测控天线系统防御台风的措施①

辛 进，彭前春，韩 菁，杨子凡，祝红星，杨 奇，孙肇志

(1.浙江大学地球科学学院，杭州 310027；2.中国西安卫星测控中心，西安 710043；3.中国酒泉卫星发射中心，酒泉 732750)

0 引言

海南是中国遭受台风影响最严重的地区之一[1]。台风造成的强风、暴雨等灾害性天气[2]，直接威胁地面站卫星测控天线系统的安全和正常工作。当前陆基测控天线以卡塞格伦天线和环焦天线为主[3，4]，天线抛物面直径从几米到十几米甚至几十米不等，在抗风力等级方面天线系统有自身的设计指标要求[5]，遇到台风登陆时需要根据天线风负载要求、台风等级、天线迎风角度等因素采取避险措施，如对天线进行归零、收藏和插锁。在抗降雨衰减方面，统一S波段和统一C波段卫星测控系统受降雨衰减相对较少[6，7]，但X波段以上的卫星下行信号受降雨衰减影响严重[8，9]，特别是在天线仰角较低时这种降雨衰减更加明显[10]。另外，台风使海洋大气高盐高湿的环境特点更加明显，造成海南地区的测控天线更容易受到腐蚀[11]。作为低压系统，台风过境时造成地面站气压值急剧下降，导致卫星测控过程中根据气象参数(温度、气压、湿度)算得的信号大气折射率与晴好天气时明显不同[2]，需要对大气折射率模型进行修正。

加强对台风源地、移动路径、登陆时间、中心气压、最大风速等特征规律的研究[13，14]，有利于测控天线系统更加科学地防御台风。因此本文首先处理1989～2018年台风路径数据，统计出登陆海南台风的特征，然后结合测控天线系统的抗风力等级、跟踪信号AGC电压门限、天线机房防护等要求，提出海南地区卫星测控天线系统防御台风的具体措施。

1 台风数据和风压负荷

1.1 台风数据

1989～2018年台风路径数据来自中国气象局热带气旋中心(http://tcdata.typhoon.org.cn)，该数据包含西北太平洋海域热带气旋每6小时或3小时的位置、等级、中心最低气压、最大平均风速等气象信息[15]。按照国家标准(GB/T 19201—2006)，以热带气旋底层中心附近最大平均风速为界定，热带气旋划分为热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风、超强台风6个等级(表1)。

表1 热带气旋等级划分表Table 1 The classification of tropical cyclones

1.2 测控天线风压负荷

公式(1)是计算单位面积上抛物面天线风压负荷的经验公式[5]，其中KS是风载体型系数，当迎风角度为0度(正面)时，KS为1.2(由风洞实验确定)；K0是风压负荷调整系数，取值范围为0.75-1.4，与天线本身结构、安装环境等有关，这里取中间值1.075；W0是基本风压(kg/m2)，计算方法为公式(2)，V为风速(m/s)；KH是风压高度变化系数，当测控天线离地高度15米时，KH为1.15，离地高度增加，KH也随之增大。其中KS，K0，W0，KH的取值设定见文献5，此处不再赘述。

W=KS·K0·W0·KH

(1)

W0=V2/16

(2)

2 海南台风的统计特征

2.1 登陆海南的台风源地和路径特征

1989～2018年西北太平洋有台风编号的热带气旋数量753个(图1灰实线)，其中登陆中国的台风235个(图1黑实线)，约占西北太平洋台风总数的31%，从海南登陆的台风46个，约占登陆中国台风总数的20%，由此可见海南地区受台风影响比较严重。从图2可以看出，登陆海南的台风主要生成海域有两个：菲律宾以东洋面和南海海域。生成海域位于菲律宾以东洋面的台风26个，占比56.5%(图2a)；生成海域位于南海海域的台风20个，占比43.5%(图2b)。菲律宾以东洋面生成的台风一般以“西进型”的方式登陆海南，路径相对简单，但在南海海域生成的台风路径相对复杂，存在“打转”的情况。

图1 1989～2018年西北太平洋台风(灰实线)和登陆中国的台风(黑实线)Fig.1 1989～2018 the typhoons of the Northwestern Pacific Ocean (grey solid line)and the landing typhoons of China(black solid line)

(a)菲律宾以东洋面

(b)南海海域生成的台风图2 1989～2018年登陆海南的台风路径和源地Fig.2 1989～2018 the landing typhoons track of Hainan Province:the generating areas of landing typhoon are(a)eastern ocean of Philippines and (b) the South China Sea

2.2 登陆海南的台风时间和地点分布

从图3a可以看出，1989年登陆海南的台风数量最多；1997，1998，1999，2004，2006，2012，2017这七年没有台风登陆海南，平均每年约有1.5个台风登陆海南。在台风登陆月份方面(图3b)，登陆海南的台风7月最多，9月其次，再次是6月、8月和10月，然后是4月和11月。1月，2月，3月，5月和12月这五个月没有台风登陆海南。在台风登陆地点方面(图4)，从海南文昌、万宁登陆的台风数量最多，均为13个；其次是从三亚登陆的台风，10个；从陵水和琼海登陆的台风各为4个；其他地点登陆的台风数量较少或者没有台风登陆。

(a)每年登陆海南的台风数量

(b)每月累积登陆海南的台风数量图3 Fig.3 the yearly amount (a)and monthly amount (b) of landing typhoons in Hainan Province

图4 台风登陆地点分布Fig.4 the distribution of landing typhoons location

2.3 登陆时的中心气压、风速和等级特征

1989～2018年登陆海南的台风，其登陆时中心最低气压在888～1000hPa之间(图5a)，平均值977.9hPa。台风登陆时中心气压越低，相应的底层中心附近最大平均风速越大，底层中心附近最大平均风速为72m/s，最小值为15m/s(图5b)。图6给出了台风登陆海南时的等级分布：登陆时为强热带风暴等级的数量最多，30.43%，对应风力10-11级；登陆时为台风等级的次之，28.26%，对应风力12-13级；登陆时为热带风暴等级的第三，21.74%，对应风力8-9级；登陆时为热带低压等级的第四，10.87%，对应风力6-7级；登陆时为强台风等级的第五，6.52%，对应风力14-15级；登陆时为超强台风等级的最少，2.17%，对应风力16级以上。总的来讲，登陆时风力在8级以上的台风数量占89.13%；登陆时风力在14级以上的台风数量占8.69%。

(a)台风登陆海南时的中心最低气压

(b)底层中心附近最大平均风速图5 Fig.5 the central air pressure (a)and maximum wind speed(b)of landing typhoons in Hainan Province

图6 台风登陆海南时的等级分布Fig.6 the distribution of landing typhoons grade

3 测控天线防御台风的措施

3.1 台风登陆前的准备工作

通过第二部分的统计分析发现，登陆海南的台风时间主要集中在6-10月，登陆地点主要集中在海南的东部和南部，以文昌、万宁和三亚3个地区登陆台风数量居多，分布在这些地点的测控天线需要提前做好防御台风的准备。在台风集中登陆月份到来之前，对测控天线系统进行检查维护：首先是密封天线塔基门窗，防止进水；其次是清理俯仰大齿轮，更新航空润滑脂，并对天线体锈蚀部位进行除锈；再次是检查中心体、伺服驱动机柜、高功放等设备，确保关键设备留有备件；最后是检查避雷塔、避雷带等防雷设置，确保天线机房接地电阻不大于4欧姆(GB/T2887—2000)。

3.2 实时台风预报预警工作

登陆海南的台风主要源地为菲律宾以东洋面和南海海域。除1月，2月，3月，5月和12月这五个月没有台风登陆海南之外，其他月份气象预报员应该密切关注菲律宾以东洋面和南海海域的低压系统活动情况，一旦有热带气旋生成，跟进关注其移动路径，当热带气旋获得台风编号并有可能影响海南时，及时发布台风预警。菲律宾以东洋面生成的台风路径相对简单，但在南海海域生成的台风路径复杂多变，此时要增加台风路径、强度的监视和分析预报频次，随时掌握台风演变情况，以便采取相应措施。

3.3 测控天线的保护措施

登陆海南的台风风力在8级以上的数量占89.13%，对应底层中心附近最大平均风速至少为17.2 m/s，根据公式(1)计算出单位面积上抛物面天线风压负荷至少为：

W=KS·K0·W0·KH=1.2×1.075

×18.5×1.15=27.44 kg/m2

对于直径为12米的测控天线而言，其面积A=π(D/2)2=113.10 m2，所承受的风压负荷至少为113.10×27.44=3103.46 kg。按照测控天线抗风力等级“8级风保精度，14级风不破坏”的指标要求，在海南地区建设天线塔基和安装天线时，必须充分考虑海南登陆台风“8级以上89.13%，14级以上8.69%”的统计特征。

在测控任务中，如果遇到台风正面登陆且风速监测大于17.2m/s时，需要申请出航天测控网，对天线进行方位/俯仰归零、收藏和插锁，防止测控天线遭受机械性损毁。有条件的地面站可以加装天线罩，增强测控天线抗风力等级的能力。

3.4 测控任务的应急措施

在卫星测控过程中，为保护信道设备，当卫星下行信号AGC电压大于4.5V时，监控分系统会对下行信号和路、差路的射频数控衰减器加6-9dB衰减，但当台风引发强降雨且天线达不到收藏等级仍需继续执行测控任务时，由于降雨衰减可能导致主收信号AGC电压小于3.0V甚至更低。针对此类降雨衰减问题，应采取射频数控衰减器去衰减的操作，即把原有加衰减6-9dB改为加衰减3dB或者0dB。实际工作中发现，去掉6dB衰减，下行信号AGC电压可以提高0.5V。采取去衰减操作的主要目的是防止信号AGC电压过低导致测控天线无法满足自跟踪条件，进而影响测控任务顺利执行。

4 结论

通过处理1989-2018年台风路径数据，对登陆海南的台风源地、移动路径、登陆时间、登陆地点、中心气压、最大风速和台风等级等特征进行了统计分析。然后结合测控天线的抗风力等级指标和测控任务的工作要求，提出了海南地区卫星测控天线系统防御台风的具体措施：(1)登陆海南的台风时间主要集中在6-10月，登陆地点主要集中在海南东部和南部，以文昌、万宁和三亚3个地区登陆台风数量居多，约占登陆海南台风总数的75%，分布在这些地点的卫星测控天线系统需要提前做好防御台风的准备；(2)登陆海南的台风源地为菲律宾以东洋面和南海海域，应密切关注此类海域的台风活动情况，及时发布预报预警信息；(3)天线抛物面直径越大，测控天线的风压负荷越大，登陆海南的台风风力在8级以上的数量占89.13%，按照测控天线“8级风保精度，14级风不破坏”的抗风力等级要求，遇有台风正面登陆且监测风速大于17.2m/s时测控天线应申请退出航天测控网，对天线进行收藏和插锁；(4)针对台风降雨引起的卫星下行信号衰减问题，需要采取去衰减的应急操作，提高跟踪信号的AGC电压，确保测控任务顺利执行。