天地一體化風(fēng)云四號A星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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一、前言

風(fēng)云四號（FY-4）是我國第二代靜止氣象衛(wèi)星，星載四類有效載荷：成像儀、探測儀、閃電儀和空間天氣監(jiān)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(qū)域數(shù)值模式和短臨預(yù)報提供觀測數(shù)據(jù)和新的應(yīng)用模式；閃電成像儀可以作為強對流天氣的“示蹤器”。與風(fēng)云二號（FY-2）相比，風(fēng)云四號原始數(shù)據(jù)量提高了160倍，產(chǎn)品數(shù)據(jù)量提高了80倍，每日數(shù)據(jù)量高達4TB。風(fēng)云四號A星（FY-4A）地面系統(tǒng)接收的實時資料，以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)加工處理得到的各級數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，在天氣預(yù)報、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，在國民經(jīng)濟的多個領(lǐng)域（農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)境、交通等）都有很強的應(yīng)用需求。

數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)是風(fēng)云四號衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)九大系統(tǒng)之一，也是國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施——氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心的重要組成部分，是實現(xiàn)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)的基礎(chǔ)平臺。數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的目標是建立一個綜合的氣象衛(wèi)星信息服務(wù)系統(tǒng)，不僅可以提供數(shù)據(jù)的檢索下載服務(wù)，還將為各類用戶共享使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供各類輔助手段和信息幫助，滿足國內(nèi)外各類用戶對氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和信息的需求。

二、用戶分析

風(fēng)云四號衛(wèi)星的主要應(yīng)用用戶群可以分為國內(nèi)用戶和國際用戶兩大類：國內(nèi)用戶可分為決策部門用戶、氣象部門用戶、行業(yè)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(shù)據(jù)交換用戶和共享用戶。

1. 國內(nèi)用戶

決策部門用戶：使用由氣象部門利用風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品監(jiān)測、分析、預(yù)報得到的天氣氣候和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)品，通過政務(wù)內(nèi)網(wǎng)或上報方式得到。

氣象部門用戶：國家、省、地、縣氣象部門根據(jù)天氣氣候業(yè)務(wù)需求，需要獲取實時風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。依據(jù)數(shù)據(jù)獲取時效和成本考慮，采用內(nèi)網(wǎng)分發(fā)、衛(wèi)星直接廣播接收站、中國氣象局廣播系統(tǒng)（CMACast）接收站、緊急天氣廣播接收站等快速、高性價比方式實現(xiàn)。

行業(yè)用戶：如民航、水利、農(nóng)業(yè)等部門，需要實時獲取風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用衛(wèi)星直接廣播接收站或?qū)＞€分發(fā)等方式。

科研用戶：使用風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于應(yīng)用研究，尤其是長時間序列數(shù)據(jù)，科研對數(shù)據(jù)時效要求較低，可以通過基于Internet的衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)來滿足。

公眾用戶：主要關(guān)心與日常生活相關(guān)的風(fēng)云四號產(chǎn)品，可以通過網(wǎng)站提供可視化的風(fēng)云四號產(chǎn)品服務(wù)來滿足。

2. 國際用戶

直收站用戶：主要包括風(fēng)云四號衛(wèi)星直接廣播覆蓋區(qū)范圍內(nèi)的亞太地區(qū)國家。這些用戶直接接收和應(yīng)用風(fēng)云四號數(shù)據(jù)，有助于提升風(fēng)云四號衛(wèi)星的國際影響力，提高中國作為氣象衛(wèi)星大國的地位。

數(shù)據(jù)交換用戶：主要包括歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT），通過建立專線實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交換。

共享用戶：包括國際上風(fēng)云四號衛(wèi)星的應(yīng)用和科研用戶，通過基于Internet的英文衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)站點來滿足。

三、系統(tǒng)架構(gòu)

風(fēng)云四號A星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)存檔分系統(tǒng)、可視化產(chǎn)品處理分系統(tǒng)、運維管理分系統(tǒng)、風(fēng)云四號門戶網(wǎng)站分系統(tǒng)、專業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)分系統(tǒng)、公眾衛(wèi)星氣象信息服務(wù)分系統(tǒng)、用戶支持和服務(wù)分系統(tǒng)、高速率信息傳輸（HRIT）數(shù)據(jù)用戶應(yīng)用分系統(tǒng)組成。實現(xiàn)風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)存檔業(yè)務(wù)運行調(diào)度、監(jiān)控、管理，對所有風(fēng)云四號A星數(shù)據(jù)提供長期維護；實現(xiàn)基于WEB的風(fēng)云四號主要圖像產(chǎn)品和定量產(chǎn)品綜合可視化處理；實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)全系統(tǒng)集中監(jiān)視和統(tǒng)計；建立風(fēng)云氣象衛(wèi)星網(wǎng)站，發(fā)布衛(wèi)星運行信息、數(shù)據(jù)格式、相關(guān)程序、應(yīng)用示范等；利用數(shù)據(jù)檢索下載、網(wǎng)絡(luò)直播、用戶定制、空間數(shù)據(jù)管理、遠程交互培訓(xùn)等手段，實現(xiàn)專業(yè)用戶衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)；依托衛(wèi)星云圖多終端無級縮放動畫生成及發(fā)布技術(shù)，為公眾提供衛(wèi)星氣象信息服務(wù)；建設(shè)用戶跟蹤和反饋、用戶效益分析評估、數(shù)據(jù)利用評價等系統(tǒng)，為用戶提供技術(shù)支持、服務(wù)改進和評估；建設(shè)全國省級氣象部門HRIT數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的高效分發(fā)。數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)云四號數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為更好地為全國氣象業(yè)務(wù)特別是省級氣象業(yè)務(wù)提供衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)支撐，發(fā)揮氣象衛(wèi)星效益，需要突破海量數(shù)據(jù)分發(fā)的瓶頸，解決地方氣象部門快速獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)的難題。風(fēng)云四號科研試驗衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)工程初步設(shè)計方案中設(shè)計了四類主要數(shù)據(jù)服務(wù)手段，即風(fēng)云四號衛(wèi)星直接數(shù)據(jù)廣播、CMACast數(shù)據(jù)廣播、氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)分發(fā)、網(wǎng)站數(shù)據(jù)服務(wù)。風(fēng)云四號A星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)云四號數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

四、系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)可分為氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲存檔管理、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)省地縣級接收應(yīng)用站、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)分中心、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集平臺、緊急氣象信息廣播平臺六部分功能。

1. 氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)存檔管理

根據(jù)風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)實時業(yè)務(wù)和長期存檔的管理要求，對業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的各級數(shù)據(jù)和產(chǎn)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(xiàn)的錯誤進行補充存檔或剔除錯誤的存檔數(shù)據(jù)；實現(xiàn)同一數(shù)據(jù)中心內(nèi)不同存儲介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)自動遷移。根據(jù)訂購要求能夠?qū)⑺钄?shù)據(jù)從存檔介質(zhì)中進行數(shù)據(jù)回調(diào)。根據(jù)數(shù)據(jù)存檔策略，能夠?qū)崿F(xiàn)對已存檔數(shù)據(jù)的離線管理和回調(diào)。

2. 氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)

風(fēng)云四號門戶網(wǎng)站分系統(tǒng)建設(shè)是集中風(fēng)云四號衛(wèi)星信息、數(shù)據(jù)服務(wù)、產(chǎn)品信息、空間天氣服務(wù)于一體的綜合性門戶網(wǎng)站系統(tǒng)，要求安全可靠，提供統(tǒng)一的發(fā)布接口，能夠?qū)W(wǎng)站動態(tài)靜態(tài)內(nèi)容進行監(jiān)控。

依據(jù)風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)高時效、高分辨率、大數(shù)據(jù)量的特征，建立滿足專業(yè)用戶需求的基于網(wǎng)絡(luò)在線方式的綜合數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有較高在線響應(yīng)能力，具有數(shù)據(jù)檢索、訂購和獲取一體化的綜合數(shù)據(jù)服務(wù)能力，通過云計算處理和存儲框架，實現(xiàn)分布式的可定制數(shù)據(jù)處理平臺，并為專業(yè)用戶提供檢索和定制數(shù)據(jù)庫接口。

3. 氣象衛(wèi)星省級接收應(yīng)用站

在全國省級氣象部門，建設(shè)遵循省級全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）規(guī)范和標準的風(fēng)云四號HRIT數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。HRIT數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括1套接收設(shè)備和1套HRIT用戶接收站接收和監(jiān)視軟件，主要配置設(shè)備包括天線、下變頻器、低噪聲放大器、解調(diào)器、接收機、進機卡、接收計算機1臺、數(shù)據(jù)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(wù)器和50TB存儲資源，作為省級FY-4A數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，同時也是省級氣象數(shù)據(jù)中心的組成部分。

4. 氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)分中心

數(shù)據(jù)服務(wù)分中心是為用戶提供方便快捷的FY-4A數(shù)據(jù)服務(wù)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(wèi)星數(shù)據(jù)管理和編目系統(tǒng)，為用戶提供數(shù)據(jù)檢索、訂購服務(wù)；建立分中心的門戶網(wǎng)站，實現(xiàn)具有針對性的用戶服務(wù)；同時需要建立分中心與主中心之間的用戶協(xié)同認證體系，使兩個中心之間的用戶可以共享資源和服務(wù)。

5. 氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集平臺

在全國邊遠地區(qū)建設(shè)數(shù)據(jù)收集平臺（DCP）利用站和氣象要素自動采集設(shè)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(qū)，配置各類傳感器自動采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)，并以UHF頻率向風(fēng)云四號A星定時發(fā)送，風(fēng)云四號A星中繼轉(zhuǎn)發(fā)，從而完成對各地氣象要素的實時監(jiān)測功能。

6. 預(yù)警信息廣播平臺

風(fēng)云四號A星上有低速率信息傳輸（LRIT）/預(yù)警信息廣播（EWAIB）信號轉(zhuǎn)發(fā)器，在發(fā)生突發(fā)氣象緊急事件時，地面向衛(wèi)星發(fā)送預(yù)警警報信息，衛(wèi)星向地面終端進行轉(zhuǎn)發(fā)。

五、系統(tǒng)實現(xiàn)

1. 氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲存檔管理系統(tǒng)建設(shè)

按照氣象數(shù)據(jù)存儲存檔統(tǒng)一的云存儲框架要求，國家級氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)作為云存儲節(jié)點開展建設(shè)，按照氣象信息化和標準化工作組規(guī)定的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標準、元數(shù)據(jù)標準、存儲管理標準要求，特別要按照中國氣象局對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的管理要求進行建設(shè)。對于中國氣象局直屬業(yè)務(wù)單位（北京）數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)訪問而言，做到無縫透明。

風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)原采用在線—近線—離線的三級存儲架構(gòu)，相對封閉，對中國氣象局業(yè)務(wù)單位無直接連接。業(yè)務(wù)單位使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)需通過FTP下載或訂單訂購方式，集約化程度較低，造成衛(wèi)星數(shù)據(jù)和用戶之間的鴻溝。通過適應(yīng)信息化要求的方案調(diào)整，風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲管理將基于分布式存儲建設(shè)PB級風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源池，數(shù)據(jù)存儲編目結(jié)構(gòu)與接口規(guī)范符合CIMISS標準體系，使之成為衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源池，避免在業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)內(nèi)部重復(fù)建設(shè)過多衛(wèi)星數(shù)據(jù)“倉庫”。該資源池是衛(wèi)星數(shù)據(jù)的在線存儲區(qū)，同時又提供統(tǒng)一的接口供直屬業(yè)務(wù)單位直接讀取使用，減少了之前訂購、下載的環(huán)節(jié)，提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)使用效率。

CIMISS衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源池將保持PB級風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)全集在線，滿足對長序列歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)有使用需求的氣候中心、氣象科學(xué)研究院等單位使用。同時，衛(wèi)星實時數(shù)據(jù)將即時更新至該資源池，滿足對衛(wèi)星數(shù)據(jù)時效性要求高的氣象中心、數(shù)值預(yù)報中心的需求。

CIMISS衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源池的架構(gòu)如圖3所示。在硬件節(jié)點層，資源池采用通用X86服務(wù)器構(gòu)建大規(guī)模存儲節(jié)點集群，降低采購與運維成本；在數(shù)據(jù)處理層，通過應(yīng)用軟件構(gòu)建PB級的在線存儲池，遵循CIMISS標準實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的歸檔管理；在應(yīng)用層，支持主流操作系統(tǒng)的直接訪問，滿足直屬業(yè)務(wù)單位衛(wèi)星數(shù)據(jù)使用需求，衛(wèi)星遙感應(yīng)用平臺亦可與該數(shù)據(jù)資源池進行深度融合，用戶可通過遙感應(yīng)用平臺直接調(diào)用數(shù)據(jù)，省去數(shù)據(jù)尋找和發(fā)現(xiàn)的過程。

圖3 CIMISS衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源池架構(gòu)圖

2. 氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)

按照國家級氣象信息服務(wù)框架，國家級氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)作為云服務(wù)節(jié)點開展建設(shè)，按照統(tǒng)一的用戶管理、服務(wù)界面、數(shù)據(jù)提供來設(shè)計。省級氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理和服務(wù)全部納入CIMISS統(tǒng)一設(shè)計。

風(fēng)云四號A星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)將建設(shè)國家級氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)中心（圖4），整合風(fēng)云衛(wèi)星遙感信息和公共氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源，利用公有云和混合云技術(shù)，通過CIMISS統(tǒng)一接口標準，將衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)融入公共氣象數(shù)據(jù)資源池，建立多級氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)，與國家氣象信息中心共同實現(xiàn)風(fēng)云遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)與中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的對接，增強數(shù)據(jù)環(huán)境支撐與服務(wù)產(chǎn)品加工能力，豐富數(shù)據(jù)產(chǎn)品種類，完善數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與可視化服務(wù)功能，細分用戶，開發(fā)完善針對不同用戶的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)品，提升服務(wù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和技術(shù)含量?；诨ヂ?lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，向社會開放衛(wèi)星元數(shù)據(jù)檢索接口，實時在線定制衛(wèi)星數(shù)據(jù)和圖像。

圖4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)站架構(gòu)圖

3. 氣象衛(wèi)星省級數(shù)據(jù)直接接收站建設(shè)

靜止氣象衛(wèi)星實時資料在天氣監(jiān)測和預(yù)警業(yè)務(wù)應(yīng)用中的高時效性極端重要，為保障省級氣象部門能夠?qū)崟r業(yè)務(wù)化獲取氣象衛(wèi)星實時觀測數(shù)據(jù)，建設(shè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)直收站是解決衛(wèi)星資料播發(fā)的手段之一。

風(fēng)云四號A星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)在省級站將建設(shè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理平臺，實現(xiàn)實時收取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生成及共享。該平臺建設(shè)符合省級CIMISS標準規(guī)范，作為省級氣象部門數(shù)據(jù)中心的一部分。為與國家級CIMISS衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源池保持結(jié)構(gòu)一致，目錄統(tǒng)一，省級用戶可通過遙感應(yīng)用平臺直接讀取數(shù)據(jù)，省去數(shù)據(jù)檢索和發(fā)現(xiàn)的過程。氣象衛(wèi)星省級數(shù)據(jù)服務(wù)體系架構(gòu)如圖5所示。同時，中國氣象局的其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，也可通過風(fēng)云四號衛(wèi)星廣播信道進行播發(fā)，由省級站接收后提供共享服務(wù)。

隨著CIMISS地面網(wǎng)絡(luò)的不斷升級擴容，可滿足衛(wèi)星數(shù)據(jù)高時效傳輸要求，省級氣象部門亦可基于地面網(wǎng)獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，與省級直收站形成數(shù)據(jù)傳輸渠道與數(shù)據(jù)內(nèi)容上互備，為省級用戶播發(fā)更多品類的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖5 氣象衛(wèi)星省級數(shù)據(jù)服務(wù)體系架構(gòu)圖

六、結(jié)論

風(fēng)云四號A星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)通過國家級衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)建設(shè)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)、省級直收站建設(shè)，滿足了風(fēng)云四號A星每日3TB數(shù)據(jù)管理共享和信息服務(wù)的需求。