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(nóng)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(shù)。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(shù)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(zhuǎn)的速度為100轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)一圈掃描獲取的數(shù)據(jù)稱為一幀，根據(jù)轉(zhuǎn)速可以計算出每幀數(shù)據(jù)的掃描及傳輸，為（60秒/100轉(zhuǎn)）=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(jié)構(gòu)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(diào)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(zhuǎn)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(quán)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(jié)構(gòu)，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(shù)。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。