我國新一代極軌氣象衛星(風云三號)工程地面應用系統

盧乃錳，董超華，楊忠東，施進明，張 鵬

(國家衛星氣象中心，北京 100081)

1 前言

風云三號氣象衛星的發展始于1990年，國家氣象局向國家航天領導小組呈送了“關于將風云三號列入國家航天計劃的請示”，明確提出新一代極軌氣象衛星風云三號系列的發展規劃。1999年國務院批準我國新一代氣象衛星及其應用發展計劃。2000年國務院批準了風云三號氣象衛星立項(國辦2211號)，風云三號地面應用系統建設啟動。

風云三號氣象衛星地面系統分01和02批兩批次建設，2005年11月，《風云三號氣象衛星01批應用系統一期工程可行性研究報告》獲得了國家發改委和財政部的批準。一期工程主要完成數據接收、運行控制、資料預處理、計算機與網絡、仿真與技術支持等技術系統的主線業務工程建設任務;完成主要地面站的征地和建設;完成基本業務產品軟件研制開發和相應產品的質量檢驗工作;完成氣象主線業務監測服務軟件和部分示范軟件研制開發;完成數據存檔和服務系統建設;完成二級區域站和用戶站及少量示范站建設。二期工程主要任務包括完善數據接收、運行控制、資料預處理、存檔和服務、計算機與網絡、仿真與技術支持等技術系統全部建設任務;完成產品生成、質量檢驗、監測分析服務、應用示范技術等系統建設任務;根據技術系統的要求擴充建設計算機網絡存儲支撐系統、完善建設數據處理與服務中心和地面站基礎設施等。

風云三號氣象衛星02批計劃發展高光譜大氣探測能力，開展溫室氣體星載探測，風云三號氣象衛星應用系統的工程建設在總體方案統一設計的前提下實施，最終建立一個完善的地面應用系統，實現滿足我國新一代極軌業務衛星的總體目標。

2 風云三號氣象衛星的概述

風云三號氣象衛星是實現全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感的我國第二代極軌氣象衛星系列。2008年5月27日，風云三號首發星——風云三號A星發射成功。2010年11月5日，第二顆衛星風云三號B星也發射升空。風云三號A/B星攜帶了11臺遙感儀器，除可見光紅外掃描輻射計和空間環境監測器是繼承性儀器外，其余均為新研制開發。風云三號A/B星的發射與應用，標志著中國氣象衛星及應用步入了一個嶄新的歷史階段[1～3]。

第二代極軌氣象衛星共計劃發射6顆，其中目前在軌運行的01批兩顆星(FY-3A/3B)為試驗應用衛星;未來將要發射的02批4顆星(FY-3C/D/E/F)為業務應用衛星，預計使用到2022年。考慮到02批是業務應用星以及01批兩顆星的實際應用情況，02批安排上、下午雙星運行，增加觀測頻次。對主要應用于氣象業務的儀器，上、下午星上均安裝，對其他應用目的的儀器則分別安裝在上午或下午衛星上。對個別儀器則適當增加光譜通道，微波溫度計由01批的4個通道增加到13個，以提高垂直探測分辨率，微波濕度計由01批的5個通道增加到15個，以增加水汽探測能力。地球輻射探測儀增加了長波紅外通道，以提高輻射收支計算精度。個別儀器在02批中逐步實現更新換代，干涉式紅外大氣探測儀器將取代紅外分光計，以提高垂直探測能力。中分辨率光譜成像儀由01批的20個通道增加到26個，以取代可見光紅外掃描輻射計。除具備臭氧總量和垂直探測能力外，還可探測微量氣體。增加風場測量雷達、GPS/MET掩星探測儀、近紅外高光譜溫室氣體監測儀以獲取海面風場和大氣成分。

3 風云三號地面應用系統

風云三號氣象衛星地面應用系統承擔著對風云三號衛星及國外同類衛星的數據接收、處理、產品生成、資料存檔分發與應用，以及衛星長期業務運行管理的任務。系統功能完整、技術先進、響應快速、運行可靠，其規模和復雜程度與美國和歐洲相當，代表著國際氣象衛星地面系統的最高水平。風云三號氣象衛星地面應用系統具備了為天氣預報，特別是數值天氣預報提供全球范圍氣象參數、監測全球天氣、氣候、自然災害和生態環境的變化、監測全球冰、雪覆蓋和臭氧分布的能力。風云三號氣象衛星地面應用系統工作流程示意見圖1。

圖1 風云三號氣象衛星地面應用系統工作流程示意圖Fig.1 Flow chart of FY-3 ground segment

3.1 系統布局與組成

風云三號氣象衛星地面應用系統包括北京、廣州、烏魯木齊、佳木斯、瑞典基律納五個地面數據接收站和位于國家衛星氣象中心的一個國家級氣象衛星數據處理與服務中心(見圖2)，整個地面系統由數據接收分系統(DAS)、運行控制分系統(OCS)、數據預處理分系統(DPPS)、產品生成分系統(PGS)、產品質量檢驗分系統(QCS)、計算機與網絡分系統(CNS)、數據存檔與服務分系統(ARSS)、監測分析服務分系統(MAS)、應用示范分系統(UDS)、仿真與技術支持分系統(STSS)共10個技術分系統組成。風云三號衛星地面應用系統組成見圖3。

圖2中用圓圈表示各個地面站的實時資料接收覆蓋范圍，虛線表示衛星降軌(即衛星由北向南跨越赤道)觀測的軌道，實線表示衛星升軌(即衛星由南向北跨越赤道)觀測的軌道。

圖2 風云三號衛星國內外接收站布局及高時效接收衛星軌道數據示意圖Fig.2 Layout of FY-3 ground stations with the indication of HRPT receiving range

圖3 風云三號氣象衛星地面應用系統組成Fig.3 Components of FY-3 ground segment

3.2 作業調度控制

地面應用系統的運行控制系統每天定時生成運行作業時間表，自動發往計算機與網絡系統的業務調度系統和國內外衛星地面站。各站按時間表接收獲取FY-3衛星資料，國內站將接收到的CCSDS數據包按虛擬通道(VCID1～VCID5)分離，國外站按衛星信道(HRPT、DPT、MPT)分別通過廣域網鏈路送到CNS系統。CNS系統自動啟動作業調度流程，首先對各站資料進行去重復處理和質量控制，然后啟動預處理和產品生成系統進行數據預處理，生成各類定量產品。

地面應用系統實現了完全自動化運行調度。在數據處理與服務中心，業務調度系統根據接收時間表，每天制訂出產品處理的計劃流程。一旦接收到各地面站的原始資料，調度系統立即啟動數據質量優選、解碼處理和預處理流程，高時效地生產1級產品。在1級產品的基礎上，調度系統根據計算機系統的負載情況和預定的處理控制關系，并行調度各儀器各類2級產品的生產流程，定時調度日、候、旬、月3級產品的生產流程。通過上述流程，按時效要求自動處理出各類遙感產品。

為提高時效，業務調度系統針對不同數據特點制訂不同的數據處理流程和策略。中分辨光譜成像儀和掃描輻射計兩個儀器的數據按5 min切割成數據段，采用多個5 min數據段并行處理的方式，使之在衛星過境10 min之內完成中國區域的1級中間產品處理，15 min后生成相應的反演產品，經過質量檢查提供分發服務。全球范圍250 m高分辨率的產品按經緯度切割成10°×10°的分區產品，降低了單個數據文件的容量。

3.3 數據預處理與產品生成

風云三號數據預處理分系統根據衛星軌道和姿態參數以及星上遙測數據，結合各個載荷的定標參數完成對不同譜段、不同掃描方式遙感載荷數據的定標和定位處理。在此基礎上，產品生成分系統處理，生成覆蓋中國和全球區域的各類遙感產品，及時向各級用戶提供多層次、多級別的高時效、高精度圖像和定量產品。

風云三號數據與產品按照資料處理程度劃分為四級，0級數據、1級數據、2級數據和3級數據。0級數據是指衛星地面站接收的經過解碼和解包后的原始衛星觀測數據;1級數據是指0級數據經過質量檢驗、定位和定標處理得到的數據產品;2級數據是指對1級數據進行反演處理，生成的能反映大氣、陸地、海洋和空間天氣變化特征的各種地球物理參數、基本圖像產品以及環境、災情監測等產品;3級數據是指在2級數據的基礎上生成的候、旬、月格點產品和其他分析產品。衛星數據產品廣泛應用于自然災害和環境監測、軍事氣象和專業氣象服務等各個方面，為我國氣象事業發展和科學研究提供著支撐和服務。

3.4 數據接口與資料存檔服務

風云三號衛星地面應用系統外部接口關系主要包括風云三號衛星地面應用系統與西安衛星測控中心的數據接口、風云三號衛星地面應用系統與衛星間的數據接口、風云三號衛星地面應用系統與上海衛星總體間的數據接口、與C波段通訊衛星間的數據接口和與數據服務用戶間的數據接口等。內部接口關系主要包括各分系統間的數據接口。

圖4給出了風云三號地面應用系統主要的業務數據流和控制流程，以及地面應用系統10個技術分系統之間以及地面系統與外部的數據接口關系。

圖4 風云三號地面應用系統接口關系圖Fig.4 Interface of FY-3 ground segment

風云三號存檔與服務分系統負責數據存檔與檢索、數據和產品處理過程的監控以及數據傳輸和產品分發。經過預處理后的高時效1級產品及時送到監測服務系統，通過中國氣象信息分發網(9210)、風云衛星廣播分發網、文件傳輸協議(FTP)實時數據發布等手段向全國用戶提供數據和產品服務。

4 風云三號地面應用系統產品與應用成果

風云三號產品包括圖像產品和定量產品兩大類，涵蓋了大氣、陸地、海洋以及空間天氣等領域。這些產品已經在國內外得到廣泛使用，在氣象業務中發揮著不可或缺的重要作用。

4.1 主要產品介紹

風云三號遙感產品主要包括7個綜合數據集產品和41個能夠反映大氣、云、地表及海表等特征的各種地球物理參數產品，各類產品的技術指標主要包括時效和產品精度兩個部分，如表1～表4所示。

表1 FY-3綜合數據產品和技術指標Table 1 Basic data products and their specifications of FY-3

產品名稱 投影方式 覆蓋范圍 數據內容 空間分辨率/km頻次/(次·日-1)處理時間/min大氣探測儀器空間位置匹配數據集 無 單軌 通道輻射率、反射率17～50 逐軌5掃描輻射計與大氣探測儀空間位置匹配數據集 無 單軌 通道輻射率、反射率1～17 逐軌 5紅外窗區水汽訂正 無 全球分幅 通道輻射率 1 逐軌 5可見、近紅外大氣訂正 無 全球分幅 通道輻射率 1 逐軌5/10

表2 FY-3大氣和云業務產品內容及技術指標Table 2 Atmospheric products and their specifications of FY-3

續表

表3 FY-3陸表和海表特征業務產品及技術指標Table 3 Surface products and their specifications of FY-3

4.2 高分辨率地表特征監測

風云三號中分辨率光譜成像儀(MERSI)設置有5個250 m分辨率的短波通道，多光譜遙感數據經線性和非線性組合構成對植被狀態有一定指示意義的參數，包括歸一化植被指數(NDVI)和增強植被指數(EVI)。MERSI高分辨率遙感數據也同時提高了對海冰、極地冰雪、赤潮、火災的監測能力。

圖5為2009年6月中旬MERSI 250 m全球歸一化植被指數(NDVI)合成產品，植被指數有效范圍在-1至+1之間。植被指數與地表類型有較好的對應關系，沙漠、雪地偏低，草原較高，森林最高。圖6是格陵蘭東北部冰體消融的遙感監測。可見在短短一個月的時間，大塊冰面破碎溶化的過程。

表4 FY-3空間天氣業務產品和技術指標Table 4 Space weather products and their specifications of FY-3

圖5 2009年6月中旬MERSI 250 m植被指數旬合成產品Fig.5 NDVI composition by MERSI 250 m during Jun 11 to 20，2009

圖6 2008年7月MERSI 250 m冰雪監測圖像Fig.6 Sea ice monitoring by MERSI 250 m，July 2008

4.3 微波及大氣探測載荷的產品應用[4～7]

風云三號衛星裝載了3個微波載荷，包括微波成像儀(MWRI)、微波溫度計(MWTS)和微波濕度計(MWHS)，首次實現了我國微波遙感器的在軌定量應用。同時微波探測載荷(MWTS、MWHS)與紅外分光計(IRAS)的組合應用填補了我國大氣溫度、濕度廓線探測的技術空白，極大地提高氣象衛星大氣探測能力。風云三號大氣探測載荷與國外同載荷衛星性能相當(見圖7)，其遙感的信息主要應用于數值天氣預報同化。此外，利用各通道觀測亮溫與大氣可降水之間的統計關系，MWRI數據在經過海陸、海冰以及降水檢測后，計算得到海上大氣可降水。圖8是微波成像儀器大氣可降水產品。

4.4 輻射收支與臭氧監測[8]

風云三號衛星裝載的地球輻探測儀(ERM)和太陽輻射監測儀(SIM)能有效監測地球系統的輻射收支，為氣候變化和全球能量循環分析提供基礎數據。風云三號輻射收支產品包括8個參數:大氣頂太陽向下輻射通量、大氣頂向上短波輻射通量、大氣頂向上長波輻射通量、掃描視場云量、掃描視場地表類型、掃描視場類型、長波和短波ADM。圖9是風云三號長波輻射全球分布圖。

圖7 風云三號遙感數據與國外同載荷數據性能比較Fig.7 Comparation between FY-3 and equivalent U.S.and European meteorological satellites in data assimilation

圖8 微波成像儀器大氣可降水產品Fig.8 Total precipitable water by MWRI

圖9 風云三號長波輻射全球分布Fig.9 Global OLR by FY-3

風云三號衛星攜帶了兩臺紫外臭氧探測器，紫外臭氧總量探測儀(TOU)和紫外臭氧垂直探測儀(SBUS)，用于監測全球臭氧的分布和變化。紫外臭氧探測器軌道產品經過輻射訂正、云量估計、正演輻射計算、單像元臭氧總量初估值和精確值反演生成軌道逐像元臭氧總量產品。在此基礎上再經過空間投影、去重復，光滑過程等復雜處理而得到全球日總量產品。由于實驗室定標系數有誤差，產品生成過程中需要先對各通道、各個掃描方向的輻射亮度進行訂正，輻射亮度訂正系數通過交叉定標過程離線生成。為了提高運算速度，采用輻射查算表形式的輻射傳輸模式對每個通道進行輻射傳輸計算，生成臭氧總量與通道觀測量之間的對應關系。圖10為南極臭氧總量監測產品。

4.5 空間環境監測

風云三號的空間環境探測器(SEM)用于監測衛星軌道高能粒子的分布情況，SEM數據為實際探測數據，能夠直接服務于空間天氣預報。例如，引起通訊衛星和同步氣象衛星深層充電的高能電子暴事件(類似于氣象中的風暴的概念，表現為高能電子數量的急劇增加)，以往只能通過模式間接計算進行預報。而高能電子暴的發源地在兩極地區，FY-3A衛星每天14次經過極區，可以獲得高能電子暴形成的直接信息，不僅準確度高，預報提前量也能由過去的1天提高到2天左右。FY-3A衛星每天都會穿越輻射帶異常區(輻射帶是由于地球磁場異常區域形成的，其中有很多高能帶電粒子)，可得到直接的探測結果。由于高能粒子都帶有電荷，其運動會受到地磁場的約束，其空間分布是相對固定且有規律的。因此可以根據SEM的探測數據，推算其他近地軌道衛星的高能粒子通量，為其提供輻射環境信息服務。

應用產品主要由SEM 0級數據經過電壓值解算成計數值，再配合相應的科學算法、儀器幾何因子和修正系數生成流量值，依據衛星相應時刻的定位信息便生成了時空分布產品，根據高斯-克呂格投影繪制生成全球分布圖像產品。

圖11為2008年9月SEM高能質子、高能電子和全球離子動態測試分布圖。可以看出，SEM探測到的衛星軌道高度上的高能粒子分布在南大西洋異常區和極區，這一結果符合空間物理理論和數值模式結果。南大西洋異常區的形成原因主要是地球負磁結構異常，高能質子多匯聚于此，結構十分穩定;而極區粒子主要為高能電子，受外輻射帶影響粒子通量隨時間變化較快。

圖10 TOU極射赤面投影臭氧總量產品(2008年10月16日)Fig.10 Total ozone mape in stereographic polar projection(2008－10－16)

5 結語

風云三號衛星是集多種遙感器于一身的大型綜合探測衛星，實現了從單一遙感成像到地球環境綜合觀測、從光學遙感到微波遙感、從千米級分辨率到百米級分辨率、從國內接收到極地接收、從單星觀測到雙星組網觀測等技術突破，是我國氣象衛星發展歷程中的又一個重要里程碑。風云三號A/B星發射成功并投入業務運行后，實現了我國氣象衛星的更新換代，使我國極軌氣象衛星達到了歐美同期的技術水平。風云三號衛星已被世界氣象組織(WMO)納入全球業務氣象衛星觀測網，向歐洲和美國的數值天氣預報模式提供衛星的探測數據，為提高我國氣象衛星在世界氣象組織衛星觀測系統中的地位發揮著重要作用。

圖1 12008年9月SEM全球質子(a)、SEM全球電子(b)和SEM全球離子(c)動態測試分布圖Fig.11 Global proton(a)，electron(b)and ion(c)distribution by SEM ，Sep.2008

[1]Meng Zhizhong.The polar orbit meteorological satellite in China[J].Engineering Science，2004，6(10):1-5.

[2]Yang Jun，Zhang Peng，Lu Naimeng，et al.Improvements on global meteorological observations from the current Fengyun 3 satellites and beyond[J].International Journal of Digital Earth，2012，5(3):251-265.

[3]Jin Yaqiu，Lu Naimeng，Lin Mingseng.Advancement of Chinese meteorological Feng-Yun(FY)and Oceanic Hai-Yang(HY)Satellite Remote Sensing[C]//Proceedings of the IEEE.Vol.98，No.5，2010.

[4]Qifeng Lu， William Bell.Improved assimilation of data from China’sFY-3A microwavetemperaturesounder(MWTS)[J/OL].Royal Meteorological Society， Atmospheric Science Letters，2011，doi:10.1002/asl.354.

[5]Lu Qifeng，Bell W，Bauer P，et al.An evaluation of FY-3A satellite data for numerical weather prediction[J/OL].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.doi:10.1002/qj.834.2011.

[6]Yang Hu，Weng Fuzhong，Lu Naimeng.The Fengyun 3 microwave radiation imager on-orbit verification[J].IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，2011，49(11):4552-4560.

[7]Yang H，Lu N，Ge Z，et al.The microwave sensor status and future developing plan of China meteorological satellites[C]//Proceedings of SPIE，Vol.7452，2009.

[8]Wang W H.Analysis for retrieval and validation results of FY-3 total ozone unit(TOU)[J].Chinese Science Bulletin，2010，55(26):3037-3043.