天地一體化風云四號A星數據服務系統的設計與實現

●

一、前言

風云四號（FY-4）是我國第二代靜止氣象衛星，星載四類有效載荷：成像儀、探測儀、閃電儀和空間天氣監測儀器包。成像輻射計具有14個光譜波段，極大提高了遙感對地觀測的空間、時間和光譜分辨率；干涉式紅外探測儀將為區域數值模式和短臨預報提供觀測數據和新的應用模式；閃電成像儀可以作為強對流天氣的“示蹤器”。與風云二號（FY-2）相比，風云四號原始數據量提高了160倍，產品數據量提高了80倍，每日數據量高達4TB。風云四號A星（FY-4A）地面系統接收的實時資料，以及業務系統加工處理得到的各級數據和產品，在天氣預報、生態環境監測等應用領域將發揮重要作用，在國民經濟的多個領域（農業、林業、水利、環境、交通等）都有很強的應用需求。

數據服務系統是風云四號衛星地面應用系統九大系統之一，也是國家民用空間基礎設施——氣象衛星數據中心的重要組成部分，是實現氣象衛星數據共享服務的基礎平臺。數據服務系統的目標是建立一個綜合的氣象衛星信息服務系統，不僅可以提供數據的檢索下載服務，還將為各類用戶共享使用衛星數據提供各類輔助手段和信息幫助，滿足國內外各類用戶對氣象衛星數據和信息的需求。

二、用戶分析

風云四號衛星的主要應用用戶群可以分為國內用戶和國際用戶兩大類：國內用戶可分為決策部門用戶、氣象部門用戶、行業用戶、科研用戶和公眾用戶；國際用戶可分為直接接收站用戶、數據交換用戶和共享用戶。

1. 國內用戶

決策部門用戶：使用由氣象部門利用風云四號衛星數據和產品監測、分析、預報得到的天氣氣候和生態環境產品，通過政務內網或上報方式得到。

氣象部門用戶：國家、省、地、縣氣象部門根據天氣氣候業務需求，需要獲取實時風云四號衛星數據和產品。依據數據獲取時效和成本考慮，采用內網分發、衛星直接廣播接收站、中國氣象局廣播系統（CMACast）接收站、緊急天氣廣播接收站等快速、高性價比方式實現。

行業用戶：如民航、水利、農業等部門，需要實時獲取風云四號衛星數據，采用衛星直接廣播接收站或專線分發等方式。

科研用戶：使用風云四號衛星數據用于應用研究，尤其是長時間序列數據，科研對數據時效要求較低，可以通過基于Internet的衛星數據共享服務系統來滿足。

公眾用戶：主要關心與日常生活相關的風云四號產品，可以通過網站提供可視化的風云四號產品服務來滿足。

2. 國際用戶

直收站用戶：主要包括風云四號衛星直接廣播覆蓋區范圍內的亞太地區國家。這些用戶直接接收和應用風云四號數據，有助于提升風云四號衛星的國際影響力，提高中國作為氣象衛星大國的地位。

數據交換用戶：主要包括歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT），通過建立專線實現數據實時交換。

共享用戶：包括國際上風云四號衛星的應用和科研用戶，通過基于Internet的英文衛星數據共享服務站點來滿足。

三、系統架構

風云四號A星數據服務系統由數據存檔分系統、可視化產品處理分系統、運維管理分系統、風云四號門戶網站分系統、專業衛星數據服務分系統、公眾衛星氣象信息服務分系統、用戶支持和服務分系統、高速率信息傳輸（HRIT）數據用戶應用分系統組成。實現風云四號衛星數據存檔業務運行調度、監控、管理，對所有風云四號A星數據提供長期維護；實現基于WEB的風云四號主要圖像產品和定量產品綜合可視化處理；實現數據服務全系統集中監視和統計；建立風云氣象衛星網站，發布衛星運行信息、數據格式、相關程序、應用示范等；利用數據檢索下載、網絡直播、用戶定制、空間數據管理、遠程交互培訓等手段，實現專業用戶衛星數據服務；依托衛星云圖多終端無級縮放動畫生成及發布技術，為公眾提供衛星氣象信息服務；建設用戶跟蹤和反饋、用戶效益分析評估、數據利用評價等系統，為用戶提供技術支持、服務改進和評估；建設全國省級氣象部門HRIT數據接收和數據應用平臺，實現實時數據的高效分發。數據服務系統結構如圖1所示。

圖1 風云四號數據服務系統結構

為更好地為全國氣象業務特別是省級氣象業務提供衛星觀測數據支撐，發揮氣象衛星效益，需要突破海量數據分發的瓶頸，解決地方氣象部門快速獲取衛星數據的難題。風云四號科研試驗衛星地面應用系統工程初步設計方案中設計了四類主要數據服務手段，即風云四號衛星直接數據廣播、CMACast數據廣播、氣象業務內網分發、網站數據服務。風云四號A星數據服務系統架構如圖2所示。

圖2 風云四號數據服務系統架構

四、系統功能

數據服務系統可分為氣象衛星數據存儲存檔管理、氣象衛星數據服務、氣象衛星數據省地縣級接收應用站、氣象衛星數據服務分中心、氣象衛星數據收集平臺、緊急氣象信息廣播平臺六部分功能。

1. 氣象衛星數據存檔管理

根據風云四號衛星數據實時業務和長期存檔的管理要求，對業務系統產生的各級數據和產品進行自動實時編目存檔管理，分類進行長期存檔、永久存檔和臨時存檔管理；并提供手工交互存檔方式，以便對存檔過程中出現的錯誤進行補充存檔或剔除錯誤的存檔數據；實現同一數據中心內不同存儲介質之間的數據自動遷移。根據訂購要求能夠將所需數據從存檔介質中進行數據回調。根據數據存檔策略，能夠實現對已存檔數據的離線管理和回調。

2. 氣象衛星數據服務

風云四號門戶網站分系統建設是集中風云四號衛星信息、數據服務、產品信息、空間天氣服務于一體的綜合性門戶網站系統，要求安全可靠，提供統一的發布接口，能夠對網站動態靜態內容進行監控。

依據風云四號衛星數據高時效、高分辨率、大數據量的特征，建立滿足專業用戶需求的基于網絡在線方式的綜合數據服務系統。系統具有較高在線響應能力，具有數據檢索、訂購和獲取一體化的綜合數據服務能力，通過云計算處理和存儲框架，實現分布式的可定制數據處理平臺，并為專業用戶提供檢索和定制數據庫接口。

3. 氣象衛星省級接收應用站

在全國省級氣象部門，建設遵循省級全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）規范和標準的風云四號HRIT數據獲取系統。HRIT數據獲取系統包括1套接收設備和1套HRIT用戶接收站接收和監視軟件，主要配置設備包括天線、下變頻器、低噪聲放大器、解調器、接收機、進機卡、接收計算機1臺、數據管理計算機1臺。每個省級氣象部門配置兩臺高性能PC服務器和50TB存儲資源，作為省級FY-4A數據應用中心，同時也是省級氣象數據中心的組成部分。

4. 氣象衛星數據服務分中心

數據服務分中心是為用戶提供方便快捷的FY-4A數據服務的重要保證，基于分中心獨特的地理位置和周邊用戶需求，建立特殊的衛星數據管理和編目系統，為用戶提供數據檢索、訂購服務；建立分中心的門戶網站，實現具有針對性的用戶服務；同時需要建立分中心與主中心之間的用戶協同認證體系，使兩個中心之間的用戶可以共享資源和服務。

5. 氣象衛星數據收集平臺

在全國邊遠地區建設數據收集平臺（DCP）利用站和氣象要素自動采集設備。DCP主要用于市、縣臺站及高山、海島、船舶、浮標、飛機、沙漠等人煙稀少地區，配置各類傳感器自動采集各類環境數據，并以UHF頻率向風云四號A星定時發送，風云四號A星中繼轉發，從而完成對各地氣象要素的實時監測功能。

6. 預警信息廣播平臺

風云四號A星上有低速率信息傳輸（LRIT）/預警信息廣播（EWAIB）信號轉發器，在發生突發氣象緊急事件時，地面向衛星發送預警警報信息，衛星向地面終端進行轉發。

五、系統實現

1. 氣象衛星數據存儲存檔管理系統建設

按照氣象數據存儲存檔統一的云存儲框架要求，國家級氣象衛星數據存檔系統作為云存儲節點開展建設，按照氣象信息化和標準化工作組規定的統一的數據格式標準、元數據標準、存儲管理標準要求，特別要按照中國氣象局對衛星數據的管理要求進行建設。對于中國氣象局直屬業務單位（北京）數據存儲和數據訪問而言，做到無縫透明。

風云四號衛星數據存儲管理系統原采用在線—近線—離線的三級存儲架構，相對封閉，對中國氣象局業務單位無直接連接。業務單位使用衛星數據需通過FTP下載或訂單訂購方式，集約化程度較低，造成衛星數據和用戶之間的鴻溝。通過適應信息化要求的方案調整，風云四號衛星數據存儲管理將基于分布式存儲建設PB級風云衛星數據資源池，數據存儲編目結構與接口規范符合CIMISS標準體系，使之成為衛星數據資源池，避免在業務內網內部重復建設過多衛星數據“倉庫”。該資源池是衛星數據的在線存儲區，同時又提供統一的接口供直屬業務單位直接讀取使用，減少了之前訂購、下載的環節，提升了衛星數據使用效率。

CIMISS衛星數據資源池將保持PB級風云衛星數據全集在線，滿足對長序列歷史衛星數據有使用需求的氣候中心、氣象科學研究院等單位使用。同時，衛星實時數據將即時更新至該資源池，滿足對衛星數據時效性要求高的氣象中心、數值預報中心的需求。

CIMISS衛星數據資源池的架構如圖3所示。在硬件節點層，資源池采用通用X86服務器構建大規模存儲節點集群，降低采購與運維成本；在數據處理層，通過應用軟件構建PB級的在線存儲池，遵循CIMISS標準實現衛星數據的歸檔管理；在應用層，支持主流操作系統的直接訪問，滿足直屬業務單位衛星數據使用需求，衛星遙感應用平臺亦可與該數據資源池進行深度融合，用戶可通過遙感應用平臺直接調用數據，省去數據尋找和發現的過程。

圖3 CIMISS衛星數據資源池架構圖

2. 氣象衛星數據服務系統建設

按照國家級氣象信息服務框架，國家級氣象衛星數據服務系統作為云服務節點開展建設，按照統一的用戶管理、服務界面、數據提供來設計。省級氣象衛星數據管理和服務全部納入CIMISS統一設計。

風云四號A星數據服務系統將建設國家級氣象衛星數據服務中心（圖4），整合風云衛星遙感信息和公共氣象衛星數據資源，利用公有云和混合云技術，通過CIMISS統一接口標準，將衛星氣象數據融入公共氣象數據資源池，建立多級氣象衛星數據共享服務，與國家氣象信息中心共同實現風云遙感數據服務網與中國氣象數據網的對接，增強數據環境支撐與服務產品加工能力，豐富數據產品種類，完善數據統計分析與可視化服務功能，細分用戶，開發完善針對不同用戶的衛星遙感數據服務產品，提升服務數據的質量和技術含量。基于互聯網及移動互聯網技術，向社會開放衛星元數據檢索接口，實時在線定制衛星數據和圖像。

圖4 衛星數據服務網站架構圖

3. 氣象衛星省級數據直接接收站建設

靜止氣象衛星實時資料在天氣監測和預警業務應用中的高時效性極端重要，為保障省級氣象部門能夠實時業務化獲取氣象衛星實時觀測數據，建設衛星數據直收站是解決衛星資料播發的手段之一。

風云四號A星數據服務系統在省級站將建設衛星數據處理平臺，實現實時收取的衛星數據處理、產品生成及共享。該平臺建設符合省級CIMISS標準規范，作為省級氣象部門數據中心的一部分。為與國家級CIMISS衛星數據資源池保持結構一致，目錄統一，省級用戶可通過遙感應用平臺直接讀取數據，省去數據檢索和發現的過程。氣象衛星省級數據服務體系架構如圖5所示。同時，中國氣象局的其他業務數據，也可通過風云四號衛星廣播信道進行播發，由省級站接收后提供共享服務。

隨著CIMISS地面網絡的不斷升級擴容，可滿足衛星數據高時效傳輸要求，省級氣象部門亦可基于地面網獲取衛星數據，與省級直收站形成數據傳輸渠道與數據內容上互備，為省級用戶播發更多品類的衛星數據產品。

圖5 氣象衛星省級數據服務體系架構圖

六、結論

風云四號A星數據服務系統通過國家級衛星數據存儲管理系統建設、衛星數據服務系統建設、省級直收站建設，滿足了風云四號A星每日3TB數據管理共享和信息服務的需求。