風云三號氣象衛星數據生成時效性分析系統設計與應用

賈樹澤程朝暉屈興之張媛媛趙現綱馮小虎

摘 要：數據生成時效性是反映業務系統設計合理性和數據處理效率的重要指標。隨著風云三號極軌氣象衛星產品在全球數值天氣預報中應用比重的增加，其數據生成時效性要求也在不斷提高。通過對風云三號業務系統中的數據獲取、接收與傳輸、匯集與預處理、投影與產品生成等多個環節進行數據生成信息采集，并根據各環節之間的業務邏輯關系構建分析系統和數據生成時效性數據庫，可以有效定位系統數據處理流程中的延遲瓶頸，給業務系統的性能優化與改進提供較為明確的方向與思路，為制定業務產品發布時效指標提供量化依據。

關鍵詞關鍵詞：氣象衛星；時效性；產品生成；數據庫

DOIDOI：10.11907/rjdk.162162

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011008404

0 引言

風云三號（Fengyun-3，FY-3）氣象衛星是我國實現全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感的第二代極軌業務氣象衛星[1]，可實現全球、全天候、三維定量遙感，在氣象、海洋、水利、農業、交通以及環境等領域廣泛應用。隨著FY-3數據和產品在全球數值天氣預報業務模式中的廣泛應用，其各級產品的發布時效也逐漸成為衡量整個星地業務系統設計合理性和數據處理效率的重要指標之一。FY-3星地業務系統數據傳輸與處理的環節較多，地面系統的平臺多為異構且較為復雜[2]，影響其時效性的因素也是多種多樣。

本文通過衛星數據獲取、地面站數據接收與傳輸、原始資料的匯集與預處理以及對各儀器L1（Level-1）數據的加工，對L2（Level-2）產品生成環節的信息進行采集與處理，構建數據生成時效分析系統并建立數據生成時效性數據庫，能夠對星地業務系統各類產品生成時效進行客觀的量化評估，為業務優化與改進、相關業務數據發布時效指標與周期的制定等提供有效支撐。

1 星地業務系統數據生成時效分析系統構建

1.1 星地業務系統數據處理流程分析

（1）數據記錄與下傳階段。生產實時數據中的高分辨率圖像傳輸數據（High Resolution Picture Transmission， HRPT）和中分辨率圖像傳輸數據（Medium resolution Picture Transmission，MPT），然后直接通過衛星數傳系統下傳廣播；生成存儲回放圖像傳輸數據（Delayed Picture Transmission， DPT）后記錄在FY-3衛星的固態存儲器中，根據衛星程控方案與地面數據接收站點位置布局，在地面接收站指定的俯仰角范圍內進行下傳廣播。

（2）數據接收和傳輸階段。地面站接收衛星數據后，根據不同信道（HRPT/MPT/DPT）按固定時段切塊，形成原始分塊數據文件（RAW），并向處理中心進行同步并行傳輸。

（3）數據匯集階段。處理中心將各地面站傳輸的原始分塊文件進行處理，包括分通道拆包解包、多站數據去重復、優化拼接等作業，最后根據各種儀器使用要求生成不同時間粒度（分段、分弧段、按軌道）的L0（Level-0）數據。

（4）產品生成階段。以L0為數據源，依照實時或延遲數據處理調度策略處理實時數據和延遲到達的數據；啟動各儀器各階段的產品處理作業流程，生成經地理定位和輻射定標后[3]的L1預處理產品及根據不同科學算法所反演生成的不同地球物理量L2產品，并同步進行數據分發與存檔。

1.2 時效分析建模

針對FY-3業務系統數據處理流程中4個階段的數據生成過程，定義4個階段的數據生成延遲時間，分別為星地延遲（ Delay_StoG）、傳輸延遲（Delay_GtoC ）、匯集延遲（Delay_CtoL0 ）和產品生成延遲（Delay_LtoL ），其中：Delay_StoG =目標數據地面接收時間（timeForReceive ）-目標數據儀器觀測時間（timeForObs ）Delay_GtoC =目標數據到達處理中心時間（timeForCenter ）-timeForReceive Delay_CtoL0 =目標數據匯集完成時間（timeForL0 ） - （timeForCenter ）Delay_LtoL =高級別數據生成時間（timeForL_high ） -低級別數據生成時間（timeFor_low ）。

數據生成時效性分析系統將星地業務流程中的數據生成信息采集后，根據Delay_StoG、Delay_GtoC、Delay_GtoL0、Delay_LtoL分析判別各個環節的數據生成時延。

1.3 系統構建

星地業務系統數據生成時效分析系統主要由4個功能模塊以及數據庫組成，即星地數據信息獲取模塊、數據傳輸模塊、數據整合去重復入庫模塊、數據分析模塊和時效分析數據庫，如圖2所示。其各自功能如下：

（1）星地數據信息獲取模塊。負責原始數據采集，需要從業務系統各個環節中采集原始數據信息，包括地面站數據接收時間表信息、與時效相關的工程遙測信息、地面站數據接收信息、中心原始分塊數據匯集與處理信息、各級產品文件生成信息等。

（2）數據傳輸模塊。負責將星地數據信息獲取模塊收集到的信息傳輸到星地業務系統運行時效分析系統所在運行服務器的指定存儲位置。

（3）數據整合去重復入庫模塊。將星地數據信息獲取模塊收集到的原始信息進行加工，逐條解析，去掉重復部分，并將信息按類別輸入至時效分析數據庫中的各個表中。

（4）數據分析模塊。通過時效性分析邏輯按時間序列對數據庫各個表中的數據進行關聯查詢與分析，給出統計與分析結果。

（5）時效分析數據庫。存放分類標準化后的數據信息，包括各業務環節的數據生成狀態表、時效分析結果表等，具有數據分區存放、聯合索引查詢等數據庫查詢調優策略。

2 數據生成時效結果分析

系統以軌、日、月、年為不同時間粒度進行數據生成時效分析，以月、年為時間粒度進行分析需要在數據庫中進行完整的數據積累。本文以軌、日為時間分析粒度，對具有典型時效性要求、以5分鐘段為單位的中分辨率光譜成像儀（Medium Resolution Spectral Imager， MERSI）數據和以軌道（FY-3極軌衛星[4]軌道周期約為102分鐘）為單位的微波濕度計（MicroWave Humidity Sounder， MWHS）數據進行舉例分析。

由于MWHS以軌道為文件處理單元，因此全天的數據星地時延均較大（2小時以上），匯集時延在01∶18至06∶23時段增大的原因是這些數據在傳輸時出現較長延遲，產生了處理時延放大效應。

從系統分析可知，分塊粒度較小的數據生成時延要遠

小于分塊粒度較大的數據，這是由于分塊粒度較大的數據需要進行多軌拼接合成，其處理過程中的時間開銷相對較大。

3 結語

本文梳理了風云三號氣象衛星及其地面應用系統的數據生成與處理流程，根據不同業務環節的數據處理特點建立了數據生成時效評估模型，并在此基礎上設計了數據生成時效性分析系統。最后以典型的具有生成時效要求的兩類儀器數據進行舉例分析，結果表明，星地時延是業務流程中的主要瓶頸之一。FY-3數據不同儀器的數據生成時延與分塊處理的粒度大小有關。本系統可為地面數據接收站點布局規劃和業務系統設計提供有價值的參考，同時其積累的數據生成時效信息可為具有高時效應用需求的產品發布周期提供量化依據。

參考文獻：

[1] 楊軍，董超華，等.新一代風云極軌氣象衛星業務產品及應用[M].北京：科學出版社，2011：253267.

[2] 謝利子，趙現綱，郭強，等.風云系列氣象衛星關鍵業務監控報警系統的設計與實現[J].計算機應用， 2012， 32（S2）：192-195，225.

[3] 梁順林.定量遙感[M].北京：科學出版社，2014：90149.

[4] 章仁為.衛星軌道姿態動力學與控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998：2228.

[5] 陳國良，安虹，等.并行算法實踐[M].北京：高等教育出版社，2004：155243.

（責任編輯：孫 娟）