HY-2衛星地面應用系統綜述

蔣興偉，林明森，張有廣

（國家衛星海洋應用中心，北京 100081）

HY-2衛星地面應用系統綜述

蔣興偉，林明森，張有廣

（國家衛星海洋應用中心，北京 100081）

海洋二號（HY-2）衛星地面應用系統是HY-2衛星工程五大系統之一，具備HY-2衛星數據的接收、處理、定標和驗證以及數據應用等功能。HY-2衛星地面應用系統具備穩定可靠運行的衛星接收系統，接收我國南海、東海、黃海、渤海及東北亞周邊海域的實時數據；建設了包括多星運行計劃管理、接收預處理、精密定軌、運控通信、數據處理、產品存檔及分發服務和業務應用在內的HY-2衛星數據處理中心，每天處理海洋動力環境產品并向國內外用戶提供數據分發及應用服務。為了全面的介紹HY-2衛星地面應用系統，本文分別對地面應用系統中主要分系統的組成、功能和業務流程等進行了綜述。

HY-2衛星；地面應用系統；組成；功能；工作流程

1 前言

海洋二號（HY-2）衛星是我國第一顆海洋動力環境探測衛星，主要應用目標是監測和探測全球海洋動力環境參數，包括海面風場、海面高度場、浪場、海流、海上風暴、潮汐、海洋重力場、大洋環流和海表溫度場等重要的海洋參數，是海洋開發、利用、防災減災的重要監測、探測手段，填補了我國海洋動力環境衛星監測的技術空白，可直接為國民經濟建設、災害性海況預警、預報服務，為海洋科學研究、全球氣候變化提供實測數據[1]。

HY-2衛星地面應用系統是HY-2衛星工程五大系統之一，具備HY-2衛星數據的接收、處理、定標和驗證，以及數據應用等功能。HY-2衛星的地面應用系統建立了穩定可靠運行的HY-2衛星接收系統，接收我國南海、東海、黃海、渤海及東北亞周邊海域的實時數據；建設了包括多星運行計劃管理、接收預處理、精密定軌、運控通信、數據處理、產品存檔及分發服務和業務應用在內的HY-2衛星數據處理中心，每天處理海洋動力環境產品并向國內外用戶提供數據分發及應用服務。本文將對HY-2衛星地面應用系統的組成、功能及業務運行流程等方面分別進行介紹。

2 地面應用系統概述

2.1 系統組成和功能

HY-2衛星地面應用系統由接收預處理、資料處理、精密定軌、運控通信、輻射校正與真實性檢驗、產品存檔與分發及業務應用分系統組成[1]（見圖1）。

通過HY-2衛星地面應用系統的建設，可長期連續穩定地獲取我國管轄海域、周邊海域、極地及熱點海域的全天時、全天候動態的全球海洋動力環境信息，為海洋災害與環境動態監測、資源開發與保護、海洋權益維護、國民經濟和可持續協調發展提供服務。為了滿足海洋各領域的應用需求，HY-2衛星地面應用系統具備下述功能[2]。

圖1 HY-2衛星地面應用系統組成框圖Fig.1 The structure of HY-2 satellite ground application system

1）按預定時間完成衛星軌道預報，制訂HY-2等衛星探測計劃，生成并傳輸衛星遙控指令。

2）實時接收HY-2衛星動力環境、監視監測遙感載荷探測的下行遙感數據，并對接收資料的質量具有動態監視能力。同時具備HY-1B衛星水色環境和有效載荷在軌運行狀態下行數據的備份能力。

3）具有厘米量級的精密定軌數據處理能力。

4）建立與法國太空總署（CNES）下屬多普勒雷達和無線電定位組合系統（DORIS）數據處理中心的互聯網鏈接，實現DORIS系統的數據傳輸和精密定軌結果的實時傳輸。

5）具有獲取國際激光觀測網數據的能力。

6）由衛星資料預處理生成經過地理定位、輻射校正的1級產品。

7）基于國內外已有算法及算法研發成果，由衛星資料處理生成定量化的海洋動力環境及監測要素的2、3級產品，并制作各類圖像、圖形等專題產品。

8）對星上各類遙感載荷進行輻射校正，對遙感反演結果進行真實性檢驗。

9）實現接收站、測控站之間的通信聯系，并建立全系統運行的網絡管理系統。

10）負責系統的時間統一、作業運行和指揮調度，統計分析系統運行的質量狀況，遇有異常或突發事件，及時組織排障，保持全系統正常運行。

11）基于數據庫管理系統和文件管理系統，建立系列衛星產品存檔與分發系統，實現產品信息的遠程查詢和檢索，對用戶提供數據分發服務。

12）建立業務應用分系統，為全國海洋用戶服務。

2.2 主要技術指標

HY-2衛星地面應用系統是衛星工程中的五大系統之一。整個衛星任務最終的成敗和效益的發揮都取決于地面系統是否正常運行和是否達到了技術要求。HY-2衛星地面應用系統的主要技術指標如下。

1）具有穩定可靠運行的地面接收系統。

2）建立一個包括衛星載荷探測計劃控制、多星運行管理、數據實時通信傳輸、數據預處理、多種產品制作、大容量存檔、快速網絡分發等功能完善、性能穩定、連續高效的數據處理中心，提高服務能力與業務水平。

3）實現我國海上微波遙感定標試驗/檢驗，滿足衛星在軌數據定標和數據真實性檢驗的需要，提高產品定量化精度。

4）建成海洋動力環境信息提取、應用與監測業務化應用系統和綜合服務系統。

5）全系統要達到全年每天24 h連續業務化運行，系統可靠性要求達到99.6%。

6）整個系統要求實用、穩定、可靠、先進高效，滿足業務化自動運行。

3 主要分系統功能組成和工作流程

3.1 接收預處理分系統

3.1.1 分系統組成

HY-2衛星接收預處理分系統由3個HY-2衛星地面接收站和1個HY-2衛星數據預處理子系統構成。各地面站承擔HY-2衛星下傳實時數據和延時數據的接收。預處理子系統負責各地面站接收的HY-2衛星數據的預處理，并生成0、1級產品。異地站接收的數據，通過運控通信分系統傳到預處理子系統處理。接收預處理分系統總體結構如圖2所示。

圖2 接收預處理分系統結構圖Fig.2 The structure of receiving and preprocessing subsystem

3.1.2 主要功能

1）接收HY-2衛星X頻段下傳的掃描微波輻射計、微波散射計、雷達高度計、校正微波輻射計、星載全球定位系統（GPS）數據和其他輔助數據。

2）兼容接收部分國內外海洋氣象衛星數據，并實時顯示。

3）對接收的多種衛星原始數據進行預處理，生成L0級和L1級產品，同時要對傳感器覆蓋范圍生成投影圖。

4）對HY-2衛星數傳下行的衛星狀態信息進行分析處理，對星載傳感器狀態信息進行分析處理，自動生成傳感器和衛星狀態報告。

5）自動生成系統運行報告。

6）能夠進行歷史數據重處理，原始數據查詢管理，短期數據在線存儲等。

3.1.3 工作流程

分系統根據任務計劃完成衛星數據的接收和記錄以及快視任務，具體流程如圖3所示。同時，分系統根據調度指令進行數據預處理，完成L0級、L1級產品的生成，主要包括產品的定標、定位以及運行報告的生成，具體流程如圖4所示。

3.2 資料處理分系統

3.2.1 分系統組成

HY-2衛星資料處理分系統主要由硬件系統和軟件系統兩部分構成。資料處理分系統硬件組成如圖5所示。

圖3 地面站數據接收工作流程Fig.3 The work flow of ground station

圖4 預處理工作流程Fig.4 The work flow of data preprossing

資料處理分系統軟件系統建設的核心內容是資料處理專用軟件的開發。HY-2衛星資料處理專用軟件按載荷可以劃分為4個主要功能模塊或子系統，即雷達高度計數據處理子系統、校正微波輻射計數據處理子系統、微波輻射計數據處理子系統和微波散射計數據處理子系統，每個子系統分別負責處理其對應的有效載荷獲取的遙感數據，并生成相應的L2、L3級數據產品。

圖5 資料處理分系統硬件組成Fig.5 The hardware structure of data processing subsystem

3.2.2 主要功能

HY-2衛星資料處理分系統具有5項主要功能，具體功能如下。

1）接收運控子系統的調度指令，執行相應的操作處理，返回處理情況信息和文件列表。

2）獲取接收預處理分系統生成的輻射定標和地理定位后的L1B級數據產品。

3）接收來自精密定軌分系統的中等精度軌道星歷（medium accuracy orbit ephemeris，MOE）和精密軌道星歷（precise orbit ephemeris，POE）數據，并向其輸入高度計L2級產品。

4）獲取資料處理過程中所需要的外部輔助數據。

5）利用4個有效載荷資料處理算法和輔助數據，分別生成相應的L2、L3級數據產品，供產品存檔與分發分系統調用。

3.2.3 工作流程

資料處理分系統基于國內外已有算法及算法研發成果，生成定量化的海洋動力環境監測要素的L2、L3級產品，并制作各類圖像、圖形等專題產品。其主要業務流程是以接收預處理、精密定軌等分系統提供的L1級產品作為輸入，并配合其他的輸入輔助數據，通過海面高度、有效波高、海面風速、大氣水汽含量、云中液態水、海冰、海面風矢量和海面溫度等參數反演算法，生產HY-2衛星的L2、L3級資料產品，其工作流程如圖6所示。

圖6 資料處理分系統工作流程Fig.6 The work flow of data processing subsystem

3.3 精密定軌分系統

3.3.1 分系統組成

HY-2衛星作為我國海洋監測網的重要組成部分，將載有雷達高度計、雷達散射計和微波輻射計以及國產雙頻GPS接收機、DORIS接收機、激光反射棱鏡等設備，精密軌道計算結果直接影響雷達高度計的海面高度計算精度，HY-2衛星地面應用系統中的精密定軌分系統主要使用星上雙頻GPS數據，星上DORIS數據及全球激光觀測數據進行衛星軌道確定。精密定軌分系統的總體架構圖如圖7所示，整個系統包含5個子系統：GPS觀測資料支撐子系統，激光觀測資料支撐子系統，DORIS觀測資料支撐子系統，數據傳輸交換子系統和精密軌道計算子系統。

3.3.2 主要功能

HY-2衛星地面應用系統精密定軌分系統主要功能如下。

1）與精密定軌相關的0A級數據解包預處理功能。

2）雙頻GPS一級產品RINEX 2.2格式數據生成功能。

圖7 精密定軌分系統總體架構圖Fig.7 The structure of precise orbit determination subsystem

3）中法HY-2衛星地面系統數據傳輸交換功能。

4）精密軌道計算所需各種數據文件的收集準備和數據管理功能。

5）衛星軌道計算功能。

6）高度計交叉點數據處理功能。

7）軌道精度內、外部驗證功能。

8）軌道數據插值和坐標轉換功能。

3.3.3 工作流程

分系統自動從HY-2共享盤陣獲取HY-2衛星原始數據，對原始數據進行解包，同時將解包后的衛星姿態數據、DORIS遙測數據存儲在精密定軌盤陣；從HY-2共享盤陣獲取的高度計和校正微波輻射計產品存儲在精密定軌盤陣；解包后的衛星姿態數據、DORIS遙測數據通過物理網閘內網和外網的交互后，通過數據交換服務器傳給法國CNES。法國將生成的DORIS RINEX3.0格式的產品以及MOE和POE產品通過數據交換服務器再傳送給NSOAS。精密定軌需要輸入的GPS數據、激光數據以及其他需要更新的輔助輸入數據通過外網下載更新后，經數據收集服務器傳送到精密定軌內網盤陣。國內激光站的數據修正以及軌道預報通過數據交換服務器傳送到衛星地面應用系統精密定軌盤陣，衛星軌道機動文件通過數據交換服務器傳送到國際激光網以及國內激光站。精密定軌計算軟件通過輪詢獲取需要的輸入數據進行精密定軌計算，同時將輸出產品存儲于精密定軌盤陣。精密定軌基本流程如圖8所示。

圖8 精密定軌基本流程圖Fig.8 The work flow of precise orbit determination

3.4 產品存檔與分發分系統

3.4.1 分系統組成

本系統由產品存檔和資料分發兩個子系統構成，為了保證數據的安全性，產品存檔和資料分發子系統采用網閘隔離的方式。存檔子系統結構如圖9所示。

圖9 存檔子系統結構圖Fig.9 The structure of archiving subsystem

分發子系統基于產品庫和產品信息庫，建立用戶查詢檢索、訂單管理和客戶管理的方法，并根據用戶需求，從存檔產品信息數據庫中調出相關的產品數據資料進行相應的加工，通過內部局域網、人工方式或互聯網絡（E-mail或FTP）將產品分發給用戶，同時更新用戶數據庫的用戶服務記錄。產品分發子系統還具有制作各類介質產品（磁/光介質及影像產品）的能力，以滿足不同用戶的需求。分發子系統結構如圖10所示。

3.4.2 工作流程

產品存檔的主要業務流程是：先從接收分系統獲取原始數據、L0級產品數據及1級產品數據、從資料處理分系統獲取L2、L3級產品、元數據文件及對應的產品快視圖，從應用示范分系統獲取L3級產品、元數據文件及對應的產品快視圖加載至產品庫、產品影像庫和產品信息庫，同時將原始數據和L0～L3級數據產品保存在二級磁盤和三級磁盤上，供分發子系統調用。

圖10 分發子系統結構圖Fig.10 The structure of distributing subsystem

產品分發的主要工作流程是：通過物理網閘將各級產品的元數據文件及對應的產品快視圖放在外網中，通過數據接入子系統自動生成外網產品信息檢索數據庫及產品影像庫，建立用戶查詢檢索子系統、訂單管理子系統和客戶管理子系統，根據用戶查詢檢索形成的訂單文件，通過分發處理接口子系統在內網的存檔產品庫自動獲取相關的產品數據，并在內網根據用戶需求進行相應的加工處理后，形成介質產品(磁/光介質)，然后通過人工郵寄方式或互聯網絡（E-mail或FTP）將產品分發給用戶，同時更新用戶數據庫的用戶服務記錄。產品存檔與分發分系統業務流程如圖11所示。

3.4.3 主要功能

子系統按照業務需要，將HY-2衛星原始數據及各級產品數據文件進行統一的自動存檔管理，自動生成分類的產品庫和產品信息庫。內部工作人員通過存檔服務平臺，實現產品數據的查找定位及獲取。通過訂單處理服務系統實現產品數據向固定、授權用戶進行產品分發。通過訪問面向廣域網的數據查詢檢索服務系統，外部網絡用戶可以及時了解存檔數據產品狀況，以及產品數據質量等相關服務信息；通過產品數據訂購服務來提交產品數據申請；通過影像下載服務，可以免費獲取期望的影像文件（僅供瀏覽和一般應用）。

3.5 業務應用分系統

3.5.1 分系統組成

HY-2衛星業務應用分系統由硬件及網絡系統、系統軟件、商業軟件和自主開發的6個業務應用子系統4部分組成。HY-2衛星業務應用分系統組成結構框圖如圖12所示。

圖11 產品存檔與分發分系統業務流程圖Fig.11 The work flow of archiving and distributing subsystem

圖12 業務應用分系統組成結構框圖Fig.12 The structure of application subsystem

業務應用分系統由海平面上升輔助決策子系統、海洋風暴潮監測應用子系統、海冰監測預報子系統、海洋重力場應用子系統、海氣相互作用應用子系統和大洋漁業業務應用子系統6個子系統組成。系統軟件根據各子系統的不同研究內容和功能，實現數據處理和應用成果的Web發布等功能。

3.5.2 主要功能

業務應用分系統主要包括以下3方面的功能。

1）提供海洋動力環境信息產品。通過建立海平面上升輔助決策、風暴潮監測、海冰監測、海洋重力場應用、海氣相互作用應用和大洋漁場業務應用6個應用子系統，全面開展HY-2衛星數據應用工作，生產制作相應的監測、預報和評價等HY-2衛星L4應用產品，滿足我國海洋管理、海洋環境預報、海洋災害監測、海洋公益服務、海洋安全和海洋科學研究等各方面的信息需求。

2）開展HY-2衛星產品數據質量的應用評價。業務應用分系統是地面應用系統的最后一個環節，也是HY-2衛星成果的主要展示窗口之一，其應用效果受到前端各分系統的影響，同時也能對前端產品質量進行評價。業務應用分系統將應用評價結果反饋給數據預處理、定標與真實性檢驗以及資料處理等分系統，進而保障衛星產品質量的科學性和可靠性。

3）展示HY-2衛星的應用能力，并進一步挖掘HY-2衛星的應用潛能。

3.5.3 工作流程

業務應用分系統通過獲取HY-2衛星的L2級和L3級產品，結合其他輔助數據作為業務應用分系統的輸入；經過質量控制等預處理后，分別進入業務應用分系統的6個子系統（海平面上升輔助決策子系統、海洋重力場應用子系統、海冰監測預報子系統、海氣相互作用應用子系統、大洋漁業業務應用子系統和風暴潮監測應用子系統）進行相關處理，生成HY-2衛星L4級產品；對HY-2衛星L4級產品進行專題產品圖制作，生成相應產品的專題產品圖；L4級產品和專題產品圖通過數據接口在產品存檔與分發分系統中進行存檔與分發；同時根據HY-2衛星L4級產品和產品專題圖的應用效果對其進行精度和應用能力評價。業務應用分系統工作流程如圖13所示。

4 結語

HY-2衛星是我國第一顆海洋動力環境衛星，2011年8月16日在太原衛星發射中心由長征四號火箭成功發射。HY-2衛星搭載雷達高度計、微波散射計和掃描微波輻射計3個主載荷，能夠全天時、全天候獲取包括海面風場、浪高、海流、海溫等多種海洋動力環境參數，直接為災害性海況預警預報提供實測數據，并為海洋防災減災、海洋權益維護、海洋資源開發、海洋環境保護及海洋科學研究等提供支撐服務。HY-2衛星地面應用系統在衛星經濟和社會效益的發揮方面起了重要作 用，自衛星發射至今地面應用系統的各項指標均滿足設計要求，已進入業務化運行階段。截至目前HY-2衛星已在軌運行2年4個月，地面應用系統持續向國內外海洋管理部門、科研院所和航天部門等用戶單位提供了數據分發服務，衛星數據產品已逐步在海洋防災減災、海洋環境預報、海洋資源開發、海洋科學研究及國際合作等領域發揮了顯著作用，取得了極大的社會和經濟效益[3]。

圖13 業務應用分系統工作流程Fig.13 The work flow of application subsystem

[1]蔣興偉，林明森.海洋動力環境衛星基礎理論與工程應用[M].北京：海洋出版社，2013.

[2]蔣興偉.2013年中國海洋衛星應用報告[R].北京：國家海洋局，2013.

[3]Jiang Xingwei，Lin Mingsen.Ocean observation from Haiyang Satellites：2012-2014[R].Space science activities in china national report，2013.

An overview of HY-2 satellite ground application system

Jiang Xingwei，Lin Mingsen，Zhang Youguang

(National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China)

The HY-2 satellite ground application system is one of five HY-2 satellite project systems，which has the function of satellite data receiving，processing，calibration and validation，and data application etc.HY-2 satellite ground application system has steady receving system，which can receving real time data in the waters around China.In addition，it has some subsystem，such as data preprocessing，processing，precise orbit determination，data archiving and distribution，data application etc.，which can processe all level data of the HY-2 satellite and distribute to user every day.In this paper，it is shown an overview of HY-2 satellite ground application system and an introduction to some main subsystem of HY-2 satellite ground application system，such as subsystem structure，function and operational flow etc.

HY-2satellite；ground application system；system structure；function；work flow

P711

A

1009-1742（2014）06-0004-09

2014-04-09

海洋公益性行業科研專項經費項目“自主海洋動力環境衛星微波遙感處理技術研究示范”（201105032）

張有廣，1971年出生，男，山東濟南市人，研究員，博士，主要從事海洋遙感研究；E-mail：zhangyouguang@mail.nsoas.gov.cn