基于AWIPS的美国航天发射场
何亿强 1 何武贵 2 陈定辉1
（1北京航天飞行控制中心，北京，100094；2总装司令部作试局，北京，100083）
摘 要
美国航天发射场气象业务系统建设中，以民用气象业务系统AWIPS为基础，实现了大量基础气象信息的获取、处理与显示，通过各种本地化和二次开发的工作，扩展了AWIPS的数据种类，并与航天任务的保障需求紧密结合。节省了大量基础性开发工作，使得业务系统在很短时间就能够形成保障能力，既具备与民用数据和业务系统的兼容性，又体现了航天保障的特点。这些做法，可以在新一代运载火箭发射场气象业务系统建设中加以借鉴。 关键词：航天 发射场 气象业务
一、引言
气象业务系统是气象业务部门开展气象保障或气象服务的基础性、综合性业务工作平台。气象业务系统主要用来处理本单位的地面自动站、探空系统、多普勒雷达等设备探测到的地面、高空气象数据，处理通过卫星通信接收到的全国，甚至全球气象观、探测资料、气象水文预报中心的数值模式、预报模型分析的结果，并进行人机和数据间交互的系统。
美国约翰逊航天中心的航天飞行气象组（SMG），隶属于美国国家气象局（NWS），担负NASA所有载人航天飞行任务的气象保障工作。为了提供准确、高效的气象保障任务，需要使用气象业务系统，显示全球区域不同天气尺度的气象数据，并对气象信息进行显示和分析。
发射场气象系统建设之初，NWS为SMG配发了一套民用气象业务系统—高级天气交互式处理系统（即AWIPS）并命名为SFMG AWIPS。SFMG AWIPS可以通过美国国家气象业务数据卫星网络—卫星广播网（SBN）和地面传输网络获取丰富的气象观探测、数值预报、卫星云图等气象预报保障所需要的数据。但作为民用的气象业务系统，AWIPS不能完全满足SMG载人航天气象保障的特殊需求，特别是在数据频度、覆盖范围、与航天飞行任务相结合的功能方面，还有较大差距。
为此，SMG的技术开发部（TDU）投入了大量的人力、时间，扩充AWIPS的能力，并与在用的MCIDAS 气象显示系统进行整合。通过大量本地化的工作，使AWIPS在数据种类、功能、性能方面都有了很大提高，成为美国航天气象保障的基础性业务保障平台。
二、美国航天发射气象保障面临的挑战
（一）气象保障对美国航天发射意义重大
在美国，加利福尼亚范登堡空军基地的西靶场以及卡纳维拉尔角空军场站和肯尼迪航天中心组成的东靶场是两个主要的发射场。除了航天发射，东西靶场也进行弹道导弹和其他试验。东西靶场的巨大区域为航天飞机飞行、近赤道的高倾角、极轨卫星以及弹道导弹和其他试验提供了良好的发射条件。但巨大区域同时也成为气象保障的巨大挑战。据统计，1988年到2000年间，因天气原因造成的发射取消占34%，发射推迟达51%，西靶场也约有34.8%的发射任务由于天气原因取消。一次发射取消的造成的损失就可达15万—100万美元。可见，即使是在美国这样航天发射技术和装备都在世界领先的国家，气象保障对于航天发射仍具有不可忽视的重要意义。
（二）影响航天发射的气象因素多种多样
整个航天飞行任务涉及众多极其昂贵的环境敏感系统，发射中心和试验航向、测控站有许多环境敏感系统，因而形成与气象密切相关的约束条件。
地形是造成濒海发射场复杂气象条件的重要因素之一。范登堡基地濒临太平洋，但周围海拔却超过600m，由于在很短距离内海拔高度陡变，使地形对天气产生显著影响。
风在发射场业务开展和发射任务中扮演着关键角。风既关系到发射，也关系到靶场安全。由于地形作用，风在经过高大地形时，会在风向、风速上产生很大变化。山地地形对风向、风速影响显著，特别是冬春季节。西风常呈漏斗状穿过沿岸的流域、峡谷，由于狭管效应造成风速加大。局地风的乱流会对有毒气体危险预报和发射业务产生影响。还有很多种气象要素都可能影响发射活动，如闪电、温度、降水甚至海况，都会对发射活动产生深远影响。
三、美国国家气象业务系统—AWIPS
（一）概况
AWIPS （Advanced Weather Interactive Processing Systems），即高级天气交互式处理系统，是美国国家气象局(NWS)现代化建设的重要组成部分，是其业务结构调整和气象要素一体化整合的基础。它将NEXRAD, ASOS, GOES等现代化观测系统整合到一个统一的处理和可视化环境中，是集信息处理、数据显示和远程通信等功能于一体的气象现代化业务系统。
AWIPS系统由近200个站点组成，站点遍布全美。由基本系统、国家中心和总部系统、开发测试系统、离线备份设备组成。AWIPS实现了预报员通过一台工作站同时访问卫星云图、多普勒雷达数据、遍布全国的自动气象观测数据和计算机产生的数值预报产品等多种气象资料，从技术上为预报员提高预报准确率、缩短天气预报的准备时间，提供了一个综合性、交互式、高实时性的数据处理平台。
（二）组成
AWIPS系统包括软件、硬件及通信部分。AWIPS包含与预报业务密切相关的软件系统：二维图形图像显示系统(D2D)、交互式预报辅助制作系统(IFPS)，以及警报（Warngen）、WWA监测预警通告（Watch-Warning Advisory)、水情（Riverpro）等警报工具。气象应用软件由NWS开发，系统基于UNIX 操作系统，使用TCP/IP传输协议，以及SQL数据库，多数应用软件使用Fortran 或C语言编程。
AWIPS的硬件包括接收传输数据的下行天线，提供预报员显示和进行数据操作的工作站，进行数据处理和存储的服务器，获取卫星和雷达资料的通信处理机，以及连接站点所有设备的高速局域网。
AWIPS通信部分由卫星广播网（SBN）和陆上网络（AWIPS称为广域网）组成。卫星广播网 (SBN) 是覆盖全美的气象水文信息卫星通信方式，由数据发送天线、卫星和布设在AWIPS站点的下行接收天线构成，是单通道、点对多点的卫星广播系统。AWIPS站点通过SBN，可及时获取6分钟一次的多普勒雷达图像、10分钟一次的GOES卫星图像、大范围地面资料、探空资料、水文资料、天气分析资料以及天气预报模式、水文预报模式、飞行气象预报模式等计算结果；本站的多普勒雷达、探空、地面自动站、服务区水文观测站资料及其合作观测志愿者的观探测资料和预报等通过陆上广域网上传网络控制中心和邻近站点。
四、美国航天发射场气象业务系统的实现
（一）AWIPS本地化
为了通过AWIPS获得更加丰富的气象资料，并满足靶场气象预报保障能力需求，技术人员通过各种本地化方法，提高AWIPS的靶场预报能力。
1.系统本地化调整与扩充
1.1数据中心的调整
为了提高肯尼迪航天中心（KSC）航天飞机着陆场（SLF）的数据显示能力，SMG的技术开发部（TDU）将SFMG AWIPS数据库中心调整为以弗罗里达为中心，使得MesoEta 、LAPS、MAPS、RUC40和其他数值
预报模式格点资料输出时都以佛罗里达为中心，极大地方便了预报员的日常数据分析工作。
TDU还作了许多方便预报专业人员使用的调整。他们把AWIPS中进行二维数据显示的D2D软件缺省地图的显示比例放大，以获得重点关注区域的高分辨数据；对卫星、雷达和格点数据的显示菜单进行了设置，只有可用数据的菜单项才能显示。这些简单的配置和调整，使当地的预报人员可以很快地熟悉软件的操作，加快了系统业务化的进程。
1.2修改配置文件
为了扩充GOES星数据，TDU想解决同时接收东、西部GOES星数据的问题，但AWIPS的技术资料没有介绍如何同时接收两颗GOES星的信息。经过对系统文件的分析和试验，TDU发现修改两个系统配置文件可以改变接收GOES东部星和西部星的设置。D2D可以处理GOES西部星数据后，SMG的预报员就可以获得覆盖全美大陆航天飞机着落站点的所有卫星、雷达和数值模式的数据。
1.3硬件升级
载人航天飞行往往需要获得大范围的云图资料，以满足发射场、着陆场以及应急着陆区的大范围气象保障需求。GOES东部星包含每30分钟更新一次的低分辨率美国大陆卫星云图，但数据质量和频率较低，对西部站点中尺度分析作用不大。为了接收SBN补充通道的数据，在网络控制中心的协助下，将接收系统背板的两个备用串口激活，获得了更大范围的GOES东部星高分辨卫星资料，使卫星云图覆盖范围从得克萨斯州西部扩展到巴哈马岛。SFMG AWIPS可以显示包含肯尼迪航天中心和约翰逊航天中心在内的美国东南部的所有地区的高分辨率GOES-8的数据。但扩大卫星云图覆盖区域也付出了一定的代价：第一、必须减少高分辨卫星云图存储的数量，以保证有足够的空间存储更大的图像；第二，显示工作站载入高分辨率图像的时间变长。
2.系统融合与数据同化
MCIDAS是引入AWIPS以前在用的气象数据处理和显示业务系统。TDU进行了AWIPS和MCIDAS两个系
统的互联，将LDAD（本地数据收集分发服务器）作为共享文件服务器。两个系统都能够通过防火墙从LDAD读写数据，但不能直接相互访问。SMG靠一台远程FTP文件服务器在两个系统间进行数据交换。这样极大地提高了AWIPS处理本地数据的能力，但不足在于SMG没有对外部文件服务器进行控制，而且数据必须尽可能小，以减小AWIPS广域网的数据流量。气象业务系统间的这种新型直连带来系统间更大、更频繁的数据交换，需为AWIPS提供必要的带宽。
每个靶场都配有高空探测气球、mini声雷达、风廓线仪、近地面层塔网探测系统、天气雷达数据以及种类繁多的闪电探测和定位数据，但标准版AWIPS系统仅能获取、显示地表（mesonet）类型的本地数据。预报系统实验室（FSL）通过设计新的数据获取显示方法，提高了本地数据获取能力，实现了靶场数据与AWIPS系统的一体化。
3.内部开发
3.1格式转换
NWS专为航天发射场开发了数据格式转换程序，实现了MCIDAS文件输入到AWIPS，并将这些数据与其它AWIPS站点共享。程序解决了发射场保障急需的Meteosat-7高分辨卫星和西班牙雷达数据与AWIPS 的整合。技术人员用Perl脚本实现了从MCIDAS获取地面站点报告，进行格式转换，添加到配置文件，实现AWIPS自动添加新站点的功能。通过一系列的应用开发，地面观测资料的覆盖范围扩展到欧洲南部
、北非和澳大利亚。
3.2增加AWIPS的保障功能
TDU将日常训练和任务保障所用的预报编辑器移植到了AWIPS。为AWIPS开发了交互式高空风预报编辑器、跑道横风和密度高度计算器、着陆站点气候检索功能。
TDU还开发了一体化用户背景地图，实现航天飞机着陆站点的自定义飞行辖区、飞行例外区和跑道布局的交互显示。靶场责任区可以协助发射天气长官评估发射放行准则和协助预报员为影响区域制定天气警报和建议。还增加了音频、视频的警报监视功能，当数据超过安全限值时提醒发射任务气象主管人员。
3.3本地分析预报系统
FSL开发了一个MM5模式的专用版本，以4km和16km分辨率业务化运行。中尺度模式在AWIPS本地运行，每6小时运行一次，完整运行一次模式约需5.5小时，经过改造，模式硬件采用了8台高性能双处理计算机节点组成的集，运行MM5模式本地资料同化和预报系统，使数据处理时间减少到1小时内，分辨率增大到1km。
3.外部开发
NOAA FSL与SMG的技术人员经常互访，深入交流，讨论航天工程独特的数据获取和显示需求，形成一个开发任务清单，申请NASA资助。这些任务主要为SFMG AWIPS增加数据处理分析工具，以满足对航天飞行着陆设施数据有效分析的需求。开发工作包括提高地面观测数据和用户可定义极值的中尺度网数据、图形和文本显示，基本地面和高空气象要素等值线绘制，以及对美国空军靶场标准化自动化项目开发的应用程序进行移植。
（二）AWIPS本地化成果与不足
通过大量有效的AWIPS本地化工作，SFMG AWIPS在完成航天飞行保障的卫星、雷达、地面观测和模式数据显示能力方面取得了很大的成功，能获取SBN全部四个通道的数据，包括Meteosat-7 卫星云图，西班牙雷达数据和覆盖西班牙和北非的Eta模式工作站的数值预报格点数据，为SMG对航天飞机着陆设施进行气象评估提供信息支持。AWIPS已成为一个功能强大的满足航天气象保障需求的气象分析和显示系统。然而，它还不是一个全球预报系统，还必须完成非GOES卫星云图、国际地面观测和高空探测数据向AWIPS数据库的同化。
AWIPS与MCIDAS相比，最大的优势在于AWIPS的D2D软件提供的灵活性和友好的用户显示。预报员可以在AWIPS上同时监视10个图形显示，MCIDAS只有单一画面。AWIPS还提供许多工具和编辑器来编写宏、程序和彩增强表。
AWIPS有几个明显的不足：与MCIDAS相比，D2D在显示高分辨率卫星云图中有失真、数据延时现象。还有就是AWIPS的图形打印能力有限。不是所见即所得。AWIPS在发射场本地数据的获取、同化方面的能力与MCIDAS还有较大差距。
由于MCIDAS对卫星、数值模式、数字编码数据文件强大的处理能力，使得AWIPS短期内不可能完全取代MCIDAS。AWIPS替代MIDDS进行航天飞机保障之前，SMG还要做很多从MIDDS系统到SFMG AWIPS 系统的数据和应用程序的移植。根据计划，未来发射场气象业务系统中将MCIDAS变成一个背景数据处理器，负责将数据获取、处理、输入到AWIPS，AWIPS主要进行显示分析，实现与航天飞行任务密切相关的辅助决策功能。
五、结论
美国航天发射场气象业务系统建设中，以民用气象业务系统AWIPS为基础，实现了大量气象信息的获取、处理与显示，并通过各种本地化和二次开发的工作，扩展了AWIPS的数据种类，并与航天任务的保障需求紧密结合。节省了大量基础性开发工作，使得业务系统在很短时间就能够形成保障能力，既具备与民用数据和业务系统的兼容性，又体现了航天保障的特点。这些做法，可以在新一代运载火箭发射场气象业务系统建设中加以借鉴。
（一）技术转化部门—TDU
美国负责载人航天飞行任务气象保障的航天飞行气象组（SMG）下属的技术开发部（TDU）是一个技术转化组织。既熟悉飞行任务气象保障的业务流程、保障重点和发展需求，又与许多研究所、大学有深入的技术交流，促进了从技术到应用的转化，对于气象业务系统的持续改进和气象保障能力的不断提高起到了重要作用。
（二）与国家气象局的交流合作
SFMG AWIPS改进过程中，作为航天飞行任务的保障部门，通过与美国国家气象局的交流与合作，
对民用气象业务系统的许多技术细节有了非常深入的了解，解决了接收设备硬件升级、数据扩充等重大问题；并且从需求和技术途径两个方面的结合，共同提出了制约气象业务系统长远发展的一些基础性技术难题，共同提请有关部门资助，形成一种有效的沟通和解决问题的途径。
（三）辅助决策功能LCC
美国航天发射场气象业务系统最有特的地方是与发射放行准则的密切结合。通过将发射放行准则中有关气象的部分通过图形、声音等方式与气象业务系统结合，使得发射放行准则的评估自动化、直观化，充分发挥了航天发射场气象业务系统的辅助决策功能。
参考文献
1 Mark J. Keehn．Awips As a Global Meteorological Analysis And Display System
2 D. Davis，T. Wilfong，B. Shaw，K. Winters．Tailoring the Advanced Weather Interactive
Processing System for Space Launch Range Support
3 Jonathan L. Case，John Manobianco．Local Data Integration over East-Central Florida Using
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4 William P. Roeder，John T. Madura．Designing Weather Support For Future Ranges
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