卫星天线除雪系统的选型与应用

山东广播电视台：于兵 徐洋 杨山叶

卫星通信具有传输容量大、通信距离远、信号覆盖广、安全可靠性高的特点，在电信、广播电视、航天、军事等领域得到了广泛的应用。由于卫星通信的特点，需要在发射和接收站点使用大口径抛物面天线，会受到雨雪、冰冻、日凌等天气和自然环境因素的影响，对卫星通信信号产生干扰，甚至造成通信信号中断、广播电视节目停播等重大安全事故发生。

1.降雪对卫星通信的影响和危害

当冬季来临时，冰雪覆盖在卫星通信抛物面天线表面和馈源喇叭口上面，不仅增加天线载荷，产生的雪衰会使得信号传输质量降低，严重时会造成通信中断。而当化雪时，由于天线表面积雪融化速度不均匀，使得抛物面天线口面形状发生变化，反射面的实际反射效率显著降低，电磁波经反射后出现不规则的相位变化使方向图产生畸变。特别是融化的雪块在天线表面滑动时，会对收发信号产生极大的干扰。

我国疆域辽阔，不同地区气候和地理环境差异很大，冬季降雪不仅会给北方地区的卫星通信带来了影响，对长江中下游广大地区甚至华南地区同样带来危害。2008年我国南方就遭遇了罕见的雨雪冰冻灾害天气，给该地区的基础设施造成了巨大的破坏，对卫星通信产生了严重影响。

2.卫星天线的除雪方式

对于卫星天线的除雪一般分为人工除雪和自动除雪两种方式。

人工除雪包括人工清扫和人工冲水，两种操作完全依靠人力，费工费时低效，低温、湿滑外加高空作业，操作稍有不慎就会对人身安全造成伤害。如果遇到持续降雪或夜间降雪，对人力的消耗是巨大的。

自动除雪分为自动喷水除雪和电热除雪。喷水除雪的效果还可以，需要在天线口面外延周圈敷设供水管线并安装特殊的喷水装置，在降雪开始时及时打开供水截门对天线口面进行喷淋；缺点是降雪时需要持续喷淋，用水量很大，天线下方地面需要排水良好，防止积水冻结，供水管线要有防冻和排空装置，在高纬度严寒地区并不是非常适用。电热除雪是通过给天线安装电力加热装置提升天线反射面的温度使冰雪融化，其优点是除雪效果好，无需人工干预，可实现自动化运行和远程监控；缺点是加热功率较大，对供电负荷要求较高，特别是在多面天线需要同时除雪时。

近年来，电热除雪因其快捷高效的除雪效果和全自动操作方式逐渐被广大卫星通信用户所接受，在各行业卫星通信站点得到广泛应用。

3.电热除雪系统的选型

常见的电热除雪装置分为两种：热风式和加热片式。

3.1 热风式除雪系统

热风式除雪装置主要由暖风机、保温材料、温度和雨雪传感器、除雪控制系统等组成，可实现天线主面除雪、馈源口面除雪和吹雨，通过安装在主反射面面板上温度和雨雪传感器可实现全自动除雪操作。

除雪装置控制系统分为室外单元和室内单元两部分。室外单元为功率模块，主要完成加热装置和风机的控制。室内单元主要完成温度和湿度的信息采集和显示，可手动或自动控制室外单元工作，提供RS422串口实现远程控制。

除雪装置的工作原理是，将天线的反射体背面用保温材料包裹起来，天线主反射面板缝隙进行密封处理，使天线主反射面板、中心体和骨架外侧与保温材料形成一个封闭的空间。通过暖风机对内部空气进行加热，提升天线反射面板的温度，从而达到去除天线反射面冰雪的目的。馈源喇叭也安装了热风喷嘴，加热的空气吹向喇叭口面，可将喇叭口面上的冰雪融化并将密封薄膜上的水珠吹掉，以保证通信正常运行。

在方案设计时，综合考虑天线表面积雪的分布特点，以及内部空间热气流的循环方向，采用了多只暖风机分布式安装的方法，可均匀提高天线口面温度，避免了反射面局部高温产生变形，影响天线精度。

除雪装置有手动和自动两种工作模式。自动状态时，当传感器检测到有降雪且温度低于设定值时，暖风机开始工作，对主面和馈源口面除雪；若温度高于设定值，则对馈源口面进行吹雨操作。手动状态时，可手动控制主面除雪和馈源口面除雪操作，只要给加电指令暖风机立即开始工作。

3.2 加热片式除雪系统

加热片式除雪系统由控制器、加热组件、温度探头、网络设备、远程监控软件组成，通过在天线背面金属面板上直接贴敷电热片方式给天线进行加热，达到消除天线反射面积雪的目的。电加热材料外面覆盖保温层以提高系统工作效率，确保天线表面温度符合除雪要求。在最外层安装双面铝箔复合板，加强系统防护，提高系统的环境适应性和可靠性。

系统对天线反射面温度、加热功率、用户供电负荷等参数进行自动化控制，高效节能；多重安全措施既保证了系统稳定可靠运行，又保证了用户的供电安全；简洁又人性化的人机交互界面让用户操作简便，系统运行状态一目了然。

系统采用以太网技术，天线和设备之间可以相互通讯、智能控制，可以进行远程在线系统升级和维护；可以控制多面天线同时进行加热除雪，统筹功率分配，减轻供电压力；采用多级功率控制，软启动方式，无冲击电流。

4.电热除雪系统的实际应用

经过产品调研、实地考察和综合对比，结合山东地球站天线口径和数量、配电系统容量以及济南地区冬季气候特点等实际情况，最终我们选择了加热片式除雪装置，实现卫星天线的冬季智能化除雪。

4.1 项目组成

本项目由两面9米上行天线、两面4.5米接收天线和加热系统组成，其中加热系统包含加热组件、温度探头、本地控制柜和远程客户端。加热组件采用硅胶自粘电加热材料，发热效率高，绝缘性能好，可直接粘贴于天线反射体背面，热传导效果优异；本地控制柜内装有加热控制器和网络交换设备，用户可通过远程客户端监控软件察看整个系统工作状态，进行参数设置和操作控制。

4.2 工作原理

9米天线根据其物理形状分为36个温区，进行多区独立闭环控制。每分区包含1个发热单元，使用3个及以上温度探头对本区温度进行检测。每个控制器控制5个分区，整面天线共使用8个控制器，控制器之间使用100Base-T以太网连接。4.5米天线分为12个温区，使用3个控制器进行控制。

控制系统依据天线温度、功率等参数对分区进行加热。各分区使用以太网连接，共享使用类似LonWorks总线网络的共享数据库。各分区关键控制数据使用TCP协议，状态数据使用UDP协议，以减轻网络负担。

4.3 电力分配

根据我站配电系统总容量和济南市历史气象数据合理规划除雪装置供电功率，设置9米天线最大加热功率为40kw，4.5米天线最大加热功率为10kw，合计100kw，电力分配如图1所示。加热除雪系统为今后系统扩容保留了功率余量。

图1 ：电力分配示意图

4.4 工作模式

系统有4种工作模式：恒温模式、功率限制模式、自动模式、应急模式。

恒温模式。设置天线表面温度后，各分区对加热功率进行控制使天线表面温度保持在设定温度±1℃内。此模式天线表面温度稳定，在恶劣天气状况下能保证天线表面无积雪，缺点是使用功率较大（实际功率由使用环境决定，一般不大于设计功率的35%）。

功率限制模式。由于部分现场条件限制，无法提供恒温模式所需功率。系统根据“供电区域”限定功率，自由分配天线加热分区进行轮巡加热。分区申请到功率后对该区域进行加热，温度达到设定值（2℃）停止加热，释放的功率由其它分区继续进行申请。该模式使用功率小，但天线表面温度不均匀，可能部分分区会短时出现积雪。

自动模式。结合恒温模式和功率限制模式的优点，在非恶劣天气下工作在恒温模式，保证天线表面温度稳定。在极端恶劣天气下，由于功率超过“供电区域”设定的功率，自动切换到功率限制模式，保证天线正常工作。

应急模式。在本地控制器上装有物理开关,当网络通信出现故障无法进行远程控制时，可以手动切换至强制加热位置进行脱机运行。

4.5 软件界面

远程监控软件显示和操作界面如图2所示。

图2 ：软件显示界面

主窗口为天线正面的模拟图，每一个小块为一个物理分区，鼠标放到每一个分区上,可显示该分区的实时信息；左上角是操作菜单栏，可以选择天线的显示模式，设置天线加热的各种参数，控制天线加热的启动和停止；右侧状态栏，显示当前使用天线的电压、电流、功率、温度等基本参数；底边栏显示通信状态、每面天线加热功率和系统总功率。

界面中天线每个分区根据设定温度显示不同颜色，绿色表示和设定温度接近，暖色系表示分区温度高于设定温度，冷色系表示分区温度低于设定温度。

4.6 系统优势

系统采用分布式设计，任意设备损坏不影响系统运转。使用变频技术，提高天线加热效率，降低温度漂移。根据天线的热传导特性科学设计，大幅提升系统加热效率，比传统除雪方式省电30%以上，在供电不足的情况下也可以保证天线正常工作。

恒温模式下，天线反射面温度稳定度高，温飘小于1℃。功率限制模式下，使用神经元网络，自动判断天线状态，自动进行温区加热。应急模式下，15分钟内可使天线表面温度提升20℃，﹣30℃可保证化雪。多监控端，不限制监控端数量。

4.7 施工要求

内部加热材料使用高效硅胶自粘加热片，具有良好的加热性能和绝缘特性，适合在室外长期使用；中间保温层采用橡塑板，具有高隔热性能，抗老化、耐酸碱、防水，阻燃防火等级达到B1级；外部防护层使用双面铝箔复合板，具备隔热、阻燃、环保的特点，美观抗腐蚀，使用寿命长。施工过程和外观结构详见图3。

图3 ：加热片式除雪装置施工过程和外观结构

加热材料与天线之间、保温材料与加热材料之间、铝箔板与保温材料之间贴合紧密，不得出现松动脱落现象，防止雨水进入除雪装置内部。

全部采用工业级标准的电线、电缆产品，具有UL和CSA的安全认证，绝缘性能好，耐高温不易老化。

在施工工艺上，布线必须规范，确保导线不外露；线槽、线管两端使用防水材料封堵，防止雨水进入；加热材料与导线、导线与导线接合部必须进行绝缘密封处理，防止进水、漏电。

4.8 使用经验

自2019年我站安装了电热除雪系统以后，通过3个冬季的完整使用周期，经历了零下21℃的极端严寒和降雪厚度超过20CM的恶劣天气，经过十几次实际使用，反复调整参数进行测试，摸索出了一套行之有效的使用方法。

在使用“恒温模式”运行时，天线口面温度设置为2℃比较适宜。虽然理论上温度越高化雪效果越好，但这是以大量消耗电能为代价的，系统很容易超过功率设置上限。综合考虑化雪效果和电能消耗，2℃是一个比较好的平衡点，可以确保系统运行平稳。

一定要依据天气预报，提前开启天线加热系统。虽然系统的升温比较快，但如果遇到突如其来的大雪，也会让人措手不及，达不到预想的化雪效果。提前1至2小时开启系统，使天线口面温度维持在2℃左右，足以应对各种级别的降雪情况。

加热系统运行期间，要严格禁止系统参数的设置修改。运行中任何系统参数的修改都将导致系统重新加载，加热程序中断并重启，会对化雪产生不利影响，一定要慎重操作。

功率上限设置要适宜，要综合考虑供电容量、所处地区冬季气温状况和常规降雪情况等因素。功率设置过低，遇低温和大雪，很容易达到功率上限，系统会自动切入到“功率限制模式”，进行轮巡加热，化雪达不到预期效果；功率设置过高，特别是在使用多面天线情况下，会对供电容量有很高要求。

若遭遇极端天气，天线需要快速升温，或加热系统出现网络通信故障无法使用远程控制时，可以启动“应急模式”。所谓应急模式就是在加热装置室外本地控制柜内，将控制器上的钥匙开关从“Auto”位置转到“运行”位置，使其脱离远程软件控制，运行于全功率强制加热状态。应急模式使用完毕后，应返回到“Auto”位置。

对于广电系统用户，若遭遇高寒、大风、暴雪等极端天气，天线口面温度无法维持在2℃附近，加热系统功率快速上升，同时卫星下行接收信号电平出现快速下降等情况时，应及时采取提升上行发射功率、人工冲雪、加热系统启动“应急模式”等手段积极进行应对，并随时做好切换备用天线的准备，以确保播出安全。

5.结束语

电热除雪系统的应用，使我站可以从容应对冬季的降雪天气，节省了大量人力物力，安全播出跨上了一个新的台阶。相信随着科技的发展，网络化、智能化技术的不断应用，电热除雪系统将为广大卫星通讯用户带来更多便利。