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GMS氣象衛星云圖實時數據錄取和圖像處理
摘要：GMS同步氣象衛星云圖是天氣預報的主要手段之一。主要介紹了GMS-3氣象衛星及其云圖數據的結構，論述了一種基于微機的實時數據錄取、圖像處理系統的工作原理、關鍵技術的實現方法。關鍵詞：氣象衛星云圖數據錄取圖像處理
在航天科學飛速發展的今天，衛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、農業生產，為航海、漁業、林業、水利及軍事保障等提供重要的服務。GMS系列氣象衛星是由聯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。在衛星云圖的接收、處理系統中，數據的實時錄取與保存、事后的圖像處理是關鍵技術。下面論述的是GMS-3衛星云圖數據的實時錄取與保存、事后圖像處理的工作原理、關鍵技術實現方法。
1GMS-3衛星及其云圖資料簡介
GMS-3氣象衛星靜止于東經140度赤道上空，衛星自轉的速度為100轉/分，自轉過程中有20度針對地球掃描獲取云圖數據，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。衛星自轉一圈掃描獲取的數據稱為一幀，根據轉速可以計算出每幀數據的掃描及傳輸，為（60秒/100轉）=600ms。衛星掃描步進方向為自北向南，對地球全部掃描一遍約2300幀數據。
GMS-3衛星云圖每幀的數據結構如圖1所示。
每幀云圖數據由9個數據段組成。
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段為紅外云圖數據，GMS-3只用于其中IR1段，IR2、IR3保留備用。IR1由2291個字組成，每個字代表一個衛星掃描的象素點，灰度等級為256級。IR1共有2291字節數據。
V1、V2、V3、V4為可見光云圖數據，GMS-3云圖中，可見光的分辨率為紅外的4倍，所以V1、V2、V3、V4每個數據段均有數據，其字數應為2291+2291+（9164×4）=41238字節，約為42KB，傳輸速度為660Kbit/s，掃描地球表面一次數據量為41238×2300=94847400字節，約95MB。
2云圖數據的實時錄取
當衛星接收機收到衛星發來的高頻信號后，首先對它進行高頻、中頻放大及調解、解碼處理，撮出云圖圖像數據及幀同步脈沖、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的數據流，數據量高達95MB，所以應當對云圖接收機發來的數據進行前置預處理。預處理的主要作用是對接收機發來的數據進行提取、緩沖，去掉一些無用的重復數據。本文介紹的云圖處理系統，以一片Intel8086CPU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的方式將數據存入緩沖存儲器中。存儲器分兩個部分，RAM1和RAM2。接收數據時，將一幀數據首先放入RAM1或RAM2中的一個中，例如RAM1中，當一幀數據接收并處理完后，Intel8086CPU控制總線接口電路向主機發出取數據請求，并將保存最近一幀數據的RAM1存儲器的控制權交給主機，同時做好下一幀數據存入另一存儲器RAM2中的準備。用這種雙緩沖存儲器方式，可以使數據預處理與主機對云圖的處理并行進行，大大節省了主機的資源開銷，可實現云圖的實時顯示。
3云圖數據的實時存儲
由于GMS-3衛星云圖數據量大、傳輸速度高，采用一般的文件讀寫方式不能完成數據的實時存盤要求，必須繞過操作系統的文件組織結構，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、扇區組織形式。操作系統通常以扇區為單位進行讀/寫訪問，即一次讀/寫一個扇區。一扇我通常為512字節，0.5KB，讀寫一個扇區一般要1.5ms，磁頭在磁道間移動的定位時間，即平均尋道時間為10ms。假設操作系統每讀/寫一個扇區后均需重新定位磁道，則存儲一幀42KB數據所花的時間為（42/0.5）×（10+1.5）=966ms，超過了衛星發一幀數據的時間600ms。若在程序中直接控制磁頭定位到某一磁道，然后連續寫完該磁道上的所有扇區，再去尋找下一空磁道，則假設每一磁道有17個扇區，那么一個磁道上就保存17/2=8.5KB數據，花費時間（17×1.5）+10=35.5ms。保存一幀數據約需訪問（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
可連續顯示多幅不同時間的衛星云圖，從中可以看出天氣系統的變化過程，并可進行風場演推等分析計算。
（4）網絡及地標處理
網絡指經緯度網絡。GMS-3衛星通過邊掃描邊標定自身位置和姿態的方式，獲取一組經、緯度線相交點對應圖像象素的數據，它不完全等同于地圖上的經緯度坐標。根據這組數據在云圖上可畫出經緯度網格線，提高對天氣系統的觀測精度。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星云圖微機處理系統的方法及主要功能、關鍵技術。它以較低廉的成本實現了高速度、大容量數據的處理，較好地滿足了各方面的要求。
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