面向暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在軌運行與科學(xué)研究的科研信息化應(yīng)用

楊哲睿，段凱凱，藏京京，2，李翔，高娜，劉梁

1.中國科學(xué)院紫金山天文臺，江蘇 南京 210008 2.臨沂大學(xué)，山東 臨沂 276000

引 言

依據(jù)《中國科學(xué)院“十三五”信息化發(fā)展規(guī)劃》，中國科學(xué)院在“科研信息化應(yīng)用工程”設(shè)立了一類面向研究所“一三五”規(guī)劃的科研信息化應(yīng)用示范的課題，通過對前沿計算方法、信息化工具等研究引領(lǐng)學(xué)科快速發(fā)展，著力解決研究所重大突破科研活動中關(guān)鍵問題，力爭取得有國際影響力的應(yīng)用成果。

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（以下簡稱DAMPE）在軌運行與科學(xué)研究就是面向研究所重大突破的科研信息化應(yīng)用示范支持的一項研究內(nèi)容，基于暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)用信息化手段，深入解決該重大突破中的關(guān)鍵性問題——伽馬射線數(shù)據(jù)的科學(xué)研究，提升核心競爭力，研制行業(yè)共享的應(yīng)用軟件系統(tǒng)、分析系統(tǒng)等，完成科學(xué)數(shù)據(jù)順利發(fā)布和及時分析，完善地面科研信息系統(tǒng)的建設(shè)，為開展暗物質(zhì)、宇宙線等前沿領(lǐng)域的研究提供信息化支撐。

1 建設(shè)背景

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（DAMPE）是中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項——空間科學(xué)專項的首發(fā)星，衛(wèi)星旨在通過高分辨、寬波段的觀測宇宙線粒子來間接探測暗物質(zhì)粒子[1]。DAMPE 于2015年12月17日由酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射，目前已在軌運行千余天，獲取了數(shù)十億個高能宇宙線粒子。DAMPE 衛(wèi)星設(shè)計壽命3年，從衛(wèi)星平臺與載荷的各項性能指標(biāo)來分析，衛(wèi)星壽命延壽超過2年。科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的各項指標(biāo)均依據(jù)衛(wèi)星3年壽命進(jìn)行設(shè)計，面對2年以上的延壽，需要對科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。同時，倘若DAMPE 發(fā)布科學(xué)數(shù)據(jù)，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)同樣需要進(jìn)行升級以滿足數(shù)據(jù)發(fā)布的需要。

衛(wèi)星在軌運行由北京空間中心的地面支撐系統(tǒng)和南京紫金山天文臺的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)及相關(guān)衛(wèi)星測控單位共同完成。經(jīng)過一年多的運行，相關(guān)的運控機(jī)制已經(jīng)非常成熟。當(dāng)前，衛(wèi)星最重要的任務(wù)是對獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以期獲得高質(zhì)量的物理成果，完成衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)。而衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)中，伽馬射線數(shù)據(jù)有其特殊性，其占總數(shù)據(jù)的比重特別低，數(shù)據(jù)量極少；伽馬射線不帶電，傳播過程中不會受到銀河系中磁場影響，方向不發(fā)生變化，到達(dá)地球時依然攜帶了源的方向信息；伽馬天體物理對象具有高度各向異性、穩(wěn)定源與變源并存、源距離亮度尺度跨度大、變源光變時標(biāo)跨度大、復(fù)雜的天體物理起源等特征。其特殊性也需要具有精確的定點曝光計算，精確的多參數(shù)儀器響應(yīng)計算，針對性的低統(tǒng)計量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法的應(yīng)用。

因為天體物理過程很難產(chǎn)生伽馬射線線譜，所以伽馬射線線譜信號是暗物質(zhì)間接探測中的重要特征信號[2]。前人曾利用Fermi-LAT 數(shù)據(jù)進(jìn)行伽馬射線線譜搜尋的工作，但沒有發(fā)現(xiàn)明顯的信號[3]。DAMPE 優(yōu)異的能量分辨率對于伽馬射線線譜的搜尋具有獨特的優(yōu)勢，對暗物質(zhì)間接探測具有重要的意義。

按照國際慣例衛(wèi)星將發(fā)布伽馬射線光子的數(shù)據(jù)，需要相應(yīng)的伽馬射線數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，同時需要開發(fā)一套面向外界伽馬射線光子高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品的軟件（DAMPE Science Tools，以下簡稱DmpST），以確保用戶能夠正確地使用和分析DAMPE 的伽馬數(shù)據(jù)。

在國際上，美國國家航空和航天局（NASA）發(fā)射的費米衛(wèi)星已建設(shè)穩(wěn)定運行的科學(xué)支持中心（FSSC），費米衛(wèi)星科學(xué)支持中心提供數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)新聞發(fā)布等功能，建立伽馬射線數(shù)據(jù)發(fā)布平臺并開發(fā)伽馬射線數(shù)據(jù)分析軟件。暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是我國第一顆空間天文衛(wèi)星，DAMPE科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)是我國在伽馬射線領(lǐng)域第一個數(shù)據(jù)共享、分析的科研數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，并集成了科研資源審批的功能，對科研團(tuán)隊提供全面的信息化支撐。

2 系統(tǒng)概述

2.1 主要目標(biāo)

基于暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的科學(xué)數(shù)據(jù)，針對衛(wèi)星超過2年的延壽和數(shù)據(jù)發(fā)布的需求，對地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行升級完善，開發(fā)科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)和伽馬射線分析軟件，為暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星提供的科學(xué)研究提供專業(yè)的信息化支撐，為暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)管理和分析方向的幫助。

為了給DAMPE 的科學(xué)研究提供更加專業(yè)的支撐，系統(tǒng)建設(shè)的核心任務(wù)包括：

（1）建立暗物質(zhì)衛(wèi)星伽馬數(shù)據(jù)庫和暗物質(zhì)衛(wèi)星科研信息化服務(wù)平臺，發(fā)布科研動態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)精確檢索，形成數(shù)據(jù)從入庫、發(fā)布到獲取的高速標(biāo)準(zhǔn)化流程。

（2）建設(shè)科研成果提交、查看、審核的電子化處理流程和統(tǒng)一管理的框架。

（3）針對DAMPE 伽馬射線數(shù)據(jù)，開發(fā)伽馬射線數(shù)據(jù)分析軟件（以下簡稱DmpST），使全世界科學(xué)家能夠方便快捷地利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對感興趣的伽馬射線源進(jìn)行科學(xué)分析。

預(yù)期效果可以概述為：為科學(xué)家用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和DmpST 軟件，使科學(xué)家用戶能夠方便、正確、高效地理解和使用衛(wèi)星伽馬數(shù)據(jù)，為科學(xué)家用戶的科學(xué)分析提供強(qiáng)有力的保障。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

通過該項目將建設(shè)暗物質(zhì)衛(wèi)星科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)，完善暗物質(zhì)衛(wèi)星信息處理系統(tǒng)，進(jìn)一步管理科研資源，提升數(shù)據(jù)分析能力，提高并規(guī)范化數(shù)據(jù)的共享，提升科研效率。

建立基于Web 的數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問接口，通過Web方式可以對科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速的檢索，而且可以免去客戶端軟件的各種問題，比如兼容性問題，維護(hù)問題。

開發(fā)專門的伽馬射線數(shù)據(jù)分析軟件(DmpST)，使得廣大科研工作者在不直接接觸復(fù)雜的原始數(shù)據(jù)的情況下，能夠方便快捷地利用DAMPE 衛(wèi)星的伽馬射線數(shù)據(jù)對感興趣的伽馬射線源進(jìn)行科學(xué)分析，并進(jìn)一步研究其物理性質(zhì)。

建立明確的科研資源的統(tǒng)一匯聚管理、統(tǒng)一運行服務(wù)，明確科研資源在不同角色的責(zé)權(quán)利、工作流及其電子操作規(guī)范。對衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源加強(qiáng)整合與集成應(yīng)用，對科研成果建立規(guī)范化的審批流程，形成暗物質(zhì)科學(xué)數(shù)據(jù)整合、科研管理、公共服務(wù)和持續(xù)發(fā)展的協(xié)調(diào)機(jī)制和自動流程。

結(jié)合暗物質(zhì)衛(wèi)星科研資源特征，制定衛(wèi)星信息系統(tǒng)資源整合建設(shè)方案，支撐數(shù)據(jù)的有序處理和統(tǒng)一管理。明確數(shù)據(jù)處理技術(shù)部署實現(xiàn)的工作計劃與進(jìn)度要求，通過整合服務(wù)平臺建設(shè)，實現(xiàn)暗物質(zhì)衛(wèi)星多級科研數(shù)據(jù)資源的有效集成和應(yīng)用，將暗物質(zhì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源體系和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一化，推進(jìn)數(shù)據(jù)匯聚和整編，通過技術(shù)整合和運行支撐，為暗物質(zhì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)持續(xù)科學(xué)分析、公共服務(wù)和重要應(yīng)用提供統(tǒng)一技術(shù)支撐。

加強(qiáng)暗物質(zhì)衛(wèi)星信息支撐系統(tǒng)運行服務(wù)建設(shè)，對衛(wèi)星至少兩年的延壽，升級存儲備份。在全面保障已有暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)系統(tǒng)的正常服務(wù)情況下，對新增數(shù)據(jù)內(nèi)容、服務(wù)功能應(yīng)在項目實施過程中動態(tài)發(fā)布，及時運行服務(wù)。依托數(shù)據(jù)云服務(wù)環(huán)境，不斷提升暗物質(zhì)衛(wèi)星伽馬數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析效果，推動暗物質(zhì)衛(wèi)星的科學(xué)研究和公共服務(wù)。

2.3 技術(shù)路線

采用LAMP 架構(gòu)搭建科研信息化應(yīng)用Web 系統(tǒng)，應(yīng)用Linux 操作系統(tǒng)、Apache 服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫、PHP 語言。通過php 將數(shù)據(jù)讀取入庫。通過MySQL 數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)屬性、文件索引的存儲和php 對數(shù)據(jù)庫接口的執(zhí)行實現(xiàn)對科學(xué)資源的檢索、管理。應(yīng)用python 的astropy[4]工具包實現(xiàn)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的封裝和格式轉(zhuǎn)換。面向大規(guī)模衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的檢索和實時獲取數(shù)據(jù)產(chǎn)品的需求，系統(tǒng)在Web 框架下融合php 的動態(tài)交互和python 的天文數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)檢索中通過php 接口從mysql 數(shù)據(jù)表中搜尋符合參數(shù)需求的百萬至千萬量級數(shù)據(jù)紀(jì)錄并拼接成為初級數(shù)據(jù)文件，同時php 直接調(diào)用python 的天文封裝接口將初級數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化成為符合用戶標(biāo)準(zhǔn)的天文數(shù)據(jù)產(chǎn)品。整套海量數(shù)據(jù)搜尋、拼接、封裝的大量計算和復(fù)雜流程均在用戶在線一鍵操作中直接完成，首次實現(xiàn)了DAMPE 伽馬射線數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表的存儲模式下一鍵提供精確定制化的整合式數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

在伽馬射線數(shù)據(jù)分析中，使用f its 格式紀(jì)錄光子信息、衛(wèi)星運行狀態(tài)、儀器響應(yīng)函數(shù)，使用YAML 標(biāo)記語言格式記錄模型文件，利用Python 豐富的科學(xué)軟件包，可以方便的操作f its 和YAML 格式文件。同時Python 數(shù)據(jù)分析包如NumPy，SciPy，AstroPy 等，為數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)工具，基于此可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析算法。

針對不同觸發(fā)類型、不同能量、不同角度入射到探測器的伽馬射線進(jìn)行大量模擬，利用模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過與在軌數(shù)據(jù)相同的事例重建和光子挑選過程，得到不同觸發(fā)類型、不同能量、不同入射角度的伽馬射線詳細(xì)的儀器響應(yīng)函數(shù)，包括有效面積、點擴(kuò)散函數(shù)、能量彌散函數(shù)。

由于衛(wèi)星運行到不同的地理維度時，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同倍率的分頻，以及衛(wèi)星可能處于不同的工作模式而影響伽馬射線的觀測，需要根據(jù)衛(wèi)星的運行狀態(tài)，統(tǒng)計得到衛(wèi)星從各個角度對于不同天區(qū)的觀測時間。對不同天區(qū)進(jìn)行并行化處理，提高伽馬射線數(shù)據(jù)分析的運算速度。

針對伽馬射線點源和彌散源的分析需要，提供了對于多種投影方式的支持，從在軌數(shù)據(jù)中挑選出的伽馬射線數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合DAMPE 衛(wèi)星對于伽馬射線的儀器響應(yīng)函數(shù)，和對于不同天區(qū)的曝光情況，用極大似然估計方法分析伽馬射線源的流量、能譜、空間分布、光變等性質(zhì)及相應(yīng)的置信度。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

課題通過對多樣化科研資源的匯集和統(tǒng)一部署，建設(shè)形成支撐暗物質(zhì)衛(wèi)星伽馬射線的科學(xué)研究的統(tǒng)一應(yīng)用服務(wù)平臺——暗物質(zhì)衛(wèi)星科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)提供科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布的平臺，包括用戶界面、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)下載、工具集成的功能。提供一體化的科研管理平臺和美觀便捷的訪問頁面，收集大規(guī)模暗物質(zhì)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的科學(xué)數(shù)據(jù)庫和對數(shù)據(jù)精確檢索的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)從接收、處理、入庫、發(fā)布到下載的安全可靠的自動化處理流程。集成原始處理、數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)分析等科研工具，建立具有標(biāo)準(zhǔn)訪問接口的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，為科研人員提供一套完整的科研成果提交、查看、審核的智能化處理流程和統(tǒng)一的管理準(zhǔn)則。為公眾及學(xué)科愛好者提供良好的衛(wèi)星動態(tài)、科普資源。圖1為暗物質(zhì)衛(wèi)星科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)的主頁（http://159.226.71.25/dampe/），通過頁面導(dǎo)航可以進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)分析、公眾科普等各項功能區(qū)域。

圖1 暗物質(zhì)衛(wèi)星科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)首頁Fig.1 Home page of DAMPE e-science application system

如圖2的系統(tǒng)架構(gòu)圖所示，暗物質(zhì)衛(wèi)星科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)具有3 個主體模塊：數(shù)據(jù)發(fā)布平臺（詳見第4 節(jié)伽馬數(shù)據(jù)發(fā)布平臺）、數(shù)據(jù)分析軟件（詳見第6 節(jié)伽馬射線數(shù)據(jù)分析軟件）、科研成果審批管理（詳見第5 節(jié)科研成果審批系統(tǒng)）。科研用戶對數(shù)據(jù)發(fā)布平臺發(fā)送數(shù)據(jù)需求，發(fā)布平臺返回數(shù)據(jù)產(chǎn)品給用戶，用戶將數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)分析軟件的輸入，軟件計算得到物理結(jié)果反饋給用戶。科研成果審批模塊可以對用戶的文章、項目報告、工具等科研資源進(jìn)行一個統(tǒng)一的匯聚和管理。系統(tǒng)還包含科研動態(tài)、公眾科普、數(shù)據(jù)工具等輔助應(yīng)用模塊。

圖2 暗物質(zhì)衛(wèi)星科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of DAMPE e-science application system

4 伽馬數(shù)據(jù)發(fā)布平臺

系統(tǒng)建設(shè)了具備便捷web 界面的伽馬數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，實現(xiàn)了具有高效訪問接口的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，提供對暗物質(zhì)衛(wèi)星共享數(shù)據(jù)的精確檢索，建立了暗物質(zhì)衛(wèi)星伽馬數(shù)據(jù)庫。建立從暗物質(zhì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)初步處理到入庫發(fā)布、在線封裝的一套安全可靠的處理流程，并形成科學(xué)數(shù)據(jù)的精確自檢、異地同步的智能一體化生命周期。圖3即為平臺的數(shù)據(jù)檢索界面之一，以供用戶在線發(fā)送檢索需求。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)布平臺檢索窗口Fig.3 Data publishing platform retrieval window

如圖4，最終的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)包含兩個數(shù)據(jù)發(fā)布節(jié)點，紫金山天文臺發(fā)布節(jié)點和國家空間科學(xué)中心發(fā)布節(jié)點，每個發(fā)布節(jié)點都包含完整的數(shù)據(jù)共享功能。系統(tǒng)還將提供一個原始數(shù)據(jù)備份節(jié)點，達(dá)到異地的多點多級數(shù)據(jù)備份。未來將實現(xiàn)節(jié)點之間的自動同步。每個發(fā)布節(jié)點的完整數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)介紹如下。

圖4 伽馬數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Architecture of gamma data release system

暗物質(zhì)衛(wèi)星伽馬數(shù)據(jù)庫包含了3 種數(shù)據(jù)：伽馬射線光子數(shù)據(jù)、設(shè)備觀測狀態(tài)數(shù)據(jù)、飛船數(shù)據(jù)（觀測設(shè)備的各種參數(shù)），其中光子數(shù)據(jù)為關(guān)鍵數(shù)據(jù)。初始數(shù)據(jù)為文件形式，通過初步處理和數(shù)據(jù)校檢后，入庫模塊會將文件中的數(shù)據(jù)記錄提取出來，導(dǎo)入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，完成數(shù)據(jù)入庫。用戶要使用數(shù)據(jù)的時候，在檢索窗口中可以根據(jù)方向坐標(biāo)、范圍、坐標(biāo)系、時間、能量等不同參數(shù)發(fā)送個性化的檢索請求給數(shù)據(jù)庫，檢索模塊根據(jù)用戶的需求將相應(yīng)范圍的數(shù)據(jù)精確提取出來并生成數(shù)據(jù)文件，標(biāo)準(zhǔn)封裝模塊將數(shù)據(jù)文件封裝轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)天文格式的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提供給用戶下載。如單次檢索數(shù)據(jù)很大，希望提高檢索速度，用戶可以選擇文件型檢索方式，系統(tǒng)通過索引方式將檢索范圍內(nèi)的全部單日數(shù)據(jù)文件找出并將多個文件拼接和封裝為標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。整個檢索和封裝過程高度集成化，僅在一次操作內(nèi)完成。

5 科研成果審批系統(tǒng)

龐大的DAMPE 科研團(tuán)隊中有很多科研材料、工具、文獻(xiàn)等資源需要進(jìn)行一些內(nèi)部審核與討論，而零散的對接和管理帶來很多不便。為研究推進(jìn)形成暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)研究的智能一體化科研管理，形成科研資源的統(tǒng)一匯聚管理、統(tǒng)一運行服務(wù)，明確科研資源在不同角色的責(zé)權(quán)利、工作流及其操作規(guī)范，課題建設(shè)了科研成果提交、查看、審核的電子化處理流程和統(tǒng)一管理的框架。該科研成果審批系統(tǒng)分成兩個模塊——科研資源匯聚系統(tǒng)和文章審稿系統(tǒng)，分別對暗物質(zhì)衛(wèi)星科研團(tuán)隊內(nèi)多樣的應(yīng)用資源和最重要的研究成果進(jìn)行電子化的高效管理，使科學(xué)家免除了大量繁瑣的關(guān)于科研對象的零碎一對一對接過程，提升科研效率。

5.1 科研資源匯聚系統(tǒng)

課題建立科研資源的統(tǒng)一管控和共享，完善科研管理體系、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、用戶交互窗口，實現(xiàn)科研資源的多級審批電子化管理流程和統(tǒng)一匯聚系統(tǒng)。

資源匯聚系統(tǒng)為科研團(tuán)隊中各種文檔、工具等普通科研資源提供一個電子化的管理。該系統(tǒng)界面友好、功能劃分明晰，分成進(jìn)行共享應(yīng)用的前臺和用于管理的后臺。科學(xué)家用戶在系統(tǒng)前臺將自己的各種文檔、工具等進(jìn)行在線提交或直接在線撰寫編輯，系統(tǒng)可自動通知管理員。管理員（項目組長、首席等）登陸系統(tǒng)后臺對提交的材料進(jìn)行檢查和審批。根據(jù)不同類型資源的重要性區(qū)別可以對資源區(qū)分欄目，并為不同欄目定制相應(yīng)的多級審批工作流，審批工作流的審批級數(shù)和各級審批的管理員組都可以自由設(shè)定。每級審批退稿之后普通用戶需要進(jìn)行修改和再提交，再提交后重新經(jīng)歷審批工作流。通過審批的資源進(jìn)入欄目展示，欄目的展現(xiàn)具有直接列舉和直接檢索的方式，并且可以自動推薦熱度更高的資源。用戶可以對資源進(jìn)行不同權(quán)限的查閱、評論、收藏等，并具備個人資源中心。管理員可以在后臺對欄目內(nèi)容、用戶進(jìn)行權(quán)限控制、排序、組別設(shè)置等精細(xì)化管理。

圖5 科研資源匯聚系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.5 Architecture of research resource aggregation system

5.2 文章審稿系統(tǒng)

課題形成了重要科學(xué)文章的定向?qū)忛啓C(jī)制，建立根據(jù)研究方向進(jìn)行即時性審稿流指派和智能提醒的統(tǒng)一運行管理，實現(xiàn)動態(tài)選擇性審稿機(jī)制及其自動化交互平臺。

文章是最重要的科研成果，暗物質(zhì)衛(wèi)星科研合作組的文章在正式投稿前都需要在組內(nèi)進(jìn)行細(xì)致的審核，不同于普通資源的審批流程提前確定，文章的審稿人需要根據(jù)文章內(nèi)容進(jìn)行單獨設(shè)置，且對修改意見需要進(jìn)行定點反饋。系統(tǒng)專門對科研團(tuán)隊中最重要的文章進(jìn)行動態(tài)的組內(nèi)審閱和共享。系統(tǒng)具備即時設(shè)定審核角色、跟蹤反饋的精確審核流程和對稿件完善過程的清晰呈現(xiàn)。

系統(tǒng)包含共享窗口和用戶中心，用戶中心匯集用戶個人的文獻(xiàn)和權(quán)限管理范圍，集成在線的提交、審稿模塊。圖6為成功登陸后的共享窗口，提供對文章的多樣化檢索和用戶中心的入口。系統(tǒng)用戶中設(shè)置了最高管理權(quán)限的編審組。審稿流程如圖7所示，科學(xué)家用戶在用戶中心提交模塊中將文章進(jìn)行提交，編審在審稿模塊能看到新投稿件，并根據(jù)文章內(nèi)容（研究方向等）在團(tuán)隊中實時分配適合該文的不固定數(shù)量的審稿人組。審稿人在審核模塊決定通過或退修，如文章被退修則暫時不可再被審，需作者對修改意見進(jìn)行反饋更新后才可再被審稿。當(dāng)所有審稿人都完成審批通過后，文章標(biāo)記為已審稿狀態(tài)。而編審可在文章初提交、在審和已審稿的任何狀態(tài)對文章提出退修或決定其最終過審。團(tuán)隊成員在全流程可以在共享窗口精確檢索、下載和評論文章。文章全生命周期的修改意見和反饋紀(jì)錄可完整呈現(xiàn)，且審稿流程中實現(xiàn)全步驟智能提醒。一體化實現(xiàn)動態(tài)形成審稿角色的科研團(tuán)隊統(tǒng)一內(nèi)審流程。

6 伽馬射線數(shù)據(jù)分析軟件（DmpST）

DAMPE 衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)與探測器的設(shè)計、參數(shù)直接相關(guān)，具有高度的復(fù)雜性，直接分析原始數(shù)據(jù)的要求比較高，需要用戶對探測器的性能和運行狀態(tài)有深入的理解，不適合DAMPE 項目組之外的科學(xué)家直接使用分析。目前并沒有相應(yīng)軟件供DAMPE 項目組之外的科學(xué)家使用。為了解決這個問題，使得廣大科研工作者在不直接接觸復(fù)雜的原始數(shù)據(jù)的情況下，能夠方便快捷地利用DAMPE 衛(wèi)星的伽馬射線數(shù)據(jù)對感興趣的伽馬射線源進(jìn)行科學(xué)分析，并進(jìn)一步研究其物理性質(zhì)，課題開發(fā)了一套專門的伽馬射線數(shù)據(jù)分析軟件（DmpST）。

其主要任務(wù)是：

（1）建立高度提煉的伽馬高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

（2）提煉且準(zhǔn)確反映衛(wèi)星和探測器工作狀態(tài)。

（3）得到探測器的精確儀器響應(yīng)函數(shù)。

（4）利用一些針對性的統(tǒng)計分析方法，結(jié)合衛(wèi)星和探測器的工作狀態(tài)及探測器的儀器響應(yīng)函數(shù)，對伽馬高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行基于源的分析。

最終目標(biāo)是使得科學(xué)家用戶在不接觸到探測器底層復(fù)雜的原始數(shù)據(jù)的情況下，能夠正確而高效地對DAMPE 的伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]，保證伽馬射線相關(guān)的科學(xué)尤其是暗物質(zhì)間接探測相關(guān)的科學(xué)的順利產(chǎn)出。

6.1 數(shù)據(jù)流

如圖8的概括性數(shù)據(jù)流程所示，數(shù)據(jù)分析軟件利用對于伽馬射線的儀器響應(yīng)函數(shù)對光子數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行分析，進(jìn)而得到伽馬射線源的物理結(jié)果。光子數(shù)據(jù)產(chǎn)品是由DAMPE 衛(wèi)星收集的在軌數(shù)據(jù)中經(jīng)過光子挑選得到，儀器響應(yīng)函數(shù)也是用模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過相同的光子挑選算法得到的。儀器響應(yīng)函數(shù)是利用大量的伽馬射線模擬數(shù)據(jù)建立的，包括有效面積、點擴(kuò)散函數(shù)和能量彌散函數(shù)。

圖8 伽馬射線研究分析的數(shù)據(jù)流Fig.8 Data stream of Gamma-ray studies and analysis

根據(jù)不同的科學(xué)需求需要探索不同的光子挑選算法和儀器響應(yīng)函數(shù)。課題針對伽馬射線點源分析的需求，開發(fā)了高效的光子挑選算法，生產(chǎn)光子數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為后續(xù)的科學(xué)分析提供了基礎(chǔ)保障[6]，并建立儀器響應(yīng)函數(shù)，其分析目標(biāo)是探測不同的物理對象。課題也進(jìn)一步主要針對伽馬射線線譜搜尋的科學(xué)需求，研究、生產(chǎn)、建立相應(yīng)的光子挑選算法、光子數(shù)據(jù)產(chǎn)品、儀器響應(yīng)函數(shù)，其目標(biāo)是間接探測暗物質(zhì)粒子。

6.2 DmpST 結(jié)構(gòu)

如圖9所示，伽馬射線分析軟件DmpST 的輸入數(shù)據(jù)有四部分，分別是飛船文件、光子文件、儀器響應(yīng)文件、模型文件。光子文件由在軌數(shù)據(jù)經(jīng)過光子挑選程序而得到，記錄光子信息，包括到達(dá)時間、重建能量、重建方向、觸發(fā)模式、事例分類等信息。同時記錄所選光子對應(yīng)的衛(wèi)星運行時間信息。飛船文件從衛(wèi)星工程數(shù)據(jù)庫中獲取，記錄衛(wèi)星運行狀態(tài)，飛行過程中詳細(xì)的時間、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星指向、衛(wèi)星工作狀態(tài)、有效工作時間等信息。儀器響應(yīng)文件由模擬數(shù)據(jù)分析得到，記錄衛(wèi)星的儀器響應(yīng)函數(shù)，其中有效面積以數(shù)據(jù)表的形式給出，點擴(kuò)散函數(shù)和能量彌散函數(shù)存儲經(jīng)過參數(shù)化后的參數(shù)。模型文件記錄伽馬射線源的能譜和空間分布函數(shù)形式及參數(shù)信息，包括參數(shù)名稱、是否參與模型擬合、參數(shù)取值和誤差等。

圖9 伽馬射線分析軟件（DmpST）的組織結(jié)構(gòu)Fig.9 Architecture of DmpST

軟件分析流程為：由有效時間和儀器響應(yīng)函數(shù)計算得到衛(wèi)星對天空各個方向的曝光，再結(jié)合由空間模型和能譜模型組成的源模型，計算衛(wèi)星預(yù)計觀測天圖，與由光子事例得到的天圖構(gòu)造似然函數(shù)形式，進(jìn)行極大似然分析，得到能譜模型中參數(shù)的值和誤差，進(jìn)一步分析得到源的流量、能譜、光變等各種物理性質(zhì)，還可以由衛(wèi)星對天空的曝光和源模型進(jìn)行觀測模擬。

7 應(yīng)用效果

通過充分整合暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星科學(xué)研究資源，提供精確標(biāo)準(zhǔn)的伽馬數(shù)據(jù)產(chǎn)品，支持伽馬數(shù)據(jù)的分析處理，建設(shè)形成支撐科研活動的統(tǒng)一應(yīng)用服務(wù)平臺——DAMPE 科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)，為紫金山天文臺“十三五”發(fā)展規(guī)劃的重點突破方向之一暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在軌運行與科學(xué)研究提供全面的信息化支撐和保障，為其科技創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展奠定重要的信息化支撐。在該系統(tǒng)的匯聚資源和分析軟件的支持下，DAMPE 科學(xué)團(tuán)隊利用DAMPE 三年觀測的伽馬射線數(shù)據(jù)，搜尋到143 個顯著性高于4個標(biāo)準(zhǔn)差的明亮點源，與Fermi-LAT 第四期伽馬射線源表[7]做對應(yīng)，初步確定了源的類型，其中包括100 個活動星系核，27 個脈沖星，9 個超新星遺跡或脈沖星風(fēng)云，2 個伽馬射線雙星，1 個球狀星團(tuán)，另外4 個沒有其他波段對應(yīng)體，初步建立了伽馬射線亮源表，多種類型的伽馬射線源對于研究伽馬射線輻射機(jī)制具有重要意義[8]。團(tuán)隊利用光子數(shù)據(jù)產(chǎn)品對幾顆亮脈沖星做了重點分析，根據(jù)脈沖星的星歷信息折疊得到脈沖相位分布，并分析得到了脈沖星的流量和能譜信息[9]；還利用DAMPE 伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行伽馬射線線譜搜尋從而進(jìn)行暗物質(zhì)間接探測，得益于DAMPE 優(yōu)異的能量分辨，利用DAMPE3年觀測的數(shù)據(jù)得到的暗物質(zhì)湮滅到伽馬射線的截面限制與利用Fermi-LAT 5.8年數(shù)據(jù)得到的限制相當(dāng)[10]。另外團(tuán)隊還對伽馬射線數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了5 例活動星系核的爆發(fā)現(xiàn)象，在天文學(xué)家電報上進(jìn)行了報道[11-15]。

8 結(jié)論與展望

針對紫金山天文臺“十三五”發(fā)展規(guī)劃的重點突破方向之一暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在軌運行與科學(xué)研究對科研信息化應(yīng)用需求，完成建設(shè)一體化的科研信息化應(yīng)用系統(tǒng)，提供多功能、便捷的用戶訪問界面，集成數(shù)據(jù)庫、檢索中心、分析工具、科學(xué)軟件，匯聚科學(xué)資源、提供科研用戶服務(wù)、實現(xiàn)多樣化成果審批、提升數(shù)據(jù)發(fā)布、完善分析方法、提升科研管理。為科學(xué)家用戶的科研創(chuàng)新提供了強(qiáng)有力的信息化支撐，使科學(xué)家用戶能夠脫離底層的原始數(shù)據(jù)，方便高效地對DAMPE 的伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，保證了伽馬射線相關(guān)的科學(xué)尤其是暗物質(zhì)間接探測相關(guān)的科學(xué)的順利產(chǎn)出。未來將持續(xù)進(jìn)行DAMPE伽馬射線數(shù)據(jù)的更新和檢索算法的升級，并將開放范圍擴(kuò)大到全世界科學(xué)界，在面向更多科學(xué)需求的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析軟件的性能優(yōu)化，拓展伽馬射線科研資源的科學(xué)應(yīng)用，為下一代伽馬射線望遠(yuǎn)鏡做技術(shù)積累，進(jìn)一步推動高能天體物理的發(fā)展。

致謝

感謝中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心科研信息

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。