huán)節(jié)、不同管理機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)用戶的不同需求,并持續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)質(zhì)量,在各個環(huán)節(jié)上形成反饋機(jī)制,對于提升數(shù)據(jù)管理質(zhì)量和效率、促進(jìn)數(shù)據(jù)共享共用和最大化利用數(shù)據(jù)價值,具有重要意義。

3)數(shù)據(jù)分布存檔共享服務(wù)、元數(shù)據(jù)集中管理。NASA 和ESA 都建立了統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范了各個分布式存檔中心的元數(shù)據(jù)管理,有效解決了不同技術(shù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)接收和處理的專業(yè)性與數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和共享共用的現(xiàn)實需求之間的矛盾。

4)多種渠道拓展和提升數(shù)據(jù)開放和共享利用。NASA 和ESA 將元數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理并對外提供統(tǒng)一的查詢、檢索平臺,最大程度地對國內(nèi)或者成員國用戶實現(xiàn)數(shù)據(jù)開放和共享。

3 中國載人航天工程數(shù)據(jù)管理發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

3.1 發(fā)展歷程

1992 年9 月21 日,中共中央政治局常委討論同意《中央專委關(guān)于開展我國載人飛船工程研制的請示》,決策實施載人航天工程,并確定了我國載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略,對應(yīng)形成載人航天工程發(fā)展的載人飛船階段、空間實驗室階段和現(xiàn)在的空間站階段3 個階段。

在前2 個階段,載人航天工程數(shù)據(jù)主要由參與任務(wù)研制的工程各大系統(tǒng)分別歸口管理,工程各大系統(tǒng)分別獨立建設(shè)數(shù)據(jù)設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理。

在第三階段,載人航天工程數(shù)據(jù)已開始向統(tǒng)一管理邁進(jìn)。載人航天工程已建設(shè)和運行專有云平臺,并規(guī)劃建設(shè)公有云平臺,為任務(wù)實施階段的工程數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一、長期、可靠、安全的存儲、管理和服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)管理需求

在載人航天工程前2 個階段,根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生來源的不同,載人航天工程數(shù)據(jù)分別由工程各大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理單位或部門負(fù)責(zé)管理,服務(wù)對象遵循專屬服務(wù)模式,缺乏跨工程系統(tǒng)和跨管理單位的數(shù)據(jù)共享通道和服務(wù)平臺,容易形成數(shù)據(jù)孤島。另外,不同單位數(shù)據(jù)管理要求與技術(shù)實施均有差異,客觀上也存在數(shù)據(jù)共享不充分的情況。

當(dāng)前中國載人航天工程已全面邁入空間站時代。中國空間站將滾動開展1000 余項空間科學(xué)與應(yīng)用實/試驗項目,科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)體量將達(dá)到上百PB。巡天空間望遠(yuǎn)鏡將完成高空間分辨率、大天區(qū)面積的深度多色成像與無縫光譜巡天觀測,并可選用多種儀器對遴選的天體進(jìn)行精細(xì)研究。國際合作方面,目前已有17 個國家的9 項科學(xué)實驗入選中國空間站首批實驗,包括來自日內(nèi)瓦大學(xué)的POLAR-2 伽馬暴偏振探測儀,東京大學(xué)的微重力流體物理與燃燒項目,俄羅斯科學(xué)院天文研究所的星云氣體光譜研究項目,高能宇宙輻射探測設(shè)施HERD 等國際合作項目。未來,中國空間站還將迎來更多的國際合作研究項目,開展大范圍的國際數(shù)據(jù)交流與合作[16]。

載人航天工程數(shù)據(jù)在工程各大系統(tǒng)之間的共享共用,科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)在國內(nèi)外數(shù)據(jù)用戶之間的全面推廣,以及航天新技術(shù)試驗與驗證、重大科技與應(yīng)用成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化等現(xiàn)實需求,推動著載人航天工程數(shù)據(jù)長期、可靠、安全的存儲和管理工作的進(jìn)一步開展,實現(xiàn)面向工程各大系統(tǒng)用戶、科學(xué)用戶和公眾用戶的安全、便捷的數(shù)據(jù)查詢、下載和共享等服務(wù),逐步形成良好的工程系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)生態(tài)和工程外部科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)生態(tài),持續(xù)不斷的產(chǎn)出應(yīng)用與科學(xué)成果。

3.3 數(shù)據(jù)管理目標(biāo)和對象

對載人航天工程任務(wù)執(zhí)行過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,以促進(jìn)載人航天工程數(shù)據(jù)在工程各大系統(tǒng)用戶和廣大科學(xué)用戶的共享共用,充分挖掘和發(fā)揮載人航天工程數(shù)據(jù)的價值,是載人航天工程數(shù)據(jù)管理的主要目標(biāo)。

載人航天工程數(shù)據(jù)管理對象的類別,不僅包括在軌運行時產(chǎn)生的測控數(shù)據(jù)、在軌運行數(shù)據(jù)、有效載荷數(shù)據(jù)等狹義的數(shù)據(jù),還包括研制和運行時產(chǎn)生的各種信息、資料和技術(shù)文檔等更廣泛的數(shù)據(jù)。載人航天工程文檔類數(shù)據(jù)管理,與一般項目文檔數(shù)據(jù)管理不同,前者以文檔數(shù)據(jù)的共享共用為目標(biāo),而后者主要以項目過程和質(zhì)量管理為目標(biāo)。

根據(jù)載人航天工程不同任務(wù)階段和各階段的數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)特點和服務(wù)對象的不同,將載人航天工程數(shù)據(jù)分為任務(wù)研制階段工程數(shù)據(jù)和任務(wù)實施階段工程數(shù)據(jù)兩大類。

1)任務(wù)研制階段工程數(shù)據(jù)是指載人航天工程各大系統(tǒng)在各型號工程任務(wù)研制階段通過仿真、測試、采集和處理等手段產(chǎn)生的各類研制信息、技術(shù)文檔等,主要包括技術(shù)要求類、規(guī)劃計劃類、總體方案類、能力參數(shù)類、研制生產(chǎn)類、接口類、仿真測試類等技術(shù)文檔,以及仿真測試數(shù)據(jù)等。

2)任務(wù)實施階段工程數(shù)據(jù)是指載人航天工程各大系統(tǒng)、空間站任務(wù)地面系統(tǒng)在各型號任務(wù)建造和運營的實施階段通過在軌采集、天地傳輸和地面處理而產(chǎn)生的各類工程數(shù)據(jù),主要包括飛行控制數(shù)據(jù)、科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)、航天醫(yī)學(xué)實驗數(shù)據(jù)和航天技術(shù)試驗數(shù)據(jù)等。

3.4 數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

任務(wù)研制階段的技術(shù)文檔、仿真測試等數(shù)據(jù)主要由工程各大系統(tǒng)的承研單位分別進(jìn)行管理,能較好地對內(nèi)部用戶提供專屬數(shù)據(jù)服務(wù),但對于實現(xiàn)更大范圍的數(shù)據(jù)共享和流通,還存在基礎(chǔ)設(shè)施不足、數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題,不利于數(shù)據(jù)價值的進(jìn)一步挖掘和利用。

任務(wù)實施階段與運載火箭、發(fā)射場和著陸場有關(guān)的工程數(shù)據(jù),以及與飛行相關(guān)的工程外測數(shù)據(jù)等,分別由相關(guān)工程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理單位或部門進(jìn)行專屬數(shù)據(jù)管理,跨系統(tǒng)和承研單位的共享共用程度不高。

另外一部分任務(wù)實施階段數(shù)據(jù)已開始向集中管理和統(tǒng)一共享服務(wù)的模式邁進(jìn)。載人航天工程建設(shè)并運行專有云平臺,并將構(gòu)建和運行公有云平臺。

載人航天工程專有云平臺是是國內(nèi)首個載人航天領(lǐng)域的基于云計算技術(shù)的專有云平臺和云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施,對推進(jìn)載人航天工程數(shù)據(jù)統(tǒng)一、規(guī)范管理具有重大應(yīng)用意義。

載人航天工程云公有平臺將面向空間站工程空間科學(xué)研究與應(yīng)用、航天醫(yī)學(xué)實驗、航天技術(shù)試驗等領(lǐng)域長期、海量、豐富的數(shù)據(jù),為地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供基于云平臺的運行支撐環(huán)境,提供彈性可伸縮的計算、存儲資源與軟件運行環(huán)境;面向科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)用戶,提供安全、可靠、可按需擴(kuò)展的存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)、公共管理、公共服務(wù)組件等硬件資源及環(huán)境服務(wù);為各領(lǐng)域用戶提供數(shù)據(jù)分發(fā)與共享、專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品、數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)研究成果的匯交、循環(huán)共享及利用等服務(wù)。通過云平臺建設(shè),將實現(xiàn)載人航天科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)生態(tài)服務(wù)模式的創(chuàng)新發(fā)展,提升空間站應(yīng)用任務(wù)科學(xué)成果產(chǎn)出的科技效益、社會效益。

3.5 數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

目前國內(nèi)載人航天工程數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要覆蓋了空間科學(xué)數(shù)據(jù)、空間應(yīng)用數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。

2012 年GB/T 28874-2012《空間科學(xué)實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級規(guī)范》規(guī)定了空間科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的定義、分類命名、格式等規(guī)范。

2014 年載人航天工程辦公室發(fā)布了《關(guān)于加強天宮一號應(yīng)用數(shù)據(jù)推廣使用工作的通知》[17],對天宮一號應(yīng)用數(shù)據(jù)的推廣服務(wù)原則、用戶管理、數(shù)據(jù)分類與產(chǎn)品分級、數(shù)據(jù)共享服務(wù)、數(shù)據(jù)商業(yè)服務(wù)、數(shù)據(jù)特殊服務(wù)、用戶責(zé)任與義務(wù)等進(jìn)行了詳細(xì)約束與說明。

2017 年由載人航天工程辦公室發(fā)布的《關(guān)于加強天宮二號空間科學(xué)與應(yīng)用數(shù)據(jù)管理工作的通知》[18],對天宮二號應(yīng)用數(shù)據(jù)管理的職責(zé)分工、用戶管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理、成果管理等方面提出管理要求與規(guī)范。

2019 年GB/T 38239-2019《空間科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)規(guī)范》規(guī)定了空間科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)的職責(zé)劃分、用戶分類及管理以及服務(wù)內(nèi)容,其中,職責(zé)劃分分別定義了歸口管理機(jī)構(gòu)、委托管理機(jī)構(gòu)和用戶3 類角色的分工。

4 與國外航天工程數(shù)據(jù)管理的對比與分析

對中國載人航天工程數(shù)據(jù)管理與國外航天數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)全生命周期管理、數(shù)據(jù)分布存檔管理、數(shù)據(jù)開放和共享利用、數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定等4 個方面的情況進(jìn)行簡要對比和分析,如表1 所示。中國載人航天工程數(shù)據(jù)管理存在的主要問題總結(jié)如下:

表1 中國載人航天工程數(shù)據(jù)管理與國外航天數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀對比分析簡表Table 1 Comparison of management status of domestic and foreign spaceflight data

1)數(shù)據(jù)管理涉及工程各大系統(tǒng)的眾多單位和機(jī)構(gòu),地域分布廣泛,各類型工程數(shù)據(jù)還沒有形成全國一盤棋的統(tǒng)籌考慮,不能滿足當(dāng)前工程各大系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享共用需求;

2)缺乏統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致分散管理的工程數(shù)據(jù)難以開展統(tǒng)一的管理和形成統(tǒng)一的查詢和使用渠道,數(shù)據(jù)共享共用困難等問題;

3)缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范指導(dǎo),各管理機(jī)構(gòu)依據(jù)不同管理要求和技術(shù)方案實施數(shù)據(jù)管理,容易形成數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)共享不充分等問題。

5 啟示與方案建議

5.1 啟示

通過對國內(nèi)外航天工程數(shù)據(jù)管理情況進(jìn)行對比分析,對中國載人航天工程數(shù)據(jù)管理工作的主要啟示如下:

1)根據(jù)載人航天工程任務(wù)各個階段的數(shù)據(jù)特點和服務(wù)對象的不同,對載人航天工程數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理,各數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)合力構(gòu)建良好的數(shù)據(jù)共享格局;

2)在分類管理的基礎(chǔ)上,構(gòu)建載人航天工程數(shù)據(jù)分布存檔、元數(shù)據(jù)集中管理、數(shù)據(jù)共享利用的新模式,提升數(shù)據(jù)大范圍應(yīng)用、研究和價值挖掘效能;

3)進(jìn)一步推動數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)制修訂,構(gòu)建較為完善、覆蓋較為全面的頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,推動數(shù)據(jù)規(guī)范化管理。

5.2 方案建議

1)數(shù)據(jù)分類管理。根據(jù)工程任務(wù)階段和所產(chǎn)生數(shù)據(jù)內(nèi)容的不同,將載人航天工程數(shù)據(jù)分為任務(wù)研制階段工程數(shù)據(jù)和任務(wù)實施階段工程數(shù)據(jù)兩個大類進(jìn)行管理。

任務(wù)研制階段工程數(shù)據(jù)主要采取分布式存檔管理方式,由分散在不同地域的承擔(dān)不同研制職能的專屬數(shù)據(jù)委托管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔和管理,主要面向工程各大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)用戶提供服務(wù)。

任務(wù)實施階段工程數(shù)據(jù)主要采取統(tǒng)一存檔管理方式,由指定的共享數(shù)據(jù)委托管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)存檔和管理,根據(jù)具體數(shù)據(jù)類型的不同分別面向不同的數(shù)據(jù)用戶提供服務(wù)。

載人航天工程數(shù)據(jù)管理組織機(jī)構(gòu)還包括歸口管理機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)。其中,歸口管理機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)和策劃載人航天工程數(shù)據(jù)管理工作,制定數(shù)據(jù)政策等;數(shù)據(jù)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)匯交等工作。

2)數(shù)據(jù)分布存檔、元數(shù)據(jù)集中管理。負(fù)責(zé)任務(wù)研制階段工程數(shù)據(jù)存檔管理的各個專屬數(shù)據(jù)委托管理機(jī)構(gòu),將其管理的數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯交至共享數(shù)據(jù)委托管理機(jī)構(gòu);共享數(shù)據(jù)委托管理機(jī)構(gòu)對任務(wù)研制階段工程數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一匯集、管理,并向工程各大系統(tǒng)數(shù)據(jù)用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢、檢索和數(shù)據(jù)快速定位等服務(wù);對于集中管理的元數(shù)據(jù)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)實體,仍然由各個專屬數(shù)據(jù)委托管理機(jī)構(gòu)管理和提供共享服務(wù)。負(fù)責(zé)任務(wù)實施階段工程數(shù)據(jù)存檔管理的共享數(shù)據(jù)委托管理機(jī)構(gòu),對其管理的數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理;向工程各大系統(tǒng)數(shù)據(jù)用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢、檢索、數(shù)據(jù)快速定位和下載等服務(wù),推動形成工程內(nèi)部系統(tǒng)間對于任務(wù)實施階段飛控數(shù)據(jù)的生態(tài),使得工程數(shù)據(jù)更好的應(yīng)用于工程任務(wù)各方面;向空間科學(xué)數(shù)據(jù)用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢、檢索、數(shù)據(jù)快速定位和下載等服務(wù),推進(jìn)形成工程任務(wù)空間科學(xué)數(shù)據(jù)的生態(tài)圈,極大地促進(jìn)科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用與研究成果的持續(xù)產(chǎn)出。

3)數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)制修訂。①構(gòu)建頂層要求和規(guī)范:研究制定載人航天工程數(shù)據(jù)管理的頂層要求和規(guī)范,對載人航天工程數(shù)據(jù)管理的主要工作項目和工作內(nèi)容提出具體的要求,解決“管什么、誰來管、怎么管”的問題。②制定具體的數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn):細(xì)化載人航天工程數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)規(guī)范化描述和說明,制定相應(yīng)的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),明確元數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容和定義,指導(dǎo)元數(shù)據(jù)記錄、元數(shù)據(jù)維護(hù)和管理等工作,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理和高效的共享共用服務(wù);明確數(shù)據(jù)從生產(chǎn)機(jī)構(gòu)到委托管理機(jī)構(gòu)之間的接口要求,規(guī)范數(shù)據(jù)內(nèi)容、匯交周期、傳輸方式、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)文件的命名規(guī)則和文件元信息定義等,指導(dǎo)數(shù)據(jù)匯交工作的有序開展,確保匯交數(shù)據(jù)的完整性、有效性和及時性,為數(shù)據(jù)共享和共用提供堅實的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

本文調(diào)研、分析了國際空間站在軌運行數(shù)據(jù)、NASA 航天數(shù)據(jù)、ESA 航天數(shù)據(jù)的管理狀況,概述了中國載人航天工程的發(fā)展歷程和數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀,通過對比分析,提出了載人航天工程數(shù)據(jù)管理的啟示和方案建議。

當(dāng)前,部分載人航天工程數(shù)據(jù)已開啟統(tǒng)一存檔、集中管理的模式,但大部分?jǐn)?shù)據(jù)依然還是分散管理,亟需通過加強元數(shù)據(jù)集中管理、完善和制定數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等措施,提高數(shù)據(jù)管理和服務(wù)水平,促進(jìn)載人航天工程任務(wù)各階段和工程各大系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和流通,推動國內(nèi)外數(shù)據(jù)合作與交換,推動空間科學(xué)研究與應(yīng)用、航天醫(yī)學(xué)實驗、航天技術(shù)試驗等領(lǐng)域數(shù)據(jù)應(yīng)用與研究的大范圍開展,促進(jìn)重大科學(xué)成果的持續(xù)產(chǎn)出。