GMS氣象衛(wèi)星云圖實時數(shù)據(jù)錄取和圖像處理

在航天科學飛速發(fā)展的今天，衛(wèi)星觀測已成為天氣預報和大氣科學研究不可缺少的有效手段。它能為工、農業(yè)生產(chǎn)，為航海、漁業(yè)、林業(yè)、水利及軍事保障等提供重要的服務。GMS系列氣象衛(wèi)星是由聯(lián)合國教科文組織資助、日本氣象廳負責實施的一個項目。它觀測到的云圖資料具有實時性好、覆蓋面廣、信息量大的特點，是我國和東南亞、大洋洲各國進行氣象預報、分析的主要依據(jù)。在衛(wèi)星云圖的接收、處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的實時錄取與保存、事后的圖像處理是關鍵技術。下面論述的是GMS-3衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)的實時錄取與保存、事后圖像處理的工作原理、關鍵技術實現(xiàn)方法。

1 GMS-3衛(wèi)星及其云圖資料簡介

GMS-3氣象衛(wèi)星靜止于東經(jīng)140度赤道上空，衛(wèi)星自轉的速度為100轉/分，自轉過程中有20度針對地球掃描獲取云圖數(shù)據(jù)，240度對空掃描，對空掃描期間將剛獲取的云圖資料傳輸給地面設備。衛(wèi)星自轉一圈掃描獲取的數(shù)據(jù)稱為一幀，根據(jù)轉速可以計算出每幀數(shù)據(jù)的掃描及傳輸，為（60秒/100轉）=600ms。衛(wèi)星掃描步進方向為自北向南，對地球全部掃描一遍約2300幀數(shù)據(jù)。

GMS-3衛(wèi)星云圖每幀的數(shù)據(jù)結構如圖1所示。

每幀云圖數(shù)據(jù)由9個數(shù)據(jù)段組成。

同步段由20000bit幀同步碼組成，主要用于幀同步，不需保存。

IR1、IR2、IR3段為紅外云圖數(shù)據(jù)，GMS-3只用于其中IR1段，IR2、IR3保留備用。IR1由2291個字組成，每個字代表一個衛(wèi)星掃描的象素點，灰度等級為256級。IR1共有2291字節(jié)數(shù)據(jù)。

V1、V2、V3、V4為可見光云圖數(shù)據(jù)， GMS-3云圖中，可見光的分辨率為紅外的4倍，所以V1、V2、V3、V4每個數(shù)據(jù)段均有數(shù)據(jù)，其字數(shù)應為2291+2291+（9164×4）= 41238字節(jié)，約為42KB，傳輸速度為660Kbit/s，掃描地球表面一次數(shù)據(jù)量為41238×2300=94847400字節(jié)，約95MB。

2 云圖數(shù)據(jù)的實時錄取

當衛(wèi)星接收機收到衛(wèi)星發(fā)來的高頻信號后，首先對它進行高頻、中頻放大及調解、解碼處理，撮出云圖圖像數(shù)據(jù)及幀同步脈沖、字同步脈沖、位同步脈沖等信號。由于GMS-3云圖信息是一個660Kbit 的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)量高達95MB，所以應當對云圖接收機發(fā)來的數(shù)據(jù)進行前置預處理。預處理的主要作用是對接收機發(fā)來的數(shù)據(jù)進行提取、緩沖，去掉一些無用的重復數(shù)據(jù)。本文介紹的云圖處理系統(tǒng)，以一片Intel 8086 CPU為核心組成一個16位專用單板機，其框圖如圖2所示。

接口及同步電路主要用于對接收機送出的信號進行幀同步和串并轉換，然后以16位DMA的方式將數(shù)據(jù)存入緩沖存儲器中。存儲器分兩個部分，RAM1和RAM2。接收數(shù)據(jù)時，將一幀數(shù)據(jù)首先放入 RAM1或RAM2中的一個中，例如RAM1中，當一幀數(shù)據(jù)接收并處理完后，Intel 8086 CPU控制總線接口電路向主機發(fā)出取數(shù)據(jù)請求，并將保存最近一幀數(shù)據(jù)的RAM1存儲器的控制權交給主機，同時做好下一幀數(shù)據(jù)存入另一存儲器RAM2中的準備。用這種雙緩沖存儲器方式，可以使數(shù)據(jù)預處理與主機對云圖的處理并行進行，大大節(jié)省了主機的資源開銷，可實現(xiàn)云圖的實時顯示。

3 云圖數(shù)據(jù)的實時存儲

由于GMS-3衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)量大、傳輸速度高，采用一般的文件讀寫方式不能完成數(shù)據(jù)的實時存盤要求，必須繞過操作系統(tǒng)的文件組織結構，直接對磁盤上的磁道進行尋址和讀寫操作。圖3所示為磁盤上的磁道、扇區(qū)組織形式。操作系統(tǒng)通常以扇區(qū)為單位進行讀/寫訪問，即一次讀/寫一個扇區(qū)。一扇我通常為512字節(jié)，0.5KB，讀寫一個扇區(qū)一般要 1.5ms，磁頭在磁道間移動的定位時間，即平均尋道時間為10ms。假設操作系統(tǒng)每讀/寫一個扇區(qū)后均需重新定位磁道，則存儲一幀42KB數(shù)據(jù)所花的時間為（42/0.5）×（10+1.5）=966ms，超過了衛(wèi)星發(fā)一幀數(shù)據(jù)的時間600ms。若在程序中直接控制磁頭定位到某一磁道，然后連續(xù)寫完該磁道上的所有扇區(qū)，再去尋找下一空磁道，則假設每一磁道有17個扇區(qū)，那么一個磁道上就保存17/2=8.5KB數(shù)據(jù)，花費時間（17×1.5）+10= 35.5ms。保存一幀數(shù)據(jù)約需訪問（42/18.5）約為5個磁道，所需時間為35.5×=177.5ms，大大小于600ms，完全滿足了實時存儲的要求。

4 主要圖像處理功能

GMS-3衛(wèi)星云圖含有豐富的信息，對它的圖像進行各種處理，可以獲取許多有用的資料。下面簡述幾項常用的主要功能。

（1）加偽彩色

GMS-3云圖所獲取的是紅外和可見光的灰度等級。紅外的灰度等級為256，人眼較難區(qū)分，可將紅外云圖用8種顏色，每種顏色32個灰度等級在CRT上顯示出來，便于觀察分析。

（2）漫游、放大、縮小功能

由于云圖全景為一個2300×2300的矩形，在屏幕上不易按1：1的比例顯示出來，因此，圖像處理中設計了漫游、放大、縮小等功能，以便能對云圖的全局或局部進行觀察、分析。

（3）動畫顯示

可連續(xù)顯示多幅不同時間的衛(wèi)星云圖，從中可以看出天氣系統(tǒng)的變化過程，并可進行風場演推等分析計算。

（4）網(wǎng)絡及地標處理

網(wǎng)絡指經(jīng)緯度網(wǎng)絡。GMS-3衛(wèi)星通過邊掃描邊標定自身位置和姿態(tài)的方式，獲取一組經(jīng)、緯度線相交點對應圖像象素的數(shù)據(jù)，它不完全等同于地圖上的經(jīng)緯度坐標。根據(jù)這組數(shù)據(jù)在云圖上可畫出經(jīng)緯度網(wǎng)格線，提高對天氣系統(tǒng)的觀測精度。同時，對海岸線、國境線、江河等地理位置，也作了修正處理。

本文以GMS-3為例介紹了一種氣象衛(wèi)星云圖微機處理系統(tǒng)的方法及主要功能、關鍵技術。它以較低廉的成本實現(xiàn)了高速度、大容量數(shù)據(jù)的處理，較好地滿足了各方面的要求。