我國海洋二號衛(wèi)星微波散射計數(shù)據(jù)處理軟件設計

林溢園，鄒巨洪，何原榮，林明森

（1.北京航空航天大學軟件學院，北京　100191；2.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京　100081；

3.國家海洋局空間海洋遙感與應用重點實驗室，北京　100081；4.廈門理工學院，福建　廈門　361024）

我國海洋二號衛(wèi)星微波散射計數(shù)據(jù)處理軟件設計

林溢園1，2，鄒巨洪2，3，何原榮4，林明森2，3

（1.北京航空航天大學軟件學院，北京100191；2.國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京100081；

3.國家海洋局空間海洋遙感與應用重點實驗室，北京100081；4.廈門理工學院，福建廈門361024）

我國第一顆海洋動力環(huán)境（HY-2）衛(wèi)星于2011年8月16日發(fā)射上天，HY-2衛(wèi)星微波散射計數(shù)據(jù)處理軟件是用于生產海面風場矢量的軟件，其作用是輸入HY-2衛(wèi)星經過預處理的散射計數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，進行時間標識、波束定位、幾何參數(shù)計算、后向散射系數(shù)（σo）與輻射測量精度（Kp）系數(shù)計算、面元匹配、大氣校正、海面風場反演等處理，輸出具有固定格式的各級數(shù)據(jù)產品和/或圖像產品。主要介紹該軟件的結構設計、數(shù)據(jù)處理流程、接口設計和設計說明，該設計已經用于業(yè)務系統(tǒng)研發(fā)，軟件處理的產品精度經過與浮標的比較，達到了預期的風速誤差小于2 m/s、風向精度小于20°的要求，證明了該設計的正確性。

海洋二號衛(wèi)星；微波散射計；軟件設計

大海面風場數(shù)據(jù)對于海氣相互作用和海洋動力學等研究是非常重要的?；诖昂透说某Ｒ?guī)海面風場測量方式往往都是空間上零星分布的，且在全球海洋的觀測分布點非常少。目前，星載微波散射計是可以有效測量海面風速和風向的一種衛(wèi)星傳感器，它能夠全天候地獲得覆蓋全球的、高分辨率的、高頻次的和長周期的海面風場觀測資料，已經廣泛應用于海洋預報和相關科研應用領域。

星載微波散射計是間接測量海面風矢量的。它直接測量的是海表面的雷達后向散射能量，依據(jù)雷達方程獲得海表面的后向散射系數(shù)；然后通過對海面同一面元進行多方位向的后向散射系數(shù)測量，結合地球物理模式函數(shù)反演出海表面的風速和風向。

我國于2011年8月發(fā)射了首顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星——HY-2衛(wèi)星，其上搭載了國內首顆星載微波散射計。本文首次介紹了我國自主建立的HY-2衛(wèi)星微波散射計的數(shù)據(jù)處理軟件設計，介紹了該軟件的結構設計、數(shù)據(jù)處理流程、接口設計和設計說明，該軟件設計已經在HY-2衛(wèi)星地面系統(tǒng)研發(fā)中得到了應用，證明了該軟件設計的正確性。

1　結構設計

1.1需求規(guī)定

微波散射計數(shù)據(jù)處理軟件主要的業(yè)務需求是接受運行控制子系統(tǒng)（OCS）發(fā)布的運行指令，執(zhí)行以下主要功能：

（1）L1A級數(shù)據(jù)處理功能：利用星歷與姿態(tài)數(shù)據(jù)，進行幀時間標識、幀狀態(tài)與姿態(tài)參數(shù)插值計算、天線方位角計算、單位轉換等處理生成L1A級產品；

（2）L1B級數(shù)據(jù)處理功能：進行波束定位、幾何參數(shù)計算、σ0與Kp系數(shù)計算等處理生成L1B級產品并輸出存檔；

（3）L2A級數(shù)據(jù)處理功能：進行面元配準，海陸，冰海標識，大氣衰減量校正等處理生成L2A級產品并輸出存檔；

（4）L2B級數(shù)據(jù)處理功能：完成風矢量反演，模糊解消除，降雨標識等處理，生成L2B級產品并輸出存檔；

（5）L3級數(shù)據(jù)處理功能：對L2B級產品所包含的海面風場等信息進行時空分布統(tǒng)計，制作3級產品并存檔；

（6）界面顯示功能：軟件具備可視化的前臺界面，便于用戶實時了解數(shù)據(jù)處理的進度，并顯示處理結果的部分信息。

1.2軟件組成

本軟件按照功能劃分為L1A處理部件，L1B處理部件，L2A處理部件，L2B處理部件，L3處理部件，運行控制部件，并行計算部件，界面控制部件。每個部件可以細分為若干子部件和單元，軟件構成如圖1所示。

圖1　軟件組成圖

1.3軟件數(shù)據(jù)處理流程

HY-2衛(wèi)星微波散射計的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

1.4軟件工作流程

圖2　數(shù)據(jù)處理流程圖

微波散射計數(shù)據(jù)處理軟件基于國內算法研發(fā)，生成定量化的微波散射計各級產品，并制作各類圖像、圖形等專題產品。其主要業(yè)務流程是以接收預處理子系統(tǒng)（DPP）提供的微波散射計L0B級產品作為輸入，并配合其它的輔助數(shù)據(jù)，通過各等級數(shù)據(jù)處理部件，生成相應的微波散射計L1A、L1B、L2A、L2B和L3數(shù)據(jù)產品，整個工作流程在運行控制子系統(tǒng)（OCS）的調度下完成，如圖3所示。

圖3　DPS-SM工作流程圖

2　設計說明

2.1L1A處理部件

L1A處理部件主要功能是：讀取衛(wèi)星總線包中的星歷數(shù)據(jù)，進行時間排序去重復數(shù)據(jù)，由星歷數(shù)據(jù)和時間進行衛(wèi)星姿態(tài)計算，最后進行數(shù)據(jù)轉換，輸出定位需要的衛(wèi)星坐標系的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2L1B處理部件

L1B部件的主要功能是：讀取L1A數(shù)據(jù)，進行衛(wèi)星姿態(tài)定位和投影計算，然后計算散射計波束大小和切片計算，最后計算每個切片單元的后想散射系數(shù)和輻射精度系數(shù)。

2.3L2A處理部件

L2A處理部件的主要功能是：進行內外雙波束的匹配計算，判斷面元的陸地或海洋標志識別，完成大氣衰減計算。

2.4L2B處理部件

L2B級處理部件主要功能是：按面元匹配后的單元重新計算后向散射系數(shù)，進行風場風速和風向反演，利用輻射計信息進行降雨標識，完成風場模糊去除工作。

2.5L3處理部件

L3處理部件的主要功能是：進行每個圈次的升軌和降軌數(shù)據(jù)分離，按格點進行數(shù)據(jù)存儲，完成時間和空間的插值與統(tǒng)計。

2.6運行控制部件

HY-2衛(wèi)星微波散射計數(shù)據(jù)處理軟件的運行控制主要實現(xiàn)接受、解譯來自運控的指令，并調用數(shù)據(jù)處理的各個子程序。該子部件接受來自運行控制子系統(tǒng)（OCS）的指令，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理調用各個數(shù)據(jù)處理部件。

3　軟件的應用效果

圖4　2014年1-12月HY-2衛(wèi)星與NDBC風速風向比對散點圖

經過HY-2衛(wèi)星散射計處理軟件得到的數(shù)據(jù)產品分為L1、L2和L3級。其中，L1級數(shù)據(jù)為預處理后帶有定位信息及描述信息的數(shù)據(jù)；L2級數(shù)據(jù)為經L1級產品數(shù)據(jù)進行反演得到的風場數(shù)據(jù)；L3級數(shù)據(jù)為通過2級數(shù)據(jù)經過網(wǎng)格化、月平均、季平均和年平均的產品。海洋用戶普遍使用的是L2級標準數(shù)據(jù)產品。數(shù)據(jù)產品中主要為海面風場矢量，下面給出風場散射計軟件處理的產品檢驗結果及產品的應用情況。

1）微波散射計海面風場產品精度評估

下圖為HY-2衛(wèi)星微波散射計風場數(shù)據(jù)與47個NDBC站位數(shù)據(jù)比對的結果，風速均方根誤差為1.59 m/s，風向均方根誤差為20.45°，結果與當前國際星載散射計風場精度指標（風速2m/s或10%，風向±20°）基本一致（見蔣興偉，2013）。

2）海面風場在臺風監(jiān)測中的應用

HY-2衛(wèi)星散射計每天可以觀測全球90%的海域（見圖5），并可在西北太平洋提供臺風實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，HY-2微波散射計順利完成了2012-2014年全部臺風的監(jiān)測任務，在每次臺風的生命周期中，至少對其完成一次觀測，3 a共計捕獲79次臺風為科研、業(yè)務和分析預報臺風提供了新的準確的數(shù)據(jù)源。

3）在臺風監(jiān)測中的優(yōu)勢

在全球對地觀測體系中，僅存兩類用于全球海面風場觀測的遙感器，分別是HY-2衛(wèi)星和歐洲氣象衛(wèi)星搭載的HY-2 SCAT和ASCAT微波散射計（J.Figa-Salda?a et al，2002）。通過圖6a，和圖6b的比較看出：HY-2觀測的海面風場與ASCAT風場結構一致，但HY-2的觀測刈幅遠遠大于ASCAT。HY-2微波散射計平均1 500 km的觀測刈副，使其能夠全面的獲取臺風期間臺風的強度、位置、方向、結構和移動路徑、速度等要素，相對于ASCAT有效提高了HY-2衛(wèi)星的觀測效率，使其在全球海面風場觀測中的優(yōu)勢十分明顯。

圖5　HY-2衛(wèi)星散射計觀測的全球海面風場

圖6　HY-2微波散射計（a）與ASCAT（b）臺風監(jiān)測比較

4　結語

本文針對我國自主的第一顆海洋動力環(huán)境（HY-2）衛(wèi)星散射計數(shù)據(jù)處理軟件，給出了該軟件的結構設計、數(shù)據(jù)處理流程、接口設計和設計說明，該設計已經用于該衛(wèi)星的地面應用系統(tǒng)的業(yè)務運行，經過4年多的運行表明，軟件處理的產品精度與浮標比較達到了預期的設計的要求，證明了該設計的正確性。

Freilich M H,2000.SeaWinds Algorithm Theoretical Basis Document. ATBD-SWS-01.Greenbelt，MD:NASA Goddard Space Flight Center.

Stoffelen A,Anderson D L T,1997.Scatterometer data interpretation: estimation and validation of the transfer function CMOD4.Journal ofGeophysical Research,102:5 767-5 780.

陳德文，董劍，袁方超，2012.基于QuikSCAT衛(wèi)星遙感風場的臺風最大風速半徑反演及個例分析.海洋通報，31（4）：376-383.

蔣興偉，林明森，宋清濤.海洋二號衛(wèi)星主被動微波遙感探測技術研究.中國工程科學，15（7）：4-11.

蔣興偉，林明森,2014.海洋動力環(huán)境衛(wèi)星基礎理論與工程應用.北京：海洋出版社.

蔣興偉，等譯.2008.海洋遙感導論.北京：海洋出版社：246-265.

解學通，方裕，陳克海，等，2015.一種新的SeaWinds散射計海面風場反演方法.高技術通訊，15：98-104.

梁建，宋平艦，崔廷偉，等，2011.HY-1B CZI海岸帶動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn).海洋通報，30（1）：94-99.

劉洪山，許崇金，黃勁峰，等，2000.海洋資料情報管理軟件CMISEL的適應性開發(fā).海洋通報，19（3）：68-73.

宋婷婷，樊偉，伍玉梅，2013.衛(wèi)星遙感海面高度數(shù)據(jù)在漁場分析中的應用綜述.海洋通報，32（4）474-480.

王紅，彭海龍，2008.海洋一號衛(wèi)星離線數(shù)據(jù)長期歸檔方法研究.海洋通報，27（4）：98-100.

王小寧，劉麗霞，陳文新.海洋二號衛(wèi)星微波散射計系統(tǒng)設計與應用.中國工程科學，15（7）：33-38.

（本文編輯：袁澤軼）

Design of data processing software for HY-2 satellite microwave scatterometer

LIN Yi-yuan1,2,ZOU Ju-hong2,3,HE Yuan-rong4,LIN Ming-sen2,3
（1.College of Software,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing,100191 China;2.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081;3.Key Laboratory of Space Ocean Remote Sensing and Application,Beijing 100081; 4.Xiamen University of Technology,Xiamen 361024）

The HY-2 satellite was launched on August 16,2011,which is the first Chinese marine environmental dynamic satellite.The HY-2 scatterometer data processing software is designed to process HY-2 scatterometer data to wind vector product.The software uses the outputs of the pre-processing,including sigma0 and auxiliary data as the input data.By doing the time mark,beam location and geometry calculation,sigma0 and Kpcalculating for each pulse,sigma0 regrouping, atmospheric correction,wind retrieval,as well as ambiguity removal,the wind vector data and/or image data product can be produced.The software structure design,data process flow,interface design and design specification are described in this paper.The software design has been applied in the development of the operational data processing software for HY-2 scatterometer.The RMS difference for the wind speed product is less than 2 m/s,while the RMS difference for the wind direction product is less than 20 degree,which indicates that the availability of the software design.

HY-2 satellite;microwave scatterometer;software design

TP79

A

1001-6932（2016）04-0443-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.04.012

2015-12-23；

2016-01-23

國家自然科學基金 （41476152；U1406404）。

林溢園 （1992-），主要從事海洋衛(wèi)星業(yè)務運行系統(tǒng)研制和開發(fā)研究。電子郵箱：846234476@qq.com。

林明森，博士，研究員。電子郵箱：mslin@mail.nsoas.org.cn。