天地一体化风云四号A星数据服务系统的设计与实现

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一、前言

风云四号（FY-4）是我国第二代静止气象卫星，星载四类有效载荷：成像仪、探测仪、闪电仪和空间天气监测仪器包。成像辐射计具有14个光谱波段，极大提高了遥感对地观测的空间、时间和光谱分辨率；干涉式红外探测仪将为区域数值模式和短临预报提供观测数据和新的应用模式；闪电成像仪可以作为强对流天气的“示踪器”。与风云二号（FY-2）相比，风云四号原始数据量提高了160倍，产品数据量提高了80倍，每日数据量高达4TB。风云四号A星（FY-4A）地面系统接收的实时资料，以及业务系统加工处理得到的各级数据和产品，在天气预报、生态环境监测等应用领域将发挥重要作用，在国民经济的多个领域（农业、林业、水利、环境、交通等）都有很强的应用需求。

数据服务系统是风云四号卫星地面应用系统九大系统之一，也是国家民用空间基础设施——气象卫星数据中心的重要组成部分，是实现气象卫星数据共享服务的基础平台。数据服务系统的目标是建立一个综合的气象卫星信息服务系统，不仅可以提供数据的检索下载服务，还将为各类用户共享使用卫星数据提供各类辅助手段和信息帮助，满足国内外各类用户对气象卫星数据和信息的需求。

二、用户分析

风云四号卫星的主要应用用户群可以分为国内用户和国际用户两大类：国内用户可分为决策部门用户、气象部门用户、行业用户、科研用户和公众用户；国际用户可分为直接接收站用户、数据交换用户和共享用户。

1. 国内用户

决策部门用户：使用由气象部门利用风云四号卫星数据和产品监测、分析、预报得到的天气气候和生态环境产品，通过政务内网或上报方式得到。

气象部门用户：国家、省、地、县气象部门根据天气气候业务需求，需要获取实时风云四号卫星数据和产品。依据数据获取时效和成本考虑，采用内网分发、卫星直接广播接收站、中国气象局广播系统（CMACast）接收站、紧急天气广播接收站等快速、高性价比方式实现。

行业用户：如民航、水利、农业等部门，需要实时获取风云四号卫星数据，采用卫星直接广播接收站或专线分发等方式。

科研用户：使用风云四号卫星数据用于应用研究，尤其是长时间序列数据，科研对数据时效要求较低，可以通过基于Internet的卫星数据共享服务系统来满足。

公众用户：主要关心与日常生活相关的风云四号产品，可以通过网站提供可视化的风云四号产品服务来满足。

2. 国际用户

直收站用户：主要包括风云四号卫星直接广播覆盖区范围内的亚太地区国家。这些用户直接接收和应用风云四号数据，有助于提升风云四号卫星的国际影响力，提高中国作为气象卫星大国的地位。

数据交换用户：主要包括欧洲气象卫星组织（EUMETSAT），通过建立专线实现数据实时交换。

共享用户：包括国际上风云四号卫星的应用和科研用户，通过基于Internet的英文卫星数据共享服务站点来满足。

三、系统架构

风云四号A星数据服务系统由数据存档分系统、可视化产品处理分系统、运维管理分系统、风云四号门户网站分系统、专业卫星数据服务分系统、公众卫星气象信息服务分系统、用户支持和服务分系统、高速率信息传输（HRIT）数据用户应用分系统组成。实现风云四号卫星数据存档业务运行调度、监控、管理，对所有风云四号A星数据提供长期维护；实现基于WEB的风云四号主要图像产品和定量产品综合可视化处理；实现数据服务全系统集中监视和统计；建立风云气象卫星网站，发布卫星运行信息、数据格式、相关程序、应用示范等；利用数据检索下载、网络直播、用户定制、空间数据管理、远程交互培训等手段，实现专业用户卫星数据服务；依托卫星云图多终端无级缩放动画生成及发布技术，为公众提供卫星气象信息服务；建设用户跟踪和反馈、用户效益分析评估、数据利用评价等系统，为用户提供技术支持、服务改进和评估；建设全国省级气象部门HRIT数据接收和数据应用平台，实现实时数据的高效分发。数据服务系统结构如图1所示。

图1 风云四号数据服务系统结构

为更好地为全国气象业务特别是省级气象业务提供卫星观测数据支撑，发挥气象卫星效益，需要突破海量数据分发的瓶颈，解决地方气象部门快速获取卫星数据的难题。风云四号科研试验卫星地面应用系统工程初步设计方案中设计了四类主要数据服务手段，即风云四号卫星直接数据广播、CMACast数据广播、气象业务内网分发、网站数据服务。风云四号A星数据服务系统架构如图2所示。

图2 风云四号数据服务系统架构

四、系统功能

数据服务系统可分为气象卫星数据存储存档管理、气象卫星数据服务、气象卫星数据省地县级接收应用站、气象卫星数据服务分中心、气象卫星数据收集平台、紧急气象信息广播平台六部分功能。

1. 气象卫星数据存档管理

根据风云四号卫星数据实时业务和长期存档的管理要求，对业务系统产生的各级数据和产品进行自动实时编目存档管理，分类进行长期存档、永久存档和临时存档管理；并提供手工交互存档方式，以便对存档过程中出现的错误进行补充存档或剔除错误的存档数据；实现同一数据中心内不同存储介质之间的数据自动迁移。根据订购要求能够将所需数据从存档介质中进行数据回调。根据数据存档策略，能够实现对已存档数据的离线管理和回调。

2. 气象卫星数据服务

风云四号门户网站分系统建设是集中风云四号卫星信息、数据服务、产品信息、空间天气服务于一体的综合性门户网站系统，要求安全可靠，提供统一的发布接口，能够对网站动态静态内容进行监控。

依据风云四号卫星数据高时效、高分辨率、大数据量的特征，建立满足专业用户需求的基于网络在线方式的综合数据服务系统。系统具有较高在线响应能力，具有数据检索、订购和获取一体化的综合数据服务能力，通过云计算处理和存储框架，实现分布式的可定制数据处理平台，并为专业用户提供检索和定制数据库接口。

3. 气象卫星省级接收应用站

在全国省级气象部门，建设遵循省级全国综合气象信息共享平台（CIMISS）规范和标准的风云四号HRIT数据获取系统。HRIT数据获取系统包括1套接收设备和1套HRIT用户接收站接收和监视软件，主要配置设备包括天线、下变频器、低噪声放大器、解调器、接收机、进机卡、接收计算机1台、数据管理计算机1台。每个省级气象部门配置两台高性能PC服务器和50TB存储资源，作为省级FY-4A数据应用中心，同时也是省级气象数据中心的组成部分。

4. 气象卫星数据服务分中心

数据服务分中心是为用户提供方便快捷的FY-4A数据服务的重要保证，基于分中心独特的地理位置和周边用户需求，建立特殊的卫星数据管理和编目系统，为用户提供数据检索、订购服务；建立分中心的门户网站，实现具有针对性的用户服务；同时需要建立分中心与主中心之间的用户协同认证体系，使两个中心之间的用户可以共享资源和服务。

5. 气象卫星数据收集平台

在全国边远地区建设数据收集平台（DCP）利用站和气象要素自动采集设备。DCP主要用于市、县台站及高山、海岛、船舶、浮标、飞机、沙漠等人烟稀少地区，配置各类传感器自动采集各类环境数据，并以UHF频率向风云四号A星定时发送，风云四号A星中继转发，从而完成对各地气象要素的实时监测功能。

6. 预警信息广播平台

风云四号A星上有低速率信息传输（LRIT）/预警信息广播（EWAIB）信号转发器，在发生突发气象紧急事件时，地面向卫星发送预警警报信息，卫星向地面终端进行转发。

五、系统实现

1. 气象卫星数据存储存档管理系统建设

按照气象数据存储存档统一的云存储框架要求，国家级气象卫星数据存档系统作为云存储节点开展建设，按照气象信息化和标准化工作组规定的统一的数据格式标准、元数据标准、存储管理标准要求，特别要按照中国气象局对卫星数据的管理要求进行建设。对于中国气象局直属业务单位（北京）数据存储和数据访问而言，做到无缝透明。

风云四号卫星数据存储管理系统原采用在线—近线—离线的三级存储架构，相对封闭，对中国气象局业务单位无直接连接。业务单位使用卫星数据需通过FTP下载或订单订购方式，集约化程度较低，造成卫星数据和用户之间的鸿沟。通过适应信息化要求的方案调整，风云四号卫星数据存储管理将基于分布式存储建设PB级风云卫星数据资源池，数据存储编目结构与接口规范符合CIMISS标准体系，使之成为卫星数据资源池，避免在业务内网内部重复建设过多卫星数据“仓库”。该资源池是卫星数据的在线存储区，同时又提供统一的接口供直属业务单位直接读取使用，减少了之前订购、下载的环节，提升了卫星数据使用效率。

CIMISS卫星数据资源池将保持PB级风云卫星数据全集在线，满足对长序列历史卫星数据有使用需求的气候中心、气象科学研究院等单位使用。同时，卫星实时数据将即时更新至该资源池，满足对卫星数据时效性要求高的气象中心、数值预报中心的需求。

CIMISS卫星数据资源池的架构如图3所示。在硬件节点层，资源池采用通用X86服务器构建大规模存储节点集群，降低采购与运维成本；在数据处理层，通过应用软件构建PB级的在线存储池，遵循CIMISS标准实现卫星数据的归档管理；在应用层，支持主流操作系统的直接访问，满足直属业务单位卫星数据使用需求，卫星遥感应用平台亦可与该数据资源池进行深度融合，用户可通过遥感应用平台直接调用数据，省去数据寻找和发现的过程。

图3 CIMISS卫星数据资源池架构图

2. 气象卫星数据服务系统建设

按照国家级气象信息服务框架，国家级气象卫星数据服务系统作为云服务节点开展建设，按照统一的用户管理、服务界面、数据提供来设计。省级气象卫星数据管理和服务全部纳入CIMISS统一设计。

风云四号A星数据服务系统将建设国家级气象卫星数据服务中心（图4），整合风云卫星遥感信息和公共气象卫星数据资源，利用公有云和混合云技术，通过CIMISS统一接口标准，将卫星气象数据融入公共气象数据资源池，建立多级气象卫星数据共享服务，与国家气象信息中心共同实现风云遥感数据服务网与中国气象数据网的对接，增强数据环境支撑与服务产品加工能力，丰富数据产品种类，完善数据统计分析与可视化服务功能，细分用户，开发完善针对不同用户的卫星遥感数据服务产品，提升服务数据的质量和技术含量。基于互联网及移动互联网技术，向社会开放卫星元数据检索接口，实时在线定制卫星数据和图像。

图4 卫星数据服务网站架构图

3. 气象卫星省级数据直接接收站建设

静止气象卫星实时资料在天气监测和预警业务应用中的高时效性极端重要，为保障省级气象部门能够实时业务化获取气象卫星实时观测数据，建设卫星数据直收站是解决卫星资料播发的手段之一。

风云四号A星数据服务系统在省级站将建设卫星数据处理平台，实现实时收取的卫星数据处理、产品生成及共享。该平台建设符合省级CIMISS标准规范，作为省级气象部门数据中心的一部分。为与国家级CIMISS卫星数据资源池保持结构一致，目录统一，省级用户可通过遥感应用平台直接读取数据，省去数据检索和发现的过程。气象卫星省级数据服务体系架构如图5所示。同时，中国气象局的其他业务数据，也可通过风云四号卫星广播信道进行播发，由省级站接收后提供共享服务。

随着CIMISS地面网络的不断升级扩容，可满足卫星数据高时效传输要求，省级气象部门亦可基于地面网获取卫星数据，与省级直收站形成数据传输渠道与数据内容上互备，为省级用户播发更多品类的卫星数据产品。

图5 气象卫星省级数据服务体系架构图

六、结论

风云四号A星数据服务系统通过国家级卫星数据存储管理系统建设、卫星数据服务系统建设、省级直收站建设，满足了风云四号A星每日3TB数据管理共享和信息服务的需求。