風云二號氣象衛星圖像定位和衛星風精度的改善中解決問題的途徑

摘要

本文以改善風云二號氣象衛星圖像定位和衛星遙感風精度的工作為例，簡述工程技術任務中解決問題的途徑.

關鍵詞

氣象衛星;圖像定位;大氣運動矢量

中圖分類號 P228;P405

文獻標志碼 A

0 引言

1969年2月，周恩來總理提出要搞中國自己的氣象衛星.1974年12月，錢學森向當時的中央氣象局領導指示：“把氣象衛星星體、運載工具造出來，完成發射、測量、軌道定點控制等工作，由航天部門歸口.關于氣象衛星如何發展、走什么途徑、采用什么體制，以及氣象衛星資料的地面接收、傳輸、處理、臺站建設等工作，要從氣象上去研究，由中央氣象局承擔”.這個指示明確了中央氣象局在氣象衛星系統工程中的責任.為此，經國務院批準，中央氣象局于1978年成立一個下屬單位——國家衛星氣象中心，專門承擔這兩大任務.

一個型號的衛星，從規劃到實現，須要經歷6～8年的時間.規劃工作既要有遠見，在型號實現時不落后，又要保證依靠自己的技術力量能按期完成任務.數據處理工作要把星上傳遞下來逐個像元的觀測資料拼接成圖像，定標、定位準確，推導出能代表地物和大氣物理狀態的產品，檢驗它們的精度.這些工作有很大的體量和難度，由許多科技人員組成的團隊共同完成.在氣象衛星發展的初期，由于我們當時知識水平、經驗、技能的不足，遇到過很多困難.曾經有一段時間做不對，或者做不準.本文第1節及第2節，以筆者參與過的一小部分工作：風云二號氣象衛星圖像的定位和衛星遙感風的推導為例，介紹氣象衛星數據處理工作中遇到的困難和解決問題的過程;第3節總結筆者的工作經驗.希望本文有助于相關專業的學生在走上工作崗位之后，較快地適應可能面臨的工作局面.

風云氣象衛星至今己經發射了17顆.關于這些衛星的性能、數據、產品、服務，己經有許多發表的文章可以參閱.讀者可以從文獻[1-5]中找到有關的內容.

1 風云二號氣象衛星圖像定位精度的提高

風云二號是中國第一代靜止氣象衛星.靜止氣象衛星的高度，距離地面大約36 000 km，相當于地球半徑的6倍，極地軌道衛星高度的40倍.在靜止軌道高度上實現氣象衛星觀測，遇到了比極地軌道衛星更復雜的工程技術問題，必須要通過星地協同工作的方式來實現.

衛星的姿態必須可控，做到精準、穩定、可度量.三軸穩定是最合理的姿態控制方式.目前的風云四號A星就是采用了三軸穩定姿態控制方式.在三軸穩定姿態控制體制下，衛星的姿態在x-y-z三個空間維度上都受控，在任何時間都面向地球上的觀測目標物，更容易提高觀測質量和觀測頻次.雖然三軸穩定姿態控制方式優點很多，但是對衛星平臺的姿態控制能力要求極高.在風云二號規劃的時候，航天部門還難以做到.

自旋穩定體制把衛星做成一個圓柱體，使衛星圍繞圓柱體旋轉.掃描儀借助衛星的自旋實現東西向掃描.自旋過程中，掃描鏡面向地球時，開機觀測采集資料.在下一個旋轉周期，掃描鏡在南北方向挪動一步，觀測另一個條帶.通過這樣的方式，實現對地球的兩維掃描成像.風云二號衛星獲取一幅完整的地球圓盤圖像，耗時約25 min.圖像上的每一個像元，觀測時間都不一樣，但是逐個像元都準確己知，不影響數據的定量應用.云圖十分逼真，好像從衛星上俯視地球拍攝的照片一樣.自旋穩定的缺點是，在衛星自旋一周的360°方位中，只有18°面向地球，其余342°在空轉.受衛星自旋約束，掃描鏡在觀測目標物上駐留的時間不可能延長，影響觀測信噪比的提高;衛星的觀域，只在南北方向可調，在東西方向不可調，影響觀測范圍調整的靈活性和觀測頻次的提高.雖然自旋穩定觀測體制存在這些缺點，但是它也有明顯的優點，即不需要對衛星進行頻繁的姿態控制，從而容易做到穩定可靠.在我國航天事業發展早期事故比較多發的年代，天然穩定可靠的體制，是非常重要的選擇因素.而且采用自旋穩定體制的東方紅二號甲通信衛星，當時己經成功.所以風云二號衛星選擇了自旋穩定觀測體制.

在風云二號衛星獲取一幅云圖的時段里，衛星、地球、太陽都在運動，準確地把逐個像元的觀測數據拼接成圖像，需要知道每個瞬間衛星的位置和姿態，以及太陽、地球等參照物的位置.還要在數學模型中將衛星、地球、太陽的位置參數正確地聯系起來.

三點測距系統被用來測量衛星的位置.在地面上設三個測距站.通過無線電波在衛星和測站之間的傳輸時間，推出它們之間的距離，從而確定測距瞬間衛星的位置.再根據衛星軌道方程，推出任意瞬間衛星的位置.

控制好掃描輻射儀的開機時間，確保其在掃過地球的范圍內成像，是地面系統的工作.衛星每自旋一圈，都會看見一次太陽，因此可以用太陽作為參照物，使得掃描儀在面向地球的時間開機，并將逐條掃描線精確配準.衛星從掃過太陽到掃過地球之間的夾角，是一個天文幾何關系，只要知道衛星的位置和自旋軸的指向，就可以精確算出.

衛星的姿態根據地面上已知地點的地標影像，或地球中心在圖像上的位置，反推求出.將一系列圖像組成時間序列，放在一起觀察，可以看到地球圓盤在衛星云圖上呈周期式的擺動和旋轉：整個地球圓盤在南北方向擺動，同時它自身還在旋轉.擺動和旋轉的周期，恰好等于衛星圍繞地球公轉一周所需的時間.這樣的圖像表現，一定是受到某種規律支配的結果.畫出衛星對地觀測的三度空間示意圖，可以解釋觀察到的現象.在理解圖像表現的基礎上，列出衛星對地觀測的數學表達式，建立閉合的方程組.對于自旋式靜止氣象衛星，描寫衛星和地球之間關系的圖像定位方程組，由13個參數組成，用到13個坐標系.個別參數可能在特定的坐標系中具有清晰的幾何和物理意義，但是在另外的坐標系中才保持守恒.對這些參數和坐標系的深刻理解和準確表達，是建立風云二號氣象衛星圖像定位數學模型的基礎.

為了驗證定位數學模型的正確性，進行了相關參數的精度分析，建立了仿真系統，通過數值模擬，檢驗了公式和坐標轉換的正確性和程序的有效性.通過廣泛調研，還學習了有關的天文知識，采用了當時國際上最先進的坐標體系.

通過這項工作，國家衛星氣象中心創新地提出，在地球圓盤圖像的時間序列中，存在衛星姿態和掃描儀失配的信息.根據這個原理，自主設計了基于地球圓盤圖像時間序列的圖像定位算法.這種算法用地球圓盤圖像的時間序列作為己知量，自動解算出全套圖像定位參數，還設計了容錯措施，使定位系統能容忍某些條件下太陽或月亮光對觀測圖像的干擾，可以正常工作.系統不依賴圖像上的地標，也不需要操作人員進行手工作業[6].

風云二號氣象衛星圖像定位的研究工作，是利用FY2B出現故障以后，帶病運行獲得的數據進行的.FY2B的數據質量并不好，但是對FY2B數據的觀察和分析，為理解風云二號衛星的行為和工作原理，提供了寶貴的資料.圖像定位問題解決以后，對風云二號衛星的工作機理和系統中參數的含義有了更深刻的理解.在此基礎上，對地面系統中的軟件進行檢查.對曾經發生過的問題，找到根源，改正錯誤，使地面系統的堅固性大大提高，為地面系統的穩定運行夯實了基礎.

2006年10月，美國國家航空航天局（NASA）局長Griffin訪問國家衛星氣象中心.衛星氣象中心向他展示了風云二號衛星實時收圖的情況：先把預報地理網格顯示在屏幕上，然后接收云圖.結果顯示，實時接收衛星圖像上的海陸邊界，與事先顯示的地理網格完全一致.Griffin回美國后，在NASA網站的主頁上寫道：“We have seen some very nice things.We saw a very nice algorithm by which Chinese weather satellite developers correct for the apparent motion of the Earth as a result of minor shifts in the orbit of geostationary spacecraft.”[7]

2 衛星遙感風精度的改善

1998年10月，國家衛星氣象中心用日本GMS衛星的數據推導風[8].算法完全自行設計，在兩個方面與國際上流行的算法不同：計算方案和風所在高度的估計.關于計算方案，提出了簡便算法，在結果等價的前提下，計算工作量節減到原來的1/8 左右，只需一臺計算機就可以實現.這種算法在1996年第24屆國際氣象衛星協調組織會議上被記錄為重要特征（Report of the 24 CGMS）[9].關于風所在高度的估計，國家衛星氣象中心提出，在估計衛星風的高度之前，應比較追蹤區域內紅外、水汽兩個通道測值的分布，以區分薄卷云和低云[8].對薄卷云需要進行高度訂正，而對低云則不需要進行高度訂正，這就充分利用了原來認為高度不容易做準確的薄卷云，衛星風的分布大大改進.這種高度估計方法在1998年第四屆國際衛星風會議上，被記錄為重要進展[10].后來歐洲氣象衛星組織邀請國家衛星氣象中心專家在他們的系統中實現了國家衛星氣象中心的算法[11] .日本氣象廳Kumabe[12]表示，中國提出的方法是有效、可用的，并在日本的系統中采用該方法.

衛星風矢量的精度與追蹤目標物（通常是云）的高度確定關系極大.靜止氣象衛星在36 000 km的高度觀測地球，而云的高度最多只有16 km，用幾何方法很難確定云的高度，因此云高的確定，一般采用物理的方法[13-15].在物理方法中，對于密實不透明的云，可以用窗區紅外通道的亮度溫度，直接確定其高度.但是地球上存在大量的半透明卷云，由于從半透明的卷云向上的輻射中，含有來自云下背景的輻射，窗區紅外通道測得的亮度溫度，高于半透明卷云本身的實際溫度，因此如果只使用一個窗區紅外通道，將低估云的高度.

Szejwach[16]提出了一種用透明通道（紅外）和半透明通道（水汽）共同指定云高的算法.他指出，半透明云像元的衛星輻射測值中，不僅包含半透明云自身輻射的貢獻，也包含來自半透明云下面背景輻射的貢獻.假定云的半透明程度，在窗區和吸收區差別不大，那么半透明云窗區和吸收區的衛星觀測值，應該呈線性相關關系.根據這種線性相關關系，可以同時估計出卷云的半透明程度和卷云所在地方的環境溫度，從而比較準確地算出半透明云的高度.實現Szejwach算法的關鍵，是要把來自半透明云自身的輻射，以及來自云下的背景的輻射，都估計正確.

以往的衛星風算法中，其高度指定計算，和示蹤物軌跡計算一樣，都把示蹤圖像塊作為整體進行處理[17-18].將示蹤圖像塊作為一個整體進行處理的衛星風推導算法，沒有考慮以下問題：圖像塊中哪些像元在運動，這些像元是否是半透明云，如果是，那么來自這些像元的衛星測值中，有多少輻射貢獻來自半透明云本身，多少來自云下的背景，這些問題以前并沒有深入研究.

2006年，Büche等[19]指出，相對于作為一個整體的示蹤圖像塊，對運動做出較大貢獻的像元，更加能夠代表運動中的云.選擇它們參與衛星風所在高度的估計，可以比用示蹤圖像塊作為整體的算法，做得更加準確.Borde等[20-21]后來又對這種算法進行過改進和細化.

在Büche等[19]和Borde等[21]工作的基礎上，2017年張曉虎等[22-23]對風云二號衛星風矢量的算法進行了全面回顧，總結出當時風云二號衛星風矢量高度指定算法中的不足.為了提高風矢量高度指定的精度，對來自半透明云自身，以及來自云下背景的兩部分輻射，都進行了精算.

在沒有使用代表運動的像元以前，圖像塊中全部像元都參與聚類分析，得到來自半透明云自身的輻射.這種做法不夠精細，應該從圖像塊中，把代表隨風飄蕩半透明云的像元挑選出來，進行聚類，估計來自半透明云的輻射.根據像元對運動所做的貢獻，可以將追蹤圖像塊中的像元分為三部分：1）小貢獻像元;2）暖區段大貢獻像元;3）冷區段大貢獻像元.重點考察暖、冷兩個區段里大貢獻像元的表現和統計特征，歸納出以下兩種情況：第一種情況是，追蹤圖像塊部分被云覆蓋.在這種情況下，散點圖上的暖、冷兩個區段比較對稱，像元的數目和個別像元的貢獻，差別都不大，追蹤圖像塊里看見了地面，暖區段的圖像像元處于地面溫度的典型值范圍里.第二種情況是，追蹤圖像塊全部被云覆蓋.在這種情況下，散點圖上的暖、冷兩個區段在散點圖上明顯地不對稱，暖區段里的大貢獻像元，數目比冷區段小，貢獻卻比冷區段大，但是它們位于云與云之間的縫隙之中.因此無論追蹤圖像塊部分被云覆蓋，還是全部被云覆蓋，都應該選擇冷區段的大貢獻像元，估計“來自半透明云體的輻射”.這個結論，與Borde等[21]的認識不同.Borde等[21]認為，在某些情況下可以用暖區段大貢獻像元代表云的高度.而實際上，暖區段大貢獻像元往往處在云與云之間的縫隙里，云縫里的像元，其測值不能代表云的高度.

在實施半透明云高度估計的算法時，還需要使用來自半透明云下面的背景輻射.衛星并沒有觀測到來自半透明云下面的背景輻射.因此來自半透明云下面的背景輻射，只能用半透明云區周邊無云區里的衛星測值來代表.這里也存在以下兩種情況：第一種情況是，在衛星示蹤云追蹤區內包含有無云區.這種情況下追蹤區里的紅外最高亮度溫度，可以代表云下地面輻射，水汽通道則不能.應該在紅外亮度溫度較高的某個區段里，選擇水汽亮度溫度相對較低的測值，估計自下而上水汽通道的背景輻射，這是因為紅外亮度溫度高值區段里，具有相對較低水汽亮度溫度的觀測像元，離云區更近.這些地方比遠離云區的地方更加濕，更能代表云下的大氣層結條件.由于水汽吸收的再發射作用，這些更加濕的地方，水汽通道的亮度溫度相對略低.第二種情況是，追蹤區正好位于云區的內部，追蹤區里只看到云，沒有看到云下的地面.這種情況下應該擴大搜索范圍，找到附近的無云區，用附近無云區的測值，估計來自半透明云下面的背景輻射.

風云二號衛星風的高度指定，曾經有一段時間誤差較大.在做了以上改進后，算法于2011年改版.據歐洲中期預報中心的檢驗（http：∥www.ecmwf.int/products/forecasts/d/charts/monitoring/satellite/amv/windspeed/），FY2E衛星風的誤差比歐洲Meteosat7衛星更小，達到了國際同類產品的水平[24].

3 工程技術任務中解決問題的途徑

天氣預報是一個系統工程.無論做數值天氣預報模式的開發，還是做衛星觀測資料的處理，都需要利用盡可能完整、正確的專業知識，按時高質量完成任務.工程技術與科學研究，它們的工作重心有很大的不同.研究工作要關注創新，關注別人沒有發現過的自然現象，還要指出新發現的自然現象為什么能夠存在的機理;而工程則更加關注是否能成功，要求把任務做對、做準、做可靠.工程工作對參與工程的科技人員提出了非常高的要求.下面是筆者的工作經驗，寫在這里供大家參考.

1）工程科技人員面對的專業領域容不得自己選擇，需要解決哪方面的問題，就要把這方面的基礎知識從頭學起來，逐一弄懂弄通，成為內行和專家.

2）工程工作要經受實踐的檢驗：與實際資料做比較，對不對是硬道理.這就是“實踐是檢驗真理的唯一標準”.氣象現代化工程體量大，涉及的專業面廣，以“做正確”為考核標準，對工作精度有極高的要求，而且要求系統在能適應各種惡劣的環境條件可靠地工作.其中有許多是工藝性的工作.因此要認真看圖、分析資料.這要耗費大量的時間.在這方面花時間和學習基礎知識、讀論文一樣重要，要舍得花.

3）看資料要有靈感.要靈敏地察覺，問題可能出在哪里.這樣的靈感，來自扎實的基礎知識、大量資料的閱讀和對問題的反復思考.

4）對工程人員的要求，更側重于解決問題.解決問題要從對存在問題的精準定義入手.對存在問題的科學、精準定義，是妥善解決問題的基礎.如果對存在的問題看不清，沒有找到切入點，只進行一般的號召，不會有什么效果.切入點找準了，就己經站在解決問題的半路上了.切入點來自對情況的深入調查和對形勢的正確判斷.了解情況和認清形勢，要做到“見樹見林”.“見林”，是指對事情的全貌，要有總體的理解;“見樹”，是指對事情的細節，要有透徹的洞察.既在宏觀上看到事情的全貌，又從微觀上理解它的細節，才能科學地提出問題、解決問題.

5）做任何工作，都是先有目標，后有行動，目標必須可度量、可考核、可檢查.如果當前的目標存在偏差，可以在實踐中改正.只要堅持實踐，不斷總結經驗教訓，一定可以找到正確的道路.只怕沒有可度量、可考核、可檢查的工作目標.

6）有了目標，還要做好工作，實現目標.遇到困難是必然的.那些困擾著我們的熱點問題和不理想的狀態之所以存在，就是因為其艱巨性和復雜性.其中一定有錯綜復雜的因素和矛盾，它們相互之間盤根錯節，交織在一起.對于要解決的問題，需要努力去克服困難.在解決問題的過程中，有時會陷入困境，必須要一步一個腳印，確認每一步都對，還需要有堅持不懈、鍥而不舍的精神，不輕易放棄目標.半途而廢等于不做.克服困難的體會，只有在走出困境以后，才能領悟.處身于困難之中，猶如在熱帶雨林里，荊棘叢生，找不到出路;問題解決以后，回顧過去的經歷，又好像登高遠望，一覽無余.

7）在問題沒有解決以前，人們對存在問題的理解必然是不全面、不深刻的.因此在解決問題的過程中，還要不斷地去觀察、體驗、感知、認識、分析，領悟其中的脈絡，調整思路，找到解決問題的辦法.

8）要簡明扼要地把事情表達清楚.把事情講清楚，才能獲得領導的支持、公眾的共鳴、團隊的響應.

9）要組織好團隊.現在單槍匹馬能解決好的問題不是很多.做事情都要依靠組織.組織要有明確的組織目標、敬業的參事人員和扎實的基礎知識，還需要有互補的專業技能、團結合作的工作精神、相互認同的行為規范、互相體諒的工作環境以及詳細的檔案紀錄.其中項目負責人特別重要.項目負責人要特別關注上面所述的第4及第6條，帶領隊伍克服困難.團隊成員則要發揮各自的專長和優勢，為組織目標做出貢獻.形勢的改觀和局面的突破，是通過一系列優秀工作的實現達到的，絕非來自空洞的一般號召，必須用高質量的工作推動事業進步.所以，具有專業門類比較齊全的科技人員，以及他們的有效組織，是成功之本.

關注以上幾個方面，對于高質量完成工程工作是非常重要的.按照這樣的思路去工作，國家衛星氣象中心已經完成了17顆國產衛星的數據處理任務.重要的是不怕失敗，不斷地實踐，成功的經驗和挫折的教訓，都幫助我們鍛煉隊伍，增長才干.

參考文獻

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Pathways on solving problems at algorithm improvements for FY-2

meteorological satellite at image navigation and wind vector derivation

XU Jianmin1

1 National Satellite Meteorological Center，Beijing 100081

Abstract This paper describes algorithm improvements for FY-2 meteorological satellite at image navigation and wind vector derivation.From which，the pathways on solving problems at mission implementation are summarized.

Key words meteorological satellites;image navigation;atmospheric motion vectors

作者簡介：

許健民（1944—），男，中國工程院院士.1965年畢業于南京氣象學院，主要從事氣象衛星數據處理和應用的研究和業務工作.在擔任國家衛星氣象中心主任（1986—1996年）期間，氣象衛星資料在自然災害監測、農作物長勢監測以及生態環境監測等方面發揮了重要作用.1998—2010年擔任風云二號靜止氣象衛星地面系統總師，所領導的研究組全面實現了風云二號氣象衛星圖像的實時、全自動、像元級高精度定位，在大氣運動矢量產品的開發中，提出了快速算法和在云高度指定中區分薄卷云和低云的新算法.

E-mail：xujm@cma.cn