我国海洋二号卫星微波散射计数据处理软件设计

林溢园，邹巨洪，何原荣，林明森

（1.北京航空航天大学软件学院，北京　100191；2.国家卫星海洋应用中心，北京　100081；

3.国家海洋局空间海洋遥感与应用重点实验室，北京　100081；4.厦门理工学院，福建　厦门　361024）

我国海洋二号卫星微波散射计数据处理软件设计

林溢园1，2，邹巨洪2，3，何原荣4，林明森2，3

（1.北京航空航天大学软件学院，北京100191；2.国家卫星海洋应用中心，北京100081；

3.国家海洋局空间海洋遥感与应用重点实验室，北京100081；4.厦门理工学院，福建厦门361024）

我国第一颗海洋动力环境（HY-2）卫星于2011年8月16日发射上天，HY-2卫星微波散射计数据处理软件是用于生产海面风场矢量的软件，其作用是输入HY-2卫星经过预处理的散射计数据和辅助数据，进行时间标识、波束定位、几何参数计算、后向散射系数（σo）与辐射测量精度（Kp）系数计算、面元匹配、大气校正、海面风场反演等处理，输出具有固定格式的各级数据产品和/或图像产品。主要介绍该软件的结构设计、数据处理流程、接口设计和设计说明，该设计已经用于业务系统研发，软件处理的产品精度经过与浮标的比较，达到了预期的风速误差小于2 m/s、风向精度小于20°的要求，证明了该设计的正确性。

海洋二号卫星；微波散射计；软件设计

大海面风场数据对于海气相互作用和海洋动力学等研究是非常重要的。基于船舶和浮标的常规海面风场测量方式往往都是空间上零星分布的，且在全球海洋的观测分布点非常少。目前，星载微波散射计是可以有效测量海面风速和风向的一种卫星传感器，它能够全天候地获得覆盖全球的、高分辨率的、高频次的和长周期的海面风场观测资料，已经广泛应用于海洋预报和相关科研应用领域。

星载微波散射计是间接测量海面风矢量的。它直接测量的是海表面的雷达后向散射能量，依据雷达方程获得海表面的后向散射系数；然后通过对海面同一面元进行多方位向的后向散射系数测量，结合地球物理模式函数反演出海表面的风速和风向。

我国于2011年8月发射了首颗海洋动力环境卫星——HY-2卫星，其上搭载了国内首颗星载微波散射计。本文首次介绍了我国自主建立的HY-2卫星微波散射计的数据处理软件设计，介绍了该软件的结构设计、数据处理流程、接口设计和设计说明，该软件设计已经在HY-2卫星地面系统研发中得到了应用，证明了该软件设计的正确性。

1　结构设计

1.1需求规定

微波散射计数据处理软件主要的业务需求是接受运行控制子系统（OCS）发布的运行指令，执行以下主要功能：

（1）L1A级数据处理功能：利用星历与姿态数据，进行帧时间标识、帧状态与姿态参数插值计算、天线方位角计算、单位转换等处理生成L1A级产品；

（2）L1B级数据处理功能：进行波束定位、几何参数计算、σ0与Kp系数计算等处理生成L1B级产品并输出存档；

（3）L2A级数据处理功能：进行面元配准，海陆，冰海标识，大气衰减量校正等处理生成L2A级产品并输出存档；

（4）L2B级数据处理功能：完成风矢量反演，模糊解消除，降雨标识等处理，生成L2B级产品并输出存档；

（5）L3级数据处理功能：对L2B级产品所包含的海面风场等信息进行时空分布统计，制作3级产品并存档；

（6）界面显示功能：软件具备可视化的前台界面，便于用户实时了解数据处理的进度，并显示处理结果的部分信息。

1.2软件组成

本软件按照功能划分为L1A处理部件，L1B处理部件，L2A处理部件，L2B处理部件，L3处理部件，运行控制部件，并行计算部件，界面控制部件。每个部件可以细分为若干子部件和单元，软件构成如图1所示。

图1　软件组成图

1.3软件数据处理流程

HY-2卫星微波散射计的数据处理流程如图2所示。

1.4软件工作流程

图2　数据处理流程图

微波散射计数据处理软件基于国内算法研发，生成定量化的微波散射计各级产品，并制作各类图像、图形等专题产品。其主要业务流程是以接收预处理子系统（DPP）提供的微波散射计L0B级产品作为输入，并配合其它的辅助数据，通过各等级数据处理部件，生成相应的微波散射计L1A、L1B、L2A、L2B和L3数据产品，整个工作流程在运行控制子系统（OCS）的调度下完成，如图3所示。

图3　DPS-SM工作流程图

2　设计说明

2.1L1A处理部件

L1A处理部件主要功能是：读取卫星总线包中的星历数据，进行时间排序去重复数据，由星历数据和时间进行卫星姿态计算，最后进行数据转换，输出定位需要的卫星坐标系的姿态数据。

2.2L1B处理部件

L1B部件的主要功能是：读取L1A数据，进行卫星姿态定位和投影计算，然后计算散射计波束大小和切片计算，最后计算每个切片单元的后想散射系数和辐射精度系数。

2.3L2A处理部件

L2A处理部件的主要功能是：进行内外双波束的匹配计算，判断面元的陆地或海洋标志识别，完成大气衰减计算。

2.4L2B处理部件

L2B级处理部件主要功能是：按面元匹配后的单元重新计算后向散射系数，进行风场风速和风向反演，利用辐射计信息进行降雨标识，完成风场模糊去除工作。

2.5L3处理部件

L3处理部件的主要功能是：进行每个圈次的升轨和降轨数据分离，按格点进行数据存储，完成时间和空间的插值与统计。

2.6运行控制部件

HY-2卫星微波散射计数据处理软件的运行控制主要实现接受、解译来自运控的指令，并调用数据处理的各个子程序。该子部件接受来自运行控制子系统（OCS）的指令，为后续的数据处理调用各个数据处理部件。

3　软件的应用效果

图4　2014年1-12月HY-2卫星与NDBC风速风向比对散点图

经过HY-2卫星散射计处理软件得到的数据产品分为L1、L2和L3级。其中，L1级数据为预处理后带有定位信息及描述信息的数据；L2级数据为经L1级产品数据进行反演得到的风场数据；L3级数据为通过2级数据经过网格化、月平均、季平均和年平均的产品。海洋用户普遍使用的是L2级标准数据产品。数据产品中主要为海面风场矢量，下面给出风场散射计软件处理的产品检验结果及产品的应用情况。

1）微波散射计海面风场产品精度评估

下图为HY-2卫星微波散射计风场数据与47个NDBC站位数据比对的结果，风速均方根误差为1.59 m/s，风向均方根误差为20.45°，结果与当前国际星载散射计风场精度指标（风速2m/s或10%，风向±20°）基本一致（见蒋兴伟，2013）。

2）海面风场在台风监测中的应用

HY-2卫星散射计每天可以观测全球90%的海域（见图5），并可在西北太平洋提供台风实时监测数据，HY-2微波散射计顺利完成了2012-2014年全部台风的监测任务，在每次台风的生命周期中，至少对其完成一次观测，3 a共计捕获79次台风为科研、业务和分析预报台风提供了新的准确的数据源。

3）在台风监测中的优势

在全球对地观测体系中，仅存两类用于全球海面风场观测的遥感器，分别是HY-2卫星和欧洲气象卫星搭载的HY-2 SCAT和ASCAT微波散射计（J.Figa-Saldaña et al，2002）。通过图6a，和图6b的比较看出：HY-2观测的海面风场与ASCAT风场结构一致，但HY-2的观测刈幅远远大于ASCAT。HY-2微波散射计平均1 500 km的观测刈副，使其能够全面的获取台风期间台风的强度、位置、方向、结构和移动路径、速度等要素，相对于ASCAT有效提高了HY-2卫星的观测效率，使其在全球海面风场观测中的优势十分明显。

图5　HY-2卫星散射计观测的全球海面风场

图6　HY-2微波散射计（a）与ASCAT（b）台风监测比较

4　结语

本文针对我国自主的第一颗海洋动力环境（HY-2）卫星散射计数据处理软件，给出了该软件的结构设计、数据处理流程、接口设计和设计说明，该设计已经用于该卫星的地面应用系统的业务运行，经过4年多的运行表明，软件处理的产品精度与浮标比较达到了预期的设计的要求，证明了该设计的正确性。

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（本文编辑：袁泽轶）

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

国家自然科学基金 （41476152；U1406404）。

林溢园 （1992-），主要从事海洋卫星业务运行系统研制和开发研究。电子邮箱：846234476@qq.com。

林明森，博士，研究员。电子邮箱：mslin@mail.nsoas.org.cn。