风云三号气象卫星地面应用系统工程技术和实践

中国工程院孟执中院士推荐序

随着国民经济的快速发展、人民生活水平的日益提高，社会各方面对天气预报、气候预测提出了更高的要求。风云三号（FY-3）气象卫星就是为了进一步改进天气预报、气候预测对观测资料提出的更精确、更高时效和观测多种气象要素的要求而发展的，它是我国自主研发的第二代军民两用极轨气象卫星。目前，我国已经发射了4颗第二代极轨气象卫星——风云三号气象卫星，其地面应用系统于2008年建成并投入运行。

风云三号气象卫星及其地面应用系统有效载荷多、研制起点高、技术难度大等特点给研制工作带来了许多意想不到的困难。在时间紧、任务重、要求高的条件下，经过顽强拼搏，科技人员攻克了许多技术难题，取得了多项自主知识产权。风云三号气象卫星工程的成功实施，使我国的极轨气象卫星业务得到了跨越式发展，实现了从单一遥感成像到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从千米级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收、从单星观测到双星组网观测的五大技术新突破，为中国气象业务发展，特别是数值预报业务发展提供了重要的探测手段和科学数据。

《风云三号气象卫星地面应用系统工程技术和实践》全面地反映了风云三号气象卫星地面应用系统工程的研发和建设成果，摸索出了一套比较完整的研发建设规律，总结了许多研发建设经验，总体上应属于国内先进水平，个别方面达到了国际先进水平，对于广大气象卫星观测数据用户具有很好的参考价值，对于同类对地观测卫星地面应用系统工程建设具有良好的参考借鉴价值。

本书作者长期从事风云三号气象卫星地面应用系统研发和建设工作，以及遥感科学应用研究，在这一领域具有较高的业务水平和写作能力。希望本书能早日出版、发行，早日和读者见面。

中国工程院许健民院士推荐序

20世纪70年代起，我国开始独立发展自己的极轨和静止两个系列的气象卫星。经过40多年的艰苦努力，成功实现了风云气象卫星由试验应用型向业务服务型的根本转变。目前，风云气象卫星资料已广泛应用于天气预报、气候预测、自然灾害监测和科学研究等多个重要领域，在气象防灾减灾、应对气候变化中发挥了重要作用。风云气象卫星已被世界气象组织纳入全球业务应用气象卫星序列，成为全球综合对地观测系统的重要成员。

风云三号气象卫星是继风云一号气象卫星之后我国新一代极轨气象卫星。风云三号气象卫星地面应用系统可以及时向各类用户提供多层次、多级别、高时效、高精度的业务（图像和定量）产品，用于数值天气预报和气候预测模式，改善预报精度。风云三号气象卫星数据产品还广泛应用于自然灾害和环境监测、军事气象和专业气象服务等各个方面，为我国气象事业发展和科学研究提供支撑和服务。风云三号气象卫星地面应用系统的高可靠性、高灵活性和先进的科学技术水平，保证了数据获取的完整性、安全性、便捷性，实现了卫星数据共享，正在发挥良好的社会效益和经济效益。

本书具备国内先进水平，可以帮助广大用户比较全面地了解和理解我国风云气象卫星及其地面应用系统，更好、更有效地使用气象卫星数据和信息产品，使风云三号气象卫星在我国防灾减灾、环境保护及经济社会建设过程中发挥更大效益。我国第二代极轨气象卫星风云三号气象卫星及其地面应用系统工程10余年建设应用经验的总结，对于风云三号气象卫星下一阶段的发展，以及未来我国第三代极轨气象卫星风云五号气象卫星的发展具有良好的参考借鉴作用，对我国其他对地观测卫星及其地面应用系统的建设也具有一定的借鉴意义。

中国工程院蒋兴伟院士推荐序

气象卫星作为天基探测的主要手段，在气象观测中发挥着越来越突出的、不可替代的作用。世界各国，尤其是欧、美发达国家都将发展气象卫星放在国家航天发展的头等重要的地位。我国气象卫星与卫星气象事业经过40多年发展已经初具规模，是世界上拥有极轨和静止两个完整系列气象卫星及其地面应用系统的3个国家（或地区）之一。

气象灾害给社会、经济都造成了重大损失，而且随着全球气候变暖加快，具有不断加剧的趋势。天气预报、气候预测、自然灾害和环境监测在国家和公众安全、社会经济可持续发展中的作用越来越重要，已是世界热点问题。风云三号气象卫星就是为了进一步改进天气预报、气候预测对资料观测提出的更精确、更高时效和观测多种气象要素的要求而发展的我国第二代极轨气象卫星。

通过发展风云三号气象卫星及其地面应用系统工程，获取了大量遥感数据，并已经广泛应用于天气预报、环境和灾害监测、气候预测等国民经济相关领域。例如，为天气预报，特别是中期数值天气预报提供全球温度、湿度廓线，以及云、辐射等气象参数；为气候诊断和预测提供地球物理参数；监测大范围自然灾害和生态环境；为军事气象和航空、航海等专业气象服务，提供全球及地区的气象信息；获取空间环境监测数据，为提高国家空间天气监测预警业务能力提供服务。风云三号气象卫星地面应用系统具备高可靠性和灵活性，能够保证信息获取的完整性和安全性；具备先进的科学技术水平，正在发挥良好的投资效益。

本书是风云三号气象卫星地面应用系统工程建设过程中的技术实践和经验总结，通过本书，读者可以比较全面地了解和理解我国风云气象卫星及其地面应用系统，更好、更有效地使用气象卫星数据和信息产品，使得风云气象卫星在我国防灾减灾、环境保护及经济社会建设过程中发挥更大效益。

作者前言

自20世纪60年代颗气象卫星在美国成功发射至今，卫星遥感探测技术得到了迅速发展，尤其是进入21世纪以来，种类繁多的空间对地观测卫星数量呈现前所未有的增长态势，观测数据质量也在不断提高。其中，气象卫星的发展一枝独秀，构建了全球气象卫星综合观测体系，极大地丰富了气象观测的内容和范围，使大气探测技术和气象观测迈入崭新时代，突破了人类只能在地球表面观测底层大气的局限。大洋远处，沙漠腹地，现在都可以通过气象卫星实现高频次、空间均一的观测。气象卫星的出现极大地促进了大气科学的发展，在探测理论和技术、灾害性天气监测、临近天气分析和全球数值天气预报等方面发挥了巨大作用。目前，先进数值预报模式使用气象卫星观测资料的占比已经达到90%以上。

我国的气象卫星发展历史相较欧、美等发达国家要短，颗风云气象卫星：风云一号气象卫星A星于1988年9月7日成功发射，比发达国家晚了近20年。但是，风云一号气象卫星A星是我国颗民用对地观测卫星。

风云三号气象卫星是我国第二代极轨气象卫星。风云三号气象卫星工程由卫星、运载火箭、发射场、测控和地面应用五大系统组成。其中，卫星和运载火箭系统由中国航天科技集团公司八院负责研制生产，发射场和测控系统由总装备部直属部队负责建设和组织实施，地面应用系统由国家卫星气象中心负责研制建设和组织实施。

2008年5月27日，风云三号气象卫星A星在太原卫星发射中心成功发射，于2009年1月12日投入使用。截至2017年年底，我们已经成功发射了风云三号气象卫星A星、B星、C星、D星共4颗卫星，在全球资料获取、天气监测分析、数值天气预报、大气环境监测、地表环境监测、地球射出辐射监测、空间天气监测等方面发挥了重要作用。风云三号气象卫星首次实现了我国极轨气象卫星上午星和下午星的双星组网观测，双星互为备份，保障了全球气象卫星数据的连续、可靠，全球数据的获取时效和气象灾害监测时效有明显提高。双星在轨长期、稳定运行，在天气预报、农林水利、航空、海洋、环境保护等方面提供了广泛的服务，在政府决策、防灾减灾、社会经济发展等方面发挥了显著作用。世界气象组织已将风云三号极轨气象卫星纳入世界气象卫星全球观测业务序列。

气象卫星地面应用系统是卫星工程五大系统之一，是其重要的组成部分，是连接卫星到后数据产品用户之间的不可或缺的桥梁，是发挥气象卫星应用效益至关重要的核心。建设内容包括：星地链路，卫星地面站全球布局及其数据传输链路，卫星业务运行调度控制，数据地理定位、光谱定标、辐射定标预处理，观测物理变量信息产品生成及其质量检验，数据和信息产品用户服务等。

风云三号极轨气象卫星及其地面应用系统工程研制起点高、技术难度大等特点给研制工作带来了许多意想不到的困难。在时间紧、任务重、要求高的条件下，经过顽强拼搏，科技人员攻克了许多技术难题，取得了多项自主知识产权。工程的成功实施，使我国的极轨气象卫星业务得到了跨越式发展，实现了从单一遥感成像到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从千米级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收、从单星观测到双星组网观测的五大技术新突破，为中国气象业务发展，特别是数值预报业务发展提供了重要的探测手段和科学数据。

本书主要介绍了风云三号气象卫星地面应用系统概况、系统总体、分系统、与其他系统接口关系、大型试验，以及各阶段研制工作与流程等有关情况。

第1章 工程简介：介绍了地面应用系统的工程背景、任务来源、水平与作用、建设概况和应用成效等情况。

第2章 总体方案设计：介绍了地面应用系统的任务和目标，以及主要技术指标、组成、总体技术方案和工作流程等情况。

第3章 分系统设计：介绍了地面应用系统10个分系统的基本情况、主要任务和功能、主要技术指标、组成和技术方案等。

第4章 地面应用系统的外部接口：介绍了地面应用系统与卫星、测控系统的接口关系。

第5章 大型试验：简要介绍了地面应用系统的新型遥感仪器航空校飞试验、星地对接试验、在轨测试试验、外场辐射定标试验等。

第6章 研制工作及技术流程：介绍了地面应用系统各阶段工作和流程，以及算法研制和原型软件开发阶段、软件工程化研发阶段、分系统集成和测试阶段、全系统联调联试阶段、全系统长期运行管理阶段的情况。

第7章 结束语：总结了风云三号气象卫星地面应用系统的特点。

本书是风云三号气象卫星地面应用系统众多建设者集体成果的总结，参与撰写人员参加了整个工程不同阶段的建设工作。编写工作力求体现综合性、系统性和实用性的特点，集中反映风云三号气象卫星地面应用系统工程研制过程的全貌，努力做到内容完整、结构合理、重点突出、简明扼要。本书可为负责工程组织管理、指挥协调的各级领导、机关提供参考，也可供相关工程技术和科研人员参考使用。由于涉及范围广、内容多，加之编者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请广大读者批评、指正。

本书介绍了风云三号卫星地面应用系统总体情况，以及与相关系统接口关系、各阶段研制工作和流程等有关情况。本书主要内容包括：风云三号卫星地面应用系统工程背景、任务来源、水平与作用、建设概况和应用成效等；风云三号卫星地面应用系统任务和目标，技术指标、总体技术方案；风云三号卫星地面应用系统10个技术分系统的主要任务和功能、技术指标、技术方案等；新型遥感仪器航空校飞试验、星地对接试验、在轨测试试验和外场辐射定标试验等；风云三号卫星地面应用系统工程研制工作及技术流程。本书可为负责大型综合信息系统工程组织管理、指挥协调的各级领导提供参考，也可供相关工程技术和科研人员参考。

杨忠东，男，研究员，理学博士，硕士生导师。1964年11月生。现任我国风云三号气象卫星应用系统副总设计师，国家卫星气象中心系统发展室副主任。2014年国家百千万人才工程入选人员。从事气象卫星遥感数据处理和信息产品开发方面的科研和应用系统工程建设工作。曾参加和主持完成多项国家科研课题。国家高技术研究发展计划"863-308-14-05”课题（1999年-2001年）"MODIS资料处理及其环境和灾害应用技术研究”的负责人之一。财政部项目（Y0101）"西北地区土壤水分、沙尘暴监测预测研究”下属专题（Y0101-01-03）（2001年-2003年）"利用新型遥感卫星资料监测西部地区地表参数和动态变化”负责人，项目专家组成员。国家高技术研究发展计划(863计划)2001AA135060课题（2001年11月-2003年12月）"气象卫星对地观测数据综合处理原型系统”负责人。2000年9月至2001年9月期间在美国威斯康星大学空间科学工程中心下属的气象卫星合作研究所做访问学者，从事MODIS数据处理与遥感信息产品开发研究工作。参加IMAPP软件包开发研制工作，合作完成MODIS云分类研究工作，独立完成"应用小波变换方法剔除MODIS数据条带噪声”研究工作。近年来，在国内外学术期刊上发表了20余篇科研论文，完成专著一本、工程技术报告3份。 目前承担的主要项目有国家高技术研究发展计划(863计划)2003AA133050课题 "气象卫星对地观测数据综合处理原型系统”负责人。"十五”国家自然科学基金重大研究项目"西部生态环境20年要素演变的卫星遥感研究”，课题负责人。"地面温度的遥感探测”，总装备部卫星应用子专题负责人。

第1章  工程简介 / 1

1.1  绪言 / 1

1.2  工程概况 / 2

1.3  水平与作用 / 3

1.4  应用成效 / 4

第2章  总体方案设计 / 6

2.1  任务和目标 / 6

2.2  主要技术指标 / 8

2.3  地面应用系统组成 / 11

2.3.1  技术系统 / 11

2.3.2  卫星地面站网 / 12

2.3.3  系统建设工程 / 13

2.4  总体技术方案 / 13

2.4.1  总体技术目标 / 13

2.4.2  总体结构 / 14

2.4.3  总体任务 / 14

2.4.4  总体功能 / 16

2.4.5  总体信息流程 / 21

2.5  地面应用系统工作流程 / 25

2.5.1  概述 / 25

2.5.2  工作流程 / 26

第3章  分系统设计 / 28

3.1  数据接收分系统 / 28

3.1.1  概述 / 28

3.1.2  主要任务和功能 / 28

3.1.3  主要技术指标 / 30

3.1.4  分系统组成 / 30

3.1.5  技术方案 / 33

3.2  运行控制分系统 / 43

3.2.1  概述 / 43

3.2.2  主要任务和功能 / 43

3.2.3  主要技术指标 / 45

3.2.4  分系统组成 / 45

3.2.5  技术方案 / 47

3.3  数据预处理分系统 / 54

3.3.1  概述 / 54

3.3.2  主要任务和功能 / 54

3.3.3  主要技术指标 / 55

3.3.4  分系统组成 / 55

3.3.5  技术方案 / 56

3.4  产品生成分系统 / 80

3.4.1  概述 / 80

3.4.2  主要任务和功能 / 81

3.4.3  主要技术指标 / 82

3.4.4  分系统组成 / 85

3.4.5  技术方案 / 89

3.5  监测分析服务分系统 / 114

3.5.1  概述 / 114

3.5.2  主要任务和功能 / 114

3.5.3  主要技术指标 / 115

3.5.4  分系统组成 / 116

3.5.5  技术方案 / 117

3.6  应用示范分系统 / 142

3.6.1  概述 / 142

3.6.2  主要任务和功能 / 142

3.6.3  主要技术指标 / 145

3.6.4  分系统组成 / 146

3.7  产品质量检验分系统 / 146

3.7.1  概述 / 146

3.7.2  主要任务和功能 / 148

3.7.3  主要技术指标 / 151

3.7.4  分系统组成 / 151

3.7.5  技术方案 / 155

3.8  仿真与技术支持分系统 / 159

3.8.1  概述 / 159

3.8.2  主要任务和功能 / 159

3.8.3  主要技术指标 / 160

3.8.4  分系统组成 / 160

3.8.5  技术方案 / 161

3.9  数据存档与服务分系统 / 174

3.9.1  概述 / 174

3.9.2  主要任务和功能 / 175

3.9.3  主要技术指标 / 178

3.9.4  分系统组成 / 180

3.9.5  技术方案 / 185

3.10  计算机与网络分系统 / 201

3.10.1  概述 / 201

3.10.2  主要任务和功能 / 202

3.10.3  主要技术指标 / 205

3.10.4  分系统组成 / 206

3.10.5  技术方案 / 207

第4章  地面应用系统的外部接口 / 224

4.1  地面应用系统与卫星的接口 / 224

4.1.1  高分辨率图像传输（HRPT）信道星地接口 / 224

4.1.2  中分辨率图像传输（MPT）信道星地接口 / 229

4.1.3  存储回放图像传输（DPT）信道星地接口 / 231

4.1.4  卫星遥测数据网络传输接口 / 233

4.2  地面应用系统与测控系统的接口 / 234

第5章  大型试验 / 240

5.1  新型遥感仪器航空校飞试验 / 240

5.1.1  试验目的与内容 / 240

5.1.2  试验技术方案 / 241

5.1.3  试验数据处理 / 243

5.1.4  试验结论 / 244

5.2  星地对接试验 / 249

5.2.1  星地有线对接试验 / 249

5.2.2  星地无线对接试验 /&