风云三号气象卫星数据生成时效性分析系统设计与应用

贾树泽程朝晖屈兴之张媛媛赵现纲冯小虎

摘 要：数据生成时效性是反映业务系统设计合理性和数据处理效率的重要指标。随着风云三号极轨气象卫星产品在全球数值天气预报中应用比重的增加，其数据生成时效性要求也在不断提高。通过对风云三号业务系统中的数据获取、接收与传输、汇集与预处理、投影与产品生成等多个环节进行数据生成信息采集，并根据各环节之间的业务逻辑关系构建分析系统和数据生成时效性数据库，可以有效定位系统数据处理流程中的延迟瓶颈，给业务系统的性能优化与改进提供较为明确的方向与思路，为制定业务产品发布时效指标提供量化依据。

关键词关键词：气象卫星；时效性；产品生成；数据库

DOIDOI：10.11907/rjdk.162162

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011008404

0 引言

风云三号（Fengyun-3，FY-3）气象卫星是我国实现全球、全天候、多光谱、三维、定量遥感的第二代极轨业务气象卫星[1]，可实现全球、全天候、三维定量遥感，在气象、海洋、水利、农业、交通以及环境等领域广泛应用。随着FY-3数据和产品在全球数值天气预报业务模式中的广泛应用，其各级产品的发布时效也逐渐成为衡量整个星地业务系统设计合理性和数据处理效率的重要指标之一。FY-3星地业务系统数据传输与处理的环节较多，地面系统的平台多为异构且较为复杂[2]，影响其时效性的因素也是多种多样。

本文通过卫星数据获取、地面站数据接收与传输、原始资料的汇集与预处理以及对各仪器L1（Level-1）数据的加工，对L2（Level-2）产品生成环节的信息进行采集与处理，构建数据生成时效分析系统并建立数据生成时效性数据库，能够对星地业务系统各类产品生成时效进行客观的量化评估，为业务优化与改进、相关业务数据发布时效指标与周期的制定等提供有效支撑。

1 星地业务系统数据生成时效分析系统构建

1.1 星地业务系统数据处理流程分析

（1）数据记录与下传阶段。生产实时数据中的高分辨率图像传输数据（High Resolution Picture Transmission， HRPT）和中分辨率图像传输数据（Medium resolution Picture Transmission，MPT），然后直接通过卫星数传系统下传广播；生成存储回放图像传输数据（Delayed Picture Transmission， DPT）后记录在FY-3卫星的固态存储器中，根据卫星程控方案与地面数据接收站点位置布局，在地面接收站指定的俯仰角范围内进行下传广播。

（2）数据接收和传输阶段。地面站接收卫星数据后，根据不同信道（HRPT/MPT/DPT）按固定时段切块，形成原始分块数据文件（RAW），并向处理中心进行同步并行传输。

（3）数据汇集阶段。处理中心将各地面站传输的原始分块文件进行处理，包括分通道拆包解包、多站数据去重复、优化拼接等作业，最后根据各种仪器使用要求生成不同时间粒度（分段、分弧段、按轨道）的L0（Level-0）数据。

（4）产品生成阶段。以L0为数据源，依照实时或延迟数据处理调度策略处理实时数据和延迟到达的数据；启动各仪器各阶段的产品处理作业流程，生成经地理定位和辐射定标后[3]的L1预处理产品及根据不同科学算法所反演生成的不同地球物理量L2产品，并同步进行数据分发与存档。

1.2 时效分析建模

针对FY-3业务系统数据处理流程中4个阶段的数据生成过程，定义4个阶段的数据生成延迟时间，分别为星地延迟（ Delay_StoG）、传输延迟（Delay_GtoC ）、汇集延迟（Delay_CtoL0 ）和产品生成延迟（Delay_LtoL ），其中：Delay_StoG =目标数据地面接收时间（timeForReceive ）-目标数据仪器观测时间（timeForObs ）Delay_GtoC =目标数据到达处理中心时间（timeForCenter ）-timeForReceive Delay_CtoL0 =目标数据汇集完成时间（timeForL0 ） - （timeForCenter ）Delay_LtoL =高级别数据生成时间（timeForL_high ） -低级别数据生成时间（timeFor_low ）。

数据生成时效性分析系统将星地业务流程中的数据生成信息采集后，根据Delay_StoG、Delay_GtoC、Delay_GtoL0、Delay_LtoL分析判别各个环节的数据生成时延。

1.3 系统构建

星地业务系统数据生成时效分析系统主要由4个功能模块以及数据库组成，即星地数据信息获取模块、数据传输模块、数据整合去重复入库模块、数据分析模块和时效分析数据库，如图2所示。其各自功能如下：

（1）星地数据信息获取模块。负责原始数据采集，需要从业务系统各个环节中采集原始数据信息，包括地面站数据接收时间表信息、与时效相关的工程遥测信息、地面站数据接收信息、中心原始分块数据汇集与处理信息、各级产品文件生成信息等。

（2）数据传输模块。负责将星地数据信息获取模块收集到的信息传输到星地业务系统运行时效分析系统所在运行服务器的指定存储位置。

（3）数据整合去重复入库模块。将星地数据信息获取模块收集到的原始信息进行加工，逐条解析，去掉重复部分，并将信息按类别输入至时效分析数据库中的各个表中。

（4）数据分析模块。通过时效性分析逻辑按时间序列对数据库各个表中的数据进行关联查询与分析，给出统计与分析结果。

（5）时效分析数据库。存放分类标准化后的数据信息，包括各业务环节的数据生成状态表、时效分析结果表等，具有数据分区存放、联合索引查询等数据库查询调优策略。

2 数据生成时效结果分析

系统以轨、日、月、年为不同时间粒度进行数据生成时效分析，以月、年为时间粒度进行分析需要在数据库中进行完整的数据积累。本文以轨、日为时间分析粒度，对具有典型时效性要求、以5分钟段为单位的中分辨率光谱成像仪（Medium Resolution Spectral Imager， MERSI）数据和以轨道（FY-3极轨卫星[4]轨道周期约为102分钟）为单位的微波湿度计（MicroWave Humidity Sounder， MWHS）数据进行举例分析。

由于MWHS以轨道为文件处理单元，因此全天的数据星地时延均较大（2小时以上），汇集时延在01∶18至06∶23时段增大的原因是这些数据在传输时出现较长延迟，产生了处理时延放大效应。

从系统分析可知，分块粒度较小的数据生成时延要远

小于分块粒度较大的数据，这是由于分块粒度较大的数据需要进行多轨拼接合成，其处理过程中的时间开销相对较大。

3 结语

本文梳理了风云三号气象卫星及其地面应用系统的数据生成与处理流程，根据不同业务环节的数据处理特点建立了数据生成时效评估模型，并在此基础上设计了数据生成时效性分析系统。最后以典型的具有生成时效要求的两类仪器数据进行举例分析，结果表明，星地时延是业务流程中的主要瓶颈之一。FY-3数据不同仪器的数据生成时延与分块处理的粒度大小有关。本系统可为地面数据接收站点布局规划和业务系统设计提供有价值的参考，同时其积累的数据生成时效信息可为具有高时效应用需求的产品发布周期提供量化依据。

参考文献：

[1] 杨军，董超华，等.新一代风云极轨气象卫星业务产品及应用[M].北京：科学出版社，2011：253267.

[2] 谢利子，赵现纲，郭强，等.风云系列气象卫星关键业务监控报警系统的设计与实现[J].计算机应用， 2012， 32（S2）：192-195，225.

[3] 梁顺林.定量遥感[M].北京：科学出版社，2014：90149.

[4] 章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998：2228.

[5] 陈国良，安虹，等.并行算法实践[M].北京：高等教育出版社，2004：155243.

（责任编辑：孙 娟）