GMS氣象衛(wèi)星云圖實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄取和圖像處理

在航天科學(xué)飛速發(fā)展的今天，衛(wèi)星觀測(cè)已成為天氣預(yù)報(bào)和大氣科學(xué)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(wù)。GMS系列氣象衛(wèi)星是由聯(lián)合國(guó)教科文組織資助、日本氣象廳負(fù)責(zé)實(shí)施的一個(gè)項(xiàng)目。它觀測(cè)到的云圖資料具有實(shí)時(shí)性好、覆蓋面廣、信息量大的特點(diǎn)，是我國(guó)和東南亞、大洋洲各國(guó)進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)、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(shí)時(shí)錄取與保存、事后的圖像處理是關(guān)鍵技術(shù)。下面論述的是GMS-3衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)錄取與保存、事后圖像處理的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。

1 GMS-3衛(wèi)星及其云圖資料簡(jiǎn)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(duì)地球掃描獲取云圖數(shù)據(jù)，240度對(duì)空掃描，對(duì)空掃描期間將剛獲取的云圖資料傳輸給地面設(shè)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(jì)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(jìn)方向?yàn)樽员毕蚰?，?duì)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(gè)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(gè)字組成，每個(gè)字代表一個(gè)衛(wèi)星掃描的象素點(diǎn)，灰度等級(jí)為256級(jí)。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(gè)數(shù)據(jù)段均有數(shù)據(jù)，其字?jǐn)?shù)應(yīng)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(shí)時(shí)錄取

當(dāng)衛(wèi)星接收機(jī)收到衛(wèi)星發(fā)來的高頻信號(hào)后，首先對(duì)它進(jìn)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(hào)。由于GMS-3云圖信息是一個(gè)660Kbit 的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)量高達(dá)95MB，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)云圖接收機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行前置預(yù)處理。預(yù)處理的主要作用是對(duì)接收機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、緩沖，去掉一些無用的重復(fù)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(gè)16位專用單板機(jī)，其框圖如圖2所示。

接口及同步電路主要用于對(duì)接收機(jī)送出的信號(hào)進(jìn)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(chǔ)器中。存儲(chǔ)器分兩個(gè)部分，RAM1和RAM2。接收數(shù)據(jù)時(shí)，將一幀數(shù)據(jù)首先放入 RAM1或RAM2中的一個(gè)中，例如RAM1中，當(dāng)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(jī)發(fā)出取數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并將保存最近一幀數(shù)據(jù)的RAM1存儲(chǔ)器的控制權(quán)交給主機(jī)，同時(shí)做好下一幀數(shù)據(jù)存入另一存儲(chǔ)器RAM2中的準(zhǔn)備。用這種雙緩沖存儲(chǔ)器方式，可以使數(shù)據(jù)預(yù)處理與主機(jī)對(duì)云圖的處理并行進(jìn)行，大大節(jié)省了主機(jī)的資源開銷，可實(shí)現(xiàn)云圖的實(shí)時(shí)顯示。

3 云圖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)

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(shí)時(shí)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(duì)磁盤上的磁道進(jìn)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(jìn)行讀/寫訪問，即一次讀/寫一個(gè)扇區(qū)。一扇我通常為512字節(jié)，0.5KB，讀寫一個(gè)扇區(qū)一般要 1.5ms，磁頭在磁道間移動(dòng)的定位時(shí)間，即平均尋道時(shí)間為10ms。假設(shè)操作系統(tǒng)每讀/寫一個(gè)扇區(qū)后均需重新定位磁道，則存儲(chǔ)一幀42KB數(shù)據(jù)所花的時(shí)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(shí)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(shè)每一磁道有17個(gè)扇區(qū)，那么一個(gè)磁道上就保存17/2=8.5KB數(shù)據(jù)，花費(fèi)時(shí)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(gè)磁道，所需時(shí)間為35.5×=177.5ms，大大小于600ms，完全滿足了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(duì)它的圖像進(jìn)行各種處理，可以獲取許多有用的資料。下面簡(jiǎn)述幾項(xiàng)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(jí)。紅外的灰度等級(jí)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(gè)灰度等級(jí)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(gè)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(shè)計(jì)了漫游、放大、縮小等功能，以便能對(duì)云圖的全局或局部進(jìn)行觀察、分析。

（3）動(dòng)畫顯示

可連續(xù)顯示多幅不同時(shí)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(jìn)行風(fēng)場(chǎng)演推等分析計(jì)算。

（4）網(wǎng)絡(luò)及地標(biāo)處理

網(wǎng)絡(luò)指經(jīng)緯度網(wǎng)絡(luò)。GMS-3衛(wèi)星通過邊掃描邊標(biāo)定自身位置和姿態(tài)的方式，獲取一組經(jīng)、緯度線相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(biāo)。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(duì)天氣系統(tǒng)的觀測(cè)精度。同時(shí)，對(duì)海岸線、國(guó)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(jī)處理系統(tǒng)的方法及主要功能、關(guān)鍵技術(shù)。它以較低廉的成本實(shí)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。