林溢園，鄒巨洪，何原榮，林明森

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

3.國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081；4.廈門理工學(xué)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(shè)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(xué)軟件學(xué)院，北京100191；2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081；

3.國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；4.廈門理工學(xué)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(chǎn)海面風(fēng)場矢量的軟件，其作用是輸入HY-2衛(wèi)星經(jīng)過預(yù)處理的散射計數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，進(jìn)行時間標(biāo)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(fēng)場反演等處理，輸出具有固定格式的各級數(shù)據(jù)產(chǎn)品和/或圖像產(chǎn)品。主要介紹該軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理流程、接口設(shè)計和設(shè)計說明，該設(shè)計已經(jīng)用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)研發(fā)，軟件處理的產(chǎn)品精度經(jīng)過與浮標(biāo)的比較，達(dá)到了預(yù)期的風(fēng)速誤差小于2 m/s、風(fēng)向精度小于20°的要求，證明了該設(shè)計的正確性。

海洋二號衛(wèi)星；微波散射計；軟件設(shè)計

大海面風(fēng)場數(shù)據(jù)對于海氣相互作用和海洋動力學(xué)等研究是非常重要的?；诖昂透?biāo)的常規(guī)海面風(fēng)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(diǎn)非常少。目前，星載微波散射計是可以有效測量海面風(fēng)速和風(fēng)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(fēng)場觀測資料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋預(yù)報和相關(guān)科研應(yīng)用領(lǐng)域。

星載微波散射計是間接測量海面風(fēng)矢量的。它直接測量的是海表面的雷達(dá)后向散射能量，依據(jù)雷達(dá)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(jìn)行多方位向的后向散射系數(shù)測量，結(jié)合地球物理模式函數(shù)反演出海表面的風(fēng)速和風(fēng)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(nèi)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(shè)計，介紹了該軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理流程、接口設(shè)計和設(shè)計說明，該軟件設(shè)計已經(jīng)在HY-2衛(wèi)星地面系統(tǒng)研發(fā)中得到了應(yīng)用，證明了該軟件設(shè)計的正確性。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)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(wù)需求是接受運(yùn)行控制子系統(tǒng)（OCS）發(fā)布的運(yùn)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(jìn)行幀時間標(biāo)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(zhuǎn)換等處理生成L1A級產(chǎn)品；

（2）L1B級數(shù)據(jù)處理功能：進(jìn)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(chǎn)品并輸出存檔；

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

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

（5）L3級數(shù)據(jù)處理功能：對L2B級產(chǎn)品所包含的海面風(fēng)場等信息進(jìn)行時空分布統(tǒng)計，制作3級產(chǎn)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(shí)時了解數(shù)據(jù)處理的進(jìn)度，并顯示處理結(jié)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(yùn)行控制部件，并行計算部件，界面控制部件。每個部件可以細(xì)分為若干子部件和單元，軟件構(gòu)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(nèi)算法研發(fā)，生成定量化的微波散射計各級產(chǎn)品，并制作各類圖像、圖形等專題產(chǎn)品。其主要業(yè)務(wù)流程是以接收預(yù)處理子系統(tǒng)（DPP）提供的微波散射計L0B級產(chǎn)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(yīng)的微波散射計L1A、L1B、L2A、L2B和L3數(shù)據(jù)產(chǎn)品，整個工作流程在運(yùn)行控制子系統(tǒng)（OCS）的調(diào)度下完成，如圖3所示。

圖3　DPS-SM工作流程圖

2　設(shè)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(jìn)行時間排序去重復(fù)數(shù)據(jù)，由星歷數(shù)據(jù)和時間進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)計算，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出定位需要的衛(wèi)星坐標(biāo)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(jìn)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(jìn)行內(nèi)外雙波束的匹配計算，判斷面元的陸地或海洋標(biāo)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(jìn)行風(fēng)場風(fēng)速和風(fēng)向反演，利用輻射計信息進(jìn)行降雨標(biāo)識，完成風(fēng)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(jìn)行每個圈次的升軌和降軌數(shù)據(jù)分離，按格點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，完成時間和空間的插值與統(tǒng)計。

2.6運(yùn)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(yùn)行控制主要實(shí)現(xiàn)接受、解譯來自運(yùn)控的指令，并調(diào)用數(shù)據(jù)處理的各個子程序。該子部件接受來自運(yùn)行控制子系統(tǒng)（OCS）的指令，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理調(diào)用各個數(shù)據(jù)處理部件。

3　軟件的應(yīng)用效果

圖4　2014年1-12月HY-2衛(wèi)星與NDBC風(fēng)速風(fēng)向比對散點(diǎn)圖

經(jīng)過HY-2衛(wèi)星散射計處理軟件得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分為L1、L2和L3級。其中，L1級數(shù)據(jù)為預(yù)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(jīng)L1級產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到的風(fēng)場數(shù)據(jù)；L3級數(shù)據(jù)為通過2級數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)格化、月平均、季平均和年平均的產(chǎn)品。海洋用戶普遍使用的是L2級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。數(shù)據(jù)產(chǎn)品中主要為海面風(fēng)場矢量，下面給出風(fēng)場散射計軟件處理的產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果及產(chǎn)品的應(yīng)用情況。

1）微波散射計海面風(fēng)場產(chǎn)品精度評估

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

2）海面風(fēng)場在臺風(fēng)監(jiān)測中的應(yīng)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(fēng)實(shí)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(fēng)的監(jiān)測任務(wù)，在每次臺風(fēng)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(fēng)為科研、業(yè)務(wù)和分析預(yù)報臺風(fēng)提供了新的準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源。

3）在臺風(fēng)監(jiān)測中的優(yōu)勢

在全球?qū)Φ赜^測體系中，僅存兩類用于全球海面風(fēng)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(fēng)場與ASCAT風(fēng)場結(jié)構(gòu)一致，但HY-2的觀測刈幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fēng)期間臺風(fēng)的強(qiáng)度、位置、方向、結(jié)構(gòu)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(fēng)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(fēng)場

圖6　HY-2微波散射計（a）與ASCAT（b）臺風(fēng)監(jiān)測比較

4　結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理流程、接口設(shè)計和設(shè)計說明，該設(shè)計已經(jīng)用于該衛(wèi)星的地面應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)運(yùn)行，經(jīng)過4年多的運(yùn)行表明，軟件處理的產(chǎn)品精度與浮標(biāo)比較達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計的要求，證明了該設(shè)計的正確性。

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（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(xué)基金 （41476152；U1406404）。

林溢園 （1992-），主要從事海洋衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)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。