風云三號氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成時效性分析系統(tǒng)設計與應用

賈樹澤程朝暉屈興之張媛媛趙現(xiàn)綱馮小虎

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

關鍵詞關鍵詞：氣象衛(wèi)星；時效性；產(chǎn)品生成；數(shù)據(jù)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，F(xiàn)Y-3）氣象衛(wèi)星是我國實現(xiàn)全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感的第二代極軌業(yè)務氣象衛(wèi)星[1]，可實現(xiàn)全球、全天候、三維定量遙感，在氣象、海洋、水利、農(nóng)業(yè)、交通以及環(huán)境等領域廣泛應用。隨著FY-3數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在全球數(shù)值天氣預報業(yè)務模式中的廣泛應用，其各級產(chǎn)品的發(fā)布時效也逐漸成為衡量整個星地業(yè)務系統(tǒng)設計合理性和數(shù)據(jù)處理效率的重要指標之一。FY-3星地業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與處理的環(huán)節(jié)較多，地面系統(tǒng)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(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、地面站數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的加工，對L2（Level-2）產(chǎn)品生成環(huán)節(jié)的信息進行采集與處理，構建數(shù)據(jù)生成時效分析系統(tǒng)并建立數(shù)據(jù)生成時效性數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)π堑貥I(yè)務系統(tǒng)各類產(chǎn)品生成時效進行客觀的量化評估，為業(yè)務優(yōu)化與改進、相關業(yè)務數(shù)據(jù)發(fā)布時效指標與周期的制定等提供有效支撐。

1 星地業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成時效分析系統(tǒng)構建

1.1 星地業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程分析

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

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

（3）數(shù)據(jù)匯集階段。處理中心將各地面站傳輸?shù)脑挤謮K文件進行處理，包括分通道拆包解包、多站數(shù)據(jù)去重復、優(yōu)化拼接等作業(yè)，最后根據(jù)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(shù)據(jù)。

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

1.2 時效分析建模

針對FY-3業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程中4個階段的數(shù)據(jù)生成過程，定義4個階段的數(shù)據(jù)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(chǎn)品生成延遲（Delay_LtoL ），其中：Delay_StoG =目標數(shù)據(jù)地面接收時間（timeForReceive ）-目標數(shù)據(jù)儀器觀測時間（timeForObs ）Delay_GtoC =目標數(shù)據(jù)到達處理中心時間（timeForCenter ）-timeForReceive Delay_CtoL0 =目標數(shù)據(jù)匯集完成時間（timeForL0 ） - （timeForCenter ）Delay_LtoL =高級別數(shù)據(jù)生成時間（timeForL_high ） -低級別數(shù)據(jù)生成時間（timeFor_low ）。

數(shù)據(jù)生成時效性分析系統(tǒng)將星地業(yè)務流程中的數(shù)據(jù)生成信息采集后，根據(jù)Delay_StoG、Delay_GtoC、Delay_GtoL0、Delay_LtoL分析判別各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)生成時延。

1.3 系統(tǒng)構建

星地業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成時效分析系統(tǒng)主要由4個功能模塊以及數(shù)據(jù)庫組成，即星地數(shù)據(jù)信息獲取模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)整合去重復入庫模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和時效分析數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。其各自功能如下：

（1）星地數(shù)據(jù)信息獲取模塊。負責原始數(shù)據(jù)采集，需要從業(yè)務系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中采集原始數(shù)據(jù)信息，包括地面站數(shù)據(jù)接收時間表信息、與時效相關的工程遙測信息、地面站數(shù)據(jù)接收信息、中心原始分塊數(shù)據(jù)匯集與處理信息、各級產(chǎn)品文件生成信息等。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊。負責將星地數(shù)據(jù)信息獲取模塊收集到的信息傳輸?shù)叫堑貥I(yè)務系統(tǒng)運行時效分析系統(tǒng)所在運行服務器的指定存儲位置。

（3）數(shù)據(jù)整合去重復入庫模塊。將星地數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中的各個表中。

（4）數(shù)據(jù)分析模塊。通過時效性分析邏輯按時間序列對數(shù)據(jù)庫各個表中的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)查詢與分析，給出統(tǒng)計與分析結(jié)果。

（5）時效分析數(shù)據(jù)庫。存放分類標準化后的數(shù)據(jù)信息，包括各業(yè)務環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)生成狀態(tài)表、時效分析結(jié)果表等，具有數(shù)據(jù)分區(qū)存放、聯(lián)合索引查詢等數(shù)據(jù)庫查詢調(diào)優(yōu)策略。

2 數(shù)據(jù)生成時效結(jié)果分析

系統(tǒng)以軌、日、月、年為不同時間粒度進行數(shù)據(jù)生成時效分析，以月、年為時間粒度進行分析需要在數(shù)據(jù)庫中進行完整的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和以軌道（FY-3極軌衛(wèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在傳輸時出現(xiàn)較長延遲，產(chǎn)生了處理時延放大效應。

從系統(tǒng)分析可知，分塊粒度較小的數(shù)據(jù)生成時延要遠

小于分塊粒度較大的數(shù)據(jù)，這是由于分塊粒度較大的數(shù)據(jù)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(jié)語

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

參考文獻：

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

[2] 謝利子，趙現(xiàn)綱，郭強，等.風云系列氣象衛(wèi)星關鍵業(yè)務監(jiān)控報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[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(wèi)星軌道姿態(tài)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）