风云二号卫星在轨辐射定标技术进展
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VISSR
注:*代表 FY-2F及其后续星中,VIS波段范围高端调整为0.75μm
表,以全面提升定量化应用水平为主要目标。这其 中,发展新的在轨辐射定标技术并显著改善辐射测量 性能,是实现全面定量化应用目标的关键。 自20世纪70年代末开始,美、日、欧等国或国际 组织相继发展了各自的静止气象卫星系统,目前均已 进入了第二代卫星的业务应用阶段,包括 GOES-N、 MTSAT-2R 和 MSG-2 等,且红外波段定标精度已达 1K左右的较高性能水平[1]。同时,与FY-2同属第一代 卫星的欧洲 Meteosat-7 与 Meteosat-8 卫星采用工作在 不同温度点上的冷、热双内黑体方案,无需对前置 光路组件进行辐射贡献估计,在轨辐射定标精度达 1.5~2K;而日本GMS-5则采用了与FY-2 类似的单个 内黑体方案,通过引入由前定组件遥测温度经线性 组合后的近似等效黑体温度,在轨辐射定标精度达 1.7K,整体定标性能略逊于第二代卫星 [2]。 本文将在简要回顾 FY-2 卫星在轨辐射定标技术 的基础上,重点介绍2012年以来的最新进展,包括引 进吸收的全球空基交叉定标系统(Global Space-based Inter-Calibration System,GSICS)[2]、自主建立的基 于月球辐射校正的内黑体定标( Calibration of Inner Blackbody corrected by Lunar Emission, CIBLE)等方 法及其实际应用效果。同时,对未来我国静止气象卫 星在轨辐射定标技术的发展思路,做了初步探讨。
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Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 3(6)- 2013
Progress 研究进展
表1 FY-2卫星VISSR主要性能指标
卫星名称 FY-2A FY-2B FY-2C FY-2D FY-2E FY-2F 发射时间 1997-06-10 2000-06-25 2004-10-19 2006-12-08 2008-12-23 2012-01-13 遥感仪器 VISSR 波段范围(μm) VIS: 0.50~1.05 IR: 10.5~12.5 WV: 6.3~7.6 VIS: 0.50~0.90/0.75* IR1: 10.3~11.3 IR2: 11.5~12.5 IR3: 6.3~7.6 IR4: 3.5~4.0 空间分辨率(km) 量化等级(bit) 1.25 5 5 1.25 5 5 5 5 6 8 8 6 10 10 10 10
其中由双向反射分布模型计算的地表方向反射特性系数经修正后得到了相对标准偏差在56fy2c和24fy2d以内的定标系数均满足6的定标精度要求且多组定标系数均相当接近表明该方法的具有相当的准确性和稳定性22红外波段在轨辐射定标fy201批卫星vissr红外波段在轨绝对辐射定标主要是利用青海湖辐射校正场来进行的具体定标过程中需要对水面辐射进行同步观测释放探空气球来测量大气温湿压等廓线信息并利用modtran计算观测路径上的大气透过率上行和下行辐亮度贡献等得到对应波段内的入瞳辐亮度
系,线性斜率即为定标系数,并可进一步生成定标查 找表。 FY-2C/D星可见光波段采用反射率基法进行定标 处理。其中,由双向反射分布模型计算的地表方向 反射特性系数经修正后, 得到了相对标准偏差在5.6% ( FY-2C )和 2.4% ( FY-2D )以内的定标系数,均满 足6%的定标精度要求,且多组定标系数均相当接近, 表明该方法的具有相当的准确性和稳定性[4]。
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2 FY-2在轨辐射定标技术回顾
2.1 可见光波段在轨辐射定标
FY-2卫星VISSR的可见光波段在轨定标,以敦煌 遥感卫星辐射校正场替代定标为主,同时研究以沙 漠、高云、深海( Rayleigh 散射)等作为替代目标的 定标方法 。在具体实现中,采用较为成熟的反射率 基法进行定标,其基本原理可描述为:获取同步点观 测计数值、观测时刻卫星和太阳天顶角及方位角、大 气状态参数等,在同步点实际测量地表垂直反射比并 用各向异性双向反射模型算法对方向性系数进行修 正;将上述参数代入6S 模型计算敦煌场大气层外的表 观反射比,经太阳天顶角余弦和日地距离修正后 , 得 到等效反射比;建立电压值与等效反射比间的线性关
代静止气象卫星,如GOES-7、Meteosat-7/8、GMS-5 等,在探测性能上基本相当[1]。 FY-2系列卫星在技术发展上经历了3个主要阶段: (01批)试验星阶段。 以FY-2A/B星为代表,完 成了FY-2卫星主要探测功能的验证,并开展了星地数 据传输与接收、多站测定轨、图像定位等关键技术的 攻关,星地业务流程基本确立,业务化观测格局尚未 建立。 ( 02批)业务星阶段。以 FY-2C/D/E 星为代表, 建立了稳定的星地业务观测系统,攻克了高精度图像 定位关键技术,定量化应用初具规模,服务效益凸 显。这其中,在轨交叉定标业务基本形成,但定标精 度有待提高。 ( 03 批)业务星阶段。 以 FY-2F 及其后续星为代
气象科技
进展
风云二号卫星在轨辐射定标技术进展
郭强 陈博洋 张勇 徐娜 冯绚 杨昌军 王新 韩秀珍 李元 胡秀清 张志清
(国家卫星气象中心,北京 100081) 摘要:在轨辐射定标性能是影响风云二号(FY-2)卫星定量化应用的关键因素。本文在简要回顾FY-2卫星在轨辐射 定标技术发展的基础上,着重介绍了最新引进的高光谱交叉定标,以及自主研发的基于月球辐射校正的内黑体定标 (CIBLE)等方法的技术特点。分析表明:以月球定标和内黑体定标为核心的CIBLE方法,从机理上解决了FY-2卫星红 外波段随环境温度场频繁变化的辐射响应的高精度标定难题,实现了我国静止气象卫星在轨辐射定标技术的重大突破, 并已于2012年7月、2013年3月和2013年5月分别在FY-2F、FY-2E和FY-2D星中实现业务运行。最后,对未来气象卫 星在轨辐射定标技术的发展进行了初步探讨。 关键词:风云二号,气象卫星,交叉定标,月球定标,内黑体定标 DOI:10.3969/j.issn.2095-1973.2013.06.001
(National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081) Abstract: The performance of on-orbit radiometric calibration is the key factor influencing the quantitative application of Fengyun-2 (FY-2) satellite. After a brief review of the development of on-orbit radiometric calibration for FY-2 satellite, the latest introduced cross-calibration method with high spectral-resolution instruments and the self-developed calibration of inner blackbody corrected by lunar emission (CIBLE) are both highlighted for their technical features. The two kernels of CIBLE include lunar calibration and inner blackbody calibration. It is indicated that, the difficult problem of how to precisely calibrate the radiometric response varying frequently with the environmental thermal field for infrared bands for FY-2 satellite has been solved by CIBLE, which can be considered as one of the most important technical breakthroughs in calibration society for geostationary meteorological satellites in China. The CIBLE software has been operating on FY-2F, FY-2E and FY-2D ground systems in July 2012, March 2013 and May 2013, respectively. Finally, some preliminary thinking and discussion are conducted on the future development of on-orbit radiometric calibration technology for meteorological satellites. Keywords: FY-2, meteorological satellite, cross calibration, lunar calibration, inner blackbody calibration.
收稿日期 : 2013 年 4 月 1 日; 修回日期 : 2013 年 9 月 19 日 第一作者 : 郭强(1975—) ,Email : guoqiang@ 资助信息 : 国家自然科学基金(41275034、41171275、 41075019、40971200) ; 公益性行业(气象) 科研专项(GYHY201306001)
Progress in On-orbit Radiometric Calibration Technology for Fengyun-2 Satellite
Guo Qiang, Chen Boyang, Zhang Yong, Xu Na, Feng Xuan, Yang Changjun, Wang Xin, Han Xiuzhen, Li Yuan, Hu Xiuqing, Zhang Zhiqing
2.2 红外波段在轨辐射定标
FY-2(01批)卫星VISSR红外波段在轨绝对辐射 定标,主要是利用青海湖辐射校正场来进行的 [5]。在 具体定标过程中,需要对水面辐射进行同步观测,释 放探空气球来测量大气温、湿、压等廓线信息,并利 用MODTRAN计算观测路径上的大气透过率、上行和 下行辐亮度贡献等,得到对应波段内的入瞳辐亮度。 同时,结合冷空观测结果,求得VISSR待标定红外波 段的定标斜率和截距参数。FY-2B星分别在2000年8月 和 2001 年 8 月进行了两次青海湖辐射校正试验,定标 结果与综合考虑实验室定标和星上电子学标定量化关 系后得到的结果非常接近,这充分证明了实验室定标 方法科学有效,定标数据测量结果准确 [5]。虽然上述 红外波段的辐射校正定标方法尚无法满足FY-2卫星业 务化定标需要,但这为后续将实验室定标结果作为初 级基准来建立新的在轨CIBLE定标方法做了铺垫。 在2012年前,FY-2(02批)卫星VISSR红外波段 的在轨定标一直采用以极轨卫星遥感仪器为基准的交 叉定标方案,且选用的比对基准是宽波段遥感仪器 AVHRR、HIRS、MODIS等。从原理上来说,交叉辐 射定标需要进行不同卫星相近波段间的光谱匹配,以 及不同卫星对应波段观测数据间的时间匹配、空间匹 配、视角匹配等,寻找两颗卫星对应波段间的同步星 下点观测(SNO)匹配样本。同时,用具有较高辐射 定标精度卫星的观测数据,计算出被标定卫星对应波 段的入瞳辐射值,建立被定标卫星入瞳辐亮度与仪器 输出值间的关系,得到对应波段的定标系数。 此外,还利用大洋浮标数据和 NCEP 再分析资
1 引言
风云二号(FY-2)卫星是我国在轨业务运行的第 一代静止气象卫星,迄今为止,已成功发射了 6 颗, 在轨后分别命名为FY-2A,FY-2B,…,FY-2F。FY-2 卫星采用自旋稳定工作方式,星上主要气象探测仪 器——可见红外自旋扫描辐射计(VISSR),具备从 可见光到热红外的多波段探测能力,主要性能指标 在表 1 中给出,这些指标与美国、欧洲、日本的第一